航空伺服高度表半实物仿真实训平台的开发

张 迪, 杨 涛, 何光亮, 杨 娟

(1. 中国民航大学 工程技术训练中心, 天津 300300； 2. 中国民航大学 电子信息与自动化学院, 天津 300300)

航空伺服高度表(aviation servo altitude indicator, ASAI) 用于接收大气数据计算机(air data computer, ADC)信号,计算和指示飞机的当前气压高度,对飞行安全起着至关重要的作用[1-3]。因此,在ASAI电路级测试、排故与修理等实训教学环节也有较高的要求和标准。以往以飞机航材件为操作对象的航空电子实训教学存在航材件价格昂贵、教学成本高、教学设备数量少、学生独立操作机会少、航材件不能设置故障、反复或不熟练操作对航材件结构和电子元器件易造成损坏等教学问题。因此,将电路仿真技术、虚拟仪器技术、虚拟现实技术与现代电子技术相结合,依据ASAI维修规范与标准,建立半实物仿真实训平台,是有效地解决上述问题的一种技术方法。

1 总体设计

ASAI半实物仿真实训平台由虚拟仿真系统和实物测量系统两部分组成。

虚拟仿真系统以计算机为核心处理部件,建立具备航材件外形和基本功能的ASAI虚拟仿真件,建立测试与排故模型和虚拟操作人机界面,实现ASAI电路级测试与排故的虚拟操作,达到规范性和熟练性工程训练目的。其中,ASAI虚拟仿真件有以下功能:

(1) 设置气压基准值,以inHg(英寸汞柱)和mbar(毫巴)2种单位、数字刻度盘(码盘)形式指示,设置范围为28.10～31.00 inHg和950～1 050 mbar。

(2) 接收ADC仿真信号,以当前设置的气压基准值计算气压高度,以数字刻度盘(码盘)、指针及圆形刻度盘两种形式指示,高度指示范围为-1 000～+50 000英尺。

(3) 生成与ASAI航材件内部电路板测试点信号一致的仿真信号(正常信号和故障信号)。

实物测量系统以微处理器为核心处理部件,实现与虚拟仿真系统的数据传输。将ASAI虚拟仿真件的电路板测试点仿真信号转换为真实电压信号并实时输出,用于电信号的测量与显示。

2 虚拟仿真系统的设计与实现

2.1 ASAI虚拟仿真件的数学模型

根据ASAI的工作原理、工艺结构以及与ADC信号传输关系,建立ASAI虚拟仿真件的数学模型,如图1所示。

图1 ASAI虚拟仿真件的数学模型

ASAI的粗、精同步接收器(CT1、CT2)与ADC的粗、精同步发送器(CX1、CX2)均为控制式自整角机,且粗、精同步接收器具有相互垂直的双转子结构。CX1和CT1为粗同步通道,CX2和CT2为精同步通道,且两通道转子的角速度比率为i(i=27),组成双速角同步随动系统[4-6]。若CX1、CX2转子与定子轴线夹角分别为A1、A1′,CT1、CT2转子与定子轴线夹角分别为A2、A2′,则δ=A2-A1。CT1和CT2转子协调位置的失调角分别为γ1和γ2,则γ1=90°-δ,γ2=90°-iδ。

ADC通过双速角同步随动系统,将具有气压高度信息的A1、A1′实时传输至ASAI,并输出感应电势仿真信号。经双通道开关电路仿真模型切换,接至放大电路仿真模型,驱动二相交流伺服电机仿真模型,经电机-高度转换系数K,转换为气压高度值并在模拟指示器实时显示。同时,利用高度-角度模型改变A2、A2′和δ,减小γ1和γ2,起位置(角位移)反馈作用。测速机仿真模型产生转速信号起速度反馈作用。ASAI采用速度和位置双闭环反馈构成一个伺服机构,以提高系统的动态稳定性。

