航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真課程的教學(xué)改革探索

潘慕絢

摘 要 本文分析了航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真課程的教學(xué)現(xiàn)狀，論述了課程教學(xué)改革的意義，指出了課程教學(xué)改革中面臨的挑戰(zhàn)，針對(duì)這些挑戰(zhàn)并依據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容及其體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出“控制系統(tǒng)仿真”課程教學(xué)改革。

關(guān)鍵詞 航空發(fā)動(dòng)機(jī) 控制系統(tǒng) 仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Reform and Exploration of Teaching for

Control System Simulation of Aeroengine

PAN Muxuan

(College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of

Aeronautics and Astronautics, Nanjing, Jiangsu 210016)

Abstract The current teaching of "Control System Simulation of Aeroengine" is analyzed in the paper. The teaching reform signification is discussed and the challenges facing the reform are pointed out. In response to the challenges and based on the teaching content and its architecture, the teaching reform is proposed.

Key words aeroengine; control system; simulation

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真（簡(jiǎn)稱(chēng)“控制系統(tǒng)仿真”）是一門(mén)飛行器動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)本科生的高年級(jí)專(zhuān)業(yè)課程，主要講授仿真的基本原理、方法和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的課程。相較與其他專(zhuān)業(yè)的控制系統(tǒng)仿真類(lèi)課程，航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真課程具有一些顯著的特點(diǎn)。首先，該課程學(xué)習(xí)中需要航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制元件、航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)控制、現(xiàn)代控制理論等諸多課程中的相關(guān)內(nèi)容支撐，因而教學(xué)中涉及的知識(shí)面廣，基礎(chǔ)知識(shí)多，學(xué)習(xí)中容易出現(xiàn)知識(shí)融會(huì)貫通困難等問(wèn)題。其次，仿真是一門(mén)需要實(shí)驗(yàn)支持的課程，課題講授的各種仿真方法需要應(yīng)用到實(shí)例中去才能使學(xué)生深入掌握仿真理論和方法的精髓。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字仿真已成為現(xiàn)代仿真理論與技術(shù)中的主要組成部分，而課程教學(xué)中所采用的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)軟件在使用效率、人機(jī)友好性等方面存在一定的不足，妨礙學(xué)生高效、直觀的開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。這些都增加了課程“教”與“學(xué)”的難度。本文中依據(jù)近幾年教學(xué)體會(huì)，在分析“控制系統(tǒng)仿真”課程的教學(xué)現(xiàn)狀的和教學(xué)改革的意義基礎(chǔ)上，指出“控制系統(tǒng)仿真”課程的教學(xué)改革所面臨的挑戰(zhàn)，針對(duì)這些挑戰(zhàn)課程教學(xué)改革中的難點(diǎn)，依據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容及其體系結(jié)構(gòu)，提出“控制系統(tǒng)仿真”課程教學(xué)改革。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真課程教學(xué)現(xiàn)狀

仿真與歸納和演繹一起被認(rèn)為是科學(xué)研究的第三種方法。1978年，Korn在《連續(xù)系統(tǒng)仿真》中定義仿真是“用能代表所研究系統(tǒng)的模型作試驗(yàn)”，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是用模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)①。控制系統(tǒng)仿真是采用能代表所研究控制系統(tǒng)的模型進(jìn)行試驗(yàn)。不論是在高精尖的航空航天、機(jī)器人控制領(lǐng)域，還是一般的工業(yè)過(guò)程控制中都涉及到控制系統(tǒng)仿真，因此在國(guó)內(nèi)外諸多名校的相關(guān)專(zhuān)業(yè)中都設(shè)立有與系統(tǒng)仿真相關(guān)的課程。例如，美國(guó)麻省理工大學(xué)的機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)有“建模與仿真導(dǎo)論”課程，國(guó)內(nèi)的上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程專(zhuān)業(yè)設(shè)立有“控制系統(tǒng)仿真”課程。南京航空航天大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制方向也都設(shè)立了控制系統(tǒng)仿真相關(guān)課程。國(guó)外仿真課程的教學(xué)中具有兩個(gè)方面顯著特點(diǎn)。首先，課程內(nèi)容與專(zhuān)業(yè)內(nèi)容結(jié)合緊密，課程中含有大量本專(zhuān)業(yè)實(shí)例及實(shí)踐環(huán)節(jié)。這使得學(xué)生在學(xué)習(xí)仿真基本理論和方法后，及時(shí)與本專(zhuān)業(yè)相關(guān)系統(tǒng)相聯(lián)系，學(xué)習(xí)并掌握本專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域中系統(tǒng)仿真的方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情。其次，教學(xué)軟件多樣、先進(jìn)，包括一些成熟的商用軟件。這使得學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)中能夠方便、快速、高效的開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)。

