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

摘要：近些年來我國(guó)航空航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度較快，各項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)不斷取得突破。在航空領(lǐng)域中，發(fā)動(dòng)機(jī)控制研究是一項(xiàng)重要內(nèi)容，為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能，必須采用模擬仿真技術(shù)，在模擬仿真平臺(tái)中對(duì)其電氣控制方案進(jìn)行測(cè)試，從而能夠準(zhǔn)確識(shí)別出設(shè)計(jì)方案存在的問題，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電氣控制方案進(jìn)行優(yōu)化，其中半實(shí)物虛擬仿真平臺(tái)具有良好的應(yīng)用效果。因此，本文將對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)電氣控制半實(shí)物虛擬仿真平臺(tái)的開發(fā)進(jìn)行深入地研究與分析，并提出一些合理的意見和措施，旨在進(jìn)一步提高仿真平臺(tái)開發(fā)技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī);電氣控制;半實(shí)物;模擬仿真平臺(tái);技術(shù)開發(fā)

發(fā)動(dòng)機(jī)作為航空飛機(jī)的核心，對(duì)于航空飛機(jī)的飛行速度、可靠性以及安全性具有決定性作用，且航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于技術(shù)水平要求極高，必須采用科學(xué)的設(shè)計(jì)方案，才能夠滿足航空飛機(jī)飛行要求，同時(shí)因?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)造價(jià)昂貴，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室條件具有明確要求，為了實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)電氣控制研究，近些年來半實(shí)物虛擬仿真平臺(tái)投入使用。本文設(shè)計(jì)開發(fā)一種將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電氣運(yùn)動(dòng)控制、控制率等集中為一體的虛擬仿真平臺(tái)，在開發(fā)實(shí)驗(yàn)中取得良好效果。

1發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部構(gòu)造分析

發(fā)動(dòng)機(jī)是航空飛行器的動(dòng)力核心，發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程能夠直接影響航空飛機(jī)能夠順利飛行，啟動(dòng)性能是評(píng)價(jià)航空發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能的重要指標(biāo)[1]。綜合來看，航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，具有多種不同形式，所以在建立半實(shí)物虛擬仿真平臺(tái)前，必須對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有明確認(rèn)知。本次研究以CFM56-5系列的航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為對(duì)象，該系列發(fā)動(dòng)機(jī)在航空飛機(jī)中具有廣泛應(yīng)用，起飛推動(dòng)范圍能夠達(dá)到21000—30000磅，是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)類型中最為典型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。CFM56-5航空發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度為2.14m，寬度為1.97m，重量在2381kg左右，其動(dòng)力裝置主要包括核心機(jī)部分和整流罩。該航空發(fā)動(dòng)機(jī)的外形符合空氣動(dòng)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，在航空飛機(jī)高空飛行時(shí)能夠保持良好的穩(wěn)定性，主要通過空氣系統(tǒng)提供動(dòng)力，同時(shí)能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行冷卻，從而避免發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行溫度過高的問題出現(xiàn);在該航空發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓軸承腔內(nèi)，從而使艙場(chǎng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)通氣;該航空發(fā)動(dòng)機(jī)通過燃油系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供給和傳送，燃燒室內(nèi)燃燒的化學(xué)能能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)活門伺服壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。空氣通過進(jìn)氣道后，進(jìn)入渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)之后會(huì)從內(nèi)部涵道通過低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、燃燒室以及低壓渦輪，最后排出發(fā)動(dòng)機(jī)外部;另一股氣流經(jīng)過風(fēng)扇直接排出發(fā)動(dòng)機(jī)外部，與內(nèi)涵空氣同時(shí)噴射，從而產(chǎn)生充足的動(dòng)力。CFM56-5系列航空發(fā)動(dòng)機(jī)為雙輪發(fā)動(dòng)機(jī)，高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子相互獨(dú)立，由五個(gè)軸承分別連接，內(nèi)部有兩個(gè)軸承腔[2]。

CFM56-5型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)為模塊化設(shè)計(jì)形式，共計(jì)分為17個(gè)模塊，從功能模塊方面來看，17個(gè)模塊可以分為三個(gè)類別，分別為核心機(jī)模塊、低壓渦輪模塊以及風(fēng)扇模塊，核心機(jī)模塊主要包括高壓壓氣機(jī)模塊、燃燒室模塊和高壓渦輪機(jī)模塊;風(fēng)扇模塊主要包括低壓壓氣機(jī)模塊和風(fēng)扇結(jié)構(gòu)組件模塊。

