航空發(fā)動(dòng)機(jī)電氣控制半實(shí)物虛擬仿真平臺開發(fā)

費(fèi)仇浩 朱振宇 包興旺 陸星宇 鄒權(quán) 孫兆榮

摘? 要：發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)的核心，保證其安全可靠和快速起動(dòng)，對飛機(jī)飛行安全和及時(shí)迅速地起飛并執(zhí)行完成預(yù)期的任務(wù)是至關(guān)重要的，所以有必要對飛機(jī)的起飛過程進(jìn)行更加深入地研究。然而真實(shí)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)造價(jià)昂貴，且對于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的要求過高，因此我們跟隨導(dǎo)師共同完成航空發(fā)動(dòng)機(jī)電氣控制半實(shí)物虛擬仿真平臺大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的創(chuàng)立，我們結(jié)合民航發(fā)動(dòng)機(jī)電氣控制系統(tǒng)原理及功能，設(shè)計(jì)開發(fā)集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電氣運(yùn)動(dòng)部件、控制率等于一體的硬件模擬平臺，運(yùn)用LABVIEW軟件開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)電氣控制及狀態(tài)監(jiān)控上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與硬件平臺的協(xié)調(diào)工作，完成發(fā)動(dòng)機(jī)電氣控制的關(guān)鍵功能。同時(shí)，開發(fā)3D虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)、硬件平臺及虛擬模型的聯(lián)動(dòng)，充分再現(xiàn)真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制規(guī)律與過程。

關(guān)鍵詞：3D軟件;LABVIEW;上位機(jī);硬件平臺及虛擬模型的聯(lián)動(dòng)

中圖分類號：V23? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）10-0038-04

Abstract： The core of the engine aircraft， to ensure its safe， reliable and fast start， is very important for the aircraft to take off safely and quickly and complete the expected tasks in a timely manner， so it is necessary to conduct a more in-depth study on the take-off process of the aircraft. However， the real aircraft engine is expensive， and the requirements for laboratory construction are too high， so we follow our mentor to complete the creation of the innovative and entrepreneurial project of the aero-engine electrical control hardware-in-the-loop virtual simulation platform for college students. Combined with the principles and functions of the civil aviation engine electrical control system， we design and develop a hardware simulation platform that integrates engine speed， electrical motion parts， control rate and so on. The upper computer software of engine electrical control and condition monitoring is developed using LABVIEW software， which realizes the coordination between the host computer and the hardware platform， and completes the key functions of engine electrical control. At the same time， the 3D virtual engine model is developed， so as to realize the linkage of the host computer， the hardware platform and the virtual model， and fully reproduce the control law and process of the real engine.

Keywords： 3D software; LABVIEW; host computer; linkage of hardware platform and virtual model

1 發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為航空飛行器的動(dòng)力核心，起動(dòng)過程的順利與否直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)能否正常工作，起動(dòng)性能的好壞也是一項(xiàng)衡量一個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能的重要指標(biāo)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，形式非常多樣，因此想要航空發(fā)動(dòng)機(jī)的模型建立前必須要對真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有清晰的認(rèn)識。本課題建立的仿真模型全部是基于CFM56-5系列航空發(fā)動(dòng)機(jī)?？罩锌蛙嘇320系列飛機(jī)使用的就是這種發(fā)動(dòng)機(jī)。這款發(fā)動(dòng)機(jī)的起飛推動(dòng)范圍可達(dá)21000至30000磅，完全適用于此類飛行器的需求。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)大家族里最為典型的，最具有代表性的就是這款發(fā)動(dòng)機(jī)。它長2.14m，寬1.97m，可達(dá)2381kg。核心機(jī)部分和整流罩部分是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力裝置最重要的組成部分。在外形上，整流罩完全達(dá)到空氣動(dòng)力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，是飛機(jī)在高空作業(yè)時(shí)，依然保持良好的飛行穩(wěn)定性，使得平穩(wěn)飛行。提供動(dòng)力的還有空氣系統(tǒng)，除此之外它還可以冷卻渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部由于旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量熱量的高溫部件。增壓軸承腔內(nèi)，使艙場內(nèi)部通氣。負(fù)責(zé)供給和傳送則是燃油系統(tǒng)，通過燃燒室燃燒的化學(xué)能來達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)活門的伺服壓力調(diào)節(jié)。

