文/楊林 鄭鐵軍 陳衛(wèi)

文獻[1～4]對Lab Windows/CVI 這一款虛擬儀器軟件開發(fā)平臺的功能、特點、應用范圍等進行了介紹。該平臺是美國NI（National Instruments）公司開發(fā)的Measurement Studio軟件組中的一員。該平臺有著強大的信號分析處理功能、友好的界面，并且以目前世界上最為常用的C 語言作為基礎，方便了用戶使用，成為當今市場上最為流行的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。

同時，該平臺還提供了多樣化的GUI 控件，該控件是NI 公司專為工程應用和兼容硬件類型而設計的，包括按鈕、旋鈕、滑塊、儀表、容器、圖形等，對軟件的開發(fā)進度有著極大的促進作用。

目前，我國某型渦扇發(fā)動機的控制系統(tǒng)為機械液壓控制系統(tǒng)和模擬式電子控制系統(tǒng)共同控制，其機械調整點較多，機械結構復雜，相互關聯(lián)性較高，造成維護使用人員在使用中調整困難。維護使用人員急需與之相對應的訓練手段，以提高維護使用人員的訓練及維護調整水平，從而提高某型渦扇發(fā)動機的使用效率。

本文提出了以某型渦扇發(fā)動機為研究對象，基于虛擬儀器軟件設計平臺Lab Windows/CVI，設計調整訓練系統(tǒng)的軟件平臺的方案，建立了該發(fā)動機及其控制系統(tǒng)的簡化數(shù)學模型，以及相關調整點的數(shù)學模型。在此基礎上，建立了發(fā)動機的調整訓練系統(tǒng)模型，并對該調整訓練系統(tǒng)的調整效果以及發(fā)動機及其控制系統(tǒng)的簡化模型進行了驗證分析。該方案具有人機界面友好、功能豐富齊全和開發(fā)快速高效的優(yōu)點。

1 某型發(fā)動機調整訓練系統(tǒng)硬件設備簡介

本文所采用的硬件為某型發(fā)動機調整訓練系統(tǒng)，其主要包含了一個計算機、內部的數(shù)據采集設備—板卡ADT880（板卡的介紹在2中給出）以及外表面的調整旋鈕等，相對比較簡單，功能比較少，但是已經能夠滿足本文的使用要求。系統(tǒng)的外表面如圖1所示。其中顯示屏右邊的長方形框內是電源和電源指示燈，其余部分為參數(shù)調整旋鈕以及調整點的調整旋鈕。

2 基于LabWindows/CVI的調整訓練系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件的設計主要包括數(shù)據的采集、用戶界面、數(shù)據分析、程序控制等四個方面（如圖2所示），其中程序控制是整個程序的核心，它把程序的各部分聯(lián)合起來，并且和其他組成部分相互聯(lián)系，組成一個整體。

2.1 用戶界面

調整訓練系統(tǒng)的用戶界面主要由兩個要素組成：面板和控件。面板是維護使用人員在調整訓練過程中直接觀察一些參數(shù)的界面，控件包括對參數(shù)的顯示以及參數(shù)的時間響應（參數(shù)隨著調整點的改變而變化的快慢）等等。在訓練調整過程中維護使用人員僅通過用戶界面輸入少量的參數(shù)（如飛行高度、飛行馬赫數(shù)等等），其余的參數(shù)通過硬件設備的旋鈕輸入。在訓練調整過程中或結束后通過用戶界面輸出相應的調整結果，主要包括高壓轉速n2、低壓轉速n1和渦輪后燃氣溫度t4等。

2.2 數(shù)據采集

本軟件中數(shù)據的采集主要是通過連接板卡ADT860-AT 和ADT880-AT 來獲取調整點參數(shù)和開關位置的信號值變化，從而實現(xiàn)對整個程序的啟動、暫停和參數(shù)控制。

板卡ADT880-AT 是基于PC/104 的擴展板，其主要功能是數(shù)據采集。通過其PC104總線可將其與PC/104 嵌入式系統(tǒng)構成一個高性能的數(shù)據采集與控制系統(tǒng)。適用于可靠性較高、結構緊湊的嵌入式應用。板卡的結構和尺寸如圖3所示。

ADT860-AT 和ADT880-AT功能基本相同，不同的是DA 通道只有2 路。

2.3 數(shù)據分析

圖1：調整系統(tǒng)外表面示意圖

圖2：程序結構示意圖

本軟件的數(shù)據分析是在對板卡的電信號進行接收后，通過程序中的公式轉化為油門桿角度、地面環(huán)境溫度、地面環(huán)境壓力等數(shù)據，然后在程序中通過一定的公式和曲線擬合對數(shù)據進行處理，從而得到所需的參數(shù)并顯示給維護使用人員。程序流程圖如圖4所示。

2.4 程序控制

程序控制這一模塊兒將用戶界面、數(shù)據采集、數(shù)據分析這些部分聯(lián)系起來使用。主要包括一些用戶自己定義的函數(shù)以及控制程序執(zhí)行的控制邏輯。本平臺的程序控制主要包括對面板的打開和關閉、發(fā)動機主要參數(shù)如高壓轉速n2等的計算、數(shù)據的顯示等，都通過一定的程序或函數(shù)表現(xiàn)出來。

3 模型建立

3.1 發(fā)動機和發(fā)動機控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立

文獻[5、6]中給出了“部件法”建立發(fā)動機數(shù)學模型的方法：首先按照發(fā)動機的部件順序，逐一建立熱力方程、氣體流動方程，并依次進行熱力計算。當部件的工作過程參數(shù)未知時，應當首先給出工作過程參數(shù)的初猜值，然后再根據發(fā)動機共同工作的約束條件，建立起描述發(fā)動機氣動熱力特性的非線性方程組（6個平衡方程）。然后求解非線性方程組，解出發(fā)動機的共同工作點，最終確定出發(fā)動機的整機性能參數(shù)和各截面參數(shù)。

