基于數(shù)據(jù)庫的新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測控系統(tǒng)

陳震宇

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110015）

1 引言

隨著中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制進(jìn)程的不斷深入，以及電子、通信、計(jì)算機(jī)、控制、測試、總線和標(biāo)準(zhǔn)化等相關(guān)先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，在試車臺上構(gòu)建基于發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的一體化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化、標(biāo)準(zhǔn)化的航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)測控系統(tǒng)正在成為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。國外軍工產(chǎn)品通用測控系統(tǒng)和平臺正在向著標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、開放式、可互連、可互操作的自動(dòng)化平臺方向發(fā)展[1]。

本文根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的一體化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化特點(diǎn),對試車新型測控系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行研究。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)測控系統(tǒng)

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)測控系統(tǒng)包括測試、控制和管理系統(tǒng)3大部分。其中,測試系統(tǒng)包括穩(wěn)態(tài)測試系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)；控制系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和試車臺控制系統(tǒng)；管理系統(tǒng)包括試驗(yàn)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和設(shè)備管理系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)功能

新型測控系統(tǒng)應(yīng)具有如下的功能特點(diǎn)：

（1）自動(dòng)、連續(xù)監(jiān)測全部試驗(yàn)參數(shù)和限制值；

（2）科研試車臺常規(guī)測控通道約2000，通道可擴(kuò)展；

（3）具有較高的測量和控制精度及掃描速率；

（4）基于 GPIB、VXI、PXI、LXI、LAN 和 USB 等多種通用標(biāo)準(zhǔn)接口兼容；

（5）利用公共核心軟件獨(dú)立進(jìn)行通道計(jì)算；

（6）通過管理界面允許用戶控制試驗(yàn)；

（7）自動(dòng)執(zhí)行試驗(yàn)程序和實(shí)時(shí)報(bào)警監(jiān)視；

（8）以用戶選擇的模式圖像化顯示全部數(shù)據(jù)（數(shù)字、模擬儀表、圖表、曲線等）；

（9）以用戶選擇的模式打印輸出全部數(shù)據(jù)（記錄單、圖表等）；

（10）自動(dòng)多通道檢測和校準(zhǔn)；

（11）基于PLC的控制系統(tǒng)；

（12）全程閉環(huán)PID邏輯控制；

（13）根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)自動(dòng)/手動(dòng)控制動(dòng)作；

（14）基于Windows的操作系統(tǒng)；

（15）自動(dòng)、連續(xù)的全部試驗(yàn)信息的數(shù)據(jù)庫存儲；

（16）全系統(tǒng)電源冗余備份；

（17）一體化的多媒體顯示和傳輸；

（18）ARINC429和MIL-STD-1553B用于發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字通信；

（19）通過內(nèi)部局域網(wǎng)和調(diào)制解調(diào)器建立本地計(jì)算機(jī)、服務(wù)器間的通信。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

新型測控系統(tǒng)軟件分為系統(tǒng)級應(yīng)用、監(jiān)視及處理和控制軟件3部分，如圖2所示。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)一般應(yīng)從系統(tǒng)用途、功能、規(guī)模、軟/硬件平臺支持要求、實(shí)時(shí)性能、用戶接口、擴(kuò)展性、維護(hù)性、安全性、可靠性、文檔完整性與經(jīng)濟(jì)性等多方面綜合考慮[2]。

2.2.1 軟件組成結(jié)構(gòu)

