航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)半物理模擬試驗(yàn)的應(yīng)用

潘麗君，孫志巖，楊惠民，王培棟

（1.中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，2.空軍駐無(wú)錫地區(qū)軍事代表室：無(wú)錫214063）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)半物理模擬試驗(yàn)的應(yīng)用

潘麗君1，孫志巖1，楊惠民1，王培棟2

（1.中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，2.空軍駐無(wú)錫地區(qū)軍事代表室：無(wú)錫214063）

半物理模擬試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研發(fā)中發(fā)揮著重要作用，然而鮮有文獻(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)外半物理模擬試驗(yàn)的應(yīng)用情況、技術(shù)特征進(jìn)行總結(jié)提煉。結(jié)合科研實(shí)踐和相關(guān)文獻(xiàn)，分析了航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)展半物理模擬試驗(yàn)的必要性、控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求開(kāi)展半物理模擬試驗(yàn)的必須性，介紹了半物理模擬試驗(yàn)的基本組成和原理，回顧了國(guó)外半物理模擬試驗(yàn)的開(kāi)展情況，并對(duì)國(guó)內(nèi)半物理模擬試驗(yàn)在科研、批產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用進(jìn)行說(shuō)明。結(jié)合工程實(shí)踐和國(guó)外研究成果，總結(jié)了半物理模擬試驗(yàn)環(huán)境的關(guān)鍵技術(shù)，指出了半物理模擬試驗(yàn)技術(shù)深化的方向。

半物理模擬試驗(yàn)；控制系統(tǒng)；集成試驗(yàn)；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)半物理模擬試驗(yàn)是在控制系統(tǒng)裝機(jī)前，在試驗(yàn)室環(huán)境下構(gòu)建系統(tǒng)安裝和工作條件，集成控制系統(tǒng)部件，與發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型構(gòu)成閉環(huán)運(yùn)行的仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)中控制系統(tǒng)部件如電子控制器、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器等是真實(shí)的（物理的），發(fā)動(dòng)機(jī)是虛擬的（數(shù)學(xué)模型），故稱(chēng)為半物理模擬試驗(yàn)。國(guó)外相關(guān)文獻(xiàn)一般稱(chēng)作閉環(huán)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)（closed-loop bench test）或濕設(shè)備試驗(yàn)（wet rig test）。

由于在真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)上開(kāi)展控制系統(tǒng)的功能和性能驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)、成本很高，國(guó)際發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)標(biāo)桿企業(yè)如PW、RR等公司，均建有功能完善的半物理模擬試驗(yàn)器，并將半物理模擬試驗(yàn)視為控制系統(tǒng)綜合與驗(yàn)證中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。半物理模擬試驗(yàn)對(duì)于充分驗(yàn)證系統(tǒng)功能性能，降低系統(tǒng)研制風(fēng)險(xiǎn)和成本有著重要作用。

由于國(guó)內(nèi)開(kāi)展控制系統(tǒng)自主研制和半物理模擬試驗(yàn)起步較晚，對(duì)半物理模擬試驗(yàn)的技術(shù)積累較少，在科研實(shí)踐中半物理模擬試驗(yàn)結(jié)果常與發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果存在差異，一些在發(fā)動(dòng)機(jī)上出現(xiàn)的控制系統(tǒng)問(wèn)題難以在半物理模擬試驗(yàn)中復(fù)現(xiàn)，影響了半物理模擬試驗(yàn)的效果。而對(duì)于國(guó)外半物理模擬試驗(yàn)的應(yīng)用情況和技術(shù)特征，目前鮮有文獻(xiàn)進(jìn)行歸納介紹。本文分析了開(kāi)展半物理模擬試驗(yàn)的必要性，介紹國(guó)內(nèi)外半物理模擬試驗(yàn)發(fā)展和應(yīng)用情況，結(jié)合國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐梳理半物理試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)，并提出未來(lái)半物理模擬試驗(yàn)技術(shù)深化的方向。

