某型發動機控制系統半物理仿真試驗平臺的搭建方法

■ 王軒 韓振超 李珩 楊宏/ 成都航利（集團）實業有限公司 空裝成都局某軍事代表室

1 半物理仿真試驗平臺

發動機數控系統由含控制軟件的EEC（電子控制器）、HMU（燃油泵調節器）、交流發電機、傳感器等產品組成。按照發動機新型設計理念，數控系統產品需成套交付，如EEC、HMU 和交流發電機等部件需在半物理仿真試驗平臺上進行試驗，合格后方可交付。

半物理仿真試驗平臺基于半物理仿真技術開發，將EEC、HMU 和交流發電機等部件以實物的方式安裝或連接在試驗平臺上。利用計算機仿真技術開發出的發動機模型代替真實發動機，根據試驗平臺測控系統輸入的各真實發動機部件（物理部分）的參數，生成近似真實工況下發動機相應的轉子轉速、燃氣溫度、扭矩、氣壓等參數，并將相關參數通過仿真系統的信號轉換模塊轉換和調理成各真實部件能識別的模擬和數字信號，各真實部件根據相應信號對模擬發動機進行調控，從而實現各部件隨發動機工作狀態的模擬，監測和評估各部件的工作品質。

半物理仿真試驗平臺需具備的試驗功能包括：

1）HMU 供油特性試驗。

2）HMU 和EEC 大閉環試驗，包含：

● 穩/動態試驗；

● 起動超溫試驗；

● 超溫/超轉保護試驗；

● 熄火保護試驗；

● 高空模擬試驗；

● 雙發或多發匹配試驗（按需）。

3）高低溫試驗。

4）數據存儲試驗。

5）EEC 供電轉換試驗。

6）故障模擬試驗。

2 半物理仿真試驗平臺基本架構

基于上述需實現的功能，半物理仿真試驗平臺包含計算機仿真系統、信號模擬系統、故障注入系統、油門操縱系統、電氣控制系統、電氣驅動系統、燃油系統、潤滑系統、輔助系統、工藝附件、操縱臺等組成部分。

試驗平臺原理框圖如圖1 所示。

圖1 半物理仿真試驗平臺原理框圖

2.1 計算機仿真系統

計算機仿真系統遵循模塊化、可擴展、易升級和易集成的開放式架構設計原則。計算機仿真系統由試驗管理計算機、實時仿真機、發動機數學模型、集成機柜等部分組成，仿真系統的總體架構如圖2 所示。

圖2 仿真系統的總體架構

1）試驗管理計算機

試驗管理計算機裝有MATLAB，用于模型的構建；并裝有試驗管理軟件，用以管理實時仿真機、試驗和模型等。

2）實時仿真機

實時仿真機屬于計算機仿真系統，是半物理仿真試驗平臺的核心，裝有實時操作系統，用于運行發動機數學模型，并通過各種I/O 板卡模擬和采集各種信號。實時仿真機由硬件系統和軟件系統構成，硬件采用板卡集成系統，主處理器采用多核處理器，帶有以太網接口，以便與管理計算機進行通信；主要軟件包括NI VeriStand、NI LabVIEW、MATLAB、Simulink 等，用于發動機模型的構建、試驗平臺管理、仿真測試及過程監視等。

仿真機還兼有數據采集及測控任務，根據試驗平臺液壓系統和其他控制系統的要求，對模擬量輸入/輸出信號、頻率量輸入/輸出信號、開關量輸入/輸出信號進行調理處理。

3）發動機數學模型

發動機的數學模型是半物理仿真試驗平臺重要組成部分，用于實現發動機全飛行包線內的氣動、物理性能計算和提供發動機工作參數等。發動機數學模型包括：

● 發動機地面起動數學模型；

● 發動機空中起動數學模型；

● 飛行包線內發動機從地面慢車到各功率狀態的過渡態數學模型；

第2潮菇采完后，菌棒內大量失水變輕，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，可以在水中加入一定量的營養素，提高平菇產量和菌棒轉化率。

● 能夠匹配發動機的旋翼負載模型（按需）。

4）集成機柜

采用1 個標準機柜，整個計算機仿真系統放置于機柜中，對外提供接口。為了保證系統穩定工作，機柜還包括供電單元、信號適配單元、直流電源等設備。機柜供電系統（UPS）給整個仿真系統供電，提供過流、過壓保護。

