基于AMESim 和MATLAB 的燃油調(diào)節(jié)器可視化聯(lián)合仿真

楊元楨，郭迎清，毛皓天

（西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安710129）

0 引言

某型彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)包括燃油調(diào)節(jié)器和被控對(duì)象發(fā)動(dòng)機(jī)，調(diào)節(jié)器根據(jù)控制指令并結(jié)合當(dāng)前飛行條件與發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)給燃燒室供應(yīng)燃油，并通過(guò)燃油流量控制轉(zhuǎn)速或壓比來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的目的[1-2]。一般的燃油調(diào)節(jié)器多為機(jī)械液壓式，根據(jù)其結(jié)構(gòu)建立的AMESim 模型復(fù)雜，如需對(duì)調(diào)節(jié)器的某種工作狀態(tài)進(jìn)行仿真，就要設(shè)定許多參數(shù)，這樣使其操作難度加大，且繁多的底層模型又難以對(duì)外演示。為了提高AMESim 模型的使用效率及其交互性、可擴(kuò)展性和展示性，有必要在設(shè)計(jì)階段建立燃油調(diào)節(jié)器的人機(jī)交互仿真界面。

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)液壓系統(tǒng)模型的可視化問(wèn)題，目前公開(kāi)的研究成果較少。付久長(zhǎng)等[3]提出將AMESim 建立的液壓數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入LabVIEW 中，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可視化仿真。郭迎清等[4]最早使用VB 軟件和ActiveX 技術(shù)，針對(duì)某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械液壓主燃油控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真平臺(tái)的構(gòu)建。本文提出直接在燃油調(diào)節(jié)器聯(lián)合仿真軟件的架構(gòu)上，進(jìn)行可視化仿真平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。

使用MATLAB/GUI 軟件設(shè)計(jì)的界面交互性好，而且還可以應(yīng)用該模型進(jìn)一步分析。本文針對(duì)某型彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)燃油調(diào)節(jié)器，采用AMESim 對(duì)液壓機(jī)械系統(tǒng)建模并應(yīng)用活性能量指數(shù)的方法簡(jiǎn)化，使用MATLAB/Simulink 對(duì)控制算法模塊建模，同時(shí)由于要在GUI 界面中實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入?yún)?shù)的調(diào)度以及仿真結(jié)果的圖形顯示，因此將調(diào)節(jié)器的輸入輸出也整合進(jìn)Simulink 中，在聯(lián)合仿真的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)可視化界面設(shè)計(jì)。

1 燃油調(diào)節(jié)器模型

燃油調(diào)節(jié)器聯(lián)合仿真模型如圖1 所示。3 維凸輪、轉(zhuǎn)速、溫度輸入和燃油流量輸出模塊通過(guò)AME2SLCoSim 接口導(dǎo)入Simulink，機(jī)械液壓部分則使用AMESim 軟件的標(biāo)準(zhǔn)液壓庫(kù)、液阻庫(kù)、液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)和機(jī)械庫(kù)來(lái)搭建。

圖1 燃油調(diào)節(jié)器聯(lián)合仿真模型

伺服閥或手柄的位置與要調(diào)節(jié)到的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速[4]一一對(duì)應(yīng)，實(shí)際轉(zhuǎn)速n 和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度T1*的變化通過(guò)凸輪柱組件、溫度傳感器綜合作用于3 維凸輪，3維凸輪輸出半徑?jīng)Q定了計(jì)量活門的型孔開(kāi)度。同時(shí)壓差活門控制計(jì)量活門型孔前、后壓差恒定，保證計(jì)量燃油量與活門型孔開(kāi)度成線性關(guān)系。這些組件之間通過(guò)這樣的相互配合，使得該調(diào)節(jié)器根據(jù)當(dāng)前飛行條件與發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)給燃燒室供應(yīng)燃油[5-6]。

2 模型簡(jiǎn)化

該燃油調(diào)節(jié)器聯(lián)合仿真模型較為復(fù)雜，再加上該調(diào)節(jié)器GUI 界面控件較多，底層代碼量較大，以至于基于該模型所建立的可視化界面響應(yīng)十分緩慢。為此，本文采取基于能量活性的模型簡(jiǎn)化方法。該方法能夠迅速得出系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各子元件能量變化情況，找出其中最不活躍的元件的子模型，通過(guò)對(duì)這些模型修改，大大降低由于搭建GUI 界面導(dǎo)致的底層模型仿真時(shí)間陡增的問(wèn)題。

2.1 模型簡(jiǎn)化機(jī)理

AMESim 中的活性指數(shù)工具是基于系統(tǒng)子模型中能量轉(zhuǎn)換的強(qiáng)大分析工具，能夠自動(dòng)進(jìn)行活性指數(shù)計(jì)算。通過(guò)活性指數(shù)計(jì)算可以確定系統(tǒng)中能量最活躍和最惰性的元件，從而刪除或修改模型中具有“低活性”的元素來(lái)簡(jiǎn)化復(fù)雜的模型[7]。1 個(gè)子模型的能量活性At可以被定義為功率絕對(duì)值對(duì)時(shí)間的積分

式中：P 為該元件的功率；t 為模型設(shè)定仿真時(shí)間。

通過(guò)計(jì)算模型中每個(gè)子模型的能量活性，便可得到其活性指數(shù)。第i 個(gè)子模型的活性指數(shù)AIi（Activity Index）被定義為：子模型的活性與整個(gè)系統(tǒng)模型活性總和的比。表達(dá)式為

2.2 簡(jiǎn)化方法

簡(jiǎn)化模型首先需要確定閾值，活性指數(shù)高于閾值的子模型不修改；反之，低于閾值的子模型則被列為修改對(duì)象。現(xiàn)采取活性指數(shù)計(jì)算并結(jié)合頻域特性分析的方法，來(lái)確定簡(jiǎn)化該燃油調(diào)節(jié)器模型所需參考的閾值。彈用發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械液壓控制系統(tǒng)的固有頻率一般在40 Hz 以內(nèi)，而通過(guò)AMESim 活性指數(shù)計(jì)算工具分析可知，模型中存在著一些具有高頻特性的子模型，有些固有頻率甚至高于1000 Hz。在AMESim 中，具有高頻特性的子模型，其活性指數(shù)都在0.01%以下，因此在該閾值以下的子模型均被列為可修改對(duì)象。

可修改對(duì)象的分類和化簡(jiǎn)方法需要大量的判斷確定。可化簡(jiǎn)對(duì)象被分為3 類：第1 類是在對(duì)液壓系統(tǒng)建模時(shí)，為了消除仿真產(chǎn)生的代數(shù)環(huán)而額外引入的壓力計(jì)算單元；第2 類是帶有彈簧腔的滑閥結(jié)構(gòu)；第3 類是功率雖小但在物理模型中實(shí)際存在的物理單元。對(duì)于第1 類情況的子模型，由于AMESim 的編程邏輯導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)上無(wú)法刪除，但該腔體子模型的體積參數(shù)值設(shè)得非常小，可以通過(guò)增加容腔體積的辦法降低其固有頻率。對(duì)于第2 類的彈簧腔，其活性低的原因是質(zhì)量塊∑動(dòng)很小，所允許的最大位∑也很小，說(shuō)明在滑閥中彈簧力幾乎是1 個(gè)常值，因此采用相匹配的恒值力源來(lái)替換彈簧。而對(duì)于第3 類的低活性元件，該模型中的壓力限制閥的活性指數(shù)低是由于在當(dāng)前設(shè)定的仿真環(huán)境下該元件未工作，因此不能簡(jiǎn)單考慮將其替換或刪除，而應(yīng)當(dāng)保留。

2.3 仿真對(duì)比

對(duì)修改后的模型進(jìn)行步長(zhǎng)為1 ms 的歐拉定步長(zhǎng)積分器求解。設(shè)計(jì)油門桿角度在發(fā)動(dòng)機(jī)的慢車、巡航、加力狀態(tài)（分別對(duì)應(yīng)2.5、7.5、12.5 s）進(jìn)行1%的階躍跳變。簡(jiǎn)化前、后的2 種模型仿真燃油流量響應(yīng)如圖2 所示，總仿真時(shí)間如圖3 所示。

圖2 2 種模型精度對(duì)比

圖3 簡(jiǎn)化前、后模型CPU 運(yùn)行時(shí)間對(duì)比

原高保真模型采用變步長(zhǎng)積分器求解的仿真燃油流量（圖2 實(shí)線）與簡(jiǎn)化模型采用定步長(zhǎng)積分器求解的仿真燃油流量（圖2 虛線）對(duì)比可見(jiàn)：2 種模型在穩(wěn)態(tài)點(diǎn)的誤差小于1%。在保證精度的前提下，對(duì)2種模型采用步長(zhǎng)為1 ms 定步長(zhǎng)積分器在15 s 的仿真時(shí)間計(jì)算，可見(jiàn)原模型的CPU 運(yùn)行時(shí)間為39.87 s，而簡(jiǎn)化模型的僅為4.71 s。

3 調(diào)節(jié)器GUI 仿真界面設(shè)計(jì)及分析

3.1 調(diào)節(jié)器GUI 仿真界面設(shè)計(jì)

為了進(jìn)行可視化界面設(shè)計(jì)，本文選擇將AMESim模型導(dǎo)入Simulink 進(jìn)行聯(lián)合仿真。在簡(jiǎn)化后的燃油調(diào)節(jié)器聯(lián)合仿真模型基礎(chǔ)上，通過(guò)Matlab 命令窗口中輸入guide 打開(kāi)GUI 的快速開(kāi)發(fā)環(huán)境GUIDE，在燃油調(diào)節(jié)器界面中添加各種控件并編制回調(diào)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)底層模型的輸入?yún)?shù)設(shè)定、仿真運(yùn)行，最終將仿真結(jié)果在可視化界面中顯示[8-11]，如圖4 所示。

圖4 軟件結(jié)構(gòu)框架

3.2 仿真驗(yàn)證

設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)為10 s，采樣時(shí)間間隔為0.01 s。

（1）利用已建立的GUI 仿真界面進(jìn)行模型的仿真演示，啟動(dòng)界面如圖5 所示。

圖5 啟動(dòng)界面

以3 維凸輪為計(jì)算核心裝置的燃油調(diào)節(jié)器，控制著整個(gè)飛行裝置在穩(wěn)態(tài)、過(guò)渡態(tài)穩(wěn)定工作。在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)的控制規(guī)律為mf= f1(n,T*1)→n=const；在過(guò)渡態(tài)（加減速）下，該系統(tǒng)的控制規(guī)律為mf/P2= f2(n)。

因此在設(shè)計(jì)GUI 界面時(shí)，要分別設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)控制和過(guò)渡態(tài)控制2 個(gè)子界面。利用啟動(dòng)界面（圖5）對(duì)這2個(gè)子界面進(jìn)行調(diào)用，通過(guò)點(diǎn)擊按鈕進(jìn)入下1 級(jí)子界面。

（2）點(diǎn)擊啟動(dòng)界面的穩(wěn)態(tài)控制按鈕，即可進(jìn)入燃油調(diào)節(jié)器穩(wěn)態(tài)控制子界面，如圖6 所示。該界面主要?jiǎng)澐譃橛覀?cè)的參數(shù)設(shè)定區(qū)及左側(cè)的圖像、數(shù)值顯示區(qū)。在編輯框內(nèi)輸入油門桿角度，即可繪制出當(dāng)下穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)點(diǎn)的輸出燃油流量響應(yīng)曲線，又能實(shí)時(shí)顯示出燃油調(diào)節(jié)器的關(guān)鍵參數(shù)：3 維凸輪半徑、計(jì)量窗口開(kāi)度和計(jì)量窗口前、后壓差。當(dāng)外界條件變化或存在人為干擾時(shí)，調(diào)節(jié)器根據(jù)調(diào)節(jié)規(guī)律來(lái)保持轉(zhuǎn)速恒定，如圖7 所示。

圖6 調(diào)節(jié)器穩(wěn)態(tài)控制界面

圖7 調(diào)節(jié)器階躍響應(yīng)

從上述仿真結(jié)果可見(jiàn)，外界條件不變，當(dāng)油門桿角度推至65°時(shí)，燃油調(diào)節(jié)器供給發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的燃油流量穩(wěn)定在322 L/h。從圖7 中可見(jiàn)，通過(guò)滑塊或可編輯文本框鍵入T*1（發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度）或發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來(lái)仿真。當(dāng)外界參數(shù)小范圍變化使得被控對(duì)象偏離當(dāng)前穩(wěn)態(tài)點(diǎn)時(shí)，此為調(diào)節(jié)器輸出燃油流量的變化過(guò)程。

在如圖7 所示的可視化界面中，系統(tǒng)變量輸出界面實(shí)時(shí)顯示燃油流量變化曲線以及燃油調(diào)節(jié)器的關(guān)鍵參數(shù)值。以轉(zhuǎn)速n 變化為例：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由均衡轉(zhuǎn)速6338 r/min 降至5699 r/min 時(shí)，飛重離心力減小，3 維凸輪輸出半徑增大，燃油調(diào)節(jié)器的供油量增加，從而調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速回復(fù)[12-13]。從圖7 中還可見(jiàn)，燃油調(diào)節(jié)器在經(jīng)歷0.1 s 的波動(dòng)后穩(wěn)定在新的輸出燃油流量值。

（3）燃油調(diào)節(jié)器過(guò)渡態(tài)控制子界面的整體布局（如圖8 所示）與穩(wěn)態(tài)控制子界面的相類似，通過(guò)列表框選擇加速或減速過(guò)程，再在可編輯文本框中鍵入油門桿角度（PLA）的∑動(dòng)范圍，即可仿真發(fā)動(dòng)機(jī)從一種工作狀態(tài)迅速過(guò)渡到另一種工作狀態(tài)下的燃油調(diào)節(jié)器的油氣比特性[14]，同時(shí)通過(guò)該子界面顯示出模型底層的關(guān)鍵參數(shù)值。

在發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡態(tài)下，燃油調(diào)節(jié)器的作用是在快速推動(dòng)油門桿時(shí)，通過(guò)設(shè)定的油氣比控制規(guī)律來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在加、減速的過(guò)程中不喘振不超溫，且調(diào)節(jié)時(shí)間短[15]。

圖8 調(diào)節(jié)器過(guò)渡態(tài)控制界面

通過(guò)聯(lián)合仿真，MATLAB/GUI 直接讀取AMESim模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件，使燃油調(diào)節(jié)器的控制過(guò)程可視化，同時(shí)繪制出仿真的直觀信息，從而可以更加快速地進(jìn)行AMESim 模型參數(shù)設(shè)置以及建模驗(yàn)證，提高系統(tǒng)仿真和分析的效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)AMESim 模型的可視化問(wèn)題，本文提出基于聯(lián)合仿真架構(gòu)的MATLAB/GUI 設(shè)計(jì)思路，并對(duì)彈用發(fā)動(dòng)機(jī)燃油調(diào)節(jié)器進(jìn)行實(shí)例分析。結(jié)果表明：基于AMESim 和MATLAB 的可視化聯(lián)合仿真，在利用AMESim 對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)，可以通過(guò)可視化界面觀察整個(gè)燃油調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)、過(guò)渡態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程，為設(shè)計(jì)和分析提供支持；所設(shè)計(jì)的可視化界面友好，操作簡(jiǎn)單，在進(jìn)行特定狀態(tài)仿真時(shí)，不需要在AMESim軟件下進(jìn)行繁雜的輸入?yún)?shù)設(shè)定，大大提高了AMESim 模型的使用率。