南京航空航天大學能源與動力學院 張?zhí)旌?/p>

隨著航空發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展，其對發(fā)動機控制系統(tǒng)的設(shè)計要求日益提高。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)動機的重要特征之一。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)動機控制系統(tǒng)設(shè)計正面臨著控制任務(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)驗的設(shè)計流程已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代航空發(fā)動機控制技術(shù)的發(fā)展需求，迫切需要采用先進的設(shè)計理念和高效的研發(fā)手段加以應(yīng)對。

美國英國等技術(shù)先進國家在航空、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（Model Based Design, MBD）理念。所謂MBD是指，在整個控制系統(tǒng)的開發(fā)過程中使用系統(tǒng)模型作為載體進行方案評估、驗證和目標系統(tǒng)的發(fā)布，整個開發(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)綜合過程，即所謂的“V”形體系結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗的設(shè)計方法相比，基于模型的設(shè)計方法有助于更好地理解備選設(shè)計方案和權(quán)衡設(shè)計要素，從而能夠?qū)?fù)雜系統(tǒng)進行高效的優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計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代碼與標準控制模塊庫整合，實現(xiàn)基于代碼復(fù)用的自動代碼生成，使嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計效率大幅度提高。

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時仿真平臺，這種仿真平臺一方面能實時運行控制對象或控制器本身的模型；另一方面要具備與控制器實物或控制對象的信號接口能力?；谶@樣的仿真平臺可以構(gòu)建控制器快速原型（RCP），或者開展控制器實物在回路仿真（HIL）[1-2]。通過實時仿真，能夠及時發(fā)現(xiàn)各種模型之間的差異，而不需要等到設(shè)計周期完成后才發(fā)現(xiàn)存在的問題。

目前，國外已推出了多種商用化的實時仿真平臺，最具代表性的是美國ADI、德國dSPACE、英國ADS2和加拿大的RT-Opal公司的實時仿真平臺。dSPACE的實時仿真系統(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無縫集成，可以直接生成代碼下載到實時仿真平臺上。ADI公司一直著眼于為汽車、航空航天、國防軍工等領(lǐng)域的用戶提供復(fù)雜控制系統(tǒng)的實時仿真產(chǎn)品，其AD10、AD100仿真系統(tǒng)在20世紀80～90年代就享譽實時仿真領(lǐng)域，引領(lǐng)了后來AD RTS 系統(tǒng)和RTX系統(tǒng)的發(fā)展。ADI的RTX和RTS系列仿真平臺提供獨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實時仿真。

雖然國內(nèi)有關(guān)單位先后以極其昂貴的價格引進了dSPACE和ADI等公司的實時仿真平臺，但這些產(chǎn)品的內(nèi)部實現(xiàn)機制不開放，而且針對性不強，部分信號接口的模擬逼真度不理想，難以直接使用。近年來由于相關(guān)產(chǎn)品的航空高技術(shù)應(yīng)用背景，西方國家已經(jīng)開始限制其出口到中國。

為了避免我國航空高技術(shù)領(lǐng)域受制于人，我們有必要突破FADEC系統(tǒng)實時仿真技術(shù)關(guān)鍵，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的仿真接口設(shè)備。而且，未來20年我國航空發(fā)動機市場規(guī)模巨大，必將孕育一個巨大的FADEC系統(tǒng)設(shè)計和售后服務(wù)市場，我國對高性價比的實時仿真設(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)動機控制系統(tǒng)實時仿真的必要性、實時仿真的技術(shù)要點，并探討了實時仿真涉及到的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題，為國內(nèi)進一步開展航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的實時仿真技術(shù)研究提供參考。

航空發(fā)動機控制系統(tǒng)實時仿真的必要性

隨著航空發(fā)動機技術(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)驗的設(shè)計流程已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代航空發(fā)動機控制技術(shù)的發(fā)展需求。通常FADEC系統(tǒng)和發(fā)動機的研制過程是并行推進的，在實際用于真實發(fā)動機控制之前，如何有效開展FADEC系統(tǒng)的設(shè)計和驗證工作是一個迫切需要解決的問題。

