基于AMESim 和MATLAB 的燃油調節器可視化聯合仿真

楊元楨，郭迎清，毛皓天

（西北工業大學動力與能源學院，西安710129）

0 引言

某型彈用渦扇發動機燃油控制系統包括燃油調節器和被控對象發動機，調節器根據控制指令并結合當前飛行條件與發動機狀態給燃燒室供應燃油，并通過燃油流量控制轉速或壓比來達到調節發動機推力的目的[1-2]。一般的燃油調節器多為機械液壓式，根據其結構建立的AMESim 模型復雜，如需對調節器的某種工作狀態進行仿真，就要設定許多參數，這樣使其操作難度加大，且繁多的底層模型又難以對外演示。為了提高AMESim 模型的使用效率及其交互性、可擴展性和展示性，有必要在設計階段建立燃油調節器的人機交互仿真界面。

針對發動機液壓系統模型的可視化問題，目前公開的研究成果較少。付久長等[3]提出將AMESim 建立的液壓數據模型導入LabVIEW 中，實現對液壓缸驅動系統的可視化仿真。郭迎清等[4]最早使用VB 軟件和ActiveX 技術，針對某型渦扇發動機機械液壓主燃油控制系統進行仿真平臺的構建。本文提出直接在燃油調節器聯合仿真軟件的架構上，進行可視化仿真平臺的開發。

使用MATLAB/GUI 軟件設計的界面交互性好，而且還可以應用該模型進一步分析。本文針對某型彈用渦扇發動機燃油調節器，采用AMESim 對液壓機械系統建模并應用活性能量指數的方法簡化，使用MATLAB/Simulink 對控制算法模塊建模，同時由于要在GUI 界面中實現對輸入參數的調度以及仿真結果的圖形顯示，因此將調節器的輸入輸出也整合進Simulink 中，在聯合仿真的基礎上實現可視化界面設計。

1 燃油調節器模型

燃油調節器聯合仿真模型如圖1 所示。3 維凸輪、轉速、溫度輸入和燃油流量輸出模塊通過AME2SLCoSim 接口導入Simulink，機械液壓部分則使用AMESim 軟件的標準液壓庫、液阻庫、液壓元件設計庫和機械庫來搭建。

圖1 燃油調節器聯合仿真模型

伺服閥或手柄的位置與要調節到的穩定轉速[4]一一對應，實際轉速n 和發動機進口溫度T1*的變化通過凸輪柱組件、溫度傳感器綜合作用于3 維凸輪，3維凸輪輸出半徑決定了計量活門的型孔開度。同時壓差活門控制計量活門型孔前、后壓差恒定，保證計量燃油量與活門型孔開度成線性關系。這些組件之間通過這樣的相互配合，使得該調節器根據當前飛行條件與發動機狀態給燃燒室供應燃油[5-6]。

2 模型簡化

該燃油調節器聯合仿真模型較為復雜，再加上該調節器GUI 界面控件較多，底層代碼量較大，以至于基于該模型所建立的可視化界面響應十分緩慢。為此，本文采取基于能量活性的模型簡化方法。該方法能夠迅速得出系統運行時各子元件能量變化情況，找出其中最不活躍的元件的子模型，通過對這些模型修改，大大降低由于搭建GUI 界面導致的底層模型仿真時間陡增的問題。

2.1 模型簡化機理

AMESim 中的活性指數工具是基于系統子模型中能量轉換的強大分析工具，能夠自動進行活性指數計算。通過活性指數計算可以確定系統中能量最活躍和最惰性的元件，從而刪除或修改模型中具有“低活性”的元素來簡化復雜的模型[7]。1 個子模型的能量活性At可以被定義為功率絕對值對時間的積分

式中：P 為該元件的功率；t 為模型設定仿真時間。

通過計算模型中每個子模型的能量活性，便可得到其活性指數。第i 個子模型的活性指數AIi（Activity Index）被定義為：子模型的活性與整個系統模型活性總和的比。表達式為

2.2 簡化方法

簡化模型首先需要確定閾值，活性指數高于閾值的子模型不修改；反之，低于閾值的子模型則被列為修改對象。現采取活性指數計算并結合頻域特性分析的方法，來確定簡化該燃油調節器模型所需參考的閾值。彈用發動機機械液壓控制系統的固有頻率一般在40 Hz 以內，而通過AMESim 活性指數計算工具分析可知，模型中存在著一些具有高頻特性的子模型，有些固有頻率甚至高于1000 Hz。在AMESim 中，具有高頻特性的子模型，其活性指數都在0.01%以下，因此在該閾值以下的子模型均被列為可修改對象。

可修改對象的分類和化簡方法需要大量的判斷確定。可化簡對象被分為3 類：第1 類是在對液壓系統建模時，為了消除仿真產生的代數環而額外引入的壓力計算單元；第2 類是帶有彈簧腔的滑閥結構；第3 類是功率雖小但在物理模型中實際存在的物理單元。對于第1 類情況的子模型，由于AMESim 的編程邏輯導致在結構上無法刪除，但該腔體子模型的體積參數值設得非常小，可以通過增加容腔體積的辦法降低其固有頻率。對于第2 類的彈簧腔，其活性低的原因是質量塊∑動很小，所允許的最大位∑也很小，說明在滑閥中彈簧力幾乎是1 個常值，因此采用相匹配的恒值力源來替換彈簧。而對于第3 類的低活性元件，該模型中的壓力限制閥的活性指數低是由于在當前設定的仿真環境下該元件未工作，因此不能簡單考慮將其替換或刪除，而應當保留。

