面向民机总装的液压能源信号模拟器开发与验证技术研究

李徐辉 杨达勇 童 彦 聂松亮 焦 阳

(上海飞机制造有限公司 上海 201324)

0 引 言

我国民用飞机总装自动化、集成化、智能化测试技术研究尚处于起步阶段，各项技术的研究正在不断地深入完善。飞机液压系统是飞机上以油液为工作介质，靠油压驱动执行机构完成特定操纵动作的整套装置，主要用于飞行控制、起落架等机电系统，其功能的可靠性严重影响飞行安全。目前液压系统的总装功能测试必须在航电系统正常工作情况下开展(因液压与航电存在交互信号)，若测试过程中出现故障，无法排除是航电系统还是液压系统故障，难以进行故障定位和故障隔离，会造成总装测试效率低下、排故困难的现状。

近年来，国内外研究人员对飞机液压系统开展了大量的研究，主要集中在液压系统的故障诊断方面[2-4]。张莉等[5]提出了一种基于AHP故障树下的飞机液压系统故障分析方法，为主观故障诊断提供参考。樊庆和等[6]在研究中提出直读式铁谱仪和分析式铁谱仪两种方法，对飞机液压系统进行故障诊断研究，可判断液压系统主要部件液压泵的磨损情况。研究表明仪表、设备诊断法对早期故障的排除或故障的预防具有重要意义。窦丹丹等[7]基于信息熵特征权值分配和支持向量机(SVM)多分类的故障诊断方法，通过提取飞机液压系统压力信号的统计特征并建立SVM多分类器，对正常状态与多种故障状态进行分类，不仅有效降低了支持向量机模型的计算复杂度,还提高了分类精度。此外，李耀华等[8]采用熵权ABC-BP神经网络的故障诊断模型对液压系统进行故障诊断，为飞机液压系统的故障诊断提供一种新思路。综上可知，目前研究主要围绕液压系统的故障诊断方法进行开展，而对飞机液压系统的功能测试方法研究相对较少。

因此，为了解决当前液压系统测试过程效率较低的问题，有必要设计飞机液压能源信号模拟器。基于控制单元的控制逻辑对各种激励信号进行模拟，通过控制液压能源系统相关执行机构如泵类、阀类等，以验证各功能部件是否工作正常，进而在航电系统非工作状态下，实现对液压能源系统的功能测试。

本文首先基于Visual Studio 2010软件平台，运用ARINC429、离散量、模拟量等信号板卡开发了液压能源系统信号模拟器。其次，通过建立液压能源系统控制与执行机构仿真模型，搭建了功能测试与模拟平台，从而实现对功能测试所需离散量、模拟量及总线接口信号接收、显示。最后，基于硬件在环测试平台，对液压能源信号模拟器的有效性、准确性进行验证。该地面信号模拟器构建工作稳定、性能良好且可满足液压能源系统功能测试，对提高飞机液压系统功能测试效率有重要理论价值。

1 系统工作原理

1.1 ICD文件管理

对于总线来说，任何数据被采集时都是没有物理意义的源数据，只有把源数据根据一定的预设规则进行解析后，源数据才会变成最终有意义的物理数据。而这一切规则的定义文件就是ICD文件。

一个ICD文件描述了飞机所有液压起落架设备运行的应用的参数信息。对于每个描述的参数，ICD文件对其特性的描述都是完备的，至少包括的信息有：属于哪个设备、属于哪个应用、属于哪个总线、运行的物理总线类型、特性值(如最小值、最大值、范围、单位)等信息。通过将ICD文件导入软件数据库，从而可以在测试时将ICD文件与总线数据相关联，将原始数据解析成物理数据。本文先接收数据，通过ICD文件定位到label号里的数据位，然后将相关数据解析成相应的物理意义，例如飞机速度、辅助能源装置开关、轮载和襟翼手柄。

测试软件预设了以下几种解析规则用于解析一些常见数据，如表1所示。

表1 解析规则

总装功能测试平台架构中最重要的环节之一就是对复杂的设备、分系统、系统间的接口控制描述文件(即ICD文件)进行管理，其可支持的接口类型包括总线类型和非总线类型。总线类型：ARINC429，ARINC664(AFDX)，CAN，RS232，RS485等；非总线类型：模拟信号，离散信号，开关信号，脉冲信号等。本文所用到的接口类型有ARINC429、模拟信号、离散信号。

1.2 系统设计原理

本文建立的飞机液压能源系统功能测试系统为半实物仿真平台，由硬件和软件两部分构成。基于硬件设备实现各类输入信号与输出信号的模拟，基于软件平台实现对信号的处理及显示。飞机起落架系统、飞控系统一般采用ARINC429信号完成通信。因此，为了使信号模拟系统可直接与液压能源系统控制器实物连接并实现通信，本文采用ARINC429接口板卡进行数据通信。测试过程中，采用AIT公司的PXI-C429航空总线板卡，其具有16个发送通道、16个接收通道，共32通道。此外，选用PXI机箱、PXI-8115控制器、DAQ PXI-6230等硬件设备，并基于Visual Studio 2010平台进行软件编程。

