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1、第9卷 第10期 2009年5月167121819(2009)1022685207科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringVol19No110May 2009 2009Sci1Tech1Engng1航空发动机控制系统集成仿真平台祁新杰 郭迎清 王海泉(西北工业大学动力与能源学院,西安710072)摘 要 针对航空发动机控制系统仿真模型难以建立,仿真集成度不高,仿真功能不易用的问题,搭建航空发动机控制系统集成仿真平台。仿真框架遵循MVC(ModelView Controller)设计模式分为模型层、数据库层和应用层。以Simulink为模型层
2、的基础,结合AMESim和VC建立控制系统的联合仿真模型。以ActiveX自动化技术为基础,使用VB软件实现该仿真平台。以某型航空发动加速过程为例,建立联合仿真模型,完成仿真优化案例,验证仿真平台。仿真过程表明该仿真框架降低了建模难度,模型可扩充性好,仿真平台可以应用于航空发动机控制系统的集成仿真和工程应用。关键词 航空发动机 控制系统 联合仿真 应用平台中图法分类号 V23317;文献标志码 A2009年2月6日收到第一作者简介:祁新杰(1984),男,河南南阳人,汉族,硕士研究生,研究方向:航空发动机控制系统建模与仿真。E2mial:。随着航空发动机技术的不断进步,航空发动机控制系统也变得
3、日益复杂。对航空发动机控制系统进行仿真一直是国内外研究的热点1。但从国内外资料来看,对航空发动机控制系统的仿真分析多是单独进行的,以数字电子控制或机械液压系统为切入点,很少涉及到数字电子与机械液压的协同仿真。目前,国内处于从机械液压到数字电子过渡的过程,既要通过传统的机械液压装置保障装备的可靠性,又要通过数字电子改善装备的性能,这就迫切要求搭建一个可以综合分析数字电子和机械液压控制系统的平台。使用该仿真平台既可以对既有机械液压控制系统进行改进改型,以挖掘潜力提升性能;又可以对数字电子控制系统的设计积累经验,降低试验成本。1 仿真框架对于航空发动机控制系统仿真,存在以下几个难点:控制系统的建模难
4、度大;控制系统涉及多个学科,多学科协同仿真集成度高;基于高精度仿真模型的各种应用需求多,但目前的仿真功能实用性不强或过于复杂;各种模型和应用的可重用性低。为了解决上述问题,仿真框架按照MVC设计模式进行,整个仿真框架为三层,包括模型层、数据库层和应用层,其基本框架如图1所示。采用MVC设计模式,可以使整个仿真框架具有以下优点:图1MVC仿真框架结构图(1)低耦合性模型层和应用层分离,这样就允许扩充模型层而不用更改应用层代码,只需要在数据库中加以配置即可。同样,一个新的应用模块的产生也不会对模型层产生影响。模型层与应用层的分离,使得可以单独扩展仿真平台的仿真模型和仿真应用。(2)高重用性和可扩展
5、性高精度控制系统仿真模型是整个仿真平台的基础。在模型层的基础上,针对同一模型,可以开发不同的应用模块,满足不同的应用需求,仿真模型的重用性好,应用模块的可扩展性好。(3)有利于软件工程化管理整体软件仿真框架分层,每层完成其特定的功能,有利于仿真平台的工程化管理和工程应用。111 模型层模型层是整个仿真框架的基础,该层主要包括航空发动机控制系统的多学科联合仿真模型。航空发动机数字电子 机械液压控制系统涉及电子、机械、液压、气动等多个学科,单一的建模软件无法满足如此复杂系统的需要,因此需要采用多学科联合仿真的方法搭建系统的完整仿真模型2,3。模型层采用AMESi m、Simulink和VC建立系统
6、的多学科图2 模型层结构框图联合仿真模型,其结构框图如图2所示。Simulink主要对控制算法进行建模,包括机械液压装置中完成计算功能的机械模块;AMESim主要用来对液压系统进行建模4;VC主要用来建立航空发动机的模型。模型层中各模块通过软件接口建立联系,因此各个模块之间的联系不是一成不变的。整个模型层是一个开放的软件协作平台,是一个充满弹性的建模框架。例如使用EASY5或者HOSPAN代替AMESim建立液压系统的模型;使用C或者FOR2TRAN建立航空发动机的模型,但基于以下几点考虑,采用Si mulink作为模型层的基础:1)Si mulink建模简洁,m语言使用方便,易于实现复杂数字
