姜 穎，陳 聰

中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300

0 引言

飛機(jī)電源系統(tǒng)可以為飛機(jī)上所有的用電設(shè)備提供電能，對(duì)于飛機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。由于飛機(jī)系統(tǒng)具有高價(jià)值性，同時(shí)對(duì)人員資質(zhì)、授權(quán)有著較高要求，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)操作具有高危險(xiǎn)性和不可逆性[1],本科教學(xué)中也缺乏讓學(xué)生進(jìn)行真機(jī)操作的機(jī)會(huì)[2]。利用虛擬仿真技術(shù)建立實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，為飛機(jī)系統(tǒng)類課程落實(shí)電源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，全面提升機(jī)務(wù)工程類專業(yè)教學(xué)質(zhì)量提供了有力手段[3-4]。

開發(fā)飛機(jī)電源系統(tǒng)部件測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的目的是將其引入中國民航大學(xué)飛機(jī)機(jī)型課程中電源系統(tǒng)內(nèi)容的本科實(shí)踐教學(xué)。該課程是面向飛行器制造工程、機(jī)械電子工程等民航機(jī)務(wù)類專業(yè)的一門民航特色鮮明的專業(yè)課程。在虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)數(shù)值仿真、虛擬維護(hù)操作訓(xùn)練，不僅可以幫助學(xué)生加深對(duì)電源系統(tǒng)基本組成的理解，還可以深入學(xué)習(xí)系統(tǒng)的基本工作原理及工作情況，熟悉飛機(jī)電源系統(tǒng)部件的維護(hù)方法及注意事項(xiàng)，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問題的能力[5]。

1 飛機(jī)電源系統(tǒng)部件測(cè)試模擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與技術(shù)特點(diǎn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能主要包括基于Simulink的電源系統(tǒng)整體數(shù)值模擬、電源系統(tǒng)典型部件靜變流機(jī)的仿真測(cè)試、電源系統(tǒng)負(fù)載響應(yīng)數(shù)值模擬三個(gè)部分。

1.1.1 系統(tǒng)整體數(shù)值模擬

針對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)，首先在虛擬仿真的駕駛艙環(huán)境中查看駕駛艙效應(yīng)，獲取故障現(xiàn)象。接下來，基于Simulink的電源系統(tǒng)數(shù)值仿真模型，在已有部分模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行關(guān)鍵元件的選取，以完成仿真模型的建立，并設(shè)置主要元件參數(shù)，注入故障數(shù)據(jù)。系統(tǒng)模擬通過Simulink模塊的仿真計(jì)算，將輸出數(shù)據(jù)顯示在虛擬駕駛艙儀表板及響應(yīng)仿真面板上。通過查看對(duì)應(yīng)參數(shù)的面板指示數(shù)值及參數(shù)波形變化情況，實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)整體數(shù)值仿真的模擬。

1.1.2 典型部件靜變流機(jī)的仿真測(cè)試

部件測(cè)試選取電源系統(tǒng)中的典型部件——靜變流機(jī)作為測(cè)試對(duì)象。

首先，模擬從飛機(jī)電子設(shè)備艙（EE艙）中取下故障元件靜變流機(jī)，并拆除外殼查看其內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成。

其次，利用基于靜變流機(jī)工作原理的Simulink仿真模型進(jìn)行仿真測(cè)試模擬，通過激活仿真，查看各組成元件的輸出參數(shù)波形，判斷靜變流機(jī)的具體故障子元件。

再次，更換靜變流機(jī)3D仿真模型中的故障子元件，再利用測(cè)試儀，根據(jù)工卡要求，對(duì)該靜變流機(jī)進(jìn)行部件測(cè)試，記錄輸出結(jié)果，并打印測(cè)試報(bào)告，判斷故障是否排除。

最后，將測(cè)試通過，即已成功排故的靜變流機(jī)安裝到飛機(jī)上，并在駕駛艙中啟動(dòng)自檢，再次查看面板指示數(shù)值。如果顯示無故障波形，則完成整個(gè)靜變流機(jī)測(cè)試的維護(hù)訓(xùn)練過程。

1.1.3 負(fù)載響應(yīng)數(shù)值模擬

利用基于Simulink的電源系統(tǒng)仿真模型，首先查看系統(tǒng)各主要子元件的仿真模型，熟悉模型的構(gòu)建；然后激活仿真，查看負(fù)載變化時(shí)系統(tǒng)的輸出響應(yīng)情況。

1.2 系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于當(dāng)下成熟的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)，不依賴外部VR設(shè)備，利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維的空間虛擬世界，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)所需的飛機(jī)駕駛艙和儀表、機(jī)載部件、測(cè)試儀器、測(cè)試環(huán)境等模型，提供接近真實(shí)的電源系統(tǒng)部件維護(hù)情景。

系統(tǒng)基于中國民航大學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)端口，采用B/S架構(gòu)，支持網(wǎng)頁界面操作方式，使用3D MAX、MAYA等軟件進(jìn)行三維建模、動(dòng)畫制作、場(chǎng)景渲染等。系統(tǒng)支持同時(shí)在線人數(shù)5 000人以上，便于推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)更大范圍的開放共享。基于第一人稱控制器，用戶可通過鼠標(biāo)鍵盤交互操作，控制維護(hù)人員角色在三維場(chǎng)景中漫游，以任意距離、任意角度觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2 飛機(jī)電源系統(tǒng)部件測(cè)試模擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)整體數(shù)值模擬

