实时仿真，全工况覆盖：航改燃气轮机控制系统通用实时仿真平台的设计与集成验证|仿真平台|全工况|可靠性|控制器|燃机|燃气轮机|航改

针对航改燃气轮机控制系统多场景、全工况验证需求，提出了一种基于模块化架构的实时仿真平台设计方法。该平台构建了可扩展的异构模型集成框架，通过动态链接库封装与S-function形式完成关键模型集成，依托标准化数据接口模块实现异构模型协同运行与数据一致性保障，有效解决了子模块数据孤岛问题。平台设计了基于状态机的控制逻辑动态重构机制，集成17种工作状态的逻辑切换与控制算法，覆盖冷运转、起停、工况调节等复杂工况，并开发了以数显与曲线双模式展示的多模态人机交互系统。在航改燃机典型测试场景中，平台展现了优异的性能：加减载工况下动力涡轮转速波动不大于3.4%，稳态误差不大于0.06%，燃油流量跟踪误差不大于2.3%，导叶角度跟踪误差不大于0.12°，平台响应时间不大于20 ms。故障注入测试验证了平台容错与保护逻辑的有效性。该平台为航改燃机控制系统设计提供了标准化、可扩展的仿真支撑。

第一章、航空发动机控制系统仿真技术发展概述

1.1 航空发动机控制系统仿真平台的发展进程

航空发动机控制系统仿真技术经历了从简单数字仿真到复杂联合仿真的演进历程。早期仿真平台以单一部件或单一学科的数字计算为主，受限于计算能力和建模方法，难以支撑全系统级的动态特性分析。随着数字孪生、工业互联网平台等新一代信息技术的快速发展，发动机控制系统仿真平台正朝着模块化、标准化和智能化方向演进。美国航空航天局等机构高度重视发动机控制系统设计与分析的仿真平台开发，旨在提升控制系统研发的效率与精度。以美国的商用模块化航空推进系统仿真平台和燃气轮机系统数值仿真平台为例，通过模块化架构实现了发动机气动热力模型、控制系统模型与故障模拟模块的灵活组合，支持从部件级到系统级的多层级仿真验证，具备直观的图形用户界面，并支持对各类控制工具箱的调用，因而被作为美国境内的通用设计平台。

NPSS作为NASA Glenn研究中心于20世纪90年代开发的软件环境，其设计初衷是创建一个“数值试验台”，使工程师能够在硬件制造之前将设计推进到更接近最终配置的状态。NPSS采用面向对象的架构，允许工程师以“即插即用”的方式数值组装由不同维度部件代码构成的推进系统，实现多学科耦合分析。2026年发布的NPSS 3.3版本进一步增强了功能，新增了电气端口支持混合涡轮电动推进系统的建模，并集成了功能模拟接口行业标准，使得NPSS创建的性能模型可以与外部发动机控制模型进行联合仿真。该版本还引入了外部函数接口，允许用户集成特定的外部函数以增强建模精度。C-MAPSS则聚焦于商用大涵道比涡扇发动机的高保真动态仿真，模拟9万磅推力级发动机在从海平面到4万英尺高度范围内的运行特性，其数据集已被广泛应用于剩余使用寿命预测和健康管理研究。

中国在发动机数值仿真系统方面的研究也取得了显著进展，涵盖了发动机总体性能的数值计算与仿真分析，以及数控系统硬件在环仿真平台的构建与应用。中国科学院工程热物理研究所等机构在航机/燃机控制系统的设计与研发、硬件在环仿真测试平台搭建等方面开展了系统研究，完成了某重型燃气轮机硬件在环仿真测试平台的搭建及相关关键技术研究。

