航空伺服高度表半實物仿真實訓平臺的開發

張 迪, 楊 濤, 何光亮, 楊 娟

(1. 中國民航大學 工程技術訓練中心, 天津 300300； 2. 中國民航大學 電子信息與自動化學院, 天津 300300)

航空伺服高度表(aviation servo altitude indicator, ASAI) 用于接收大氣數據計算機(air data computer, ADC)信號,計算和指示飛機的當前氣壓高度,對飛行安全起著至關重要的作用[1-3]。因此,在ASAI電路級測試、排故與修理等實訓教學環節也有較高的要求和標準。以往以飛機航材件為操作對象的航空電子實訓教學存在航材件價格昂貴、教學成本高、教學設備數量少、學生獨立操作機會少、航材件不能設置故障、反復或不熟練操作對航材件結構和電子元器件易造成損壞等教學問題。因此,將電路仿真技術、虛擬儀器技術、虛擬現實技術與現代電子技術相結合,依據ASAI維修規范與標準,建立半實物仿真實訓平臺,是有效地解決上述問題的一種技術方法。

1 總體設計

ASAI半實物仿真實訓平臺由虛擬仿真系統和實物測量系統兩部分組成。

虛擬仿真系統以計算機為核心處理部件,建立具備航材件外形和基本功能的ASAI虛擬仿真件,建立測試與排故模型和虛擬操作人機界面,實現ASAI電路級測試與排故的虛擬操作,達到規范性和熟練性工程訓練目的。其中,ASAI虛擬仿真件有以下功能:

(1) 設置氣壓基準值,以inHg(英寸汞柱)和mbar(毫巴)2種單位、數字刻度盤(碼盤)形式指示,設置范圍為28.10～31.00 inHg和950～1 050 mbar。

(2) 接收ADC仿真信號,以當前設置的氣壓基準值計算氣壓高度,以數字刻度盤(碼盤)、指針及圓形刻度盤兩種形式指示,高度指示范圍為-1 000～+50 000英尺。

(3) 生成與ASAI航材件內部電路板測試點信號一致的仿真信號(正常信號和故障信號)。

實物測量系統以微處理器為核心處理部件,實現與虛擬仿真系統的數據傳輸。將ASAI虛擬仿真件的電路板測試點仿真信號轉換為真實電壓信號并實時輸出,用于電信號的測量與顯示。

2 虛擬仿真系統的設計與實現

2.1 ASAI虛擬仿真件的數學模型

根據ASAI的工作原理、工藝結構以及與ADC信號傳輸關系,建立ASAI虛擬仿真件的數學模型,如圖1所示。

圖1 ASAI虛擬仿真件的數學模型

ASAI的粗、精同步接收器(CT1、CT2)與ADC的粗、精同步發送器(CX1、CX2)均為控制式自整角機,且粗、精同步接收器具有相互垂直的雙轉子結構。CX1和CT1為粗同步通道,CX2和CT2為精同步通道,且兩通道轉子的角速度比率為i(i=27),組成雙速角同步隨動系統[4-6]。若CX1、CX2轉子與定子軸線夾角分別為A1、A1′,CT1、CT2轉子與定子軸線夾角分別為A2、A2′,則δ=A2-A1。CT1和CT2轉子協調位置的失調角分別為γ1和γ2,則γ1=90°-δ,γ2=90°-iδ。

ADC通過雙速角同步隨動系統,將具有氣壓高度信息的A1、A1′實時傳輸至ASAI,并輸出感應電勢仿真信號。經雙通道開關電路仿真模型切換,接至放大電路仿真模型,驅動二相交流伺服電機仿真模型,經電機-高度轉換系數K,轉換為氣壓高度值并在模擬指示器實時顯示。同時,利用高度-角度模型改變A2、A2′和δ,減小γ1和γ2,起位置(角位移)反饋作用。測速機仿真模型產生轉速信號起速度反饋作用。ASAI采用速度和位置雙閉環反饋構成一個伺服機構,以提高系統的動態穩定性。

調節旋鈕BARO在模擬指示器上顯示氣壓基準值,同時,經氣壓-高度模型和高度-角度模型提供附加位置(角位移)反饋,改變A2、A2′和δ,減小γ1和γ2,起氣壓基準調節作用。

2.1.1 感應電勢仿真模型建模

根據控制式自整角機工作原理,CT1和CT2轉子繞組輸出的感應電勢為:

(1)

(2)

