航空发动机控制系统的实时仿真方法与流程

本发明提供了一种航空发动机控制系统的实时仿真方法，主要应用于控制系统仿真技术领域。

背景技术：

航空发动机因自身结构复杂、气动变化参数大、飞行包线宽，导致其控制系统研发是一个非常复杂的过程。在仿真测试环节，传统的航空发动机控制系统研制大多使用真实发动机进行台架试车测试，在发现问题后，重新修改控制器结构或参数重新进行测试，以使控制系统达到设计需求。但使用真实发动机反复测试过程繁琐、耗资巨大且研发效率低，且高性能航空发动机的设计越来越复杂，这对控制系统的测试与实现也是一大挑战。在这种情况下，利用实时仿真技术进行快速试验无疑是最优选择，即先通过发动机模型和真实控制器的实时硬件在环仿真试验，在满足性能需求之后行半实物仿真，此举可极大提高控制系统研发效率及节约成本。但目前的航空发动机硬件在环仿真试验由于没有结合自动代码生成技术与模型封装技术，不具备快捷性与通用性，使得在完成试验仿真后，将控制系统移植到半实物平台的过程仍然会出现很多代码执行与实时性相关问题，且现有硬件在环仿真方法大多针对特定的系统，可移植性差，尚未形成快捷的开发方法，效率低下。

实时仿真技术是解决航空发动机控制系统复杂难题的有效途径。实时仿真技术是指采用硬件和软件相结合的方式，在产品实物测试之前验证系统可行性的实时硬件在环仿真技术；在产品开发测试后期通过自动代码生成技术、模型封装技术及实时通信技术，实现对整个控制系统的实时仿真测试。实时仿真技术对发动机控制系统设计具有重要意义，将实时仿真技术应用于控制系统设计领域，可在完成控制系统初期纯数字仿真后，通过自动代码生成技术和模型封装技术将控制器模型代码和发动机模型代码分别下载至硬件仿真平台，并通过实时通信技术最终实现闭环控制系统的实时仿真。对于复杂的系统而言，实时仿真技术可以在模拟发动机与控制器实时运行的同时，使控制系统设计者通过监控上位机和仿真数据快速获取发动机运行情况，并针对控制器和发动机模型存在的问题及时进行控制策略的调整及发动机模型的优化。在实时仿真出现问题时，可对控制系统进行多次仿真实验，通过对每一设计步骤进行仿真测试，达到对系统问题的快速定位，使实时仿真平台能够充分发挥出在各个设计阶段的应用价值。实时仿真设计是把软件设计和硬件设计相结合，使得在设计控制系统的同时还能随时使用实时仿真平台对现有研究成果进行仿真测试，适用于广泛的控制系统设计，避免了传统航空发动机控制系统设计的耗资大、试验周期长和风险高等缺点，减少了实验成本，提高了试验效率，并且规避了对试验人员造成的人身伤害风险。

技术实现要素：

针对航空发动机控制系统对于硬件在环仿真的需求及现有硬件在环仿真方法的不足，本发明提出一种航空发动机控制系统的实时仿真方法，适用于控制系统仿真验证领域，可用于验证控制系统的有效性，主要解决航空发动机控制系统硬件在环仿真中的快捷性、通用性实时性问题。

本发明的技术方案：

一种航空发动机控制系统的实时仿真方法，步骤如下：

步骤a、在matlab/simulink软件中搭建航空发动机模型及其控制器模型，完成航空发动机控制系统的纯数字仿真；拆分控制器模型与发动机模型，断开控制器模型输出与发动机模型输入的连接；通过matlab软件的自动代码生成技术将控制器模型和发动机模型分别生成各自的源码；

步骤b、分别将控制器模型和发动机模型封装成在实时环境中运行的rtdll文件；

步骤c、在实时环境中调用控制器模型和发动机模型，分别建立控制器模型实时仿真机和发动机模型实时仿真机；

所述的控制器模型实时仿真机主要由一台工控机、一个反射内存卡及一根光纤组成，包括通信模块和控制器模块，其中通信模块的硬件包括仿真机所搭载的反射内存卡及光纤，负责发动机和控制器之间的实时通信连接，其主要功能是给发动机模型实时仿真机发送控制指令和接受来自发动机模型实时仿真机的输出参数；控制器模块负责运行控制算法，针对每一运行周期的发动机模型实时仿真机的反馈数据给出控制指令，并通过通信模块将控制指令发送给发动机模型实时仿真机；

所述的发动机模型实时仿真机主要由一台工控机、一个反射内存卡及一根光纤组成，包括通信模块和发动机模块，其中通信模块的硬件包括仿真机所搭载的反射内存卡及光纤，负责发动机和控制器之间的实时通信连接，其主要功能是给控制器模型实时仿真机发送发动机模型输出数据和接受来自控制器模型实时仿真机的控制指令；发动机模块，通过通信模块接收控制器模型实时仿真机发出控制指令并实时运行，根据控制指令计算出发动机模型仿真机的输出参数并通过反射内存发送给控制器模块；