液压能源系统的测试可通过对各个阀门的控制间接完成，因此，本文对液压能源系统中7个阀门进行信息输入和处理，阀门的开断状态可通过显控平台观察[9]。同时将控制信号输出给控制开关(代替阀门)，阀门开通时，控制开关导通，本文将控制开关用在实验中代替阀门，能更加直观地观察实验现象。阀门的内在控制逻辑判断由软件编程来实现。

利用液压能源信号模拟器验证平台代替在开展液压能源系统总装地面功能试验时飞机驾驶舱、航电部分及部分阀，可以实现在试验室状态下开展信号模拟器的验证工作，提前识别信号模拟器信号的正确性。图1为硬件在环液压能源信号模拟器验证架构。

图1 民机液压能源系统测试控制逻辑框图

2 系统功能测试实现

信号模拟系统可为飞机液压能源系统功能测试提供多种信号输入，其系统框架如图2所示。

图2 信号模拟器系统框图

信号模拟系统的软件设计方面主要包含两部分：(1) 429信号发送模块；(2) 429信号接收模块，同时完成相应的信号处理及显示功能等。

2.1 信号发送模块设计

信号模拟系统信号发送过程如图3所示。测试系统根据要求在显控界面输入对应参数的数值，并点击开始。发送信号时，通过调用数据库实现对待发送数据的配置。基于ARINC429总线协议，通过编程实现信号的转化，并将429数据包发送至目标机[10]。

图3 总线信号发送流程图

2.2 信号接收模块设计

信号模拟系统接收信号的流程如图4所示。系统接收信号过程，首先对接收信号进行奇偶检验并解析成相应的Label、SDI、Data和SSM。其次，通过将解析结果与相应的429协议进行匹配，实现将接收32位数据包解析为实际物理意义信号。最终，通过将此信号输入至液压能源系统，判断是否满足阀门导通条件并通过显控平台上显示。测试完成后，点击停止按钮，停止接收信号和显示。

图4 总线信号接收流程图

3 试验验证

3.1 测试系统

某型飞机液压能源系统总装功能试验测试系统如图5所示。在该测试系统中，将液压能源信号模拟器接入液压逻辑控制单元，通过模拟试验过程中所需的WOW、RAT、襟/缝翼、FADEC等激励信号，实现功能试验的前期调试、试验支持及过程排故，提高试验质量及效率。

图5 液压系统总装功能试验测试系统示意图

3.2 试验过程

根据液压能源系统总装功能试验中ACMP1B、ACMP2B、PUV3B、PUV3A、ACMP3A、ACMP3B、PTU共7个阀门的测试需求，操作人员在信号模拟器主控界面上完成ARINC429、离散量、模拟量的信号配置及信号加载，实现物理信号的输出并注入至液压逻辑控制单元进行解算。信号配置加载界面如图6所示，信号流及逻辑解析界面如图7所示。

图6 信号配置加载界面

图7 信号流及逻辑解析界面

通过逻辑解算，得到控制ACMP1B、ACMP2B、PUV3B、PUV3A、ACMP3A、ACMP3B、PTU共7个阀门的开关信号，实现相应阀门的开启，并通过驾驶舱液压简图页显示阀门状态。

3.3 试验结果

验证结果表明，信号模拟器工作稳定、性能良好，能满足液压能源系统功能试验所需的离散量、模拟量及总线信号的激励需求，实现测试效率的提升。以液压能源系统ACMP1B试验为例，结果如表2所示。

表2 ACMP1B功能试验分析

3.4 试验推广

本文设计的信号模拟器具有通用性、可扩展性，能够基于ICD文件及功能试验具体需求加载产生飞机常见类型的总线信号，因此可推广至起落架、飞控系统等其他系统的功能测试中,如表3所示。

表3 试验推广

4 结 语

在飞机地面功能测试中，通过对飞机液压能源系统能源模拟器的搭建。可得到如下结论：

(1) 当前对民机液压能源系统进行功能测试时，需将相关联的各系统配合工作以完成测试，即需要将多个系统同时开启。针对液压系统测试成本高、效率低的特点，本文所研制的地面信号模拟器通过对飞控、起落架和压力开关等总线或离散量信号的模拟，从而替代相关联系统。通过直接为被测液压能源系统提供信号，达到节约测试成本、提高测试效率的目的。

(2) 基于信号模拟器开展总装地面功能试验的测试方式可推广到其他系统功能测试中，比如起落架、飞控系统等功能测试。