1 半物理模擬試驗(yàn)的必要性

發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)始于20世紀(jì)40年代簡(jiǎn)單的液壓機(jī)械燃油控制系統(tǒng)，先后經(jīng)歷了初始階段、成長(zhǎng)階段、電子階段和綜合階段，現(xiàn)已發(fā)展到全權(quán)限數(shù)字電子控制（FADEC）技術(shù)。隨著飛行包線的擴(kuò)展和發(fā)動(dòng)機(jī)控制功能的發(fā)展，系統(tǒng)控制的復(fù)雜性也大大增加，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的控制變量也從早期的單個(gè)變量擴(kuò)展到如今的10多個(gè)變量[1]。

20世紀(jì)70年代以前，由于缺乏仿真驗(yàn)證手段，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證常常要在發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)和試飛中完成，很多控制系統(tǒng)的功能、邏輯在試驗(yàn)后要調(diào)整，使得控制系統(tǒng)研制滯后于發(fā)動(dòng)機(jī)研制。此外，一些功能如全飛行包線內(nèi)的故障模式和檢測(cè)、故障運(yùn)行/故障安全性能的驗(yàn)證難免帶來(lái)試車(chē)試飛風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)傳統(tǒng)研制流程存在的問(wèn)題，PW公司采用仿真技術(shù)加速控制系統(tǒng)研制進(jìn)程，并提出了仿真技術(shù)需要解決的問(wèn)題：（1）保證發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型及控制系統(tǒng)仿真模型的高置信度；（2）在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中始終按最新?tīng)顟B(tài)及時(shí)更新模型；（3）保證所有的仿真是匹配的[2]。

在工程實(shí)踐中，確保所有仿真模型的高置信度和及時(shí)更新存在很大難度，因此集成控制系統(tǒng)實(shí)物部件的半物理模擬試驗(yàn)成為不可或缺的驗(yàn)證方式。通過(guò)開(kāi)展半物理模擬試驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的并行開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證，大大降低控制系統(tǒng)功能、性能調(diào)試的成本，完成在試車(chē)試飛中難以驗(yàn)證的故障處理、對(duì)象拉偏等高風(fēng)險(xiǎn)的科目驗(yàn)證。

由于半物理模擬試驗(yàn)的重要作用，“GJB-4053航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字電子控制系統(tǒng)通用規(guī)范”等國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)提出了開(kāi)展半物理模擬試驗(yàn)的要求，而美軍標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)說(shuō)明更為具體。如美國(guó)“JSSG-2007B航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范”[3]對(duì)控制系統(tǒng)試驗(yàn)提出：“FADEC（包含燃油系統(tǒng)）應(yīng)當(dāng)在1個(gè)包含發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模型的試驗(yàn)臺(tái)上集成試驗(yàn)以證明對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制能力；要驗(yàn)證控制系統(tǒng)在包線范圍內(nèi)（地面、高空）從起動(dòng)到最大加力狀態(tài)下的功能和性能；如果可能，還應(yīng)當(dāng)通過(guò)飛機(jī)模擬器驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的控制模式和飛推綜合控制模式?！?/p>

美國(guó)2004年發(fā)布的“MIL-STD-3024 推進(jìn)系統(tǒng)完整性大綱”明確指出，“開(kāi)展系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)要采用半物理試驗(yàn)設(shè)備；并指出需要開(kāi)展幾類(lèi)試驗(yàn)，如控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、燃油系統(tǒng)集成、故障注入、故障檢測(cè)和故障處理等；半物理模擬試驗(yàn)的需求應(yīng)該在初步設(shè)計(jì)評(píng)審（PDR）前就進(jìn)行識(shí)別，并與各部件供應(yīng)商達(dá)成一致，在研發(fā)過(guò)程中應(yīng)該使用半物理試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)不斷更新部件模型[4]”。