1.2 全权限数字发动机控制技术研究进展

全权限数字发动机控制系统是发动机控制领域的核心技术体系。国外FADEC系统普遍采用模块化架构，技术体系已趋于完善。基于模型的开发方法在FADEC软件研发中得到广泛应用，具有图形化设计、自动代码生成和早期仿真验证等优点，可在软件项目早期发现并封闭设计缺陷。中国航发动控所创新团队在基于模型的系统工程方法论指导下，开展了FADEC系统的多学科联合仿真建模研究，实现故障模式对系统功能、性能影响的定量和动态化分析，显著提高了复杂系统安全性评估的准确性和效率。在FADEC软件开发方面，SCADE环境提供了满足DO-330工具鉴定等级要求的开发与验证工具集，通过模型测试、模型覆盖率分析和软件硬件集成测试验证了开发结果的正确性。

然而，FADEC系统安全性评估仍面临挑战。传统的人工安全性评估流程依赖非形式设计模型和需求文件进行故障树分析等方法，分析结果很大程度上受限于人员的专业领域和认知水平，难以准确评估最小设计单元失效对系统行为的影响。时间限制派遣分析在多重故障场景下，传统蒙特卡洛方法难以满足复杂工况需求。

1.3 仿真平台技术瓶颈与挑战

中国在发动机数控系统领域历经20余年探索，虽已初步掌握系统设计与仿真方法，但早期针对发动机构建的仿真与试验系统存在显著局限性，系统间资源共享率较低，现有仿真平台存在两大技术瓶颈。

其一，模型库构建缺乏统一的标准化接口规范。不同仿真环节（全数字仿真、硬件在环仿真、半物理仿真）间的数据格式不兼容，模型迁移需耗费大量人工重构成本。航空发动机FADEC系统涉及电子、液压、软件和传感器等多领域，各部件均使用各自领域的专业建模工具，发动机模型采用部件级建模方法，电子控制器模型一般采用Saber系统仿真软件建立，控制软件模型采用Simulink等图形化建模方法，液压模型则常用AMESim软件进行结构化建模。多源异构模型的数据互联和仿真协同调度成为关键技术难题。

其二，仿真资源池尚未实现模块化封装。针对新产品开发时需重复构建基础模型，与国际主流的“模型即服务”理念存在明显差距。FMI标准定义了一种联合仿真的通用接口规范，基于该规范建立的模型组件被称为功能模拟单元，可以有效扩展模型的交互性和通用性。然而，国内仿真平台在标准化接口应用方面仍存在差距。

上述技术短板直接导致FADEC系统仿真结果在设计迭代中的继承性不足，控制策略验证周期延长30%以上。燃气轮机实际试车成本高、风险大，因此在控制系统正式装机前，需通过数字仿真、硬件在环仿真以及半物理仿真三个核心环节进行验证。开发一套面向实时仿真的航改燃气轮机控制系统通用仿真平台，实现异构模型的高效集成与协同运行，具有重要的工程价值。

第二章、控制系统通用仿真平台总体架构设计

2.1 平台主要功能

控制系统通用仿真平台能够模拟控制器接收上位操作界面发出的各种控制指令，采集航改燃气轮机及其辅助系统的运行状态信号和测量参数，由控制软件进行逻辑运算和控制运算，生成各种控制指令，实现对燃气轮机及其辅助系统执行机构的精准控制，并生成各种监测信号提供给上位监控系统。平台具备以下六项核心功能：

（1）支持航改燃机伺服子系统的仿真试验，验证执行机构控制回路的动态性能；

（2）支持航改燃机大闭环控制系统全工况仿真试验，覆盖从起动到加载的完整运行包线；

（3）配备可视化数据展示与人机交互界面，便于操作人员实时监控仿真进程；

（4）具备故障模拟功能，可用于系统可靠性与容错能力测试；

（5）提供开放式的接口设计，便于系统功能扩展与集成；

（6）可实现对不同型号燃气轮机的快速适配，支持C/C++等多语言开发的燃机模型集成，可将自定义代码编译为动态链接库或封装为S-Function直接在平台集成。平台提供标准化信号接口与参数映射机制，确保外部模块与核心仿真组件的数据交互兼容性。

2.2 模块化设计思想

控制系统通用仿真平台总体架构采用模块化设计思想，包含用户操作模块、任务调度模块、控制模块和数据接口模块四大核心组件。各模块之间通过标准化接口进行数据交互，形成松耦合的系统架构。

