第４３卷 第１期２０２１年２月
电气电子教学学报
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＥＥＥ
Ｖｏｌ．４３ Ｎｏ．１
Ｆｅｂ．２０２１
收稿日期：２０１９ １２ １９；修回日期：２０２０ ０１ ０２
基金项目：南京航空航天大学校人才科研启动基金项目
第一作者：于立（
１９８９ ），男，博士，讲师，主要从事飞机供电系统教学与科研工作，Ｅ ｍａｉｌ：ｌｉｙｕ ｎｕａａ＠ｎｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ飞机供电系统虚拟仿真实验教学模式探索
于 立，张卓然，王 莉，杨善水，魏佳丹
（南京航空航天大学自动化学院，江苏南京２１１１０６）
摘要：由于多电飞机供电系统实验因具有危险性高、实验成本高等特点，使得无法以真实系统开展实验教学。本文以多电飞机供电管理和故障重构实物实验存在的问题为切入点，借助现代信息技术与互联网技术手段，构建并分析了虚拟仿真教学实验系统，探索航空电气类课程个性化、泛在化实验教学新模式，该虚拟仿真实验对提高航空电气领域专业人才创新与实践能力提供重要支撑。关键词：飞机供电系统；多电飞机；虚拟仿真实验中图分类号：Ｇ４２６
文献标识码：Ａ 文章编号：１００８ ０６８６（２０２１）０１ ０１３５ ０４
ＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｏｆＶｉｒｔｕａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＴｅａｃｈｉｎｇＭｏｄｅｏｆ
ＡｉｒｃｒａｆｔＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ
ＹＵＬｉ，ＺＨＡＮＧＺＨｕｏ ｒａｎ，ＷＡＮＧＬｉ，ＹＡＮＧＳＨａｎ ｓｈｕｉ，ＷＥＩＪｉａ ｄａｎ
新鲜天麻（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１１１０６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅｔｏｔｈｅｈｉｇｈｒｉｓｋａｎｄｈｉｇｈｃｏｓｔｏｆｔｈｅｍｏｒｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａｉｒｃｒａｆｔｐｏｗｅｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｉｔｉｓｉｍｐｏｓｓｉｂｌｅｔｏｃａｒ ｒｙｏｕｔｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗｉｔｈａｒｅａｌｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｔｈｅｒｅａｌｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｎｔｈｅａｉｒｃｒａｆｔｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｎｗｉｔｈｔｈｅａｉｄｏｆｍｏｄｅｒｎｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｉｎ ｔｅｒｎｅｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅａｃｈｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｂｕｉｌｔａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｎｅｗｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅａｃｈｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｓｅｘｐｌｏｒｅｄ．Ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｖｉｒｔｕａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅａｃｈｉｎｇｓｙｓｔｅｍｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｒａｃｔｉ ｃａｌａｂｉｌｉｔｙａｎｄｉｎｓｐｒｉｔｅｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｕｄｅｎｔｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｉｒｃｒａｆｔｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ；ｍｏｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｉｒｃｒａｆｔ；ｖｉｒｔｕａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
