飞行器控制系统全功能等效与故障检测系统设计与实现
2022-01-09
来源:星星旅游
维普资讯 http://www.cqvip.com 计算机测量与控制.2002.10(8) Computer Measurement&Control ・527・ 文章编号:1671—498{2002}o8—0527—04 中图分类号:TP274 文献标识码:A 飞行器控制系统全功能等效 与故障检测系统设计与实现 宋忠平,喻剑锋,王仕成,李丽军 (第二炮兵工程学院,陕西西安710025) 摘要:文章重点介绍飞行器控制系统全功能等效与故障检测系统的研制目标、设计思想、硬件结构、测试软件的 构成以及各种测试应用界面等。利用PC总线和vI技术使该系统具备对飞行器地面测试发射设备的智能化在线监测能 力,同时对地面测试发射设备在工作中出现的问题能够进行故障检测。 关键词:飞行器;全功能等效;故障检测;PC总线;虚拟仪器 Design and Implementation of Aerocraft Control System All——function Equivalent and Fault Diagnosis System SONG Zhong—ping YU Jian—feng WANG Shi—cheng LI Li—jun (Second Artillery Engineering College,Xi an 710025,China) Abstract:The main design idea,hardware structure,,'software structure and main test interfaces are discussed.In this pa— per,the advanced VI and IPC technology is used to develop lhe intelligentized system.And the new instrument has the ability of on——line testing and real——time malfunction diagnosis in the course of checking the ground test and launch equipments. Key words:aerocraft;all—function equivalent;fault diagnosis;PC bus;virtual instrument 1 引言 本文重点介绍一种采用虚拟仪器技术VI和工业 AD转换板、I/o板配合以信号调理板完成对应信号 的采集工作。对于开关量信号,在采集之前应通过信 号隔离板将外部干扰隔离并实现信号TTL电平转换, 以便计算机能予以识别。对于为数众多的模拟量激励 信号,为了减少硬件数量,系统中采用多路开关实现 单通道模拟量信号的采集,并将其送至AD转换板和 计算机予以辨识。对于外部频率信号,通过接线端子 板降压后送至计数器板完成频率信号的识别和频率测 量工作。对于外部高电压中频交流信号,设计中采用 接线端子板电阻网络实现降压后,再送至信号隔离 板、I/o板中辨识。 控制技术IPC总线实现飞行器全功能等效及故障检测 的设计方案,使该系统具备对飞行器地面测发控设备 的智能化在线监测能力和故障检测功能。 2系统硬件设计与实现 系统硬件结构设计如图1所示,主要包括测试计 算机和控制机柜两部分,其中控制机柜包括工控机 箱、端子板机箱、信号转接箱、信号电源箱4部分。 2.1等效仪器硬件设计与实现 2.1.1输入信号的采集 系统需要采集的外部信号多种多样,包括电压 量、频率量、开关量等信号,既有交流信号,又有直 流信号,数量多达百余个之多,这些信号类型主要包 括分系统测试加载的电压、电流激励信号、控制台上 的手动开关量控制信号、地面电源中的电压、频率信 号等等。系统根据信号种类和类型的不同,分别采用 收稿日期:2001—12—25。 作者简介:宋忠平(1971一)男,陕西省西安市人,讲师,工 学硕士,主要从事飞行器自动化测试、测控系统集成和故障诊 断等方向的研究。 王仕成(1962一)男,山东省单县人,工学博士,教授,博导, 2.1.2 输出信号的等效 系统需要对外输出等效的信号主要包括电流量、 电压量、频率量、时间量信号等,这些信号类型主要 统 各 网络 主要从事控制工程、飞行器仿真、智能仪器及嵌入式系统方向 的研究。 图1 系统硬件结构设计框图 维普资讯 http://www.cqvip.com ・528・ 计算机测量与控制 第10卷 包括飞行器电源、中间变换装置、执行机构电压输出 等效、飞行器计算机和脉冲电源频率信号输出等效、 程序装置时间量信号输出等效等。 电压量信号主要由DA转换板和继电器板来实 现。一般对于大于10V或者电压值大小固定的直流 电压量,采用继电器板转接信号电源模块产生的各种 信号来实现。