應(yīng)用軟件包含系統(tǒng)配置、診斷、校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、數(shù)據(jù)庫和通訊等程序，完成系統(tǒng)管理、通訊、測試和試驗(yàn)準(zhǔn)備等功能；監(jiān)視及處理軟件包括試驗(yàn)流程操作、監(jiān)控報(bào)警、實(shí)時(shí)顯示、試驗(yàn)報(bào)告生成和做圖、參數(shù)與功能測試診斷、聲像多媒體輸入/輸出、檢索等功、故障分析及操作指南等程序，完成試驗(yàn)過程中的信息監(jiān)視、操作指導(dǎo)和試驗(yàn)后的信息輸出等功能；控制軟件包括發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、試車臺設(shè)備控制、起動(dòng)機(jī)控制、PLC控制中心和輔助試驗(yàn)設(shè)備控制等程序，根據(jù)各種控制算法完成試驗(yàn)相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)、起動(dòng)機(jī)及各種設(shè)備的控制功能。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理功能

新型測控系統(tǒng)完成發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)全流程的管理、測試、控制和操作等比較復(fù)雜的功能，其中的數(shù)據(jù)處理、顯示、報(bào)警和輸出包括的功能如下。

（1）數(shù)據(jù)的預(yù)處理

a.粗大誤差數(shù)據(jù)的剔除；

b.均值、方差和標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算；

c.曲線擬合；

d.數(shù)字濾波。

（2）數(shù)據(jù)計(jì)算處理

e.試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析；

f.發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的計(jì)算處理；

g.動(dòng)態(tài)參數(shù)的頻率特性分析；

h.動(dòng)機(jī)功能檢查狀態(tài)信息的處理。

（3）狀態(tài)監(jiān)視和報(bào)警

i.監(jiān)視參數(shù)的名稱、性質(zhì)、測量范圍、報(bào)警限設(shè)置；

j.監(jiān)視參數(shù)的計(jì)算處理方法；

k.實(shí)時(shí)數(shù)字顯示和圖形顯示的選擇；

l.參數(shù)報(bào)警。

（4）試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖形顯示

m.顯示頁面位置與刷新率；

n.顯示內(nèi)容及圖形種類；

o.多媒體信息的顯示。

（5）數(shù)據(jù)回放

p.試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)回放；

q.數(shù)據(jù)檢索回放；

r.試驗(yàn)“黑匣子”功能。

（6）數(shù)據(jù)通訊

s.測試系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通訊；

t.控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通訊；

u.監(jiān)視系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通訊；

v.多媒體系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通訊。

2.2.3 軟件設(shè)計(jì)體系

現(xiàn)代軟件設(shè)計(jì)采用所謂的“企業(yè)體系結(jié)構(gòu)”,在這種體系結(jié)構(gòu)下，獨(dú)立的軟件組件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理（或者其他專門的應(yīng)用任務(wù)）、數(shù)據(jù)存儲和用戶接口功能。利用這種方法更換數(shù)據(jù)庫引擎時(shí)，那些處理數(shù)據(jù)的軟件組件和支持與用戶交互軟件組件可以不改動(dòng)。多種用戶接口模塊，比如基于局域網(wǎng)部的接口模塊可以用于同一應(yīng)用中[3]。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)平臺應(yīng)該通過選擇COTS（Commercialofftheshelf，商用或商業(yè)貨架）軟件設(shè)計(jì)降低系統(tǒng)軟件全壽命費(fèi)用。新型系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)平臺包括：

（1）數(shù)據(jù)庫主要基于Oracle、SQL軟件設(shè)計(jì)；

（2）控制軟件由PLC的ST語言進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)；

（3）控制采用OPC（過程控制中的對象鏈接和嵌入技術(shù)）技術(shù)；

（4）系統(tǒng)管理軟件基于.net語言；

（5）測試軟件基于.net語言、C++、VC、VB、LabView等語言；

（6）商用TDM試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理平臺。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 系統(tǒng)的硬件組成

