基于虚拟仪器技术的飞行自动控制系统的故障诊断

摘要：随着科学技术的迅猛发展，虚拟仪器技术在飞行自动控制系统的故障诊断当中的应用也越来越广泛。因此本文介绍了基于虚拟仪器技术的飞行自动控制故障诊断系统的结构特点，并且从软件、硬件设计两方面重点分析了虚拟仪器技术的配置方案，以便进一步提升飞行自动控制系统故障诊断的灵活性性、安全性、稳定性以及精确性。

关键词：虚拟仪器；飞行自动控制；故障诊断

Abstract: with the rapid development of scientific technology, virtual instrument technology in the flight of the automatic control system for the application of fault diagnosis more and more widely. Therefore this paper introduces based on virtual instrument flight to be automatic control fault diagnosis system’s characteristics, and the design of hardware and software from two aspects emphatically analyzes the virtual instrument technology configuration scheme, so as to further improve the flight automatic control system fault diagnosis flexibility sex, security, stability and precision.

Key words: virtual instrument; Flight to be automatic control; Fault diagnosis

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一、虚拟仪器技术的特点

虚拟仪器技术（Virtual Instrument）主要是指通过高性能的模块化硬件，结合强大的计算机软件功能完成各种测试、测量以及自动化的应用，目前在工程机械、仪器的测量与控制等方面应用较为广泛。以下就对虚拟仪器技术的特点进行简要分析：

（一）性能强大

虚拟仪器技术集成了高性能的模块化硬件以及强大的计算机软件功能，能够对复杂的程序进行快速的分析处理，而且随着计算机以及互联网技术的不断发展，虚拟仪器技术也将不断升级，从而展现出更加强大的性能优势。

（二）扩展性好

虚拟仪器技术具有良好的扩展性能，系统的各个功能模块都采用相同的硬件平台，而且虚拟仪器的驱动程序和处理程序也将有较强的兼容性，不受当前技术的限制。只需要更新计算机或者检测硬件就可以完成技术升级，在降低设备投入成本的同时还能够更快地发挥作用。

（三）灵活性高

虚拟仪器技术使用的是NI（National Instruments）软件，该软件本身具有的灵活性，通过量化的数据块就可以很方便的计算出被检测的信号参数。因此虚拟仪器技术能够很好的解决检测、控制以及设计等问题，不仅大大缩短了数据处理消耗的时间而且降低了任务处理的复杂程度。

（四）无缝集成

虚拟仪器技术的本质就是集成了软硬件设备，所有功能模块都配备了标准的I/O串口，并且使用公用的量化通道避免信号的切换工作，减少了开关和电缆的数量，能够使信号快速、准确、有效地传输。

在飞行自动控制系统故障诊断当中，由于虚拟仪器技术在数据处理、存储以及扩展性能方面具有非常明显的优势，能够有效解决传统硬件检测设备在飞行自动控制系统故障诊断当中存在的精确性差、检测故障级别低以及工作效率不高等问题，因此虚拟仪器技术已经成为了飞行自动控制系统系统故障诊断的最为流行的技术之一。

二、基于虚拟仪器技术的飞行自动控制系统故障诊断研究

基于虚拟仪器技术的飞行自动控制故障诊断系统主要由电源、模拟输入输出组件、数字输入输出组件、数字计算机以及模拟计算机五大部分组成。在对飞行自动控制系统进行故障诊断时，首先需要通过地面计算机模拟来自传感器和飞行控制系统的交联信号，然后以这些信号为依据进行故障的诊断和处理。飞行自动控制系统的组成和信号交联如下图1所示：

图1 飞行自动控制系统的组成和信号交联图

从飞行自动控制系统的组成和信号交联图中可以看出，基于虚拟仪器技术的飞行自动控制故障诊断系统需要模拟来自电传远距操纵系统、自动调整片传感器、线性加速度传感器、油门杆位置传感器、状态控制盒、航道罗盘、垂直航向综合系统、高度速度参数信息综合系统、导航计算机、无线电近导和着陆系统、武器控制系统、数据指令系统共11个系统的24个模拟信号；告警系统、平显、改平信号盘、飞行参数记录仪共四路30个串行数字信号和23个一次性指令信号；检测发往告警等7个系统的18个模拟信号；1路20个串行数字信号和23个一次性指令信号。基于虚拟仪器技术的飞行自动控制故障诊断系统的主要任务是通过A/D模块采集飞行自动控制系统的数字信号，然后通过D/A模块输出虚拟仪器实现反馈控制，最后再利用虚拟仪器对硬件系统传输的数据进行分析处理，并将分析结果上传至中心计算机。飞行自动控制系统性能检测与故障诊断原理如下图2所示：

