CN116224830A - 一种飞机机电系统的数字孪生方法、仿真验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种数字孪生方法，为解决传统的飞机机电系统建模仿真方法，在实时仿真时，存在需要的仿真平台较复杂、前期不易规划，模型指标不明确的技术问题，提供一种飞机机电系统的数字孪生方法、仿真验证方法，对飞机机电系统中包含的多领域子系统进行模型框架设计、接口设计、模型建立与集成，对飞机机电系统进行了归纳提炼，本发明建立的数字孪生模型原理清晰，便于后续基于数字孪生模型进行持续的仿真验证，既可以对整个系统进行验证，也可以对整个系统按照层级进行验证，还可以对各最小单元进行验证。

Description

一种飞机机电系统的数字孪生方法、仿真验证方法

技术领域

本发明属于一种数字孪生方法，具体涉及一种飞机机电系统的数字孪生方法、仿真验证方法。

背景技术

飞机机电系统包括液压、燃油、动力、功能作动、环控、结冰、防火等子系统，覆盖机、电、液、气、热等众多领域。飞机机电系统的持续验证是利用模型开展不同层级、不同阶段机电产品的持续验证与迭代。

飞机机电系统涉及领域广、产品复杂，传统的建模仿真一般是利用不同领域的仿真软件分别对各子系统进行建模，需要对模型接口按照统一的标准进行设计，不利于系统模型集成，以及不同领域模型的联合仿真。且在实时仿真方面，存在需要的仿真平台较复杂、前期不易规划，模型指标不明确等问题。

发明内容

本发明为解决传统的飞机机电系统建模仿真方法，在实时仿真时，存在需要的仿真平台较复杂、前期不易规划，模型指标不明确的技术问题，提供一种飞机机电系统的数字孪生方法、仿真验证方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种飞机机电系统的数字孪生方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1，根据飞机机电系统的设计构架，确定飞机机电系统数字孪生模型的模型构架，所述模型构架为多层级模型；

S2，根据每个层级中各模型之间，以及各层级模型之间的交互信号，对每个模型的接口进行定义，且各模型的接口采用基于数据流的通用模型接口；

S3，对所述模型框架中的最小单元进行数学描述与建模仿真；

S4，按照所述模型框架的各层级关系，对所有模型进行集成，生成飞机机电系统的数字孪生模型。

进一步地，步骤S1中，所述模型构架包括由上至下逐层级设置的父系统模型、子系统模型、部件模型和组件模型。

进一步地，步骤S2具体为，对各模型的接口按照机械连接、电器连接、液体流动连接和气体流动连接进行定义。

进一步地，所述机械连接对应的交互信号包括力矩数据流、转速数据流和位移数据流；

所述电器连接对应的交互信号包括供电数据流、模拟量数据流和离散量数据流；

所述液体流动连接对应的交互信号包括流量数据流、压力数据流和温度数据流；

所述气体流动连接对应的交互信号包括流量数据流、压力数据流、温度数据流和流速数据流。

进一步地，步骤S3中所述建模仿真包括模型实现、模型封装和模型测试。

本发明还提供了一种飞机机电系统的仿真验证方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1，采用上述飞机机电系统的数字孪生方法生成飞机机电系统的数字孪生模型；

S2，通过所述数字孪生模型对飞机机电系统进行仿真验证。

进一步地，步骤S1中，在各模型的接口适配硬件接口，使各模型代替对应的实际产品开展硬件在环仿真验证和半实物仿真验证。

进一步地，步骤S2中，所述仿真验证还包括在实际产品测试阶段进行故障注入测试。

进一步地，步骤S2还包括，利用实际产品的测试方法和测试指标对相应模型进行仿真验证，根据仿真验证结果对实际产品和相应模型进行优化迭代。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提出一种飞机机电系统的数字孪生方法，对飞机机电系统中包含的多领域子系统进行模型框架设计、接口设计、模型建立与集成，对飞机机电系统进行了归纳提炼，本发明建立的数字孪生模型原理清晰，便于后续基于数字孪生模型进行持续的仿真验证，既可以对整个系统进行验证，也可以对整个系统按照层级进行验证，还可以对各最小单元进行验证，相比现有的飞机机电系统建模仿真方法，通过本发明方法建立的数字孪生模型具有拆分灵活、方便重组与复用的优点。另外，基于数据流的通用模型接口便于进行多领域多系统的联合仿真。

