摘 要：工程模擬器通過建模與仿真技術(shù)，為工程師和飛行員提供了一臺具有運動感覺及高逼真度模擬飛行環(huán)境的試驗平臺。為了支持控制律設(shè)計及適航驗證試驗，必須集成高保真且符合需求的機載系統(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)，為飛機多個用戶提供液壓源，其模型精度直接影響模擬器性能?；诠こ棠M器環(huán)境提出了液壓系統(tǒng)仿真模型開發(fā)、測試及應(yīng)用方法，為開發(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

中圖分類號：TP319

文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）007-0140-02

0 引言

近年來，液壓傳動與控制系統(tǒng)在國民經(jīng)濟各行業(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，尤其是計算機技術(shù)的突飛猛進，使得液壓系統(tǒng)可以通過仿真技術(shù)進行分析和評估，從而優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計、縮短設(shè)計周期，解決系統(tǒng)設(shè)計存在的問題[1]。計算機仿真是利用現(xiàn)代計算機技術(shù)，對待分析系統(tǒng)進行數(shù)字建模，并根據(jù)需要編制相應(yīng)的程序?qū)ο到y(tǒng)模型進行仿真分析的過程。MATLAB是MathWorks公司1982年推出的一套高性能數(shù)值計算可視化軟件，它提供的動態(tài)仿真工具箱Simulink，是眾多仿真軟件中功能最強大、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現(xiàn)起來非常簡便[2]。

液壓作為動力源系統(tǒng)，因為其高可靠性和高功率輸出性能，在民用飛機設(shè)計中應(yīng)用廣泛。一般大型客機液壓系統(tǒng)為相互獨立的三余度系統(tǒng)，主要組成部分為：發(fā)動機泵、電動液壓泵、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、活門及開關(guān)等。液壓系統(tǒng)的主要功能是為飛機液壓用戶提供液壓能源，這些液壓用戶包括主飛行操縱系統(tǒng)、高升力操縱系統(tǒng)、起落架及機輪剎車系統(tǒng)等。

1 工程模擬器對液壓系統(tǒng)仿真模型需求

工程模擬器是半實物仿真平臺，貫穿于飛機設(shè)計各個階段，在飛機研制不同時期，都可以配合飛機研制實現(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機載系統(tǒng)仿真；④操縱負荷系統(tǒng)；⑤視景系統(tǒng)；⑥硬件接口系統(tǒng)；⑦計算機實時仿真及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；⑧運動系統(tǒng)；⑨聲音系統(tǒng)；B10綜合控制臺。

工程模擬器實時仿真架構(gòu)中主控計算機作為核心節(jié)點，與其它計算機節(jié)點共同構(gòu)成一個星型分布式計算機系統(tǒng)。主控計算機采用VxWorks/Linux等實時操作系統(tǒng)以保證仿真迭代解算的實時性。在主控計算機中，運行實時管理軟件，通過“看門狗”時鐘機制對仿真程序的調(diào)用運行實現(xiàn)精確定時，對各分系統(tǒng)的仿真軟件進行管理和調(diào)度，同時還對網(wǎng)絡(luò)通訊進行集中管理。

模擬器設(shè)計中，需要基于工程模擬器架構(gòu)、實時操作系統(tǒng)以及承擔(dān)試驗需求，提出各機載系統(tǒng)仿真模型需求，其中液壓系統(tǒng)仿真模型開發(fā)建模規(guī)范至少應(yīng)包含以下內(nèi)容：①開發(fā)工具：應(yīng)指明模型開發(fā)軟件及版本；②模型運行頻率：應(yīng)指明模型運行頻率；③提交形式：一般要求封裝S函數(shù)支持Windows桌面仿真，基于開源模型RTW自動生成的ERTC代碼支持模擬器實時仿真；④模型功能：一般要求模型反應(yīng)整個液壓系統(tǒng)架構(gòu)，代表真實系統(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)庫文件、報告等納入構(gòu)型管理系統(tǒng)，控制更改；⑦提交文檔要求：應(yīng)提交模型描述報告和測試報告；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程中提供技術(shù)支持。

2 液壓系統(tǒng)仿真模型開發(fā)

液壓系統(tǒng)仿真模型應(yīng)該模擬液壓系統(tǒng)架構(gòu)（三套對立液壓子系統(tǒng)）。仿真模型以Matlab/Simulink形式提供發(fā)動機驅(qū)動泵、電動泵、能源轉(zhuǎn)換裝置、優(yōu)先閥等部件。模型建模復(fù)雜度和詳細程度如圖1所示。總的來說，模型應(yīng)代表飛機性能，包括收放時間、流量、壓力等，模型精度需要和試驗臺基準(zhǔn)數(shù)據(jù)源進行對比分析[4]。

