飞机维护模拟器发动机系统仿真模型研究

吴英，吴慧，王振伟

（航空工业上海航空测控技术研究所，上海，201601）

0 引言

飞机维护训练模拟器是训练飞行员的一种模拟设备，具有座舱通电检查训练、故障解决处理训练、发动机地面试车训练等作用。飞机维护训练模拟器最重要的一个训练项目是发动机地面试车训练，发动机试车训练成效是否突出就在于飞机维护训练模拟器做的是否逼真。因此只要模拟器做的逼真，那么模拟训练飞行员们就可以很好的掌握飞行知识，驾驶飞机升空演习。飞机发动机作为飞机的心脏，是由机械、热力、流体等较为复杂的系统构成，实际上是一个非线性系统，非线性系统会在发动机模型中表现出来[1]。本文依据发动机地面试车数据建造出合适地面试车的发动机模型，用来研究飞机维护训练模拟器。

1 发动机系统工作原理及模型特征

■1.1 发动机系统组成和工作原理

建模研究对象是由两个涵道、两个转子所构成的涡扇发动机，如图1所示。外界空气通过飞机进气道进入到发动机内，之后利用风扇提升它的温度与压力，最后进入到分流机闸内。在进入分流机闸后，会将空气分为两股气体，一股进入到内涵道，一股进入到外涵道[2]。

图1 动机系统架构

空气进入到外涵道之后会流入至延伸筒，流入内涵道的空气会在压气机中收到压缩流入燃烧室，空气会和燃油混合物融和成油气混合物。它会形成一种高温、高压燃气，进入到涡轮中完成能量变更，变更为机械能后，燃气流压力和温度也会随之降低。燃气通过涡轮之后，会流入到喷管与延伸管，并且会与外涵道空气、延伸筒空气融合，最后利用喷管喷出形成推力。

■1.2 发动机模型建立

因为飞机维护训练模拟器要求模型有较高的真实性和完整性，发动机系统建模不能一味的对其气动和热性能的仿效，必须涉及所有内部子系统[3]。大致可分为以下几个方面：发动机性能与发动机控制、发动机地面各个方面。发动机控制由PMC与MFC构成，运行原理如图2所示。发动机的MFC经过风扇压力和油门杆压力形成温度压力，将发动机PMC可以快速校正转子的转速，最后通过高压转子的实际值获得实际燃油流量。

图2 发动机控制系统结构

电子调节系统是发动机动力管理系统的一部分。首先，通过插值风扇进气口的温度和压力以及气压杆的位置来获得风扇转速的预期值。通过与风扇的实际转速进行比较，可以获得转速差。过滤后，对它实行积分，以获得高压转子的预期转速修正值。

■1.3 发动机系统模型特征

目前，大多数发动机仿真模型都需要建立高精度的数学模型。这些模型可以准确表现出飞机部件性能，但是只有这些部件拥有准确数据才可以建立出一个接近真实的模型，不仅计算方法极为复杂，需要花费时间很长、难以满足实时性[4]。飞机维护训练模拟器可以不用说明发动机工作关系与各零件的工作状态，但必须要满足实时性条件。建立发动力模型时，我们可以将发动机视为一个“黑匣子”。依据飞机维护训练模拟器发动机试车训练条件，发动机模型必须满足以下条件:

(1)发动机系统模型要精确模仿发动机地面试车的性能反应；

(2)发动机系统模型要及时模仿发动机的反应；

(3)发动机系统模型要可以传输发动机衡量变量；

(4)发动机系统模型需要包括电气控制开关、油门杆角度等输入；

(5)发动机系统模型要精确模仿发动机地面试车。

■1.4 仿真模型的特征

创建一个飞机维护训练模拟器需消耗大量的人力、物力和时间，需用到计算机技术、飞行模拟技术、信息技术等向相关方面技术。飞行模拟器将许多相关知识和技术结合在一起，也是很多研究人员尽心研究的成果。正是因为这些原因，飞机维护训练模拟器仿真各个部分需有可拓展性能、可移植性能与通共性能，以此来满足构型的不可预测的各种应用条件。伴随着仿真数据的更新，需根据用户需求来改进发动机模型，使其进一步提升发动机仿真技术。

2 飞机维护训练模拟器发动机性能建模

■2.1 发动机模型的建模原则

为了建造一个实时、全面、精准的航空动力模型，主要研究了涡扇类发动机和控制系统建模和仿真形式，并根据之前建模经验，结合现代技术，提出控制系统建模与飞行模拟器发动机的根本原则。

2.1.1 以研究目的和应用需求为重要依据

如果经济和时间都允许的情况下，要以提升实时性为终极目标，但也要保持其仿真精度，建模要分清主次，不要本末倒置，将模拟航空动力仿真精度作为首要目标，对于仿真精度来说次要因素不要过于重视，进而提升仿真实时性[5]。

2.1.2 以模拟器的第一级子系统为分界面

探究动力系统与模拟系统各个分系统的关系，提炼对应交互变量，建造一个与这有关的分系统仿真模型或是动力系统，保证各个分系统传递信息的真实有效性以及模拟器可以正常运转。

2.1.3 以发动机与控制器之间的交互为分界

在发动机控制时间内，提取控制器需要在发动机传感器内传输信息，为了保证发动机得以有效控制，就需建造主传感器仿真模型。以提高仿真精准度，模拟传感器变动过程也是一方法。

