■ 陳晉 卓偉偉 譚耀蘭 敬宏/國(guó)營(yíng)錦江機(jī)器廠

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，儀器智能化程度日益提高，虛擬儀器的概念應(yīng)運(yùn)而生。這是一種開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)，經(jīng)由通用計(jì)算機(jī)、DSP 或其他CPU 來(lái)提供自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的信號(hào)處理、存儲(chǔ)與顯示的功能，由符合統(tǒng)一規(guī)范的多種插槽式模塊化儀器及新型的CPCI 總線接口來(lái)提供/采集信號(hào)與控制，實(shí)現(xiàn)儀器功能，克服了傳統(tǒng)GP-IB儀器的缺點(diǎn)，非常適于組建復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，是一種極具應(yīng)用前景的測(cè)試系統(tǒng)組建手段。

本文介紹的電子調(diào)節(jié)器檢測(cè)設(shè)備基于PXI 板卡和LabVIEW 設(shè)計(jì)，主要功能是為產(chǎn)品提供工作電源，模擬傳感器向產(chǎn)品輸入信號(hào)，采集產(chǎn)品輸出的執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)燈的控制信號(hào)并運(yùn)算處理。

1 電子調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)介

某型電子調(diào)節(jié)器（以下簡(jiǎn)稱電調(diào)）是某型發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的重要電子部件。電調(diào)依據(jù)飛機(jī)上的傳感器感受到的發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速、外界大氣壓力、外界大氣溫度等參數(shù)，對(duì)燃油流量調(diào)節(jié)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱執(zhí)行機(jī)構(gòu)）進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，控制壓氣機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速，最終對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率進(jìn)行精確控制。

2 電子調(diào)節(jié)器檢測(cè)設(shè)備的組建

傳統(tǒng)的儀器自成體系，所有儀器的端口（如信號(hào)的輸入輸出）以及用戶的操作界面（如旋鈕、開(kāi)關(guān)和顯示器等）都固定在機(jī)箱的面板或背板上，由生產(chǎn)廠家定義，用戶不能更改，其控制、顯示等也各自獨(dú)立。

在機(jī)載設(shè)備的研制、生產(chǎn)和維修中，由于每種設(shè)備需要檢測(cè)的指標(biāo)類別及數(shù)量很多，如果采用傳統(tǒng)儀器則需要多臺(tái)甚至十幾臺(tái)儀器，且同一類別不同型號(hào)設(shè)備的檢測(cè)儀器一般不兼容，造成測(cè)試系統(tǒng)龐大復(fù)雜、資源利用率低、測(cè)試速度慢、機(jī)動(dòng)性及可升級(jí)性差，難以滿足機(jī)載裝備發(fā)展對(duì)測(cè)試的實(shí)戰(zhàn)需求。為了解決上述問(wèn)題，基于虛擬儀器技術(shù)研制了電調(diào)檢測(cè)設(shè)備。設(shè)備的資源分配如下。

1）帶PXI 接口的控制器：作為測(cè)試管理的控制器，提供測(cè)試管理控制功能，通過(guò)PXI7683A CPU 模塊實(shí)現(xiàn)。

2）PXI 接口式數(shù)據(jù)采集模塊：用于采集發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供油執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)停車執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)，數(shù)據(jù)采集功能通過(guò)PXI3364 多功能數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)。主要技術(shù)參數(shù)：

● 輸入通道：32 路；

● 分辨率：18bit；

● 采集速率：?jiǎn)瓮ǖ雷罡?.25MS/s，多通道最高1MS/s；

● 輸 入 量 程：-10 ～+10V、-5 ～+5V、-2 ～+2V、-1 ～+1V、-500 ～+5 0 0 m V、-2 0 0 ～ +2 0 0 m V、-100 ～+100mV；

● 過(guò)壓保護(hù)：最大連續(xù)±24V；

● 精度：1000μV；

● 輸入阻抗：?jiǎn)味耍?GΩ，差分＞2GΩ；

● 存儲(chǔ)容量：7M 采樣點(diǎn)。

3）PXI 接口式模擬輸出模塊：用于模擬輸出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)和大氣壓力信號(hào)，提供模擬信號(hào)的輸出，通過(guò)PXI3364 多功能數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)。主要技術(shù)參數(shù)：

● 輸出通道：4 路；

● 最大更新速率：500kS/s（4通道）；

● DAC 分辨率：16bit；

● 輸出量程：-10 ～+10V；

● 絕對(duì)精度：1500μV；

● 輸出電流：?jiǎn)瓮ǖ雷畲?0mA；

● 存儲(chǔ)容量：7M 采樣點(diǎn)。

PXI3364 多功能數(shù)據(jù)采集卡具有32路輸入、4 路輸出，既可用于輸入板卡，也可作為輸出板卡。

4）PXI 接口式繼電器切換模塊：用于模擬發(fā)動(dòng)機(jī)各類控制信號(hào)，繼電器切換功能通過(guò)PXI7921 繼電器卡實(shí)現(xiàn)。主要技術(shù)特點(diǎn)：

