APU外部件自动测试方法研究

罗云林，宋洋阳

（中国民航大学 航空自动化学院，天津 300300）

20世纪60年代，辅助动力装置APU（auxiliary power unit）被引入飞机设计中。APU所提供的动力可以使飞机取消对地面电源车、起动车和空调车的依赖。飞机在起飞过程中，发动机功率可全部用于加速和爬升，从而改善了起飞性能。飞机着陆后关闭主发动机，由APU提供电源照明和调节客舱温度，可节省燃油、降低机场噪声[1]。而APU外部件是APU工作性能的基本保障，只有APU外部件正常工作才能使APU发挥其该有的效用。目前，民航业对于APU外部件的检测方法主要是基于手动检测，检测步骤繁琐，维修效率不高，而且受人为因素和环境干扰影响，存在安全隐患。

采用 OPC（OLE for process control）控制技术实现对智能仪器的分时复用，提高了检测效率。以莱以特准则为基础，采用对观测量变化率进行改进的方法，改善了传统方法固定阈值带来的适应性不强的缺点；然后再根据测量数据特点选取合适的小波基函数、分解层数和阈值，对测量信号予以去噪处理，提高了测量可靠性。

1 系统硬件结构

系统采用工控机和测控仪器实现对APU外部件压缩机排压传感器的信号采集，通过采集到的信号数据与标准要求下的数据进行对比来对压缩机排压传感器的健康状况实现诊断。光伏绝缘耐压测试仪可以实现45 V～2000 V的耐压测试，测量精度为0.4%；数字万用表电压测量范围为0.1μV～1000V，电压测量精度为90天0.002%；直流电阻测试仪电阻测量范围为 0.1 μΩ～30 MΩ，精度为 0.05%；直流电源供压范围为0 V～60 V，精度小于0.03%。

通过OPC控制技术，采用LabVIEW编写上位机软件，PLC作为下位机，来控制数字量输出型继电器的通断，选通测量回路，实现各仪器的分时复用功能，降低了系统的复杂性，节约了成本。

仪表系统通过RS232或GPIB传输线将测量数据传给上位机进行处理。采用SCPI通信协议，实现了与智能仪器的通信。系统硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构Fig.1 System hardware structure diagram

2 系统软件设计

软件部分是整个自动测试系统的核心，主要完成了APU外部件压缩机排压传感器的绝缘电阻测试、泄露测试、湿气入侵测试以及功能测试，采用LabVIEW进行开发。软件编写采用了模块化设计思想，将系统划分成几个相互独立的功能模块，分别是OPC控制模块、数据采集模块、数据分析与处理模块、数据库存储模块、报表生成及打印模块。

2.1 OPC控制模块

遵从OPC规范，编写了OPC客户端程序和OPC服务器程序，OPC客户端程序在LabVIEW里通过创建共享变量并写入相应的值，实现了对OPC服务器程序控制。Vb作为中间寄存器，将LabVIEW赋给的值通过OPC服务器程序传递给PLC数字量输出寄存器Q，PLC输出口连接到相应的继电器，进而控制继电器通断。这样实现了上位机直接对PLC控制，无需反复编写PLC程序和下载到PLC，减轻了工作量，节约了时间，使控制更加便捷高效。

2.2 数据采集模块

采用了LabVIEW中的VISA Configure Serial Port、VISA Read、VISA Write、VISA Close 等函数实现。VISA Configure Serial Port函数配置串口波特率为9600，数据位为8位，无奇偶校验位，停止位为1位。将要通信的SCPI指令写入VISA Write函数，返回值通过属性节点获取其串口字节数，进行判断，若不为空，则跳出循环，进行下一条指令。VISA Read函数用于读取返回数据，VISA Close函数则在程序执行完后，关闭串口程序，节省内存资源[2]。

2.3 数据分析与处理模块

本模块对接收到的数据进行分析处理，通过LabVIEW程序框图中的库函数节点，直接调用DLL库，很方便地实现了与其它编程语言的互通。利用动态链接库技术，调用C语言开发的CRC校验码生成程序，对接收到的数据帧进行校验，只接收正确的数据帧，从而保证数据通信的准确性。

经校验后，将得到的正确数据帧进行拆分，获取所需测量参数。将所得的测量参数经过去噪处理，即可使数据更加接近真实值，提高测量精度。

2.4 数据库存储模块

通过LabSQL技术调用Microsoft Access数据库，实现对数据的存储、查询、删除等复杂功能[3]。通过查看历史测量数据，对数据分析、比较，可对APU外部件的运行状况实现预判断。对出现故障的外部件，测量数据可用于提供故障特征值，统计出故障库，有利于对测试的外部件实现故障诊断。

2.5 报表生成及打印模块

通过New Report.vi调用预先编辑好的模板，节省了报表生成时间[4]。Append Report Text.vi将测量结果插入到模板中的占位符处，实现测试结果写入。调用Save Report to File.vi可将生成的测试报表保存到设定的路径，Print Report.vi可实现报表的自动打印，框图程序最后使用Dispose Report.vi关闭报表生成程序。

