1.概述

飛行器由動力系統、導航系統、機體、舵機伺服系統和推進系統等組成，不僅在整機級，即使在子系統級都涉及到多學科的交叉耦合，涉及到多個領域，在飛行器的研制過程中，不僅要分析不同子系統的設計性能，而且需要分析各子系統在整機級別的性能。

使用不同的專業領域模型，可以在同一個Simcenter Amesim軟件平臺下運行計算，其耦合特性較好，界面易讀，結果形象直觀，便于分析。面對航空航天多領域復雜系統，目前市面上能做到多系統耦合的軟件并不多，Simcenter Amesim是比較經典的多領域系統開發仿真分析平臺，針對汽車行業、航天航空、工程機械、兵器行業等都有著較為廣發的應用，其大量的數據庫模型都是通過試驗驗證的，并得到客戶的一致好評。

2.Simcenter Amesim系統仿真與驗證方案

2.1 總體設計與仿真

從設計仿真角度上來說，飛行器總體設計分為兩個大的過程：

• 設計過程：以飛行剖面為核心的總體設計過程，主要關注總體概念參數（直徑、長度、幾級等）、氣動布局的定義、飛行器在不同階段的姿態定義（姿態角、攻角）、軌跡計算等過程

• 驗證過程：軌跡、氣動、控制、動力學、發動機等專業或分系統集成在一起，對設計過程產生的總體設計方案、設計參數進行驗證。

下面進行說明：

總體設計過程主要針對幾何、氣動、推進、飛行剖面、熱、結構、穩定性與控制和費用指標等來展開設計過程，主要依靠工程計算程序來實現，有一定的流程及程序間先用的調用順序可以遵循，通過總體設計流程建設，定義、規劃流程動作，定義流程動作的輸入、輸出，定義、規劃數據模型，定義流程中的數據模型，實現分析流程的標準化、規范化和自動化，提高數據流的管理效率。

通過該設計過程，對不同方案進行設計權衡，得到總體設計結果，總體設計過程主要是依賴基于經驗公式的工程計算來進行開展，得到一系列總體參數。

依據軌跡計算結果，建立系統級總體仿真模型，根據目標軌跡與實際軌跡的相對位置設計導引律，從導引律求出理論飛行狀態，理論飛行姿態與瞬時姿態比較得出差值，把差值送到設計的姿態控制律，得到理論舵角，理論舵角與實際舵角的差值送到執行機構，控制執行機構動作。

執行機構動作控制舵面改變飛行姿態，通過姿態動力學方程可以得出姿態角速度變化信息，姿態角速度變化信息可以通過飛行器受力和力矩變化，進而通過機體質心動力學和運動學求出質心變化，再與目標軌跡比較，形成一個閉環。

圖 1 基于Amesim的 飛行器 系統仿真 模型構成

2.2 飛行剖面與大氣環境

根據前期的軌跡計算結果，利用飛行剖面定義模塊，用戶可以與大氣參數模塊相結合，實現不同工況條件下大氣環境參數與飛行器模型的交互，從而分析不同環境下飛行的性能。

圖2 飛行剖面配置模塊

Simcenter Amesim航空航天庫提供了多種大氣環境模型且應用靈活，包含國際標準大氣ISA-1976、美國標準大氣NASA-TM-X-74335、國際民用飛行器組織ICAO的大氣標準，還可以分析溫帶、寒帶、熱帶以及極地環境的大氣條件，可以計算出不同高度的大氣壓力、溫度、密度、聲速、粘度以及熱導率等大氣屬性。同時模型還可以通過表格形式，支持用戶自己的實測大氣數據，方便用戶自定義使用。

圖3 航空航天庫中大氣環境模型、與飛行剖面定義

下面是不同大氣模型下，溫度、壓強、空氣密度、聲速與海拔高度的應對關系。

圖4 溫度、壓強、空氣密度、聲速隨高度的變化

2.3 慣導與導航計算

慣導系統的仿真過程中，加速度計、陀螺儀，濾波算法、姿態算法和導航控制算法建模等可以采用Simcenter Amesim信號與控制庫中的模塊進行搭建，信號與控制具有連續或離散傳遞函數、信號、數學函數等控制系統建模所需要的元件模型，基于該庫可以對各類控制系統和控制算法進行建模。另一種方式是可以通過Matlab/Simulink對算法和控制律進行建模，通過Simcenter Amesim與Simulink的無縫接口，可以將Simulink模型集成到Simcenter Amesim中。    

圖5信號與控制庫元件模型                圖6 陀螺儀/加速度計/GPS等傳感器

以三軸陀螺穩定平臺的慣航系統為例，陀螺和加速度計被直接固聯在平臺上，直接測量運載體的角運動和線運動，將慣性敏感器輸出的量測信息經誤差補償后直接送至導航計算機中進行實時的姿態矩陣的計算，通過姿態矩陣把慣性導航系統中加速度計測量的沿運載體坐標系的比力信息，轉換到導航坐標系中，并求解出運載體的加速度的大小，然后積分得到運載體的速度，速度再積分得到運載體的位置，并從姿態矩陣的有關元素中提取運載體姿態角。

圖7 導航計算

在測量裝置和控制算法建模時，可以施加必要的擾動和噪聲模型，并考慮初始對準和初始姿態的影響。由于各類靜、動態誤差和噪聲的存在，在慣性導航計算中，一般通過姿態算法和濾波算法來減小誤差的影響，提高控制精度。由于姿態算法和濾波算法對于慣性導航系統的精度至關重要，因此國內外研究者先后發展了多種算法，如基于標準Kalman濾波發展起來的偏差分離濾波方法、自適應濾波、H∞濾波方法和魯棒Kalman濾波方法等。

對于這些姿態算法、濾波算法和控制算法，可以基于Simcenter Amesim的信號控制庫或Matlab/Simulink的控制工具箱結合S函數進行建模。對于新型Kalman濾波、自適應控制、模糊控制等現代控制方法，可基于Matlab/Simulink的專用工具箱建模，Simcenter Amesim具備與Matlab/Simulink的集成接口，可以通過多種方式與Simulink控制模型實現集成。

2.4 電動舵機系統仿真

舵機閉環系統中的機電伺服系統模型可以通過Simcenter Amesim電子基礎庫、電力電子庫、電機驅動庫以及電池庫完成建模。

電動舵機（EMA），其構成包括傳感器、控制器、直流有刷及無刷電機、減速齒輪系統和機械傳動裝置。由電動舵機系統的主要構成可見，完整的舵機系統是多學科機電閉環耦合系統，涉及電、磁、傳動、機械、熱等，同時包含復雜的控制算法。

圖8 電動舵機模型

下面是分別采用永磁同步電機和直流無刷電機搭建位置伺服系統

圖9 永磁同步電機位置伺服

圖10 直流無刷電機的舵面伺服系統

2.5 推進系統仿真

Simcenter Amesim提供熱液壓庫、熱氣動庫，航空航天庫、燃油庫、火箭發動機庫、兩相流庫、熱庫等，可以幫助用戶搭建推進系統模型，實現分析和重現發動機的動態和靜態特性，指導優化設計。

以液體火箭發動機為例，實際上是一個由管路將一些典型元部件連接起來的熱動力流體網絡系統。該模型可以幫助分析、理解和重現發動機的靜態/動態特性，計算發動機的主要狀態參數，包括燃燒室壓強、混合比、回路中的流體狀態、流量、渦輪泵轉速等，同時可以設計控制系統。

圖11 液體火箭發動機模型

2.6 空氣動力學與飛行姿態仿真

通過Simcenter Amesim中提供的空氣動力學模型以及機體模型，可以計算飛行器在任意時刻的飛行姿態，從而給慣導或G PS 提供傳感器數據。空氣動力學模塊用來計算大氣作用下產生的氣動力和力矩。機體可等效為六自由度剛體，其受到的外力來源于兩方面：發動機推進力、氣動力和摩擦力。機體質量和沿各軸的轉動慣量可視為常數，機體模型在接收氣動力輸入，計算輸出機體在大地坐標系下的三軸加速度、速度和位移，以及機體坐標系下的三軸角加速度和角速度。

 

            圖12 空氣動力學模型                          圖13 氣動力和力矩計算公式

3.總結

綜上所述，采用Simcenter Amesim搭建的飛行器系統級仿真模型，能夠幫助用戶快速實現從整機級，到慣導系統、飛控系統、舵機系統、推進系統以及空氣動力學各專業仿真。Simcenter Amesim作為西門子工業軟件旗下的系統級設計仿真工具平臺，是構成基于模型的系統工程中的最重要環節之一——基于模型的系統定義、設計以及驗證。在需求端，采用Simcenter Amesim進行系統開發，可以承接由邏輯架構定義、需求分解所產生的系統以及分系統指標驗證工作；在設計端，通過Simcenter Amesim的多物理耦合仿真，能夠集成各專業學科的CAE仿真分析結果，通過采用聯合仿真或參數導入等方式與各專業的三維CAE工具間的數據交互，完成系統或分系統在全工況下的動態驗證。橫向上，采用Simcenter Amesim構成的系統仿真平臺，可以與研發管理平臺Teamcenter之間實現無縫數據銜接，從而完成從需求到設計再到驗證整個過程中，任意數據的雙向追溯。

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本文來自：Simcenter 1D 系統仿真