● 通道數(shù)量：24 個(gè)；

● 最大輸入電流：2A；

● 最大輸入電壓：30V；

● 最大接觸電阻：100mΩ。

5）PXI 接口式可編程電阻模塊：用于模擬輸出大氣溫度，提供大氣溫度模擬功能，通過(guò)PXI3110 可編程電阻卡實(shí)現(xiàn)。主要技術(shù)特點(diǎn)：

● 輸出通道：2 個(gè)；

● 阻值范圍：0.5 ～32768Ω；

● 輸出精度：0.03Ω；

● 最大功率：0.5 ～10Ω/1W、10 ～100Ω/0.5W、＞100Ω/0.25W。

6）PXI 接口式數(shù)據(jù)衰減模塊：用于對(duì)輸入、輸出信號(hào)進(jìn)行衰減處理，數(shù)據(jù)衰減采用PXI3221 多量程衰減卡實(shí)現(xiàn)。主要技術(shù)參數(shù)：

● 輸入通道：8 個(gè)；

● 輸入信號(hào)范圍：±75V；

● 輸入信號(hào)帶寬：＞20MHz；

● 輸入阻抗：100kΩ；

● 輸出精度：≤1‰；

● 二 級(jí) 衰 減 選 擇：1×、2×、5×，三擋可選；

● 輸出信號(hào)范圍：±15V。

硬件連接如圖1 所示。

圖1 硬件連接圖

3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)測(cè)試方法優(yōu)化

3.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)形成原理

壓氣機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速限制電路周期性工作，工作周期約41ms，每個(gè)周期為電調(diào)的計(jì)算周期。這部分電路通過(guò)采集壓氣機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)計(jì)算、處理獲得控制動(dòng)作編碼，輸出PWM 脈沖信號(hào)作為控制信號(hào)提供給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)調(diào)節(jié)供油量來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速。電調(diào)壓氣機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速限制電路輸出的是PWM 波。當(dāng)輸入到電調(diào)壓氣機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速限制電路的頻率信號(hào)與電調(diào)內(nèi)的預(yù)置頻率相等時(shí)，PWM 波的占空比達(dá)到最大，這時(shí)稱輸入到電調(diào)的頻率為電調(diào)的限制頻率。壓氣機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)是一個(gè)正弦信號(hào)，其頻率值與壓氣機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速大小成一定的函數(shù)關(guān)系，頻率越大對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速也越大。傳統(tǒng)的測(cè)試方法是用信號(hào)源模擬正弦信號(hào)輸入電調(diào)，通過(guò)改變輸入頻率值，觀察電調(diào)輸出至執(zhí)行機(jī)構(gòu)的PWM 波的占空比是否達(dá)到最大，據(jù)此判斷是否為電調(diào)的限制頻率，但這種方法測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、效率低。為解決此問(wèn)題，基于最小二乘法構(gòu)造執(zhí)行結(jié)構(gòu)信號(hào)的函數(shù)模型，該模型可以縮短測(cè)試時(shí)間，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)流程的優(yōu)化。

3.2 構(gòu)造執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)的函數(shù)模型

執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)為周期401ms 的周期信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成工作時(shí)正頻寬36.84ms，占空比約90%。壓氣機(jī)渦輪信號(hào)頻率為1009Hz 時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作，此時(shí)信號(hào)占空比處于臨界值0%。壓氣機(jī)渦輪信號(hào)頻率為1009Hz 以上時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)占空比逐漸增大，響應(yīng)速度隨輸入壓氣機(jī)的信號(hào)頻率增大而變快。以1009Hz 為初始值，輸入（1009+f）Hz的階躍信號(hào)，記錄占空比達(dá)到最大值時(shí)的峰值時(shí)間tp，數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 采集數(shù)據(jù)

采用最小二乘法求k、q，使殘差平方和RSS最小，有

式（1）對(duì)k求偏導(dǎo)得：

式（1）對(duì)q求偏導(dǎo)得：

取RSS為最小值時(shí)，和應(yīng)為0。使式（4）等于0，有：

使式（5）等于0，有：

根據(jù)式（7）、式（8）求解，保留4 位有效數(shù)字，得：

此時(shí)，殘差平方和RSS取得最小值，有：

此時(shí)，確定系數(shù)R平方值為：

其中，ESS為回歸平方和，有：

根據(jù)式（9）、（11）、（12）、（13），得：

由運(yùn)算結(jié)果可見(jiàn)，擬合效果較好。

擬合曲線如圖2 所示。

圖2 擬合曲線

在工藝要求的測(cè)量范圍之間隨機(jī)選擇一個(gè)頻率，記錄在該點(diǎn)上達(dá)到最大占空比的響應(yīng)時(shí)間，將頻率值記為f0，時(shí)間值記為t0，基于得到的函數(shù)模型，計(jì)算出頻率f0對(duì)應(yīng)的偏移值f1，以得到趨近目標(biāo)值的f2=f0+f1；在頻率值f2附近進(jìn)行小步進(jìn)調(diào)整，并觀察燃油供油執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)形成的波形圖，當(dāng)占空比穩(wěn)定在90%時(shí)，得到測(cè)試用的目標(biāo)值f3。該方法通過(guò)函數(shù)模型對(duì)測(cè)試的測(cè)量點(diǎn)選取進(jìn)行優(yōu)化，有效縮短了響應(yīng)時(shí)間和測(cè)試周期。完成上述工作后，利用LabVIEW編譯軟件編譯電調(diào)檢測(cè)設(shè)備軟件（見(jiàn)圖3），并將優(yōu)化方法固化在軟件中，由此完成電子調(diào)節(jié)器檢測(cè)設(shè)備研制工作。

