南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院 張?zhí)旌?/p>

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求日益提高。全權(quán)限數(shù)字電子控制（Full Authority Digital Electronic Control，F(xiàn)ADEC）是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要特征之一。FADEC系統(tǒng)是一種典型的復(fù)雜嵌入式控制系統(tǒng)，具有極高的可靠性要求。航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)正面臨著控制任務(wù)多、復(fù)雜度高、難度大且需求多樣化的技術(shù)挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的量體裁衣和基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)流程已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展需求，迫切需要采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和高效的研發(fā)手段加以應(yīng)對(duì)。

美國(guó)英國(guó)等技術(shù)先進(jìn)國(guó)家在航空、汽車等復(fù)雜嵌入式控制系統(tǒng)研制領(lǐng)域已廣泛采用基于模型的設(shè)計(jì)（Model Based Design, MBD）理念。所謂MBD是指，在整個(gè)控制系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中使用系統(tǒng)模型作為載體進(jìn)行方案評(píng)估、驗(yàn)證和目標(biāo)系統(tǒng)的發(fā)布，整個(gè)開發(fā)流程呈現(xiàn)一種從上至下的技術(shù)分解以及從下而上的系統(tǒng)綜合過(guò)程，即所謂的“V”形體系結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法相比，基于模型的設(shè)計(jì)方法有助于更好地理解備選設(shè)計(jì)方案和權(quán)衡設(shè)計(jì)要素，從而能夠?qū)?fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行高效的優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)師采用圖形化的工具快速構(gòu)建各種系統(tǒng)模型，將現(xiàn)有的C代碼與標(biāo)準(zhǔn)控制模塊庫(kù)整合，實(shí)現(xiàn)基于代碼復(fù)用的自動(dòng)代碼生成，使嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率大幅度提高。

基于MBD理念開展復(fù)雜嵌入式控制系統(tǒng)研發(fā)的必要條件是擁有一種合適的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，這種仿真平臺(tái)一方面能實(shí)時(shí)運(yùn)行控制對(duì)象或控制器本身的模型；另一方面要具備與控制器實(shí)物或控制對(duì)象的信號(hào)接口能力。基于這樣的仿真平臺(tái)可以構(gòu)建控制器快速原型（RCP），或者開展控制器實(shí)物在回路仿真（HIL）[1-2]。通過(guò)實(shí)時(shí)仿真，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種模型之間的差異，而不需要等到設(shè)計(jì)周期完成后才發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題。

目前，國(guó)外已推出了多種商用化的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，最具代表性的是美國(guó)ADI、德國(guó)dSPACE、英國(guó)ADS2和加拿大的RT-Opal公司的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)。dSPACE的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)Simulator在航空航天領(lǐng)域的復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，它與MATLAB/SIMULINK無(wú)縫集成，可以直接生成代碼下載到實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)上。ADI公司一直著眼于為汽車、航空航天、國(guó)防軍工等領(lǐng)域的用戶提供復(fù)雜控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真產(chǎn)品，其AD10、AD100仿真系統(tǒng)在20世紀(jì)80～90年代就享譽(yù)實(shí)時(shí)仿真領(lǐng)域，引領(lǐng)了后來(lái)AD RTS 系統(tǒng)和RTX系統(tǒng)的發(fā)展。ADI的RTX和RTS系列仿真平臺(tái)提供獨(dú)具特色具有故障注入功能的中斷板、具有自檢及自校能力并可快速配置的接口面板，可用于構(gòu)建RCP和開展HIL實(shí)時(shí)仿真。

雖然國(guó)內(nèi)有關(guān)單位先后以極其昂貴的價(jià)格引進(jìn)了dSPACE和ADI等公司的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，但這些產(chǎn)品的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)機(jī)制不開放，而且針對(duì)性不強(qiáng)，部分信號(hào)接口的模擬逼真度不理想，難以直接使用。近年來(lái)由于相關(guān)產(chǎn)品的航空高技術(shù)應(yīng)用背景，西方國(guó)家已經(jīng)開始限制其出口到中國(guó)。