其中,U1、U3分別為粗、精調正弦信號,U2、U4分別為粗、精調余弦信號,ω為勵磁交流電源角頻率,E1、E3、E2、E4為相應的振幅,Em為感應電勢最大值。因此,當CT1、CT2轉子不處于協調位置、存在失調角時,將輸出感應電勢。

2.1.2 高度-角度模型建模

(3)

其中,k1=5 000英尺/360°=13.89英尺/(°),表示CX2轉子每轉動1°,氣壓高度變化為13.89英尺。k2=ik1,表示CX1轉子每轉動1°,氣壓高度變化為374.99英尺。由ASAI高度指示范圍可知,A1角度范圍為-2.67°～133.33°。

2.1.3 氣壓-高度模型建模

根據理想氣態方程、流體靜力學方程、ASAI高度指示范圍推導出氣壓基準值pb與氣壓高度Hc的關系:

(4)

2.2 ASAI虛擬仿真件的仿真電路

針對ASAI虛擬仿真件的數學模型,結合ASAI航材件內部電路板功能,在Multisim開發環境下設計仿真電路(見圖2),實現ASAI虛擬仿真件的基本功能。ASAI虛擬仿真件的仿真電路包括感應電勢仿真電路和ASAI內部電路板仿真電路。其中ASAI內部電路板仿真電路包括雙通道開關電路、放大電路、測速機電路、伺服電機電路、電源電路和監控電路。

二極管CR12—CR15構成橋式整流電路,將工作電源(26 VAC/400 Hz)經變壓器T1調壓,輸出+15 VDC和-15 VDC,為其他電路供電。程控直流信號源(V5、V6、V7、V8)和程控交流信號源(V1、V2、V3、V4)的調制信號,模擬粗、精調信號U1、U2、U3和U4,控制端口(CP1—CP4)模擬振幅變化,交流信號源模擬勵磁交流電源(幅值為1 V,頻率為400 Hz)。

相同二極管CR1—CR4構成一個雙通道開關,切換AMP輸入信號U1和U3。CR1和CR2反向并聯,只有當E1大于二極管正向導通電壓(1 V)時,U1接至AMP輸入端口(—)。CR3和CR4反向并聯且一端接地,只有當E3小于二極管正向導通電壓(1 V)時,U3接至AMP輸入端口(—),而不通過CR3和CR4導入地。三極管Q1和Q2構成乙類互補對稱型功率放大電路。Q1和Q2周期性導通以提高功率放大的效率。AMP構成比較器,輸入端(+)接地。當輸入端口(—)信號幅值為正時,AMP輸出端信號為高電平,Q1導通；當輸入端(—)信號幅值為負時,AMP輸出端信號為低電平,Q2導通。Q1和Q2輸出信號(C)為方波,且幅值不變,頻率和相位與U1、U3相同。當輸入端口(—)信號幅值為零時,AMP輸出端信號為零電平,Q1和Q2截止。

圖2 ASAI虛擬仿真件的仿真電路

由式(1)和式(2)可知,γ1和γ2與E1和E3成正比。因此,當失調角較大時,粗同步通道接至放大器,轉子接近至協調位置；當失調角小到一定程度時,粗同步通道至放大器,轉子更精確地進入協調位置。當CT1轉子處于協調位置時,若γ1=0°,則E1=0,C=0,E2=Em；當CT1轉子不處于協調位置時,若γ1>0,則E1>0,E3>0,U1、C相位與Uf、AC相同；若γ1<0,則E1<0,E3<0,U1、C相位與Uf、AC反向。CT2轉子同理。

三極管Q4和Q5構成警告旗驅動電路。Q5基極監控CT1和CT2輸出信號(U1、U2、U3、U4)、高度有效信號(ALV)、轉換電源。正常情況下,若CT1和CT2轉子處于協調位置時,由上述可知,Q3、Q9和Q6截止。ALV由ADC輸入高電平,則Q5、Q4導通,L供電驅動并收起警告旗。當CT1和CT2轉子處于失調位置或任一監控點出現故障時,Q3、Q9和Q6導通,Q5基極接地；或電源電路故障時,則Q5、Q4截止,L不供電,警告旗放下。

2.3 ASAI電路級虛擬測試與排故模型

利用Multisim軟件開發環境的HB/SC類型連接器,在ASAI虛擬仿真件的仿真電路中添加LabVIEW軟件交互接口(見圖2),包括電路板端口(IO1—IO14)、故障監視點(TP1—TP6)和控制端口(CP1—CP4)。同時,在LabVIEW協同仿真終端界面,根據ASAI仿真電路交互接口的信號流向,設置交互接口模式類型(輸出或輸入)。

