航空发动机全数字仿真平台设计
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摘要
数字仿真是航空发动机性能计算与控制系统设计的重要技术，在发动机控制器仿真与控制系统半物理试验研究方面应用广泛。
本文针对国内发动机数字仿真的技术现状与工程需求，在Windows环境下设计开发了开放式航空发动机全数字仿真平台，平台可兼容现有不同语言编写的各种类型发动机模型，主要实现发动机数字仿真底层支持数据管理、发动机性能仿真及带控制器仿真、仿真数据分析管理等功能。
论文重点研究了航空发动机全数字仿真平台设计涉及的三个关键技术：混合编程技术、数据库管理技术、定时器技术。混合编程采用DLL跨平台调用的解决方案；数据库编程采用ADO.NET接口，利用Access数据库实现仿真数据的本地化管理，封装了实时数据库PI的API接口函数，利用PI数据库实现仿真数据的异地存储；定时器编程采用C#自带的Windows定时器、基于服务器的定时器和线程定时器，另外封装Windows多媒体定时器供平台调用。其中，有效解决了仿真平台设计中不同语言之间变量命名和过程、堆栈使用以及模块之间参数传递约定兼容性的技术难点。
系统设计完毕，进行了仿真验证。以某型发动机为对象，应用仿真平台进行发动机数字仿真、控制软件仿真、半物理试验仿真和控制软件系统测试。仿真结果表明：仿真平台能够实现异构平台的互通；可以作为一套独立的航空发动机数据管理系统；通过DLL调用，扩展了仿真平台的应用范围，突破了传统“一机一平台”的框架束缚；模块化和面向对象程序设计技术的应用，使仿真平台具有良好的可维护性和可扩展性，在工程应用方面具有一定的实用性。
Numerical simulation is the important technology in the field of aero-engine performance calculation and control system design, and it is widely applied in the research of engine controller simulation and control system semi-physical test.
According to the current technology and engineering requirement on engine simulation in the country, an open full numerical simulation platform on aero-engine was designed and developed under the Windows Operation System in this paper. It can invoke all kinds of engine models developed with different languages. It mainly performs the functions of data manipulation necessary to engine numerical simulation, engine performance simulation, and engine simulation with controller and assistant simulation data analysis.
Three techniques necessary to construct the full numerical simulation platform for mixed language programming, database, timer were researched and respectively implemented by Invoking DLL under different platforms, applying ADO.NET and using the timers in the .NET Framework. In this platform, Access database is used to implement the simulation data manipulation in local machine, and PI database's API interface functions were encapsulated and is used to implement simulation data store in remote machine. Furthermore, the multimedia timer's API functions were encapsulated to invoke by platform. The technique for mixed language programming is required not only to consider more on the compatibility between languages, but also to master variable naming, work principle of process and stack and parameter pass between modules from different languages, so it is the difficulty of this platform design.
After the design completion, a large amount of simulations were validated. In this paper, the platform was applied for some engine to perform engine performance simulation, control software simulation, semi-physical test simulation and control software system test. The simulation results indicated that the platform could be applied in the engine design engineering perfectly. It can implement the inter-communication between different system platforms, and also can be used for aero-engine data management. By invoking DLLs, the platform application field is widely extended to break the "one plane-one platform" mode's limit. The application of modularization and object oriented programming makes this platform with perfect
本文针对国内发动机数字仿真的技术现状与工程需求，在Windows环境下设计开发了开放式航空发动机全数字仿真平台，平台可兼容现有不同语言编写的各种类型发动机模型，主要实现发动机数字仿真底层支持数据管理、发动机性能仿真及带控制器仿真、仿真数据分析管理等功能。
论文重点研究了航空发动机全数字仿真平台设计涉及的三个关键技术：混合编程技术、数据库管理技术、定时器技术。混合编程采用DLL跨平台调用的解决方案；数据库编程采用ADO.NET接口，利用Access数据库实现仿真数据的本地化管理，封装了实时数据库PI的API接口函数，利用PI数据库实现仿真数据的异地存储；定时器编程采用C#自带的Windows定时器、基于服务器的定时器和线程定时器，另外封装Windows多媒体定时器供平台调用。其中，有效解决了仿真平台设计中不同语言之间变量命名和过程、堆栈使用以及模块之间参数传递约定兼容性的技术难点。
系统设计完毕，进行了仿真验证。以某型发动机为对象，应用仿真平台进行发动机数字仿真、控制软件仿真、半物理试验仿真和控制软件系统测试。仿真结果表明：仿真平台能够实现异构平台的互通；可以作为一套独立的航空发动机数据管理系统；通过DLL调用，扩展了仿真平台的应用范围，突破了传统“一机一平台”的框架束缚；模块化和面向对象程序设计技术的应用，使仿真平台具有良好的可维护性和可扩展性，在工程应用方面具有一定的实用性。
Numerical simulation is the important technology in the field of aero-engine performance calculation and control system design, and it is widely applied in the research of engine controller simulation and control system semi-physical test.
According to the current technology and engineering requirement on engine simulation in the country, an open full numerical simulation platform on aero-engine was designed and developed under the Windows Operation System in this paper. It can invoke all kinds of engine models developed with different languages. It mainly performs the functions of data manipulation necessary to engine numerical simulation, engine performance simulation, and engine simulation with controller and assistant simulation data analysis.
Three techniques necessary to construct the full numerical simulation platform for mixed language programming, database, timer were researched and respectively implemented by Invoking DLL under different platforms, applying ADO.NET and using the timers in the .NET Framework. In this platform, Access database is used to implement the simulation data manipulation in local machine, and PI database's API interface functions were encapsulated and is used to implement simulation data store in remote machine. Furthermore, the multimedia timer's API functions were encapsulated to invoke by platform. The technique for mixed language programming is required not only to consider more on the compatibility between languages, but also to master variable naming, work principle of process and stack and parameter pass between modules from different languages, so it is the difficulty of this platform design.
After the design completion, a large amount of simulations were validated. In this paper, the platform was applied for some engine to perform engine performance simulation, control software simulation, semi-physical test simulation and control software system test. The simulation results indicated that the platform could be applied in the engine design engineering perfectly. It can implement the inter-communication between different system platforms, and also can be used for aero-engine data management. By invoking DLLs, the platform application field is widely extended to break the "one plane-one platform" mode's limit. The application of modularization and object oriented programming makes this platform with perfect
引文
[1] 樊思齐、徐芸华等，《航空推进系统控制》，西北工业大学出版社，1995年12月
[2] 王曦，“航空发动机数控系统鲁棒PID控制规律研究及其工程应用验证”课题研究报告，2005年12月
[3] 黄金泉，“面向对象的航空发动机仿真模型库研究”总结报告，2005年12月
[4] 董洵，“混合语言编程”，程序员，2005年1月
[5] Jason Clark, "在C#中通过P/Invoke调用Win32 DLL", http://www.microsoft.com/china/msdn/library/langtool/vcsharp/ousNET.mspx
[6] 曹源、金先龙、孟光，“航空发动机系统级仿真研究的回顾与展望”，航空动力学报，2004年第19卷第4期
[7] 阮镰、刘斌、陈雪松，“软件可靠性测试及其测试环境”，测控技术，2000年第19卷第2期
[8] 刘斌，嵌入式软件及其测试讲义
[9] PI实时数据库培训资料，OSI Software公司
[10] 刘爱萍、姚华，“高推重比发动机全权限数字电子控制系统研究和半物理仿真试验验证”，航空发动机，2003年第29卷第1期
[11] 谢光华、曾庆福、马存宝，“并行处理发动机／控制系统半实物仿真”，推进技术，1998年12月
[12] 吴行章，“航空发动机仿真系统的配置和应用”，燃气涡轮试验与研究，1996年1月
[13] 冯国泰、黄家骅、王松涛，“航空发动机数字仿真试验台建立中几个关键技术问题的讨论”，航空动力学报，2002年10月
[14] 陈万农，“航空发动机数控系统通用仿真和开发平台的构筑”，燃气涡轮试验与研究，2002年第15卷第3期
[15] Alex G. Sim, Modeling, Simulation, And Flight Characteristics Of An Aircraft Designed To Fly At 100,000 Feet[R].NASA-TM-104236, September 1991
[16] E. Bruce Jackson, Results of a Flight Simulation Software Methods Survey, AIAA Flight Simulation Technologies Conference, Baltimore, MD, AIAA 95-3414, August 1995
[17] Jeffrey M. Maddalon and Jeff I. Cleveland Ⅱ, A Study of Workstation Computational Performance for Real-Time Flight Simulation, NASA TM-109184, February 1995
[18] J.A. Kaplan, R. Chen, P.S. Kenney, C.M. Koval and B.K. Hutchinson, Development of a Flight Simulation Data Visualization Workstation, NASA TM-110308, December 1996
[19] Martin Kirkman, The Use of Simulation in the Design of Modern Gas Turbine Control System, IEEE, 1997
[20] 多媒体资料, "Animated Technical Overview of NPSS", Computing & Interdisciplinary System Office, NASA Glenn Research Center, 2001
[21] Nianfu Chui, The Development of a Dynamic Test Bed for Flight Management Systems, Thesis, Concordia University, 2002
[22] Microsoft Visual Studio 2005联机帮助
[23] msdnR training-Programming with the Microsoft~(?).NET Framework (Microsoft Visual C#TM. NET). 02/2002
[24] 苏三买，《遗传算法及其在航空发动机非线性数学模型中的应用研究》，博士学位论文，西北工业大学，2002年4月
[25] 朱玉斌，《航空发动机数控系统仿真技术研究》，硕士学位论文，西北工业大学，2004年2月
[26] 王威，《航空发动机控制系统仿真系统研究》，硕士学位论文，西北工业大学，2006年3月
[27] 李中群，《系统仿真及其在航空发动机仿真平台设计中的应用研究》，硕士学位论文，西北工业大学，2004年3月
[28] 《航空燃气涡轮发动机的控制方法与燃气涡轮发动机动态特性的数学模拟》，中国航空动力控制系统研究所，1998年6月
[29] 曹祖圣、吴明哲、黄世阳等，《Visual C#.NET程序设计经典》，科学出版社，2004年1月
[30] 飞思科技产品研发中心，《开发专家之MS.NET—C#编程指南》，电子工业出版社，2002年11月
[31] 谭浩强、田淑清，《FORTRAN语言—FORTRAN 77结构化程序设计》，清华大学出版社，2004年6月
[32] 谭浩强，《C程序设计》，清华大学出版社，1991年7月
[33] 胡峪、刘静，《Visual C++编程技巧与示例》，西安电子科技大学出版社，2000年6月
[34] 邓巍巍、王越南编，《Visual FORTRAN编程指南》，人民邮电出版社，2000年5月
[35] [俄]古列维奇，戈尔别格讲稿 航空涡轮发动机的控制方法与燃气涡轮发动机动态特性的数学模拟．中国一航614研究所整理1998．6
[2] 王曦，“航空发动机数控系统鲁棒PID控制规律研究及其工程应用验证”课题研究报告，2005年12月
[3] 黄金泉，“面向对象的航空发动机仿真模型库研究”总结报告，2005年12月
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[8] 刘斌，嵌入式软件及其测试讲义
[9] PI实时数据库培训资料，OSI Software公司
[10] 刘爱萍、姚华，“高推重比发动机全权限数字电子控制系统研究和半物理仿真试验验证”，航空发动机，2003年第29卷第1期
[11] 谢光华、曾庆福、马存宝，“并行处理发动机／控制系统半实物仿真”，推进技术，1998年12月
[12] 吴行章，“航空发动机仿真系统的配置和应用”，燃气涡轮试验与研究，1996年1月
[13] 冯国泰、黄家骅、王松涛，“航空发动机数字仿真试验台建立中几个关键技术问题的讨论”，航空动力学报，2002年10月
[14] 陈万农，“航空发动机数控系统通用仿真和开发平台的构筑”，燃气涡轮试验与研究，2002年第15卷第3期
[15] Alex G. Sim, Modeling, Simulation, And Flight Characteristics Of An Aircraft Designed To Fly At 100,000 Feet[R].NASA-TM-104236, September 1991
[16] E. Bruce Jackson, Results of a Flight Simulation Software Methods Survey, AIAA Flight Simulation Technologies Conference, Baltimore, MD, AIAA 95-3414, August 1995
[17] Jeffrey M. Maddalon and Jeff I. Cleveland Ⅱ, A Study of Workstation Computational Performance for Real-Time Flight Simulation, NASA TM-109184, February 1995
[18] J.A. Kaplan, R. Chen, P.S. Kenney, C.M. Koval and B.K. Hutchinson, Development of a Flight Simulation Data Visualization Workstation, NASA TM-110308, December 1996
[19] Martin Kirkman, The Use of Simulation in the Design of Modern Gas Turbine Control System, IEEE, 1997
[20] 多媒体资料, "Animated Technical Overview of NPSS", Computing & Interdisciplinary System Office, NASA Glenn Research Center, 2001
[21] Nianfu Chui, The Development of a Dynamic Test Bed for Flight Management Systems, Thesis, Concordia University, 2002
[22] Microsoft Visual Studio 2005联机帮助
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[24] 苏三买，《遗传算法及其在航空发动机非线性数学模型中的应用研究》，博士学位论文，西北工业大学，2002年4月
[25] 朱玉斌，《航空发动机数控系统仿真技术研究》，硕士学位论文，西北工业大学，2004年2月
[26] 王威，《航空发动机控制系统仿真系统研究》，硕士学位论文，西北工业大学，2006年3月
[27] 李中群，《系统仿真及其在航空发动机仿真平台设计中的应用研究》，硕士学位论文，西北工业大学，2004年3月
[28] 《航空燃气涡轮发动机的控制方法与燃气涡轮发动机动态特性的数学模拟》，中国航空动力控制系统研究所，1998年6月
[29] 曹祖圣、吴明哲、黄世阳等，《Visual C#.NET程序设计经典》，科学出版社，2004年1月
[30] 飞思科技产品研发中心，《开发专家之MS.NET—C#编程指南》，电子工业出版社，2002年11月
[31] 谭浩强、田淑清，《FORTRAN语言—FORTRAN 77结构化程序设计》，清华大学出版社，2004年6月
[32] 谭浩强，《C程序设计》，清华大学出版社，1991年7月
[33] 胡峪、刘静，《Visual C++编程技巧与示例》，西安电子科技大学出版社，2000年6月
[34] 邓巍巍、王越南编，《Visual FORTRAN编程指南》，人民邮电出版社，2000年5月
[35] [俄]古列维奇，戈尔别格讲稿 航空涡轮发动机的控制方法与燃气涡轮发动机动态特性的数学模拟．中国一航614研究所整理1998．6