CN111650847A

CN111650847A - 执行机构模型在航空发动机硬件在回路平台的集成方法

Info

Publication number: CN111650847A
Application number: CN202010397029.3A
Authority: CN
Inventors: 王修奇; 王继强
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2020-05-12
Publication date: 2020-09-11

Abstract

本发明公开了一种执行机构模型在航空发动机硬件在回路平台的集成方法，属于航空发动机控制与仿真技术领域。该方法包括如下步骤：步骤1，根据执行机构的需求，建立满足性能指标的燃油执行机构模型；步骤2，根据FMI标准的要求，将所建立的执行机构模型导出为FMU模型；步骤3，参考FMI标准中的接口函数，设计调用步骤2中导出的FMU模型的主控程序；步骤4，按照HIL平台的运行要求，将步骤3中所设计的主控程序封装为DLL格式；步骤5，将步骤4生成的DLL文件及步骤2中生成的FMU模型拷贝到HIL平台执行机构模型计算机中。本发明不改变原HIL平台中的任何软、硬件，提高了HIL仿真的精度和灵活度，且周期短、易实现，具有良好的推广前景。

Description

执行机构模型在航空发动机硬件在回路平台的集成方法

技术领域

本发明涉及一种执行机构模型在航空发动机硬件在回路平台的集成方法，属于航空发动机控制与仿真技术领域。

背景技术

目前，航空发动机的控制系统均采用全权限数字电子控制（Full AuthorityDigital Electric Control, FADEC）。FADEC系统主要由发动机、电子控制器、控制传感器、执行机构等组成，是一个由诸多复杂硬件及软件组成的综合体。航空发动机控制系统的研发流程包括控制需求分析、全数字仿真、硬件在回路(Hardware In the Loop, HIL)仿真、半物理仿真以及台架试车五个阶段，其中，在HIL仿真阶段，电子控制器采用实物，而发动机、传感器和执行机构信号均通过模拟器进行模拟。由于采用了真实的控制部件，HIL仿真能够切实提高仿真的置信度，弥补全数字仿真的不足，是航空发动机控制系统从理论到实际应用的关键环节。

如图1所示，在HIL仿真过程中，对航空发动机模型的集成方法大致如下：首先通过MATLAB/Simulink工具建立航空发动机的部件级模型，再通过Code Generation工具将模型转化为有工程应用价值的程序代码，最后根据HIL平台的要求将代码封装成为HIL平台可调用的DLL(Dynamic Link Library，动态链接库)形式。然而，这种方法对执行机构模型却并不适用，其原因主要在于：通过MATLAVB/Simulink工具并不能建立符合机械液压特性的执行机构模型。FADAEC系统涉及多个学科多个专业，而目前针对控制系统各部件的设计多采用各专业独立设计的方式，不同的专业领域中往往有其不同的主流专业仿真工具，比如对于燃油执行机构的设计通常采用AMESim软件，该建模平台直接面向设计，对机械液压部件可最大限度描述部件实际物理架构，但是却不能将模型直接转化为工程可用的代码形式，于是，就导致无法将通过AMESim工具建立的精度更高的执行机构模型并将其集成在HIL平台中进行仿真。针对这一问题，在实际过程中为了使HIL仿真试验的正常进行，通常有以下两种解决方法：

（1）将执行机构忽略；

（2）将执行机构简化为一阶惯性环节，再按照图1的方法将其集成在HIL平台。

显然，以上所述的两种方法都不能有效解决问题：一方面，使得HIL仿真的精度和置信度降低，不能发挥出HIL仿真在控制系统研制过程中的关键性；另一方面，在后续的系统集成验证环节中，导致各部件之间的需求出现矛盾，需要进行反复迭代，从而增加了研发时间和成本。

近年来，打破不同专业领域中主流仿真工具彼此之间无法兼容的约束，实现多学科、跨平台、高精度的全数字仿仿真是目前仿真领域一个十分重要的发展方向。在这种趋势下，FMI（Functional Mock-up Interface，通用模型接口）标准在2008年诞生并得到了广泛且深入的应用，现在该标准已经成为全球接受程度最高、应用最广泛的功能和性能棋型交互重用的接口标准，截至目前，已有一百多个全球领先的软件在环、硬件在回路、软件开发等软、硬件工具支持FMI标准。不同的建模及仿真软件可以通过该标准将其模型导出成FMU（Functional Mock-up Unit，通用模型单元）模型，然后再将其集成在其他仿真软件或平台中实现联合仿真，这就解决了一直以来困扰的问题——如何使用不同建模工具开发的模型来进行联合仿真。

发明内容

本发明提出了一种执行机构模型在航空发动机硬件在回路平台的集成方法，通过引入FMI标准这一强大的工具，将在AMESim软件所设计的燃油执行机构模型集成在HIL平台中，以提高HIL仿真的精度和灵活性。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种执行机构模型在航空发动机硬件在回路平台的集成方法，包括如下步骤：

步骤1，根据执行机构的需求，建立满足性能指标的燃油执行机构模型；

步骤2，根据FMI标准的要求，将所建立的执行机构模型导出为FMU模型，该模型内含建模所需的求解器；

步骤3，参考FMI标准中的接口函数，设计调用步骤2中导出的FMU模型的主控程序；

步骤4，按照HIL平台的运行要求，将步骤3中所设计的主控程序封装为DLL格式；

步骤5，将步骤4生成的DLL文件及步骤2中生成的FMU模型拷贝到HIL平台执行机构模型计算机中。

步骤1中所述燃油执行机构模型具有明确的输入。

所述输入为需求燃油量。

步骤1中所述燃油执行机构模型具有明确的输出。

所述输出为实际燃油量。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明提供了一种在HIL平台中集成执行机构模型的方法，该方法只需简要了解FMI标准文档中的相关接口函数的作用，便可以编写出主控程序，具有易实现、周期短、成本低等优点。

（2）本发明提供的方法可以将任何符合本发明要求的燃油执行机构模型集成在HIL平台中进行仿真，切实提高了HIL仿真的精度和置信度。

（3）本发明不改变原HIL平台中的任何软、硬件，具有可操作性强的特点。

（4）本发明解决了模型因在某些工程软件建立，但不能直接转化为工程代码导致无法集成在航空发动机硬件在回路平台的问题，该方法对其他工程软件、其他科研领域及其他硬件平台相似的问题也具备借鉴意义，具有良好的推广前景。

附图说明

图1是航空发动机模型在HIL平台的集成流程图。

图2是本发明提供的执行机构模型在HIL平台的集成方法图。

图3是对应步骤2中在AMESim软件中所建模型及导出FMU的接口连接图。

图4是对应步骤3中FMU模型仿真流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的执行机构模型在HIL平台的集成方法，其特征在于：不改变航空发动机HIL平台的任何软、硬件，并且满足了HIL平台只能调用DLL文件格式的要求，通过设计FMI的主控程序调用FMU模型，并按照HIL平台模型计算机调用模型的接口对该主控程序进行封装，即可实现执行机构模型在HIL平台上的集成。

步骤1，根据执行机构的设计需求，建立满足性能指标的燃油执行机构模型；

步骤2，按照流程将所建立的执行机构模型导出为Co-Simulation（联合仿真）模式的FMU模型，该模型内含建模软件中模型方程的求解器；

步骤3，参考FMI标准技术文档中所提供的接口函数，利用C语言设计调用步骤2中导出的FMU模型的主控程序；

步骤4，按照HIL平台的提供的封装模板，将步骤3中所设计的主控程序封装为DLL格式；

步骤5，将步骤4生成的DLL文件及步骤2中生成的FMU模型拷贝到HIL平台执行机构模型计算机中，加载HIL平台带有的模型工作站程序，即可完成HIL平台对执行机构模型的调用。

其中，所述步骤1的过程包括：

任何科研人员都可以按照需求，在AMESim建模平台设计满足各项指标需求的燃油执行机构模型，只需保证所建模型具有输入输出即可。

其中，所述步骤2的过程包括：

根据所建模型的输入输出及模型运行的硬件要求，选择对应的操作与配置，并根据仿真需求选择FMU的模式和版本。

其中，所述步骤3的过程包括：

一个FMU模型主要包括两个文件：一是基于XML（可扩展标记语言）格式的FMI描述文件，描述模型属性、变量等信息；二是DLL形式的可执行文件，包含了模型的核心算法代码，对外呈现的是FMI标准中规定的外部接口函数名称，大致包含控制器函数、子系统状态函数和子系统执行函数三大类。在编写主控程序时，根据仿真需求按照设计好的算法直接调用这些接口函数，不必再额外编写功能函数代码。

其中，所述步骤4的过程包括：

对于主控程序的封装，HIL平台做了详尽的描述，根据所建燃油执行机构模型的输入输出，修改已有的程序中对应位置的变量，编译，就可该主控程序封装为DLL格式的文件，即HIL平台所能调用的文件类型。

其中，所述步骤5的过程包括：

将上述步骤中生成的DLL文件和FMU模型拷贝到HIL平台执行机构模型计算机中的特定位置中，该计算机中自带有模型工作站.exe，双击之后即可进行执行机构模型的运行。

图2为本发明提供的方法流程图，下面将对各个环节作进一步的详细说明。

图3对应步骤2，展示了在AMESim中建立的燃油执行机构模型及导出FMU过程中的接口连接。根据需求，在AMESim建模平台中设计好燃油执行机构模型，该模型具有明确且有限数量的输入和输出。然后在菜单栏中依此选择“工具”→“首选项”→“编译”中将编译器类型设置为Microsoft Visual C++(32-bit)；在“界面”工具栏中设置输入、输出的个数和名称，创建FMI接口；之后分别将AMESim模型中的输入输出与FMI接口图标的输入输出相连，如图3所示，其中的Wf_cmd（需求燃油量），Wf_act（实际燃油量）分别表示所建模型的输入和输出，“M”表示质量块，MOT表示恒速电动机，A、B、P、T表示电液伺服阀的四个阀口；在“界面”→“FMU输出助手”选择FMU的模式和版本为Co-Simulation 2.0，至此即可在AMESim中成功生成燃油执行机构的FMU。

图4对应步骤3，展示了FMU的仿真流程。FMI标准定义了所有的外部可获取函数的接口，所有支持FMI标准的软件均需要按照这些接口定义来实现所有的函数，而且要设计调用FMU模型的主控程序也是通过调用这些函数来实现的，且FMU的整个仿真流程从开始到结束都能够使用相关的功能函数。本主控程序的设计按照图3所示的流程：首先对XML文件进行解析得到模型的变量信息，XML文件为FMU中的模型描述文件；接着实例化FMU，对计算机的内存资源进行分配；然后进行模型的初始化，从变量信息中获取相关的初始值并计算，再退出初始化；之后便可以进行仿真主循环，对模型进行反复解算并获得输出，在每一单步计算中都要检测当前时间的有效性，图4中t表示当前仿真时间，t_end表示该仿真过程结束的时间，当t < t_end时，则当前时间有效，调用单步计算函数进行单步计算，否则便跳出仿真循环。

对于步骤4和步骤5，将主控软件封装为DLL格式，HIL平台提供了详尽的封装模板，根据所建燃油执行机构模型的输入输出在该模板的相应位置修改相关的部分，并在VS2010环境下编译即可得到所需的DLL文件，然后生成的DLL文件和FMU模型拷贝到HIL平台执行机构模型计算机中的特定位置中，该计算机中自带有模型工作站.exe，双击之后即可进行执行机构模型的运行。至此便完成了燃油执行机构模型在航空发动机硬件在回路平台的集成。

Claims

1.一种执行机构模型在航空发动机硬件在回路平台的集成方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的执行机构模型在航空发动机硬件在回路平台的集成方法，其特征在于：步骤1中所述燃油执行机构模型具有明确的输入。

3.根据权利要求2所述的执行机构模型在航空发动机硬件在回路平台的集成方法，其特征在于：所述输入为需求燃油量。

4.根据权利要求1所述的执行机构模型在航空发动机硬件在回路平台的集成方法，其特征在于：步骤1中所述燃油执行机构模型具有明确的输出。

5.根据权利要求4所述的执行机构模型在航空发动机硬件在回路平台的集成方法，其特征在于：所述输出为实际燃油量。