2.本发明中个模型的接口按照接口的特性进行分类定义，便于根据飞机机电系统的实际情况和需要进行灵活扩展。

3.本发明还提出了一种飞机机电系统的仿真验证方法，将不同领域的子系统集成，统一用数字流的形式实现，使得基于本发明的数字孪生模型的仿真验证应用可以适应不同的系统规模。另外，既可以利用单一的仿真平台对多个子系统开展联合仿真，也可以对每个最小单元的模型进行独立仿真应用。

4.本发明的数字孪生模型中各模型接口是基于数据流的通用模型接口，便于接口硬件适配后进行实际产品在环与半实物仿真。

5.本发明还可以对实际产品和相应模型进行优化迭代，以及故障注入测试，使得本发明的验证方法应用更加灵活，且仿真验证便捷。

附图说明

图1为本发明一种飞机机电系统的仿真验证方法实施例流程与飞机机电系统的对应关系图；

图2为本发明一种飞机机电系统的仿真验证方法实施例中飞机机电系统模型构架的示意图；

图3为本发明一种飞机机电系统的仿真验证方法实施例中燃油子系统模型的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

飞机机电系统领域广，涉及到多学科融合，不利于开展模型的集成和联合仿真。在此背景下，通过开展飞机机电系统数字孪生与持续验证方法，将模型构架按照系统组成进行层级划分，将模型接口特性分为机械连接、电器连接、液体流动连接以及气体流动连接，分别进行定义，利用数学描述的形式进行最小单元模型建模。该方法适用于飞机机电系统中属于不同领域的所有子系统，按照前期模型框架规划即可完成系统模型的集成，具有模型重组与复用灵活等特点。得到的数字孪生模型利用物理实体的测试文档即可测试验证，可以与产品同设计、同验证，有利于模型与产品的相互迭代。

如图1所示，基于上述原理，本发明提出一种飞机机电系统的数字孪生方法，以及基于该数字孪生方法的仿真验证方法，仿真验证方法包括模型构架设计，模型接口设计，最小单元模型建模与仿真验证，系统模型集成仿真验证，具体如下：

一、模型构架设计

根据飞机机电系统的设计构架进行数字孪生，确定飞机机电系统数字孪生模型的模型构架，即将组成飞机机电系统的零组件利用模型进行替换，模型构架为多层级模型，各层级从上至下分为父系统模型、子系统模型、部件模型和组件模型。

模型框架的设计方法可描述为父系统模型由子系统模型组成，子系统模型由部件模型组成，部件模型由组件模型组成。其中，组件模型的细分程度可以根据仿真颗粒度、实时验证平台的性能需要进行综合权衡确定。其模型层级不限于这种父系统-子系统-部件-组件的形式，可以根据被仿真对象的复杂程度向下分解或向上集成。

二、模型接口设计

每层级模型接口设计是根据每个层级模型之间、层级与层级模型之间的交互信号，对每个模型接口进行定义。

模型接口设计与封装采用相同的标准，便于模型复用与重构，将模型之间接口的特性分为机械连接、电器连接、液体流动连接以及气体流动连接，根据连接类型的特性定义模型的接口。可以将机械连接定义为力矩数据流、转速数据流、位移数据流作为模型接口，电器连接定义为供电数据流、模拟量数据流、离散量数据流作为模型接口，液体流动定义为流量数据流、压力数据流、温度数据流作为模型接口，气体流动定义为流量数据流、压力数据流、温度数据流、流速数据流作为模型接口，这种模型接口定义方式可以根据需要进行扩展。

