基于MWorks與FlightGear的飛行仿真

肖文 韓鎧軒 陳航

摘 ? 要：民航飛機系統(tǒng)的建模仿真是對完整飛機系統(tǒng)、飛行控制原理的深化理解與應用。本文通過運用非因果建模仿真軟件Mworks，以Modelica語言為基礎(chǔ)，搭建了民航飛機系統(tǒng)模型，將民機整機系統(tǒng)分為了飛行控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)和飛機發(fā)動機系統(tǒng)四大部分，并通過MWorks的外部導出端口驅(qū)動FlightGear對飛機系統(tǒng)進行了實時可視化仿真，有利于通過改變飛機系統(tǒng)部分參數(shù)，實現(xiàn)了對飛機的故障仿真與安全分析。仿真結(jié)果證明，MWorks建立的民航飛機系統(tǒng)完整，三維可視化效果逼真直觀。

關(guān)鍵詞：MWorks ?飛行仿真 ?FlightGear ?系統(tǒng)建模 ?三維可視化

中圖分類號：V248.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）05（a）-0007-04

Abstract： The construction and imitation of civil aviation aircraft system is a deepening understanding and application of complete aircraft system and flight control principle. The civil aviation aircraft system model is built by using the non-causality modeling and simulation software MWorks， based on Modelica language. the whole system is divided into four parts： flight control system， hydraulic system， environmental control system and aircraft engine system. The real-time visual simulation of the aircraft system is carried out by driving FlightGear through the external export port of MWorks， which is beneficial to change some parameters of the aircraft system. The fault simulation and safety analysis of aircraft are realized. The simulation results show that the civil aviation aircraft system established by MWorks is complete and the 3D visualization effect is realistic and intuitionistic.

Key Words： MWorks; Flight Simulation; FlightGear; System Modeling; Three-Dimensional Visualization

由于現(xiàn)代社會工業(yè)生產(chǎn)和科學的迅猛發(fā)展，現(xiàn)在生產(chǎn)出來的機械電子產(chǎn)品越來越精密，大部分是機械、電氣、液體、控制等不同領(lǐng)域的各種系統(tǒng)的組合[1]。現(xiàn)代復雜機電產(chǎn)品也越來越多地呈現(xiàn)出多域耦合、連續(xù)離散域交叉的特點。另外，以機械系統(tǒng)為典型的連續(xù)域和以電子控制系統(tǒng)為典型的離散域的混合現(xiàn)象也出現(xiàn)在工業(yè)產(chǎn)品建模與仿真過程中。而在大多數(shù)的建模過程中，傳統(tǒng)的建模仿真軟件只是對這些僅僅一方面領(lǐng)域仿真工具的一種簡單集成，大多數(shù)是僅在其中一方面的建模仿真軟件，像機械系統(tǒng)仿真、電力系統(tǒng)仿真這些大多數(shù)仿真工具，在仿真過程中并不能滿足混合系統(tǒng)分析和多領(lǐng)域耦合設(shè)計的要求，而且在對混合系統(tǒng)進行整體化分析的時候也很可能會遇到困難[2]。

正是由于這種情況，才促進了一種新的建模語言的發(fā)展，歐美工程界、研究機構(gòu)、大學以及軟件公司在20世紀90年代提出了多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模理論，對于復雜系統(tǒng)建模語言Modelica的研究有了巨大的推動作用[3]。目前Modelica語言發(fā)展迅速，以它為主而開發(fā)的物理模型的數(shù)量更是迅速增加，在很多方面均有應用，如機械、液壓、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域[4]，此外，還應用于汽車、能源、航空、航天等各行業(yè)[5-7]。由此，就產(chǎn)生了多領(lǐng)域建模與仿真軟件，如以Modelica語言為基礎(chǔ)的多領(lǐng)域建模與仿真分析平臺MWorks[8]。

到現(xiàn)在為止，許多國內(nèi)和海外航空公司和科研機構(gòu)均在建設(shè)飛機可視化仿真實驗室上獲得了成果，對飛機的設(shè)計、運營和飛行員訓練有著重要的幫助作用。其中，一款在國際上非常出名的模擬飛行軟件Flightgear非常受一些飛行愛好者和專業(yè)人士的歡迎，因為Flightgear不僅能實現(xiàn)非常逼真的飛行仿真過程，能夠滿足許多模擬飛行愛好者的需求，還擁有開放的程序框架和可編輯的外部數(shù)據(jù)輸入和輸出接口，這些讓專業(yè)人士也可以進行飛行仿真模擬[9]。

Illinois大學將其用于飛行結(jié)冰過程的仿真可視化平臺開發(fā)[10];Wales大學則在飛控系統(tǒng)仿真中，利用Flightgear引擎實現(xiàn)了可視化仿真環(huán)境[11]。

