技术领域
[0001] 本
申请属于发动机仿真应用技术领域，具体涉及一种搭建直升机模拟器的发动机实时仿真模型的方法。
背景技术
[0002] 直升机飞行过程操作复杂，飞行员训练的难度和
风险大，近几年，随着仿真技术的日渐成熟，直升机模拟器的出现，成为解决这些课题的重要手段。直升机模拟器是一个包括多个系统、涉及多个学科的
软件硬件体。模拟器的核心系统之一即发动机仿真系统。发动机仿真系统用于模拟发动机系统的相关功能。
[0003] 由于直升机可装配1～3台发动机，每台发动机可工作于不同状态(停车、慢车、飞行状态)，发动机之间的功率协调控制也非常的复杂。因此直升机模拟器研制过程中的一个关键点即是发动机仿真建摸技术。对于操纵系统稳定特性分析、飞行品质相关科目如轴间
耦合(尤其是总距操纵时的航向耦合)，发动机的动态特性对直升机飞行品质评估和飞行仿
真将有较大的影响，同时发动机仿真模型对模拟器飞行性能仿真的准确性有决定性地作
用。
[0004] 整个模拟器是一个人在回路的实时仿真系统，发动机模型也需满足实时性要求。这要求发动机仿真模型与其他系统进行高速数据交互，接收操纵设置、状态设置、环境设
置、故障设置等输入，经解算后输出
发动机转速、输出
扭矩、燃油流量等参数，输出参数用于飞行
气动仿真子系统输入、航电仪表显示和告警等。
[0005] 因此亟需对
精度高、实时性强的发动机建模方法为高等级直升机模拟器的研制提供技术支持。
发明内容
[0006] 为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种搭建直升机模拟器的发动机实时仿真模型的方法，能够准确仿真发动机的运行状态，并且满足实时性要求。
[0007] 本申请搭建直升机模拟器的发动机实时仿真模型的方法，包括。
[0008] 确定发动机实时仿真系统模型
框架内的各仿真模
块之间的信息传输关系，所述模型框架内的仿真模块包括发动机部件级仿真模块、发动机控制系统仿真模块、燃油滑油仿
真模块以及数据实时管理调度模块；
[0009] 基于发动机部件级性能参数构建所述发动机部件级仿真模块；
[0010] 建立所述发动机控制系统仿真模块，通过调整
燃气发生器转速来控制输出功率；
[0011] 建立所述燃油滑油仿真模块，包括分别建立燃油仿真单元与滑油仿真单元。
[0012] 优选的是，所述建立发动机部件级仿真模块包括建立应用于单发或者多发的直升机发动机仿真模块。
[0013] 优选的是，构建所述发动机部件级仿真模块，至少包括构建进气道、
压气机、
燃烧室、燃气发生器
涡轮以及
动力涡轮部件的仿真模块。
[0014] 优选的是，构建所述发动机部件级仿真模块包括：
[0015] 根据发动机各部件的气动
热力学关系建立各个部件的气动热力学方程；
[0016] 根据所述发动机工作遵守的气动热力学和
转子动力学平衡关系将各个部件
串联起来，形成共同工作方程组。
[0017] 优选的是，构建所述发动机部件级仿真模块，还包括基于直升机试飞数据构建所述发动机部件级仿真模块。
[0018] 优选的是，构建所述燃油仿真单元包括：
[0019] 确定剩余油量；
[0021] 确定因燃油消耗引起的惯量变化。
[0022] 优选的是，构建所述滑油仿真单元包括：
[0023] 根据发动机输出功率确定滑油压力及滑油
温度。
[0024] 优选的是，构建所述滑油仿真单元包括：
[0025] 获得发动机输出扭矩-滑油性能曲线；
[0026] 采用插值法计算主减速箱滑油压力和滑油温度。
[0027] 优选的是，还包括构建实时调度模块，所述实时调度模块按照固定周期从外部系统与发动机实时仿真模型各模块中接收输入数据，将输入数据传递给发动机实时仿真模型
各模块，待各模块解算完成后，将解算结果输出。
[0028] 优选的是，所述外部系统包括飞行仿真系统、航电仿真系统、教员控制台、操纵负荷系统、综合环境仿真系统以及声音仿真系统。
[0029] 本申请的技术方案的有益技术效果：本申请一种用于直升机模拟器上的发动机实时仿真模型，可以实现装配单台发动机、多台发动机直升机的发动机仿真建模，能实时接收总矩杆操作、发动机功率控制
开关、航电开关按钮
信号、飞行状态等参数的输入，解算当前飞行条件下的发动机转速、温度、功率等参数并输出。模型具有仿真精度高和实时性强的特点。
附图说明
[0030] 图1为本申请搭建直升机模拟器的发动机实时仿真模型的方法的一优选
实施例的具有单发的仿真模型框架示意图。
[0031] 图2为本申请搭建直升机模拟器的发动机实时仿真模型的方法的一优选实施例的具有双发的仿真模型框架示意图。
[0032] 图3为发动机部件级仿真模块计算
流程图。
[0033] 图4为发动机实时仿真模型与模拟器其他系统的数据交互关系图；
[0034] 图5为发动机实时仿真模型延迟时间测试结果图；
[0035] 图6为直升机模拟器运行平台结构。
