面向民機(jī)總裝的液壓能源信號(hào)模擬器開發(fā)與驗(yàn)證技術(shù)研究

李徐輝 楊達(dá)勇 童 彥 聶松亮 焦 陽

(上海飛機(jī)制造有限公司 上海 201324)

0 引 言

我國民用飛機(jī)總裝自動(dòng)化、集成化、智能化測試技術(shù)研究尚處于起步階段，各項(xiàng)技術(shù)的研究正在不斷地深入完善。飛機(jī)液壓系統(tǒng)是飛機(jī)上以油液為工作介質(zhì)，靠油壓驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成特定操縱動(dòng)作的整套裝置，主要用于飛行控制、起落架等機(jī)電系統(tǒng)，其功能的可靠性嚴(yán)重影響飛行安全。目前液壓系統(tǒng)的總裝功能測試必須在航電系統(tǒng)正常工作情況下開展(因液壓與航電存在交互信號(hào))，若測試過程中出現(xiàn)故障，無法排除是航電系統(tǒng)還是液壓系統(tǒng)故障，難以進(jìn)行故障定位和故障隔離，會(huì)造成總裝測試效率低下、排故困難的現(xiàn)狀。

近年來，國內(nèi)外研究人員對(duì)飛機(jī)液壓系統(tǒng)開展了大量的研究，主要集中在液壓系統(tǒng)的故障診斷方面[2-4]。張莉等[5]提出了一種基于AHP故障樹下的飛機(jī)液壓系統(tǒng)故障分析方法，為主觀故障診斷提供參考。樊慶和等[6]在研究中提出直讀式鐵譜儀和分析式鐵譜儀兩種方法，對(duì)飛機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷研究，可判斷液壓系統(tǒng)主要部件液壓泵的磨損情況。研究表明儀表、設(shè)備診斷法對(duì)早期故障的排除或故障的預(yù)防具有重要意義。竇丹丹等[7]基于信息熵特征權(quán)值分配和支持向量機(jī)(SVM)多分類的故障診斷方法，通過提取飛機(jī)液壓系統(tǒng)壓力信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征并建立SVM多分類器，對(duì)正常狀態(tài)與多種故障狀態(tài)進(jìn)行分類，不僅有效降低了支持向量機(jī)模型的計(jì)算復(fù)雜度,還提高了分類精度。此外，李耀華等[8]采用熵權(quán)ABC-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷模型對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，為飛機(jī)液壓系統(tǒng)的故障診斷提供一種新思路。綜上可知，目前研究主要圍繞液壓系統(tǒng)的故障診斷方法進(jìn)行開展，而對(duì)飛機(jī)液壓系統(tǒng)的功能測試方法研究相對(duì)較少。

因此，為了解決當(dāng)前液壓系統(tǒng)測試過程效率較低的問題，有必要設(shè)計(jì)飛機(jī)液壓能源信號(hào)模擬器。基于控制單元的控制邏輯對(duì)各種激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行模擬，通過控制液壓能源系統(tǒng)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)如泵類、閥類等，以驗(yàn)證各功能部件是否工作正常，進(jìn)而在航電系統(tǒng)非工作狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓能源系統(tǒng)的功能測試。

本文首先基于Visual Studio 2010軟件平臺(tái)，運(yùn)用ARINC429、離散量、模擬量等信號(hào)板卡開發(fā)了液壓能源系統(tǒng)信號(hào)模擬器。其次，通過建立液壓能源系統(tǒng)控制與執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真模型，搭建了功能測試與模擬平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)功能測試所需離散量、模擬量及總線接口信號(hào)接收、顯示。最后，基于硬件在環(huán)測試平臺(tái)，對(duì)液壓能源信號(hào)模擬器的有效性、準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。該地面信號(hào)模擬器構(gòu)建工作穩(wěn)定、性能良好且可滿足液壓能源系統(tǒng)功能測試，對(duì)提高飛機(jī)液壓系統(tǒng)功能測試效率有重要理論價(jià)值。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 ICD文件管理

對(duì)于總線來說，任何數(shù)據(jù)被采集時(shí)都是沒有物理意義的源數(shù)據(jù)，只有把源數(shù)據(jù)根據(jù)一定的預(yù)設(shè)規(guī)則進(jìn)行解析后，源數(shù)據(jù)才會(huì)變成最終有意義的物理數(shù)據(jù)。而這一切規(guī)則的定義文件就是ICD文件。

