HWIL硬件在環仿真方法在民機剎車系統中的應用介紹

楊鵬

【摘 要】本文針對安全性要求非常高的民機剎車系統，介紹了驗證其性能和排故等的一個比較先進的方法——HWIL硬件在環仿真方法，給出了HWIL剎車試驗平臺搭建方法，比較了HWIL相對于傳統方法的優勢。最后，提供了剎車系統使用HWIL進行仿真試驗的具體考慮。通過介紹可以看出，HWIL方法對于民機剎車系統研制具有重要作用。

【關鍵詞】民機；剎車系統；硬件在環仿真；性能；慣性臺

【Abstract】Towards the civil aircraft which has high level requirement for safety， an advanced method for performance verification and trouble shooting is introduced， which named HWIL （Hardware-In-the-Loop simulation）. The HWIL building method is proposed， and the advantage is compared with traditional method. In the end， the detailed consideration for civil aircraft brake system to use HWIL is provided. Per the introduction， the importance of HWIL method for civil aircraft brake system development is celar.

【Key words】Civil aircraft；Brake system；HWIL；Performance；Dynamometer

0 引言

隨著民用航空技術的發展和使用，人們越來越多的搭乘飛機出行。相應地，對民機的要求也越來越高。作為使民機安全停止的最重要手段之一，對剎車系統的要求也越來越高，包括安全性、經濟型和舒適性等[1]。為了使剎車系統能夠在民機運營時正確的發揮作用，滿足這些需求，根據SAE ARP 4754A[2]，需要在研發過程中進行充分的驗證，其中一項就是驗證剎車系統能否在不同的跑道情況下（包括干跑道、濕跑道[3]和積雪、融雪、冰等污染跑道[4]）工作正常。

剎車系統的控制依賴飛機輪速、地速等的反饋，作為剎車系統判斷其是否正常工作的依據。但是，對于積雪、融雪、冰等污染跑道，由于摩擦系數非常低，一方面剎車距離大大增加，另一方面容易發生非對稱剎車而使飛機偏轉，兩者都有可能使飛機沖出跑道，甚至導致機毀人亡，進行剎車系統試驗非常危險。因此，能否在實驗室條件下模擬飛機真實反饋，以驗證剎車性能（防滑效率、著陸場長等）就變得十分必要。本文將介紹目前國際上主流的實驗室驗證剎車性能的方法之一——HWIL硬件在環仿真技術。

1 剎車系統HWIL介紹及試驗平臺搭建

HWIL，全稱Hardware-In –the-Loop，即硬件在環仿真，顧名思義，是指使用真實硬件搭建試驗平臺，并通過計算機模擬實驗室不具備的其他參數進行試驗驗證的技術，因此也稱為半物理仿真。

在民機剎車系統研制初期的理論階段，剎車系統的硬件還未制造出來，此時需要搭建純仿真平臺，以盡可能早地發現可能存在的問題并加以解決。當剎車系統的硬件設計并制造出來后，就進入HWIL階段了。在HWIL中，剎車系統的試驗件均為真件或等效真件，除剎車系統外的飛機本身氣動等輸入參數在計算機中進行仿真，通過HWIL平臺在計算機中模擬飛機和其他交聯系統的響應和反饋，如飛機姿態、速度、起落架緩沖支柱壓縮量等，從而判斷剎車系統是否正常工作，并模擬剎車性能。此處需要注意的是，除剎車系統外的飛機參數是HWIL中必要的輸入，其準確性很大程度影響仿真結果的準確性，因此需要提供盡可能準確的各個輸入參數。

圖1為剎車系統HWIL硬件在環仿真平臺的示意圖。其中實線框代表真實硬件，虛線框為飛機輸入參數。由圖中可以看出，重量重心、氣動參數等飛機參數輸入到HWIL計算機中，同時計算機接收來自剎車控制盒的控制和采集信號，計算飛機在每個時刻的輪速、地速等響應，輸入到剎車控制盒中。剎車控制盒根據計算機提供的控制指令及此時飛機的響應，輸出給下游的剎車系統真實硬件（如剎車控制閥、切斷閥等）控制指令，從而執行剎車動作，并產生相應的剎車壓力、剎車力矩等，這些數據同樣會輸入到剎車控制盒中作為剎車控制閥閉環控制的反饋。液壓能源系統提供真實的液壓油，作為剎車供壓源。

2 HWIL與慣性臺聯調試驗方法對比

實際上，在國際上民機剎車系統采用HWIL方法之前，比較廣泛采用的是慣性臺聯調試驗方法。所謂慣性臺聯調方法就是通過大的轉動慣性臺驅動機輪轉動，提供真實的輪速，并在剎車控制系統施加剎車力將轉動的機輪剎停時模擬跑道，提供摩擦力。但是這種方法有諸多不足，所以逐漸被國際主流民機廠商淘汰。表1提供了HWIL相對于慣性臺聯調試驗方法的優點。由表1可以看出，HWIL比慣性臺聯調方法明顯優越很多，所以已經成為如克瑞、賽峰等波音、空客民機主流供應商的首選。

3 剎車系統HWIL試驗時的考慮

3.1 使用HWIL目的和對應試驗項目

剎車系統使用HWIL平臺進行硬件在環仿真，主要基于以下目的：

1）驗證剎車系統性能；

2）表征剎車系統的硬件是完好的；

3）調整剎車系統軟件來優化其在特定飛機上的表現；

4）表明飛行的安全性；

5）幫助故障定位，提高意外情況出現時的排故能力。

根據以上目的，剎車系統HWIL硬件在環仿真時至少需要考慮如表2所示的項目。

3.2 HWIL所需參數

由于HWIL為半物理仿真，除剎車系統外的飛機本身氣動特性等參數都依賴于輸入到HWIL仿真平臺中，因此HWIL精確仿真所需要的參數清單就十分必要。根據經驗，主要參數清單如下：

3.3 HWIL平臺修正

由于HWIL部分為仿真和計算模型，在初始仿真時的結果與飛機真實試驗結果未必完全一致，因此需要將飛機上可以進行的試驗數據（如普通干跑道著陸等）與HWIL仿真結果進行對比分析，對HWIL仿真平臺進行修正和優化，以保證HWIL平臺可以比較精確地反應飛機真實情況，從而模擬冰跑道剎車等飛機無法進行的試驗項目。

4 小結

本文介紹了民機剎車系統HWIL硬件在環仿真方法及其優勢，并介紹了民機剎車系統使用HWIL進行硬件在環仿真時的考慮。通過介紹可以得知HWIL對于民機剎車系統進行性能仿真、故障定位/排故和節省試驗成本等方面有較大優勢，為國際主流民機剎車系統首選方法，并且也逐漸為國內民航和民機剎車系統研制所認可和實施的重要方法。

【參考文獻】

[1]Young D W.“Aircraft Landing Gears -The Past， Present and Future”， Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part D Transport Engineering， pp.75-92，1986.

[2]SAE.ARP 4754A- Guidelines for development of Civil Aircraft and Systems， Society of Automotive Engineers， 1996.

[3]中國民航總局.中國民用航空規章第25部-運輸類飛機適航標準[CCAR-25-R4]. 2011.11， pp.8-14.

[4]EASA.Certification Specifications and Acceptable Means of Compliance for Large Aeroplanes Amendment 16， European Aviation Safety Agency， pp.1-D-13—1-D-15， 2015.

[責任編輯：朱麗娜]