2 半物理模擬試驗(yàn)基本組成與原理

半物理模擬試驗(yàn)的基本組成（如圖1所示）包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)參試件、安裝臺(tái)架、物理效應(yīng)設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)模型計(jì)算機(jī)、傳感器模擬裝置、操縱模擬裝置等。半物理模擬試驗(yàn)的基本原理是：安裝臺(tái)架和物理效應(yīng)設(shè)備為控制系統(tǒng)的泵、計(jì)量裝置等燃油、作動(dòng)附件提供安裝、傳動(dòng)、供油、負(fù)載等模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境；發(fā)動(dòng)機(jī)模型采集控制系統(tǒng)的控制量包括流量、變幾何位移等參數(shù)，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)值；電子控制器根據(jù)油門(mén)桿等操縱指令計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)控制的目標(biāo)值；根據(jù)目標(biāo)值和當(dāng)前狀態(tài)值的偏差計(jì)算燃油流量、變幾何位置等控制量的給定，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)體的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)與虛擬的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型構(gòu)成閉環(huán)運(yùn)行。

控制系統(tǒng)參試件一般包括電子控制器、燃油泵、燃油計(jì)量裝置、作動(dòng)裝置、傳感器等。部分傳感器如溫度傳感器由于集成真實(shí)傳感器并施加真實(shí)物理效應(yīng)較為困難，一般采用傳感器模擬裝置進(jìn)行模擬；安裝臺(tái)架為參試的泵、燃油附件等提供與發(fā)動(dòng)機(jī)接近的安裝接口和支撐條件；物理效應(yīng)設(shè)備為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)參試部件提供模擬發(fā)動(dòng)機(jī)條件的工作環(huán)境，包括供油系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、作動(dòng)負(fù)載模擬系統(tǒng)、燃燒室壓力模擬系統(tǒng)等；發(fā)動(dòng)機(jī)模型計(jì)算機(jī)用于運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)采集到的控制系統(tǒng)的控制量如流量、作動(dòng)系統(tǒng)位移等計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)輸出狀態(tài)；傳感器模擬裝置對(duì)于受條件制約不能參與試驗(yàn)的傳感器，如溫度、壓力、振動(dòng)等傳感器，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)模型運(yùn)算的輸出值采用信號(hào)模擬的方式為電子控制器提供模擬輸入；操縱模擬裝置用于模擬飛機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的操作接口和人機(jī)界面，如油門(mén)桿、開(kāi)關(guān)、信號(hào)燈、通訊接口等。

3 國(guó)外半物理模擬試驗(yàn)的應(yīng)用

國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研發(fā)普遍采用了半物理模擬試驗(yàn)驗(yàn)證。

早在20世紀(jì)60年代，Vickers公司就設(shè)計(jì)了用于燃油調(diào)節(jié)器驗(yàn)證的的半物理模擬試驗(yàn)器，由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)還不夠成熟，試驗(yàn)器使用模擬電路模擬發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性控制燃油泵轉(zhuǎn)速，并模擬了燃油調(diào)節(jié)器的出口壓力[5]。

進(jìn)入20世紀(jì)70年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，半物理模擬試驗(yàn)開(kāi)始采用基于數(shù)字計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，大大增強(qiáng)了半物理模擬試驗(yàn)的能力。如PW公司FADEC系統(tǒng)配裝F-15飛機(jī)試飛前，開(kāi)展了677 h的半物理模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了2套用于交付發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，在試驗(yàn)中分別采用常溫燃油和高溫燃油進(jìn)行了海平面和高空點(diǎn)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，并且開(kāi)展了大量故障檢測(cè)和處理邏輯的驗(yàn)證，大大降低了系統(tǒng)研制成本，縮短了研制周期[6]。

PW公司于20世紀(jì)70年代末建成的用于F100等發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的半物理模擬試驗(yàn)環(huán)境，其原理如圖2所示。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)披露，該半物理試驗(yàn)環(huán)境具有以下功能特點(diǎn)[2]：

