应用于商用航空发动机控制系统的半物理仿真试验系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种应用于商用航空发动机控制系统的半物理仿真试验系统，包括：监控系统，其设置试验参数并控制设备；实时仿真与座舱模拟系统，其根据试验参数计算商用航空发动机的运行状态并输出控制信号；传动系统，其根据控制信号来提供转速信号；模拟系统，其根据控制信号来提供工作环境；试验对象安装系统，其提供与试验对象真实布局一致的安装空间；数采系统，其采集试验对象和试验设备的工作参数并将其反馈至监控系统；供油系统，其用于提供燃油；以及电气系统，其用于供电以及电气连接，其中，监控系统还监视工作参数并控制试验过程。
【专利说明】应用于商用航空发动机控制系统的半物理仿真试验系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半物理仿真试验系统，具体地，涉及一种应用于商用航空发动机控制系统的半物理仿真试验系统。
【背景技术】
[0002]现代航空发动机全权限数字电子控制(Full Authority Digital EngineControl:FADEC)已实现了电调，即通过电子控制器完成发动机本体的控制功能和与飞机协同工作的任务。发动机控制系统主要由电子控制器、发动机监视装置、燃油部件、作动部件、FADEC交流发电机、传感器以及电缆等组成，同时具有高可靠性和高安全性的复杂控制系统。
[0003]为了满足适航条款FAR33.28-发动机控制系统中对于控制系统功能验证的要求，就需要开发相应的测试系统来验证控制系统的适航符合性。根据国外商用航空发动机控制系统的开发经验，控制系统的开发验证过程需要经历全数字仿真、硬件在回路仿真、半物理仿真以及整机台架试车等。其中半物理仿真是重要的一环，它是在完成了控制系统的硬件研制、软件设计之后，且完成了硬件在回路仿真试验之后，对控制系统进行的软硬件系统集成试验，验证系统的功能、性能以及接口等是否满足需求，从而减少发动机整机台架试验的风险。因此对于商用航空发动机控制系统的研制来说，控制系统半物理仿真试验系统是必不可少的。
[0004]国内发动机控制系统半物理仿真试验系统均针对军用航空发动机，专门用于商用航空发动机控制系统的半物理仿真试验系统在国内属于首次提出。与军用航空发动机控制系统半物理仿真试验系统相比，商用航空发动机控制系统半物理仿真试验系统将采用商用航空发动机以及飞机的模型，同时对EEC和EMU进行联合调试，更加突出商用航空发动机的高安全性和高可靠性，为商用航空发动机的适航取证提供试验数据支持。
【发明内容】
[0005]为了验证商用航空发动机在全工况全包线内的工作性能，提出了一种应用于商用航空发动机控制系统的半物理仿真试验系统。该试验系统能够对发动机控制系统与飞机、发动机模型进行闭环试验，测试在飞机不同状态下的控制系统的控制功能和性能，同时能够进行发动机控制系统的动态参数测试和动态特性分析，发动机控制系统故障状态的模拟，发动机在各种限制以及超限边界、保护以及应急状态下控制系统的正确性验证，以及发动机控制系统附件的长期试车等。
[0006]商用航空发动机控制系统半物理仿真试验系统，以商用大涵道比涡扇发动机为研究对象，用于发动机控制系统的静态性能和动态性能的试验，研究和分析发动机控制系统的静态和动态性能，研究和分析发动机在全包线范围内工作时控制系统的适应性和匹配性。依据本发明的应用于商用航空发动机控制系统的半物理仿真试验系统包括:
[0007]监控系统，其被配置为设置试验参数并控制设备；[0008]实时仿真与座舱模拟系统，其被配置为根据所述试验参数计算所述商用航空发动机的运行状态并输出控制信号；
