CN110879584A - 一种无人机用涡扇发动机综合仿真测试及故障注入平台 - Google Patents

Abstract

本发明属于仿真测试技术领域，涉及一种无人机用涡扇发动机综合仿真测试及故障注入平台，实时模型仿真系统根据信号模拟系统模拟下发的入口条件实时输出发动机各状态参数，输给信号模拟系统；信号模拟系统将模型仿真系统传输过来的状态信号进行模拟，输出可被核心控制单元识别的信号；故障注入系统串接在信号模拟系统与核心控制单元之间，用于非侵入式故障注入；核心控制单元采集核心控制单元输出端的发动机各状态信号，通过控制规律计算、时序控制、信号故障判断、冗余切换，输出占空比信号到信号模拟系统的负载模拟器上，达到燃油调节目的。本发明全包线实时动态仿真，形成发动机控制系统数值仿真→原型验证→半实物仿真验证的完备研发体系。

Description

一种无人机用涡扇发动机综合仿真测试及故障注入平台

技术领域

本发明属于仿真测试技术领域，涉及一种无人机用涡扇发动机综合仿真测试及故障注入平台。

背景技术

传统涡扇发动机半实物仿真测试设备简陋，只能进行简单的单工作点稳态测试，对于复杂系统的控制性能无法验证，不能实时模拟发动机状态及控制系统实时控制跟随情况；同时，半实物仿真时，对控制系统中各传感器或执行机构的故障模拟较为单一，仅有断路或短路故障模式可模拟。同时故障后冗余措施有效性的验证工作对发动机地面试验有强依赖性，既增加了发动机热试过程中制造故障的危险性，降低发动机使用寿命，又占用试验资源、增加试验成本、拖延研制周期。

相比弹用发动机，无人机用动力装置的综合性能要求明显提高，控制系统的职能更为丰富，发展发动机状态监测及故障检测技术，需求明显。原有的研发模式、配套保障手段已不能满足要求。具备故障注入、实时模型运行能力的测试、仿真平台是具备高可靠性控制系统正向设计所依托的必要保障条件。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：研制一套具备非侵入式的无人机用涡扇发动机综合仿真测试及故障注入平台，支撑控制系统软、硬件测试，全包线实时动态仿真，构建系统故障识别及故障诊断能力验证平台，形成发动机控制系统数值仿真→原型验证→半实物仿真验证的完备研发体系。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种无人机用涡扇发动机综合仿真测试及故障注入平台，其包括：实时模型仿真系统、信号模拟系统、故障注入系统和核心控制单元；实时模型仿真系统内嵌发动机非线性模型及执行机构实时模型，根据信号模拟系统模拟下发的入口条件实时输出发动机各状态参数，通过以太网传输给信号模拟系统；信号模拟系统将模型仿真系统传输过来的状态信号进行模拟，最终输出可被核心控制单元识别的信号；故障注入系统串接在信号模拟系统与核心控制单元之间，用于非侵入式故障注入；核心控制单元即综合控制器，采集核心控制单元输出端的发动机各状态信号，通过控制规律计算、时序控制、信号故障判断、冗余切换，输出占空比信号到信号模拟系统的负载模拟器上，达到燃油调节目的，同时通过1553B总线实现与信号模拟系统进行信息交互。

其中，所述信号模拟系统使用RS422总线板卡、1553B总线板卡与核心控制单元进行通讯交互，使用以太网与实时模型仿真系统进行信息交互。

其中，所述故障注入系统串接在信号模拟系统与核心控制单元之间，故障注入系统包括开关量、热电偶、模拟量、电源、RS422、1553B总线共六种故障注入单元。

其中，所述实时模型仿真系统以RCP设备为运行平台，内嵌发动机非线性模型及执行机构实时模型，根据信号模拟系统下发的发动机入口条件：高度、马赫数、进口总温、进口总压进行实时模拟包括高转、低转、高压压气机后绝压、涡轮级间温度的发动机全工况、全工作状态，通过以太网传输给信号模拟系统。

其中，所述实时模型仿真系统上还设置选择开关，通过选择开关自由切换两种输出模式：一种输出模式为：发动机实时模型输出，用于后级设备控制使用；另一种输出模式为：导入外部试验数据，用于试验数据离线复合复算。

