功能/作用介紹：
飛機(jī)的全靜壓系統(tǒng)是所有民航飛機(jī)的必備系統(tǒng)，全靜壓系統(tǒng)是否良好，直接影響到大氣數(shù)據(jù)儀表、相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)的工作準(zhǔn)確性與正常性，在維護(hù)過(guò)程中對(duì)飛行器全靜壓系統(tǒng)的檢測(cè)和控制至關(guān)重要。
本作品所設(shè)計(jì)的全靜壓測(cè)試器可以用在需要進(jìn)行飛機(jī)進(jìn)行全靜壓測(cè)試的各種場(chǎng)合，按照測(cè)試人員的操作指令，為飛機(jī)全靜壓系統(tǒng)分別提供相應(yīng)的氣壓源，同時(shí)附加泄露檢測(cè)，壓力保持和返回地面等功能。系統(tǒng)具備完整性和創(chuàng)新性，便于操作，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全靜壓系統(tǒng)的全自動(dòng)測(cè)試，控制精度高，可以代替老式的手動(dòng)抽打壓設(shè)備以及進(jìn)口的高價(jià)設(shè)備，具備完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán);更重要的是，由于是自主研發(fā)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了自主維護(hù)，節(jié)約了民航領(lǐng)域領(lǐng)域相關(guān)環(huán)節(jié)的成本。
目前國(guó)內(nèi)常用的大氣數(shù)據(jù)測(cè)試設(shè)備有兩種，一種為手動(dòng)設(shè)備是Drunk等公司早期產(chǎn)品，需要采用手柄打壓的方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行增壓和減壓，其過(guò)程類似于向自行車輪胎打氣，時(shí)間較長(zhǎng)，精度較差;另一種為自動(dòng)測(cè)試設(shè)備由美國(guó)GE公司生產(chǎn)，采用工業(yè)控制技術(shù)、基于現(xiàn)代電子和傳感器技術(shù)研發(fā)，使得測(cè)試過(guò)程實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超高精度。對(duì)于國(guó)內(nèi)教學(xué)使用而言，由于是進(jìn)口設(shè)備，成本非常昂貴，而且作為測(cè)試設(shè)備每過(guò)一段時(shí)間都需要進(jìn)行校驗(yàn)，在校驗(yàn)過(guò)程中，課程就無(wú)法進(jìn)行，帶來(lái)了很大的不便。此外，由于是進(jìn)口設(shè)備，一旦設(shè)備發(fā)生損壞，在維修期間，課程也無(wú)法進(jìn)行。并且維修費(fèi)用也需要承擔(dān)。
本作品研制的靜壓系統(tǒng)測(cè)試箱，以計(jì)算機(jī)為控制核心，通過(guò)傳感器組件完成壓力信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換，并根據(jù)測(cè)試需求將壓力換算成高度，實(shí)現(xiàn)高度的檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、控制與顯示等功能。學(xué)生可根據(jù)此測(cè)試箱做靜壓氣密性測(cè)試或氣壓高度表校驗(yàn)。
現(xiàn)行的類似配套實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生上課時(shí)需輪流使用，造成部分學(xué)生等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此，申請(qǐng)研制靜壓測(cè)試箱，由于成本較低，可研制多套供學(xué)生上課使用，大大提高課堂效率，同時(shí)也有進(jìn)一步研究的價(jià)值，可以將系統(tǒng)擴(kuò)展為大氣數(shù)據(jù)測(cè)試箱，使學(xué)生更為全面的了解大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)。
由于是自研設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)的原理更為了解，因此在授課過(guò)程中也更有利于學(xué)生學(xué)習(xí)了解大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)，了解大氣數(shù)據(jù)對(duì)于飛機(jī)飛行的重要性，學(xué)習(xí)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)測(cè)試的相關(guān)知識(shí)，理解航空產(chǎn)業(yè)測(cè)控設(shè)備的高標(biāo)準(zhǔn)和必要性。
自己設(shè)計(jì)開發(fā)可以利用較少的資金開發(fā)出更多更好的功能，達(dá)到學(xué)用一致的目的;也可以吸引更多的學(xué)生參加，從而提高工程設(shè)計(jì)和動(dòng)手能力。自己仿制設(shè)備造價(jià)低廉，可以多套組裝，不受航材件的限制。能夠提供更多的實(shí)習(xí)設(shè)備用于實(shí)習(xí)，也不會(huì)受現(xiàn)有飛機(jī)設(shè)備限制。