2航空發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型構(gòu)建分析

為了能夠提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型構(gòu)建效果，必須保證各項(xiàng)參數(shù)準(zhǔn)確性，所以需要做好前期準(zhǔn)備工作，采用適合試驗(yàn)研究的相關(guān)軟件。本次三維模型構(gòu)建采用Solidworks軟件，是基于Windows系統(tǒng)的三維CAD軟件，功能豐富完備，內(nèi)部組件較多，平面草圖與CAD草圖的繪制過程基本相同，能夠有效提高三維模型構(gòu)建效率。本次三維模型構(gòu)建主要為航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部構(gòu)件模型，包括壓氣機(jī)構(gòu)件模型、轉(zhuǎn)子構(gòu)件模型以及風(fēng)扇構(gòu)件模型等，需要確保每個(gè)構(gòu)件與實(shí)物構(gòu)建相同。將構(gòu)建模型建造完成后利用Solidworks軟件組件對(duì)其進(jìn)行拼裝，從而實(shí)現(xiàn)三維模型建設(shè)目的[3]。

以航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片構(gòu)件為例，在渦輪式發(fā)動(dòng)機(jī)中，葉片為壓氣機(jī)和渦輪實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換的核心部件，雖然葉片體積較小，但是其模型構(gòu)建較為困難，葉片的主要結(jié)構(gòu)包括機(jī)身和榫頭，且葉片構(gòu)件截面具有一定彎曲，截面形狀受到位置和葉片高度的直接影響，隨著葉片高度改變而變化。在葉片工作狀態(tài)下，葉片通過樣頭能夠固定在航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片造型確定環(huán)節(jié)中，為了便于三維模型構(gòu)建，采用將葉片劃分為葉身和榫頭兩個(gè)部分的方式，對(duì)不同部分分別進(jìn)行模型構(gòu)建，之后根據(jù)其實(shí)際尺寸進(jìn)行拼裝。葉身結(jié)構(gòu)雖然看似較為簡(jiǎn)單，但是實(shí)際上模型構(gòu)建極為復(fù)雜，因?yàn)槿~身包括多個(gè)連續(xù)扭轉(zhuǎn)曲面，且葉片具有自身剖切面重心處于同一條直線的特征，所以在模型構(gòu)建時(shí)需要采用垂直于重心線的6個(gè)迫切面對(duì)葉身進(jìn)行剖切，從而能夠得到能夠投影成為封閉二維曲線的剖切平面，通過采用Solidworks軟件的平移、翻轉(zhuǎn)等功能，形成葉身框架的三維模型，具體操作步驟為：（1）確定6個(gè)剖切基準(zhǔn)面。因?yàn)槿~片實(shí)物為三維結(jié)構(gòu)，所以必須確定基準(zhǔn)面，在基準(zhǔn)面中對(duì)其進(jìn)行操作，且因?yàn)榛鶞?zhǔn)面之間為平行關(guān)系，所以本次試驗(yàn)中采用等距平面形式。（2）二維曲線構(gòu)造。曲線具有圓滑性特點(diǎn)，但是因?yàn)槿~片曲線為兩段圓弧和中間曲線連接構(gòu)成，所以本次試驗(yàn)中采用取點(diǎn)方式進(jìn)行，在兩段圓弧中分別選擇點(diǎn)位，按照基準(zhǔn)面的數(shù)據(jù)確定連接構(gòu)造。（3）扭曲平面形成。因?yàn)榻孛娴男螤詈臀恢门c葉片高度具有直接關(guān)系，會(huì)隨著葉片高度的變化而發(fā)生改變，所以需要利用二維曲線構(gòu)建具有封閉性的曲線，按照不同的扭轉(zhuǎn)角度對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移處理，并保證截面中心始終位于相同點(diǎn)位，才能夠滿足模型構(gòu)建要求。（4）葉身拼裝。將上述完成的構(gòu)件，在軟件中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、拉伸的處理，從而構(gòu)成完整的葉身。

葉身構(gòu)建完成后，需要完成榫頭模型構(gòu)建。在榫頭模型構(gòu)建時(shí)，需要重點(diǎn)考慮榫頭的形狀、與葉身的相對(duì)位置、在輪盤中的安裝位置等，在選擇適合的基準(zhǔn)面后，在基準(zhǔn)面中完成草圖繪制，之后將凸臺(tái)利用Solidworks軟件進(jìn)行拉伸處理，并在凸臺(tái)中完成二次基準(zhǔn)面去頂，只有繪制詳細(xì)的結(jié)構(gòu)草圖，將多余的部分切除，反復(fù)重復(fù)上述步驟10次后，即可得到榫頭模型方案，之后利用Solidworks軟件的相應(yīng)功能，按照發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)要求對(duì)其進(jìn)行拼裝，最終得到完整的構(gòu)造模型。

