基于工程模拟器的液压系统仿真模型开发与应用

摘 要：工程模拟器通过建模与仿真技术，为工程师和飞行员提供了一台具有运动感觉及高逼真度模拟飞行环境的试验平台。为了支持控制律设计及适航验证试验，必须集成高保真且符合需求的机载系统仿真模型，从而提高工程模拟器的置信度。液压系统作为源系统，为飞机多个用户提供液压源，其模型精度直接影响模拟器性能。基于工程模拟器环境提出了液压系统仿真模型开发、测试及应用方法，为开发适用于模拟器的液压系统模型提供参考。

关键词：工程模拟器；液压系统；仿真模型

DOIDOI：10.11907/rjdk.171611

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2017）007-0140-02

0 引言

近年来，液压传动与控制系统在国民经济各行业得到广泛应用。流体力学、现代控制理论、算法理论、可靠性理论等相关学科的迅速发展，尤其是计算机技术的突飞猛进，使得液压系统可以通过仿真技术进行分析和评估，从而优化系统设计、缩短设计周期，解决系统设计存在的问题[1]。计算机仿真是利用现代计算机技术，对待分析系统进行数字建模，并根据需要编制相应的程序对系统模型进行仿真分析的过程。MATLAB是MathWorks公司1982年推出的一套高性能数值计算可视化软件，它提供的动态仿真工具箱Simulink，是众多仿真软件中功能最强大、最优秀的一种，使建模、仿真算法、仿真结果分析与可视化等实现起来非常简便[2]。

液压作为动力源系统，因为其高可靠性和高功率输出性能，在民用飞机设计中应用广泛。一般大型客机液压系统为相互独立的三余度系统，主要组成部分为：发动机泵、电动液压泵、防火切断阀、液压油箱组件、油滤组件、蓄压器、能源转换装置、系统综合控制单元、系统安全阀、压力传感器、温度传感器、活门及开关等。液压系统的主要功能是为飞机液压用户提供液压能源，这些液压用户包括主飞行操纵系统、高升力操纵系统、起落架及机轮刹车系统等。

1 工程模拟器对液压系统仿真模型需求

工程模拟器是半实物仿真平台，贯穿于飞机设计各个阶段，在飞机研制不同时期，都可以配合飞机研制实现相应功能。工程模拟器主要包括以下系统[3]：①座舱结构及驾驶舱设备仿真系统；②飞行仿真系统；③机载系统仿真；④操纵负荷系统；⑤视景系统；⑥硬件接口系统；⑦计算机实时仿真及网络系统；⑧运动系统；⑨声音系统；B10综合控制台。

工程模拟器实时仿真架构中主控计算机作为核心节点，与其它计算机节点共同构成一个星型分布式计算机系统。主控计算机采用VxWorks/Linux等实时操作系统以保证仿真迭代解算的实时性。在主控计算机中，运行实时管理软件，通过“看门狗”时钟机制对仿真程序的调用运行实现精确定时，对各分系统的仿真软件进行管理和调度，同时还对网络通讯进行集中管理。

模拟器设计中，需要基于工程模拟器架构、实时操作系统以及承担试验需求，提出各机载系统仿真模型需求，其中液压系统仿真模型开发建模规范至少应包含以下内容：①开发工具：应指明模型开发软件及版本；②模型运行频率：应指明模型运行频率；③提交形式：一般要求封装S函数支持Windows桌面仿真，基于开源模型RTW自动生成的ERTC代码支持模拟器实时仿真；④模型功能：一般要求模型反应整个液压系统架构，代表真实系统功能，包括正常功能和系统典型故障；⑤性能要求：一般体现在流量、压力等可量化指标与数据源可接受容差范围；⑥构型控制要求：需要将模型、相关库文件、报告等纳入构型管理系统，控制更改；⑦提交文档要求：应提交模型描述报告和测试报告；⑧技术支持要求：模型供应商应在工程模拟器集成仿真模型过程中提供技术支持。

2 液压系统仿真模型开发

液压系统仿真模型应该模拟液压系统架构（三套对立液压子系统）。仿真模型以Matlab/Simulink形式提供发动机驱动泵、电动泵、能源转换装置、优先阀等部件。模型建模复杂度和详细程度如图1所示。总的来说，模型应代表飞机性能，包括收放时间、流量、压力等，模型精度需要和试验台基准数据源进行对比分析[4]。

