基于M odelica的起落架半物理仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

董 政，張洪昌，2*，丁建完

（1.華中科技大學(xué)CAD中心，湖北武漢 430074；2.蘇州同元軟控信息技術(shù)有限公司，江蘇蘇州 215123）

基于M odelica的起落架半物理仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

董 政1，張洪昌1，2*，丁建完1

（1.華中科技大學(xué)CAD中心，湖北武漢 430074；2.蘇州同元軟控信息技術(shù)有限公司，江蘇蘇州 215123）

飛機(jī)起落架系統(tǒng)涉及機(jī)械、液壓和控制等多個(gè)領(lǐng)域，采用傳統(tǒng)的單一領(lǐng)域仿真軟件無(wú)法實(shí)現(xiàn)其系統(tǒng)級(jí)建模及半物理仿真分析。通過(guò)研究建立基于Modelica語(yǔ)言的起落架半物理仿真平臺(tái)，為起落架系統(tǒng)開發(fā)提供統(tǒng)一的多領(lǐng)域系統(tǒng)建模仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了起落架的系統(tǒng)級(jí)統(tǒng)一建模，并實(shí)現(xiàn)了支持Modelica模型的半物理仿真應(yīng)用，可以用來(lái)指導(dǎo)起落架的總體設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。

起落架；Modelica；多領(lǐng)域建模；半物理仿真；MWorks

1 引 言

飛機(jī)起落架系統(tǒng)是飛機(jī)在地面停放和起降滑跑時(shí)用于支持飛機(jī)重量、吸收撞擊能量的部件，作為飛機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其工作性能直接影響到飛機(jī)起飛、著陸性能與飛行安全［1］。飛機(jī)起落架系統(tǒng)是典型的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品，由液壓、機(jī)械、控制等多個(gè)領(lǐng)域子系統(tǒng)組成，從方案設(shè)計(jì)到系統(tǒng)測(cè)試的整個(gè)研發(fā)過(guò)程十分復(fù)雜。隨著仿真技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在起落架的設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中，越來(lái)越多的采用了數(shù)字仿真和半物理仿真技術(shù)［2，3］。但是，僅僅通過(guò)AMESim、Matlab／Simulink等單一領(lǐng)域的數(shù)字仿真工具，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)起落架進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)建模仿真；并且，基于Matlab／Simulink的半物理建模工具具有很大的局限性，根本無(wú)法支持機(jī)械、液壓和控制等領(lǐng)域模型的半物理仿真應(yīng)用。

近些年來(lái)，逐漸興起的Modelica語(yǔ)言具有多領(lǐng)域系統(tǒng)統(tǒng)一建模特點(diǎn)，并且支持基于方程的非因果建模和連續(xù)－離散混合建模，以及基于可視化拖放式的層次建模，特別適于飛機(jī)起落架等復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的多領(lǐng)域統(tǒng)一物理建模。但是，目前的半物理仿真主要是基于Matlab／Simulink建模工具實(shí)現(xiàn)，尚不支持基于Modelica語(yǔ)言的建模工具。

因此，研究建立基于Modelica的起落架半物理仿真平臺(tái)，將既能發(fā)揮Modelica多領(lǐng)域建模的優(yōu)勢(shì)，又能發(fā)揮半物理仿真的優(yōu)勢(shì)，可以為起落架設(shè)計(jì)提供新的解決方案，對(duì)起落架的正向設(shè)計(jì)與開發(fā)過(guò)程有重大的作用。

2 當(dāng)前起落架模型設(shè)計(jì)方法及其局限性分析

中南大學(xué)的楊振耕通過(guò)在Matlab／Simulink中建立飛機(jī)機(jī)體、機(jī)輪、跑道、剎車裝置等數(shù)學(xué)模型，并將剎車控制盒、電液伺服閥等剎車組件接入仿真回路，為飛機(jī)剎車控制律設(shè)計(jì)提供可靠的半物理仿真測(cè)試平臺(tái)［4］。浙江大學(xué)的梁虎針對(duì)C919起落架液壓系統(tǒng)特點(diǎn)，分析各種飛行工況，基于非模型、固定邏輯程序，研制了邏輯測(cè)試硬件平臺(tái)，利用半物理仿真平臺(tái)驗(yàn)證了綜合管理設(shè)計(jì)的合理性［5］。中南大學(xué)的張航其在Matlab／Simulink中建立飛機(jī)機(jī)體運(yùn)動(dòng)力學(xué)和起落架等仿真模型，在仿真回路中接入防滑剎車控制單元和液壓系統(tǒng)等實(shí)物系統(tǒng)，為機(jī)輪剎車系統(tǒng)的驗(yàn)證提供了可靠的半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)［6］。