7、电子控制算法的编程;2)Si mulink在仿真领域的领先地位使各个主流的专业仿真软件都提供了与Simulink的接口,方便实现软件间的协同仿真5;3)可以通过S2function扩展Simulink的功能,与使用其它编程语言建立的航空发动机模型建立联合仿真。112 数据库层数据库是仿真平台的核心。在数据中主要存储并管理三类数据,仿真相关,管理相关,配置相关。仿真类数据存贮了每次仿真的相关信息,包括仿真模型信息,仿真参数信息,仿真M文件信息,仿真报告信息等。管理类数据主要用于管理仿真模型、各个仿真模型的仿真参数,以及用于用户管理的基本信息。配置类数据配置仿真平台,完成MVC仿真框架中contr
8、oller的功能。通过在配置类表格中合理配置仿真平台相关的数据,可以组合不同的应用层模块,从而展现不同的应用功能以满足用户的多种需求。即对于同一个模型,面对不同的应用需求,可以生成相应的定制应用程序。113 应用层应用层提供了一组功能模块的集合,通过组合这些功能模块可以完成用户的定制应用需求,完成仿真框架中View层的功能。为了灵活展现不同的应用界面,方便仿真平台拓展应用功能,应用层的设计采用组件对象技术,将各个主要功能以组件的形式编写出来,降低各功能模块之间的耦合,各模块之间的联系通过数据库中的配置类数据加以管理。整体的应用层框架是松散的,各个子模块的功能是高度内聚的。图3展示了应用层结构以
9、及完成控制系统联合仿真的一些基本功能组件。114 仿真平台的功能由于组件对象技术的良好扩展性,可以通过开发各种基于模型的应用组件,拓展仿真平台的应用功能。通过组合不同的应用模块,从而使仿真平台6862科 学 技 术 与 工 程9卷图3 应用层设计结构满足多种应用需求:(1)一键式仿真由于多学科协同仿真模型涉及多个应用软件,每个应用软件都有各自的设置方法,各个软件的接口都有特定的接口设置流程,为了简化繁琐的参数设置和仿真设置步骤,我们通过数据库配置这些参数和仿真设置,再把相关的设置功能通过图形用户界面友好的提供给用户,使用户可以轻松设置各参数,完成一键式仿真。(2)性能优化对控制系统的优化可以通
10、过两种方式完成。一种是基于模块级的,完成模块级别的优化,例如对于液压模块,AMESim提供了NLPQL和遗传算法两种优化方法;一种是基于整个仿真框架的,借助于Matlab/Simulink强大的运算功能和优化工具箱,编写优化算法,完成对整个控制系统的优化。(3)基于高精度仿真模型的自动调试在复杂机械液压控制系统的生产过程中,调试是一个非常重要的过程,传统的调试方法主要参考调试大纲,凭借调试经验,调试工序复杂,调试难度高,调试成本昂贵。在控制系统高精度模型的基础上,一方面我们可以分析系统关键零/部件的参数变化对系统整体性能的影响,另一方面我们可以在仿真模型中考虑单个产品的生产加工差异,输入实际的
11、加工尺寸,通过联合仿真获得产品的实际性能。在得到产品的实际性能和重要零部件对产品性能影响的基础上,可以通过仿真平台模拟这个调试过程,完成计算机辅助调试。(4)数控/备份切换研究针对航空发动机的数字电子 机械液压控制系统,对控制系统的切换研究一直是难点。通过在模型层中建立完整的数字电子控制器模型,机械液压控制模型以及切换部件模型,可以方便的在应用层加入切换研究模块,完成数控/备份切换系统的仿真研究。2 仿真平台的实现仿真平台的实现采用VB软件和ActiveX自动化技术:786210期祁新杰,等:航空发动机控制系统集成仿真平台211VB软件支持组件对象技术可以使用VB软件方便的建立各种COM组件对
12、象,快速的建立应用层模块。VB可以作为组件容器,黏合各个功能组件。212VB软件对数据库编程支持较好可以方便建立基于数据库的应用程序,有利于仿真平台应用层和数据库层的数据交互。213VB软件支持ActiveX自动化技术可以方便和联合仿真模型的Matlab/Simulink平台建立ActiveX自动化服务器关系7。从而通过仿真平台应用层模块控制联合仿真模型的运算。由于仿真框架的开放性和扩展性,仿真平台应用程序不是一成不变的,仿真平台根据数据库中的配置文件表现不同的图形化应用程序,但运行仿真功能是该平台的基础功能。图4以运行仿真为例介绍仿真平台的实现结构。一次基本的仿真运算涉及模型选择、参数设置、
