（海军装备部 陕西西安 710089）
摘要：通过国内外系统仿真技术在飞机设计研发领域的应用介绍和需求分析，提出了基于模型的航空机电系统研发，结合某型号总体设计单位在工程上的实际应用探讨了构建要点及验证流程，从工程实践取得的效益证明了基于模型的仿真技术的应用价值。
关键词：基于模型；机电系统；研发
随着计算机技术、系统工程及控制工程的发展，仿真技术在航空、航天领域得到了广泛的应用。就飞机系统工程而言，由于其具有良好的定义、结构和丰富可用的理论知识，可以对系统模型进行演绎、推理、试验、分析，因此，系统仿真业已成为飞机系统/设备设计、研发的不可或缺的环节。
1.系统仿真的国内外现状
目前，欧美等航空大国已将系统仿真纳入其飞机系统研发流程。据美国波音公司787飞机工程报告，就系统仿真规定如下:①与系统/设备供应商签署模型协议书，确定模型需求和实施计划；②规定模型两级限定，并对两级模型适用范围、验证分析内容、建模技术、仿真工具平台等均作了要求；③明确分工关系。设备供应商负责设备级建模、维护，编制模型设计说明、校核验证说明。波音公司负责系统模型的集成、仿真。欧洲空客公司则主导、实施CRESCENDO计划。该计划有13个国家的59个公司和研究机构参与，其在飞机各系统仿真的基础上发展了飞机级数字样机，通过仿真验证在工程上获得以下收益:①减少10%的研发周期和费用；②减少50%的重复劳动；③减少20%的物理试验费用。
在国内，航空主辅机厂所也开展了大量的系统/设备仿真工作，也根据各系统/设备的专业特点建立了具体平台，初步形成仿真的技术能力。很多单位业已将仿真纳入到其系统/设备的工程研发流程中，如在空气动力设计时CFD计算已是基本流程，在航空发电机研发过程中仿真已成为设计手段。
但相较欧美，国内系统仿真差距主要表现有:a)尚未形成支撑飞机系统方案、研发、试验、评估的全流程验证能力；b)尚未形成飞机级、大系统仿真验证能力，尚未形成主辅机厂所间协作关系，复杂系统仿真的组织经验、技术经验不足；c)单位间、专业间系统仿真的平台不协调，数据缺乏统一管理。
2.系统级仿真的工程需求
站在飞机级的角度，系统级仿真主要有以下工程需求:
a)设计需求：从方案阶段开始即必须将整个液压、航电、机电等各系统甚至全机系统进行综合权衡、优化、指标与参数匹配，确认系统方案对飞机要求的满足；基于模型开展精益设计和充分验证，在系统和产品满足技术要求的前提下，减少“过设计”；飞机研制各阶段都需要对方案、设计实现快速迭代验证，以期尽早发现设计缺陷，提高设计质量，避免将设计缺陷带至生产、试飞环节。
b)试验需求：采用系统仿真技术，可对物理试验形成有效补充：可提前对试验方案进行仿真、分析、评估，指导物理试验，减少物理试验次数；可对系统开展故障注入验证、分析、评估，可对一些具有破坏性质的试验进行摸底、指导，提高这些试验的一次成功率。
c)知识管理需求：通过系统/设备建模，可将工程设计数据、试验数据以模型的方式进行信息封装管理，实现知识的传承、复用和共享，发掘数据的更大价值。
d)工程相关方沟通语言：就系统设计而言，系统仿真是一种系统工程“语言”，它具有清晰、简洁、精确、可追溯、可视化等特点。飞机全寿命周期中，项目相关方可能有:用户方、设计方、制造方、设备供应商等。这些相关方会根据项目寿命周期阶段的进展参加到项目中。各相关方必然要就项目需求、定义边界、方案选择、关键技术、功能性能、风险控制、使用保障等系列内容进行沟通交流。使用仿真技术，可使沟通交流减少歧义。
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3.基于模型的航空机电系统研发
3.1 航空机电系统仿真平台构建
