基于LabVIEW的推进系统通用试验台设计.doc

基于LabVIEW的推进系统通用试验台设计张猛1 李亚南2 王平1 张作琦1 （1、中航工业特种飞行器研究所，湖北 荆门 44803521江苏科技大学，江苏 镇江 212000）摘要：针对无人机、通用飞机和对流层飞艇推进系统地面试验的现实需求，通过试验台架模块化设计与基于LabVIEW平台的虚拟仪器测试技术相结合的方式，实现了多型号发动机及不同动力装置系统地面试验过程中的快速换装及测试，运行结果表明该试验台测试数据全面、准确，发动机操纵控制快速精确。达到了通用性强、测试周期短、试验成本低的设计要求。关键词： 推进系统、LabVIEW、通用试验台中图分类号： 文献标志码：Powerplant Option and Application of Large and Medium Troposphere AirshipZhang Meng1, li yanan2,wang ping1, Zhang Zuoqi1(1. China Special Vehicle Research Institute, Hubei Jingmen 448035)(2. (Jiangsu University of Science and Technology, Jiangsu Zhenjiang 212003)Abstract: With the practical need of Unmanned Aerial Vehicle, general purpose airplane and troposphere airship propulsion system ground test-bed, On the combined way of test-bed modularitydesign and testing technique of fictitiousapparatus based on LabVIEW, multi-type engines and numerous power plants ground test is realized, Computational results indicate that the test-bed data is complete, exact and the control of engine is rapid and accurate. It meet the design requirement of high universality, short test cycle and low design cost.Keywords: propulsion system; LabVIEW; universal test-bed大部分无人机、通用飞机和对流层飞艇都采用航空活塞发动机或中小型涡桨发动机为动力。在这些飞行器的研制过程中，进行必要的发动机或动力装置系统的测试可以缩短研制周期，提高产品的可靠性收稿日期：2014-05-30 修回日期XXXX-XX-XX基金项目：基础研保条件建设项目（科工2008563号）作者简介：张猛（1968），男，重庆，汉，本科，高级工程师，主要研究方向为飞行器动力与试验。合理设计可替换机械接口的试验台架，同时搭建基于LabVIEW平台的虚拟仪表测试系统，充分利用软件开发平台针对数据采集、信号分析与处理等任务，提供的接点函数对底层协议进行了高度的封装，用户可以直接调用的特点1，通过通道自定义及通道扩展实现了多种型号发动机及动力装置系统的测试。试验台的通用性是设计建设的目标和重点。基于LabVIEW测试系统是目前研究和应用的热点，有关文献很多，文献2-3主要关注的是汽车发动机参数测试，未涉及与发动机及螺旋桨安装相关的应变、振动加速度测试；文献4-5主要侧重于对某一个方面的研究。本文较为全面地介绍了通用试验台架设计、测试系统硬件配置、软件构建等方面的内容，可作为试验台人员的参考。1 通用试验台组成推进系统试验台由用于发动机调试的台架、用于动力装置试验的台架、燃油系统及与台架配套的数据测量和操纵控制系统三部分组成。2通用台架设计2.1调试台架调试台架用于单台发动机的性能调试及试验。发动机安装支架通过螺栓固定在安装板上，更换不同的安装支架即可实现不同发动机在调试台架的安装；安装板由4个套筒型循环球直线轴承支承，可前后移动，布置拉（压）力传感器在安装板后方可测试发动机直连螺旋桨的拉（推）力。设计的三维数模见图2。图1 发动机调试台架数模2.2试验台架试验台架主要用于飞艇动力装置系统的试验。与飞机不同，现代飞艇动力装置系统必须具有动力传动及拉（推）力矢量转向等功能。将动力装置系统安装在试验台架上，地面模拟飞艇飞行过程中动力装置系统需实现的各种功能并进行测试（矢量转向、最大拉力测试、差动控制、连接部位应力应变测试等）有其必要性。