姜 颖，陈 聪

中国民航大学 航空工程学院，天津 300300

0 引言

飞机电源系统可以为飞机上所有的用电设备提供电能，对于飞机的安全稳定运行具有重要作用。由于飞机系统具有高价值性，同时对人员资质、授权有着较高要求，导致实验操作具有高危险性和不可逆性[1],本科教学中也缺乏让学生进行真机操作的机会[2]。利用虚拟仿真技术建立实践教学项目，为飞机系统类课程落实电源系统实验教学工作，全面提升机务工程类专业教学质量提供了有力手段[3-4]。

开发飞机电源系统部件测试虚拟仿真实验系统的目的是将其引入中国民航大学飞机机型课程中电源系统内容的本科实践教学。该课程是面向飞行器制造工程、机械电子工程等民航机务类专业的一门民航特色鲜明的专业课程。在虚拟仿真的实验环境基础上，结合虚拟仿真实验的系统数值仿真、虚拟维护操作训练，不仅可以帮助学生加深对电源系统基本组成的理解，还可以深入学习系统的基本工作原理及工作情况，熟悉飞机电源系统部件的维护方法及注意事项，培养学生分析和解决工程实际问题的能力[5]。

1 飞机电源系统部件测试模拟仿真实验系统的功能设计与技术特点

1.1 实验系统的功能设计

实验系统的功能主要包括基于Simulink的电源系统整体数值模拟、电源系统典型部件静变流机的仿真测试、电源系统负载响应数值模拟三个部分。

1.1.1 系统整体数值模拟

针对飞机电源系统，首先在虚拟仿真的驾驶舱环境中查看驾驶舱效应，获取故障现象。接下来，基于Simulink的电源系统数值仿真模型，在已有部分模型的基础上，进行关键元件的选取，以完成仿真模型的建立，并设置主要元件参数，注入故障数据。系统模拟通过Simulink模块的仿真计算，将输出数据显示在虚拟驾驶舱仪表板及响应仿真面板上。通过查看对应参数的面板指示数值及参数波形变化情况，实现电源系统整体数值仿真的模拟。

1.1.2 典型部件静变流机的仿真测试

部件测试选取电源系统中的典型部件——静变流机作为测试对象。

首先，模拟从飞机电子设备舱（EE舱）中取下故障元件静变流机，并拆除外壳查看其内部结构组成。

其次，利用基于静变流机工作原理的Simulink仿真模型进行仿真测试模拟，通过激活仿真，查看各组成元件的输出参数波形，判断静变流机的具体故障子元件。

再次，更换静变流机3D仿真模型中的故障子元件，再利用测试仪，根据工卡要求，对该静变流机进行部件测试，记录输出结果，并打印测试报告，判断故障是否排除。

最后，将测试通过，即已成功排故的静变流机安装到飞机上，并在驾驶舱中启动自检，再次查看面板指示数值。如果显示无故障波形，则完成整个静变流机测试的维护训练过程。

1.1.3 负载响应数值模拟

利用基于Simulink的电源系统仿真模型，首先查看系统各主要子元件的仿真模型，熟悉模型的构建；然后激活仿真，查看负载变化时系统的输出响应情况。

1.2 系统的技术特点

实验系统基于当下成熟的虚拟现实技术开发，不依赖外部VR设备，利用电脑模拟产生一个三维的空间虚拟世界，构建实验所需的飞机驾驶舱和仪表、机载部件、测试仪器、测试环境等模型，提供接近真实的电源系统部件维护情景。

系统基于中国民航大学的虚拟仿真实验教学平台端口，采用B/S架构，支持网页界面操作方式，使用3D MAX、MAYA等软件进行三维建模、动画制作、场景渲染等。系统支持同时在线人数5 000人以上，便于推广应用，实现更大范围的开放共享。基于第一人称控制器，用户可通过鼠标键盘交互操作，控制维护人员角色在三维场景中漫游，以任意距离、任意角度观察实验现象。

2 飞机电源系统部件测试模拟仿真实验系统的应用

2.1 系统整体数值模拟

2.1.1 驾驶舱效应

在虚拟仿真的驾驶舱环境中，实现驾驶舱故障现象模拟。用户通过查看指定电源系统控制面板，查看仪表数值和故障灯光指示，获取故障现象。驾驶舱效应如图1所示。

图1 驾驶舱效应

2.1.2 基于Simulink的电源系统模型搭建与数值模拟

系统中预先内置了基于Simulink的不完整的飞机电源系统模型，用户首先需要在元件库中正确选择同步电机、RLC负载、电路故障短路发生器等主要系统元件，通过拖拽的方式连接到模型中，将模型搭建完整；然后进行元件主要参数的设置，注入故障；最后启动仿真，查看数值仿真的输出结果，即数值仿真面板对发电机频率、输出电压的波形模拟，实现基于Simulink的电源系统数值模拟。同时，虚拟驾驶舱中的仿真面板能实时显示仿真数据，将故障现象在虚拟驾驶舱中模拟重现。

2.2 静变流机测试

2.2.1 基于原理模型的数值仿真测试模拟

系统预置了根据静变流机组成及工作原理建立的Simulink仿真模型。在激活仿真中，系统将随机模拟静变流机组成子元件（全桥逆变器、反激变换器）的故障情况，输出相应仿真结果。用户通过查看相应子元件参数输出情况，判断具体故障子元件，并利用静变流机3D模型进行更换操作。静变流机与测试仪模型如图2所示，左侧元件为待更换故障子元件的静变流机。

图2 静变流机与测试仪模型

2.2.2 基于3D模型的测试仪测试

根据静变流机实际维护过程中的测试流程，利用虚拟测试仪器对静变流机进行测试，测试需要完全按照工卡要求进行。根据工卡，依次调节测试仪上的输入电压、输入电流参数，启动测试，查看并记录每一次的测试结果，直到完成工卡上所有的测试项。然后打印测试报告，判断该部件测试是否全部通过。

2.2.3 启动系统测试

更换过子元件的静变流机完全通过测试，则说明该部件更换子元件后恢复正常。将正常的静变流机安装回飞机的电子设备舱，如图3所示。再进入驾驶舱，在电源系统面板上按下MAINT按钮，启动系统测试，查看测试结果是否正常，如图4所示。通过系统面板指示情况及仿真波形图，判断电源系统是否正常工作。

图3 将静变流机安装回飞机上

图4 在驾驶舱中完成系统测试

2.3 负载响应数值模拟

根据基于Simulink的电源系统数值仿真模型，模拟系统在负载发生变化时系统的响应情况。部分模拟输出结果如图5所示。

图5 负载响应

3 结束语

在最近的教学中，该系统已经在多个教学班中实际使用，并且根据使用反馈，进行了几次更新升级才得以完善。学生可以直接登录学校虚拟仿真实验教学平台访问实验资源，完成实验。后续该实验系统还将持续应用，并可推广应用到其他高校的相关课程。将虚拟仿真实验引入飞机系统的实践教学，丰富了实践教学手段，是持续完善飞机机型课程多维教学体系的重要组成部分。虚拟仿真实验系统侧重通过建模仿真的手段促进学生对系统组成及原理的深刻理解，将飞机上真实的环境及故障现象模拟重现，并实现系统部件测试流程的虚拟操作，同时能在一定程度上激发学生学习兴趣，启发学生自主思考问题，熟悉实际工作流程，提高学生分析和解决工程实际问题的能力。