基于Dymola軟件及Modelica語言的飛機(jī)供電系統(tǒng)建模與仿真

李冰潔，陳兵彬，張曉斌，李偉林

(1.西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，西安 710072；2.中航工業(yè) 自控所導(dǎo)航部，西安 710065)

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基于Dymola軟件及Modelica語言的飛機(jī)供電系統(tǒng)建模與仿真

李冰潔1，陳兵彬2，張曉斌1，李偉林1

(1.西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，西安 710072；2.中航工業(yè) 自控所導(dǎo)航部，西安 710065)

飛機(jī)供電系統(tǒng)的布局設(shè)計與控制邏輯是飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，且其對系統(tǒng)的可靠性、容錯供電和余度等特性具有一定影響;對飛機(jī)電源系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模研究，在支持各種物理系統(tǒng)建模的Dymola平臺下搭建了數(shù)字仿真模型，包括交流發(fā)電機(jī)、變壓整流器、電源系統(tǒng)接觸器和過欠壓、過欠頻檢測模塊等部件模型，并利用各個部件模型搭建了供電系統(tǒng)模型，同時利用Modelica語言完成系統(tǒng)邏輯設(shè)計，對整個系統(tǒng)進(jìn)行仿真;數(shù)字仿真結(jié)果表明電源系統(tǒng)模型基本能夠完成自動配電、自動隔離故障，達(dá)到設(shè)計要求，為飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計提供了理論支持。

電源系統(tǒng)；系統(tǒng)仿真； Dymola；Modelica

0 引言

隨著航空事業(yè)的不斷發(fā)展，飛機(jī)對電源系統(tǒng)的要求也越來越高。飛機(jī)電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)影響到電源系統(tǒng)的可靠性、余度和容錯等特性。因此，電源系統(tǒng)仿真研究的開展，是飛機(jī)電源系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。電源系統(tǒng)仿真設(shè)計可以了解電源系統(tǒng)的構(gòu)型及指標(biāo)合理性、各工作狀態(tài)穩(wěn)態(tài)參數(shù)和瞬態(tài)參數(shù)、控制轉(zhuǎn)換邏輯、保護(hù)功能及子系統(tǒng)/部件匹配性，同時驗證配電網(wǎng)絡(luò)控制原理的正確性，并且為設(shè)備的選型提供可靠的依據(jù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載設(shè)備的構(gòu)成、功能也越來越復(fù)雜，各個部件間的耦合越來越緊密，在當(dāng)今機(jī)電綜合的需求下，燃油，環(huán)控，液壓及電氣系統(tǒng)之間的連系越來越復(fù)雜緊密，而在負(fù)載發(fā)生突變情況下能否快速做出反應(yīng)以保證供電質(zhì)量和可靠性能，直接影響到飛機(jī)的性能。Dymola軟件滿足適用于各種物理系統(tǒng)的建模的需求，并且Modelica語言是為解決多領(lǐng)域物理系統(tǒng)的統(tǒng)一建模與協(xié)同仿真，在歸納和統(tǒng)一先前多種建模語言的基礎(chǔ)上，選擇Dymola及Modelica語言建立飛機(jī)電源系統(tǒng)模型，有利于在電源系統(tǒng)設(shè)計初期發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化方案，需求確認(rèn)，完善電源系統(tǒng)的方案論證、設(shè)計要求和設(shè)計方案，可以為飛機(jī)電源系統(tǒng)的順利研制奠定基礎(chǔ)。

1 原理簡介及軟件介紹

1.1 系統(tǒng)仿真原理介紹

隨著現(xiàn)代飛機(jī)的應(yīng)用各種越來越廣泛，飛機(jī)對電源系統(tǒng)的要求也越來越高。首先，要求發(fā)電機(jī)有更大的容量和更高的發(fā)電效率，與之匹配的電機(jī)控制系統(tǒng)以及逆變器的要求也相應(yīng)的提高。其次，對于配電系統(tǒng)的要求也更加苛刻，要求配電系統(tǒng)能夠自動監(jiān)測電源網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)、并根據(jù)運行狀態(tài)進(jìn)行控制與保護(hù)，在正常和緊急情況下，負(fù)載應(yīng)能自動切換和恢復(fù)[1]。

