文/楊林 鄭鐵軍 陳衛(wèi)

文獻(xiàn)[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(yīng)用范圍等進(jìn)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(chǔ)，方便了用戶使用，成為當(dāng)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(yīng)用和兼容硬件類型而設(shè)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(jìn)度有著極大的促進(jìn)作用。

目前，我國某型渦扇發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)為機(jī)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(jī)械調(diào)整點較多，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相互關(guān)聯(lián)性較高，造成維護(hù)使用人員在使用中調(diào)整困難。維護(hù)使用人員急需與之相對應(yīng)的訓(xùn)練手段，以提高維護(hù)使用人員的訓(xùn)練及維護(hù)調(diào)整水平，從而提高某型渦扇發(fā)動機(jī)的使用效率。

本文提出了以某型渦扇發(fā)動機(jī)為研究對象，基于虛擬儀器軟件設(shè)計平臺Lab Windows/CVI，設(shè)計調(diào)整訓(xùn)練系統(tǒng)的軟件平臺的方案，建立了該發(fā)動機(jī)及其控制系統(tǒng)的簡化數(shù)學(xué)模型，以及相關(guān)調(diào)整點的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，建立了發(fā)動機(jī)的調(diào)整訓(xùn)練系統(tǒng)模型，并對該調(diào)整訓(xùn)練系統(tǒng)的調(diào)整效果以及發(fā)動機(jī)及其控制系統(tǒng)的簡化模型進(jìn)行了驗證分析。該方案具有人機(jī)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(jī)調(diào)整訓(xùn)練系統(tǒng)硬件設(shè)備簡介

本文所采用的硬件為某型發(fā)動機(jī)調(diào)整訓(xùn)練系統(tǒng)，其主要包含了一個計算機(jī)、內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集設(shè)備—板卡ADT880（板卡的介紹在2中給出）以及外表面的調(diào)整旋鈕等，相對比較簡單，功能比較少，但是已經(jīng)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(nèi)是電源和電源指示燈，其余部分為參數(shù)調(diào)整旋鈕以及調(diào)整點的調(diào)整旋鈕。

2 基于LabWindows/CVI的調(diào)整訓(xùn)練系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)的采集、用戶界面、數(shù)據(jù)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(diào)整訓(xùn)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(hù)使用人員在調(diào)整訓(xùn)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(yīng)（參數(shù)隨著調(diào)整點的改變而變化的快慢）等等。在訓(xùn)練調(diào)整過程中維護(hù)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(shè)備的旋鈕輸入。在訓(xùn)練調(diào)整過程中或結(jié)束后通過用戶界面輸出相應(yīng)的調(diào)整結(jié)果，主要包括高壓轉(zhuǎn)速n2、低壓轉(zhuǎn)速n1和渦輪后燃?xì)鉁囟萾4等。

2.2 數(shù)據(jù)采集

本軟件中數(shù)據(jù)的采集主要是通過連接板卡ADT860-AT 和ADT880-AT 來獲取調(diào)整點參數(shù)和開關(guān)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(kuò)展板，其主要功能是數(shù)據(jù)采集。通過其PC104總線可將其與PC/104 嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成一個高性能的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。適用于可靠性較高、結(jié)構(gòu)緊湊的嵌入式應(yīng)用。板卡的結(jié)構(gòu)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(jù)分析

圖1：調(diào)整系統(tǒng)外表面示意圖

圖2：程序結(jié)構(gòu)示意圖

本軟件的數(shù)據(jù)分析是在對板卡的電信號進(jìn)行接收后，通過程序中的公式轉(zhuǎn)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(jù)，然后在程序中通過一定的公式和曲線擬合對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到所需的參數(shù)并顯示給維護(hù)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(jù)采集、數(shù)據(jù)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(guān)閉、發(fā)動機(jī)主要參數(shù)如高壓轉(zhuǎn)速n2等的計算、數(shù)據(jù)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(jī)和發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