[0009]传动系统，其被配置为根据所述控制信号来提供转速信号；
[0010]模拟系统，其被配置为根据所述控制信号来提供工作环境；
[0011]试验对象安装系统，其被配置为提供与试验对象真实布局一致的安装空间；
[0012]数采系统，其被配置为采集所述试验对象和所述试验设备的工作参数并将其反馈至所述监控系统；
[0013]供油系统，其用于提供燃油；以及
[0014]电气系统，其用于供电以及电气连接，
[0015]其中，所述监控系统还被配置为监视所述工作参数并控制试验过程。
[0016]在一个实施例中，所述半物理仿真试验系统还包括故障注入系统，所述实时仿真与座舱模拟系统的所述控制信号经过所述故障注入系统进入所述试验对象，以模拟所述试验对象的故障状态。
[0017]在一个实施例中，所述实时仿真与座舱模拟系统包括飞机、发动机模型、油门杆和控制按钮，所述实时仿真与座舱显示系统被配置为运行所述飞机、发动机模型且根据所述油门杆的角度、控制按钮的操作以及来自所述试验对象的数据计算所述商用航空发动机的运行状态并输出所述控制信号。
[0018]在一个实施例中，所述模拟系统包含信号模拟系统、滑油模拟系统、气压模拟系统以及振动模拟系统，其中所述信号模拟系统用于模拟传感器信号，所述滑油模拟系统用于提供滑油传感器所需的工作环境，气压模拟系统用于提供气体压力传感器所需的工作环境，振动模拟系统用于提供振动传感器所需的工作环境。
[0019]更具体地，上述商用航空发动机控制系统半物理仿真试验系统由以下几部分组成:
[0020]监控系统，其用于半物理仿真试验设备的操作控制与管理，试验对象和试验设备的参数监视与显示，试验数据的管理等等；
[0021]实时仿真与座舱模拟系统，其用于提供满足实时性和精度要求的发动机模型和飞机模型，并模拟飞机油门杆和控制按钮的操作以及飞机的座舱显示等；
[0022]供油系统，其用于提供燃油部件所需的燃油，同时能够模拟作动部件所需的负载和由燃油喷嘴、燃油总管形成的反压；
[0023]故障注入系统，其用于实现对电子控制器、发动机监视装置电气接口的软硬件故障注入；
[0024]传动系统，其用于为燃油泵、交流发电机以及转速传感器测试提供所需的传动输A ；
[0025]模拟系统，其包含信号模拟系统、滑油模拟系统、气压模拟系统、振动模拟系统，其中信号模拟系统用于模拟各种传感器信号，滑油模拟系统用于提供滑油传感器所需的工作环境，气压模拟系统用于提供气体压力传感器所需的工作环境，振动模拟系统用于提供振动传感器所需的工作环境；
[0026]数采系统，其用于试验对象以及试验设备参数的采集与测量；
[0027]电气系统，其用于整个试验系统的供电以及电气连接；[0028]试验对象安装系统，其用于提供模拟试验对象真实布局的安装。
[0029]商用航空发动机控制系统半物理仿真试验系统，通过监控系统完成试验参数的设置等准备工作，同时对整个试验过程进行参数的监视与过程的控制；试验参数配置好后，实时仿真与座舱显示系统开始运行飞机、发动机模型，同时根据油门杆角度、控制按钮的操作以及来自试验对象的数据，计算出发动机的运行状态，输出信号来控制传动系统、模拟系统以及试验对象；传动系统根据来自实时仿真与座舱显示系统的控制信号，提供试验对象所需的转速；模拟系统根据来自实时仿真与座舱显示系统的控制信号，提供试验对象所需的工作环境，其中信号模拟系统的输出信号经过故障注入系统进入到试验对象，以便能够模拟出试验对象可能出现的各种故障状态；试验对象根据来自实时仿真与座舱显示系统的信号，在传动系统和模拟系统的辅助下，处于不同的工作状态，并将其状态参数反馈给实时仿真与座舱模拟系统，形成闭环控制。在整个过程中，数采系统采集试验对象和试验设备的各种参数并反馈给监控系统，确保半物理仿真试验系统能够安全可靠的运行。