飛機(jī)供電系統(tǒng)的工作狀態(tài)分為3種：正常工作狀態(tài)、非正常工作狀態(tài)和應(yīng)急工作狀態(tài)[2-3]：正常工作狀態(tài)為飛機(jī)供電系統(tǒng)在正常巡航期間，沒有故障發(fā)生的狀態(tài)；非正常工作狀態(tài)為系統(tǒng)出現(xiàn)不正?；蚬收想娐返囊环N狀態(tài)，且當(dāng)系統(tǒng)超出所設(shè)置的限制前，進(jìn)行保護(hù)裝置動作，將系統(tǒng)的故障部分切除[4]；應(yīng)急工作狀態(tài)為飛機(jī)供電系統(tǒng)中的所有供電主電源全部失效或故障時，引入一個獨立的應(yīng)急電源來向飛機(jī)供電系統(tǒng)供電，此時切除其余負(fù)載，只保證應(yīng)急負(fù)載的接入。為了保證飛機(jī)供電系統(tǒng)可靠工作，電源系統(tǒng)設(shè)計必須考慮余度供電設(shè)計，因此也構(gòu)成了余度供電體系[5]。

1.2 軟件介紹

Dymola(Dynamic Modeling Laboratory,動態(tài)模擬實驗室)由瑞典Dynasim AB公司設(shè)計開發(fā)的，是第一個支持Modelica語言(Modelica語言是為解決多領(lǐng)域物理系統(tǒng)的統(tǒng)一建模與協(xié)同仿真，在歸納和統(tǒng)一先前多種建模語言的基礎(chǔ)上，提出的一種基于方程的陳述式建模語言)的建模仿真工具，并且基于Modelica語言的建模應(yīng)用大多是采用Dymola實現(xiàn)的。Dymola適用于各種鄰域的聯(lián)合建模。且允許分層模型結(jié)構(gòu)，具有可重復(fù)使用的元件庫，連線端子和非因果組合連接模型庫。Dymola提供圖形化建模環(huán)境，支持基于圖標(biāo)的拖放式圖形建模，同時也可以應(yīng)用Modelica語言的文本建模。

Dymola具有構(gòu)建模型的強大圖形編輯器，同時可以導(dǎo)入其他數(shù)據(jù)和圖形文件，也具有將Modelica公式轉(zhuǎn)化成仿真用C語言代碼的符號翻譯器。同時，可知C代碼可以導(dǎo)入到Matlab/ Simulink和硬件在環(huán)(HIL)平臺中。

2 各部件數(shù)字模型建模

根據(jù)多電飛機(jī)中電源系統(tǒng)數(shù)字仿真要求，采用Dymola仿真軟件建立電源系統(tǒng)部分模型，其中包括電源系統(tǒng)、TRU、蓄電池、匯流條功率控制器和過欠壓、過欠頻檢測模塊。

2.1 電源系統(tǒng)

電源供電系統(tǒng)中通常含有四臺發(fā)電機(jī)及其GCU，分別是左主交流發(fā)電機(jī)及其GCU、右主交流發(fā)電機(jī)及其GCU、輔助交流發(fā)電機(jī)及其GCU和沖壓空氣渦輪發(fā)電機(jī)及其GCU。四臺發(fā)電機(jī)均采用三級無刷同步交流發(fā)電機(jī)，但其容量有所差別，先對三級同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行分析和建模。

三級同步發(fā)電機(jī)由主發(fā)電機(jī)、交流勵磁機(jī)和永磁副勵磁機(jī)等組成。其中，主發(fā)電機(jī)為旋轉(zhuǎn)電極式同步發(fā)電機(jī); 交流勵磁機(jī)為旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機(jī); 副勵磁機(jī)為永磁同步發(fā)電機(jī)。主發(fā)電機(jī)電樞中的三相交流電由勵磁電流產(chǎn)生，而交流勵磁機(jī)在點擊運行時，產(chǎn)生的三相交流電經(jīng)安裝在主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)整流器整流后作為主發(fā)電機(jī)的勵磁電流，進(jìn)而主發(fā)電機(jī)電樞中就會產(chǎn)生三相交流電，這樣，通過控制勵磁機(jī)的勵磁電流，間接地調(diào)節(jié)主發(fā)電機(jī)的勵磁電流，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。而永磁同步發(fā)電機(jī)主要向系統(tǒng)中的調(diào)壓器提供電源。圖1是三級無刷交流發(fā)電機(jī)的原理圖[6-7]。

圖1 三級同步發(fā)電機(jī)原理圖

在Dymola元件庫中，找到相應(yīng)基礎(chǔ)模型，拖入Modeling界面，完成30 KVA發(fā)電機(jī)模型的搭建，經(jīng)行參數(shù)設(shè)置和調(diào)節(jié)，隨后建立整流橋模型，為保證飛機(jī)的安全性和可靠性，要對發(fā)電機(jī)輸出的各個電參量進(jìn)行實時檢測，實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)輸出電壓的調(diào)節(jié)，以使電壓保持在給定的范圍內(nèi)，因此根據(jù)相關(guān)原理建立調(diào)壓器模型。如圖2所示。

