黃祺晟，楊紀(jì)明，周章文，孫四海

(空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院，西安，710038)

航空發(fā)動機，是一個集各種高新技術(shù)于一體的故障多發(fā)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、工作狀態(tài)多變的特點[1]，因此控制系統(tǒng)在提高發(fā)動機性能及穩(wěn)定性、減少總體費用等方面起著至關(guān)重要的作用[2]。為實現(xiàn)對發(fā)動機的控制，早期的發(fā)動機采用簡單的液壓機械開環(huán)控制系統(tǒng)，但隨著發(fā)動機控制系統(tǒng)功能及控制變量的不斷擴展，液壓機械裝置逐漸到達了極限。為解決發(fā)動機在最大狀態(tài)下的控制問題，機械液壓+模擬電子控制系統(tǒng)應(yīng)運而生，為發(fā)動機在飛行包線內(nèi)提供超溫超轉(zhuǎn)保護[3]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電子控制器的誕生標(biāo)志著控制律的實現(xiàn)由硬件主導(dǎo)向軟件主導(dǎo)的過渡，使得快速實現(xiàn)控制系統(tǒng)改進而無需修改硬件成為可能[4-5]。

某型航空發(fā)動機早期采用模擬式電子控制器，隨著型號發(fā)展，后期升級為數(shù)字式電子控制器。根據(jù)反饋，原有綜合測控系統(tǒng)已無法滿足維修保障需求，且原系統(tǒng)存在體積重量大、系統(tǒng)升級困難、語言障礙等問題，極大影響了保障效率及轉(zhuǎn)場能力。目前國內(nèi)關(guān)于該型發(fā)動機電子控制器測控系統(tǒng)的相關(guān)研究較少，缺乏大修條件下的檢測能力，系統(tǒng)集成度也不高[6-9]。

為解決上述問題，本文設(shè)計了某型綜合測控系統(tǒng)。經(jīng)實驗室的測試與外場實機測試，該測控系統(tǒng)工作良好，且能實現(xiàn)對原系統(tǒng)功能的上位替代。

1 信號分析及綜合測控系統(tǒng)組成

1.1 數(shù)字式電子控制器功能及其信號分析

該型發(fā)動機數(shù)字電子控制器的功能主要包括：根據(jù)發(fā)動機及機上傳感器信號調(diào)節(jié)和限制高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及渦輪后燃氣溫度；發(fā)動機喘振檢測、預(yù)防及消除；渦輪冷卻控制；低壓導(dǎo)葉調(diào)整；控制系統(tǒng)主備份切換；發(fā)動機加力控制；發(fā)動機振動值監(jiān)控；空中自動起動控制；應(yīng)急放油控制；發(fā)動機工作狀態(tài)監(jiān)控；發(fā)動機有壽件運行時間記錄等。

為便于與測控系統(tǒng)建立聯(lián)系，按方向及功能大致可將與控制器交聯(lián)的信號進行如下分類：其中輸入信號包括傳感器信號、地面檢查數(shù)字信號及開關(guān)量信號，輸出信號則包括傳感器激勵信號、開關(guān)量信號、地面檢查數(shù)字信號、占空比控制信號及經(jīng)電子控制器處理后的傳感器線性電壓信號。

1.2 綜合測控系統(tǒng)功能分析及組成

綜合測控系統(tǒng)通過全面模擬發(fā)動機、機上相關(guān)傳感器、電門及執(zhí)行機構(gòu)等產(chǎn)生的輸入信號，離線模擬發(fā)動機的各種工作狀態(tài)，并通過采集處理輸出信號實現(xiàn)電子控制器的自動檢測、校準(zhǔn)及故障定位診斷。此外，系統(tǒng)還能為試車狀態(tài)下的發(fā)動機提供在線參數(shù)記錄及分析。

原測控系統(tǒng)為純模擬器件搭建的柜式檢測臺，體積龐大且檢測流程由人工實現(xiàn)，效率較低。新系統(tǒng)則全面采用數(shù)字化設(shè)計，將測控系統(tǒng)縮小至手提箱大小，具備了快速轉(zhuǎn)移、部署的能力，并實現(xiàn)了常規(guī)檢測項目的自動化。

系統(tǒng)由綜合測控箱、數(shù)控電阻箱、數(shù)據(jù)采集卡、裝有測控軟件的上位機平臺及數(shù)控電源(或由機載電源供電)組成。測控系統(tǒng)的組成及信號交聯(lián)關(guān)系見圖1。

