基于工程模擬器的液壓系統(tǒng)仿真模型開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

摘 要：工程模擬器通過(guò)建模與仿真技術(shù)，為工程師和飛行員提供了一臺(tái)具有運(yùn)動(dòng)感覺(jué)及高逼真度模擬飛行環(huán)境的試驗(yàn)平臺(tái)。為了支持控制律設(shè)計(jì)及適航驗(yàn)證試驗(yàn)，必須集成高保真且符合需求的機(jī)載系統(tǒng)仿真模型，從而提高工程模擬器的置信度。液壓系統(tǒng)作為源系統(tǒng)，為飛機(jī)多個(gè)用戶(hù)提供液壓源，其模型精度直接影響模擬器性能。基于工程模擬器環(huán)境提出了液壓系統(tǒng)仿真模型開(kāi)發(fā)、測(cè)試及應(yīng)用方法，為開(kāi)發(fā)適用于模擬器的液壓系統(tǒng)模型提供參考。

關(guān)鍵詞：工程模擬器；液壓系統(tǒng)；仿真模型

DOIDOI：10.11907/rjdk.171611

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）007-0140-02

0 引言

近年來(lái)，液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。流體力學(xué)、現(xiàn)代控制理論、算法理論、可靠性理論等相關(guān)學(xué)科的迅速發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使得液壓系統(tǒng)可以通過(guò)仿真技術(shù)進(jìn)行分析和評(píng)估，從而優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、縮短設(shè)計(jì)周期，解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題[1]。計(jì)算機(jī)仿真是利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)待分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字建模，并根據(jù)需要編制相應(yīng)的程序?qū)ο到y(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析的過(guò)程。MATLAB是MathWorks公司1982年推出的一套高性能數(shù)值計(jì)算可視化軟件，它提供的動(dòng)態(tài)仿真工具箱Simulink，是眾多仿真軟件中功能最強(qiáng)大、最優(yōu)秀的一種，使建模、仿真算法、仿真結(jié)果分析與可視化等實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常簡(jiǎn)便[2]。

液壓作為動(dòng)力源系統(tǒng)，因?yàn)槠涓呖煽啃院透吖β瘦敵鲂阅埽诿裼蔑w機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。一般大型客機(jī)液壓系統(tǒng)為相互獨(dú)立的三余度系統(tǒng)，主要組成部分為：發(fā)動(dòng)機(jī)泵、電動(dòng)液壓泵、防火切斷閥、液壓油箱組件、油濾組件、蓄壓器、能源轉(zhuǎn)換裝置、系統(tǒng)綜合控制單元、系統(tǒng)安全閥、壓力傳感器、溫度傳感器、活門(mén)及開(kāi)關(guān)等。液壓系統(tǒng)的主要功能是為飛機(jī)液壓用戶(hù)提供液壓能源，這些液壓用戶(hù)包括主飛行操縱系統(tǒng)、高升力操縱系統(tǒng)、起落架及機(jī)輪剎車(chē)系統(tǒng)等。

1 工程模擬器對(duì)液壓系統(tǒng)仿真模型需求

工程模擬器是半實(shí)物仿真平臺(tái)，貫穿于飛機(jī)設(shè)計(jì)各個(gè)階段，在飛機(jī)研制不同時(shí)期，都可以配合飛機(jī)研制實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。工程模擬器主要包括以下系統(tǒng)[3]：①座艙結(jié)構(gòu)及駕駛艙設(shè)備仿真系統(tǒng)；②飛行仿真系統(tǒng)；③機(jī)載系統(tǒng)仿真；④操縱負(fù)荷系統(tǒng)；⑤視景系統(tǒng)；⑥硬件接口系統(tǒng)；⑦計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)仿真及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；⑧運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)；⑨聲音系統(tǒng)；B10綜合控制臺(tái)。

工程模擬器實(shí)時(shí)仿真架構(gòu)中主控計(jì)算機(jī)作為核心節(jié)點(diǎn)，與其它計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成一個(gè)星型分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。主控計(jì)算機(jī)采用VxWorks/Linux等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以保證仿真迭代解算的實(shí)時(shí)性。在主控計(jì)算機(jī)中，運(yùn)行實(shí)時(shí)管理軟件，通過(guò)“看門(mén)狗”時(shí)鐘機(jī)制對(duì)仿真程序的調(diào)用運(yùn)行實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)，對(duì)各分系統(tǒng)的仿真軟件進(jìn)行管理和調(diào)度，同時(shí)還對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊進(jìn)行集中管理。