用户操作模块实现仿真数据展示、环境与控制参数设置及故障注入；任务调度模块根据用户指令生成控制器指令并协调任务流程；控制模块完成燃油、导叶等控制量计算，并基于故障数据库实现故障模拟；数据接口模块与不同形式的航改燃机模型进行数据交换，同时作为与燃油系统模型联合仿真的数据接口，能够实现多模型之间的协同仿真与数据交互。

模块化架构的核心优势在于：各模块可独立开发、测试与升级，模块间通过标准化接口进行通信，降低了系统的耦合度；当需要适配新型号燃气轮机时，仅需替换相应的燃机模型模块，无需修改控制逻辑与数据接口；新增功能模块可通过标准接口快速接入平台，支持系统功能的渐进式扩展。平台采用串行控制方式执行燃机控制任务，每个周期依次完成初始化、数据处理、状态判断与控制动作执行，完成后进入下一周期循环，仿真步长为20 ms，与控制用模型和实际控制器采样周期保持同步。

第三章、航改燃机模型模块仿真平台各功能模块设计

3.1 航改燃机模型模块设计

航改燃机模型模块是仿真平台的核心动力特性模块。根据航改燃机部件特性、功率提取、引气等特性，采用成熟的迭代法建立慢车以上部件级数学模型。基于燃气轮机起动数据建立燃气轮机起动模型，并将起动模型与慢车以上部件级模型进行联调，建立用于全工况的燃气轮机数学模型。

在模型精度优化方面，通过分析模型精度和实时性的影响因素，根据试验数据从工质特性、部件特性等多方面进行优化，形成满足控制系统集成仿真的全工况燃气轮机实时动态数学模型。模型需同时满足后续半物理试验中对实时性和模块化部署的需求，因此以动态链接库形式在仿真平台中快速集成与调用，采用C语言显示调用，然后采用C-Mex的方式封装为S-function模块。这种双层封装策略兼顾了模型的独立性和平台兼容性，DLL形式便于模型的独立更新与版本管理，S-function封装则实现了与Simulink环境的无缝集成。

3.2 燃油系统模型模块设计

燃油系统是燃气轮机控制系统的关键执行环节。针对典型燃机的燃油供油流路形式，结合燃油附件工作原理及试验数据，搭建燃油系统附件模型，包括燃油控制部分以及导叶作动机构控制部分。将燃油附件数学模型根据输入输出关系连接起来，并在计量活门与电液伺服之间加入PID控制，得到燃油系统实时数学模型。

在联合仿真方面，燃油系统模型通过FMI标准可以与航改燃机模型实现协同仿真。航空发动机模型基于Matlab/Simulink平台，数控燃油计量装置模型基于AMESim平台，采用Simulink作为主控程序，通过FMI标准导入AMESim建立的燃油计量装置模型实现联合仿真。燃油系统模型的输入为控制软件输出的燃油指令与导叶角度，输出为计量活门位移与实际燃油流量，通信周期为20 ms/次，确保燃油系统控制的实时性与准确性。

3.3 控制软件模型模块设计

控制软件模型是仿真平台的逻辑控制核心。基于燃机工作原理与实际需求，构建起动联锁、冷运转、假起动、工况调节等模块模型，采用状态机控制方法实现状态调度。研究起动控制、稳态控制、加减速控制、导叶控制等规律，设计控制器实现燃油开环/闭环控制，并集成限制保护、故障处置、告警等功能。

为实现燃机不同状态的控制，控制软件按照状态流的方式进行任务调度。根据获取的指令和数据，调用任务调度模块进行状态判断，当满足不同工作条件时，切换为特定的工作状态。主要设计的状态包括假开车、冷运转、开环起动、闭环起动、慢车、暖机、加载、工况调节等工作状态，在指定工作状态下运行该状态对应的控制逻辑和控制算法。状态机控制方法的优势在于状态划分明确、逻辑清晰、便于扩展，新增工作状态仅需增加对应的状态处理函数和控制函数，不影响已有状态的逻辑。

