0 引言

　　近年來虛擬儀器技術憑借其性能高、擴展性強、開發時間短、出色的集成性等特點[1]，在各個領域的測量、測試和自動化控制等方面得到了廣泛應用。虛擬儀器系統的開發是以硬件設計的模塊化為基礎，用戶可以高效、靈活地構建自己的界面。傳統儀器的硬件被軟件代替，用戶通過軟件來構造和更改儀器功能，使得一些實時性要求很高，原本由硬件甚至許多用硬件完成的功能，可以通過軟件來實現[2]。本文以NI公司的LabWindows/CVI為開發環境設計上位機程序，配合高速數據采集卡實時采集發電機功率，以指定的控制規律向下位機發送加載命令，進而實現對發電機功率的消耗。由于飛機其他設備消耗功率是實時動態變化的，電負載系統需要根據功率的動態變化即時控制電負載加載量。

1 系統組成與總體設計

　　電負載系統主要由控制、負載和補水排水3個子系統組成。分別將左交流發電機和APU交流發電機的滿載、超載電能經控制子系統加載到負載子系統，負載單元將電能轉化為熱能，將水加熱成水蒸氣，排出機外。系統整個工作過程中，控制子系統主要完成電負載的加載、數據采集、緊急狀況處理及系統自檢等功能，補水排水子系統根據蒸發罐組液位實現自動/手動補水。

　　控制子系統主要由控制計算機、采集板、接觸器、繼電器以及濾波器等組成，這些控制器件統一安裝在客艙的控制柜內。控制系統以計算機作為中心控制單元，采集壓力、溫度、電流、電壓等各個傳感器的實時數據，并對數據進行分析處理，判斷整個系統的實時狀態；接收用戶命令；實現開關量、模擬量控制等功能。系統總體結構如圖1所示。

2 系統設計原理

　　發電機發出電功率輸出到匯流條，在匯流條上掛載各類用電設備。其中一部分功率被飛機各類用電設備與測試設備所消耗，剩余功率通過電負載系統消耗。電負載系統根據實驗需求接通或關斷電負載，使發電機功率維持為設定值。在設計中關鍵部分為發電機功率采集與電負載加載的控制。

　　2.1 功率采集原理

　　發電機功率通過采集發電機輸出的電壓/電流所得，其中電流的測量是在發電機輸出端采用LEM高精度傳感器直接測得的。發電機電壓通過分壓獲得5 V電壓進行采集。本設計由數據采集卡對被測電壓、電流、溫度、壓力進行離散化采集，為了滿足系統需要，根據HB6448-90要求采用最大采集速率為330 kS/s的高速采集卡采集，其中電壓、電流通道采集速度為20 kS/s每通道，連續采集50個周期，并以此計算總發電功率。計算公式為：

　　功率計算通過一個周期內的穩態交流電壓、穩態交流電流在一個周期內的采樣點瞬時值計算求取[3]。

　　2.2 負載加載控制

　　PLC具有可靠性高、抗干擾能力強等特點。本系統選用三菱FX2N為下位機執行單元。發電機消耗功率為飛機設備與電負載之和，即：

　　P發電機=P電負載+P飛機設備(2)

　　若飛機設備的消耗功率不斷發生變化，則需要實時改變電負載加載量來補償這部分變化。PLC根據上位機通過串口發送過來的功率值與預設的功率相比較，從而控制負載加載的多少。

3 系統硬件設計

　　系統硬件主要由工控機、PLC、交流接觸器、保險管、電流傳感器、數據采集卡、采集卡端子板等組成，并統一安裝在控制柜內。每一個交流接觸器連接三相負載，此三相負載分別安裝在3個蒸發罐內。PLC輸出的數字信號使交流接觸器實現導通或斷開。電負載控制電路如圖2所示，這是一組電負載控制系統接線圖，其他23組與此相同。交流三相電源經過斷路器，保險管連接交流接觸器一端，另一端連接三相電負載，通過PLC或者調試加載開關即可控制交流接觸器，從而實現電負載控制。

