航空液壓系統(tǒng)配電仿真分析

陳 垚

（1.西北工業(yè)大學 機電學院，陜西西安 710072；2.商洛學院 電子信息與電氣工程學院，陜西商洛 726000）

隨著航空科學技術(shù)的迅速發(fā)展，各種先進的設備大幅度增加，其用電量也大大提高。航空電源系統(tǒng)工作的可靠性、安全性等性能方面，也得到人們越來越多的關注。在系統(tǒng)的各種負載中，液壓系統(tǒng)作為航空電網(wǎng)的大功率負載之一，其各項指標的變化對整個電網(wǎng)的影響比較顯著[1]。目前，航空電源系統(tǒng)的性能檢測主要還是采用地面建立總體配電網(wǎng)絡，再通過人工測試的方法進行檢測，往往需要耗費大量的人力、物力和時間。對于工作過程復雜的系統(tǒng),用軟件通過不同工作狀態(tài)進行仿真，可以降低試驗成本[2-5]?；谝陨显颍疚牟捎脝卧O備實驗測檢與系統(tǒng)配電仿真相結(jié)合的方式，對液壓系統(tǒng)驅(qū)動影響電源系統(tǒng)進行了仿真分析，對飛機液壓系統(tǒng)的設計選擇具有一定指導意義。

飛機飛行過程中，電源給直流電機供電，直流電機將電能轉(zhuǎn)化為機械能（轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速）輸入給油泵，油泵將機械能轉(zhuǎn)化為液壓能，驅(qū)動液壓系統(tǒng)正常工作。飛機正常運行時，其工作框圖如

1 液壓系統(tǒng)簡介

圖1所示。

圖1 液壓系統(tǒng)方框圖

考慮到建模仿真的對象是液壓動力系統(tǒng)參數(shù)變化對電網(wǎng)的影響，也就是液壓能變化對電能變化的影響，所以仿真模型的輸入為油泵參數(shù)的變化，輸出為電機軸功率。仿真系統(tǒng)方框圖如圖2所示。

圖2 液壓系統(tǒng)仿真方框圖

2 數(shù)學模型的建立

2.1 油泵部分模型的建立

傳統(tǒng)建模方法，系統(tǒng)輸入功率表示為輸出流量和壓力的乘積，即軸功率

式中：

Pa—電機的軸功率；

Pe—電機的有效功率；

He—考慮各種損失后泵的實際壓頭；

qv—考慮各種損失后泵的實際流量；

η—油泵的總效率；

ρ—液體密度；

上式中，壓頭He雖有理論推導，但均基于諸多粗略假設，難以實際測量。

本文用實驗測試曲線創(chuàng)建油泵的數(shù)學模型，以提高模型的準確性。對于部分難以確定的參數(shù)，用生產(chǎn)商提供的油泵實際曲線建立關系對應表，仿真時根據(jù)不同的輸入，即可查得相應的輸出。在建立模型時，考慮到建模的目的，只需要得到連接油泵輸入和輸出功率的關系即可。具體的建模過程為：由式(1)知，軸功率Pa隨流量qv而變，它們之間的關系可用油泵的特性曲線或工作性能曲線表示。在實際應用中，由于油泵電樞電流Ia相對軸功率Pa更容易測量，而且Ia與軸功率Pa基本上成正比變化，所以，通過電樞電流Ia與效率η曲線關系的方法很容易得到Ia→qv的關系曲線。實驗得到Ia→η曲線關系，如圖3所示，從該圖中可建立相應的關系表，見表1所示。利用查表的方法可以直接查得輸入流量對應前端直流電機的電樞電流。至此，即完成了油泵的仿真模型建立。

圖3 油泵的工作特性

表1 油泵的工作特性表

2.2 油泵電機部分模型

對于油泵模型的輸出，即為電機模型的輸入。同樣，可以根據(jù)直流電動機的特性曲線，運用ηD=f(Ia)的關系，得到電動機的工作效率，則電動機的輸出電功率為P1=P2/ηD。

整個系統(tǒng)的數(shù)學模型為：由油泵的輸入流量qv，可通過其特性曲線得到直流電機的電樞電流Ia，而直流電機的軸功率與電樞電流Ia基本上成正比變化，設KD為比例常數(shù)，即P2=KDIa。因為使用小擾動法（即微增量法）對電機負載進行分析，因此可以將電機等效為一個阻抗，表示為RM，這樣電機對電網(wǎng)的影響，可以考慮為電阻變化對電網(wǎng)的等效影響，最后輸出參數(shù)為

Ia—直流電機的電樞電流；ηD—直流電機的總效率；P2—直流電機的軸功率；KD—直流電機的軸功率與電樞電流的比例常數(shù)；RM—直流電機的等效電阻；U—直流電機的端電壓。

式中KD由電機本身特性決定，為定值，可查產(chǎn)品手冊得到；電壓U與電流Ia均可測得，但效率ηD無法直接得到。與油泵類似，電機也可以通過系統(tǒng)辨識或者實驗測試的方法得到電樞電流Ia與效率η曲線關系。本文根據(jù)Ia→η曲線查得了相應的數(shù)據(jù)表，見表2所示，完成了油泵電機的仿真模型建立。