系統(tǒng)硬件由測試硬件、計(jì)算機(jī)硬件、多媒體硬件、控制硬件和輔助硬件組成，如圖3所示。其中，測試硬件包括傳感器、變送器、采用 GPIB、VXI、PXI、LXI、USB和LAN總線的數(shù)據(jù)采集設(shè)備、溫度掃描閥、壓力掃描閥、各種儀表等。計(jì)算機(jī)硬件包括計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、服務(wù)器、交換機(jī)、集線器、觸摸屏和指紋識別器等；控制硬件包括PLC工作站、電動(dòng)油門桿、發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字電子控制器和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)等；多媒體硬件包括攝像頭、云臺鏡頭控制器、硬盤錄像機(jī)、監(jiān)視器、投影儀和麥克風(fēng)等；輔助硬件包括測控管線、各種電源、控制按鈕開關(guān)和指示燈、測試控制柜、試車操縱臺等。

2.3.2 硬件體系設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)主要將發(fā)動(dòng)機(jī)被測信號通過傳感器、變送器和儀器儀表進(jìn)入數(shù)采系統(tǒng)設(shè)備測量；溫度、壓力也可以直接采用壓力和溫度掃描閥測量；測試數(shù)據(jù)通過總線進(jìn)入測試計(jì)算機(jī)集中計(jì)算處理，處理后的數(shù)據(jù)再進(jìn)入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與其他相關(guān)信息統(tǒng)一管理和應(yīng)用。

控制系統(tǒng)主要由PLC和數(shù)字電子控制器控制運(yùn)行。PLC主要控制發(fā)動(dòng)機(jī)及各種輔助試驗(yàn)設(shè)備；數(shù)字電子控制器主要控制發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)狀態(tài)；控制系統(tǒng)的PLC和數(shù)字電子控制器通過控制計(jì)算機(jī)完成運(yùn)行維護(hù)、信息反饋監(jiān)視和管理，并將相關(guān)數(shù)據(jù)和信息與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行通訊。

多媒體信息通過攝像頭、麥克風(fēng)等設(shè)備收集進(jìn)入監(jiān)視器顯示，并進(jìn)入硬盤錄像機(jī)記錄，還可以在投影儀上信息，多媒體信息通過硬盤錄像機(jī)輸出到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

全部的試車數(shù)據(jù)和信息集中在試車數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，其他子系統(tǒng)依托試車數(shù)據(jù)庫運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)諸如試車狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視、試驗(yàn)流程管理、試車歷程跟蹤、遠(yuǎn)程試車狀態(tài)傳輸監(jiān)視、試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫管理和試驗(yàn)操作控制等功能。系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 其他設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)相關(guān)問題

對于科研型試車臺的測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的問題如下：

（1）多種發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的系統(tǒng)適應(yīng)性；

（2）系統(tǒng)靈活的可擴(kuò)展能力；

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)特種試驗(yàn)的系統(tǒng)配置；

（4）多個(gè)子系統(tǒng)的時(shí)基同步性；

（5）數(shù)據(jù)處理的算法估算和準(zhǔn)確性判別；

（6）發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)（EHM）的應(yīng)用；

（7）人素工程[4]（HFE）在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

3.2 新技術(shù)應(yīng)用

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)研制的不斷發(fā)展，新測試技術(shù)也在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中逐漸應(yīng)用，新型試車臺測控系統(tǒng)要具有應(yīng)對這些新技術(shù)的試驗(yàn)應(yīng)用能力。這些技術(shù)包括[5]：

（1）高溫燃?xì)鈪?shù)測試技術(shù)；

（2）高溫薄膜熱電偶技術(shù)；

（3）流場和油霧濃度場測試技術(shù)；

（4）小尺寸通道中的氣動(dòng)參數(shù)的測量技術(shù)；

（5）非定常流氣流參數(shù)測試技術(shù)；

（6）高精度、耐高溫非接觸式溫度、位移測試和振動(dòng)技術(shù)；

（7）發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)全流程腔溫、腔壓測量及分析技術(shù)；

（8）發(fā)動(dòng)機(jī)全流程壁溫測量及分析技術(shù)；

（9）整機(jī)全流程的流場、應(yīng)力場和溫度場的測量及分析技術(shù)。

4 新型試車測控系統(tǒng)發(fā)展趨勢

基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的新型測控系統(tǒng)正在向一體化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。一體化就是將發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、試車臺設(shè)備控制系統(tǒng)、穩(wěn)態(tài)測試系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)和試車管理系統(tǒng)等獨(dú)立的分系統(tǒng)、有機(jī)地結(jié)合在一起，形成對航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)全面、全方位、全流程地控制、測試和管理。“測、控、處”向一體化方向發(fā)展，是適應(yīng)試驗(yàn)研究發(fā)展的需要[6]。