模擬器設(shè)計(jì)中，需要基于工程模擬器架構(gòu)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及承擔(dān)試驗(yàn)需求，提出各機(jī)載系統(tǒng)仿真模型需求，其中液壓系統(tǒng)仿真模型開(kāi)發(fā)建模規(guī)范至少應(yīng)包含以下內(nèi)容：①開(kāi)發(fā)工具：應(yīng)指明模型開(kāi)發(fā)軟件及版本；②模型運(yùn)行頻率：應(yīng)指明模型運(yùn)行頻率；③提交形式：一般要求封裝S函數(shù)支持Windows桌面仿真，基于開(kāi)源模型RTW自動(dòng)生成的ERTC代碼支持模擬器實(shí)時(shí)仿真；④模型功能：一般要求模型反應(yīng)整個(gè)液壓系統(tǒng)架構(gòu)，代表真實(shí)系統(tǒng)功能，包括正常功能和系統(tǒng)典型故障；⑤性能要求：一般體現(xiàn)在流量、壓力等可量化指標(biāo)與數(shù)據(jù)源可接受容差范圍；⑥構(gòu)型控制要求：需要將模型、相關(guān)庫(kù)文件、報(bào)告等納入構(gòu)型管理系統(tǒng)，控制更改；⑦提交文檔要求：應(yīng)提交模型描述報(bào)告和測(cè)試報(bào)告；⑧技術(shù)支持要求：模型供應(yīng)商應(yīng)在工程模擬器集成仿真模型過(guò)程中提供技術(shù)支持。

2 液壓系統(tǒng)仿真模型開(kāi)發(fā)

液壓系統(tǒng)仿真模型應(yīng)該模擬液壓系統(tǒng)架構(gòu)（三套對(duì)立液壓子系統(tǒng)）。仿真模型以Matlab/Simulink形式提供發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵、電動(dòng)泵、能源轉(zhuǎn)換裝置、優(yōu)先閥等部件。模型建模復(fù)雜度和詳細(xì)程度如圖1所示。總的來(lái)說(shuō)，模型應(yīng)代表飛機(jī)性能，包括收放時(shí)間、流量、壓力等，模型精度需要和試驗(yàn)臺(tái)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)源進(jìn)行對(duì)比分析[4]。

液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型應(yīng)包括以下功能：①模型接收駕駛艙控制裝置指令，仿真液壓系統(tǒng)功能，發(fā)送信號(hào)到與液壓系統(tǒng)連接的裝置；②模型應(yīng)包括電源及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速輸出的液壓流量/壓力特性；③響應(yīng)模擬所有物理變量，例如電壓、流量、壓力和載荷等；④模型應(yīng)反映真實(shí)液壓系統(tǒng)性能，并滿(mǎn)足建模規(guī)范要求；⑤液壓系統(tǒng)需提供壓力給起落架收放、前輪轉(zhuǎn)彎、升降舵、方向舵、副翼、擾流板、襟縫翼、剎車(chē)及地面RAT收起功能；⑥模型應(yīng)包括失效模式條件下系統(tǒng)運(yùn)行特性。

建立復(fù)雜系統(tǒng)模型與系統(tǒng)仿真一般采用自下而上的建模方式：首先建立復(fù)雜系統(tǒng)功能模塊，然后根據(jù)所模擬系統(tǒng)特性，將這些功能模塊有機(jī)結(jié)合，逐步建立整個(gè)系統(tǒng)模型。供應(yīng)商在開(kāi)發(fā)液壓系統(tǒng)仿真模型時(shí)，首先需要在SIMUKINK下建立部件級(jí)模型庫(kù)，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)整個(gè)液壓系統(tǒng)全功能仿真模型。開(kāi)發(fā)流程如下：①根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)SIMULINK仿真模塊中的參數(shù)值進(jìn)行初始化和賦值，并進(jìn)行仿真計(jì)算；②仿真過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)對(duì)所建立的模塊輸出進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將仿真結(jié)果形成數(shù)據(jù)文件，存放在MATLAB的工作空間中，可隨時(shí)調(diào)出或輸出；③仿真算法一般采用可變步長(zhǎng)的四階龍格-庫(kù)塔法，可以提供誤差控制和過(guò)零監(jiān)測(cè)；④確保功能、性能及故障滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求之后，封著為S函數(shù)形式，并利用MATLAB RTW自動(dòng)代碼生產(chǎn)功能，將系統(tǒng)仿真模型轉(zhuǎn)換為嵌入式C代碼，一并提交到設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。