隨著推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的機(jī)械液壓式控制方式向著先進(jìn)的數(shù)字電子式控制方式發(fā)展，并逐漸從電子式監(jiān)控控制方式過(guò)渡到全權(quán)限數(shù)字電子控制方式（Full Authority Digital Engine Control-FADEC）。這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真提出了更高更廣的要求。但是，作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制方向的控制系統(tǒng)仿真課程不論從教學(xué)方法還是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和手段上都沿用著十幾年前的內(nèi)容。課堂教學(xué)的主要內(nèi)容包括仿真的基本概念、仿真理論和方法。在教學(xué)方法上，課程中雖然包含部分實(shí)例，但是多數(shù)例子與航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)聯(lián)系不夠緊密，而實(shí)際上仿真方法所涉及到的許多情況都存在于航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中。例如，在“典型非線性環(huán)境仿真”這一節(jié)中，逐一介紹了飽和非線性、死區(qū)非線性、死區(qū)分段非線性等內(nèi)容，卻未將它們與發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合。實(shí)際上，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的液壓缸、泵、滑閥等控制元件工作過(guò)程中存在上述非線性特性。課程中，缺乏這樣的點(diǎn)睛之筆將不利于學(xué)生更快更好的從專(zhuān)業(yè)角度去學(xué)習(xí)消化教材知識(shí)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上已初步形成一套實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，但是一部分實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生在DOS環(huán)境下用C語(yǔ)言開(kāi)展仿真研究，而另一部分實(shí)驗(yàn)在Matlab環(huán)境下完成，沒(méi)有形成一個(gè)高集成的實(shí)驗(yàn)軟件體系。尤其是在DOS環(huán)境下，人機(jī)界面不夠友好，限制了學(xué)生快速理解掌握實(shí)驗(yàn)環(huán)境，從而降低了實(shí)驗(yàn)的效率及效果。此外，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)體系中沒(méi)有形成一套完整的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，學(xué)生仍然只是按照教材附錄中的內(nèi)容開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，這也破壞了課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的完整性，影響了實(shí)驗(yàn)效果。

2 控制系統(tǒng)仿真課程教學(xué)改革意義

現(xiàn)代控制系統(tǒng)數(shù)字仿真是在建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，在數(shù)字計(jì)算機(jī)上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究的過(guò)程。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研制過(guò)程中，控制系統(tǒng)方案確定后，首先必須進(jìn)行全數(shù)字仿真，然后逐步開(kāi)展實(shí)物在回路仿真、半物理仿真及臺(tái)架試車(chē)等。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研制中多個(gè)階段都涉及到仿真，它在其研制中占有重要地位。鑒于仿真技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研制中的重要性，針對(duì)飛行器動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制方向的高年級(jí)本科生設(shè)立了控制系統(tǒng)仿真這一專(zhuān)業(yè)選修課程，其教學(xué)主要由課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)部分組成，課堂教學(xué)中以講授仿真的基本原理、算法和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)配合課堂教學(xué)內(nèi)容開(kāi)展一系列的仿真實(shí)驗(yàn)。在過(guò)去幾十年中，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，與其密切相關(guān)的控制系統(tǒng)仿真課程教學(xué)也面臨著改革，需要不斷改進(jìn)教學(xué)方法，完善豐富教學(xué)內(nèi)容，以適應(yīng)科技的發(fā)展、社會(huì)的發(fā)展，人才培養(yǎng)的發(fā)展。

