航空發動機控制系統半物理模擬試驗的應用

潘麗君，孫志巖，楊惠民，王培棟

（1.中國航發控制系統研究所，2.空軍駐無錫地區軍事代表室：無錫214063）

航空發動機控制系統半物理模擬試驗的應用

潘麗君1，孫志巖1，楊惠民1，王培棟2

（1.中國航發控制系統研究所，2.空軍駐無錫地區軍事代表室：無錫214063）

半物理模擬試驗在發動機控制系統研發中發揮著重要作用，然而鮮有文獻對國內外半物理模擬試驗的應用情況、技術特征進行總結提煉。結合科研實踐和相關文獻，分析了航空發動機控制系統開展半物理模擬試驗的必要性、控制系統的復雜性和國外標準規范要求開展半物理模擬試驗的必須性，介紹了半物理模擬試驗的基本組成和原理，回顧了國外半物理模擬試驗的開展情況，并對國內半物理模擬試驗在科研、批產過程中的應用進行說明。結合工程實踐和國外研究成果，總結了半物理模擬試驗環境的關鍵技術，指出了半物理模擬試驗技術深化的方向。

半物理模擬試驗；控制系統；集成試驗；航空發動機

0 引言

航空發動機控制系統半物理模擬試驗是在控制系統裝機前，在試驗室環境下構建系統安裝和工作條件，集成控制系統部件，與發動機數學模型構成閉環運行的仿真試驗，試驗中控制系統部件如電子控制器、液壓執行機構、傳感器等是真實的（物理的），發動機是虛擬的（數學模型），故稱為半物理模擬試驗。國外相關文獻一般稱作閉環試驗臺試驗（closed-loop bench test）或濕設備試驗（wet rig test）。

由于在真實發動機上開展控制系統的功能和性能驗證風險、成本很高，國際發動機行業標桿企業如PW、RR等公司，均建有功能完善的半物理模擬試驗器，并將半物理模擬試驗視為控制系統綜合與驗證中的關鍵環節之一。半物理模擬試驗對于充分驗證系統功能性能，降低系統研制風險和成本有著重要作用。

由于國內開展控制系統自主研制和半物理模擬試驗起步較晚，對半物理模擬試驗的技術積累較少，在科研實踐中半物理模擬試驗結果常與發動機試驗結果存在差異，一些在發動機上出現的控制系統問題難以在半物理模擬試驗中復現，影響了半物理模擬試驗的效果。而對于國外半物理模擬試驗的應用情況和技術特征，目前鮮有文獻進行歸納介紹。本文分析了開展半物理模擬試驗的必要性，介紹國內外半物理模擬試驗發展和應用情況，結合國內工程實踐梳理半物理試驗的關鍵技術，并提出未來半物理模擬試驗技術深化的方向。

1 半物理模擬試驗的必要性

發動機控制系統始于20世紀40年代簡單的液壓機械燃油控制系統，先后經歷了初始階段、成長階段、電子階段和綜合階段，現已發展到全權限數字電子控制（FADEC）技術。隨著飛行包線的擴展和發動機控制功能的發展，系統控制的復雜性也大大增加，發動機控制系統的控制變量也從早期的單個變量擴展到如今的10多個變量[1]。

20世紀70年代以前，由于缺乏仿真驗證手段，發動機控制系統的設計驗證常常要在發動機試車和試飛中完成，很多控制系統的功能、邏輯在試驗后要調整，使得控制系統研制滯后于發動機研制。此外，一些功能如全飛行包線內的故障模式和檢測、故障運行/故障安全性能的驗證難免帶來試車試飛風險。

針對傳統研制流程存在的問題，PW公司采用仿真技術加速控制系統研制進程，并提出了仿真技術需要解決的問題：（1）保證發動機數學模型及控制系統仿真模型的高置信度；（2）在發動機研制過程中始終按最新狀態及時更新模型；（3）保證所有的仿真是匹配的[2]。

在工程實踐中，確保所有仿真模型的高置信度和及時更新存在很大難度，因此集成控制系統實物部件的半物理模擬試驗成為不可或缺的驗證方式。通過開展半物理模擬試驗，可以實現控制系統和發動機的并行開發和驗證，大大降低控制系統功能、性能調試的成本，完成在試車試飛中難以驗證的故障處理、對象拉偏等高風險的科目驗證。

