航空發動機通用仿真器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于航空發動機控制系統的仿真測試系統，尤其涉及一種用于航空發動機數字式電子控制器硬件在回路的仿真測試系統。
【背景技術】
[0002]當前，航空發動機控制系統已是一個多變量、時變、非線性、多功能的復雜數字式控制系統，其性能的優劣直接影響航空發動機及飛機的性能，同時它也是一項高難度的技術，其間要完成系統研制、地面臺架試車、高空臺試車和裝機試飛驗證等工作。隨著控制功能需求的增加和控制變量的不斷增多，控制系統越來越復雜，其中，數字電子控制器的輸入輸出信號類型由幾種變為幾十種；信號數量由十幾個變為上百個，甚至幾百個；精度控制要求也越來越高。錯綜復雜的信號參數給發動機及控制系統的研制和試驗以及后期維護帶來了很大的困難，人工采集和處理這些參數數據已帶來了大幅度成本增加和時間的延長。為了減少控制系統研制成本，縮短研制周期，降低研制風險，確保發動機試驗過程中的安全，在發動機進入實際試車前必須通過大量的發動機仿真試驗和故障模擬，充分掌握控制系統的特性后，才能保證在發動機試車中有指導工程實踐作用，防止意外發生。所以在設計和研制控制系統的同時必須考慮一個非常重要的“副”產品-發動機仿真器(反控制器)，用以替代真實的發動機，進行大量的控制系統功能驗證實驗。在《航空發動機數字電子控制系統通用規范》新修訂版中對于數控系統硬件回路故障及發動機故障(單個及組合故障)的仿真覆蓋量要求，視發動機及控制系統功能的復雜程度可以達到幾何級數，單靠人工已無法完成龐大的測試工作量，所以在仿真設備的研制上必須采取相應措施。
[0003]目前國內進行電子控制器相關測試采取的技術手段有以幾種方式:
[0004]一種是研制專用模擬電子式控制器檢測臺，采用傳統以人工操作模擬電子儀器設備的試驗技術手段，可以對控制器單個功能進行開環測試，但由于自動化程度低，設備功能單一，操作過程復雜，試驗效率低下，對于復雜的發動機仿真對象，需要進行控制系統組合功能的閉環測試場合，如硬件在回路測試，就無能為力。
[0005]另一種是采購國外專業仿真測試系統產品，如美國ADI公司的基于ADvantageFrameWork的HIL(硬件在回路)仿真測試系統，采用的是基于PCI總線架構系統，系統產品組成復雜，板卡大都采用傳統金手指模式，其缺點主要是結構可靠性不夠高，散熱性能不好，不能滿足移動和抗振要求，針對的是實驗室條件的仿真測試，對于需要外場臨時性的測試場合則不適合，同時由于技術保護原因，其采用專用的實時操作系統，系統缺乏通用性，兼容配套硬件廠家極少，導致高昂的系統投入成本，以及更高的后期運行維護成本，使其性價比不高。關鍵的核心技術，如發動機數學模型對用戶不透明，仿真對象一旦變化，又必須投入大量資金重新簽訂協議開發。
[0006]還有一種是放入到飛機整機系統綜合仿真試驗中去考核，如200910147119.0《一種飛機發動機動態仿真試驗臺》專利所述試驗臺，該試驗臺針對的是發動機綜合控制系統在整個飛行包線內的實際工作過程的仿真模擬，主要是驗證飛行控制與動力系統控制功能的協調性，而并不是針對控制系統研制過程中的發動機特性仿真。其不足之處在于:該試驗臺設備組成龐大，只能滿足實驗室環境條件下的測試；該試驗臺雖然也包括有發動機仿真模擬設備，但由于針對性不強，在系統設計上，模型仿真計算機沒有采用硬件實時系統，完全靠軟件定時，無法滿足控制系統對于控制律驗證上精確定時的要求，有可能會造成工程型號上的反復；發動機傳感器特性模擬上仍然采用非標器件搭配模擬或數字電路接口，其平臺通用性不強，由于不同控制器電氣接口匹配性問題，可能會引起試驗結果的不確定；在故障仿真上，該試驗臺不具備仿真硬件回路故障，如信號開路、短路、噪聲干擾等。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是為解決上述不足之處，滿足我國未來航空發動機先進控制系統研制保障需要，而設計一種航空發動機控制系統測試用的發動機通用仿真平臺，可以對發動機控制器的控制功能進行覆蓋式自動檢測，并能滿足不同程度的飛-推綜合控制系統的實時閉環仿真實驗需要。