三、最小模型单元建模与仿真验证

最小模型单元建模与仿真验证是根据被仿真组件的工作原理与各部件测试要求，建立数学描述，并将数学描述用建模软件进行模型实现、模型封装与模型测试。

四、系统模型集成仿真验证

基于实际产品，即被仿真产品的指标与测试要求，根据模型框架，按照模型框架分层级对各模型进行集成，将最小模型单元的接口进行连接，形成系统的仿真模型，即飞机机电系统的数字孪生模型。再通过所述数字孪生模型对飞机机电系统进行仿真验证。模型的集成按照模型构架开展，由于模型的输入输出接口都是数字流的形式，因此，不同领域的子系统直接将模型信号连接即可完成集成，因此，本发明的方法适用于飞机机电系统中液压、燃油等不同领域系统的建模与联合仿真。

采用本发明的数字孪生方法，在进行仿真验证时，可以根据故障机理，对故障产生的过程进行模拟仿真，对故障发生进行原理分析与确定，在产品测试阶段可以利用模型进行故障注入测试。还可以利用被仿真对象的测试方法、指标进行，模型与产品可进行设计原理、测试方法的迭代。

本发明的方法将不同领域(比如液压、燃油等)系统模型集成统一用数字流的形式实现，模型的仿真应用可以适应不同的系统规模，可以利用单一的仿真平台对多个系统开展联合仿真，也可以对每个模型单元进行独立仿真应用。本发明的方法可以用于全数字仿真、半实物仿真等多种仿真形式的建模，在飞机机电系统以及内部分系统的全数字仿真的基础上，给模型增加硬件接口适配，还可以使模型代替实际产品开展硬件在环仿真、半实物仿真验证。

如图2所示，为本发明飞机机电系统数字孪生模型的模型构架的一个实施例，所述模型构架将作为被模拟对象的飞机机电系统按照组成结构，对应划分为父系统模型、子系统模型、部件模型、组件模型。以飞机机电系统模型框架为例，父系统模型为飞机机电系统模型，子系统模型包括燃油子系统模型、液压子系统模型、动力子系统模型等。子系统模型只作为所描述构架方法的一个例子，子系统模型不限于图中示例内容，可以根据实际构成按照相同的方法对子系统进行增减。燃油子系统模型包括供油部件模型、加/抽油部件模型、油箱与油量传感器模型等。供油部件模型包括增压泵模型、电磁阀模型、压力传感器模型等。如图3，为本实施例中燃油子系统模型的一种构架划分与设计实例，模型构架中的燃油子系统分为供油部件模型、加/抽油部件模型、输油部件模型，油箱与油量传感器部件模型。其中，供油部件模型又分为增压泵组件模型、电磁阀组件模型、压力传感器组件模型等，在本发明的其他实施例中，模型层级不限于图3中的形式，可以根据被仿真对象的复杂程度向下分解或向上集成，组件模型细分程度可以根据仿真颗粒度、实时验证平台的性能需要综合进行权衡确定。例如，燃油子系统模型中的增压泵组件模型，可以将增压泵组件模型作为一体，即只模拟增压泵在通电后的输出压力与流量特性，也可以将增压泵细分为结构主体与控制单元，结构主体用来模拟增压泵在运转过程中的输出压力与流量特性，控制单元用来模拟增压泵的控制过程。在燃油子系统模型中，将模型之间接口的特性分为电器连接和液体流动连接，电器连接定义供电数据流、模拟量数据流、离散量数据流作为模型接口，液体流动定义流量数据流、压力数据流、温度数据流作为模型接口。这样的模型接口定义方式，可以根据需要进行扩展，比如，增加与油量传感器模型计算得到的燃油体积作为油量传感器的输入信号。如果系统中存在机械连接、气动连接等，则增加相应的信号流作为模型的接口，用于模型连接与集成。本发明的建模方法也适用于故障模拟仿真，可以根据故障发生机理与故障树，在故障源头增加故障激励，模拟故障发生过程，产品排故过程中可以对故障发生进行原理分析与确定，在产品测试阶段可以利用模型进行故障注入测试。在采用本发明的数字孪生模型进行测试与验证时，可以按照产品的测试文件规定的测试项进行，即对于组件模型、部件模型按照相应层级产品的测试文件规定的测试项进行，系统模型按照系统产品规定的测试项进行，尤其在产品设计阶段，模型仿真结果还可以用来对产品设计、测试文档等进行迭代。

