航空发动机控制系统课程虚拟仿真实验教学平台建设建议与研究

李勇 马震宇 韩非非 马遥力 单晨晨

摘  要：重视学生的实践教学、创新能力和素养的培养，在航空航天工程专业的教育中有其重要的意义。文章以英国高地与岛屿大学航空工程专业与郑州航空工业管理学院飞行器动力工程专业作为一组对比研究对象，针对实践教学方面两者之间的异同，研究了航空发动机控制系统课程虚拟仿真实验教学平台在教学、科研中的作用，旨在解决航空动力专业相关课程实验教学的不足，并为飞行器动力工程类本科人才培养提供示范和相关借鉴。

关键词：航空发动机;虚拟仿真;实验教学平台;人才培养;实践教学

中图分类号：G640       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）01-0005-04

Abstract： Attaching importance to students' practical teaching and the cultivation of innovative ability and literacy is of great significance in the education of aerospace engineering major. This study is done taking the Aeronautical Engineering major of British Highland and Island University and the Aircraft Power Engineering major of Zhengzhou University of Aeronautics as a group of comparative research objects. The paper studies the role of virtual simulation experiment teaching platform for aero-engine control system course in teaching and scientific research according to the similarities and differences between practical teaching and learning. The purpose of the study is to solve the deficiency of experimental teaching in related courses of aero-power major， and to provide demonstration and reference for undergraduate personnel training of aircraft power engineering.

Keywords： Aero-engine; virtual simulation; experimental teaching platform; talent training; practical teaching

一、问题的提出

高等教育国际化是经济全球化带来的必然趋势，中外合作办学是我国高等教育国际化的重要途径[1]。郑州航空工业管理学院航空发动机学院目前已经与英国高地与岛屿大学成功开展了航空工程专业中外合作办学项目，并已经开始实施。作者也有幸参与了2017年郑州航空工业管理学院与国家留学基金委合作的“河南省青年骨干教师成班派出计划”，于2017年11月至2018年2月在英国高地与岛屿大学进行了为期三个月的短期访问学者学习。在英国期间，作者对于国外先进的教学理念和课程教学方法、教学手段感受很深，本文的研究得到了河南省高等学校重点科研项目（21A590003）与郑州航空工业管理学院教育科学研究基金项目（Zhjy19-53）的支持。

当今，以英、法、美、俄的航空航天技术最为领先，在这些国家航空航天工程教育在高等教育中有着非常重要的地位，航空航天工程专业几乎已成为世界排名前列大学的必设专业[2]。英国航空航天工程教育主要反映出以下特点[3-4]：

1. 学制多样。英国采用的是1年预科，加上3年正式的大学教育的学制，这与我国普遍采取4年制本科教育学制不同。

2. 面向工程。工程科学的许多知识和技能必须在动手的过程中才能掌握。在各种学习环节中强调在实践中学习，在独立或合作的课题研究中提高，是英国大学工程教育的一个显著特色[5]。

3. 实践性强。英国高等教育对课程中涉及的实验课，授课教师一般不做讲解和示范，而是由学生带着实验讲义去实验室，自己对着仪器摸索。相关授课教师或实验室的技术人员则在实验室巡视，随时回答学生提出的问题[6]。这与我国实验课有着较大差异。

4. 产学合作紧密。英国开展航空专业教育的高等学校积极开展与整个欧洲范围内航空航天类企业的持续全面合作。相关大学的研究所或课题组已发展成欧洲航空航天研究领域中的一支重要的科研力量，也造就了一支科学技术研究和工程实践兼备的教师队伍。

目前，我国航空航天类工程教育还沿袭着过去的人才培养模式，存在着重学科体系、教学内容陈旧、缺乏创新人才培养体制等现象，而工程教育的基本特征是“实践性”和“综合性”，目前国内许多高校对此重视程度不足，课程体系建设、校企实习、产学研合作等还缺乏制度保障，學生自主学习能力和意识还非常薄弱，教师教学的方式还有待与时俱进等。