台架由左、右及上部三个组件构成，宽度方向可调节，左、右两个独立的活动组件分别连接两个直线轴承，直线轴承悬挂在固定轴上，可沿轴向移动及旋转。通过对固定台架在地面上的不同位置的固定可进行不同飞艇动力装置系统的地面试验。图3为三维设计模型及安装动力装置系统的实物。图2 试验台架模型及实物3测控系统测控系统包括视频监控、发动机控制与数据采集三大功能。系统由操作台、工控机、显示器、摄像系统、数据采集系统、伺服电机及打印机组成。摄像系统相对独立，和数据采集及发动机控制系统在操作台进行集成。系统组成见图4。图3 测控系统组成3.1 系统硬件方案本试验台的测控系统的硬件由两部分组成，一是数据采集模块；二是发动机操纵控制模块。数据采集模块采用美国NI公司的PXI总线产品搭建的，操纵控制模块由研华公司的PCI系列多轴运动控制卡及交流伺服系统实现。由于数据采集模块的传感器输出信号不统一，还需要使用信号调理模块对信号进行标准化和统一化处理。测控系统的硬件配置见图5。图4 数据采集及控制系统的配置4 发动机操纵控制系统对于各类中小型航空发动机而言，单台发动机需要连续操控的变量一般不超过3个，对活塞发动机而言包括混合比、节气门及螺旋桨变距机构的控制。共设置6套操纵回路，可以满足飞艇动力装置系统两台发动机同时试验的控制需求。4.1 操纵控制系统构成一般来说，从安全角度考虑发动机控制监测室与发动机工作现场应处于隔断状态，因为发动机的运行噪声特别大这很大程度上会影响测试人员的测试效率和效果，同时发动机测试过程中可能会出现意外情况。 推动操控手柄偏转一定的角度，操控手柄就会输出相应的模拟电压量，数据采集卡将手柄输出的模拟电压量传送给工控机，在控制软件LabVIEW的作用下根据给定的电压量以及各传感器反馈的发动机工作状态，工控机会给出精确地控制角度量值输出到伺服运动控制卡中，这样就实现了发动节气门以及螺旋桨变节距机构的精确控制，本系统的操控系统框图如图6所示。图6 操纵组合控制框图该模块的主要功能是利用LabVIEW编写的数据采集程序、控制算法和运动控制卡的驱动等相互配合，最终生成交流伺服系统的驱动，从而实现对伺服系统的精确控制。由于发动机是一种复杂的机电综合体，其运动工况具有非线性和时变性。为了增加发动机节气门和变节距机构控制精确性和可靠性，本文采用交流伺服系统。4.2矢量控制算法本系统的操控模块选用的是交流伺服系统，其具有价格低廉控制精度高而且可选等优点，如图5所示为本文选用的永磁式同步交流伺服电机（PMSM）结构简图，图中已经假定了电流的正方向5。as-A相绕组轴线 bs-B相绕组轴线 cs-C相绕组轴线、空间矢量 AX-A相线圈 BX-B相线圈 CX-C相线圈图5 永磁同步交流伺服电机Fig5 Permanent magnet synchronous AC servo motor如图q轴超前d轴90电角度（顺着方向），而永磁体基波磁场的方向即为d轴。转子参考坐标的空间坐标以q轴与固定轴线间的电角度来决定。通过推导，电压方程可以写为 （4-1）同理可以推导出转矩方程为 （4-2）上述方程构成了PMSM的基本数学模型，由于三相永磁同步伺服电机含有电角速度以及电流或的乘积项，因此，它是一个典型的非线性模型。可以将上述方程写成状态方程形式，如下所示。 （4-3）三相永磁同步伺服电机空间矢量图在形式上与时间向量图相同，并且q轴与，与，与分别互相对应。其中以及都是空间向量，为和的空间夹角。 若实现对角的控制就实现了角度控制，是电流空间向量在dq坐标中的空间相位角，在d、q轴上的分量和决定了角的大小。 对于本文选用的凸装式转子电机，它的电磁转矩为 （4-4）上式中 -电磁转矩-极对数；-d轴励磁电感。-计算到定子一侧的等效励磁电流。因为是固定的无法调整，则电磁转矩就与成正比，两者之间是线性关系。当给定了指令，那么同时也就确定了。定子电流在d轴的分量对永磁体具有增、消磁作用，因此它的数值需要根据运行要求来确定5。在实际运行过程中，给电机输入的是、和三相电流，而不是、的d、q轴电流，前者为交流量，而后在则为直流量。为了从实际输入的、和三相电流中得到所需要的、直流量，就需要进行坐标系变换，其关系为公式4-1。在实际控制中，通常需要设置电流控制环，通过电流的控制迫使三相电流能够严格跟踪指令电流，这样才能使得、和与变换后的、和相一致。（4-5） 但是仅仅上述的条件是不够的，还需要知道（dq相对定子A相绕组轴线as的空间坐标）。一般来说，是在电机的输出轴一侧安装编码器来检测转子的磁极相对于as轴的位置。5 测试系统测试系统主要完成参数采集、处理和显示等功能。本试验台的测试系统在实验室虚拟仪器集成环境（LabVIEW）下进行开发，LabVIEW是基于G语言图形化编程语言，编程过程相对简单。