（1）具備模擬包含飛發(fā)接口的完整推進(jìn)系統(tǒng)在全工作范圍的實(shí)時(shí)仿真能力；

（2）可工作在純分析設(shè)計(jì)模式下或組合控制系統(tǒng)硬件進(jìn)行閉環(huán)試驗(yàn)；

（3）可測(cè)試單個(gè)部件、完整控制系統(tǒng)，或者部分仿真替代的控制系統(tǒng)；

（4）試驗(yàn)環(huán)境具備各種能對(duì)系統(tǒng)功能性能產(chǎn)生影響的物理效應(yīng)。例如采用真實(shí)的空氣渦輪起動(dòng)機(jī)，采用計(jì)算機(jī)控制作動(dòng)器的負(fù)載，為了驗(yàn)證燃油在高溫總管中的蒸發(fā)現(xiàn)象對(duì)加力系統(tǒng)工作的影響，使用真實(shí)的加力燃燒室噴嘴架，并模擬噴嘴架工作溫度等；

（5）試驗(yàn)設(shè)備具備模擬控制對(duì)象動(dòng)態(tài)特性能力，例如其對(duì)氣壓動(dòng)態(tài)的模擬速度達(dá)到了8 Hz，采用小慣量電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器；

（6）具備故障模擬和頻響分析功能。

PW公司在其用于黑鷹直升機(jī)的功率為2207 kW渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)驗(yàn)證中，進(jìn)行帶飛行模擬器的半物理模擬試驗(yàn)，通過(guò)引入人在回路的仿真器，可以驗(yàn)證機(jī)動(dòng)飛行時(shí)控制系統(tǒng)性能對(duì)飛行操縱的影響[7]。

GE公司在對(duì)F404發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)驗(yàn)證中，半物理模擬試驗(yàn)被用來(lái)進(jìn)行2000 h的燃油/滑油系統(tǒng)部件壽命評(píng)估，試驗(yàn)構(gòu)型中不僅包括燃油系統(tǒng)部件，還包含滑油系統(tǒng)部件，對(duì)燃油系統(tǒng)部件施加了空氣溫度和燃油溫度的極限環(huán)境效應(yīng)，并開(kāi)展了750 h的模擬任務(wù)耐久性試驗(yàn)[8]。

英國(guó)RR公司在對(duì)其半分布式控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)驗(yàn)證中，使用了Woodward公司半物理試驗(yàn)設(shè)備對(duì)燃油噴嘴背壓進(jìn)行了模擬，主要試驗(yàn)內(nèi)容包括動(dòng)態(tài)試驗(yàn)和故障注入試驗(yàn)等。研發(fā)人員對(duì)半物理試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，并對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行試車(chē)風(fēng)險(xiǎn)分析[9]。

德國(guó)MTU公司在對(duì)EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)驗(yàn)證中，采用了半物理模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證作動(dòng)系統(tǒng)模型[10]。在對(duì)TP400渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)驗(yàn)證中，采用干設(shè)備（dry rig）和濕設(shè)備（wet rig）2類(lèi)設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證，采用干設(shè)備實(shí)現(xiàn)硬件在回路的仿真驗(yàn)證，測(cè)試中只有控制器是真實(shí)的，而采用濕設(shè)備集成真實(shí)的燃油系統(tǒng)部件和部分傳感器，將干設(shè)備和濕設(shè)備組合后可進(jìn)行半物理模擬試驗(yàn)[11]。

4 國(guó)內(nèi)半物理模擬試驗(yàn)的應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)研發(fā)階段半物理模擬試驗(yàn)的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)控系統(tǒng)研究起步于20世紀(jì)80年代。從1987年開(kāi)始列為預(yù)先研究項(xiàng)目，在項(xiàng)目初期就通過(guò)半物理模擬試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)功能性能；1996年開(kāi)始?xì)v時(shí)1年半，在半物理模擬試驗(yàn)臺(tái)上共完成14種故障模式及組合模式的故障模擬試驗(yàn)、19個(gè)高空點(diǎn)的功能和性能模擬試驗(yàn)和模型拉偏試驗(yàn)，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性得到大幅度提高[12]。