为了适应我国航空事业发展需求，以培养具有专业胜任能力的综合应用型航空人才为目标，坚持“学生中心、问题导向、创新实践”的实验教学理念，按照“虚实结合、以虚补实”的原则，以民用航空涡扇发动机为对象，采用3D建模、原理动画、虚拟现实人机交互等技术研制航空发动机控制系统虚拟仿真实验教学平台，已是相关本科类航空专业院校亟待提上日程的一项任务，以解决航空动力专业相关课程实验教学的不足。

二、航空发动机控制系统虚拟仿真实验教学平台建设必要性分析

随着计算机技术的发展和虚拟现实仿真技术的商用化逐渐成熟，虚拟仿真已用于各行各业的方方面面。近年来，教育部印发《关于一流本科课程建设的实施意见》，实施一流本科课程“双万计划”，推动了建设虚拟仿真实验教学平台的热潮。

为解决综合应用型航空人才培养中的问题，实现国家培养卓越人才和创新人才的战略目标，有必要建设航空发动机结构拆装和控制运行虚拟仿真实验教学系统，其可以为飞行器动力工程专业提供多层次的虚拟教学实践操作训练平台。

建设航空发动机虚拟仿真实验教学平台必要性主要有以下几个因素：

1. 航空发动机实际工作原理难以理解。由于空气和发动机内部结构无法看见，学生对发动机的组成及工作原理理解起来非常困难。控制系统运行过程的数字信号，以及控制结果与气动、机械的联系均不可见，学生要了解发动机控制规律中的控制量与被控对象的关系是非常困难的。

2. 实物难以使用。航空发动机体积庞大，零部件众多，装配关系复杂，在讲解发动机构造时无法深入、细致、准确地对学生进行教学，而且新型航空发动机价格高昂，一般高校不具备采购条件，没有足够数量的实物发动机供学生使用学习。

3. 实验成本高。开展航空发动机整机实验所需的基础设施以及相应试车台建设成本高，同时每次发动机试车实验的使用费用和维护成本高昂，难以对大批量学生进行开放教学。

4. 实验风险大。航空发动机试车时转速高、排气温度高，含有航空燃油、高压交流电等危险因素，学生开展航空发动机地面点火试车条件难度大，危险性高。

5. 实验难以实现。航空发动机的控制原理实验需要在专业的实验室才可点火试车，是在校园真实环境中无法开展的教学实验。

6. 实验设备落后于现役航空装备。目前开展发动机相关试车实验的发动机型号主要是退役的一些落后发动机，针对最新型的航空发动机，获取实物非常困难。

综上所述，建设航空发动机控制系统虚拟仿真实验教学平台是学生所需，教学所用，时代必然。

三、航空发动机控制系统虚拟仿真实验教学平台原理及功能

航空发动机控制系统虚拟仿真实验教学平台包括四个模块，航空发动机组成和航空发动机运行工作原理基本情况，航空发动机全权限数字式控制系统组成及原理学习，通过老师演示和学生自主学习，可进行航空发动机控制参数操作，进行航空发动机运转试车。

该虚拟仿真实验教学平台以CFM56大涵道比涡轮风扇发动机为对象，通过三维虚拟仿真方法设计航空发动机主要部件和控制系统软件，构建航空发动机虚拟仿真数字模型和控制器数字模型，当输入航空发动机实际工作的环境条件、飞行条件、调节控制参数变量的数据后，航空发动机仿真模型根据飞行高度、速度、环境温度、燃油量，涡轮前燃气温度、发动机转速、推力、耗油率等各物理参数，传递给电子控制器数字模型，电子控制器按照设定的控制规律计算出执行机构等指令，然后再传递执行结果给发动机数字模型，从而形成发动机控制系统的全数字仿真闭环。

该平台主要功能为：

1. 在知识获取方面，增强学生理解航空发动机控制系统组成和工作原理，熟悉全权限数字电子控制系统零部件组成，了解发动机控制系统的控制规律。理解发动机简单工作原理，如压气机流量特性、燃烧室燃油燃烧、推力的产生和发动机在各飞行剖面的工作特性。

