基于MATLAB／SIMULINK的航空发动机建模与仿真研究

夏飞周文祥黄金泉

南京航空航天大学 能源与动力学院

(摘要h基于}／ATLAB／SImdLINK高级图形仿真环境，利用面向对象技术开发了菜型职轴涡扇发动机

的通用部件级模型仿真系统，旨在为发动机控制系统和故障诊断研究建立一种灵活的仿真平台。模

型主要利用SI]dULINK的模块库和S函数构建，具有可封装模块化、面向结构图和高度可视化等特点。

在SIⅡIJLINK中进行动态仿真，并用试验数据曲线验证模型的正确性。

关键词：航空发动机，部件级模型，面向对象建模，SIl4ULINK．仿真

1引言

航空发动机建模一直是航空发动机领域的重要研究方向，是航空发动机系统半物理仿真试验、

检验控制器性能的基础。目前，控制系统研究中应用的发动机模型大部分是由FORTRAN或C语言等

编写的部件级模型，基于这些语言的发动机模型在进行控制系统研究时常常遇到的难点是该平台缺

少控制和分析方面的工具，一般很难实现实时控制仿真。所以，．迫切需要一种面向对象的、有模块

化图形部件的实时仿真平台“’“，能够通过图形用户界面直接了解控制参数和发动机参数；并具有将

控制设计转化为实时代码的能力。姒TLAB／sIm几INK就是这样一种优秀的图形仿真平台，发动机模

型系统在其图形仿真环境中，是一种发动机控制和诊断的强大工具”3。

sI肌INl【是典型的面向对象的、高度图形化的建模仿真工具，在sIMULINl【提供的图形用户界

面上，以方块图表示对象模块，将系统分解成在物理和功能上相对独立的对象子系统，而各子系统

模块采用分层结构，使系统功能直观明了，建模的自由度大大提高；此外对象模块的通用性和移植

性更强，可以以极小范围的变动获得对整个模型的修改，从而能大大提高建模效率和可维护性“。

本文在SIMULINK平台上，用面向对象的方法建立某型双轴涡扇发动机的模型仿真系统，目标是

建立一种方便灵活的发动机仿真平台，能轻易访问或修改发动机的各种参数，并且可以快速实现系

统的控制测试和诊断。

2发动机模型平台殛建模方法

航空发动机部件级模型主要包括稳态和动态模型，稳态模型主要用于发动机总体特性计算，动

态模型主要用于控制规律设计仿真。上世纪90年代美国开展的NPSS计划提出了建立一个可重用、扩

展灵活、能提供交互式图形仿真界面的航空发动机性能仿真软件，对发动机的建模和仿真提出了更

高要求…。

本文应用SI矾／LINK建立发动机稳态模型、动态模型及实现仿真，采用了发动机结构图、功能框

图、计算流程图来描述模型系统。基于面向对象建模的要求，特别是模型的扩展性和重用性，先建

立发动机通用部件模型，连接各部件构建发动机的模型框架，然后提交特定发动机的部件数据，建

立了某双轴涡扇发动机模型R”。

2．1发动机模型及建模假设

模型对象为典型的双轴涡扇发动机，图l为该发动机结构图，功能部件为进气道、风扇、压气

机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、外涵道、混合室、尾喷管等。

一384—

图1典型双轴涡扇发动机结构图 图2双轴涡扇发动机部件功能框图

模型以高、低压转速，风扇，压气机和高，低压涡轮的压比作为系统变量，控制量为燃烧室供

油量，采用容积动力学方法实现模型的动态仿真。图2为考虑容积动力效应的部件功能框图。模型

还模拟了压气机放气和高低压涡轮冷却过程。发动机部件气动热力数学模型基于下列假设：

1)忽略部件热惯性及燃烧滞后的影响，考虑转子惯量的影响；

2)气体在航空发动机中的流动按一元流动处理。

已知飞行高度日、飞行马赫数Mo、燃油量盯，尾喷管面积4，及设计点参数和典型部件特

性。

2．2建模方法

SImJLINK具有进行动态复杂系统建模、仿真和综合分析的能力，该建模平台不仅提供了建立发

动机各部件数学模型所需的数值计算模块，使建模摆脱了烦琐的数学计算：还简化了模型结构以及

各种数据信息的交换过程。

建模的主导思想是利用SIMULINK的图形模块库建立层次化的发动机模型结构，依据可重用性和

扩展灵活的需求，每一层的设计采用可封装模块，并按照发动机及其各部件的气动热力特点建立各

自独立的部件模块及其子模块，每个子模块内也是图形模块化的数学模型。这样就形成了四层结构：

发动机层、发动机部件层、气动