本課題采用ARM控制器為核心處理單元，軟件搭載μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，集成度高，穩(wěn)定性好;以硅壓阻式氣壓傳感器為氣壓的感知元件，利用高精度諧振腔傳感器進(jìn)行修正;選用合適的流量控制閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的高精度控制;利用自適應(yīng)的模糊PID算法，解決微小流量氣體系統(tǒng)的壓力控制問(wèn)題;為了設(shè)備研發(fā)需要，采用CAD對(duì)設(shè)備基本機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，開發(fā)了基于LabView的上位機(jī)監(jiān)控軟件，同時(shí)為設(shè)備提供了工業(yè)級(jí)的人機(jī)交互界面。
系統(tǒng)最終完成的主要功能如下：
(1) 測(cè)試箱能準(zhǔn)確地控制全壓和靜壓的輸出。
(2) 通過(guò)一個(gè)內(nèi)置的增量式PID算法控制器，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的氣壓高度和馬赫數(shù)，自動(dòng)地控制全壓和靜壓的輸出，在整個(gè)過(guò)程中，除了設(shè)定、泄壓等必要的操作外，無(wú)人工的干預(yù)。
(3) 提供簡(jiǎn)潔友好的人機(jī)界面，為人工操作提供便利，顯示部分可實(shí)時(shí)監(jiān)視被測(cè)參數(shù)變化。此外，在PC機(jī)上能夠采集數(shù)據(jù)，利用實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備精度和氣密性檢查，為設(shè)備的實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)。
(4) 能根據(jù)全壓和靜壓值，自動(dòng)計(jì)算出相應(yīng)的馬赫數(shù)、高度、指示空速、升降速度等大氣參數(shù)，在人機(jī)界面上進(jìn)行顯示，提供單位換算等功能。
(5) 有標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)靜壓接口，提供配套連接管路，方便與實(shí)際飛機(jī)全靜壓系統(tǒng)進(jìn)行連接。
系統(tǒng)達(dá)到的指標(biāo)如下：
量程分辨率精度
1、靜壓輸出
壓力10~1200(hPa)1.10(hPa)8.0hPa(0.8%)
高度-200~20000m1m.5m.@0m.
10m.@10000m.
20m.@13000m.
30m.@20000m.
升降速度0~120m/s1.0m/s6 m/s(5%)
2、總壓輸出
壓力10~2500(hPa)3.10(hPa)23.0hPa(1.0%)
教學(xué)性：
大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)實(shí)習(xí)是我校航空電子系統(tǒng)實(shí)習(xí)中的一門課程，航空電子系統(tǒng)實(shí)習(xí)作為實(shí)踐教學(xué)課程體系中的系統(tǒng)訓(xùn)練平臺(tái)，是我校機(jī)務(wù)類電子專業(yè)本科生的一門必修實(shí)踐課程。在我校制定的教學(xué)計(jì)劃中，飛機(jī)電子系統(tǒng)實(shí)習(xí)教學(xué)大綱、飛機(jī)電子系統(tǒng)維修實(shí)習(xí)教學(xué)大綱，也要求學(xué)生掌握相關(guān)測(cè)試方法及技術(shù)規(guī)范。
本作品針對(duì)教學(xué)大綱的要求和航空修理過(guò)程中對(duì)飛行高度與速度的設(shè)定及測(cè)試的需要，設(shè)計(jì)飛行器的全靜壓測(cè)試系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制的初期階段，廣泛地征集、聽取了維修技術(shù)人員及相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的意見(jiàn)，最終對(duì)檢測(cè)設(shè)備的總體目標(biāo)達(dá)成了如下幾點(diǎn)共識(shí)：
(1)測(cè)試器能有效、準(zhǔn)確地自動(dòng)控制全壓和靜壓的輸出。
(2)本著先進(jìn)、可靠、軟硬件合理的設(shè)計(jì)原則，將本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成具有先進(jìn)性、合理性、安全性、美觀性和實(shí)用性相結(jié)合的全靜壓試驗(yàn)器。具有性能優(yōu)良、檢測(cè)穩(wěn)定可靠，使用操作方便的特點(diǎn)。
(3)利用當(dāng)前的先進(jìn)電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，使全靜壓試驗(yàn)器達(dá)到，國(guó)際先進(jìn)的專用飛行器大氣系統(tǒng)測(cè)控設(shè)備。
(4)關(guān)鍵部件和電氣元器件需要選用性能優(yōu)良的器件，這樣才能保證元件精度高、可靠性好、響應(yīng)速度快。
科學(xué)性：
