HIL测试在航空发动机控制器开发中的应用

当前在轻型低速飞机动力系统选型上，小功率活塞式发动机仍占据主导地位。传统的活塞式航空发动机多为化油器式汽油机，这种采用化油器实现油气混合的发动机有着诸多天然的缺陷：无法适应温度和高度变化自适应调节混合气，启动操作复杂且启动可靠性无法保证，飞行过程中混合气调节操作复杂等。

随着发动机及其控制技术的发展，新型电控活塞式航空发动机开始在市场上崭露头脚。电控航空发动机最大的优势是可以根据工况变化和环境变化精确控制喷油量，从而实现在各种工况与环境条件下最佳的油气混合，保证发动机综合性能最佳，进而还可以简化飞行过程中驾驶操作，缓解飞行员疲劳，提高飞行安全性。

相比传统的化油器式发动机，电控发动机的核心在于电控系统，电控系统的安全性和可靠性直接决定着整个动力系统的安全性与可靠性。而在整个电控系统中占据核心地位的是控制器，控制器是软硬件一体化的综合体。对于航空发动机控制器这种安全性和可靠性要求更高的控制器来说，开发难度很高，如何保证开发质量，缩短开发周期，节约开发成本是控制器开发人员面临的首要课题。在整个控制器开发环节中，测试环节的重要性不言而喻，通过反复迭代测试，在最短的时间内尽可能多的暴露问题和潜在缺陷，并针对问题与缺陷不断进行设计优化和验证是提高控制器产品成熟度的重要手段。

当前在航空发动机控制器开发领域内业界成熟的系统级测试手段是半实物仿真测试。这种测试方式将待测试控制器与实际的传感器，执行器以及通过软件与硬件结合模拟的被控对象(航空发动机)组成一个闭环系统进行测试，通过精心设计测试用例，结合自动运行脚本，可以大大提高测试效率，发现控制系统潜在问题与缺陷。在航空电控实验室，也有一套这样的半实物仿真测试系统，我们称之为HIL(硬件在环)测试系统。

同传统的台架测试系统相比，HIL测试系统有如下优势：

1、首先支持并行开发。在实际发动机工程样机装配出来之前，借助于HIL测试无需实际发动机样机就可以完成控制器功能测试与验证；从而保证控制器测试与开发可以实现同发动机开发完全意义上的并行。

2、其次可以大量节约开发成本，缩短开发周期。由于HIL测试是建立在仿真环境下的测试，可以将大量台架测试与飞行测试试验转化成HIL系统上的仿真试验，大大节约了实际试验过程中的各种费用与成本。同时，也极大缩短了试验周期。

3、最后HIL测试可以模拟实际测试条件下很难模拟的极限工况，实现极限工况测试。有些极限工况在实际试验台或者飞行试验中很难模拟出来，而在HIL的仿真环境下则很容易实现工况条件模拟，并完成对应工况下的系统性能测试。

航空电控实验室的HIL测试系统主要由三部分组成：测试主机，HIL测试柜，实际传感器与执行器。测试主机运行发动机模型，通过参数配置，可以模拟实际发动机，同时主机实现与被测控制器通讯，通过实时界面显示控制器各种运行参数；HIL测试柜通过各种硬件板卡连接外部传感器，执行器和被测控制器。被测控制器接入系统后，测试主机协同HIL测试柜以及外部连接的传感器和执行器共同模拟实际运行的发动机，并和被测控制器组成闭环系统。运行测试用例时，模拟各种发动机运行工况条件，观察控制器控制行为，并对比预期行为，从而实现对控制器各种功能的仿真测试。

基于HIL测试系统开展控制器HIL测试包含以下几个环节：

第一步：创建测试工程

第二步：配置发动机模型及线束制作

第三步：搭建测试台架

第四步：基于功能需求编写测试用例

第五步：搭载真实负载执行测试

以搭载在航空发动机上的控制器开发为例，对增压器控制电磁阀的控制算法及电磁阀的实际动作进行测试。

第一步：创建测试工程

根据发动机的配置，创建HIL发动机模型，根据发动机控制器传感器和执行器类型定义输入输出信号类型。

第二步：配置发动机模型及线束制作

根据发动机的缸数、正时、进排气系统参数等信息配置发动机模型，根据控制器输入输出信号类型及数量制作专用测试线束。

第三步：搭建测试平台

根据需要测试的功能及负载搭建测试平台，比如搭载喷油器、燃油计量阀、增压器控制电磁阀及空气流量计等。

第四步：基于功能需求编写测试用例

根据功能需求，编写测试用例时，需要设计测试工况，测试工况需要覆盖所有可能的功能激活及功能禁止情况，同时确定在对应测试工况下需要监控的变量集及明确的预期结果，具体的测试流程见下图：

第五步：搭载真实负载测试

1) 将增压器控制电磁阀与HIL测试平台连接后，设计的测试工况应包括所有可能出现的电磁阀激活及不激活工况。设计工况及预计结果如下：

2）根据设计工况操作HIL测试平台，对比测试结果与预计结果是否一致。如果一致，测试通过；如果不一致，需要排查原因进行订正。

3）编写测试报告。