一個(gè)ICD文件描述了飛機(jī)所有液壓起落架設(shè)備運(yùn)行的應(yīng)用的參數(shù)信息。對(duì)于每個(gè)描述的參數(shù)，ICD文件對(duì)其特性的描述都是完備的，至少包括的信息有：屬于哪個(gè)設(shè)備、屬于哪個(gè)應(yīng)用、屬于哪個(gè)總線、運(yùn)行的物理總線類型、特性值(如最小值、最大值、范圍、單位)等信息。通過將ICD文件導(dǎo)入軟件數(shù)據(jù)庫，從而可以在測試時(shí)將ICD文件與總線數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，將原始數(shù)據(jù)解析成物理數(shù)據(jù)。本文先接收數(shù)據(jù)，通過ICD文件定位到label號(hào)里的數(shù)據(jù)位，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)解析成相應(yīng)的物理意義，例如飛機(jī)速度、輔助能源裝置開關(guān)、輪載和襟翼手柄。

測試軟件預(yù)設(shè)了以下幾種解析規(guī)則用于解析一些常見數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 解析規(guī)則

總裝功能測試平臺(tái)架構(gòu)中最重要的環(huán)節(jié)之一就是對(duì)復(fù)雜的設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)間的接口控制描述文件(即ICD文件)進(jìn)行管理，其可支持的接口類型包括總線類型和非總線類型。總線類型：ARINC429，ARINC664(AFDX)，CAN，RS232，RS485等；非總線類型：模擬信號(hào)，離散信號(hào)，開關(guān)信號(hào)，脈沖信號(hào)等。本文所用到的接口類型有ARINC429、模擬信號(hào)、離散信號(hào)。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本文建立的飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)功能測試系統(tǒng)為半實(shí)物仿真平臺(tái)，由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。基于硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)各類輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的模擬，基于軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理及顯示。飛機(jī)起落架系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)一般采用ARINC429信號(hào)完成通信。因此，為了使信號(hào)模擬系統(tǒng)可直接與液壓能源系統(tǒng)控制器實(shí)物連接并實(shí)現(xiàn)通信，本文采用ARINC429接口板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。測試過程中，采用AIT公司的PXI-C429航空總線板卡，其具有16個(gè)發(fā)送通道、16個(gè)接收通道，共32通道。此外，選用PXI機(jī)箱、PXI-8115控制器、DAQ PXI-6230等硬件設(shè)備，并基于Visual Studio 2010平臺(tái)進(jìn)行軟件編程。

液壓能源系統(tǒng)的測試可通過對(duì)各個(gè)閥門的控制間接完成，因此，本文對(duì)液壓能源系統(tǒng)中7個(gè)閥門進(jìn)行信息輸入和處理，閥門的開斷狀態(tài)可通過顯控平臺(tái)觀察[9]。同時(shí)將控制信號(hào)輸出給控制開關(guān)(代替閥門)，閥門開通時(shí)，控制開關(guān)導(dǎo)通，本文將控制開關(guān)用在實(shí)驗(yàn)中代替閥門，能更加直觀地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。閥門的內(nèi)在控制邏輯判斷由軟件編程來實(shí)現(xiàn)。

利用液壓能源信號(hào)模擬器驗(yàn)證平臺(tái)代替在開展液壓能源系統(tǒng)總裝地面功能試驗(yàn)時(shí)飛機(jī)駕駛艙、航電部分及部分閥，可以實(shí)現(xiàn)在試驗(yàn)室狀態(tài)下開展信號(hào)模擬器的驗(yàn)證工作，提前識(shí)別信號(hào)模擬器信號(hào)的正確性。圖1為硬件在環(huán)液壓能源信號(hào)模擬器驗(yàn)證架構(gòu)。

圖1 民機(jī)液壓能源系統(tǒng)測試控制邏輯框圖

2 系統(tǒng)功能測試實(shí)現(xiàn)

信號(hào)模擬系統(tǒng)可為飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)功能測試提供多種信號(hào)輸入，其系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 信號(hào)模擬器系統(tǒng)框圖

信號(hào)模擬系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方面主要包含兩部分：(1) 429信號(hào)發(fā)送模塊；(2) 429信號(hào)接收模塊，同時(shí)完成相應(yīng)的信號(hào)處理及顯示功能等。

2.1 信號(hào)發(fā)送模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)模擬系統(tǒng)信號(hào)發(fā)送過程如圖3所示。測試系統(tǒng)根據(jù)要求在顯控界面輸入對(duì)應(yīng)參數(shù)的數(shù)值，并點(diǎn)擊開始。發(fā)送信號(hào)時(shí)，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)對(duì)待發(fā)送數(shù)據(jù)的配置。基于ARINC429總線協(xié)議，通過編程實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)化，并將429數(shù)據(jù)包發(fā)送至目標(biāo)機(jī)[10]。