2002年全權(quán)限數(shù)字電子控制技術(shù)試飛驗(yàn)證后，大量在研發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始采用全權(quán)限數(shù)控系統(tǒng)，對(duì)半物理模擬試驗(yàn)器的需求也大大增加，近年結(jié)合項(xiàng)目研制需求，已建立了多個(gè)具備不同發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)特征的半物理模擬試驗(yàn)器，包括渦軸、渦槳、非加力渦扇、加力渦扇等。這些試驗(yàn)器在數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)驗(yàn)證中發(fā)揮了重要作用。如某型加力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)定型前開(kāi)展了800 h以上的半物理模擬試驗(yàn)，某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)定型前開(kāi)展了超過(guò)6000 h的半物理模擬試驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研發(fā)遵循分級(jí)設(shè)計(jì)、分級(jí)綜合驗(yàn)證的V字流程。

在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，系統(tǒng)和部件模型還只是初步模型，缺乏實(shí)際工程數(shù)據(jù)的驗(yàn)證；進(jìn)入集成驗(yàn)證階段后，通過(guò)開(kāi)展部件試驗(yàn)可以獲取一部分部件數(shù)據(jù)，但由于部件試驗(yàn)環(huán)境與真實(shí)狀態(tài)存在差異，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)還不足以完整對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行校核。在半物理模擬試驗(yàn)中，由于系統(tǒng)架構(gòu)完整，通過(guò)開(kāi)展針對(duì)性的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，可以提取較為準(zhǔn)確的系統(tǒng)和部件的動(dòng)態(tài)模型，一方面可用于更新回歸桌面仿真模型，另一方面，半物理模擬試驗(yàn)中提取的控制回路模型可用于故障診斷。

在系統(tǒng)分級(jí)綜合驗(yàn)證的流程中，一般順序?yàn)椴考囼?yàn)、電子控制器在回路的HIL仿真試驗(yàn)、集成所有控制系統(tǒng)部件的半物理模擬試驗(yàn)、臺(tái)架試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)等。由于半物理模擬試驗(yàn)是控制系統(tǒng)在裝發(fā)動(dòng)機(jī)前最后1級(jí)試驗(yàn)，并且試驗(yàn)組成最為完整，因此半物理模擬試驗(yàn)也成為控制系統(tǒng)研制單位最為完整的驗(yàn)證基線，通過(guò)與部件試驗(yàn)、HIL仿真試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比和校核，可以促進(jìn)部件試驗(yàn)、HIL試驗(yàn)的基線對(duì)準(zhǔn)。

4.2 批生產(chǎn)階段半物理模擬試驗(yàn)的應(yīng)用

半物理模擬試驗(yàn)不僅用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研發(fā)階段的驗(yàn)證，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)鑒定后的生產(chǎn)階段也發(fā)揮了重要作用。由于國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)還未走完從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用、維護(hù)到退役的完整生命周期，對(duì)于控制系統(tǒng)及其部件的完整容差指標(biāo)還在不斷完善中，通過(guò)半物理模擬試驗(yàn)可積累系統(tǒng)部件匹配性能數(shù)據(jù)，幫助發(fā)現(xiàn)部件匹配異常和系統(tǒng)功能性能偏離，降低交付質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)一步完善系統(tǒng)部件的性能驗(yàn)收指標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)品的生產(chǎn)定型提供支撐數(shù)據(jù)。

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)自2011年小批量生產(chǎn)至今累計(jì)交付數(shù)百套，在此過(guò)程中，半物理模擬試驗(yàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)交付及外場(chǎng)正常使用發(fā)揮了以下重要作用：

（1）可有效抑制問(wèn)題延伸到外場(chǎng)。雖然參與半物理試驗(yàn)的各部件均已通過(guò)部件驗(yàn)收，但組成子系統(tǒng)或全系統(tǒng)后的性能依然存在超差的可能，例如轉(zhuǎn)速采集超標(biāo)、油針位移采集超標(biāo)、低溫供油特性超標(biāo)等，在某型數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)中，每個(gè)月都有數(shù)套產(chǎn)品需經(jīng)過(guò)調(diào)整才能滿足系統(tǒng)集成要求。