項(xiàng)目從技術(shù)設(shè)計(jì)層面上來(lái)論證，采用嵌入式微處理器作為控制系統(tǒng)的核心，能夠非常靈活地完成數(shù)據(jù)處理工作。因此，該試驗(yàn)器的成功研制將成功完成全靜壓系統(tǒng)的儀表和設(shè)備的工作性能、狀態(tài)及系統(tǒng)氣密性的檢查，具有自動(dòng)化程度高、檢測(cè)速度快和高精度、易操作的特點(diǎn)。
本項(xiàng)目的氣壓測(cè)試系統(tǒng)主要由四大部分組成，將這四大部分作為基本的技術(shù)路線和工作方向，如圖1、2所示。
(1) 電氣系統(tǒng)：由測(cè)量顯示組件、雙路氣泵電機(jī)以及直流電源組成;
(2) 氣源與管路系統(tǒng)：主要由真空泵、壓力泵、固態(tài)繼電器、儲(chǔ)氣裝置、流量控制閥、氣濾、保護(hù)裝置和飛行器對(duì)接接頭等組成。真空泵、壓力泵均采用免維護(hù)無(wú)油泵，提高系統(tǒng)的可靠性和外場(chǎng)適用性;
(3) 傳感器系統(tǒng)：由硅壓阻式壓力傳感器組成。傳感器直接輸出數(shù)字量，經(jīng)RS232 串口送計(jì)算機(jī)處理;
(4) 壓力測(cè)控與顯示系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要以計(jì)算機(jī)為控制核心，包括液晶顯示屏和小鍵盤等組件。系統(tǒng)全壓、靜壓由轉(zhuǎn)換開關(guān)控制分別送到全壓、靜壓傳感器。硅壓阻式壓力傳感器直接將壓力信號(hào)在內(nèi)部轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，計(jì)算機(jī)通過(guò) RS232 串口讀入數(shù)據(jù)后，計(jì)算出各種大氣參數(shù)。
創(chuàng)新性：
全靜壓試驗(yàn)器工作前，要先將飛行器上的全壓和靜壓接頭分別接至試驗(yàn)器上對(duì)應(yīng)的管路接口。對(duì)全靜壓試驗(yàn)器進(jìn)行使用時(shí)，計(jì)算機(jī)接收鍵盤的控制參數(shù)目標(biāo)值和指令，不斷采集全壓和靜壓傳感器的壓力值，并進(jìn)行解算，將當(dāng)前大氣參數(shù)值和目標(biāo)值進(jìn)行比較后，通過(guò)RS232 串口向氣路系統(tǒng)發(fā)出 PWM 控制指令，使氣路系統(tǒng)中的各個(gè)相應(yīng)流量控制器中的各個(gè)部件完成相應(yīng)的動(dòng)作，分別使靜壓和全壓管路氣壓的增加或減少?？刂七^(guò)程中通過(guò)一定的調(diào)節(jié)器的不斷比較、計(jì)算、處理和調(diào)節(jié)，最終使控制的大氣參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定的目標(biāo)值。
本項(xiàng)目具有較好的創(chuàng)新性，其功能與進(jìn)口的測(cè)試設(shè)備完全一致，能夠滿足學(xué)生的實(shí)習(xí)要求，同時(shí)由于成本低，可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備同時(shí)投入教學(xué)，很好地解決了教學(xué)設(shè)備不足的問(wèn)題。
啟發(fā)性：
設(shè)備總體設(shè)計(jì)采用了總線式的設(shè)計(jì)方法，非常利于學(xué)生實(shí)習(xí)使用和進(jìn)一步開發(fā)，所有的子系統(tǒng)都掛接在總線上，通過(guò)單一的地址與核心系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，只需要按照設(shè)備的總體協(xié)議，就可以在總線上掛接其他設(shè)備。
實(shí)用性
目前國(guó)內(nèi)常用的大氣數(shù)據(jù)測(cè)試設(shè)備有兩種，一種為模擬式的手動(dòng)設(shè)備，是Drunk等公司早期產(chǎn)品，需要采用手柄打壓的方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行增壓和減壓，其過(guò)程類似于向自行車輪胎打氣，時(shí)間較長(zhǎng)，精度較差;另一種為自動(dòng)測(cè)試設(shè)備由美國(guó)GE公司生產(chǎn)，采用工業(yè)控制技術(shù)、基于現(xiàn)代電子和傳感器技術(shù)研發(fā)，對(duì)于教學(xué)使用而言，后者由于是進(jìn)口設(shè)備，成本非常昂貴，而且作為測(cè)試設(shè)備每過(guò)一段時(shí)間都需要進(jìn)行校驗(yàn)，在校驗(yàn)過(guò)程中，課程就無(wú)法進(jìn)行，帶來(lái)了很大的不便。此外，由于是進(jìn)口設(shè)備，一旦設(shè)備發(fā)生損壞，在維修期間，課程也無(wú)法進(jìn)行。并且維修費(fèi)用也需要承擔(dān)。
作品在完成后，進(jìn)一步完善了相關(guān)的文件系統(tǒng)，包括使用說(shuō)明、安全注意事項(xiàng)、工卡等，在設(shè)備上以屏幕提示的方式，對(duì)操作者的操作進(jìn)行提示，也實(shí)現(xiàn)了相關(guān)文字材料的電子化，對(duì)實(shí)習(xí)非常方便。
作品名稱：飛機(jī)全靜壓系統(tǒng)測(cè)試箱
完成單位：中國(guó)民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心
