用于航空发动机等热力机械系统建模仿真分析的方法与流程

本发明属于航空发动机等热力机械系统的建模与仿真领域，特别涉及一种用于航空发动机等热力机械系统建模仿真分析的方法。

背景技术：

航空发动机是一个由多个转动部件组成的复杂非线性气动热力学系统，设计发动机不仅要求综合运用包括空气动力学、固体力学、热力学、流体力学、材料学等多个学科的知识，还因其非线性的属性决定了需要通过大量实验来确定各个部件的实际工作特性。利用计算机建立发动机数学模型进行研究，可以缩短研制周期、降低经费投入、减少现场试验次数、提高技术更新速度，也可以避免不必要的风险。

美国等国家于1950年最先开始了对航空发动机数值建模、计算方面的研究，先后开发出了GENENG、DYNGEN等发动机模型，国内专家也相继就这一难题展开研究。

文献1“航空发动机建模技术研究，李家瑞.南京航空航天大学,2005”是根据DYNGEN改编，采用面向过程的程序设计方法编写的部件级模型。

此类模型不足之处主要体现在：

(1)基本都是采用面向过程的程序设计方法开发的，程序的可阅读性、可维护性和可扩展性较差，已经难以满足现代软件系统的应用要求，难以与一些现有的高效率仿真软件、平台进行仿真交互；

(2)在获取发动机工作特性时，程序运行和数据管理不便，缺乏直观有效的界面支持；

(3)根据模型进行总体性能分析或控制计划仿真验证时，由于缺乏相应的研发工具，首先要完全理解程序思路，再在源程序基础上进行修改调试，加入完成所要求功能的代码，使得整个研究过程繁琐复杂，加大开发人员工作量，并提高了模型仿真设计使用的门槛，对开发人员的发动机建模理论知识储备提出很高要求，也降低了各开发人员的工作效率；

(4)模型运行所涉及到的基础计算模块与开发者耦合性强，缺乏标准化和通用化的平台，不同版本之间计算代码的可靠性、准确性差异较大，模型自身的可移植性不好。

近年来，南京航空航天大学的黄金泉教授团队提出了使用面向对象技术建立发动机模型的方法，文献2“基于MATLAB/SIMULINK的航空发动机建模与仿真研究，夏飞,黄金泉,周文祥.航空动力学报,2007,22(12):2134-2138.”采用基于MATLAB/SIMULINK高级图形仿真环境，利用图形模块化技术开发了某型双轴涡扇发动机的通用部件级模型。但该方法所采用的解算器实时性较差，部件模块的扩展性和移植性有待加强，且未给出由发动机非线性模型建立线性模型的方法，而这些模型功能和性能对于发动机的分析设计及后期控制系统的设计仿真均具有巨大作用。

技术实现要素：

为了克服现有方法实用性差的不足，本发明提供一种用于航空发动机等热力机械系统建模仿真分析的方法。该方法采用面向对象的建模方法，避免了面向过程的程序设计方法中存在的可阅读性、可维护性以及可拓展性较差的缺点。本发明基于一个通用的仿真平台MATLAB/SIMULINK，便于后期对发动机等热力系统控制器的设计，且具有较好的人机交互界面。建立的不同功能模块耦合性低，使得建模过程具有较高的灵活性、扩展性和移植性。本发明中，对各部件以及迭代解算器的算法进行了优化，旨在建立一个高精度的发动机模型。加入了线性化模块，使得当前成熟的线性系统控制器设计方法能应用于发动机模型，实用性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种用于航空发动机等热力机械系统建模仿真分析的方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、首先给出仿真系统的总体设计要求，依据此总体设计要求，再结合航空发动机自身模型复杂、计算繁琐的特点，将该仿真系统的架构分为四层；用户操作层、发动机组件层、基础算法层、信号传递及输入/输出层。各层之间相对独立，便于设计人员根据不同仿真目标进行针对性的修改、优化或者扩展。

步骤二、根据不同层次、模块的功能特点设计其MATLAB/Simulink实现方法。首先建立基础算法层，该基础算法层包含气体变比热计算模块和插值模块，这些模块算法相对简单，功能相对单一，故编写为C语言函数，以供发动机组件调用。MATLAB，是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，包括MATLAB和Simulink两大部分。Simulink，MATLAB的重要组成部分。C语言，编程语言。

步骤三、建立发动机组件层，该组件层包含所有发动机这些涡轮机械系统的常用模块及对应的迭代解算器模块。使用S函数并结合Simulink模块编写发动机组件各部件模块均采用S函数模块编写。其算法是在传统部件法基础上，引入可视化理念，并进一步改进优化后的高精度实时算法。而迭代解算器模块采用Simulink通用模块编制，以提高该解算器的通用性和维护性。S函数，是系统函数的简称，是指采用非图形化的方式描述的一个功能块。

