（机械电子工程专业论文）燃油总管试验器测控系统与温度控制系统的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 根据我国目前航空装备需要，我们研制了某型飞机发动机燃油总管试验器，用于飞 机发动机装配前对燃油总管性能的检测。对于飞机发动机来说，能够影响发动机性能好 坏的主要部件是燃油总管，评定燃油总管合格与否的技术参数是在指定了喷嘴入口燃油 压力和温度或者指定了总管总流量和温度的条件下。均匀分布在总管上的各喷嘴的流量 的不均匀度。原有试验器的缺点是自动化程度不高，费时费力；压力调节精度不能达到 满意的程度；温度不能实现自动控制；一些参数的显示靠仪表，有些仪表是指针式的， 观察不方便、精度不高和不能对试验过程中的数据进行记录和分析。为了解决上述的缺 点，研制了该型飞机发动机燃油总管试验器该试验器包括机械装卡，液压系统，电器 控制，软件编制几部分 本文研究的内容是燃油总管试验器测控系统及温度控制系统，其功能是实现整个测 试过程的自动化，包括流量，压力，温度的自动调节，测试数据的自动采集，分析，计 算，存储，最后得到不均匀度值，用来判断总管的合格与否，为进一步调节总管结构提 供依据。具体内容是：介绍了该试验器的电器控制原理及测试系统的软、硬件组成；完 成了在w m l 佣砣0 0 0 环境下的，运用v b 6 o 的应用程序开发；介绍了一套简单实用的 温度控制方法和策略。根据温度控制系统的传递函数及实际情况，运用s i 加l l l i n l 【软件包 中的模块库对温度控制系统的离散的数学模型进行仿真 基于6 o 编制的飞机燃油总管试验器测控系统充分利用w 蛐1 0 w s 编程资源，界 面友好且操作简单，系统兼备试验数据采集处理及计算机控制功能，可方便地进行燃油 总管的测试试验，溯试参数可自动显示，测试结果自动计算并存储，大大缩短了测试时 间，有一定的实用价值；通过对温度控制系统的仿真及现场运行结果比较发现：成熟的 经验控制可以达到很高的控制精度 关键词：燃油总管，数据采集与处理，温度控镧，测控系统 + 燃油总管试验器测控系统与温度控制系统的研究 s t l l d yo ft e s 咖ga n dc o n t m ls y s t e ma n dt e m p e m t | l c o n t m i s y s t e mo ff u e lm a i nn p ee x p e r i m e n te q u i p m e n t a b s l 弱l c t a m d i n gt ot h cn e e do f 删谢o nd l u i p m 伽i t s ，w e 姗l o p e d 蛐c 孵a i r p b g i n e 触lm a i np 啦q 州p m 喊t h e i n s 眦咖i su s c d t o t e s t t kc a p a b i l i 缸o f 舭l m 煳g cp i p e c 0 l 咄l h i s t y p eo f 蛐g i n e ，t km a i n p 矾i s f h e lm a i n p 啦砌c h 啪龇位c a p a b i l i 妇o f l h c 酬黜吼g i n c m 俐】n i q u e 础砌c h 咖 a s s 嘲也c mm a i n p 咖i sc n g i b l e n o t i s l h ed e 孵o f a s y 岫o f 棚位础 血惦嘶n g l h cm a i n p i p c 删y t h ed e 鲥* o f 删，m 删姆讧蛔t e d 咖t h e p 蚋潮a n d 把m p c 翱匝i l 陀倪t h cn l a 玎d 钯m 辨粕t 1 1 托o ff i l c la g i v 缸t h ci n 廿i n s i ca 叩盯i n 壕吐a 商阻 i n s 恤蛐e n th a sa l mo f 曲i a d 瑚曲g 船t h cd e 伊o f 跚咖衄t i 盟矗i s l o w 蛐缸e a n d h a ms l c d d i 】昭t h c 删瓯mo fp 瑚sa d j 瑚吐n g 啪 tm 鲥t b cn e e d t h c 把m 弘粕l i l 坞c a n t 砖a l i z e 硼m 咖1 s m 地弘眦m 坞t 懿i s 曲日w 耐b yq 粤髓r 锄曲鼯眦dt h e 叩p 朗瑚n s 袖 丘n g 盯c a n t b eo l 塔廿v e de 鹤i l y m t h eo t h 盯s 池，t h ca l i p 朗瑚嬲弘e c i s i o n i 8 l o w 柚d 啪t t e a n d 锄l y 辩恤蛐o b 岫1 e d i n m co 啾o f 慨t i i l 妇t o 咖t h e 即m 锄5 幽岭 啪姗l o p e d 恤t y p eo f 挪l 撇g i n c 舭lm a i np 啦唧棚唧蛳n i s 伽咀s 吐t i l t cb yi n g 咖l i i l gm 翟蚯，越脚船m