飛機(jī)維護(hù)模擬器發(fā)動機(jī)系統(tǒng)仿真模型研究

吳英，吳慧，王振偉

（航空工業(yè)上海航空測控技術(shù)研究所，上海，201601）

0 引言

飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練模擬器是訓(xùn)練飛行員的一種模擬設(shè)備，具有座艙通電檢查訓(xùn)練、故障解決處理訓(xùn)練、發(fā)動機(jī)地面試車訓(xùn)練等作用。飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練模擬器最重要的一個(gè)訓(xùn)練項(xiàng)目是發(fā)動機(jī)地面試車訓(xùn)練，發(fā)動機(jī)試車訓(xùn)練成效是否突出就在于飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練模擬器做的是否逼真。因此只要模擬器做的逼真，那么模擬訓(xùn)練飛行員們就可以很好的掌握飛行知識，駕駛飛機(jī)升空演習(xí)。飛機(jī)發(fā)動機(jī)作為飛機(jī)的心臟，是由機(jī)械、熱力、流體等較為復(fù)雜的系統(tǒng)構(gòu)成，實(shí)際上是一個(gè)非線性系統(tǒng)，非線性系統(tǒng)會在發(fā)動機(jī)模型中表現(xiàn)出來[1]。本文依據(jù)發(fā)動機(jī)地面試車數(shù)據(jù)建造出合適地面試車的發(fā)動機(jī)模型，用來研究飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練模擬器。

1 發(fā)動機(jī)系統(tǒng)工作原理及模型特征

■1.1 發(fā)動機(jī)系統(tǒng)組成和工作原理

建模研究對象是由兩個(gè)涵道、兩個(gè)轉(zhuǎn)子所構(gòu)成的渦扇發(fā)動機(jī)，如圖1所示。外界空氣通過飛機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)入到發(fā)動機(jī)內(nèi)，之后利用風(fēng)扇提升它的溫度與壓力，最后進(jìn)入到分流機(jī)閘內(nèi)。在進(jìn)入分流機(jī)閘后，會將空氣分為兩股氣體，一股進(jìn)入到內(nèi)涵道，一股進(jìn)入到外涵道[2]。

圖1 動機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

空氣進(jìn)入到外涵道之后會流入至延伸筒，流入內(nèi)涵道的空氣會在壓氣機(jī)中收到壓縮流入燃燒室，空氣會和燃油混合物融和成油氣混合物。它會形成一種高溫、高壓燃?xì)?，進(jìn)入到渦輪中完成能量變更，變更為機(jī)械能后，燃?xì)饬鲏毫蜏囟纫矔S之降低。燃?xì)馔ㄟ^渦輪之后，會流入到噴管與延伸管，并且會與外涵道空氣、延伸筒空氣融合，最后利用噴管噴出形成推力。

■1.2 發(fā)動機(jī)模型建立

因?yàn)轱w機(jī)維護(hù)訓(xùn)練模擬器要求模型有較高的真實(shí)性和完整性，發(fā)動機(jī)系統(tǒng)建模不能一味的對其氣動和熱性能的仿效，必須涉及所有內(nèi)部子系統(tǒng)[3]。大致可分為以下幾個(gè)方面：發(fā)動機(jī)性能與發(fā)動機(jī)控制、發(fā)動機(jī)地面各個(gè)方面。發(fā)動機(jī)控制由PMC與MFC構(gòu)成，運(yùn)行原理如圖2所示。發(fā)動機(jī)的MFC經(jīng)過風(fēng)扇壓力和油門桿壓力形成溫度壓力，將發(fā)動機(jī)PMC可以快速校正轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，最后通過高壓轉(zhuǎn)子的實(shí)際值獲得實(shí)際燃油流量。

圖2 發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)動力管理系統(tǒng)的一部分。首先，通過插值風(fēng)扇進(jìn)氣口的溫度和壓力以及氣壓桿的位置來獲得風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的預(yù)期值。通過與風(fēng)扇的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，可以獲得轉(zhuǎn)速差。過濾后，對它實(shí)行積分，以獲得高壓轉(zhuǎn)子的預(yù)期轉(zhuǎn)速修正值。