由于半物理模擬試驗的重要作用，“GJB-4053航空發動機數字電子控制系統通用規范”等國內標準提出了開展半物理模擬試驗的要求，而美軍標準的相關說明更為具體。如美國“JSSG-2007B航空發動機設計規范”[3]對控制系統試驗提出：“FADEC（包含燃油系統）應當在1個包含發動機實時動態模型的試驗臺上集成試驗以證明對發動機的控制能力；要驗證控制系統在包線范圍內（地面、高空）從起動到最大加力狀態下的功能和性能；如果可能，還應當通過飛機模擬器驗證發動機的控制模式和飛推綜合控制模式。”

美國2004年發布的“MIL-STD-3024 推進系統完整性大綱”明確指出，“開展系統集成開發要采用半物理試驗設備；并指出需要開展幾類試驗，如控制系統開發、燃油系統集成、故障注入、故障檢測和故障處理等；半物理模擬試驗的需求應該在初步設計評審（PDR）前就進行識別，并與各部件供應商達成一致，在研發過程中應該使用半物理試驗的數據來不斷更新部件模型[4]”。

2 半物理模擬試驗基本組成與原理

半物理模擬試驗的基本組成（如圖1所示）包括發動機控制系統參試件、安裝臺架、物理效應設備、發動機模型計算機、傳感器模擬裝置、操縱模擬裝置等。半物理模擬試驗的基本原理是：安裝臺架和物理效應設備為控制系統的泵、計量裝置等燃油、作動附件提供安裝、傳動、供油、負載等模擬發動機工作環境；發動機模型采集控制系統的控制量包括流量、變幾何位移等參數，計算發動機當前狀態值；電子控制器根據油門桿等操縱指令計算發動機控制的目標值；根據目標值和當前狀態值的偏差計算燃油流量、變幾何位置等控制量的給定，從而實現實體的發動機控制系統與虛擬的發動機數學模型構成閉環運行。

控制系統參試件一般包括電子控制器、燃油泵、燃油計量裝置、作動裝置、傳感器等。部分傳感器如溫度傳感器由于集成真實傳感器并施加真實物理效應較為困難，一般采用傳感器模擬裝置進行模擬；安裝臺架為參試的泵、燃油附件等提供與發動機接近的安裝接口和支撐條件；物理效應設備為發動機控制系統參試部件提供模擬發動機條件的工作環境，包括供油系統、傳動系統、作動負載模擬系統、燃燒室壓力模擬系統等；發動機模型計算機用于運行發動機實時數學模型，根據采集到的控制系統的控制量如流量、作動系統位移等計算發動機輸出狀態；傳感器模擬裝置對于受條件制約不能參與試驗的傳感器，如溫度、壓力、振動等傳感器，根據發動機模型運算的輸出值采用信號模擬的方式為電子控制器提供模擬輸入；操縱模擬裝置用于模擬飛機對發動機的操作接口和人機界面，如油門桿、開關、信號燈、通訊接口等。

3 國外半物理模擬試驗的應用

國外發動機控制系統研發普遍采用了半物理模擬試驗驗證。

早在20世紀60年代，Vickers公司就設計了用于燃油調節器驗證的的半物理模擬試驗器，由于當時計算機技術還不夠成熟，試驗器使用模擬電路模擬發動機動態特性控制燃油泵轉速，并模擬了燃油調節器的出口壓力[5]。

進入20世紀70年代，隨著計算機技術的發展，半物理模擬試驗開始采用基于數字計算機的實時仿真技術，大大增強了半物理模擬試驗的能力。如PW公司FADEC系統配裝F-15飛機試飛前，開展了677 h的半物理模擬試驗，驗證了2套用于交付發動機的控制系統，在試驗中分別采用常溫燃油和高溫燃油進行了海平面和高空點的動態試驗，并且開展了大量故障檢測和處理邏輯的驗證，大大降低了系統研制成本，縮短了研制周期[6]。

PW公司于20世紀70年代末建成的用于F100等發動機控制系統的半物理模擬試驗環境，其原理如圖2所示。

根據相關文獻披露，該半物理試驗環境具有以下功能特點[2]：

（1）具備模擬包含飛發接口的完整推進系統在全工作范圍的實時仿真能力；

（2）可工作在純分析設計模式下或組合控制系統硬件進行閉環試驗；

（3）可測試單個部件、完整控制系統，或者部分仿真替代的控制系統；

（4）試驗環境具備各種能對系統功能性能產生影響的物理效應。例如采用真實的空氣渦輪起動機，采用計算機控制作動器的負載，為了驗證燃油在高溫總管中的蒸發現象對加力系統工作的影響，使用真實的加力燃燒室噴嘴架，并模擬噴嘴架工作溫度等；