i cs y 砒锄n e i e c 仃i c a l 咖i 锄d 盘嗽 t kp l 驴叮i s 蕾o i n 血础耽t b o t e s 6 n g 班- d 伽l 咖ls y 蜘a n d t c m p | 嬲m 聪伽咀们ls 吲m o f f k lm a i np i i 埒t k 咖啪丘n i s h t h e 跏咖m 比a t i 0 f t h e w h o l ec o l 艘o f t h e 蛐 i l u d i n g i 轴e 昏d a l i o f n l ，岬a n dt c m p c 栅瞳i l a n dd 啦伽肌t h l gm i t l 叫明n 讪y ，d a t a 蛐l a l 驴面峨啊稍雌a n d 蛳m 硼：i n g ht h c 伽吐掣d n i n gt h ev a h 嵋o f 6 训c h i sl l 鼹dt o j l l d g c 她删l 啊咖i sc l i g i b i h t y 讲n o ta n d i ta l 删d e 豇细嫩咖喊o f 唧 p 啦础霉i r m i 吡t h c 跏岫妇e l e 商c a l 伽啪l 帆妇舳o ft k a 啦c l i m e n td l u i p m 枷，馏tn o wb yv b 6 0 ，聆m 啦m e m o da n d “m 删吼阳嘲o f 沈阳工业大学硕士学位论文 钯m p 舭c 川m d ls y 蚰e 札a 讲d i n gt o j m s 缸f i l 玳：吐a n dp l 删c a li n s t 龇o f 锄n p e m t i 髓c o 曲d o ls y g c c m ，蛾锄p l i s ht b e 幽砌啦吐i o fl 硫晒哆锄d n - l i n 倒的rm o d e i u s i l l gm o d e l - b a i ns i 咖l i n k t h ct e 曲ga n dc 啪曲ls ，r 蜘b a s e d v b 6 0m a l 【e st h cb e s to f p r o 掣锄m c 蚴i 眦o f w m d 删懵a t 恤m 朗妇，t h e0 p 钟鲥蛳i n t e i 矗i s 衔e n d l ya n d i tc 锄b c 砌c d 哪i l y m s y 蜘h a s t h c c a p 幽u t y o f 雠讹o o u 硎n g a n dd i s p o 她a n d 删a 砌c 劬o l i tc 孤b cu s e d 屯ot c s to f 舭l 删m a g 盯p i p e 傩i l y t h e 恼tp a 聊n e t e r 啪b cs h o 啪 戤曲叫明虹c a l l y t h e 删t 锄b c 铖翻) u n t e da n ds t o r e d 踟l t o m a 矗c a i i y t h et e s t 缸ci s s h o 慨d l a r l ；c l ya n d i th a s 舢删c a l 姆；a c 油g t o t h e 血蒯o f t e n 职嗽m c o m is y 她t h eb | 啦盯酬删s i c 衄b c o b t a i 埘诅砌m 栅c 们l 唧e f i e 嗽h t h c o l h 盯s i d e ，螂伽懈c 趾b c 翻朋订1 舡铲蛳 k | ，rw o r d ：f u dm - i np i p ，d _ hc o u 酬缸g 蚰dd 缸呻血墨1 h p e n t n mc o n t m i t 瞄血g - 耐c 姐打帕两珊k i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：j 监导师签名：举日期：粗 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 本论文的背景及主要内容 1 1 1 论文背景 随着我国市场经济的发展和改革开放的深入，我国飞机行业有了长足的进步，飞机 零件与配套产品也得到相应的发展，飞机数量显著增加，尤其是自行研制的飞机在数量 和质量上都有了显著提高但是伴随着飞机行业的蓬勃发展，事故发生率也在不断增加， 由此，飞机相关零部件的安全性能引起人们的重视 航空发动机的作用是非常重要的，其性能的好坏直接影响着飞机的飞行性能、可靠 性及经济性，因此，它被喻为飞机的“心脏”由于航空发动机要在高温、高压、高转 速和高负荷的环境中长期反复地工作，而且还要求具有重量轻、体积小、推力大、使用 安全可靠及经济性好等特点，因此，必须要有很强的设计、加工及制造能力，是一种典 型的技术密集型产品 发动机内用的燃油是由分布在燃油总管上的一定数量的喷嘴成雾状喷出的，燃油分 布情况直接影响点火后发动机内各部位的热量分布情况，因此燃油分布不均匀度是判断 燃油总管合格与否的依据。准确模拟发动机实际工作情况，研究燃油总管分布不均匀度 显得尤为必要，这就需要有专门对此进行检测的设备，即燃油总管试验器。