■1.3 發(fā)動機(jī)系統(tǒng)模型特征

目前，大多數(shù)發(fā)動機(jī)仿真模型都需要建立高精度的數(shù)學(xué)模型。這些模型可以準(zhǔn)確表現(xiàn)出飛機(jī)部件性能，但是只有這些部件擁有準(zhǔn)確數(shù)據(jù)才可以建立出一個(gè)接近真實(shí)的模型，不僅計(jì)算方法極為復(fù)雜，需要花費(fèi)時(shí)間很長、難以滿足實(shí)時(shí)性[4]。飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練模擬器可以不用說明發(fā)動機(jī)工作關(guān)系與各零件的工作狀態(tài)，但必須要滿足實(shí)時(shí)性條件。建立發(fā)動力模型時(shí)，我們可以將發(fā)動機(jī)視為一個(gè)“黑匣子”。依據(jù)飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練模擬器發(fā)動機(jī)試車訓(xùn)練條件，發(fā)動機(jī)模型必須滿足以下條件:

(1)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)模型要精確模仿發(fā)動機(jī)地面試車的性能反應(yīng)；

(2)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)模型要及時(shí)模仿發(fā)動機(jī)的反應(yīng)；

(3)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)模型要可以傳輸發(fā)動機(jī)衡量變量；

(4)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)模型需要包括電氣控制開關(guān)、油門桿角度等輸入；

(5)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)模型要精確模仿發(fā)動機(jī)地面試車。

■1.4 仿真模型的特征

創(chuàng)建一個(gè)飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練模擬器需消耗大量的人力、物力和時(shí)間，需用到計(jì)算機(jī)技術(shù)、飛行模擬技術(shù)、信息技術(shù)等向相關(guān)方面技術(shù)。飛行模擬器將許多相關(guān)知識和技術(shù)結(jié)合在一起，也是很多研究人員盡心研究的成果。正是因?yàn)檫@些原因，飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練模擬器仿真各個(gè)部分需有可拓展性能、可移植性能與通共性能，以此來滿足構(gòu)型的不可預(yù)測的各種應(yīng)用條件。伴隨著仿真數(shù)據(jù)的更新，需根據(jù)用戶需求來改進(jìn)發(fā)動機(jī)模型，使其進(jìn)一步提升發(fā)動機(jī)仿真技術(shù)。

2 飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練模擬器發(fā)動機(jī)性能建模

■2.1 發(fā)動機(jī)模型的建模原則

為了建造一個(gè)實(shí)時(shí)、全面、精準(zhǔn)的航空動力模型，主要研究了渦扇類發(fā)動機(jī)和控制系統(tǒng)建模和仿真形式，并根據(jù)之前建模經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)，提出控制系統(tǒng)建模與飛行模擬器發(fā)動機(jī)的根本原則。

2.1.1 以研究目的和應(yīng)用需求為重要依據(jù)

如果經(jīng)濟(jì)和時(shí)間都允許的情況下，要以提升實(shí)時(shí)性為終極目標(biāo)，但也要保持其仿真精度，建模要分清主次，不要本末倒置，將模擬航空動力仿真精度作為首要目標(biāo)，對于仿真精度來說次要因素不要過于重視，進(jìn)而提升仿真實(shí)時(shí)性[5]。

2.1.2 以模擬器的第一級子系統(tǒng)為分界面

探究動力系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)各個(gè)分系統(tǒng)的關(guān)系，提煉對應(yīng)交互變量，建造一個(gè)與這有關(guān)的分系統(tǒng)仿真模型或是動力系統(tǒng)，保證各個(gè)分系統(tǒng)傳遞信息的真實(shí)有效性以及模擬器可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1.3 以發(fā)動機(jī)與控制器之間的交互為分界

在發(fā)動機(jī)控制時(shí)間內(nèi)，提取控制器需要在發(fā)動機(jī)傳感器內(nèi)傳輸信息，為了保證發(fā)動機(jī)得以有效控制，就需建造主傳感器仿真模型。以提高仿真精準(zhǔn)度，模擬傳感器變動過程也是一方法。

