基于虚拟现实的《航空发动机试车技术》课程改革探索与实践

熊 纯，舒 毅，丁哲民，刘文娟



基于虚拟现实的《航空发动机试车技术》课程改革探索与实践

熊 纯，舒 毅，丁哲民，刘文娟

（长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124）

针对《航空发动机试车技术》课程的原理抽象难懂、教学模式理实交互性弱、组织实施难度大等问题，文章引入先进计算机技术,提出了一种基于虚拟现实技术的课程改革建设方法，并在此基础上开发了基于虚拟现实的发动机模拟试车训练系统。最后，通过转速调节器的“静态误差”的实例验证了该发动机模拟试车平台的可行性、正确性和实用性,也表明该方法不仅能提高课程组织实施能力，而且为学生创建了身临发动机试车现场的逼真学习情景。

课程改革；虚拟现实；发动机试车；人机交互；界面

一、引言

《航空发动机试车技术》课程不仅涉及到复杂的系统组成、抽象的工作原理、多变的性能参数调整等理论知识，更是将所学理论知识在实际的试车过程中得到充分应用和巩固，培养学生能在规定的时间内对航空发动机试车过程进行正确地学习理解，达到对发动机一般性故障的分析判断能力，相应制定出故障排除方案，实施故障排除。该课程具有如下特点：内容复杂抽象性、教学模式理实交互性、课程体系动态实效性。

但受制于原有体制的束缚、航空发动机试车生产现场的特殊性、实训基地设备的严重滞后不足等因素影响，目前教学过程中仍然存在空洞抽象的教学内容、理论与实践的割裂、脱离企业真实工作情境的教学环境等现象，以至于任务驱动和工学结合的教学方法难以实施，不能激发学生的学习兴趣、问题意识和创新意识，难以满足学生在学习过程中的实践需求、无法保证教学质量，也不能满足企业对高素质技能型人才的需求[1]。

基于以上该课程特点和目前实际教学情况，如何能够采用最新的技术快速、高效地改进当前的教学现状是该课程建设的重要保障。采用虚拟现实技术，利用先进的计算机技术，以实物设备为基础，开发发动机模拟试车训练系统[2]，进而借助所开发的发动机模拟试车平台开展发动机试车实训项目：在教学前，学生可以通过软件模拟的方式，对试车技术的步骤和难点进行反复观察和模拟训练；在教学中，学生可以通过软件自行进行发动机模拟试车，既可以规避试车的安全风险和财力的消耗，又可以让学生更快地掌握发动机试车流程和试车技术，更能满足高职院校对学生的职业技能、职业素养和质量意识的培养[3]。

二、模拟试车训练系统的功能模块建立基本原则

在进行模拟试车训练系统的功能模块建立时，必须要全面考虑将发动机真实试车的场景在教学课堂上呈现，创建基本符合企业真实工作情境的教学环境[4]，对每一个性能参数（转速、推力和压力等）、开关的转换、信号灯指示、功能检查等变化规律，基本符合发动机真实试车各性能参数的变化规律和逻辑关系，达到逼真的视觉感受；同时，将发动机工作时的轰鸣声交融到发动机转速变化中去，增添试车时的听觉感受，加强模拟试车训练系统的沉浸感，使发动机模拟试车的视听效果逼真。模拟试车训练系统的功能模块[5]，如图1所示，不仅可以逼真模拟试车过程，而且可以实现发动机各种故障的模拟，实现对学生综合、有效性考核，因此，在模拟试车训练系统的功能模块建立过程中需要遵守以下原则[6]：

图1 模拟试车训练系统的功能模块

1.真实的视觉效果

发动机试车程序有许多功能检查，实现每一个功能检查需要一个建模，每个模块在运行当中有许多参数在发生变化（如转速、压力、温度、推力、耗油率、时间等参数）。在操作发动机试车时，所有发动机的参数都会随油门操纵手柄的移动而实时地变化，相关的信号灯也随不同的协动转速的变化而点亮或熄灭，这些参数、信号灯的变化都是符合逻辑关系有规律地变化。只有这样，才能符合真实的试车场景，加强模拟试车训练系统的视觉感受。