文獻(xiàn)[5、6]中給出了“部件法”建立發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型的方法：首先按照發(fā)動機(jī)的部件順序，逐一建立熱力方程、氣體流動方程，并依次進(jìn)行熱力計算。當(dāng)部件的工作過程參數(shù)未知時，應(yīng)當(dāng)首先給出工作過程參數(shù)的初猜值，然后再根據(jù)發(fā)動機(jī)共同工作的約束條件，建立起描述發(fā)動機(jī)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(jī)的共同工作點，最終確定出發(fā)動機(jī)的整機(jī)性能參數(shù)和各截面參數(shù)。

圖3：板卡ADT880-AT 的機(jī)械結(jié)構(gòu)和尺寸圖

圖4：程序流程圖

圖5：閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6：發(fā)動機(jī)及其控制系統(tǒng)的簡化結(jié)構(gòu)圖

文獻(xiàn)[6～9]中給出了一些發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)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?！傲胤ā睂l(fā)動機(jī)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(jī)方程、求出偏導(dǎo)數(shù)來實現(xiàn)非線性方程組的線性化，從而達(dá)到簡化模型的目的。

文獻(xiàn)[7～9]中給出了發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立方法，主要有線性二次型調(diào)節(jié)器LQR（Linear Quadratic Regulator）理論、自適應(yīng)控制理論、魯棒控制理論等幾種，但是這些方法設(shè)計的控制器都比較復(fù)雜，甚至如H∞控制理論在設(shè)計某些控制器時階次達(dá)到了38階，導(dǎo)致階次太高，無法實際應(yīng)用。

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

圖7：驗證分析結(jié)果曲線

同時，某型發(fā)動機(jī)是根據(jù)經(jīng)典控制理論設(shè)計的，使用較多的是閉環(huán)負(fù)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(nèi)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(jī)構(gòu)或裝置轉(zhuǎn)化為發(fā)動機(jī)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(jīng)過運行后是會產(chǎn)生一定的差值的，這是機(jī)構(gòu)自身誤差所帶來的影響。對于整個調(diào)整訓(xùn)練系統(tǒng)來說，并不需要考慮發(fā)動機(jī)及其控制系統(tǒng)對兩者差值的影響，所以可以將虛線框內(nèi)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。

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

數(shù)學(xué)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(jù)點，(x,y)是所求點的坐標(biāo)。

3.2 調(diào)整點數(shù)學(xué)模型的建立

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

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

在慢車狀態(tài)，設(shè)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未調(diào)整前的值為n2，調(diào)整后的值為n'2，調(diào)整點參數(shù)值變化量為x（正常狀態(tài)下調(diào)整點的值為0）。其數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為：

3.3 調(diào)整訓(xùn)練模型

上述已經(jīng)建立了發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制器和燃油流量控制器數(shù)學(xué)模型，以及各調(diào)整點的數(shù)學(xué)模型，將兩者結(jié)合起來即為發(fā)動機(jī)的調(diào)整訓(xùn)練系統(tǒng)模型。

4 驗證分析

對發(fā)動機(jī)及其控制系統(tǒng)的模型、發(fā)動機(jī)處于慢車狀態(tài)和最大狀態(tài)各調(diào)整點對發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2的調(diào)整效果進(jìn)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(diào)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(jī)狀態(tài)：起動—慢車—最大—節(jié)流（同時調(diào)整P14 到1）—最大（調(diào)整P15 到2.40）—慢車，兩個狀態(tài)間有一定的時間間隔。調(diào)節(jié)某一調(diào)整點時，其它調(diào)整點處于不變狀態(tài)。分析結(jié)果如圖7所示。

5 結(jié)論

驗證分析結(jié)果表明，發(fā)動機(jī)及其控制系統(tǒng)的模型以及調(diào)整點的調(diào)整效果與實際的理想狀態(tài)相互吻合，可以證明該調(diào)整訓(xùn)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(shè)計的某型發(fā)動機(jī)調(diào)整訓(xùn)練系統(tǒng)是成功的，滿足發(fā)動機(jī)調(diào)整和訓(xùn)練的使用要求，可以進(jìn)行推廣應(yīng)用。