王　超，楊恒輝

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安　710119)

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便攜式APU數(shù)控系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)研究

王超，楊恒輝

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安710119)

針對(duì)APU控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)體積大、重量大，難以滿足控制器在外場(chǎng)測(cè)試、實(shí)驗(yàn)的要求，設(shè)計(jì)便攜式硬件在環(huán)仿真設(shè)備;普通硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，發(fā)動(dòng)機(jī)模擬功能和飛控模擬及監(jiān)控功能分別使用一臺(tái)工控機(jī);為了實(shí)現(xiàn)便攜式，綜合這兩個(gè)功能于一臺(tái)高性能便攜式PXI工控機(jī)。設(shè)計(jì)便攜式信號(hào)調(diào)理箱、傳感器模擬和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬方法組成平臺(tái)的硬件系統(tǒng)；使用LabWindows/CVI的多線程方法，提高軟件實(shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)平臺(tái)的軟件系統(tǒng)；使用系統(tǒng)辨識(shí)法設(shè)計(jì)APU起動(dòng)停車模型，使用部件法設(shè)計(jì)APU穩(wěn)態(tài)工作模型；組成硬件在環(huán)仿真平臺(tái);便攜式仿真平臺(tái)與電子控制器聯(lián)合進(jìn)行APU起動(dòng)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、停車等工作模式的仿真試驗(yàn)，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：該平臺(tái)能夠穩(wěn)定、實(shí)時(shí)模擬APU工作狀態(tài)。

輔助動(dòng)力裝置；硬件在環(huán)仿真；便攜式設(shè)備；LabWindows/CVI

0　引言

輔助動(dòng)力裝置(auxiliary power unit，APU) 是大型飛機(jī)上的一套獨(dú)立小型燃?xì)鉁u輪動(dòng)力裝置，其功用是為帶轉(zhuǎn)主發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的空氣渦輪起動(dòng)機(jī)和飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)提供壓縮空氣，同時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)向飛機(jī)提供電源，也稱為飛機(jī)第二動(dòng)力裝置，是飛機(jī)重要的功能子系統(tǒng)[1]。

數(shù)字電子控制器(electronic control unit，ECU)是APU控制系統(tǒng)的核心部件，具有技術(shù)復(fù)雜、控制精度與安全要求高，在進(jìn)行與發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合試驗(yàn)時(shí)，面臨試驗(yàn)環(huán)節(jié)多，工作模式復(fù)雜、控制難度高、可重復(fù)性差，以及試驗(yàn)成本高等諸多問題。因此，前期設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證就顯得尤為重要，是發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程的首要工作之一[2-3]。發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)、研發(fā)、交付使用過程中的重要工具之一，能夠極大地節(jié)約設(shè)計(jì)成本、縮短研發(fā)周期、降低發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，硬件在環(huán)仿真平臺(tái)能夠發(fā)動(dòng)機(jī)全狀態(tài)功能、性能的仿真模擬，且具備強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)故障模擬功能，因此，已成為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研制過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

隨著外場(chǎng)保障要求的不斷提高，需要實(shí)現(xiàn)外場(chǎng)故障的快速檢測(cè)、定位。當(dāng)前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真測(cè)試系統(tǒng)多設(shè)計(jì)為大型柜式或者半物理仿真系統(tǒng)，大型仿真驗(yàn)證設(shè)備體積大、重量大，導(dǎo)致靈活性差、搬運(yùn)困難，難以滿足航空產(chǎn)品在外場(chǎng)測(cè)試、升級(jí)與故障檢測(cè)要求。因此，測(cè)試設(shè)備的小型化、便攜化具有重要的工程意義，且已逐漸成為發(fā)展趨勢(shì)。

本文以飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置仿真系統(tǒng)為需求對(duì)象，開發(fā)了一套輔助動(dòng)力裝置的FADEC便攜式硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，具備大型HIL的功能性能，且兼具小型化、輕量化，便于外場(chǎng)的靈活使用。

1　仿真平臺(tái)總體架構(gòu)

輔助動(dòng)力裝置控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成。軟件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能有發(fā)動(dòng)機(jī)模擬功能，飛控模擬功能，監(jiān)控功能；硬件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能有傳感器模擬功能，執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬功能，負(fù)載模擬功能等。普通硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，發(fā)動(dòng)機(jī)模擬功能和飛控模擬及監(jiān)控功能分別使用一臺(tái)工控機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)便攜式，綜合這兩個(gè)功能于一臺(tái)高性能便攜式PXI工控機(jī)。

