張金穎

摘 要：為了減少發(fā)動機系統(tǒng)的開發(fā)周期和費用，設計了飛機發(fā)動機半物理仿真平臺。平臺分飛機仿真、發(fā)動機建模、半物理仿真及數(shù)據(jù)可視化4個模塊，提供了發(fā)動機交聯(lián)系統(tǒng)、數(shù)字仿真及半物理仿真的運行平臺，并提供了整個實驗過程的數(shù)據(jù)可視化。該平臺可用于發(fā)動機系統(tǒng)仿真分析、算法調(diào)試、裝配模擬及系統(tǒng)測試等研發(fā)全過程。

關鍵詞：發(fā)動機 仿真 SIMULINK

中圖分類號：V233.7 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（b）-0057-02

隨著機載系統(tǒng)研制速度加快，傳統(tǒng)設計模式已不能滿足快速設計驗證的要求，自20世紀80年代工中后期，歐美行業(yè)開始推行數(shù)字化研發(fā)體系，旨在通過機載系統(tǒng)協(xié)同開發(fā)平臺，來減少機載的研發(fā)周期和成本。飛機整體仿真平臺為機載系統(tǒng)仿真模型/裝機機載設備提供功能、性能、接口全面的地面運行環(huán)境，已成為機載系統(tǒng)科研實驗不可或缺的研發(fā)手段[1]。

在國外，各類航空設備都配有先進的模擬測試設備，而國內(nèi)模擬設備配套尚未引起高度重視，尚未發(fā)現(xiàn)同類發(fā)動機半物理飛行模擬器。

1 總體設計

該平臺主要包括4個模塊：飛機仿真模塊、發(fā)動機建模、信號仿真模塊及數(shù)據(jù)可視化模塊。各模塊功能如下。

（1）飛機仿真環(huán)境：包括模擬駕駛艙及視景系統(tǒng)，用于模擬飛行全過程。

（2）發(fā)動機建模模塊：主要包括飛機發(fā)動機模型搭建，并將模型轉(zhuǎn)化為實時系統(tǒng)代碼。

（3）半物理仿真模塊：實現(xiàn)將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為發(fā)動機所要求的物理信號。

（4）數(shù)據(jù)可視化模塊：將仿真過程的數(shù)據(jù)進行三維和儀表的可視化。

2 分系統(tǒng)設計

2.1 飛機仿真模塊

飛機仿真模塊主要由主飛行仿真軟件、仿真座艙及視景系統(tǒng)組成。模擬駕駛艙含仿真艙體、系統(tǒng)控制面板、起落架手柄、襟翼收放開關、停機剎車等控制組件；PFD、MFD、ED等飛行儀表以及各種警告、警戒指示燈。視景即飛機飛行過程中外部視覺信息，含大地模型、機場模型、氣象模型、時間模型、地面建筑等。為操作人員營造駕駛艙外第一視角視覺環(huán)境。

2.2 發(fā)動機建模

在飛機發(fā)動機半物理仿真平臺設計中，發(fā)動機建模是一個重要的環(huán)節(jié)。通過建模構建的虛擬發(fā)動機可以用來檢驗發(fā)動機控制器的控制算法，分析系統(tǒng)中存在的復雜信號，同時能夠減少實驗設備的成本，并縮短開發(fā)周期[2]。

SIMULINK是典型的面向圖形對象的，高度可視化的建模仿真工具。SIMULINK具有進行動態(tài)復雜系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的能力。該平臺提供了建立發(fā)動機各部件數(shù)學模型所需的數(shù)值計算模塊。利用圖形模塊庫可建立層次化的發(fā)動機模型，每一層的設計采用可封裝模塊，并按照發(fā)動機及其各部件的特點建立各自獨立的部件模塊及其子模塊[3]。

此外MATLAB還提供了REAL-TIME WORKSHOP實時代碼轉(zhuǎn)換工具，發(fā)動機模型開發(fā)完成以后，可通過該工具轉(zhuǎn)化成實時代碼。

發(fā)動機部分模型如圖1所示。

2.3 信號仿真模塊

半物理仿真模塊用于通過將各種數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成與發(fā)動機匹配的物理信號。該模塊通過配置有各類標準信號板卡的仿真機及信號調(diào)理箱實現(xiàn)。其間，通過信號轉(zhuǎn)換箱將信號引出至前面板，便于實驗過程中進行測試[4]。

目前發(fā)動機相關的數(shù)據(jù)接口主要包括模擬量、離散量、ARINC429總線、AFDX總線，綜上，半物理仿真機機箱配置圖如圖2所示。

2.4 數(shù)據(jù)可視化模塊

數(shù)據(jù)可視化包括三維可視化與儀表可視化。三維可視化提供發(fā)動機重要部件三維模型，可以進行虛擬拆裝、部件辨識、運行狀態(tài)等三維展示。儀表可視化通過系統(tǒng)原理圖、指示儀表、數(shù)據(jù)總線等多種手段，實現(xiàn)仿真過程中數(shù)據(jù)的可視化，為科研人員提供直觀的監(jiān)控手段和仿真調(diào)試手段。

3 結語

該設計中飛機整體仿真平臺全方面模擬飛機氣動、機電系統(tǒng)、航電系統(tǒng)，尤其是與發(fā)動機交聯(lián)的系統(tǒng)，并提供完整的發(fā)動機系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口，為發(fā)動機建模、設計、驗證等全套設計過程提供運行平臺，大大提高了科研效率。

參考文獻

[1] 王銀燕，杜劍維，王賀春.基于GT-power與Simulink的發(fā)動機及其控制系統(tǒng)仿真[J].石凡系統(tǒng)仿真學報，2008（16）：4379-4381.

[2] 曹更彥，李銀國.基于MATLAB/Simulink和Labview的發(fā)動機仿真[J].電子測試，2008（8）：57-59.

[3] 夏飛，黃金泉，周文祥.基于MATLAB/Simulink的航空發(fā)動機建模與仿真研究[J].航空動力學報，2007（12）：2134-2136.

[4] 張清江，劉磊，張劍鋒，等.某型直升機半物理仿真系統(tǒng)的設計[J].計算機測量與控制，2006，14（3）：400-402.