魏珊珊

(徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇徐州 221006)

民用飛機(jī)在著陸接地時(shí)具有較大的水平分速度，同時(shí)由于飛機(jī)質(zhì)量較大，所以在降落滑跑過程中，很難依靠氣動(dòng)阻力與機(jī)輪滾動(dòng)阻力對飛機(jī)迅速減速。因此，現(xiàn)代飛機(jī)都有著陸減速裝置。

而現(xiàn)代飛機(jī)的著陸減速裝置需要?jiǎng)x車伺服閥來控制剎車力的大小以避免出現(xiàn)著陸時(shí)對輪胎的損壞。針對飛機(jī)剎車伺服閥測試系統(tǒng)的研究比較多，但基于VXI總線技術(shù)的剎車伺服閥測試系統(tǒng)的研究并不多。

VXI總線儀器同時(shí)具有消息基和寄存器基的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)VXI儀器之間的高速通信，此外VXI總線儀器與計(jì)算機(jī)也有著很高的通信速度，具有較高的系統(tǒng)模塊化能力，為虛擬儀器的進(jìn)一步擴(kuò)展提供了一個(gè)較好的平臺(tái)。

1 飛機(jī)剎車伺服閥測試

飛機(jī)剎車伺服閥測試需要對伺服閥進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的測試試驗(yàn)，如果試驗(yàn)結(jié)果能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)則認(rèn)為該剎車伺服閥液壓特性是滿足要求的。

飛機(jī)剎車伺服閥需要進(jìn)行:保壓試驗(yàn)測試、內(nèi)泄漏試驗(yàn)測試、壓力增益試驗(yàn)測試、滯環(huán)試驗(yàn)測試、壓降試驗(yàn)測試、瞬態(tài)響應(yīng)測試、頻率響應(yīng)測試。

要實(shí)現(xiàn)以上試驗(yàn)就需要操作相應(yīng)數(shù)據(jù)采集儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。根據(jù)實(shí)際需要，確定了該測試系統(tǒng)需要VXI儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)的功能有:高速數(shù)據(jù)采集、驅(qū)動(dòng)伺服閥放大器。

2 測控系統(tǒng)的組成與軟件實(shí)現(xiàn)

該測控系統(tǒng)由3個(gè)部分構(gòu)成:工控機(jī)、VXI總線機(jī)箱、液壓系統(tǒng)、測控系統(tǒng)軟件，如圖1所示。其中數(shù)據(jù)采集任務(wù)主要由包含在VXI總線機(jī)箱內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集卡VT1413C、VT1435完成，伺服閥放大器輸入電壓由VM3608A信號(hào)輸出模塊提供，數(shù)采系統(tǒng)采用LabVIEW2010的編程環(huán)境。

圖1 測控模塊原理簡圖

2.1 數(shù)據(jù)采集卡簡介

VT1413C模塊具有64通道多路轉(zhuǎn)換器、高速16bi分辨率AD轉(zhuǎn)換器、多路切換器控制器、采集精度高 (讀數(shù)的0.01%)、4 mV～16 V的滿量程輸入范圍 (60 V滿量程可選需配置VT1513A衰減器SCP模塊)、內(nèi)置64 kSa雙口FIFO緩存滿足高速的數(shù)據(jù)傳輸率、板載DSP、當(dāng)前值表、自校準(zhǔn)等功能。

VT1435模塊是C尺寸、單槽、基于寄存器的VXI模塊，24位，102.4 kSa/s數(shù)字化儀，集成了DSP、傳感器信號(hào)調(diào)理、抗混疊、數(shù)字化和高速測量計(jì)算功能，采樣速率高、數(shù)據(jù)精度高。

2.2 數(shù)據(jù)采集底層軟件實(shí)現(xiàn)

兩款數(shù)據(jù)采集卡自帶針對C編程環(huán)境的驅(qū)動(dòng)程序，由于系統(tǒng)采用的是LabVIEW的編程環(huán)境，因此，在編程過程中需要先應(yīng)用C語言調(diào)用相關(guān)驅(qū)動(dòng)函數(shù)，生成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫文件，然后在LabVIEW的編程環(huán)境下封裝這些動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫文件，從而實(shí)現(xiàn)在LabVIEW的編程環(huán)境下調(diào)用儀器的C語言驅(qū)動(dòng)函數(shù)。數(shù)采系統(tǒng)構(gòu)架見圖2，底層程序構(gòu)架見圖3。