其中，所述信号模拟系统包括信号模拟控制管理模块和各信号硬件模拟单元，由信号模拟控制管理模块控制各信号硬件模拟单元并结合涡扇发动机控制系统各控制信号类型，对实时模型仿真系统传输过来的状态信号进行信号模拟。

其中，所述信号模拟控制管理模块包括：数据处理模块，对以太网收、发数据进行处理；磁力线传感器控制模块、Alfazlsr传感器控制模块、铂电阻传感器控制模块、Q0/Q100信号控制模块、RVDT信号控制模块，通过各信号硬件模拟单元中的磁力线传感器信号模拟单元、Alfazlsr传感器信号模拟单元、铂电阻传感器信号模拟单元、Q0/q100信号模拟单元、RVDT信号模拟单元、MKT信号模拟单元、28V开关量负载模拟单元实现核心控制单元可识别的频率信号、直流电压信号、开关量信号；热电偶传感器控制模块，通过控制热电偶传感器信号模拟单元实现核心控制单元可识别的毫伏电压输出；1553B通讯模块，通过控制1553B通讯设备与核心控制单元进行通讯交互；RS422软件通讯模块通过控制RS422通讯设备与核心控制单元进行通讯交互。

其中，所述信号模拟系统中还包括：TDK电源，由故障注入系统中的电源故障注入单元进行通断控制及典型故障注入。

其中，所述故障注入系统还包括故障注入控制管理模块，故障注入控制管理模块包括：开关量故障注入模块，通过控制开关量故障注入单元，对信号模拟系统输出的开关量实现是否故障注入；模拟量故障注入模块，通过控制模拟量故障注入单元，对信号模拟系统输出的模拟量实现是否故障注入；热电偶故障注入模块，通过控制热电偶故障注入单元，对信号模拟系统输出的毫伏信号实现是否故障注入；电源故障注入模块，通过控制电源故障注入单元，对信号模拟系统中的TDK电源进行通断控制或实现是否故障注入；RS422故障注入模块，通过控制RS422故障注入单元，对信号模拟系统输出的RS422信号实现是否故障注入；1553B故障注入模块，通过控制1553B故障注入单元，对信号模拟系统输出的1553B信号实现是否故障注入。

其中，所述核心控制单元内嵌发动机燃油控制模块，物理上直接与故障注入系统连接，负责发动机各状态参数采集、起动点火、控制规律计算、燃油供给、时序控制输出、信号故障判断、冗余切换及指令交互参数遥测。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的无人机用涡扇发动机综合仿真测试及故障注入平台，通过故障注入功能的引入，将测试能力从现有的额定条件测试拓展为故障条件和偏离条件测试，支撑系统可靠性、安全性、测试性、维护性设计及验证，大幅改善、提升系统测试能力，故障定位能力，故障复现能力及综合实时仿真能力；降低型号研制风险，提升控制系统的综合性能，逐步理清长寿命重复使用类型发动机控制系统的研发思路，提升新一代发动机控制系统自主化研发能力。

附图说明

图1为本发明所述平台方案的信号关系图；

图2为该发明所述平台整体架构图；

图3为稳态闭环测试曲线；

图4为故障分时注入曲线；

图5为低转故障后切入高转控制曲线；

图6为低转+高转均故障，切入定油门控制曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明无人机用涡扇发动机综合仿真测试及故障注入平台依托于高精度动态实时模型对发动机系统进行全包线动、静态计算，通过接口信号模拟技术对发动机与目标综合控制器进行信号互连，实现硬件在回路仿真，最大限度模拟发动机系统的真实运行情况，验证控制规律的可行性，系统的稳定性及控制精度，可支撑控制系统全寿命周期的控制规律设计、仿真验证，系统核心部件性能检测，系统故障诊断、定位、隔离、容错等。

参照图1～图2所示，本实施例平台包括实时模型仿真系统(简称节点1)、信号模拟系统(简称节点2)、故障注入系统(简称节点3)和核心控制单元(简称节点4)。

实时模型仿真系统内嵌发动机非线性模型及执行机构实时模型，根据节点2模拟下发的入口条件实时输出发动机各状态参数，通过以太网传输给节点2；信号模拟系统将节点1传输过来的状态信号进行模拟，最终输出可被节点4识别的信号。节点2使用RS422总线板卡、1553B总线板卡用于与节点4进行通讯交互，使用以太网与节点1进行信息交互；故障注入系统串接在节点2与节点4之间，由开关量、热电偶、模拟量、电源、RS422、1553B总线等6种故障注入单元组成，可实现非侵入式故障注入功能；核心控制单元即为综合控制器(该平台的目标系统)，采集节点4输出端的发动机各状态信号，通过控制规律计算、时序控制、信号故障判断、冗余切换等工作，输出占空比信号到节点2的负载模拟器上，达到燃油调节目的，同时通过1553B总线实现与节点2进行信息交互。

