蔡昀彤++吳雙++胡文++是賢珠

摘 要：在對(duì)民用飛機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)的過(guò)程中，需要探討和研究如何在異構(gòu)模型情況下進(jìn)行聯(lián)合仿真的方法。該文論述了在對(duì)起落架轉(zhuǎn)彎功能進(jìn)行仿真的過(guò)程中，通過(guò)采用不同軟件建立的異構(gòu)模型的聯(lián)合仿真，成功地獲得了同真實(shí)起落架轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)近似的轉(zhuǎn)彎反饋結(jié)果。該工作在液壓系統(tǒng)控制仿真，以及未來(lái)的系統(tǒng)仿真等領(lǐng)域具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：液壓 控制 聯(lián)合仿真 異構(gòu)模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TN948.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）08（c）-0080-03

1 研究背景及問(wèn)題描述

1.1 研究背景

異構(gòu)模型是指若干個(gè)計(jì)算機(jī)模型，這些模型使用不同的軟件建立，使用不同的模型構(gòu)建語(yǔ)言，具有不同的架構(gòu)，同時(shí)這些模型都是某一真實(shí)物理系統(tǒng)的必要組成部分，必須協(xié)同運(yùn)行才能實(shí)現(xiàn)對(duì)該真實(shí)系統(tǒng)的模擬。

異構(gòu)模型在計(jì)算機(jī)建立模型對(duì)真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行仿真的工作中比較常見(jiàn)，對(duì)于汽車(chē)飛機(jī)上的系統(tǒng)而言也十分常見(jiàn)。例如飛機(jī)的剎車(chē)系統(tǒng)，就是一個(gè)機(jī)械加液壓加電信號(hào)組成的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的液壓部分的模型同機(jī)械部分的模型就是異構(gòu)的，它們只有在協(xié)同運(yùn)行的情況下，才能真實(shí)地仿真整個(gè)剎車(chē)系統(tǒng)。

此研究是對(duì)民用飛機(jī)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究工作的一部分。主要的研究手段是對(duì)飛機(jī)上真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行分解建模再進(jìn)行聯(lián)合仿真。比如此研究的飛機(jī)起落架系統(tǒng)，可以分解為液壓、機(jī)械和軟件等若干子系統(tǒng)，對(duì)這些子系統(tǒng)分別建立起異構(gòu)模型，再通過(guò)計(jì)算機(jī)聯(lián)合仿真的方式，將這些異構(gòu)模型聯(lián)合起來(lái)，模擬完整的飛機(jī)起落架系統(tǒng)，從而進(jìn)行試驗(yàn)分析以及設(shè)計(jì)驗(yàn)證的工作。

1.2 研究主要解決的問(wèn)題

在民用飛機(jī)領(lǐng)域，至今還缺乏使用異構(gòu)模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)的具體案例。原因主要是在異構(gòu)模型的背景下，如何將不同架構(gòu)的模型互聯(lián)進(jìn)行聯(lián)合仿真，存在著技術(shù)障礙；另外，仿真模型的置信度較低、缺乏仿真建模的驗(yàn)證方法等也是重要原因。

基于此，該研究就計(jì)劃建立一套基于異構(gòu)模型的聯(lián)合仿真平臺(tái)，通過(guò)一些具體真實(shí)的仿真試驗(yàn)來(lái)攻克異構(gòu)模型條件下的聯(lián)合仿真技術(shù)瓶頸；并對(duì)提升模型的置信度以及尋找對(duì)仿真模型的驗(yàn)證方法方面開(kāi)展研究。

2 需求分析

此研究需要建立一套起落架轉(zhuǎn)彎的異構(gòu)模型，來(lái)分析飛行員輸入的轉(zhuǎn)彎指令下起落架機(jī)構(gòu)模型的轉(zhuǎn)彎反應(yīng)，來(lái)驗(yàn)證起落架系統(tǒng)模型是否能如真實(shí)系統(tǒng)一樣地執(zhí)行轉(zhuǎn)彎指令。在真實(shí)鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)臺(tái)上采集到了飛行員的手輪輸入曲線，如圖1所示，圖中的橫軸是時(shí)間，單位是秒，縱軸是角度，單位是度。

在接收到飛行員手輪輸入信號(hào)后，起落架進(jìn)行響應(yīng)，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)前起落架進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，安裝在前起落架的轉(zhuǎn)彎傳感器得到轉(zhuǎn)彎角度，如圖2所示。