所述的监控上位机包括控制器监控上位机和发动机监控上位机，其中控制器监控上位机通过共享内存接收控制器的输入输出数据并实时更新显示，发动机监控上位机通过共享内存接收发动机的输入输出数据并实时更新显示；控制器监控上位机和发动机监控上位机所实现的功能，包括监控界面实时更新显示数据、绘制运行曲线、数据存储和模型启停控制；通过上位机调用模型实现对发动机模型和控制器模型的启停控制；支持在线调参，通过上位机直接修改控制器参数，下位机通过共享内存接收被修改参数，避免在模型中修改参数后重新进行代码生成、封装、下载等繁琐步骤，方便快捷，易于操作；

步骤d、通过通信模块完成通信连接，发动机模型将输出信号实时发送给控制器，控制器根据接收到的发动机模型输出展开运算后，发送控制指令给发动机模型，以上即可实现发动机控制回路的实时仿真；同时将控制器模型和发动机模型的输入输出数据通过共享内存发送给控制器监控上位机和模型监控上位机；

步骤e、通过监控上位机实时观测控制器和模型的运行效果，根据控制性能需求在上位机在线修改控制算法，可反复修改直至仿真结果满足控制系统性能需求。

本发明的有益效果：

(1)通过控制系统纯数字、模型封装和模型下载，实现对航空发动机控制系统的实时仿真。该实时仿真方法便捷、高效且易于掌握，方便开发试验人员使用，并具备友好的上位机监控界面，使得开发人员在通过上位机观测到异常后，可快速通过在上位机监控软件进行在线调参，实现对控制器中相关参数的直接修改。避免了传统研发过程中试验成本高、耗资大、效率低等问题。

(2)本发明设计了通信模块，实现发动机控制系统中控制器和发动机模型的通信连接。通过反射内存的高速通信功能，实现通信的实时传输特性，提高实时仿真精度。

(3)本发明将控制器工程和发动机工程分别下载至两台工控机中，二者之间通过通信模块进行闭环仿真，实现对真实的航空发动机控制系统的模拟。该实时仿真方法不仅适用于发动机控制系统的实时仿真，对于一般闭环控制系统同样具有适用性。

附图说明

图1是低压转子转速纯数字仿真与实时仿真对比图。

具体实施方式

为使本发明提出的技术方案、解决的技术问题更加清晰，以下结合附图对本发明的技术方案进行具体阐述。

本发明兼具快速控制原型和实时仿真功能，仿真平台结构如图1所示，其中控制器模型机和发动机模型机之间采用反射内存通信，控制器模型机和控制器监控上位机及发动机模型机和发动机监控上位机之间采用共享内存通信。

该实时仿真系统组成如下：

(1)控制器仿真机，运行于工控机中的rtx实时操作系统，其中安装有反射内存板卡可作与发动机模型机通信用。

(2)发动机模型仿真机，运行于工控机中的rtx实时操作系统，其中安装有反射内存板卡可作与发动机模型机通信用。

(3)监控上位机，运行于工控机中的windows操作系统，主要实现模型的调用、模型的启停控制、各通道的运行曲线和运行数据显示以及在线调参等功能。控制器仿真机与其监控上位机运行于同一工控机，发动机模型仿真机及其控制器亦是如此。

为保证飞机的安全运行和提高研发人员的开发效率，整个控制系统需要满足实时性、可靠性以及开发效率最高化。本发明在航空发动机控制系统实时仿真过程中主要具有以下优点：

(1)良好的实时性。本发明的控制系统运行周期为25ms，采用工控机基于rtx实时环境作为控制器和发动机模型的运行环境，采用反射内存卡作为发动机与控制器仿真机之间的通信连接，其高速的传输速度可保证通信实时性。

(2)较高的可靠性。为使该控制系统可靠性得到保障，本发明中在软件设计方面兼具可靠性设计，同时硬件平台采用高性能工控机和反射内存卡完成控制器和发动机模型的运行和通信需求。其中，工控机稳定可靠、性能优越，反射内存卡具有高速通信功能，二者共同工作完成实时仿真平台的搭建，具有抗干扰功能。以发动机模型的低压转子转速通道为例，展示纯数字仿真和基于rtx实时仿真对比分析，通过对比可知，实时仿真与纯数字仿真结果十分接近；经计算稳态误差低于0.5％，动态误差低于0.2％，验证了系统的仿真精度满足需求。

(3)较快的开发效率。本发明可快速实现控制系统的实时仿真。在完成控制系统纯数字仿真后，自动代码生成、模型封装和模型调用均具有复用性，每次仿真只需要通过简单的操作即可完成以上步骤。上位机监控软件可实现实时监控、绘制曲线、在线调参、模型的启停控制等功能，便于试验人员操作。

以下即为本发明中提出的航空发动机控制系统实时仿真方法，具体步骤如下：

步骤a、在matlab/simulink软件中搭建航空发动机模型及其控制器模型，其中控制器采用的控制算法是直接推力多变量自抗扰控制，发动机模型是机载自适应模型完成航空发动机控制系统的纯数字仿真，验证控制算法的有效性和可行性，；拆分控制器模型与发动机模型，断开控制器模型输出与发动机模型输入的连接；通过matlab软件的自动代码生成技术将控制器模型和发动机模型分别生成各自的源码；