进行仿真应用时，采用本发明的数字孪生模型：(1)适应于不同规模的系统，可以将父系统模型的输入接口改为给定激励；(2)可以利用单一的仿真平台对多个系统开展联合仿真，例如对图2中的飞机机电系统开展联合仿真，(3)能够对每个最小单元的模型进行独立仿真应用，比如对图3中的增压泵组件模型单独进行仿真应用；。(4)可以进行飞机机电系统以及内部分系统的全数字仿真，模型可以代替实际产品开展硬件在环仿真、半实物仿真验证，在硬件在环或半实物仿真中需要给模型接口增加硬件电路进行接口适配，将适配后的硬件信号与被联试产品进行接口连接后开展测试工作；(5)可应用于产品设计阶段的原理仿真、也可以用于样机或者产品阶段的测试验证，对被控对象进行持续的验证。前述中的最小单元，表示多层级模型中的第下层，在上述具体实施例中，为组件模型。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种飞机机电系统的数字孪生方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，根据飞机机电系统的设计构架，确定飞机机电系统数字孪生模型的模型构架，所述模型构架为多层级模型；

S2，根据每个层级中各模型之间，以及各层级模型之间的交互信号，对每个模型的接口进行定义，且各模型的接口采用基于数据流的通用模型接口；

S3，对所述模型框架中的最小单元进行数学描述与建模仿真；

S4，按照所述模型框架的各层级关系，对所有模型进行集成，生成飞机机电系统的数字孪生模型。

2.根据权利要求1所述一种飞机机电系统的数字孪生方法，其特征在于：步骤S1中，所述模型构架包括由上至下逐层级设置的父系统模型、子系统模型、部件模型和组件模型。

3.根据权利要求1或2所述一种飞机机电系统的数字孪生方法，其特征在于：步骤S2具体为，对各模型的接口按照机械连接、电器连接、液体流动连接和气体流动连接进行定义。

4.根据权利要求3所述一种飞机机电系统的数字孪生方法，其特征在于：

所述机械连接对应的交互信号包括力矩数据流、转速数据流和位移数据流；

所述电器连接对应的交互信号包括供电数据流、模拟量数据流和离散量数据流；

所述液体流动连接对应的交互信号包括流量数据流、压力数据流和温度数据流；

所述气体流动连接对应的交互信号包括流量数据流、压力数据流、温度数据流和流速数据流。

5.根据权利要求4所述一种飞机机电系统的数字孪生方法，其特征在于：步骤S3中所述建模仿真包括模型实现、模型封装和模型测试。

6.一种飞机机电系统的仿真验证方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，采用权利要求1至5任一所述飞机机电系统的数字孪生方法生成飞机机电系统的数字孪生模型；

S2，通过所述数字孪生模型对飞机机电系统进行仿真验证。

7.根据权利要求6所述一种飞机机电系统的仿真验证方法，其特征在于：步骤S1中，在各模型的接口适配硬件接口，使各模型代替对应的实际产品开展硬件在环仿真验证和半实物仿真验证。

8.根据权利要求7所述一种飞机机电系统的仿真验证方法，其特征在于：步骤S2中，所述仿真验证还包括在实际产品测试阶段进行故障注入测试。

9.根据权利要求8所述一种飞机机电系统的仿真验证方法，其特征在于：步骤S2还包括，利用实际产品的测试方法和测试指标对相应模型进行仿真验证，根据仿真验证结果对实际产品和相应模型进行优化迭代。

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