2. 在技能培养方面，增强学生理解涡扇发动机控制所需的环境参数、燃油消耗、推力的计算与各设计变量间的关系，可通过自由设定各种控制参数来改变系统的控制效果。

3. 在未来拓展方面，为学生后续课程的学习打下坚实基础，为学生在未来从事航空发动机控制系统设计、使用、实验等工作提供切身的感性认知和操作体悟。

4. 在教学效果方面，提高学生学习航空发动机控制专业兴趣，加深学生对课程重点、难点内容的理解和掌握。

使用本航空发动机控制系统虚拟仿真教学实验平台后，要求学生掌握以下知识和能力：

1. 深刻理解航空发动机的主要结构组成和基本工作原理，理解大涵道比涡轮风扇发动机控制原理和工作特性。

2. 深刻理解发动机稳态及过渡态的控制，具有对航空发动机运行包括起动、加速、减速、防喘、引气输出等过程的控制规律的参数设计能力。

3. 通过本教学实验，使学生能亲身体验到发动机复杂的工作过程，掌握发动机控制系统设计技术的整体概貌和机理。

4. 使学生养成反思解决问题的习惯，能够让学生对航空发动机控制系统设计及故障诊断与排故等方面的能力得到提升。

在航空发动机控制系统虚拟仿真实验教学平台中，学生通过对仿真软件的操作，完成了对发动机控制试验的原理、操作方法及各种问题处理方法的学习。

四、航空发动机控制系统虚拟仿真实验教学平台实验方法与步骤

（一）实验方法

1. 模型法

本平台通过构建三维模型的方法模拟发动机运行的实验，训练并评价学生在模拟试车台和环境中的操作。本平台拟选择民航CFM56大涵道比涡轮风扇发动机为基础建设，搭建的是以真实发动机为蓝本的完整建模。在第一视角下，学生可以自主学习航空发动机主体结构、控制系统组成、运行原理，通过鼠标可以在实验室进行虚拟现实漫游参观学习及操作，并可对发动机进行360度全方位观察学习。

2. 數字法

本平台通过构建涡扇发动机数字模型，通过输入发动机运行参数计算输出发动机的工作参数变化，反映发动机受外部参数改变而相应产生的真实运行过程;同时也构建了全权限数字电子航空发动机控制系统的数学模型，通过模拟飞行员的操作指令、发动机参数及外界参数，由模型计算后，输出操作各附件执行机构动作，改变发动机模型输入参数，进而控制发动机运转;最终实现发动机控制系统的全数字化仿真。学生可自由设计控制器控制规律的输入参数，仿真验证参数的改变对发动机控制系统的影响。

3. 情景法

本平台可以为学生提供与航空发动机全面交互的虚拟环境。学生在虚拟的环境中，可立体、生动地感知航空发动机结构，自由调整发动机控制规律参数，自主参与航空发动机控制系统试车台实验操作。学生沉浸其中。进行实验时，系统具有步骤提示与纠错功能，允许学生不断“试错”;系统也会对学生的整个操作过程进行记录和评分，可真实反映学生对航空发动机控制系统虚拟仿真實验的理解和掌握程度。

（二）航空发动机虚拟仿真实验教学平台实验主要步骤

步骤1：航空发动机组成结构认知。在软件虚拟场景中选择航空发动机演示，场景切换到CFM56大涵道比涡轮风扇发动机，认知各部件结构，侧面显示部件参数说明，通过鼠标可以对整机和部件进行放大缩小及多角度深入仔细观察。

步骤2：航空发动机控制系统组成认知。在软件发动机场景中选择发动机控制系统演示，通过列表选择电子控制器、燃油、滑油、供气及冷却、起动与点火、排气及反推、操纵及指示等子菜单，虚拟现实场景中，高亮显示相关子附件外观，并配以讲解动画说明附件工作原理，并有窗口显示附件功能说明。

步骤3：航空发动机运行原理演示。虚拟仿真软件通过流线、粒子、色差展示气流在发动机整机和部件内部的流动情况，刻画气流在发动机内部细节，可全视角自由旋转和缩放观察，感性认知航空发动机各部件内复杂流动的气流;并通过界面控件调节可调静子叶片改变流入发动机气流对发动机运行的影响演示。