以上都是以飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練模擬器為基礎(chǔ)講述的建模原則，強(qiáng)調(diào)應(yīng)通過各個(gè)基礎(chǔ)點(diǎn)來建立和改進(jìn)模型。主要詳細(xì)描述了動力系統(tǒng)，重視建模要素，忽視模擬要素，不僅要保證仿真精度也要保證其實(shí)時(shí)性。基于結(jié)構(gòu)清楚、有層次、突出重點(diǎn)的原則進(jìn)行建模，雖是以飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練模擬器為案例提出的，但是該原則也可用于另外仿真模擬系統(tǒng)，促進(jìn)仿真模擬系統(tǒng)快速發(fā)展，為仿真模擬研究提供了參考。

■2.2 偏導(dǎo)數(shù)法建模

盡管部分推導(dǎo)法的建模精度略低于遺傳算法與擬合法，但相比來看，偏導(dǎo)數(shù)法建模過程最快捷、直觀，建造的變量模型可以滿足飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練模擬器對精準(zhǔn)度的要求。故建造發(fā)動機(jī)變量模型采取的是偏導(dǎo)數(shù)法。偏導(dǎo)數(shù)建模原理可以從兩個(gè)方面來了解，即偏導(dǎo)數(shù)的求解與模型的線性化。

■2.3 發(fā)動機(jī)故障建模

飛機(jī)系統(tǒng)中最為復(fù)雜也是故障率最高的就是發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，飛行員工作狀態(tài)好壞直接關(guān)系著乘客們生命安全與飛機(jī)是否可以安全飛行。所以每個(gè)飛行員在飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練模擬器上訓(xùn)練就顯得尤為重要，其中絕對優(yōu)先的則是發(fā)動機(jī)故障訓(xùn)練[6]。飛行模擬訓(xùn)練內(nèi)容包括操縱訓(xùn)練與發(fā)動機(jī)啟動，這些訓(xùn)練知識飛行員做應(yīng)該掌握飛行知識的基礎(chǔ)，飛行員還需利用故障訓(xùn)練來鍛煉遇到緊急突發(fā)情況處理問題的能力。飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練模擬器的發(fā)動機(jī)建模包含故障狀態(tài)建模與正常狀態(tài)建模。

對于航空發(fā)動機(jī)而言，它的構(gòu)成零件較為豐富，而且它們的工作環(huán)境較為復(fù)雜，涉及到高溫、高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速，而且這些零件的結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)也具有較高的復(fù)雜性，這就容易使得發(fā)動機(jī)在日常使用環(huán)節(jié)容易表現(xiàn)出多發(fā)故障特點(diǎn)，具體就是說，該裝置的故障種類較多，而且十分復(fù)雜，整體可以細(xì)分成附件系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度型、性能型故障。當(dāng)前，有關(guān)發(fā)動機(jī)故障模擬技術(shù)，代表性的就是飛機(jī)模擬器，它提供了專門的發(fā)動機(jī)故障模型，可以想要實(shí)現(xiàn)全面的故障模擬，難度很高，當(dāng)然，也缺乏必要性。為此，該模擬器在故障建模過程中，主要是以性能型故障為核心。在本文研究中，就對容易產(chǎn)生的性能型故障進(jìn)行了梳理，其中就包括燃油、發(fā)動機(jī)、啟動、滑油系統(tǒng)等，然后將它們細(xì)分成四個(gè)類別，構(gòu)建該發(fā)動機(jī)故障樹，對不同種類故障進(jìn)行描述時(shí)，使用了故障效應(yīng)、原因、名稱等要素信息。在建模過程中，基于正常狀態(tài)模型，利用故障因子構(gòu)建不同故障模型。

■2.4 起動故障模型

發(fā)動機(jī)啟動分為正常啟動與非正常啟動，有包括懸掛啟動與熱啟動。引起發(fā)動機(jī)發(fā)生不良起動原因有很多，例如因?yàn)閱庸┯土咳鄙倩蚴侨加瓦^高引起熱啟動和懸掛啟動。在建立熱啟動和懸掛啟動模型時(shí)，應(yīng)結(jié)合異常啟動效應(yīng)調(diào)整和補(bǔ)償正常條件下發(fā)動機(jī)的主要控制（燃油流量）變量，從而改變整個(gè)發(fā)動機(jī)的啟動狀態(tài)與啟動模型的基線狀態(tài)變量。