13、仿真设置、M文件生成、执行仿真、仿真报告等功能组件。上述功能组件均与数据库建立联系,一方面从数据库中读入数据或向数据库中写入数据,一方面按照数据库中的配置数据运行基本仿真流程。其中执行仿真组件作为控制端通过ActiveX自动化技术控制Simulink平台下联合仿真模型的运行,完成一键式仿真。图4 仿真平台结构简图3 仿真平台应用实例下面以某型涡扇发动机数字电子 机械液压控制系统为例,在该仿真平台的基础上,建立联合仿真模型,通过仿真平台运行NLPQL算法寻找加速过程的控制系统优化参数。311NLPQL算法NLPQL算法是由Klaus Schittkowski提出的非线性优化算法,其解决如下形式的
14、非线性带约束优化问题:minxRnf(x)s.t.gi(x)0,i=1,.,m;hj(x)=0,j=1,.,n;xlxxu。式中所有函数都是连续可微的,其中f(x)为目标函数,g(x)和h(x)为约束函数。NLPQL算法使用方便,鲁棒性强,适用于航空发动机控制系统的性能寻优。NLPQL的 内 部 算法 是 序 列 二 次 规 划 算 法(SQP),其基本思想:构造非线性优化的拉格朗日函数如下:8862科 学 技 术 与 工 程9卷L(x,)=f(x)+mi=1igi(x)+ni=jjhj(x)。用二次函数近似L(x,),将非线性优化转化为二次规划子问题。通过在每个迭代点x(k)构造一个二次规划
15、子问题,以这个子问题的解作为迭代搜索的方向d(k),沿该方向按照迭代格式x(k+1)=x(k)+akd(k)进行一维搜索,使x(k+1)(k=0,1,.)最终逼近约束优化问题的解x3。针对航空发动机的加速过程,需要尽可能短的加速时间,同时要求在加速的过程中不超温不超转。传统的加速性能寻优主要涉及加速供油量的理论优化,而忽视了加速供油量实现装置的优化,可操作性不强。通过该仿真平台,我们既可以优化加速供油量,也可以完成加速供油量控制装置参数的优化,具有较强的实用性。312 联合仿真模型的建立按照模型层的定义,完整的发动机控制系统联合仿真模型包括控制算法、液压执行机构和控制对象三个模块。图5为在Si
16、 mulink中建立的控制算法模块,图6为使用VC建立并打包为S2function的控制对象模块。上述两个模块通过各软件之间的接口形成联合仿真的完整模型。313 通过应用平台完成加速过程优化通过分析该型加速控制器,确定影响加速性能的主要部件参数包括加速活门开度d1,压力传感器弹簧初始预紧力F0和转速传感器杠杆比kl。通过仿真平台设置上述三个参数的初始值和取值范围,运行NLPQL优化算法,完成加速过程控制系统部件参数的优化。通过计算,控制器部件参数设置为d1=-0.1 mm,F0=65 N和kl=2.2时,控制器可以正常工作保障加速过程不超温不超转,且具有最短的加速时间。图8显示了在该组部件参数
17、设置下发动机从慢车推到最大状态加速过程的仿真结果。图7(a)显示了加速过程发动机供油量曲线,图7(b)显示了加速过程高压转子转速曲线,从图7上可以看出,转速平缓上升,加速时间短。图5Si mulink中的控制算法模型986210期祁新杰,等:航空发动机控制系统集成仿真平台图6Simulink中的航空发动机模型图7 航空发动机加速过程仿真结果5 结论针对航空发动机控制系统仿真分析遇到的问题,为了解决国内航空发动机控制系统数字电子与机械液压控制系统混合仿真的难题,搭建航空发动机控制系统集成仿真平台。仿真框架遵循MVC设计模式,降低了仿真模型和仿真应用的耦合,增加了模型的可重用性和应用的可扩展性。模
18、型层以Si mulink为基础,结合AMESim和VC建立联合仿真模型。应用层采用组件对象技术以方便拓展仿真应用功能。仿真平台的实现采用VB和ActiveX自动化技术。以某型航空发动机数字电子 机械液压控制系统为例,通过仿真平台运行优化算法寻找加速过程的控制系统部件参数。建模仿真分析过程表明该仿真框架显著降低航空发动机控制系统建模难度,可以完成复杂控制系统的高精度建模。仿真平台工程化程度高,可以满足航空发动机控制系统的产品调试、改进改型、性能提升等工程应用。参 考 文 献1 缑林峰,王镛根.航空发动机控制系统故障检测仿真平台研究.计算机仿真,2007;24(12):74762Larsson J