该试验器的 工作性能及效率直接影响发动机的质量和装配进度 我国现有的燃油总管试验器技术含量及自动化程度较低，有很多需要改进的地方， 如系统压力是由手动调节的，而且是开环控制，以致喷嘴处燃油压力控制精度低；燃油 温度不能自动控制；总管装卡设备笨重，不方便；一些参数显示靠仪表以致精度低；测 量数据人为读取引入很多测量误差等等，这些弊端导致燃油总管的质量低，检测环境也 与发动机的实际工作情况不符合，以致有些在试验器上检测合格的产品，待装机后试机 时又不合格，不仅造成重大损失，而且延缓工期，工作效率大大降低 1 1 2 研究的内容 本试验器专门为测试w z 9 燃油总管测试而设计，试验介质使用r p 3 航空煤油，试 验油温为l o 4 0 之间任一指定温度( 精确度为l ) ，压力为o l 雠口a ( 精确度为 一l 一 燃油总管试验器测控系统与温度控制系统的研究 o 0 l m p a ) 连续可调节，出口总流量为o 5 0 0 k g h 连续可调节( 精确度为o 0 1 k g ，出口 采用1 4 通道称重电子称测量，单通道量程为o 3 5 k g m ( 精确度为o o l 蚝彻，适用于1 4 、 1 2 、l o 喷嘴燃油总管测试。 本试验器主要由恒压油源、被试件装卡定位装置、压力及流量测试装置及计算机测 控系统组成。 恒压油源系统主要由液压油泵组、循环冷油泵组、制冷机、蓄能器、比例阀、出口 精密过滤器、吸口过滤器、及相关仪表组成【l l ；被试件装卡定位装置主要由卡具、摆动 气缸、推进气缸、调速气阀、控制电磁阀、消声器组成f 2 】：流量测试装置主要由高精度 涡轮流量计、电子称重装置组成；计算机测控系统主要包括工控机、扳卡、及测控软件 组成 燃油总管在试验器上呈环形安装，采用连杆机构卡紧，液压系统的进油管路在进入 总管时分成两路，每路上的喷嘴数量相同，燃油从喷嘴喷出后进入量杯，量杯安装在电 子秤上，可对杯内燃油质量进行在线实时称量，测量后由顶出气缸带动备量杯下面的顶 出装置将油排出，由回油管路流回油箱；系统压力及流量通过由比饲溢流阔，比例换向 阀及压力，流量传感器组成的闭环控制系统控制，能够实现压力，流量的时时显示，实 时调节：温度通过由制冷机、加热器和温度传感器组成的闭环控制系统控制，控制精度 为l 。 涮控系统以工业控制计算机为核心，采用p c 【厂暑1 2 p g 进行控制信号输出，通过 p c i _ 1 6 p 1 6 r 进行开关控制，在r s 2 3 2 ，4 8 5 串行通信标准的基础上，采用妯) a m 4 0 1 7 数 据采集模块，运用6 o 中的m s c 伽m 控件，对系统压力、流量、温度及燃油质量等 参量进行采集，实现了工控机和下位机的串行通信，同时，利用研华p c i 广8 1 2 p g 数据 采集卡作为a 转换器，输出控制量控制比例溢流阀和比例换向阀的开口大小，调节系 统压力和流量，采用研华p c i _ 1 6 p 1 6 r 继电器输出卡控制系统中的开关量。 本论文主要完成了该试验器的测控系统及温度控制系统的设计，包括电器控制，数 据采集，信号处理，数据存储，温度控制目标及温度控制策略，温度控制系统建模及 s i m l l l i n l 【仿真，应用程序开发 沈阳工业大学硕士学位论文 1 2 系统测控方案的技术特点 为满足测试的技术条件，我们拟订的设计方案具有以下的技术特点： ( 1 ) 高品质的油源 我们设计的液压站具有恒温、恒压、恒流量、低噪声等技术特点，这对流量测试而 言，可以说是最高品质的油源 恒温：采用电加热器与制冷机组与高精度温度传感器所构成的温度闭环控制系统可 使介质温度有效的控制在o 1 0 0 0 c 范围内，并配有温度数显表及超温报警装置 恒压：由定量泵、溢流阀及蓄能器构成的油源可称为是理想的恒压源，同时配有防 止超压的安全装置。 恒流量：在恒压源的基础上，采用高精度流量传感器与电液比例节流阀配合组成的 流量闭环控制系统可以构成理想的恒流源这里采用了举世闻名的艾默生过程流量控制 技术与高精度的质量流量计，可以确保系统流量的重复控制精度。 低噪声：本方案采用引进日本油研技术的低噪声叶片泵并配以合理的管路设计方 案，可使泵站的噪声有效地控制在7 0 分贝以内 ( 2 ) 精密高效的检测手段 采用量筒与力传感器相结合的质量流量传感技术，它不但解决了传统褪i 试手段量杯 介质残留、温度变化及人工读数误差对测量精度的影响，而且使测试系统的高智能化成 为可能 对于多通道测试装置，采用独特的气缸驱动刚性连接的出油嘴计量放空装置，可以 有效地解决传统多通道电磁阀切换不同步及阀口残留等对测试精度的影响 被测件采用精巧的气动装卡定位机构，可以大大减轻操作劳动强度，同时提高了试 验器的自动化精度 ( 3 ) 高智能的测控系统 测控系统由硬件系统和软件系统组成 硬件系统主要由微机系统，各类传感器，d 、a 及i ，o 接口板，继电器端子板、 电控柜、微机操作台、急停控制箱等组成计算机采用工业控制计算机，配备喷墨打印 + 燃油总管试验器测控系统与温度控制系统的研究 机。温度、压力、流量等变送器输出的缸2 0 皿 标准信号，通过a 巾卡输入给计算机 比例阀控制器、二次仪表由d ，a 卡输出信号其它开关量由m 接口板，继电器端子板 控制。