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1、概述

飞行器由动力系统、导航系统、机体、舵机伺服系统和推进系统等组成，不仅在整机级，即使在子系统级都涉及到多学科的交叉耦合，涉及到多个领域，在飞行器的研制过程中，不仅要分析不同子系统的设计性能，而且需要分析各子系统在整机级别的性能。

使用不同的专业领域模型，可以在同一个Simcenter Amesim软件平台下运行计算，其耦合特性较好，界面易读，结果形象直观，便于分析。面对航空航天多领域复杂系统，目前市面上能做到多系统耦合的软件并不多，Simcenter Amesim是比较经典的多领域系统开发仿真分析平台，针对汽车行业、航天航空、工程机械、兵器行业等都有着较为广发的应用，其大量的数据库模型都是通过试验验证的，并得到客户的一致好评。

2.Simcenter Amesim系统仿真与验证方案

2.1 总体设计与仿真

从设计仿真角度上来说，飞行器总体设计分为两个大的过程：

• 设计过程：以飞行剖面为核心的总体设计过程，主要关注总体概念参数（直径、长度、几级等）、气动布局的定义、飞行器在不同阶段的姿态定义（姿态角、攻角）、轨迹计算等过程

• 验证过程：轨迹、气动、控制、动力学、发动机等专业或分系统集成在一起，对设计过程产生的总体设计方案、设计参数进行验证。

下面进行说明：

总体设计过程主要针对几何、气动、推进、飞行剖面、热、结构、稳定性与控制和费用指标等来展开设计过程，主要依靠工程计算程序来实现，有一定的流程及程序间先用的调用顺序可以遵循，通过总体设计流程建设，定义、规划流程动作，定义流程动作的输入、输出，定义、规划数据模型，定义流程中的数据模型，实现分析流程的标准化、规范化和自动化，提高数据流的管理效率。

通过该设计过程，对不同方案进行设计权衡，得到总体设计结果，总体设计过程主要是依赖基于经验公式的工程计算来进行开展，得到一系列总体参数。

依据轨迹计算结果，建立系统级总体仿真模型，根据目标轨迹与实际轨迹的相对位置设计导引律，从导引律求出理论飞行状态，理论飞行姿态与瞬时姿态比较得出差值，把差值送到设计的姿态控制律，得到理论舵角，理论舵角与实际舵角的差值送到执行机构，控制执行机构动作。

执行机构动作控制舵面改变飞行姿态，通过姿态动力学方程可以得出姿态角速度变化信息，姿态角速度变化信息可以通过飞行器受力和力矩变化，进而通过机体质心动力学和运动学求出质心变化，再与目标轨迹比较，形成一个闭环。

图1 基于Amesim的飞行器系统仿真模型构成

2.2 飞行剖面与大气环境

根据前期的轨迹计算结果，利用飞行剖面定义模块，用户可以与大气参数模块相结合，实现不同工况条件下大气环境参数与飞行器模型的交互，从而分析不同环境下飞行的性能。

图2 飞行剖面配置模块

Simcenter Amesim航空航天库提供了多种大气环境模型且应用灵活，包含国际标准大气ISA-1976、美国标准大气NASA-TM-X-74335、国际民用飞行器组织ICAO的大气标准，还可以分析温带、寒带、热带以及极地环境的大气条件，可以计算出不同高度的大气压力、温度、密度、声速、粘度以及热导率等大气属性。同时模型还可以通过表格形式，支持用户自己的实测大气数据，方便用户自定义使用。

图3 航空航天库中大气环境模型、与飞行剖面定义

下面是不同大气模型下，温度、压强、空气密度、声速与海拔高度的应对关系。

图4 温度、压强、空气密度、声速随高度的变化

2.3 惯导与导航计算

惯导系统的仿真过程中，加速度计、陀螺仪，滤波算法、姿态算法和导航控制算法建模等可以采用Simcenter Amesim信号与控制库中的模块进行搭建，信号与控制具有连续或离散传递函数、信号、数学函数等控制系统建模所需要的元件模型，基于该库可以对各类控制系统和控制算法进行建模。另一种方式是可以通过Matlab/Simulink对算法和控制律进行建模，通过Simcenter Amesim与Simulink的无缝接口，可以将Simulink模型集成到Simcenter Amesim中。    

