航空发动机通用仿真器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于航空发动机控制系统的仿真测试系统，尤其涉及一种用于航空发动机数字式电子控制器硬件在回路的仿真测试系统。
【背景技术】
[0002]当前，航空发动机控制系统已是一个多变量、时变、非线性、多功能的复杂数字式控制系统，其性能的优劣直接影响航空发动机及飞机的性能，同时它也是一项高难度的技术，其间要完成系统研制、地面台架试车、高空台试车和装机试飞验证等工作。随着控制功能需求的增加和控制变量的不断增多，控制系统越来越复杂，其中，数字电子控制器的输入输出信号类型由几种变为几十种；信号数量由十几个变为上百个，甚至几百个；精度控制要求也越来越高。错综复杂的信号参数给发动机及控制系统的研制和试验以及后期维护带来了很大的困难，人工采集和处理这些参数数据已带来了大幅度成本增加和时间的延长。为了减少控制系统研制成本，缩短研制周期，降低研制风险，确保发动机试验过程中的安全，在发动机进入实际试车前必须通过大量的发动机仿真试验和故障模拟，充分掌握控制系统的特性后，才能保证在发动机试车中有指导工程实践作用，防止意外发生。所以在设计和研制控制系统的同时必须考虑一个非常重要的“副”产品-发动机仿真器(反控制器)，用以替代真实的发动机，进行大量的控制系统功能验证实验。在《航空发动机数字电子控制系统通用规范》新修订版中对于数控系统硬件回路故障及发动机故障(单个及组合故障)的仿真覆盖量要求，视发动机及控制系统功能的复杂程度可以达到几何级数，单靠人工已无法完成庞大的测试工作量，所以在仿真设备的研制上必须采取相应措施。
[0003]目前国内进行电子控制器相关测试采取的技术手段有以几种方式:
[0004]一种是研制专用模拟电子式控制器检测台，采用传统以人工操作模拟电子仪器设备的试验技术手段，可以对控制器单个功能进行开环测试，但由于自动化程度低，设备功能单一，操作过程复杂，试验效率低下，对于复杂的发动机仿真对象，需要进行控制系统组合功能的闭环测试场合，如硬件在回路测试，就无能为力。
[0005]另一种是采购国外专业仿真测试系统产品，如美国ADI公司的基于ADvantageFrameWork的HIL(硬件在回路)仿真测试系统，采用的是基于PCI总线架构系统，系统产品组成复杂，板卡大都采用传统金手指模式，其缺点主要是结构可靠性不够高，散热性能不好，不能满足移动和抗振要求，针对的是实验室条件的仿真测试，对于需要外场临时性的测试场合则不适合，同时由于技术保护原因，其采用专用的实时操作系统，系统缺乏通用性，兼容配套硬件厂家极少，导致高昂的系统投入成本，以及更高的后期运行维护成本，使其性价比不高。关键的核心技术，如发动机数学模型对用户不透明，仿真对象一旦变化，又必须投入大量资金重新签订协议开发。
[0006]还有一种是放入到飞机整机系统综合仿真试验中去考核，如200910147119.0《一种飞机发动机动态仿真试验台》专利所述试验台，该试验台针对的是发动机综合控制系统在整个飞行包线内的实际工作过程的仿真模拟，主要是验证飞行控制与动力系统控制功能的协调性，而并不是针对控制系统研制过程中的发动机特性仿真。其不足之处在于:该试验台设备组成庞大，只能满足实验室环境条件下的测试；该试验台虽然也包括有发动机仿真模拟设备，但由于针对性不强，在系统设计上，模型仿真计算机没有采用硬件实时系统，完全靠软件定时，无法满足控制系统对于控制律验证上精确定时的要求，有可能会造成工程型号上的反复；发动机传感器特性模拟上仍然采用非标器件搭配模拟或数字电路接口，其平台通用性不强，由于不同控制器电气接口匹配性问题，可能会引起试验结果的不确定；在故障仿真上，该试验台不具备仿真硬件回路故障，如信号开路、短路、噪声干扰等。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是为解决上述不足之处，满足我国未来航空发动机先进控制系统研制保障需要，而设计一种航空发动机控制系统测试用的发动机通用仿真平台，可以对发动机控制器的控制功能进行覆盖式自动检测，并能满足不同程度的飞-推综合控制系统的实时闭环仿真实验需要。
