基于MWorks與FlightGear的飛行仿真

肖文 韓鎧軒 陳航

摘 ? 要：民航飛機系統的建模仿真是對完整飛機系統、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，搭建了民航飛機系統模型，將民機整機系統分為了飛行控制系統、液壓系統、環境控制系統和飛機發動機系統四大部分，并通過MWorks的外部導出端口驅動FlightGear對飛機系統進行了實時可視化仿真，有利于通過改變飛機系統部分參數，實現了對飛機的故障仿真與安全分析。仿真結果證明，MWorks建立的民航飛機系統完整，三維可視化效果逼真直觀。

關鍵詞：MWorks ?飛行仿真 ?FlightGear ?系統建模 ?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

由于現代社會工業生產和科學的迅猛發展，現在生產出來的機械電子產品越來越精密，大部分是機械、電氣、液體、控制等不同領域的各種系統的組合[1]。現代復雜機電產品也越來越多地呈現出多域耦合、連續離散域交叉的特點。另外，以機械系統為典型的連續域和以電子控制系統為典型的離散域的混合現象也出現在工業產品建模與仿真過程中。而在大多數的建模過程中，傳統的建模仿真軟件只是對這些僅僅一方面領域仿真工具的一種簡單集成，大多數是僅在其中一方面的建模仿真軟件，像機械系統仿真、電力系統仿真這些大多數仿真工具，在仿真過程中并不能滿足混合系統分析和多領域耦合設計的要求，而且在對混合系統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展，歐美工程界、研究機構、大學以及軟件公司在20世紀90年代提出了多領域物理統一建模理論，對于復雜系統建模語言Modelica的研究有了巨大的推動作用[3]。目前Modelica語言發展迅速，以它為主而開發的物理模型的數量更是迅速增加，在很多方面均有應用，如機械、液壓、電力系統等領域[4]，此外，還應用于汽車、能源、航空、航天等各行業[5-7]。由此，就產生了多領域建模與仿真軟件，如以Modelica語言為基礎的多領域建模與仿真分析平臺MWorks[8]。

到現在為止，許多國內和海外航空公司和科研機構均在建設飛機可視化仿真實驗室上獲得了成果，對飛機的設計、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人士的歡迎，因為Flightgear不僅能實現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據輸入和輸出接口，這些讓專業人士也可以進行飛行仿真模擬[9]。

Illinois大學將其用于飛行結冰過程的仿真可視化平臺開發[10];Wales大學則在飛控系統仿真中，利用Flightgear引擎實現了可視化仿真環境[11]。

同時，國內各高校一些自動控制、探測與制導及機械自動化等專業利用Flightgear軟件在開展飛控系統教學和實驗上取得了顯著進步，并且據此創建了可視化飛行仿真與設計實驗教學平臺。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等課程中學習到的知識和方法，根據可視化飛行器控制器設計實驗再利用開放實驗系統[12]，讓學生們自主進行設計控制器，學會運用所學知識來進行設計實際的飛控系統。

1 ?基于MWorks的飛機系統建模

本文利用多領域以Modelica語言為基礎的建模仿真軟件MWorks創建了相對完備的民航飛機系統仿真模型，并將民航飛機系統分成四大主要部分：飛控系統、環控系統、液壓系統和飛機發動機系統。

1.1 飛行控制系統

飛行控制系統是指在運行過程中，運用自動操縱系統，控制飛機的飛行姿態、運動參數等進行實時變化的系統。本文通過將飛行參數總線、輪速、操縱指令總線輸入飛行控制系統模型，飛行控制系統模型通過監控表決器與外置監控器，輸出方向舵結構限制指令、有效校正空速、有效機輪輪載等參數，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

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

1.3 環境控制系統

飛機的環境控制系統利用向發動機引氣，操縱機艙內的濕度、溫度等參數的變化，為機載設備、機上全部人員提供適宜的環境條件。本文通過將左發引氣溫度、左發引氣壓力、右發引氣溫度和右發引氣壓力輸入綜合空氣系統控制器，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，對綜合空氣系統控制器的控制信號進行反饋控制。

1.4 飛機發動機系統

發動機系統是飛機的“心臟”。本文通過向飛機發動機系統輸入反推開關信號、油門桿角度、飛行高度、飛行馬赫數等參數，操縱發動機工作，同時輸出低壓轉子轉速百分比、高壓轉子轉速百分比、推力、低壓轉子轉速、高壓轉子轉速、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，對飛機發動機系統進行反饋控制。

2 ?基于FlightGear的飛機系統仿真

本文利用FlightGear模擬飛行項目，在建模軟件MWorks里創建對應的外部接口部件，控制采樣時間為0.01秒，指定飛機的姿態角、位置、飛控操縱面偏度、起落架位置（前、左、右）及前輪轉角和發動機N1轉速百分比（左、右），將搭建完成的民航飛機系統與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的聯合仿真。

通過驅動FlightGear可視化引擎監測民用航空器各系統的狀態，使飛機運行狀態實時復現，并同時進行飛機飛行過程中飛行姿態、氣候條件和外部環境的同步三維復現。

3 ?結語

民航飛機系統的建模仿真是對完整飛機系統、飛行控制原理的深化理解與應用。本文利用多領域以Modelica語言為基礎的建模仿真軟件MWorks，建立了民航飛機系統模型，將整機系統分為飛行控制系統、液壓系統、環境控制系統和飛機發動機系統四大部分，并通過MWorks的外部端口驅動FlightGear對飛機系統進行實時可視化仿真，有利于通過改變飛機系統部分參數，實現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據導入飛機系統模型的方式，并通過FlightGear進行仿真，有利于直觀分析指定飛機典型系統工作狀態，提高分析效率與可視化效果。

參考文獻

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[12]楊姍姍，王彪.基于FlightGear的三維可視化飛行控制仿真實驗平臺的設計[J].實驗室研究與探索，2017，36（1）：113-117.