航空发动机控制系统仿真课程的教学

1、 航空发动机控制系统仿真课程的教学改革探索摘 要 本文分析了航空发动机控制系统仿真课程的教学现状，论述了课程教学改革的意义，指出了课程教学改革中面临的挑战，针对这些挑战并依据课程教学内容及其体系结构特点，提出“控制系统仿真”课程教学改革。关键词 航空发动机 控制系统 仿真reform and exploration of teaching forcontrol system simulation of aeroenginepan muxuan(college of energy and power engineering, nanjing university ofaeronautics an

2、d astronautics, nanjing, jiangsu 210016)abstract the current teaching of “control system simulation of aeroengine” is analyzed in the paper. the teaching reform signification is discussed and the challenges facing the reform are pointed out. in response to the challenges and based on the teaching co

3、ntent and its architecture, the teaching reform is proposed.key words aeroengine; control system; simulation0 引言航空发动机控制系统仿真（简称“控制系统仿真”）是一门飞行器动力工程专业本科生的高年级专业课程，主要讲授仿真的基本原理、方法和计算机实现的课程。相较与其他专业的控制系统仿真类课程，航空发动机控制系统仿真课程具有一些显著的特点。首先，该课程学习中需要航空发动机控制元件、航空发动机控制系统、自动控制原理、计算机控制、现代控制理论等诸多课程中的相关内容支撑，因而教学中涉及的知识面广

4、，基础知识多，学习中容易出现知识融会贯通困难等问题。其次，仿真是一门需要实验支持的课程，课题讲授的各种仿真方法需要应用到实例中去才能使学生深入掌握仿真理论和方法的精髓。随着计算机技术的迅猛发展，数字仿真已成为现代仿真理论与技术中的主要组成部分，而课程教学中所采用的传统实验软件在使用效率、人机友好性等方面存在一定的不足，妨碍学生高效、直观的开展实验。这些都增加了课程“教”与“学”的难度。本文中依据近几年教学体会，在分析“控制系统仿真”课程的教学现状的和教学改革的意义基础上，指出“控制系统仿真”课程的教学改革所面临的挑战，针对这些挑战课程教学改革中的难点，依据课程教学内容及其体系结构，提出“控制系

5、统仿真”课程教学改革。1 航空发动机控制系统仿真课程教学现状仿真与归纳和演绎一起被认为是科学研究的第三种方法。1978年，korn在连续系统仿真中定义仿真是“用能代表所研究系统的模型作试验”，简单的说就是用模型进行实验。控制系统仿真是采用能代表所研究控制系统的模型进行试验。不论是在高精尖的航空航天、机器人控制领域，还是一般的工业过程控制中都涉及到控制系统仿真，因此在国内外诸多名校的相关专业中都设立有与系统仿真相关的课程。例如，美国麻省理工大学的机械工程专业开设有“建模与仿真导论”课程，国内的上海交通大学电子信息与电气工程专业设立有“控制系统仿真”课程。南京航空航天大学、北京航空航天大学、西北工

6、业大学的航空发动机动力工程专业航空发动机控制方向也都设立了控制系统仿真相关课程。国外仿真课程的教学中具有两个方面显著特点。首先，课程内容与专业内容结合紧密，课程中含有大量本专业实例及实践环节。这使得学生在学习仿真基本理论和方法后，及时与本专业相关系统相联系，学习并掌握本专业领域中系统仿真的方法，激发学生学习的兴趣和热情。其次，教学软件多样、先进，包括一些成熟的商用软件。这使得学生在实践环节中能够方便、快速、高效的开展仿真实验。随着推进技术的发展，我国发动机控制技术已经从传统的机械液压式控制方式向着先进的数字电子式控制方式发展，并逐渐从电子式监控控制方式过渡到全权限数字电子控制方式（full a

7、uthority digital engine control-fadec）。这对发动机控制系统仿真提出了更高更广的要求。但是，作为航空发动机控制方向的控制系统仿真课程不论从教学方法还是实验内容和手段上都沿用着十几年前的内容。课堂教学的主要内容包括仿真的基本概念、仿真理论和方法。在教学方法上，课程中虽然包含部分实例，但是多数例子与航空发动机控制系统联系不够紧密，而实际上仿真方法所涉及到的许多情况都存在于航空发动机控制系统中。例如，在“典型非线性环境仿真”这一节中，逐一介绍了饱和非线性、死区非线性、死区分段非线性等内容，却未将它们与发动机控制系统相结合。实际上，发动机控制系统中的液压缸、泵、滑阀

8、等控制元件工作过程中存在上述非线性特性。课程中，缺乏这样的点睛之笔将不利于学生更快更好的从专业角度去学习消化教材知识。在实验教学上已初步形成一套实验教学体系，但是一部分实验需要学生在dos环境下用c语言开展仿真研究，而另一部分实验在matlab环境下完成，没有形成一个高集成的实验软件体系。尤其是在dos环境下，人机界面不够友好，限制了学生快速理解掌握实验环境，从而降低了实验的效率及效果。此外，现有的实验体系中没有形成一套完整的实验指导书，学生仍然只是按照教材附录中的内容开展实验，这也破坏了课程实验教学体系的完整性，影响了实验效果。2 控制系统仿真课程教学改革意义现代控制系统数字仿真是在建立系统

9、数学模型的基础上，在数字计算机上开展实验研究的过程。在航空发动机控制系统研制过程中，控制系统方案确定后，首先必须进行全数字仿真，然后逐步开展实物在回路仿真、半物理仿真及台架试车等。因此，发动机控制系统研制中多个阶段都涉及到仿真，它在其研制中占有重要地位。鉴于仿真技术在航空发动机控制系统研制中的重要性，针对飞行器动力工程专业航空发动机控制方向的高年级本科生设立了控制系统仿真这一专业选修课程，其教学主要由课堂教学和实验教学两个部分组成，课堂教学中以讲授仿真的基本原理、算法和计算机实现为主，实验教学配合课堂教学内容开展一系列的仿真实验。在过去几十年中，计算机技术迅猛发展，与其密切相关的控制系统仿真课