2.3 仿真對比

對修改后的模型進行步長為1 ms 的歐拉定步長積分器求解。設計油門桿角度在發動機的慢車、巡航、加力狀態（分別對應2.5、7.5、12.5 s）進行1%的階躍跳變。簡化前、后的2 種模型仿真燃油流量響應如圖2 所示，總仿真時間如圖3 所示。

圖2 2 種模型精度對比

圖3 簡化前、后模型CPU 運行時間對比

原高保真模型采用變步長積分器求解的仿真燃油流量（圖2 實線）與簡化模型采用定步長積分器求解的仿真燃油流量（圖2 虛線）對比可見：2 種模型在穩態點的誤差小于1%。在保證精度的前提下，對2種模型采用步長為1 ms 定步長積分器在15 s 的仿真時間計算，可見原模型的CPU 運行時間為39.87 s，而簡化模型的僅為4.71 s。

3 調節器GUI 仿真界面設計及分析

3.1 調節器GUI 仿真界面設計

為了進行可視化界面設計，本文選擇將AMESim模型導入Simulink 進行聯合仿真。在簡化后的燃油調節器聯合仿真模型基礎上，通過Matlab 命令窗口中輸入guide 打開GUI 的快速開發環境GUIDE，在燃油調節器界面中添加各種控件并編制回調程序，實現對底層模型的輸入參數設定、仿真運行，最終將仿真結果在可視化界面中顯示[8-11]，如圖4 所示。

圖4 軟件結構框架

3.2 仿真驗證

設置仿真時長為10 s，采樣時間間隔為0.01 s。

（1）利用已建立的GUI 仿真界面進行模型的仿真演示，啟動界面如圖5 所示。

圖5 啟動界面

以3 維凸輪為計算核心裝置的燃油調節器，控制著整個飛行裝置在穩態、過渡態穩定工作。在穩定工作狀態下，發動機的控制規律為mf= f1(n,T*1)→n=const；在過渡態（加減速）下，該系統的控制規律為mf/P2= f2(n)。

因此在設計GUI 界面時，要分別設計穩態控制和過渡態控制2 個子界面。利用啟動界面（圖5）對這2個子界面進行調用，通過點擊按鈕進入下1 級子界面。

（2）點擊啟動界面的穩態控制按鈕，即可進入燃油調節器穩態控制子界面，如圖6 所示。該界面主要劃分為右側的參數設定區及左側的圖像、數值顯示區。在編輯框內輸入油門桿角度，即可繪制出當下穩態設計點的輸出燃油流量響應曲線，又能實時顯示出燃油調節器的關鍵參數：3 維凸輪半徑、計量窗口開度和計量窗口前、后壓差。當外界條件變化或存在人為干擾時，調節器根據調節規律來保持轉速恒定，如圖7 所示。

圖6 調節器穩態控制界面

圖7 調節器階躍響應

從上述仿真結果可見，外界條件不變，當油門桿角度推至65°時，燃油調節器供給發動機燃燒室的燃油流量穩定在322 L/h。從圖7 中可見，通過滑塊或可編輯文本框鍵入T*1（發動機進口溫度）或發動機轉子轉速來仿真。當外界參數小范圍變化使得被控對象偏離當前穩態點時，此為調節器輸出燃油流量的變化過程。

在如圖7 所示的可視化界面中，系統變量輸出界面實時顯示燃油流量變化曲線以及燃油調節器的關鍵參數值。以轉速n 變化為例：當發動機轉速由均衡轉速6338 r/min 降至5699 r/min 時，飛重離心力減小，3 維凸輪輸出半徑增大，燃油調節器的供油量增加，從而調節發動機轉速回復[12-13]。從圖7 中還可見，燃油調節器在經歷0.1 s 的波動后穩定在新的輸出燃油流量值。

（3）燃油調節器過渡態控制子界面的整體布局（如圖8 所示）與穩態控制子界面的相類似，通過列表框選擇加速或減速過程，再在可編輯文本框中鍵入油門桿角度（PLA）的∑動范圍，即可仿真發動機從一種工作狀態迅速過渡到另一種工作狀態下的燃油調節器的油氣比特性[14]，同時通過該子界面顯示出模型底層的關鍵參數值。

在發動機過渡態下，燃油調節器的作用是在快速推動油門桿時，通過設定的油氣比控制規律來控制發動機，使發動機在加、減速的過程中不喘振不超溫，且調節時間短[15]。

圖8 調節器過渡態控制界面

通過聯合仿真，MATLAB/GUI 直接讀取AMESim模型產生的數據文件，使燃油調節器的控制過程可視化，同時繪制出仿真的直觀信息，從而可以更加快速地進行AMESim 模型參數設置以及建模驗證，提高系統仿真和分析的效率。

4 結束語

針對AMESim 模型的可視化問題，本文提出基于聯合仿真架構的MATLAB/GUI 設計思路，并對彈用發動機燃油調節器進行實例分析。結果表明：基于AMESim 和MATLAB 的可視化聯合仿真，在利用AMESim 對液壓系統進行分析時，可以通過可視化界面觀察整個燃油調節器的穩態、過渡態調節過程，為設計和分析提供支持；所設計的可視化界面友好，操作簡單，在進行特定狀態仿真時，不需要在AMESim軟件下進行繁雜的輸入參數設定，大大提高了AMESim 模型的使用率。