飛機電源系統(tǒng)的建模與仿真

孫波

摘要：飛機電源系統(tǒng)是飛機的重要系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)交聯(lián)關系復雜，飛機電源品質的優(yōu)劣直接影響各用電設備，同時傳統(tǒng)飛機設計也難以考慮其他系統(tǒng)對電源系統(tǒng)的動態(tài)影響。本文基于malab、saber、modelica軟件對飛機電源系統(tǒng)進行建模與仿真，通過構建“建模仿真-執(zhí)行試驗-結果對比”的試驗鑒定模式，建立統(tǒng)一的飛機電源系統(tǒng)模型庫。飛機電源系統(tǒng)設計過程中對電源系統(tǒng)模型庫全程使用以及迭代完善，對發(fā)現(xiàn)飛機電源系統(tǒng)缺陷，提升飛機電源系統(tǒng)性能具有現(xiàn)實意義。

關鍵詞：飛機電源系統(tǒng);建模;仿真

中圖分類號：TM712文獻標志碼：A

1背景與意義

飛機電源系統(tǒng)及其設備為飛機上各用電設備提供主要能源，一方面，對現(xiàn)代戰(zhàn)機而言，為適應電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)的要求，大功率電子設備及高能電子武器投入使用，使得飛機電子設備的用電量猛增，同時多種功能用電負載在不同或相同時間互相耦合工作，使得用電負載的復雜程度大大增加，大功率的非線性負載如制動能量回饋類負載、瞬時啟動沖擊型、較高頻率脈沖型負載將對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成很大的影響;另一方面，飛控、照明、環(huán)控、雷達、剎車等飛機關鍵功能也越來越依賴于一個魯棒性強的電源系統(tǒng)。

飛機電源系統(tǒng)涉及機械、電力、熱、磁等多學科領域，同時與發(fā)動機系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、負載管理系統(tǒng)等機上其他系統(tǒng)交聯(lián)。傳統(tǒng)的飛機設計過程中，各個系統(tǒng)的建模都局限在本系統(tǒng)范圍內，難以考慮系統(tǒng)之間的動態(tài)影響。建立全機層面的建模與仿真，同時考慮電、熱、機械的模型，這是一項全局性和基礎性的工作，對未來飛機系統(tǒng)設計產生深遠影響。

2建模與仿真實現(xiàn)

2.1基于matlab的電源系統(tǒng)建模仿真

Matlab是一種面向科學和工程計算的高級語言，其中Simulink是一個用于動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟件包，可實現(xiàn)電氣傳動控制系統(tǒng)的復雜算法與先進的控制理論相結合，方便地對一個復雜的電源系統(tǒng)進行數(shù)字仿真分析。

利用Matlab/Simulink構建了三級同步電源系統(tǒng)模型。此系統(tǒng)為115V變頻交流電源系統(tǒng)模型，采用有效值調壓方式進行發(fā)電機調壓控制，如圖1所示。

利用上述模型，進行了如下仿真：電機主軸轉速為6000r/min時，時間t從0.3s到0.8s，電機帶額定負載（84kW），圖2為空載時主發(fā)電機輸出電壓穩(wěn)態(tài)值示意圖，圖3為額定負載時主發(fā)電機輸出電壓穩(wěn)態(tài)值示意圖。

2.2 基于saber軟件的電源系統(tǒng)建模仿真

使用saber軟件搭建變頻交流電源系統(tǒng)的仿真模型，發(fā)電機為三級式發(fā)電機模型，調壓方式為均值調壓方式，具體模型如圖4所示。

電源系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)仿真波形、電源系統(tǒng)的動態(tài)加卸載仿真波形（在0.31ms時加入阻性滿載，至0.67ms時

