飞行仿真软件系统初步研究

第１Ｏ卷笫１１期　２０１１年ｌ１月　软件导刊　ＳＯｆｔｗａｒｅ　Ｇｕｉｄｅ　Ｖｏ１．１Ｏ　ＮＯ．１１　ＮＯＶ　２Ｏ１１　飞行仿真软件系统初步研究　曲小宇　（上海飞机设计研究院飞行控制系统设计部，上海２００２３２）　摘　要：为了使工程模拟器能够尽量逼真地模拟飞机的飞行，需要建立精确的飞行仿真模型。首先对飞行仿真软件　系统进行了描述，并重点对飞行软件系统进行了分析说明，建立了飞行运动方程的数学模型，最后对飞控软件系统进　行了说明。　关键词：工程模拟器；飞行系统；飞控系统　中图分类号：ＴＰ３９１．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—７８００（２０１１）０ｌ１一Ｏ０１８—０２　０　引言　飞行仿真系统是飞机模拟器的一个纯软件仿真系统，　通过建立气动力、地面特性、起落架、质量、运动方程、大气　环境和特殊环境等数学模型实现对飞机的飞行特性、动力　图１仿真软件外部交联关系　仿真软件系统建模过程中将依据《飞行力学一概念、　量和符号坐标轴系和运动状态变量》ＧＢ／Ｔ　１４４１０．１—９３　标准中的定义确定模拟器仿真模型坐标系统的定义和各　通用符号的表示。　飞行仿真软件系统将根据飞行器的相关数据进行建　模，并使用对应的模型校验数据进行模型正确性校验，最　终利用验证数据完成整个系统逼真度的验证。　特性以及相关系统逻辑的仿真仿真。仿真软　系统中的　数学模型覆盖所模拟对象的工作过程，包括从发动机启动　之前直到发动机停车之后的所有飞机特性，包括因环境条　件变化所引起的正常延迟效应，通过接口系统驱动驾驶舱　仿真设备工作，同时也实现对系统故障进行仿真。　本文主要对飞行软件仿真系统进行研究，主要包括建　立飞行动力学方程，坐标变换，并对气动力，起落架力，发　动机拉力等作用在飞机上的力和力矩，给定大气条件、大　气扰动（含风切变）等数学模型进行计算。　２飞行软件系统　２．１系统组成　１飞行仿真系统的组成　飞行仿真软件系统按实现功能及与飞机相关系统的　对应关系主要包括以下７个子系统：飞行软件系统、飞控　软件系统、操纵软件系统、动力软件系统、电源软件系统、　燃油软件系统、液压软件系统。飞行仿真软件系统运行在　模拟器的主计算机上，由实时管理软件调度运行，对飞机　飞行软件仿真系统是飞行仿真系统中的核心子系统，　动力、飞控、液压等系统的仿真结果最终都要汇集到飞行　软件仿真系统来实现对飞机运动的控制。飞行软件仿真　系统以刚体运动方程和绕质心的转动方程为基础对飞机　在地面和空中的运动特性进行了全面的模拟。图２为飞　行软件系统信息铰链原理。　本系统主要完成如下几个模拟功能：①气动力计算：　飞机在各种飞行条件下的气动特性和操纵面力矩特性的　的相应系统和设备进行建模，并通过主计算机上的接口软　件、网络通讯程序与驾驶舱设备及其它交联系统进行数据　交互，驱动驾驶舱内的仿真设备工作。　主飞行仿真软件系统运行在工程模拟器的主控计算　机上，由实时管理软件调度运行，对飞机的相应系统和设　备进行建模，并通过主控计算机上的接口软件、网络通讯　程序与驾驶舱设备及其它交联系统进行数据交互，驱动驾　驶舱内的仿真设备工作。图１为仿真软件外部交联关系。　实时计算，随系统油耗的变化、起落架收放等对重心、质　量、惯性矩、惯性积等惯性特性实时计算，对起落架、扰流　板、襟翼等系统设备对飞机在起飞、飞行、着陆时的系统响　应进行实时仿真计算等；②飞机运动方程：飞机空中和地　面的六自由度运动方程进行计算；③地面控制特性；④大　气环境模拟：对稳定的平流、紊流和阵风等大气环境、大气　扰动（含风切变）进行实时仿真等；⑤对系统控制台设置的　作者简介：曲小宇（１９８４一），男，河南安阳人，硕士，上海飞机设计研究院飞行控制系统设计部工程师，研究方向为飞行控制。　第１１期　曲小宇：飞行仿真软件系统初步研究　・１９・　飞行参数、试验／飞行科目、故障参数的响应。　动力软件系统　３飞控软件系统　飞控软件系统以模拟飞机的多余度飞控数字计算机、　燃油软件系统　运　动　作动器电子控制装置及远程控制电子装置，以及机电、电　方　控制台　程　液伺服作动器，实现对飞机的全权限实时操纵并实现主动　压软件系统　控制以及自动飞行等功能。　在飞控软件系统中，飞行控制律软件驻留在飞控仿真　图２飞行软件系统信息铰链　２．２运动方程建模　计算机内，进行飞控系统闭环仿真。其中飞控仿真计算机　建立飞机运动方程有如下基本假设：一一一一一一　　中运行有模块化设计的主飞控模块、自动飞行控制模块、　①飞机为刚体，不考虑机翼、机身和尾翼的弹性自由　自动油门模块和作动器模块。主计算机和飞控仿真计算　度，而且质量是常数；②设地面为惯性参考系，地坐标为惯　机之间通过ＵＤＰ协议进行信息交互。飞控软件计算机可　性坐标；③忽略地面曲率，视地面为平面；④重力加速度ｇ　以只运行主飞控模块和作动器模块，进行主飞控控制律的　恒定，即不随飞行高度而变化；⑤不计飞机绕流和发动机　验证和调试，也可运行自动飞行控制模块和主飞控模块以　及作动器模块，进行自动飞行控制模块的验证和调试。　喷流的相互作用；⑥飞机几何外形对称，内部质量分布亦　对称。　飞控软件系统的软件仿真可以采用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　以英美坐标系，则飞机完整的六自由度非线性数学模　搭建控制律的模型，通过ＲＴｗ将其转换为Ｃ代码，其中　型如式（１）～（１２）所示　的控制律模态切换逻辑可以使用Ｃ代码直接编制。　ＴＤ一　㈣　∞　＋　。　一矗　（１）　４　结束语　’。。　。。　ａ—ｑ一　（２）　本文对飞机工程模拟器实时飞行仿真系统作了初步　的研究，研究了飞行软件仿真系统，通过建立动力学数学　一ｒ＋　＋ｙ＋　ｃ。ｓ０５　，ｚ　（３）　模型，使飞行仿真系统尽量还原真实飞机的操纵特性和飞　＝等　一　行性能，通过建立飞控系统模型，使驾驶员在模拟器上能　够实时地通过软件解算操纵相应的舵面，使飞机达到预定　（４）　的飞行目标。这就为飞行员在模拟器上进行逼真模拟飞　ａ一　（　ｒ２）＋Ｍｏ（５）　行训练提供了保证。　参考文献：　一　一—　＝　一一■　　一加一　ｐｑ＋Ｍｙ　［１］方振平．航空飞行器飞行动力学［Ｍ　．北京：北京航空航天大学出　（６）　版社，２００５．　一ｒｓｉｎ￣＋ｑｃｏｓ￣　（７）　［２］　ＡＬＥＸ　ＳＣＡＭＰＳ，ＰＥＴＥＲ　ＧＩＢＢＥＮＳ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａ　Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ　ａｓ　ａ　ＲｅＳｅａｒｃｈ／Ｅｄｕｃａｔｉ。ｎ　Ｔｏｏｌ［Ｃ］．　（　。ｓ￣Ｏｑｓｉ　）　（８）　ＡＩＡＡ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｅｘｈｉｂ—　ａ—Ｐ—ｔａｎＯ（ｒｃｏｓ￣一ｑｓｉｎ￣）　ｉｔ，Ａｕｓｔｉｎ，Ｔｅｘａｓ．ＵＳＡ，２００３．　（９）　［３］　王行仁．飞行实时仿真系统及其技术［Ｍ］．北京：科学出版社，　方一Ｖｓｉｎ（０～口）　（１Ｏ）　１９８５．　一一Ｖｓｉｎ（　一　）　（１１）　［４］　童中翔．飞行仿真技术的发展与展望ｒ－ｊ］．飞行力学，２００２（１０）．　２一Ｖｃ０ｓ（　——　）　（１２）　（责任编辑：余晓）　Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｕｒａｔｅ　ｆｌｉｇｈｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｂｕｉｌｔ　ｆｏｒ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｓｉｍｕｌａｔｏｒ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　Ａｉｒｃｒａｆｔ＇ｓ　ｆｌｉｇｈｔ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｆｉｄｅｌｉｔｙ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ　ｆｌｉｇｈｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ａｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌｉｇｈｔ　ｓｏｆｔ—　ｗａｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｆｏｃｕｓｅｄ　ｏｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｌｉｇｈｔ　ｍｏｔｉｏｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ．Ａｔ　ｌａｓｔ，ｔｈｅ　ｆｌｉｇｈｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅ—　ｓｃｒｉｂｅｄ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ；Ｆｌｉｇｈｔ　Ｓｙｓｔｅｍ；Ｆｌｉｇｈｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