航空發動機試驗數據采集分析系統設計與實現

曹 陽，李文峰，陳震宇，喬 黎

（沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

1 引言

作為飛機最重要的組成部分，航空發動機的試驗測試貫穿全壽命期，在研制過程中起著舉足輕重的作用。沒有大量高效的試驗，就沒有高性能的航空發動機[1]。在整機試驗過程中產生的試車數據為發動機設計和改進提供了重要依據，如何利用并充分使用通過整機試驗所搜集更多的試車相關數據顯得尤為重要。

本文介紹了經改進的新型航空發動機試驗數據采集分析系統。

2 系統分析

航空發動機試驗數據采集分析系統考慮了系統實施的要求以及國內外相似系統的現狀，將數據采集、數據管理和數據應用分成了3級結構。數據采集系統通過數采設備以一定的速率將發動機的參數和設備狀態收集起來，存儲在本地磁盤，再通過數據導入程序將試驗數據提交給遠端數據庫服務器進行存儲和管理。使用者如需對試驗數據進行分析應用，即可通過合法的身份驗證后連接到遠端數據庫，再對發動機的歷程數據進行回放等相關操作。其系統結構如圖1所示。

3 系統設計與實現

3.1 數據采集部分硬件設計

數據采集部分的硬件主要由數采計算機、數字綜調與PLC通訊計算機、NEFF470數采系統、溫度采集模塊DTS3250、壓力采集模塊DSA3017、傳感器等組成。其配置框圖如圖2所示。

3.1.1 NEFF470數據采集子系統

NEFF470數據采集系統是美國NEFF公司的產品，其采用GPIB總線，精度均優于0.05%，具有數據吞吐能力強、可靠性高、模塊化等特點。本設計采用3塊470050、11 塊 470051、2 塊 470055和1塊470012用于測量臺架所有電壓信號以及頻率信號，采集速率理論可達每通道45次/s。

3.1.2 DTS3250和DSA3017模塊

本系統采用的DTS3250為32通道電偶掃描閥，可單獨設置每通道的電偶類型，并有加熱功能，冬季也可在試車間內使用，支持RS232和TCP/IP協議，可將采集到的溫度信號直接轉化為溫度值或電壓值，用串口或者網絡傳給采集計算機，有效地解決了溫度信號模擬量在傳輸過程中易受干擾和易衰減問題。DSA3017為16路氣壓測量掃描閥，采樣速率為每通道45次/s，支持TCP/IP協議，在17 kPa～3.5 MPa范圍內精度可達0.05%，可將其置于臨近發動機的位置，這樣大大減弱了測量氣壓時的容腔效應，提高了動態響應頻率，保證了測試精度。

3.2 軟件設計

3.2.1 軟件總體結構

本系統是在WindowsXP環境下，采用VB和MeasurementStudio進行開發，數據庫采用SQL2005系統，通過ADO實現對數據庫的訪問。

為了滿足試車時的測試要求，實現數據分析和管理功能，降低軟件開發復雜程度，本系統按照功能結構分成3部分：數據采集程序、數據導入程序和客戶端程序，其軟件結構如圖3所示。

3.2.2 主要功能

系統采用面向對象技術，并使用了大量的生動、豐富的圖形界面，方便試驗者使用[2]。將本系統概括起來主要包括3個部分：數據采集、數據存儲與處理、歷程數據的回放。

（1）數據采集

本系統在進行NEFF470采集通道初始化時，根據實際參數個數動態初始化通道，減少了采集通道的數量，避免了系統資源浪費。在采集速率上使用多媒體定時器實現數據采集速率的控制，最低定時精度可以達到1 ms，并且有很高的優先級，與NEFF470配合可以實現數據高速采集。對于DTS3250和DSA3017，可以在數采程序中分別對其進行設置，再通過Winsock方式將數字信號傳輸給數采計算機。

