飛機電源系統部件測試模擬仿真實驗系統的設計與應用*

姜 穎，陳 聰

中國民航大學 航空工程學院，天津 300300

0 引言

飛機電源系統可以為飛機上所有的用電設備提供電能，對于飛機的安全穩定運行具有重要作用。由于飛機系統具有高價值性，同時對人員資質、授權有著較高要求，導致實驗操作具有高危險性和不可逆性[1],本科教學中也缺乏讓學生進行真機操作的機會[2]。利用虛擬仿真技術建立實踐教學項目，為飛機系統類課程落實電源系統實驗教學工作，全面提升機務工程類專業教學質量提供了有力手段[3-4]。

開發飛機電源系統部件測試虛擬仿真實驗系統的目的是將其引入中國民航大學飛機機型課程中電源系統內容的本科實踐教學。該課程是面向飛行器制造工程、機械電子工程等民航機務類專業的一門民航特色鮮明的專業課程。在虛擬仿真的實驗環境基礎上，結合虛擬仿真實驗的系統數值仿真、虛擬維護操作訓練，不僅可以幫助學生加深對電源系統基本組成的理解，還可以深入學習系統的基本工作原理及工作情況，熟悉飛機電源系統部件的維護方法及注意事項，培養學生分析和解決工程實際問題的能力[5]。

1 飛機電源系統部件測試模擬仿真實驗系統的功能設計與技術特點

1.1 實驗系統的功能設計

實驗系統的功能主要包括基于Simulink的電源系統整體數值模擬、電源系統典型部件靜變流機的仿真測試、電源系統負載響應數值模擬三個部分。

1.1.1 系統整體數值模擬

針對飛機電源系統，首先在虛擬仿真的駕駛艙環境中查看駕駛艙效應，獲取故障現象。接下來，基于Simulink的電源系統數值仿真模型，在已有部分模型的基礎上，進行關鍵元件的選取，以完成仿真模型的建立，并設置主要元件參數，注入故障數據。系統模擬通過Simulink模塊的仿真計算，將輸出數據顯示在虛擬駕駛艙儀表板及響應仿真面板上。通過查看對應參數的面板指示數值及參數波形變化情況，實現電源系統整體數值仿真的模擬。

1.1.2 典型部件靜變流機的仿真測試

部件測試選取電源系統中的典型部件——靜變流機作為測試對象。

首先，模擬從飛機電子設備艙（EE艙）中取下故障元件靜變流機，并拆除外殼查看其內部結構組成。

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

再次，更換靜變流機3D仿真模型中的故障子元件，再利用測試儀，根據工卡要求，對該靜變流機進行部件測試，記錄輸出結果，并打印測試報告，判斷故障是否排除。

最后，將測試通過，即已成功排故的靜變流機安裝到飛機上，并在駕駛艙中啟動自檢，再次查看面板指示數值。如果顯示無故障波形，則完成整個靜變流機測試的維護訓練過程。

1.1.3 負載響應數值模擬

利用基于Simulink的電源系統仿真模型，首先查看系統各主要子元件的仿真模型，熟悉模型的構建；然后激活仿真，查看負載變化時系統的輸出響應情況。

1.2 系統的技術特點

實驗系統基于當下成熟的虛擬現實技術開發，不依賴外部VR設備，利用電腦模擬產生一個三維的空間虛擬世界，構建實驗所需的飛機駕駛艙和儀表、機載部件、測試儀器、測試環境等模型，提供接近真實的電源系統部件維護情景。

系統基于中國民航大學的虛擬仿真實驗教學平臺端口，采用B/S架構，支持網頁界面操作方式，使用3D MAX、MAYA等軟件進行三維建模、動畫制作、場景渲染等。系統支持同時在線人數5 000人以上，便于推廣應用，實現更大范圍的開放共享?；诘谝蝗朔Q控制器，用戶可通過鼠標鍵盤交互操作，控制維護人員角色在三維場景中漫游，以任意距離、任意角度觀察實驗現象。

2 飛機電源系統部件測試模擬仿真實驗系統的應用

2.1 系統整體數值模擬

2.1.1 駕駛艙效應

在虛擬仿真的駕駛艙環境中，實現駕駛艙故障現象模擬。用戶通過查看指定電源系統控制面板，查看儀表數值和故障燈光指示，獲取故障現象。駕駛艙效應如圖1所示。

圖1 駕駛艙效應

2.1.2 基于Simulink的電源系統模型搭建與數值模擬

系統中預先內置了基于Simulink的不完整的飛機電源系統模型，用戶首先需要在元件庫中正確選擇同步電機、RLC負載、電路故障短路發生器等主要系統元件，通過拖拽的方式連接到模型中，將模型搭建完整；然后進行元件主要參數的設置，注入故障；最后啟動仿真，查看數值仿真的輸出結果，即數值仿真面板對發電機頻率、輸出電壓的波形模擬，實現基于Simulink的電源系統數值模擬。同時，虛擬駕駛艙中的仿真面板能實時顯示仿真數據，將故障現象在虛擬駕駛艙中模擬重現。

2.2 靜變流機測試

2.2.1 基于原理模型的數值仿真測試模擬

系統預置了根據靜變流機組成及工作原理建立的Simulink仿真模型。在激活仿真中，系統將隨機模擬靜變流機組成子元件（全橋逆變器、反激變換器）的故障情況，輸出相應仿真結果。用戶通過查看相應子元件參數輸出情況，判斷具體故障子元件，并利用靜變流機3D模型進行更換操作。靜變流機與測試儀模型如圖2所示，左側元件為待更換故障子元件的靜變流機。

圖2 靜變流機與測試儀模型

2.2.2 基于3D模型的測試儀測試

根據靜變流機實際維護過程中的測試流程，利用虛擬測試儀器對靜變流機進行測試，測試需要完全按照工卡要求進行。根據工卡，依次調節測試儀上的輸入電壓、輸入電流參數，啟動測試，查看并記錄每一次的測試結果，直到完成工卡上所有的測試項。然后打印測試報告，判斷該部件測試是否全部通過。

2.2.3 啟動系統測試

更換過子元件的靜變流機完全通過測試，則說明該部件更換子元件后恢復正常。將正常的靜變流機安裝回飛機的電子設備艙，如圖3所示。再進入駕駛艙，在電源系統面板上按下MAINT按鈕，啟動系統測試，查看測試結果是否正常，如圖4所示。通過系統面板指示情況及仿真波形圖，判斷電源系統是否正常工作。

圖3 將靜變流機安裝回飛機上

圖4 在駕駛艙中完成系統測試

2.3 負載響應數值模擬

根據基于Simulink的電源系統數值仿真模型，模擬系統在負載發生變化時系統的響應情況。部分模擬輸出結果如圖5所示。

圖5 負載響應

3 結束語

在最近的教學中，該系統已經在多個教學班中實際使用，并且根據使用反饋，進行了幾次更新升級才得以完善。學生可以直接登錄學校虛擬仿真實驗教學平臺訪問實驗資源，完成實驗。后續該實驗系統還將持續應用，并可推廣應用到其他高校的相關課程。將虛擬仿真實驗引入飛機系統的實踐教學，豐富了實踐教學手段，是持續完善飛機機型課程多維教學體系的重要組成部分。虛擬仿真實驗系統側重通過建模仿真的手段促進學生對系統組成及原理的深刻理解，將飛機上真實的環境及故障現象模擬重現，并實現系統部件測試流程的虛擬操作，同時能在一定程度上激發學生學習興趣，啟發學生自主思考問題，熟悉實際工作流程，提高學生分析和解決工程實際問題的能力。