2.拟合发动机试车现场的听觉感受

发动机工作时，会发出强烈震撼的声音，而且会随着发动机的转速、状态的变化发生相应的变化，在模拟试车时，操纵发动机油门手柄而改变发动机的工作状态，需配置发动机试车时的轰鸣声并随转速的变化交融在一起的功能，让学生犹如身临真实感受发动机试车现场的震撼感觉。

3.发动机参数调整

设置发动机的调整内容、调整量、调整参数的变化值，让学生了解掌握发动机的基本调整内容、调整位置、调整事项的技术要求等，让学生亲身感受到经自己调整后，发动机参数变化的情况，能够更好地了解发动机的调节规律和调节原理。

4.发动机试车告警设置

在进行模拟试车时，由设定的发动机参数（转速、推力、排气温度、压力、加减速等）告警提示后，学生能否及时发现并处理操控发动机及时停车，是培养学生遇到各种异常情况下的处理问题的应变能力和一个良好心理素质。因此，在发动机试车参数告警建模时，需考虑学生操控简洁、方便可行。

5.发动机试车故障设置

对发动机转速、推力、排气温度、压力、加减速时间等约30多个故障进行设定，在模拟试车过程中，由老师通过笔记本电脑操控发动机试车时参数的变化，故障的设置遵循由浅入深、循行渐进原则，主要依据学生的学习进度、试车技术掌握情况，进行不同类型的故障设置。当故障信号提示后，学生能否及时发现并采取相应措施，并对故障进行分析，提出排除故障的处理办法和意见，这不仅实现对学生对所学发动机原理、发动机构造、发动机控制等有关试车技术方面知识的一个综合、有效性检验和考核[7]，更是将所学理论知识在实际的试车过程中得到充分应用和巩固。

6.发动机参数的变化及逻辑关系

所有性能参数逻辑关系、变化次序和变化规律、信号灯指示都必须符合真实发动机试车程序。因此，在建模时，需仔细、反复地进行检查、验证、修改。

三、模拟试车训练系统人机交互界面设计

本系统设计的界面具有清晰、简洁、色调协调、一致、易懂、明确反馈的特点，能为系统各个模块的功能实现提供友好的人机交互桥梁，不仅高效地实现了应用程序的功能，而且增加了学生对应用系统的喜爱，强化系统的普遍实用性。本系统人机交互界面主要结构如图2所示，分别是发动机模拟试车1号、2号和3号等界面。

图2 人机交互界面结构

在1号界面设计中，界面要素主要包括发动机起动按钮、各功能选择转换控制开关；点火信号、各凸轮协动转速、转换信号灯；喷口、燃油延迟、等效电源选择开关。在2号界面设计中，界面要素主要包括控制转换开关、加力控制转换开关，调节开关；信号灯、推力性能曲线、耗油率曲线；总电源、起动、控制电源开关、空中起动按钮。在3号界面设计中，界面要素主要包括发动机动态参数曲线历程图，其中动态参数为：N1、N2转速、油门角度、推力、排气温度等。在4号界面设计中，界面要素主要包括发动机推力、耗油率、T3*温度、转差率；发动机起动态参数：滑油出现时间、TQ、QD协动转数、放气活门关闭转数、排气温度、起动时间；凸轮协动：DK、XK、XB、JL转速；加减速性：时间t、转速N1急增、排气温度t4急增；加力接通：时间t、转速N1急增、排气温度t4急增、T4下降、P4下降。在5号界面设计中，界面要素主要包括发动机主要参数模拟仪表；发动机主要工作参数及性能；发动机起动功能性、稳态性能、加减速性、遭遇加速性、高空加速性、转速差、最小稳定性及燃烧室熄火等。

在故障设置界面设计中，界面要素主要包括转速、排气温度和振动等故障设置。在告警设置界面设计中，界面要素主要包括转速、压力、排气温度和振动等告警设置。在性能设置界面设计中，界面要素主要包括起动、转速、推力、压力、排气温度和流量等调整。

四、应用实例及效果

该模拟试车训练系统可以实现的功能主要有稳态模拟、过渡态模拟和功能性检查等[8]，其中某型发动机转速调节器的作用之一是：当飞行及外界大气条件发生变化时，转速调节器自动调节供油量，保持发动机给定低压转子转速N1不变，从而保证发动机安全、可靠、稳定的工作[9]。其调节器工作原理、工作过程及静态误差既是《航空发动机试车技术》课程的重点，更是难点，常规的理论教学只能使学生抽象地了解其工作原理和工作过程，不能形象直观地掌握转速调节器在外界条件发生变化时，如何调节保证发动机N1转速为恒定、相关参数如何变化以及转速调节器的静态误差。

