基于虛擬儀器的數(shù)字式氣動失穩(wěn)仿真系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

郭貴喜，劉世官，薛秀生

（沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110015）

1 引言

航空發(fā)動機(jī)在工作范圍內(nèi)存在旋轉(zhuǎn)失速和喘振2種氣動失穩(wěn)現(xiàn)象，嚴(yán)重制約著發(fā)動機(jī)性能的提升。在其氣動失穩(wěn)控制技術(shù)研究中，氣動失穩(wěn)特征的模擬仿真至關(guān)重要，為了給某型渦扇發(fā)動機(jī)消喘系統(tǒng)在開發(fā)研制中提供方案設(shè)計(jì)優(yōu)化與工程試驗(yàn)仿真，同時也是為了探索該領(lǐng)域仿真試驗(yàn)的新技術(shù)，開展了氣動失穩(wěn)數(shù)字仿真研究。此類仿真不僅可以模擬各種形式的發(fā)動機(jī)失穩(wěn)信號和環(huán)境干擾信號，還可以及時發(fā)現(xiàn)失穩(wěn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問題。

本文采用PCI總線和通用串行總線轉(zhuǎn)換模塊硬件，結(jié)合Labview創(chuàng)新靈活的軟件模塊化思想，依據(jù)虛擬儀器技術(shù)解決方案，研制了1套數(shù)字式氣動失穩(wěn)仿真系統(tǒng)，并在渦扇發(fā)動機(jī)消喘系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證上得到應(yīng)用。

2 系統(tǒng)開發(fā)平臺與仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

氣動失穩(wěn)仿真系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)（PC）為核心硬件平臺，使用高性能的數(shù)據(jù)輸入輸出設(shè)備，由用戶自行定義虛擬面板各項(xiàng)參數(shù)，利用先進(jìn)的Labview虛擬儀器開發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)仿真任務(wù)的分析和仿真數(shù)據(jù)的處理分析，最后完成具體仿真功能。

仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中仿真數(shù)據(jù)運(yùn)算控制部分是整個系統(tǒng)的核心，將來自特征數(shù)據(jù)庫或自定義數(shù)據(jù)信息按照仿真需求，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換程序控制下的D/A轉(zhuǎn)換模塊將仿真信號輸出。由于使用的D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出信號范圍、板載內(nèi)存和消喘系統(tǒng)輸入模塊工作模式的限制，必須在輸出前對信號進(jìn)行信號調(diào)理。

消喘系統(tǒng)功能模塊自帶DA/AD轉(zhuǎn)換機(jī)制，仿真控制計(jì)算機(jī)發(fā)送的仿真信號容易被消喘系統(tǒng)接收。經(jīng)過一系列復(fù)雜運(yùn)算與邏輯判斷，決定是否發(fā)出消喘指令性信號。消喘系統(tǒng)將當(dāng)前的狀態(tài)特征信息通過串口反饋給控制計(jì)算機(jī)，同時運(yùn)算控制參數(shù)信息也由串口傳遞給消喘系統(tǒng)，經(jīng)過控制計(jì)算機(jī)的仿真判別模塊，判定系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，是則仿真結(jié)束，否則重新修改完善設(shè)計(jì)，繼續(xù)進(jìn)行仿真。

另外，在試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用中，消喘系統(tǒng)會受到工作現(xiàn)場其他因素的干擾，為了驗(yàn)證系統(tǒng)的抗干擾能力，仿真系統(tǒng)能夠提供各種常見干擾源，例如：均勻白噪聲、高斯白噪聲、周期性隨機(jī)噪聲等；還可以是幅值相位的自由組合，以更好地模擬工作現(xiàn)場情況。

仿真特征參數(shù)和消喘系統(tǒng)指令性信號都由仿真系統(tǒng)外的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時記錄和分析，對仿真系統(tǒng)功能的有效性和性能做出評估。

3 系統(tǒng)框架軟件

對于基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的仿真系統(tǒng)來說，軟件就是仿真儀器，傳統(tǒng)儀器中由硬件電路實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析處理功能改由功能強(qiáng)大的軟件程序代替，所以軟件開發(fā)成為核心環(huán)節(jié)。

綜合本系統(tǒng)使用要求和應(yīng)用范圍，軟件平臺包括3個主要模塊。

（1）仿真數(shù)據(jù)運(yùn)算控制作為主控模塊，在整個仿真系統(tǒng)中占據(jù)著舉足輕重的地位。該模塊根據(jù)用戶提出的仿真需求具體化為失穩(wěn)特征參數(shù)配置，并對數(shù)據(jù)的輸入輸出進(jìn)行控制與對比分析。