3 測(cè)試與集成

液壓仿真模型必須反映所模擬的系統(tǒng)功能，供應(yīng)商在提交仿真模型前需對(duì)模型進(jìn)行確認(rèn)。仿真模型提交的同時(shí)需提供確認(rèn)測(cè)試向量，包括：①建立仿真到初始狀態(tài)；②產(chǎn)生測(cè)試場(chǎng)景的輸入序列/時(shí)間；③期待的輸出結(jié)果和容差。

供應(yīng)商需提供一組測(cè)試向量來(lái)驗(yàn)證模型運(yùn)行正確，同時(shí)驗(yàn)證桌面仿真和工程模擬器運(yùn)行正常，如圖2所示。如果模型是以封裝的Matlab/Simulink形式提供，則需要同時(shí)提供兩種類(lèi)型測(cè)試向量，分別用于桌面仿真驗(yàn)證、工程模擬器實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證。endprint

3.1 桌面仿真測(cè)試

仿真模型和測(cè)試向量提交后，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)首先會(huì)在桌面仿真環(huán)境對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試，建立試驗(yàn)環(huán)境，對(duì)比供應(yīng)商提供的測(cè)試輸出結(jié)果。確認(rèn)沒(méi)有問(wèn)題后，將模型集成到工程模擬器中。如果桌面仿真測(cè)試存在問(wèn)題，則查找原因，定位錯(cuò)誤后反饋給供應(yīng)商修改模型，直到桌面仿真測(cè)試通過(guò)。

3.2 工程模擬器集成與測(cè)試

經(jīng)過(guò)桌面仿真測(cè)試后，將仿真模型產(chǎn)生的C代碼或庫(kù)文件加載到工程模擬器實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，并與模擬器飛行仿真系統(tǒng)、其它機(jī)載系統(tǒng)及駕駛艙液壓控制面板進(jìn)行集成測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容如下：①液壓控制面板發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵、電動(dòng)泵、防火切斷閥等開(kāi)關(guān)集成；②液壓系統(tǒng)邏輯和功能測(cè)試；③液壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)邏輯關(guān)系測(cè)試；④液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖頁(yè)測(cè)試，包括液壓系統(tǒng)壓力、流量、油量顯示，管路及架構(gòu)簡(jiǎn)圖頁(yè)顯示；⑤故障測(cè)試（高溫、過(guò)熱、失效）及其告警信息測(cè)試；⑥液壓系統(tǒng)與其它系統(tǒng)交聯(lián)測(cè)試。

4 應(yīng)用

經(jīng)過(guò)集成測(cè)試后的液壓系統(tǒng)仿真模型可用于相關(guān)試驗(yàn)。液壓系統(tǒng)作為源系統(tǒng)，為多個(gè)用戶(hù)提供液壓動(dòng)力，在工程模擬器中，液壓系統(tǒng)模型主要應(yīng)用有：①液壓系統(tǒng)正常功能試驗(yàn)；②液壓系統(tǒng)功能危險(xiǎn)性確認(rèn)試驗(yàn)；③液壓系統(tǒng)故障試驗(yàn)；④液壓系統(tǒng)與其它系統(tǒng)交聯(lián)試驗(yàn)。

例如液壓系統(tǒng)與飛控作動(dòng)系統(tǒng)方向舵上舵面交聯(lián)，飛控系統(tǒng)根據(jù)控制律解算的舵面偏轉(zhuǎn)角度，計(jì)算出作動(dòng)器收放的流量需求，此流量提供給液壓系統(tǒng)仿真模型作為輸入，液壓系統(tǒng)仿真模型基于流量和系統(tǒng)狀態(tài)輸出作動(dòng)器壓力，結(jié)果如圖3和圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從工程模擬器應(yīng)用及試驗(yàn)需求出發(fā)，提出了液壓系統(tǒng)仿真模型具體要求，包括建模規(guī)范、開(kāi)發(fā)、測(cè)試、集成到應(yīng)用等，遵循系統(tǒng)工程方法論，確保供應(yīng)商交付模型滿(mǎn)足模擬器使用環(huán)境要求，減少重復(fù)設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)約成本，提高效率，為模擬器機(jī)載系統(tǒng)仿真模型開(kāi)發(fā)提供參考。

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