基于M odelica的起落架半物理仿真設(shè)計與實現(xiàn)

董 政，張洪昌，2*，丁建完

（1.華中科技大學(xué)CAD中心，湖北武漢 430074；2.蘇州同元軟控信息技術(shù)有限公司，江蘇蘇州 215123）

基于M odelica的起落架半物理仿真設(shè)計與實現(xiàn)

董 政1，張洪昌1，2*，丁建完1

（1.華中科技大學(xué)CAD中心，湖北武漢 430074；2.蘇州同元軟控信息技術(shù)有限公司，江蘇蘇州 215123）

飛機起落架系統(tǒng)涉及機械、液壓和控制等多個領(lǐng)域，采用傳統(tǒng)的單一領(lǐng)域仿真軟件無法實現(xiàn)其系統(tǒng)級建模及半物理仿真分析。通過研究建立基于Modelica語言的起落架半物理仿真平臺，為起落架系統(tǒng)開發(fā)提供統(tǒng)一的多領(lǐng)域系統(tǒng)建模仿真環(huán)境，實現(xiàn)了起落架的系統(tǒng)級統(tǒng)一建模，并實現(xiàn)了支持Modelica模型的半物理仿真應(yīng)用，可以用來指導(dǎo)起落架的總體設(shè)計及驗證。

起落架；Modelica；多領(lǐng)域建模；半物理仿真；MWorks

1 引 言

飛機起落架系統(tǒng)是飛機在地面停放和起降滑跑時用于支持飛機重量、吸收撞擊能量的部件，作為飛機的關(guān)鍵部件之一，其工作性能直接影響到飛機起飛、著陸性能與飛行安全［1］。飛機起落架系統(tǒng)是典型的復(fù)雜機電產(chǎn)品，由液壓、機械、控制等多個領(lǐng)域子系統(tǒng)組成，從方案設(shè)計到系統(tǒng)測試的整個研發(fā)過程十分復(fù)雜。隨著仿真技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在起落架的設(shè)計開發(fā)過程中，越來越多的采用了數(shù)字仿真和半物理仿真技術(shù)［2，3］。但是，僅僅通過AMESim、Matlab／Simulink等單一領(lǐng)域的數(shù)字仿真工具，很難實現(xiàn)對起落架進行系統(tǒng)級建模仿真；并且，基于Matlab／Simulink的半物理建模工具具有很大的局限性，根本無法支持機械、液壓和控制等領(lǐng)域模型的半物理仿真應(yīng)用。

近些年來，逐漸興起的Modelica語言具有多領(lǐng)域系統(tǒng)統(tǒng)一建模特點，并且支持基于方程的非因果建模和連續(xù)－離散混合建模，以及基于可視化拖放式的層次建模，特別適于飛機起落架等復(fù)雜機電產(chǎn)品的多領(lǐng)域統(tǒng)一物理建模。但是，目前的半物理仿真主要是基于Matlab／Simulink建模工具實現(xiàn)，尚不支持基于Modelica語言的建模工具。

因此，研究建立基于Modelica的起落架半物理仿真平臺，將既能發(fā)揮Modelica多領(lǐng)域建模的優(yōu)勢，又能發(fā)揮半物理仿真的優(yōu)勢，可以為起落架設(shè)計提供新的解決方案，對起落架的正向設(shè)計與開發(fā)過程有重大的作用。

2 當前起落架模型設(shè)計方法及其局限性分析

中南大學(xué)的楊振耕通過在Matlab／Simulink中建立飛機機體、機輪、跑道、剎車裝置等數(shù)學(xué)模型，并將剎車控制盒、電液伺服閥等剎車組件接入仿真回路，為飛機剎車控制律設(shè)計提供可靠的半物理仿真測試平臺［4］。浙江大學(xué)的梁虎針對C919起落架液壓系統(tǒng)特點，分析各種飛行工況，基于非模型、固定邏輯程序，研制了邏輯測試硬件平臺，利用半物理仿真平臺驗證了綜合管理設(shè)計的合理性［5］。中南大學(xué)的張航其在Matlab／Simulink中建立飛機機體運動力學(xué)和起落架等仿真模型，在仿真回路中接入防滑剎車控制單元和液壓系統(tǒng)等實物系統(tǒng)，為機輪剎車系統(tǒng)的驗證提供了可靠的半物理仿真試驗平臺［6］。