（2）數據存儲與處理

為輔助整機試驗后的分析、數據處理及輸出，將每次開車時由數采計算機所采集到的發動機全參數數據、設備信息、報警信息和相關配置信息都暫存在本地硬盤上，試車結束后通過數據導入軟件將試車數據提交給遠端數據庫服務器。這樣就可以借用數據庫命令方便地實現相關的查詢、統計等功能，而且通過為不同用戶賦予不同的訪問權限，使試車數據的安全性和有效性得到了保障。發動機穩態記錄數據是發動機性能計算的重要參照數據，目前穩態數據采集的主要手段是依靠試車記錄員手工記錄，這樣產生的穩態數據難免出現誤操作和漏記現象，也無法保證一定能夠采集到合適的穩態采集點，從而使設計人員分析、挑選數據遇到很大麻煩。本系統根據油門桿角度變化來自動判定穩態起始點和結束點，再根據起始點、結束點記錄的時間參數來判定穩態段的時間長度。同時為了避免因為操縱員控制油門桿時的調整帶來穩態段的誤判，又增加了穩態段時間長度判斷條件，并使用了狄克遜準則[3]對異常數據進行剔除，保證了通過本系統自動產生的穩態數據的準確性。

狄克遜準則步驟如下：

a.按大小次序排列的觀測值x(1)≤x(2)≤…≤x(n)計算統計量。

b.按表 1 計算 D、D'。

d.當D＞D',D＞?D1-α(n),x(n)離群；當D'＞D，D'＞?D1-α(n),x(1)離群；重復a～c，否則判斷無離群值。

（3）歷程數據回放

發動機試車數據主要用來驗證發動機設計及排故，而如何通過繪制發動機歷程曲線讓設計人員更加便捷地了解發動機的工作狀態十分重要。本系統實現了繪制發動機多參數隨時間變化曲線功能，而且考慮到全屏繪制試車歷程曲線可能對局部細節描繪不清晰，特別提供了曲線局部放大功能，再考慮到用戶可能將歷程數據做進一步分析計算，又提供了歷程數據導出功能。

表1 雙側狄克遜檢驗式

表2 雙側狄克遜檢驗的臨界值1-α(n)

表2 雙側狄克遜檢驗的臨界值1-α(n)

n 統計量 95% n 統計量 95%3 0.529 4 0.829 18 0.514 5 0.710 19 0.501 6 0.628 20 0.489 7 0.569 21 0.478 r10和 r10′中的較大者0.970 17 r22和r22′中的較大者0.608 22 0.468 9 0.564 23 0.459 10 0.530 24 0.451 11 8 r11和 r11′中的較大者0.619 25 0.443 12 0.583 26 0.436 13 0.557 27 0.429 14 r21和 r21′中的較大者0.586 28 0.423 15 0.565 29 0.417 16 0.564 30 0.412 r22和r22′中的較大者

4 結束語

本文介紹的航空發動機試驗數據采集分析系統將航空發動機、試驗設備、傳感器以計算機為基礎組成了1個包含航空發動機測試和試驗數據管理分析的綜合系統，充分地挖掘了現有數據采集設備能力，有效地管理數目繁多的試驗數據，而且通過使用者對試驗數據進行相關的科學分析，極大地提高了試驗數據的使用效率，較好地滿足了航空發動機研制和排故的需要，實現了采集信號的準確測量和試車數據的高效管理，提高了試車數據的使用效率。經實踐證明，該系統工作穩定可靠，測試精度高，界面美觀，滿足了系統設計性能的要求，對推進試驗合理進行，提升發動機研制水平，縮短發動機研制周期都具有重要的現實意義，具有較高的推廣價值。

[1]單曉明.數字化試驗業務平臺在航空發動機測試領域的應用與實踐 [J].工程實踐，2009(6):35-37.

[2]李曉松.渦噴發動機動態模擬試驗臺測控系統設計 [J].機械設計與制造，2005(10):56-57.

[3]馮榮琥.狄克遜準則剔除粗誤差的微機應用 [J].四川標準化與計量，1995(2):29-31.