信号电源模块是专门为等效输出信号研 制的DC/DC开关电源,它的输入为非标准电压,输 出为±20V、+5V,通过接线端子板电阻网络再将± 20V电压转换为±16V等十余路等效输出电压。对于 大于IOV的交流固定信号同样采用继电器板进行转 接,等效信号来源是地面中频电源送来的交流电源。 对于中间变换装置电压等效输出,考虑到该电压 变化范围较大,0~±20V不等,故采用DA转换板 实现其等效。但是DA转换板的电压输出最大不超过 IOV,为此专门研制了信号电平转换及分频模块以提 升该信号电压,同时该模块还具有电路驱动和分频功 能,可对TTL电平的频率输出信号实现长线驱动。 对于衰减变化的电压量信号等效输出,采用DA 转换板完成电压输出,但DA转换板输出的电压非常 小,满足不了测试等效的需求,因此利用电平转换模 块上电压驱动放大电路完成电压转换工作。 对于频率信号等效输出,利用计数器板的频率输 出功能完成所需频率信号的等效,并通过电平转换与 分频模块完成电路的驱动和分频工作。 对于时间量信号等效输出,采用继电器板来实 现,通过计算机依照时间表格规定的时刻控制相应的 继电器工作,以完成时间量信号的等效工作。 2.2信号电源模块的设计与实现 信号电源模块是全功能等效与故障检测系统中一 块十分重要的自制电路模块。它主要有两路输出,其 中+5v/3A直流电压为工控模件和信号电平转换与 分频模块上的集成器件提供工作电压;±20V信号电 压用于提供等效信号电压大于IOV且输出值固定的 飞行器仪器电压输出。该模块在设计时选用国际上十 分流行的SG1524芯片作为脉宽调制器(PWM),该 芯片包括开关稳压器所需的全部控制电路,主要包括 误差放大器、振荡器、脉宽调制器、脉冲发生器以及 电流保护关闭电路等。 信号电源模块组成框图如图2所示,滤波网络由 流电压加到开关元件上变为脉冲状的交流电压,此交 流电压通过高频变压器隔离并可变换成三路所需大小 的交流电压,再经二极管进行二次整流与电容平滑后 变为直流输出电压。直流输出电压的一部分(+5v) 通过比较电路与SG1524芯片基准电压进行比较,其 误差电压通过通/断时间比例控制电路控制开关元件 的脉冲占空比,从而达到稳压的目的。 2.3 信号电平转换与分频模块的设计与实现 信号电平转换与分频模块是全功能等效与故障检 测系统中一块十分重要的自制电路模块,主要用于惯 性器件、中间变换装置、计算机等输出等效信号电压 转换、电路驱动以及频率分解等项工作。 惯性器件和中间变换装置电压提升电路:采用同 相放大器思想,但由于引入了共模电压,因此在选用运 算放大器时必须选用共模抑制比高的运放器件才能保 证精度。为了减少器件数量,简化线路设计,在设计时 选用单片高增益四运算放大器LM324,这种运放一致 性好,比较适合于作为中间变换装置输出等效使用。 分频电路:由于计数/定时器板频率输出范围在 153Hz ̄5MHz之间,无法实现脉冲电源低频等效输 出,为此设计分频电路,目的是将计数/定时器板产 生的初始频率信号分解成测试所需要的低频信号,即 利用3块74LS74双D触发器计数器功能实现对初始 频率信号3级分频任务最终获取低频信号等效输出。 频率信号驱动电路:利用74LS07反向器驱动放 大功能实现对频率信号的驱动放大任务,并且利用光 电耦合器的信号隔离功能实现低频信号的干扰隔离。 3系统软件设计和测试界面的实现 该系统软件结构组成如图3所示。在软件设计 时,采用模块化设计思想,将不同用途和功能的软件 划分为不同的软件功能模块。每个功能模块都具有相 对独立的功能,若干个功能模块组合成功能更全的模 块,各模块间通过一定的接口参数的传递实现互联而 自成一个完整的等效测试应用系统。 3.1系统自检软件设计与实现 系统自检模块旨在利用继电器板动作以实现对 A/D转换板、i/o板、D/A转换板、多路开关、继 客户层 lahv11 应用子 坼层 oelphi服务 手层 知识雌层 扼流圈和电容等组成,非标直流输入电压经过滤波网 络整流滤波后,进入脉宽调制器(SG1524)。非标直 图2信号电源电路模块原理组成框图 图3软件结构组成框图 维普资讯 http://www.cqvip.com 篁垒塑 忠平等:飞行器控制系统全功能等效与故障检测系统设计与实现 .529. 电器板的测试。系统自检主要包括两个步骤,首先通 过对rio板实旋控制以检测4块继电器板的工作性 能,其次利用自检继电器组合完成对D/A转换板、 A/D转换板、多路开关的检测工作。 3.1.1继电器板自检 计算机控制自检信号电源接通继电器工作,接通 外接固定电源与其它继电器板上的继电器常开接点一 固定值电压量输出电路模块:利用I/O板采集 控制台上的开关量控制信号,通过I/O板输出口控 制继电器板中对应的继电器工作,转接信号电压并送 至对应的接插件完成输出电压信号的等效工作。 3.2.3时序输出模块 时序输出模块是利用I/o板控制继电器板上的 继电器按照规定的时间顺序依次接通或断开以完成模 拟飞行电路的等效工作。