上述對起落架的半物理仿真研究主要集中在某一特定的系統(tǒng)，雖然都取得了一定的成果，但對于由多個子系統(tǒng)耦合而成的起落架的整體設(shè)計和仿真，在Matlab／Simulink中無法完成機械、液壓和控制等多個領(lǐng)域的統(tǒng)一建模，這樣只針對某一領(lǐng)域的建模和仿真具有局限性，無法實現(xiàn)起落架的系統(tǒng)級建模，不能用來指導(dǎo)起落架的總體設(shè)計。

飛機起落架包含液壓、機械、控制等多個領(lǐng)域子系統(tǒng)，對于其進行建模、仿真和分析時，傳統(tǒng)的單一領(lǐng)域仿真軟件無法實現(xiàn)［7］，比如機械系統(tǒng)多采用Virtual.Lab Motion，氣液系統(tǒng)多采用AMESim，控制邏輯多采用Matlab／Simulink，這種方式下需要采用聯(lián)合仿真的模式，才能進行機械、液壓、控制多領(lǐng)域耦合分析，這實質(zhì)上是一種模型集成的方法，需要用到多種商用仿真軟件，并為每一種軟件配置模型接口，人為的割裂了不同領(lǐng)域子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，在飛機起落架等復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計中實現(xiàn)起來比較困難［8］。而且，上述其他軟件在半物理仿真快速原型C代碼的自動生成存在缺陷，具體表現(xiàn)在用戶配置復(fù)雜，目標機無法直接使用等問題。

3 基于M odelica的起落架模型設(shè)計方法

Modelica語言能夠用來描述機械、液壓和控制等多個領(lǐng)域的模型或組件，已有大量可復(fù)用的領(lǐng)域庫，具有面向?qū)ο笳Z言特征，允許組件復(fù)用和模型進化，上述特點特別適于航天航空領(lǐng)域中復(fù)雜機電產(chǎn)品的多領(lǐng)域統(tǒng)一建模。

飛機起落架系統(tǒng)包括液壓綜合管理、收放控制、前輪轉(zhuǎn)彎控制、剎車控制等多個功能子系統(tǒng)，整個飛機起落架系統(tǒng)就是由這幾個領(lǐng)域的多個子系統(tǒng)耦合實現(xiàn)的。因此，采用Modleica語言進行起落架系統(tǒng)建模時，在模型架構(gòu)設(shè)計方面，可以為機械，液壓和控制分別設(shè)計相應(yīng)的領(lǐng)域子系統(tǒng)模型庫，從領(lǐng)域子系統(tǒng)庫中可以選取所需組件搭建起落架的各個功能子系統(tǒng)模型，從而建立起落架仿真模型。

MWorks是基于多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語言Modelica的仿真軟件，通過對多領(lǐng)域模型的方程系統(tǒng)進行統(tǒng)一的優(yōu)化、約簡、解耦，從而支持起落架系統(tǒng)的機械、液壓、控制多領(lǐng)域耦合分析。MWorks同時支持為其所建的模型生成快速原型目標C代碼，供目標機使用?；贛odelica語言，在統(tǒng)一的MWorks平臺下為液壓起落架收放控制、轉(zhuǎn)向控制、剎車控制、液壓能源控制系統(tǒng)設(shè)計了系統(tǒng)模型庫，如圖1所示。系統(tǒng)模型庫主要由Hydraulics液壓領(lǐng)域子系統(tǒng)庫、Cybernetics控制領(lǐng)域子系統(tǒng)庫和Mechanics機械領(lǐng)域子系統(tǒng)庫三部分組成，每一個領(lǐng)域子系統(tǒng)模型庫，都包含了對應(yīng)的基礎(chǔ)元件，通過復(fù)用基礎(chǔ)元件設(shè)計了所需的子系統(tǒng)組件，進而建立子系統(tǒng)模型庫。

