基于MWorks与FlightGear的飞行仿真

肖文 韩铠轩 陈航

摘   要：民航飞机系统的建模仿真是对完整飞机系统、飞行控制原理的深化理解与应用。本文通过运用非因果建模仿真软件Mworks，以Modelica语言为基础，搭建了民航飞机系统模型，将民机整机系统分为了飞行控制系统、液压系统、环境控制系统和飞机发动机系统四大部分，并通过MWorks的外部导出端口驱动FlightGear对飞机系统进行了实时可视化仿真，有利于通过改变飞机系统部分参数，实现了对飞机的故障仿真与安全分析。仿真结果证明，MWorks建立的民航飞机系统完整，三维可视化效果逼真直观。

关键词：MWorks  飞行仿真  FlightGear  系统建模  三维可视化

中图分类号：V248.2                                文献标识码：A                        文章編号：1674-098X（2020）05（a）-0007-04

Abstract： The construction and imitation of civil aviation aircraft system is a deepening understanding and application of complete aircraft system and flight control principle. The civil aviation aircraft system model is built by using the non-causality modeling and simulation software MWorks， based on Modelica language. the whole system is divided into four parts： flight control system， hydraulic system， environmental control system and aircraft engine system. The real-time visual simulation of the aircraft system is carried out by driving FlightGear through the external export port of MWorks， which is beneficial to change some parameters of the aircraft system. The fault simulation and safety analysis of aircraft are realized. The simulation results show that the civil aviation aircraft system established by MWorks is complete and the 3D visualization effect is realistic and intuitionistic.

Key Words： MWorks; Flight Simulation; FlightGear; System Modeling; Three-Dimensional Visualization

由于现代社会工业生产和科学的迅猛发展，现在生产出来的机械电子产品越来越精密，大部分是机械、电气、液体、控制等不同领域的各种系统的组合[1]。现代复杂机电产品也越来越多地呈现出多域耦合、连续离散域交叉的特点。另外，以机械系统为典型的连续域和以电子控制系统为典型的离散域的混合现象也出现在工业产品建模与仿真过程中。而在大多数的建模过程中，传统的建模仿真软件只是对这些仅仅一方面领域仿真工具的一种简单集成，大多数是仅在其中一方面的建模仿真软件，像机械系统仿真、电力系统仿真这些大多数仿真工具，在仿真过程中并不能满足混合系统分析和多领域耦合设计的要求，而且在对混合系统进行整体化分析的时候也很可能会遇到困难[2]。

正是由于这种情况，才促进了一种新的建模语言的发展，欧美工程界、研究机构、大学以及软件公司在20世纪90年代提出了多领域物理统一建模理论，对于复杂系统建模语言Modelica的研究有了巨大的推动作用[3]。目前Modelica语言发展迅速，以它为主而开发的物理模型的数量更是迅速增加，在很多方面均有应用，如机械、液压、电力系统等领域[4]，此外，还应用于汽车、能源、航空、航天等各行业[5-7]。由此，就产生了多领域建模与仿真软件，如以Modelica语言为基础的多领域建模与仿真分析平台MWorks[8]。

到现在为止，许多国内和海外航空公司和科研机构均在建设飞机可视化仿真实验室上获得了成果，对飞机的设计、运营和飞行员训练有着重要的帮助作用。其中，一款在国际上非常出名的模拟飞行软件Flightgear非常受一些飞行爱好者和专业人士的欢迎，因为Flightgear不仅能实现非常逼真的飞行仿真过程，能够满足许多模拟飞行爱好者的需求，还拥有开放的程序框架和可编辑的外部数据输入和输出接口，这些让专业人士也可以进行飞行仿真模拟[9]。

Illinois大学将其用于飞行结冰过程的仿真可视化平台开发[10];Wales大学则在飞控系统仿真中，利用Flightgear引擎实现了可视化仿真环境[11]。

同时，国内各高校一些自动控制、探测与制导及机械自动化等专业利用Flightgear软件在开展飞控系统教学和实验上取得了显著进步，并且据此创建了可视化飞行仿真与设计实验教学平台。学校运用该教学平台，能够让学生更直观地了解在飞控系统等课程中学习到的知识和方法，根据可视化飞行器控制器设计实验再利用开放实验系统[12]，让学生们自主进行设计控制器，学会运用所学知识来进行设计实际的飞控系统。

1  基于MWorks的飞机系统建模

本文利用多领域以Modelica语言为基础的建模仿真软件MWorks创建了相对完备的民航飞机系统仿真模型，并将民航飞机系统分成四大主要部分：飞控系统、环控系统、液压系统和飞机发动机系统。

1.1 飞行控制系统

飞行控制系统是指在运行过程中，运用自动操纵系统，控制飞机的飞行姿态、运动参数等进行实时变化的系统。本文通过将飞行参数总线、轮速、操纵指令总线输入飞行控制系统模型，飞行控制系统模型通过监控表决器与外置监控器，输出方向舵结构限制指令、有效校正空速、有效机轮轮载等参数，传递作动器位置反馈信号、操纵装置角度、增益指令等反馈信号，对飞机机翼、尾翼等部件进行控制。

1.2 液压系统

液压系统是指飞机上以液压为原动力，驱动指定液压元件执行一系列操纵控制的整套系统。本文通过将飞机状态信号、液压泵源控制开关信号输入综合管理控制器，控制液压能源系统工作的同时测得液压并形成液压系统状态信号，对综合管理控制器的控制信号进行反馈控制。

1.3 环境控制系统

飞机的環境控制系统利用向发动机引气，操纵机舱内的湿度、温度等参数的变化，为机载设备、机上全部人员提供适宜的环境条件。本文通过将左发引气温度、左发引气压力、右发引气温度和右发引气压力输入综合空气系统控制器，控制换热器进行热量交换，同时出口温度、出口流量与出口压力等信号输入温度控制阀和流量控制阀，对综合空气系统控制器的控制信号进行反馈控制。

1.4 飞机发动机系统

发动机系统是飞机的“心脏”。本文通过向飞机发动机系统输入反推开关信号、油门杆角度、飞行高度、飞行马赫数等参数，操纵发动机工作，同时输出低压转子转速百分比、高压转子转速百分比、推力、低压转子转速、高压转子转速、高压涡轮排气温度、飞机引气流量、飞机引气压力、飞机引气温度，对飞机发动机系统进行反馈控制。

2  基于FlightGear的飞机系统仿真

本文利用FlightGear模拟飞行项目，在建模软件MWorks里创建对应的外部接口部件，控制采样时间为0.01秒，指定飞机的姿态角、位置、飞控操纵面偏度、起落架位置（前、左、右）及前轮转角和发动机N1转速百分比（左、右），将搭建完成的民航飞机系统与MWorks中的FlightGear模块及对应的端口连接，进行对完整民航飞机系统的联合仿真。

通过驱动FlightGear可视化引擎监测民用航空器各系统的状态，使飞机运行状态实时复现，并同时进行飞机飞行过程中飞行姿态、气候条件和外部环境的同步三维复现。

3  结语

民航飞机系统的建模仿真是对完整飞机系统、飞行控制原理的深化理解与应用。本文利用多领域以Modelica语言为基础的建模仿真软件MWorks，建立了民航飞机系统模型，将整机系统分为飞行控制系统、液压系统、环境控制系统和飞机发动机系统四大部分，并通过MWorks的外部端口驱动FlightGear对飞机系统进行实时可视化仿真，有利于通过改变飞机系统部分参数，实现对飞机的故障仿真与安全分析。同时，采用将特定航班飞行数据导入飞机系统模型的方式，并通过FlightGear进行仿真，有利于直观分析指定飞机典型系统工作状态，提高分析效率与可视化效果。

参考文献

[1] 陈晓波，熊光楞，柴旭东.仿真在复杂产品设计中的应用及面临的挑战[J].系统仿真学报，2002（8）：1034-1039.

[2] XIONG Guangleng， CHEN Xiaobo， GUO Bin. Co一Simulation Technology for Complex Product Design. System Modeling & Simulation， 2002， 1（1）：75-84.

[3] Peter Fritzson， Vadim Engelson. Modelica - A Unified Object-Oriented Language for System Modeling and Simulation. in： Proceedings of ECOOP'98（the 12th Eu-ropean Conference on Object-Oriented Programming）. Brussels. Jul. 20-24，1998：67-90.

[4] Modelica Association. http：//www.modelica.org.

[5] Dynasim AB. http： //www.Dynasim.se.

[6] Elmqvist H， Mattsson S E， Otter M. Modelica-The new object-oriented modeling language. Proceedings of the 12th European Simulation Multi-conference （ESM'98）.

[7] The Society for Computer Simulation （SCS）， Manches-ter， UK， June， 1998.

[8] 王岳.多领域建模仿真平台MWorks的外接工具集成研究[D].华中科技大学，2009.

[9] 黄华，徐幼平，邓志武.基于Flightgear模拟器的实时可视化飞行仿真系统[J].系统仿真学报，2007（19）：72-74.

[10]Michael B Bragg， Tamer Basar. Smart Icing Systems for Aircraft Icing Safety [C]// 40th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit， Reno， USA， 2002. USA： AIAA， 2002.

[11]Shaw A.， Barnes D P， Summers P. Landmark Recognition for Localisation and Navigation of Aerial Vehicles [C]// 7th ESA Workshop on Advanced Space Technologies for Robotics and Automation， Netherlands， 2002. Netherlands： ESA， 2002.

[12]杨姗姗，王彪.基于FlightGear的三维可视化飞行控制仿真实验平台的设计[J].实验室研究与探索，2017，36（1）：113-117.