3.4 用户操作模块设计

3.4.1 模块功能设计

用户操作模块是控制系统集成仿真平台与使用者交互的核心入口，承担仿真任务配置、实时数据监控、故障注入操作及仿真结果管理四大核心职能，通过可视化界面与模块化功能设计，实现“操作-监控-分析”全流程闭环。

仿真任务配置功能允许用户自定义燃机仿真场景参数，涵盖基础环境（如进口温度、压力）、目标工况（如动力涡轮转速设定值、负载功率）及仿真运行参数（步长、总时长），并支持场景模板的保存与调用，实现开环起动、加减载等典型测试场景的快速复用。

实时数据监控功能通过“数显框+曲线图表”双模式，动态展示燃机核心状态参数（转速、温度、压力）、控制输出量（燃油流量、导叶角度）、22类故障状态（如抱轴、点火失败等）及17种工作状态（如停车、开环/闭环起动），全面支撑仿真过程可视化与高效调试。

故障注入操作功能提供可视化故障注入界面，支持用户从本地故障数据库中选择预设故障模式（如传感器偏差、执行机构卡滞等），或自定义故障参数（如偏差幅度、生效阈值、注入时机）。

仿真结果管理功能支持仿真数据的实时存储、离线查看与导出。仿真过程中，自动将关键参数按“时间戳-参数名-数值”格式存储至本地日志文件。

3.4.2 模块界面设计

用户操作模块界面将软件主界面划分为11个区域，采用“多标签页+模块化布局”设计。区域1~3用于显示燃机转速、温度、压力、燃油流量、导叶角度等实时仿真结果；区域4在手动注入故障或仿真模拟出燃机故障状态时，对应的LED亮起指示故障；区域5在仿真过程中有故障状态产生时，在表中记录故障发生时间、故障类型、故障名称；区域6用于指示燃机转速及燃油流量的实时仿真结果；区域7为燃机工作状态指示区域；区域8可设定燃气轮机工作模式，同一时间只能一个工作模式有效；区域9实现故障注入，模拟控制系统及燃机可能出现的故障场景；区域10用于自定义燃机仿真场景参数；区域11实现仿真的开始与暂停。界面布局通过网格布局管理器实现自适应调整，可适配不同分辨率的显示器。

3.4.3 模块技术实现

用户操作模块基于商业软件开发，采用App Designer“组件化”开发模式，将仪表盘、曲线图表、参数输入框等界面元素封装为独立组件，支持组件复用与后期扩展。通过“回调函数+数据接口调用”实现与后台模块的交互。

在数据交互机制方面，通过调用数据接口模块的应用程序编程接口函数，实现与后台模块的数据传输。用户在任务配置界面输入参数后，触发回调函数，将参数打包为结构体通过WriteSimConfig函数写入控制软件模型的全局数据区；通过定时回调函数调用ReadRealTimeData函数，从燃机模型、控制软件模型中读取燃气涡轮转速、动力涡轮转速、燃油流量等参数，并更新界面仪表盘与曲线图表。

在故障注入控制方面，选择故障模式后，点击“注入”按钮触发InjectFault函数，将故障ID、偏差值等参数发送至数据接口模块，由数据接口模块写入本地故障数据库并同步至控制软件模型。

3.5 任务调度模块设计

任务调度模块是仿真平台的协调调度中枢。根据用户指令生成控制器指令并协调任务流程，按照状态流方式进行任务调度。模块根据获取的指令和数据，进行状态判断，当满足不同工作条件时，切换为特定的工作状态。

主要设计的工作状态包括：假开车、冷运转、开环起动、闭环起动、慢车、暖机、加载、工况调节等，共集成17种工作状态的逻辑切换与控制算法，覆盖冷运转、起停、工况调节等复杂工况。任务调度模块采用状态机控制方法，通过状态处理函数与控制函数的调用，实现复杂工况下的控制逻辑切换与执行。每个仿真周期中，任务调度模块依据当前工作状态和输入条件，确定下一周期的工作状态和控制策略，保障燃机稳定运行。