圖2 數(shù)采系統(tǒng)構(gòu)架

圖3 底層程序構(gòu)架

然而由于所需要完成的試驗(yàn)不同，需要調(diào)用的函數(shù)也不一樣，因此，在對數(shù)采卡進(jìn)行操作的時(shí)候需要根據(jù)實(shí)際需求確定C程序的編寫方式，需要靈活運(yùn)用DLL動(dòng)態(tài)庫封裝來使得程序功能模塊化。針對該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)際情況，分析出需要VXI儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)的功能有:高速數(shù)據(jù)采集、驅(qū)動(dòng)伺服閥放大器。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)采集卡有VT1413C、VT1435兩種，由于兩種數(shù)據(jù)采集卡的編程方式不同，因此需要單獨(dú)對這兩種數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行編程。

VT1435數(shù)據(jù)采集卡要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集需要首先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集卡初始化，初始化使得數(shù)據(jù)采集卡從Booted狀態(tài)進(jìn)行到Idle狀態(tài) (見圖4)。

圖4 VT1435初始化

在初始化完成以后，要完成數(shù)據(jù)采集還需要軟件完成圖5所示步驟。

圖5 VT1435數(shù)據(jù)采集狀態(tài)流程

需要調(diào)用到的函數(shù)有:vt1432_armMeasure、vt1432_triggerMeasure，根據(jù)實(shí)際情況不同調(diào)用的采集函數(shù)也有所不同。在這里由于采用的是FIFO模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因此采用vt1432_readfifodata64函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

VT1413C有著近似的編程方式，不再贅述。

2.2.2 驅(qū)動(dòng)伺服閥放大器

采用VM 3608信號(hào)輸出卡進(jìn)行伺服閥放大器驅(qū)動(dòng)，3616A提供16個(gè)獨(dú)立的并行DAC通道、16位分辨率。每個(gè)通道具有獨(dú)立的DAC模塊以及獨(dú)立的輸出放大器。除了靜態(tài)輸出之外，還提供FIFO模式，用于連續(xù)數(shù)據(jù)的輸出。VM3616A還可工作為任意波形發(fā)生器 (AWG)模式，可輸出各種復(fù)雜的信號(hào)波形。

根據(jù)不同的試驗(yàn)要求，VM3608需要輸出不同類型的連續(xù)波形:三角波、鋸齒波、直流、階躍、正弦信號(hào)。

因此，軟件采用FIFO模式工作，在波形輸出開始前先判斷需要輸出哪種波形信號(hào)再進(jìn)行對應(yīng)的波形輸出，輸出波形以后根據(jù)上層軟件時(shí)間需要及時(shí)停止波形輸出。

2.3 測控軟件上層軟件實(shí)現(xiàn)

在做好了底層的數(shù)據(jù)采集動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫文件以后，上層LabVIEW軟件需要對這些庫進(jìn)行封裝以使得在LabVIEW軟件中對這些動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)用。

另外，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，需要完成的試驗(yàn)有:內(nèi)泄漏試驗(yàn)、壓力增益試驗(yàn)、滯環(huán)曲線試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)、壓降試驗(yàn)、階躍響應(yīng)試驗(yàn)、頻率響應(yīng)試驗(yàn)。還需要實(shí)時(shí)對系統(tǒng)各個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并顯示，在進(jìn)行試驗(yàn)之前還需要引導(dǎo)用戶輸入產(chǎn)品型號(hào)、產(chǎn)品編號(hào)、試驗(yàn)人員、試驗(yàn)日期等信息，用戶選擇是否進(jìn)行傳感器系數(shù)標(biāo)定、是否進(jìn)行傳感器自檢，在完成了相關(guān)操作以后，打開試驗(yàn)操作界面，信息提示欄提示用戶進(jìn)行進(jìn)一步操作。還需要實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)各處壓力流量數(shù)據(jù)，一旦壓力流量過大就控制PLC進(jìn)行報(bào)警提示，根據(jù)實(shí)際情況，上位機(jī)采用OPC通信協(xié)議與PLC進(jìn)行通信。軟件大致組成情況如圖6所示。

圖6 軟件組成及其與下位機(jī)通信

為了方便用戶進(jìn)行試驗(yàn)、簡化用戶操作，軟件結(jié)構(gòu)安排較為緊湊，軟件試驗(yàn)操作界面如圖7所示。

圖7 軟件操作界面

3 試驗(yàn)結(jié)果

以試驗(yàn)中較為具有代表性的滯環(huán)試驗(yàn)、瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)、頻率響應(yīng)試驗(yàn)為例列舉了相關(guān)試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果以驗(yàn)證該系統(tǒng)的構(gòu)建可以滿足試驗(yàn)的各種需求。

3.1 滯環(huán)試驗(yàn)

配置該組伺服閥進(jìn)油口壓力 (20.69±0.41)MPa，在回油口建立 (0.55±0.07)MPa的背壓，控制伺服閥驅(qū)動(dòng)電流從0到30 mA再到0，以小于0.1 Hz速率變化，波形為三角波，測量得到的滯環(huán)試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖8 滯環(huán)特性曲線

3.2 瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)