圖1 綜合測控系統(tǒng)組成

綜合測控箱為測控系統(tǒng)的核心，其功能包括解析測控軟件指令，模擬及回采開關(guān)量信號，故障模擬，傳感器信號模擬，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等。

數(shù)控電阻箱的功能是模擬熱電阻阻值，為數(shù)字電子控制器提供發(fā)動機進口溫度、滑油溫度及燃油溫度傳感器的輸入。

系統(tǒng)采用阿爾泰公司的USB3121型數(shù)據(jù)采集卡作為模擬量采集，該型數(shù)據(jù)采集卡提供了對應(yīng)的API接口，可根據(jù)需要自行編寫測控軟件。

上位機平臺為安裝測控軟件的計算機，可在滿足測控軟件運行最低要求的前提下根據(jù)實際需要進行更換。

測控軟件基于NI公司的LabVIEW 2017平臺開發(fā)，并配合Acess數(shù)據(jù)庫，共同實現(xiàn)對測控系統(tǒng)的控制及數(shù)據(jù)存儲。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計，根據(jù)功能分為傳感器信號發(fā)生、線性電壓采集、指示燈信號采集、電源、開關(guān)量信號模擬及回采、通信等多個模塊。

2.1 傳感器信號發(fā)生模塊

根據(jù)傳感器的工作原理，綜合檢測系統(tǒng)需要模擬3種不同類型的傳感器信號，包括頻率信號、電壓信號以及電阻信號，其中電壓信號又細分為激勵型和非激勵型信號。模塊的工作原理見圖2。

圖2 傳感器信號發(fā)生模塊工作原理

以頻率信號為例，系統(tǒng)采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)產(chǎn)生幅值、頻率可調(diào)信號。相較于模擬技術(shù)，具有頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換速度高、相位變化連續(xù)、波形輸出靈活、相位噪聲和漂移低、使用靈活方便等眾多優(yōu)勢[10-11]。常規(guī)DDS技術(shù)主要有2種實現(xiàn)方式，一是基于FPGA的方式，通過DAC將FPGA產(chǎn)生的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的波形輸出，經(jīng)低通濾波器平滑處理后得到相應(yīng)波形[12]。該方式的優(yōu)點是通過改寫波形ROM數(shù)據(jù)來產(chǎn)生任意波形信號[13-14]，缺點是為確保信號的精度，技術(shù)難度較大[15]；二是通過MCU或FPGA控制專用DDS芯片產(chǎn)生頻率信號，再經(jīng)低通濾波器及高頻運算放大器[16]后得到對應(yīng)的頻率信號，該方式的優(yōu)勢是電路結(jié)構(gòu)緊湊、頻率穩(wěn)定、通用性高且整體功耗低[17-18]，但是輸出波形靈活性不如前者。

綜合各項因素，本測控系統(tǒng)以AD9959專用DDS芯片為基礎(chǔ)，通過改進信號調(diào)理電路處理方法，得到高精度頻率信號。

以喘振信號發(fā)生電路為例(見圖3)，信號發(fā)生分為頻率發(fā)生和幅值調(diào)節(jié)2個步驟。以10位振幅精度AD9959芯片為核心的頻率發(fā)生電路根據(jù)主控芯片指令產(chǎn)生頻率可變的正弦電流信號，該信號經(jīng)濾波放大后，由電壓比較器整形為同頻率方波信號。此方波信號一路經(jīng)二級分頻器分頻后，作為數(shù)字低通濾波芯片的基頻信號，另一路未經(jīng)分頻的方波信號則作為芯片的時鐘信號，輸出幅值固定、頻率可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)正弦輸出信號。

在幅值控制電路中，頻率發(fā)生電路的輸出信號作為16位高精度DAC的參考電壓，DAC在主控芯片的控制下產(chǎn)生與參考電壓成正比的輸出電壓，即為幅值、頻率均可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)正弦頻率信號，且幅值分辨率遠高于原芯片。