（2）數(shù)據(jù)輸入輸出控制部分，擔(dān)負(fù)著仿真數(shù)據(jù)正確有效的收發(fā)功能，涉及到儀器接口驅(qū)動程序（或協(xié)議）的編寫調(diào)用與控制。

（3）仿真性能分析判定模塊，根據(jù)不同的仿真需求，需要正確梳理判斷條件的邏輯關(guān)系，模塊參數(shù)也需要實(shí)時調(diào)整，并要具有處理突發(fā)事件的應(yīng)對機(jī)制，以滿足仿真結(jié)果的正確性。

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，由仿真系統(tǒng)調(diào)用大量的信號分析處理函數(shù)，例如：信號的放大，濾波，瞬態(tài)記錄與顯示，各種統(tǒng)計(jì)規(guī)律提取以及干擾源模擬等，以此來完成數(shù)據(jù)的計(jì)算與生成、信號的發(fā)送與采集、信號的分析與處理功能，并且這些功能都可以根據(jù)用戶需求而隨時修改。類似的傳統(tǒng)儀器儀表板上的各種開關(guān)、按鈕由仿真系統(tǒng)使用軟件提供的各種“控件”來代替，這樣用戶就可以通過操控計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)和鍵盤來完成傳統(tǒng)儀器的“手動”和“觸摸”操作，體現(xiàn)了仿真系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的深層次結(jié)合。

整個仿真系統(tǒng)的軟件編制過程還采用了分層化設(shè)計(jì)方法，由程序主模塊調(diào)用各功能模塊程序完成仿真相應(yīng)功能，各功能模塊也可以調(diào)用更底層的函數(shù)或子VI完成相應(yīng)操作。這些都體現(xiàn)了虛擬儀器開發(fā)的優(yōu)勢。該程序流程如圖2所示。

對于復(fù)雜的功能模塊也可以采取分層設(shè)計(jì)，比如設(shè)計(jì)仿真參數(shù)配置模塊、仿真性能分析判定模塊、數(shù)據(jù)輸入輸出控制模塊等，具體可以細(xì)化更多的底層功能，如圖3所示的參數(shù)配置模塊和圖4所示的數(shù)據(jù)輸入輸出控制模塊等，可以增強(qiáng)功能的完備性與可靠性。

這種設(shè)計(jì)方法使得設(shè)計(jì)思路更加清晰，任務(wù)分配更加合理，有利于以后系統(tǒng)移植和功能擴(kuò)展。

4 關(guān)鍵技術(shù)

高精度的仿真模型可以最大限度的替代實(shí)物進(jìn)行研究和試驗(yàn)，尤其是針對此類具有高度危險性和破壞性的試驗(yàn)意義重大。影響本系統(tǒng)仿真程度的技術(shù)涉及到很多方面。

4.1 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

仿真的精度決定仿真的逼真程度。由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)都采用雙精度浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型，單純從計(jì)算能力上看，足以滿足基本仿真的計(jì)算精度要求。制約仿真精度的瓶頸在于系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程的硬件部分，為此，系統(tǒng)需選用高性能的數(shù)據(jù)輸入輸出功能卡，發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)優(yōu)勢構(gòu)建硬件驅(qū)動平臺。

為了實(shí)現(xiàn)仿真控制計(jì)算機(jī)與消喘系統(tǒng)之間的有效數(shù)據(jù)交換，可以通過A/D轉(zhuǎn)換機(jī)制、CAN總線、以太網(wǎng)等方式。在本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中，硬件條件提供了D/A、A/D轉(zhuǎn)換模塊，和全雙工串行總線。從圖1中可以看到仿真數(shù)據(jù)通過D/A、A/D轉(zhuǎn)換模塊傳遞給消喘系統(tǒng)，而仿真計(jì)算機(jī)的控制信號和消喘系統(tǒng)的判定信息通過全雙工串行總線RS-485與RS-232C進(jìn)行通信。這使數(shù)據(jù)交換在速度和精度上都有了保證。

4.2 仿真數(shù)據(jù)庫的建立

目前，國內(nèi)外學(xué)者對某型發(fā)動機(jī)失穩(wěn)特征做出了許多預(yù)估，其中大部分是通過分析其產(chǎn)生機(jī)理而建立的一些數(shù)理模型。但是由于對失速/喘振的機(jī)理認(rèn)識不夠，并且現(xiàn)代多級壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和流場狀態(tài)越來越復(fù)雜，各種模型的分析均不盡人意。