同時，國內(nèi)各高校一些自動控制、探測與制導及機械自動化等專業(yè)利用Flightgear軟件在開展飛控系統(tǒng)教學和實驗上取得了顯著進步，并且據(jù)此創(chuàng)建了可視化飛行仿真與設(shè)計實驗教學平臺。學校運用該教學平臺，能夠讓學生更直觀地了解在飛控系統(tǒng)等課程中學習到的知識和方法，根據(jù)可視化飛行器控制器設(shè)計實驗再利用開放實驗系統(tǒng)[12]，讓學生們自主進行設(shè)計控制器，學會運用所學知識來進行設(shè)計實際的飛控系統(tǒng)。

1 ?基于MWorks的飛機系統(tǒng)建模

本文利用多領(lǐng)域以Modelica語言為基礎(chǔ)的建模仿真軟件MWorks創(chuàng)建了相對完備的民航飛機系統(tǒng)仿真模型，并將民航飛機系統(tǒng)分成四大主要部分：飛控系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和飛機發(fā)動機系統(tǒng)。

1.1 飛行控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)是指在運行過程中，運用自動操縱系統(tǒng)，控制飛機的飛行姿態(tài)、運動參數(shù)等進行實時變化的系統(tǒng)。本文通過將飛行參數(shù)總線、輪速、操縱指令總線輸入飛行控制系統(tǒng)模型，飛行控制系統(tǒng)模型通過監(jiān)控表決器與外置監(jiān)控器，輸出方向舵結(jié)構(gòu)限制指令、有效校正空速、有效機輪輪載等參數(shù)，傳遞作動器位置反饋信號、操縱裝置角度、增益指令等反饋信號，對飛機機翼、尾翼等部件進行控制。

1.2 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是指飛機上以液壓為原動力，驅(qū)動指定液壓元件執(zhí)行一系列操縱控制的整套系統(tǒng)。本文通過將飛機狀態(tài)信號、液壓泵源控制開關(guān)信號輸入綜合管理控制器，控制液壓能源系統(tǒng)工作的同時測得液壓并形成液壓系統(tǒng)狀態(tài)信號，對綜合管理控制器的控制信號進行反饋控制。

1.3 環(huán)境控制系統(tǒng)

飛機的環(huán)境控制系統(tǒng)利用向發(fā)動機引氣，操縱機艙內(nèi)的濕度、溫度等參數(shù)的變化，為機載設(shè)備、機上全部人員提供適宜的環(huán)境條件。本文通過將左發(fā)引氣溫度、左發(fā)引氣壓力、右發(fā)引氣溫度和右發(fā)引氣壓力輸入綜合空氣系統(tǒng)控制器，控制換熱器進行熱量交換，同時出口溫度、出口流量與出口壓力等信號輸入溫度控制閥和流量控制閥，對綜合空氣系統(tǒng)控制器的控制信號進行反饋控制。

1.4 飛機發(fā)動機系統(tǒng)

發(fā)動機系統(tǒng)是飛機的“心臟”。本文通過向飛機發(fā)動機系統(tǒng)輸入反推開關(guān)信號、油門桿角度、飛行高度、飛行馬赫數(shù)等參數(shù)，操縱發(fā)動機工作，同時輸出低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速百分比、高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速百分比、推力、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、高壓渦輪排氣溫度、飛機引氣流量、飛機引氣壓力、飛機引氣溫度，對飛機發(fā)動機系統(tǒng)進行反饋控制。

2 ?基于FlightGear的飛機系統(tǒng)仿真

本文利用FlightGear模擬飛行項目，在建模軟件MWorks里創(chuàng)建對應的外部接口部件，控制采樣時間為0.01秒，指定飛機的姿態(tài)角、位置、飛控操縱面偏度、起落架位置（前、左、右）及前輪轉(zhuǎn)角和發(fā)動機N1轉(zhuǎn)速百分比（左、右），將搭建完成的民航飛機系統(tǒng)與MWorks中的FlightGear模塊及對應的端口連接，進行對完整民航飛機系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。

通過驅(qū)動FlightGear可視化引擎監(jiān)測民用航空器各系統(tǒng)的狀態(tài)，使飛機運行狀態(tài)實時復現(xiàn)，并同時進行飛機飛行過程中飛行姿態(tài)、氣候條件和外部環(huán)境的同步三維復現(xiàn)。

3 ?結(jié)語

民航飛機系統(tǒng)的建模仿真是對完整飛機系統(tǒng)、飛行控制原理的深化理解與應用。本文利用多領(lǐng)域以Modelica語言為基礎(chǔ)的建模仿真軟件MWorks，建立了民航飛機系統(tǒng)模型，將整機系統(tǒng)分為飛行控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)和飛機發(fā)動機系統(tǒng)四大部分，并通過MWorks的外部端口驅(qū)動FlightGear對飛機系統(tǒng)進行實時可視化仿真，有利于通過改變飛機系統(tǒng)部分參數(shù)，實現(xiàn)對飛機的故障仿真與安全分析。同時，采用將特定航班飛行數(shù)據(jù)導入飛機系統(tǒng)模型的方式，并通過FlightGear進行仿真，有利于直觀分析指定飛機典型系統(tǒng)工作狀態(tài)，提高分析效率與可視化效果。

參考文獻

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