李克新 常誠 孫禎然 武殿梁 李夢潔

摘要??? 本文對航空發(fā)動機(jī)試車過程的半物理仿真問題進(jìn)行了研究，提出基于某型發(fā)動機(jī)設(shè)計模型和大型CAVE環(huán)境的試車半物理仿真方發(fā)，解決了發(fā)動機(jī)及子系統(tǒng)性能計算模型構(gòu)建、異地分布式半物理仿真系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計、CAVE環(huán)境中的基于發(fā)動機(jī)3D模型的試車數(shù)據(jù)實(shí)時可視化等關(guān)鍵問題，為正在研制的某型發(fā)動機(jī)試車半物理仿真系統(tǒng)奠定了理論和方法基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】航空發(fā)動機(jī) 發(fā)動機(jī)試車 半物理仿真 數(shù)據(jù)實(shí)時可視化 虛擬現(xiàn)實(shí)

航空發(fā)動機(jī)屬于技術(shù)含量極高的復(fù)雜產(chǎn)品，研制周期長且代價高昂，因此研制過程廣泛使用各類仿真技術(shù)，近年來發(fā)動機(jī)試車也開始應(yīng)用仿真技術(shù)。

隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，仿真技術(shù)也得到了長足的發(fā)展。早期仿真主要是依托數(shù)學(xué)模型的計算仿真，結(jié)果數(shù)據(jù)處理較為繁瑣，通常是事后進(jìn)行專門的結(jié)果數(shù)據(jù)分析，這種仿真方式不適合人在回路類型的仿真。三維建模與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展為仿真提供了新手段，3D幾何模型可將仿真對象的形狀/結(jié)構(gòu)直觀地表達(dá)出來，仿真結(jié)果除了可以使用2D表達(dá)方式以外，還可以仿真對象的行為方式直接表達(dá)，如發(fā)動機(jī)噴口收/擴(kuò)動作、各類閥門的開關(guān)動作等。而3D數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、特別是矢量場、標(biāo)量場可視化技術(shù)則可以表達(dá)更為復(fù)雜的瞬態(tài)3D場數(shù)據(jù)，將它們與3D幾何模型結(jié)合即可將仿真對象的各種行為形象地表現(xiàn)出來。

航空發(fā)動機(jī)研制過程中需要對發(fā)動機(jī)進(jìn)行試車，試車的風(fēng)險和難度都非常的高，同時也要求試車操作人員能夠熟練操作，若操作失誤或未及時處理突發(fā)事件則可能引起重大事故。培養(yǎng)試車人員需要時間和成本，甚至存在一定風(fēng)險。目前航空發(fā)動機(jī)的功能與性能仿真已經(jīng)大量應(yīng)用，并具有一定的成熟度，國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、空軍工程大學(xué)等單位都對航空發(fā)動機(jī)虛擬仿真、半物理仿真有較長時間的研究，并在一些航空發(fā)動機(jī)本體仿真、控制系統(tǒng)的研發(fā)中得到應(yīng)用。

航空發(fā)動機(jī)試車仿真和本體仿真的不同之處在于，試車屬于人在回路仿真，仿真主要是為了培訓(xùn)和考核試車人員，不僅要求仿真過程響應(yīng)快速、計算準(zhǔn)確，而且人的操作過也需要進(jìn)行高相似度仿真。國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)試車仿真方面的研究較少，西安航空學(xué)院在2014年建立了國內(nèi)首個“某軍用航空發(fā)動機(jī)半物理仿真裝置”，其發(fā)動機(jī)半物理仿真裝置軟件系統(tǒng)，使用了基于具有某軍用發(fā)動機(jī)的大量整機(jī)試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)建立的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，虛擬技術(shù)應(yīng)用較少。目前國外已有較多的研究，并開始投入使用。

1 航空發(fā)動機(jī)設(shè)計模型及其試車半物理仿真系統(tǒng)

1.1 航空發(fā)動機(jī)設(shè)計模型

航空發(fā)動機(jī)的性能指標(biāo)包含溫度、流量、壓力、振動、頻率等多種物理量，涉及到的試車參數(shù)有近千個。這些物理量之間存在耦合關(guān)系，而物理量之間均與時間相關(guān)，通過時間將物理量關(guān)聯(lián)起來。一般的仿真性能計算往往只考慮某些狀態(tài)或少數(shù)物理量之間的耦合，極少將發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)考慮在內(nèi)。

本研究仿真試車臺上使用的某航空發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型包含了控制系統(tǒng)模型和發(fā)動機(jī)性能模型，包含多物理量的耦合計算，因此基于該設(shè)計模型可構(gòu)建閉環(huán)的仿真環(huán)境，對發(fā)動機(jī)各種工況下的工作過程進(jìn)行仿真。此外，該模型可支持故障植入，實(shí)現(xiàn)對故障過程的仿真以及對操作者故障處理技能的培訓(xùn)。

1.2 航空發(fā)動機(jī)試車半物理仿真系統(tǒng)

航空發(fā)動機(jī)試車半物理仿真系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成，在現(xiàn)有的發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，開發(fā)試車數(shù)據(jù)采集控制軟件、數(shù)據(jù)計算與計算調(diào)度軟件、數(shù)據(jù)輸入/輸出管理軟件，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)起動、轉(zhuǎn)速的實(shí)時控制和運(yùn)行狀態(tài)信息的采集，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，根據(jù)計算后的輸入數(shù)據(jù)輸出相關(guān)數(shù)據(jù)驅(qū)動3D模型實(shí)時變化來仿真真實(shí)試車情況。其操作與顯示方式與真實(shí)試車臺完全一致，區(qū)別僅在于：虛擬發(fā)動機(jī)模型代替真實(shí)發(fā)動機(jī)，虛擬試車場景代替真實(shí)試車環(huán)境。其軟硬件組成示意如圖1所示。

1.2.1 試車半物理仿真系統(tǒng)功能

系統(tǒng)的目標(biāo)是為試車臺操作人員提供與真實(shí)試車臺操縱間高度相似的半物理虛擬仿真環(huán)境，包括操縱臺、油門桿、按鈕、指示燈、數(shù)字顯示屏，以及虛擬的三維發(fā)動機(jī)展示模型、試車臺輔助工藝系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)示意圖等。

半物理仿真環(huán)境的后臺集成了航空發(fā)動機(jī)數(shù)字模型、虛擬現(xiàn)實(shí)接口程序和數(shù)據(jù)采集模塊，可對真實(shí)的航空發(fā)動機(jī)試車過程進(jìn)行仿真，從而可用于發(fā)動機(jī)研發(fā)過程的試車操作培訓(xùn)、故障排除訓(xùn)練、試車過程分析等。除試車人員技能培訓(xùn)外，借助現(xiàn)有的三維視景系統(tǒng)（CAVE），該仿真平臺也可以完成試車臺工藝流程三維展示、真實(shí)試車過程的異地實(shí)時試車目擊、典型發(fā)動機(jī)性能故障模擬、真實(shí)試車數(shù)據(jù)的全過程再現(xiàn)等功能。

1.2.2 系統(tǒng)硬件組成航空發(fā)動機(jī)半物理虛擬試車臺系統(tǒng)硬件

主要包括模擬操縱臺和CAVE顯示系統(tǒng)。

模擬操縱臺：

模擬試車臺主要由計算機(jī)子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、操作控制裝置、輸出顯示裝置等構(gòu)成。模擬試車臺是發(fā)動機(jī)試車過程中交互操作和仿真計算的主要承擔(dān)者，包括試車的各種設(shè)置操作、試車過程中的發(fā)動機(jī)控制操作、發(fā)動機(jī)工作性能仿真計算和各種數(shù)據(jù)處理及結(jié)果輸出。

CAVE系統(tǒng)：

本系統(tǒng)將使用CAVE虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行試車過程的發(fā)動機(jī)狀態(tài)顯示、試車中心漫游、燃油子系統(tǒng)狀態(tài)顯示、空氣起動子系統(tǒng)狀態(tài)顯示和試車工藝流程顯示。

如圖1所示，本平臺的CAVE系統(tǒng)為典型的主從機(jī)架構(gòu)，主從機(jī)通過局域網(wǎng)相連：主機(jī)負(fù)責(zé)對外通信和交互操作，它控制3臺從機(jī)完成3個通道的顯示輸出。3個從機(jī)（圖形顯示輸出終端）分別是：1號機(jī)負(fù)責(zé)左側(cè)小屏幕輸出;2號機(jī)負(fù)責(zé)正面大屏幕輸出;3號機(jī)負(fù)責(zé)下面大屏幕輸出。由于對外通信、交互操作只能在主機(jī)上進(jìn)行，因此上述的5種顯示的設(shè)置與交互操作均需要在主機(jī)上進(jìn)行，從機(jī)上根據(jù)主機(jī)的指令來顯示相關(guān)信息。因此對應(yīng)的軟件模塊均需要是主從模式的，主控端和顯示端分別在主從機(jī)上運(yùn)行。

1.2.3 系統(tǒng)軟件組成

發(fā)動機(jī)虛擬仿真軟件主要包括試車臺上運(yùn)行的仿真操作和計算軟件、CAVE上運(yùn)行的顯示與交互軟件。

軟件系統(tǒng)共包括15個模塊，包括試車操作與控制模塊、試車設(shè)置與參數(shù)顯示、仿真計算與計算調(diào)度模塊、仿真控制與輸入/輸出管理模塊、PLC硬件控制模塊、試車綜合顯示服務(wù)端模塊、試車工藝流程演示主控模塊、試車中心漫游與監(jiān)控主控模塊、燃油系統(tǒng)狀態(tài)顯示控制模塊、空氣起動系統(tǒng)狀態(tài)顯示控制模塊、試車工藝流程演示顯示模塊、發(fā)動機(jī)試車狀態(tài)顯示模塊、試車中心漫游與監(jiān)控顯示模塊、燃油系統(tǒng)狀態(tài)顯示終端模塊、空氣起動系統(tǒng)狀態(tài)顯示終端模塊，15個模塊分別運(yùn)行于不同的硬件上。其中用于控制試車操作臺上的操控與輸出裝置的是PLC硬件控制程序，運(yùn)行于中心PLC控制器上。

部分軟件模塊可以在同一個硬件上運(yùn)行，如仿真控制、輸入輸出管理、與真實(shí)試車臺通信和試車數(shù)據(jù)管理三個模塊均在主控計算機(jī)上運(yùn)行;CAVE系統(tǒng)的主機(jī)上則運(yùn)行了所有從機(jī)管理模塊，以及一個綜合現(xiàn)實(shí)服務(wù)端模塊。試車設(shè)置和參數(shù)顯示軟件則包含5個子模塊，分別運(yùn)行于試車操作臺的5臺計算上。

航空發(fā)動機(jī)試車過程涉及到多種輸入、多種計算、多種結(jié)果，仿真系統(tǒng)的硬件要能夠模擬真實(shí)操作臺來進(jìn)行所有操作、產(chǎn)生所有的信號，軟件則需要處理所有數(shù)據(jù)、完成所有的計算、以預(yù)定方式顯示結(jié)果。影響上述半物理仿真系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵問題主要包括發(fā)動機(jī)性能計算模型構(gòu)建、子系統(tǒng)模型的構(gòu)建、三維視景系統(tǒng)（CAVE）環(huán)境中的試車實(shí)時可視化。

2 面向試車過程仿真的計算模型構(gòu)建

2.1 發(fā)動機(jī)性能計算模型

發(fā)動機(jī)實(shí)時試車過程中要同時測量溫度、流量、壓力、振動、頻率等上千個性能參數(shù)。不同類型、不同位置的參數(shù)在仿真時由不同計算模型在同一時間的輸入?yún)?shù)控制下計算出來。

本研究的目標(biāo)發(fā)動機(jī)屬于型號產(chǎn)品，仿真對象為該發(fā)動機(jī)設(shè)計模型，該發(fā)動機(jī)計算模型包含了控制系統(tǒng)模型和性能模型。

2.2 試車輔助子系統(tǒng)模型

試車系統(tǒng)的輔助子系統(tǒng)主要包括燃油子系統(tǒng)和空氣起動子系統(tǒng)，它們分別為發(fā)動機(jī)試車供應(yīng)燃油和起動空氣。根據(jù)上述兩個子系統(tǒng)的運(yùn)行原理圖以及相關(guān)參數(shù)，使用Simulink建模工具構(gòu)建子系統(tǒng)的功能模型。在窗口中添加模塊，創(chuàng)建仿真系統(tǒng)，再在命令行中輸入仿真指令（程序），得出仿真結(jié)果，其建模過程如圖2所示。用戶在創(chuàng)建好模型后，可以在Matlab中編譯成獨(dú)立的可執(zhí)行程序，后續(xù)使用時不再需要Matlab環(huán)境支撐。

計算模型可用于試車過程中的參數(shù)計算，而計算結(jié)果參數(shù)會引發(fā)兩類現(xiàn)象，一類是監(jiān)控臺上的參數(shù)變化，包括數(shù)據(jù)和圖形，另一類為結(jié)果參數(shù)驅(qū)動子系統(tǒng)的3D模型來顯示當(dāng)前狀態(tài)，例如液面位置過低，則因數(shù)值降低變化，溫度變高導(dǎo)致發(fā)動機(jī)火焰顏色加深，并且亮度變高，透明度變高。第二類現(xiàn)象形成的VR圖像，展示到CAVE系統(tǒng)中。如圖3所示，圖中（a）、（b）分別為燃油子系統(tǒng)和空氣起動子系統(tǒng)的3D模型狀態(tài)。通過驅(qū)動粒子的運(yùn)動和顏色改變，從而實(shí)現(xiàn)兩個系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的三維動態(tài)展示。

3 航空發(fā)動機(jī)試車顯示3D實(shí)時可視化

3.1 CAVE環(huán)境下的試車實(shí)時可視化

試車過程3D綜合顯示軟件運(yùn)行于CAVE子系統(tǒng)中，通過試車數(shù)據(jù)與3D模型融合可視化方法在CAVE系統(tǒng)中顯示。CAVE子系統(tǒng)由主服務(wù)器顯示終端（主機(jī)）和渲染端（從機(jī)）顯示終端組成，其3D實(shí)時可視化顯示框架如圖4所示。

3D數(shù)據(jù)場的實(shí)時可視化是一種較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。本研究CAVE系統(tǒng)采用面向?qū)ο蠓椒▉砻枋龈鞣N仿真對象和組件，通過對象來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與3D模型的融合。對于大規(guī)模3D數(shù)據(jù)場的可視化問題，使用二叉空間分割、多分辨率（LOD）表達(dá)、基于視錐運(yùn)動的動態(tài)加載等方法來降低數(shù)據(jù)處理量、加快處理進(jìn)程。標(biāo)量場可視化采用動態(tài)生成云圖、動態(tài)生成曲線等方法實(shí)現(xiàn)。矢量場可視化采用積分算法、粒子動態(tài)控制等方法實(shí)現(xiàn)。

渲染端（從機(jī)）子模塊的“幾何模型管理”包含兩種功能：3D幾何模型管理、試車效果動態(tài)生成。模型與仿真數(shù)據(jù)融合生成試車效果，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。

3.2 仿真計算參數(shù)粒子系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)實(shí)時可視化

航空發(fā)動機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生的的火焰、氣流等會帶動溫度、壓力、振動等多個參數(shù)發(fā)生實(shí)時變化，本系統(tǒng)應(yīng)用上述的計算模型進(jìn)行仿真計算，計算模塊對噴火粒子進(jìn)行實(shí)時計算，得到其位置、大小、顏色、狀態(tài)和生命周期等，然后采用粒子系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中的變化參數(shù)進(jìn)行實(shí)時可視化顯示，具體如圖6所示。

計算模塊對噴火粒子進(jìn)行實(shí)時計算，得到其位置、大小、顏色、狀態(tài)和生命周期。在粒子系統(tǒng)中，新生粒子位于屏幕上方的圓形區(qū)域內(nèi)，如圖7所示。粒子出生時賦予每個粒子不同的隨機(jī)初始參數(shù)。對于每個粒子而言，其實(shí)際意義是其每幀的位置和速度。

可視化顯示的VR圖像，最主要的是試車過程中火焰特效的形成?；鹧嬗闪Ｗ訕?gòu)成，其粒子的顏色、亮度和透明度與粒子的溫度有關(guān)。本文采用線性插值公式計算火焰粒子亮度。

火焰透明度與生命值的變化密切相關(guān)。生命值越高，粒子透明度越低;生命值越低，粒子透明度越高。火焰粒子透明度計算公式如下。

life0——初始生命值;

火焰粒子的生命值相當(dāng)于時鐘控制變量，火焰粒子每隔一個時間步長就計算一次運(yùn)動的狀態(tài)參數(shù)以及各項屬性值，同時生命值減去相應(yīng)的衰減量。

生命值作為粒子的固有屬性，控制每個粒子的運(yùn)動狀態(tài)，同時又保證了整個火焰粒子系統(tǒng)的多態(tài)性，使粒子系統(tǒng)變成一個動態(tài)的、有機(jī)的系統(tǒng)，從而模擬出火焰的動態(tài)特效。

采用粒子系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)特效模擬如圖8所示。

4 仿真應(yīng)用

本文以一個實(shí)際項目案例來驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性和應(yīng)用價值。本文設(shè)計方法已應(yīng)用于上?？莆椖恐袊桨l(fā)商發(fā)制造“民用航空發(fā)動機(jī)虛擬試車平臺”，滿足中國航發(fā)商發(fā)公司制造試車、培訓(xùn)操作、故障排除和異地試驗(yàn)?zāi)繐舻囊螅瑢?shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)字化、信息化技術(shù)的深度開發(fā)應(yīng)用，并對其它發(fā)動機(jī)重要部件（壓氣機(jī)，渦輪，燃燒室）試驗(yàn)的全景仿真和培訓(xùn)提供技術(shù)參考和經(jīng)驗(yàn)積累。

仿真試車主要分為試車準(zhǔn)備、試車檢查、開始試車、停止試車四個主要步驟。在開始試車后，其具體的試車仿真流程如下：啟動CAVE系統(tǒng)，操作試車臺油門桿系統(tǒng)，同時配合設(shè)置界面配置，并觀察控制面板信息。試車人員通過操縱臺（可以是機(jī)械式油門桿，實(shí)物按鈕或者計算機(jī)界面）驅(qū)動和控制發(fā)動機(jī)和試車臺工藝系統(tǒng)模型，上述模型將大量狀態(tài)參數(shù)通過預(yù)設(shè)的演示界面實(shí)時的顯示在操縱臺顯示器上，同時驅(qū)動發(fā)動機(jī)和試車臺三維視景系統(tǒng)（CAVE），形成動態(tài)展示，如火焰噴射，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)或燃油供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部管道流動、壓力和溫度狀態(tài)等。半物理虛擬試車三維視景顯示具體效果如圖9所示。

整個試車過程中，可模擬試車故障植入。以發(fā)動機(jī)起動狀態(tài)時起動壓力值為例，在發(fā)動機(jī)試車正常起動時，系統(tǒng)界面顯示AirSetP=58Psig，試車人員設(shè)置發(fā)生故障，故障發(fā)生后，模型理論計算結(jié)果。

此時顯示AirSetPBrokenL=20.22Psig，變?yōu)榧t色，如圖10所示，與計算模型結(jié)果一致，在CAVE系統(tǒng)投影墻上，發(fā)動機(jī)起動失敗。試車人員將發(fā)動機(jī)停車，并確認(rèn)排除故障后，參數(shù)顯示計算機(jī)上恢復(fù)正常值為54.46Psig，如圖11所示。

該發(fā)動機(jī)半物理仿真系統(tǒng)能夠真實(shí)的模擬試車環(huán)境，基于現(xiàn)有的3屏幕5通道CAVE三維視景系統(tǒng)，該仿真系統(tǒng)的綜合顯示刷新率不低于20幀/秒（立體模式）或36幀/秒（非立體模式）;仿真操縱臺的操作響應(yīng)時間不大于0.1秒;持續(xù)工作時間不小于16小時，監(jiān)控信號正確率達(dá)到100%。

5 結(jié)論與展望

本文研究基于發(fā)動機(jī)設(shè)計模型的試車半物理仿真系統(tǒng)，主要包括半物理仿真系統(tǒng)的軟硬件組成與運(yùn)行流程、發(fā)動機(jī)與試車臺子系統(tǒng)建模方法、CAVE環(huán)境中的試車數(shù)據(jù)與發(fā)動機(jī)及試車系統(tǒng)3D模型的融合顯示。本文相關(guān)方法或方案都已經(jīng)通過技術(shù)測試，已經(jīng)應(yīng)用于正在研制的某型發(fā)動機(jī)試車半物理仿真系統(tǒng)，可滿足大量的發(fā)動機(jī)研制專項試驗(yàn)，直觀的反映發(fā)動機(jī)試車過程，培養(yǎng)試車人員工作能力，為發(fā)動機(jī)試車過程處理提供依據(jù)。

文中提出的復(fù)雜仿真系統(tǒng)框架、數(shù)據(jù)與3D模型融合的實(shí)時可視化方法不但適用于本文提到的半物理仿真系統(tǒng)，還可用于其他領(lǐng)域。其中實(shí)時數(shù)據(jù)與3D模型融合可視化方法已經(jīng)用于生產(chǎn)線運(yùn)行過程實(shí)時監(jiān)控。

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