以上都是以飞机维护训练模拟器为基础讲述的建模原则，强调应通过各个基础点来建立和改进模型。主要详细描述了动力系统，重视建模要素，忽视模拟要素，不仅要保证仿真精度也要保证其实时性。基于结构清楚、有层次、突出重点的原则进行建模，虽是以飞机维护训练模拟器为案例提出的，但是该原则也可用于另外仿真模拟系统，促进仿真模拟系统快速发展，为仿真模拟研究提供了参考。

■2.2 偏导数法建模

尽管部分推导法的建模精度略低于遗传算法与拟合法，但相比来看，偏导数法建模过程最快捷、直观，建造的变量模型可以满足飞机维护训练模拟器对精准度的要求。故建造发动机变量模型采取的是偏导数法。偏导数建模原理可以从两个方面来了解，即偏导数的求解与模型的线性化。

■2.3 发动机故障建模

飞机系统中最为复杂也是故障率最高的就是发动机系统，飞行员工作状态好坏直接关系着乘客们生命安全与飞机是否可以安全飞行。所以每个飞行员在飞机维护训练模拟器上训练就显得尤为重要，其中绝对优先的则是发动机故障训练[6]。飞行模拟训练内容包括操纵训练与发动机启动，这些训练知识飞行员做应该掌握飞行知识的基础，飞行员还需利用故障训练来锻炼遇到紧急突发情况处理问题的能力。飞机维护训练模拟器的发动机建模包含故障状态建模与正常状态建模。

对于航空发动机而言，它的构成零件较为丰富，而且它们的工作环境较为复杂，涉及到高温、高负荷、高转速，而且这些零件的结构、工作状态也具有较高的复杂性，这就容易使得发动机在日常使用环节容易表现出多发故障特点，具体就是说，该装置的故障种类较多，而且十分复杂，整体可以细分成附件系统、结构强度型、性能型故障。当前，有关发动机故障模拟技术，代表性的就是飞机模拟器，它提供了专门的发动机故障模型，可以想要实现全面的故障模拟，难度很高，当然，也缺乏必要性。为此，该模拟器在故障建模过程中，主要是以性能型故障为核心。在本文研究中，就对容易产生的性能型故障进行了梳理，其中就包括燃油、发动机、启动、滑油系统等，然后将它们细分成四个类别，构建该发动机故障树，对不同种类故障进行描述时，使用了故障效应、原因、名称等要素信息。在建模过程中，基于正常状态模型，利用故障因子构建不同故障模型。

■2.4 起动故障模型

发动机启动分为正常启动与非正常启动，有包括悬挂启动与热启动。引起发动机发生不良起动原因有很多，例如因为启动供油量缺少或是燃油过高引起热启动和悬挂启动。在建立热启动和悬挂启动模型时，应结合异常启动效应调整和补偿正常条件下发动机的主要控制（燃油流量）变量，从而改变整个发动机的启动状态与启动模型的基线状态变量。

发动机悬挂启动时出现问题，燃油供量不足，低压和高压转子缓慢，最后高压转子转速与低压转子转速相同。因此，在建模过程中，燃油流量限制器和比例控制器用于调整流向发动机的燃油流量，使其与正常燃油供应成比例，与此同时，不得超过悬架打开状态下确定的最多供油量。

3 动力系统模型研究

对燃油流量、压气机进行控制的装置可以称作发动机控制系统。飞机维护训练模拟器对磁控制系统进行模拟，也是发动机系统模型的关键构成。该模拟器中的发动机模型，可以对该控制系统的逻辑与功能进行模拟。从理论角度来分析，该模型能够对实际发动机系统的诸多功能与逻辑进行客观模拟，不过为了满足实时性需求，在模拟过程中，需要对相关模型进行简化处理。为此，需要基于模拟器实际需求以及仿真周期来对简化颗粒度进行明确。

■3.1 发动机启动控制逻辑模型

对发动机正常启动控制逻辑进行模拟，实际上就是对启动机活门的通断、点火、发生器的通断等逻辑进行模拟，这种技术又可以被称作发动机启动控制逻辑。在此模型下，能够对底舱的不同操作钮信号、供电标志信号等有关信息进行模拟，并能进一步生成发动机能否正常启动的标志信息，从而帮助人们判断与分析发动机性能。通常，发动机在地面正常启动过程中，此时相关参数存在着对应的制约关系。第一，供电接通需要具有有效性；第二，完成了FADEC自检；第三，发生器启动没有异常；第四，发动机能够在地面上没有异常的启动。

■3.2 动力系统的仿真模型结构

在建立一个仿真模型之前要先合理分析研究系统，之后再建立。最先对实际系统特点进行清晰描述，明确构成系统对象之间存在的联系，进而建立成层次化模型。飞机维护训练模拟器最重要的一个子系统就是动力仿真系统，和模拟器很多系统都有着一定的联系。对发动机控制系统输出关系、组成架构、内部输入进行分析，明确动力系统的仿真模型的组成对象和内部接口。对动力系统和各个子系统之间联系分析，确定动力系统外部接口。经过长时间深入分析研究，建造成一个精确化、结构化模型。高级对象是能源系统的整体和宏观表现，低级对象是动力系统的局部和详细描述。

4 结语

通过分析和处理飞机发动机的实际飞行试验数据，采取数值拟合形式确定发动机稳态模型；通过分析发动机控制逻辑功能原理，创建了发动机的功能模型，采取模块化方法建立发动机模型，所建立的发动机模型已应用于飞机维护训练模拟器中。此发动机模型可以满足对发动机精准度与实时性需求，此模型有较高工的程实用价值。