0 引言

　　近年來虛擬儀器技術(shù)憑借其性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間短、出色的集成性等特點(diǎn)[1]，在各個(gè)領(lǐng)域的測(cè)量、測(cè)試和自動(dòng)化控制等方面得到了廣泛應(yīng)用。虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)是以硬件設(shè)計(jì)的模塊化為基礎(chǔ)，用戶可以高效、靈活地構(gòu)建自己的界面。傳統(tǒng)儀器的硬件被軟件代替，用戶通過軟件來構(gòu)造和更改儀器功能，使得一些實(shí)時(shí)性要求很高，原本由硬件甚至許多用硬件完成的功能，可以通過軟件來實(shí)現(xiàn)[2]。本文以NI公司的LabWindows/CVI為開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)上位機(jī)程序，配合高速數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集發(fā)電機(jī)功率，以指定的控制規(guī)律向下位機(jī)發(fā)送加載命令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)功率的消耗。由于飛機(jī)其他設(shè)備消耗功率是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化的，電負(fù)載系統(tǒng)需要根據(jù)功率的動(dòng)態(tài)變化即時(shí)控制電負(fù)載加載量。

1 系統(tǒng)組成與總體設(shè)計(jì)

　　電負(fù)載系統(tǒng)主要由控制、負(fù)載和補(bǔ)水排水3個(gè)子系統(tǒng)組成。分別將左交流發(fā)電機(jī)和APU交流發(fā)電機(jī)的滿載、超載電能經(jīng)控制子系統(tǒng)加載到負(fù)載子系統(tǒng)，負(fù)載單元將電能轉(zhuǎn)化為熱能，將水加熱成水蒸氣，排出機(jī)外。系統(tǒng)整個(gè)工作過程中，控制子系統(tǒng)主要完成電負(fù)載的加載、數(shù)據(jù)采集、緊急狀況處理及系統(tǒng)自檢等功能，補(bǔ)水排水子系統(tǒng)根據(jù)蒸發(fā)罐組液位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)/手動(dòng)補(bǔ)水。

　　控制子系統(tǒng)主要由控制計(jì)算機(jī)、采集板、接觸器、繼電器以及濾波器等組成，這些控制器件統(tǒng)一安裝在客艙的控制柜內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)以計(jì)算機(jī)作為中心控制單元，采集壓力、溫度、電流、電壓等各個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)；接收用戶命令；實(shí)現(xiàn)開關(guān)量、模擬量控制等功能。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

　　發(fā)電機(jī)發(fā)出電功率輸出到匯流條，在匯流條上掛載各類用電設(shè)備。其中一部分功率被飛機(jī)各類用電設(shè)備與測(cè)試設(shè)備所消耗，剩余功率通過電負(fù)載系統(tǒng)消耗。電負(fù)載系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求接通或關(guān)斷電負(fù)載，使發(fā)電機(jī)功率維持為設(shè)定值。在設(shè)計(jì)中關(guān)鍵部分為發(fā)電機(jī)功率采集與電負(fù)載加載的控制。

　　2.1 功率采集原理

　　發(fā)電機(jī)功率通過采集發(fā)電機(jī)輸出的電壓/電流所得，其中電流的測(cè)量是在發(fā)電機(jī)輸出端采用LEM高精度傳感器直接測(cè)得的。發(fā)電機(jī)電壓通過分壓獲得5 V電壓進(jìn)行采集。本設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)采集卡對(duì)被測(cè)電壓、電流、溫度、壓力進(jìn)行離散化采集，為了滿足系統(tǒng)需要，根據(jù)HB6448-90要求采用最大采集速率為330 kS/s的高速采集卡采集，其中電壓、電流通道采集速度為20 kS/s每通道，連續(xù)采集50個(gè)周期，并以此計(jì)算總發(fā)電功率。計(jì)算公式為：

　　功率計(jì)算通過一個(gè)周期內(nèi)的穩(wěn)態(tài)交流電壓、穩(wěn)態(tài)交流電流在一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)瞬時(shí)值計(jì)算求取[3]。

　　2.2 負(fù)載加載控制

　　PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。本系統(tǒng)選用三菱FX2N為下位機(jī)執(zhí)行單元。發(fā)電機(jī)消耗功率為飛機(jī)設(shè)備與電負(fù)載之和，即：

　　P發(fā)電機(jī)=P電負(fù)載+P飛機(jī)設(shè)備(2)