(1)实时模型仿真系统

以RCP设备为运行平台，内嵌发动机非线性模型及执行机构实时模型，根据节点1下发的发动机入口条件(高度、马赫数、进口总温、进口总压)实时模拟发动机全工况、全工作状态(高转、低转、高压压气机后绝压、涡轮级间温度)，通过以太网传输给节点2。同时，设置选择开关，既可实现发动机实时模型输出，用于后级设备控制使用，也可导入外部试验数据，用于试验数据离线复合复算，两种输出模式可自由切换。

(2)信号模拟系统

由各信号硬件模拟单元和信号模拟控制管理模块组成，结合某涡扇发动机控制系统各控制信号类型，对节点1传输过来的状态信号进行信号模拟。

信号模拟控制管理模块中的数据处理模块对以太网收、发数据进行处理；磁力线传感器控制模块、Alfazlsr传感器控制模块、铂电阻传感器控制模块、Q0/Q100信号控制模块、RVDT信号控制模块通过控制硬件模拟单元中各类传感器模拟单元(磁力线传感器信号模拟单元、Alfazlsr传感器信号模拟单元、铂电阻传感器信号模拟单元、Q0/q100信号模拟单元、RVDT信号模拟单元、MKT信号模拟单元、28V开关量负载模拟单元)实现节点4可识别的频率信号、直流电压信号、开关量等信号；热电偶传感器控制软件模块通过控制热电偶传感器信号模拟单元实现节点4可识别的毫伏电压输出；1553B软件通讯模块通过控制1553B通讯设备与节点4进行通讯交互；RS422软件通讯模块通过控制RS422通讯设备与节点4进行通讯交互；TDK电源由节点3中的电源故障注入单元进行通断控制及典型故障注入。

该系统具有相关负载及输入输出信号模拟的能力，用以实现控制系统各工作状态下的实时仿真、测试功能。

(3)故障注入系统

故障注入系统由各故障注入单元和故障注入控制管理软件组成，串接在节点2与节点4之间，可实现非侵入式故障注入功能。

故障注入控制管理软件中的开关量故障注入软件模块通过控制开关量故障注入单元，对节点2输出的开关量实现是否故障注入；模拟量故障注入软件模块通过控制模拟量故障注入单元，对节点2输出的模拟量实现是否故障注入；热电偶故障注入软件模块通过控制热电偶故障注入单元，对节点2输出的毫伏信号实现是否故障注入；电源故障注入软件模块通过控制电源故障注入单元，对节点2中的TDK电源进行通断控制或实现是否故障注入；RS422故障注入软件模块通过控制RS422故障注入单元，对节点2输出的RS422信号实现是否故障注入；1553B故障注入软件模块通过控制1553B故障注入单元，对节点2输出的1553B信号实现是否故障注入。

其中开关量信号、热电偶信号、模拟信号及电源故障注入单元主要进行物理层和电气层的故障注入操作，1553B、RS422等总线型的故障注入单元主要进行物理层、电气层和协议层的故障注入操作。

该系统应用相关软硬件技术，加载各种物理层、电气层、通讯层等故障实现控制系统故障模拟。支撑系统故障模式分析、故障检测、故障定位以及系统解析余度设计等。

(4)核心控制单元

核心控制单元即为综合控制器(该平台的目标系统)节点4，其基于6713运行环境进行开发设计，内嵌发动机燃油控制软件，物理上直接与节点3连接，负责发动机各状态参数采集(模拟信号输入、热电偶信号)、起动点火、控制规律计算、燃油供给(模拟量输出)、时序控制输出(开关量)、信号故障判断、冗余切换及指令交互参数遥测(RS422、1553B)等工作，是发动机控制系统中核心电子控制单元。

