基于工程模擬器的液壓系統仿真模型開發與應用

摘 要：工程模擬器通過建模與仿真技術，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境的試驗平臺。為了支持控制律設計及適航驗證試驗，必須集成高保真且符合需求的機載系統仿真模型，從而提高工程模擬器的置信度。液壓系統作為源系統，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。基于工程模擬器環境提出了液壓系統仿真模型開發、測試及應用方法，為開發適用于模擬器的液壓系統模型提供參考。

關鍵詞：工程模擬器；液壓系統；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在國民經濟各行業得到廣泛應用。流體力學、現代控制理論、算法理論、可靠性理論等相關學科的迅速發展，尤其是計算機技術的突飛猛進，使得液壓系統可以通過仿真技術進行分析和評估，從而優化系統設計、縮短設計周期，解決系統設計存在的問題[1]。計算機仿真是利用現代計算機技術，對待分析系統進行數字建模，并根據需要編制相應的程序對系統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值計算可視化軟件，它提供的動態仿真工具箱Simulink，是眾多仿真軟件中功能最強大、最優秀的一種，使建模、仿真算法、仿真結果分析與可視化等實現起來非常簡便[2]。

液壓作為動力源系統，因為其高可靠性和高功率輸出性能，在民用飛機設計中應用廣泛。一般大型客機液壓系統為相互獨立的三余度系統，主要組成部分為：發動機泵、電動液壓泵、防火切斷閥、液壓油箱組件、油濾組件、蓄壓器、能源轉換裝置、系統綜合控制單元、系統安全閥、壓力傳感器、溫度傳感器、活門及開關等。液壓系統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、高升力操縱系統、起落架及機輪剎車系統等。

1 工程模擬器對液壓系統仿真模型需求

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相應功能。工程模擬器主要包括以下系統[3]：①座艙結構及駕駛艙設備仿真系統；②飛行仿真系統；③機載系統仿真；④操縱負荷系統；⑤視景系統；⑥硬件接口系統；⑦計算機實時仿真及網絡系統；⑧運動系統；⑨聲音系統；B10綜合控制臺。

工程模擬器實時仿真架構中主控計算機作為核心節點，與其它計算機節點共同構成一個星型分布式計算機系統。主控計算機采用VxWorks/Linux等實時操作系統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用運行實現精確定時，對各分系統的仿真軟件進行管理和調度，同時還對網絡通訊進行集中管理。

模擬器設計中，需要基于工程模擬器架構、實時操作系統以及承擔試驗需求，提出各機載系統仿真模型需求，其中液壓系統仿真模型開發建模規范至少應包含以下內容：①開發工具：應指明模型開發軟件及版本；②模型運行頻率：應指明模型運行頻率；③提交形式：一般要求封裝S函數支持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：一般要求模型反應整個液壓系統架構，代表真實系統功能，包括正常功能和系統典型故障；⑤性能要求：一般體現在流量、壓力等可量化指標與數據源可接受容差范圍；⑥構型控制要求：需要將模型、相關庫文件、報告等納入構型管理系統，控制更改；⑦提交文檔要求：應提交模型描述報告和測試報告；⑧技術支持要求：模型供應商應在工程模擬器集成仿真模型過程中提供技術支持。

2 液壓系統仿真模型開發

液壓系統仿真模型應該模擬液壓系統架構（三套對立液壓子系統）。仿真模型以Matlab/Simulink形式提供發動機驅動泵、電動泵、能源轉換裝置、優先閥等部件。模型建模復雜度和詳細程度如圖1所示。總的來說，模型應代表飛機性能，包括收放時間、流量、壓力等，模型精度需要和試驗臺基準數據源進行對比分析[4]。

液壓系統動態模型應包括以下功能：①模型接收駕駛艙控制裝置指令，仿真液壓系統功能，發送信號到與液壓系統連接的裝置；②模型應包括電源及發動機轉速輸出的液壓流量/壓力特性；③響應模擬所有物理變量，例如電壓、流量、壓力和載荷等；④模型應反映真實液壓系統性能，并滿足建模規范要求；⑤液壓系統需提供壓力給起落架收放、前輪轉彎、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模型應包括失效模式條件下系統運行特性。

建立復雜系統模型與系統仿真一般采用自下而上的建模方式：首先建立復雜系統功能模塊，然后根據所模擬系統特性，將這些功能模塊有機結合，逐步建立整個系統模型。供應商在開發液壓系統仿真模型時，首先需要在SIMUKINK下建立部件級模型庫，在此基礎上開發整個液壓系統全功能仿真模型。開發流程如下：①根據系統設計參數對SIMULINK仿真模塊中的參數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測，并將仿真結果形成數據文件，存放在MATLAB的工作空間中，可隨時調出或輸出；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測；④確保功能、性能及故障滿足設計要求之后，封著為S函數形式，并利用MATLAB RTW自動代碼生產功能，將系統仿真模型轉換為嵌入式C代碼，一并提交到設計團隊。

3 測試與集成

液壓仿真模型必須反映所模擬的系統功能，供應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；②產生測試場景的輸入序列/時間；③期待的輸出結果和容差。

供應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，設計團隊首先會在桌面仿真環境對模型進行測試，建立試驗環境，對比供應商提供的測試輸出結果。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

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

4 應用

經過集成測試后的液壓系統仿真模型可用于相關試驗。液壓系統作為源系統，為多個用戶提供液壓動力，在工程模擬器中，液壓系統模型主要應用有：①液壓系統正常功能試驗；②液壓系統功能危險性確認試驗；③液壓系統故障試驗；④液壓系統與其它系統交聯試驗。

例如液壓系統與飛控作動系統方向舵上舵面交聯，飛控系統根據控制律解算的舵面偏轉角度，計算出作動器收放的流量需求，此流量提供給液壓系統仿真模型作為輸入，液壓系統仿真模型基于流量和系統狀態輸出作動器壓力，結果如圖3和圖4所示。

5 結語

本文從工程模擬器應用及試驗需求出發，提出了液壓系統仿真模型具體要求，包括建模規范、開發、測試、集成到應用等，遵循系統工程方法論，確保供應商交付模型滿足模擬器使用環境要求，減少重復設計，縮短設計周期，節約成本，提高效率，為模擬器機載系統仿真模型開發提供參考。

參考文獻：

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

[2]周高峰，趙則祥. MATLAB/Si mulink機電動態系統仿真及工程應用[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MOC8工程模擬器驗證方法分析[J].民用飛機設計與研究，2010（1）：33-36.

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