数据采集系统在航空飞行器发动机试验管理中的应用

袁俊

中国航发常州兰翔机械有限责任公司，江苏常州，213022

0 引言

航空飞行器发动机作为航空飞行器的“心脏”，长期在高温、高压、高腐蚀、高应力等苛刻条件下工作，为了确保发动机及其系统的安全运行，在发动机整个使用寿命周期内，都需要对其进行多种高效率、严格的试验。由于航空飞行器发动机试验技术复杂、试验运行费用高，这都要求发动机试验必须采用较为先进、完善的数据采集系统，以实时准确记录试验中航空发动机的性能参数、特性数据，作为验证航空发动机及系统安全性、稳定性的主要依据。

数据采集系统是航空飞行器发动机试验的重要组成部分，该系统主要用于发动机试验参数的测量和数据的自动采集，同时提供对大量试验数据的管理功能，这对于检验发动机各部件的运行状态与稳定性，验证发动机系统设计构造方案的合理性，以及对发动机大量试验数据的分析、汇总与管理都起到了重要作用[1]。为降低试验过程中数据人工处理的负担，进一步提升发动机试验数据的管理效率，提升试验数据采集与记录的准确性、可靠性，以及试验数据回溯的清晰性，本文从试验前数据准备、试验中数据管理、试验后数据处理这三个环节入手，着重探讨研究了数据采集系统在航空发动机试验全寿命周期管理中的应用与实现。

1 航空飞行器发动机试验中数据采集系统的应用特点及结构框架

1.1 航空发动机试验中数据采集系统的应用特点

一是对数据采集系统的准确性、可靠性要求高。相较于航空飞行器的其他部件而言，航空发动机的结构更为复杂化、精细化，其运行于高温、高压、高转速的条件中，负荷变化快、可靠性与安全性要求高，导致发动机试验难度大、技术复杂，试验耗费也非常大。为保证发动机试验的顺利进行，必须要求系统对数据的采集与记录具有很高的准确性与可靠性，以保证每次试验数据的准确、完整。

二是对数据采集系统试验数据管理效率的要求高。现代化的数据采集系统普遍都提供了对航空发动机大量试验数据的分析、汇总与管理功能。对试验数据的管理，则要求高效率与高质量，即通过对各试验数据参数的快速准确的测量、记录与管理，以减少航空发动机的试验运行费用，提升发动机试验效率，达到降低试验成本的目的。

1.2 航空发动机试验中数据采集系统的结构框架

数据采集系统是航空飞行器发动机试验的重要组成部分，该系统主要用于发动机试验数据的调理转换、自动采集，同时提供对大量试验数据的管理功能[2]。由此可见，数据采集系统由前端数据调理子系统、数据采集子系统、数据管理子系统这三个部分组成，并包含了传感器、A/D采集卡、PXI控制器、监控设备、数据库服务器、中央处理机等硬件设备。航空发动机试验中数据采集系统的大致结构框架如图1所示。

图1 航空发动机试验数据采集系统的结构框架图

航空发动机试验中测量参数数据的类型非常多，包括了压力、转速、温度、速度、角位移、应力、扭矩、电流、机械功率、频率、气体成分等等。这就需要前端数据调理子系统将传感器接收的响应信号，转化为统一的0～5V电压信号，并将信号分别送往数据采集子系统和数据管理子系统中进行数据的采集、记录、分析与管理。三个子系统之间的数据交互以TCP/IP协议和局域网进行联通，并结合数据库服务器实现数据的相互调动。

2 数据采集系统在航空发动机试验管理中的实现与应用

常见的航空飞行器发动机试验主要有发动机功能试验、发动机燃油控制系统试验、发动机关键部位振动试验、发动机各部件应力试验、进气畸变试验等等。在进行各项试验的过程中，数据采集系统对试验全寿命周期内数据信息管理的工作流程，主要可分为试验前数据准备、试验中数据管理、试验后数据处理这三个环节[3]。通过在这三个环节中试验数据的高效率管理应用，不仅可以降低试验过程中数据人工处理的负担，还可以提升试验数据采集与记录的准确性、可靠性。以航空发动机燃油控制系统试验为例，数据采集系统在三个环节试验数据管理中的应用如下。