调节旋钮BARO在模拟指示器上显示气压基准值,同时,经气压-高度模型和高度-角度模型提供附加位置(角位移)反馈,改变A2、A2′和δ,减小γ1和γ2,起气压基准调节作用。

2.1.1 感应电势仿真模型建模

根据控制式自整角机工作原理,CT1和CT2转子绕组输出的感应电势为:

(1)

(2)

其中,U1、U3分别为粗、精调正弦信号,U2、U4分别为粗、精调余弦信号,ω为励磁交流电源角频率,E1、E3、E2、E4为相应的振幅,Em为感应电势最大值。因此,当CT1、CT2转子不处于协调位置、存在失调角时,将输出感应电势。

2.1.2 高度-角度模型建模

(3)

其中,k1=5 000英尺/360°=13.89英尺/(°),表示CX2转子每转动1°,气压高度变化为13.89英尺。k2=ik1,表示CX1转子每转动1°,气压高度变化为374.99英尺。由ASAI高度指示范围可知,A1角度范围为-2.67°～133.33°。

2.1.3 气压-高度模型建模

根据理想气态方程、流体静力学方程、ASAI高度指示范围推导出气压基准值pb与气压高度Hc的关系:

(4)

2.2 ASAI虚拟仿真件的仿真电路

针对ASAI虚拟仿真件的数学模型,结合ASAI航材件内部电路板功能,在Multisim开发环境下设计仿真电路(见图2),实现ASAI虚拟仿真件的基本功能。ASAI虚拟仿真件的仿真电路包括感应电势仿真电路和ASAI内部电路板仿真电路。其中ASAI内部电路板仿真电路包括双通道开关电路、放大电路、测速机电路、伺服电机电路、电源电路和监控电路。

二极管CR12—CR15构成桥式整流电路,将工作电源(26 VAC/400 Hz)经变压器T1调压,输出+15 VDC和-15 VDC,为其他电路供电。程控直流信号源(V5、V6、V7、V8)和程控交流信号源(V1、V2、V3、V4)的调制信号,模拟粗、精调信号U1、U2、U3和U4,控制端口(CP1—CP4)模拟振幅变化,交流信号源模拟励磁交流电源(幅值为1 V,频率为400 Hz)。

相同二极管CR1—CR4构成一个双通道开关,切换AMP输入信号U1和U3。CR1和CR2反向并联,只有当E1大于二极管正向导通电压(1 V)时,U1接至AMP输入端口(—)。CR3和CR4反向并联且一端接地,只有当E3小于二极管正向导通电压(1 V)时,U3接至AMP输入端口(—),而不通过CR3和CR4导入地。三极管Q1和Q2构成乙类互补对称型功率放大电路。Q1和Q2周期性导通以提高功率放大的效率。AMP构成比较器,输入端(+)接地。当输入端口(—)信号幅值为正时,AMP输出端信号为高电平,Q1导通；当输入端(—)信号幅值为负时,AMP输出端信号为低电平,Q2导通。Q1和Q2输出信号(C)为方波,且幅值不变,频率和相位与U1、U3相同。当输入端口(—)信号幅值为零时,AMP输出端信号为零电平,Q1和Q2截止。

图2 ASAI虚拟仿真件的仿真电路

由式(1)和式(2)可知,γ1和γ2与E1和E3成正比。因此,当失调角较大时,粗同步通道接至放大器,转子接近至协调位置；当失调角小到一定程度时,粗同步通道至放大器,转子更精确地进入协调位置。当CT1转子处于协调位置时,若γ1=0°,则E1=0,C=0,E2=Em；当CT1转子不处于协调位置时,若γ1>0,则E1>0,E3>0,U1、C相位与Uf、AC相同；若γ1<0,则E1<0,E3<0,U1、C相位与Uf、AC反向。CT2转子同理。