通過(guò)開(kāi)展控制系統(tǒng)仿真課程教學(xué)方法的探索與改革，將理論知識(shí)與專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)相結(jié)合，使學(xué)生在掌握仿真基本理論和方法的基礎(chǔ)上，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真有著更為深入的了解，初步掌握發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真的原理和方法。通過(guò)建立一套高集成度的實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，使學(xué)生能將課堂教學(xué)中的各種仿真方法方便快捷的開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)研究，在提高實(shí)驗(yàn)效率的同時(shí)充分激發(fā)了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性，培養(yǎng)和鍛煉了學(xué)生的綜合能力。通過(guò)課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，來(lái)深化學(xué)生對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真的認(rèn)識(shí)，使學(xué)生初步具備發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)數(shù)字仿真的能力、自行設(shè)計(jì)仿真程序并開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)的能力，從而提高學(xué)生仿真實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)手實(shí)踐能力。

3 控制系統(tǒng)仿真課程教學(xué)改革的挑戰(zhàn)

通過(guò)控制系統(tǒng)仿真課程教學(xué)現(xiàn)狀的分析可知，課程改革中面臨的主要挑戰(zhàn)有教學(xué)方法上的創(chuàng)新、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的提升。

控制系統(tǒng)仿真課程所授內(nèi)容豐富，既包含了大量的基本概念，又包含了大量的理論和方法。如何通過(guò)教學(xué)方法的創(chuàng)新，將基本概念講透，使學(xué)生透徹理解仿真理論和方法的本質(zhì)，并將仿真方法應(yīng)用到實(shí)際對(duì)象，即發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)及其元件的仿真中，是課程教學(xué)改革面臨的首要挑戰(zhàn)。

“教”和“學(xué)”是學(xué)生的學(xué)習(xí)中的“外因”和“內(nèi)因”。如果說(shuō)通過(guò)教學(xué)方法的創(chuàng)新是通過(guò) “外因”這一途徑來(lái)提高教學(xué)質(zhì)量，那么激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是期望通過(guò)“內(nèi)因”來(lái)提高教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生個(gè)體不同，知識(shí)的準(zhǔn)備程度也就有差異，如何通過(guò)教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新、教學(xué)方法的改進(jìn)、教學(xué)手段的提升，針對(duì)不同學(xué)生做到因材施教是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣所面臨的永恒挑戰(zhàn)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是控制系統(tǒng)仿真課程教學(xué)的不可或缺的組成部分。如何有針對(duì)性的依據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，如何使學(xué)生在友好、易操作的實(shí)驗(yàn)軟件下開(kāi)展仿真程序的二次開(kāi)發(fā)，提高實(shí)驗(yàn)成效是課程教學(xué)改革中面臨的又一挑戰(zhàn)。

4 控制系統(tǒng)仿真課程教學(xué)改革

控制系統(tǒng)仿真課程教學(xué)改革采用從整體到部分的思路，首先從課程教學(xué)內(nèi)容整體角度出發(fā)開(kāi)展課程體系結(jié)構(gòu)的教學(xué)改革探索，其次從教學(xué)內(nèi)容、多媒體課件開(kāi)發(fā)、實(shí)驗(yàn)軟件開(kāi)發(fā)、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)等多個(gè)方面開(kāi)展課程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)的改革探索。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真課程主要包含基本概念、數(shù)值積分法、連續(xù)系統(tǒng)離散化仿真方法、采樣控制系統(tǒng)仿真方法、控制系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)及常用仿真軟件等內(nèi)容。這些內(nèi)容看似松散，實(shí)際具有內(nèi)在的邏輯聯(lián)系。將航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真看作一棵大樹(shù)的話，上述數(shù)值積分法、連續(xù)系統(tǒng)離散化仿真方法、采樣控制系統(tǒng)仿真方法、控制系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)可以看作是大樹(shù)的主要枝干，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真的主要方法，如圖1所示。而每一種方法里面都包含多個(gè)具體方法，如數(shù)值積分法中包含龍格-庫(kù)塔法、亞當(dāng)姆斯方法和吉爾方法，如圖2所示。因而課程改革中首先要建立課程體系結(jié)構(gòu)，使得學(xué)生從整體上把握課程所學(xué)理論和方法。采用形象、直觀方法來(lái)描述課程的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，將有助于學(xué)生從整體上把握所需學(xué)習(xí)的知識(shí)體系。進(jìn)而在學(xué)生進(jìn)行各種具體仿真方法的學(xué)習(xí)中能夠幫助他們理解、掌握其理論實(shí)質(zhì)，有助于學(xué)生正確把握該方法的應(yīng)用方向。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真課程知識(shí)結(jié)構(gòu)