　　若飛機(jī)設(shè)備的消耗功率不斷發(fā)生變化，則需要實(shí)時(shí)改變電負(fù)載加載量來補(bǔ)償這部分變化。PLC根據(jù)上位機(jī)通過串口發(fā)送過來的功率值與預(yù)設(shè)的功率相比較，從而控制負(fù)載加載的多少。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件主要由工控機(jī)、PLC、交流接觸器、保險(xiǎn)管、電流傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、采集卡端子板等組成，并統(tǒng)一安裝在控制柜內(nèi)。每一個(gè)交流接觸器連接三相負(fù)載，此三相負(fù)載分別安裝在3個(gè)蒸發(fā)罐內(nèi)。PLC輸出的數(shù)字信號(hào)使交流接觸器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或斷開。電負(fù)載控制電路如圖2所示，這是一組電負(fù)載控制系統(tǒng)接線圖，其他23組與此相同。交流三相電源經(jīng)過斷路器，保險(xiǎn)管連接交流接觸器一端，另一端連接三相電負(fù)載，通過PLC或者調(diào)試加載開關(guān)即可控制交流接觸器，從而實(shí)現(xiàn)電負(fù)載控制。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　4.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件是虛擬儀器最重要的部分。系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用美國(guó)NI公司的LabWindows/CVI開發(fā)，CVI不僅具有虛擬儀器的全部特點(diǎn)，而且它以C語(yǔ)言為核心，可以根據(jù)需要自己開發(fā)系統(tǒng)功能，其高效的開發(fā)能力及靈活性在設(shè)計(jì)中得到了體現(xiàn)。

　　4.1.1 上位機(jī)功能設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)主要完成登錄、系統(tǒng)自檢、參數(shù)的設(shè)置、負(fù)載加載控制、報(bào)表打印等任務(wù)。登錄系統(tǒng)自檢功能在每次啟動(dòng)系統(tǒng)后自動(dòng)執(zhí)行，用于檢測(cè)各路電負(fù)載狀況，可以預(yù)防在電負(fù)載異常狀況時(shí)加載。參數(shù)設(shè)置功能用于配置系統(tǒng)參數(shù)如溫度、壓力上限，自動(dòng)加載時(shí)的加載規(guī)律，數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)校正等。加載記錄及報(bào)表功能是可以在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)查看本次實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)加載情況并打印報(bào)表。主控制界面詳細(xì)設(shè)計(jì)了用戶常用操作功能及各類信息提示。上位機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　4.1.2 系統(tǒng)多線程設(shè)計(jì)

　　Windows操作系統(tǒng)是利用時(shí)間片輪換的形式來完成多個(gè)任務(wù)，而線程又是時(shí)間片輪換的基本對(duì)象。操作系統(tǒng)為每一個(gè)線程分配時(shí)間片，讓該線程在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)運(yùn)行,之后中斷該線程的運(yùn)行，另外的線程執(zhí)行[4]。多線程的優(yōu)點(diǎn)是它能夠?qū)⒊绦騽澐譃槎鄠€(gè)相互獨(dú)立的子任務(wù)，多個(gè)線程的同時(shí)運(yùn)行使系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快，主要用在數(shù)據(jù)的采集、處理及串口通信等場(chǎng)合。為了提高運(yùn)行效率，系統(tǒng)利用多線程的方法，在CVI在線程池中，將上下位機(jī)通信與數(shù)據(jù)采集采用兩個(gè)相互獨(dú)立的通信線程和數(shù)據(jù)采集線程來實(shí)現(xiàn)。其中數(shù)據(jù)采集線程功能為數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)、通道設(shè)置、速率設(shè)置等，主要采集量有三相電壓、電流、蒸發(fā)罐溫度壓力。因此主線程主要功能為：數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、處理、儲(chǔ)存，監(jiān)控顯示，數(shù)據(jù)響應(yīng)及用戶操作等。

　　4.2 PLC及系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)

　　PLC作為下位機(jī)一方面響應(yīng)上位機(jī)的控制指令，另一方面監(jiān)測(cè)蒸發(fā)罐與補(bǔ)水罐液位狀況，根據(jù)這兩點(diǎn)執(zhí)行電負(fù)載控制指令。其控制流程圖如圖4所示。

　　系統(tǒng)總體功能流程如圖5所示，當(dāng)上下位機(jī)同時(shí)通過自檢以后，上位機(jī)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡采集，計(jì)算飛機(jī)發(fā)電機(jī)即時(shí)功率消耗，并讀取已加載電負(fù)載量。并且按照用戶提前預(yù)設(shè)的加載程序，計(jì)算出所需負(fù)載量的大小，并將該數(shù)據(jù)傳送給PLC。PLC按照預(yù)設(shè)的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且按數(shù)據(jù)的結(jié)果加載負(fù)載。上位機(jī)與下位機(jī)同時(shí)執(zhí)行，上位機(jī)發(fā)送完加載數(shù)據(jù)以后系統(tǒng)重新進(jìn)入功率采集，進(jìn)入下一次循環(huán)[5]。

5 系統(tǒng)試驗(yàn)及結(jié)果

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成在進(jìn)行地面調(diào)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)置自動(dòng)加載規(guī)律如表１所示。每隔8 ｓ記錄一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠獲得負(fù)載的實(shí)際加載記錄曲線和加載功率曲線，充分證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精度。

6 結(jié)論

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于虛擬儀器的電負(fù)載系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某型飛機(jī)的試飛中。它可以精確測(cè)量發(fā)電機(jī)功率并控制電負(fù)載加載，以滿足飛行試驗(yàn)的要求，而且能夠滿足各種型號(hào)發(fā)電機(jī)的測(cè)試。該系統(tǒng)具有硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便以及軟件可擴(kuò)充性好、編程靈便等特性，對(duì)發(fā)電機(jī)在各種負(fù)載條件下的性能測(cè)試具有重要意義。

　　參考文獻(xiàn)

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