（航空宇航推进理论与工程专业论文）航空发动机组态建模仿真技术研究.pdf

】1 a t h e s i si n a e r o s p a c ep r o p u l s i o nt h e o r ya n de n g i n e e r i n g b y t a oj i n w e i a d v i s e db y p r o f e s s o rh u a n g j i n q u a n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g d e c ，2 0 0 9 l a t i o n 吣04 洲2m 2 m 18 1洲y 一 一 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 一 j k 工业组态软件具有操作简单、可靠性高、可扩展性强、通用性好等特点，将组态软件的设 计思想和开发方法应用于航空发动机仿真软件研究中，可以开发出模块化、可扩展的、通用的、 面向最终用户的航空发动机仿真软件。本文以建立一个专用于航空发动机仿真的组态仿真平台 为目标，研究了航空发动机组态建模仿真技术。 首先分析和研究了工业组态软件的组成结构和数据处理流程，并根据航空发动机仿真需求 设计了适合航空发动机建模仿真的组态软件的总体方案和系统流程，该系统包括发动机部件模 型库、图形界面系统、实时数据库系统和模型管理运行系统。 对典型发动机模型结构进行比较，并分析组成发动机模型的通用部件及其数学模型，采用 基于组件的方法开发了各个部件的组件模型，建立了适合多种发动机组态建模的通用部件模型 库。 采用实时数据库系统来存储和管理发动机模型仿真数据，为各部件运行提供一个数据共享 区来支持仿真。根据航空发动机仿真时的数据特点进行分类，设计了仿真数据模型，提出了实 时数据库存储结构和数据管理方法，建立了发动机仿真实时数据库组态和运行系统。 对航空发动机组态仿真平台进行了分析和设计。采用基于m f c 的单文档框架建立了该仿 真平台的图形组态系统，通过鼠标拖放以及参数设置快速建立多种结构发动机仿真模型。建立 了通用的发动机模型管理运行系统，提出基于部件的发动机模型初猜向量和共同方程自动组态 方法，设计了通用的稳、动态仿真算法。 最后，在开发的仿真平台上搭建了多种类型的发动机模型，并分别进行了稳态、动态仿真。 仿真结果表明，该仿真平台适合多种类型发动机仿真，航空发动机组态建模仿真技术具有可行 性。 关键词：航空发动机，数学模型，组态软件技术，部件模型库，实时数据库，通用仿真平台， 仿真 航空发动机组态建模仿真技术研究 a b s t r a c t c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eh a st h em e r i t so fc o n v e n i e n c e ，h i g hr e l i a b i l i t y , g o o de x p a n s i b i l i t ya n d g e n e r a l i t y t h ed e s i g ni d e aa n dm e t h o do fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eh e l pt od e v e l o pm o r ea d v a n c e d s i m u l a t i o ns o f t w a r ef o ra e r o e n g i n e s 谢t ht h ea d v a n t a g e so fm o d u l a r i z i n g ，e x p a n s i b i l i t y , g e n e r a l i t y a n d t o w a r d i n gt h ee n d u s e r t ob u i l das p e c i a l i z e dc o n f i g u r a t i o ns i m u l a t i o np l a t f o r mf o ra e r o - e n g i n e s ， t h ea e r o e n g i n ec o n f i g u r a t i o nm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi ss t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , o v e r a l ls o l u t i o na n ds y s t e mp r o c e s s e so fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ef o ra e r o e n g i n em o d e l i n g a r ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er e a ld e m