上述對(duì)起落架的半物理仿真研究主要集中在某一特定的系統(tǒng)，雖然都取得了一定的成果，但對(duì)于由多個(gè)子系統(tǒng)耦合而成的起落架的整體設(shè)計(jì)和仿真，在Matlab／Simulink中無(wú)法完成機(jī)械、液壓和控制等多個(gè)領(lǐng)域的統(tǒng)一建模，這樣只針對(duì)某一領(lǐng)域的建模和仿真具有局限性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)起落架的系統(tǒng)級(jí)建模，不能用來(lái)指導(dǎo)起落架的總體設(shè)計(jì)。

飛機(jī)起落架包含液壓、機(jī)械、控制等多個(gè)領(lǐng)域子系統(tǒng)，對(duì)于其進(jìn)行建模、仿真和分析時(shí)，傳統(tǒng)的單一領(lǐng)域仿真軟件無(wú)法實(shí)現(xiàn)［7］，比如機(jī)械系統(tǒng)多采用Virtual.Lab Motion，氣液系統(tǒng)多采用AMESim，控制邏輯多采用Matlab／Simulink，這種方式下需要采用聯(lián)合仿真的模式，才能進(jìn)行機(jī)械、液壓、控制多領(lǐng)域耦合分析，這實(shí)質(zhì)上是一種模型集成的方法，需要用到多種商用仿真軟件，并為每一種軟件配置模型接口，人為的割裂了不同領(lǐng)域子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，在飛機(jī)起落架等復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難［8］。而且，上述其他軟件在半物理仿真快速原型C代碼的自動(dòng)生成存在缺陷，具體表現(xiàn)在用戶配置復(fù)雜，目標(biāo)機(jī)無(wú)法直接使用等問(wèn)題。

3 基于M odelica的起落架模型設(shè)計(jì)方法

Modelica語(yǔ)言能夠用來(lái)描述機(jī)械、液壓和控制等多個(gè)領(lǐng)域的模型或組件，已有大量可復(fù)用的領(lǐng)域庫(kù)，具有面向?qū)ο笳Z(yǔ)言特征，允許組件復(fù)用和模型進(jìn)化，上述特點(diǎn)特別適于航天航空領(lǐng)域中復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的多領(lǐng)域統(tǒng)一建模。

飛機(jī)起落架系統(tǒng)包括液壓綜合管理、收放控制、前輪轉(zhuǎn)彎控制、剎車控制等多個(gè)功能子系統(tǒng)，整個(gè)飛機(jī)起落架系統(tǒng)就是由這幾個(gè)領(lǐng)域的多個(gè)子系統(tǒng)耦合實(shí)現(xiàn)的。因此，采用Modleica語(yǔ)言進(jìn)行起落架系統(tǒng)建模時(shí)，在模型架構(gòu)設(shè)計(jì)方面，可以為機(jī)械，液壓和控制分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的領(lǐng)域子系統(tǒng)模型庫(kù)，從領(lǐng)域子系統(tǒng)庫(kù)中可以選取所需組件搭建起落架的各個(gè)功能子系統(tǒng)模型，從而建立起落架仿真模型。

MWorks是基于多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語(yǔ)言Modelica的仿真軟件，通過(guò)對(duì)多領(lǐng)域模型的方程系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的優(yōu)化、約簡(jiǎn)、解耦，從而支持起落架系統(tǒng)的機(jī)械、液壓、控制多領(lǐng)域耦合分析。MWorks同時(shí)支持為其所建的模型生成快速原型目標(biāo)C代碼，供目標(biāo)機(jī)使用。基于Modelica語(yǔ)言，在統(tǒng)一的MWorks平臺(tái)下為液壓起落架收放控制、轉(zhuǎn)向控制、剎車控制、液壓能源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)模型庫(kù)，如圖1所示。系統(tǒng)模型庫(kù)主要由Hydraulics液壓領(lǐng)域子系統(tǒng)庫(kù)、Cybernetics控制領(lǐng)域子系統(tǒng)庫(kù)和Mechanics機(jī)械領(lǐng)域子系統(tǒng)庫(kù)三部分組成，每一個(gè)領(lǐng)域子系統(tǒng)模型庫(kù)，都包含了對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)元件，通過(guò)復(fù)用基礎(chǔ)元件設(shè)計(jì)了所需的子系統(tǒng)組件，進(jìn)而建立子系統(tǒng)模型庫(kù)。