利用I/o板采集系统的 “起飞”信号,当计算机接收到起飞信号后,通过I/ o板输出端口控制继电器板按照规定的时间表工作, 不同继电器的工作就对应一个工作时刻,各个继电器 的工作组合就完成了时序信号输出的等效工作。 3.2.4通讯模块 端,并依次控制接通4块继电器板上的所有继电器接 点,利用发光二极管组合在TEST测试插座上检查电 源电压信号是否已送至各对应的发光二极管,当全部 燃亮则检查下一块继电器板,直至4块继电器板全部 合格为止;否则,停止测试,检查相应的继电器板。 3.1.2 D/A转换板、A/D转换板、多路开关板自检 计算机依次控制D/A板输出电压信号,通过继 电器组合送至多路开关不同通道,选通后送至A/D 转接板完成信号采集工作,当该通道检测合格,则自 动检测下一通道,直至所有D/A通道、多路开关通 道和A/D通道全部检测合格为止;否则,停止测试, 检查各模件状态。检查完毕后如果测试合格则给出自 检合格提示,并可通过鼠标选择“继续测试”或“退 出测试”选项。 利用系统上RS232C总线接口与地面测试计算机 实现弹地通讯的等效工作。当地面测试计算机通过弹 地通讯总线上行发送控制字时,系统检测是否有控制 字发送,当接收到控制字时,判断控制字所对应的系 统控制状态,根据不同的要求完成发程序脉冲、加激 励信号电流等项控制工作。 3.2.5系统测试界面的实现 根据系统软件设计的总体方案以及飞行器实际使 用流程,该系统在设计时主要编制了测试主界面及其 子界面,以便于测试人员直观、方便地完成系统的检 测任务。 3.2 系统等效软件设计与实现 LabVIEW是基于图形化编程语言的软件开发环 境,包括丰富的用于数据采集、分析、表达及数据存 储的库函数,同时还具有传统的编程开发工具。本设 计中主要采用该语言完成对全功能等效的软件开发。 3.2.1高精度频率输出模块 高精度频率输出模块旨在利用计数/定时器板的频 率输出功能等效弹上计算机主频输出。当A/D转换板 采样到工作电压信号时,打开频率输出端口,写入等 效频率初值,并对该输出频率进行测量,根据要求加 以补偿,当满足输出频率在规定范围内,对外输出合 格的频率信号,完成计算机主频初始信号的等效工作。 3.2.2电压量输出模块 电压量输出模块主要利用D/A转换板、继电器 板、信号电源模块实现对变化量或固定量电压信号的 等效输出工作。 调平瞄准电路模块:利用I/O板采集控制台上 的开关量信号,通过3路DA端口输出依次等效两路 调平和一路瞄准3个弹上通道相应电压信号。考虑到 调平、瞄准是一个衰减的过渡过程,在等效时DA端 口输出类似的衰减电压信号以达到逼真等效的效果。 中间变换装置模块:利用A/D转换板采样外部激 励电压、电流量信号,通过判读激励信号的极性和幅 值大小,控制D/A转换板4个端口按照不同的极性和 输出值大小,对外输出4路中间变换装置等效电压。 3.3故障检测软件设计与实现 本次设计就是在Delphi环境下采用ODBC接口 实现对MySQL故障数据库的访问来完成应用程序的 开发。 3.3.1故障知识库设计 通常测试是以信号发送及接收为基础,因此数据 库的设计就以信号为基础框架,包括以下基本内容:标 志号(sign~id)、信号名称(Name)、信号类型(Type)、 信号幅值(Value)、允许偏差(Error)、信号单位(U— nit)、信号接点(Junction)、信号描述(description)、故障 信息(failure)、备忘部分(memo)。数据库中还可以保 存测试记录等。创建信号表的sQL脚本如下: #创建信号表 CREATE TABLE signal ( sign——id INT UNSIGNED NOT NULL AUTO——INCREMENT PRIMARY KEY. name VARCHAR(30)NOT NULL, type ENUM( 直流电压 , 直流电流 , 交流电压 , 交流电流 , 频率 , 周期 , 开关量 , 电阻 , 其它 )NOT NUI L, value I)OUBLE NOT NULL. error DOUBLE, unit ENUM( V 、 A 、 Hz 、一S、 O ), junction VARCHAR(127), 维普资讯 http://www.cqvip.com ・530・ 计算机测量与控制 第10卷 description VARCHAR(255), failure TEXT, memo TEXT, 个空间还可以是当前纪录的相应字段。程序运行期 间,用户并不知道DBEditname组件设置为数据库表 中的name字段,所以必须放置Label组件。 (4)设置DBMem6组件:在窗体中放置两个 DBMemo组件,其作用和DBEdit组件相同。 (5)制作删除按钮(Delete)和添加新纪录按钮 (Add New sign—id)。通过以上工作可完成故障检测 主界面的开发设计。 