專利名稱：飛機反推力液壓裝置半實物實時仿真系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種進行仿真分析和測試的半實物的仿真系統(tǒng)，具體涉及一種 用于飛機反推力液壓裝置設計過程中進行仿真分析和測試的半實物實時仿真 系統(tǒng)。
背景技術：
飛機反推力液壓裝置是改變飛機噴氣方向的執(zhí)行部件，用于在飛機降落時 實現(xiàn)快速減速，從而降低跑道長度。該裝置的可靠性要求非常高，并且涉及到 機械、控制和液壓等多個領域。對該裝置的測試分析需要耗費大量的人力物力 和財力。其難度在于首先，在液壓裝置設計的早期，整個裝置實物系統(tǒng)不完 備的情況下，無法進行實物測試；其次，由于整個裝置狀態(tài)參數(shù)非常多，各種 參數(shù)的組合測試需要非常多的測試次數(shù)。
雖然可以在設計過程中進行大量的計算及軟件仿真試驗，但是在此過程中 無法和駕駛員的操作及各種控制硬件進行協(xié)調測試，因此，只能在制備出實物 裝置后再進行測試，在此過程中需要進行多次實物重制及大量的反復測試，導 致研制周期長、測試費用髙。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種飛機反推力液壓裝置半實物實時仿真系統(tǒng)，在不 需要制備出硬件液壓裝置的前提下，通過該系統(tǒng)對飛機反推力液壓裝置的控制 策略、動態(tài)性能和整體結構進行仿真、測試和分析，也可用于對裝置中的單個 工作單元部件進行測試和仿真分析。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是 一種飛機反推力液壓裝置半 實物實時仿真系統(tǒng)，包括計算機、與計算機連接的實物裝置、位于計算機內的 軟件仿真裝置，所述實物裝置主要由可編程邏輯控制器PLC硬件平臺、與所 述PLC硬件平臺的輸入接口連接的輸入裝置構成；所述軟件仿真裝置在支持物理建模語言Modelica的開發(fā)平臺上構建，利用流體動力學和電子控制理論 構建液壓系統(tǒng)的子模型，再將各個仿真子模型組成軟件仿真裝置所述PLC 硬件平臺與計算機之間經(jīng)通訊接口連接，PLC硬件平臺根據(jù)輸入裝置的狀態(tài) 信號對軟件仿真裝置進行參數(shù)控制和邏輯控制，軟件仿真裝置的輸出量在計算 機中以數(shù)字和動畫的形式顯示，同時作為反饋信號通過通訊接口反饋給PLC 硬件平臺，所述輸入裝置、可編程邏輯控制器PLC硬件平臺、代替真實物件 的軟件仿真裝置一起組成閉環(huán)測試系統(tǒng)。
上述技術方案中，所述子模型包括液壓泵、管路、先導閥、換向閥、伺服 閥、液壓缸作動筒以及控制電路，每一子模型中分別采用物理建模語言描述其 對應的物理參數(shù)、方程、以及與其它子模型的連接方式。
所述輸入裝置包括方向盤、腳蹬、控制開關及手柄。
所述支持物理建模語言Modelica的開發(fā)平臺是軟件開發(fā)平臺MWorks。 上述技術方案中，實物裝置即物理硬件模塊包括
PLC硬件平臺和輸入裝置采用實際的液壓系統(tǒng)電控設備，主要有反推 力開關、PLC電子設備和電磁閥故障控制觸發(fā)開關。其中PLC作為實時控制 中心，連接觸摸屏作為PLC的人機交互界面，數(shù)字量輸入/輸出模塊用于采集 反推力開關的離散量信號并可兼顧平臺的功能擴展。
軟件仿真裝置包括建模求解模塊和實時仿真模塊，其中的建模求解模塊包
括
液壓系統(tǒng)模型MWorks上使用Modelica語言搭建的由各個液壓元件子 模型組建成的系統(tǒng)模型，代替實際反推力液壓系統(tǒng)。
翻譯將描述液壓系統(tǒng)模型的Modelica語言代碼編譯成用于求解的C代碼。
求解根據(jù)編譯出的模型C代碼，以及相關的運算代碼，生成一個求解
器執(zhí)行文件，供運算時調用。 實時仿真模塊包括
控制面板顯示相關輸入輸出量，是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊中樞，并負責與 物理模塊、實時運算、實時動畫的數(shù)據(jù)通信。
實時動畫接收從控制面板傳來的驅動動畫數(shù)據(jù)，實時顯示。實時運算調用建模求解模塊生成的求解器，開始實時運算。按設定的采 樣時間，定時讀取從控制面板傳來的數(shù)據(jù)，作為仿真實時運算的輸入條件，計 算一個采樣周期的數(shù)據(jù)，并將最終數(shù)據(jù)返回給控制面板。然后等待，直到下次 采樣時間，再次讀數(shù)據(jù)，計算，輸出，如此反復循環(huán)。
各模型的控制方式如下(以通訊接口采用串口為例)
