发动机启动点火装置仿真训练系统开发

2013-09-04魏志民赵洪利

实验室研究与探索 2013年1期

王辉，魏志民，郭庆，赵洪利

(中国民航大学航空工程学院，天津300300)

0 引言

对航线维护学员培训过程中，如果采用实装对学员进行训练，不仅对装备的损伤程度大，维修成本高，耗时长，而且在有限的装备上进行训练还存在着许多困难，不能满足大量人员的训练［1-2］。随着虚拟现实技术的成熟，通过仿真工具软件制作交互性的飞机座舱仪表模拟显示系统是提高航线维修人员训练效率，增强训练效果的有效方法［3-4］。

目前，用于仿真的虚拟航空仪表生成工具很多，如加拿大VPZ(Virtual Prototypes)公司的VAPS仪表生成工具，美国GMS(Global Majic Software)研制的可运行于Win95或NT环境的航空仪表控件，美国Centric软件公司的视景仿真软件Coryphaeus的 DWB(Designer’s Workbench)模块具有制作带纹理的三维仪表和HUD，并实现驱动的能力。以上的虚拟航空仪表生成工具使用起来都比较方便，而且逼真度较好，缺点是软件的用户接口不佳，如VAPS不遵循Windows用户习惯，而有些则需要在SGI工作站的环境下才能运行［5］。传统所采用的以 Visua1 C++6.0为开发平台，调用三维图形库openGL实现虚拟仪表显示和驱动的方法，虽然开发成本低且移植性较强，但开发难度大，开发周期长。本文采用NI公司虚拟仪器软件LabVIEW作为虚拟仪表开发平台［6］。利用LabVIEW强大的控件扩展功能及直观、高效的程序编写功能，实现了对B737NG飞机发动机启动点火装置仿真训练系统的开发。

1 启动点火装置仿真训练系统开发

1.1 系统功能模块概述

系统功能主要包括B737NG飞机发动机启动点火装置虚拟仿真模块及故障模拟模块。启动点火装置虚拟仿真模块又可分为发动机显示系统构建、启动点火控制系统构建及QAR数据处理等部分。

1.2 启动点火装置虚拟仿真模块

1.2.1 CFM56-7B发动机启动点火过程概述

首先，将座舱P5前顶板上的启动控制电门置于“GRD”位，CDS/DEU(公共显示系统/显示电子组件)控制SAV(启动空气活门)电磁阀通电，导入气体压力将SAV打开。来自于气源系统压力空气将通过SAV送到启动机。启动机转动进而驱动发动机的高压转子(N2转子)加速。当观察到 N2转速上升到25%以上，或N2转速到达其最大冷转转速(指 N2在5 s之内的上升小于5%)时，将发动机的启动手柄上提至慢车位。EEC将控制点火电嘴点火，并向燃烧室供油。当燃烧室点火成功以后，涡轮发出功率将与启动机一起带动转子转速上升。当N2转速达到55%时，启动机与发动机自动脱开，CDS/DEU控制 SAV电磁阀断电，SAV关闭，启动机慢慢停转。自此以后，发动机转子的加速仅是由于涡轮产生的功率大于压气机所消耗的功率，它将带动发动机的转速继续上升，直到发动机稳定工作在慢车转速［7-8］。

1.2.2 发动机显示系统构建

发动机仪表显示系统开发工作主要集中在虚拟仪表的外观指针，滚动显示数据条，警告等设计与制作，通讯接口的开发以及驱动三方面，虚拟仪表界面是虚拟仪表制作的主要工作，其界面的逼真度是影响虚拟仪表系统真实感的主要因素［9］。CFM56-7B发动机显示系统包括发动机转速指示系统，机载振动监控指示系统等［10］。利用LabVIEW自身带有的控件库，通过修改控件相关属性实现对低压转子(N1)转速指示仪表及滑油压力(QIL P)指示仪表的制作，如图1、2所示。

图1 N1转速指示仪表

图2 QIL P指示仪表

参照真实B737NG飞机发动机仪表显示系统，并对其他仪表采用类似方法进行制作，完成后得到直观、逼真的虚拟仪表显示系统。

1.2.3 发动机启动点火控制系统构建

虽然LabVIEW提供了功能丰富的控件库，但由于发动机控制系统的复杂程度很高，LabVIEW自身所带有的控件依然很难满足要求。然而LabVIEW强大的控件扩展功能让这一问题得以解决。LabVIEW可作为ActiveX客户端，访问与其他ActiveX应用程序相关的对象、属性、方法和事件;也可以作为ActiveX服务器，因此其它应用程序可以访问LabVIEW对象、属性和方法［11］。LabVIEW自身带有ActiveX控件库，用户可以调用库中的ActiveX控件，如果库中的控件依然无法满足要求，用户则可以通过利用VC或VB制作满足设计要求的 ActiveX控件，编译完成后注册到LabVIEW控件库中再进行调用。本控制系统中所需的点火选择电门及启动控制电门均需重新设计开发。

笔者采用VC++6.0中的MFC类对ActiveX开关控件进行设计开发。MFC在VC++环境中增加了自动生成对话框和自动代码发生器，使ActiveX编程变得更简单、更便捷［12］。以启动控制电门(switch)为例，设计过程如图3所示［13］。

图3 VC开发ActiveX开关控件过程

将设计完成的点火选择电门及启动控制电门ActiveX控件注册到计算机后，可在 LabVIEW的ActiveX库中找到，通过编程即可进行调用。

1.2.4 QAR 数据处理及加载

QAR(Quick Access Recorder)是目前国内外航空公司应用最广泛的快速存取记录装置，QAR数据记录的种类繁多，已经涵盖了民航飞行的方方面面。本文中的仿真数据取自B737NG飞机发动机启动点火过程的QAR数据。由于QAR数据不支持直接应用于数据分析，所以在应用时需要对其进行译码，经过译码后的QAR数据主要存储形式为CSV(Comma Separated Variables)文件。CSV是一种用于存储数据的纯文本文件格式，可利用记事本或 EXCEL打开［14-15］。本文中获取的发动机启动点火过程QAR数据经过译码、优化处理后以 Excel表格形式存储。图4为利用LabVIEW编程实现对低压转子N1及高压转子N2转速数据的加载。

图4 N1/N2转速数据读取程序框图

1.2.5 启动手柄的仿真制作

为实现对发动机启动手柄的仿真，首先要通过对真实飞机上的启动手柄进行拍照以获取纹理，并把纹理处理成LabVIEW所支持的格式。使用图形编辑软件对纹理图片进行处理后导入LabVIEW备用。发动机启动点火过程中，当N2达到25%时，需要上提启动手柄到IDLE位，以达到正常启动目的。为了实现此动作需要对LabVIEW基本控件进行定义，通过修改相关属性结合界面修饰技巧，最终实现启动手柄的制作。

1.3 故障模拟模块示例

航线维护人员在对发动机进行试车过程中，经常会出现发动机不能正常启动的现象，如启动悬挂、热启动、启动自动切除等。这些现象的形成可能因为发动机内部故障造成，也可能是由于维护人员操作不当造成，那么将可能给航空公司带来不必要的经济损失。本文以由于人为错误操作导致的发动机启动悬挂为例，通过编程实现故障模拟并给出正确的操作规范，从而达到强化学员训练的目的。主要程序框图如图5所示。