FADEC半实物仿真平台测控系统设计

陈 盛

0 引言

航空发动机控制系统，是决定航空发动机性能的一个关键功能系统，在航空发动机发展中占据了十分重要的地位。随着电子集成化技术的飞速发展，使用全权限数字电子控制系统（以下简称 FADEC系统），以获得易于操纵、便于维护、低燃油消耗、高性能的发动机，代表了发动机控制系统研究的重点和发展方向。采用更为先进的控制模式和控制方法，对于提高航空发动机的性能来说是一件事半功倍的事情，然而先进的控制模式和控制方法的实际应用，绝非一项轻而易举的工作，从方案论证到最终定型会历经多个研制阶段，每个阶段都需要开展大量的设计及试验验证工作，其中应用仿真试验技术，已逐渐发展成为研制工作的关键内容之一。

仿真技术是以控制论、系统工程技术、信息技术为基础，以计算机和专业物理设备为工具，利用系统模型对实际或设想系统进行动态试验研究的一门多学科综合技术。它具有良好的可控性、无破坏性、安全、不受气候环境限制、可多次重复和经济性好的特点。作为仿真技术的重要分支，半实物仿真涉及的领域极广，包括机电技术、液压技术、控制技术等。从某种程度上讲，一个国家的半实物仿真技术的发展水平，代表其整体的科技实力，半实物仿真是工程领域内一种应用较为广泛的仿真技术。

FADEC半实物仿真系统是由参试件（液压机械装置、数字电子控制器、传感器等）、发动机数学模型及半实物仿真设备组成。由于尽可能多的导入了真实试验件，FADEC系统在半实物仿真系统上的工作情况与在真实发动机上的工作情况极为相似，通过半实物仿真试验对数控系统的参数进行调整，使系统的性能满足设计要求，可初步得出FADEC系统是否满足设计要求的结论，并降低发动机试车风险。

1 半物理仿真设备的组成

典型FADEC半实物仿真系统结构，如图1所示：

图1 典型FADEC半实物仿真系统结构

试验设备主要由电气传动系统、燃油系统、润滑系统、变几何模拟系统、设备综合管理系统、信号模拟系统、测控系统等组成。

图中电气传动系统主要用于驱动液压机械装置；燃油系统用于提供符合要求流量、压力及清洁度的燃油；变几何模拟系统用于模拟发动机导叶、压气机导向角度及喷口位移；信号模拟系统用于模拟采集发动机各截面参数的传感器输出信号；设备综合管理系统完成设备检查、启停、监控及运行保护功能；测控系统主要完成试验设备及被试件状态的采集，供发动机模型及设备综合管理系统所使用。试验过程中各分系统接收发动机数学模型输出控制相关设备到指定状态，并改变参试件状态，在此过程中发动机模型、各设备间的电气连接，是实现仿真效果的重要环节。由于FADEC系统的特点，半实物仿真环境是油、气、强电、转动件复合工作环境，常规试验设备占地约有数百平方米，设备间距离长的有数十米，而且由于单一试验设备需要满足同一系列FADEC系统验证要求，设备必须具备足够的扩展性和充分的可配置性。

2 ETHERCAT测控系统技术方案

半实物仿真平台原来使用了基于 0槽控制器的集中式测控系统，各采集板卡一般是基于PCI、PXI或者VXI接口形式，各分系统信号均须用信号电缆汇总至测控计算机处，这一构型存在的问题是信号电缆易受干扰，由于电缆数量多，维护难度大，扩展成本高，可配置性差。随着近年来，工业总线的兴起，尤其是工业以太网的大量使用，使半实物仿真平台的有了更多选择，通过对常用各类工业以太网技术的分析比较，最终选定了ETHERCAT技术作为测控协议平台，如表1所示：

表1 常用工业以太网参数比较表

Ethercat是一种实时以太网现场总线技术，采用主从介质访问方式，主站控制所有从站发送或接收数据，主站发送数据帧，从站在数据帧经过时读取相关报文中的输出数据，同时，从站的输入数据插入到同一数据帧的报文中。当该数据帧经过所有从站并完成数据交换后，由 Ethercat系统的末端从站将数据帧返回，整个过程中报文只有几个ns的时间延迟。另外，Ethercat几乎支持任何拓扑类型，而且不受限于级联交换机或集线器的限制，两个设备间距离最大可支持1000m，十分符合航空发动机控制系统半实物仿真平台的需要。