０ 引言
大飞机工程是增强国家核心竞争力的重大战略决策，是国家意志的体现。多电飞机技术推进了大飞机电气化发展，采用电能替代传统飞机中的液压能和气压能，简化了飞机二次能源系统，提升了能量
管理效率，降低了污染物排放［１］
。多电飞机技术是
引领智能航空、绿色航空发展的重要方向，已成为欧美各国竞相追逐的新的航空科技革命，对我国飞机
电气系统创新型人才培养提出了迫切需求［２］重寄
。
多电飞机供电系统是高度复杂的机载系统，安
全可靠性与稳定性要求很高。机载设备、线缆工作在振动大、密闭不通风的恶劣飞行环境下，容易发生短路、断路、电弧等电气故障，需及时定位与排除并对飞机供电系统进行重构，以防故障蔓延导致飞机灾难发生。因此，多电飞机供电管理和故障重构技
术对保障飞机安全可靠飞行有至关重要的作用［３］
，
相关实验教学是提升学生实践能力的重要环节。然而，开展多电飞机供电管理与故障重构实物实验教学存在以下难点：①大型飞机电气系统复杂，
实验难度高；②飞机专用电气设备多，实验总成本高；③大功率电气系统对专业操作水平要求高；④故障设备
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具有高危险性和不可逆性；⑤高空飞行环境等特殊条件在实验室难以真实模拟；⑥传统实验模式无法满足探究性开放式实验要求。
可见，多电飞机供电管理与故障重构实物实验教学难度高、成本高、危险性高以及现实不可及，严重影响航空电气类专业技术人才工程实践能力和创新能力的培养。本文提出将“虚拟现实＋互联网”技术融入大型多电飞机供电系统实验教学，借助虚拟仿真手段，构建虚拟仿真实验教学系统，解决多电飞机供电管理和故障重构实物实验存在的突出问
题［
４，５］
。通过虚拟仿真实验能够提高学生及相关技术人员对飞机供电系统的认知和实践水平，培养其对飞机供电系统及其控制策略的设计能力。
１ 实验总体设计
根据航空电气类专业培养方案，同时结合实际科研与工程实践数据，本实验共需４学时，设置４个环节：①电气系统认知环节，突出基础认知的系统性；②供电系统设计环节，强调实验体系的创新性；③系统动态测试环节，注重供电管理策略的人机交互性；④系统故障重构环节，重点提升对故障定位与重构的综合分析与实践能力。分为“典型认知”－“综合训练”－“系统探索”三个层次，深入浅出，注
重基础与探索研究并重。
性感姿势
图１ 实验环节总体规划
本实验以多电飞机供电管理与故障重构技术为核心，由多电飞机供电系统基本知识、供电系统设计、供电管理以及供电系统故障重构四方面展开，共涉及１
中考必备
４个知识点，包括飞机供电系统的组成、作用与特点，飞机多通道供电系统的电网结构，飞机供电系统的余度、容错和不中断供电的设计要求以及系统各部件故障特征和故障定位、隔离方法等。
海宁特产
每个环节均需要提交环节报告，并给出得分，最终自动生成实验报告与成绩并提交。
２ 实验项目原理与设计
２．１ 实验准备阶段
在浏览器中输入本实验网址，远程打开本实验。进入实验大厅，如图２所示，学生先依照菜单引导熟悉实验界面功能，包括实验简介，实验环节菜单栏以及帮助菜单栏。点击实验简介，了解实验背景和目的等。本实验构建有航空供电知识补给站（即知识角），如图３所示，作为实验前的准备环节，提供与知识点相关的文字、图片与视频资料，帮助学生自主学习，快速掌握多电飞机供电系统方面的必要预备知识。实验过程中，学生遇到困难可以随时打开步
骤提示并与课程顾问教师联系。
图２
实验大厅界面
图３ 内容丰富的知识角
２．２ 电气系统认知环节
在第一个实验电气系统认知环节中，图４为大型多电飞机虚拟场景，可移动视角，逐个点击高亮显示的地面电源、机翼电作动机构、以及舱内配电装置、变压整流器等，出现弹窗注释，学生观察并理解飞机重要电气系统装置的位置与功能。点击机身可隐藏飞机外壳，可观察到发动机内部的大功率起动发电机，点击起动发电机后出现爆炸展示与各子部
第１期于立，张卓然，王莉，杨善水，魏佳丹：飞机供电系统虚拟仿真实验教学模式探索１３７
件功能注释框，使学生能够更深入观察学习起动发电机结构与原理，如图５
所示。
电饭锅做蛋糕图４
多电飞机电气系统认知虚拟场景
图５ 起动发电机爆炸图展示
２．３ 供电系统设计环节