2.2 信號模擬系統

信號模擬系統對發動機的各類傳感器信號尤其是無法物理模擬的信號采用電子合成技術模擬，這些信號的模擬要和發動機數學模型實時關聯。需要提供的模擬信號包括：

1）開關信號模擬

開關信號模擬包括EEC 輸出的開關量信號和接收的試驗平臺開關控制信號。為保證EEC 的輸出開關信號與試驗平臺的開關模擬信號電壓相匹配，需要對信號進行隔離轉換。

2）轉速信號模擬

轉速信號模擬需要生成兩個控制量——頻率控制信號和幅值控制信號。頻率由試驗平臺的頻率量輸出通道激勵，幅值由模擬量輸出通道輸出電壓信號激勵。

3）進氣溫度和滑油溫度信號模擬

在半物理仿真試驗平臺上，發動機進口總溫和滑油溫度通過電子合成的方式進行熱電阻的模擬，實現電流、電壓和電阻三者的關系轉換，達到熱電阻的阻值隨溫度變化的效果。

4）燃氣溫度信號模擬

燃氣溫度信號是弱電壓信號，一般只有幾十毫伏，信號模擬系統采用高精密運算放大器對試驗平臺模擬輸出通道的標準電壓進行衰減，得到精確的熱電偶模擬信號。

5）進口靜壓、滑油壓力信號模擬

信號模擬系統通過構造一個橋式電阻電路，對其中一個橋臂采用電子電阻模擬，使電橋產生不平等電壓，實現壓阻式傳感器的信號模擬。

2.3 故障注入系統

故障注入系統負責發動機EEC 輸入/輸出信號的故障仿真，可模擬開路故障、短路故障、接地故障和各種軟故障等。故障注入系統同時作為面向EEC的線路接口，是EEC 和仿真計算機及外部設備之間的連接橋梁。

系統采用繼電器陣列的設計方法，以簡單拓撲結構方式實現。開路故障模擬采用繼電器斷開的方式實現，短路故障采用繼電器控制信號短路方式實現，虛短模擬采用信號線間搭接電阻方式實現，虛斷采用信號線上串接電阻實現。故障注入系統還可模擬信號線對地短路和對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 油門操縱系統

油門操縱系統設計安裝于試驗器操縱臺面上，由機械手柄、伺服電機及控制器和角度反饋傳感器組成，為EEC提供信號。

2.5 電氣控制系統

電氣控制系統主要功能是實現試驗器電機、燃油、潤滑等系統的供配電、啟停控制、線路過載保護、系統聯鎖保護等功能。電氣控制系統由成套電控柜、隔離變壓器、PLC 系統、直流電源等組成。電氣控制系統具有線路保護及系統連鎖等功能，其PLC 系統還提供遠程控制及監視功能。圖5 為電氣控制系統的整體架構圖。

圖5 電氣控制系統的整體架構圖

2.6 電氣驅動系統

由于半物理仿真試驗平臺有快速響應要求，因此采用高速小慣量電機作為動力源，為HMU、交流發電機等提供動力。

一般采用兩套傳動電機，一套用于驅動交流發電機，另一套用于驅動HMU、轉速傳感器音輪和交流發電機（備用），動力和轉速的分流通過齒輪箱來實現。

2.7 燃油系統

燃油系統為半物理試驗平臺提供油源，能夠進行常溫、高溫和低溫試驗。

2.7.1 燃油系統組成

燃油系統采用模塊化結構設計，由安裝臺架、液壓油站、燃油計量及管路系統、低溫試驗箱等部分組成。

1）安裝臺架

安裝臺架用于試驗產品的安裝及測試，由臺柜、燃油及潤滑管路、控制線束等組成。

安裝臺架正面是工作區域，HMU等產品安裝在臺柜上。

燃油及滑油連接管路安裝在臺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，產品的安裝定位方式與其在發動機中的安裝近似，產品之間通過金屬軟管實現燃油及滑油系統的快速連接。

臺架的下部安裝有漏油盤，廢油可通過漏油盤底部的球閥手動排出。

2）液壓油站

液壓油站為系統供應低壓油源，由閥門、離心泵、過濾器、油氣分離器、冷卻器、底座、漏油盤等組成。

3）燃油計量及管路系統

為方便維護和校驗工作，將燃油系統中的供油控制回路、回油控制回路、溫度控制回路、流量測試回路等部分集成安裝在專門的閥架上。

4）低溫試驗箱

低溫試驗箱采用分體式設計，分為室外機和室內機兩部分，室外機由壓縮機、散熱器和控制器等組成；室內機由熱交換器、循環泵和低溫油箱等組成。試驗箱箱體外壁采用Q235-A 鋼板噴塑處理，內膽采用不銹鋼鏡面板制作，室內機側面設有通道，用于低溫油箱進出口管路及電氣線路的接入。