[0030]整个过程确保了商用航空发动机控制系统的静态性能和动态性能试验的实现，为研究和分析发动机控制系统的静态和动态性能，研究和分析发动机在全包线范围内工作时控制系统的适应性和匹配性提供了平台。
[0031]商用航空发动机控制系统半物理仿真试验系统采用半实物仿真的方式完成了发动机控制系统软硬件集成的功能、性能以及接口特性的验证，能够及时发现设计中存在的问题，并有效避免发动机整机试车中存在的危险。商用航空发动机控制系统半物理仿真试验系统是发动机控制系统开发过程中必不可少的试验系统，确保发动机控制系统的正确性和可靠性，有效的降低整机试车的风险，最终能够有效的缩短发动机控制系统的研发周期，降低控制系统的研制费用。
[0032]本发明的以上特性及其他特性将在下文中的【具体实施方式】部分进行明确地阐述。【专利附图】
【附图说明】
[0033]通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0034]图1示出了商用航空发动机控制系统半物理仿真试验系统框图。
[0035]在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的模块(装置)。
【具体实施方式】
[0036]图1示出了商用航空发动机控制系统半物理仿真试验系统框图，该试验系统由以下系统组成:
[0037]监控系统，该监控系统具有试验参数设置功能，试验数据的显示及分析功能，以及试验设备的监控功能。试验参数设置功能包括试验配置文件的导入和调整功能，试验设备的控制参数设置功能等；试验数据的显示及分析功能包括试验数据的记录功能且记录速度可进行设置，试验数据的显示功能，试验数据的分析功能以及试验数据的管理功能；试验设备的监控功能提供对试验设备的控制、实时监控以及各个系统间的连锁保护等功能；
[0038]实时仿真与座舱模拟系统，该实施仿真与座舱模拟系统具有飞机、发动机实时模型运行功能，以及飞机油门杆、操作按钮、以及座舱显示的模拟功能，该系统提供了油门杆装置的模拟，该油门杆可进行编程控制，同时提供了飞机座舱操作按钮的模拟，这些模拟设备具有与真实设备相同的电气特性，同时提供了飞机座舱显示界面的模拟。飞机、发动机实时模型能够根据给定的输入，提供发动机的各种参数，如高压转子转速、低压转子转速、各个截面的气体温度和压力、起动系统和反推系统的信号等；能够模拟出发动机的各个工作状态，如起动过程、慢车状态、爬升状态、巡航状态、停车等等；能够对各种传感器进行动态仿真，且具有故障注入的功能；
[0039]故障注入系统，该故障注入系统实现对试验对象的电气接口的故障的硬件以及软件注入功能，主要包括:电子控制器与油门杆装置之间的故障注入；电子控制器与飞机座舱操作按钮之间的故障注入；电子控制器与飞机通讯总线的故障注入；电子控制器与控制传感器之间的故障注入；电子控制器与反馈传感器之间的故障注入；电子控制器与电液伺服阀之间的故障注入；电磁阀的电气连接的故障注入；机械液压装置与飞机操作按钮之间的故障注入；电子控制器与发动机监视装置之间通讯总线的故障注入；发动机装置与监视传感器之间的故障注入；