圖1 液壓起落架系統(tǒng)模型庫(kù)框架圖Fig.1 Frame diagram of the landing gear system

如圖2所示，液壓子系統(tǒng)庫(kù)提供起落架液壓回路主要元件組成的系統(tǒng)回路，并包括起落架鎖定與開鎖作動(dòng)筒模型，用于接收控制系統(tǒng)提供的控制信號(hào)并為控制系統(tǒng)提供壓力等信息反饋。為此設(shè)計(jì)液壓子庫(kù)主要包含：起落架液壓回路元件（如換向閥、蓄能器、作動(dòng)筒、油箱），各研究對(duì)象（如起落架收放系統(tǒng)）的液壓回路等模型。

控制子系統(tǒng)庫(kù)提供起落架收放的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、起落架轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)信號(hào)、接收行程開關(guān)、接近開關(guān)等反饋信號(hào)和對(duì)應(yīng)的邏輯運(yùn)算以及泵的啟停和流量大小控制信號(hào)等。為此設(shè)計(jì)控制子庫(kù)主要包含：起落架控制操作的機(jī)械信號(hào)模擬（收放、轉(zhuǎn)向、緊急制動(dòng)），信號(hào)轉(zhuǎn)換（如機(jī)械信號(hào)到電信號(hào)），信號(hào)處理與控制算法等。機(jī)械子系統(tǒng)庫(kù)提供了前、主左、主右起落架的多體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，為液壓系統(tǒng)的提供負(fù)載，為控制系統(tǒng)提供負(fù)載力、位置等信息反饋。為此設(shè)計(jì)機(jī)械子庫(kù)主要包含：機(jī)械系統(tǒng)子模型元件（如接近開關(guān)傳感器、鎖、機(jī)輪、懸架），各研究對(duì)象（如起落架收放系統(tǒng)）的機(jī)械動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)等模型。

圖2 液壓系統(tǒng)子庫(kù)Fig.2 Hyd raulic system m odel librar

4 半物理仿真平臺(tái)構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)過(guò)程

半物理仿真技術(shù)又稱為硬件在回路仿真，它是在對(duì)某些系統(tǒng)的研究中，把數(shù)學(xué)模型與物理模型或?qū)嵨锫?lián)接在一起進(jìn)行試驗(yàn)，即對(duì)系統(tǒng)的一部分建立數(shù)學(xué)模型，并編寫程序在計(jì)算機(jī)中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真，同時(shí)將所研究系統(tǒng)的部分實(shí)物接到仿真回路，進(jìn)行聯(lián)合試驗(yàn)［9］，主要用于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。

液壓起落架半物理仿真平臺(tái)的構(gòu)建，需要為起落架系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)統(tǒng)一的建模仿真環(huán)境。不僅要支持?jǐn)?shù)字仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)起落架收放系統(tǒng)、前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)、機(jī)輪剎車系統(tǒng)、液壓綜合控制系統(tǒng)的功能仿真與驗(yàn)證，為系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，針對(duì)剎車等控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，還要支持半物理仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)間交聯(lián)設(shè)計(jì)的仿真驗(yàn)證，采用硬件測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)，通過(guò)與真件交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)這些系統(tǒng)的高置信度仿真分析與試驗(yàn)，使得平臺(tái)具備系統(tǒng)故障分析的能力。

基于Modelica的起落架半物理仿真平臺(tái)如圖3所示，平臺(tái)總體設(shè)計(jì)了五個(gè)子系統(tǒng)：數(shù)字仿真系統(tǒng)、綜合管理系統(tǒng)、信號(hào)模擬系統(tǒng)、仿真目標(biāo)機(jī)、數(shù)據(jù)接口。子系統(tǒng)之間由LAN局域網(wǎng)和信號(hào)線、總線連接。

圖3 平臺(tái)總體框架示意圖Fig.3 Schematic diagram of the overall framework p latform

（1）數(shù)字仿真系統(tǒng)即MWorks平臺(tái)，在MWorks中開發(fā)出航空組件模型庫(kù)，完成仿真所需的數(shù)學(xué)模型的搭建，并通過(guò)RTI接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速原型目標(biāo)C代碼的生成。