為了避免我國(guó)航空高技術(shù)領(lǐng)域受制于人，我們有必要突破FADEC系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)關(guān)鍵，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的仿真接口設(shè)備。而且，未來(lái)20年我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)規(guī)模巨大，必將孕育一個(gè)巨大的FADEC系統(tǒng)設(shè)計(jì)和售后服務(wù)市場(chǎng)，我國(guó)對(duì)高性價(jià)比的實(shí)時(shí)仿真設(shè)備有大量需求，急需研究。

本文從工程應(yīng)用的角度闡述航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真的必要性、實(shí)時(shí)仿真的技術(shù)要點(diǎn)，并探討了實(shí)時(shí)仿真涉及到的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，為國(guó)內(nèi)進(jìn)一步開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)研究提供參考。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真的必要性

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，控制變量增加、功能要求提高，使得FADEC系統(tǒng)的復(fù)雜度不斷加大，研制難度和周期增加，傳統(tǒng)的量體裁衣和基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)流程已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展需求。通常FADEC系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過(guò)程是并行推進(jìn)的，在實(shí)際用于真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)控制之前，如何有效開展FADEC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。

MBD設(shè)計(jì)理念及實(shí)時(shí)仿真技術(shù)為FADEC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供了一個(gè)有效的途徑。FADEC系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程是一種系統(tǒng)工程，其研制過(guò)程符合系統(tǒng)工程的基本方法，即從上至下的技術(shù)分解以及從下而上的逐級(jí)綜合和驗(yàn)證過(guò)程，如圖1所示的“V”形體系結(jié)構(gòu)[4]。

圖1 FADEC系統(tǒng)的研制流程

在FADEC系統(tǒng)開發(fā)的每一個(gè)階段都需要進(jìn)行全面的測(cè)試。首先是電子控制器的硬件與軟件的綜合和驗(yàn)證，即電子控制器HIL實(shí)時(shí)仿真；第二步是電子控制器與液壓機(jī)械系統(tǒng)及傳感器的綜合和試驗(yàn)驗(yàn)證，稱為半物理實(shí)時(shí)仿真。FADEC系統(tǒng)研制流程中的實(shí)時(shí)仿真環(huán)節(jié)如圖2所示。經(jīng)過(guò)全面的實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證之后，才會(huì)開展地面臺(tái)架試驗(yàn)、高空臺(tái)試驗(yàn)及飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。

基于控制器HIL、控制系統(tǒng)半物理仿真，可以從工程可行性的角度，對(duì)控制算法、邏輯、程序的正確性以及對(duì)控制系統(tǒng)軟硬件和參數(shù)的匹配性進(jìn)行實(shí)時(shí)驗(yàn)證。通過(guò)充分的實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)，特別是各種故障模式和極限工作場(chǎng)景的模擬試驗(yàn)，為進(jìn)一步開展臺(tái)架試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)，規(guī)避試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，縮減試驗(yàn)周期，從而可以極大地提高控制系統(tǒng)的研制效率和降低研制成本。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的技術(shù)特征

1 實(shí)時(shí)仿真的定義

仿真是指利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)，現(xiàn)代仿真技術(shù)一般基于計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的數(shù)值模型程序來(lái)模擬被研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，實(shí)時(shí)數(shù)字仿真一般采用固定的時(shí)間步長(zhǎng)。實(shí)時(shí)數(shù)字仿真要求在給定的時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)完成系統(tǒng)的所有函數(shù)和方程的計(jì)算過(guò)程，并且正確輸出系統(tǒng)的所有狀態(tài)和變量。實(shí)時(shí)仿真時(shí)序圖如圖3所示[1]。

圖2 FADEC系統(tǒng)研制流程中的實(shí)時(shí)仿真環(huán)節(jié)