继电器端子板所配固态继电器抗干扰能力很强。电控柜、微机操作台采用分体式 结构以便最大程度的消除电磁干扰。操作过程可通过转换开关分别在手动及微机自动控 制两种状态下分别进行 测控软件在w 瓶蛔s2 0 0 0 或w 姗i o 粥，下采用高级语言开发，采用由，i n d o 、 僵 管理的多任务、多线程结构，及面向对象技术进行分析、设计和编程。在界面设计上， 充分利用、) l _ n d o 硼提供的交互功能，将窗口、清单、对话框、图标等有机结合在一起。 每个任务一个窗口工作区，结构清晰、操作简单，通过窗口使任务执行过程可视化。试 验项目通过鼠标选择，试验过程自动进行。所有测控的重要数据将通过数据库自动进行 保存，通过数据库对以往及现行的实验项目、数据可进行完善的管理及查询。同时，测 控软件具有输出数据表格、打印实验报告等功能，具体视甲方要求而定。软件编制过程 中对数据的输入类型、操作过程及顺序采用智能化方法判断其正确性。消除人工操作错 误造成的意外程序中断及数据丢失，同时对检测数据及相应计算结果与结论进行预测性 判别，对错误及故障给出相应提示 温度、压力等计算机控制系统采用智能化模糊控制算法，最大限度的提高控制精度 及动态响应时间与可靠性 1 3 以工控机为核心的测控系统概述 工业生产自动化是自动化技术领域中重要的一个方面，而工业生产过程自动控制又 是计算机技术一个很重要的应用领域，也是一个不同于一般计算机应用的特殊领域。工 业控制计算机正是为满足这一特定的工业应用领域的需要而发展起来的，它是现代化工 业实现自动化不可缺少的工具，计算机( 一般为工控机) 已经成为控制系统的首选平台， 利用计算机对生产和试验进行时时远程监控是现代自动化发展的主要方向脚将计算机 应用于工业实时控制的前提是现场数据的实时获取在工业生产中，常常要测控很多参 数，诸如压力、温度、位移等，通常的测量方法是使用专用的测量仪表，认为观测、记 录处理数据、做出判断，这就会带来人为的误差，而且应用范围也会受到现场条件、响 一 沈阳工业大学硕士学位论文 应速度等因素的限制。而自动实时监控系统能很好的解决这些问题。实践证明，实现生 产过程的自动化控制，可以大幅度地提高产品的性能和可靠性，增加产品的更新换代能 力，节约能源和原材料，促进生产的柔性化和集成化。这将明显提高企业的技术装备水 平，进而促进产品结构、产业结构、生产方式和管理体制的重大变化由于这种技术和 经济的双重需要，使得在现代化工业生产中以计算机为核心的自动化技术和工具已成为 工业装备中非常重要的组成部分 工业控制计算机是以电子计算机为中心的测量和控制系统一个完整的计算机控制 系统通常是由传感器、过程输入输出设备、计算机及执行机构等部分组成，由系统对 客观世界的各种工作状态进行实时数据采集、处理并实施控制。计算机控制系统的采用， 对于提高产品的产量和质量，降低成本，保证安全生产，改善工作条件，减轻劳动强度， 节约原燃材料，实现科学管理等具有重要的作用可以这样说，目前工业控制水平的高 低已经成为衡量企业生产发展及技术装备水平的一个显著标志，工业控制计算机已成为 实现工业现代化的一个越来越重要的工具。工业控制计算机的出现和发展是工业生产发 展的需要，是工业自动化技术发展的趋势 1 4 测控领域中基于v b 的数据采集的设计与实现 v b 是基于w m d o 啪平台的功能强大的软件开发工具，它具有如下特点嗍a 、具有 面对对象的可视化设计工具；b 、事件驱动的编程机制；c 、提供了易学易用的应用程序 集成开发环境：d 、结构化的程序设计语言：e 、支持多种数剧库系统的访问：f 、o i 卫 技术；g 、a 商v e 技术；h 、完整的h e l p 联机帮助功能而在很多工业控制系统中，需要 计算机从现场获取实际数据或发出控制命令。这就需要计算机实现对端口的控制与 访问，但是，v b 不支持直接的对硬件的的端口的控制和访问，可通过调用外部应用程 序或者动态连接库实现对对硬件的i o 端口的控制和访问在此，采用调用动态链接库 的方法，并利用数据采集卡提供的d l l 来进行数据采集软件的开发 1 5 比例阀控制的压力，流量闭环系统概述 电液比例阀是介于开关型的液压阀与伺服阀之间的一种液压组件，是以传统的工业 用液压控制阀为基础，采用可靠，低廉的模拟式电一机械转换器和与之相适应的阀内结 一5 一 燃油总管试验器测控系统与温度控制系统的研究 构设计f 5 叫。与电液伺服阀相比，其优点是价廉、抗污染能力强除了在控制精度及相 应快速性不如伺服阀外，其它方面的性能和控制水平与伺服阀相当，其动、静态性能足 以满足大多数工业应用的要求。因此，比例阀更为广泛地获得应用。在高精度、快速响 应等高技术领域传统上是伺服阀的市场但现在闭环比例技术也是一种新的选择。电液 比例阀与传统的液压控制阀比较，虽然价格较责，但由于其良好的控制水平而得到补偿。 因此在控制较复杂，特别是要求有高质量控制水平的地方，传统开关阀就逐渐由比例阀 或数字阀来代替。 此外。比例控制阀还可以具有流量、压力与方向三者之间的多种复合控制功能。