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

        2017-09-05 19:25:59姚志超
        軟件導(dǎo)刊 2017年7期
        關(guān)鍵詞:仿真模型液壓系統(tǒng)

        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、現(xiàn)代控制理論、算法理論、可靠性理論等相關(guān)學科的迅速發(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??偟膩碚f,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 中國航空學會流體傳動與控制學術(shù)會議,2016:79-82.endprint

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