INDEX sign—name(name) ); 链接BDE别名:创建完数据库后通过ODBC实 现MySQL数据库与BDE的链接工作。首先在ODBC Data Source Administrator界面上单击Add按钮,进 入创建新数据源状态,选择驱动器为MySQI ,在 DSN设置对话框中将Windows DSN Name设置为E— quivalentDB,MySQI Database Name设置为equiva— 4结束语 将虚拟仪器技术、工业控制技术以及数据库技术 lent。至此BDE别名创建完毕。 合理地应用到飞行器控制系统全功能等效与故障检测 3.3.2故障检测主界面的设计 系统中,有利于提高设备的自动化程度、故障检测能 主界面是技术人员进行知识库数据管理的界面, 力、可靠性及可维护性,有利于提高武器装备的反应 特点是功能全面,并有利于对测试故障诊断信息知识 速度,有利于操作使用人员的操作训练及发射工作的 库的更新和维护。利用DBGrid组件实现知识库显示的 顺利进行,因此,采用该技术设计飞行器控制系统全 功能,并保证Delphi 5中其它数据库控制组件能够安 功能等效与故障检测系统具有很强的实用价值和现实 全有效地对它控制。主界面具有修改和删除功能,实 意义。 现方法是设置删除按钮,并且允许在数据库显示组件 DBGrid中直接修改。具有输入功能,实现方法是添加 参考文献: [1]凌澄.PC总线工业控制系统精粹[M].北京:清华大学 新纪录按钮(Add New sign id)和各单项显示框DBE— 出版社.1996. dit,也可以在数据库显示组件DBGrid中直接添加。最 [2]姚普选.Delphi5.0程序设计[M].西安:西安交通大学 后设置退出按钮,添加ToolBar、StatusBar和DBText 出版社.2000. 组件。故障检测主界面按以下几个步骤处理: [3]王英剑,常敏慧.新型开关电源实用技术[M].北京: (1)设置Table和DataSource组件以及DBGrid 电子工业出版社,1999. [4]钟鸣等译.MySQL网络数据库指南[M].北京:机械 组件; 工业出版社。2000. DBGrid组件的ReadOnly属性设置为True,即不 希望在设计过程中可以通过修改DBGrid组件中的数 (上接第495页) 据或者信息来访问数据库Equivalent.DB。Active属 的曲线中间穿过。如果再进行一次平滑处理,可以看 性设置为True,即希望在设计过程中可以看到数据 到更好的效果。 库Equivalent.DB中的数据和信息。 通过大量的数据平滑处理实验的结果来看,一方 (2)设置DBText组件:Data Controls页中的 面,激光数字化测量的数据确实存在一定的随机误 DBText组件和Standard页中的Label组件相似。 差,另一方面,通过本文介绍的数据平滑处理办法, 从Data C0ntrols页中选择DBText组件,然后将 这种误差可以得到有效的消除。此外,该文所介绍的 其添加到表单上。 方法对于其它类似的测量数据的处理同样适用。 设置AutoSize属性为true以后,组件将自动调 整大小,使得正好可以容纳所显示的文本。当然这是 参考文献: 可以通过设置Color属性和Font属性来修饰外观。 [1]SARKAR B.,Smooth—surface approximation and reverse en— gineering。Computer aided design,1991,(9):623. (3)设置DBEdit组件:在程序开发阶段,用户 [2]WOO T.C.,Dimentional measurement of surface and their 不能编辑数据库表的任何字段。在窗体中放置7个 sampling.Computer—aided design.1993,(4):233. DBEdit组件,这些组件允许用户编辑数据库表中的7 [3]OH,KEYTACK H.,ABELLA,ROBERT J.,DASCHBACH, 个字段。 JAMES M..CMM application in reverse engineering.Inte— DBEdit组件是允许在其中输入数据的编辑框 grating。SME Technical Paper(Series)MS 1989 var paging MS89 529 0161—6382 TPSSDI . 设置组件的DataSource属性为EquivalentsDataSource, [4]MENQ C.,et a1.Curve and surface approximation from DataField属性为name。这意味着输入编辑框的任何 CMM measurement data.Computers&industrial engineer— 内容都可以直接添充到数据库表中的name字段,这 ing,1996,(2):211 215