CN101544281B - 飞机反推力液压装置半实物实时仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机反推力液压装置半实物实时仿真系统，主要由计算机、可编程逻辑控制器PLC硬件平台、输入装置、位于计算机内的软件仿真装置构成闭环测试系统；利用流体动力学和电子控制理论构建液压系统的子模型，再将各个仿真子模型组成软件仿真装置；PLC硬件平台根据输入装置的状态信号对软件仿真装置进行参数控制和逻辑控制，软件仿真装置的输出量在计算机中以数字和动画的形式显示，同时作为反馈信号通过通讯接口反馈给PLC硬件平台。本发明不需要制备液压装置，即可对飞机反推力液压装置进行各种参数的测试与分析；大大缩短反推力液压装置的研制分析周期，提高设计质量，减少测试费用。

Description

飞机反推力液压装置半实物实时仿真系统

技术领域

本发明涉及一种进行仿真分析和测试的半实物的仿真系统，具体涉及一种用于飞机反推力液压装置设计过程中进行仿真分析和测试的半实物实时仿真系统。

背景技术

飞机反推力液压装置是改变飞机喷气方向的执行部件，用于在飞机降落时实现快速减速，从而降低跑道长度。该装置的可靠性要求非常高，并且涉及到机械、控制和液压等多个领域。对该装置的测试分析需要耗费大量的人力物力和财力。其难度在于：首先，在液压装置设计的早期，整个装置实物系统不完备的情况下，无法进行实物测试；其次，由于整个装置状态参数非常多，各种参数的组合测试需要非常多的测试次数。

虽然可以在设计过程中进行大量的计算及软件仿真试验，但是在此过程中无法和驾驶员的操作及各种控制硬件进行协调测试，因此，只能在制备出实物装置后再进行测试，在此过程中需要进行多次实物重制及大量的反复测试，导致研制周期长、测试费用高。

发明内容

本发明的目的是提供一种飞机反推力液压装置半实物实时仿真系统，在不需要制备出硬件液压装置的前提下，通过该系统对飞机反推力液压装置的控制策略、动态性能和整体结构进行仿真、测试和分析，也可用于对装置中的单个工作单元部件进行测试和仿真分析。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种飞机反推力液压装置半实物实时仿真系统，包括计算机、与计算机连接的实物装置、位于计算机内的软件仿真装置，所述实物装置主要由可编程逻辑控制器PLC硬件平台、与所述PLC硬件平台的输入接口连接的输入装置构成；所述软件仿真装置在支持物理建模语言Modelica的开发平台上构建，利用流体动力学和电子控制理论构建液压系统的子模型，再将各个仿真子模型组成软件仿真装置；所述PLC硬件平台与计算机之间经通讯接口连接，PLC硬件平台根据输入装置的状态信号对软件仿真装置进行参数控制和逻辑控制，软件仿真装置的输出量在计算机中以数字和动画的形式显示，同时作为反馈信号通过通讯接口反馈给PLC硬件平台，所述输入装置、可编程逻辑控制器PLC硬件平台、代替真实物件的软件仿真装置一起组成闭环测试系统。

上述技术方案中，所述子模型包括液压泵、管路、先导阀、换向阀、伺服阀、液压缸作动筒以及控制电路，每一子模型中分别采用物理建模语言描述其对应的物理参数、方程、以及与其它子模型的连接方式。

所述输入装置包括方向盘、脚蹬、控制开关及手柄。

所述支持物理建模语言Modelica的开发平台是软件开发平台MWorks。

上述技术方案中，实物装置即物理硬件模块包括：

PLC硬件平台和输入装置：采用实际的液压系统电控设备，主要有反推力开关、PLC电子设备和电磁阀故障控制触发开关。其中PLC作为实时控制中心，连接触摸屏作为PLC的人机交互界面，数字量输入/输出模块用于采集反推力开关的离散量信号并可兼顾平台的功能扩展。

软件仿真装置包括建模求解模块和实时仿真模块，其中的建模求解模块包括：

液压系统模型：MWorks上使用Modelica语言搭建的由各个液压元件子模型组建成的系统模型，代替实际反推力液压系统。

翻译：将描述液压系统模型的Modelica语言代码编译成用于求解的C代码。

求解：根据编译出的模型C代码，以及相关的运算代码，生成一个求解器执行文件，供运算时调用。

实时仿真模块包括：

控制面板：显示相关输入输出量，是整个系统的数据通讯中枢，并负责与物理模块、实时运算、实时动画的数据通信。

实时动画：接收从控制面板传来的驱动动画数据，实时显示。

实时运算：调用建模求解模块生成的求解器，开始实时运算。按设定的采样时间，定时读取从控制面板传来的数据，作为仿真实时运算的输入条件，计算一个采样周期的数据，并将最终数据返回给控制面板。然后等待，直到下次采样时间，再次读数据，计算，输出，如此反复循环。