2.1 试验前数据准备

航空发动机试验要使用数据采集系统进行试验数据管理，应首先登录数据采集系统的管理子系统，并新建发动机机型、类别、状态与阶段，然后再在阶段下创建发动机燃油控制系统试验。具体数据准备工作包括：一是传感器传输的数据参数换算；二是生成控制值数据；三是生成试验大纲数据。整个工作流程如图2所示。

图2 试验前数据准备的工作流程

一是生成试验任务书。在航空发动机燃油控制系统试验中，主要是对油量传感器、环压传感器传输的燃油控制系统数据参数进行换算。传感器支持TCP/IP协议，可以通过网络进行信号收集读取，然后将耗油量、燃油控制过载量、速压口压力、引气口压力等参数数据，直接转化为0～5V的电压值。在传感器信号读取的过程中，需要试验人员从燃油控制系统中标定的数据中挑选出各项参数“高度H”相同的数据，然后生成试验任务书，以方便后续将数据换算成电压值[4]。在航空发动机燃油控制系统试验中，试验任务书如表1所示。

表1 航空发动机燃油控制系统试验中生成的试验任务书

二是生成控制值数据。控制值数据是指生成航空发动机燃油控制系统试验所需的控制参数理论值，包括箱体高度（m）、系统速压箱压力（kPa）、系统引气压箱压力（kPa）、系统环压压力（kPa）、燃油流量（L/h）。

三是换算传感器数据，生成试验大纲。在控制参数理论值生成后，即可利用数据管理子系统对试验任务书的数据进行换算处理。然后，试验人员再将换算后的数据以表格的形式显示到子系统显示界面中，并可对表格进行相关物理量的编辑处理，即可完成试验大纲的生成。在航空发动机燃油控制系统试验中，需使用到的换算公式主要如下：

燃油控制系统俯仰角换算公式为：

燃油控制系统倾侧角换算公式为：

系统速压箱压力换算公式为：

系统引气箱压力换算公式为：

流量=耗油量/油液密度

2.2 试验中数据管理

数据采集系统在航空飞行器发动机试验过程中的数据管理，主要是对试验数据参数进行导出、筛选和分类配置[5]。其中，数据导出是指将试验数据以特定的格式导出到数据库中，以便试验后数据的进一步分析处理；数据筛选是指试验人员利用数据管理子系统的搜索功能，将数据的时间、类型、权重等作为搜索条件，以搜索满足试验条件的相关数据参数。

而在整个试验过程中，为提升数据采集系统的试验数据管理效率，关键是要做好试验数据的分类配置管理。这是由于每次航空发动机试验的试验对象、试验内容都不尽相同，且每次试验后都需要保存各次试验的相关数据。随着航空发动机试验次数的增加，试验人员很难对所有试验数据进行有效管理与分类，试验结束后也难以高效开展各阶段、各类比试验数据的比对。结合实践工作经验，笔者建议利用数据管理子系统中的Tree List控件来实现航空发动机试验数据的分类配置管理。具体而言，就是通过Tree List控件建立试验数据信息的信息树结构，以航空发动机系统作为整个信息树的树根，以发动机试验机型、试验类别、试验状态、试验阶段、具体试验、试验数据等依次作为信息树的树形结构（图3）。

图3 航空发动机试验数据的信息树结构示意图

2.3 试验后数据处理

数据采集系统在航空飞行器发动机试验过程后的数据处理，主要是做好试验数据比对和数据回放。其中，数据比对主要是利用数据管理子系统的数据预处理模块，对确定的控制参数理论值和实际采集的数据信息进行对比分析，并形成两项数据信息的曲线对比图，以便于试验人员进行分析比对[6]。

而数据回放主要利用数据管理子系统的显示窗口，对各项发动机试验数据实现表格回放、曲线回放和图像回放功能，从而实现对发动机试验状态、试验数据进行实时记录、分析与监控[7]。试验人员应尤其重视试验数据回放功能，部分发动机试验数据发生异常的时间往往只有零点几秒的时间，这就需要利用试验数据的实时动态曲线回放功能，以弥补试验人员肉眼监控数据的不足，提升航空发动机试验的准确性。

3 结论

本文从航空飞行器发动机试验中数据采集系统的应用特点、工作流程出发，探讨了数据采集系统在航空发动机试验全寿命周期管理中的应用与实现。通过数据采集系统在发动机试验管理中的高效率应用，以降低试验过程中数据人工处理的负担，提升试验数据采集与记录的准确性、可靠性。