某型發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)的搭建方法

■ 王軒 韓振超 李珩 楊宏/ 成都航利（集團(tuán)）實(shí)業(yè)有限公司 空裝成都局某軍事代表室

1 半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)

發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由含控制軟件的EEC（電子控制器）、HMU（燃油泵調(diào)節(jié)器）、交流發(fā)電機(jī)、傳感器等產(chǎn)品組成。按照發(fā)動(dòng)機(jī)新型設(shè)計(jì)理念，數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品需成套交付，如EEC、HMU 和交流發(fā)電機(jī)等部件需在半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，合格后方可交付。

半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)基于半物理仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)，將EEC、HMU 和交流發(fā)電機(jī)等部件以實(shí)物的方式安裝或連接在試驗(yàn)平臺(tái)上。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)出的發(fā)動(dòng)機(jī)模型代替真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)輸入的各真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)部件（物理部分）的參數(shù)，生成近似真實(shí)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、燃?xì)鉁囟?、扭矩、氣壓等參?shù)，并將相關(guān)參數(shù)通過(guò)仿真系統(tǒng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換和調(diào)理成各真實(shí)部件能識(shí)別的模擬和數(shù)字信號(hào)，各真實(shí)部件根據(jù)相應(yīng)信號(hào)對(duì)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)各部件隨發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的模擬，監(jiān)測(cè)和評(píng)估各部件的工作品質(zhì)。

半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)需具備的試驗(yàn)功能包括：

1）HMU 供油特性試驗(yàn)。

2）HMU 和EEC 大閉環(huán)試驗(yàn)，包含：

● 穩(wěn)/動(dòng)態(tài)試驗(yàn)；

● 起動(dòng)超溫試驗(yàn)；

● 超溫/超轉(zhuǎn)保護(hù)試驗(yàn)；

● 熄火保護(hù)試驗(yàn)；

● 高空模擬試驗(yàn)；

● 雙發(fā)或多發(fā)匹配試驗(yàn)（按需）。

3）高低溫試驗(yàn)。

4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)試驗(yàn)。

5）EEC 供電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)。

6）故障模擬試驗(yàn)。

2 半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)基本架構(gòu)

基于上述需實(shí)現(xiàn)的功能，半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)包含計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)、信號(hào)模擬系統(tǒng)、故障注入系統(tǒng)、油門(mén)操縱系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、工藝附件、操縱臺(tái)等組成部分。

試驗(yàn)平臺(tái)原理框圖如圖1 所示。

圖1 半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)原理框圖

2.1 計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)遵循模塊化、可擴(kuò)展、易升級(jí)和易集成的開(kāi)放式架構(gòu)設(shè)計(jì)原則。計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)由試驗(yàn)管理計(jì)算機(jī)、實(shí)時(shí)仿真機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型、集成機(jī)柜等部分組成，仿真系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 仿真系統(tǒng)的總體架構(gòu)

1）試驗(yàn)管理計(jì)算機(jī)

試驗(yàn)管理計(jì)算機(jī)裝有MATLAB，用于模型的構(gòu)建；并裝有試驗(yàn)管理軟件，用以管理實(shí)時(shí)仿真機(jī)、試驗(yàn)和模型等。

2）實(shí)時(shí)仿真機(jī)

實(shí)時(shí)仿真機(jī)屬于計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，是半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)的核心，裝有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，用于運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)各種I/O 板卡模擬和采集各種信號(hào)。實(shí)時(shí)仿真機(jī)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成，硬件采用板卡集成系統(tǒng)，主處理器采用多核處理器，帶有以太網(wǎng)接口，以便與管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信；主要軟件包括NI VeriStand、NI LabVIEW、MATLAB、Simulink 等，用于發(fā)動(dòng)機(jī)模型的構(gòu)建、試驗(yàn)平臺(tái)管理、仿真測(cè)試及過(guò)程監(jiān)視等。

仿真機(jī)還兼有數(shù)據(jù)采集及測(cè)控任務(wù)，根據(jù)試驗(yàn)平臺(tái)液壓系統(tǒng)和其他控制系統(tǒng)的要求，對(duì)模擬量輸入/輸出信號(hào)、頻率量輸入/輸出信號(hào)、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理處理。

3）發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)重要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)全飛行包線內(nèi)的氣動(dòng)、物理性能計(jì)算和提供發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)等。發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型包括：

● 發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)數(shù)學(xué)模型；

● 發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)數(shù)學(xué)模型；

● 飛行包線內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)從地面慢車到各功率狀態(tài)的過(guò)渡態(tài)數(shù)學(xué)模型；