[0040]供油系统，该供油系统模拟飞机油箱来油，提供燃油部件所需的燃油。该系统由压力油箱、增压泵、真空装置、油滤、当量喷嘴、负载模拟装置、换热装置、以及各种阀门和管路组成，压力油箱能够提供试验对象所需的最大燃油流量，同时能够承受负压，具有燃油温度、油位和正负压力测量以及显示仪表，同时具有回油、出油、补油以及泄油接口，并在油箱顶部设置安全阀；增压泵的额定转速流量不小于试验对象所需的最大燃油流量，同时增压泵出口压力大于试验对象的入口压力并留有一定的裕度，同时出口压力可根据试验需求进行设定，从而满足试验对象的工作范围要求；真空装置能够提供飞机处于高空且飞机增压泵不工作的极端情况的模拟；设置油滤从而确保进入燃油部件和作动部件燃油的清洁度；设置回油管路确保燃油的循环使用；在回油管路上设置换热装置，来降低由于燃油循环产生的燃油温度的增加；在管路上设置各种阀门来确保试验系统的安全以及维护，各阀门配装阀门位置开关，位置开关具有开关量输出和机械指示；无阀门部分的管路具有热膨胀和过压保护，同时在管路的合理位置处设置有放气装置；管路上还设置有相应的流量、压力和温度测试传感器，以便对供油系统进行监控；负载模拟装置模拟作动部件工作状态下的外部负载，当量喷嘴用来模拟燃油总管中的反压。
[0041]传动系统，该传动系统提供试验对象所需的传动输入，主要包括:提供燃油泵所需的传动；提供FADEC交流发电机所需的传动；提供转速传感器所需的传动。该系统采用高速电机直接驱动试验对象，同时对高速电机的输出扭矩进行实时监控；
[0042]信号模拟系统，该信号模拟系统提供试验对象所需的各种输入信号的模拟，主要包括:热电阻信号的模拟；热电偶信号的模拟；转速传感器信号的模拟；气体压力传感器信号的模拟；振动传感器信号的模拟；反推系统信号的模拟；起动系统信号的模拟；以及通讯总线信号的模拟；
[0043]滑油模拟系统，该滑油模拟系统为商用航空发动机上所采用的各种滑油传感器提供测试环境并为试验对象提供滑油润滑。该系统主要由滑油箱、滑油供油泵、油滤、回油泵、热交换装置、传感器以及配套液压附件组成。滑油箱用于滑油的存储，滑油通过滑油供油泵从滑油箱中抽出，通过油滤以及滑油管路，进入到试验对象中，然后通过回油泵进入到热交换装置，最后回到滑油箱中，从而形成一个滑油的循环回路。各种滑油传感器将被安装在滑油箱、油滤以及供油管路上，并最终将这些传感器信号送入到EMU中进行监测；
[0044]气压模拟系统，该气压模拟系统能够模拟发动机各个截面上的气体压力，并按照试验需求输出规定压力、流量的空气。该系统由输出高于标准大气压的正压空气系统和输出低于标准大气压的负压空气系统两大部分组成。正压空气系统主要由气泵、空气过滤器、稳压装置、电-气转换器、空气流量放大器、气体安全阀、管道以及阀门组成；负压空气系统由真空泵、真空缓冲器、调节阀、电-气转换器、管道以及阀门组成；
[0045]振动模拟系统，该振动模拟系统为振动传感器提供工作环境。该系统能够进行闭环控制，能够提供正弦振动、随机振动等，同时也能够根据给定的振动图谱来提供振动环境。该系统主要由振动台、数据采集、信号调理和控制模块组成，控制模块将控制指令发送到信号调理模块，形成振动台的驱动信号，同时数据采集模块负责振动台参数的测量与采集，并将振动台相关参数发送到控制模块用于控制，从而形成振动台闭环控制，并最终模拟出振动传感器的工作环境；
[0046]数采系统，该数采系统能够对试验设备和试验对象的监测数据进行采集。该系统采用模块化设计，以智能化采集模块为基础，以实时工业以太网为核心，采用分布式采集技术，对半物理仿真试验系统中的试验对象和试验设备进行可靠、规范、精确的测量及监控。该系统主要由各类型传感器的智能采集模块，以及实时工业以太网模块等组成；
[0047]电气系统，该电气系统能够为试验对象和试验设备提供所需的电源，并提供试验系统中所需的电气连接，同时具备过载、缺相、短路等保护功能。该系统主要由电缆、继电器盒、功率变换器、保护装置等组成；