真實(shí)的起落架轉(zhuǎn)彎功能是在獲得飛行員的指令后，由起落架控制盒驅(qū)動(dòng)液壓伺服閥的電機(jī)，從而控制轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒中的液壓流量和方向，繼而驅(qū)動(dòng)起落架向需要的方向轉(zhuǎn)彎。因此，為了仿真實(shí)現(xiàn)起落架轉(zhuǎn)彎的功能，共需要搭建3套異構(gòu)模型：起落架控制邏輯模型、液壓電動(dòng)泵和作動(dòng)筒模型以及起落架機(jī)構(gòu)模型。

3 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 仿真工具

此研究建立的異構(gòu)模型主要包括3部分：起落架液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型、起落架機(jī)械結(jié)構(gòu)模型和起落架轉(zhuǎn)彎控制模型。起落架液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型是使用LMS公司的AMESim建立的，起落架機(jī)械結(jié)構(gòu)模型是使用達(dá)索公司的CATIA軟件和LMS公司Motion軟件建立的，起落架控制模型是使用Mathworks公司的Matlab/Simulink軟件建立的。

3.2 仿真接口

采用AMESim軟件提供的SimuCosim接口，將AMESim模型同Simulink模型連接；AMESim同Motion軟件進(jìn)行連接采用的接口形式是VL.Motion Cosim接口。

通過(guò)這種方式相連的兩種模型，其接口的數(shù)據(jù)變量類(lèi)型必須采用同樣的數(shù)據(jù)類(lèi)型，但各自模型中的變量名稱(chēng)可以不完全一致。

3.3 仿真系統(tǒng)架構(gòu)

此研究建立的異構(gòu)聯(lián)合仿真模型，是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)：控制邏輯接收轉(zhuǎn)彎指令值和當(dāng)前轉(zhuǎn)彎角度來(lái)計(jì)算出驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的電流；液壓系統(tǒng)通過(guò)接收驅(qū)動(dòng)電流和方向指令來(lái)分派合適的液壓壓力；液壓壓力傳導(dǎo)到起落架機(jī)械系統(tǒng)后，起落架機(jī)械系統(tǒng)計(jì)算出轉(zhuǎn)彎的速度和轉(zhuǎn)彎角度并將轉(zhuǎn)彎角度反饋至控制系統(tǒng)，完整的起落架轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)模型見(jiàn)圖 3所示。

4 仿真結(jié)果

使用飛行員的手輪輸入信號(hào)作為仿真模型的輸入，運(yùn)算此項(xiàng)目搭建的起落架轉(zhuǎn)彎控制模型，將仿真模型的轉(zhuǎn)彎反饋角度結(jié)果同真實(shí)的轉(zhuǎn)彎角度結(jié)果進(jìn)行比較，如圖4所示，圖中左半邊的曲線是真實(shí)起落架系統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎響應(yīng)曲線，右半邊的曲線是仿真模型的轉(zhuǎn)彎反饋角度?？梢钥闯觯捎梅抡娴玫降霓D(zhuǎn)彎結(jié)果同真實(shí)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎相應(yīng)曲線非常相似。

在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，液壓伺服閥的液壓口的流量曲線如圖5所示。液壓系統(tǒng)的流量響應(yīng)趨勢(shì)符合預(yù)期。

對(duì)于起落架機(jī)構(gòu)模型，這個(gè)轉(zhuǎn)彎過(guò)程的動(dòng)畫(huà)再現(xiàn)情景如圖6所示。通過(guò)動(dòng)畫(huà)再現(xiàn)的方式可以看到轉(zhuǎn)彎的響應(yīng)靈敏，無(wú)明顯的抖動(dòng)現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)文章建立的異構(gòu)模型架構(gòu)，文章使用仿真模型代替真實(shí)系統(tǒng)的方式，完成了起落架轉(zhuǎn)彎的功能模型，并且對(duì)起落架轉(zhuǎn)彎響應(yīng)的研究從側(cè)面驗(yàn)證了起落架轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)的功能。

文章的意義不僅僅在于驗(yàn)證了起落架轉(zhuǎn)彎邏輯，更重要的是在于建立的異構(gòu)模型架構(gòu)打破了異構(gòu)模型間的無(wú)法溝通的問(wèn)題，積累了聯(lián)合仿真的工具使用經(jīng)驗(yàn)；同時(shí)在建模的過(guò)程中注意到了模型參數(shù)設(shè)置和調(diào)試的方法，提高了建模仿真的能力，提升了模型的置信度。這些工作為后續(xù)進(jìn)行更復(fù)雜、更精確的系統(tǒng)仿真試驗(yàn)打下了基礎(chǔ)。

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