圖3 總線信號(hào)發(fā)送流程圖

2.2 信號(hào)接收模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)模擬系統(tǒng)接收信號(hào)的流程如圖4所示。系統(tǒng)接收信號(hào)過程，首先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行奇偶檢驗(yàn)并解析成相應(yīng)的Label、SDI、Data和SSM。其次，通過將解析結(jié)果與相應(yīng)的429協(xié)議進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)將接收32位數(shù)據(jù)包解析為實(shí)際物理意義信號(hào)。最終，通過將此信號(hào)輸入至液壓能源系統(tǒng)，判斷是否滿足閥門導(dǎo)通條件并通過顯控平臺(tái)上顯示。測試完成后，點(diǎn)擊停止按鈕，停止接收信號(hào)和顯示。

圖4 總線信號(hào)接收流程圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 測試系統(tǒng)

某型飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)總裝功能試驗(yàn)測試系統(tǒng)如圖5所示。在該測試系統(tǒng)中，將液壓能源信號(hào)模擬器接入液壓邏輯控制單元，通過模擬試驗(yàn)過程中所需的WOW、RAT、襟/縫翼、FADEC等激勵(lì)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)功能試驗(yàn)的前期調(diào)試、試驗(yàn)支持及過程排故，提高試驗(yàn)質(zhì)量及效率。

圖5 液壓系統(tǒng)總裝功能試驗(yàn)測試系統(tǒng)示意圖

3.2 試驗(yàn)過程

根據(jù)液壓能源系統(tǒng)總裝功能試驗(yàn)中ACMP1B、ACMP2B、PUV3B、PUV3A、ACMP3A、ACMP3B、PTU共7個(gè)閥門的測試需求，操作人員在信號(hào)模擬器主控界面上完成ARINC429、離散量、模擬量的信號(hào)配置及信號(hào)加載，實(shí)現(xiàn)物理信號(hào)的輸出并注入至液壓邏輯控制單元進(jìn)行解算。信號(hào)配置加載界面如圖6所示，信號(hào)流及邏輯解析界面如圖7所示。

圖6 信號(hào)配置加載界面

圖7 信號(hào)流及邏輯解析界面

通過邏輯解算，得到控制ACMP1B、ACMP2B、PUV3B、PUV3A、ACMP3A、ACMP3B、PTU共7個(gè)閥門的開關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)閥門的開啟，并通過駕駛艙液壓簡圖頁顯示閥門狀態(tài)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

驗(yàn)證結(jié)果表明，信號(hào)模擬器工作穩(wěn)定、性能良好，能滿足液壓能源系統(tǒng)功能試驗(yàn)所需的離散量、模擬量及總線信號(hào)的激勵(lì)需求，實(shí)現(xiàn)測試效率的提升。以液壓能源系統(tǒng)ACMP1B試驗(yàn)為例，結(jié)果如表2所示。

表2 ACMP1B功能試驗(yàn)分析

3.4 試驗(yàn)推廣

本文設(shè)計(jì)的信號(hào)模擬器具有通用性、可擴(kuò)展性，能夠基于ICD文件及功能試驗(yàn)具體需求加載產(chǎn)生飛機(jī)常見類型的總線信號(hào)，因此可推廣至起落架、飛控系統(tǒng)等其他系統(tǒng)的功能測試中,如表3所示。

表3 試驗(yàn)推廣

4 結(jié) 語

在飛機(jī)地面功能測試中，通過對(duì)飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)能源模擬器的搭建。可得到如下結(jié)論：

(1) 當(dāng)前對(duì)民機(jī)液壓能源系統(tǒng)進(jìn)行功能測試時(shí)，需將相關(guān)聯(lián)的各系統(tǒng)配合工作以完成測試，即需要將多個(gè)系統(tǒng)同時(shí)開啟。針對(duì)液壓系統(tǒng)測試成本高、效率低的特點(diǎn)，本文所研制的地面信號(hào)模擬器通過對(duì)飛控、起落架和壓力開關(guān)等總線或離散量信號(hào)的模擬，從而替代相關(guān)聯(lián)系統(tǒng)。通過直接為被測液壓能源系統(tǒng)提供信號(hào)，達(dá)到節(jié)約測試成本、提高測試效率的目的。

(2) 基于信號(hào)模擬器開展總裝地面功能試驗(yàn)的測試方式可推廣到其他系統(tǒng)功能測試中，比如起落架、飛控系統(tǒng)等功能測試。