（5）試驗設備具備模擬控制對象動態特性能力，例如其對氣壓動態的模擬速度達到了8 Hz，采用小慣量電機帶動轉速傳感器；

（6）具備故障模擬和頻響分析功能。

PW公司在其用于黑鷹直升機的功率為2207 kW渦軸發動機控制系統驗證中，進行帶飛行模擬器的半物理模擬試驗，通過引入人在回路的仿真器，可以驗證機動飛行時控制系統性能對飛行操縱的影響[7]。

GE公司在對F404發動機控制系統驗證中，半物理模擬試驗被用來進行2000 h的燃油/滑油系統部件壽命評估，試驗構型中不僅包括燃油系統部件，還包含滑油系統部件，對燃油系統部件施加了空氣溫度和燃油溫度的極限環境效應，并開展了750 h的模擬任務耐久性試驗[8]。

英國RR公司在對其半分布式控制系統開發驗證中，使用了Woodward公司半物理試驗設備對燃油噴嘴背壓進行了模擬，主要試驗內容包括動態試驗和故障注入試驗等。研發人員對半物理試驗結果和仿真結果進行了對比，并對試驗中出現的問題進行試車風險分析[9]。

德國MTU公司在對EJ200發動機矢量控制系統驗證中，采用了半物理模擬試驗驗證，并通過試驗驗證作動系統模型[10]。在對TP400渦槳發動機數控系統驗證中，采用干設備（dry rig）和濕設備（wet rig）2類設備進行驗證，采用干設備實現硬件在回路的仿真驗證，測試中只有控制器是真實的，而采用濕設備集成真實的燃油系統部件和部分傳感器，將干設備和濕設備組合后可進行半物理模擬試驗[11]。

4 國內半物理模擬試驗的應用

4.1 系統研發階段半物理模擬試驗的應用

國內發動機全權限數控系統研究起步于20世紀80年代。從1987年開始列為預先研究項目，在項目初期就通過半物理模擬試驗驗證系統功能性能；1996年開始歷時1年半，在半物理模擬試驗臺上共完成14種故障模式及組合模式的故障模擬試驗、19個高空點的功能和性能模擬試驗和模型拉偏試驗，控制系統的穩定性、可靠性得到大幅度提高[12]。

2002年全權限數字電子控制技術試飛驗證后，大量在研發動機開始采用全權限數控系統，對半物理模擬試驗器的需求也大大增加，近年結合項目研制需求，已建立了多個具備不同發動機數控系統特征的半物理模擬試驗器，包括渦軸、渦槳、非加力渦扇、加力渦扇等。這些試驗器在數控系統開發驗證中發揮了重要作用。如某型加力渦扇發動機數控系統在設計定型前開展了800 h以上的半物理模擬試驗，某型渦軸發動機數控系統在設計定型前開展了超過6000 h的半物理模擬試驗。

國內發動機控制系統研發遵循分級設計、分級綜合驗證的V字流程。

在控制系統設計階段，系統和部件模型還只是初步模型，缺乏實際工程數據的驗證；進入集成驗證階段后，通過開展部件試驗可以獲取一部分部件數據，但由于部件試驗環境與真實狀態存在差異，其試驗數據還不足以完整對系統模型進行校核。在半物理模擬試驗中，由于系統架構完整，通過開展針對性的動態性能測試，可以提取較為準確的系統和部件的動態模型，一方面可用于更新回歸桌面仿真模型，另一方面，半物理模擬試驗中提取的控制回路模型可用于故障診斷。

在系統分級綜合驗證的流程中，一般順序為部件試驗、電子控制器在回路的HIL仿真試驗、集成所有控制系統部件的半物理模擬試驗、臺架試驗、飛行試驗等。由于半物理模擬試驗是控制系統在裝發動機前最后1級試驗，并且試驗組成最為完整，因此半物理模擬試驗也成為控制系統研制單位最為完整的驗證基線，通過與部件試驗、HIL仿真試驗進行數據對比和校核，可以促進部件試驗、HIL試驗的基線對準。

4.2 批生產階段半物理模擬試驗的應用

半物理模擬試驗不僅用于發動機控制系統研發階段的驗證，在產品設計鑒定后的生產階段也發揮了重要作用。由于國內發動機數控系統還未走完從設計、生產、使用、維護到退役的完整生命周期，對于控制系統及其部件的完整容差指標還在不斷完善中，通過半物理模擬試驗可積累系統部件匹配性能數據，幫助發現部件匹配異常和系統功能性能偏離，降低交付質量風險，并進一步完善系統部件的性能驗收指標，為實現系統產品的生產定型提供支撐數據。