圖3 實(shí)時(shí)仿真時(shí)序圖

由于計(jì)算機(jī)計(jì)算能力以及不同系統(tǒng)復(fù)雜度的差異，計(jì)算過(guò)程有可能比被模擬系統(tǒng)的實(shí)際時(shí)間進(jìn)度快些或者慢些，如圖3（a）和圖3（b）所示，這兩種仿真過(guò)程統(tǒng)稱為非實(shí)時(shí)仿真或離線仿真，其中圖3（a）也叫加速仿真。離線仿真是為了盡快地獲取仿真結(jié)果，仿真計(jì)算的速度取決于使用的計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和系統(tǒng)的復(fù)雜度。在實(shí)時(shí)仿真中，仿真的準(zhǔn)確性不僅僅取決于計(jì)算結(jié)果的精度，同時(shí)也取決于求解計(jì)算結(jié)果所花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)度。圖3（c）表達(dá)了實(shí)時(shí)仿真的時(shí)間序列關(guān)系，要使一個(gè)實(shí)時(shí)仿真有效，實(shí)時(shí)仿真器在仿真中需要在精確的時(shí)刻產(chǎn)生內(nèi)部變量和狀態(tài)輸出，使其與實(shí)際物理對(duì)象在相應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)上保持一致。實(shí)際上，在給定的時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，如果仿真計(jì)算過(guò)程所花費(fèi)的時(shí)間比實(shí)際物理對(duì)象經(jīng)歷的時(shí)間步長(zhǎng)短，就能達(dá)到上述實(shí)時(shí)性的要求。實(shí)時(shí)仿真與加速仿真的不同之處是，內(nèi)部變量和狀態(tài)輸出的更新應(yīng)該發(fā)生在仿真步長(zhǎng)所確定的時(shí)刻。如果仿真計(jì)算時(shí)間超過(guò)給定的時(shí)間步長(zhǎng)，則被認(rèn)為是超時(shí)，從而導(dǎo)致實(shí)時(shí)仿真的失效。

因此，只要仿真計(jì)算過(guò)程不超時(shí)，并對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果的更新加以時(shí)間控制，就能做到實(shí)時(shí)仿真。而仿真計(jì)算是否超時(shí)和仿真步長(zhǎng)的確定密切相關(guān)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，仿真步長(zhǎng)一般取系統(tǒng)中最快環(huán)節(jié)最小時(shí)間常數(shù)的5%～10%。比如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)燃油流量響應(yīng)的最小時(shí)間常數(shù)在0.4s，那么可取仿真步長(zhǎng)為 20～40ms，而在燃油調(diào)節(jié)器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)小回路中最小時(shí)間常數(shù)在0.1s，那么這些小回路的仿真步長(zhǎng)可取5～10ms。對(duì)于用于壓氣機(jī)主動(dòng)控制的高頻響執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其帶寬高達(dá)500Hz，那么對(duì)應(yīng)的仿真步長(zhǎng)應(yīng)在30μs以內(nèi)。

對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的大型系統(tǒng)，為了提高整體仿真性能，有可能針對(duì)不同環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性差異而采用不同的仿真步長(zhǎng)，即多速率仿真，甚至將仿真計(jì)算過(guò)程分布于多個(gè)并行計(jì)算節(jié)點(diǎn)上，這時(shí)需要處理好節(jié)點(diǎn)之間仿真時(shí)刻的同步問(wèn)題。對(duì)于因?yàn)橥ㄐ沤涌谠斐煞抡婀?jié)點(diǎn)之間的時(shí)延，以及因?yàn)椴煌?jié)點(diǎn)采用的仿真步長(zhǎng)不一致，應(yīng)采取插值補(bǔ)償措施以保證仿真系統(tǒng)的精度。

前不久，妹妹跟我抱怨，當(dāng)年她嫁給妹夫的時(shí)候兩人都比較窮，只在老家辦了簡(jiǎn)易的酒席，宴請(qǐng)了相熟的親朋好友，如今生活好一點(diǎn)了，妹夫也沒(méi)有再提要補(bǔ)辦一場(chǎng)婚禮。

圖4 開放式、模塊化的仿真接口設(shè)備總體架構(gòu)

2 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)技術(shù)要點(diǎn)