各模型的控制方式如下(以通讯接口采用串口为例)：

反推力开关发出状态指令(反推力展开/收回)，PLC的数字量输入模块采集到状态信号，根据设定的反推力控制程序，将反推力系统的各个电磁阀开关信号按协议转化成信号数据发送至串口的数据接收缓冲区，当接收缓冲区数据个数达到预先设置的接收中断字节个数时，计算机系统将产生一个串口中断，MWorks软件平台的控制面板根据串口中断作出相应程序响应，即进入中断程序，程序将读取接收缓冲区的数据，并转换为相应的变量数据显示出来，并通过管道共享内存输出至液压系统模型的求解器。同时，求解器实时求解计算的数据也通过管道共享内存输出至控制面板，再由控制面板将数据写入数据发送缓冲区，输出至PLC设备。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明基于能描述物理系统行为和功能特性的物理建模语言构成软件仿真装置，通过PLC硬件平台与输入装置配合形成半实物实时仿真系统，不需要制备液压装置，即可对飞机反推力液压装置进行各种参数的测试与分析；基于此系统，设计人员能高效地完成反推力液压装置的建模、仿真及分析，准确预测液压系统的动态特性及仿真非线性因素影响、仿真执行机构动态特性，评估系统参数、非线性因素及相应控制策略等对液压系统性能的影响，大大缩短反推力液压装置的研制分析周期，提高设计质量，减少测试费用。

2.仿真系统模型可编辑，由于本发明的软件仿真装置在支持物理建模语言Modelica的开发平台上构建，只需要固定输入和输出模块，其它子模型及其连接方式均可以根据实际情况建模修改调整；如果采用软件开发平台Mworks，则可以在可视化建模下修改调整。

3.仿真系统具有实时输入输出量显示功能，本发明软件仿真装置可以实时显示各液压阀的状态、液压缸行程百分比等数据。

4.本发明的软件仿真装置结合动画显示模块，可以实现三维实时动画显示。

附图说明

图1是飞机反推力液压装置半实物实时仿真系统各部件间连接的框图。

图2是实施例一中飞机反推力液压系统与原理图。

图3是实施例一的通讯流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：

参见附图1和附图2所示，一种飞机反推力液压装置半实物实时仿真系统，硬件包括台式计算机DELL OPTIPLEX755(酷睿2处理器、2G内存、ATi2400显卡等)、西门子PLC系统(CPU312、4路模拟量输入输出模块、数字量输入输出接口等)。软件平台为MWorks，建模语言Modelica。

1)系统建模

用在Modelica语言在MWorks上建立的各个液压元件模型、电气元件模型，按设计图纸相互连接，构建整个反推力液压系统模型。在输入输出量固定的条件下，可随时对反推力液压系统模型内部子模型、连接线路等进行调整测试。

根据图2飞机反推力液压系统与原理图，建立反推力液压系统专用部件模型库，主要包括以下三个部件模型：ICV、CL、DCV。

a.ICV单元

ICV单元可由两个液压阀组成，即电磁先导阀(左侧)和换向阀(右侧)。

先导阀建模方案：

先导阀有三个液压接口(P、T、A)和一个控制信号接口(S)。当接口S的输入信号小于参考值时，阀处于右位，即A与T接通，P口封闭；当接口S的输入信号大于或等于参考值时，阀处于左位，即A与P接通，T口封闭。

元件参数定义如下：

x₀：输入信号参考值

x：输入信号值

P_P、P_T、P_A：P、T、A接口的压力。

元件控制方程为：

when  x＜x₀  P_T＝P_A

else  P_P＝P_A

换向阀建模方案：

换向阀有4个接口，均为液压接口。接口S的压力作为控制信号控制阀的接通方式。

当S口的压力P_s小于规定值P₀时，接口P与接口A全部连通，T口封闭；当S口的压力P_s大于规定值P₁(P₁＞P₀)时，接口T与接口A全部连通，P口封闭；当S口的压力P_s大于P₀小于P₁时，接口A与接口P、接口T同时连通。

定义D_TA为T口与A口之间的通流面积，D_PA为P口与、A口之间的通流面积。则：

$D_{\mathrm{TA}}=\left\{\begin{array}{cc}0& P_s\≤P_0\\ \frac{P_s-P_0}{P_1-P_0}\·D_{\mathrm{TA}\max }& P_1>P_s>P_0\\ D_{\mathrm{TA}\max }& P_s\≥P_1\end{array}\right.$