步骤4：航空发动机控制系统变量参数设计。虚拟仿真软件打开发动机参数设计界面，可依照实验规程，更改发动机运行环境参数和附件控制及响应参数，然后再运行控制器进行控制验证，学生可熟悉发动机各项输入参数对其运行的影响。

步骤5：熟悉航空发动机操作系统。虚拟仿真软件模拟驾驶舱页面，提供直观的模拟油门手柄、发动机参数指示系统，学生可直观辨认及体验操作真实飞机的发动机运转控制过程。

步骤6：航空发动机组成与控制系统工作原理考核。当学生完成航空发动机组装和控制系统原理框图查看与操作后，可以在此步骤进行控制系统学习及设计验证，在离开本模块前完成理论知识点考核，测试结果通过后台记录，作为最终考核成绩的一部分。

步骤7：航空发动机试车参数变量。在软件中熟悉控制系统在虚拟飞机操作面板位置，查看各个软件的功能及操作方法。

步骤8：航空发动机运转试车方案制定，开始实验操作前制定实验方案，选定预先设定实验流程，然后学生任意选定参数，确定方案后进入实验操作。

步骤9：起动发动机，在虚拟飞机操作面板上给发动机控制器上电，通过油门手柄起动发动机到慢车状态，在发动机参数测量系统界面观察发动机主要参数变化，若有异常给出警告，并分析故障原因。

步骤10：航空发动机参数测量，按试车规程进行试车，改变油门手柄角度，推油门至发动机额定状态，稳定运行2分钟;然后收油门至发动机慢车状态，稳定运行2分钟，推油门到最大位置，记录该状态的各项参数。观察发动机参数变化规律，如果异常，暂停实验，进行故障查找和排除。

步骤11：关闭航空发动机实验，将油门手柄收到停车位置，发动机停止转动。实验结束后断电，恢复实验台状态。整理数据，获得航空发动机运转试车数据曲线。

五、结论

据行业分析，航空航天类专业近三年来有大量虚拟仿真实验室立项建设。现在已通过国家鉴定且发布到国家虚拟仿真实验教学项目共享平台上的相关项目有34个，其中有5个与航空发动机相关，讲解航空发动机原理的有2个，并且其都是以老旧小型涡喷发动机为原型，并以发动机装配和试车实验为主。现有航空发动机实验室的功能单一且脱离实际，建设数量较少，无法满足日益增长的学生学习需求。

本平台是以商用CFM56大涵道比涡轮风扇发动机为原型，学生在理解发动机部件组成的基础上，以学习航空发动机控制系统数字仿真为核心，驱动三维模型动画进行原理演示，更适合航空类飞行器动力工程专业教学使用（见表1）。

通过借鉴英国高地与岛屿大学的航空工程专业教育人才培养模式和特色课程建设，构建合理的课程教学体系，注重实践教学与综合化训练课程建设，提出开发有效的航空发动机控制系统课程虚拟仿真实验教学平台建设，将为郑州航空工业管理学院其他学院和相关主管部门提供借鉴和参考。

参考文献：

[1]孟韬.中外合作办学中国外先进教学方法的引进与完善[J].世界教育信息，2012，25（19）：60-62.

[2]陈旭.面向国际竞争的航空航天专业教学改革研究与探索[J].南京航空航天大学学报（社会科学版），2005（1）：72-75+83.

[3]Bordogna，Claudia. How do the Activities of Faculty Members affect Relationships and Partnership Developments in Transnational Higher Education Contexts？ A Study of two Sino British Transnational Higher Education Partnerships[D]. Doctoral thesis，University of Huddersfield，2016.

[4]Wang Chen. An exploration of students'experiences and interpretations of an internationalisation policy implemented in a Chinese university： A case study[D]. Doctoral thesis，University of Durham，2018.

[5]叶飞帆.中英高等工程教育的对比与思考[J].高等工程教育研究，2003（6）：41-46.

[6]张云，赵连泽.中英两国高等教育教学方法的比较与思考——以土木与建筑工程系为例[J].高等理科教育，2005（1）：52-56.