APU外部件自動測試方法研究

羅云林，宋洋陽

（中國民航大學 航空自動化學院，天津 300300）

20世紀60年代，輔助動力裝置APU（auxiliary power unit）被引入飛機設計中。APU所提供的動力可以使飛機取消對地面電源車、起動車和空調車的依賴。飛機在起飛過程中，發動機功率可全部用于加速和爬升，從而改善了起飛性能。飛機著陸后關閉主發動機，由APU提供電源照明和調節客艙溫度，可節省燃油、降低機場噪聲[1]。而APU外部件是APU工作性能的基本保障，只有APU外部件正常工作才能使APU發揮其該有的效用。目前，民航業對于APU外部件的檢測方法主要是基于手動檢測，檢測步驟繁瑣，維修效率不高，而且受人為因素和環境干擾影響，存在安全隱患。

采用 OPC（OLE for process control）控制技術實現對智能儀器的分時復用，提高了檢測效率。以萊以特準則為基礎，采用對觀測量變化率進行改進的方法，改善了傳統方法固定閾值帶來的適應性不強的缺點；然后再根據測量數據特點選取合適的小波基函數、分解層數和閾值，對測量信號予以去噪處理，提高了測量可靠性。

1 系統硬件結構

系統采用工控機和測控儀器實現對APU外部件壓縮機排壓傳感器的信號采集，通過采集到的信號數據與標準要求下的數據進行對比來對壓縮機排壓傳感器的健康狀況實現診斷。光伏絕緣耐壓測試儀可以實現45 V～2000 V的耐壓測試，測量精度為0.4%；數字萬用表電壓測量范圍為0.1μV～1000V，電壓測量精度為90天0.002%；直流電阻測試儀電阻測量范圍為 0.1 μΩ～30 MΩ，精度為 0.05%；直流電源供壓范圍為0 V～60 V，精度小于0.03%。

通過OPC控制技術，采用LabVIEW編寫上位機軟件，PLC作為下位機，來控制數字量輸出型繼電器的通斷，選通測量回路，實現各儀器的分時復用功能，降低了系統的復雜性，節約了成本。

儀表系統通過RS232或GPIB傳輸線將測量數據傳給上位機進行處理。采用SCPI通信協議，實現了與智能儀器的通信。系統硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構Fig.1 System hardware structure diagram

2 系統軟件設計

軟件部分是整個自動測試系統的核心，主要完成了APU外部件壓縮機排壓傳感器的絕緣電阻測試、泄露測試、濕氣入侵測試以及功能測試，采用LabVIEW進行開發。軟件編寫采用了模塊化設計思想，將系統劃分成幾個相互獨立的功能模塊，分別是OPC控制模塊、數據采集模塊、數據分析與處理模塊、數據庫存儲模塊、報表生成及打印模塊。

2.1 OPC控制模塊

遵從OPC規范，編寫了OPC客戶端程序和OPC服務器程序，OPC客戶端程序在LabVIEW里通過創建共享變量并寫入相應的值，實現了對OPC服務器程序控制。Vb作為中間寄存器，將LabVIEW賦給的值通過OPC服務器程序傳遞給PLC數字量輸出寄存器Q，PLC輸出口連接到相應的繼電器，進而控制繼電器通斷。這樣實現了上位機直接對PLC控制，無需反復編寫PLC程序和下載到PLC，減輕了工作量，節約了時間，使控制更加便捷高效。

2.2 數據采集模塊

采用了LabVIEW中的VISA Configure Serial Port、VISA Read、VISA Write、VISA Close 等函數實現。VISA Configure Serial Port函數配置串口波特率為9600，數據位為8位，無奇偶校驗位，停止位為1位。將要通信的SCPI指令寫入VISA Write函數，返回值通過屬性節點獲取其串口字節數，進行判斷，若不為空，則跳出循環，進行下一條指令。VISA Read函數用于讀取返回數據，VISA Close函數則在程序執行完后，關閉串口程序，節省內存資源[2]。

