飞机仪表实训平台的研制与应用.pdf
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1、长沙航空职业技术学院学报JOURNAL OF CHANGSHA AERONAUTICAL VOCATIONAL AND TECHNICAL COLLEGE第 23 卷第 2 期2023 年 6 月Vol.23 No.2Jun.2023-38-收稿日期:2022-12-19基金项目:本文为 2021 年湖南省科技厅自然科学基金科教联合项目“飞机仪表模拟平台的研究与开发”(编号:2021JJ60083)阶段性研究成果。作者简介:胡霞(1990),女,湖南娄底人,讲师,工学硕士,研究方向为电子技术与应用、高等职业教育。DOI:10.13829/ki.issn.1671-9654.2023.02.00
2、9飞机仪表实训平台的研制与应用胡霞,黄荻,谢佳君(长沙航空职业技术学院,湖南长沙4 1 0 1 2 4)摘要:为解决飞机仪表实训教学的“三高”“三难”问题,研制了飞机仪表实训平台。它可实现飞机三大类仪表作业环境的高度还原仿真、仪表系统的工作过程演示与故障模拟。针对不同教学需求设计了认知验证、技能实践、应用创新 3 个层次的实训流程,并将其应用于实训教学与技能竞赛,取得了良好效果,为机务维修人才的技能培养提供了有力支撑。关键词:大气数据仪表;航向姿态仪表;发动机仪表;实训教学中图分类号:V241文献标识码:A文章编号:1671-9654(2023)02-0038-05Development an
3、d Application of Aircraft Instrument Practical Training PlatformHU Xia,HUANG Di,XIE Jia-jun(Changsha Aeronautical Vocational and Technical College,Changsha Hunan 410124)Abstract:In order to solve the“three highs”and“three difficults”problems in aircraft instrument practical teaching,an aircraft inst
4、rument training platform is developed,which can realize the high restoration simulation of three types of aircraft instrument operating environment,and the demonstration of the working process and fault simulation of the instrument system.According to different teaching needs,the experimental proces
5、s of cognitive verification,skill practice and application innovation at three levels are designed and applied to practical teaching and skill competition,which has achieved good results and provided strong support for skill training of maintenance personnel.Key words:atmospheric data instruments;he
6、ading and attitude instruments;engine instruments;practical teaching依托国内航空运输需求的持续增长,我国航空维修业一直保持快速增长态势。当前,我国航空维修业的技术研发与创新能力逐步提高,配套硬件设施体系得到优化,但仍面临着人才培养的巨大挑战。因此,亟须提升航空机务维修人才培养质量,进一步提高航空维修产业链的核心竞争力。飞机仪表技术与应用是航空院校机务类专业的专业核心课程,侧重培养学生飞机仪表的性能测试、电路检测、故障诊断与排除等基本技能。受制于航空维修企业严格的维修风险管理体系,校内实训教学成为学生技能培养的主要途径。部分院校
7、采用退役飞机进行实装教学,临场效果很好,但试车成本、风险和技术要求极高,且学员拆装过程中的重复操作或操作不当也会导致航材件进一步损坏,存在高投入、高损耗和高风险的“三高”痛点,退役飞机也难以承受长时间大规模的仪表实训教学。因此,部分院校采用陈列式静态-39-胡霞,等:飞机仪表实训平台的研制与应用第 2 期观摩教学,但不能通电试验,无法模拟飞机真实工作环境,只能进行简单的认知训练,出现了仪表拆装难实施、仪表内部结构和仪表系统关联性难观摩、仪表系统故障难再现的“三难”问题。随着虚拟仪器(Virtual Instrument,VI)技术的日益成熟,基于 VI 技术的飞机仪表虚拟实验系统1、飞机仪表显
8、示系统虚拟维修平台2、飞机发动机仪表排故实验平台3、飞机航向姿态仪表实训系统4,5、飞行数据指示训练系统6等相继出现并应用于教学实践。这在一定程度上缓解了飞机仪表教学的“三高”“三难”问题。然而,上述研究成果或为纯虚拟系统,缺乏真实感,不适合知识体系尚在初步构建阶段的高职学生;或只能进行某类仪表的测试与排故训练,教学内容覆盖面窄;或只能演示飞行过程中仪表的变化,教学内容深度不够。飞机仪表实训平台(以下简称“实训平台”)的开发旨在实现飞机三大类仪表作业环境的高度还原仿真、仪表系统的工作过程演示与故障模拟,满足性能测试、系统排故等教学需求,为机务维修人才培养提供有力支撑。1 实训平台的结构和功能实
9、训平台由控制管理子系统、控制子系统和实物仿真子系统构成,如图 1。1.1 平台结构控制管理子系统由模拟装置控制模块、数据管理模块和虚拟仪表模块组成,具体包括控制主机、上位机控制软件、虚拟仪表软件、发动机工况数据库、大气参数数据库、航向姿态数据库和液晶显示屏等。控制子系统采用单片机为控制器,具体包括信号控制模块、信号调理模块、功率放大模块、输入输出控制模块和电源模块等。实物仿真子系统由大气数据模拟装置、发动机模拟装置、航向姿态模拟装置和真实仪表组成,具体包括全静压气源、控制阀、全静压管道、空气流道、发动机组件、传感器组件、三轴转台、转台控制组件、陀螺传感组件等。1.2 平台功能控制管理子系统可实
10、现模拟装置工作参数的设置、虚拟仪表的实时交互、仿真飞行轨迹的图形化显示、仿真数据管理等功能。控制子系统可实现控制管理子系统与实物仿真子系统之间的数据通信,通过通信协议传输控制命令。实物仿真子系统可实现模拟装置的实时控制、仪表系统工作过程的逼真演示、仪表系统电路或气路的故障模拟、外部仪表的检测等功能。2 实训平台的关键技术2.1 基于 P I D的压力闭环控制技术空速表/马赫数表、高度表、升降速度表等大气数据仪表指示的准确性,主要取决于大气数据模拟装置输出的全压、静压气源的精确性和稳定性。因此,将位置式 PID 控制算法引入大气数据模拟装置的压力控制中,实现对全压与静压的实时闭环控制。压力控制原
11、理如图 2 所示。图 2 PID 压力控制原理图r(k)为设定的目标压力值,y(k)为输出的实际压力值。位置式 PID 控制算法的数学表达式为I式中,T 为采样周期,T1为积分时间,TD为微分时间,k 为采样序列号,kp为控制系统的图 1 平台结构图-40-长沙航空职业技术学院学报第 23 卷比例系数。压力传感器将实际压力值 y(k)反馈至输入端,与输入信号 r(k)共同影响 PID 控制器的净输入 e(k),控制器根据第(k-1)、第 k 时刻的偏差信号计算出第 k 次采样之后所输出的控制变量 u(k),构成闭环负反馈,实现输出压力的自动调节。D/A 转换器则将 PID 控制器输出的数字信号
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