便攜式硬件在環(huán)仿真平臺(tái)由一臺(tái)性能優(yōu)異的便攜式工控機(jī)和信號(hào)調(diào)理箱組成。便攜式工控機(jī)中包含APU的實(shí)時(shí)高精度數(shù)學(xué)模型、傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型、數(shù)據(jù)采集板卡、信號(hào)模擬板卡等，信號(hào)調(diào)理箱組主要完成大功率電磁閥等裝置的模擬。

便攜式硬件在環(huán)仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　便攜式硬件在環(huán)仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

仿真平臺(tái)工控機(jī)選用高可靠的PXI架構(gòu)，便攜式工控機(jī)中運(yùn)行仿真測(cè)試軟件，通過高效的多任務(wù)軟件設(shè)計(jì)，完成APU實(shí)時(shí)高精度數(shù)學(xué)模型運(yùn)行、硬件板卡的調(diào)度、數(shù)據(jù)采集、控制指令的實(shí)時(shí)運(yùn)算、數(shù)據(jù)通訊、故障模擬控制、人機(jī)界面顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能；便攜式信號(hào)調(diào)理箱模擬APU系統(tǒng)的電磁閥等大功率負(fù)載，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理用于狀態(tài)識(shí)別，因此，接收APU電子控制器的大功率驅(qū)動(dòng)指令，同時(shí)將信號(hào)調(diào)理后輸入給便攜式工控機(jī)進(jìn)行采集，用于判定APU的運(yùn)行狀態(tài)響應(yīng)。

2　仿真平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

便攜式硬件在環(huán)仿真平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)主要根據(jù)APU控制系統(tǒng)中與電子控制器交聯(lián)附件的信號(hào)特征，以及仿真系統(tǒng)的功能性能要求，確定系統(tǒng)的硬件資源選擇、配置，和調(diào)理電路的設(shè)計(jì)。

2.1信號(hào)調(diào)理箱設(shè)計(jì)

調(diào)理/負(fù)載箱中的調(diào)理部分由供電轉(zhuǎn)換電路、調(diào)理電路、和繼電器矩陣組成，如圖2所示。供電轉(zhuǎn)換電路將輸入負(fù)載箱的28 V供電電源轉(zhuǎn)換為負(fù)載箱工作用的+5 V，±15 V二次電源；負(fù)載箱對(duì)輸入的離散量信號(hào)進(jìn)行光電隔離處理。

圖2　信號(hào)調(diào)理箱板卡配置

2.2傳感器信號(hào)模擬

2.2.1轉(zhuǎn)速信號(hào)模擬

轉(zhuǎn)速信號(hào)為高頻正弦信號(hào)，APU數(shù)學(xué)模型根據(jù)其供油量和運(yùn)行所處模式計(jì)算得出數(shù)字量，通過板卡模擬成為ECU可識(shí)別的正弦波信號(hào)，正弦波信號(hào)的頻率值與轉(zhuǎn)速成正比，比值為測(cè)速傳感器的齒輪數(shù)比，幅值隨轉(zhuǎn)速增加而增大。轉(zhuǎn)速信號(hào)通過函數(shù)發(fā)生器板卡PXI5402模擬。信號(hào)范圍10 Vpp，伏值具有14位分辨率，頻率分辨率小于1 Hz。

2.2.2微小電壓信號(hào)模擬

熱電偶信號(hào)和壓力傳感器信號(hào)的微小電壓使用PXI-4461模擬，且使用屏蔽電纜直接輸出到激勵(lì)器，保證信號(hào)不受外部干擾。板卡輸出電壓具有24位的分辨率，滿足信號(hào)±0.03 mV精度要求。

2.2.3電阻信號(hào)模擬

APU上滑油溫度、燃油溫度等使用PT1000傳感器采集，仿真設(shè)備需要模擬傳感器電阻信號(hào)。電阻信號(hào)模擬使用高精度電阻卡Pickering(40-297-003)實(shí)現(xiàn)。板卡內(nèi)部是由電阻開關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)電阻的阻值調(diào)節(jié)，為真實(shí)的電阻實(shí)現(xiàn)。板卡輸出電阻分辨率0.125 Ω。

2.2.4位置、角度傳感器信號(hào)模擬實(shí)現(xiàn)

