飛機維護模擬器發動機系統仿真模型研究

吳英，吳慧，王振偉

（航空工業上海航空測控技術研究所，上海，201601）

0 引言

飛機維護訓練模擬器是訓練飛行員的一種模擬設備，具有座艙通電檢查訓練、故障解決處理訓練、發動機地面試車訓練等作用。飛機維護訓練模擬器最重要的一個訓練項目是發動機地面試車訓練，發動機試車訓練成效是否突出就在于飛機維護訓練模擬器做的是否逼真。因此只要模擬器做的逼真，那么模擬訓練飛行員們就可以很好的掌握飛行知識，駕駛飛機升空演習。飛機發動機作為飛機的心臟，是由機械、熱力、流體等較為復雜的系統構成，實際上是一個非線性系統，非線性系統會在發動機模型中表現出來[1]。本文依據發動機地面試車數據建造出合適地面試車的發動機模型，用來研究飛機維護訓練模擬器。

1 發動機系統工作原理及模型特征

■1.1 發動機系統組成和工作原理

建模研究對象是由兩個涵道、兩個轉子所構成的渦扇發動機，如圖1所示。外界空氣通過飛機進氣道進入到發動機內，之后利用風扇提升它的溫度與壓力，最后進入到分流機閘內。在進入分流機閘后，會將空氣分為兩股氣體，一股進入到內涵道，一股進入到外涵道[2]。

圖1 動機系統架構

空氣進入到外涵道之后會流入至延伸筒，流入內涵道的空氣會在壓氣機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、高壓燃氣，進入到渦輪中完成能量變更，變更為機械能后，燃氣流壓力和溫度也會隨之降低。燃氣通過渦輪之后，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 發動機模型建立

因為飛機維護訓練模擬器要求模型有較高的真實性和完整性，發動機系統建模不能一味的對其氣動和熱性能的仿效，必須涉及所有內部子系統[3]。大致可分為以下幾個方面：發動機性能與發動機控制、發動機地面各個方面。發動機控制由PMC與MFC構成，運行原理如圖2所示。發動機的MFC經過風扇壓力和油門桿壓力形成溫度壓力，將發動機PMC可以快速校正轉子的轉速，最后通過高壓轉子的實際值獲得實際燃油流量。

圖2 發動機控制系統結構

電子調節系統是發動機動力管理系統的一部分。首先，通過插值風扇進氣口的溫度和壓力以及氣壓桿的位置來獲得風扇轉速的預期值。通過與風扇的實際轉速進行比較，可以獲得轉速差。過濾后，對它實行積分，以獲得高壓轉子的預期轉速修正值。

■1.3 發動機系統模型特征

目前，大多數發動機仿真模型都需要建立高精度的數學模型。這些模型可以準確表現出飛機部件性能，但是只有這些部件擁有準確數據才可以建立出一個接近真實的模型，不僅計算方法極為復雜，需要花費時間很長、難以滿足實時性[4]。飛機維護訓練模擬器可以不用說明發動機工作關系與各零件的工作狀態，但必須要滿足實時性條件。建立發動力模型時，我們可以將發動機視為一個“黑匣子”。依據飛機維護訓練模擬器發動機試車訓練條件，發動機模型必須滿足以下條件:

(1)發動機系統模型要精確模仿發動機地面試車的性能反應；

(2)發動機系統模型要及時模仿發動機的反應；

(3)發動機系統模型要可以傳輸發動機衡量變量；

(4)發動機系統模型需要包括電氣控制開關、油門桿角度等輸入；

(5)發動機系統模型要精確模仿發動機地面試車。

■1.4 仿真模型的特征

創建一個飛機維護訓練模擬器需消耗大量的人力、物力和時間，需用到計算機技術、飛行模擬技術、信息技術等向相關方面技術。飛行模擬器將許多相關知識和技術結合在一起，也是很多研究人員盡心研究的成果。正是因為這些原因，飛機維護訓練模擬器仿真各個部分需有可拓展性能、可移植性能與通共性能，以此來滿足構型的不可預測的各種應用條件。伴隨著仿真數據的更新，需根據用戶需求來改進發動機模型，使其進一步提升發動機仿真技術。

2 飛機維護訓練模擬器發動機性能建模

■2.1 發動機模型的建模原則

為了建造一個實時、全面、精準的航空動力模型，主要研究了渦扇類發動機和控制系統建模和仿真形式，并根據之前建模經驗，結合現代技術，提出控制系統建模與飛行模擬器發動機的根本原則。

2.1.1 以研究目的和應用需求為重要依據

如果經濟和時間都允許的情況下，要以提升實時性為終極目標，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，對于仿真精度來說次要因素不要過于重視，進而提升仿真實時性[5]。

2.1.2 以模擬器的第一級子系統為分界面

探究動力系統與模擬系統各個分系統的關系，提煉對應交互變量，建造一個與這有關的分系統仿真模型或是動力系統，保證各個分系統傳遞信息的真實有效性以及模擬器可以正常運轉。

2.1.3 以發動機與控制器之間的交互為分界

在發動機控制時間內，提取控制器需要在發動機傳感器內傳輸信息，為了保證發動機得以有效控制，就需建造主傳感器仿真模型。以提高仿真精準度，模擬傳感器變動過程也是一方法。