2.3 數據分析與處理模塊

本模塊對接收到的數據進行分析處理，通過LabVIEW程序框圖中的庫函數節點，直接調用DLL庫，很方便地實現了與其它編程語言的互通。利用動態鏈接庫技術，調用C語言開發的CRC校驗碼生成程序，對接收到的數據幀進行校驗，只接收正確的數據幀，從而保證數據通信的準確性。

經校驗后，將得到的正確數據幀進行拆分，獲取所需測量參數。將所得的測量參數經過去噪處理，即可使數據更加接近真實值，提高測量精度。

2.4 數據庫存儲模塊

通過LabSQL技術調用Microsoft Access數據庫，實現對數據的存儲、查詢、刪除等復雜功能[3]。通過查看歷史測量數據，對數據分析、比較，可對APU外部件的運行狀況實現預判斷。對出現故障的外部件，測量數據可用于提供故障特征值，統計出故障庫，有利于對測試的外部件實現故障診斷。

2.5 報表生成及打印模塊

通過New Report.vi調用預先編輯好的模板，節省了報表生成時間[4]。Append Report Text.vi將測量結果插入到模板中的占位符處，實現測試結果寫入。調用Save Report to File.vi可將生成的測試報表保存到設定的路徑，Print Report.vi可實現報表的自動打印，框圖程序最后使用Dispose Report.vi關閉報表生成程序。

3 數據預處理與小波去噪

3.1 改進的萊以特準則數據預處理

設當前時刻為i，可知已觀測樣本時間序列為（x1，x2，…，xi）（i≥2），求觀測量相鄰時刻的變化率為

計算i時刻之前所有相鄰時刻變化率的均值為

根據之前得到的變化率均值，計算i時刻之前所有觀測值變化率的均方根誤差估計值為

檢驗原則：若當前i時刻與i-1時刻的觀測值變化率如式（4）所描述，其絕對值大于，則可認為是粗大誤差或奇異值點。

根據以上基于觀測變化率而提出的粗大誤差判定準則，對檢驗出的粗大誤差予以剔除和校正。

采用基于萊以特準則的改進觀測量變化率方法，對APU壓縮機排壓傳感器電壓信號進行粗大誤差檢驗并校正處理后的結果如圖2所示。

由圖2可知，采用改進觀測量變化率檢驗方法進行粗大誤差的檢驗與校正后，其存在的粗大誤差基本被消除。

3.2 測量數據隨機誤差的小波降噪

3.2.1 小波函數的選擇

由于小波函數的種類很多，因此小波變換對于小波函數的選擇不唯一[5]。因為要測量的電壓信號為毫伏級，所以選擇相對較靈敏的小波dbN，在N=3時，應用db3能保證很好的峰值情況，得到的曲線也對原序列的大致概貌有具體的體現。故此處選擇db3作為小波函數進行后面的小波分解。

3.2.2 分解尺度的選擇

對分解尺度選取1、2、3、4時，通過分析比較，當分解尺度選取1和2時，小波降噪的效果都不是很明顯。而隨著分解尺度的增大，分解序列表現的越來越光滑，在分解尺度大于等于4時，分解序列將過于光滑，可看出此時分解后的低頻概貌不能很好地表現原序列概貌。因此，綜合看來本文選擇3層小波分析較合適。

3.2.3 閾值的選取

啟發式閾值是Stein無偏似然估計閾值和固定閾值的綜合，是最優變量閾值選擇[6]。將N個小波分解系數的平方按由小到大的順序排列，組成向量P=［p1，p2，…，pN］，p1≤p2≤…≤pN。 定義風險向量 R，其元素為