縱觀國(guó)外各種先進(jìn)的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，它們共同的技術(shù)特點(diǎn)如下：（1）擁有先進(jìn)的實(shí)時(shí)計(jì)算平臺(tái)，一方面具備帶浮點(diǎn)處理能力的高性能處理器，最好采用與目標(biāo)應(yīng)用一致的嵌入式控制器；另一方面具備多任務(wù)實(shí)時(shí)調(diào)度管理能力的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，從而便于進(jìn)行多任務(wù)實(shí)時(shí)仿真控制。（2）擁有配套的開發(fā)平臺(tái)，方便開展模型開發(fā)以及C代碼或目標(biāo)代碼自動(dòng)生成，一般借助MATLAB的軟件資源加以實(shí)現(xiàn)。（3）擁有豐富的接口適配能力，提供與控制器或控制對(duì)象之間的信號(hào)接口。（4）提供試驗(yàn)管理軟件，便于試驗(yàn)過(guò)程的管理、監(jiān)視與數(shù)據(jù)處理，有的還提供基于腳本的試驗(yàn)過(guò)程自動(dòng)化能力。

3 總體架構(gòu)

在分析國(guó)外先進(jìn)仿真平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文給出一種開放式、模塊化的仿真接口設(shè)備總體架構(gòu)，如圖4所示[5]。該架構(gòu)將接口控制、信號(hào)調(diào)理、故障注入、信號(hào)配線和信號(hào)轉(zhuǎn)接單元相互分離，而且每個(gè)單元也采取群組化、模塊化組織結(jié)構(gòu)。這種架構(gòu)既適用于控制器的HIL仿真試驗(yàn)，也適用于控制系統(tǒng)的半物理仿真試驗(yàn)。

相對(duì)于dSPACE的基于專用硬件平臺(tái)或者ADI的基于PCI總線的板卡結(jié)構(gòu)形式，本項(xiàng)目的體系架構(gòu)顯著增強(qiáng)了擴(kuò)展性和維護(hù)性。由于接口控制單元與信號(hào)調(diào)理單元的相互分離，接口控制單元允許采用基于PCI總線、PXI總線、VXI總線的板卡或者是基于SPI總線的CRIO模塊架構(gòu)，甚至可以采用獨(dú)立的嵌入式系統(tǒng)模塊，開放性好，便于升級(jí)。而信號(hào)調(diào)理、故障注入、信號(hào)配線和信號(hào)轉(zhuǎn)接單元的相互分離，又使仿真接口的擴(kuò)展配置更加靈活，使用維護(hù)也更加方便。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

1 接口模擬技術(shù)

由圖2可見，開展HIL仿真的重要環(huán)節(jié)是FADEC系統(tǒng)信號(hào)接口適配器，它提供發(fā)動(dòng)機(jī)模型程序和電子控制器之間的接口界面。FADEC系統(tǒng)信號(hào)接口適配器的核心是接口模擬電路，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度、壓力以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置傳感器的接口模擬電路以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服閥或電磁閥線圈特性的模擬電路。接口模擬的關(guān)鍵在于模擬的逼真度，包括模擬的精度、實(shí)時(shí)性、負(fù)載特性、故障特性。以壓阻傳感器接口模擬為例，不僅僅要能產(chǎn)生0～100mV的信號(hào)輸出，而且要提供四端口的壓阻模擬橋路，橋路阻抗與實(shí)際傳感器要保持一致，可以接受電子控制器的電壓激勵(lì)，激勵(lì)電壓的大小對(duì)輸出信號(hào)的影響規(guī)律要和實(shí)際傳感器一致。通過(guò)逼真的接口模擬，一方面要滿足電子控制器的正常信號(hào)采集和控制需求，另一方面能保證電子控制器的自檢測(cè)電路和程序工作正常，同時(shí)通過(guò)接口模擬電路對(duì)不同故障模式的模擬，可檢測(cè)電子控制器的故障處置能力。