（2）綜合管理系統(tǒng)由人機(jī)界面與目標(biāo)機(jī)通訊兩部分組成，具有包括仿真工程管理、仿真配置、代碼自動(dòng)下載、仿真控制、參數(shù)預(yù)置、在線調(diào)參、仿真監(jiān)視以及仿真數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和離線分析等功能。

（3）考慮到起落架系統(tǒng)為非獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)，與航電、飛控有信號(hào)交互，在平臺(tái)中還設(shè)計(jì)了信號(hào)模擬系統(tǒng)，用來(lái)模擬航電、飛控等系統(tǒng)提供的信號(hào)，通過(guò)顯示控件來(lái)顯示信號(hào)，通過(guò)ARINC429、AD、DA等板塊來(lái)發(fā)送接收信號(hào)，通過(guò)CSV格式文件來(lái)存儲(chǔ)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)模擬系統(tǒng)所需的功能。

（4）仿真目標(biāo)機(jī)是液壓起落架半物理仿真平臺(tái)中進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算模型代碼的計(jì)算機(jī)，其上運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度滿足起落架系統(tǒng)仿真實(shí)時(shí)性的需求，是平臺(tái)的硬件核心設(shè)備，平臺(tái)設(shè)計(jì)了兩臺(tái)仿真目標(biāo)機(jī)，其中一臺(tái)用于液壓系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)的一維和三維數(shù)字模型的仿真，模擬實(shí)現(xiàn)飛機(jī)環(huán)境系統(tǒng)的相關(guān)信號(hào)，另一臺(tái)用于液壓、起落架系統(tǒng)控制器（ECU）代碼的實(shí)時(shí)仿真，模擬實(shí)現(xiàn)控制器的相關(guān)信號(hào)。

（5）為了保證兩臺(tái)仿真目標(biāo)機(jī)間的通訊，設(shè)計(jì)了專用的數(shù)據(jù)接口設(shè)備，包括接口連接器、機(jī)柜面板、信號(hào)調(diào)理以及其他設(shè)備（1臺(tái)16端口以太網(wǎng)交換機(jī)；1臺(tái)～220V，6kVA，UPS電源；2臺(tái) 28V，10A，DC電源）四個(gè)部分。

液壓起落架各個(gè)子系統(tǒng)模型按照主控對(duì)象（起落架控制系統(tǒng)）與被控對(duì)象（起落架機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等）劃分為兩部分，分別運(yùn)行于控制系統(tǒng)仿真目標(biāo)機(jī)和液壓／機(jī)械系統(tǒng)仿真目標(biāo)機(jī)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真計(jì)算。兩者之間通過(guò)總線及真件交聯(lián)接口連接，并支持與用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。

液壓起落架系統(tǒng)在該平臺(tái)中的半物理仿真實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

（1）在數(shù)字仿真系統(tǒng)MWorks平臺(tái)上，建立基于Modelica的控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)模型，并加入設(shè)備接口模塊；（2）通過(guò)代碼生成模塊生成目標(biāo)代碼；（3）通過(guò)綜合管理系統(tǒng)下載目標(biāo)代碼到仿真目標(biāo)機(jī)中；（4）在仿真目標(biāo)機(jī)中進(jìn)行實(shí)時(shí)的半物理仿真；（5）仿真目標(biāo)機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)接口與硬件實(shí)物交互，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)硬件的性能測(cè)試。

在整個(gè)過(guò)程中，信號(hào)模擬系統(tǒng)為仿真目標(biāo)機(jī)以及儀表顯示系統(tǒng)提供模擬的航電信號(hào)，同時(shí)，儀表顯示系統(tǒng)參照真實(shí)座艙儀表面板以可視化方式顯示起落架系統(tǒng)相關(guān)的重要數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，故障模擬設(shè)備可以模擬產(chǎn)生控制系統(tǒng)與液壓／機(jī)械系統(tǒng)之間的信號(hào)連接的物理故障，以分析控制系統(tǒng)在故障產(chǎn)生情況下的控制效果。為了進(jìn)一步驗(yàn)證平臺(tái)的可靠性，可以進(jìn)行硬件測(cè)試與試驗(yàn)。硬件測(cè)試與試驗(yàn)是將起落架的控制系統(tǒng)和液壓／機(jī)械系統(tǒng)兩者中的一部分以模型方式運(yùn)行于仿真目標(biāo)機(jī)中，另一部分則替換為實(shí)物。兩者之間采用總線以及真件交聯(lián)接口連接，連接方式與真實(shí)部件之間的連接方式相似，以實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證和檢測(cè)液壓起落架系統(tǒng)的綜合功能及系統(tǒng)在故障情況時(shí)的功能。

