航空發動機控制系統課程虛擬仿真實驗教學平臺建設建議與研究

李勇 馬震宇 韓非非 馬遙力 單晨晨

摘 ?要：重視學生的實踐教學、創新能力和素養的培養，在航空航天工程專業的教育中有其重要的意義。文章以英國高地與島嶼大學航空工程專業與鄭州航空工業管理學院飛行器動力工程專業作為一組對比研究對象，針對實踐教學方面兩者之間的異同，研究了航空發動機控制系統課程虛擬仿真實驗教學平臺在教學、科研中的作用，旨在解決航空動力專業相關課程實驗教學的不足，并為飛行器動力工程類本科人才培養提供示范和相關借鑒。

關鍵詞：航空發動機;虛擬仿真;實驗教學平臺;人才培養;實踐教學

中圖分類號：G640 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2022）01-0005-04

Abstract： Attaching importance to students' practical teaching and the cultivation of innovative ability and literacy is of great significance in the education of aerospace engineering major. This study is done taking the Aeronautical Engineering major of British Highland and Island University and the Aircraft Power Engineering major of Zhengzhou University of Aeronautics as a group of comparative research objects. The paper studies the role of virtual simulation experiment teaching platform for aero-engine control system course in teaching and scientific research according to the similarities and differences between practical teaching and learning. The purpose of the study is to solve the deficiency of experimental teaching in related courses of aero-power major， and to provide demonstration and reference for undergraduate personnel training of aircraft power engineering.

Keywords： Aero-engine; virtual simulation; experimental teaching platform; talent training; practical teaching

一、問題的提出

高等教育國際化是經濟全球化帶來的必然趨勢，中外合作辦學是我國高等教育國際化的重要途徑[1]。鄭州航空工業管理學院航空發動機學院目前已經與英國高地與島嶼大學成功開展了航空工程專業中外合作辦學項目，并已經開始實施。作者也有幸參與了2017年鄭州航空工業管理學院與國家留學基金委合作的“河南省青年骨干教師成班派出計劃”，于2017年11月至2018年2月在英國高地與島嶼大學進行了為期三個月的短期訪問學者學習。在英國期間，作者對于國外先進的教學理念和課程教學方法、教學手段感受很深，本文的研究得到了河南省高等學校重點科研項目（21A590003）與鄭州航空工業管理學院教育科學研究基金項目（Zhjy19-53）的支持。

當今，以英、法、美、俄的航空航天技術最為領先，在這些國家航空航天工程教育在高等教育中有著非常重要的地位，航空航天工程專業幾乎已成為世界排名前列大學的必設專業[2]。英國航空航天工程教育主要反映出以下特點[3-4]：

1. 學制多樣。英國采用的是1年預科，加上3年正式的大學教育的學制，這與我國普遍采取4年制本科教育學制不同。

2. 面向工程。工程科學的許多知識和技能必須在動手的過程中才能掌握。在各種學習環節中強調在實踐中學習，在獨立或合作的課題研究中提高，是英國大學工程教育的一個顯著特色[5]。

3. 實踐性強。英國高等教育對課程中涉及的實驗課，授課教師一般不做講解和示范，而是由學生帶著實驗講義去實驗室，自己對著儀器摸索。相關授課教師或實驗室的技術人員則在實驗室巡視，隨時回答學生提出的問題[6]。這與我國實驗課有著較大差異。

4. 產學合作緊密。英國開展航空專業教育的高等學校積極開展與整個歐洲范圍內航空航天類企業的持續全面合作。相關大學的研究所或課題組已發展成歐洲航空航天研究領域中的一支重要的科研力量，也造就了一支科學技術研究和工程實踐兼備的教師隊伍。

目前，我國航空航天類工程教育還沿襲著過去的人才培養模式，存在著重學科體系、教學內容陳舊、缺乏創新人才培養體制等現象，而工程教育的基本特征是“實踐性”和“綜合性”，目前國內許多高校對此重視程度不足，課程體系建設、校企實習、產學研合作等還缺乏制度保障，學生自主學習能力和意識還非常薄弱，教師教學的方式還有待與時俱進等。

