【《动态数学模型应用分析案例》2800字】

PAGE27动态数学模型应用分析案例目录动态数学模型应用分析案例 11.1引言 11.2模型综合仿真平台设计 11.2.1发动机综合诊断器 21.2.2飞控模拟计算机 21.2.3数控模拟计算机 31.2.4信号模拟机 31.2.5地面健康诊断仪 41.2.6仿真平台的关键设计 41.2.7仿真试验方案设计 51.3仿真试验 51.3.1单外涵由慢车状态至中间状态 51.3.2双外涵由慢车状态至中间状态 9引言在第四章中完成了模型的桌面级仿真运行，获得了具有较高精度的变循环发动机模型。而变循环发动机本身结构、机理复杂，利用发动机模型可以降低研制成本，同时机载模型在变循环发动机前沿技术——健康管理系统中具有丰富的应用，对发动机的状态监测和故障诊断算法研究发挥着不可或缺作用。所以为了提高模型的工程实用性，结合模型的实际应用场景，本章将在试验室环境下搭建基于变循环发动机模型的综合仿真平台，对平台的组成、功能和试验方案进行阐述，并设计和开展综合仿真试验研究。模型综合仿真平台设计基于动态数学模型的综合仿真试验平台主要是依据某型变循环发动机的实际应用需求，搭建出一套健康管理系统模型仿真平台，包括模拟飞控计算机、故障信号模拟机、发动机综合诊断器、地面健康诊断仪等。整个仿真平台模拟发动机健康管理系统的工作方式，使得模型可以更加贴近于在发动机系统中的真实应用场景。整个仿真平台的组成示意图如图5.1所示。主要的功能是模拟变循环发动机模型在发动机健康管理系统中的运行环境，用以对整个模型的稳定性和实时性进行研究和校验，以期获取具有工程实用性的发动机模型。图5.1模型综合仿真平台示意图发动机综合诊断器发动机综合诊断器作为机载健康管理系统的核心，可实现发动机状态监视、故障诊断、趋势分析和寿命预测等。本文所选取的发动机综合诊断器其主要硬件性能如下：在本次综合仿真试验中，其功能是搭载经过编译后的变循环发动机模型，通过其RS422串口、模拟量和开关量数据采集口接收飞控数据、数控数据并在25ms周期任务中运行模型，并将模型输出参数进行存储后导出显示。飞控模拟计算机飞控模拟计算机主要功能为模拟飞机系统向模型传输飞行高度、马赫数等飞行状态数据。其软件功能界面如图5.2所示。通过界面我们可以设置所需的高度、马赫数并实时传输到发动机综合诊断器从而输入到模型中。图5.2飞控模拟界面数控模拟计算机数控模拟计算机主要功能为模拟数控系统向模型传输A8、A9面积等控制指令信息。其软件功能界面如图5.3所示。通过界面可以设置喷口面积、燃油流量和导叶角度等并实时传输到发动机综合诊断器从而输入到模型中。图5.3数控模拟界面信号模拟机信号模拟机主要功能是可以回放一组试验数据，通过通讯总线和采集接口的方式把试验各种信号传输到发动机综合诊断器中，模拟模型的实际工作状态，并实时将试验数据同模型计算数据传输到地面健康诊断仪中。其软件功能界面如图5.4所示。图5.4信号模拟界面地面健康诊断仪地面健康诊断仪主要功能为接收发动机综合诊断器传输的试验数据及模型计算数据，并对模型运行周期、CPU占用率和模型运转结果进行分析处理。其软件功能界面如图5.5所示。图5.5地面健康诊断界面仿真平台的关键设计正确的搭建仿真回路是完成综合仿真试验的关键之处。对于我们模型的仿真试验平台的搭建是以变循环发动机模型为核心，主要以模型的加载运算、模型的输入参数获取、模型的输出参数显示三大部分。模型的加载及限制要求因为发动机模型在健康管理系统中的应用场景为加载到发动机综合诊断器中，随发动机综合诊断器一起进行综合仿真试验及台架试验。所以在本次的仿真平台设计中，我们选择某型发动机综合诊断器作为模型的加载对象。我们的模型是在桌面级进行了仿真，现在需要根据发动机综合诊断器的软件运行环境进行适应性的编译，使其能够运行在嵌入式的环境下。由于仿真试验平台运行需要满足实际的发动机控制周期，所以对于模型的运行周期需要进行严格控制，使其能够在不影响其余任务的情况下稳定运行。在结合了某型变循环发动机的实际任务要求，并对发动机综合诊断器的运行周期留有足够的余量，我们需对模型的运行周期限定于10ms以内。模型的输入参数获取模型加载于发动机综合诊断器中，同时其运行的输入条件包括：飞行高度、马赫数、燃油流量和喷口面积等。其中飞控模拟计算机可以模拟台架试验时的飞机系统将高度、马赫数等飞行状态信息以通讯的形式传输到发动机综合诊断器。数控模拟计算机可以模拟台架时数字电子控制器将喷口面积等控制器信息以通讯的形式传输到发动机综合诊断器。故障模拟信号机可以模拟发动机真实的传感器信号，由发动机综合诊断器进行信号采集。模型通过调用发动机综合诊断器的内部数据接口获取所需的输入条件，并进行稳态和动态仿真运算。模型的输出参数显示根据某型发动机健康管理系统的实际要求，模型经过运算后的数值，需通过总线传输到地面健康诊断仪。仿真试验方案设计利用仿真平台的数据回放功能，模拟某型变循环发动机地面试验时单外涵模式和双外模式下分别从慢车状态到中间状态，将燃油流量、喷口面积、导叶角度以及可调部件面积等根据控制计划要求输入到发动机综合诊断器中作为模型的输入参数，在地面健康诊断仪中对模型的运转情况进行实时监控，主要的监控项包括：模型的实时输出参数、模型的运行周期以及模型是否能够长时间稳定的在发动机综合诊断器中运行。仿真试验单外涵由慢车状态至中间状态在飞控模拟计算机中设置通讯信息，，同时设置飞控通讯波特率为115200bps，每100ms周期向发动机综合诊断器发送数据。在数控模拟计算机中根据发动机控制计划设置好A8、A9喷口面积，燃油流量在0~5s中由初始值给到慢车状态，5~10s内线性上升到中间状态然后保持状态直至仿真试验结束。设置发动机综合诊断器每25ms周期将数据传输至地面健康诊断仪中。试验过程中，通过发动机诊断器状态监测窗口，可以实时获得发动机模型的运行周期和当前周期下的CPU占用率。分别测试了模型在稳态与动态运行周期如下图5.6，图5.7。图5.6仿真试验软件CPU占用率(a)稳态下模型运行周期(b)动态下模型运行周期图5.7仿真试验软件运行周期试验结果表明：在稳态条件下，模型在运行一定时间后其运行周期在1ms及以内；在动态条件下，模型在运行一定时间后其运行周期在2ms及以内，其运行周期完全能够满足工程实用需要。试验结束后，在地面健康诊断仪中对传输数据进行解析处理。试验结果如图5.8所示。(a)推力试验变化曲线(b)燃油油量试验变化曲线(c)低压转速试验变化曲线(d)高压转速试验变化曲线图5.8仿真试验数据解析曲线抽取一个变化周期进行分析，。(a)高压转速试验变化曲线(b)高压转速试验变化曲线(c)高压转速试验变化曲线(d)高压转速试验变化曲线图5.9仿真试验数据单周期解析曲线双外涵由慢车状态至中间状态与单外涵仿真试验类似，单周期仿真结果如图5.10所示。(a)燃油流量试验变化曲线(b)低转速试验