液压系统动态模型应包括以下功能：①模型接收驾驶舱控制装置指令，仿真液压系统功能，发送信号到与液压系统连接的装置；②模型应包括电源及发动机转速输出的液压流量/压力特性；③响应模拟所有物理变量，例如电压、流量、压力和载荷等；④模型应反映真实液压系统性能，并满足建模规范要求；⑤液压系统需提供压力给起落架收放、前轮转弯、升降舵、方向舵、副翼、扰流板、襟缝翼、刹车及地面RAT收起功能；⑥模型应包括失效模式条件下系统运行特性。

建立复杂系统模型与系统仿真一般采用自下而上的建模方式：首先建立复杂系统功能模块，然后根据所模拟系统特性，将这些功能模块有机结合，逐步建立整个系统模型。供应商在开发液压系统仿真模型时，首先需要在SIMUKINK下建立部件级模型库，在此基础上开发整个液压系统全功能仿真模型。开发流程如下：①根据系统设计参数对SIMULINK仿真模块中的参数值进行初始化和赋值，并进行仿真计算；②仿真过程中，可以实时对所建立的模块输出进行监测，并将仿真结果形成数据文件，存放在MATLAB的工作空间中，可随时调出或输出；③仿真算法一般采用可变步长的四阶龙格-库塔法，可以提供误差控制和过零监测；④确保功能、性能及故障满足设计要求之后，封着为S函数形式，并利用MATLAB RTW自动代码生产功能，将系统仿真模型转换为嵌入式C代码，一并提交到设计团队。

3 测试与集成

液压仿真模型必须反映所模拟的系统功能，供应商在提交仿真模型前需对模型进行确认。仿真模型提交的同时需提供确认测试向量，包括：①建立仿真到初始状态；②产生测试场景的输入序列/时间；③期待的输出结果和容差。

供应商需提供一组测试向量来验证模型运行正确，同时验证桌面仿真和工程模擬器运行正常，如图2所示。如果模型是以封装的Matlab/Simulink形式提供，则需要同时提供两种类型测试向量，分别用于桌面仿真验证、工程模拟器实时仿真验证。endprint

3.1 桌面仿真测试

仿真模型和测试向量提交后，设计团队首先会在桌面仿真环境对模型进行测试，建立试验环境，对比供应商提供的测试输出结果。确认没有问题后，将模型集成到工程模拟器中。如果桌面仿真测试存在问题，则查找原因，定位错误后反馈给供应商修改模型，直到桌面仿真测试通过。

3.2 工程模拟器集成与测试

经过桌面仿真测试后，将仿真模型产生的C代码或库文件加载到工程模拟器实时仿真系统，并与模拟器飞行仿真系统、其它机载系统及驾驶舱液压控制面板进行集成测试，测试内容如下：①液压控制面板发动机驱动泵、电动泵、防火切断阀等开关集成；②液压系统逻辑和功能测试；③液压系统与发动机逻辑关系测试；④液压系统简图页测试，包括液压系统压力、流量、油量显示，管路及架构简图页显示；⑤故障测试（高溫、过热、失效）及其告警信息测试；⑥液压系统与其它系统交联测试。

4 应用

经过集成测试后的液压系统仿真模型可用于相关试验。液压系统作为源系统，为多个用户提供液压动力，在工程模拟器中，液压系统模型主要应用有：①液压系统正常功能试验；②液压系统功能危险性确认试验；③液压系统故障试验；④液压系统与其它系统交联试验。

例如液压系统与飞控作动系统方向舵上舵面交联，飞控系统根据控制律解算的舵面偏转角度，计算出作动器收放的流量需求，此流量提供给液压系统仿真模型作为输入，液压系统仿真模型基于流量和系统状态输出作动器压力，结果如图3和图4所示。

5 结语

本文从工程模拟器应用及试验需求出发，提出了液压系统仿真模型具体要求，包括建模规范、开发、测试、集成到应用等，遵循系统工程方法论，确保供应商交付模型满足模拟器使用环境要求，减少重复设计，缩短设计周期，节约成本，提高效率，为模拟器机载系统仿真模型开发提供参考。

参考文献：

[1]韩虎，刘印锋，孙成通，等. 基于MATLAB液压系统的仿真技术研究与应用[J]. 液压气动与密封，2007（3）：4-6.

[2]周高峰，赵则祥. MATLAB/Si mulink机电动态系统仿真及工程应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社， 2014.

[3]李亚男，刘采志. 民用飞机飞控系统MOC8工程模拟器验证方法分析[J].民用飞机设计与研究，2010（1）：33-36.

[4]姚志超. 民用飞机典型舵机系统分析与仿真建模[C]. 2016 中国航空学会流体传动与控制学术会议，2016：79-82.endprint