發(fā)動機(jī)懸掛啟動時(shí)出現(xiàn)問題，燃油供量不足，低壓和高壓轉(zhuǎn)子緩慢，最后高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同。因此，在建模過程中，燃油流量限制器和比例控制器用于調(diào)整流向發(fā)動機(jī)的燃油流量，使其與正常燃油供應(yīng)成比例，與此同時(shí)，不得超過懸架打開狀態(tài)下確定的最多供油量。

3 動力系統(tǒng)模型研究

對燃油流量、壓氣機(jī)進(jìn)行控制的裝置可以稱作發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)。飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練模擬器對磁控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬，也是發(fā)動機(jī)系統(tǒng)模型的關(guān)鍵構(gòu)成。該模擬器中的發(fā)動機(jī)模型，可以對該控制系統(tǒng)的邏輯與功能進(jìn)行模擬。從理論角度來分析，該模型能夠?qū)?shí)際發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的諸多功能與邏輯進(jìn)行客觀模擬，不過為了滿足實(shí)時(shí)性需求，在模擬過程中，需要對相關(guān)模型進(jìn)行簡化處理。為此，需要基于模擬器實(shí)際需求以及仿真周期來對簡化顆粒度進(jìn)行明確。

■3.1 發(fā)動機(jī)啟動控制邏輯模型

對發(fā)動機(jī)正常啟動控制邏輯進(jìn)行模擬，實(shí)際上就是對啟動機(jī)活門的通斷、點(diǎn)火、發(fā)生器的通斷等邏輯進(jìn)行模擬，這種技術(shù)又可以被稱作發(fā)動機(jī)啟動控制邏輯。在此模型下，能夠?qū)Φ着摰牟煌僮麾o信號、供電標(biāo)志信號等有關(guān)信息進(jìn)行模擬，并能進(jìn)一步生成發(fā)動機(jī)能否正常啟動的標(biāo)志信息，從而幫助人們判斷與分析發(fā)動機(jī)性能。通常，發(fā)動機(jī)在地面正常啟動過程中，此時(shí)相關(guān)參數(shù)存在著對應(yīng)的制約關(guān)系。第一，供電接通需要具有有效性；第二，完成了FADEC自檢；第三，發(fā)生器啟動沒有異常；第四，發(fā)動機(jī)能夠在地面上沒有異常的啟動。

■3.2 動力系統(tǒng)的仿真模型結(jié)構(gòu)

在建立一個(gè)仿真模型之前要先合理分析研究系統(tǒng)，之后再建立。最先對實(shí)際系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行清晰描述，明確構(gòu)成系統(tǒng)對象之間存在的聯(lián)系，進(jìn)而建立成層次化模型。飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練模擬器最重要的一個(gè)子系統(tǒng)就是動力仿真系統(tǒng)，和模擬器很多系統(tǒng)都有著一定的聯(lián)系。對發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)輸出關(guān)系、組成架構(gòu)、內(nèi)部輸入進(jìn)行分析，明確動力系統(tǒng)的仿真模型的組成對象和內(nèi)部接口。對動力系統(tǒng)和各個(gè)子系統(tǒng)之間聯(lián)系分析，確定動力系統(tǒng)外部接口。經(jīng)過長時(shí)間深入分析研究，建造成一個(gè)精確化、結(jié)構(gòu)化模型。高級對象是能源系統(tǒng)的整體和宏觀表現(xiàn)，低級對象是動力系統(tǒng)的局部和詳細(xì)描述。

4 結(jié)語

通過分析和處理飛機(jī)發(fā)動機(jī)的實(shí)際飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采取數(shù)值擬合形式確定發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)模型；通過分析發(fā)動機(jī)控制邏輯功能原理，創(chuàng)建了發(fā)動機(jī)的功能模型，采取模塊化方法建立發(fā)動機(jī)模型，所建立的發(fā)動機(jī)模型已應(yīng)用于飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練模擬器中。此發(fā)動機(jī)模型可以滿足對發(fā)動機(jī)精準(zhǔn)度與實(shí)時(shí)性需求，此模型有較高工的程實(shí)用價(jià)值。