具体实施方式
[0036] 为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是
本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示
例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本
申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
[0037] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“
水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或
位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护
范围的限制。
[0038] 本申请提供了一种用于直升机模拟器上的发动机实时仿真模型，由发动机部件级仿真模块、发动机控制系统仿真模块、燃油滑油仿真模块、数据实时管理调度模块组成，各个部分相互独立又有密切联系，形成了仿真精度高、实时性强、功能较为完善的发动机实时仿真模型。
[0039] 确定发动机实时仿真系统模型框架内的各仿真模块之间的信息传输关系，所述模型框架内的仿真模块包括发动机部件级仿真模块、发动机控制系统仿真模块、燃油滑油仿
真模块以及数据实时管理调度模块；
[0040] 本申请搭建直升机模拟器的发动机实时仿真模型的方法，主要包括：
[0041] 基于发动机部件级性能参数构建所述发动机部件级仿真模块；
[0042] 建立所述发动机控制系统仿真模块，通过调整燃气发生器转速来控制输出功率；
[0043] 建立所述燃油滑油仿真模块，包括分别建立燃油仿真单元与滑油仿真单元，最后将建好的模型接入直升机模拟器系统仿真平台中运行。
[0044] 本实施例中，确定发动机实时仿真系统模型框架内的各仿真模块之间的信息传输关系主要是搭建由各个子系统构建的整体框架，确定好各模块之间的交互关系，在一些可
选实施方式中，由于所述建立发动机部件级仿真模块包括建立应用于单发或者多发的直升
机发动机仿真模块，因此，其建立的发动机实时仿真系统模型框架是不同的。
[0045] 图1给出了对于装配单台发动机的直升机，该模型框架的结构示意图，包括一个发动机部件级仿真模块、发动机控制系统仿真模块，一个燃油滑油仿真模块，以及实时管理调度模块。其中发动机控制系统仿真模块仅具有单台发动机控制调节功能。
[0046] 对于装配多台发动机的直升机，以两台发动机为例。该模型框架的结构示意图见图2，包括2个发动机部件级仿真模块、发动机控制系统仿真模块，2个燃油滑油仿真模块，以及实时管理调度模块。其中发动机控制系统仿真模块不仅有单台发动机控制调节功，还具
有两台发动机配平功能。
[0047] 在一些可选实施方式中，构建所述发动机部件级仿真模块，至少包括构建进气道、压气机、燃烧室、燃气发生器涡轮以及动力涡轮部件的仿真模块。
[0048] 本模型将发动机分为进气道、压气机、燃烧室、燃气发生器涡轮、动力涡轮5部分。依照发动机工作原理以及具体的发动机部件特性，在获得有关发动机各个基本部件的通用
特性数据之后，根据发动机各部件的气动热力学关系逐步建立各个部件的气动热力学方
程，用相应的气动热力学方程代替涡轮轴发动机的真实工作部件，再由发动机工作必须遵
守的气动热力学和转子动力学平衡关系将各个部件串联起来，形成共同工作方程组，对这
些非线性方程组求解即可得出发动机所有参数，从而模拟真实发动机。所述的发动机部件
级仿真模块计算流程如图3所示，由最后计算的
输出轴扭矩进一步获得进气参数，得到循环计算各部件参数的模型。
[0049] 上述实施例中，所述的发动机控制系统仿真模块的具体实施步骤为：
[0050] 发动机控制系统仿真模块是基于
电子控制器(EECU)为
基础，通过调整燃气发生器转速来控制输出功率的自由涡轮转速。功能包括转速控制、功率控制和超转保护系统等。
[0051] 模块实现发动机燃油控制，保证动力涡轮转速恒定和各种飞行条件下直升机对发动机的动力需求。由发动机功率控制和发动机训练模式控制产生动力涡轮参考转速，双发
负载均衡控
制模块产生动力涡轮参考转速修正量，两者
叠加后传入各发EECU，产生燃油控
制量，最终输出燃油流量。
[0052] 发动机控制系统仿真模块接收飞行员对发动机的操纵量，结合发动机当前状态和直升机状态解算出对应的燃油流量，输入发动机性能仿真模块。模块内包含稳态控制、动态控制仿真方法、发动机功率控制方法、多发配平、超转保护仿真方法等。
[0053] 在一些可选实施方式中，构建所述燃油仿真单元包括：
[0054] 确定剩余油量；
[0055] 确定因燃油消耗引起的重心变化；以及
