CN105975692B - 基于模型的挤压式双组元液体动力系统动态分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模型的挤压式双组元液体动力系统动态分析方法，通过将液体动力系统建模仿真理论和Modelica技术体系相结合，形成面向对象的陈述式液体动力系统建模方法，用于指导液体动力系统非因果式模型库的建模过程。对于液体动力系统这样的复杂系统，本发明无需对其进行解耦和规定组件输入输出及方程求解顺序，大大地降低了系统建模的难度和复杂度，减轻工作量，也避免了人工指定求解顺序时引起的错误，显著地提高模型的重用性、可扩展性、灵活性和知识积累能力。

Description

基于模型的挤压式双组元液体动力系统动态分析方法

技术领域

本发明涉及一种液体火箭发动机动力系统(简称液体动力系统)动态分析方法，具体涉及一种基于模型的挤压式双组元液体动力系统动态分析方法。

背景技术

液体动力系统动态特性是液体动力系统的一项重要性能指标，动态特性的好坏直接影响到系统能否正常工作，故对其研究已成为动力系统设计的重要领域。早期，对液体动力系统的研究主要采用工程试验方法，工程试验在提高系统性能、安全性、可靠性和经济性等方面存在着一定的局限，例如，需要建立整套试验系统，并且物理系统的结构和参数改变比较困难。

随着动力系统动态理论研究的不断深化和软件工具在数值分析方面能力的不断提高，现阶段提出了基于模型的数值分析方法，该方法着眼于将液体动力系统的物理理论转化为数学模型，通过软件工具对数学模型的编译求解分析，模拟液体动力系统的动态工作过程，可以很好评估和分析液体动力系统的动态性能，进而辅助系统的优化设计、试验验证和运行管理，减少系统试验次数和风险，有效的缩短系统研制周期，降低系统研制成本和提高产品性能质量。

在进行基于模型的液体动力系统动态分析过程中，目前主要采用因果式建模方法(即过程式建模方法)来实现模型的开发。因果式建模方法不仅需要工程师对复杂的动力系统进行解耦，清楚地定义模型的输入输出和方程的求解顺序，而且需要工程师掌握复杂系统模型的编译和求解技术。对于液体动力系统这样大型的复杂耦合系统，此方法导致建模过程复杂困难，而且所开发的模型重用性、通用性和扩展性低，在模块化、参数化方面不足。在基于模型的液体动力系统动态分析中，工程师们面临着的以上困难正亟待解决。

发明内容

为了克服基于模型的液体动力系统动态分析中因果式建模技术的不足，本发明提供一种基于模型的挤压式双组元液体动力系统动态分析方法，并开发了对应的建模仿真系统，创造性地将液体动力系统建模仿真理论和Modelica技术体系相结合，形成了适用于液体动力系统建模的面向对象的陈述式建模方法，用于挤压式双组元液体动力系统动态性能模型的构建。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

本发明提供的基于模型的挤压式双组元液体动力系统动态分析方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)分解液体动力系统

1.1)通过对液体动力系统的分析，只根据液体动力系统结构的物理边界和模型假设，不考虑组件的输出输入和部件之间的交互耦合，将液体动力系统分解为各个典型组件；

2)设计连接器

设计液体动力系统模型的所有连接器，并确定一组合理的连接器变量；组件之间的交互通讯通过连接器来实现，对于物理组件模型的连接器，必须在物理上能够连接组件；所述连接器包括流体连接器、热连接器、平动机械连接器和转动机械连接器；所述的连接器变量包括流变量和势变量；同类型的连接器可以根据需要自由连接，流变量和势变量遵守广义基尔霍夫定律，连接会生成非因果的连接方程；

3)建立组件模型

首先根据每个典型组件的物理原理，将组件的物理模型转化为以数学控制方程表达的具有非因果性特性的数学模型，每个所述的数学控制方程以最自然的型式独立编写，均不指定方程求解顺序和输出输入变量，即采用陈述式方法描述的隐式方程系统；然后将数学模型转化为合理的数值模型，给定合理的边界条件和初始值；最后采用Modelica语言将数值模型加以实现，继承连接器，得到组件模型；