图5信号与控制库元件模型                图6 陀螺仪/加速度计/GPS等传感器以三轴陀螺稳定平台的惯航系统为例，陀螺和加速度计被直接固联在平台上，直接测量运载体的角运动和线运动，将惯性敏感器输出的量测信息经误差补偿后直接送至导航计算机中进行实时的姿态矩阵的计算，通过姿态矩阵把惯性导航系统中加速度计测量的沿运载体坐标系的比力信息，转换到导航坐标系中，并求解出运载体的加速度的大小，然后积分得到运载体的速度，速度再积分得到运载体的位置，并从姿态矩阵的有关元素中提取运载体姿态角。

图7 导航计算

在测量装置和控制算法建模时，可以施加必要的扰动和噪声模型，并考虑初始对准和初始姿态的影响。由于各类静、动态误差和噪声的存在，在惯性导航计算中，一般通过姿态算法和滤波算法来减小误差的影响，提高控制精度。由于姿态算法和滤波算法对于惯性导航系统的精度至关重要，因此国内外研究者先后发展了多种算法，如基于标准Kalman滤波发展起来的偏差分离滤波方法、自适应滤波、H∞滤波方法和鲁棒Kalman滤波方法等。

对于这些姿态算法、滤波算法和控制算法，可以基于Simcenter Amesim的信号控制库或Matlab/Simulink的控制工具箱结合S函数进行建模。对于新型Kalman滤波、自适应控制、模糊控制等现代控制方法，可基于Matlab/Simulink的专用工具箱建模，Simcenter Amesim具备与Matlab/Simulink的集成接口，可以通过多种方式与Simulink控制模型实现集成。

2.4 电动舵机系统仿真

舵机闭环系统中的机电伺服系统模型可以通过Simcenter Amesim电子基础库、电力电子库、电机驱动库以及电池库完成建模。

电动舵机（EMA），其构成包括传感器、控制器、直流有刷及无刷电机、减速齿轮系统和机械传动装置。由电动舵机系统的主要构成可见，完整的舵机系统是多学科机电闭环耦合系统，涉及电、磁、传动、机械、热等，同时包含复杂的控制算法。

图8 电动舵机模型

下面是分别采用永磁同步电机和直流无刷电机搭建位置伺服系统

图9 永磁同步电机位置伺服

图10 直流无刷电机的舵面伺服系统

2.5 推进系统仿真

Simcenter Amesim提供热液压库、热气动库，航空航天库、燃油库、火箭发动机库、两相流库、热库等，可以帮助用户搭建推进系统模型，实现分析和重现发动机的动态和静态特性，指导优化设计。

以液体火箭发动机为例，实际上是一个由管路将一些典型元部件连接起来的热动力流体网络系统。该模型可以帮助分析、理解和重现发动机的静态/动态特性，计算发动机的主要状态参数，包括燃烧室压强、混合比、回路中的流体状态、流量、涡轮泵转速等，同时可以设计控制系统。

图11 液体火箭发动机模型

2.6 空气动力学与飞行姿态仿真

通过Simcenter Amesim中提供的空气动力学模型以及机体模型，可以计算飞行器在任意时刻的飞行姿态，从而给惯导或GPS提供传感器数据。空气动力学模块用来计算大气作用下产生的气动力和力矩。机体可等效为六自由度刚体，其受到的外力来源于两方面：发动机推进力、气动力和摩擦力。机体质量和沿各轴的转动惯量可视为常数，机体模型在接收气动力输入，计算输出机体在大地坐标系下的三轴加速度、速度和位移，以及机体坐标系下的三轴角加速度和角速度。

 

图12 空气动力学模型                              图13 气动力和力矩计算公式

3.总结

综上所述，采用Simcenter Amesim搭建的飞行器系统级仿真模型，能够帮助用户快速实现从整机级，到惯导系统、飞控系统、舵机系统、推进系统以及空气动力学各专业仿真。Simcenter Amesim作为西门子工业软件旗下的系统级设计仿真工具平台，是构成基于模型的系统工程中的最重要环节之一——基于模型的系统定义、设计以及验证。在需求端，采用Simcenter Amesim进行系统开发，可以承接由逻辑架构定义、需求分解所产生的系统以及分系统指标验证工作；在设计端，通过Simcenter Amesim的多物理耦合仿真，能够集成各专业学科的CAE仿真分析结果，通过采用联合仿真或参数导入等方式与各专业的三维CAE工具间的数据交互，完成系统或分系统在全工况下的动态验证。横向上，采用Simcenter Amesim构成的系统仿真平台，可以与研发管理平台Teamcenter之间实现无缝数据衔接，从而完成从需求到设计再到验证整个过程中，任意数据的双向追溯。