a n d ，a f t e rt h ea r c h i t e c t u r ea n dd a t af l o wo ft h ei n d u s t r i a l c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea r ea n a l y z e d t h es y s t e mi n c l u d e st h ee n g i n ec o m p o n e n tl i b r a r y , t h eg r a p h i c a l i n t e r f a c es y s t e m ，t h er e a l - t i m ed a t a b a s es y s t e ma n dt h em o d e lr u n n i n gs y s t e m ac o m m o nc o m p o n e n tl i b r a r yi sd e s i g n e df o rs i m u l a t i o no fv a r i e t i e st y p e so f e n g i n e sa f t e rt h e s t r u c t u r e so f d i f f e r e n te n g i n em o d e l sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d a l lo f t h ec o m p o n e n t s m o d e l sa r e d e v e l o p e db a s e do nc o mt e c h n o l o g y r e a l - t i m ed a t a b a s ei su s e dt os t o r ea n dm a n a g et h es i m u l a t i o nd a t a ，w h i c hp r o v i d e sas h a r i n g d a t aa r e af o rc o m p o n e n t ss i m u l a t i n g a e r o - e n g i n es i m u l a t i n gd a t ai sc l a s s i f i e da n dm o d e l e d a c c o r d i n gt oi t sc h a r a c t e r i s t i c s t h es t o r a g es t r u c t u r ea n do p e r a t i n gs t r a t e g ya r ed e s i g n e df o rt h e r e a l t i m ed a t a b a s e ，a n dt h ec o n f i g u r a t i o na n dr u n n i n gs y s t e mo ft h er e a l t i m ed a t a b a s ei sb u i l tu p t h ea e r o - e n g i n ec o n f i g u r a t i o ns i m u l a t i o np l a t f o r mi sd e s i g n e d t h eg r a p h i c a lc o n f i g u r a t i o n s y s t e mo ft h es i m u l a t i o np l a t f o r mi se s t a b l i s h e db a s e do nm f cs i n g l e - d o c u m e n tf r a m e w o r k ，i nw h i c h i c o n sa n dc o n n e c t i o n sa r eu s e dt ob u i l da e r o - e n g i n em o d e l s t h er u n n i n gs y s t e mf o ra e r o - e n g i n e m o d e l si sa l s od e v e l o p e d ，w i t ht h ec o n f i g u r a t i o nm e t h o do ft h em o d e le q u a t i o n sa n ds t e a d y t r a n s i e n t s i m u l a t i o na l g o r i t h md e s i g n e d f i n a l l y , d i f f e r e n tt y p e so fa e r o - e n g i n em o d e l sa r ee s t a b l i s h e di nt h ep l a t f o r md e v e l o p e di nt h i s p a p e r , a n ds t e a d y & t r a n s i e n ts i m u l a t i o na r ec a r r i e do u t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e s i m u l a t i o np l a t f o r mi ss u i t a b l et om o d e la n ds i m u l a t em a n yt y p e so fa e r o - e n g i n e s a e r o - e n g i n e c o n f i g u r a t i o nm o d e l i n ga n d s i m u l a t i o ni sf e a s i b l e k e y w o r d s ：a e r o e n g i n e ，m a t h e m a t i cm o d e l ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et e c h n o l o g y , c o m p o n e n t sl i b r a r y , r e a l - t i m ed a t a b a s e ，g e n e r i cs i m u l a t i o np l a t f o r m , s i m u l a t i o n 弋 1 2 国内外航空建模与仿真的发展及趋势2 1 2 1 国外研究概况2 1 2 2 国内研究现状5 1 3 组态软件的概述6 1 4 本文主要内容7 第二章航空发动机组态建模总体设计8 2 1 组态软件技术8 2 1 1 组态软件的特点8 2 1 2 组态软件的结构9 2 1 3 实时数据库的数据流程。1 0 2 2 航空发动机组态建模。1 0 2 2 1 设计思想1 1 2 2 2 系统总体设计。l l 第三章基于组件技术的航空发动机部件模型库建立1 4 3 1 发动机部件库总体设计1 4 3 2 基本部件数学模型1 5 3 2 1 进气道部件1 5 3 2 2 风扇部件1 5 3 2 3 压气机部件1 6 3 2 4 燃烧室部件1 7 3 2 5 涡轮模型部件。1 8 3 2 6 外涵道部件1 9 3 2 7 混合室部件2 0 3 2 8 尾喷管部件2 0 3 3 基于组件技术的部件模型实现2 2 3 3 1 组件技术2 2 3 3 2 部件模型结构2 3 3 3 3 基本功能组件2 6 3 3 4 组件的注册和调用2 7 i i ! 航空发动机组态建模仿真技术研究 第四章支持仿真的实时数据库系统设计2 9 4 1 实时数据库系统2 9 4 1 1 实时数据库系统简介2 9 4 2 2 实时数据库特征及结构3 0 4 2 实时数据库系统设计。3 1 4 2 1 系统设计需求。3 1 4 2 2 发动机仿真数据模型3 2 4 2 3 实时数据存储方案一3 3 4 2 4 数据库管理系统3 5 第五章航空发动机组态仿真平台设计3 6 5 1 图形组态系统3 6 5 1 1 航空发动机组态仿真平台。3 6 ：；7 ：；8 ：；9 ：1 9 4 0 。1 1 z i ：! 4 4 4 7 4 7 4 8 例4 9 真算例5 1 ! ；：； ! ；：i 5 4 5 ：； 5 8 5 9 4 4 图1 3d v i g w t 仿真软件4 图1 4p w 4 0 5 6 发动机在g s p l1 中的仿真5 图2 1 组态软件结构图9 图2 2 实时数据库数据处理流程图1 0 图2 3 航空发动机组态仿真软件结构1 2 图2 4 航空发动机组态仿真系统流程图1 3 图3 1 接口的结构2 3 图3 2 部件模型的结构2 4 图3 3 压气机部件属性页2 5 图3 3 特性显示组件查看某起动机特性2 7 图3 5c o m 对象创建过程2 8 图4 1 实时数据库系统特性3 0 图4 2 工业监控实时数据库结构3 1 图4 3 实时数据库系统的结构3 2 图4 4 发动机数据模型3 3 图4 5 截面数据表储结构3 4 图4 6 实时数据库存储结构3 4 图5 1 航空发动机组建模平台界面3 6 图5 2 风扇部件图标结构3 7 图5 3 设置连接d 对话框3 8 图5 4 双轴涡扇混排发动机模型组态图形o 3 8 图5 5 风扇属性页3 8 图5 6 选择转子标号3 8 图5 7 稳态仿真参数设置对话框4 3 图5 8 稳态仿真流程图4 3 图5 9 稳态仿真结果显示界面4 4 图5 1 0 动态仿真设置对话框4 5 v 航空发动机组态建模仿真技术研究 v i 图5 1 1 动态仿真总体性能参数显示4 5 图5 1 2 动态仿真实时截面参数显示4 6 表5 1 组态图形中部件个数限制3 9 表5 2 初猜向量与部件的关系4 1 图6 1 单轴涡喷模型组态图形4 7 图6 2 单轴涡喷稳态仿真结果4 7 图6 3 单轴涡喷动态仿真结果4 8 图6 4 双轴涡喷模型组态图形4 8 图6 5 双轴涡喷稳态仿真结果4 9 图6 6 双轴涡喷动态仿真结果4 9 图6 7 双轴混排涡扇模型组态图形4 9 图6 8 双轴混排涡扇稳态仿真结果5 0 图6 9 双轴混排涡扇动态仿真结果5 0 图6 1 0 双轴分开排气涡扇模型组态图形。