圖2 三級同步發(fā)電機(jī)可視化模型

在轉(zhuǎn)速為12 000 r/min,負(fù)載為額定負(fù)載(R=0.991 9 Ω，L=0.348 mH)，主發(fā)電機(jī)輸出端電壓有效值為115 V/400 Hz的情況下，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。得到圖3。 (開始先空載啟動建壓，0.2 s后加入額定負(fù)載。)

圖3 三級發(fā)電機(jī)輸出電壓電流波形

由圖3可知，開始電流為0 A,0.2 s后建壓，三級發(fā)電機(jī)經(jīng)調(diào)壓控制后輸出電壓有效值為114.814 V，符合系統(tǒng)要求(115 V±1%)。

2.2 TRU(Transformer Rectifier Unit)

變壓整流器采用將2個三相不控橋式整流電路并聯(lián)聯(lián)結(jié)而成的12脈波整流電路，原理圖如圖4所示。該電路中使用了均衡電抗器來平衡各組整流器的電流，均衡電抗器可以補償兩組整流橋相應(yīng)兩相線電壓的差值，使得兩組整流橋的相應(yīng)兩組二極管能夠同時導(dǎo)通。采用多重聯(lián)結(jié)不僅可以減少交流輸入電流的諧波，同時也可以減小直流輸出電壓中的諧波幅值并提高紋波頻率。

圖4 并聯(lián)2重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路原理圖

在Dymola仿真軟件下，利用Modelica.Electrical庫中元件實現(xiàn)的電路圖如圖5所示。

圖5 TRU仿真電路圖

其中元件“Delta”可將Y型輸出轉(zhuǎn)換為△型輸出，并且，由于航空中直流電壓多為28 V左右，固此變壓整流器整流后的電壓為28.5 V，符合要求。

2.3 蓄電池

在Dymola/Smart Electric Drives 元件庫中提供了蓄電池Battery模型，我們只需要將其拖出并設(shè)置合理參數(shù)，使其符合鎳鎘材料，額定電壓24 V，容量27 Ah的電池即可。

2.4 匯流條功率控制器

匯流條功率控制器主要由交直流接觸器組成的盤箱及控制邏輯組成，而發(fā)電機(jī)控制器(GCU)也表現(xiàn)為控制邏輯，所以控制邏輯與過壓等檢測封裝在一起形成單獨模型。

2.4.1 單相接觸器模型

單相接觸器是指用于控制直流電源開通和關(guān)斷的接觸器，在系統(tǒng)仿真過程中需要從外部讀入接觸器的控制信號，即該接觸器的開通和關(guān)斷必須只受外部讀入的控制信號的控制，而不應(yīng)受接觸器的初始狀態(tài)影響。

仿真最終確定單相接觸器模型使用Ideal Closing Switch模塊，該模塊的開通和關(guān)斷僅由外部輸入信號控制，使用非常方便。封裝后的單相接觸器及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示，為和接觸器稱謂一致，仍將封裝命名為“SinglePhaseBreaker”,圖片標(biāo)示為“SPB”。

2.4.2 三相接觸器模型

三相接觸器是指用于控制三相交流電源開通和關(guān)斷的接觸器，與單相接觸器類似，三相接觸器在系統(tǒng)仿真過程中也需要從外部讀入接觸器的控制信號，該接觸器的開通和關(guān)斷也必須只受外部讀入的控制信號的控制，不受接觸器的初始狀態(tài)影響。

變頻交流系統(tǒng)中使用由3個并聯(lián)的“Ideal Closing Switch”模塊以及控制信號接口搭建成的三相接觸器模塊，該模塊的開通和關(guān)斷僅由外部輸入信號控制。封裝后的三相接觸器以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示，為和接觸器稱謂一致，仍將封裝命名為“ThreePhaseBreaker”， 圖片標(biāo)示為“TPB”。

圖6 封裝后的三相接觸器及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.4.3 單刀雙擲三相接觸器模型

該系統(tǒng)還需要用到單刀雙擲三相接觸器，該接觸器的功能是從兩組三相電壓中選擇其中一組輸出。Dymola中沒有類似功能模塊，需要利用已有模塊搭建并封裝。單刀雙擲三相接觸器模型部結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 單刀雙擲三相接觸器模型