4)建立液体动力系统模型库

逐个建立所有的组件模型，并将所有的组件模型通过一定的分类方式经由模型库进行管理，构成液体动力系统模型库；

5)建立液体动力系统模型

根据特定型号的液体动力系统的组成结构，将各个相关的组件模型进行组合和连接，建立系统模型，即一种实际的液体动力系统的模型；

6)开展相关仿真分析：系统模型检验完成后，根据液体动力系统动态分析的任务要求，开展相关的仿真分析，通过系统模型获取所需的信息和知识。

上述步骤1.1)液体动力系统分解后，还包括步骤1.2)：

在组件分解的基础上，再进行组件主体分解，具体是将一部分组件模型共同的属性集合在一起，形成包括容积基类子单元、流动基类子单元和连接器模板子单元在内的基础部件。

上述步骤3)组件模型的建立还可以通过以下方式实现：

3.1)建立基础模型

首先根据每个基础部件的物理原理，将基础部件的物理模型转化为以数学控制方程表达的具有非因果性特性的数学模型，每个所述的数学控制方程以最自然的型式独立编写，均不指定方程求解顺序和输出输入变量，即采用陈述式方法描述的隐式方程系统；然后将数学模型转化为合理的数值模型，给定合理的边界条件和初始值；最后采用Modelica语言将数值模型加以实现，得到基础模型；

3.2)将基础模型互相连接构建成组件模型，继承连接器，得到组件模型。

上述基于模型的挤压式双组元液体动力系统动态分析方法还包括对组件模型进行验证的步骤：组件模型需要连接到系统模型中去仿真，将组件的仿真结果与期望的理论结果进行比对，如果两者符合，表示组件模型得到验证；如果两个不符合，组件模型需要重新修改和完善，直到达到要求。

上述基于模型的挤压式双组元液体动力系统动态分析方法还包括对液体动力系统模型进行验证和校验的步骤，具体为：

对液体动力系统模型进行仿真研究；对比仿真结果与系统理论特性，并根据仿真结果对系统模型进行调整，直到符合理论要求；

将液体动力系统模型的仿真结果与现有的试验数据进行比对，结果会表明系统模型的准确度和适用性，找出系统模型对实际系统的保真度；同时，系统模型校验也会暴露出物理模型需要改进的地方和数值模型的错误；根据校验结果对系统模型进行调整，直到符合要求。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过本发明所提出的液体动力系统动态分析方法的应用，液体动力系统的每个组件模型都是独立的模型，以物理上最自然的方式单独开发，不用明确定义输入输出变量和方程求解顺序。组件模型与外界的通讯交互通过非因果的连接器机制实现，整个方程系统只在求解时由仿真系统根据数据流环境自动确定变量的因果关系。采用本发明的建模仿真系统，组件模型可以组合快速构建任何型号的液体动力系统模型。

2、本发明对于液体动力系统这样大型的复杂系统，无需对系统进行解耦和规定组件输入输出及方程求解顺序，大大地降低了液体动力系统模型构建的难度和复杂度，减轻建模工作量，也避免了人工指定求解顺序时引起的错误，显著地提高模型的重用性、可扩展性、灵活性和知识积累能力，在建模仿真系统的支持下，实现模块化、参数化和可视化。

附图说明

图1为液体动力系统组件分解示意图；

图2为连接器类型及其变量分类表；

图3为液体动力系统模型库树状结构图；

图4为一种恒压挤压式双组元液体动力系统模型的结构示意图。

具体实施方式

本发明的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

一种基于模型的挤压式双组元液体动力系统动态分析方法，通过将液体动力系统建模仿真理论和Modelica技术体系相结合，形成面向对象的陈述式液体动力系统建模方法，用于指导液体动力系统非因果式模型库的建模过程，同时根据非因果建模仿真的需求，开发液体动力系统建模仿真系统，用于实现组件模型和系统模型的构建、管理及其仿真分析。

