飞机自动增压系统仿真实验的设计与实现

ISSN1672-4305CN12-1352/N

实 验 室 科 学LABORATORY SC I ENCE 第13卷 第4期 2010年8月

Vol 113 N o 14 Aug 12010

飞机自动增压系统仿真实验的设计与实现

李明江

(中国民航大学现代教育技术中心, 天津 300300)

摘 要:飞机增压系统是飞机安全保障环节之一, 也是民航院校实验教学的重要一课, 利用虚拟仪器技术及其开发环境Lab V IE W 的强大功能, 能够解决民航飞机增压系统在实验教学中的应用, 实现民航B737-300型飞机增压控制系统在自动工作模式下的仿真实验。通过飞机增压系统基本原理的分析, 结合实验教学的需要, 模拟了飞机飞行全过程的自动增压变化, 具有自动变换增压程序, 实时测量数据显示, 图形化实验数据输出等特点, 并能够显示自动模式失效以及座舱高度警告等等。关键词:虚拟仪器; 仿真设计; 实验教学; 实验室建设; 学科建设

中图分类号:TP 273 文献标识码:A do:i10. 3969/.j issn . 1672-4305. 2010. 04. 024

Desi gn and app licati on of t he si mu lati on experi m ent for cab i n

pressuri zati on syste m i n ci v il av i ation aircraft

LIM ing-jiang

(Modern Educati o n Technology Center , C ivilAv iation Un i v ersity o f China , T ian ji n 300300, Ch i n a) A bstract :A ircraft pressurization syste m is a key po i n t of aircra ft safety and an i m po rtant part of prac -tice teach i n g at CAUC . B ased on t h e si m ulati o n i n stru m ents and the po w erfu l functi o ns of the deve lo -p i n g i n terface of LabV I E W, t h e auto m ode si m u lation experi m en t of the pressurizati o n syste m i n c i v il a -v iation aircraft B737-300is rea lized to m ake the syste m better serve practice teaching . By analyzi n g the pr i n ci p le of the auto pressurizati o n and co mb i n i n g w ith the need of experi m ent teaching , the auto pressurization dur i n g the who le flighti n g process is si m u lated. The experi m ent sho w s the syste m has the features of the auto m atic change of pressurization progra m s , display o f rea l ti m e data , outpu t of graph ic experi m ental data and display of auto m ode fa ilure and cabin altitude w ar n i n g . K ey words :si m u lati o n instrum en; t si m ulati o n desi g n; experi m enta l teach i n g ; lab constructi o n ; aca -de m ic deve l o p m ent 随着虚拟仪器技术的发展, 民航专业的实验教学也相应进行调整。虚拟仪器是计算机技术与电子测量技术高速发展而孕育出的新兴技术, 它利用计算机技术来实现和扩展实物仪器的功能。利用虚拟仪器实现飞机增压系统的防真实验, 可以更好地了解飞机增压系统工作原理, 也能够对飞行人员和维护人员进行很好的模拟教学与训练。由于飞机增压系统的故障容易给飞机运行带来严重后果, 我们必须给予高度的重视

[1-2]

制系统在自动工作模式下的工作过程, 最后以函数关系给出飞行全程的座舱压力制度图。为了更加适应实验教学的需要, 本系统作了前面板更为形象化的创新设计, 除了模拟飞机座舱增压控制面板上原有的开关和指示器以外, 还增加了活门开关指示器、自动工作程序指示器以及压力控制器开关等等。此外, 仪器面板经过合理的布局, 使其更加灵活、美观, 为学生提供一个生动的、感性化的教学研究环境, 把抽象的理论变得直观形象, 激发学生学习的积极性

[3]

和主动性。

1. 1 增压系统基本原理

飞机增压系统是一个座舱压力控制的综合系统, 它利用微型计算机进行计算与控制, 实现座舱压力的

。

1 系统设计与实现

本文将虚拟仪器技术应用于飞机座舱压力控制系统, 重点是以波音B737-300型飞机为例, 利用LabV I E W 开发平台完成程序设计, 模拟飞机增压控

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自动控制。在设计中, 通过对压力控制器内部控制逻辑的分析, 并结合它的工作情况来实现功能设计是本项目的难点, 需要参考B737-300/400/500维护手册的内容才能完成本虚拟仪器的程序设计。