5 1 图6 1 1 双轴分开排气涡扇稳态仿真结果5 1 图6 1 2 双轴分开排气涡扇动态仿真结果。5 2 日： 总焓，j k g 1 - 1 ：燃油低热值，j k g ，： 转动惯量，k g * m 2 七：空气、燃气绝热指数 m a ：马赫数 加力燃烧室 主燃烧室 机匣 消耗 冷却气 换算参数 叶根、内涵参数 临界参数 设计点 总参 0 ： 百： 入： 盯： d ： 下标 燃烧室空气负载系数 压比 速度系数 总压恢复系数 扭矩，n m 引、放气 叶尖、外涵参数 燃油 理想状态 部件进口 涡轮导向器 部件出口 起动机 涡轮 v i i 如 y ： 个 眈批止溉跳一嗽2ii乃 腽 歌 妇 c ； 洲 一 一 们 庆 i t 1 1 航空发动机建模与仿真的意义 自2 0 世纪4 0 年代航空喷气发动机诞生起，经过近7 0 年的发展，航空发动机已经成为资金 密集、知识密集和技术密集的高技术产品，被广泛运用于飞机、舰船、民用发电等领域，在国 防和国民经济中发挥重要作用。然而，航空发动机具有研制周期长、科研投入高、技术难度大、 研制风险大等特点，如何缩短研制周期，降低开发成本和风险历来是各国航空工业界研究的重 点问题。航空发动机的研制之所以存在上述难度，其主要原因是必须进行大量的大尺寸试验验 证，而在此方面计算机仿真具有巨大优势：可以大大节省发动机试车的时间与成本，避免实际 试验的风险，可以获得试验所需的全部参数，解决多参数的优化问题等【l l 。鉴于此，世界各航 空强国都在积极开展航空推进系统数值仿真研究工作。 仿真技术是以计算机为工具，以相似原理、信息技术以及各种相关应用领域的基本理论与 技术为基础，根据系统试验的目的，建立系统的模型，并在不同的条件下，对模型进行动态运 行的一门综合性技术。由于仿真具有良好的经济性、可控性、无破坏性、安全、不受气候环境 限制、可多次重复等特点，因此仿真技术已经在机械制造、航空航天、交通运输、经济管理以 及医疗卫生等领域得到了广泛的应用。当今，仿真技术已经成为先进航空发动机及控制系统设 计、试验和制造中极为重要的技术。 仿真技术的应用对航空推进系统的研制有很多好处，其发展十分迅速，现已被广泛应用于 航空推进系统领域。发动机数字仿真技术通过数学模型可以获得任何类型发动机循环的稳态性 能和动态特性；发动机性能仿真用于方案探索时可结合飞机用途和任务剖面进行循环参数优化； 发动机性能仿真还可以用于发动机试验，选择和优化试验点，分析和判断试验有效性，实时监 控和诊断试验以及扩大试验效果【2 】。 发动机仿真广泛用于发动机控制系统( 特别是全权限数字电子控制系统) 研制中。发动机 控制系统的设计通常要经过数字仿真、实物在回路( h 儿) 仿真和半物理仿真试验，而这些仿 真试验均离不开发动机的动态模型。发动机实时仿真为控制系统的分析和设计、控制逻辑的设 计、控制系统的参数优化等提供依据，并在真实发动机上进行试验之前，评定发动机控制系统 的动态特性。此外，发动机仿真还可以用于预报发动机控制系统的物理量，发动机的故障诊断 和容错控制等 3 】。 国外对航空推进系统的仿真设计十分重视。美国于上个世纪八十年代末提出综合高性能燃 气涡轮发动机技术( i h p t e t ) 计划，拟用1 5 年时间使发动机推重比增加1 0 0 ，达到1 5 - 2 0 ， 耗油率下降4 0 ，生产及维修成本下降3 5 。目前，该计划目标已基本实现，其除了得益于新 航空发动机纽态建模仿真技术研究 材料、新工艺和先进数控技术外，计算机仿真技术是其核心技术之一4 1 。在i h p t e t 计划之后， 美国政府又开展了推进系统数值仿真计划( n p s s ) ，该计划属于n a s a 的高性能计算和通信计 划( h p c c p ) ，由美国n a s a 的g l e n n 研究中心负责，联合工业界、学校和其他政府机构共同 参与，以高性能计算平台为基础，以经过验证的推进系统各部件、系统及学科的工程模块为核 心，对推进系统的性能、稳定性、费用、寿命及取证等进行快速的、可承受的数值仿真计算， 形成航空航天推进系统“数值试车台”。负责n p s s 项目的n a s a 的l e w i s 研究中心声称，n a s a 推进系统数值仿真计划( n p s s ) 的实现，将使发动机研制时间和成本减少2 5 0 o - 4 0 【5 】。另据了解， 俄罗斯、英国、法国、德国、荷兰等国家都在研究航空推进系统数值仿真平台。 当前，西方国家航空界正在进行一场“设计革命”，利用航空发动机仿真技术，可以实现航 空发动机从“传统设计”到“预测设计”的转变，使发动机的研制周期从过去的1 0 1 5 年缩短 至7 8 年，试验从过去的4 0 5 0 台减至1 0 台左右【6 】。可见，仿真技术在航空推进系统的研究 和发展全过程中有着重要的意义和显著的效益，因此西方国家各国航空界对推进系统仿真研究 的投入都是不遗余力的。 我国从“七五”期间开始航空发动机仿真技术研究，但是由于种种原因，目前我国的发动 机数字仿真系统的研究仍处在较低水平，要想在航空发动机领域赶上发达国家，就必须大力发 展航空发动机仿真研究。