第二个实验环节供电系统设计如图６所示，界面左侧为模型库，包含有发电机、变压整流器、蓄电池等。从模型库中拖动相应的部件置于电网系统中并控制闭合相关接触器。系统架构搭建完成后，计算并输入各个部件的参数，点击右侧电网结构输出，则可自动完成对所设计系统的主要指标计算，完成系统静态评估。学生参考系统计算得出的电网各项指标值，可继续对系统拓扑以及输入参数进行优化。
经多次探索迭代后，点击优化设计评估按钮，重要评估参数对比结果将以雷达图形式给出，如图７。学生根据对比结果进行多次设计优化，系统可显示多次优化效果，使学生获得探索性设计结果的直观对比，帮助其更好的掌握供电系统优化设计规律。
图６
电网结构搭建设计
图７ 雷达图形式呈现电网指标评估结果
２．４ 系统动态测试环节
第三个实验环节为系统动态测试。在驾驶舱面板上，按下红色按钮后飞机进入准备阶段，输入并完成起动过程参数设置，飞起正常起飞，如图８所示。并网发电后，在不同飞行阶段出现结冰、气流、以及起落架收放要求等事件，学生根据提示，控制多电化电气负载的接通／断开，如图９所示，观察界面右上角负载功率变化以及右下角实时显示的电压电流波形，掌握飞行过程中电网动态特性，并验证环节二设
计的电网满足不同飞行阶段要求。
图８
飞行阶段电网动态情况
图９ 遭遇气流后控制机翼扰流板电作动机构
２．５ 系统故障重构环节
第四个实验环节是系统故障重构。环节开始时，系统按照双发电通道电网结构正常运行。在从微信昵称女
准备、滑行、起飞一直到停止的全飞行阶段，系统随
１３８ 电气电子教学学报 第４３卷
机、突发不重复地生成短路、断路、电弧等某类故障，如图１０所示。故障发生后，进入机舱内，切换不同视角，寻找并点击舱内电气部件，依据电压电流波形初步确定故障位置。进一步定位并切除故障点。同时，学生需创造性设计不同供电路径并闭合相关接触器，进行系统重构，保证所有应急汇流条不中断供电，如图１１。当在一定时间内没有找到故障或者没有正确进行故障重构，则设备将引发爆燃，造成飞机
失事等严重事故。
图１０
爬升阶段电网遭遇突发故障
图１１ 定位故障后隔离故障汇流条
３ 特色与创新
本虚拟仿真实验教学系统在围绕国家战略需
求、科技前沿、“两性一度”金课标准［６］
、以及仿真度方面特色鲜明：
（
海底画１）国家战略：瞄准国家大飞机战略需求，以系统培养航空电气特色专业学生创新实践能力为目标，具有突出的大飞机专业特色。
（２）科技前沿：多电飞机技术能够降低油耗与污染排放，提升系统效率，是践行绿色航空的重要举措，是航空科技发展方向与前沿技术。
（
３）“两性一度”：在实验技术方案、互动教学方法、教学形式、实验方法、虚拟现实技术应用方面具有较强的创新性。包含自由设计、探索寻优式设计、开放式任务以及随机性题目，挑战度高，激发学生求知与创新学习的欲望。
（
４）仿真度：飞机供电系统部件、供电系统电网结构以及底层数据等核心要素，均来源于团队在航空电源系统方面长期研究与实践的数据，电弧故障和其它部件故障的波形数据来源于科研实验结果，仿真度很高。
４ 结语
当前，围绕立德树人、实践育人根本任务，教育部积极推动现代信息技术与实验教学项目的深度融合。多电飞机供电管理与故障重构虚拟仿真实验以打造金课为目标，能够拓展实验教学内容广度和深度、提升实验教学质量和水平，服务航空航天供电系统课程体系，具有如下优势：
（１）有效解决大型飞机供电系统实物实验教学成本高、危险性大等难题。
（２）通过人机交互式虚拟场景，加速学生对大型飞机供电系统基础知识的理解和深化。
（３）通过探究式综合训练，显著提高学生对飞机供电系统优化设计与故障重构策略的自主设计与创新能力。
（４）利用互联网的开放特点，面向行业和社会资源共享，践行服务社会宗旨，能够取得很好的社会效益。参考文献：
［１］ 严仰光，秦海鸿，龚春英，王慧贞．多电飞机与电力电子［Ｊ］．南
京：南京航空航天大学学报，
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分析［
Ｊ］．北京：航空学报，２０１１，３２（０８）：１４８８ １４９６．［３］ 杨善水，王莉，张卓然．“航空航天供电系统”的课程改革研究
［Ｊ］．南京：电气电子教学学报，２０１２，３４（０１）：１９ ２０＋５４．［４］ 李平，毛昌杰，徐进．开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设
提高高校实验教学信息化水平［Ｊ］．上海：实验室研究与探索，２０１３，３２（１１）：５ ８．
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验室研究与探索，２０１３，３２（１２）：５ ８．
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９．