一方面由于系統(tǒng)性能取決于相互匹配的部件指標(biāo)，分配給部件指標(biāo)往往預(yù)留一定容差，當(dāng)單套系統(tǒng)中多個(gè)部件同時(shí)出現(xiàn)容差接近極限時(shí)，系統(tǒng)性能極可能超標(biāo)；另一方面受制于當(dāng)前的技術(shù)水平，部分系統(tǒng)性能只有在系統(tǒng)集成后才能檢查，部件生產(chǎn)階段無(wú)法有效控制。通過(guò)半物理試驗(yàn)提前發(fā)現(xiàn)匹配問(wèn)題并解決，可有效降低因數(shù)控系統(tǒng)問(wèn)題對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)交付試車(chē)的影響，保障發(fā)動(dòng)機(jī)交付。

（2）可快速定位并解決外場(chǎng)故障。遵循新裝備交付初期故障多發(fā)的客觀規(guī)律，交付前3年某型數(shù)控系統(tǒng)在主機(jī)及部隊(duì)共發(fā)生故障182起，外場(chǎng)故障發(fā)生后，如缺少半物理模擬試驗(yàn)環(huán)境，必須在發(fā)動(dòng)機(jī)或飛機(jī)上進(jìn)行故障定位，而限于測(cè)試、驗(yàn)證條件，故障定位效率將極大降低。同時(shí)，針對(duì)外場(chǎng)發(fā)生的故障，通過(guò)完善半物理模擬試驗(yàn)方法，可防止同類(lèi)故障再次發(fā)生。例如通過(guò)在生產(chǎn)試驗(yàn)中補(bǔ)充了低電壓工作能力檢查試驗(yàn)，提前在生產(chǎn)環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)并排除了控制器和燃油泵調(diào)節(jié)器電磁閥匹配問(wèn)題。

（3）可有力保障產(chǎn)品外場(chǎng)服務(wù)工作。在數(shù)控系統(tǒng)使用維護(hù)中，因發(fā)動(dòng)機(jī)或飛機(jī)原因返修屬于常規(guī)工作，通過(guò)半物理模擬試驗(yàn)可完成數(shù)控系統(tǒng)級(jí)檢修，簡(jiǎn)化了部件和發(fā)動(dòng)機(jī)工作，檢修后數(shù)控系統(tǒng)可提供與產(chǎn)品出廠交付及發(fā)動(dòng)機(jī)交付試車(chē)對(duì)比的數(shù)據(jù)，有效支撐外場(chǎng)服務(wù)人員及部隊(duì)機(jī)務(wù)人員決策，提高裝備使用效率。

5 半物理模擬試驗(yàn)環(huán)境的關(guān)鍵技術(shù)

完整而又先進(jìn)的試驗(yàn)環(huán)境是半物理模擬試驗(yàn)有效開(kāi)展的前提條件。根據(jù)國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐和對(duì)國(guó)外半物理模擬試驗(yàn)開(kāi)展情況的研究，簡(jiǎn)要介紹半物理模擬試驗(yàn)環(huán)境的關(guān)鍵技術(shù)。

5.1 高置信度發(fā)動(dòng)機(jī)模型

為了保證閉環(huán)試驗(yàn)性能的準(zhǔn)確性，應(yīng)當(dāng)用實(shí)際試車(chē)數(shù)據(jù)校核修正發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，同時(shí)還應(yīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)模型軟件運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)性測(cè)試。對(duì)于起動(dòng)、熄火、高空、放氣等狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)模型也應(yīng)保證一定的精度，以保證驗(yàn)證結(jié)果的合理性。

5.2 安裝臺(tái)架及效應(yīng)模擬技術(shù)

5.2.1 安裝型架及機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

試驗(yàn)中控制系統(tǒng)部件安裝定位和互聯(lián)管路應(yīng)參考真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)，公開(kāi)披露的F119、TP400等發(fā)動(dòng)機(jī)半物理模擬試驗(yàn)均采用3維安裝的布局，各部件連接的管路也與真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)近似。對(duì)于導(dǎo)葉、噴口等作動(dòng)筒的安裝，應(yīng)考慮作動(dòng)筒的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式及傳動(dòng)系數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)一致，安裝機(jī)構(gòu)應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度和支撐剛度[13-14]。