2.3 基于modelica語言的多學科聯(lián)合系統(tǒng)建模、仿真

基于Modelica語言，建立一套三級發(fā)電電源系統(tǒng)的模型庫和仿真系統(tǒng)模型。將各級電機與其對應的整流電路連接，每一級整流電路輸出的電壓值輸入至下一級作為下一級發(fā)電機的勵磁電壓，將三級電機連接在一起，第三極雙三相電機經整流后輸出的電壓經調壓器模型后反饋至勵磁電機的勵磁繞組，從而形成電流負反饋。三級電源系統(tǒng)的整體模型見圖7。

對該系統(tǒng)模型進行仿真，當電機的轉速為12000rpm時，分別進行10A-110A-10A的加卸載，系統(tǒng)輸出的電壓波形如圖8-圖9。

3 建模與仿真方案與途徑

現(xiàn)在戰(zhàn)爭包含的武器裝備種類越來越多、規(guī)模越來越大，裝備之間的交聯(lián)關系越來越復雜，對電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成很大的影響。將電源系統(tǒng)建模仿真推進至系統(tǒng)級和不同體系層級，同時采用多分辨率建模仿真的思想，面向不同作戰(zhàn)任務對電源系統(tǒng)的影響，建立對應不同顆粒度仿真。從試驗鑒定模式、仿真模型庫建設和建模仿真資源具體使用要求三個方面，將建模仿真知識和資源落實到試驗鑒定的具體裝配項目上。

3.1“建模仿真-執(zhí)行試驗-結果對比”的試驗鑒定模式

將基于建模仿真的虛擬產品試驗鑒定作為一條常態(tài)化流程，與物理產品試驗鑒定同步開展，基于物理原型，將先驗數(shù)據(jù)驅動的建模仿真結果與實際的試驗鑒定結果進行對比，同時利用半物理仿真平臺，對模型進行校準驗證。如果結果一致，則說明裝備通過試驗鑒定，達到作戰(zhàn)能力要求;如果兩類試驗不一致，則通過綜合評估判斷，一方面校核和修正仿真模型，優(yōu)化試驗方案和計劃，補充和擴展試驗仿真策略模型，另一方面如果仿真確實沒有錯誤，則能夠形成作戰(zhàn)評估報告，指出產品缺陷和提出改進建議。

通過“建模仿真-執(zhí)行試驗-結果對比”的試驗鑒定模式，提高模型的準確性;并在電源系統(tǒng)聯(lián)合協(xié)同仿真過程中，發(fā)現(xiàn)各模型的缺陷與不足，從而完善模型，指導產品開發(fā)。

3.2 構建統(tǒng)一的飛機電源系統(tǒng)仿真模型庫

一方面構建統(tǒng)一的建模仿真平臺，在不同飛機電源系統(tǒng)產品供應商之間確定統(tǒng)一的建模仿真平臺，建設建模仿真資源庫，并且注重試驗鑒定中使用統(tǒng)一的仿真模型。為避免模型的重復開發(fā)與不一致使用，在構建新的仿真模型前，應該首先確認是否已存在所需的經過驗證、確認和鑒定的，并可重復使用的建模仿真工具和數(shù)字化系統(tǒng)模型。另一方面建立一套統(tǒng)一的建?？蚣?，規(guī)定模型應當具備的精度，規(guī)定模型之間的接口定義，以及軟件文檔的需求，在各供應商之間建立標準化的建模仿真規(guī)范。

3.3 建模仿真資源的全程使用

在電力系統(tǒng)研發(fā)全壽命周期內盡可能使用數(shù)字化、虛擬化建模仿真資源完成各階段的仿真驗證任務，而且建模仿真也是裝備全壽命周期各階段都唯一的一類重要試驗鑒定資源和手段。

將建模與仿真貫穿在產品研制全生命周期中，根據(jù)飛機整機電力系統(tǒng)研制需求，提供飛機電力系統(tǒng)整機建模需求模型，加強各供應商與主機之間協(xié)作，在研制過程中不斷更新迭代模型，使模型與物理產品功能性能各方面更加逼近;同時在全機系統(tǒng)動態(tài)模型協(xié)同仿真過程中不斷完善模型。