飞机发动机仪表模拟实训教学系统的设计与实现_胡霞.pdf

Application 创新应用94 电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月摘要：阐述飞机发动机仪表模拟实训教学系统的设计，包括发动机模拟装置、控制主板、上位机、真实发动机仪表、电路外扩与故障管理装置，探讨系统功能测试中的工作过程演示、故障模拟、仪表检测。关键词：仪表模拟，工作过程演示，故障模拟，仪表检测。中图分类号：V263.6-4文章编号：1000-0755(2023)06-0094-02文献引用格式：胡霞，宋烨.飞机发动机仪表模拟实训教学系统的设计与实现J.电子技术,2023,52(06):94-95.低运行成本与高安全性为出发点，选取进/排气压力、进/排气温度和转速为发动机模拟装置模拟的物理量。需要进一步说明的是，此处模拟的物理量的值均需乘上相应系数，从而实现发动机工况的逼真模拟。发动机模拟装置由空气流道、模拟组件和配电组件组成。空气流道包括进气道和排气道，进/排气道内均设有压力传感器和温度传感器。压力、温度传感器分别与控制主板连接，反馈进/排气道内气体的压力和温度。模拟组件设置在进气道内，包括叶扇、电机、转速传感器和加热件，用于调节空气流道内气体的压力和温度。配电组件包括输入/输出电源接口、接触器、固态继电器以及接口板。配电组件分别与模拟组件、控制主板连接，控制主板驱动配电组件为模拟组件供电。进/排气压力表、进/排气温度表和转速表显示的准确性主要取决于空气流道内压力、温度以及叶扇转速控制的精确性和稳定性。因此，在压力、温度以及叶扇转速的控制中均引入位置式PID控制算法，实现实时闭环控制。以叶扇转速控制为例，分析PID控制过程。其控制原理如图1所示。r(k)为设定的目标转速，y(k)为叶扇的实际转速。PID控0 引言飞机发动机仪表系统用于指示发动机的工作状态，为驾驶员了解发动机的工作状态和判断故障情况提供依据，是确保飞机安全飞行的关键设备。发动机仪表系统的性能测试、故障诊断与排除等是高职航空院校飞机仪表类课程的教学重点1。1 研究背景本文设计的飞机发动机仪表模拟实训教学系统通过仿真发动机仪表的工况、再现发动机仪表系统的工作过程、模拟发动机仪表系统的故障，满足长时间、大规模、低成本的工作过程演示、仪表检测、系统排故的实训教学需求。2 系统的设计与实现系统由发动机模拟装置、控制主板、上位机、真实发动机仪表、电路外扩与故障管理装置组成。上位机用于设定工况参数并进行虚拟发动机仪表的指示。控制主板根据设定的工况参数控制发动机模拟装置仿真发动机的工况。真实发动机仪表指示发动机的工况，并与虚拟发动机仪表的指示实时对比。电路外扩与故障管理装置为外部仪表的测试提供标准电信号或模拟仪表系统故障。（1）发动机模拟装置。以较低制造价格、较飞机发动机仪表模拟实训教学系统的设计与实现胡霞，宋烨（长沙航空职业技术学院，湖南 410124）Abstract This paper describes the design of aircraft engine instrument simulation training teaching system,including engine simulation device,control motherboard,upper computer,real engine instrument,circuit expansion and fault management device,and discusses the working process demonstration,fault simulation and instrument inspection in the system function test.Index Terms instrument simulation,working process demonstration,fault simulation,instrument detection.Design and Implementation of Simulation Training Teaching System for Aircraft Engine InstrumentHU Xia,SONG Ye(Changsha Aviation Vocational and Technical College,Hunan 410124,China.)作者简介：胡霞，长沙航空职业技术学院；研究方向：控制技术。收稿日期：2022-09-15；修回日期：2023-06-11。Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月 95制器基于STM32单片机，结合位置式PID控制算法实现。位置式PID控制算法为式（1）。（1）（2）上位机。上位机包括参数设定界面和虚拟发动机仪表。参数设定界面采用图形化界面，划分为第一类参数（即进/排气压力、进/排气温度和转速）设定区、第二类参数（进油压力、滑油温度、油量、液压油压力以及汽缸头的温度）设定区，具有良好的人机交互效果，便于操作。以某型飞机的发动机显示系统为参照，运用GL Studio虚拟现实工具2，结合模块化的设计思路，将虚拟发动机仪表划分为转速组件、油量组件、进气压力组件等，构建了实时的、可交互的虚拟发动机仪表。在此选择油量组件进行说明，其他组件开发方法类似。油量组件由弧形色条、指针模式和数字模式相结合的方式进行显示。（1）采用GL Studio图形编辑器实现油量组件纹理，弧形色条和指针均由多边形对象组成，数字显示窗口由一个GlsTextBox对象组成。（2）建立油量组件运动的数学模型，即指针旋转角度与油量的数学关系、窗口数字与设定的油量之间的数学关系。（3）定义油量组件的指针旋转的接口函数DynamicRotate()、窗口数字更新的接口函数String()，利用GL Studio自带的代码生成器进行代码实现，在C+环境下编译、运行并调试。（3）真实发动机仪表。真实发动机仪表全部来自真实的飞机仪表，包括滑油压力表、滑油温度表、进气温度表、燃油表、液压表、转速表、排气温度表、汽缸头温度表、进气压力表和排气压力表，用于指示发动机工况参数。为便于设计控制主板的功能电路，以及在系统面板上进行真实仪表的合理布局，根据驱动发动机仪表工作的信号类型的差异，将真实仪表分为电流比值表、电机表、毫伏表和气压表。（4）控制主板。控制主板包括参数设定接口、发动机控制电路、信号转换电路、虚拟仪表接口、真实仪表驱动电路、信号调理电路和变频器。控制主板采用STM32单片机作为控制器。发动机控制电路中设有数据库，数据库根据现有飞机发动机的主要工况参数建立。由上位机设定的工况参数经接口传输至发动机控制电路。发动机控制电路根据第一类参数驱动模拟组件工作，通过传感器获得空气流道内相应的压力、温度信号和叶扇的转速信号；将第二类参数与数据库中的数据进行自动匹配和公式变换，再发送至虚拟仪表和真实仪表进行显示。如表1所示，由于驱动真实仪表工作的信号类型不同，因此，部分信号需要通过信号调理电路和变频器改变信号形式，然后再传输至相应的真实仪表。（5）电路外扩与故障管理装置。电路外扩与故障管理装置由多个电子开关电路组成。控制主板接收上位机发出的操作指令后，自动控制电子开关电路的工作状态。模拟短路时，电子开关电路直接连通真实仪表驱动电路和真实发动机仪表；模拟断路时，真实仪表驱动电路和真实发动机仪表之间的电子开关电路断开；模拟外扩时，电子开关电路连接外部设备。3 系统功能测试（1）工作过程演示。由上位机设定发动机工况参数，发动机模拟装置根据第一类参数，驱动相关部件工作产生对应仪表的驱动信号，控制主板根据数据库的数据自动匹配和变换第二类参数。对比真实仪表与虚拟仪表均能正确指示发动机工况。结果说明系统实现了发动机工况的高度仿真和发动机工作参数的实时指示，能够逼真演示发动机仪表系统的工作过程。（2）故障模拟。以滑油压力表的线路故障模拟为例。设定的滑油压力为6kg/cm2，拨下电子开关S1，此时，滑油压力表的指针发生侧偏。学生可根据该故障现象，结合所学的二线式滑油压力表的工作原理，进行故障定位（仪表内部工作线圈没有电流通过，内部线路断开）。通过气路外扩与故障管理装置可以组合设置不同线路故障，充分锻炼学生的仪表排故能力。（3）外部仪表检测。通过电路外扩与故障管理装置提供标准电信号，可以进行外部仪表的检测。以进气温度表的检测为例，通过上位机设定发动机工作参数，将外部进气温度表与相应接口连接，按下扩展按钮，外部进气温度表指示数值。此时，学生可通过判读外部进气温度表的指示值与理论值的偏差，即可检测其性能好坏。4 结语本系统采用模块化设计方法，能满足工作过程演示、仪表检测、系统排故的实训教学需求，具有操作简单、安全性能高、运行成本低的特点，解决了飞机发动机仪表教学对仪表系统实装和模拟机的依赖问题，为航空院校机务维修人才的实践能力培养提供了助力。参考文献1 王娟,张文林,樊智勇.飞机发动机仪表排故实验平台研制与应用J.实验技术与管理,2017,34(12):91-96.2 沈洋.基于OpenGL的虚拟航空仪表的研究与实现D.湖北:华中科技大学,2014.图1 PID转速控制原理图