[0056] 确定因燃油消耗引起的惯量变化。
[0057] 本实施例中，燃油系统主要功能是贮存燃油，并在
飞行包线内，按发动机入口要求，连续向发动机供油。所述的燃油仿真部分用于模拟剩余油量、燃油消耗引起的重心变
化、燃油消耗引起的惯量变化。
[0058] 1.剩余油量计算：
[0059] Goil＝Goil-total-∫∑Wfidt
[0060] 其中，Goil-total：预装总燃油量；Wfi：i发动机燃油流量，i＝1,2。
[0061] 2.整机重心计算：
[0062]
[0063]
[0064]
[0065] 其中，Goil-i：i油箱的重量(包括剩余燃油)，Gw：直升机(不含油箱)重量；(xi,yi,zi)，：i油箱的重心；(x,y,z)：直升机除油箱外重心；(xc,yc,zc)：当前重心。
[0066] 3.惯量计算：
[0067]
[0068] 其中，mi为i油箱的
质量(包括剩余燃油)；ri为i油箱重心到整机重心的距离；Iheli为除油箱外整机惯量。
[0069] 在一些可选实施方式中，构建所述滑油仿真单元包括：
[0070] 根据发动机输出功率确定滑油压力及滑油温度。
[0071] 在一些可选实施方式中，构建所述滑油仿真单元包括：
[0072] 获得发动机输出扭矩-滑油性能曲线；
[0073] 采用插值法计算主减速箱滑油压力和滑油温度。
[0074] 上述两个实施例中，滑油压力和滑油温度与发动机输出功率相关，取得发动机输出扭矩-滑油性能曲线，通过插值的方式实时计算主减速箱滑油压力和滑油温度，如下所
示。
[0075] Poil＝foil(QPT，P)
[0076] Toil＝Foil(QPT,T)
[0077] 其中，Poil为滑油压力值；foil为计算滑油压力差值函数；QPT为发动机输出功率值；P为环境压力值；Toil为滑油温度值；Foil为计算滑油温度差值函数；T为
环境温度值。
[0078] 在一些可选实施方式中，还包括构建实时调度模块，所述实时调度模块按照固定周期从外部系统与发动机实时仿真模型各模块中接收输入数据，将输入数据传递给发动机
实时仿真模型各模块，待各模块解算完成后，将解算结果输出。
[0079] 在一些可选实施方式中，所述外部系统包括飞行仿真系统、航电仿真系统、教员控制台、操纵负荷系统、综合环境仿真系统以及声音仿真系统。
[0080] 数据实时管理调度模块首先需完成发动机实时仿真模型与仿真运行管理系统的数据交互，输入发动机实时仿真模型所需的参数，并将发动机实时仿真模型解算完成后的
参数输出给数据实时管理调度模块。图4为发动机实时仿真模型与模拟器其他系统的数据
交互关系图。
[0081] 在发动机实时仿真模型内部，数据实时管理调度模块将输入的参数传递给发动机部件级仿真模块、发动机控制系统仿真模块以及燃油滑油仿真模块，各个模块接收到数据
后，进行解算，并将解算完成后将的结果输出给数据实时管理调度模块。
[0082] 为保证模型的实时性要求，要求发动机模型的延迟时间小于4ms，模型延迟时间即从仿真运行管理系统发送给发动机模型数据，发动机实时仿真模型接收到数据后，进行一
次
迭代计算，解算完成后将结果返回给仿真运行管理系统的时间。根据本发明建立的，且已经在型号研制中应用的发动机实时仿真模型的测试结果(测试结果见图5)，模型的最大延
迟时间小于4ms，具有较好的实时性。
[0083] 最后，所述的将模型接入直升机模拟器系统平台中运行的具体实施步骤为：
[0084] 直升机模拟器是按特定机型的航空器座舱一比一对应复制的，它包括表现航空器在地面和空中运行所必需的设备和支持这些设备运行的
计算机程序、提供座舱外景像的视
景系统以及能够提供动感的运动系统，直升机模拟器平台结构如图6所示。将建立的发动机实时仿真模型放于计算机中运行，通过设置网络
接口实现发动机实时仿真模型与直升机模
拟器其他系统的以太网连接。
[0085] 以太网连接后，仿真运行管理系统将在每个仿真周期内(10ms)完成一次将其他系统的解算结果输入给发动机实时仿真模型，并接收发动机实时仿真模型解算的结果，将参
数发送给其他系统。发动机实时仿真模型接收到输入数据后，将输入数据传递给各个模块，待各模块解算完成后(解算时间不超过4ms)，将解算结果输出。通过这种连接方式，实现了发动机实时仿真模型与模拟器其他系统的数据交互。
[0086] 本申请的技术方案的有益技术效果：本申请一种用于直升机模拟器上的发动机实时仿真模型，可以实现装配单台发动机、多台发动机直升机的发动机仿真建模，能实时接收总矩杆操作、发动机功率控制开关、航电开关按钮信号、飞行状态等参数的输入，解算当前飞行条件下的发动机转速、温度、功率等参数并输出。模型具有仿真精度高和实时性强的特点。
[0087] 以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述
权利要求的保护范围为
准。