[0008]為使航空發動機通用仿真器達到能滿足各種試驗環境條件及不同控制系統試驗構型要求，實現只用一套設備解決多種型號發動機數字電子控制器的硬件在回路檢測和發動機故障仿真以及維護要求，通過以下技術方案來實現:
[0009]航空發動機通用仿真器(以下簡稱發動機仿真器)包括機柜、顯示控制臺、上位工控機、信號適配單元、直流穩壓電源、組合儀器機箱、儀器擴展機箱、仿真測控計算機、專用測試電纜和仿真及測控軟件，其中適配單元機箱背板上集成有與被測發動機控制器連接用的通用電連接器，和與儀器擴展機箱、組合儀器機箱連接用的標準電連接器；
[0010]被測發動機控制器通過專用測試電纜與信號適配單元的通用電連接器連接，其模擬信號輸入、模擬信號輸出經信號適配單元電路處理后通過標準電連接器與儀器擴展機箱、組合儀器機箱連接；組合儀器機箱與仿真測控計算機通過PXI總線方式連接并受其控制；仿真測控計算機實時運行發動機數學模型并與上位工控機建立TCP/IP通訊連接，實時傳遞相關數據，同時由顯示控制臺實時顯示上位工控機中仿真及測控軟件生成的相關測試數據；直流穩壓電源通過信號適配單元給被測發動機控制器和信號適配單元內適配單元電路提供工作電源；
[0011]所述的儀器擴展機箱為備用PXI擴展機箱，用于根據測試需求擴展相應PXI總線儀器板卡，該機箱通過一塊PXI總線擴展卡與組合儀器機箱連接，并受仿真測控計算機控制。機柜為帶系統散熱及加溫環控裝置的減震移動式機柜，該機柜內置工業標準儀器安裝機架，可以將上述各硬件單元全部集成，便于運輸及適應外場環境條件下工作。
[0012]所述的發動機仿真器，組成測試系統的硬件架構采用PXI總線開放式架構。組合儀器機箱采用嵌入式控制器插槽(零槽)的標準PXI總線擴展機箱，該機箱插槽采用PXI總線標準的針式連接方式；仿真測控計算機采用帶實時操作系統的嵌入式計算機(零槽控制器)，安裝于組合儀器機箱零槽內，實時運行發動機數學模型并通過PXI總線控制機箱其余插槽上的硬件資源；機箱其余插槽，則根據測試任務要求相應配置各種PXI總線卡式儀器資源，完成信號采集和信號激勵功能。上位工控機通過以太網絡連接訪問仿真測控計算機，通過仿真及測控軟件對整個PXI總線系統上的硬件資源進行集中管理和控制。機柜采用可移動式機柜集成所有硬件資源的模塊化結構設計，可以保證整個系統工作穩定性的同時兼顧了發動機綜合仿真試驗的不同環境需求；利用這些資源，可根據被測發動機控制器的測試需求靈活分配，通過信號適配單元的分配連接，構成不同型號控制器的測試系統，實現測試平臺的通用性功能。
[0013]所述的信號適配單元功能及結構設計:信號適配單元是為被測發動機控制器與發動機仿真器之間提供電子、電氣和機械連接接口的裝置。信號適配單元包括適配單元機箱、適配單元電路和標準電連接器、通用電連接器。適配單元電路安裝在適配單元機箱內；適配單元機箱為定制的標準工業機箱上架安裝結構設計，便于可移動式機柜集成。適配單元電路包括故障注入控制線控制的故障注入配置端子、數字輸入/輸出通道限流和反壓保護電路、電源分配開關、激勵信號調理端子、采集信號調理端子，測試儀器電氣接口和測試信號電氣接口，通過測試信號電氣接口集成的通用電連接器，把信號適配單元與被測發動機控制器連接；通過測試儀器電氣接口集成的標準電連接器，把信號適配單元與儀器擴展機箱、組合儀器機箱連接；實現各儀器硬件模塊與被測發動機控制器進行交聯的所有電氣信號的前端調理、集中分配、轉接和故障注入功能。
[0014]所述的專用測試電纜及信號適配單元接口設計: