航空发动机的供应系统和气路部件级模型联合仿真方法

本发明属于航空发动机系统级建模，特别是一种航空发动机的供应系统和气路部件级模型联合仿真方法。

背景技术：

1、航空发动机供应系统的主要控制逻辑在于通过控制器的指令调节阀门开度，从而实现对供给燃烧室燃油流量的精确控制，进而对发动机转速产生影响。传统的发动机气路部件级模型通常将燃油流量作为确定量直接输入到气路部件级模型中，然而这种方法忽略了供应系统提供的燃油流量可能并不与给定的燃油流量完全一致的现实情况。实际上，在供应系统中，液路和气路等因容腔效应等因素的影响可能导致燃油流量的波动或迟滞，从而偏离目标燃油流量，最终影响到发动机转速。因此，进行供应系统与气路模型的联合仿真显得尤为重要。这样的仿真能够更有效地指导试验进行，考虑到供应系统中可能存在的液路和气路的波动或迟滞等因素，从而更准确地模拟实际情况，为系统优化和性能提升提供有力的支持。

2、在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明提出一种航空发动机的供应系统和气路部件级模型联合仿真方法，更真实地模拟燃油供应系统供油情况对航空发动机转速的影响，充分考虑了供应系统稳态和动态特性对发动机转速的潜在影响，借助amesim-simulink仿真平台进行联合仿真，以实现对航空发动机转速的精确控制。

2、本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，航空发动机的供应系统和气路部件级模型联合仿真方法包括以下步骤，

3、步骤1，基于amesim仿真软件平台建立航空发动机供应系统仿真模型，其中，使用液压库和液压元件设计库建立自锁活门、压差活门、计量活门的部件模型，使用液压阻力元件库中的管路模型将各部件连接，使用气动元件设计库对气路进行建模以模拟燃油储箱加压过程；

4、步骤2，基于matlab/simulink仿真软件平台建立航空发动机的气路部件级模型，其中包含进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管模型；

5、步骤3，基于amesim仿真软件平台搭建转速闭环控制器仿真模型以实现供应系统燃油供给流量控制和发动机转速控制；

6、步骤4，建立基于功能模型接口fmi标准联合仿真接口，建立联合仿真模型以实现航空发动机供应系统仿真模型与航空发动机的气路部件级模型之间的数据交互；在matlab/simulink仿真软件平台下将发动机气路模型导出生成*.fmu文件，把*.fmu文件导入到amesim仿真软件平台中生成fmi联合仿真子模型，航空发动机供应系统仿真模型提供燃油流量，航空发动机的气路部件级模型反馈转速，在amesim仿真软件平台下用信号线将两模块端口进行连接；

7、步骤5，进行联合仿真，仿真平台上同时运行航空发动机供应系统仿真模型与航空发动机的气路部件级模型得到联合仿真结果。其中，依次在amesim仿真软件平台和matlab/simulink仿真软件平台中点击运行模型仿真，仿真结束后在两个平台内通过拖拽和点击数据名称的方式观察仿真结果，如将计量活门后管路的流量拖拽至模型区域便观察燃油流量的仿真结果；

8、步骤6，基于联合仿真结果对转速控制器进行验证和改进，其中，通过对航空发动机的气路部件级模型的转速或航空发动机供应系统仿真模型燃油流量的仿真结果，对比理想状态下的转速变化情况以明确闭环控制器是否有效地实现了对发动机转速的控制。

9、所述的方法中，步骤1中，航空发动机供应系统仿真模型中，建立计量活门模型以确定向发动机燃烧室提供的燃油流量，齿轮泵后高压油通过计量活门内部的缓冲限流器流入弹簧腔，泵后高压油压力、弹簧力、控制油压力决定计量活门阀芯的运动状态，控制阀芯位置从而控制供给发动机燃烧室的燃油流量。

10、所述的方法中，步骤1中，建立压差活门模型使得计量活门前后的燃油压力之差为定值，通过控制计量活门的开度来调整计量活门的流通面积，进而实现控制流向发动机燃烧室的燃油流量，其中，燃油流量于计量活门阀门开度之间的关系近似拟合为一次函数：