三极管Q4和Q5构成警告旗驱动电路。Q5基极监控CT1和CT2输出信号(U1、U2、U3、U4)、高度有效信号(ALV)、转换电源。正常情况下,若CT1和CT2转子处于协调位置时,由上述可知,Q3、Q9和Q6截止。ALV由ADC输入高电平,则Q5、Q4导通,L供电驱动并收起警告旗。当CT1和CT2转子处于失调位置或任一监控点出现故障时,Q3、Q9和Q6导通,Q5基极接地；或电源电路故障时,则Q5、Q4截止,L不供电,警告旗放下。

2.3 ASAI电路级虚拟测试与排故模型

利用Multisim软件开发环境的HB/SC类型连接器,在ASAI虚拟仿真件的仿真电路中添加LabVIEW软件交互接口(见图2),包括电路板端口(IO1—IO14)、故障监视点(TP1—TP6)和控制端口(CP1—CP4)。同时,在LabVIEW协同仿真终端界面,根据ASAI仿真电路交互接口的信号流向,设置交互接口模式类型(输出或输入)。

在LabVIEW软件开发环境下,利用Control Design&Simulation模块执行控制系统的数值仿真[7-10],利用Co-Simulation插件执行仿真电路的实时控制[11-12],生成与ASAI航材件内部电路板测试点信号一致的仿真信号,建立ASAI电路级虚拟测试与排故模型。

如图3所示,在LabVIEW程序界面后面板调用“控制与仿真循环”控件,并放入“Multisim Design”控件,选择ASAI仿真电路。利用上述Multisim与LabVIEW软件之间交互接口,实现LabVIEW和Multisim仿真引擎之间ASAI仿真电路数据的交联。由“公式节点”控件建立式(1)和式(2)的数学逻辑关系,通过CP1—CP4仿真和生成CT1、CT2转子输出感应电势幅值的变化规律。由“公式节点”控件建立式(3)和式(4)的数学逻辑关系,仿真和生成气压、高度、CT1和CT2转子角度的变化规律。

图3 LabVIEW程序界面后面板

2.4 虚拟操作人机界面

如图4所示,ASAI虚拟仿真件指示器的程序前面板包括气压高度模拟指示器、气压基准模拟指示器、调节旋钮BARO,显示模式与ASAI航材件一致。程序后面板子VI程序模块,实时接收仿真电路中伺服电机驱动信号,经电机-高度转换系数K,通过“量表”控件、“旋钮”控件和“数值显示”控件,实现与真实ASAI航材件一致的动态显示功能。

图4 LabVIEW程序界面前面板

电路板三维模型的程序前面板用于显示ASAI内部电路板三维视景图形,增加虚拟操作的形象性和真实性。需要绘制ASAI内部电路板三维模型,并生成虚拟现实建模语言(VRML)格式文件,即.wrl文件；程序后面板的“加载VRML”控件调用.wrl文件,并在“三维图片”控件上显示。“缩放对象”控件通过Shift按键和鼠标实现对象的任意缩放,X轴、Y轴和Z轴显示比例的初始设置均为0.1。“设置平移”控件通过Ctrl按键和鼠标实现对象的任意平移,X轴、Y轴和Z轴向量的初始设置均为-1.5。“旋转X轴”控件实现对象以X轴为中心旋转,初始设置为0°,“三维图片”控件的视角控制器设置为球面和自动重绘模式时,通过鼠标任意旋转。

“电路级测试窗口”用于根据测试与排故的需求,选择需要测试的ASAI内部电路板输入/输出端口和故障监视点,即软件交互接口IO1—IO14、TP1—TP6和CP1—CP4,相应端口和测试点信号经实物测量系统输出。

“电路级维修窗口”用于根据修理需求,选择需要更换的ASAI内部电路板上的电子元器件(如电阻、电容、二极管、三极管等)标号。

“ASAI维修规范与标准”的程序前面板用于查询ASAI测试、排故和修理的技术依据、维修标准和操作步骤。程序后面板的“事件结构”控件监视前面板“资料按键”点击事件的状态。当事件为真时,调用“当前VI路径”控件、“拆分路径”控件、“创建路径”控件以及ASAI维修规范与标准.pdf文件名称,建立一个指定路径。通过调用“执行系统命令控件”从VI内部执行和启动其他Windows系统的应用程序,调用和打开指定路径和名称的.pdf文件。点击“返回按键”后则回到主界面。

