某型飞机工程飞行仿真数据管理系统_非线性_系统仿真_通用_航空_航天_控制_试验

前言

针对我国自行研制的某型飞机进行工程飞行模拟器研制，采用面向对象技术对飞机各分系统进行工程飞行仿真建模，使之能够用于不同大气环境条件下，对不同的飞行状态进行人机闭环工程飞行仿真，并实现飞机多种飞行动力学构型和故障仿真、飞行品质评定、仿真过程记录、回放等功能。工程飞行仿真数据管理系统可以设置不同飞机的各种飞机构型的气动参数及模拟飞行故障，并可对工程模拟器实施监控、维护、测试和应急控制处理，还可以为工程飞行仿真控制人员提供友好的图形化人机界面以及调试、监测和数据管理环境。

飞机仿真模型

飞机仿真模型主要包括：六自由度非线性飞机运动学及动力学模型、空气动力模型、发动机及推进系统模型、油箱模型、飞行控制系统模型、起落架模型、地面作用模型、质量系统模型、大气环境模型、数据传输模块和信号采集模块等主要仿真数学模型，各系统仿真模型数据结构及流程如图1所示，各系统模型采用面向对象的开发方法，使程序与数据相分离，以提高软件的重用性和开发效率，本文构建了飞机仿真模型框架，使用MySql数据库将飞机各种模型特性数据组织起来，用户只需修改数据库文件中有关飞机各系统模型的数据就可实现不同飞机构型的仿真。

Ｆｉｇ．１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｄａｔａ　ｆｌｏｗ　ｄｉａｇｒａｍｓ　ｏｆ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ

工程飞行仿真数据管理系统

工程仿真管理系统主要为工程师提供一个单独的工程飞行仿真建模的平台，数据传输及模型结构如图1(a)所示。本系统采用面向对象的程序设计方法，把数据及模型算法分离，为了能够简单、迅捷地修改飞机各系统参数和处理模拟飞行得到的数据，并与真实试飞数据进行对比，工程仿真管理软件既要有强大的功能，也需具有友好的人机界面，特别是具有可视化效果和结果反馈功能。如图1(b)所示，工程仿真管理系统负责工程飞行仿真设计，同时将设计结果（工程飞行仿真数据）分发给飞行实时解算计算机。飞行实时解算系统在教员管理系统指挥下进行实时仿真计算，并将仿真结果发送给数据记录计算机，数据记录计算机可根据教员管理系统的指令将记录参数发送回实时解算计算机和工程仿真管理计算机进行仿真结果回放，飞机各个模型数据存储、调用及编辑仿真数据库处理过程如图2所示。

Ｆｉｇ．２　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｄａｔａｂａｓｅ　ｍｏｄｅｌｉｎ

工程飞行仿真数据管理系统软件包括工程仿真数据编辑管理模块和飞行数据实时显示模块，如图3所示。工程仿真编辑管理是指工程飞行仿真前对仿真的创建、分系统模块的创建、数据的定义、编辑及加载；实时显示指的是仿真过程中对飞行数据的二维实时显示、飞机空中姿态及位置的三维显示，工程师可以实时观察想要监视的仿真结果。

采用易于用户操作的人机界面(见图3(a))对底层数据进行编辑修改，然后通过数据格式转换，最终形成一套提供给飞行解算计算机进行实时解算的数据。该软件界面特点是能以曲线或三维曲面的形式显示飞机数据(见图3(b))，给用户最直观的感受。

仿真测试结果与讨论

本测试是在所开发的某型工程飞行模拟器上进行的，对飞机的几种典型飞行状态（起飞、着陆及转弯）进行仿真结果数据分析。下面列出飞机滚转过程的几组典型仿真数据，所记录的典型数据包括滚转角速率、滚转角、偏航角速度和俯仰角随时间变化曲线，如图4所示，通过数据分析可研究飞机的飞行性能，与真实飞行数据进行对比，校验模型的准确性，并依此来改进仿真模型数据。

设置仿真与试飞相同的初始状态条件为飞机在4000m高度以400km/h速度平飞，图4中的虚线为飞机真实试飞数据曲线，实线为采用本模型的仿真数据曲线，从对比图可以看出，在15s到约23s时为飞机平飞状态，在23s时飞机的副翼偏转后出现了滚转力矩，飞机左倾，向左转弯，滚转角速度增加产生滚转角，侧向力和偏航力矩使飞机向左偏航，由于侧向力的出现，飞机转向时垂直方向上的升力变小，飞机会产生低头俯仰角减小，当稳定到接近40°滚转角度时，飞机不继续滚转，以基本稳定的偏航角速率向左转弯飞行。由图4可以看出，仿真数据和真实飞行数据在整个试验过程中匹配度比较理想，从而证明整个飞行数据及模型比较准确，接近真实飞机性能，试验表明，本飞机模型的建立是有效的，模型可以近似模拟该型号飞机飞行。

结束语

飞行仿真模型是飞行模拟器的核心部分。本文介绍了基于面向对象技术的工程飞行仿真模型建立的方法、模型的组织和数据交换，此工程飞行仿真模型具有较大的通用性，通过改变数据库中的飞机参数和气动数据可模拟不同构型的飞机。

本文工程飞行模拟器的飞行仿真管理系统为研究设计人员完善飞机设计提供了试验平台，同时也能够在地面上对飞行员进行仿真训练。本仿真软件已作为产品交付用户使用，获得用户的好评。

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