[发明专利]用于航空发动机等热力机械系统建模仿真分析的方法

摘要

本发明公开了一种用于航空发动机等热力机械系统建模仿真分析的方法，用于解决现有方法实用性差的技术问题。技术方案是采用面向对象的建模方法，避免了面向过程的程序设计方法中存在的可阅读性、可维护性以及可拓展性较差的缺点。本发明基于一个通用的仿真平台MATLAB/SIMULINK，便于后期对发动机等热力系统控制器的设计，且具有较好的人机交互界面。建立的不同功能模块耦合性低，使得建模过程具有较高的灵活性、扩展性和移植性。本发明中，对各部件以及迭代解算器的算法进行了优化，旨在建立一个高精度的发动机模型。加入了线性化模块，使得当前成熟的线性系统控制器设计方法能应用于发动机模型，实用性好。

主权项

一种用于航空发动机等热力机械系统建模仿真分析的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、首先给出仿真系统的总体设计要求，依据此总体设计要求，再结合航空发动机自身模型复杂、计算繁琐的特点，将该仿真系统的架构分为四层；用户操作层、发动机组件层、基础算法层、信号传递及输入/输出层；各层之间相对独立，便于设计人员根据不同仿真目标进行针对性的修改、优化或者扩展；步骤二、根据不同层次、模块的功能特点设计其MATLAB/Simulink实现方法；首先建立基础算法层，该基础算法层包含气体变比热计算模块和插值模块，这些模块算法相对简单，功能相对单一，故编写为C语言函数，以供发动机组件调用；MATLAB，是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，包括MATLAB和Simulink两大部分；Simulink，MATLAB的重要组成部分；C语言，编程语言；步骤三、建立发动机组件层，该组件层包含所有发动机这些涡轮机械系统的常用模块及对应的迭代解算器模块；使用S函数并结合Simulink模块编写发动机组件各部件模块均采用S函数模块编写；其算法是在传统部件法基础上，引入可视化理念，并进一步改进优化后的高精度实时算法；而迭代解算器模块采用Simulink通用模块编制，以提高该解算器的通用性和维护性；S函数，是系统函数的简称，是指采用非图形化的方式描述的一个功能块；步骤四、建立分段线性化模块，该模线性化块针对已经建立好的发动机非线性模型进行线性化来获得发动机的分段线性化模型，便于后期的机载模型及控制系统的分析设计；步骤五、建立用户操作层，该用户操作层为仿真系统的顶层，是与用户交互的界面，设计人员根据仿真目标给定当前发动机飞行参数及燃油计划指令，这些输入参数作为发动机计算子系统的输入；设计人员通过发动机计算子系统属性窗口设置模型运行时需要的任何仿真参数，如部件特性参数，解算器配置参数，这样用户就不必到子系统内部修改对象、模块属性参数，进而提高模型改写仿真效率；步骤六、基于上述已经设计好的各层模块，搭建设计航空发动机的稳态、动态仿真系统，并对动态仿真系统进一步改进获得发动机分段线性化模型；最终对发动机在全工况范围内的各工作点进行稳态仿真，并对不同工况进行小扰动动态仿真，以对该系统的性能指标和可靠性进行仿真验证。