2.7.2 燃油系統工作原理

常溫試驗時，燃油系統為開式循環模式，油箱內的燃油經低壓泵增壓后，輸送到被試產品進口，循環至油箱，油液的溫度通過水冷系統進行控制。

高溫試驗采用閉式循環加熱的方式實現，低壓泵此時起補油泵的作用，油液溫度由溫控閥自動控制。需要加溫時，溫控閥開度加大，減小補油量使油液快速加熱；不需加溫時溫控閥開小，增大主油箱內冷油的補油量以降低管路溫度。

低溫試驗所需的低溫燃油由低溫油箱供給，由低溫試驗箱對燃油進行冷卻，通過控制閥門的切換，使供油泵從低溫油箱內抽取燃油，并將試驗后的油液循環回低溫油箱。

2.8 潤滑系統

潤滑系統用于提供試驗平臺所需潤滑油。由于齒輪箱及離心增壓泵分別為試驗產品和設備部件，因此采用獨立的潤滑系統，即產品潤滑系統和設備潤滑系統。

1）產品潤滑系統

為產品提供潤滑油，由潤滑油箱、供油泵、過濾器、電加熱器、冷卻器、壓力傳感器、調壓閥和回油泵等組成，具有壓力、溫度及液位等報警功能。

2）設備潤滑系統

為齒輪箱及產品連接座提供潤滑油，由潤滑油箱、供油泵、過濾器、冷卻器、壓力傳感器、調壓閥和回油泵等組成，具有壓力、溫度及液位等報警功能。

2.9 輔助系統

輔助系統包括氣動系統及水路系統、視頻監控系統。

1）氣動系統

用于控制液壓管路上的各種氣動調節閥和氣動換向閥，系統由壓縮空氣驅動，由電磁閥和氣動管路等組成。

2）水路系統

用于冷卻燃油及潤滑油，冷卻水的接通由電磁閥控制。

3）視頻監控系統

為保障產品和設備安全，在操作過程中采用視頻監控系統對設備運行情況進行實時監控。

2.10 工藝附件

工藝附件一般采用新品附件，主要包含作動筒（根據實際情況）、導葉位移傳感器（根據實際情況）、分配器等，一般作為配套器材連接在仿真回路上。在試驗平臺研制期間，將利用工藝附件對試驗平臺進行功能驗證、校準和磨合試驗等。

2.11 操縱臺

操縱臺包括操縱臺面、顯示面、柜體等。操縱臺面及顯示面裝有發動機載荷桿、油門桿、顯示儀表、開關按鈕指示燈及計算機顯示屏。計算機、電源、接線端子等放置在操縱臺內部，操縱臺內部設置走線槽，用于布置各種電源電纜、信號電纜。

3 半物理試驗平臺搭建關鍵技術

1）發動機數學模型

發動機實時數學模型是仿真試驗器的核心內容，需要實時準確地計算發動機在包線內的工作狀態，保證數學模型的運行效率以及與真實工況的差異，具有一定的技術難度。

2）仿真測試程序

仿真測試程序包含試驗器特性和通道校準的調整參數，以及動態穩態的所有基本測試程序及用戶界面。

3）信號模擬系統

信號模擬系統是仿真試驗器硬件通道上最重要的組成部分，大部分航空發動機控制領域的特殊傳感器需要通過該系統實現實時模擬，并提供給ECU，以實現系統的閉環工作。

4）故障注入系統

故障注入系統需要對控制系統的各類傳感器信號和控制信號進行故障模擬，根據操縱指令在規定時刻實現開路、短路等故障模式的信號注入。

5）傳動系統的慣性

由于發動機的調節速度非常快，要求試驗平臺的傳動系統必須具備快速加減速能力，傳動系統應具備大功率、小慣量、高響應的特點。

6）測控系統的精度和快速響應

為保證系統調節實時性，要求燃油流量計必須具有較高的精度和快速響應能力。

4 結論

發動機半物理仿真試驗臺是一個復雜系統，涉及機械、液壓、電子、計算機軟硬件等諸多領域，器材、備件選型的正確性、合理性對于提高試驗臺的可靠性、可維修性、經濟性等具有重要意義。