[0048]试验对象安装系统，该试验对象安装系统为试验对象提供模拟其真实空间布局的安装位置，其中燃油部件间的管路布局与发动机真实管路布局相似。该安装系统采用框架式结构，具有燃油部件的漏油防护装置，同时便于试验对象的安装、调试与维护。
[0049]整个过程确保了商用航空发动机控制系统的静态性能和动态性能试验的实现，为研究和分析发动机控制系统的静态和动态性能，研究和分析发动机在全包线范围内工作时控制系统的适应性和匹配性提供了平台。
[0050]商用航空发动机控制系统半物理仿真试验系统采用半实物仿真的方式完成了发动机控制系统软硬件集成的功能、性能以及接口特性的验证，能够及时发现设计中存在的问题，并有效避免发动机整机试车中存在的危险。商用航空发动机控制系统半物理仿真试验系统是发动机控制系统开发过程中必不可少的试验系统，确保发动机控制系统的正确性和可靠性，有效的降低整机试车的风险，最终能够有效的缩短发动机控制系统的研发周期，降低控制系统的研制费用。
[0051]本领域技术人员应能理解，上述实施例均是示例性而非限制性的。在不同实施例中出现的不同技术特征可以进行组合，以取得有益效果。本领域技术人员在研究附图、说明书及权利要求书的基础上，应能理解并实现所揭示的实施例的其他变化的实施例。在权利要求书中，术语“包括”并不排除其他装置或步骤；“一个”不排除多个；术语“第一”、“第二”用于标示名称而非用于表示任何特定的顺序。权利要求中的任何附图标记均不应被理解为对保护范围的限制。某些技术特征出现在不同的从属权利要求中并不意味着不能将这些技术特征进行组合以取得有益效果。本专利覆盖在字面上或在等同原则下落入所附权利要求的范围的所有装置和产品。
【权利要求】
1.一种应用于商用航空发动机控制系统的半物理仿真试验系统，包括: 监控系统，其被配置为设置试验参数并控制设备； 实时仿真与座舱模拟系统，其被配置为根据所述试验参数计算所述商用航空发动机的运行状态并输出控制信号； 传动系统，其被配置为根据所述控制信号来提供转速信号； 模拟系统，其被配置为根据所述控制信号来提供工作环境； 试验对象安装系统，其被配置为提供与试验对象真实布局一致的安装空间； 数采系统，其被配置为采集所述试验对象和所述试验设备的工作参数并将其反馈至所述监控系统； 供油系统，其用于提供燃油；以及 电气系统，其用于供电以及电气连接， 其中，所述监控系统还被配置为监视所述工作参数并控制试验过程。
2.根据权利要求1所述的半物理仿真试验系统，其特征在于，所述半物理仿真试验系统还包括故障注入系统，所述实时仿真与座舱模拟系统的所述控制信号经过所述故障注入系统进入所述试验对象，以模拟所述试验对象的故障状态。
3.根据权利要求1所述的半物理仿真试验系统，其特征在于，所述实时仿真与座舱模拟系统包括飞机、发动机模型、油门杆和控制按钮，所述实时仿真与座舱显示系统被配置为运行所述飞机、发动机模型且根据所述油门杆的角度、控制按钮的操作以及来自所述试验对象的数据计算所述商用航空发动机的运行状态并输出所述控制信号。
4.根据权利要求1所述的半物理仿真试验系统，其特征在于，所述模拟系统包含信号模拟系统、滑油模拟系统、气压模拟系统以及振动模拟系统，其中所述信号模拟系统用于模拟传感器信号，所述滑油模拟系统用于提供滑油传感器所需的工作环境，气压模拟系统用于提供气体压力传感器所需的工作环境，振动模拟系统用于提供振动传感器所需的工作环境。
【文档编号】G05B17/02GK103869707SQ201210537309
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2012年12月13日 优先权日:2012年12月13日
【发明者】杨永敏, 殷锴, 吕晓武, 陈娇, 张园锁 申请人:中航商用航空发动机有限责任公司