步骤四、建立分段线性化模块，该模线性化块针对已经建立好的发动机非线性模型进行线性化来获得发动机的分段线性化模型，便于后期的机载模型及控制系统的分析设计。

步骤五、建立用户操作层，该用户操作层为仿真系统的顶层，是与用户交互的界面，设计人员根据仿真目标给定当前发动机飞行参数及燃油计划指令，这些输入参数作为发动机计算子系统的输入；设计人员通过发动机计算子系统属性窗口设置模型运行时需要的任何仿真参数，如部件特性参数，解算器配置参数，这样用户就不必到子系统内部修改对象、模块属性参数，进而提高模型改写仿真效率。

步骤六、基于上述已经设计好的各层模块，搭建设计航空发动机的稳态、动态仿真系统，并对动态仿真系统进一步改进获得发动机分段线性化模型。最终对发动机在全工况范围内的各工作点进行稳态仿真，并对不同工况进行小扰动动态仿真，以对该系统的性能指标和可靠性进行仿真验证。

本发明的有益效果是：该方法采用面向对象的建模方法，避免了面向过程的程序设计方法中存在的可阅读性、可维护性以及可拓展性较差的缺点。本发明基于一个通用的仿真平台MATLAB/SIMULINK，便于后期对发动机等热力系统控制器的设计，且具有较好的人机交互界面。建立的不同功能模块耦合性低，使得建模过程具有较高的灵活性、扩展性和移植性。本发明中，对各部件以及迭代解算器的算法进行了优化，旨在建立一个高精度的发动机模型。加入了线性化模块，使得当前成熟的线性系统控制器设计方法能应用于发动机模型，实用性好。

(1)依据技术方案中的步骤一，依据本发明方法所建立的系统构架层次清晰，各层之间较为独立，便于设计人员根据不同仿真目标进行针对性的修改、优化或者扩展。

(2)依据技术方案中的步骤二，对基础算法层作为一个单独的模块，以供其它模块调用，这样既使得平台更模块化、各功能更为独立，也降低了程序编制复杂度、增加了程序的易读性。

(3)依据技术方案中的步骤三，在发动机组件层中各部件计算流程采用S函数编制，可以借用传统发动机模型的代码和计算方法，与全部使用Simulink通用模块建立的模型相比，可降大幅低建模复杂度，缩短30％的建模周期，同时可保留较为复杂、难以利用Simulink通用模块实现的循环迭代算法，即与传统C模型相比，不会降低模型精确度，计算速度快、封装性好、可实现代码移植，缩短研发时间。

(4)依据技术方案中的步骤三，本发明中使用牛顿割线法，减少了近3000行程，序简洁统一，且将其编制成一个单独的模块方便调用。

(5)依据技术方案中的步骤三，本方法中压气机部件中引气气流的性质均可由设计者指定，即考虑从压气机抽取飞机引气、冷却用气以及放气对压气机部件的影响，同时考虑了压气机几何变结构的流路影响；考虑了高、低压涡轮冷却气体对涡轮气流性质的影响，较传统方法平均建模精度提高15％。

(6)依据技术方案中的步骤三，本方法中压气机特性数据是基于R线和转速获取的，可避免出现插值多解问题，也降低了插值计算难度，缩短程序运行时间；对于涡轮特性图也是如此，传统模型中涡轮特性数据基于流量和转速插值，还需要迭代求解，而该平台中的涡轮部件特性由落压比和转速直接插值获得，无需迭代，降低了程序编制难度；完全避免了传统特性图插值算法解中解不唯一的问题。

(7)依据技术方案中的步骤四，较传统建模方法你加了线性化模块，方便对已经建立好的发动机非线性模型进行线性化来获得发动机的分段线性化模型。由于该方法是基于MATLAB平台搭建，可以方便地使用MATLAB控制分析工具箱进行进一步的分析与设计。

(8)依据技术方案中步骤五，所建立的用户操作层实现了良好的用户交互界面，可实现便捷的修改当前的仿真参数，进而提高模型改写仿真效率。降低模型仿真设计使用的门槛，也提高了各开发人员的工作效率。

各部件的内部参数可以通过窗口设置，可以方便更换部件的特性数据，设计者可根据实际需要，定制仿真所需要的发动机；建立了灵活可变的部件模块，设计者可对模块进行修改或重新设计，最终通过组合部件模块建立系统级模型；利用Simulink子系统模块将整个仿真系统分解成物理和功能上相对独立的子系统，子系统采用分层结构，使得整个系统直观明了，层次感很强，提高了二次开发速度。

(9)依据技术方案中步骤六，在各组件完成后进行组件级测试，与传统代码形式的测试验证相比，可视化建模测试将更为简单快捷、验证结果观测更为直观，大大减少了设计者的工作量和测试验证使用时间。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明用于航空发动机等热力机械系统建模仿真分析的方法运行流程图。