关于飞机机电系统仿真平台，国际、国内目前尚无公认的、系统性的平台或范例可循，因此，构建该平台权衡了以下影响因素:a)机电系统是由多专业、多领域构成的，平台必须支持多专业领域的联合仿真、分析与验证；b)平台建设需考虑工程研制各个阶段，系统仿真的工作任务划分、工作流程定义、建模仿真的规范化等；c)平台建设不仅要考虑兼容现有工具资源，还要考虑国际范围内主流仿真工具；d)平台工具的数据接口、数据管理、实时性、扩展性等；e)平台建设需要考虑型号工程中仿真团队的组织与管理。通过对影响因素分析，由型号总体设计单位建设了机电系统数学仿真平台和实时仿真平台。机电系统数学仿真平台主要由Dymola、AMESim、 Matlab、 FlowMaster、Saber等仿真软件构成。机电系统实时仿真平台主要由实时仿真机、功能板卡、实时操作系统以及模型开发环境等构成。
3.2基于模型的航空机电系统研发流程
传统的飞机机电系统研发流程，是一个单“V”的设计、验证过程。即系统方案设计、系统详细初步设计、系统详细设计，然后系统/设备物理实现，再后开展系统C型件、S型件的试验验证、分系统集成测试、系统集成测试，通过这些测试对设备、分系统、系统的设计、功能、性能进行确认。
参考系统工程相关理论，基于机电系统数学仿真平台和实时仿真平台，在国内工程领域将飞机机电系统研发流程扩展为“双V”的设计、验证流程，既原单“V”过程的每一步都并行仿真平台的验证及反馈：
a)方案论证、设计阶段，进行机电系统需求分析，提出系统设计技术要求。然后，基于机电系统数学仿真平台，开展系统架构级建模、仿真。该仿真为机电多专业、多领域联合仿真，对系统功能定义、指标分配、能量传递、信息交联等进行仿真，进行机电系统综合效益评估。
b)详细初步设计阶段，基于机电系统数学仿真平台，开展系统功能级建模、仿真。该仿真仍为机电多专业、多领域联合仿真，不仅对系统指标分配、能量传递、信息交联进行考核，而且考核系统功能、稳态特性。
c)详细设计阶段,基于机电系统数学仿真平台,开展各机电子系统性能级建模、仿真,如液压、燃油、环控、电气等子系统,该仿真为各技术领域仿真,考核各子系统功能、性能、稳态特性、暂态特性等。
d)系统研发进入样机试制、试验阶段后,基于机电系统实时仿真平台,采用硬件在环仿真技术,对机电系统控制管理构型、数据参数传递、接口控制、总线网络、容错重构、机载设备C/S型件等进行实时半物理仿真考核。
3.3工程实践与效益
在某型号的方案设计阶段,采用机电系统数学仿真平台,以机电能量综合为核心,建立了液压、起落架、燃油、环控、电气、液冷、防冰、动力装置、飞控、航电等系统架构级模型,在各飞行阶段、不同飞行环境下,对飞机各系统的功能定义、指标分配、能量传递、信息交联、功能模块划分等进行了考核验证。该工作为系统方案优化提供了数据支撑,对系统方案满足总体需求情况进行了确认,对成品接口定义、指标分配等均提供了量化支持。
在另一型号样机试制、试验阶段,采用机电系统实时仿真平台，以机电控制综合为核心，开发了机电控制管理应用层软件,建立了机电系统激励、测试模型，完成了机电控制管理半物理仿真试验，完成了机电控制管理系统与飞控系统、航电系统联试试验。基于机电系统实时仿真平台开发的机电控制管理代码，经数字实时仿真测试到机载设备灌装测试，代码移植复用率超过70%，效率提高明显；减少了试验对专用测试激励环境的依赖,加快了系统研发进度，节省了研发成本；基于系统模型,可模拟系统工作环境,开展系统正常与故障工况测试，系统测试更为充分，提高了整机的设计质量。
论文作者:秦明
论文发表刊物:《科技研究》2019年4期
论文发表时间:2019/6/18
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