圖2 數(shù)值積分法教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)內(nèi)容改革研究是課程教學(xué)改革的重點(diǎn)內(nèi)容，應(yīng)針對(duì)國(guó)內(nèi)外最新教學(xué)內(nèi)容和前沿研究方向跟蹤和分析。結(jié)合本專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，對(duì)控制系統(tǒng)仿真的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)體系進(jìn)行綜合分析研究，緊密結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)這一對(duì)象，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更新，編寫(xiě)新的課程教學(xué)教案。例如在數(shù)值積分法中歐拉法的講授中，可以考慮結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中“液壓缸”這一元件，如圖3所示②，圖中在建立液壓缸的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，采用歐拉法對(duì)其進(jìn)行性能仿真。當(dāng)然，將仿真方法與發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)具體對(duì)象如何恰當(dāng)、有效的結(jié)合是教學(xué)內(nèi)容改革中重點(diǎn)要研究的內(nèi)容。

電子課件的開(kāi)發(fā)也是課程教學(xué)改革一項(xiàng)必要內(nèi)容?，F(xiàn)代教學(xué)方法的引進(jìn)使得電子教學(xué)日益變得重要，它已經(jīng)成為當(dāng)今主要的輔助教學(xué)手段。在現(xiàn)有電子課件的基礎(chǔ)上，如何最大程度的發(fā)揮多媒體教學(xué)方法的教學(xué)效果和質(zhì)量，需要認(rèn)真研究和探討，本課題將結(jié)合教學(xué)內(nèi)容的改革進(jìn)一步完善并豐富課程教學(xué)電子課件。

圖3 雙作用液壓缸工作原理

實(shí)驗(yàn)軟件開(kāi)發(fā)是課程教學(xué)改革的一個(gè)亮點(diǎn)。原有實(shí)驗(yàn)軟件既包含C語(yǔ)言又包含Matlab軟件，尤其是C語(yǔ)言不利于學(xué)生快速便捷的開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)。本課題將摒棄原有松散的實(shí)驗(yàn)軟件，鑒于Matlab強(qiáng)大的計(jì)算功能，友好的用戶界面，基于Matlab軟件開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)仿真專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，使學(xué)生在一個(gè)集中軟件系統(tǒng)中快捷高效的完成仿真實(shí)驗(yàn)，并能獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀認(rèn)識(shí)，開(kāi)展控制系統(tǒng)性能分析。

針對(duì)改革后的教學(xué)內(nèi)容和新開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)軟件，對(duì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的修改與編寫(xiě)，以適應(yīng)新的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)軟件。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為飛行器動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)本科生高年級(jí)的專(zhuān)業(yè)課程，航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真課程內(nèi)容既有大量新理論、新方法由涉及大量前續(xù)知識(shí)的深入和擴(kuò)展，通過(guò)分析課程特點(diǎn)及本專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，將課程內(nèi)容與航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)這一特定對(duì)象緊密結(jié)合，建立課程體系結(jié)構(gòu)，改革教學(xué)內(nèi)容，將傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體教學(xué)相結(jié)合，靈活運(yùn)用各種教學(xué)手段，提高教師自身素質(zhì)，不斷加強(qiáng)與學(xué)生間的互動(dòng)，改進(jìn)并探索新的教學(xué)方法，才能有效提高教學(xué)質(zhì)量。

南京航空航天教育教學(xué)改革研究資助項(xiàng)目

注釋

① G.A. Korn, J. V. Wait. Digital continuous-system simulation[M].Prentice-Hall,U.S.,1978.

② 曾俊英.航空動(dòng)力裝置控制(元件部分)[M].北京航空工業(yè)出版社,1995.