圖1 液壓起落架系統(tǒng)模型庫框架圖Fig.1 Frame diagram of the landing gear system

如圖2所示，液壓子系統(tǒng)庫提供起落架液壓回路主要元件組成的系統(tǒng)回路，并包括起落架鎖定與開鎖作動筒模型，用于接收控制系統(tǒng)提供的控制信號并為控制系統(tǒng)提供壓力等信息反饋。為此設(shè)計液壓子庫主要包含：起落架液壓回路元件（如換向閥、蓄能器、作動筒、油箱），各研究對象（如起落架收放系統(tǒng)）的液壓回路等模型。

控制子系統(tǒng)庫提供起落架收放的驅(qū)動信號、起落架轉(zhuǎn)向驅(qū)動信號、接收行程開關(guān)、接近開關(guān)等反饋信號和對應(yīng)的邏輯運算以及泵的啟停和流量大小控制信號等。為此設(shè)計控制子庫主要包含：起落架控制操作的機械信號模擬（收放、轉(zhuǎn)向、緊急制動），信號轉(zhuǎn)換（如機械信號到電信號），信號處理與控制算法等。機械子系統(tǒng)庫提供了前、主左、主右起落架的多體運動學(xué)和動力學(xué)模型，為液壓系統(tǒng)的提供負載，為控制系統(tǒng)提供負載力、位置等信息反饋。為此設(shè)計機械子庫主要包含：機械系統(tǒng)子模型元件（如接近開關(guān)傳感器、鎖、機輪、懸架），各研究對象（如起落架收放系統(tǒng)）的機械動力學(xué)系統(tǒng)等模型。

圖2 液壓系統(tǒng)子庫Fig.2 Hyd raulic system m odel librar

4 半物理仿真平臺構(gòu)建和實現(xiàn)過程

半物理仿真技術(shù)又稱為硬件在回路仿真，它是在對某些系統(tǒng)的研究中，把數(shù)學(xué)模型與物理模型或?qū)嵨锫?lián)接在一起進行試驗，即對系統(tǒng)的一部分建立數(shù)學(xué)模型，并編寫程序在計算機中運行，實現(xiàn)數(shù)字仿真，同時將所研究系統(tǒng)的部分實物接到仿真回路，進行聯(lián)合試驗［9］，主要用于詳細設(shè)計階段。

液壓起落架半物理仿真平臺的構(gòu)建，需要為起落架系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計統(tǒng)一的建模仿真環(huán)境。不僅要支持數(shù)字仿真技術(shù)，實現(xiàn)對起落架收放系統(tǒng)、前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)、機輪剎車系統(tǒng)、液壓綜合控制系統(tǒng)的功能仿真與驗證，為系統(tǒng)方案設(shè)計提供參考依據(jù)，針對剎車等控制系統(tǒng)的實時性要求，還要支持半物理仿真技術(shù)，實現(xiàn)對系統(tǒng)間交聯(lián)設(shè)計的仿真驗證，采用硬件測試與試驗技術(shù)，通過與真件交聯(lián)，實現(xiàn)對這些系統(tǒng)的高置信度仿真分析與試驗，使得平臺具備系統(tǒng)故障分析的能力。

基于Modelica的起落架半物理仿真平臺如圖3所示，平臺總體設(shè)計了五個子系統(tǒng)：數(shù)字仿真系統(tǒng)、綜合管理系統(tǒng)、信號模擬系統(tǒng)、仿真目標機、數(shù)據(jù)接口。子系統(tǒng)之間由LAN局域網(wǎng)和信號線、總線連接。