$D_{\mathrm{PA}}=\left\{\begin{array}{cc}0& P_s{\≥P}_1\\ \frac{P_s-P_0}{P_1-P_0}\·D_{\mathrm{PA}\max }& P_1>P_s>P_0\\ D_{\mathrm{PA}\max }& P_s\≤P_0\end{array}\right.$

D_TAmax、D_PAmax分别为T口与A口、P口与A口完全连通时的通流面积。对于孔口流体的控制方程如下：

$Q=C_q\·A\sqrt{\frac{2(P_{\mathrm{up}}-P_{\mathrm{down}})}{\mathrm{\ρ}}}$ ρ为油液密度，A为孔口通流面积

$C_q=C_{q\max }\·\tanh \left(\frac{2\·\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cirt}}}\right)$ C_qmax为最大流量系数，

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{hd}}{\mathrm{\υ}}\·\sqrt{\frac{2(P_{\mathrm{up}}-P_{\mathrm{down}})}{\mathrm{\ρ}}}$ hd为水力半径，υ为液体运动粘度(取压力为(P_up+P_down)/2时)

b.CL单元：

L单元可由两个液压阀组成，即电磁先导阀(上)和伺服阀(下)。

先导阀建模方案：

先导阀有三个液压接口(P、T、A)和一个控制信号接口(S)。当接口S的输入信号小于参考值时，阀处于右位，即A与P接通，T口封闭；当接口S的输入信号大于或等于参考值时，阀处于左位，即A与T接通，P口封闭。

元件参数定义如下：

x₀：输入信号参考值，

x：输入信号值，

P_P、P_T、P_A：P、T、A接口的压力。

元件控制方程为：

when  x＜x₀  P_P＝P_A

else  P_T＝P_A

伺服阀建模方案：

伺服阀有3个接口，均为液压接口。接口S的压力作为控制信号控制阀的接通。

当S口的压力P_s小于规定值P₀时，接口P与接口A断开；当S口的压力P_s大于规定值P₁(P₁＞P₀)时，接口T与接口A全部连通；当S口的压力P_s大于P₀小于P₁时，接口A与接口P部分连通。

定义D_PA为P口与、A口之间的通流面积。则：

$D_{\mathrm{PA}}=\left\{\begin{array}{cc}0& P_s{\≥P}_1\\ \frac{P_s-P_0}{P_1-P_0}\·D_{\mathrm{PA}\max }& P_1>P_s>P_0\\ D_{\mathrm{PA}\max }& P_s\≤P_0\end{array}\right.$

D_PAmax分别为T口与A口、P口与A口完全连通时的通流面积。

对于孔口流体的控制方程如下：

$Q=C_q\·A\sqrt{\frac{2(P_{\mathrm{up}}-P_{\mathrm{down}})}{\mathrm{\ρ}}}$ ρ为油液密度，A为孔口通流面积

$C_q=C_{q\max }\·\tanh \left(\frac{2\·\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cirt}}}\right)$ C_qmax为最大流量系数，

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{hd}}{\mathrm{\υ}}\·\sqrt{\frac{2(P_{\mathrm{up}}-P_{\mathrm{down}})}{\mathrm{\ρ}}}$ hd为水力半径，υ为液体运动粘度(取压力为(P_up+P_down)/4时)

c.DCV单元：

DCV单元可由两个液压阀组成，即电磁先导阀(左)和伺服阀(右)。

先导阀建模方案：

先导阀有三个液压接口(P、T、A)和一个控制信号接口(S)。

该先导阀与ICV及CL单元的先导阀相同，故建模方案不再重复。

伺服阀建模方案：

伺服阀有5个接口，均为液压接口。接口S和接口B的压力作为控制信号控制阀的接通，定义S口与P口压力之差为ΔP＝P_S-P_B。

当ΔP小于规定值P₀时，接口A与接口T全部连通，P口断开；当ΔP大于规定值P₁(P₁＞P₀)时，接口A与接口P全部连通，T口断开；当ΔP大于P₀且小于P₁时，接口A与接口P，A口与P口部分连通。

定义D_TA为T口与A口之间的通流面积，D_PA为P口与、A口之间的通流面积。则：

$D_{\mathrm{PA}}=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{\ΔP}{\≤P}_0\\ \frac{P_s-P_0}{P_1-P_0}\·D_{\mathrm{TA}\max }& P_1>\mathrm{\ΔP}>P_0\\ D_{\mathrm{TA}\max }& \mathrm{\ΔP}{\≥P}_1\end{array}\right.$

$D_{\mathrm{TA}}=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{\ΔP}{\≥P}_1\\ \frac{P_s-P_0}{P_1-P_0}\·D_{\mathrm{PA}\max }& P_1>\mathrm{\ΔP}>P_0\\ D_{\mathrm{PA}\max }& \mathrm{\ΔP}\≤P_0\end{array}\right.$