该方法的具体步骤如下：

1)确定系统模型目标：根据液体动力系统动态分析的任务，确定系统模型的目标和扩展用途，明确必须通过系统模型才能获得的信息和系统模型不需要考虑的信息。

2)构建概念模型：构建液体动力系统的原理框图，辅助分析液体动力系统主要现象的原理和机制，帮助工程师全面了解物理系统，反映建模思路。

3)液体动力系统分解：首先进行组件分解，通过对液体动力系统的分析，只根据液体动力系统结构的物理边界和模型假设，不考虑组件的输出输入和部件之间的交互耦合，参见图1所示，将液体动力系统分解为典型组件，包括气瓶组件、贮箱组件、阀门组件、热力组件和管道组件等，用来帮助构建系统模型。在组件分解的基础上，为了建模需要，再进行主体分解，具体是将一部分组件模型共同的属性集合在一起，形成“超级模型”，用于重用，例如容积基类模型、流动基类模型和连接器模板模型等。

4)建立基础模型：建立包括容积模型、流动模型和传热模型在内的基础模型，基础模型是液体动力系统模型库中最小的构造单元，这些基础模型可以互相连接构建成上一级的模型，即组建模型，组件模型通常由更通用化的基础模型表示。

所述容积模型表示流体的能量守恒和质量守恒属性，所述流动模型表示流体的动量守恒属性，所述传热模型表示流体与固体表面的传热属性。

5)设计连接器：设计液体动力系统模型的所有连接器，并确定一组合理的连接器变量；组件之间的交互通讯通过连接器来实现，对于物理组件模型的连接器，必须在物理上能够连接组件；对于工作介质流动交互耦合的组件，组件工质的流入流出即形成流体连接器；对于位移、力交互耦合的部件，力和位移的作用形成机械连接器；对于传热交互耦合的组件，热流的传入传出形成热连接器。

组件模型与外界的交互通信通过连接器与连接器的通讯来实现，连接器的通讯不指定方向，同类型的连接器可以根据需要自由连接，流变量和势变量遵守广义基尔霍夫定律，连接会生成非因果的连接方程，同样不规定连接方程的求解顺序，方程的非因果特性使得连接也是非因果的。

参见图2所示，所述的连接器有四种，包括流体连接器、热连接器、平动机械连接器和转动机械连接器；所述的连接器变量包括流变量和势变量。

6)制定建模方法：一旦基础模型和连接器变量确定以后，总结步骤1-6的内容，制定建模方法。建模方法是阐述建模原理和模型使用方法的一种简明标准形式，在模型构造的实现过程和模型的使用过程中，都要遵守此建模方法。

7)建立和验证组件模型：至此，已经具有了建立液体动力系统组件模型的基础，包括基础模型、连接器和建模方法等。液体动力系统的每个组件模型都以面向对象的陈述式液体动力系统建模方法单独建立，不依赖于外界环境。

首先根据每个组件的物理原理，将组件的物理模型转化为以数学控制方程表达的数学模型，每个所述的数学控制方程以最自然的型式独立编写，均不指定方程求解顺序和输出输入变量，即采用陈述式方法描述的隐式方程系统，具有非因果性特性；然后将数学模型转化为合理的数值模型，给定合理的边界条件和初始值；最后采用Modelica语言将数值模型加以实现，得到组件模型。组件模型需要连接到系统模型中去仿真，组件的仿真结果与期望的理论结果进行比对，如果两者符合，表示组件模型得到验证；如果两个不符合，组件模型需要重新修改和完善，直到达到要求。

8)建立液体动力系统模型库：参见图3所示，逐个建立所有的组件模型，并将所有的组件模型通过一定的分类方式经由模型库进行管理，构成液体动力系统模型库。

9)建立和验证系统模型：根据特定型号的液体动力系统的组成结构，将各个相关的组件模型进行组合和连接，建立系统模型，参见图4所示，即为一种恒压挤压式双组元液体动力系统模型，对其进行仿真研究；对比仿真结果与系统理论特性，并根据仿真结果对系统模型进行调整，直到符合理论要求。

组件模型和连接器的非因果机制，使得整个系统模型也是非因果的描述形式。实现了物理建模方法，即通过连接组件模型来构建系统模型，而且系统模型的拓扑结构能够反映系统的物理结构。对比仿真结果与系统理论特性，并根据仿真结果对系统模型进行调整，直到符合理论要求。

10)校验系统模型：将系统模型的仿真结果与现有的试验数据进行比对，结果会表明系统模型的准确度和适用性，找出系统模型对实际系统的保真度；同时，系统模型校验也会暴露出物理模型需要改进的地方和数值模型的错误。

11)开展相关仿真分析：系统模型检验完成后，根据液体动力系统动态分析的任务要求，开展相关的仿真分析，通过系统模型获取所需的信息和知识。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.基于模型的挤压式双组元液体动力系统动态分析方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)分解液体动力系统

1.1)通过对液体动力系统的分析，只根据液体动力系统结构的物理边界和模型假设，不考虑组件的输出输入和部件之间的交互耦合，将液体动力系统分解为各个典型组件；

1.2)在组件分解的基础上，再进行组件主体分解，具体是将一部分组件模型共同的属性集合在一起，形成包括容积基类子单元、流动基类子单元和连接器模板子单元在内的基础部件；

2)设计连接器

设计液体动力系统模型的所有连接器，并确定一组合理的连接器变量；组件之间的交互通讯通过连接器来实现，对于物理组件模型的连接器，必须在物理上能够连接组件；所述连接器包括流体连接器、热连接器、平动机械连接器和转动机械连接器；所述连接器变量类型包括流变量和势变量；所述流体连接器的变量包括压力、质量流量、质量比例及比焓；同类型的连接器根据需要自由连接，流变量和势变量遵守广义基尔霍夫定律，连接会生成非因果的连接方程；

3)建立组件模型

3.1)建立基础模型

首先根据每个基础部件的物理原理，将基础部件的物理模型转化为以数学控制方程表达的具有非因果性特性的数学模型，每个所述的数学控制方程独立编写，均不指定方程求解顺序和输出输入变量，即采用陈述式方法描述的隐式方程系统；然后将数学模型转化为合理的数值模型，给定合理的边界条件和初始值；最后采用Modelica语言将数值模型加以实现，得到基础模型；

3.2)将基础模型互相连接构建成组件模型，继承连接器，得到组件模型；

4)建立液体动力系统模型库

逐个建立所有的组件模型，并将所有的组件模型通过分类经由模型库进行管理，构成液体动力系统模型库；

5)建立液体动力系统模型

根据特定型号的液体动力系统的组成结构，将各个相关的组件模型进行组合和连接，建立系统模型，即一种实际的液体动力系统的模型；

6)开展相关仿真分析：系统模型检验完成后，根据液体动力系统动态分析的任务要求，开展相关的仿真分析，通过系统模型获取所需的信息和知识。

2.根据权利要求1所述的基于模型的挤压式双组元液体动力系统动态分析方法，其特征在于：

还包括对组件模型进行验证的步骤：组件模型需要连接到系统模型中去仿真，将组件的仿真结果与期望的理论结果进行比对，如果两者符合，表示组件模型得到验证；如果两个不符合，组件模型需要重新修改和完善，直到达到要求。

3.根据权利要求1所述的基于模型的挤压式双组元液体动力系统动态分析方法，其特征在于：

还包括对液体动力系统模型进行验证和校验的步骤，具体为：

对液体动力系统模型进行仿真研究；对比仿真结果与系统理论特性，并根据仿真结果对系统模型进行调整，直到符合理论要求；

将液体动力系统模型的仿真结果与现有的试验数据进行比对，结果会表明系统模型的准确度和适用性，找出系统模型对实际系统的保真度；同时，系统模型校验也会暴露出物理模型需要改进的地方和数值模型的错误；根据校验结果对系统模型进行调整，直到符合要求。