10、程教学也面临着改革，需要不断改进教学方法，完善丰富教学内容，以适应科技的发展、社会的发展，人才培养的发展。通过开展控制系统仿真课程教学方法的探索与改革，将理论知识与专业特点相结合，使学生在掌握仿真基本理论和方法的基础上，对于航空发动机控制系统仿真有着更为深入的了解，初步掌握发动机控制系统仿真的原理和方法。通过建立一套高集成度的实验教学软件，使学生能将课堂教学中的各种仿真方法方便快捷的开展仿真实验研究，在提高实验效率的同时充分激发了学生做实验的积极性，培养和锻炼了学生的综合能力。通过课堂教学和实验教学的改革，来深化学生对于航空发动机控制系统仿真的认识，使学生初步具备发动机简化控制系统数字仿真的能

11、力、自行设计仿真程序并开展仿真实验的能力，从而提高学生仿真实验中的动手实践能力。3 控制系统仿真课程教学改革的挑战通过控制系统仿真课程教学现状的分析可知，课程改革中面临的主要挑战有教学方法上的创新、激发学生的学习兴趣和实验环节的提升。控制系统仿真课程所授内容丰富，既包含了大量的基本概念，又包含了大量的理论和方法。如何通过教学方法的创新，将基本概念讲透，使学生透彻理解仿真理论和方法的本质，并将仿真方法应用到实际对象，即发动机控制系统及其元件的仿真中，是课程教学改革面临的首要挑战。“教”和“学”是学生的学习中的“外因”和“内因”。如果说通过教学方法的创新是通过 “外因”这一途径来提高教学质量，那么

12、激发学生的学习兴趣是期望通过“内因”来提高教学质量。学生个体不同，知识的准备程度也就有差异，如何通过教学内容的创新、教学方法的改进、教学手段的提升，针对不同学生做到因材施教是激发学生学习兴趣所面临的永恒挑战。实验教学是控制系统仿真课程教学的不可或缺的组成部分。如何有针对性的依据教学内容设计实验教学内容，如何使学生在友好、易操作的实验软件下开展仿真程序的二次开发，提高实验成效是课程教学改革中面临的又一挑战。4 控制系统仿真课程教学改革控制系统仿真课程教学改革采用从整体到部分的思路，首先从课程教学内容整体角度出发开展课程体系结构的教学改革探索，其次从教学内容、多媒体课件开发、实验软件开发、实验指导

13、书等多个方面开展课程教学、实验的改革探索。航空发动机控制系统仿真课程主要包含基本概念、数值积分法、连续系统离散化仿真方法、采样控制系统仿真方法、控制系统优化技术及常用仿真软件等内容。这些内容看似松散，实际具有内在的逻辑联系。将航空发动机控制系统仿真看作一棵大树的话，上述数值积分法、连续系统离散化仿真方法、采样控制系统仿真方法、控制系统优化技术可以看作是大树的主要枝干，是实现系统仿真的主要方法，如图1所示。而每一种方法里面都包含多个具体方法，如数值积分法中包含龙格-库塔法、亚当姆斯方法和吉尔方法，如图2所示。因而课程改革中首先要建立课程体系结构，使得学生从整体上把握课程所学理论和方法。采用形象、

14、直观方法来描述课程的知识体系结构，将有助于学生从整体上把握所需学习的知识体系。进而在学生进行各种具体仿真方法的学习中能够帮助他们理解、掌握其理论实质，有助于学生正确把握该方法的应用方向。图1 航空发动机控制系统仿真课程知识结构图2 数值积分法教学内容教学内容改革研究是课程教学改革的重点内容，应针对国内外最新教学内容和前沿研究方向跟踪和分析。结合本专业特点，对控制系统仿真的教学内容和教学体系进行综合分析研究，紧密结合航空发动机控制系统这一对象，对教学内容进行更新，编写新的课程教学教案。例如在数值积分法中欧拉法的讲授中，可以考虑结合发动机控制系统中“液压缸”这一元件，如图3所示，图中在建立液压缸的

15、数学模型基础上，采用欧拉法对其进行性能仿真。当然，将仿真方法与发动机控制系统具体对象如何恰当、有效的结合是教学内容改革中重点要研究的内容。电子课件的开发也是课程教学改革一项必要内容。现代教学方法的引进使得电子教学日益变得重要，它已经成为当今主要的辅助教学手段。在现有电子课件的基础上，如何最大程度的发挥多媒体教学方法的教学效果和质量，需要认真研究和探讨，本课题将结合教学内容的改革进一步完善并丰富课程教学电子课件。图3 双作用液压缸工作原理实验软件开发是课程教学改革的一个亮点。原有实验软件既包含c语言又包含matlab软件，尤其是c语言不利于学生快速便捷的开展仿真实验。本课题将摒弃原有松散的实验软件，鉴于matlab强大的计算功能，友好的用户界面，基于matlab软件开发控制系统仿真专用实验教学软件，使学生在一个集中软件系统中快捷高效的完成仿真实验，并能获得实验结果的直观认识，开展控制系统性能分析。针对改革后的教学内容和新开发的实验软件，对实验指导书的修改与编写，以适应新的教学内容和实验软件。5 结束语作为飞行器动力工程专业本科生高年级的专业课程，航空发动机控制系统仿真课程内容既有大量新理论、新方法由涉及大量前续知识的深入和扩展，通过分析课程特点及本专业特点，将课程内容