(1) 压力控制器输入信号

环境压力信号:由外界压力传感器感应外界大气压, 并通过A /D转换器将气压信号转换成数字信号, 输入到大气数据微处理机中, 然后, 微处理机将大气压力的数字信号经AR I N C429数据总线输入到压力控制器中。

座舱高度信号:由座舱膜盒压力传感器将座舱压力的变化转换成电压的变化输出送到放大器和伺服系统, 将电压信号按比例转换成气压标度并作功率放大, 然后驱动座舱高度表指针指示。伺服电路在带动指针的同时, 将一个反馈信号送到比较器的输入端, 使伺服系统恢复平衡而指针指示相应的座舱高度。

座舱高度变化率:由座舱膜盒压力传感器提供信号, 与座舱高度信号类似, 座舱高度变化率是将电桥输出的压力信号, 经过微分变换成速率信号, 然后同样进行刻度标记和功率放大, 从而推动速率指示器指针偏转。

交流电源:正常情况下压力控制器加电进入自动模式, 交流电源保持115V 基本不变。

(2) 压力控制器输出信号

压力控制器内的微处理机输出控制指令控制排气活门的交流电机工作, 压力控制器输出的排气活门控制信号不是简单的开/关信号, 而是一种速率信号, 这个速率控制信号是经过优化的座舱高度与受到速率和最大压差限制的实际座舱高度两者相比较, 按照一定函数关系匹配的速率指令。

(3) 自动工作模式下系统工作原理

压力控制器的输入信号包括来自大气数据计算机的外界环境压力信号、来自座舱压力传感器的座舱压力信号、交直流电源信号以及来自压力控制面板的工作模式信号、排气活门的开度反馈信号、来自空/地开关的信号等等, 压力控制器接收这些模拟信号和离散数字信号, 由微处理机进行计算和处理, 发出速率控制指令去操纵排气活门工作而满足座舱压力的要求

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整座舱空气的压力值。

(1) 自动模式下的初始设定

¹将方式选择旋钮放在/自动0位; º选定飞机的巡航高度; »选定着陆机场的海拔高度。本程序的前面板如图1所示, 面板上的三个旋钮分别是/方式选择旋钮0、/着陆高度可调旋钮0及数字显示器、/飞行高度可调旋钮0及数字显示器, 可以实现压力控制程序执行前设定自动模式的

条件。

图1 自动模式初始设定面板

本系统可采用DAQ 板作为数据采集硬件并配置各类传感器和前置调制器等必要的硬件设备来解决信号的输入输出问题, 所以本程序可根据模拟飞行各阶段增压系统参数变化规律来完成飞机座舱压力控制系统的压力调节工作。

自动模式下有五种增压程序, 在程序执行时, 各增压程序在飞机的飞行全过程中按顺序转换。自动模式显示面板上的指示灯指示所执行的增压模式, 排气活门开度指示表和数字仪表指示程序执行时活门开度和增压系统的各参数值, 自动模式的显示面板如图2

所示。

[7]

图2 自动模式显示面板

(2) 自动模式工作程序

¹地面不增压程序:飞机在自由通风区使用的程序。此时, 起落架/空/地0感应开关在/GND 0位, 驾驶舱/飞行/地面0开关在/GND 0位, 排气活门处于全开位。因设定起飞机场海拔高度为海平面高度, 所以环境压力Ph=14. 7ps, i 座舱压力Pc=Ph, 座舱高度变化率为零。

º地面增压程序:这个程序用于飞机起飞前或着陆接地前进行预增压。这时, /空/地0感应开关仍在

。

1. 2 自动模式的仿真实验

B737-300型飞机在正常情况下, 飞机增压系统通常采用自动工作模式, 驾驶员选定着陆机场的海拔高度、飞机的巡航高度, 压力控制器中的微型计算机计算出一个自动增压程序, 飞机将在各航段调

李明江:飞机自动增压系统仿真实验的设计与实现

/GND 0位, 而/飞行/地面0开关放/FLT 0位, 控制器输出使座舱高度低于机场场压189ft 的偏压信号, 迫使排气活门部分关闭, 座舱建立0. 1psi 的余压。

»爬升程序:爬升程序用于控制飞机从起飞到巡航这一阶段的座舱压力。飞机起飞离地时, 起落架/空/地0感应开关转到/A I R 0位, 使压力控制器转入爬升程序。随飞行高度的升高, 环境压力减小, 座舱压力减小, 座舱高度升高, 排气活门从地面增压程序的位置开始逐渐向关小位置调节。