由于不同發(fā)動(dòng)機(jī)所配置的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性有差異，電子控制器的信號(hào)調(diào)理、驅(qū)動(dòng)以及自檢測(cè)電路也有差異，在接口模擬時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)接口模擬電路的增益、濾波帶寬、內(nèi)阻抗、接地特性、參考電平等進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，做到與被測(cè)電子控制器的最佳匹配。目前還難以設(shè)計(jì)一種通用的接口模擬電路滿足各種控制系統(tǒng)的需求，根據(jù)具體的電子控制器和測(cè)試需求自主設(shè)計(jì)有針對(duì)性的接口模擬電路，在實(shí)際使用時(shí)才會(huì)更加得心應(yīng)手。

2 動(dòng)力系統(tǒng)的小慣量電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)特性的補(bǔ)償

在開展半物理仿真試驗(yàn)時(shí)，燃油調(diào)節(jié)器一般由發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)，而燃油流量又用于調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，作為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的最重要控制回路，其仿真回路中額外的動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)必然影響仿真試驗(yàn)的置信度甚至仿真系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此必須選用小慣量電機(jī)來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行。考慮到轉(zhuǎn)速對(duì)燃油流量響應(yīng)的最小時(shí)間常數(shù)在0.4s左右，小慣量電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)應(yīng)盡量低于0.1s。這種小慣量電機(jī)一般采用調(diào)速性能優(yōu)良的直流電機(jī)或交流永磁同步伺服電機(jī)，它們的轉(zhuǎn)子直徑較小，因此具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

但是，小慣量電機(jī)總是存在一定的機(jī)電時(shí)間慣性的，這個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)必然導(dǎo)致轉(zhuǎn)速控制回路響應(yīng)特性的滯后。為了進(jìn)一步提高仿真置信度，有必要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)模型的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行修正，比如適當(dāng)減小模型的時(shí)間常數(shù)，以補(bǔ)償因?yàn)樾T量電機(jī)帶來(lái)的滯后效應(yīng)。

3 流量信號(hào)的高精度實(shí)時(shí)采集

精確快速地測(cè)量燃油調(diào)節(jié)器輸出的燃油流量是發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)半物理仿真試驗(yàn)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。燃油流量是發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)，直接參與發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的閉環(huán)仿真，流量測(cè)量的實(shí)時(shí)性和精確性直接影響仿真系統(tǒng)的有效性和置信度。

目前一般使用渦輪流量計(jì)來(lái)測(cè)量燃油流量，流量計(jì)輸出的脈沖信號(hào)頻率代表流量大小。常規(guī)的處理方法是在一定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，從而得到信號(hào)頻率，即測(cè)頻法。由于渦輪流量計(jì)信號(hào)的頻率一般只有幾十至幾千赫茲，為了保證測(cè)量精度往往需要較長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間才能得到測(cè)量結(jié)果，因此實(shí)時(shí)性差。如采用測(cè)周法，可以保證實(shí)時(shí)性，但由于渦輪葉片制造公差的原因，信號(hào)周期不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差。如采用F/V變換的方法，似乎可以避開測(cè)頻或測(cè)周的實(shí)時(shí)性問(wèn)題，但實(shí)際上F/V電路的動(dòng)態(tài)特性并不理想。也有人采取信號(hào)倍頻的方法試圖來(lái)提高測(cè)頻法的實(shí)時(shí)性，但是基于鎖相環(huán)技術(shù)的倍頻電路的動(dòng)態(tài)特性也不理想。

基于循環(huán)周期數(shù)的動(dòng)態(tài)流量測(cè)量法可以最大限度地保證流量測(cè)量的實(shí)時(shí)性和精確性[6]，其原理是：先通過(guò)連續(xù)脈沖周期試采集并經(jīng)對(duì)比分析可得循環(huán)周期數(shù)，該循環(huán)周期數(shù)與渦輪流量計(jì)葉片數(shù)量相同；將包含循環(huán)周期數(shù)個(gè)連續(xù)脈沖信號(hào)定義為脈沖群，每個(gè)新的脈沖到達(dá)時(shí)重新構(gòu)建脈沖群，滾動(dòng)采集脈沖群周期，并計(jì)算當(dāng)前脈沖群的平均周期；由當(dāng)前平均周期計(jì)算流量計(jì)的當(dāng)前頻率，從而得到當(dāng)前流量。基于循環(huán)周期數(shù)的動(dòng)態(tài)流量測(cè)量法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中渦輪流量計(jì)信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性與精確性之間的矛盾，可獲得在有限頻率下最快速和最準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