第2潮菇采完后，菌棒內(nèi)大量失水變輕，可用注水器往菌棒中注水或用容器浸泡菌棒，增加菌棒含水量。注水后碼成菌墻，出第三潮菇注水或浸泡時(shí)，可以在水中加入一定量的營(yíng)養(yǎng)素，提高平菇產(chǎn)量和菌棒轉(zhuǎn)化率。

● 能夠匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的旋翼負(fù)載模型（按需）。

4）集成機(jī)柜

采用1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，整個(gè)計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)放置于機(jī)柜中，對(duì)外提供接口。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，機(jī)柜還包括供電單元、信號(hào)適配單元、直流電源等設(shè)備。機(jī)柜供電系統(tǒng)（UPS）給整個(gè)仿真系統(tǒng)供電，提供過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)。

2.2 信號(hào)模擬系統(tǒng)

信號(hào)模擬系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的各類傳感器信號(hào)尤其是無(wú)法物理模擬的信號(hào)采用電子合成技術(shù)模擬，這些信號(hào)的模擬要和發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)。需要提供的模擬信號(hào)包括：

1）開(kāi)關(guān)信號(hào)模擬

開(kāi)關(guān)信號(hào)模擬包括EEC 輸出的開(kāi)關(guān)量信號(hào)和接收的試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。為保證EEC 的輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)與試驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)關(guān)模擬信號(hào)電壓相匹配，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換。

2）轉(zhuǎn)速信號(hào)模擬

轉(zhuǎn)速信號(hào)模擬需要生成兩個(gè)控制量——頻率控制信號(hào)和幅值控制信號(hào)。頻率由試驗(yàn)平臺(tái)的頻率量輸出通道激勵(lì)，幅值由模擬量輸出通道輸出電壓信號(hào)激勵(lì)。

3）進(jìn)氣溫度和滑油溫度信號(hào)模擬

在半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)上，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口總溫和滑油溫度通過(guò)電子合成的方式進(jìn)行熱電阻的模擬，實(shí)現(xiàn)電流、電壓和電阻三者的關(guān)系轉(zhuǎn)換，達(dá)到熱電阻的阻值隨溫度變化的效果。

4）燃?xì)鉁囟刃盘?hào)模擬

燃?xì)鉁囟刃盘?hào)是弱電壓信號(hào)，一般只有幾十毫伏，信號(hào)模擬系統(tǒng)采用高精密運(yùn)算放大器對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)模擬輸出通道的標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行衰減，得到精確的熱電偶模擬信號(hào)。

5）進(jìn)口靜壓、滑油壓力信號(hào)模擬

信號(hào)模擬系統(tǒng)通過(guò)構(gòu)造一個(gè)橋式電阻電路，對(duì)其中一個(gè)橋臂采用電子電阻模擬，使電橋產(chǎn)生不平等電壓，實(shí)現(xiàn)壓阻式傳感器的信號(hào)模擬。

2.3 故障注入系統(tǒng)

故障注入系統(tǒng)負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)EEC 輸入/輸出信號(hào)的故障仿真，可模擬開(kāi)路故障、短路故障、接地故障和各種軟故障等。故障注入系統(tǒng)同時(shí)作為面向EEC的線路接口，是EEC 和仿真計(jì)算機(jī)及外部設(shè)備之間的連接橋梁。

系統(tǒng)采用繼電器陣列的設(shè)計(jì)方法，以簡(jiǎn)單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)。開(kāi)路故障模擬采用繼電器斷開(kāi)的方式實(shí)現(xiàn)，短路故障采用繼電器控制信號(hào)短路方式實(shí)現(xiàn)，虛短模擬采用信號(hào)線間搭接電阻方式實(shí)現(xiàn)，虛斷采用信號(hào)線上串接電阻實(shí)現(xiàn)。故障注入系統(tǒng)還可模擬信號(hào)線對(duì)地短路和對(duì)電源短路等各類傳感器故障，其原理圖如圖3、圖4 所示。

圖3 單路故障模擬示意圖

圖4 故障注入矩陣原理圖

2.4 油門(mén)操縱系統(tǒng)

油門(mén)操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝于試驗(yàn)器操縱臺(tái)面上，由機(jī)械手柄、伺服電機(jī)及控制器和角度反饋傳感器組成，為EEC提供信號(hào)。

2.5 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)器電機(jī)、燃油、潤(rùn)滑等系統(tǒng)的供配電、啟停控制、線路過(guò)載保護(hù)、系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)等功能。電氣控制系統(tǒng)由成套電控柜、隔離變壓器、PLC 系統(tǒng)、直流電源等組成。電氣控制系統(tǒng)具有線路保護(hù)及系統(tǒng)連鎖等功能，其PLC 系統(tǒng)還提供遠(yuǎn)程控制及監(jiān)視功能。圖5 為電氣控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖。