MBD設(shè)計理念及實時仿真技術(shù)為FADEC系統(tǒng)的設(shè)計和驗證提供了一個有效的途徑。FADEC系統(tǒng)的開發(fā)過程是一種系統(tǒng)工程，其研制過程符合系統(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綜合和驗證過程，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)的每一個階段都需要進行全面的測試。首先是電子控制器的硬件與軟件的綜合和驗證，即電子控制器HIL實時仿真；第二步是電子控制器與液壓機械系統(tǒng)及傳感器的綜合和試驗驗證，稱為半物理實時仿真。FADEC系統(tǒng)研制流程中的實時仿真環(huán)節(jié)如圖2所示。經(jīng)過全面的實時仿真驗證之后，才會開展地面臺架試驗、高空臺試驗及飛行試驗驗證。

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，對控制算法、邏輯、程序的正確性以及對控制系統(tǒng)軟硬件和參數(shù)的匹配性進行實時驗證。通過充分的實時仿真試驗，特別是各種故障模式和極限工作場景的模擬試驗，為進一步開展臺架試驗奠定基礎(chǔ)，規(guī)避試驗風險，縮減試驗周期，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)動機控制系統(tǒng)實時仿真平臺的技術(shù)特征

1 實時仿真的定義

仿真是指利用系統(tǒng)模型對實際的或設(shè)想的系統(tǒng)進行動態(tài)模擬試驗，現(xiàn)代仿真技術(shù)一般基于計算機上運行的數(shù)值模型程序來模擬被研究系統(tǒng)的動態(tài)特性，實時數(shù)字仿真一般采用固定的時間步長。實時數(shù)字仿真要求在給定的時間步長內(nèi)完成系統(tǒng)的所有函數(shù)和方程的計算過程，并且正確輸出系統(tǒng)的所有狀態(tài)和變量。實時仿真時序圖如圖3所示[1]。

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

圖3 實時仿真時序圖

由于計算機計算能力以及不同系統(tǒng)復(fù)雜度的差異，計算過程有可能比被模擬系統(tǒng)的實際時間進度快些或者慢些，如圖3（a）和圖3（b）所示，這兩種仿真過程統(tǒng)稱為非實時仿真或離線仿真，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，仿真計算的速度取決于使用的計算機的計算能力和系統(tǒng)的復(fù)雜度。在實時仿真中，仿真的準確性不僅僅取決于計算結(jié)果的精度，同時也取決于求解計算結(jié)果所花費的時間長度。圖3（c）表達了實時仿真的時間序列關(guān)系，要使一個實時仿真有效，實時仿真器在仿真中需要在精確的時刻產(chǎn)生內(nèi)部變量和狀態(tài)輸出，使其與實際物理對象在相應(yīng)的時間點上保持一致。實際上，在給定的時間步長內(nèi)，如果仿真計算過程所花費的時間比實際物理對象經(jīng)歷的時間步長短，就能達到上述實時性的要求。實時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)生在仿真步長所確定的時刻。如果仿真計算時間超過給定的時間步長，則被認為是超時，從而導(dǎo)致實時仿真的失效。

因此，只要仿真計算過程不超時，并對仿真計算結(jié)果的更新加以時間控制，就能做到實時仿真。而仿真計算是否超時和仿真步長的確定密切相關(guān)。根據(jù)經(jīng)驗，仿真步長一般取系統(tǒng)中最快環(huán)節(jié)最小時間常數(shù)的5%～10%。比如航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)速對燃油流量響應(yīng)的最小時間常數(shù)在0.4s，那么可取仿真步長為 20～40ms，而在燃油調(diào)節(jié)器等執(zhí)行機構(gòu)小回路中最小時間常數(shù)在0.1s，那么這些小回路的仿真步長可取5～10ms。對于用于壓氣機主動控制的高頻響執(zhí)行機構(gòu)，其帶寬高達500Hz，那么對應(yīng)的仿真步長應(yīng)在30μs以內(nèi)。

對于一個復(fù)雜的大型系統(tǒng)，為了提高整體仿真性能，有可能針對不同環(huán)節(jié)的動態(tài)特性差異而采用不同的仿真步長，即多速率仿真，甚至將仿真計算過程分布于多個并行計算節(jié)點上，這時需要處理好節(jié)點之間仿真時刻的同步問題。對于因為通信接口造成仿真節(jié)點之間的時延，以及因為不同節(jié)點采用的仿真步長不一致，應(yīng)采取插值補償措施以保證仿真系統(tǒng)的精度。