3.6 数据接口模块设计

3.6.1 模块功能设计

数据接口模块作为控制系统通用仿真平台的核心枢纽，实现航改燃机模型、控制软件模型、燃油附件模型与本地故障数据库间的实时数据交互、解析与存储，承担数据中转与本地适配双重职能，具备低延迟、高可靠性与数据一致性特征。通过四类核心功能打破子模块数据孤岛：

（1）模块间数据交互：实现航改燃机模型（DLL）、控制软件模型（S-function）、燃油附件模型（S-function）的参数实时传递，包括转速、温度、燃油指令等。

（2）故障数据交互：与本地故障数据库（.dat文件）双向通信，在故障数据注入模块后添加零阶保持器，确保1 s更新的故障数据在20 ms周期内保持恒定，避免高频模块因数据未更新而异常。

（3）数据格式转换：处理不同模块间的数据格式差异，统一异构模块数据格式，将模型的信号数据（浮点型）转换为.dat文件可存储的二进制数据格式。

（4）缓存与同步：通过内存缓存区避免数据丢失，为不同速率模块配置FIFO缓冲区，当1 s故障数据更新时，系统自动将新数据传递至高频模块的缓冲区，确保20 ms周期模块读取最新数据，同时通过时钟同步机制，确保各模块基于统一的时间戳进行数据读写，保障仿真时序一致性与本地数据存储的时间关联性。

3.6.2 模块架构设计

数据接口模块采用分层式架构，分为应用层、协议适配层、驱动层，实现职责分离、低耦合设计，支持灵活扩展与稳定的数据交互。

应用层面向业务需求，定义场景化数据处理流程（如故障注入、状态同步、数据备份），调用协议适配层接口完成数据交互。协议适配层封装DLL调用、文件读写等协议细节，提供统一API，屏蔽底层差异，供应用层调用。驱动层提供底层驱动支持，保障协议接口对底层资源的稳定调用。

这种三层架构的设计优势在于：当需要适配新型号的燃机模型时，仅需修改协议适配层的对应接口，无需改动上层应用逻辑和底层驱动；当需要接入新的操作系统或硬件平台时，仅需更新驱动层实现，保证了平台的跨平台可移植性。

3.6.3 接口类型与技术实现

根据对接对象的不同，数据接口模块分为“内部模块接口”和“本地故障数据接口”两类，各类接口的技术实现方式主要包括四部分：

（1）航改燃机模型接口实现。通过C-Mex函数调用方式加载燃机模型DLL文件，在控制软件模型中定义函数指针并调用DLL中的核心函数，实现控制指令的输入与燃机状态参数的输出。该接口通过dll模型加载函数LoadLibraryA和dll模型调用函数GetProcAddress实现模型的动态加载与函数调用，并将输出结果存入全局数据结构体，供控制软件模型使用，通信周期为20 ms/次。

（2）控制软件模型接口实现。采用信号总线技术，实现控制软件模型与燃机模型、本地故障数据模块之间的数据交互。输入包括燃机状态参数和故障数据，输出为控制指令。该接口通过模型内部信号总线进行数据同步，通信周期为20 ms/次，支持模块间高效的数据传递与控制逻辑实现。

（3）燃油附件模型接口实现。通过直接连接与数据总线封装技术，实现燃油附件模型与控制软件模型之间的数据交互。输入为控制软件输出的燃油指令与导叶角度，输出为计量活门位移与实际燃油流量。通信周期为20 ms/次，确保燃油系统控制的实时性与准确性。

（4）本地故障数据接口实现。采用C语言二进制文件I/O（fopen/fread/fwrite）方式，实现与本地故障数据库（.dat文件）的数据交互。该接口支持故障数据的持久化存储与闭环管理，通信周期为1 s/次，确保故障注入过程的可追溯性与数据一致性。