2 0 0 8 年，我国建立了面向航空发动机全行业的、开放的“航空发动机 数值仿真研究中心”，进行了发动机整机和部分部件的多学科数值仿真，完成了航空发动机数值 仿真平台( c a n s s f ) 的开发，并以c a n s s f 为平台，引进的整机s 2 仿真软件为主要工程模 块，完成了我国第一代“航空发动机数值仿真系统”( c h i n a a e r o - e n g i n en u m e r i c a ls i m u l a t i o n s y s t e m ，c a n s s1 1 版) 的开发。此外，还完成了适用于航空发动机整机部件试验数据的航空 发动机共享试验数据库的开发1 7 j 。 综上所述，航发动机仿真是航空推进系统设计和研制的重要手段之一，充分利用计算机仿 真领域的最新技术成果，建立航空发动机数字仿真试验平台是符合我国国情，以较少投入、较 快速度缩短与国际先进水平差距，实现“跨越式”发展的有效途径【8 】。 1 2 国内外航空建模与仿真的发展及趋势 1 2 1 国外研究概况 美国在航空发动机仿真领域较早开展研究。上世纪5 0 年代，美国就出现了单轴涡喷、涡桨 发动机仿真模型。到了6 0 年代，伴随着涡扇发动机的诞生，美国空军航空推进系统实验室 ( a f a p l ) 开发了单、双轴涡扇发动机稳态性能仿真模型s m o t e 【9 】，它可以进行航空发动机稳 态设计点性能计算和非设计点性能计算。1 9 7 2 年，n a s a 在s m o t e 的基础上开发出航空发动 机通用稳态性能仿真程序g e n e n gi 和i i 1 0 , 1 1 】，它们除了具有s m o t e 的全部功能外，还增加 2 南京航窄航天大学硕士学位论文 了对三转子涡扇和单、双转子涡喷发动机仿真的支持，并且g e n e n gi i 采用的模块化结构，建 模人员发现仅需对g e n e n gi i 稍加改动，即可模拟其它类似多种发动机。1 9 7 5 年，n a s a 进 一步研制了d y n g e n ，增加了发动机动态特性仿真，它采用改进e u l e r 法求解发动机共同工作 方程，提高了实时性。除n a s a 外，美国海军也于7 0 年代独立或合作开发了一系列航空发动 机通用性能仿真程序，比较典型的有n e p c o m p t l 2 1 和n n e p t l 2 】。2 0 世纪8 0 年代初，n a s a 在 d y n g e n 基础上进一步开发出d i g t e m 制，它根据发动机设计点参数得到一组修正系数，用 于非设计点的计算修正，提高了稳态仿真精度，此外，在动态计算时采用容积动力学方法，避 免了迭代计算，在i b m 3 7 0 3 0 3 3 计算平台上实现了动态实时仿真，仿真步长可在l m s l s 内变 化。d i g t e m 的出现标志着航空发动机全数字实时仿真时代的到来。 以上都是面向过程式的仿真，随着模型的复杂度增加，传统的面向过程的建模方法逐步显 示出不足，程序结构不灵活、可扩展性和可复用性差、修改困难。到了2 0 世纪9 0 年初，面向 对象技术在软件界迅速兴起，面向对象的开发方法软件开发思想由于其继承性、可重用性、开 放性等优点弥补了过去的结构化的开发方法的种种缺陷，各国陆续开始发展面向对象的航空推 进系统仿真研究。2 0 世纪9 0 年代后期，随着n p s s 计划的研究的深入，n p s s 计划中采用面向 对象的仿真技术和面向对象的编程语言来构建仿真软件框架，使模型质量不断改善，功能不断 增强，应用领域逐步扩大，取得了长足的进步。 美国t o l e d o 大学的j o h n a r e e d 博士较早地采用面向对象思想开发出的航空发动机数值仿 真平台。他在1 9 9 3 年开发出了t e s s ( t u r b o f a ne n g i n es i m u l a t i o ns y s t e m ) 【l 扣1 8 】仿真系统，最 初主要用于发动机数值仿真教学演示，具有良好的人机交互界面，利用各个仿真模块可组建多 种结构的航空发动机整机仿真模型【1 4 1 。随后，j o h nar e e d 博士与n a s a 的推进系统数值仿真 项目组合作，在t e s s 的基础上合作开发的航空发动机仿真系统o n y x t l 9 捌。该系统是基于j a v a 的面向对象航空推进系统仿真软件，采用分布式仿真环境，它集成了先进的数值方法，能够在 不同精度层次上对一个完整的发动机模型进行跨学科的分析，并支持0 3 维的变维仿真，已应 用于改进推进系统的设计【2 1 1 。图1 1 是o n y x 仿真软件的模型可视化组装界面。另外，美国 m a n t e c hs r s 公司开的发g e c a tm o d e l e r ( g r a p h i c a le n g i n ec y c l ea n a l y s i st 0 0 1 ) ，是用于研究 发动机气路循环设计和分析的软件，它具有模块化的模型库，通过拖放的方式即可搭建多种发 动机模型进行仿真【2 2 】。 