图2 飞行自动控制系统性能检测与故障诊断原理图

（一）软件的设计与开发

虚拟仪器技术使用的是NI软件，软件的层状结构主要分为测试管理、测试程序、仪器驱动以及I/O串口四个层次。测试管理是为飞行自动控制系统的故障检测以及人机交互输出等提供一个相对独立的测试管理环境，主要负责系统自检、性能检测、故障分析以及测试结果显示；测试程序则主要包含了虚拟技术的所有功能模块；仪器驱动的主要功能是对虚拟仪器硬件保持通讯联系；I/O串口用于处理计算机与虚拟仪器硬件之间连接的底层通讯协议。

飞行自动控制系统性能测试管理层的软件主要由性能检测模块以及故障诊断模块两大部分组成。

主要作用是对飞行自动控制系统当中被检测组件进行性能分析，如果在分析过程中发现被检测组件存在异常，测试管理层还能够快速的对故障插件进行分类，主要是利用库描述的方法完成对飞行自动控制系统的故障诊断。首先系统进行自检，如果发现存在故障，此时系统会自行寻找系统故障元器件并且进行显示。如果自检正常则进行飞行自动控制系统的检测工作，检测过程中如果发现被检测组件存在异常则根据相应的代码判断故障类型，并且将故障代码存储到控制器中，这些代码不仅可以为飞行自动控制系统的维护提供信息，而且在对自动控制系统性能进行检查时，只需要检查故障代码就可以判断飞机的状态信息。飞行自动控制系统性能故障诊断流程如下图3所示：

图3 飞行自动控制系统性能故障诊断流程

在故障诊断模块中，采用故障树最小割集的Fussel方法对飞行自动控制系统的故障进行准确定位。首先将飞行自动控制系统的被检测组件插件的故障树结构存入故障库中，在故障检测过程中通过不断更新换测试点实现对飞行自动控制系统的全方位检测。然后再将测试结果与故障库中的各种标准情况进行对比分析，并且快速的找出导致被检测组件出现故障的各种原因，此时系统会对这些原因进行逐一的判断和分析，并且最终找出产生故障的真正原因以及故障出现的部位和具体的元器件。其中值得注意的是，故障库中的故障树的结果都是在综合大量的故障检修记录以及分析电路原理的基础上产生的，因此具有很高的准确性和可靠性。

（二）硬件的设计与开发

从飞行自动控制系统性能检测与故障诊断原理图中可以看出硬件系统包括

A/D；D/A；DIO模块以及信号调理单元两大部分。以下就对飞行自动控制系统故障诊断系统硬件的设计与开发进行具体分析

（1）A/D；D/A；DIO模块主要负责信号的采集和传输，此次虚拟仪器技术采用的是PC总线插卡型虚拟仪器配置方案，使用的三个插卡模块分别是最高采样频率可以达到100kHz 的DIAMOND-MM-AT 12位16通道的A/D采集卡；RUBY-MM 12位8通道D/A转换卡以及ONYX-MM 48路I/O串口。然后选择JUPITER-MM DC电源以及MSM 586SE/V CPU模块对以上三种高精度的数据采集模块提供电源和相应的控制操作。其中MSM 586SE/V CPU模块可以通过I/O串口向飞行自动控制系统发出控制数字信号，然后在通过I/O串口以及模拟量输入通道接收被检测对象的数字信号。通过D/A转换卡输出经过信号调理单元处理过的直流信号。

（2）信号调理单元主要是准确模拟飞行自动控制系统传感器的数字信号。在设计信号调理单元时，必须具备高精度、抗干扰能力强的信号调理电路。通过继电器将I/O串口的控制信号传输给待被检测对象，然后再将传感器采集到的各种状态信号反馈给虚拟仪器，对模拟量输入通道和来自I/O串口的数字信号进行汇集、放大、整流、滤波以及隔离等处理工作，然后通过D/A模块输出直流信号，并最终形成相应的虚拟信号源。

三、结束语

综上所述，随着计算机技术、集成技术以及网络技术的不断发展，给飞行自动控制系统的故障诊断技术提供了更加先进的技术支持。基于虚拟仪器技术的飞行自动控制故障诊断系统就是利用了先进的虚拟仪器技术并且通过高性能的模块化硬件以及强大的计算机软件功能，能够对被测组件进行快速预判，然后与故障库中的各种标准情况进行比对分析，从而实现对飞行自动控制系统的故障诊断。因此使用最新的软件技术不仅会降低数据处理时的速度并且提高精确度，而且还能够提升飞行自动控制系统的工作效率，满足人们对飞机经济性以及舒适性的要求，所以基于虚拟仪器技术的飞行自动控制故障诊断系统的应用是未来我国航空发展的必然趋势。

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注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。