第四章、控制系统通用仿真平台集成化设计及测试验证

4.1 控制系统通用仿真平台集成

基于航改燃机模型、燃油系统模型、控制软件模型、任务调度模块及数据交互模块的集成，构建了控制系统通用集成仿真平台。平台采用高保真建模与联合仿真技术，支持控制系统功能验证、性能优化及故障诊断，具备高精度、实时性强和可扩展性等特点。

平台为实现燃机的不同控制功能，采用串行控制方式执行燃机控制任务，实现各子系统的协同仿真。航改燃机模型提供燃机核心动力特性，燃油系统模型实现燃料供应与调节的动态响应，控制软件模型完成逻辑控制与算法执行。每个周期依次完成初始化、数据处理、状态判断与控制动作执行，完成后进入下一周期循环。硬件在环仿真系统采用模块化设计，主要包括发动机被控对象模型、控制系统平台和用户界面三大组件，各子系统间的接口定义与实际航空发动机应用中的接口密切相关。

4.2 平台响应测试

通过响应测试验证平台对输入指令、参数变化及外部事件的响应速度和准确性。以航改燃机闭环起动过程为例，打开平台交互界面后，设定起动模式并触发指令，软件在20 ms内自动完成起动状态检查并进入“闭环起动状态”。随后通过实时仿真引擎以20 ms步长进行动态计算，该步长与控制用模型、实际控制器采样周期同步。

在仿真进程推进过程中，平台通过起动模型精确复现了真实燃机的起动时序。随着仿真进程推进，平台在50 s内完成从起动到地慢和加载状态的过渡，期间实时监测燃油流量、排气温度等关键参数，直至转速满足要求，且数控系统连续确认125 ms后，进入工况调节。该测试充分验证了平台在保持高保真度的同时，能够实现与物理系统同步的实时仿真能力，为控制律设计提供了与真实工况高度匹配的验证环境。通过仿真平台闭环起动到慢车测试图与起动到工况调节测试图分析可见，控制系统通用仿真平台各模块之间通信顺畅，协同工作正常，系统整体运行稳定可靠。

4.3 航改燃机加减载仿真测试

在加减载仿真试验中，设定加载状态时动力涡轮转速，通过闭环起动的方式使燃机工作状态到达工况调节状态。在200 s时开始增加负载扭矩。加减载试验中动力涡轮转速给定和反馈仿真曲线表明，在加减载仿真中动力涡轮转速波动不大于3.4%，转速稳态误差不大于0.06%。

在加减载试验中，燃油流量跟踪误差不大于2.3%，导叶角度跟踪误差不大于0.12°（以导叶角度a0仿真为例）。分析燃油流量仿真结果及误差、导叶角度仿真结果及误差图可见，在不同负载情况下，控制模型可实现对航改燃机模型及燃油系统模型的稳定工作。

4.4 故障注入与诊断测试

4.4.1 起动故障诊断测试

在起动时对系统关键故障进行检测，通过在起动阶段手动注入故障参数来模拟故障。以滑油压力低故障为例，在起动阶段，按下滑油压力故障注入使能按钮，然后输入故障数据。控制系统根据判定条件，判定为滑油压力低故障。该故障为终止起动项目，因此在判定、指示、记录故障后，进行了终止起动停车过程。

4.4.2 其它类型故障检测

该模块主要针对燃机的Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级故障进行检测，并输出相应的告警信号，通过手动注入故障参数来模拟故障。以动力涡轮出口总温Ⅱ级、Ⅲ级报警为例，在工况调节状态下，根据故障判定条件手动注入相应的T6参数来模拟故障。在Ⅱ级故障发生时，除指示故障外，自动进行降慢车操作。在Ⅲ级故障发生时，除指示故障外，自动进行强制停车操作。

由仿真结果可得，该控制系统仿真平台具备故障注入与诊断功能，通过在不同运行阶段手动注入故障参数，模拟各类故障情况，实现对燃气轮机关键故障的检测与响应，具有工程适用性。燃气轮机容错控制故障模拟系统的试验验证表明，故障模拟系统可模拟包括短路、断路、跳变、周期性干扰等多种故障模式。