基于EtherCat的仿真平台如硬件构架，如图2所示：

图2 仿真平台硬件构架示意图

3 软件实现

依据半实物仿真平台功能划分及软件构架，半实物仿真软件系统主要由3部分子系统组成：测控采集子系统、仿真设备管理子系统、发动机模型子系统。测控采集子系统完成基于Ethercat总线的各类数据采集及给定；仿真设备管理子系统实现设备逻辑控制、运行监控及状态记录；发动机模型子系统完成发动机数学模型的运行、显示、操控及数据存储。仿真平台软件构架，如图3所示：

图3 仿真平台软件构架示意图

3.1 测控采集子系统

Ethercat提供的虚拟主站Twincat可取代常规的可编程控制器，测控采集子系统在Twincat基础上完成各项测控功能，开发环境分别由完成变量定义的系统管理器（system mananger）及完成采集功能处理的软 PLC组成，软件主要开发工作集中在软PLC环境下完成，软件运行周期为1ms。

软PLC部分的软件主要有下列模块组成：开关量消抖模块、数据处理模块、ADS通讯接口模块。开关量消抖模块实现5个运行期的开关量输入及输出的软消抖；数据处理模块完成对于各类模拟量、开关量及多种通讯协议数据的转换、滤波处理，通讯协议包括Profibus、CAN、RS-232/422、Ethercat-RT等；ADS通讯接口模块主要完成软PLC程序通过ADS与windows环境下设备管理子系统及模型子系统的接口工作，包括ADS通讯数据结构的维护、当期数据的打包及解码、通讯指令的解析以及软PLC运行监控字的获取及维护。

3.2 仿真设备管理子系统

设备管理子系统按照运行模式不同，可分为运行期和配置期两种模式，各模式下功能，如图4所示：

图4 设备管理子系统模式示意图

设备管理子系统通过ads获取采集子系统数据，主要完成数据标定、设备配置、设备控制、设备运行期监控、参数显示、数据存储，并具备部分自动化试验功能，根据不同运行状态，将模块功能划分为配置期及运行期，配置期主要子系统处于非周期运行状态，完成各类配置参数的修改，子系统在运行期处于 20ms定时周期运行状态，定时基于windows多媒体定时器实现，主要完成设备逻辑处理、显示及存储等功能。

运行期完成参试参数的标定、监控、显示及数据存储，该部分功能较多，但各功能间界面较清晰，主要是分成了3层。首先是参数层，预计参数配置列表，对ads获取数据进行批量处理，完成标定、采集数据分发及控制数据填充。第二层是逻辑层，依据采集数据表征的设备状态，按照设定逻辑完成设备三级报警检查、设备控制字生产及用户操作指令响应。第三层操作辅助层，主要完成用户指令接口、参数及曲线绘制、报警信息显示、数据存储等。

设备管理子模块涉及信号众多，为提高程序结构性及可复用性，打破了设备分类模式，按照信号类型统一进行了处理。

3.3 发动机模型子系统

发动机模型子系统，主要完成参数获取、数学模型运行、用户操纵接口、数据存储等功能。根据发动机模型不同的类型，子系统结构存在微调。对于以dll/lib等库文件形成的数学模型，模型子系统在 windows以多媒体定时器周期调用库文件，而非库文件则直接将模型改写到软PLC中，于测控采集子系统在同一层运行，用户接口及数据存储等辅助功能，则保留在windows环境下。

4 实施结果

完成方案设计后，进行了半实物仿真平台的建设。建成的仿真平台具有两个Ethercat子网络，累计具有模拟量采集130余路，开关量输入300余路、开关量输出40余路，模拟量输出20余路，其它CAN、RS232/RS422、PROFIBUS等数字通讯通道10余路，各类参数采集及输出运行于1ms的软 PLC环境中，用户界面及功能模块运行于 20ms的win32环境中。

试验结果表明：实时以太网数据通讯稳定，通过测控系统实现的各参数稳态精度可满足要求，设备运行良好。5 结论

工业以太网因具有低成本、高时效、高扩展性等特点，必将成为未来工业网络的主流，Ethercat由于其拓扑结构的多样性、实时性及对 windows环境的友好支持成为工业以太网的重要选择。

本文构建了完整的基于Ethercat总线的航空发动机半实物仿真系统，并投入实用，系统的测试结果表明，系统构架方案合理高效，各现场站点工作稳定，可满足仿真系统高速数据采集的需要。

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