前面板提供了各种开关、按钮等经典控件，自定义用户界面，使设计出的操作界面形象直观6。5.1 采集信号试验台测试系统按两台莱康明公司生产的活塞发动机TIO-540-A2C的运行参数为主要信号进行配置，同时对传动扭矩、发动机安装框架的应变、振动加速度、螺旋桨拉力及大气温度压力等信号进行测试，需要采集的传感器型号、信号类型及通道数量见表1。表1 采集参数信号名称传感器型号通道数量信号类型气缸头温度P-10012电压量进气压力PT-60ABS2排气温度P-1112涡轮进口P-1112滑油温度P-1202滑油压力PT-100GA2燃油压力PT-100GA2动态扭矩TT10K1振动加速度KD10008拉力BK-4（0.5t）2拉力BK-4（1.0t）2动态应变放大器KD60058动态应变放大器KD600116发动机转速T1A9-22脉冲量燃油流量FT-602油量测量1通讯大气温度压力JX106000222电流量5.2 信号调理本系统主要的信号调理任务由LabVIEW软件来实现。作为辅助手段，采用JLD4U2P8直流电压隔离传感器和NI SCB-68A屏蔽式I/O接线盒来辅助完成信号预调理。从表1可知本试验台需要采集的信号主要有模拟信号（电压量、电流量）及脉冲信号两类，油量测量传感器的输出为数字信号可以直接由工控机采集和显示。模拟信号调理使用了无限增益反馈低通滤波器，脉冲信号经74LS240施密特总线驱动器整形后输出。振动加速度、动态应变及静态应变由于测量精度要求高，需要专用的信号调理设备。本试验台的振动加速度计KD1000配套KD5007电荷放大器，动/静态应变信号由KD6001 /KD6005动态应变放大器进行调理。5.3 软件设计基于LabVIEW的CAT软件系统分为五部分，分别为用户管理、系统管理、发动机操纵、试验管理和事后管理。试车前，完成用户管理、通道自检、通道校准及试验工程编辑（试车信息编辑、采集通道定义）等功能。试车中，完成采集数据、试验控制、试车步骤提示、显示参数、存储数据、判断报警、实时参数计算、实时显示曲线等功能。试车后，完成报表生成、打印。各项动态数据存储在Microsoft Access数据库中，静态数据存储在Microsoft Excel里。本试验台CAT软件系统各结构见图7。图7 软件结构图a) 用户管理模块该功能主要是用来管理各种使用权限。用户管理分为三部分，身份验证、用户权限分配和用户权限更改及删除。b) 系统管理模块该模块主要是用来检测发动机测控系统的数据采集卡是否能够正常运行，同时也可以为用户提供帮助文件查询和系统软件查询等功能。c) 发动机操纵模块该模块的主要功能是利用LabVIEW编写的数据采集程序、基于多传感器信息融合的控制算法和运动控制卡的驱动等相互配合，最终生成运动控制卡的驱动，从而实现对伺服系统的精确控制。发动机操控模块的主要组成见图8所示。 图8 发动机操控模块构成d) 试验管理模块该模块是本系统的核心。本模块包括试验运行和工程管理两大功能，其中包含了发动机试车实时参数处理、试车过程提示、报警监视、试车信息定义、采集通道定义和发动机型号定义等功能，见图9。5.4 软件实现本试验台数据采集系统软件采用了分离式设计思想，即把用户界面与数据流进行分离，两者互不干扰，不会因为用户的前端操作而影响到数据的采集。 由于数据采集是记录高速动态数据，本试验台处理动态数据的方法是使用LabVIEW SQL Toolkit（也被称为LabVIEW Database Connectivity Toolset），它是用于数据库访问的附加工具包，集成了一系列的高级功能模块，这些模块封装了大多数的数据库操作和一些高级的数据库访问功能。图11为利用LabVIEW编写其中一个功能程序。图11 LabVIEW编写的程序本试验台基本的测试界面可以测试两台活塞发动机同时工作的各种参数，设计界面见图12。图12 测试系统软件界面6试验及结论6.1 操控系统试验对于发动机操控系统，要求具有较好的稳定性及精度。本文利用阶跃信号对操控系统进行测试，检测了试验系统的响应速度、稳态输出值及超调量等重要指标。表1给出了一组试验数据，与试验数据相对应的操控系统角度控制响应曲线如图6所示。表1 角度控制测试参数Tab1 Test parameters of angle control 试验编号设定角度值稳态输出值稳态误差响应时间1909000.7s图6 阶跃响应Fig6 Step response6.2 数据采集系统试验对于数据采集系统的试验，本文选取了最为典型的发动机转速信号作为检测对象。因本次检测对象莱康明 TIO-540-A2C发动机的最低稳定怠速为1200r/min，最高转速为5800r/min，为了能够反映本测控系统的精度，本试验分别检测低