3 数据预处理与小波去噪

3.1 改进的莱以特准则数据预处理

设当前时刻为i，可知已观测样本时间序列为（x1，x2，…，xi）（i≥2），求观测量相邻时刻的变化率为

计算i时刻之前所有相邻时刻变化率的均值为

根据之前得到的变化率均值，计算i时刻之前所有观测值变化率的均方根误差估计值为

检验原则：若当前i时刻与i-1时刻的观测值变化率如式（4）所描述，其绝对值大于，则可认为是粗大误差或奇异值点。

根据以上基于观测变化率而提出的粗大误差判定准则，对检验出的粗大误差予以剔除和校正。

采用基于莱以特准则的改进观测量变化率方法，对APU压缩机排压传感器电压信号进行粗大误差检验并校正处理后的结果如图2所示。

由图2可知，采用改进观测量变化率检验方法进行粗大误差的检验与校正后，其存在的粗大误差基本被消除。

3.2 测量数据随机误差的小波降噪

3.2.1 小波函数的选择

由于小波函数的种类很多，因此小波变换对于小波函数的选择不唯一[5]。因为要测量的电压信号为毫伏级，所以选择相对较灵敏的小波dbN，在N=3时，应用db3能保证很好的峰值情况，得到的曲线也对原序列的大致概貌有具体的体现。故此处选择db3作为小波函数进行后面的小波分解。

3.2.2 分解尺度的选择

对分解尺度选取1、2、3、4时，通过分析比较，当分解尺度选取1和2时，小波降噪的效果都不是很明显。而随着分解尺度的增大，分解序列表现的越来越光滑，在分解尺度大于等于4时，分解序列将过于光滑，可看出此时分解后的低频概貌不能很好地表现原序列概貌。因此，综合看来本文选择3层小波分析较合适。

3.2.3 阈值的选取

启发式阈值是Stein无偏似然估计阈值和固定阈值的综合，是最优变量阈值选择[6]。将N个小波分解系数的平方按由小到大的顺序排列，组成向量P=［p1，p2，…，pN］，p1≤p2≤…≤pN。 定义风险向量 R，其元素为

以R中元素的最小值ra作为风险值，由ra的下标变量a求出对应阈值为

式中，ε为噪声信号的偏差，往往由第一层小波分解系数估计，其估计为

式中：wi，j为第1层小波分解系数；k为高斯白噪声标准偏差的调整系数，一般取为0.6745。

选取启发式阈值对小波分解系数的高频部分进行量化处理。根据压缩机排压传感器的数据特点和小波去噪理论分析，确定选择小波db3，采用启发式阈值，对已进行过粗大误差处理后的数据进行3层尺度的小波多分辨率分析。小波去噪处理后的信号如图3所示。

图3 小波降噪后的信号Fig.3 Signal figure after wavelet noise process

评价去噪效果的好坏是影响后续工作分析的重要部分，常用的评价指标有均方误差、性噪比、平滑度等方式。表1给出了均方误差、信噪比、平滑度值以及相关系数进行评价分析。

表1 随机误差小波分析处理方法评价系数参数表Tab.1 Wavelet processing method evaluation table of random error

由评价参数可知，进行小波降噪后的信号能更加真实地反应压缩机排压传感器电压的变化情况，为后续测试诊断提供更加可靠的数据。

4 实验测试结果

本自动测试方法是基于APU外部件自动检测平台，通过改进的莱以特准则和小波分析方法将采集上来的数据经过滤波处理后传给上位机，当上位机所采集的测量数据在正常范围内时，绿色布尔控件将会点亮，提示测试通过；如果测量数据超出正常范围，前面板上的红色布尔控件将会点亮，提示测试未通过。通过红绿色布尔控件的显示情况，可以使工作人员对测试的结果有一个比较直观的了解，方便排查故障，进行维修。

通过对压缩机排压传感器的实际测试，绝缘电阻测试的正向测量值为242.2 MΩ，反向测量值为238.9 MΩ，大于测试要求的100 MΩ，故而绿色布尔控件点亮，测试结果为accept。泄露测试和湿气入侵测试，通过工作人员现场观察现象，气压泄露和湿气入侵都在允许范围内，测试结果显示为accept。功能测试的第三步测量结果为57.30 mV，不在测试要求的49.00 mV～51.50 mV范围内，故红色布尔控件点亮，显示测试未通过，测试结果显示为reject。实验测试结果如图4所示。

图4 实验测试结果Fig.4 Experimental test result

5 结语

从APU外部件自动检测功能的实际需求出发，开发了基于LabVIEW的APU外部件自动检测系统。通过模块化编程，实现了本系统的自动检测功能。该检测系统包含信号采集、数据分析与处理、数据保存、生成测试报告等功能。并通过改进的莱以特准则和小波分析对测量数据进行处理，提高了测量可靠性。经运行调试，该系统操作简单、界面友好、功能丰富，实用性和可扩展性强，能满足对APU外部件压缩机排压传感器的自动检测要求。

基于本自动检测方法的自动检测系统今后还可进一步扩展，如扩充其它外部件的检测，增加通信协议，改进用户界面等，以使系统不断完善。

[1]孙立.APU技术进展和维修现状[J].国际航空，2009（2）：58-60.

[2]夏中亚，王伟，陆晓明，等.基于LabVIEW的某型舵机综合性能测试系统[J].计算机测量与控制，2015，23（1）：53-56.

[3]冉宝春，郭庆吉.应用LabSQL构建和访问数据库的方法[J].工业仪表与自动化装置，2005（6）：48-50.

[4]李磊，杨峰，何耀.基于LabVIEW的检测报告自动生成方法研究[J].自动化仪表，2012，33（1）：66-69.

[5]吴伟，蔡培升.基于MATLAB的小波去噪仿真[J].信息与电子工程，2008，6（3）：220-222.

[6]Quiroga R Q，Garcia H.Single-trial event-related potentials with wavelet denoising[J].Clinical Neurophysiology，2003，114（2）：376-390.