空氣通過進(jìn)氣道進(jìn)去渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)后有兩個(gè)去向，一方面從內(nèi)涵道，空氣依次經(jīng)過低壓壓氣機(jī)，高壓壓氣機(jī)，燃燒室，高壓渦輪，低壓渦輪，從而被排出機(jī)外。另一方面則從外涵道流過，經(jīng)過風(fēng)扇直接排除機(jī)外，與內(nèi)涵空氣一起噴射，產(chǎn)生大量動(dòng)力。CFM56-5系列航空發(fā)動(dòng)機(jī)是典型的雙輪發(fā)動(dòng)機(jī)，此類發(fā)動(dòng)機(jī)有兩個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)互相獨(dú)立，分別為高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子。它們由5個(gè)軸承連接，內(nèi)部還有兩個(gè)軸承腔。

總體而言，CFM56-5系列航空發(fā)動(dòng)機(jī)采取的是模塊式設(shè)計(jì)，大大小小可分為17個(gè)模塊。但是大體上根據(jù)功能可以歸類于三大模塊：風(fēng)扇模塊，核心機(jī)模塊，低壓渦輪模塊。風(fēng)扇模板可分為風(fēng)扇，低壓壓氣機(jī)組件，風(fēng)扇結(jié)構(gòu)組件等。核心機(jī)模塊分為：高壓壓氣機(jī)，燃燒室和高壓渦輪機(jī)等。

2 3D模型的建造

為了項(xiàng)目的更好的實(shí)施，逼真，模型的建立要足夠的精確。就現(xiàn)在而言，3D模型的建立，國內(nèi)外的許多機(jī)械師都使用Solidwoks軟件。因?yàn)榫湍壳癝olidWorks軟件是世界上第一個(gè)基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，且該軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。它每個(gè)平面的草圖都與CAD草圖的繪制過程相同，對于有CAD使用基礎(chǔ)的用戶非常便捷。對于初學(xué)者而且，簡單易學(xué)，操作簡便，便于理解。滿足現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的全部需求。

對于本項(xiàng)目而言，我們需要對渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的幾個(gè)核心部件進(jìn)行模型建立，如風(fēng)扇部件，壓氣機(jī)部件，轉(zhuǎn)子部件等。每一個(gè)部件都得盡量的逼近實(shí)際，以達(dá)到項(xiàng)目要求。在零部件都完全建造完成后通過Solidworks的組裝功能進(jìn)行拼裝，完成目標(biāo)。

我們以葉片的構(gòu)造為例：對于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)而言，完成壓氣機(jī)和渦輪的進(jìn)行功能轉(zhuǎn)換的最為重要的組成元件就是葉片了。葉片雖小，但構(gòu)造極為困難。它是由機(jī)身和棒頭組成的。對于葉身而言，它本身的截面就擁有一些彎曲的葉型，截面的形狀與位置和葉高的不同是息息相關(guān)的，隨著葉高的不同而不斷變化。工作狀態(tài)下，葉片由于樣頭可以達(dá)到固定在轉(zhuǎn)盤的效果。所以在造型方案的確定階段，我們可以將葉片分為葉身和檸頭兩部分從而進(jìn)行構(gòu)造，并且分別造型，然后根據(jù)尺寸大小進(jìn)行拼裝縫合。

關(guān)于葉身方面的構(gòu)造，看似簡單，實(shí)則復(fù)雜，由于本身是由許許多多的連續(xù)扭轉(zhuǎn)曲面構(gòu)成的扇形。由于葉片具有自身剖切面重心在一條直線上這個(gè)顯著的特點(diǎn)，使得我們可以用垂直于這一重心線的六個(gè)剖切平面去剖切葉身，形成的剖切平面可以輕松投影成一個(gè)封閉的二維曲線。然后就可以通過Solidworks的自帶功能，進(jìn)行平移，翻轉(zhuǎn)等操作構(gòu)造葉身的框架。具體的實(shí)施步驟則是（1）選擇六個(gè)剖切基準(zhǔn)面：葉片本身就是一個(gè)三維圖形，對于它的六個(gè)剖切平面，我們得事先確定好基準(zhǔn)面，在基準(zhǔn)面上進(jìn)行詳細(xì)操作?；鶞?zhǔn)面是具有平行關(guān)系的，因此我們可以選擇等距平面。（2）構(gòu)造二維曲線：曲線本身是非常圓滑的，但是由于葉片曲線是由兩段圓弧和中間的曲線段光滑連接組成。所以我們可以通過取點(diǎn)的方法來間接性實(shí)現(xiàn)，在二段圓弧上取一系列的點(diǎn)，在去除圓弧本身，根據(jù)基準(zhǔn)面的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇性的連接構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。（3）扭曲平面的相對形成：各截面的形狀和相對位置與葉高息息相關(guān)的，隨著葉高的變化而變化。通過二維曲線的構(gòu)建成所封閉的封閉曲線，根據(jù)不同的扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移的實(shí)際操作。同時(shí)保證它們的截面中心必須在同一點(diǎn)上，這樣才能達(dá)到要求。（4）葉身的最終拼裝。通過上述獲得的零部件，通過旋轉(zhuǎn)，拉伸，最終得到葉身。