3半實(shí)物虛擬仿真平臺(tái)構(gòu)建分析

在完成航空發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型構(gòu)建后，進(jìn)入本次試驗(yàn)最為核心的部分，即半實(shí)物虛擬仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)。在本次設(shè)計(jì)中，采用LABVIEW軟件，LABVIEW軟件是專門用于圖形集成化的一種開發(fā)軟件，并在設(shè)計(jì)中融合虛擬機(jī)構(gòu)造。因?yàn)長(zhǎng)ABVIEW軟件內(nèi)部功能完善，具有儀器控制、數(shù)據(jù)分析等多項(xiàng)實(shí)用功能，且不需要較高的配置，在常規(guī)的實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，構(gòu)建出符合要求的虛擬模型機(jī)，且與實(shí)物機(jī)器功能基本相似，LABVIEW還具有豐富的函數(shù)資源，能夠?yàn)橛脩籼峁└嗟暮瘮?shù)模型選擇。LABVIEW軟件為G語言構(gòu)造，面板和程序版通過元件連接，符合本次半實(shí)物虛擬仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)LABVIEW軟件的虛擬機(jī)構(gòu)建，本次設(shè)計(jì)方案包括：（1）建立LABVIEW軟件與Solidworks軟件連接。LABVIEW軟件能夠與Solidworks軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將Solidworks軟件中繪制的航空發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件模型轉(zhuǎn)化為WRL格式，并對(duì)Solidworks軟件的輸出選型進(jìn)行設(shè)置，本次輸出的版本格式設(shè)計(jì)為VRML97，單元設(shè)計(jì)為毫米級(jí)別;盡管Solidworks軟件與LABVIEW軟件存在連續(xù)性，但是并不意味著Solidworks軟件所輸出的所有格式都能夠被LABVIEW軟件使用，如果格式錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致三模模型無法構(gòu)建，所以需要對(duì)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)化。（2）模型構(gòu)建方式。在路徑構(gòu)造選擇方面，本次試驗(yàn)按照零件的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行確定，以整流罩作底座作為基礎(chǔ)路徑，在該基礎(chǔ)上分別設(shè)計(jì)分路徑，之后按照關(guān)系將分路徑和構(gòu)件相對(duì)應(yīng)，但是這種對(duì)應(yīng)方式并不能保證構(gòu)件連接之間不存在縫隙，所以需要按照模型實(shí)際情況，利用軟件功能對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)構(gòu)件與構(gòu)件無縫連接。（3）渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、葉片轉(zhuǎn)數(shù)控制模塊、構(gòu)件旋轉(zhuǎn)方向確定。該部分模型構(gòu)建需要按照航空發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際情況進(jìn)行處理。首先，在旋轉(zhuǎn)速度控制方面，采用分支結(jié)構(gòu)，每個(gè)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件例如轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)等，為其設(shè)置單獨(dú)的旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)。其次，在一些顯性的控制系統(tǒng)中，對(duì)于直接可以直接控制的部分，例如葉片的旋轉(zhuǎn)控制，在面板構(gòu)造中安裝旋轉(zhuǎn)控制按鈕，利用該按鈕執(zhí)行控制程序，從而使葉片能夠旋轉(zhuǎn)。最后，在一些隱性的構(gòu)造中，采用通過內(nèi)部程序版獲取的數(shù)據(jù)對(duì)其旋轉(zhuǎn)進(jìn)行自動(dòng)化控制。（4）聲音反饋設(shè)計(jì)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無法獲取直觀數(shù)據(jù)，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)聲音反饋系統(tǒng)，通過聲音反饋獲取航空發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。在本次設(shè)計(jì)方案中，對(duì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，按照轉(zhuǎn)速對(duì)其聲音進(jìn)行匹配，從而能夠直觀獲取當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，之后利用LABVIEW軟件構(gòu)成主體框架，并對(duì)LABVIEW軟件面板進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到最終的半實(shí)物虛擬仿真平臺(tái)[4]。

4硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)分析

在硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)中，本次設(shè)計(jì)方案主要包括控制器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)控制器以及步進(jìn)電機(jī)控制器，從而能夠?qū)崿F(xiàn)左右發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行模擬、燃油計(jì)數(shù)模擬以及啟動(dòng)空氣閥開度模擬等，具體包括：（1）元件確定。在元件確定方面，本次設(shè)計(jì)方案采用FPGA開辦板作為直流電機(jī)的控制器，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電路控制，能夠有效處理電力中的各種問題，同時(shí)能夠提升可編輯門電路數(shù)量，進(jìn)而提高編程控制效果，能夠全面提高仿真效率。（2）電路設(shè)計(jì)。在電路設(shè)計(jì)開展前，通過對(duì)電路連接圖的分析，識(shí)別出電路設(shè)計(jì)中存在的錯(cuò)誤，并對(duì)電路可行性進(jìn)行計(jì)算，通過多次優(yōu)化模擬，得到最終的設(shè)計(jì)方案。（3）平臺(tái)設(shè)計(jì)。按照繪制完成的電路圖，對(duì)元件進(jìn)行對(duì)比，考慮元件的正負(fù)特性，在軟件中進(jìn)行模擬，從而得到最終硬件平臺(tái)。