以上都是以飛機維護訓練模擬器為基礎講述的建模原則，強調應通過各個基礎點來建立和改進模型。主要詳細描述了動力系統，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時性?；诮Y構清楚、有層次、突出重點的原則進行建模，雖是以飛機維護訓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，促進仿真模擬系統快速發展，為仿真模擬研究提供了參考。

■2.2 偏導數法建模

盡管部分推導法的建模精度略低于遺傳算法與擬合法，但相比來看，偏導數法建模過程最快捷、直觀，建造的變量模型可以滿足飛機維護訓練模擬器對精準度的要求。故建造發動機變量模型采取的是偏導數法。偏導數建模原理可以從兩個方面來了解，即偏導數的求解與模型的線性化。

■2.3 發動機故障建模

飛機系統中最為復雜也是故障率最高的就是發動機系統，飛行員工作狀態好壞直接關系著乘客們生命安全與飛機是否可以安全飛行。所以每個飛行員在飛機維護訓練模擬器上訓練就顯得尤為重要，其中絕對優先的則是發動機故障訓練[6]。飛行模擬訓練內容包括操縱訓練與發動機啟動，這些訓練知識飛行員做應該掌握飛行知識的基礎，飛行員還需利用故障訓練來鍛煉遇到緊急突發情況處理問題的能力。飛機維護訓練模擬器的發動機建模包含故障狀態建模與正常狀態建模。

對于航空發動機而言，它的構成零件較為豐富，而且它們的工作環境較為復雜，涉及到高溫、高負荷、高轉速，而且這些零件的結構、工作狀態也具有較高的復雜性，這就容易使得發動機在日常使用環節容易表現出多發故障特點，具體就是說，該裝置的故障種類較多，而且十分復雜，整體可以細分成附件系統、結構強度型、性能型故障。當前，有關發動機故障模擬技術，代表性的就是飛機模擬器，它提供了專門的發動機故障模型，可以想要實現全面的故障模擬，難度很高，當然，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，就對容易產生的性能型故障進行了梳理，其中就包括燃油、發動機、啟動、滑油系統等，然后將它們細分成四個類別，構建該發動機故障樹，對不同種類故障進行描述時，使用了故障效應、原因、名稱等要素信息。在建模過程中，基于正常狀態模型，利用故障因子構建不同故障模型。

■2.4 起動故障模型

發動機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。引起發動機發生不良起動原因有很多，例如因為啟動供油量缺少或是燃油過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，應結合異常啟動效應調整和補償正常條件下發動機的主要控制（燃油流量）變量，從而改變整個發動機的啟動狀態與啟動模型的基線狀態變量。

發動機懸掛啟動時出現問題，燃油供量不足，低壓和高壓轉子緩慢，最后高壓轉子轉速與低壓轉子轉速相同。因此，在建模過程中，燃油流量限制器和比例控制器用于調整流向發動機的燃油流量，使其與正常燃油供應成比例，與此同時，不得超過懸架打開狀態下確定的最多供油量。

3 動力系統模型研究

對燃油流量、壓氣機進行控制的裝置可以稱作發動機控制系統。飛機維護訓練模擬器對磁控制系統進行模擬，也是發動機系統模型的關鍵構成。該模擬器中的發動機模型，可以對該控制系統的邏輯與功能進行模擬。從理論角度來分析，該模型能夠對實際發動機系統的諸多功能與邏輯進行客觀模擬，不過為了滿足實時性需求，在模擬過程中，需要對相關模型進行簡化處理。為此，需要基于模擬器實際需求以及仿真周期來對簡化顆粒度進行明確。

■3.1 發動機啟動控制邏輯模型

對發動機正常啟動控制邏輯進行模擬，實際上就是對啟動機活門的通斷、點火、發生器的通斷等邏輯進行模擬，這種技術又可以被稱作發動機啟動控制邏輯。在此模型下，能夠對底艙的不同操作鈕信號、供電標志信號等有關信息進行模擬，并能進一步生成發動機能否正常啟動的標志信息，從而幫助人們判斷與分析發動機性能。通常，發動機在地面正常啟動過程中，此時相關參數存在著對應的制約關系。第一，供電接通需要具有有效性；第二，完成了FADEC自檢；第三，發生器啟動沒有異常；第四，發動機能夠在地面上沒有異常的啟動。

■3.2 動力系統的仿真模型結構

在建立一個仿真模型之前要先合理分析研究系統，之后再建立。最先對實際系統特點進行清晰描述，明確構成系統對象之間存在的聯系，進而建立成層次化模型。飛機維護訓練模擬器最重要的一個子系統就是動力仿真系統，和模擬器很多系統都有著一定的聯系。對發動機控制系統輸出關系、組成架構、內部輸入進行分析，明確動力系統的仿真模型的組成對象和內部接口。對動力系統和各個子系統之間聯系分析，確定動力系統外部接口。經過長時間深入分析研究，建造成一個精確化、結構化模型。高級對象是能源系統的整體和宏觀表現，低級對象是動力系統的局部和詳細描述。

4 結語

通過分析和處理飛機發動機的實際飛行試驗數據，采取數值擬合形式確定發動機穩態模型；通過分析發動機控制邏輯功能原理，創建了發動機的功能模型，采取模塊化方法建立發動機模型，所建立的發動機模型已應用于飛機維護訓練模擬器中。此發動機模型可以滿足對發動機精準度與實時性需求，此模型有較高工的程實用價值。