基于此，借助本文开发的发动机模拟试车平台，进行模拟教学。本文以检查转速调节器的“静态误差”为实例，进行模拟试车。在实践模拟教学中，依托创建的“模拟试车操纵平台”，转速调节器经调节后各性能参数（耗油量、转速、推力、排气温度）按调节规律实时的变化着，且变化情况在界面仪表上直观显示出来，学生能直观地观察到各参数的变化规律及变化量，加深对转速调节器的工作过程及调节原理的学习理解。同时，通过将喷口直径由最小位置放大到最大位置来模拟飞行高度及外界条件发生变化时，检查转速调节器保持N1转速不变的调节情况：喷口直径在两个不同的工作位置（最小和最大）所得到的N1转速差，即是转速调节器的静态误差，相关参数N2转速、T4温度、推力等的变化情况，如图3所示。

通过结果数据对比，得知静态误差△N1转速差等于0.2%，在允许误差范围内（规定不大于0.5%），符合转速调节器的技术规定，表明该发动机模拟试车平台的可行性、正确性和实用性。

五、结论

本文创新应用虚拟现实技术，改进教学方法，通过一比一的试车操作台面、工作界面、油门操纵手柄、利用鼠标选择试车程序中的所有功能检查、开关转换、配置发动机试车时发出的轰鸣声的模拟试车训练系统进行教学，解决了该课程传统教学过程的局限性，不再需要高大的试车厂房、试车台架、试车设备及系统，无需油料的消耗，有效减少教学成本，更没有安全隐患的存在，就可以直接创建与企业真实工作情境相一致的教学环境，大大提高了课程组织实施、课堂效率、视听效果，让学生感受到犹如身临发动机试车的真实场景。

[1]王兰芬，刘治安.任务驱动教学法在高职院校课堂教学的应用研究[J].职教论坛，2013（17）：18-20．

[2]苗淼，张亮，雷勇等.航空发动机试车模拟操纵系统的研制开发[J].计算机测量与控制，2013（02）：448-450．

[3]程书强.工商管理专业群虚拟现实实训平台的构建与实践[J].中国职业技术教育，2013（02）：77-79．

[4]刘景峰.高职电力类专业仿真实训教学项目的开发及应用[J].中国职业技术教育，2012（05）：28-31．

[5]王维山，雷勇，杨训.航空发动机通用试车软件的设计与实现[J].测控技术，2011（09）：90-82．

[6]刘亚丰，苏莉，吴元喜等.虚拟仿真教学资源建设原则与标准[J].实验技术与管理，2017（05）：8-10．

[7]顾至欣，金丽娇.虚拟现实技术在导游实训课程中的应用效果研究[J].中国职业技术教育，2016（14）：85-91．

[8]杨训，雷勇，陈桂英等.航空发动机试车计算机辅助试验系统[J].计算机测量与控制，2005（09）：900-902．

[9]樊思齐.航空发动机控制（上、下册）[M].西安：西北工业大学出版社，2008.

Exploration and Practice of the Curriculum Reform of Aero-engine Test Technology based on Virtual Reality

XIONG Chun，SHU Yi，DING Zhemin，LIU Wenjuan

（Changsha Aeronautical Vocational and Technical College, Changsha, Hunan 410124, Chian）

Because the Aero-engine Test Technology course has abstract theories, poor practice-theory interaction and difficult implement, this paper introduces the advanced computer technology and proposes a reform method based on virtual reality technology and develops an engine simulation training system. Moreover, it uses the experiment of the "static error" of the rotor-speed regulator to verify the feasibility, correctness and practicability of the engine simulation test platform, which proves that this method can not only improve the implement of the course but also create a real learning situation for students to test the engine.

curriculum reform; virtual reality; engine Test; human-computer interaction; interface

2018—08—08

熊纯（1973—），湖南双峰人，长沙航空职业技术学院，副教授。

G712

A

1008—6129（2018）04—0009—005