4 計(jì)量裝置的背壓模擬

半物理仿真試驗(yàn)中燃油調(diào)節(jié)器的計(jì)量流量與當(dāng)量噴嘴的背壓關(guān)系密切。背壓不同，相同流量下噴嘴前的壓力也不同，從而導(dǎo)致燃油調(diào)節(jié)的效果有差異，影響了仿真試驗(yàn)的置信度，因此要盡量根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工況進(jìn)行背壓的模擬。在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)上，噴嘴后的背壓就是壓氣機(jī)后的壓力，因此要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)模型計(jì)算出的壓氣機(jī)出口壓力實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)當(dāng)量噴嘴后的背壓。一種辦法是通過(guò)在當(dāng)量噴嘴后的管路上增加一個(gè)自動(dòng)背壓調(diào)節(jié)閥，通過(guò)模型計(jì)算機(jī)對(duì)背壓調(diào)節(jié)閥的開度控制保證背壓與壓氣機(jī)出口壓力一致。另一種方法是模擬燃燒室的霧化噴射環(huán)境，即通過(guò)對(duì)噴嘴后的氣壓腔的壓力控制，更加逼真地模擬噴嘴背壓，因此仿真試驗(yàn)的結(jié)果與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況更逼近，但配套的試驗(yàn)設(shè)備更加復(fù)雜，要解決好氣壓模擬腔內(nèi)的氣體壓力和燃油液位的控制問(wèn)題，成本也高。

結(jié)束語(yǔ)

MBD設(shè)計(jì)理念可有效應(yīng)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜研制需求，而MBD的核心工作內(nèi)容是實(shí)時(shí)仿真分析。實(shí)時(shí)仿真技術(shù)將控制器及控制算法和邏輯程序提前納入到復(fù)雜控制回路中，并可以模擬各種故障模式及極限工作場(chǎng)景，充分驗(yàn)證和評(píng)估控制器的接口能力、處理能力以及控制算法和邏輯程序的正確性，非常適合面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜嵌入式控制系統(tǒng)的前期開發(fā)研究，可有效縮短開發(fā)周期，降低研制費(fèi)用和試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。鑒于航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性及行業(yè)特殊性，采用成品實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)進(jìn)行控制系統(tǒng)開發(fā)時(shí)需要進(jìn)行適應(yīng)性改造，以保證仿真的便利性和置信度。在充分掌握實(shí)時(shí)仿真機(jī)理、領(lǐng)會(huì)仿真意圖的前提下，自主開發(fā)針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的專業(yè)仿真接口適配器，甚至全套實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，無(wú)疑將是一種非常有效的技術(shù)途徑。

[1]Bélanger J, Venne P, PaquinJ N. The What, where and why of real-time simulation.Opal-RT Technologies Technical Paper, 2010:37-49.

[2]Dufour C, Andrade C, Bélanger J. Real time simulation technologies in eeducation: A link to modern engineering methods and practices//INTERTECH 2010 Ilhéus, Bahia, Brazil,2010:1-5.

[3]張?zhí)旌? 航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字電子控制器的BIT技術(shù). 航空制造技術(shù), 2009(18):42-45.

[4]姚華. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng). 北京：航空工業(yè)出版社, 2014.

[5]林忠麟. 高置信度FADEC接口模擬技術(shù)研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué), 2014.

[6]王松,張?zhí)旌?云建峰. 基于渦輪流量計(jì)的動(dòng)態(tài)流量測(cè)量方法研究. 測(cè)控技術(shù),2012,31(11)：24-27.