表2 直流電動機的工作特性

2.3 液壓系統(tǒng)驅(qū)動模型

各子系統(tǒng)的數(shù)學模型上文已經(jīng)敘述，只需將各子系統(tǒng)按照相應的輸入輸出關系連接在一起，即可構(gòu)成的系統(tǒng)的數(shù)學模型。整個模型框圖見圖4所示。

圖4 液壓系統(tǒng)方框圖

3 模型仿真

3.1 SIMULINK仿真模型建立

用二維空間查表的模塊，結(jié)合延遲模塊，來進行油泵和油泵電機特性曲線建模的實現(xiàn)。查表模塊在輸入變化的時候，自動輸出對應的輸出，來模擬油泵和電機的變化量，而延遲模塊輸入電機和油泵的相應時間，來模擬油泵和電機的穩(wěn)定過程。最后通過數(shù)學模塊的搭建來計算等效電阻，并輸出。液壓系統(tǒng)SIMULINK模型見圖5。

圖5 液壓系統(tǒng)SIMULINK模型

3.2 SIMULINK仿真結(jié)果

液壓系統(tǒng)模塊連接一個內(nèi)阻為0.05 Ω，電壓為28.5 V的電池來進行分析。為了檢驗模型，流量由8000在仿真第3 s時突增到13000，圖6（橫坐標表示時間，單位：s，縱坐標表示電壓，單位：V）表示油泵端電壓的變化。由圖6可以知道油泵流量突卸，油泵電機扭矩增大，從而引起軸功率增大，即電樞電流（也是總回路電流）增大，電池內(nèi)阻固定，故油泵端電壓先降低；電機電壓改變，線圈會產(chǎn)生反向電動勢，同時為了達到穩(wěn)定，電壓持續(xù)降低，當軸功率與油泵輸入功率平衡時，點數(shù)電流不再變化，而反向電動勢逐漸消失，故端電壓會上升直到最后的平衡。

仿真曲線由于步長等原因為階梯狀，現(xiàn)實曲線為連續(xù)光滑曲線，但是變化過程大致相同，穩(wěn)定后的結(jié)果也在設定誤差范圍內(nèi)。用特性曲線查表法相對用傳統(tǒng)數(shù)學模型的方法，同樣的仿真速度提高了，模型也簡化了。電機接穩(wěn)壓電源，同時串聯(lián)一個電阻來等效仿真實際情況，可得實驗曲線如圖7（橫坐標表示時間，單位：s，縱坐標表示電壓，單位：V）所示，結(jié)果符合實際情況。

圖6 仿真結(jié)果曲線圖

4 實驗和驗證

圖7 實驗結(jié)果曲線圖

目前，航空電源系統(tǒng)的性能檢測主要還是采用人工測試的方法，往往需要耗費大量的人力、物力和時間。若能對電源系統(tǒng)建立描述其特性的數(shù)學模型，并在各種工作條件下進行仿真，就可以用模型代替實際系統(tǒng)，分析其對供電電源系統(tǒng)的影響，并對電源負載變化時的各種情況進行仿真。通過仿真平臺的建立，使電氣技術(shù)人員可以在此平臺上仿真過去必須現(xiàn)場試驗的技術(shù)細節(jié)和技術(shù)更改。減少試驗成本，提高實驗效率，簡化技術(shù)修改難度。同時，通過仿真平臺對以上情況下電源系統(tǒng)的變化趨勢的分析，充分了解電源系統(tǒng)各部件工作對電源系統(tǒng)的影響。今后可以合理的制訂增減設備的方案，以預防一些事故的發(fā)生。仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)較為一致，具有一定工程應用價值。

[1]李 靖.液壓系統(tǒng)對航空電源影響的仿真分析[D].西安:西北工業(yè)大學,2007:13-15.

[2]劉云生,陳華清.艦船動力系統(tǒng)論證多學科系統(tǒng)級仿真評估框架計算機仿真[J].計算機仿真,2008,25(6):4-6.

[3]王 健,李應紅.某型航空發(fā)動機起動程序機構(gòu)數(shù)字化設計與仿真[J].計算機工程與設計,2007,28(18):4433-4437.

[4]趙立軍,姜繼海.飛機牽引驅(qū)動混合動力系統(tǒng)設計[J].機床與液壓,2009,37(12):74-76.

[5]閆群民,馬永翔,朱娟娟.基于 Saber的飛機動力系統(tǒng)仿真[J].計算機工程與設計,2012,33(1):312-316.

[6]陳仰吾.螺旋離心泵的試驗研究[J].流體機械,1997,25(2):15-18.

[7]方彥凱.離心泵性能實驗數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究[J].連云港化工高等?？茖W校學報,2001,14(4):24-26.

[8]曾俊英.航空動力裝置控制:元件部分[M].北京:航空出版社,1995:23-27.

[9]王沫然.Simulink 4建模及動態(tài)仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002:56-58.

[10]鄭智琴.Simulink電子通信仿真與應用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002:69-72.