此外，德国、俄罗斯、荷兰等国都在努力开展航空推进系统仿真研究，并取得了很好的成 果。德国的j k u r z k e 博士设计开发的g a s t u r b 仿真软件，该系统可以根据用户所的需要从模型 库中加载标准类型的发动机模型进行修改，对设计方案进行离线设计和预测仿真。目前，最新 的g a s t u r b l l 可执行二十多种发动机的稳态仿真和动态仿真1 2 3 1 ，其仿真界面如图1 2 所示。 俄罗斯乌法航空技术大学经过十多年的努力，研发出了基于组件技术的能应用于各种类型 3 航空发动机组态建模仿真技术研究 航空发动机的通用仿真系统d v i g w t t 2 4 1 。该仿真系统具有非常完备的组件，用户可以使用这些 组件搭建满足自己需求的航空发动机模型，并进行仿真【2 5 1 ，其仿真系统界面如图1 3 所示。 爿删h 口l矧s o b e r t i c f r a m e 。, m n n 卜 口 吲：盘曲嘲l a 珊概饶嘲嬲缵强够鳓黝稚瓣琵瓣鳓黝褥嬲e l i 一巳二粤：t _ 旦璺一鬯p 一，o 。一 圈e oc m ”豳 涎望鳕 图e o i t r m ” 陵； l l 境重羹h 目匿；： 冒一1 - ds h a i ，l 圈i c 司i 彩触嬲彬量蟛：磁碰汹侮鬻辫携努。跫彰鬻黟碧秽苫它罗潲嬲缪锈鬻鬻弼鬻孵螯翎；翱国 e ，粤曼，：。嘎：“掣9 。 。、一。一j ， 。v o 。一“- 一t 一“。 一，- 一髟茅瓮。一。灌 酝! 望“：罩t l 雪圣! 翔曩 圃r m + ：“卜：豳* ! “：、卜吨 圈型：争嘻 = = ：3 = = ：e 2 j 羽 墨囔驴 _【 画 _f 图1 1o n y x 可视化模型组装界面 图1 4p w 4 0 5 6 发动机在g s p l l 中的仿真 通过对比以上几款国外先进仿真软件，它们都具有模块化的部件或整机模型库，能够通过 选择或者组建多种发动机类型进行仿真，具有通用性或扩展性；都具有面向最终用户的可视化 仿真平台，用户可快速灵活地组建发动机模型和进行发动机仿真。国外先进的仿真软件与工控 行业的监控组态软件的特点十分相似。 1 2 2 国内研究现状 2 0 世纪8 0 年代起，我国的科研机构和高校开始研究航空发动机数值仿真，编制了一些发 动机仿真程序，大多是采用时采用f o r t r a n 等结构化语言开发的。到了2 0 世纪9 0 末，随着面向 对象技术的普及，面向对象的航空发动机数值仿真技术成为国内的研究热点。我国在此方面已 经取得了较大的进展，但是大多集中在发动机建模、数学模型的建立以及涡轮、压气机等发动 机具体部件的仿真等方面，基于系统级的整机仿真研究不多【i 】，没有形成比较成熟的通用化的 仿真系统。 到了2 1 世纪初，我国开始在航空发动机系统级通用仿真方面探索，并取得了一定了进展。 北航的唐海龙等提出了一种用于建立扩展性强、灵活可靠的航空发动机性能仿真方法。通过建 立一个面向对象的航空发动机基本类库，针对不同的研究目的或不同类型的航空发动机，能够 方便可靠地建立起高效专用的发动机性能仿真程序 2 s , 2 9 j 。在此基础上，王波等开发了一种图形 化的航空发动机性能仿真平台，用户可以利用模块库中所提供的标准的发动机部件模块自由灵 活地组装任意合理结构形式的航空发动机，进行航空发动机稳态与过渡态性能的计算 3 0 1 。 上海交大的谢志武提出了基于信息传递的面向对象的燃气轮机仿真模型思想，并以此为基 础建立了可扩展的燃气轮机仿真类属框架【3 1 1 。在此基础上刘永文等应用e a s y 5 软件建立了船 5 航空发动机组态建模仿真技术研究 用燃气轮机的模块化仿真库，实验证明该模型库具有良好的可扩展性和实时仿真功能【3 引。 南航的窦建平等采用u m l 语言进行航空发动机仿真软件总体规划设计，采用v c + + 语言建 立了一个可复用和扩展灵活的航空发动机仿真平台，编写了发动机部件类库、工具类库及控制 系统模型库；在此平台上通过扩展和继承机制实现了某双轴涡扇发动机的稳、动态( 包括起动) 性能仿真p 3 1 。姚祖明提出基于构件技术开发航空发动机特性仿真软件，设计了发动机模型的层 次结构和通用部件库设计，并开展了仿真【3 4 1 。同时，孙龙飞采用基于组件的开发方法建立了一 个可重用和扩展灵活的涡扇发动机仿真平台，并为发动机模型设计了仿真数据库，并在此平台 上搭建了某涡扇发动机的仿真模型【3 5 1 。 从国内外航空发动机仿真现状来看，通用性是先进发动机仿真软件必须具备的特点。而国 内外相关研究人员大多都通过图形界面系统调用部件模块“组建”各种类型的发动机模型，来 达到模型的通用性，这是一种组态软件的思想。组态软件在工控行业的使用和开发已经有几十 年的历史，组态软件技术已经相当成熟。将组态软件的设计思想和开发方法应用于发动机仿真 软件的开发中，开发适合航空发动机通用仿真的组态软件，这是一个值得研究的方向。 