基于FADEC控制發(fā)動機高空模擬試驗用的航電模擬器技術研究

張向前，劉龍園，付細能，張文林

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

隨著航空電子技術和發(fā)動機數(shù)字電子控制技術的發(fā)展，在第三代、第四代飛機上，對航空發(fā)動機的操縱方式也由電氣化轉變?yōu)閿?shù)字化，即由機載機電管理計算機的通訊指令信息取代來自控制按鈕的電氣信號和來自傳感器、儀表的測量數(shù)據(jù)。

基于全權限數(shù)字電子控制（FADEC）某渦扇發(fā)動機在飛機上使用時，除油門桿信號外，控制發(fā)動機的相關操作指令和座艙顯示數(shù)據(jù)均依賴于航電系統(tǒng)的1553B總線通訊，發(fā)動機ECU通過總線從航電設備獲取控制指令，發(fā)動機及其控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息通過總線發(fā)往相關航電設備，再由座艙的多功能顯示器進行顯示。為更全面獲得該型發(fā)動機高空工作性能和穩(wěn)定工作邊界，需開展該發(fā)動機高空模擬試驗。為此，需研制航電模擬器仿真機上與發(fā)動機ECU相關的總線通訊環(huán)境，以保證發(fā)動機及控制器在高空臺臺架上具備開展發(fā)動機試驗驗證的工作條件。航電模擬器為航空電子系統(tǒng)提供了一個開發(fā)、研制以及綜合仿真測試的環(huán)境[1]。

1 機載總線通訊環(huán)境

1.1 通訊系統(tǒng)組成

機載1553B總線通訊系統(tǒng)是由BCMP作為總線控制器，MC 作為備份總線控制器，ADC、INS、EMMC和EEC等多種機載電子設備作為RT并按照1553B總線通訊標準構成的總線通訊系統(tǒng)。該系統(tǒng)的連接示意如圖1所示。

圖1 機載1553B總線通訊系統(tǒng)連接示意圖

1.2 通訊信息流

BCMP、MC、ADC、INS和EMMC在1553B總線通訊系統(tǒng)中與ECU之間的通訊過程的數(shù)據(jù)流如圖2所示。

圖2 總線通訊數(shù)據(jù)流圖

2 航電模擬器方案設計

2.1 航電模擬器與外界通訊環(huán)境建立

2.1.1 通訊仿真模型

1)BCMP模型：用于仿真通訊總線控制計算機的總線控制功能；

2)MC模型：用于仿真多任務管理計算機的總線監(jiān)視功能和備份總線控制器功能；

3)ADC模型：用于仿真大氣管理計算機的總線通訊功能；

4)INS模型：用于仿真慣導系統(tǒng)的總線通訊功能；

5)EMMC模型：用于仿真機電管理計算機的總線通訊功能；

6)模擬ECU模型：用于ECU的A、B通道的總線通訊功能。

2.1.2 通訊環(huán)境搭建

FADEC在控制渦扇發(fā)動機航電模擬器方面主要具備如下功能：

1)仿真功能：基于單臺計算機及相關通訊硬件模擬同ECU進行總線通訊的多種航電設備的通訊特性，為ECU仿真機載總線通訊環(huán)境；

2)監(jiān)視功能：接收并顯示電子控制器上傳的實時數(shù)據(jù)，并實時監(jiān)視通訊總線工作情況；

3)操縱功能：向電子控制器發(fā)送操作指令和外部參數(shù)的設定值；

4)數(shù)據(jù)記錄：在航電模擬器上生成相應的數(shù)據(jù)文件用于實時存儲ECU上傳的數(shù)據(jù)以及航電模擬器下發(fā)的指令與參數(shù)。

綜合航電系統(tǒng)模擬器應與以下裝置相互作用（航電模擬器與外界通訊關系示意圖見圖3）。

圖3 航電模擬器與外界通訊關系示意圖

―EDR-42裝置；

―顯示器；

―鍵盤；

―鼠標操縱手；

―參數(shù)記錄綜合體；

―發(fā)動機操縱臺。

航電系統(tǒng)模擬器將從操縱臺接收的指令和信號、由操作者輸入的指令和信號轉換成相應的標識，以及將通過信息交換通道RS-422A從參數(shù)記錄綜合體接收的參數(shù)轉換并換算成發(fā)動機控制所需的參數(shù)，并將這些參數(shù)通過多路信息交換通道傳輸給電子控制裝置的兩個通道。

航電系統(tǒng)模擬器接收來自電子控制裝置沿多路信息交換通道的參數(shù)和信號，并通過信息交換通道RS-422A，將根據(jù)協(xié)議從電子控制裝置（來自A通道和B通道）沿多路信息交換通道接收的參數(shù)輸出到參數(shù)記錄綜合系統(tǒng)。