某型航空發動機數控系統自2011年小批量生產至今累計交付數百套，在此過程中，半物理模擬試驗對發動機交付及外場正常使用發揮了以下重要作用：

（1）可有效抑制問題延伸到外場。雖然參與半物理試驗的各部件均已通過部件驗收，但組成子系統或全系統后的性能依然存在超差的可能，例如轉速采集超標、油針位移采集超標、低溫供油特性超標等，在某型數控系統生產中，每個月都有數套產品需經過調整才能滿足系統集成要求。

一方面由于系統性能取決于相互匹配的部件指標，分配給部件指標往往預留一定容差，當單套系統中多個部件同時出現容差接近極限時，系統性能極可能超標；另一方面受制于當前的技術水平，部分系統性能只有在系統集成后才能檢查，部件生產階段無法有效控制。通過半物理試驗提前發現匹配問題并解決，可有效降低因數控系統問題對發動機交付試車的影響，保障發動機交付。

（2）可快速定位并解決外場故障。遵循新裝備交付初期故障多發的客觀規律，交付前3年某型數控系統在主機及部隊共發生故障182起，外場故障發生后，如缺少半物理模擬試驗環境，必須在發動機或飛機上進行故障定位，而限于測試、驗證條件，故障定位效率將極大降低。同時，針對外場發生的故障，通過完善半物理模擬試驗方法，可防止同類故障再次發生。例如通過在生產試驗中補充了低電壓工作能力檢查試驗，提前在生產環節發現并排除了控制器和燃油泵調節器電磁閥匹配問題。

（3）可有力保障產品外場服務工作。在數控系統使用維護中，因發動機或飛機原因返修屬于常規工作，通過半物理模擬試驗可完成數控系統級檢修，簡化了部件和發動機工作，檢修后數控系統可提供與產品出廠交付及發動機交付試車對比的數據，有效支撐外場服務人員及部隊機務人員決策，提高裝備使用效率。

5 半物理模擬試驗環境的關鍵技術

完整而又先進的試驗環境是半物理模擬試驗有效開展的前提條件。根據國內工程實踐和對國外半物理模擬試驗開展情況的研究，簡要介紹半物理模擬試驗環境的關鍵技術。

5.1 高置信度發動機模型

為了保證閉環試驗性能的準確性，應當用實際試車數據校核修正發動機數學模型，同時還應對發動機模型軟件運行進行實時性測試。對于起動、熄火、高空、放氣等狀態，發動機模型也應保證一定的精度，以保證驗證結果的合理性。

5.2 安裝臺架及效應模擬技術

5.2.1 安裝型架及機械傳動機構

試驗中控制系統部件安裝定位和互聯管路應參考真實發動機，公開披露的F119、TP400等發動機半物理模擬試驗均采用3維安裝的布局，各部件連接的管路也與真實發動機近似。對于導葉、噴口等作動筒的安裝，應考慮作動筒的機械傳動機構形式及傳動系數與發動機一致，安裝機構應具備足夠的強度和支撐剛度[13-14]。

5.2.2 傳動系統

傳動系統用于為燃油泵、交流發電機等控制系統部件提供傳動動力。如有多個試驗件需要傳動，需要考慮傳動齒輪箱的結構與安裝型架的兼容性。對傳動系統穩態和動態性能均有較高要求，動態特性應明顯優于發動機的轉子動態。

5.2.3 燃油供油系統

燃油供油系統應當具備模擬飛行包線內的燃油溫度的供油能力，供油溫度的控制應當保證一定的精度。燃油供油系統的供油壓力和回油壓力可根據發動機工作指標進行調節。

5.2.4 背壓模擬技術

背壓模擬主要包括主燃燒室和加力燃燒室的背壓模擬。其目的是解決半物理模擬試驗時燃燒室壓力環境差異的問題。在工程實踐中，常用壓氣機后壓力及渦輪后壓力近似作為主燃燒室和加力燃燒室的背壓指令值，通過背壓模擬裝置調節主燃油及加力燃油的計量管路出口壓力值。

5.2.5 作動加載技術

作動系統負載需要考慮全飛行包線內的氣動載荷特別是極限條件下的載荷，對于噴口作動系統、矢量作動系統等復雜的執行機構，還應考慮模擬作動機構的慣性負載和摩擦負載。采用力閉環的作動加載系統要能夠在作動系統的各種工作條件下抑制多余力。