[0008]为使航空发动机通用仿真器达到能满足各种试验环境条件及不同控制系统试验构型要求，实现只用一套设备解决多种型号发动机数字电子控制器的硬件在回路检测和发动机故障仿真以及维护要求，通过以下技术方案来实现:
[0009]航空发动机通用仿真器(以下简称发动机仿真器)包括机柜、显示控制台、上位工控机、信号适配单元、直流稳压电源、组合仪器机箱、仪器扩展机箱、仿真测控计算机、专用测试电缆和仿真及测控软件，其中适配单元机箱背板上集成有与被测发动机控制器连接用的通用电连接器，和与仪器扩展机箱、组合仪器机箱连接用的标准电连接器；
[0010]被测发动机控制器通过专用测试电缆与信号适配单元的通用电连接器连接，其模拟信号输入、模拟信号输出经信号适配单元电路处理后通过标准电连接器与仪器扩展机箱、组合仪器机箱连接；组合仪器机箱与仿真测控计算机通过PXI总线方式连接并受其控制；仿真测控计算机实时运行发动机数学模型并与上位工控机建立TCP/IP通讯连接，实时传递相关数据，同时由显示控制台实时显示上位工控机中仿真及测控软件生成的相关测试数据；直流稳压电源通过信号适配单元给被测发动机控制器和信号适配单元内适配单元电路提供工作电源；
[0011]所述的仪器扩展机箱为备用PXI扩展机箱，用于根据测试需求扩展相应PXI总线仪器板卡，该机箱通过一块PXI总线扩展卡与组合仪器机箱连接，并受仿真测控计算机控制。机柜为带系统散热及加温环控装置的减震移动式机柜，该机柜内置工业标准仪器安装机架，可以将上述各硬件单元全部集成，便于运输及适应外场环境条件下工作。
[0012]所述的发动机仿真器，组成测试系统的硬件架构采用PXI总线开放式架构。组合仪器机箱采用嵌入式控制器插槽(零槽)的标准PXI总线扩展机箱，该机箱插槽采用PXI总线标准的针式连接方式；仿真测控计算机采用带实时操作系统的嵌入式计算机(零槽控制器)，安装于组合仪器机箱零槽内，实时运行发动机数学模型并通过PXI总线控制机箱其余插槽上的硬件资源；机箱其余插槽，则根据测试任务要求相应配置各种PXI总线卡式仪器资源，完成信号采集和信号激励功能。上位工控机通过以太网络连接访问仿真测控计算机，通过仿真及测控软件对整个PXI总线系统上的硬件资源进行集中管理和控制。机柜采用可移动式机柜集成所有硬件资源的模块化结构设计，可以保证整个系统工作稳定性的同时兼顾了发动机综合仿真试验的不同环境需求；利用这些资源，可根据被测发动机控制器的测试需求灵活分配，通过信号适配单元的分配连接，构成不同型号控制器的测试系统，实现测试平台的通用性功能。
[0013]所述的信号适配单元功能及结构设计:信号适配单元是为被测发动机控制器与发动机仿真器之间提供电子、电气和机械连接接口的装置。信号适配单元包括适配单元机箱、适配单元电路和标准电连接器、通用电连接器。适配单元电路安装在适配单元机箱内；适配单元机箱为定制的标准工业机箱上架安装结构设计，便于可移动式机柜集成。适配单元电路包括故障注入控制线控制的故障注入配置端子、数字输入/输出通道限流和反压保护电路、电源分配开关、激励信号调理端子、采集信号调理端子，测试仪器电气接口和测试信号电气接口，通过测试信号电气接口集成的通用电连接器，把信号适配单元与被测发动机控制器连接；通过测试仪器电气接口集成的标准电连接器，把信号适配单元与仪器扩展机箱、组合仪器机箱连接；实现各仪器硬件模块与被测发动机控制器进行交联的所有电气信号的前端调理、集中分配、转接和故障注入功能。
[0014]所述的专用测试电缆及信号适配单元接口设计: