航空發動機電氣控制半實物虛擬仿真平臺開發

費仇浩 朱振宇 包興旺 陸星宇 鄒權 孫兆榮

摘? 要：發動機飛機的核心，保證其安全可靠和快速起動，對飛機飛行安全和及時迅速地起飛并執行完成預期的任務是至關重要的，所以有必要對飛機的起飛過程進行更加深入地研究。然而真實的飛機發動機造價昂貴，且對于實驗室建設的要求過高，因此我們跟隨導師共同完成航空發動機電氣控制半實物虛擬仿真平臺大學生創新創業項目的創立，我們結合民航發動機電氣控制系統原理及功能，設計開發集發動機轉速、電氣運動部件、控制率等于一體的硬件模擬平臺，運用LABVIEW軟件開發發動機電氣控制及狀態監控上位機軟件，實現上位機與硬件平臺的協調工作，完成發動機電氣控制的關鍵功能。同時，開發3D虛擬發動機模型，實現上位機、硬件平臺及虛擬模型的聯動，充分再現真實發動機的控制規律與過程。

關鍵詞：3D軟件;LABVIEW;上位機;硬件平臺及虛擬模型的聯動

中圖分類號：V23? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）10-0038-04

Abstract： The core of the engine aircraft， to ensure its safe， reliable and fast start， is very important for the aircraft to take off safely and quickly and complete the expected tasks in a timely manner， so it is necessary to conduct a more in-depth study on the take-off process of the aircraft. However， the real aircraft engine is expensive， and the requirements for laboratory construction are too high， so we follow our mentor to complete the creation of the innovative and entrepreneurial project of the aero-engine electrical control hardware-in-the-loop virtual simulation platform for college students. Combined with the principles and functions of the civil aviation engine electrical control system， we design and develop a hardware simulation platform that integrates engine speed， electrical motion parts， control rate and so on. The upper computer software of engine electrical control and condition monitoring is developed using LABVIEW software， which realizes the coordination between the host computer and the hardware platform， and completes the key functions of engine electrical control. At the same time， the 3D virtual engine model is developed， so as to realize the linkage of the host computer， the hardware platform and the virtual model， and fully reproduce the control law and process of the real engine.

Keywords： 3D software; LABVIEW; host computer; linkage of hardware platform and virtual model

1 發動機的結構構造

航空發動機作為航空飛行器的動力核心，起動過程的順利與否直接決定了發動機能否正常工作，起動性能的好壞也是一項衡量一個航空發動機綜合性能的重要指標。

航空發動機的結構非常復雜，形式非常多樣，因此想要航空發動機的模型建立前必須要對真實發動機結構有清晰的認識。本課題建立的仿真模型全部是基于CFM56-5系列航空發動機。空中客車A320系列飛機使用的就是這種發動機。這款發動機的起飛推動范圍可達21000至30000磅，完全適用于此類飛行器的需求。渦輪發動機大家族里最為典型的，最具有代表性的就是這款發動機。它長2.14m，寬1.97m，可達2381kg。核心機部分和整流罩部分是渦輪發動機的動力裝置最重要的組成部分。在外形上，整流罩完全達到空氣動力學的標準，是飛機在高空作業時，依然保持良好的飛行穩定性，使得平穩飛行。提供動力的還有空氣系統，除此之外它還可以冷卻渦輪發動機內部由于旋轉產生大量熱量的高溫部件。增壓軸承腔內，使艙場內部通氣。負責供給和傳送則是燃油系統，通過燃燒室燃燒的化學能來達到發動機活門的伺服壓力調節。

空氣通過進氣道進去渦輪發動機后有兩個去向，一方面從內涵道，空氣依次經過低壓壓氣機，高壓壓氣機，燃燒室，高壓渦輪，低壓渦輪，從而被排出機外。另一方面則從外涵道流過，經過風扇直接排除機外，與內涵空氣一起噴射，產生大量動力。CFM56-5系列航空發動機是典型的雙輪發動機，此類發動機有兩個轉子系統互相獨立，分別為高壓轉子和低壓轉子。它們由5個軸承連接，內部還有兩個軸承腔。

總體而言，CFM56-5系列航空發動機采取的是模塊式設計，大大小小可分為17個模塊。但是大體上根據功能可以歸類于三大模塊：風扇模塊，核心機模塊，低壓渦輪模塊。風扇模板可分為風扇，低壓壓氣機組件，風扇結構組件等。核心機模塊分為：高壓壓氣機，燃燒室和高壓渦輪機等。

2 3D模型的建造

為了項目的更好的實施，逼真，模型的建立要足夠的精確。就現在而言，3D模型的建立，國內外的許多機械師都使用Solidwoks軟件。因為就目前SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發的三維CAD系統，且該軟件功能強大，組件繁多。它每個平面的草圖都與CAD草圖的繪制過程相同，對于有CAD使用基礎的用戶非常便捷。對于初學者而且，簡單易學，操作簡便，便于理解。滿足現代機械設計的全部需求。

對于本項目而言，我們需要對渦輪發動機的幾個核心部件進行模型建立，如風扇部件，壓氣機部件，轉子部件等。每一個部件都得盡量的逼近實際，以達到項目要求。在零部件都完全建造完成后通過Solidworks的組裝功能進行拼裝，完成目標。

我們以葉片的構造為例：對于渦輪發動機而言，完成壓氣機和渦輪的進行功能轉換的最為重要的組成元件就是葉片了。葉片雖小，但構造極為困難。它是由機身和棒頭組成的。對于葉身而言，它本身的截面就擁有一些彎曲的葉型，截面的形狀與位置和葉高的不同是息息相關的，隨著葉高的不同而不斷變化。工作狀態下，葉片由于樣頭可以達到固定在轉盤的效果。所以在造型方案的確定階段，我們可以將葉片分為葉身和檸頭兩部分從而進行構造，并且分別造型，然后根據尺寸大小進行拼裝縫合。

關于葉身方面的構造，看似簡單，實則復雜，由于本身是由許許多多的連續扭轉曲面構成的扇形。由于葉片具有自身剖切面重心在一條直線上這個顯著的特點，使得我們可以用垂直于這一重心線的六個剖切平面去剖切葉身，形成的剖切平面可以輕松投影成一個封閉的二維曲線。然后就可以通過Solidworks的自帶功能，進行平移，翻轉等操作構造葉身的框架。具體的實施步驟則是（1）選擇六個剖切基準面：葉片本身就是一個三維圖形，對于它的六個剖切平面，我們得事先確定好基準面，在基準面上進行詳細操作。基準面是具有平行關系的，因此我們可以選擇等距平面。（2）構造二維曲線：曲線本身是非常圓滑的，但是由于葉片曲線是由兩段圓弧和中間的曲線段光滑連接組成。所以我們可以通過取點的方法來間接性實現，在二段圓弧上取一系列的點，在去除圓弧本身，根據基準面的數據進行選擇性的連接構造，實現目標。（3）扭曲平面的相對形成：各截面的形狀和相對位置與葉高息息相關的，隨著葉高的變化而變化。通過二維曲線的構建成所封閉的封閉曲線，根據不同的扭轉角進行旋轉平移的實際操作。同時保證它們的截面中心必須在同一點上，這樣才能達到要求。（4）葉身的最終拼裝。通過上述獲得的零部件，通過旋轉，拉伸，最終得到葉身。

榫頭造型的模型構造相對于葉身顯得簡單了。我們只需要考慮計算榫頭實際形狀、榫頭與葉身構成的相對位置、榫頭在輪盤上實際安裝位置和榫頭的設計形狀是圓臺的一部分等一些重要因素。其主要步驟則是先選擇合適的基準面，在基準面上進行詳細的草圖繪制，然后再將凸臺進行拉伸，凸臺上再選擇基準面，繪制詳細的結構草圖，切除多余部分。以此步驟進行九次才能得到榫頭設計。最終再通過軟件的強大功能，根據技術要求進行細致準確的拼裝，完成葉片的模型構造（如圖2）。

3 虛擬平臺的建立

在進行完渦輪發動機的3D模型的構造后，我們則進入該項目設計的最為關鍵，最為核心的部分：虛擬仿真平臺設計。關于虛擬仿真平臺，我們推薦使用LABVIEW軟件，LABVIEW是NI公司專門研發出來基于圖形的集成化程序軟件開發環境，在其設計中，加入了虛擬機的構造內容。同時LABVIEW的功能也是十分強大，它完全可以勝任數據采樣，儀器控制和數據分析等強大功能。其次對于LAVIEW的運行，我們不需要太高的配置，在一般的配置電腦上也能輕松運行，構造出用戶心儀的虛擬模型機，其功能特性與真實機器功能相差不大。與此同時，它還備有強大的函數庫資源，提供非常多的數據庫模板的選擇，無需封裝，點開即用，非常方面與快捷。由于LABVIEW本身是由G語言構造，而且前面板與程序版只需要通過元件連線就可以輕松實現并達到預期要求，不需要精通C等各種語言，也可以輕松容易的達成。對于LABVIEW的虛擬機的構造，我們可以分為幾大步驟。（1）建立Solidworks軟件與LABVIEW軟件的聯系：Solidworks與LABVIEW可以進行轉換的，首先把Solidworks中繪制的發動機零件轉換為WRL格式，在另存為WRL格式前要先設置Solidworks的輸出選項，即輸出的版本格式選擇為VRML_97，單位設置為毫米級。雖然Solidworks與LABVIEW存在連續，但Solidworks的輸出格式則并不是為了LABVIEW服務的。如果格式不能是LABVIEW所接受的，則會顯示錯誤，導致三維模型建立以失敗告終，程序無法運行。（2）模型的路徑構造：對于路徑的構造，我們可以根據零部件的相關聯度進行路徑的確立。我們以整流罩為底座作為基路徑，成為一切路徑的基礎，其次在其分支上設立分路徑，根據關系將分路徑與零部件一一對應詳細構造而成。由路徑構成，但并不能保證零部件在情景的呈現是否無縫連接，我們還得需要根據實際情況進行零部件的平移與轉移。（3）渦輪風扇發動機轉子和葉片的轉速控制模塊并確定每個零件的旋轉方向：這部分得根據渦輪發動機的實際情況進行詳細的操作。在旋轉速度的控制方面采取分支結構，在每一個要旋轉的零部件比如轉子，壓氣機等方面設立單獨的旋轉控制系統與之對應。對于一些顯性的控制，我們可以直接控制的地方，比如葉片的旋轉，我們可以在前面板構造一個葉片的旋轉控制按鈕。通過這個按鈕來控制程序版的執行，使得葉片開始旋轉。對于一些隱性構造則是直接通過內部程序版得到的數據進行自動的旋轉運行。（4）聲音反饋：對于轉速的變化，我們肉眼是無法看出來的，所以構造一個聲音的反饋系統，通過采樣轉子的速度，根據快慢得到相對的聲音，比如轉子慢時，聲音顯得沉悶;快時，則聲音會非常尖銳。我們可以根據這樣直觀的感受得到轉子快慢的速度體現。這樣我們的LABVIEW的主體框架就做好了，其余部分，我們還可以對LABVIEW的前面板進行美化，修改。比如背景圖的設立，情景框圖的大小，模型的位置，按鈕的排版都需要我們去完成構造（如圖3）。

4 硬件平臺的形成

對于硬件平臺的組成部分分別為控制器，直流電機，步進電機，直流電機控制板和步進電機控制版。左右發動機的模擬則是由直流電機來模擬。至于發動機的燃油計數部分和起動空氣閥的開度由步進電機實現。對于硬件平臺的設立：（1）元件的選擇：關于元件的選擇，例如我們選擇FPGA開發板作為直流電機的選擇控制，為了實現對實驗箱內部的控制電路部分。它不僅可以處理定制電路的各種弊處，還可以增加可編輯門電路的數量，以便達成良好的控制編程效果，大大提高了工作效率，使開發空間有了很大的提升。（2）電路的制造：我們必須事先通過學習整理描繪出電路的連接直觀圖，分析電路中存在的錯誤，計算出電路的可實時性，不斷優化和改進，以便達到最佳的效果。（3）平臺的打造：根據已畫的電路圖，對比相對應的元件，注意元件的正負特性，規劃好平臺的構造理念，使排版更為簡單，一旦出現問題，維修更加方便（如圖4）。

5 軟硬件的相互調試

隨著硬件平臺的完全搭建，接下來就是硬件與軟件的連接調試工作了，即虛擬機與實驗箱的同步運行了。要求發動機模型虛擬的動態選擇速度能夠與實驗箱的保持一致。航空發動機的模擬的高低壓轉子與前面板的數值變化也應保持一致，達成項目的設立要求。

6 結論

本項目我們研究了以CFM56發動機為典型而建立的半實物虛擬仿真平臺的開發，著重的研究了此類發動機的結構特點，控制系統的實施，起動的過程和發動機在LABVIEW軟件環境下實施的情況，實現了與硬件平臺的信息交互，完成項目的構造，但是這只是完成了項目的初期要求，結合實際，發動機的構造遠遠不止這些，遠比這復雜的很。實際中發動機的氣流量，燃油的消耗率，排氣溫度等因素都是具有非常大的作用的。因此對于項目的后續，我們還有以下設想：完善發動機的各種參數，研究在不同參數下發動機的各種表現，進一步的提高系統的可靠性和逼真度。

參考文獻：

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