在硬件平臺(tái)構(gòu)建完成后，對(duì)硬件和軟件進(jìn)行連接調(diào)試，將虛擬機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱保持同步運(yùn)行，航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬動(dòng)態(tài)速度需要與試驗(yàn)箱保持一致，此時(shí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高低壓轉(zhuǎn)子與面板數(shù)值變化保持相同，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)電氣控制的半實(shí)物仿真模擬[5]。

將設(shè)計(jì)完成的半實(shí)物虛擬仿真平臺(tái)應(yīng)用于CFM56-5系列發(fā)動(dòng)機(jī)電氣控制試驗(yàn)，控制方式為：控制器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)直流電機(jī)控制器和步進(jìn)電機(jī)控制器進(jìn)行控制，直流電機(jī)控制器對(duì)左發(fā)動(dòng)機(jī)和右發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制;步進(jìn)電機(jī)控制器對(duì)SVA1、FMV1、SAV2以及FVM2進(jìn)行控制。試驗(yàn)結(jié)果為：（1）N2轉(zhuǎn)速0%、SAV1開度0%、FMV1開度0%、SAV開度0%、FMV2開度0%、1號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速為0轉(zhuǎn)/min、2號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)為0轉(zhuǎn)/min、點(diǎn)火器A為OFF工況、點(diǎn)火器B為OFF工況。（2）N2轉(zhuǎn)速10%、SAV1開度100%、FMV1開度0%、SAV開度110%、FMV2開度0%、1號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速為497轉(zhuǎn)/min、2號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速498轉(zhuǎn)/min、點(diǎn)火器A為OFF工況、點(diǎn)火器B為OFF工況。（3）N2轉(zhuǎn)速16%、SAV1開度100%、FMV1開度0%、SAV開度100%、FMV2開度0%、1號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速速度794轉(zhuǎn)/min、2號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速0轉(zhuǎn)/min、點(diǎn)火器A為ON工況、點(diǎn)火器B為OFF工況。（4）N2轉(zhuǎn)速22%、SAV1開度0%、FMV1開度100%、SAV開度100%、FMV2開度100%、1號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1067轉(zhuǎn)/min、2號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)為1086轉(zhuǎn)/min、點(diǎn)火器A為OFF工況、點(diǎn)火器B為ON工況。（5）N2轉(zhuǎn)速50%、SAV1開度100%、FMV1開度100%、SAV開度100%、FMV2開度100%、1號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速為2498轉(zhuǎn)/min、2號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)為2495轉(zhuǎn)/min、點(diǎn)火器A為OFF工況、點(diǎn)火器B為OFF工況。（6）N2轉(zhuǎn)速58%、SAV1開度100%、FMV1開度100%、SAV開度100%、FMV2開度100%、1號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速為2907轉(zhuǎn)/min、2號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)為2910轉(zhuǎn)/min、點(diǎn)火器A為OFF工況、點(diǎn)火器B為OFF工況。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，本本所設(shè)計(jì)的半實(shí)物虛擬仿真平臺(tái)，能夠?qū)娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)的電氣控制效果進(jìn)行有效模擬，得到當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)的電氣控制能力，如果在仿真結(jié)果中發(fā)現(xiàn)存在問題，則能夠?qū)ζ溥M(jìn)行優(yōu)化處理，對(duì)于提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能具有重要的作用，能夠有效降低仿真試驗(yàn)成本，同時(shí)提高仿真試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，全面展現(xiàn)出航空發(fā)動(dòng)機(jī)的電氣控制性能，對(duì)于提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行質(zhì)量具有重要意義。

結(jié)語

綜上所述，本文全面闡述了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的三維模型構(gòu)建方法進(jìn)行分析，同時(shí)提出了半實(shí)物虛擬仿真平臺(tái)和硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，以CFM56-5系列航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象，在設(shè)計(jì)的平臺(tái)中進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示該平臺(tái)具有良好的效果，希望本文能夠?qū)娇蘸教彀l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域起到一定的借鑒和幫助作用。

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作者介紹：石鑫（1980—??），男，回族，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士，副教授，研究方向：控制工程。