3 实物测量系统的设计与实现

实物测量系统利用LabVIEW软件中NI-DAQmx的虚拟通道创建函数、写入函数、等待直至完成函数、定时函数、开始任务函数、停止任务函数和属性节点函数,根据Multisim软件交互端口IO1—IO14、TP1—TP6、CP1—CP4,配置数据采集电路板输出端口工作模式。

(1) 数字通道输出模式。由人机交互界面中“电路级测试窗口”的上述端口和测试点号码,输出相应的八位二进制通道编码,实现测试端口的选择功能。

(2) 模拟通道输出模式,产生上述所选端口和测试点的真实电压信号。

如图5所示,FPGA控制电路板将通道编码生成继电器驱动电路板的控制信号,实现各继电器的通断,从而将所选信号通道接通到对应的测试端口,输出数据采集卡生成的真实电压信号,点亮对应的测试通道指示灯。测试端口通过外置的增益式探针与数字示波器连接,实现ASAI内部电路板测试点信号的真实测量与显示。此外,可以利用以太局域网络实现对ASAI内部电路板测试点的远程选择。

图5 ASAI半实物仿真实训平台

4 测试与应用

按照ASAI维修规范与标准,ASAI半实物仿真实训平台的测试与排故程序如下:

(1) 在虚拟操作人机界面中,点击“开始测试”按键,运行ASAI半实物仿真实训平台；

(2) 调节“ASAI指示器”的“BARO旋钮”,设置标准大气压,直至“气压基准模拟指示器”码盘转动为29.92 inHg和1 013 mbar；

(5) 若h指≠h测,调节“ADC窗口”内iA1测,直至h指=h测；

(6) 依据ASAI维修规范与标准对A1测允许值范围的要求,判断ASAI处于正常状态还是故障状态,测试结果如表1所示；

表1 按照ASAI维修规范与标准的测试数据

(7) 若出现故障,在“电路板三维模型”窗口旋转ASAI内部电路板3D图形,结合“ASAI维修规范与标准”窗口内.pdf文件信息,进行故障分析；

(8) 根据测试与排故需求,在“电路级测试窗口”选择ASAI内部电路板测试点IO1—IO14、TP1—TP6、CP1—CP4,在硬件平台相应的“测试端口”上连接“增益式探针”与“数字示波器”,观察和测量电压和波形,进行故障定位(见图6),正常情况下,虚拟仿真件IO6和IO11输出电压信号与真实航材件基本一致；

图6 信号测量结果

(9) 在“电路级维修窗口”选择ASAI内部电路板上电子元器件标号,点击“更换”按键,替换相应的新电子元器件。

ASAI半实物仿真实训平台的测试与排故操作规范和流程与ASAI航材件一致,因而有效地降低了航空电子实训教学的成本,增加了教学设备数量和学生独立操作机会。根据教学需求设置典型的电路级故障,不仅提高了教学质量、教学效率和教学效果,学生的工程能力和职业素质也显著提升。

5 结语

利用电路仿真技术建立的虚拟仿真件仿真电路实现了真实航材件的基本功能,能够生成内部电路板测试点的仿真信号；利用虚拟仪器和虚拟现实技术建立的虚拟仿真件的三维外形、测试与排故模型、虚拟操作人机界面,能够实现电路级测试、排故和修理的虚拟操作。通过进一步与现代电子技术结合,半实物仿真实训平台能够输出真实的电压信号,以虚渐实、以虚助实、以虚扩实、虚实结合,实现与飞机航材件维修情景一致的信号测量与显示,有效地增加学生实际操作时间,为机务工程维修实践教学设备开发提供了一种技术方法。

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