圖3：板卡ADT880-AT 的機械結構和尺寸圖

圖4：程序流程圖

圖5：閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)結構

圖6：發(fā)動機及其控制系統(tǒng)的簡化結構圖

文獻[6～9]中給出了一些發(fā)動機數(shù)學模型的簡化方法，其中主要有“力矩法”、“抽功法”和“順數(shù)算法”等。“力矩法”將發(fā)動機模型簡化為一階慣性環(huán)節(jié)；“抽功法”和“順數(shù)算法”通過Taylor 公式在工作點展開發(fā)動機方程、求出偏導數(shù)來實現(xiàn)非線性方程組的線性化，從而達到簡化模型的目的。

文獻[7～9]中給出了發(fā)動機控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立方法，主要有線性二次型調節(jié)器LQR（Linear Quadratic Regulator）理論、自適應控制理論、魯棒控制理論等幾種，但是這些方法設計的控制器都比較復雜，甚至如H∞控制理論在設計某些控制器時階次達到了38階，導致階次太高，無法實際應用。

從這幾個文獻中可以發(fā)現(xiàn)，不管是發(fā)動機的數(shù)學模型還是發(fā)動機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型的建立方法都是極其復雜的，對于調整訓練系統(tǒng)來說，其主要目的是讓使用人員對各調整點的調整效果進行熟練掌握，而不是發(fā)動機和發(fā)動機控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立。因此，這樣復雜的數(shù)學模型建立方法就不適用于調整訓練系統(tǒng)中的發(fā)動機數(shù)學模型和發(fā)動機控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立。

圖7：驗證分析結果曲線

同時，某型發(fā)動機是根據經典控制理論設計的，使用較多的是閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)（如圖5所示），在精度要求不高的情況下也部分使用了開環(huán)控制系統(tǒng)。從整個大系統(tǒng)的角度來看，虛線框內的部分實現(xiàn)的主要功能是將指令形成裝置形成的指令通過一定的機構或裝置轉化為發(fā)動機運行后的實際值，兩者的參數(shù)是一樣的，區(qū)別是指令值和實際值經過運行后是會產生一定的差值的，這是機構自身誤差所帶來的影響。對于整個調整訓練系統(tǒng)來說，并不需要考慮發(fā)動機及其控制系統(tǒng)對兩者差值的影響，所以可以將虛線框內的結構近似用“1”（指指令值和實際值兩者近似相等）表示，那么整個模型可以簡化為如圖6所示的結構。

其中的指令形成裝置形成的指令值是依據某型發(fā)動機已有的數(shù)據和曲線，并考慮軟件設計平臺的特點，通過一些曲線上的數(shù)據點以及插值函數(shù)擬合來得到的。

數(shù)學模型的建立所用的插值函數(shù)為線性插值函數(shù)，其公式如下：

其中(xi, yi)、(xi+1, yi+1)為相鄰的兩個數(shù)據點，(x,y)是所求點的坐標。

3.2 調整點數(shù)學模型的建立

考慮到調整點較多，本文僅對P15（燃油泵-調節(jié)器慢車調整螺釘）這個調整點的調整進行建模和驗證分析，其余調整點模型的建立與該調整點類似。

對于調整螺釘P15，通過硬件設備的旋鈕每改變數(shù)值1，表示調整螺釘P15 擰入或擰出1圈。P15螺釘擰入，慢車狀態(tài)高壓轉速n2增大；螺釘擰出，慢車狀態(tài)高壓轉速n2減小。每調1圈（2 響），轉速約改變0.3%（在本文中以0.3%進行計算）。

在慢車狀態(tài)，設高壓轉子轉速未調整前的值為n2，調整后的值為n'2，調整點參數(shù)值變化量為x（正常狀態(tài)下調整點的值為0）。其數(shù)學模型表達式為：

3.3 調整訓練模型

上述已經建立了發(fā)動機的轉速控制器和燃油流量控制器數(shù)學模型，以及各調整點的數(shù)學模型，將兩者結合起來即為發(fā)動機的調整訓練系統(tǒng)模型。

4 驗證分析

對發(fā)動機及其控制系統(tǒng)的模型、發(fā)動機處于慢車狀態(tài)和最大狀態(tài)各調整點對發(fā)動機高壓轉子轉速n2的調整效果進行驗證分析。分析方法為：輸入初始參數(shù)值（飛行高度、環(huán)境溫度、環(huán)境壓力等，其中飛行高度為0，環(huán)境溫度為15℃，調整點P14 初始值為0，P15 初始值為1.00），從油門桿輸入發(fā)動機狀態(tài)：起動—慢車—最大—節(jié)流（同時調整P14 到1）—最大（調整P15 到2.40）—慢車，兩個狀態(tài)間有一定的時間間隔。調節(jié)某一調整點時，其它調整點處于不變狀態(tài)。分析結果如圖7所示。

5 結論

驗證分析結果表明，發(fā)動機及其控制系統(tǒng)的模型以及調整點的調整效果與實際的理想狀態(tài)相互吻合，可以證明該調整訓練系統(tǒng)模型具有較高的可信度，即基于Lab Windows/CVI 虛擬儀器軟件開發(fā)平臺所設計的某型發(fā)動機調整訓練系統(tǒng)是成功的，滿足發(fā)動機調整和訓練的使用要求，可以進行推廣應用。