这 使得比例控制系统较之开关阀控制系统，不但控制性能得以提高，而且使系统更为简化。 电液比例控制系统主要有以下特点： ( 1 ) 明显地简化液压系统，实现复杂程序控制，降低费用，提高了可靠性，可在电 控制器中预设斜坡函数，实现精确而无冲击的加速或减速，不但改善了控制过程品质。 还可缩短工作循环时间； ( 2 ) 电信号便于实现远距离控制。将阿布置在最合适的位置，提高主机的设计柔性； ( 3 ) 利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标： ( 4 ) 能按比例控制液流的流量、压力，从而对执行器件实现方向、速度和力的连续 控制，并易实现自动无级调速 沈阳工业大学硕士学位论文 2 燃油总管试验器工作原理及电气控制系统分析 2 1 燃油总管试验器液压与气压工作原理 如图2 1 所示，燃油总管试验器包括液压和气压两部分，液压部分又包括压力( 或流 量) 控制系统，压力及流量测量系统和油温控制系统；气压部分包括抽真空系统，流量 计切换系统和顶出气缸速度控制系统 图2 1 液压原理圈 n 譬2 1d m 啦o f h y m a u h cp r i m i p l e 1 ) ，2 ) 航空煤油泵3 ) 油冷却机4 ) 比例压力阀5 ) 气缸6 ) 比例换向蠲7 ) 电子秤 8 ) 、9 ) 流量计( 不同量程) l o ) 溢度传感嚣1 1 ) 、1 2 ) 压力传感嚣( 不同量程) 1 3 ) 被试件 1 4 ) 罩杯1 5 ) 气控系统1 6 ) 温度传痘嚣1 7 ) 加热嚣 压力( 流量) 制系统由两级燃油泵、一个比例溢流阀、一个比例换向阅组成系统压 力分为高压和低压两个量程，调高压时，比例换向阀全开启，调节比例溢流阀的阀口开 启量，调低压时，比例溢流阀全关死，调节比例换向阀的阀口开启量；压力及流量测量 系统由一个出口压力表，两级涡轮流量计和两级压力传感器组成。出口压力表显示用于 + 燃油总管试验器测控系统与温度控制系统的研究 系统压力参考，另外又有助于系统调试及系统出现问题时压力的检测。流量计的量程分 别为，压力传摩器的量程分别为o 2 m p a ，2 1 0 m p a ：油温控制系统由两个电加热器， 一个独立制冷机，两个温度传感器组成。 抽真空系统由气压调压阀，真空发生器，除油器及回油器组成，用于掉除测量过程 中杯罩中的雾状燃油，使得测量过程中的喷油状况清晰；流量计切换系统由两个气动截 止阀，一个气动换向阀组成，由于燃油粘度低，所以对系统密封要求很高，为了确保流 量测量的精度，系统选用了球阀；项出气缸速度控制系统由一个气动单向截流阀和一个 气动换向阀组成，用于推动顶出气缸装置，将量杯中的燃油排出，进入回油管路，流回 油箱。 2 2 燃油总管试验器工作原理 如图2 2 所示，本课题中试验用的燃油总管由均匀分布的1 4 个喷嘴组成，系统总进 油分两路进入总管，每路进油管路上均布7 个喷嘴。总管在试验台上环形安装，1 4 个喷 嘴等间距，上面由连秆机构压紧，下面经过一段过渡管路深入量杯中，便于高压力下的 圈2 2 总臂平面图 f 弛2 2 p h o f m 蕾衙m 即 雾状油液液化。量杯上表面有适当的缝隙与空气相连，用于压力过大时产生的雾状 气体捧出。量杯的下表面的一端固定在电子称上，可在线测量量杯里的液体，如图2 3 所示。量杯下表面的中心有一个圆形孔，内装密封装置，中间由一个大小配合的钢球封 住液体，由于是线性密封，密封效果很好需要捧出液体时，由顶出气缸带动顶出装置 一矗一 沈阳工业大学硕士学位论文 如图2 4 所示，将钢球顶起，即可让液体流出，进入下面的有机玻璃罩杯里，流回油箱 图2 3 测量装置 f 嘻2 3 s 哪妇删娜l 妇g 图2 4 卸载装置 f 嘻2 4s 曲| p 蛋盯瑚砧s 团l 如g 测试的全过程为：燃油经两级燃油泵、压力流量调节系统之后，以一定的压力和流量经 测量系统到总管，再通过均匀分布在总管上的1 4 个喷嘴( 总管经过严格的检验，各个喷 嘴的规格和出油角度都是满足要求的) 喷出到量杯里( 此时顶出装置处于顶出位置，即液 体可直接流回油箱) ，此时系统进行自动调节状态，各个测量参数时时显示并经过转换 装置进入计算机，计算机经过计算，比较，得出控制量，调节系统压力，流量及温度， 待系统压力流量稳定后，顶出装置退回，钢球封住量杯，准备测量，系统指定测试时间， 电子称在不同的时刻两次测量杯中的液体质量，并记录测量结果，秤量结束后，定出装 置再次将钢球顶起，释放量杯里的液体，同时保存测量结果及各个系统参数，用于计算 流量，判断总管在该压力下的性能根据系统指定压力不同，测试过程可重复进行，测 量数据可自动存储，整个测试过程的参数可在允许精度范围内任意设定，测试过程完全 + 燃油总管试验器测控系统与温度控制系统的研究 自动化，可视化。 