航空发动机试验数据采集分析系统设计与实现

曹 阳，李文峰，陈震宇，乔 黎

（沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

1 引言

作为飞机最重要的组成部分，航空发动机的试验测试贯穿全寿命期，在研制过程中起着举足轻重的作用。没有大量高效的试验，就没有高性能的航空发动机[1]。在整机试验过程中产生的试车数据为发动机设计和改进提供了重要依据，如何利用并充分使用通过整机试验所搜集更多的试车相关数据显得尤为重要。

本文介绍了经改进的新型航空发动机试验数据采集分析系统。

2 系统分析

航空发动机试验数据采集分析系统考虑了系统实施的要求以及国内外相似系统的现状，将数据采集、数据管理和数据应用分成了3级结构。数据采集系统通过数采设备以一定的速率将发动机的参数和设备状态收集起来，存储在本地磁盘，再通过数据导入程序将试验数据提交给远端数据库服务器进行存储和管理。使用者如需对试验数据进行分析应用，即可通过合法的身份验证后连接到远端数据库，再对发动机的历程数据进行回放等相关操作。其系统结构如图1所示。

3 系统设计与实现

3.1 数据采集部分硬件设计

数据采集部分的硬件主要由数采计算机、数字综调与PLC通讯计算机、NEFF470数采系统、温度采集模块DTS3250、压力采集模块DSA3017、传感器等组成。其配置框图如图2所示。

3.1.1 NEFF470数据采集子系统

NEFF470数据采集系统是美国NEFF公司的产品，其采用GPIB总线，精度均优于0.05%，具有数据吞吐能力强、可靠性高、模块化等特点。本设计采用3块470050、11 块 470051、2 块 470055和1块470012用于测量台架所有电压信号以及频率信号，采集速率理论可达每通道45次/s。

3.1.2 DTS3250和DSA3017模块

本系统采用的DTS3250为32通道电偶扫描阀，可单独设置每通道的电偶类型，并有加热功能，冬季也可在试车间内使用，支持RS232和TCP/IP协议，可将采集到的温度信号直接转化为温度值或电压值，用串口或者网络传给采集计算机，有效地解决了温度信号模拟量在传输过程中易受干扰和易衰减问题。DSA3017为16路气压测量扫描阀，采样速率为每通道45次/s，支持TCP/IP协议，在17 kPa～3.5 MPa范围内精度可达0.05%，可将其置于临近发动机的位置，这样大大减弱了测量气压时的容腔效应，提高了动态响应频率，保证了测试精度。

3.2 软件设计

3.2.1 软件总体结构

本系统是在WindowsXP环境下，采用VB和MeasurementStudio进行开发，数据库采用SQL2005系统，通过ADO实现对数据库的访问。

为了满足试车时的测试要求，实现数据分析和管理功能，降低软件开发复杂程度，本系统按照功能结构分成3部分：数据采集程序、数据导入程序和客户端程序，其软件结构如图3所示。

3.2.2 主要功能

系统采用面向对象技术，并使用了大量的生动、丰富的图形界面，方便试验者使用[2]。将本系统概括起来主要包括3个部分：数据采集、数据存储与处理、历程数据的回放。

（1）数据采集

本系统在进行NEFF470采集通道初始化时，根据实际参数个数动态初始化通道，减少了采集通道的数量，避免了系统资源浪费。在采集速率上使用多媒体定时器实现数据采集速率的控制，最低定时精度可以达到1 ms，并且有很高的优先级，与NEFF470配合可以实现数据高速采集。对于DTS3250和DSA3017，可以在数采程序中分别对其进行设置，再通过Winsock方式将数字信号传输给数采计算机。

（2）数据存储与处理

为辅助整机试验后的分析、数据处理及输出，将每次开车时由数采计算机所采集到的发动机全参数数据、设备信息、报警信息和相关配置信息都暂存在本地硬盘上，试车结束后通过数据导入软件将试车数据提交给远端数据库服务器。这样就可以借用数据库命令方便地实现相关的查询、统计等功能，而且通过为不同用户赋予不同的访问权限，使试车数据的安全性和有效性得到了保障。发动机稳态记录数据是发动机性能计算的重要参照数据，目前稳态数据采集的主要手段是依靠试车记录员手工记录，这样产生的稳态数据难免出现误操作和漏记现象，也无法保证一定能够采集到合适的稳态采集点，从而使设计人员分析、挑选数据遇到很大麻烦。本系统根据油门杆角度变化来自动判定稳态起始点和结束点，再根据起始点、结束点记录的时间参数来判定稳态段的时间长度。同时为了避免因为操纵员控制油门杆时的调整带来稳态段的误判，又增加了稳态段时间长度判断条件，并使用了狄克逊准则[3]对异常数据进行剔除，保证了通过本系统自动产生的稳态数据的准确性。

狄克逊准则步骤如下：

a.按大小次序排列的观测值x(1)≤x(2)≤…≤x(n)计算统计量。

b.按表 1 计算 D、D'。

d.当D＞D',D＞˜D1-α(n),x(n)离群；当D'＞D，D'＞˜D1-α(n),x(1)离群；重复a～c，否则判断无离群值。

（3）历程数据回放

发动机试车数据主要用来验证发动机设计及排故，而如何通过绘制发动机历程曲线让设计人员更加便捷地了解发动机的工作状态十分重要。本系统实现了绘制发动机多参数随时间变化曲线功能，而且考虑到全屏绘制试车历程曲线可能对局部细节描绘不清晰，特别提供了曲线局部放大功能，再考虑到用户可能将历程数据做进一步分析计算，又提供了历程数据导出功能。

表1 双侧狄克逊检验式

表2 双侧狄克逊检验的临界值1-α(n)

表2 双侧狄克逊检验的临界值1-α(n)

n 统计量 95% n 统计量 95%3 0.529 4 0.829 18 0.514 5 0.710 19 0.501 6 0.628 20 0.489 7 0.569 21 0.478 r10和 r10′中的较大者0.970 17 r22和r22′中的较大者0.608 22 0.468 9 0.564 23 0.459 10 0.530 24 0.451 11 8 r11和 r11′中的较大者0.619 25 0.443 12 0.583 26 0.436 13 0.557 27 0.429 14 r21和 r21′中的较大者0.586 28 0.423 15 0.565 29 0.417 16 0.564 30 0.412 r22和r22′中的较大者

4 结束语

本文介绍的航空发动机试验数据采集分析系统将航空发动机、试验设备、传感器以计算机为基础组成了1个包含航空发动机测试和试验数据管理分析的综合系统，充分地挖掘了现有数据采集设备能力，有效地管理数目繁多的试验数据，而且通过使用者对试验数据进行相关的科学分析，极大地提高了试验数据的使用效率，较好地满足了航空发动机研制和排故的需要，实现了采集信号的准确测量和试车数据的高效管理，提高了试车数据的使用效率。经实践证明，该系统工作稳定可靠，测试精度高，界面美观，满足了系统设计性能的要求，对推进试验合理进行，提升发动机研制水平，缩短发动机研制周期都具有重要的现实意义，具有较高的推广价值。

[1]单晓明.数字化试验业务平台在航空发动机测试领域的应用与实践 [J].工程实践，2009(6):35-37.

[2]李晓松.涡喷发动机动态模拟试验台测控系统设计 [J].机械设计与制造，2005(10):56-57.

[3]冯荣琥.狄克逊准则剔除粗误差的微机应用 [J].四川标准化与计量，1995(2):29-31.