5.2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)用于為燃油泵、交流發(fā)電機(jī)等控制系統(tǒng)部件提供傳動(dòng)動(dòng)力。如有多個(gè)試驗(yàn)件需要傳動(dòng)，需要考慮傳動(dòng)齒輪箱的結(jié)構(gòu)與安裝型架的兼容性。對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能均有較高要求，動(dòng)態(tài)特性應(yīng)明顯優(yōu)于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)。

5.2.3 燃油供油系統(tǒng)

燃油供油系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備模擬飛行包線內(nèi)的燃油溫度的供油能力，供油溫度的控制應(yīng)當(dāng)保證一定的精度。燃油供油系統(tǒng)的供油壓力和回油壓力可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作指標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

5.2.4 背壓模擬技術(shù)

背壓模擬主要包括主燃燒室和加力燃燒室的背壓模擬。其目的是解決半物理模擬試驗(yàn)時(shí)燃燒室壓力環(huán)境差異的問(wèn)題。在工程實(shí)踐中，常用壓氣機(jī)后壓力及渦輪后壓力近似作為主燃燒室和加力燃燒室的背壓指令值，通過(guò)背壓模擬裝置調(diào)節(jié)主燃油及加力燃油的計(jì)量管路出口壓力值。

5.2.5 作動(dòng)加載技術(shù)

作動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載需要考慮全飛行包線內(nèi)的氣動(dòng)載荷特別是極限條件下的載荷，對(duì)于噴口作動(dòng)系統(tǒng)、矢量作動(dòng)系統(tǒng)等復(fù)雜的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，還應(yīng)考慮模擬作動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載。采用力閉環(huán)的作動(dòng)加載系統(tǒng)要能夠在作動(dòng)系統(tǒng)的各種工作條件下抑制多余力。

5.2.6 氣壓模擬技術(shù)

帶液壓機(jī)械備份功能的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)通常具備氣壓敏感元件，部分電子控制器內(nèi)部集成了壓力傳感器，因此半物理試驗(yàn)環(huán)境需要具備氣壓模擬裝置。氣壓模擬要有足夠的動(dòng)態(tài)性能，并考慮發(fā)動(dòng)機(jī)控制部件的安全保護(hù)[15]。

5.2.7 加力燃燒室環(huán)境模擬技術(shù)

基于高空加力點(diǎn)火過(guò)程的復(fù)雜性，PW公司在半物理模擬試驗(yàn)中進(jìn)行了加力燃燒室的環(huán)境模擬，在試驗(yàn)環(huán)境中，直接采用發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴架，置于1個(gè)油箱中，油箱的環(huán)境壓力和噴嘴架的金屬溫度通過(guò)計(jì)算機(jī)控制以復(fù)現(xiàn)飛行中的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，可以模擬高空狀態(tài)燃油填充時(shí)的蒸發(fā)效應(yīng)，從而對(duì)控制進(jìn)行優(yōu)化。

5.3 飛機(jī)-發(fā)動(dòng)機(jī)接口模擬技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)與飛機(jī)通過(guò)總線、離散量等信號(hào)進(jìn)行交聯(lián)。為了評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)飛機(jī)的影響，需要對(duì)飛發(fā)接口進(jìn)行模擬。一些先進(jìn)飛機(jī)設(shè)計(jì)了飛發(fā)一體化控制，這種情況下還應(yīng)包含飛機(jī)動(dòng)力學(xué)模型和模擬座艙，如有條件還應(yīng)通過(guò)人在回路的方式評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)的控制品質(zhì)。

5.4 傳感器信號(hào)仿真技術(shù)