2 3 燃油总管试验器电气控制原理 2 3 1 燃油总管试验器动力控制系统 由于燃油黏度低，使得燃油泵自吸能力大大降低，为了确保燃油泵正常工作，本系 统中使用了两个型号不同的燃油泵串联的形式，如图2 5 所示由于异步电动机变频调 产j 呵蛸珊帆删 n 1 0i 产l 堕堡钮 姗l 3 删 圈2 5 动力系统电控原理图 f 醵2 5d f c i w i l i 沈阳工业大学硕士学位论文 速效率高、调速性能好，特别是在大功率间歇运动的调速系统中，其优越性更为显著， 所以系统选用了两个功率不同的异步电动机带动两级燃油泵，同时考虑节能的要求，采 用了变频器改变电动机的转速，这是因为交流变频调速液压系统避免了节流损耗和溢 流、卸荷损耗，而且变频调速液压系统还大大提高了原动机一异步电动机的效率，显著 改善功率因数，是其它液压调速方式所无法比拟的，利用变频器改变泵的转速，使泵的 输出流量与系统所要求的相适应，可以使溢流损耗降至最低，有效地节约了能源。为了 避免误操作，控制两电机的变频器的控制电路采用了电器互锁方式【l 毋 2 3 3 系统模拟量输出电路 如图2 6 所示，系统共有两路模拟量输出，一路用于控制比例溢流阀，一路用于控 制比例换向阀。由于含在比例阀内的电磁铁需要的控制电流较大( o s o m a ) 而控制( 信 号) 电流较小，不足以推动电磁铁工作；且控制信号的类型或形状都不一定能满足高性 系统工作状态参数，选用了一个用于温度显示的二次仪表，其工作电压为2 2 0 v 图2 6 模拟量输出电路圈 f 弛2 6 功，a 唧n c 沁i i i t 2 3 4 系统模拟量输入电路 系统中的模拟量输入共有2 0 路，如图2 7 所示，包括两个温度传感器、两个压力传 感器、两个流量传感器和1 4 个质量传感器( 电子称) 燃油总管试验器测控系统与温度控制系统的研究 图2 7 模拟量输入电路图 f 培2 7 a ，d i 叩m c n 血 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 5 系统数字量输入电路 系统中共有6 个数字量输入，即输入6 个继电器的状态，如图2 8 所示，用于提示 影响系统正常工作的状态，为了便于操作者观察，在控制面板上均设有相应的指示灯 入 气动气压 袖糖低液面 出口穑 固植t 沽嚣 行程开关l 行程开勉 图2 8 数字量输入电路图 f 嘻2 8 d b 忸i n p 哦c i 枷n 其中气动气压继电器用于提示系统气压是否达到要求，如果低则显示灯亮；油箱液面继 电器用于提示油箱里的储油量是否满足要求，如果储油量过少，则指示灯亮；出口虑油 器继电器用于显示出口虑油器工作状态，如果发生堵塞，则指示灯亮，提示应该清洗出 口虑油器；进口虑油器继电器用于显示进口虑油器工作状态，如果发生堵塞，则指示灯 亮，提示应该清洗进口虑油器；行程开关用于系统判断顶出气缸位置，共有两个位置， 一个是顶起顶出装置时的上行状态，一个是退回时的状态，没有设指示灯，可通过计算 机采回数字量来判断数字量输入板卡的工作电压也是2 4 v ，为了调试过程中确保板卡 的安全，用了一个开关控制板卡的工作状态，当系统电压稳定时，闭合开关，板卡开始 工作 2 3 6 系统开关量控制电路 根据测试过程要求，系统要能进行自动和手动两种控制策略。如图2 9 所示，控制 燃油总管试验器测控系统与温度控制系统的研究 电路中的旋转开关s a 2 用于选择测试过程的手动与自动操作。当选择手动控制时，计算 机输出的数字量无法控制开关量，反之，如果选择自动操作时，手动无法操作，计算机 输出的数字量经p c i - 1 6 p 1 6 r 继电器输出卡输出控制继电器的启停，一切操作都由计算 机内部进行。 图2 9 开关量控制电路 f 皓2 9s v ，i 劬c i 彤i j i i 2 3 7 继电器线圈布置电路图 如图2 1 0 所示。本控制系统中需要操作的控制继电器共有8 个，分别用于控制两个 加热器，卸荷阀、顶出阀、真空阀、卸油阀、不同量程的压力传感器和流量传感器切换 开关各一个为了便于操作者的观察，各种操作后的系统工作状态在控制面板上均有指 示灯显示为了便于电器系统的前期调试需要，各个控制回路之间都是独立的，可分别 进行独立的手动控制 沈阳工业大学硕士学位论文 角羹l q o - )知始2 ( 2 0 0 霸) 仃骨 薯 图2 1 0 继电器线圈布置电路圈 f 培2 1 0 r 岫i o o p 枷 本电器控制系统的设计考虑了控制的简单、实用、安全及低成本高可靠性的要求， 充分发挥个元件的功能，尽量减少连接线路的数量和电器元件的数量，可以说做到了设 计结构的优化，通过现场运行情况来看，完全达到到预期的要求 燃油总管试验器测控系统与温度控制系统的研究 3 燃油总管试验器测控系统 本测试试验台的计算机测控系统基于w 堋k l w s 2 0 0 0 操作平台，以s i l a l b 鹤i c 6 o 为 开发软件，利用其简便易用的可视化编程工具、基于事件驱动的编程机制、强大而灵活 的数值计算、绘图能力及数据库编程等特点，进行飞机燃油总管试验器测控系统的开发， 实现了测试试验台控制、数据采集与处理、特性曲线绘制，实验结果的存储及报表的打 印。 