圖5 電氣控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖

2.6 電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

由于半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)有快速響應(yīng)要求，因此采用高速小慣量電機(jī)作為動(dòng)力源，為HMU、交流發(fā)電機(jī)等提供動(dòng)力。

一般采用兩套傳動(dòng)電機(jī)，一套用于驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)，另一套用于驅(qū)動(dòng)HMU、轉(zhuǎn)速傳感器音輪和交流發(fā)電機(jī)（備用），動(dòng)力和轉(zhuǎn)速的分流通過(guò)齒輪箱來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.7 燃油系統(tǒng)

燃油系統(tǒng)為半物理試驗(yàn)平臺(tái)提供油源，能夠進(jìn)行常溫、高溫和低溫試驗(yàn)。

2.7.1 燃油系統(tǒng)組成

燃油系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由安裝臺(tái)架、液壓油站、燃油計(jì)量及管路系統(tǒng)、低溫試驗(yàn)箱等部分組成。

1）安裝臺(tái)架

安裝臺(tái)架用于試驗(yàn)產(chǎn)品的安裝及測(cè)試，由臺(tái)柜、燃油及潤(rùn)滑管路、控制線束等組成。

安裝臺(tái)架正面是工作區(qū)域，HMU等產(chǎn)品安裝在臺(tái)柜上。

燃油及滑油連接管路安裝在臺(tái)架背面的元件安裝板上，電氣控制線束由安裝板的上部引入，產(chǎn)品的安裝定位方式與其在發(fā)動(dòng)機(jī)中的安裝近似，產(chǎn)品之間通過(guò)金屬軟管實(shí)現(xiàn)燃油及滑油系統(tǒng)的快速連接。

臺(tái)架的下部安裝有漏油盤(pán)，廢油可通過(guò)漏油盤(pán)底部的球閥手動(dòng)排出。

2）液壓油站

液壓油站為系統(tǒng)供應(yīng)低壓油源，由閥門(mén)、離心泵、過(guò)濾器、油氣分離器、冷卻器、底座、漏油盤(pán)等組成。

3）燃油計(jì)量及管路系統(tǒng)

為方便維護(hù)和校驗(yàn)工作，將燃油系統(tǒng)中的供油控制回路、回油控制回路、溫度控制回路、流量測(cè)試回路等部分集成安裝在專門(mén)的閥架上。

4）低溫試驗(yàn)箱

低溫試驗(yàn)箱采用分體式設(shè)計(jì)，分為室外機(jī)和室內(nèi)機(jī)兩部分，室外機(jī)由壓縮機(jī)、散熱器和控制器等組成；室內(nèi)機(jī)由熱交換器、循環(huán)泵和低溫油箱等組成。試驗(yàn)箱箱體外壁采用Q235-A 鋼板噴塑處理，內(nèi)膽采用不銹鋼鏡面板制作，室內(nèi)機(jī)側(cè)面設(shè)有通道，用于低溫油箱進(jìn)出口管路及電氣線路的接入。

2.7.2 燃油系統(tǒng)工作原理

常溫試驗(yàn)時(shí)，燃油系統(tǒng)為開(kāi)式循環(huán)模式，油箱內(nèi)的燃油經(jīng)低壓泵增壓后，輸送到被試產(chǎn)品進(jìn)口，循環(huán)至油箱，油液的溫度通過(guò)水冷系統(tǒng)進(jìn)行控制。

高溫試驗(yàn)采用閉式循環(huán)加熱的方式實(shí)現(xiàn)，低壓泵此時(shí)起補(bǔ)油泵的作用，油液溫度由溫控閥自動(dòng)控制。需要加溫時(shí)，溫控閥開(kāi)度加大，減小補(bǔ)油量使油液快速加熱；不需加溫時(shí)溫控閥開(kāi)小，增大主油箱內(nèi)冷油的補(bǔ)油量以降低管路溫度。

低溫試驗(yàn)所需的低溫燃油由低溫油箱供給，由低溫試驗(yàn)箱對(duì)燃油進(jìn)行冷卻，通過(guò)控制閥門(mén)的切換，使供油泵從低溫油箱內(nèi)抽取燃油，并將試驗(yàn)后的油液循環(huán)回低溫油箱。

2.8 潤(rùn)滑系統(tǒng)

潤(rùn)滑系統(tǒng)用于提供試驗(yàn)平臺(tái)所需潤(rùn)滑油。由于齒輪箱及離心增壓泵分別為試驗(yàn)產(chǎn)品和設(shè)備部件，因此采用獨(dú)立的潤(rùn)滑系統(tǒng)，即產(chǎn)品潤(rùn)滑系統(tǒng)和設(shè)備潤(rùn)滑系統(tǒng)。