2.1.1 駕駛艙效應(yīng)

在虛擬仿真的駕駛艙環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)駕駛艙故障現(xiàn)象模擬。用戶通過查看指定電源系統(tǒng)控制面板，查看儀表數(shù)值和故障燈光指示，獲取故障現(xiàn)象。駕駛艙效應(yīng)如圖1所示。

圖1 駕駛艙效應(yīng)

2.1.2 基于Simulink的電源系統(tǒng)模型搭建與數(shù)值模擬

系統(tǒng)中預(yù)先內(nèi)置了基于Simulink的不完整的飛機(jī)電源系統(tǒng)模型，用戶首先需要在元件庫中正確選擇同步電機(jī)、RLC負(fù)載、電路故障短路發(fā)生器等主要系統(tǒng)元件，通過拖拽的方式連接到模型中，將模型搭建完整；然后進(jìn)行元件主要參數(shù)的設(shè)置，注入故障；最后啟動(dòng)仿真，查看數(shù)值仿真的輸出結(jié)果，即數(shù)值仿真面板對(duì)發(fā)電機(jī)頻率、輸出電壓的波形模擬，實(shí)現(xiàn)基于Simulink的電源系統(tǒng)數(shù)值模擬。同時(shí)，虛擬駕駛艙中的仿真面板能實(shí)時(shí)顯示仿真數(shù)據(jù)，將故障現(xiàn)象在虛擬駕駛艙中模擬重現(xiàn)。

2.2 靜變流機(jī)測(cè)試

2.2.1 基于原理模型的數(shù)值仿真測(cè)試模擬

系統(tǒng)預(yù)置了根據(jù)靜變流機(jī)組成及工作原理建立的Simulink仿真模型。在激活仿真中，系統(tǒng)將隨機(jī)模擬靜變流機(jī)組成子元件（全橋逆變器、反激變換器）的故障情況，輸出相應(yīng)仿真結(jié)果。用戶通過查看相應(yīng)子元件參數(shù)輸出情況，判斷具體故障子元件，并利用靜變流機(jī)3D模型進(jìn)行更換操作。靜變流機(jī)與測(cè)試儀模型如圖2所示，左側(cè)元件為待更換故障子元件的靜變流機(jī)。

圖2 靜變流機(jī)與測(cè)試儀模型

2.2.2 基于3D模型的測(cè)試儀測(cè)試

根據(jù)靜變流機(jī)實(shí)際維護(hù)過程中的測(cè)試流程，利用虛擬測(cè)試儀器對(duì)靜變流機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試需要完全按照工卡要求進(jìn)行。根據(jù)工卡，依次調(diào)節(jié)測(cè)試儀上的輸入電壓、輸入電流參數(shù)，啟動(dòng)測(cè)試，查看并記錄每一次的測(cè)試結(jié)果，直到完成工卡上所有的測(cè)試項(xiàng)。然后打印測(cè)試報(bào)告，判斷該部件測(cè)試是否全部通過。

2.2.3 啟動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試

更換過子元件的靜變流機(jī)完全通過測(cè)試，則說明該部件更換子元件后恢復(fù)正常。將正常的靜變流機(jī)安裝回飛機(jī)的電子設(shè)備艙，如圖3所示。再進(jìn)入駕駛艙，在電源系統(tǒng)面板上按下MAINT按鈕，啟動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試，查看測(cè)試結(jié)果是否正常，如圖4所示。通過系統(tǒng)面板指示情況及仿真波形圖，判斷電源系統(tǒng)是否正常工作。

圖3 將靜變流機(jī)安裝回飛機(jī)上

圖4 在駕駛艙中完成系統(tǒng)測(cè)試

2.3 負(fù)載響應(yīng)數(shù)值模擬

根據(jù)基于Simulink的電源系統(tǒng)數(shù)值仿真模型，模擬系統(tǒng)在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)情況。部分模擬輸出結(jié)果如圖5所示。

圖5 負(fù)載響應(yīng)

3 結(jié)束語

在最近的教學(xué)中，該系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)教學(xué)班中實(shí)際使用，并且根據(jù)使用反饋，進(jìn)行了幾次更新升級(jí)才得以完善。學(xué)生可以直接登錄學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)訪問實(shí)驗(yàn)資源，完成實(shí)驗(yàn)。后續(xù)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還將持續(xù)應(yīng)用，并可推廣應(yīng)用到其他高校的相關(guān)課程。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入飛機(jī)系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)，豐富了實(shí)踐教學(xué)手段，是持續(xù)完善飛機(jī)機(jī)型課程多維教學(xué)體系的重要組成部分。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)側(cè)重通過建模仿真的手段促進(jìn)學(xué)生對(duì)系統(tǒng)組成及原理的深刻理解，將飛機(jī)上真實(shí)的環(huán)境及故障現(xiàn)象模擬重現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)部件測(cè)試流程的虛擬操作，同時(shí)能在一定程度上激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生自主思考問題，熟悉實(shí)際工作流程，提高學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問題的能力。