反推力開關發(fā)出狀態(tài)指令(反推力展開/收回)，PLC的數(shù)字量輸入模塊采 集到狀態(tài)信號，根據(jù)設定的反推力控制程序，將反推力系統(tǒng)的各個電磁閥開關 信號按協(xié)議轉化成信號數(shù)據(jù)發(fā)送至串口的數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，當接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù) 個數(shù)達到預先設置的接收中斷字節(jié)個數(shù)時，計算機系統(tǒng)將產生一個串口中斷， MWorks軟件平臺的控制面板根據(jù)串口中斷作出相應程序響應，即進入中斷程 序，程序將讀取接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，并轉換為相應的變量數(shù)據(jù)顯示出來，并通 過管道共享內存輸出至液壓系統(tǒng)模型的求解器。同時，求解器實時求解計算的 數(shù)據(jù)也通過管道共享內存輸出至控制面板，再由控制面板將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)發(fā)送 緩沖區(qū)，輸出至PLC設備。
由于上述技術方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有下列優(yōu)點
1. 本發(fā)明基于能描述物理系統(tǒng)行為和功能特性的物理建模語言構成軟件 仿真裝置，通過PLC硬件平臺與輸入裝置配合形成半實物實時仿真系統(tǒng)，不 需要制備液壓裝置，即可對飛機反推力液壓裝置進行各種參數(shù)的測試與分析； 基于此系統(tǒng)，設計人員能髙效地完成反推力液壓裝置的建模、仿真及分析，準 確預測液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性及仿真非線性因素影響、仿真執(zhí)行機構動態(tài)特性， 評估系統(tǒng)參數(shù)、非線性因素及相應控制策略等對液壓系統(tǒng)性能的影響，大大縮 短反推力液壓裝置的研制分析周期，提髙設計質量，減少測試費用。
2. 仿真系統(tǒng)模型可編輯，由于本發(fā)明的軟件仿真裝置在支持物理建模語 言Modelica的開發(fā)平臺上構建，只需要固定輸入和輸出模塊，其它子模型及 其連接方式均可以根據(jù)實際情況建模修改調整如果采用軟件開發(fā)平臺 Mworks，則可以在可視化建模下修改調整。
3. 仿真系統(tǒng)具有實時輸入輸出量顯示功能，本發(fā)明軟件仿真裝置可以實 時顯示各液壓閥的狀態(tài)、液壓缸行程百分比等數(shù)據(jù)。
4. 本發(fā)明的軟件仿真裝置結合動畫顯示模塊，可以實現(xiàn)三維實時動畫顯示。


圖1是飛機反推力液壓裝置半實物實時仿真系統(tǒng)各部件間連接的框圖。 圖2是實施例一中飛機反推力液壓系統(tǒng)與原理圖。 圖3是實施例一的通訊流程示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述 實施例一-
參見附圖l和附圖2所示，一種飛機反推力液壓裝置半實物實時仿真系統(tǒng)， 硬件包括臺式計算機DELL OPTIPLEX755(酷睿2處理器、2G內存、ATi2400 顯卡等)、西門子PLC系統(tǒng)(CPU312、 4路模擬量輸入輸出模塊、數(shù)字量輸 入輸出接口等)。軟件平臺為MWorks,建模語言Modelica。
1)系統(tǒng)建模
用在Modelica語言在MWorks上建立的各個液壓元件模型、電氣元件模 型，按設計圖紙相互連接，構建整個反推力液壓系統(tǒng)模型。在輸入輸出量固定 的條件下，可隨時對反推力液壓系統(tǒng)模型內部子模型、連接線路等進行調整測
試0
根據(jù)圖2飛機反推力液壓系統(tǒng)與原理圖，建立反推力液壓系統(tǒng)專用部件模 型庫，主要包括以下三個部件模型ICV、 CL、 DCV。 a. ICV單元
ICV單元可由兩個液壓閥組成，即電磁先導閥(左側)和換向閥(右側)。 先導閥建模方案
先導閥有三個液壓接口 (P、 T、 A)和一個控制信號接口 (S)。當接口 S 的輸入信號小于參考值時，閥處于右位，即A與T接通，P 口封閉；當接口 S 的輸入信號大于或等于參考值時，閥處于左位，即A與P接通，T口封閉。
元件參數(shù)定義如下
x。輸入信號參考值x:輸入信號值
PP、 PT、 Pa: P、 T、 A接口的壓力。
元件控制方程為
whenx < xo Pt=Pa
else Pp=PA
換向閥建模方案
換向閥有4個接口，均為液壓接口。接口 S的壓力作為控制信號控制閥的 接通方式。
當S 口的壓力Ps小于規(guī)定值Po時，接口 P與接口 A全部連通，T 口封閉； 當S 口的壓力Ps大于規(guī)定值Pi (P^Po)時，接口 T與接口 A全部連通，P 口封閉；當s 口的壓力Ps大于Pq小于Pt時 連通。
定義Dw為T 口與A 口之間的通流面積 面積。則
接口 A與接口 P、接口 T同時 DpA為P 口與、A 口之間的通流
<formula>formula see original document page 7</formula>
A>anax、 AM皿分別為T口與A口、 P口與A 口完全連通時的通流面積 對于孔口流體的控制方程如下
<formula>formula see original document page 7</formula>b. CL單元
L單元可由兩個液壓閥組成，即電磁先導閥(上)和伺服閥(下)。 先導閥建模方案
先導閥有三個液壓接口 (P、 T、 A)和一個控制信號接口 (S)。當接口 S 的輸入信號小于參考值時，閥處于右位，即A與P接通，T 口封閉；當接口 S 的輸入信號大于或等于參考值時，閥處于左位，即A與T接通，P口封閉。
元件參數(shù)定義如下 輸入信號參考值，
x:輸入信號值，
Pp、 PT、 Pa: P、 T、 A接口的壓力。
元件控制方程為
when x<xo Pp=Pa
else Pt=Pa
伺服閥建模方案
伺服閥有3個接口，均為液壓接口。接口 S的壓力作為控制信號控制閥的 接通。
當S 口的壓力Ps小于規(guī)定值Pe時，接口P與接口A斷開；當S 口的壓力 Ps大于規(guī)定值(PPPo)時，接口 T與接口 A全部連通當S 口的壓力Ps 大于P。小于Pi時，接口A與接口P部分連通。
定義DpA為P口與、A口之間的通流面積
則
0 《^
"—尸o
"P」薩 j — o
A^謹分別為T口與A口、 P口與A 口完全連通時的通流面積。 對于孔口流體的控制方程如下/2fP —P 、
凡"，
p為輸液密度，A為孔口通流面積
q萍為最力lftl數(shù)，4w為臨界流激:
臨界雷諾數(shù)
義=
W為水力雜，u為液體繊艘(鵬力^+u/2H寸)
u y P
c. DCV單元
DCV單元可由兩個液壓閥組成，即電磁先導閥(左)和伺服閥(右)。 先導閥建模方案
先導閥有三個液壓接口 (P、 T、 A)和一個控制信號接口 (S)。 該先導閥與ICV及CL單元的先導閥相同，故建模方案不再重復。 伺服閥建模方案
伺服閥有5個接口，均為液壓接口。接口 S和接口 B的壓力作為控制信
AP二P —尸
號控制閥的接通，定義S 口與P 口壓力之差為 6 s。
當a 小于規(guī)定值p。時，接口 A與接口 T全部連通，P 口斷開；當w大
于規(guī)定值P, (P^Pq)時，接口 A與接口 P全部連通，T 口斷開；當ap大于 Po且小于Pi時，接口A與接口P， A口與P口部分連通。
定義DTA為T 口與A 口之間的通流面積，DpA為P 口與、A 口之間的通流面 積。則
7M
0
p —尸
尸—尸
乂l 乂o
7>iirax
p —p
乂s J0
尸 一尸
[1 、
_Pj max
p > ap > pn
6 > ap >尸0
7'力max
max
分別為T口與A口、 P 口與A 口完全連通時的通流面積
對于孔口流體的控制方程如下<formula>formula see original document page 10</formula>
2) 通信模塊
本實施例采用串口通訊，在MWorks軟件平臺中，添加COM通訊組件， 創(chuàng)建控制面板，顯示輸入輸出量，完成各個模塊間的通信。功能包括狀態(tài)設置 (設置波特率、校驗等串口通訊參數(shù))、數(shù)據(jù)接收(從數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)讀取通 訊數(shù)據(jù))、數(shù)據(jù)發(fā)送(將通訊數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū))、數(shù)據(jù)接收中斷(控制 模型求解和調用中斷響應)。
從串口數(shù)據(jù)通訊到數(shù)據(jù)輸入/輸出至液壓系統(tǒng)模型，其流程如圖3所示。 控制面板與PLC之間的通信，采用RS-232,波特率可調，8bits數(shù)據(jù)，lbit 停止，無校驗方式。具體通信協(xié)議中應包括握手信號，握手返回信號，左、右 兩側的ICV、 CL、 DCV的開關狀態(tài)信號，作動筒的行程數(shù)據(jù)(可以采用行程 的百分比表示)。
3) 測試試驗
按照反推力液壓系統(tǒng)實際工況控制流程，在PLC中編寫控制程序對反推 力液壓系統(tǒng)進行控制，計算機收到PLC的控制指令實時進行仿真計算。 主要測試內容如下
(1) .接通ICV、 CL和DCV電磁線圈，系統(tǒng)壓力管路增壓至20.6MPa 0.3MPa,此時反推力液壓作用筒活塞桿伸出，在該狀態(tài)下保持5min。
(2) .接通CL，并且斷開DCV和ICV電磁線圈，系統(tǒng)壓力管路增壓至 20.6MPa 0.3MPa，此時反推力液壓作用筒活塞桿收回，在該狀態(tài)下保持5min。
(3) .反推力作動筒分別正常展開到50%、 60%和70%時，給DCV斷電， 觀察反推力是否能夠收回，并記錄左右作動時間。
(4) .反推力作動筒分別正常收回到80%、 70%和60%,給DCV加電，觀 察反推力是否能夠展開，并記錄左右作動時間。
(5) .反推力作動筒分別正常展開到50°/。、 60%、 70%時，給ICV斷電，觀察反推力是否能夠展開，并記錄左右作動時間。
(6).反推力作動筒分別正常收回到80%、 70%和60%時，給ICV斷電， 觀察反推力是否能夠展開，并記錄左右作動時間。
4)實施效果
經(jīng)此反推力液壓系統(tǒng)實施結果表明，本系統(tǒng)可以很好地仿真反推力液壓系 統(tǒng)整體性能，以及測試反推力液壓系統(tǒng)的控制策略，并可根據(jù)性能數(shù)據(jù)對反推 力液壓系統(tǒng)模型參數(shù)和結構進行修改調整，最終達到最佳性能，大大節(jié)省了在 實際試驗中的測試調試時間。
權利要求
1. 一種飛機反推力液壓裝置半實物實時仿真系統(tǒng)，包括計算機、與計算機連接的實物裝置、位于計算機內的軟件仿真裝置，其特征在于所述實物裝置主要由可編程邏輯控制器PLC硬件平臺、與所述PLC硬件平臺的輸入接口連接的輸入裝置構成；所述軟件仿真裝置在支持物理建模語言Modelica的開發(fā)平臺上構建，利用流體動力學和電子控制理論構建液壓系統(tǒng)的子模型，再將各個仿真子模型組成軟件仿真裝置；所述PLC硬件平臺與計算機之間經(jīng)通訊接口連接，PLC硬件平臺根據(jù)輸入裝置的狀態(tài)信號對軟件仿真裝置進行參數(shù)控制和邏輯控制，軟件仿真裝置的輸出量在計算機中以數(shù)字和動畫的形式顯示，同時作為反饋信號通過通訊接口反饋給PLC硬件平臺，所述輸入裝置、可編程邏輯控制器PLC硬件平臺、代替真實物件的軟件仿真裝置一起組成閉環(huán)測試系統(tǒng)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的飛機反推力液壓裝置半實物實時仿真系統(tǒng)，其 特征在于所述子模型包括液壓泵、管路、先導闊、換向閥、伺服閥、液壓缸 作動筒以及控制電路，每一子模型中分別采用物理建模語言描述其對應的物理 參數(shù)、方程、以及與其它子模型的連接方式。
3. 根據(jù)權利要求1所述的飛機反推力液壓裝置半實物實時仿真系統(tǒng)，其 特征在于所述輸入裝置包括方向盤、腳蹬、控制開關及手柄。
4. 根據(jù)權利要求1所述的飛機反推力液壓裝置半實物實時仿真系統(tǒng)，其 特征在于所述支持物理建模語言Modelica的開發(fā)平臺是軟件開發(fā)平臺 MWorks。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種飛機反推力液壓裝置半實物實時仿真系統(tǒng)，主要由計算機、可編程邏輯控制器PLC硬件平臺、輸入裝置、位于計算機內的軟件仿真裝置構成閉環(huán)測試系統(tǒng)；利用流體動力學和電子控制理論構建液壓系統(tǒng)的子模型，再將各個仿真子模型組成軟件仿真裝置；PLC硬件平臺根據(jù)輸入裝置的狀態(tài)信號對軟件仿真裝置進行參數(shù)控制和邏輯控制，軟件仿真裝置的輸出量在計算機中以數(shù)字和動畫的形式顯示，同時作為反饋信號通過通訊接口反饋給PLC硬件平臺。本發(fā)明不需要制備液壓裝置，即可對飛機反推力液壓裝置進行各種參數(shù)的測試與分析；大大縮短反推力液壓裝置的研制分析周期，提高設計質量，減少測試費用。
文檔編號B64G7/00GK101544281SQ20091002941
公開日2009年9月30日 申請日期2009年4月13日 優(yōu)先權日2009年4月13日
發(fā)明者雙 吳, 周凡利, 紅 常, 王鴻鑫, 清 陸, 陳立平 申請人:蘇州同元軟控信息技術有限公司