2.5 過欠壓檢測模塊

首先是過欠壓檢測，利用Dymola/Modelica模型庫中的有效值檢測模塊RMS檢測待判斷的電壓，當(dāng)設(shè)定值超過設(shè)定的電壓范圍則輸出錯誤警告信號false(Boolean量)，若未超過則輸出正常信號true(Boolean量)，輸出的fales/true信號將被相應(yīng)控制部分采集，通過邏輯運算來決定配電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)型連接，模型如圖8所示。

圖8 過欠壓頻檢測模塊

3 仿真模型搭建

在相應(yīng)Package下，創(chuàng)建新的Model命名為“systebuild”，利用以上建立好的部件數(shù)字模型完成電源系統(tǒng)仿真模型[8-9]的搭建。電源系統(tǒng)仿真圖如圖9所示。

圖9 電源系統(tǒng)仿真圖

對于電源系統(tǒng)部分，采用邏輯計算建模方法時，各個接觸器的狀態(tài)初始化和控制在相應(yīng)function文件中實現(xiàn)，function文件實時讀入各發(fā)電機(jī)、匯流條、TRU的故障狀態(tài)和各接觸器的控制狀態(tài)，結(jié)合輸入的控制信號，通過邏輯運算，形成接觸器的控制信號，再實時返回給電源系統(tǒng)，從而達(dá)到配電保護(hù)和轉(zhuǎn)換、自動隔離故障運行的目的。如圖10所示。

圖10 Insert Function Call

按照仿真工況填入必要的信息，相應(yīng)function模塊中的函數(shù)會根據(jù)設(shè)置好的信息進(jìn)行邏輯運算，例如：GLC1，控制邏輯如下圖11所示。

圖11 GLC1控制邏輯

GLC1邏輯Dymola/Modelica函數(shù)程序如下：

function GLC1_control

input Boolean GEN1_PWR_READY;

input Boolean GEN2_PWR_READY;

input Boolean AC_EXT_PWR_READY;

input Boolean AGEN_PWR_READY;

input Boolean GEN1_SW_AUTO;

input Boolean GLC1_CLOSED_CMD;

input Boolean AC_BUS1_OVER_CURRENT;

input Boolean AC_BTC1_Control;

output Boolean GLC1_Control;

protected

Boolean node1;

Boolean node2;

Boolean AC_BTC1_0;

Boolean GLC1_0;

algorithm

//刷新初始值

AC_BTC1_0:=AC_BTC1_Control;

GLC1_0:=GLC1_Control;

node1:=(not AC_BTC1_0) and GEN1_PWR_READY;

node2:=(not GEN2_PWR_READY) and (not AC_EXT_PWR_

READY) and (not AGEN_PWR_READY);

GLC1_Control:=GEN1_SW_AUTO and GLC1_CLOSED_

CMD and (node1 or node2 or GLC1_0) and (not AC_BUS1_

OVER_CURRENT); //用 and AC_BUS1_OVER_CURRENT來模擬GCU1的保護(hù)功能

end GLC1_control;

4 仿真結(jié)果展示

對建立的仿真模型進(jìn)行測試，驗證是否滿足設(shè)計需求，驗證電源系統(tǒng)是否能按照設(shè)計要求完成按預(yù)定邏輯轉(zhuǎn)換、故障隔離等功能以及驗證配電網(wǎng)絡(luò)控制原理的正確性。

4.1 正常工作狀態(tài)

當(dāng)處在正常工作狀態(tài)：

1)左交流匯流條(ACBUS1)由GEN1供電；

2)右主交流匯流條(ACBUS2)由GEN2供電；

3)應(yīng)急交流匯流條(ACESSBUS)接通ACBUS2供電；

4)DCBTC、DCETC1、DCETC2不接通，各直流匯流條由各自的交流匯流條供電。

下面是系統(tǒng)運行的部分仿真結(jié)果，仿真參數(shù)設(shè)置如下：仿真起始時間 0，中止時間 0.3 s，Number of intervals(波形采樣點) 設(shè)置為10 000，Algorithm(算法)選擇“Dassl”(即變步長算法)。 基于上述敘述，正常工作狀態(tài)無故障仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 正常狀態(tài)下GLC1，GLC2，RLC，AETC控制信號

由圖12，及圖13可知，在正常供電狀態(tài)下，GLC1，GLC2閉合，交流匯流條由相應(yīng)發(fā)電機(jī)供電，交流應(yīng)急匯流條由右發(fā)供電，且各直流匯流條由各自的交流匯流條供電。