3 1 燃油总管试验器测控系统概述 如图3 1 所示，计算机c a t 系统控制量输出包括两部分，即系统压力及流量调节和 称重设备保护与自动倒油机构；系统参量输入共四部分，即系统总流量，系统温度、压 力和相同时间闻隔内每个电子秤上的质量：系统需要处理的任务包括数据的实时显示、 计算并按要求存储，打印报表 圈3 1 燃油总管试验嚣系统框图 f i 譬3 1f m 眦c h 疵o f f i 壕im 柚a g ep i p ea 甲盯i m 咖e q 【l d p l n c ms ，咖 沈阳工业大学硕士学位论文 此系统适用于飞机燃油总管的性能试验，其测试项目包括测试系统的密封性试验、 飞机燃油总管流量不均匀度实验及压力实验。为了实现总管性能参数的测试，需要对喷 嘴的入口压力、总管中的流量，油箱中的油液温度进行测量和控制，例外要对各喷嘴流 量进行测量。为了保证系统安全运彳亍，系统具有超压、超温、滤油器堵塞、油箱液面下 限等报警功能，同时可根据报警采取相应的安全保护措施喷嘴的入口压力几总管流量 的调节采用比例流量一压力阀和比例换向阀联合控制来完成 3 2 测控方案 本测控系统中需要计算机控制的点共计2 4 个，其中数字量有1 4 个，输出8 个气动 换向阀为直流2 4 v ，其余均为交流2 4 v ，分别为两个加热器、制冷机、顶出气缸、真空 发生器、卸荷阀、箱温高指示灯和箱温低指示灯，输入。6 个( 液位开关、压力继电器各 一个，这两个点也可以不进计算机，直接硬接线控制) ，分别为顶出气缸到位与否、系 统气压正常与否、油箱中液面是否正常；模拟量2 2 个，输出2 个( 控制比例溢流阀和比 例换向阀) ，输入2 0 个，分别为电子称1 4 个、压力传感器2 个、温度传感器2 个、流 量计2 个，信号均为4 2 0 m a 控制方案如图3 2 所示，数字量输入输出采用p c i - 1 6 p 1 6 r 继电器输入输出卡；模拟量经a d a m 4 0 1 7 数据采集模块进行a 仍转换后经4 8 5 转2 3 2 模块，以串口方式进入计算机系统；控制量经过p c 【，暑1 2 p g 上的两路d ，a 输出端口输 出至比例放大器，再到比例电磁铁，控制比例溢流阀和比例换向阀的开口量 3 3 测控系统的硬件结构 系统的硬件组成，如图3 2 所示。系统选用防震、防潮及抗电磁干扰能力强的工业 级p c ( p c ) 为上位机进行过程监控、数据采集和处理，以及测试数据的存储虽然可编 程控制器( p l c ) 可靠性高、特别是在开关量控制方面有优势，但考虑整个测试过程中的 开关量控制逻辑性不强，稳定性要求不高，而且控制过程中要求控制频率的范围不确定， 所以本测控系统选用隔离数字量卡p c 卜1 6 p 1 6 r 对系统的开关量进行控翻。数据采 集卡选用研祥1 6 路模拟量和数字量加卡即p c 【广s 1 2 p g ，具有体积小、即插即用、数 据传输快等特点。由于现场使用时的工况很差，结果发现数据采集过程受到严重干扰， 考虑实际采集到的模拟信号变化比较缓慢，信号变化的频率一般不大于l i k ，所以系 燃油总管试验器测控系统与温度控制系统的研究 统对数据采集总体上的采集频率要求不是很高。所以，为了保证采集数据的准确性，最 后选用如图3 3 的传输方式【1 1 1 ，a d 州4 5 2 l 为华为科技公司的接口转换模块，能将r s 4 8 5 图3 2 燃油总管试验器控制方秦 f i 鲁3 2o 咖酬船k 鹏o f l lm a n a 铲p i p e 驴盯i m 耐戗i p m 咖 圈3 3 模拟量传输方式 彤昏3 3t r 蛳i m 螂f o f a 舶i 或艇 4 2 2 信号转换为r s 2 3 2 信号，由于普通p c 只具有r s 2 3 2 接口，而一般工业测试 沈阳工业大学硕士学位论文 信号符合r s 4 8 5 或r s 4 2 2 标准，所以这里要进行一下转化【i 习a d a m 4 5 2 l 模块有以下 特点【1 3 l ：可寻址，内置微处理器，传输速度1 1 5 2 k b p s ，l o ) c 高压隔离，r s 4 8 5 浪 涌电压保护，输入输出可置不同的波特率，无需握手信号 a d a m 4 0 1 3 为华为科技公司的输入模块，能将传感器的模拟信号转换为r s 4 8 5 数 字信号。a 1 ) a m 4 0 1 3 模块利用内置的微处理器控制a d 转换器把电流、电压或传感器 的模拟信号转换为数字信号，模块提供信号调整、a d 转换、测量范围调整、r s 4 8 5 通 讯等功能，良好的光隔离有效地保护设备的安全。模块的主要特点有【1 】：内置看门狗， 3 0 0 0 ) c 高压隔离，采样率1 0 次，秒( 不同的参数可调整) ，误差小于o 0 5 这些参数 能满足决大多数场合的应用 根据现场测试信号的不同，选用了不同类型的传感器，包括温度传感器、压力传感 器、流量传感器和电子质量传感器，a 1 ) a m 4 0 1 3 模块在软件设计时进行相应的参数配 置即可，传感器经过感应不同的物理过程将不同的物理信号转化成模拟电信号传到 a d a m 4 0 1 3 模块，经过采样处理转化为r s 4 8 5 数字信号，在经过a d a m 4 5 2 l 模块的转 换，变成计算机可以接收的r s 2 3 2 信号，计算机收到数据后，实时显示同时进行后台处 理，存储，以备他用1 1 5 垧硬件结构如图3 4 所示 现场二次仪表可显示系统的各个性能参数值( 压力、流量、温度和各喷嘴的流量) ， 同时将传感器信号变送至数据采集模块。 