通過分析壓氣機(jī)不穩(wěn)定工作參數(shù)可知，壓氣機(jī)出口不穩(wěn)定流動的共同特點(diǎn)是壓力脈動，并具有相對固定的頻率范圍。在一般情況下，壓氣機(jī)不穩(wěn)定過程的物理現(xiàn)象與其特性有關(guān)，壓氣機(jī)特性越陡，其不穩(wěn)定工作以喘振形式出現(xiàn)的可能性就越大；壓氣機(jī)特性越平坦，其不穩(wěn)定就越有可能以旋轉(zhuǎn)失速形式出現(xiàn)。而且，不同型號發(fā)動機(jī)（壓氣機(jī)）的氣動失穩(wěn)特性也表現(xiàn)出很大的差異，在工程上用相對脈動幅值和脈動頻率表征壓氣機(jī)氣動失穩(wěn)特征，需要多方面歸納、積累和總結(jié)發(fā)動機(jī)失穩(wěn)案例，提取失穩(wěn)特征，針對不同型號的發(fā)動機(jī)（壓氣機(jī)）建立相應(yīng)的工程數(shù)學(xué)模型和比較完善的失穩(wěn)特征數(shù)據(jù)庫，這比普通的依據(jù)物理過程建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值仿真的方法更有效。

仿真系統(tǒng)生成仿真信號后，在失穩(wěn)積分時間上按照信號發(fā)射的時序統(tǒng)計(jì)算式“Pac-A0Pdc”的值，當(dāng)該算式小于零時，其值自動賦零，否則在接下來的時間段T0內(nèi)進(jìn)行積分運(yùn)算

式中：A0為失穩(wěn)門檻限制值；T0為失穩(wěn)積分時間；Pac為脈動壓力仿真信號交流分量；Pdc為脈動壓力仿真信號直流分量。

在模擬失穩(wěn)信號的全部或大部仿真時間內(nèi)，仿真分析判斷模塊實(shí)時檢測失穩(wěn)能量幅度相對累加變量∑A，當(dāng)它大于某個設(shè)定常量時，就確定發(fā)動機(jī)內(nèi)部氣流出現(xiàn)了不穩(wěn)定流動，仿真系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的邏輯關(guān)系確定消喘指令信號K1的輸出模式，以此來仿真整個消喘過程。

一般情況下，可以選擇發(fā)動機(jī)（壓氣機(jī)）某級或出口的動態(tài)壓力特征量作為仿真信息，也可以對其進(jìn)行適當(dāng)組合。此外，仿真系統(tǒng)提供了對各狀態(tài)失穩(wěn)特征進(jìn)行優(yōu)化處理的功能，例如：對幅值可以增大或減小，對頻率可以放大和壓縮，對組合信號的相位進(jìn)行相互調(diào)節(jié)等。這些變換可以達(dá)到仿真數(shù)據(jù)靈活的自由組合，使得仿真效果更加逼近實(shí)際物理過程，同時也可檢驗(yàn)相同失穩(wěn)特征，不同發(fā)展規(guī)律的仿真過程。

另外，還可以根據(jù)仿真需求，產(chǎn)生用戶自定義的任意形式仿真模型，如平穩(wěn)信號（直流）、交變信號（交流）、周期信號、脈沖信號和其它自由組合信號，可以模擬發(fā)動機(jī)（壓氣機(jī)）的一些穩(wěn)態(tài)、過渡態(tài)等工作特征，再摻雜進(jìn)失穩(wěn)特征信號，使得仿真形式更加靈活。

4.3 虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用

虛擬儀器技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的1種新技術(shù),融計(jì)算機(jī)技術(shù)、總線技術(shù)、微電子技術(shù)和測試測量技術(shù)于一身。虛擬儀器的硬件平臺本身就基于PC機(jī)與數(shù)據(jù)功能模塊，因此對本系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性。本系統(tǒng)使用的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊由NI公司提供，可以直接調(diào)用自身提供的驅(qū)動程序，如果使用其他廠家提供的功能模塊，可以很方便地調(diào)用或搭建驅(qū)動與控制程序，實(shí)現(xiàn)良好的數(shù)據(jù)輸入輸出控制、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)分配和調(diào)理模塊的動態(tài)調(diào)整。針對串行總線RS-485與RS-232C的通信協(xié)議，虛擬儀器技術(shù)可以很好地配置協(xié)議，并控制其工作狀態(tài)。