信息化就是將航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)從發(fā)動(dòng)機(jī)上臺到下臺的全過程所產(chǎn)生的全部信息統(tǒng)一收集和管理，并存儲在試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫中，用于對發(fā)動(dòng)機(jī)性能全面綜合地研究和分析。整機(jī)試驗(yàn)全過程所產(chǎn)生的信息包括：試驗(yàn)文件、試驗(yàn)準(zhǔn)備信息、發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)信息、試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)、試驗(yàn)控制數(shù)據(jù)、試驗(yàn)多媒體信息、試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)和試驗(yàn)報(bào)告等。

網(wǎng)絡(luò)化就是以整機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為中心，通過網(wǎng)線、測試和控制總線將計(jì)算機(jī)、PLC、電子控制器、測試設(shè)備、控制設(shè)備、電氣設(shè)備和多媒體設(shè)備等連接成星型的局域網(wǎng)測控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)的實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程/近程、有線/無線等多種方式的試驗(yàn)信息通訊和共享，為不同層次的試驗(yàn)用戶提供所需的試驗(yàn)信息，對發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)形成多維度的高效測量、監(jiān)視、控制和管理。

智能化就是基于整機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用試驗(yàn)管理系統(tǒng)平臺，完成對發(fā)動(dòng)機(jī)從試驗(yàn)任務(wù)下達(dá)到試驗(yàn)結(jié)果上報(bào)全過程的信息化管理。運(yùn)用健康管理系統(tǒng)平臺，完成對發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)安全和性能的控制和評估；運(yùn)用智能控制系統(tǒng)平臺，完成對起動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、試驗(yàn)設(shè)備等的自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)；運(yùn)用試驗(yàn)?zāi)M仿真平臺，完成發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)的模擬和仿真，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化試驗(yàn)研究，并依據(jù)物理試驗(yàn)的整機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫對其進(jìn)行修正。

標(biāo)準(zhǔn)化就是將測控系統(tǒng)按功能進(jìn)行分類，對輸入輸出接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一，確認(rèn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配置功能模塊。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，便于在行業(yè)內(nèi)對于相同的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析和比較，以及數(shù)據(jù)交流。接口統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)便于硬件擴(kuò)充和擴(kuò)展。功能的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一便于提高操作使用效率、規(guī)范系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)化工作在航空工業(yè)產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、使用中起著無可替代的指導(dǎo)、規(guī)范作用[7]。

5 結(jié)束語

建立基于發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的一體化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化的新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)測控系統(tǒng)，是對航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)試車臺建設(shè)和整機(jī)試車技術(shù)意義深遠(yuǎn)地探索與嘗試，必將全面提升和促進(jìn)試車臺建設(shè)和整機(jī)試車能力，也為航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化仿真試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

[1]張寶珍，楊廷善，等.國外軍工產(chǎn)品試驗(yàn)、測試與評價(jià)管理體系和先進(jìn)技術(shù)研究[A].中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心，2004.

[2]楊延善，蘇長萊，等.航空測控系統(tǒng)實(shí)用手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，1997.

[3]張津,洪杰，等.現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)與發(fā)展[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[4]王如根,高坤華.航空發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2003.

[5]吳行章.航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)設(shè)備和測控技術(shù)發(fā)展趨勢[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，1989（3）:59-63.

[6]吳大觀.航空發(fā)動(dòng)機(jī)論文集[M].北京：航空工業(yè)出版社，2009.