為了適應我國航空事業發展需求，以培養具有專業勝任能力的綜合應用型航空人才為目標，堅持“學生中心、問題導向、創新實踐”的實驗教學理念，按照“虛實結合、以虛補實”的原則，以民用航空渦扇發動機為對象，采用3D建模、原理動畫、虛擬現實人機交互等技術研制航空發動機控制系統虛擬仿真實驗教學平臺，已是相關本科類航空專業院校亟待提上日程的一項任務，以解決航空動力專業相關課程實驗教學的不足。

二、航空發動機控制系統虛擬仿真實驗教學平臺建設必要性分析

隨著計算機技術的發展和虛擬現實仿真技術的商用化逐漸成熟，虛擬仿真已用于各行各業的方方面面。近年來，教育部印發《關于一流本科課程建設的實施意見》，實施一流本科課程“雙萬計劃”，推動了建設虛擬仿真實驗教學平臺的熱潮。

為解決綜合應用型航空人才培養中的問題，實現國家培養卓越人才和創新人才的戰略目標，有必要建設航空發動機結構拆裝和控制運行虛擬仿真實驗教學系統，其可以為飛行器動力工程專業提供多層次的虛擬教學實踐操作訓練平臺。

建設航空發動機虛擬仿真實驗教學平臺必要性主要有以下幾個因素：

1. 航空發動機實際工作原理難以理解。由于空氣和發動機內部結構無法看見，學生對發動機的組成及工作原理理解起來非常困難?？刂葡到y運行過程的數字信號，以及控制結果與氣動、機械的聯系均不可見，學生要了解發動機控制規律中的控制量與被控對象的關系是非常困難的。

2. 實物難以使用。航空發動機體積龐大，零部件眾多，裝配關系復雜，在講解發動機構造時無法深入、細致、準確地對學生進行教學，而且新型航空發動機價格高昂，一般高校不具備采購條件，沒有足夠數量的實物發動機供學生使用學習。

3. 實驗成本高。開展航空發動機整機實驗所需的基礎設施以及相應試車臺建設成本高，同時每次發動機試車實驗的使用費用和維護成本高昂，難以對大批量學生進行開放教學。

4. 實驗風險大。航空發動機試車時轉速高、排氣溫度高，含有航空燃油、高壓交流電等危險因素，學生開展航空發動機地面點火試車條件難度大，危險性高。

5. 實驗難以實現。航空發動機的控制原理實驗需要在專業的實驗室才可點火試車，是在校園真實環境中無法開展的教學實驗。

6. 實驗設備落后于現役航空裝備。目前開展發動機相關試車實驗的發動機型號主要是退役的一些落后發動機，針對最新型的航空發動機，獲取實物非常困難。

綜上所述，建設航空發動機控制系統虛擬仿真實驗教學平臺是學生所需，教學所用，時代必然。

三、航空發動機控制系統虛擬仿真實驗教學平臺原理及功能

航空發動機控制系統虛擬仿真實驗教學平臺包括四個模塊，航空發動機組成和航空發動機運行工作原理基本情況，航空發動機全權限數字式控制系統組成及原理學習，通過老師演示和學生自主學習，可進行航空發動機控制參數操作，進行航空發動機運轉試車。

該虛擬仿真實驗教學平臺以CFM56大涵道比渦輪風扇發動機為對象，通過三維虛擬仿真方法設計航空發動機主要部件和控制系統軟件，構建航空發動機虛擬仿真數字模型和控制器數字模型，當輸入航空發動機實際工作的環境條件、飛行條件、調節控制參數變量的數據后，航空發動機仿真模型根據飛行高度、速度、環境溫度、燃油量，渦輪前燃氣溫度、發動機轉速、推力、耗油率等各物理參數，傳遞給電子控制器數字模型，電子控制器按照設定的控制規律計算出執行機構等指令，然后再傳遞執行結果給發動機數字模型，從而形成發動機控制系統的全數字仿真閉環。