燃油控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置反饋信號(hào)使用LVDT傳感器，引氣閥、防喘控制閥位置反饋信號(hào)使用RVDT傳感器。位置、角度傳感器信號(hào)通過仿真卡cPCI-75DL1和cPCI-75DS1模擬。仿真卡激勵(lì)信號(hào)來自電子控制器的激勵(lì)輸出。根據(jù)信號(hào)要求按3線制LVDT/RVDT信號(hào)連接方式使用。

2.3執(zhí)行裝置模擬

APU控制系統(tǒng)中的執(zhí)行裝置主要包括燃油控制裝置、導(dǎo)葉控制裝置和防喘控制裝置?？刂蒲b置的模擬主要包括電液伺服裝置數(shù)學(xué)模型建立和負(fù)載特性模擬。電液伺服裝置數(shù)學(xué)模型根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際試車數(shù)據(jù)，利用Matlab系統(tǒng)辨識(shí)工具建立電液伺服裝置的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的實(shí)時(shí)響應(yīng)；負(fù)載特性通過簡(jiǎn)化的阻性模擬負(fù)載替代電機(jī)阻抗特性。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件功能與架構(gòu)

系統(tǒng)軟件采用NI公司的LabWindows/CVI平臺(tái)開發(fā)。仿真設(shè)備測(cè)試軟件主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢、控制運(yùn)算、任務(wù)調(diào)度、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)幫助等功能，軟件結(jié)構(gòu)和仿真軟件界面分別如圖3和圖4所示。

圖3　軟件結(jié)構(gòu)框圖

硬件在環(huán)仿真平臺(tái)系統(tǒng)軟件需要完成APU控制指令模擬、數(shù)據(jù)采集、控制運(yùn)算、APU仿真運(yùn)算、數(shù)據(jù)通訊、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等任務(wù)，在大型仿真設(shè)備中多采用2臺(tái)或以上計(jì)算機(jī)協(xié)同完成上述任務(wù)，在使用單一計(jì)算的便攜式平臺(tái)中需充分發(fā)揮Windows的多任務(wù)能力，利用多線程技術(shù)完成上述任務(wù)的實(shí)時(shí)運(yùn)行。

圖4　仿真軟件界面

3.2多線程技術(shù)

本系統(tǒng)中，APU仿真運(yùn)算功能和數(shù)據(jù)通信功能的實(shí)時(shí)性要求很高。CVI提供的常用控件是timer控件，是同步定時(shí)器。當(dāng)程序線程在別的功能任務(wù)處停滯時(shí)，有可能影響定時(shí)器計(jì)時(shí)，導(dǎo)致定時(shí)器消息延遲甚至丟失。

CVI6.0后增加了異步定時(shí)器控件，與同步定時(shí)器相比，異步定時(shí)器最主要的特點(diǎn)在于運(yùn)行于獨(dú)立的線程中，從而避免了由于程序主線程或用戶界面操作產(chǎn)生的延遲。異步定時(shí)器實(shí)際上是多線程技術(shù)的一種形式。

本程序中生成兩個(gè)異步定時(shí)器，分別運(yùn)行仿真運(yùn)算功能和數(shù)據(jù)通信功能，提高兩個(gè)任務(wù)的實(shí)時(shí)性。使用NewAsyncTimer( )函數(shù)啟動(dòng)定時(shí)器:

timerID =NewAsyncTimer( Delay_Time, Count, enabled, MyTimerCallback, Null );

MyTimerCallback即定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)，異步定時(shí)的回調(diào)函數(shù)與同步定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)形式上是一樣的。

4　APU數(shù)學(xué)模型

APU是一種小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)，是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。APU的運(yùn)行分起動(dòng)加速階段、穩(wěn)態(tài)工作階段和停車階段。起動(dòng)加速是APU轉(zhuǎn)速由0加速到96%的階段；穩(wěn)態(tài)工作是APU轉(zhuǎn)速在96%至100%的階段；停車是APU轉(zhuǎn)速由運(yùn)行轉(zhuǎn)速降至0的階段。本系統(tǒng)中起動(dòng)階段和停車階段模型采用數(shù)學(xué)辨識(shí)模型，工作階段按照部件法，采用變比熱計(jì)算建立了模型[6]。

起動(dòng)加速以及停車階段的建模思路是：使用APU的典型數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成為相似參數(shù)，然后采用系統(tǒng)辨識(shí)法建立動(dòng)態(tài)模型。