1 3 组态软件的概述 组态的概念最早来自英文“c o n f i g u r a t i o n ”，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资 源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的 p 6 】。“组态”的概念是伴随着集散型控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，简称d c s ) 的出现才 开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。在工业控制技术的不断发展和应用过程中， 计算机( 包括工控机) 相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。这些优势主要体现在：计算 技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已臻成熟；由计算机构建的工业控制系统具有相对 较低的拥有成本；计算机软件资源和硬件资丰富，软件之间的互操作性强；基于计算机的控制 系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。在计算机技术向工业控制领域的渗透 中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位3 7 1 。 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的 软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能 的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应 提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的h m i ( 人机接口软件，h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的h m i 的软件工具，或开发环境。在组态 软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写h m i 应用，开发时间长，效率低， 可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求， 很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现，把用户从这 些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快 6 南京航空航天人学硕士学位论文 速发展，实时数据库、实时控制、s c a d a 、通讯及联网、开放数据接口、对i o 设备的广泛支 持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容p 8 1 。 世界上第一个商业组态软件是美国的w o n d e r w a r e 公司于8 0 年代末率先推出的i n t o u c h 。它 可以生成管理级别上的监控和数据采集程序，依靠菜单驱动在多种w i n d o w s 环境下运行。上世 纪9 0 年代以后，国内外推出了不少组态软件产品，有的是随集散系统一起推出的作为专用配套 软件，有的是通用软件，如美国i n t e l l u t i o n 的f i x 、德国s i m a t i c 公司的w i n c c 、美国w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 的更新版本及国内的组态王k i n g v i e w 等。组态软件在8 0 年代末期开始进入我 国，在9 0 年代中期，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。近年来，国产的组态软件产品逐 渐被市场接受，应用比较成功的有组态王、开物、虎翼等【3 9 , 4 0 。目前，组态软件已经从单一的 人机界面朝数据处理方向转变，管理的数据量越来越大。随着现代微型计算机和网络技术的发 展，使得组态软件有取代传统模拟式控制仪表的趋势。但组态软件用于航空发动机建模仿真领 域尚未见有关报道。 1 4 本文主要内容 本文围绕如何建立一个通用的航空发动机组态仿真平台展开研究，采用了面向对象的技术 和组件技术，设计了基于组件的部件模型库、支持仿真的实时数据库，研究了组态仿真软件的 图形组态和模型运行管理方法，构建了适合多种发动机仿真的组态软件。全文内容安排如下： 第一章介绍了航空发动机建模仿真的意义，分析了国内外航空发动机建模仿真领域的研究 概况，分析了国内外航空发动机仿真软件解决通用性的方法，引出了本文的主要研究内容一 航空发动机组态建模仿真技术。 第二章分析了组态软件的结构和特点，分析了航空发动机组态建模仿真的基本思路，提出 了航空发动机组态仿真系统的总体设计方案，分析了组态仿真平台开发的相关技术。 第三章基于部件级建模思想将航空发动机模型分解为基本部件模型，并建立了各