在LabVIEW軟件開發環境下,利用Control Design&Simulation模塊執行控制系統的數值仿真[7-10],利用Co-Simulation插件執行仿真電路的實時控制[11-12],生成與ASAI航材件內部電路板測試點信號一致的仿真信號,建立ASAI電路級虛擬測試與排故模型。

如圖3所示,在LabVIEW程序界面后面板調用“控制與仿真循環”控件,并放入“Multisim Design”控件,選擇ASAI仿真電路。利用上述Multisim與LabVIEW軟件之間交互接口,實現LabVIEW和Multisim仿真引擎之間ASAI仿真電路數據的交聯。由“公式節點”控件建立式(1)和式(2)的數學邏輯關系,通過CP1—CP4仿真和生成CT1、CT2轉子輸出感應電勢幅值的變化規律。由“公式節點”控件建立式(3)和式(4)的數學邏輯關系,仿真和生成氣壓、高度、CT1和CT2轉子角度的變化規律。

圖3 LabVIEW程序界面后面板

2.4 虛擬操作人機界面

如圖4所示,ASAI虛擬仿真件指示器的程序前面板包括氣壓高度模擬指示器、氣壓基準模擬指示器、調節旋鈕BARO,顯示模式與ASAI航材件一致。程序后面板子VI程序模塊,實時接收仿真電路中伺服電機驅動信號,經電機-高度轉換系數K,通過“量表”控件、“旋鈕”控件和“數值顯示”控件,實現與真實ASAI航材件一致的動態顯示功能。

圖4 LabVIEW程序界面前面板

電路板三維模型的程序前面板用于顯示ASAI內部電路板三維視景圖形,增加虛擬操作的形象性和真實性。需要繪制ASAI內部電路板三維模型,并生成虛擬現實建模語言(VRML)格式文件,即.wrl文件；程序后面板的“加載VRML”控件調用.wrl文件,并在“三維圖片”控件上顯示。“縮放對象”控件通過Shift按鍵和鼠標實現對象的任意縮放,X軸、Y軸和Z軸顯示比例的初始設置均為0.1。“設置平移”控件通過Ctrl按鍵和鼠標實現對象的任意平移,X軸、Y軸和Z軸向量的初始設置均為-1.5。“旋轉X軸”控件實現對象以X軸為中心旋轉,初始設置為0°,“三維圖片”控件的視角控制器設置為球面和自動重繪模式時,通過鼠標任意旋轉。

“電路級測試窗口”用于根據測試與排故的需求,選擇需要測試的ASAI內部電路板輸入/輸出端口和故障監視點,即軟件交互接口IO1—IO14、TP1—TP6和CP1—CP4,相應端口和測試點信號經實物測量系統輸出。

“電路級維修窗口”用于根據修理需求,選擇需要更換的ASAI內部電路板上的電子元器件(如電阻、電容、二極管、三極管等)標號。

“ASAI維修規范與標準”的程序前面板用于查詢ASAI測試、排故和修理的技術依據、維修標準和操作步驟。程序后面板的“事件結構”控件監視前面板“資料按鍵”點擊事件的狀態。當事件為真時,調用“當前VI路徑”控件、“拆分路徑”控件、“創建路徑”控件以及ASAI維修規范與標準.pdf文件名稱,建立一個指定路徑。通過調用“執行系統命令控件”從VI內部執行和啟動其他Windows系統的應用程序,調用和打開指定路徑和名稱的.pdf文件。點擊“返回按鍵”后則回到主界面。

3 實物測量系統的設計與實現

實物測量系統利用LabVIEW軟件中NI-DAQmx的虛擬通道創建函數、寫入函數、等待直至完成函數、定時函數、開始任務函數、停止任務函數和屬性節點函數,根據Multisim軟件交互端口IO1—IO14、TP1—TP6、CP1—CP4,配置數據采集電路板輸出端口工作模式。

(1) 數字通道輸出模式。由人機交互界面中“電路級測試窗口”的上述端口和測試點號碼,輸出相應的八位二進制通道編碼,實現測試端口的選擇功能。

(2) 模擬通道輸出模式,產生上述所選端口和測試點的真實電壓信號。

如圖5所示,FPGA控制電路板將通道編碼生成繼電器驅動電路板的控制信號,實現各繼電器的通斷,從而將所選信號通道接通到對應的測試端口,輸出數據采集卡生成的真實電壓信號,點亮對應的測試通道指示燈。測試端口通過外置的增益式探針與數字示波器連接,實現ASAI內部電路板測試點信號的真實測量與顯示。此外,可以利用以太局域網絡實現對ASAI內部電路板測試點的遠程選擇。