圖3 平臺總體框架示意圖Fig.3 Schematic diagram of the overall framework p latform

（1）數(shù)字仿真系統(tǒng)即MWorks平臺，在MWorks中開發(fā)出航空組件模型庫，完成仿真所需的數(shù)學(xué)模型的搭建，并通過RTI接口技術(shù)實現(xiàn)快速原型目標C代碼的生成。

（2）綜合管理系統(tǒng)由人機界面與目標機通訊兩部分組成，具有包括仿真工程管理、仿真配置、代碼自動下載、仿真控制、參數(shù)預(yù)置、在線調(diào)參、仿真監(jiān)視以及仿真數(shù)據(jù)的存儲和離線分析等功能。

（3）考慮到起落架系統(tǒng)為非獨立運行系統(tǒng)，與航電、飛控有信號交互，在平臺中還設(shè)計了信號模擬系統(tǒng)，用來模擬航電、飛控等系統(tǒng)提供的信號，通過顯示控件來顯示信號，通過ARINC429、AD、DA等板塊來發(fā)送接收信號，通過CSV格式文件來存儲信號，實現(xiàn)了信號模擬系統(tǒng)所需的功能。

（4）仿真目標機是液壓起落架半物理仿真平臺中進行實時運算模型代碼的計算機，其上運行實時操作系統(tǒng)VxWorks，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度滿足起落架系統(tǒng)仿真實時性的需求，是平臺的硬件核心設(shè)備，平臺設(shè)計了兩臺仿真目標機，其中一臺用于液壓系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)的一維和三維數(shù)字模型的仿真，模擬實現(xiàn)飛機環(huán)境系統(tǒng)的相關(guān)信號，另一臺用于液壓、起落架系統(tǒng)控制器（ECU）代碼的實時仿真，模擬實現(xiàn)控制器的相關(guān)信號。

（5）為了保證兩臺仿真目標機間的通訊，設(shè)計了專用的數(shù)據(jù)接口設(shè)備，包括接口連接器、機柜面板、信號調(diào)理以及其他設(shè)備（1臺16端口以太網(wǎng)交換機；1臺～220V，6kVA，UPS電源；2臺 28V，10A，DC電源）四個部分。

液壓起落架各個子系統(tǒng)模型按照主控對象（起落架控制系統(tǒng)）與被控對象（起落架機械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等）劃分為兩部分，分別運行于控制系統(tǒng)仿真目標機和液壓／機械系統(tǒng)仿真目標機，并進行實時仿真計算。兩者之間通過總線及真件交聯(lián)接口連接，并支持與用戶進行實時交互。

液壓起落架系統(tǒng)在該平臺中的半物理仿真實現(xiàn)過程如下：

（1）在數(shù)字仿真系統(tǒng)MWorks平臺上，建立基于Modelica的控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機械系統(tǒng)模型，并加入設(shè)備接口模塊；（2）通過代碼生成模塊生成目標代碼；（3）通過綜合管理系統(tǒng)下載目標代碼到仿真目標機中；（4）在仿真目標機中進行實時的半物理仿真；（5）仿真目標機通過數(shù)據(jù)接口與硬件實物交互，進一步實現(xiàn)對真實硬件的性能測試。

在整個過程中，信號模擬系統(tǒng)為仿真目標機以及儀表顯示系統(tǒng)提供模擬的航電信號，同時，儀表顯示系統(tǒng)參照真實座艙儀表面板以可視化方式顯示起落架系統(tǒng)相關(guān)的重要數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，故障模擬設(shè)備可以模擬產(chǎn)生控制系統(tǒng)與液壓／機械系統(tǒng)之間的信號連接的物理故障，以分析控制系統(tǒng)在故障產(chǎn)生情況下的控制效果。為了進一步驗證平臺的可靠性，可以進行硬件測試與試驗。硬件測試與試驗是將起落架的控制系統(tǒng)和液壓／機械系統(tǒng)兩者中的一部分以模型方式運行于仿真目標機中，另一部分則替換為實物。兩者之間采用總線以及真件交聯(lián)接口連接，連接方式與真實部件之間的連接方式相似，以實現(xiàn)驗證和檢測液壓起落架系統(tǒng)的綜合功能及系統(tǒng)在故障情況時的功能。