¼巡航程序:当飞机所在高度的大气压力与选定飞行高度标准气压之差等于或小于0. 25psi 时, 压力控制器结束爬升程序而开始巡航程序。飞机在30000ft 高度飞行, 环境压力基本不变, 座舱高度也基本保持不变, 排气活门在接近全关的位置调节。

½下降程序:当飞机所处高度的气压比选定巡航高度标准气压大0. 25psi 时, 压力控制器结束巡航程序而开始下降程序。飞行高度开始降低, 环境压力增大, 座舱压力增大, 座舱高度降低, 排气活门从接近关闭的位置开始逐渐向开大位置调节, 直至低于设定的着陆机场场压300ft 为止。着陆接地后, /空/地0感应开关转到/GND 0位, 座舱余压为011ps, i 即恢复到地面增压程序; 当/飞行/地面0开关也放回/GND 0位, 则又重现地面不增压程序。

(3) 自动模式下的压力制度

当程序运行结束后, 会在前面板上生成自动方式的压力制度图, 图3所示为一个飞行全过程的座

舱压力制度图。

[8]

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电压低于97V 的时间超过14. 9S 。

(2) 座舱高度变化率故障:座舱压力变化过频, 使得座舱高度变化率超过1890ft/mi n 。

(3) 座舱高度故障:座舱压力过低, 使得座舱高度超过13875ft 。

当座舱高度超过10000ft 时, 座舱高度警告系统能够提供声响警告, 这时, 要求驾驶员应采取措施降低座舱高度。当按压前面板上的/ALT HORN C UT -[9]

OUT 0按钮时, 能够抑制声响警告。

2 结束语

从以上论述可以看到, 本程序设计的仪器面板易于调节, 工作过程直观形象, 教学实用性和可操作性强, 很难想象利用传统仪器能够完成这样的实验。实验结果表明, 本系统具有良好的模拟效果, 利用虚拟仪器技术, 解决了实物仪器难以实验的问题, 提高了实验教学和研究的效率效果, 具有明显的实际应用价值。虚拟仪器技术在民航飞机增压系统中的教学应用仅仅是飞行系统中微小的一部分, 以Lab -V I E W 为开发平台的应用仅仅是利用了一些现有组件来实现一些基本的功能, 但是作为一个模块, 它为整体的开发程序留下了可用的和二次开发的空间, 此外, 本程序设计如果与数据采集硬件和输入输出设备相结合, 组成一个完整的虚拟仪器系统, 能够构建一个压力控制虚拟实验室, 可见虚拟仪器技术具有传统仪器无法比拟的优势, 它在民航专业的实验教学中能够发挥重要的作用参考文献(References):

[1] 雷振山. LabVIE W 7E xpress 实用技术教程[M].北京:中国铁道

出版社, 2004.

[2] 杨乐平, 李海涛. LabVIE W 程序设计与应用(第2版) [M ].北

京:电子工业出版社, 2005.

[3] 刘君华. 基于LabVIE W 的虚拟仪器设计[M].北京:电子工业

出版社, 2003.

[4] 袁渊. 虚拟仪器基础教程[M].成都:电子科技大学出版社, 2002. [5] 袁浩. 基于LabVIE W 的自动控制仿真系统设计[J ].实验室

研究与探索, 2006(4):457-459.

[6] 马蔷. 基于虚拟仪器的自动控制原理实验系统[J].实验室研究与探索, 2005(s 1):210-212.

[7] 朱普安. 飞机电气元件[M]. 北京:中国民航出版社, 1997. [8] 吴麒. 自动控制理论[M]. 北京:清华大学出版社, 1999. [9] 朱新宇, 胡焱. 民航飞机电气及通信系统[M]. 成都:西南交通

大学出版社, 2002. [10]

Boei ng Company . Co m pany , 2003.

Boeing B737A MM [Z].

Seattl e :Boei ng

[10]

。

图3 座舱压力制度图

1. 3 自动模式失效的仿真实验

当出现以下任一种情况时, 前面板上的琥珀色自动失效灯亮, 自动压力控制方式停止。此时, 前面

板上排气活门开度指示表的指针被锁定在出现故障时的开度。这时, 应将方式选择开关旋置/STBY 0位, 使压力控制器进入备用工作模式。

(1) 电源故障:供给自动控制电路的交流电源

收稿日期:2010-06-03修改日期:2010-07-06

作者简介:李明江(1957-) , 男, 天津人, 学士, 工程师, 研究

方向为现代教育技术。