圖14 正常狀態(tài)下TRU輸出電壓波形及其紋波波形

圖15 DC ESS BUS上電壓波形

圖13 正常狀態(tài)下ACBTC1，DCBTC，DCETC1，DCETC2控制信號

由圖14～15可知，隨著穩(wěn)定后，電壓不發(fā)生變化，故取0.1 s內(nèi)波形如上所示，交流電經(jīng)TRU整流后，紋波較小，且經(jīng)測量可知3個直流應(yīng)急匯流條上電壓最終都很好的穩(wěn)定在直流28 V左右，符合初始要求。

4.2 左發(fā)過壓故障

當(dāng)處在左發(fā)故障時：

1)左發(fā)故障，GLC1斷開，ACBTC1與ACBTC2閉合，ACBUS1與ACBUS2 都由GEN2供電；

2)DCBTC、DCETC1、DCETC2不接通，各直流匯流條由各自的交流匯流條供電。

基于上述敘述，左發(fā)過壓故障工作狀態(tài)仿真結(jié)果如下所示。

圖16 左發(fā)電機(jī)故障時GLC1，GLC2，RLC，AETC， ACBTC1，ACBTC2控制信號

圖17 左發(fā)電機(jī)故障時DCBTC，DCETC1，DCETC2控制信號

由圖16及圖17可知，左發(fā)電機(jī)故障狀態(tài)下，GLC1斷開，GLC2，AC BTC1和AC BTC2閉合，交流匯流條及交流應(yīng)急匯流條均由右發(fā)供電，而各直流匯流條由各自的交流匯流條供電。

由圖18可知，交流電經(jīng)TRU整流后，紋波較小，且測量可知，左發(fā)電機(jī)故障狀態(tài)下3個直流應(yīng)急匯流條上電壓都很好的穩(wěn)定在直流28V左右，符合系統(tǒng)要求。

圖18 左發(fā)電機(jī)故障時TRU1輸出波形及紋波波形

5 結(jié)論

在Dymola中利用庫中元件建立飛機(jī)飛機(jī)供電系統(tǒng)模型，并在相應(yīng)平臺中經(jīng)行建模與仿真，仿真結(jié)果與理論一致，證明了模型的正確性，為飛機(jī)供電系統(tǒng)的分析和設(shè)計提供了有效的，可靠的研究途徑。

[1]程海龍.多電飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探究[J].科技信息,2013(19):104-106.

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[3]Quigley,R.E.Jr., More Electrical Aircraft [A] Conference Record,IEEE Applied Power Electronics Conference[C]. March 7-11,1993，906-911.

[4]陳 偉,胡大明.飛機(jī)供電綜合控制系統(tǒng)的仿真研究[J].飛機(jī)設(shè)計, 2007, 27(2): 65-68.

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[8]李偉林,張曉斌,董延軍. 電力系統(tǒng)綜合仿真方法研究(一):VPNET(英文)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報,2012,13:95-102.

[9]李偉林,張曉斌,董延軍. 電力系統(tǒng)綜合仿真方法研究(二):MPNET及實時HIL平臺(英文)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報,2012,16:100-1.

Modeling and Simulation of Aircraft Power Supply System Based on Dymola and Modelica

Li Bingjie1, Chen Bingbin2,Zhang Xiaobin1,Li Weilin1

(1. College of Automation, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072,China 2.Dept of Navigatim, Institute of Automatic Control, Xi’an 710065, China)

The design of structure and the control logic of aircraft power supply system are important parts of aircraft system design, which concern its reliability, redundancy and fault tolerance performance. Digital simulation modeling research and optimization are carried out on completed the aircraft power system. Simulation models including AC generator, TRU (Transformer Rectifier Unit), contactor, overvoltage-undervoltage and overfrequency-underfrequency detection modules are built in Dymola software which can be applicated in a variety of physical systems. The power system is established with these component models and then using the Modelica language to complete the system logic design. Simulation results show that the power system model meets the design requirements. Automatic distribution, automatic fault isolation and it provide the theoretical basis for aircraft power supply system.

Power supply system; system simulation; Dymola; Modelica

2015-09-01；

2015-11-04。

國家自然科學(xué)基金(51407144)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金(3102015ZY052)；電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室(西安交通大學(xué))開放基金(EIPE14203)。

李冰潔(1992-)，女，陜西西安人，碩士，主要從事飛機(jī)電氣系統(tǒng)仿真方向的研究。

1671-4598(2016)03-0174-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.047

TP311

A

張曉斌，男，教授，山東人，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事飛機(jī)電氣系統(tǒng)仿真方向的研究。