該平臺主要功能為：

1. 在知識獲取方面，增強學生理解航空發動機控制系統組成和工作原理，熟悉全權限數字電子控制系統零部件組成，了解發動機控制系統的控制規律。理解發動機簡單工作原理，如壓氣機流量特性、燃燒室燃油燃燒、推力的產生和發動機在各飛行剖面的工作特性。

2. 在技能培養方面，增強學生理解渦扇發動機控制所需的環境參數、燃油消耗、推力的計算與各設計變量間的關系，可通過自由設定各種控制參數來改變系統的控制效果。

3. 在未來拓展方面，為學生后續課程的學習打下堅實基礎，為學生在未來從事航空發動機控制系統設計、使用、實驗等工作提供切身的感性認知和操作體悟。

4. 在教學效果方面，提高學生學習航空發動機控制專業興趣，加深學生對課程重點、難點內容的理解和掌握。

使用本航空發動機控制系統虛擬仿真教學實驗平臺后，要求學生掌握以下知識和能力：

1. 深刻理解航空發動機的主要結構組成和基本工作原理，理解大涵道比渦輪風扇發動機控制原理和工作特性。

2. 深刻理解發動機穩態及過渡態的控制，具有對航空發動機運行包括起動、加速、減速、防喘、引氣輸出等過程的控制規律的參數設計能力。

3. 通過本教學實驗，使學生能親身體驗到發動機復雜的工作過程，掌握發動機控制系統設計技術的整體概貌和機理。

4. 使學生養成反思解決問題的習慣，能夠讓學生對航空發動機控制系統設計及故障診斷與排故等方面的能力得到提升。

在航空發動機控制系統虛擬仿真實驗教學平臺中，學生通過對仿真軟件的操作，完成了對發動機控制試驗的原理、操作方法及各種問題處理方法的學習。

四、航空發動機控制系統虛擬仿真實驗教學平臺實驗方法與步驟

（一）實驗方法

1. 模型法

本平臺通過構建三維模型的方法模擬發動機運行的實驗，訓練并評價學生在模擬試車臺和環境中的操作。本平臺擬選擇民航CFM56大涵道比渦輪風扇發動機為基礎建設，搭建的是以真實發動機為藍本的完整建模。在第一視角下，學生可以自主學習航空發動機主體結構、控制系統組成、運行原理，通過鼠標可以在實驗室進行虛擬現實漫游參觀學習及操作，并可對發動機進行360度全方位觀察學習。

2. 數字法

本平臺通過構建渦扇發動機數字模型，通過輸入發動機運行參數計算輸出發動機的工作參數變化，反映發動機受外部參數改變而相應產生的真實運行過程;同時也構建了全權限數字電子航空發動機控制系統的數學模型，通過模擬飛行員的操作指令、發動機參數及外界參數，由模型計算后，輸出操作各附件執行機構動作，改變發動機模型輸入參數，進而控制發動機運轉;最終實現發動機控制系統的全數字化仿真。學生可自由設計控制器控制規律的輸入參數，仿真驗證參數的改變對發動機控制系統的影響。

3. 情景法

本平臺可以為學生提供與航空發動機全面交互的虛擬環境。學生在虛擬的環境中，可立體、生動地感知航空發動機結構，自由調整發動機控制規律參數，自主參與航空發動機控制系統試車臺實驗操作。學生沉浸其中。進行實驗時，系統具有步驟提示與糾錯功能，允許學生不斷“試錯”;系統也會對學生的整個操作過程進行記錄和評分，可真實反映學生對航空發動機控制系統虛擬仿真實驗的理解和掌握程度。

（二）航空發動機虛擬仿真實驗教學平臺實驗主要步驟

步驟1：航空發動機組成結構認知。在軟件虛擬場景中選擇航空發動機演示，場景切換到CFM56大涵道比渦輪風扇發動機，認知各部件結構，側面顯示部件參數說明，通過鼠標可以對整機和部件進行放大縮小及多角度深入仔細觀察。