圖5 ASAI半實物仿真實訓平臺

4 測試與應用

按照ASAI維修規范與標準,ASAI半實物仿真實訓平臺的測試與排故程序如下:

(1) 在虛擬操作人機界面中,點擊“開始測試”按鍵,運行ASAI半實物仿真實訓平臺；

(2) 調節“ASAI指示器”的“BARO旋鈕”,設置標準大氣壓,直至“氣壓基準模擬指示器”碼盤轉動為29.92 inHg和1 013 mbar；

(5) 若h指≠h測,調節“ADC窗口”內iA1測,直至h指=h測；

(6) 依據ASAI維修規范與標準對A1測允許值范圍的要求,判斷ASAI處于正常狀態還是故障狀態,測試結果如表1所示；

表1 按照ASAI維修規范與標準的測試數據

(7) 若出現故障,在“電路板三維模型”窗口旋轉ASAI內部電路板3D圖形,結合“ASAI維修規范與標準”窗口內.pdf文件信息,進行故障分析；

(8) 根據測試與排故需求,在“電路級測試窗口”選擇ASAI內部電路板測試點IO1—IO14、TP1—TP6、CP1—CP4,在硬件平臺相應的“測試端口”上連接“增益式探針”與“數字示波器”,觀察和測量電壓和波形,進行故障定位(見圖6),正常情況下,虛擬仿真件IO6和IO11輸出電壓信號與真實航材件基本一致；

圖6 信號測量結果

(9) 在“電路級維修窗口”選擇ASAI內部電路板上電子元器件標號,點擊“更換”按鍵,替換相應的新電子元器件。

ASAI半實物仿真實訓平臺的測試與排故操作規范和流程與ASAI航材件一致,因而有效地降低了航空電子實訓教學的成本,增加了教學設備數量和學生獨立操作機會。根據教學需求設置典型的電路級故障,不僅提高了教學質量、教學效率和教學效果,學生的工程能力和職業素質也顯著提升。

5 結語

利用電路仿真技術建立的虛擬仿真件仿真電路實現了真實航材件的基本功能,能夠生成內部電路板測試點的仿真信號；利用虛擬儀器和虛擬現實技術建立的虛擬仿真件的三維外形、測試與排故模型、虛擬操作人機界面,能夠實現電路級測試、排故和修理的虛擬操作。通過進一步與現代電子技術結合,半實物仿真實訓平臺能夠輸出真實的電壓信號,以虛漸實、以虛助實、以虛擴實、虛實結合,實現與飛機航材件維修情景一致的信號測量與顯示,有效地增加學生實際操作時間,為機務工程維修實踐教學設備開發提供了一種技術方法。

參考文獻(References)

[1] 趙淑榮,羅云林.大氣數據系統[M].北京:兵器工業出版社,2004.

[2] 付瑩.大氣數據計算機自動測試系統測試軟件通用開發平臺構建[D].南京:南京航空航天大學,2015.

[3] 吳慶睿.大氣數據計算機綜合測試系統[D].成都:電子科技大學,2015.

[4] 王玉松,高歡,劉連生,等.雙通道數字伺服系統在航空測試中的應用[J].自動化與儀表,2011(11):53-56.

[5] 任鵬會,鄭剛,麻紅梅.雙通道伺服系統的數字化實現[J].現代電子技術,2005(18):116-117.

[6] 趙華.一種自整角機信號數字化轉換方法研究與實現[D].大連:大連理工大學,2011.

[7] 牛群峰,王莉,胡紅生.LabVIEW虛擬儀器系統開發與實踐[M].北京:中國電力出版社,2011.

[8] 使用NI LabVIEW和NI Multisim實現數字電路和模擬電路的聯合仿真[EB/OL].http://www.ni.com/white-paper/13663/zhs/.

[9] 楊立娜,崔文華,王順俞.基于Multisim和LabVIEW的模擬電路虛擬實驗平臺的設計[J].中國教育信息化,2014(2):66-69.

[10] 肖如杏,房俊龍,楊方,等.基于LabVIEW和Multisim的電子電路虛擬實驗室[J].東北農業大學學報,2008,39(4):106-108.

[11] 張天宏,丁毅,卞春江.自動控制綜合教學實驗儀器開發[J].實驗室研究與探索,2004,23(12):141-143.

[12] 韋青燕.基于LabVIEW和Multisim的串聯校正實驗軟件平臺開發[J].實驗室研究與探索,2015,34(2):128-131.