图2是本发明用于航空发动机等热力机械系统建模仿真分析的方法设计流程图。

图3是改进的牛顿拉夫逊解算器的计算流程图。

图4是发动机稳态、动态仿真计算流程图。

图5是分段线性化模型建立方法及后期的控制分析流程图。

具体实施方式

参照图1-5。本发明用于航空发动机等热力机械系统建模仿真分析的方法具体步骤如下：

步骤一、首先给出仿真系统的总体设计要求，依据此设计要求，再结合航空发动机自身模型复杂、计算繁琐的特点，将该系统的架构分为四层；用户操作层、发动机组件层、基础算法层、信号传递及输入/输出层。各层之间较为独立，便于设计人员根据不同仿真目标进行针对性的修改、优化或者扩展。

步骤二、根据不同层次、模块的功能特点设计其MATLAB/Simulink实现方法。首先建立基础算法层，该层包含气体变比热计算模块和插值模块，这些模块算法较为简单，功能相对单一，故编写为C语言函数，以供发动机组件调用。MATLAB，是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。Simulink，MATLAB的重要组成部分。C语言，编程语言。

步骤三、建立发动机组件层，该层包含所有发动机等涡轮机械系统的常用模块及对应的迭代解算器模块。使用S函数并结合Simulink模块编写发动机组件各部件模块均采用S函数模块编写。其算法是在传统部件法基础上，引入可视化理念，并进一步改进优化后的高精度实时算法。而迭代解算器模块采用Simulink通用模块编制，以提高该解算器的通用性和维护性。S函数，是系统函数的简称，是指采用非图形化的方式描述的一个功能块。

步骤四、建立分段线性化模块，该模块主要功能是对已经建立好的发动机非线性模型进行线性化来获得发动机的分段线性化模型，便于后期的机载模型及控制系统的分析设计。

步骤五、建立用户操作层，该层为仿真系统的顶层，是与用户交互的界面，设计人员可根据仿真目标给定当前发动机飞行参数，及燃油计划指令，这些输入参数作为发动机计算子系统的输入；设计人员可通过发动机计算子系统属性窗口设置模型运行时需要的任何仿真参数，如部件特性参数，解算器配置参数等，这样用户就不必到子系统内部修改对象、模块属性参数，进而提高模型改写仿真效率。

步骤六、基于上述已经设计好的各层模块，搭建设计航空发动机的稳态、动态仿真系统，并对动态仿真系统进一步改进获得发动机分段线性化模型。最终可对发动机在全工况范围内的各工作点进行稳态仿真，并对不同工况进行小扰动动态仿真，以对该系统的性能指标和可靠性进行仿真验证。

以混排涡扇发动机稳态、动态仿真为例，详细说明本发明的具体实施过程。

参照图2，根据总体设计要求，将系统架构分为四层，用户操作层、发动机组件层、基础算法层、信号传递及IO层，并设计将各层的模块功能和系统运行流程。

参照图2，首先建立基础算法层，该层包含气体变比热计算模块和插值模块，其中气体变比热计算模块分别采用泰勒展开法和多项式拟合法编制，并对两种算法进行对比验证。二维插值计算主要用于压气机部件和涡轮部件数据计算。

参照图2，建立发动机组件层，该层包含发动机等涡轮机械系统常用的所有模块及对应的数值解算器。本方法通过S函数建立各部件的数学模型、完成各模块的开发。其算法是在传统部件法基础上，进一步改进优化后的高精度实时算法。算法考虑了发动机变结构回路、放气抽功，采用基于R线和涡轮落压比插值计算特性数据的方法等，并减少了设计点给定参数的个数以放大系统可仿真范围。

参照图3，建立改进的牛顿拉夫逊数值解算器模块，在传统方法基础上增加一个雅克比矩阵重置模块，使得系统能在一定迭代次数内无需反复计算雅克比矩阵，在保证一定的收敛性前提下，实现缩短运算时间、提高运算实时性的目的。

参照图4，搭建混排涡扇发动机稳态、动态仿真系统。加入欧拉解算器和控制器，欧拉解算器对当前时刻的转速导数进行积分来获取该时刻的转速值，控制器主要用于小扰动动态仿真时的低压转速进行控制，

参照图5，在建立好上述混排涡扇发动机非线性模型后，采用小扰动偏离法对其进行线性化获得发动机分段线性化模型。

参照图2，接着搭建仿真系统的顶层，用户操作层，该层包含当前发动机飞行参数，及燃油计划指令设定模块，并采用一些显示模块将仿真完成后将相应的计算结果进行显示，便于用户观察分析。随后建立和信号传递层，并完善整个平台。

参照图1，至此，实现了航空发动机等热力机械系统建模仿真方法的全部计算流程。