5 起落架半物理仿真平臺應(yīng)用驗證

支持Modelica模型的半物理仿真平臺已成功應(yīng)用到某國產(chǎn)飛機起落架設(shè)計中。以起落架收放系統(tǒng)為例對半物理仿真平臺進行說明。圖4為基于Modleica語言建立的起落架收放系統(tǒng)控制部分數(shù)字模型，圖5為基于Modleica語言建立的起落架收放系統(tǒng)機械液壓部分數(shù)字模型，通過平臺綜合管理系統(tǒng)，將由代碼生成模塊生成目標代碼下載到仿真目標機中，即可實現(xiàn)起落架收放系統(tǒng)的半物理仿真。

圖4 起落架收放系統(tǒng)控制部分數(shù)字模型Fig.4 Digitalmodel of the landing gear control system

圖5 起落架收放系統(tǒng)機械液壓部分數(shù)字模型Fig.5 Digitalmodel of the landing gear hydraulic system

通過起落架半物理仿真平臺，對起落架收放系統(tǒng)進行仿真分析。圖6為起落架正常放時起落架轉(zhuǎn)角位置和液壓系統(tǒng)流量曲線，圖7為起落架應(yīng)急放時起落架轉(zhuǎn)角位置曲線。基于該半物理仿真平臺，其仿真結(jié)果與實際物理測試結(jié)果總體上趨于吻合。

6 結(jié) 論

支持Modelica的起落架半物理仿真平臺的研究與應(yīng)用，表明其技術(shù)路線可行，結(jié)果可信度高，通過Modelica在多領(lǐng)域建模方面的優(yōu)勢以及對半物理仿真的支持，解決了由多個子系統(tǒng)耦合而成模型的半物理仿真實現(xiàn)困難的問題，實現(xiàn)了復(fù)雜模型的統(tǒng)一建模和統(tǒng)一仿真，提高了工作效率，對于飛機起落架高速、大角度轉(zhuǎn)彎等極限工況仿真和起落架收放故障無損試驗意義重大。

圖6 正常放半物理仿真曲線Fig.6 Sem i-physical simulation curve of normal landing gear extension

圖7 應(yīng)急放半物理仿真曲線Fig.7 Sem i-physical simulation curve of emergency landing gear extension

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董 政 男（1989－），江西婺源人，碩士生，主要研究方向為半物理仿真、多領(lǐng)域建模。

張洪昌 男（1980－），山東龍口人，博士，主要研究方向：多領(lǐng)域建模、半物理仿真技術(shù)與應(yīng)用。

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《系統(tǒng)仿真技術(shù)》編輯部

2015年10月15日

Hardware-in-Loop Simulation of Aircraft Landing Gear Using Modelica Language

DONG Zheng1，ZHANG Hongchang1，2，DING Jianwan1

（1.CAD Center，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2.Suzhou Tongyuan Software＆Control Technology Co.，Ltd.，Suzhou 215123，China）

Aircraft landing gear relates to themechanical，hydraulic and control fields，is unable to realize the overallmodeling，simulation and analysis by traditional single field simulation software.A hardwarein-loop simulation platform based on Modelica language，provides a uniform environment for landing gear system modeling and simulation，realize the system levelmodeling of the landing gear，can be used to guide the overall design of landing gear.

landing gear；Modelica；multi-domain modeling；hardware-in-loop；MWorks

TP 391.9

A

國家科技支撐計劃項目（No.2012BAF16G02）