1）產(chǎn)品潤(rùn)滑系統(tǒng)

為產(chǎn)品提供潤(rùn)滑油，由潤(rùn)滑油箱、供油泵、過(guò)濾器、電加熱器、冷卻器、壓力傳感器、調(diào)壓閥和回油泵等組成，具有壓力、溫度及液位等報(bào)警功能。

2）設(shè)備潤(rùn)滑系統(tǒng)

為齒輪箱及產(chǎn)品連接座提供潤(rùn)滑油，由潤(rùn)滑油箱、供油泵、過(guò)濾器、冷卻器、壓力傳感器、調(diào)壓閥和回油泵等組成，具有壓力、溫度及液位等報(bào)警功能。

2.9 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)包括氣動(dòng)系統(tǒng)及水路系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1）氣動(dòng)系統(tǒng)

用于控制液壓管路上的各種氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥和氣動(dòng)換向閥，系統(tǒng)由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，由電磁閥和氣動(dòng)管路等組成。

2）水路系統(tǒng)

用于冷卻燃油及潤(rùn)滑油，冷卻水的接通由電磁閥控制。

3）視頻監(jiān)控系統(tǒng)

為保障產(chǎn)品和設(shè)備安全，在操作過(guò)程中采用視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.10 工藝附件

工藝附件一般采用新品附件，主要包含作動(dòng)筒（根據(jù)實(shí)際情況）、導(dǎo)葉位移傳感器（根據(jù)實(shí)際情況）、分配器等，一般作為配套器材連接在仿真回路上。在試驗(yàn)平臺(tái)研制期間，將利用工藝附件對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行功能驗(yàn)證、校準(zhǔn)和磨合試驗(yàn)等。

2.11 操縱臺(tái)

操縱臺(tái)包括操縱臺(tái)面、顯示面、柜體等。操縱臺(tái)面及顯示面裝有發(fā)動(dòng)機(jī)載荷桿、油門(mén)桿、顯示儀表、開(kāi)關(guān)按鈕指示燈及計(jì)算機(jī)顯示屏。計(jì)算機(jī)、電源、接線端子等放置在操縱臺(tái)內(nèi)部，操縱臺(tái)內(nèi)部設(shè)置走線槽，用于布置各種電源電纜、信號(hào)電纜。

3 半物理試驗(yàn)平臺(tái)搭建關(guān)鍵技術(shù)

1）發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)模型是仿真試驗(yàn)器的核心內(nèi)容，需要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)在包線內(nèi)的工作狀態(tài)，保證數(shù)學(xué)模型的運(yùn)行效率以及與真實(shí)工況的差異，具有一定的技術(shù)難度。

2）仿真測(cè)試程序

仿真測(cè)試程序包含試驗(yàn)器特性和通道校準(zhǔn)的調(diào)整參數(shù)，以及動(dòng)態(tài)穩(wěn)態(tài)的所有基本測(cè)試程序及用戶界面。

3）信號(hào)模擬系統(tǒng)

信號(hào)模擬系統(tǒng)是仿真試驗(yàn)器硬件通道上最重要的組成部分，大部分航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域的特殊傳感器需要通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)模擬，并提供給ECU，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)工作。

4）故障注入系統(tǒng)

故障注入系統(tǒng)需要對(duì)控制系統(tǒng)的各類傳感器信號(hào)和控制信號(hào)進(jìn)行故障模擬，根據(jù)操縱指令在規(guī)定時(shí)刻實(shí)現(xiàn)開(kāi)路、短路等故障模式的信號(hào)注入。

5）傳動(dòng)系統(tǒng)的慣性

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)速度非?？?，要求試驗(yàn)平臺(tái)的傳動(dòng)系統(tǒng)必須具備快速加減速能力，傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具備大功率、小慣量、高響應(yīng)的特點(diǎn)。

6）測(cè)控系統(tǒng)的精度和快速響應(yīng)

為保證系統(tǒng)調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)性，要求燃油流量計(jì)必須具有較高的精度和快速響應(yīng)能力。

4 結(jié)論

發(fā)動(dòng)機(jī)半物理仿真試驗(yàn)臺(tái)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，涉及機(jī)械、液壓、電子、計(jì)算機(jī)軟硬件等諸多領(lǐng)域，器材、備件選型的正確性、合理性對(duì)于提高試驗(yàn)臺(tái)的可靠性、可維修性、經(jīng)濟(jì)性等具有重要意義。