19、,P.Krus,Palmberg J2O.Modeling,simulation and valida20962科 学 技 术 与 工 程9卷tion of complex fluid and mechanical systems.ICFP2001,paperNo.4.193 王海伟,刘 更,杨小辉,等.机械产品协同仿真环境及其关键技术.计算机仿真,2008;25(7):2942974 卢 宁,付永领,孙新学.单神经元在液压系统中的应用与电液联合仿真.系统仿真学报,2006;18(11):318031825 黄先祥,马长林,高钦和,等.大型装置起竖系统协同仿真研究.系统仿真学报,2007;19
20、(1):126 宁 芊,殷国富,徐 雷.机电系统虚拟样机协同建模与仿真技术研究.中国机械工程,2006;17(13):140414077 荆 平,贾海峰.基于Matlab与GIS的污水回用决策支持系统开发与应用.清华大学学报(自然科学版),2008;48(3):353357Integrated Si mulation Platform of Aeroengine Control SystemQ IXin2jie,GUO Ying2qing,WANG Hai2quan(College of Power and Energy,Northwestern PolytechnicalUniversity
21、,Xian 710072,P1R1China)AbstractDue to the difficulty ofmodeling,low integration si mulation and uneasy simulation function for aero2engine control system,an integrated simulation platform for aeroengine control system was built up.According totheMVC design pattern,the si mulation architecture was di
22、vided into three layers including model layer,databaselayer and application layer.Based the Simulink the co2simulation model combined with the AMESi m and VC wereestablished.Based theActiveX automation technology the simulation platfor m was builtviaVB.Taking the acceler2ating process of the turbofa
23、n engine as a modeling and simulation optimization example,the platfor m was validated.Simulation processes show this platfor m reduces the difficulty of modeling and increases models expansibility andreusability.Therefore,this platfor m can be used in integrated simulation and engineering applications for aero2engine control system.Key wordsaeroenginecontrol systemco2simulationapplication platfor m196210期祁新杰,等:航空发动机控制系统集成仿真平台