飞机发动机半物理仿真平台设计

张金颖

摘 要：为了减少发动机系统的开发周期和费用，设计了飞机发动机半物理仿真平台。平台分飞机仿真、发动机建模、半物理仿真及数据可视化4个模块，提供了发动机交联系统、数字仿真及半物理仿真的运行平台，并提供了整个实验过程的数据可视化。该平台可用于发动机系统仿真分析、算法调试、装配模拟及系统测试等研发全过程。

关键词：发动机 仿真 SIMULINK

中图分类号：V233.7 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（b）-0057-02

随着机载系统研制速度加快，传统设计模式已不能满足快速设计验证的要求，自20世纪80年代工中后期，欧美行业开始推行数字化研发体系，旨在通过机载系统协同开发平台，来减少机载的研发周期和成本。飞机整体仿真平台为机载系统仿真模型/装机机载设备提供功能、性能、接口全面的地面运行环境，已成为机载系统科研实验不可或缺的研发手段[1]。

在国外，各类航空设备都配有先进的模拟测试设备，而国内模拟设备配套尚未引起高度重视，尚未发现同类发动机半物理飞行模拟器。

1 总体设计

该平台主要包括4个模块：飞机仿真模块、发动机建模、信号仿真模块及数据可视化模块。各模块功能如下。

（1）飞机仿真环境：包括模拟驾驶舱及视景系统，用于模拟飞行全过程。

（2）发动机建模模块：主要包括飞机发动机模型搭建，并将模型转化为实时系统代码。

（3）半物理仿真模块：实现将数字量转化为发动机所要求的物理信号。

（4）数据可视化模块：将仿真过程的数据进行三维和仪表的可视化。

2 分系统设计

2.1 飞机仿真模块

飞机仿真模块主要由主飞行仿真软件、仿真座舱及视景系统组成。模拟驾驶舱含仿真舱体、系统控制面板、起落架手柄、襟翼收放开关、停机刹车等控制组件；PFD、MFD、ED等飞行仪表以及各种警告、警戒指示灯。视景即飞机飞行过程中外部视觉信息，含大地模型、机场模型、气象模型、时间模型、地面建筑等。为操作人员营造驾驶舱外第一视角视觉环境。

2.2 发动机建模

在飞机发动机半物理仿真平台设计中，发动机建模是一个重要的环节。通过建模构建的虚拟发动机可以用来检验发动机控制器的控制算法，分析系统中存在的复杂信号，同时能够减少实验设备的成本，并缩短开发周期[2]。

SIMULINK是典型的面向图形对象的，高度可视化的建模仿真工具。SIMULINK具有进行动态复杂系统建模、仿真和综合分析的能力。该平台提供了建立发动机各部件数学模型所需的数值计算模块。利用图形模块库可建立层次化的发动机模型，每一层的设计采用可封装模块，并按照发动机及其各部件的特点建立各自独立的部件模块及其子模块[3]。

此外MATLAB还提供了REAL-TIME WORKSHOP实时代码转换工具，发动机模型开发完成以后，可通过该工具转化成实时代码。

发动机部分模型如图1所示。

2.3 信号仿真模块

半物理仿真模块用于通过将各种数字信号转换成与发动机匹配的物理信号。该模块通过配置有各类标准信号板卡的仿真机及信号调理箱实现。其间，通过信号转换箱将信号引出至前面板，便于实验过程中进行测试[4]。

目前发动机相关的数据接口主要包括模拟量、离散量、ARINC429总线、AFDX总线，综上，半物理仿真机机箱配置图如图2所示。

2.4 数据可视化模块

数据可视化包括三维可视化与仪表可视化。三维可视化提供发动机重要部件三维模型，可以进行虚拟拆装、部件辨识、运行状态等三维展示。仪表可视化通过系统原理图、指示仪表、数据总线等多种手段，实现仿真过程中数据的可视化，为科研人员提供直观的监控手段和仿真调试手段。

3 结语

该设计中飞机整体仿真平台全方面模拟飞机气动、机电系统、航电系统，尤其是与发动机交联的系统，并提供完整的发动机系统数据接口，为发动机建模、设计、验证等全套设计过程提供运行平台，大大提高了科研效率。

参考文献

[1] 王银燕，杜剑维，王贺春.基于GT-power与Simulink的发动机及其控制系统仿真[J].石凡系统仿真学报，2008（16）：4379-4381.

[2] 曹更彦，李银国.基于MATLAB/Simulink和Labview的发动机仿真[J].电子测试，2008（8）：57-59.

[3] 夏飞，黄金泉，周文祥.基于MATLAB/Simulink的航空发动机建模与仿真研究[J].航空动力学报，2007（12）：2134-2136.

[4] 张清江，刘磊，张剑锋，等.某型直升机半物理仿真系统的设计[J].计算机测量与控制，2006，14（3）：400-402.