5.2.6 氣壓模擬技術

帶液壓機械備份功能的發動機控制系統通常具備氣壓敏感元件，部分電子控制器內部集成了壓力傳感器，因此半物理試驗環境需要具備氣壓模擬裝置。氣壓模擬要有足夠的動態性能，并考慮發動機控制部件的安全保護[15]。

5.2.7 加力燃燒室環境模擬技術

基于高空加力點火過程的復雜性，PW公司在半物理模擬試驗中進行了加力燃燒室的環境模擬，在試驗環境中，直接采用發動機的噴嘴架，置于1個油箱中，油箱的環境壓力和噴嘴架的金屬溫度通過計算機控制以復現飛行中的發動機狀態，可以模擬高空狀態燃油填充時的蒸發效應，從而對控制進行優化。

5.3 飛機-發動機接口模擬技術

發動機控制系統與飛機通過總線、離散量等信號進行交聯。為了評估系統設計對飛機的影響，需要對飛發接口進行模擬。一些先進飛機設計了飛發一體化控制，這種情況下還應包含飛機動力學模型和模擬座艙，如有條件還應通過人在回路的方式評估發動機的控制品質。

5.4 傳感器信號仿真技術

隨著控制系統由液壓機械式向數字控制轉變以及信號仿真技術的成熟，在半物理仿真試驗中對發動機參數模擬開始從真實物理效應的模擬轉為通過電子技術模擬傳感器信號，以降低試驗成本，同時避免由于物理效應裝置的復雜和不穩定性給仿真結果帶來的偏差。傳感器信號仿真裝置應具備足夠的穩態和動態精度，電氣負載特性應能支持控制器BIT檢測功能。

5.5 數據采集與處理技術

試驗中的關鍵參數如燃油流量等應確保測量的精度，數據采集應能根據測試需求設置合適的采樣速率，以研究被試對象的穩態和動態特性。數據處理應能對環節的動態、靜態特征值、系統響應、系統穩定性能、故障及故障瞬態等，按特定的性能準則和指標進行在線或離線處理，為系統性能的評定提供定量的試驗分析結果。

5.6 故障模擬技術

故障的檢測、隔離和處理是發動機控制系統的關鍵功能，也是半物理模擬試驗的重要內容。半物理模擬試驗需要盡可能完整地模擬實際工作中可能出現的軟故障、硬故障模式，充分驗證系統安全性。

6 結束語

航空發動機控制的高復雜性和風險使得發動機數控系統的研制離不開大量仿真試驗的支持，而半物理模擬試驗已成為當今發動機數控系統研制必不可少的重要手段，其試驗水平在一定程度上反映了控制系統的研制水平。半物理模擬試驗是綜合機械、液壓、電子、仿真、測試等專業的多學科復雜試驗，國內經過近30年的發展，初步建立了較為完整的半物理模擬試驗設施，但與國際先進水平相比還有一定差距，未來需要在效應模擬的完整性、狀態覆蓋度、仿真模型的置信度等方面深化技術研究，提升半物理模擬試驗的置信度和完整性，為發動機控制系統研制提供有力支持。

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Survey of closed-loop bench testing of aero engine control system

Pan Li-jun1， Sun Zhi-yan1， Yang Hui-min1， Wang Pei-dong2
（1.AECC Aero Engine Control System Institute,WuXi 214063;2 Consumer Representative Office of Air Force in Wuxi,Wuxi 214063）

Closed-loop bench testing plays an important role in the engine control system development,but few papers discussed and summarized the practice and technology of closed-loop bench test.This paper analyzes the necessity of closed-loop bench test of engine control system,the complexity of control system and foreign standard specification all require closed-loop bench test.Reviews the development of closed-loop bench test abroad,and introduces the basic composition and principle of closed-loop bench test,describes the application of domestic closed-loop bench test in scientific research and batch production process.Combined with engineering practice and research on foreign situation,summarizes the key technology of closed-loop bench test environment,and points out the direction of closedloop bench test technology.

closed-loop bench test;control system;integration test;aeroengine

V 232.9

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.03.012

2016-11-19 基金項目：航空動力基礎研究項目資助

潘麗君（1962），女，工程師，從事航空標準化管理工作；E-mail:18903822938@163.com。

潘麗君，孫志巖，楊惠民，等.航空發動機控制系統半物理模擬試驗的應用[J].航空發動機，2017,43（3）：62-67.Pan Lijun，Sun Zhiyan，Yang Huimin,et al.Surveyofclosed-loop bench testingofaeroengine control system[J].Aeroengine，2017,43（3）：62-67.

（編輯：李華文）