[发明专利]一种多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真方法

摘要

本发明提供一种多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真方法，包括多发动机的直升机飞行模拟器和多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序；多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序置于多发动机的直升机飞行模拟器的主解算计算机中；多发动机的直升机飞行模拟器各分系统间的通信通过以太网进行，采用TCP/IP协议，完成数据交换；具有自动匹配计算多台发动机协调工作情况，解决了多台发动机停车、冷转、起动和空域飞行时功率匹配输出仿真，提高了直升机仿真的逼真度。选用了直升机通用的飞行动力学和运动学数学模型，可通过建立不同机型的动力系统性能数据表格和直升机设计参数，实现不同型号直升机动力系统动态匹配的仿真。  

主权项

一种直升机动力系统动态匹配的仿真方法，其特征在于步骤和条件如下：包括多发动机的直升机飞行模拟器（100）和多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序（200）；多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序（200）置于多发动机的直升机飞行模拟器（100）的主解算计算机（110）中；多发动机的直升机飞行模拟器（100）各分系统间的通信通过以太网进行，采用TCP/IP协议，完成数据交换；多发动机的直升机飞行模拟器(100)包括通过网卡链接的主解算计算机（110）、座舱模拟分系统(120)、视景显示分系统(130)、教员控制台分系统(140)和运动模拟分系统(150)；主解算计算机（110）为一台PC计算机或工业控制计算机；座舱模拟分系统（120）中包含模拟多发动机的直升机的座舱内操纵机构、仪表、多功能显示器、指示灯、开关、按钮以及一台负责采集以上设备信息的座舱模拟分系统计算机，座舱模拟分系统计算机为一台工业控制计算机，安装信号采集卡，通过网卡与飞行模拟器的各分系统进行网络通信；座舱内操纵机构包括均为多个油门杆、冷转按钮和起动按钮，分别控制多台发动机；机械联动的两个总距杆同时控制多台发动机；视景显示分系统（130）包括视景数据库、成像子系统和显示子系统；为驾驶员提供逼真的舱外模拟景象，逼真地模拟各种气象条件下飞行时的多种空、地、海景象视觉效果以及多种空、地、海目标及其相对运动的动态效果；视景数据库存储在成像子系统的专业图形工作站的硬盘中，包括陆地、海岸线、海洋景象、三维物体以及多种特殊效果在内的满足各种训练任务所需全彩色景象信息，视景数据库中不仅包含模型的几何信息，而且包含纹理、材质信息、灯光、细节层次LOD、模板、运动的高级特征信息；成像子系统由一台专业图形工作站IDX‑6000、三台迅腾5800图形工作站、一台UPS电源组成；IDX‑6000图形工作站生成上视场三通道成像视景，两台迅腾5800图形工作站生成两个通道的下视场，一台迅腾5800图形工作站生成三方观察通道的视景；以DEM地形高程数据+卫星照片纹理+航片纹理的方式建立起来的视景数据库存储在专业图形工作站的硬盘中，成像计算机的实时管理与控制软件实时运行时，根据科目的不同预先调用相应的视景数据库，以TCP/IP协议通过1000M以太网络接受主解算计算机（110）传送过来的直升机视点位置姿态数据，实时生成模拟座舱外视景图像，送显示子系统显示输出，同时按照飞行姿态数据解算出当前直升机位置的相对于海平面的地形高度数据，通过网络传输给主解算计算机（110）；显示子系统由球面反射镜作为大型准直镜、后投射屏和融合计算机组成，将视景子系统产生传输过来的视景图像拼接成一个无缝整体景象；教员控制台分系统（140）是教员对模拟训练过程进行控制的操作台，包括主控界面计算机和主控界面程序，主控界面计算机上运行主控界面程序；主控界面程序实现飞行条件设置、特情设置、飞行参数显示、飞行轨迹的二维和三维显示；飞行过程的记忆、冻结、解冻；训练过程的重放以及成绩评定功能；运动模拟分系统（150）包括六自由度平台运动子系统、座舱振动子系统和承载平台子系统三部分；六自由度平台运动子系统提供包括直升机各种工作状态下的姿态及过载变化；座舱振动子系统为模拟器座舱内的驾驶员提供高频低幅的振动感觉，用来真实地模拟在直升机飞行过程中包括起飞、着陆时驾驶员所感受到的由座舱传来的振动；承载平台子系统安装在六自由度平台运动子系统平台的上平面上，用来安装显示子系统、座舱分系统和教员控制台分系统（140），设计上保证承载平台子系统具有足够的刚度和较轻的质量；所述的多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序（200）包括数据交换模块（210）、数据处理模块（220）、燃气发生器模块（230）、旋翼模块（240）、运动方程模块（250）；所述的数据交换模块（210）是实时通过网络接收多发动机的直升机飞行模拟器（100）中的座舱模拟分系统（120）的操纵机构采集信号和教员控制台分系统（140）的特情设置信号；①操纵机构采集信号包括每台发动机各自的油门杆、冷转按钮和起动按钮，以及两个机械联动总距杆的信息，座舱模拟分系统（120）通过电位器对油门杆位置、总距杆位置进行数字化转换，将模拟量转换成数字量，并进行归一化处理，形成在操纵机构操纵范围内为0~1变化的数字量，而起动按钮和冷转按钮通过座舱模拟分系统中计算机采集，将TTL电平转换成0或1变化的数字量，上述的数字量存储于座舱模拟分系统计算机中；②教员控制台分系统（140）的特情设置信号包括直升机飞行中发动机停车、燃油调节故障和尾桨失效，其中发动机停车包括单发动停车和双发动机停车；所述的数据处理模块（220）是对数据交换模块（210）接收到的座舱模拟分系统（120）的数字量信号进行插值处理，根据操纵机构采集信号的油门杆、总距杆量程和对应指示值，将0~1的数字量通过插值处理的方法转换成对应行程物理量，具体对应为油门杆的位置度数、总距杆上下提动所对应的度数；所述的燃气发生器模块（230），包括燃气发生器数据数组和燃气发生器计算程序，在燃气发生器计算程序中建立燃气发生器转速与温度、高度以及总距操纵位置的数据关系表格，存储于燃气发生器数据数组中；根据数据处理模块（220）对座舱模拟分系统（120）的插值处理后的数据及运动方程模块（250）解算出的当前多发动机的直升机飞行模拟器（100）的状态，通过燃气发生器计算程序对动力系统在停车、冷转、起动及空域飞行过程中各发动机燃气发生器转速进行计算，并根据旋翼功率需求，采用动态匹配的方法，插值计算各发动机在当前工作状态下的燃气发生器转速；所述的旋翼模块（240），包括旋翼转速数据数组和旋翼转速计算程序，旋翼转速数据数组是根据旋翼转速与燃气发生器转速之间的数据关系表格建立的数据数组，旋翼转速计算程序根据发动机燃气发生器模块（230）插值计算的各发动机在当前工作状态下的燃气发生器转速以及对应发动机停车、燃油调节故障和尾桨失效的设置，计算出动力系统通过功率轴提供的功率，并由运动方程模块计算的旋翼需求功率，通过旋翼转速数据数组解算出当前旋翼转速；所述的运动方程模块（250），由质心动力学方程模块和运动学方程模块组成，利用通用的质心动力学方程和运动学方程模型，将座舱模拟分系统（120）的操纵机构采集信号和旋翼模块（240）的当前旋翼转速输入方程进行解算，得到多发动机的直升机飞行模拟器（100）的位置和姿态，经数据交换模块（210）送给座舱模拟分系统（120）、视景显示分系统（130）、教员控制台分系统（140）和运动模拟分系统（150）；所述的多发动机的直升机飞行模拟器（100）的主解算计算机（110）执行如下步骤：步骤100，开始；步骤101，初始化，完成以下内容：①对多发动机的直升机飞行模拟器（100）所在机场、气象环境、风场环境以及直升机初始位置进行初始化；②对多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序（200）内部需要进行初始化的变量进行初始化；步骤102，数据交换，数据交换模块（210）接收座舱模拟分系统（120）的操纵机构采集信号和教员控制台分系统（130）的特情设置信号的数字离散量信息；座舱模拟分系统（120）通过局域网与数据交换模块（210）进行实时在线通信，完成数据交换，数据通信方式采用TCP/IP协议，保证多发动机的直升机飞行模拟器（100）和多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序（200）数据解算的实时性；步骤103，数据处理，数据处理模块（220）将油门杆和总距杆的量程和对应指示值，通过插值处理的方法转换成对应行程物理量；步骤104，发动机停车是，执行步骤105，根据燃气发生器数据数组中发动机停车时燃气发生器转速变化规律和旋翼转速数据数组中旋翼转速变化规律，由燃气发生器模块（230）和旋翼模块（240）中发动机停车动力系统计算1计算发动机燃气发生器转速和旋翼转速；否，执行步骤106；步骤106，发动机冷转是，执行步骤107，根据燃气发生器数据数组中发动机冷转时燃气发生器转速变化规律和旋翼转速数据数组中旋翼转速变化规律，由燃气发生器模块（230）和旋翼模块（240）中发动机冷转动力系统计算2计算发动机燃气发生器转速和旋翼转速；否，执行步骤108；步骤108，发动机参数计算，执行步骤109，根据燃气发生器数据数组中发动机起动工作时燃气发生器转速变化规律和旋翼转速数据数组中旋翼转速变化规律，由燃气发生器模块（230）和旋翼模块（240）中发动机起动时动力系统计算3计算发动机燃气发生器转速和旋翼转速；步骤110，退出是，执行步骤111，结束；否，执行步骤102，实时在线循环执行步骤102~110，循环周期为10ms；步骤111，结束。