隨著控制系統(tǒng)由液壓機(jī)械式向數(shù)字控制轉(zhuǎn)變以及信號(hào)仿真技術(shù)的成熟，在半物理仿真試驗(yàn)中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)模擬開(kāi)始從真實(shí)物理效應(yīng)的模擬轉(zhuǎn)為通過(guò)電子技術(shù)模擬傳感器信號(hào)，以降低試驗(yàn)成本，同時(shí)避免由于物理效應(yīng)裝置的復(fù)雜和不穩(wěn)定性給仿真結(jié)果帶來(lái)的偏差。傳感器信號(hào)仿真裝置應(yīng)具備足夠的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)精度，電氣負(fù)載特性應(yīng)能支持控制器BIT檢測(cè)功能。

5.5 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)

試驗(yàn)中的關(guān)鍵參數(shù)如燃油流量等應(yīng)確保測(cè)量的精度，數(shù)據(jù)采集應(yīng)能根據(jù)測(cè)試需求設(shè)置合適的采樣速率，以研究被試對(duì)象的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。數(shù)據(jù)處理應(yīng)能對(duì)環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特征值、系統(tǒng)響應(yīng)、系統(tǒng)穩(wěn)定性能、故障及故障瞬態(tài)等，按特定的性能準(zhǔn)則和指標(biāo)進(jìn)行在線或離線處理，為系統(tǒng)性能的評(píng)定提供定量的試驗(yàn)分析結(jié)果。

5.6 故障模擬技術(shù)

故障的檢測(cè)、隔離和處理是發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵功能，也是半物理模擬試驗(yàn)的重要內(nèi)容。半物理模擬試驗(yàn)需要盡可能完整地模擬實(shí)際工作中可能出現(xiàn)的軟故障、硬故障模式，充分驗(yàn)證系統(tǒng)安全性。

6 結(jié)束語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制的高復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)使得發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的研制離不開(kāi)大量仿真試驗(yàn)的支持，而半物理模擬試驗(yàn)已成為當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)研制必不可少的重要手段，其試驗(yàn)水平在一定程度上反映了控制系統(tǒng)的研制水平。半物理模擬試驗(yàn)是綜合機(jī)械、液壓、電子、仿真、測(cè)試等專(zhuān)業(yè)的多學(xué)科復(fù)雜試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，初步建立了較為完整的半物理模擬試驗(yàn)設(shè)施，但與國(guó)際先進(jìn)水平相比還有一定差距，未來(lái)需要在效應(yīng)模擬的完整性、狀態(tài)覆蓋度、仿真模型的置信度等方面深化技術(shù)研究，提升半物理模擬試驗(yàn)的置信度和完整性，為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研制提供有力支持。

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Survey of closed-loop bench testing of aero engine control system

Pan Li-jun1， Sun Zhi-yan1， Yang Hui-min1， Wang Pei-dong2
（1.AECC Aero Engine Control System Institute,WuXi 214063;2 Consumer Representative Office of Air Force in Wuxi,Wuxi 214063）

Closed-loop bench testing plays an important role in the engine control system development,but few papers discussed and summarized the practice and technology of closed-loop bench test.This paper analyzes the necessity of closed-loop bench test of engine control system,the complexity of control system and foreign standard specification all require closed-loop bench test.Reviews the development of closed-loop bench test abroad,and introduces the basic composition and principle of closed-loop bench test,describes the application of domestic closed-loop bench test in scientific research and batch production process.Combined with engineering practice and research on foreign situation,summarizes the key technology of closed-loop bench test environment,and points out the direction of closedloop bench test technology.

closed-loop bench test;control system;integration test;aeroengine

V 232.9

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.03.012

2016-11-19 基金項(xiàng)目：航空動(dòng)力基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

潘麗君（1962），女，工程師，從事航空標(biāo)準(zhǔn)化管理工作；E-mail:18903822938@163.com。

潘麗君，孫志巖，楊惠民，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)半物理模擬試驗(yàn)的應(yīng)用[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2017,43（3）：62-67.Pan Lijun，Sun Zhiyan，Yang Huimin,et al.Surveyofclosed-loop bench testingofaeroengine control system[J].Aeroengine，2017,43（3）：62-67.

（編輯：李華文）