基于AMESim 的飛機環(huán)控系統(tǒng)建模與仿真

劉 征 崔 燚 周瓊瑤 戴 錚 王宇迪

0 引言

為體現(xiàn)新型民用客機“更經(jīng)濟、更安全、更舒適、更環(huán)保”的設(shè)計思想[1]，民用飛機逐漸朝多電化方向發(fā)展，四輪升壓式高壓除水電動環(huán)控系統(tǒng)具有取消發(fā)動機做功影響、節(jié)省燃油以及防止渦輪冰堵等優(yōu)點[2-3]，越來越受到研究人員的重視。

國內(nèi)對飛機環(huán)控系統(tǒng)仿真研究始于20 世紀(jì)90 年代，李俊杰[4]、董素君[5]等人采用easy5 軟件建立起空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)和蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)仿真模型，具有一定的實用性和推廣價值。董素君[6]、宋俊虓[7]、趙俊茹[8]等人利用Matlab/Simulink 建立起環(huán)控系統(tǒng)各主要部件的數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)進行了仿真研究，Matlab/Simulink 屬于通用仿真軟件，具有強大的編程計算語言和圖形化建模方式，但是在復(fù)雜系統(tǒng)的仿真研究，易產(chǎn)生代數(shù)環(huán)問題，對計算結(jié)果精度和效率影響較大。

AMESim 屬于一維多學(xué)科復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺，可實現(xiàn)氣動、熱流體、液壓、機械和電磁等多學(xué)科領(lǐng)域的聯(lián)合建模仿真，可以實現(xiàn)機電系統(tǒng)中多個分系統(tǒng)的耦合工作[9]。本文通過建立環(huán)控系統(tǒng)仿真模型，得到了在給定狀態(tài)下各部件出口的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果與理論計算值的對比結(jié)果，以及給定在飛行高度和飛行馬赫數(shù)擾動下的二級渦輪出口溫度的動態(tài)響應(yīng)曲線，可為系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化以及整機環(huán)境控制系統(tǒng)的控制規(guī)律設(shè)計提供模型和數(shù)據(jù)支持[10]。

1 AMESim 仿真模型

四輪升壓式高壓除水電動環(huán)控系統(tǒng)主要部件有：熱交換器、壓氣機、渦輪冷卻器、風(fēng)扇、轉(zhuǎn)軸等，通過氣體能量傳遞方向?qū)⒉考鞣抡婺K連接起來，構(gòu)成整機系統(tǒng)進行仿真。四輪升壓式高壓除水電動環(huán)控系統(tǒng)原理圖見圖1。AMESim 搭建空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)模型，需用到濕空氣模型、流量源、壓力源、熱交換器、壓氣機、渦輪冷卻器、水分離器、導(dǎo)管等元件（即子模型）。四輪升壓式高壓除水電動環(huán)控系統(tǒng)AMESim 仿真模型見圖2。

圖1 四輪升壓式高壓除水電動環(huán)控系統(tǒng)原理圖

圖2 環(huán)控系統(tǒng)AMESim 仿真模型

2 系統(tǒng)仿真

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

表1 AMESim 仿真模型輸入?yún)?shù)

AMESim 仿真模型建立后，需要給定系統(tǒng)各部件的仿真輸入?yún)?shù)，仿真輸入?yún)?shù)主要以部件結(jié)構(gòu)尺寸為主，具體參數(shù)見表1。

2.2 穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果分析

穩(wěn)態(tài)仿真主要考慮地面狀態(tài)和高空巡航狀態(tài)兩個工況，選取不同工況入口狀態(tài)參數(shù)見表2。

表2 AMESim 仿真模型不同工況入口狀態(tài)參數(shù)

依據(jù)部件結(jié)構(gòu)尺寸和入口參數(shù)，經(jīng)過計算可得到該型號飛機的各部件出口理論計算值。將理論計算值與穩(wěn)態(tài)仿真計算進行對比，可得到靜態(tài)仿真的精度。表3 是系統(tǒng)給定狀態(tài)下，各部件出口溫度理論計算值與穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果的對比。

表3 系統(tǒng)關(guān)鍵點穩(wěn)態(tài)仿真值與理論計算值對比

仿真結(jié)果表明，本文所建模型具有較高的精度，可滿足飛機環(huán)控系統(tǒng)的仿真研究。

2.3 動態(tài)仿真結(jié)果分析

由于飛機飛行高度和飛行速度不斷發(fā)生變化，外界空氣溫度和壓力會發(fā)生較大變化，環(huán)控系統(tǒng)各狀態(tài)點也會發(fā)生較大的變化，會對控制系統(tǒng)提出更高的要求。電動環(huán)控系統(tǒng)取消了發(fā)動機引氣，改為電動壓氣機壓縮空氣充當(dāng)高壓氣源，在整個飛行任務(wù)過程中，外界環(huán)境的溫度和壓力對環(huán)控系統(tǒng)影響較大。因此本文將研究當(dāng)飛機飛行高度和馬赫數(shù)擾動下，環(huán)控系統(tǒng)入口溫度和壓力不發(fā)生變化情況下，二級渦輪出口的溫度響應(yīng)。

工況1，飛行高度0m，馬赫數(shù)0.3，當(dāng)飛行馬赫數(shù)不變，高度突然階躍至1000 米時，二級渦輪出口的溫度變化如圖3 所示，由仿真曲線可以看出，當(dāng)飛行高度增大時，外界空氣溫度降低，初級換熱器和次級換熱器將帶走更多熱量，因此二級渦輪出口溫度降低。

工況2，飛行高度0m，馬赫數(shù)0.3，當(dāng)飛行高度不變，馬赫數(shù)由0.3 增大至0.5，二級渦輪出口溫度變化如圖 4所示，由仿真曲線可以看出，在地面高度0m，當(dāng)馬赫數(shù)增大時，二級渦輪出口溫度增高，這是因為馬赫數(shù)增大，沖壓空氣進口溫度增高，初級和次級換熱器溫差變小，帶走的熱量也減少，因此二級渦輪出口溫度增高。

圖3 工況1 條件下二級渦輪出口溫度變化

圖4 工況2 條件下二級渦輪出口溫度變化

3 結(jié)論

本文利用AMESim 搭建起四輪升壓式高壓除水電動環(huán)控系統(tǒng)仿真模型，根據(jù)氣體流動方向?qū)⒏鞣抡婺K連接起來，并對環(huán)控系統(tǒng)進行了靜態(tài)仿真計算和動態(tài)仿真分析。靜態(tài)仿真計算結(jié)果與理論結(jié)算結(jié)果相比，最大相差2.91℃，動態(tài)仿真滿足實際系統(tǒng)的變化趨勢。仿真結(jié)果表明了所建模型的正確性，可以模擬不同狀態(tài)下的飛機環(huán)控系統(tǒng)的工作情況，可為后續(xù)飛機環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)，同時也可以為控制系統(tǒng)的設(shè)計提供模型和數(shù)據(jù)支持。