圖3 檢測(cè)設(shè)備軟件界面

4 電子調(diào)節(jié)器檢測(cè)設(shè)備工作流程

1）在檢測(cè)軟件上輸入ntk=900Hz，ntkc=900Hz，nct1=500Hz，nct2=500Hz，大氣壓力=1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，大氣溫度=15℃，離散量均處于關(guān)閉，并通過(guò)控制器PXI7683A 將任務(wù)信息發(fā)給各執(zhí)行板卡。

2）執(zhí)行板卡中的模擬輸出模塊PXI3364 接收任務(wù)信息后，輸出4 組5V 的正弦波頻率信號(hào)（分別為900Hz/900Hz/500Hz/500Hz）至電子調(diào)節(jié)器，用于模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，轉(zhuǎn)速信號(hào)有ntk/ntkc/nct1/nct2（壓氣機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速/相鄰壓氣機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速/自由渦輪轉(zhuǎn)速1/自由渦輪轉(zhuǎn)速2），該信號(hào)為5V 的正弦波，信號(hào)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大小成函數(shù)關(guān)系；輸出1 組直流信號(hào)至電子調(diào)節(jié)器，用于模擬大氣壓力P1，P1 為直流信號(hào)，該信號(hào)上的電壓大小與大氣壓力值成函數(shù)關(guān)系。

3）可編程電阻模塊PXI3110 接收任務(wù)信息后輸出1 組電阻信號(hào)，將信號(hào)輸送給電子調(diào)節(jié)器，可編程電阻模塊模擬大氣溫度T1，T1 為電阻信號(hào)，該信號(hào)的阻值大小與大氣溫度值成函數(shù)關(guān)系。

4）執(zhí)行板卡中的繼電器切換模塊PXI7921 接收任務(wù)信息后，輸出6 組離散量信號(hào)至電子調(diào)節(jié)器，繼電器切換模塊模擬6組開(kāi)關(guān)，包括tk檢查工作/檢查、應(yīng)急斷開(kāi)/接通、nct1 檢查、nct2 檢查、nct 工作和負(fù)載工作/檢查，離散量開(kāi)關(guān)信號(hào)均為+27V 直流信號(hào)。

5）與電子調(diào)節(jié)器連接的數(shù)據(jù)衰減模塊PXI3221 衰減各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出電壓值。

6）數(shù)據(jù)采集模塊PXI3364 采集經(jīng)數(shù)據(jù)衰減模塊PXI3321 衰減后的執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作電壓，采集原因是執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)均為直流，但因PXI3364 的采集電壓范圍為-10 ～+10V，實(shí)際執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作電壓會(huì)大于10V，因此需要將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)衰減后再由PXI3364 完成采集工作。

7） 控 制 器PXI7683A 接 收PXI3364 的采集信號(hào)后，在檢測(cè)軟件上顯示各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作電壓值（檢測(cè)軟件內(nèi)部會(huì)根據(jù)PXI3321 的衰減系數(shù)，恢復(fù)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作的真實(shí)電壓值），以方便用戶根據(jù)電壓值判斷各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作情況。

8）測(cè)試適配接口裝置的作用是將被測(cè)產(chǎn)品與系統(tǒng)連為一體，完成產(chǎn)品與設(shè)備之間的物理連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試。測(cè)試適配接口裝置根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試信號(hào)端口信號(hào)進(jìn)行劃分，以實(shí)現(xiàn)被測(cè)產(chǎn)品所需信號(hào)的適應(yīng)性。系統(tǒng)測(cè)試信號(hào)端口信號(hào)分為被測(cè)產(chǎn)品供電電源端口、數(shù)字電路邏輯輸入端口和輸出端口，數(shù)字開(kāi)關(guān)量控制輸出。被測(cè)產(chǎn)品通過(guò)專用的適配接口完成測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)連接，再根據(jù)被測(cè)產(chǎn)品接插件連接實(shí)際信號(hào)的特征，確定測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試端口各引腳信號(hào)的特征、狀態(tài)和相互之間的關(guān)系等，為測(cè)試提供編程數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

基于最小二乘法構(gòu)造執(zhí)行機(jī)構(gòu)函數(shù)模型，優(yōu)化執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)檢測(cè)方法，對(duì)于電調(diào)的修理能力具有重要意義，縮短了測(cè)試周期，提升了測(cè)試效率。由于采用了虛擬儀器技術(shù)，電子調(diào)節(jié)器檢測(cè)設(shè)備體積小、攜帶方便，尤其適于野外使用。