以R中元素的最小值ra作為風險值，由ra的下標變量a求出對應閾值為

式中，ε為噪聲信號的偏差，往往由第一層小波分解系數估計，其估計為

式中：wi，j為第1層小波分解系數；k為高斯白噪聲標準偏差的調整系數，一般取為0.6745。

選取啟發式閾值對小波分解系數的高頻部分進行量化處理。根據壓縮機排壓傳感器的數據特點和小波去噪理論分析，確定選擇小波db3，采用啟發式閾值，對已進行過粗大誤差處理后的數據進行3層尺度的小波多分辨率分析。小波去噪處理后的信號如圖3所示。

圖3 小波降噪后的信號Fig.3 Signal figure after wavelet noise process

評價去噪效果的好壞是影響后續工作分析的重要部分，常用的評價指標有均方誤差、性噪比、平滑度等方式。表1給出了均方誤差、信噪比、平滑度值以及相關系數進行評價分析。

表1 隨機誤差小波分析處理方法評價系數參數表Tab.1 Wavelet processing method evaluation table of random error

由評價參數可知，進行小波降噪后的信號能更加真實地反應壓縮機排壓傳感器電壓的變化情況，為后續測試診斷提供更加可靠的數據。

4 實驗測試結果

本自動測試方法是基于APU外部件自動檢測平臺，通過改進的萊以特準則和小波分析方法將采集上來的數據經過濾波處理后傳給上位機，當上位機所采集的測量數據在正常范圍內時，綠色布爾控件將會點亮，提示測試通過；如果測量數據超出正常范圍，前面板上的紅色布爾控件將會點亮，提示測試未通過。通過紅綠色布爾控件的顯示情況，可以使工作人員對測試的結果有一個比較直觀的了解，方便排查故障，進行維修。

通過對壓縮機排壓傳感器的實際測試，絕緣電阻測試的正向測量值為242.2 MΩ，反向測量值為238.9 MΩ，大于測試要求的100 MΩ，故而綠色布爾控件點亮，測試結果為accept。泄露測試和濕氣入侵測試，通過工作人員現場觀察現象，氣壓泄露和濕氣入侵都在允許范圍內，測試結果顯示為accept。功能測試的第三步測量結果為57.30 mV，不在測試要求的49.00 mV～51.50 mV范圍內，故紅色布爾控件點亮，顯示測試未通過，測試結果顯示為reject。實驗測試結果如圖4所示。

圖4 實驗測試結果Fig.4 Experimental test result

5 結語

從APU外部件自動檢測功能的實際需求出發，開發了基于LabVIEW的APU外部件自動檢測系統。通過模塊化編程，實現了本系統的自動檢測功能。該檢測系統包含信號采集、數據分析與處理、數據保存、生成測試報告等功能。并通過改進的萊以特準則和小波分析對測量數據進行處理，提高了測量可靠性。經運行調試，該系統操作簡單、界面友好、功能豐富，實用性和可擴展性強，能滿足對APU外部件壓縮機排壓傳感器的自動檢測要求。

基于本自動檢測方法的自動檢測系統今后還可進一步擴展，如擴充其它外部件的檢測，增加通信協議，改進用戶界面等，以使系統不斷完善。

[1]孫立.APU技術進展和維修現狀[J].國際航空，2009（2）：58-60.

[2]夏中亞，王偉，陸曉明，等.基于LabVIEW的某型舵機綜合性能測試系統[J].計算機測量與控制，2015，23（1）：53-56.

[3]冉寶春，郭慶吉.應用LabSQL構建和訪問數據庫的方法[J].工業儀表與自動化裝置，2005（6）：48-50.

[4]李磊，楊峰，何耀.基于LabVIEW的檢測報告自動生成方法研究[J].自動化儀表，2012，33（1）：66-69.

[5]吳偉，蔡培升.基于MATLAB的小波去噪仿真[J].信息與電子工程，2008，6（3）：220-222.

[6]Quiroga R Q，Garcia H.Single-trial event-related potentials with wavelet denoising[J].Clinical Neurophysiology，2003，114（2）：376-390.