液壓系統(tǒng)動態(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)動機轉(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)反映真實液壓系統(tǒng)性能，并滿足建模規(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結(jié)合，逐步建立整個系統(tǒng)模型。供應(yīng)商在開發(fā)液壓系統(tǒng)仿真模型時，首先需要在SIMUKINK下建立部件級模型庫，在此基礎(chǔ)上開發(fā)整個液壓系統(tǒng)全功能仿真模型。開發(fā)流程如下：①根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)對SIMULINK仿真模塊中的參數(shù)值進行初始化和賦值，并進行仿真計算；②仿真過程中，可以實時對所建立的模塊輸出進行監(jiān)測，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，可隨時調(diào)出或輸出；③仿真算法一般采用可變步長的四階龍格-庫塔法，可以提供誤差控制和過零監(jiān)測；④確保功能、性能及故障滿足設(shè)計要求之后，封著為S函數(shù)形式，并利用MATLAB RTW自動代碼生產(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)計團隊。

3 測試與集成

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模型進行確認。仿真模型提交的同時需提供確認測試向量，包括：①建立仿真到初始狀態(tài)；②產(chǎn)生測試場景的輸入序列/時間；③期待的輸出結(jié)果和容差。

供應(yīng)商需提供一組測試向量來驗證模型運行正確，同時驗證桌面仿真和工程模擬器運行正常，如圖2所示。如果模型是以封裝的Matlab/Simulink形式提供，則需要同時提供兩種類型測試向量，分別用于桌面仿真驗證、工程模擬器實時仿真驗證。endprint

3.1 桌面仿真測試

仿真模型和測試向量提交后，設(shè)計團隊首先會在桌面仿真環(huán)境對模型進行測試，建立試驗環(huán)境，對比供應(yīng)商提供的測試輸出結(jié)果。確認沒有問題后，將模型集成到工程模擬器中。如果桌面仿真測試存在問題，則查找原因，定位錯誤后反饋給供應(yīng)商修改模型，直到桌面仿真測試通過。

3.2 工程模擬器集成與測試

經(jīng)過桌面仿真測試后，將仿真模型產(chǎn)生的C代碼或庫文件加載到工程模擬器實時仿真系統(tǒng)，并與模擬器飛行仿真系統(tǒng)、其它機載系統(tǒng)及駕駛艙液壓控制面板進行集成測試，測試內(nèi)容如下：①液壓控制面板發(fā)動機驅(qū)動泵、電動泵、防火切斷閥等開關(guān)集成；②液壓系統(tǒng)邏輯和功能測試；③液壓系統(tǒng)與發(fā)動機邏輯關(guān)系測試；④液壓系統(tǒng)簡圖頁測試，包括液壓系統(tǒng)壓力、流量、油量顯示，管路及架構(gòu)簡圖頁顯示；⑤故障測試（高溫、過熱、失效）及其告警信息測試；⑥液壓系統(tǒng)與其它系統(tǒng)交聯(lián)測試。

4 應(yīng)用

經(jīng)過集成測試后的液壓系統(tǒng)仿真模型可用于相關(guān)試驗。液壓系統(tǒng)作為源系統(tǒng)，為多個用戶提供液壓動力，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；②液壓系統(tǒng)功能危險性確認試驗；③液壓系統(tǒng)故障試驗；④液壓系統(tǒng)與其它系統(tǒng)交聯(lián)試驗。

例如液壓系統(tǒng)與飛控作動系統(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，計算出作動器收放的流量需求，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)輸出作動器壓力，結(jié)果如圖3和圖4所示。

5 結(jié)語

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

參考文獻：

[1]韓虎，劉印鋒，孫成通，等. 基于MATLAB液壓系統(tǒng)的仿真技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 液壓氣動與密封，2007（3）：4-6.

[2]周高峰，趙則祥. MATLAB/Si mulink機電動態(tài)系統(tǒng)仿真及工程應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2014.

[3]李亞男，劉采志. 民用飛機飛控系統(tǒng)MOC8工程模擬器驗證方法分析[J].民用飛機設(shè)計與研究，2010（1）：33-36.

[4]姚志超. 民用飛機典型舵機系統(tǒng)分析與仿真建模[C]. 2016 中國航空學(xué)會流體傳動與控制學(xué)術(shù)會議，2016：79-82.endprint