前不久，妹妹跟我抱怨，當年她嫁給妹夫的時候兩人都比較窮，只在老家辦了簡易的酒席，宴請了相熟的親朋好友，如今生活好一點了，妹夫也沒有再提要補辦一場婚禮。

圖4 開放式、模塊化的仿真接口設(shè)備總體架構(gòu)

2 實時仿真平臺技術(shù)要點

縱觀國外各種先進的實時仿真平臺，它們共同的技術(shù)特點如下：（1）擁有先進的實時計算平臺，一方面具備帶浮點處理能力的高性能處理器，最好采用與目標應(yīng)用一致的嵌入式控制器；另一方面具備多任務(wù)實時調(diào)度管理能力的實時操作系統(tǒng)，從而便于進行多任務(wù)實時仿真控制。（2）擁有配套的開發(fā)平臺，方便開展模型開發(fā)以及C代碼或目標代碼自動生成，一般借助MATLAB的軟件資源加以實現(xiàn)。（3）擁有豐富的接口適配能力，提供與控制器或控制對象之間的信號接口。（4）提供試驗管理軟件，便于試驗過程的管理、監(jiān)視與數(shù)據(jù)處理，有的還提供基于腳本的試驗過程自動化能力。

3 總體架構(gòu)

在分析國外先進仿真平臺體系結(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、信號調(diào)理、故障注入、信號配線和信號轉(zhuǎn)接單元相互分離，而且每個單元也采取群組化、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，也適用于控制系統(tǒng)的半物理仿真試驗。

相對于dSPACE的基于專用硬件平臺或者ADI的基于PCI總線的板卡結(jié)構(gòu)形式，本項目的體系架構(gòu)顯著增強了擴展性和維護性。由于接口控制單元與信號調(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)，甚至可以采用獨立的嵌入式系統(tǒng)模塊，開放性好，便于升級。而信號調(diào)理、故障注入、信號配線和信號轉(zhuǎn)接單元的相互分離，又使仿真接口的擴展配置更加靈活，使用維護也更加方便。

航空發(fā)動機控制系統(tǒng)實時仿真關(guān)鍵技術(shù)問題

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)信號接口適配器，它提供發(fā)動機模型程序和電子控制器之間的接口界面。FADEC系統(tǒng)信號接口適配器的核心是接口模擬電路，主要包括發(fā)動機轉(zhuǎn)速、溫度、壓力以及執(zhí)行機構(gòu)的位置傳感器的接口模擬電路以及執(zhí)行機構(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、實時性、負載特性、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的信號輸出，而且要提供四端口的壓阻模擬橋路，橋路阻抗與實際傳感器要保持一致，可以接受電子控制器的電壓激勵，激勵電壓的大小對輸出信號的影響規(guī)律要和實際傳感器一致。通過逼真的接口模擬，一方面要滿足電子控制器的正常信號采集和控制需求，另一方面能保證電子控制器的自檢測電路和程序工作正常，同時通過接口模擬電路對不同故障模式的模擬，可檢測電子控制器的故障處置能力。

由于不同發(fā)動機所配置的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)的特性有差異，電子控制器的信號調(diào)理、驅(qū)動以及自檢測電路也有差異，在接口模擬時應(yīng)根據(jù)實際情況對接口模擬電路的增益、濾波帶寬、內(nèi)阻抗、接地特性、參考電平等進行適應(yīng)性調(diào)整，做到與被測電子控制器的最佳匹配。目前還難以設(shè)計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試需求自主設(shè)計有針對性的接口模擬電路，在實際使用時才會更加得心應(yīng)手。

2 動力系統(tǒng)的小慣量電機驅(qū)動系統(tǒng)及動態(tài)特性的補償

在開展半物理仿真試驗時，燃油調(diào)節(jié)器一般由發(fā)動機的轉(zhuǎn)子驅(qū)動，而燃油流量又用于調(diào)節(jié)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，作為發(fā)動機控制系統(tǒng)中的最重要控制回路，其仿真回路中額外的動態(tài)環(huán)節(jié)必然影響仿真試驗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來模擬發(fā)動機轉(zhuǎn)子的運行?？紤]到轉(zhuǎn)速對燃油流量響應(yīng)的最小時間常數(shù)在0.4s左右，小慣量電機的機電時間常數(shù)應(yīng)盡量低于0.1s。這種小慣量電機一般采用調(diào)速性能優(yōu)良的直流電機或交流永磁同步伺服電機，它們的轉(zhuǎn)子直徑較小，因此具有較小的轉(zhuǎn)動慣量。