工业控制计算机 比 例 压 力 一 p c i 总线 模拟量输出 i 串行口 i一 数据采囊模块 i i s a 总熊 ii一 p c i 1 6 p 1 6 r 誓| i 薹ll雾li 茎| l 蓁ll爰ll 鍪i 薹ll 蓁 例l i 力l l 度ll 量i i 量ll 制il 抑i | 翟l i 他 流ii 传l l 传li 传i i 传li 冷ii 热il ：l i 开 嚣il 譬il 耋f 譬譬ll 机ii 嚣il 三ll 耋 燃油总警试验嚣 图3 4 燃油总管试验嚣硬件结构图 f j 孚3 4h d 憾伽嚏l 】曙粤删o f 删删l 蹭ep i p e 驴吲【m c mc q l l i 印n 耐 燃油总管试验器溅控系统与温度控制系统的研究 3 4 测控系统的软件设计 测控系统软件采用、j 1 日n d 们 噶2 o 中文操作界面。利用s u a lb a s i c 的相关控件编写 软件。软件分两部分，一部分用于测试开始时的密封性检测，另一部分用于燃油总管的 性能测试过程，这部分是测控系统的主体，本论文主要介绍该部分的组成，其主要由三 部分组成：( 1 ) 数据采集处理；( 2 ) 公共模块；( 3 ) 数据库 3 4 1 数据采集处理 本系统选用研华p c 汹1 2 p g 数据采集卡的两路d ，a 输出对现场的压力和流量参数 进行连续控制。v b 是一种解释执行的程序设计语言，必须调用动态链接( d y 衄i cl i i l l 【 l i b m 辑d l l ) 来实现i ，o 端口的访问f 埘。在程序代码中对已写好的动态连接库函数进行 声明，然后添加函数调用语句即能实现采集卡的硬件初始化、采集开始和结束及采集完 毕释放设备等功能。在数据采集开始之前，可以设置采集模式( 分组采集或连续采集) 、 首末通道、采样频率、接地方式及量程等，并可以选择数字或波形两种显示方式。数据 采集处理流程如图3 5 所示本文设计的数据采集处理系统包括前端信号调理模块、数 据采集模块、数据实时处理模块，是以计算机为核心的数据采集处理系统。其中信号调 理主要完成测试信号的幅度变换、阻抗匹配等工作，把模拟信号调理到采集卡的量程范 围内；采集电路则完成对输入信号的采集和缓存，采集到的数据通过系统总线直接读入 圈3 5 数据采集处理系统工作流程图 f 弛3 5 川倒栅曲肿岫l l t h l g 鲥m 印啦纰 计算机的内存。由相应的软件完成其后的工作；主控计算机完成对整个过程的监控和协 沈阳工业大学硕士学位论文 调，启动采集以及控制显示和数据传输等程序的执行系统软件主要包括信息显示模块、 数据处理模块。其中显示模块完成输出波形实时监测显示、数据打印等功能；数据处理 模块完成对数据的实时比较、故障预警、历史数据回放等功能在数据采集过程中，由 于系统设备启停，存在严重的电场和磁场干扰。为了减少外界干扰，可从硬件和软件两 方面来进行抑制在硬件方面采用电路接地技术、光电隔离技术及屏蔽技术等，以抑制 电磁场辐射、共模干扰等在软件方面，设计数字滤波器对采集信号进行再处理，以防 止信号失真本系统的模拟量采集软件主要是用6 0 对i 塔2 3 2 串口编程，实现硬件 间的通讯。 3 4 2m 8 c c 舢m 控件简介 v b 6 o 对r s 2 3 2 串口编程主要通过m s c c o m m 控件来实现【明m s c c 叫眦控徉为应 用程序提供串行通讯功能控件提供下列两种处理通讯的方式：事件驱动通讯是处理串 行端口交互作用的一种非常有效的方法在许多情况下，在事件发生时需要得到通知， 例如，在c a f r i 盯d | ：t e 或黜q u e s tt os d a 盯s ) 线上一个字符到达或一个变化发生 时在这些情况下，可以利用m s c 锄m 控件的0 n c 咖事件捕获并处理这些通讯事 件，无论何时当c 粕m l v 雠t 属性的值变化时，就产生伪l o 咖m 事件，标志发生了一个 通讯事件或一个错误。另一种方法是通过检查c c 衄m 】巳v 踟t 属性的值来查询事件和错误 如果应用程序较小，并且是自保持的，这种方法可能是更可取的，它只对莱特定的事 件响应。 每个使用的m s c c o m m 控件对应着一个串行端口。如果应用程序需要访问多个串行 端口，必须使用多个m s c 锄m 控件m s c c 吣m 控件主要属性； c c 衄m p 砸：设置并返回通讯端口号； s e 衄学：以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位l p 0 r 泖：设置并返回通讯端口的状态也可以打开和关闭端日# 脚m ：从接收缓冲区返回和删除字符； 0 | i i l l ，l 吐：向传输缓冲区写一个字符串。 更多的详细的信息请参阅m i c s o f t 的联机文档m s d i n 2 卜 燃油总管试验器测控系统与温度控制系统的研究 3 4 3 柏m 控件简介 a | ) a m 模块时通过特殊的约定字符