此外，航電模擬器應保證將從臺架和電子控制裝置接收的信號、參數(shù)輸出到顯示器屏幕上，用于操作者及技術人員監(jiān)控。

2.2 技術實現(xiàn)途徑

在Visual Studio 2008開發(fā)環(huán)境下，基于Microsoft.NET開發(fā)平臺，使用C#程序設計語言，開發(fā)了Windows應用程序框架；設計了帶有指令按鈕、參數(shù)滑動條、數(shù)據(jù)列表、動態(tài)曲線監(jiān)視器和離散字指示燈導航窗格序列等元素的人機交互界面；創(chuàng)建相關數(shù)據(jù)結構；封裝總線通訊控制設備操作接口[2]。

以面向對象的設計思想，構建飛機航電系統(tǒng)中與發(fā)動機控制器交互的總線終端設備模型(多任務管理計算機MC、機電管理計算EMMC、大氣數(shù)據(jù)計算機ADC和慣性導航系統(tǒng)INS)以及BCMP模型；按照通訊協(xié)議的規(guī)劃，實現(xiàn)通訊環(huán)境仿真。

航電模擬器在使用時連接方式如圖4所示。航電模擬器與控制器之間通過兩個總線耦合器分別連接成兩個1553B總線通訊回路——總線通訊主回路和備份回路。每個耦合器分別連接航電模擬器主通訊線路或備份通訊線路以及控制器兩個通道對應的主通訊線路或備份通訊線路。

2.3 實現(xiàn)的功能

1)具有模擬BCMP對1553B總線進行通訊管控以及同相關設備進行管控指令和通訊狀態(tài)信息交互的功能，建立相應的功能模型；

2)能夠模擬飛機總線通訊系統(tǒng)的部署方式與功能，即正確地建立發(fā)動機控制器與相關機載設備的通訊模型，并按照總線通訊協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊過程；

3)具有左發(fā)/右發(fā)切換選擇功能；

4)具有模擬發(fā)動機控制器在總線上的通訊功能，即在不連接控制器實物的條件下，通過恰當?shù)嘏渲猛ㄓ嶆溌?，使航電模擬器可以獨立地模擬包括控制器在內的飛機通訊系統(tǒng)；

圖4 產(chǎn)品總線通訊連接示意圖

5)具有參數(shù)顯示功能，能通過數(shù)據(jù)列表實時顯示從通訊數(shù)據(jù)中解析的所有參數(shù)；

6)具有圖形化顯示功能，即對于所有模擬量信號參數(shù)應以坐標曲線進行顯示，對于表示狀態(tài)指示和故障指示的離散字參數(shù)還應使用指示燈進行圖形化表示；

7)具有通訊數(shù)據(jù)修改功能，即能通過軟件界面直接修改發(fā)送給控制器的通訊數(shù)據(jù)包和模擬控制器發(fā)出的通訊數(shù)據(jù)包；

8)具有適用于試驗人員操作的圖形化指令輸入與操縱界面，即用滑動桿、旋鈕和按鈕等虛擬儀器模擬飛機座艙中相應的指令輸入與操縱裝置，以此接收試驗操作人員對控制器的操縱指令；

9)具有數(shù)據(jù)存儲功能，應能存儲所模擬的飛機通訊系統(tǒng)在通訊過程中傳遞的所有參數(shù)數(shù)據(jù)；

10)具備RS-422串口通訊功能，可以通過串口與發(fā)動機臺架數(shù)據(jù)中轉計算機交互操作指令和數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)遠程操縱。

3 解決的關鍵技術

為實現(xiàn)基于FADEC控制發(fā)動機臺架試驗中與發(fā)動機及試驗臺架交聯(lián)及數(shù)據(jù)傳輸，航電模擬器解決了如下關鍵技術：

1)按照飛機航電系統(tǒng)組成，實現(xiàn)與發(fā)動機控制器交互的各機載設備通訊特性；

2)按照飛機航電系統(tǒng)總線通訊協(xié)議的規(guī)劃，仿真以機載總線控制計算機(BCMP)為核心的通訊調度機制；

3)實現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)在線監(jiān)控、告警和數(shù)據(jù)存儲；

4)實現(xiàn)基于RS-422通訊的試驗臺數(shù)據(jù)交互，以及本機航電指令操縱權與遠程操縱權的切換功能。

4 結語

本文基于FADEC控制的發(fā)動機，進行了高空模擬試驗用的航電模擬器的技術方案研究，所提出的航電模擬器能夠仿真機上與發(fā)動機ECU相關的總線通訊環(huán)境，以保證發(fā)動機及控制在高空臺臺架上具備開展發(fā)動機試驗驗證的工作條件。