榫頭造型的模型構(gòu)造相對于葉身顯得簡單了。我們只需要考慮計(jì)算榫頭實(shí)際形狀、榫頭與葉身構(gòu)成的相對位置、榫頭在輪盤上實(shí)際安裝位置和榫頭的設(shè)計(jì)形狀是圓臺的一部分等一些重要因素。其主要步驟則是先選擇合適的基準(zhǔn)面，在基準(zhǔn)面上進(jìn)行詳細(xì)的草圖繪制，然后再將凸臺進(jìn)行拉伸，凸臺上再選擇基準(zhǔn)面，繪制詳細(xì)的結(jié)構(gòu)草圖，切除多余部分。以此步驟進(jìn)行九次才能得到榫頭設(shè)計(jì)。最終再通過軟件的強(qiáng)大功能，根據(jù)技術(shù)要求進(jìn)行細(xì)致準(zhǔn)確的拼裝，完成葉片的模型構(gòu)造（如圖2）。

3 虛擬平臺的建立

在進(jìn)行完渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的3D模型的構(gòu)造后，我們則進(jìn)入該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的最為關(guān)鍵，最為核心的部分：虛擬仿真平臺設(shè)計(jì)。關(guān)于虛擬仿真平臺，我們推薦使用LABVIEW軟件，LABVIEW是NI公司專門研發(fā)出來基于圖形的集成化程序軟件開發(fā)環(huán)境，在其設(shè)計(jì)中，加入了虛擬機(jī)的構(gòu)造內(nèi)容。同時(shí)LABVIEW的功能也是十分強(qiáng)大，它完全可以勝任數(shù)據(jù)采樣，儀器控制和數(shù)據(jù)分析等強(qiáng)大功能。其次對于LAVIEW的運(yùn)行，我們不需要太高的配置，在一般的配置電腦上也能輕松運(yùn)行，構(gòu)造出用戶心儀的虛擬模型機(jī)，其功能特性與真實(shí)機(jī)器功能相差不大。與此同時(shí)，它還備有強(qiáng)大的函數(shù)庫資源，提供非常多的數(shù)據(jù)庫模板的選擇，無需封裝，點(diǎn)開即用，非常方面與快捷。由于LABVIEW本身是由G語言構(gòu)造，而且前面板與程序版只需要通過元件連線就可以輕松實(shí)現(xiàn)并達(dá)到預(yù)期要求，不需要精通C等各種語言，也可以輕松容易的達(dá)成。對于LABVIEW的虛擬機(jī)的構(gòu)造，我們可以分為幾大步驟。（1）建立Solidworks軟件與LABVIEW軟件的聯(lián)系：Solidworks與LABVIEW可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換的，首先把Solidworks中繪制的發(fā)動(dòng)機(jī)零件轉(zhuǎn)換為WRL格式，在另存為WRL格式前要先設(shè)置Solidworks的輸出選項(xiàng)，即輸出的版本格式選擇為VRML_97，單位設(shè)置為毫米級。雖然Solidworks與LABVIEW存在連續(xù)，但Solidworks的輸出格式則并不是為了LABVIEW服務(wù)的。如果格式不能是LABVIEW所接受的，則會(huì)顯示錯(cuò)誤，導(dǎo)致三維模型建立以失敗告終，程序無法運(yùn)行。（2）模型的路徑構(gòu)造：對于路徑的構(gòu)造，我們可以根據(jù)零部件的相關(guān)聯(lián)度進(jìn)行路徑的確立。我們以整流罩為底座作為基路徑，成為一切路徑的基礎(chǔ)，其次在其分支上設(shè)立分路徑，根據(jù)關(guān)系將分路徑與零部件一一對應(yīng)詳細(xì)構(gòu)造而成。由路徑構(gòu)成，但并不能保證零部件在情景的呈現(xiàn)是否無縫連接，我們還得需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行零部件的平移與轉(zhuǎn)移。（3）渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和葉片的轉(zhuǎn)速控制模塊并確定每個(gè)零件的旋轉(zhuǎn)方向：這部分得根據(jù)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際情況進(jìn)行詳細(xì)的操作。在旋轉(zhuǎn)速度的控制方面采取分支結(jié)構(gòu)，在每一個(gè)要旋轉(zhuǎn)的零部件比如轉(zhuǎn)子，壓氣機(jī)等方面設(shè)立單獨(dú)的旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)與之對應(yīng)。對于一些顯性的控制，我們可以直接控制的地方，比如葉片的旋轉(zhuǎn)，我們可以在前面板構(gòu)造一個(gè)葉片的旋轉(zhuǎn)控制按鈕。通過這個(gè)按鈕來控制程序版的執(zhí)行，使得葉片開始旋轉(zhuǎn)。對于一些隱性構(gòu)造則是直接通過內(nèi)部程序版得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)行。（4）聲音反饋：對于轉(zhuǎn)速的變化，我們?nèi)庋凼菬o法看出來的，所以構(gòu)造一個(gè)聲音的反饋系統(tǒng)，通過采樣轉(zhuǎn)子的速度，根據(jù)快慢得到相對的聲音，比如轉(zhuǎn)子慢時(shí)，聲音顯得沉悶;快時(shí)，則聲音會(huì)非常尖銳。我們可以根據(jù)這樣直觀的感受得到轉(zhuǎn)子快慢的速度體現(xiàn)。這樣我們的LABVIEW的主體框架就做好了，其余部分，我們還可以對LABVIEW的前面板進(jìn)行美化，修改。比如背景圖的設(shè)立，情景框圖的大小，模型的位置，按鈕的排版都需要我們?nèi)ネ瓿蓸?gòu)造（如圖3）。