圖3 喘振信號發(fā)生電路原理圖

2.2 延遲時間檢測模塊

該模塊用于檢測電子調(diào)節(jié)器從故障發(fā)生至故障警告信號/控制信號產(chǎn)生之間的延遲時間。

此模塊利用CPLD高速響應(yīng)的特點，將延遲時間轉(zhuǎn)換為脈沖電平，由數(shù)據(jù)采集卡采樣并計算得到延遲時間。

以N1通道故障信號延遲時間為例，延遲脈沖產(chǎn)生的原理見圖4。2路N1轉(zhuǎn)速傳感器的繼電器控制信號(高電平為接通)通過或門及反相施密特觸發(fā)器后，再與N1通道故障信號通過異或門輸出。當(dāng)N1傳感器信號未全部出現(xiàn)問題時，反相施密特觸發(fā)器的輸出為低電平，若在此時出現(xiàn)了N1通道故障信號，則CPLD的輸出為高電平，即數(shù)字控制器存在故障；當(dāng)傳感器均斷開后，反相施密特觸發(fā)器后的電平跳變?yōu)楦唠娖剑藭rN1通道故障信號尚未產(chǎn)生，在異或門的作用下，CPLD的輸出同時跳變?yōu)楦唠娖?，在電子控制器發(fā)出N1通道故障信號后，CPLD的輸出跳變?yōu)榈碗娖?，此脈沖電平的寬度即代表了由N1通道故障到其故障信號產(chǎn)生之間的延遲時間。

2.3 信號采集、開關(guān)量模擬及回采模塊

本模塊的原理如圖5所示。

圖5 信號采集及開關(guān)量模塊原理

為解決采集卡通道數(shù)不足的問題，對實時性要求不高的離散及線性電壓，經(jīng)多路復(fù)用芯片后，與主控芯片配合共同實現(xiàn)分時采集。

同理，開關(guān)量信號模擬及回采也借由總線擴展芯片實現(xiàn)。

3 測控軟件設(shè)計

測控軟件基于LabVIEW 2017平臺及Acess數(shù)據(jù)庫進行開發(fā)。軟件共有2級界面，一級界面通過軟件的形式還原了舊檢測臺操作面板，即維修人員可通過人工方式完成相應(yīng)的檢測，見圖6。

二級界面包括地面檢查及波形顯示2個子界面。在該界面下，用戶能夠?qū)崿F(xiàn)電子控制器的自動檢測及故障診斷、傳感器校準(zhǔn)、有壽件履歷查詢、信號波形查看等。

圖6 測控軟件用戶界面

4 系統(tǒng)測試

測控系統(tǒng)的測試主要分兩階段進行。第1階段主要測試系統(tǒng)軟硬件的基本功能，并對各模塊信號進行采集、觀察和校準(zhǔn)。第2階段主要驗證測控系統(tǒng)與電子控制器的聯(lián)合工作情況及系統(tǒng)精度測試。因系統(tǒng)涉及信號較多，下面僅以N1通道精度測試為例。將測控系統(tǒng)與狀態(tài)良好的發(fā)動機電子控制器連接，手動調(diào)整模擬傳感器信號參數(shù)，并借助高精度測量儀器測量電子控制器在該信號激勵下產(chǎn)生的對應(yīng)線性電壓信號有效值，同時將測量值與維護手冊中對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)線性電壓輸出值進行比較，間接獲得測控系統(tǒng)的控制精度。通過高精度測量儀器的測量值與測控系統(tǒng)的測量值進行對比，獲得測控系統(tǒng)的測量精度，其中N1通道測試結(jié)果見表1，傳感器模擬信號輸出波形見圖7。

表1 N1通道電壓測量值

圖7 N1轉(zhuǎn)速傳感器模擬信號輸出波形

由測試結(jié)果可以得出，測控系統(tǒng)工作良好，測控精度較高，滿足相關(guān)的測試要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對原系統(tǒng)的上位替代。

5 結(jié)語

本文針對某型發(fā)動機數(shù)字式電子調(diào)節(jié)器設(shè)計了一型綜合測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可應(yīng)用于發(fā)動機的外場檢測及大修檢測，相較于原系統(tǒng)，具有便攜、精度高、集成度及自動化程度高、使用門檻低等特點，降低了相關(guān)維護人員的培訓(xùn)難度，提高了維護效率。目前該系統(tǒng)已用于某型航空發(fā)動機大修維護中，經(jīng)實際檢驗，該系統(tǒng)能很好地滿足發(fā)動機電子調(diào)節(jié)器的維護需要。此外，作為全數(shù)字化測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)也可為后期發(fā)動機智能測控系統(tǒng)研制提供試驗平臺。