步骤b、分别将上述控制器模型和发动机模型封装成可在实时环境中运行的rtdll文件；

步骤c、在实时环境中调用控制器模型和发动机模型，分别建立控制器实时仿真机和发动机模型实时仿真机。

所述的控制器实时仿真机由一台工控机、一个反射内存卡及一根光纤组成，包括通信模块和控制器模块，其中通信模块的主要硬件组成包括仿真机所搭载的反射内存卡及光纤，负责发动机和控制器之间的实时通信连接，其主要功能是给发动机模型实时仿真机发送控制指令和接受来自发动机模型实时仿真机的输出参数；控制器模块负责运行控制算法，针对每一运行周期的发动机模型实时仿真机的反馈数据给出控制指令，并通过通信模块将控制指令发送给发动机模型实时仿真机；

所述的发动机实时仿真机由一台工控机、一个反射内存卡及一根光纤组成，包括通信模块和发动机模块，其中通信模块的主要硬件组成包括仿真机所搭载的反射内存卡及光纤，负责发动机和控制器之间的实时通信连接，其主要功能是给控制器实时仿真机发送发动机模型输出数据和接受来自控制器实时仿真机的控制指令；发动机模块，通过通信模块接收控制器实时仿真机发出控制指令并实时运行，根据控制指令计算出发动机模型仿真机的输出参数并通过反射内存发送给控制器模块；

所述的监控上位机包括控制器监控上位机和发动机监控上位机，其中控制器监控上位机通过共享内存接收控制器的输入输出数据并实时更新显示，发动机监控上位机通过共享内存接收发动机的输入输出数据并实时更新显示。控制器监控上位机和发动机监控上位机所实现的功能相似主要包括监控界面实时更新显示数据、绘制运行曲线、数据存储和模型启停控制；通过上位机调用模型实现对发动机和控制器模型的启停控制；支持在线调参，可通过上位机直接修改控制器参数，下位机通过共享内存接收被修改参数，避免了在模型中修改参数后重新进行代码生成、封装、下载等繁琐步骤，方便快捷，易于操作；

步骤d、通过通信模块完成通信连接，发动机模型将输出信号实时发送给控制器，控制器根据接收到的发动机模型输出展开运算后，发送控制指令给发动机模型，以上即可实现发动机控制回路的实时仿真。同时将控制器和发动机模型的输入输出数据通过共享内存发送给控制器监控上位机和模型监控上位机；

步骤e、通过监控上位机实时观测控制器和模型的运行效果，根据控制性能需求在上位机在线修改控制算法，可反复修改直至仿真结果满足控制系统性能需求。针对以上控制系统，取发动机模型输出的xnlc通道进行结果分析，控制效果对比图如图1，通过纯数字仿真与实时仿真对比曲线可知，实时仿真效果与纯数字仿真十分接近，稳态误差低于0.5％，验证了本实施方案的实时仿真方法的可行性。

本发明中所提到的航空发动机控制系统实时仿真方法中，各模块间通信连接如下：

(1)控制器仿真机和发动机模型仿真机都搭载有反射内存卡，二者之间通过光纤连接反射内存卡进行通信，传输速度快。

(2)控制器仿真机与控制器监控上位机之间采用共享内存通信，二者运行于相同系统环境中，发动机模型仿真机与发动机监控上位机之间亦是如此。

综上，本发明航空发动机控制系统实时仿真方法主要包括控制器模型仿真机、发动机模型仿真机及二者的监控上位机。在搭建仿真机之前首先需要完成控制系统的纯数字仿真，并确保控制算法及发动机模型的正确性；接着需要将控制系统中控制器和发动机模型拆分后，通过matlab的自动代码生成功能分别自动代码生成，并对模型进行封装和调用，以上即可完成仿真机的搭建。通信部分采用反射内存卡搭配光纤实现控制器仿真机和发动机仿真机之间的通信连接，反射内存卡自身具备的高速通信功能可保证两台仿真机之间通信的实时性。监控上位机与仿真机运行于同一工控机中，二者通过共享内存完成通信连接，仿真机负责将实时运行的数据发送给上位机进行显示，上位机发送控制指令决定仿真机的启动、运行、停止和复位等，同时上位机还能直接修改控制器参数实现在线调参，避免了设计人员通过传统模式修改控制器参数后重新进行快速原型控制等繁琐步骤。本发明提出的方法适用于各种控制系统的实时仿真实验，在完成控制系统纯数字仿真后即可使用本方法，兼具操作简单便捷、开发效率高、成本低、适用性广等优点。

需要说明的是，本领域的技术人员应当理解：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，在不同实施例中出现的不同技术特征可以进行组合，以取得有益效果。本领域的研究人员在说明书、权利要求书的基础上结合附图应能理解并实现所揭示的实施例的其他变化的实施例。需要指出的是，以上已参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，其对前述各实施例提到的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。