D_Tmax、D_PAmax分别为T口与A口、P口与A口完全连通时的通流面积。

对于孔口流体的控制方程如下：

$Q=C_q\·A\sqrt{\frac{2(P_{\mathrm{up}}-P_{\mathrm{down}})}{\mathrm{\ρ}}}$ ρ为油液密度，A为孔口通流面积

$C_q=C_{q\max }\·\tanh \left(\frac{2\·\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cirt}}}\right)$ C_qmax为最大流量系数，

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{hd}}{\mathrm{\υ}}\·\sqrt{\frac{2(P_{\mathrm{up}}-P_{\mathrm{down}})}{\mathrm{\ρ}}}$ hd为水力半径，υ为液体运动粘度(取压力为(P_up+P_down)/2时)

2)通信模块

本实施例采用串口通讯，在MWorks软件平台中，添加COM通讯组件，创建控制面板，显示输入输出量，完成各个模块间的通信。功能包括状态设置(设置波特率、校验等串口通讯参数)、数据接收(从数据接收缓冲区读取通讯数据)、数据发送(将通讯数据写入数据发送缓冲区)、数据接收中断(控制模型求解和调用中断响应)。

从串口数据通讯到数据输入/输出至液压系统模型，其流程如图3所示。

控制面板与PLC之间的通信，采用RS-232，波特率可调，8bits数据，1bit停止，无校验方式。具体通信协议中应包括握手信号，握手返回信号，左、右两侧的ICV、CL、DCV的开关状态信号，作动筒的行程数据(可以采用行程的百分比表示)。

3)测试试验

按照反推力液压系统实际工况控制流程，在PLC中编写控制程序对反推力液压系统进行控制，计算机收到PLC的控制指令实时进行仿真计算。

主要测试内容如下：

(1).接通ICV、CL和DCV电磁线圈，系统压力管路增压至20.6MPa0.3MPa，此时反推力液压作用筒活塞杆伸出，在该状态下保持5min。

(2).接通CL，并且断开DCV和ICV电磁线圈，系统压力管路增压至20.6MPa 0.3MPa，此时反推力液压作用筒活塞杆收回，在该状态下保持5min。

(3).反推力作动筒分别正常展开到50％、60％和70％时，给DCV断电，观察反推力是否能够收回，并记录左右作动时间。

(4).反推力作动筒分别正常收回到80％、70％和60％，给DCV加电，观察反推力是否能够展开，并记录左右作动时间。

(5).反推力作动筒分别正常展开到50％、60％、70％时，给ICV断电，观察反推力是否能够展开，并记录左右作动时间。

(6).反推力作动筒分别正常收回到80％、70％和60％时，给ICV断电，观察反推力是否能够展开，并记录左右作动时间。

4)实施效果

经此反推力液压系统实施结果表明，本系统可以很好地仿真反推力液压系统整体性能，以及测试反推力液压系统的控制策略，并可根据性能数据对反推力液压系统模型参数和结构进行修改调整，最终达到最佳性能，大大节省了在实际试验中的测试调试时间。

Claims (4)

1.一种飞机反推力液压装置半实物实时仿真系统，包括计算机、与计算机连接的实物装置、位于计算机内的软件仿真装置，其特征在于：所述实物装置主要由可编程逻辑控制器PLC硬件平台、与所述PLC硬件平台的输入接口连接的输入装置构成；所述软件仿真装置在支持物理建模语言Modelica的开发平台上构建，利用流体动力学和电子控制理论构建液压装置的子模型，再将各个仿真子模型组成软件仿真装置，每一子模型中分别采用物理建模语言描述其对应的物理参数、方程、以及与其它子模型的连接方式；所述PLC硬件平台与计算机之间经通讯接口连接，PLC硬件平台根据输入装置的状态信号对软件仿真装置进行参数控制和逻辑控制，软件仿真装置的输出量在计算机中以数字和动画的形式显示，同时作为反馈信号通过通讯接口反馈给PLC硬件平台，所述输入装置、可编程逻辑控制器PLC硬件平台、代替真实物件的软件仿真装置一起组成闭环测试系统。

2.根据权利要求1所述的飞机反推力液压装置半实物实时仿真系统，其特征在于：所述子模型包括液压泵、管路、先导阀、换向阀、伺服阀、液压缸作动筒以及控制电路。

3.根据权利要求1所述的飞机反推力液压装置半实物实时仿真系统，其特征在于：所述输入装置包括方向盘、脚蹬、控制开关及手柄。

4.根据权利要求1所述的飞机反推力液压装置半实物实时仿真系统，其特征在于：所述支持物理建模语言Modelica的开发平台是软件开发平台MWorks。

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