但是，小慣量電機總是存在一定的機電時間慣性的，這個動態(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。為了進一步提高仿真置信度，有必要對發(fā)動機模型的動態(tài)特性進行修正，比如適當減小模型的時間常數(shù)，以補償因為小慣量電機帶來的滯后效應(yīng)。

3 流量信號的高精度實時采集

精確快速地測量燃油調(diào)節(jié)器輸出的燃油流量是發(fā)動機控制系統(tǒng)半物理仿真試驗的一項關(guān)鍵技術(shù)。燃油流量是發(fā)動機仿真模型的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)，直接參與發(fā)動機控制系統(tǒng)的閉環(huán)仿真，流量測量的實時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來測量燃油流量，流量計輸出的脈沖信號頻率代表流量大小。常規(guī)的處理方法是在一定的時間間隔內(nèi)對脈沖計數(shù)，從而得到信號頻率，即測頻法。由于渦輪流量計信號的頻率一般只有幾十至幾千赫茲，為了保證測量精度往往需要較長的測量時間才能得到測量結(jié)果，因此實時性差。如采用測周法，可以保證實時性，但由于渦輪葉片制造公差的原因，信號周期不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致測量誤差。如采用F/V變換的方法，似乎可以避開測頻或測周的實時性問題，但實際上F/V電路的動態(tài)特性并不理想。也有人采取信號倍頻的方法試圖來提高測頻法的實時性，但是基于鎖相環(huán)技術(shù)的倍頻電路的動態(tài)特性也不理想。

基于循環(huán)周期數(shù)的動態(tài)流量測量法可以最大限度地保證流量測量的實時性和精確性[6]，其原理是：先通過連續(xù)脈沖周期試采集并經(jīng)對比分析可得循環(huán)周期數(shù)，該循環(huán)周期數(shù)與渦輪流量計葉片數(shù)量相同；將包含循環(huán)周期數(shù)個連續(xù)脈沖信號定義為脈沖群，每個新的脈沖到達時重新構(gòu)建脈沖群，滾動采集脈沖群周期，并計算當前脈沖群的平均周期；由當前平均周期計算流量計的當前頻率，從而得到當前流量。基于循環(huán)周期數(shù)的動態(tài)流量測量法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中渦輪流量計信號處理的實時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確的測量結(jié)果。

4 計量裝置的背壓模擬

半物理仿真試驗中燃油調(diào)節(jié)器的計量流量與當量噴嘴的背壓關(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，影響了仿真試驗的置信度，因此要盡量根據(jù)發(fā)動機的實際工況進行背壓的模擬。在實際發(fā)動機上，噴嘴后的背壓就是壓氣機后的壓力，因此要根據(jù)發(fā)動機模型計算出的壓氣機出口壓力實時調(diào)節(jié)當量噴嘴后的背壓。一種辦法是通過在當量噴嘴后的管路上增加一個自動背壓調(diào)節(jié)閥，通過模型計算機對背壓調(diào)節(jié)閥的開度控制保證背壓與壓氣機出口壓力一致。另一種方法是模擬燃燒室的霧化噴射環(huán)境，即通過對噴嘴后的氣壓腔的壓力控制，更加逼真地模擬噴嘴背壓，因此仿真試驗的結(jié)果與實際發(fā)動機的運行情況更逼近，但配套的試驗設(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題，成本也高。

結(jié)束語

MBD設(shè)計理念可有效應(yīng)對航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的復(fù)雜研制需求，而MBD的核心工作內(nèi)容是實時仿真分析。實時仿真技術(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景，充分驗證和評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)動機的復(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，降低研制費用和試驗風險。鑒于航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的復(fù)雜性及行業(yè)特殊性，采用成品實時仿真平臺進行控制系統(tǒng)開發(fā)時需要進行適應(yīng)性改造，以保證仿真的便利性和置信度。在充分掌握實時仿真機理、領(lǐng)會仿真意圖的前提下，自主開發(fā)針對航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的專業(yè)仿真接口適配器，甚至全套實時仿真平臺，無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.

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[3]張?zhí)旌? 航空發(fā)動機數(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)動機全權(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, 2014.

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