通过节点3进行一些典型的故障注入模拟，以验证综合控制器的容错性设计处理能力，从而对其进行可靠性、稳定性、正确性的评价。

本发明具有以下显著特点：

1.内嵌基于部件特性的发动机非线性动态模型，可实时模拟发动机全工况、全工作状态过程；

2.手动和自动可自由切换的输入信号模拟设计，实现静态单点或实时动态连续信号模拟；

3.非侵入式故障注入设计，可实时按需注入单一或各种典型组合故障；

4.实现综合控制器硬件在回路半实物仿真稳态闭环测试，也可实现试验数据的闭环复合复算。

涡扇发动机综合仿真测试及故障注入平台，内嵌基于部件特性的发动机非线性动态模型，具有实时模拟发动机全工况、全工作过程及各类故障的能力。应用该平台进行系统正向设计，开展充分的仿真、测试和原型验证，将大幅降低发动机系统设计风险，节省研制经费，提高系统测试覆盖性，充分暴露系统薄弱环节，并指导优化改进。同时可对目标系统进行可靠性、稳定性、正确性的评价。

①控制规律设计及验证

该平台最大限度模拟发动机系统的真实运行情况，验证控制规律的可行性，系统的稳定性及控制精度。采用高性能CPU并与matlab无缝链接，可实时运行基于部件特性的发动机非线性动态模型，加载各种模型摄动，特性拉偏等，信号延迟、噪声耦合等，实现对系统稳定裕度及鲁棒性的评估。图3表征稳态闭环测试曲线。

②故障模拟与系统故障诊断能力验证

采用非侵入式故障注入技术可模拟各类系统故障，用于仿真系统的典型故障模式，支撑系统故障检测识别的有效性、故障判据阈值优化、以及故障隔离、容错可靠性验证，是提高系统测试性，完善发动机控制系统鲁棒性设计的必要保障条件。故障模拟除信号失效模式(断路、短路、阈值溢出)外，还可进行信号退化模式、畸变模式等模拟，便于积累系统故障响应样本，丰富故障问题库，识别单点故障，依据故障危害等级，区别采取系统的故障告警、隔离等措施，降低系统单点故障率。图4～图6表征传感器故障模拟、余度切换验证曲线。

③综合控制器性能测试及故障检测

基于控制系统综合仿测设备，通过目标系统仿真，接口模拟，可进一步细化、深入综合控制器的动静态性能测试，以及各种极限拉偏和边界条件测试，提前暴露综合控制器的薄弱环节，覆盖总装后不具备触发条件的相关测试，确保装机后的完好性。可实现总线及串行通信的物理层、电气层、协议层各层次问题进行故障模拟，对总线进行数据监听，协助进行通讯问题分析。形成综合控制器测试记录数据库，对性能退化情况进行统计分析，指导综合控制器故障预测及维修更换。

④综合控制器软件动态测试

综合仿测设备可用于构建基于嵌入式软件实时运行的通用动态虚拟仿真测试环境。发动机控制软件实时性、嵌入式要求高的特性，决定了实时嵌入式软件的测试技术已经不能简单地沿袭传统的软件测试方法。通过动态虚拟仿真测试技术对发动机控制软件控制算法、控制规律、控制过程进行测试验证。便于设计各种软件测试用例，提升软件测试的分支覆盖性，快速查找定位软件缺陷或错误，保证和提高软件质量及软件可靠性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无人机用涡扇发动机综合仿真测试及故障注入平台，其特征在于，包括：实时模型仿真系统、信号模拟系统、故障注入系统和核心控制单元；实时模型仿真系统内嵌发动机非线性模型及执行机构实时模型，根据信号模拟系统模拟下发的入口条件实时输出发动机各状态参数，通过以太网传输给信号模拟系统；信号模拟系统将模型仿真系统传输过来的状态信号进行模拟，最终输出可被核心控制单元识别的信号；故障注入系统串接在信号模拟系统与核心控制单元之间，用于非侵入式故障注入；核心控制单元即综合控制器，采集核心控制单元输出端的发动机各状态信号，通过控制规律计算、时序控制、信号故障判断、冗余切换，输出占空比信号到信号模拟系统的负载模拟器上，达到燃油调节目的，同时通过1553B总线实现与信号模拟系统进行信息交互。