Labview作為1種業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程工具，在開發(fā)測試測量，控制仿真系統(tǒng)方面具有非常大的優(yōu)勢。Labview利用NI的虛擬儀器技術(shù)，讓復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析處理工作變得異常簡單，使得不用將大量的時間精力耗費(fèi)在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備的搭建、執(zhí)行與維護(hù)上，不必拘泥于軟硬件的運(yùn)行調(diào)試，不必像文本編譯語言那樣繁瑣的調(diào)用鏈接庫、復(fù)雜的讀寫端口，定義特殊通信協(xié)議。甚至一些基本的數(shù)據(jù)處理功能，如濾波和時頻變換也只需配置一些基本參數(shù)就可以方便實(shí)現(xiàn)。大大提高了研究人員的工作效率。從開發(fā)時間、成本、運(yùn)行效率和精度方面，均比傳統(tǒng)文本編譯模式有較大優(yōu)勢。運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)的結(jié)果，使得開發(fā)人員在仿真系統(tǒng)搭建過程中更加專注于仿真功能的開發(fā)。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

對新研制的發(fā)動機(jī)消喘系統(tǒng)，為了優(yōu)化其設(shè)計(jì)方案，解決在整機(jī)逼喘試驗(yàn)氣動失穩(wěn)過程中存在的延報(bào)和漏報(bào)現(xiàn)象，使用本仿真系統(tǒng)對其進(jìn)行參數(shù)調(diào)試和性能驗(yàn)證。

在某次仿真試驗(yàn)中，特別針對發(fā)動機(jī)失穩(wěn)特征，將系統(tǒng)控制參量進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)，使得消喘指令性信號K1實(shí)時有效。系統(tǒng)方案優(yōu)化前后對同1組失穩(wěn)信號的仿真結(jié)果如圖5、6所示。

從圖5中可見，由于原方案的參數(shù)配置不合理，消喘系統(tǒng)未能正常工作（消喘指令K1信號未有動作）。從圖6中可見，調(diào)節(jié)參數(shù)配置，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案后，消喘指令K1發(fā)出信號非常迅速有效，達(dá)到了系統(tǒng)的仿真要求。通過仿真試驗(yàn)可以驗(yàn)證，新的優(yōu)化方案在設(shè)計(jì)機(jī)理上發(fā)生了變化，能對發(fā)動機(jī)的失穩(wěn)特征有效控制，其實(shí)時性和適用性有了實(shí)質(zhì)提高，真正達(dá)到了系統(tǒng)要求的防喘功能。

在俄羅斯研制1套發(fā)動機(jī)消喘系統(tǒng)，通常需要進(jìn)行約500次的現(xiàn)場整機(jī)逼喘試驗(yàn)，不僅耗費(fèi)大量的人力物力，而且研制周期長，而通過該仿真系統(tǒng)，共進(jìn)行了70余次的試驗(yàn)，就完成了某型發(fā)動機(jī)適用消喘系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

6 結(jié)論

（1）分析了航空發(fā)動機(jī)的不穩(wěn)定流動特點(diǎn)，在工程上一般使用相對脈動變化幅度和相應(yīng)頻率來表征氣動失穩(wěn)特征。建立針對不同發(fā)動機(jī)的失穩(wěn)特征數(shù)據(jù)庫，相比普通的依據(jù)數(shù)理方程建立的模型更貼近工程實(shí)際。

（2）對于不同型號發(fā)動機(jī)，只需調(diào)節(jié)仿真系統(tǒng)中A0、T0等參數(shù)，就可以滿足對氣動失穩(wěn)的仿真要求，而對于同一臺發(fā)動機(jī)也可以有多個組合。本系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求，對實(shí)時性和可靠性2個技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

（3）應(yīng)用該數(shù)字式仿真系統(tǒng)可提高仿真試驗(yàn)的置信度和逼真度，減少了因消喘系統(tǒng)試驗(yàn)所要求的發(fā)動機(jī)整機(jī)逼喘次數(shù)，避免了由于實(shí)體發(fā)動機(jī)逼喘對機(jī)械結(jié)構(gòu)的磨損，大大降低了試驗(yàn)成本，并加快了項(xiàng)目的攻關(guān)進(jìn)度。

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