4 硬件平臺的形成

對于硬件平臺的組成部分分別為控制器，直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，直流電機(jī)控制板和步進(jìn)電機(jī)控制版。左右發(fā)動(dòng)機(jī)的模擬則是由直流電機(jī)來模擬。至于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油計(jì)數(shù)部分和起動(dòng)空氣閥的開度由步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。對于硬件平臺的設(shè)立：（1）元件的選擇：關(guān)于元件的選擇，例如我們選擇FPGA開發(fā)板作為直流電機(jī)的選擇控制，為了實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部的控制電路部分。它不僅可以處理定制電路的各種弊處，還可以增加可編輯門電路的數(shù)量，以便達(dá)成良好的控制編程效果，大大提高了工作效率，使開發(fā)空間有了很大的提升。（2）電路的制造：我們必須事先通過學(xué)習(xí)整理描繪出電路的連接直觀圖，分析電路中存在的錯(cuò)誤，計(jì)算出電路的可實(shí)時(shí)性，不斷優(yōu)化和改進(jìn)，以便達(dá)到最佳的效果。（3）平臺的打造：根據(jù)已畫的電路圖，對比相對應(yīng)的元件，注意元件的正負(fù)特性，規(guī)劃好平臺的構(gòu)造理念，使排版更為簡單，一旦出現(xiàn)問題，維修更加方便（如圖4）。

5 軟硬件的相互調(diào)試

隨著硬件平臺的完全搭建，接下來就是硬件與軟件的連接調(diào)試工作了，即虛擬機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的同步運(yùn)行了。要求發(fā)動(dòng)機(jī)模型虛擬的動(dòng)態(tài)選擇速度能夠與實(shí)驗(yàn)箱的保持一致。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的模擬的高低壓轉(zhuǎn)子與前面板的數(shù)值變化也應(yīng)保持一致，達(dá)成項(xiàng)目的設(shè)立要求。

6 結(jié)論

本項(xiàng)目我們研究了以CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)為典型而建立的半實(shí)物虛擬仿真平臺的開發(fā)，著重的研究了此類發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，控制系統(tǒng)的實(shí)施，起動(dòng)的過程和發(fā)動(dòng)機(jī)在LABVIEW軟件環(huán)境下實(shí)施的情況，實(shí)現(xiàn)了與硬件平臺的信息交互，完成項(xiàng)目的構(gòu)造，但是這只是完成了項(xiàng)目的初期要求，結(jié)合實(shí)際，發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，遠(yuǎn)比這復(fù)雜的很。實(shí)際中發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流量，燃油的消耗率，排氣溫度等因素都是具有非常大的作用的。因此對于項(xiàng)目的后續(xù)，我們還有以下設(shè)想：完善發(fā)動(dòng)機(jī)的各種參數(shù)，研究在不同參數(shù)下發(fā)動(dòng)機(jī)的各種表現(xiàn)，進(jìn)一步的提高系統(tǒng)的可靠性和逼真度。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭緒生.某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)建模技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2005.

[2]劉同勝，劉建勛.航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程建模方法研究[J].科教文匯，2011，4：86-88.

[3]王永杰.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程數(shù)值模擬研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.