2.如权利要求1所述的无人机用涡扇发动机综合仿真测试及故障注入平台，其特征在于，所述信号模拟系统使用RS422总线板卡、1553B总线板卡与核心控制单元进行通讯交互，使用以太网与实时模型仿真系统进行信息交互。

3.如权利要求2所述的无人机用涡扇发动机综合仿真测试及故障注入平台，其特征在于，所述故障注入系统串接在信号模拟系统与核心控制单元之间，故障注入系统包括开关量、热电偶、模拟量、电源、RS422、1553B总线共六种故障注入单元。

4.如权利要求3所述的无人机用涡扇发动机综合仿真测试及故障注入平台，其特征在于，所述实时模型仿真系统以RCP设备为运行平台，内嵌发动机非线性模型及执行机构实时模型，根据信号模拟系统下发的发动机入口条件：高度、马赫数、进口总温、进口总压进行实时模拟包括高转、低转、高压压气机后绝压、涡轮级间温度的发动机全工况、全工作状态，通过以太网传输给信号模拟系统。

5.如权利要求4所述的无人机用涡扇发动机综合仿真测试及故障注入平台，其特征在于，所述实时模型仿真系统上还设置选择开关，通过选择开关自由切换两种输出模式：一种输出模式为：发动机实时模型输出，用于后级设备控制使用；另一种输出模式为：导入外部试验数据，用于试验数据离线复合复算。

6.如权利要求5所述的无人机用涡扇发动机综合仿真测试及故障注入平台，其特征在于，所述信号模拟系统包括信号模拟控制管理模块和各信号硬件模拟单元，由信号模拟控制管理模块控制各信号硬件模拟单元并结合涡扇发动机控制系统各控制信号类型，对实时模型仿真系统传输过来的状态信号进行信号模拟。

7.如权利要求6所述的无人机用涡扇发动机综合仿真测试及故障注入平台，其特征在于，所述信号模拟控制管理模块包括：数据处理模块，对以太网收、发数据进行处理；磁力线传感器控制模块、Alfazlsr传感器控制模块、铂电阻传感器控制模块、Q0/Q100信号控制模块、RVDT信号控制模块，通过各信号硬件模拟单元中的磁力线传感器信号模拟单元、Alfazlsr传感器信号模拟单元、铂电阻传感器信号模拟单元、Q0/q100信号模拟单元、RVDT信号模拟单元、MKT信号模拟单元、28V开关量负载模拟单元实现核心控制单元可识别的频率信号、直流电压信号、开关量信号；热电偶传感器控制模块，通过控制热电偶传感器信号模拟单元实现核心控制单元可识别的毫伏电压输出；1553B通讯模块，通过控制1553B通讯设备与核心控制单元进行通讯交互；RS422软件通讯模块通过控制RS422通讯设备与核心控制单元进行通讯交互。

8.如权利要求7所述的无人机用涡扇发动机综合仿真测试及故障注入平台，其特征在于，所述信号模拟系统中还包括：TDK电源，由故障注入系统中的电源故障注入单元进行通断控制及典型故障注入。

9.如权利要求8所述的无人机用涡扇发动机综合仿真测试及故障注入平台，其特征在于，所述故障注入系统还包括故障注入控制管理模块，故障注入控制管理模块包括：开关量故障注入模块，通过控制开关量故障注入单元，对信号模拟系统输出的开关量实现是否故障注入；模拟量故障注入模块，通过控制模拟量故障注入单元，对信号模拟系统输出的模拟量实现是否故障注入；热电偶故障注入模块，通过控制热电偶故障注入单元，对信号模拟系统输出的毫伏信号实现是否故障注入；电源故障注入模块，通过控制电源故障注入单元，对信号模拟系统中的TDK电源进行通断控制或实现是否故障注入；RS422故障注入模块，通过控制RS422故障注入单元，对信号模拟系统输出的RS422信号实现是否故障注入；1553B故障注入模块，通过控制1553B故障注入单元，对信号模拟系统输出的1553B信号实现是否故障注入。

10.如权利要求9所述的无人机用涡扇发动机综合仿真测试及故障注入平台，其特征在于，所述核心控制单元内嵌发动机燃油控制模块，物理上直接与故障注入系统连接，负责发动机各状态参数采集、起动点火、控制规律计算、燃油供给、时序控制输出、信号故障判断、冗余切换及指令交互参数遥测。

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