設(shè)置供油壓力 (20.69±0.41)MPa，在回油口建立 (0.55±0.07)MPa背壓，封閉壓力輸出口，控制伺服閥驅(qū)動(dòng)電流為0到30 mA再到0的方波，記錄輸出壓力和輸入電流。兩個(gè)閥的上升、下降瞬態(tài)響應(yīng)曲線分別為圖9、10。

圖9 打開瞬態(tài)響應(yīng)曲線

圖10 關(guān)閉瞬態(tài)響應(yīng)曲線

處理該伺服閥開啟瞬態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù):最大相對瞬時(shí)超調(diào)量為18.33%;最大相對瞬時(shí)超調(diào)量為18.33%;延滯時(shí)間為0.006 7 s;上升時(shí)間為0.015 6 s;峰值之間時(shí)間為0.098 3 s。

3.3 頻率響應(yīng)試驗(yàn)

設(shè)置供油口壓力 (20.69±0.41)MPa，在回油口建立 (0.55±0.07)MPa的背壓，控制伺服閥驅(qū)動(dòng)電流幅值，在2 Hz信號(hào)下使輸出口壓力均值為10.34 MPa，交流分量為±1.03 MPa，并在1～100 Hz范圍內(nèi)掃頻，得到頻率響應(yīng)特性曲線。頻率響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果采用互相關(guān)的相關(guān)理論獲得。

一維互相關(guān):

序列x(t)和y(t)的互相關(guān)Rxy(t)由以下等式定義:

互相關(guān)的離散實(shí)現(xiàn)如下:h代表序列，其索引可以為負(fù)，N是輸入序列X的元素個(gè)數(shù)，M是序列Y中元素的個(gè)數(shù)，并假設(shè)超出序列X和Y的索引元素等于0，如下列等式所示:

其中:j=－ (N－1)，－ (N－2)，…， －1，0，1，…，(M－2)，(M－1)。

輸出序列Rxy的元素與序列h中的元素

其中:i=0，1，2，…，(N+M－2)。

由于LabVIEW數(shù)組不能使用負(fù)索引，t=0位置對應(yīng)的互相關(guān)值是輸出序列Rxy的第N個(gè)元素。因此，Rxy代表該VI移位N次索引后的相關(guān)值。

輸入信號(hào)序列和輸出壓力數(shù)據(jù)序列進(jìn)行互相關(guān)后，獲得這兩個(gè)序列的相位差，對相位差作圖得到該閥的相位－頻率曲線，見圖11。

圖11 相位θ－頻率f曲線

4 結(jié)論

綜上所述，調(diào)用DLL(動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫)來構(gòu)建底層采集程序的方式能夠滿足該伺服閥測試系統(tǒng)的硬件指標(biāo)，能夠完成包括伺服閥頻率響應(yīng)試驗(yàn)在內(nèi)的動(dòng)態(tài)性能測試試驗(yàn)，能夠完成包括伺服閥壓力增益、內(nèi)泄漏等在內(nèi)的伺服閥靜態(tài)試驗(yàn);該系統(tǒng)采用了VXI協(xié)議總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集安全可靠，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最大采樣頻率完全覆蓋伺服閥測試標(biāo)準(zhǔn)所要求的性能指標(biāo)，在采樣速率上保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的可靠性;系統(tǒng)采用了通用的OPC通信協(xié)議，保證了上位機(jī)與下位機(jī)的通信安全和通信時(shí)間，系統(tǒng)構(gòu)建合理穩(wěn)固。

［1］林建輝，高燕.基于VXI總線的虛擬儀器與測試系統(tǒng)研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25(S1):1011 －1013.

［2］劉金莆.航空VXI總線應(yīng)用技術(shù)開發(fā)中應(yīng)重視虛擬儀器技術(shù)的研究［J］.測控技術(shù)，1996(6):26－28.

［3］王燕山，王益群.基于虛擬儀器的電業(yè)伺服閥靜動(dòng)態(tài)特性CAT理論與實(shí)驗(yàn)研究［D］.秦皇島:燕山大學(xué)，2001.

［4］黃琳，金波.基于虛擬儀器的液壓試驗(yàn)臺(tái)CAT系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.杭州:浙江大學(xué)，2006.

［5］關(guān)浩，于靖華.基于VB的液壓系統(tǒng)檢測虛擬儀器控制面板設(shè)計(jì)［J］.液壓與氣動(dòng)，2004(3):26－28.

［6］ZIEJEW SKIM Mehta，Go ETTLER H.Fast Data Acquisition for Internal Combustion Engine Laboratory［C］//Proc of the 1990 ASME Intern Computers in Engineering Conf，1990:445－448.

［7］VXI-Technology VT1413C User’s Manual［M］.

［8］陳章位，穆立江.電液伺服閥計(jì)算機(jī)輔助測試技術(shù)的研究［J］.機(jī)床與液壓，2005(11):101－103.