工作階段的建模思路是: APU主發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與單軸渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)相似，負(fù)載壓氣機(jī)和發(fā)電機(jī)可以當(dāng)作發(fā)動(dòng)機(jī)的功率負(fù)載，利用已知的發(fā)動(dòng)機(jī)各部件特性，按發(fā)動(dòng)機(jī)部件的結(jié)構(gòu)順序，由進(jìn)氣道到尾噴管,依次分別從氣體流動(dòng)過程與熱力過程建立方程，組成非線性方程組，聯(lián)立求解此方程組，便可計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的共同工作點(diǎn)。

選取負(fù)載壓氣機(jī)壓比，主壓氣機(jī)壓比，轉(zhuǎn)速N和渦輪流量四個(gè)參數(shù)作為獨(dú)立變量，構(gòu)建APU共同工作非線性方程。

主壓氣機(jī)出口的空氣流量Wc與燃油流量Wf混合燃燒產(chǎn)生渦輪出口的燃?xì)饬髁縒t，所以建立流量平衡。

(1)

負(fù)載壓氣機(jī)的功率P1、主壓氣機(jī)功率Pc、電機(jī)提取功率Pp均由渦輪功率PT提供，所以建立功率平衡。ηT代表渦輪的機(jī)械效率;I代表轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

(2)

與渦輪出口燃?xì)饬髁縒t和負(fù)載壓氣機(jī)喘振放氣流過SCV 閥的流量Wscv都經(jīng)過尾噴管排出，通過尾噴管氣流量Wn，所以建立流量平衡。

(3)

負(fù)載壓氣機(jī)出口根據(jù)壓氣機(jī)特性插值的流量Wl與根據(jù)引氣出口負(fù)載要求所計(jì)算的空氣流量Wlcv和SCV 閥放氣流量Wscv建立流量平衡。

(4)

5　仿真結(jié)果與分析

本文設(shè)置APU的仿真工作條件為：高度H=0 km；飛機(jī)馬赫數(shù)Ma=0，APU進(jìn)口溫度為15℃、燃油溫度和滑油溫度為30℃。通過便攜式仿真設(shè)備與電子控制器模擬APU起動(dòng)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、停車工作狀態(tài)如圖6所示。

圖5　發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行、停車仿真曲線

在圖5中，APU起動(dòng)階段約50 s，達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。APU達(dá)到穩(wěn)態(tài)工作后，進(jìn)行負(fù)載壓氣機(jī)引氣和功率提取操作。經(jīng)過大量的使用驗(yàn)證，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的便攜式硬件在環(huán)仿真平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)、有效地完成APU系統(tǒng)各工作狀態(tài)功能、性能的可靠模擬，且兼具了小型化、輕量化設(shè)計(jì)理念。

6　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的便攜式APU數(shù)控系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)通過硬件架構(gòu)的優(yōu)化與綜合，采用實(shí)時(shí)、精確的多線程技術(shù)，保證了單一計(jì)算機(jī)平臺(tái)下發(fā)動(dòng)機(jī)硬件在環(huán)仿真多任務(wù)的實(shí)時(shí)可靠性運(yùn)行。經(jīng)過大量調(diào)試試驗(yàn)，仿真設(shè)備可以進(jìn)行APU各個(gè)工作狀態(tài)和工作模式的仿真。試驗(yàn)證明：仿真設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)性高，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，能夠有效地進(jìn)行APU控制系統(tǒng)功能、性能的綜合試驗(yàn)驗(yàn)證。該系統(tǒng)的建立為APU電子控制器外場(chǎng)測(cè)試、試驗(yàn)和保障提供了有力支持。

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Portable HIL Simulation Platform for APU Digital Control Systems

Wang Chao，Yang Henghui

(Aeronautical Computing Technique Research Institute, Xi′an710119, China)

As HIL simulation platform for APU Digital Control Systems is bulky and heavy,and difficult to satisfy the controller requirements in outfield test environment,design portable HIL simulation platform.Engine simulation function and flight control simulation and monitoring functions use different computer in a ordinary HIL simulation platform. For portable, using a high-performance portable PXI IPC performs two functions.Designportable signal conditioning boxes, analog sensors and actuators simulation consisting of hardware platform.Use LabWindows / CVI multithreading methods to improve the real-time of software.Use system identification methoddesign APU start-parkmodel,use element-methoddesign steady-state work model.Use the HIL platform to simulation experiment. Experiment results show that the platform has the ability ofthe real-time simulation of theworking mode of APU stably.

APU; hardware-in-loop simulation system; portable device; LabWindows/CVI

1671-4598(2016)04-0112-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.033

TN713

A

2016-01-27；

2016-02-29。

王超(1988-)，男，陜西西安人，助理工程師，主要從事硬件在環(huán)仿真方向的研究。