4 系統軟件設計

　　4.1 上位機軟件設計

　　軟件是虛擬儀器最重要的部分。系統上位機軟件采用美國NI公司的LabWindows/CVI開發，CVI不僅具有虛擬儀器的全部特點，而且它以C語言為核心，可以根據需要自己開發系統功能，其高效的開發能力及靈活性在設計中得到了體現。

　　4.1.1 上位機功能設計

　　上位機主要完成登錄、系統自檢、參數的設置、負載加載控制、報表打印等任務。登錄系統自檢功能在每次啟動系統后自動執行，用于檢測各路電負載狀況，可以預防在電負載異常狀況時加載。參數設置功能用于配置系統參數如溫度、壓力上限，自動加載時的加載規律，數據采集卡的參數校正等。加載記錄及報表功能是可以在實驗結束時查看本次實驗的系統加載情況并打印報表。主控制界面詳細設計了用戶常用操作功能及各類信息提示。上位機結構框圖如圖3所示。

　　4.1.2 系統多線程設計

　　Windows操作系統是利用時間片輪換的形式來完成多個任務，而線程又是時間片輪換的基本對象。操作系統為每一個線程分配時間片，讓該線程在這個時間段內運行,之后中斷該線程的運行，另外的線程執行[4]。多線程的優點是它能夠將程序劃分為多個相互獨立的子任務，多個線程的同時運行使系統的響應速度更快，主要用在數據的采集、處理及串口通信等場合。為了提高運行效率，系統利用多線程的方法，在CVI在線程池中，將上下位機通信與數據采集采用兩個相互獨立的通信線程和數據采集線程來實現。其中數據采集線程功能為數據采集卡驅動、通道設置、速率設置等，主要采集量有三相電壓、電流、蒸發罐溫度壓力。因此主線程主要功能為：數據的采集、計算、處理、儲存，監控顯示，數據響應及用戶操作等。

　　4.2 PLC及系統總體軟件設計

　　PLC作為下位機一方面響應上位機的控制指令，另一方面監測蒸發罐與補水罐液位狀況，根據這兩點執行電負載控制指令。其控制流程圖如圖4所示。

　　系統總體功能流程如圖5所示，當上下位機同時通過自檢以后，上位機啟動數據采集卡采集，計算飛機發電機即時功率消耗，并讀取已加載電負載量。并且按照用戶提前預設的加載程序，計算出所需負載量的大小，并將該數據傳送給PLC。PLC按照預設的算法對數據進行處理，并且按數據的結果加載負載。上位機與下位機同時執行，上位機發送完加載數據以后系統重新進入功率采集，進入下一次循環[5]。

5 系統試驗及結果

　　系統設計完成在進行地面調試實驗時，設置自動加載規律如表１所示。每隔8 ｓ記錄一次實驗數據，能夠獲得負載的實際加載記錄曲線和加載功率曲線，充分證明了系統的穩定性與精度。

6 結論

　　本系統設計的基于虛擬儀器的電負載系統已經應用于某型飛機的試飛中。它可以精確測量發電機功率并控制電負載加載，以滿足飛行試驗的要求，而且能夠滿足各種型號發電機的測試。該系統具有硬件設計簡便以及軟件可擴充性好、編程靈便等特性，對發電機在各種負載條件下的性能測試具有重要意義。

　　參考文獻

　　[1] 王建新.LabWindows/CVI測試技術及工程應用[M].北京：化學工業出版社，2006.

　　[2] 賈振元.虛擬儀器的發展現狀與特點[J].儀器儀表，2002(5)：40-43.

　　[3] 高亞奎.多線程虛擬儀器測試軟件的開發[J].計算機測量與控制，2003，11（12）：986-987.

　　[4] 王亞曉.飛機電源地面試驗測試系統的設計與實現[D].西安：西北工業大學，2004：20-22.

　　[5] 陳矯陽．基于Labwindows/CVI多線程數據采集的研究[J]．科學技術與工程，2008，8（9）：2460-2461．