11、q＝αa+β，

12、其中，q为燃油流量，a为计量活门阀门开度，α和β分别为拟合参数。

13、所述的方法中，步骤1中，气路进行建模包括模拟气体加压的状态的储箱模型采用静压设计库和液压设计库组合的形式，储箱供油压力为：

14、

15、其中，pfuel为储箱供油压力，pgas为储箱充气压力，∑f阻力和，a为储箱横截面积。

16、所述的方法中，步骤4中，在matlab/simulink环境下，将航空发动机气路部件级模型导出成标准*.fmu文件，输出为发动机转速，输入为燃油流量，在amesim环境下将导入的*.fmu模块接口与航空发动机供应系统仿真模型连接，将计量活门出口燃油流量作为输出，数据交互给气路部件级模型；将转速作为输入经过转速闭环控制器仿真模型调节计量活门阀门开度，闭环控制供应系统提供的燃油流量，进而控制发动机的发动机转速。

17、所述的方法中，使用amesim中的信号控制库中的模块搭建控制器模型以搭建pid转速闭环控制器。

18、所述的方法中，通过改变pid转速闭环控制器参数，保持其积分和微分系数不变，改变比例系数，观察转速控制的调整时间、超调量，通过对比不同pid转速闭环控制器参数下的控制品质，选择控制效果最好的参数，进而实现pid转速闭环控制器的改进优化。

19、和现有技术相比，本发明具有以下优点：真实模拟航空发动机供应系统与气路模型之间的关系，模拟转速控制过程中供应系统供油对发动机的影响，同时仿真结果也可以对控制策略的设计和控制器的参数优化提供参考，考虑了供应系统稳态和动态特性对燃油流量的影响，能够更加真实地模拟真实情况下航空发动机转速控制情况。同时，对控制策略及控制器的设计和参数改进提供依据。

技术特征：

1.一种航空发动机的供应系统和气路部件级模型联合仿真方法，其特征在于，其包括以下步骤，

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，步骤1中，航空发动机供应系统仿真模型中，建立计量活门模型以确定向发动机燃烧室提供的燃油流量，控制器改变活门阀芯位置从而控制供给发动机燃烧室的燃油流量。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中，在simulink环境下，将航空发动机气路部件级模型导出成标准*.fmu文件，输出为发动机转速，输入为燃油流量，在amesim环境下将导入的*.fmu模块接口与航空发动机供应系统仿真模型连接，将计量活门出口燃油流量作为输出，数据交互给气路部件级模型；将转速作为输入经过转速闭环控制器仿真模型调节计量活门阀门开度，闭环控制供应系统提供的燃油流量，进而控制发动机的发动机转速。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用amesim中的信号控制库中的模块搭建控制器模型以搭建pid转速闭环控制器。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过改变pid转速闭环控制器参数，保持其积分和微分系数不变，改变比例系数，观察转速控制的调整时间、超调量，对积分和微分系数进行类似操作，通过对比不同pid转速闭环控制器参数下的控制品质，选择控制效果最好的参数，进而实现pid转速闭环控制器的改进优化。

技术总结
航空发动机的供应系统和气路部件级模型联合仿真方法，方法中，基于AMEsim仿真软件平台建立航空发动机供应系统仿真模型，基于Matlab/Simulink仿真软件平台建立航空发动机的气路部件级模型，其包含进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管模型；基于AMEsim仿真软件平台搭建转速闭环控制器仿真模型以实现供应系统燃油供给流量控制和发动机转速控制；建立FMI标准联合仿真接口，建立联合仿真模型以实现航空发动机供应系统仿真模型与航空发动机的气路部件级模型之间的数据交互；进行联合仿真，仿真平台上同时运行供应系统仿真模型与气路部件级模型得到联合仿真结果；基于联合仿真结果对转速控制器进行验证和改进。

技术研发人员：刘金鑫,兰宇轩,金泽熙,苗慧慧,徐茂峻
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29