5 起落架半物理仿真平臺(tái)應(yīng)用驗(yàn)證

支持Modelica模型的半物理仿真平臺(tái)已成功應(yīng)用到某國(guó)產(chǎn)飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)中。以起落架收放系統(tǒng)為例對(duì)半物理仿真平臺(tái)進(jìn)行說(shuō)明。圖4為基于Modleica語(yǔ)言建立的起落架收放系統(tǒng)控制部分?jǐn)?shù)字模型，圖5為基于Modleica語(yǔ)言建立的起落架收放系統(tǒng)機(jī)械液壓部分?jǐn)?shù)字模型，通過(guò)平臺(tái)綜合管理系統(tǒng)，將由代碼生成模塊生成目標(biāo)代碼下載到仿真目標(biāo)機(jī)中，即可實(shí)現(xiàn)起落架收放系統(tǒng)的半物理仿真。

圖4 起落架收放系統(tǒng)控制部分?jǐn)?shù)字模型Fig.4 Digitalmodel of the landing gear control system

圖5 起落架收放系統(tǒng)機(jī)械液壓部分?jǐn)?shù)字模型Fig.5 Digitalmodel of the landing gear hydraulic system

通過(guò)起落架半物理仿真平臺(tái)，對(duì)起落架收放系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。圖6為起落架正常放時(shí)起落架轉(zhuǎn)角位置和液壓系統(tǒng)流量曲線，圖7為起落架應(yīng)急放時(shí)起落架轉(zhuǎn)角位置曲線。基于該半物理仿真平臺(tái)，其仿真結(jié)果與實(shí)際物理測(cè)試結(jié)果總體上趨于吻合。

6 結(jié) 論

支持Modelica的起落架半物理仿真平臺(tái)的研究與應(yīng)用，表明其技術(shù)路線可行，結(jié)果可信度高，通過(guò)Modelica在多領(lǐng)域建模方面的優(yōu)勢(shì)以及對(duì)半物理仿真的支持，解決了由多個(gè)子系統(tǒng)耦合而成模型的半物理仿真實(shí)現(xiàn)困難的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜模型的統(tǒng)一建模和統(tǒng)一仿真，提高了工作效率，對(duì)于飛機(jī)起落架高速、大角度轉(zhuǎn)彎等極限工況仿真和起落架收放故障無(wú)損試驗(yàn)意義重大。

圖6 正常放半物理仿真曲線Fig.6 Sem i-physical simulation curve of normal landing gear extension

圖7 應(yīng)急放半物理仿真曲線Fig.7 Sem i-physical simulation curve of emergency landing gear extension

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ZHAO J，DING J，ZHOU F，CHEN L.Modelica and Its Mechanism of Multi-domain Unified Modeling and Simulation［J］.Journal of System Simulation，2006，S2：570－573.

［9］ 陳巨輝.柴油機(jī)電控系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真技術(shù)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008.

CHEN J.Research on Hardware-in-the-Loop Simulation for Diesel Electronic Control System［D］.Harbin：Harbin Engineering University，2008.

董 政 男（1989－），江西婺源人，碩士生，主要研究方向?yàn)榘胛锢矸抡妗⒍囝I(lǐng)域建模。

張洪昌 男（1980－），山東龍口人，博士，主要研究方向：多領(lǐng)域建模、半物理仿真技術(shù)與應(yīng)用。

公 告

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《系統(tǒng)仿真技術(shù)》編輯部

2015年10月15日

Hardware-in-Loop Simulation of Aircraft Landing Gear Using Modelica Language

DONG Zheng1，ZHANG Hongchang1，2，DING Jianwan1

（1.CAD Center，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2.Suzhou Tongyuan Software＆Control Technology Co.，Ltd.，Suzhou 215123，China）

Aircraft landing gear relates to themechanical，hydraulic and control fields，is unable to realize the overallmodeling，simulation and analysis by traditional single field simulation software.A hardwarein-loop simulation platform based on Modelica language，provides a uniform environment for landing gear system modeling and simulation，realize the system levelmodeling of the landing gear，can be used to guide the overall design of landing gear.

landing gear；Modelica；multi-domain modeling；hardware-in-loop；MWorks

TP 391.9

A

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（No.2012BAF16G02）