步驟2：航空發動機控制系統組成認知。在軟件發動機場景中選擇發動機控制系統演示，通過列表選擇電子控制器、燃油、滑油、供氣及冷卻、起動與點火、排氣及反推、操縱及指示等子菜單，虛擬現實場景中，高亮顯示相關子附件外觀，并配以講解動畫說明附件工作原理，并有窗口顯示附件功能說明。

步驟3：航空發動機運行原理演示。虛擬仿真軟件通過流線、粒子、色差展示氣流在發動機整機和部件內部的流動情況，刻畫氣流在發動機內部細節，可全視角自由旋轉和縮放觀察，感性認知航空發動機各部件內復雜流動的氣流;并通過界面控件調節可調靜子葉片改變流入發動機氣流對發動機運行的影響演示。

步驟4：航空發動機控制系統變量參數設計。虛擬仿真軟件打開發動機參數設計界面，可依照實驗規程，更改發動機運行環境參數和附件控制及響應參數，然后再運行控制器進行控制驗證，學生可熟悉發動機各項輸入參數對其運行的影響。

步驟5：熟悉航空發動機操作系統。虛擬仿真軟件模擬駕駛艙頁面，提供直觀的模擬油門手柄、發動機參數指示系統，學生可直觀辨認及體驗操作真實飛機的發動機運轉控制過程。

步驟6：航空發動機組成與控制系統工作原理考核。當學生完成航空發動機組裝和控制系統原理框圖查看與操作后，可以在此步驟進行控制系統學習及設計驗證，在離開本模塊前完成理論知識點考核，測試結果通過后臺記錄，作為最終考核成績的一部分。

步驟7：航空發動機試車參數變量。在軟件中熟悉控制系統在虛擬飛機操作面板位置，查看各個軟件的功能及操作方法。

步驟8：航空發動機運轉試車方案制定，開始實驗操作前制定實驗方案，選定預先設定實驗流程，然后學生任意選定參數，確定方案后進入實驗操作。

步驟9：起動發動機，在虛擬飛機操作面板上給發動機控制器上電，通過油門手柄起動發動機到慢車狀態，在發動機參數測量系統界面觀察發動機主要參數變化，若有異常給出警告，并分析故障原因。

步驟10：航空發動機參數測量，按試車規程進行試車，改變油門手柄角度，推油門至發動機額定狀態，穩定運行2分鐘;然后收油門至發動機慢車狀態，穩定運行2分鐘，推油門到最大位置，記錄該狀態的各項參數。觀察發動機參數變化規律，如果異常，暫停實驗，進行故障查找和排除。

步驟11：關閉航空發動機實驗，將油門手柄收到停車位置，發動機停止轉動。實驗結束后斷電，恢復實驗臺狀態。整理數據，獲得航空發動機運轉試車數據曲線。

五、結論

據行業分析，航空航天類專業近三年來有大量虛擬仿真實驗室立項建設。現在已通過國家鑒定且發布到國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺上的相關項目有34個，其中有5個與航空發動機相關，講解航空發動機原理的有2個，并且其都是以老舊小型渦噴發動機為原型，并以發動機裝配和試車實驗為主?，F有航空發動機實驗室的功能單一且脫離實際，建設數量較少，無法滿足日益增長的學生學習需求。

本平臺是以商用CFM56大涵道比渦輪風扇發動機為原型，學生在理解發動機部件組成的基礎上，以學習航空發動機控制系統數字仿真為核心，驅動三維模型動畫進行原理演示，更適合航空類飛行器動力工程專業教學使用（見表1）。

通過借鑒英國高地與島嶼大學的航空工程專業教育人才培養模式和特色課程建設，構建合理的課程教學體系，注重實踐教學與綜合化訓練課程建設，提出開發有效的航空發動機控制系統課程虛擬仿真實驗教學平臺建設，將為鄭州航空工業管理學院其他學院和相關主管部門提供借鑒和參考。

參考文獻：

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