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液压系统仿真计算平台
浏览次数:471    发布时间:2012-6-28 19:53

1. 项目背景

       针对民用支线飞机和大型客机液压系统的仿真分析需求,该项目旨在研制一套液压系统仿真计算平台,以建设飞机液压系统仿真所需的专业液压模型库和搭建液压仿真系统模型为核心,以构建反推力硬件在环仿真系统为目标,通过对液压系统仿真模型的计算结果进行分析,找到液压系统设计中不合理或错误的部分,通过模型搭建与仿真分析的方法对飞机液压系统的设计优化提供依据。

2. 解决方案

       液压控制仿真计算系统主要包括硬件平台、通信模块、液压系统模型、求解模块、动画模块和集成模块6个部分。

                     

       工作原理是:通过硬件操作或触摸屏交互界面,输入控制命令至硬件平台PLC,经信号调理、PLC中的控制逻辑计算,输出控制指令至MWorks平台;MWorks平台中通信模块将接收到的控制指令转换为控制信号,在集成模块中显示,输出至求解模块,实时计算液压系统中的作动筒行程;仿真计算得到的作动筒行程数据,传回集成模块并显示,同时通过通信模块输出反馈至硬件平台PLC中,PLC进行相应的信号调理和控制逻辑计算。另外,集成模块得到的实时数据,通过动画模块驱动3D模型。

2.1 硬件平台

    硬件平台采用Siemens S7-300系列PLC实现。主要包括PLC控制器、输入输出模块、串口通信模块、硬件操作面板、触摸屏。
    PLC控制逻辑梯形图程序在上位机上用STEP7 V5.4开发,完成后下载到PLC。触摸屏界面程序在上位机上用Flexible 2005开发,完成后下载到触摸屏。

                   

2.2 通信模块

       软件平台与硬件平台间的通信采用RS-232串口通信,按约定协议解析串口数据含义。

                    

2.3 液压系统模型

       液压系统模型由Hydraulics液压库和航空专用液压模型库搭建而成。Hydraulics液压库主要提供液压马达、节流口等基础零件,航空专用液压模型库是为飞机反推力液压系统定制的,提供隔离控制阀(ICV)、反推力整流罩锁(CL)、方向控制阀(DCV)、液压缸作动筒以及管路的模型。

                   

2.4 求解模块

       求解模块实现反推力液压系统实时求解,从而驱动作动筒三维实时动画。求解器采用固定输出步长的求解方案,即求解器的仿真输出步长是固定的,取硬件设备的每两次采样间隔。同时,在每个仿真输出时间点,保持逻辑时间与物理时间的同步。为了加快求解速度,求解器采用内存共享技术。

2.5 动画模块

       首先,求解模块对反推力液压系统模型进行实时求解,仿真数据处理模块对求解结果进行解析,生成动画数据和几何数据;其次,依据几何数据构建三维模型并显示,此时为几何模型;最后,在动画数据的驱动下,驱动实时动画仿真。ACIS和HOOPS是动画模块两个重要的支撑系统:ACIS是几何生成引擎,负责模型的创建;HOOPS是三维模型的显示引擎,负责模型的渲染。

                   

2.6 集成模块

       实现信号模块、通信模块、反推力系统模型、求解模块及动画模块之间的集成与流程控制,分反推力面板和起落架面板,采用操作面板形式在MWorks中显示,并以DLL动态库形式供主工程调用。

3. 项目成果

    (1). 建立了丰富的液压基础元件库与商飞液压模型库
    基于MWorks平台,扩展了液压领域库Hydraulics,丰富了液压基础元件库,元件库覆盖各种常用液压泵、液压马达、液压缸、方向阀、压力阀、流量阀、电磁方向阀等,包括辅助的管路模型、液阻模型、传感器模型,定义了各种常用液压接口。
    基于液压基础库MWorks/Hydraulics,针对反推力液压系统,根据液压原理,建立了ICV、CL、DCV等元件的理论模型,根据试验曲线,建立了负载力的实验模型,由此形成航空专用液压模型库。
    在MWorks/Hydraulics和航空专用液压模型库基础上,根据反推力液压系统原理图,建立了反推力液压系统标准模型、扩展模型以及各种工况试验模型。
    液压基础库、航空专用液压库以及反推力系统液压库,全部是开放领域库,其全部原理和代码可见,可以根据需要自由修改或扩展。在这些液压库的基础上,可以快捷方便地搭液压系统模型或者构建其他专用液压库。

    (2). 完成了反推力液压元件参数反求、系统模型参数标定与试验验证
    对于反推力液压系统,根据各种试验结果曲线,通过采样、建模、比较、优化,反求出反推力液压系统模型关键元件的参数,如ICV电磁先导阀、CL电磁先导阀、DCV电磁先导阀、ICV液控换向阀、CL液压锁、DCV液控换向阀等元件的孔口流通面积和控制压力等参数。
    对于反推力液压系统,通过试验结果反求,或者直接标定,如ICV电磁先导阀、CL电磁先导阀、DCV电磁先导阀、ICV液控换向阀、CL液压锁、DCV液控换向阀等元件的流液温度、流量系数、流液密度等参数,完成了反推力液压系统的全部参数标定。
    建立了正常着陆反推力液压系统展开收回仿真模型和四种反推力系统故障仿真模型,比较了正常工况和故障工况下的仿真曲线与试验曲线,得到比较一致的近似结果,说明了仿真模型的有效性。

    (3). 分析了反推力液压系统热效应和管路效应
    反推力液压系统考虑了流液温度对于其密度和粘度的影响,通过液压系统模型不同温度设置,仿真了温度对于液压系统作动筒压力-时间和位移-时间曲线的影响,结果定量地说明了温度对于作动筒展开收回时间有着明显影响。
    建立了反推力液压系统不带管路元件的系统模型和带管路元件的系统模型,比较了两者在相同参数设置下仿真时作动筒压力-时间和位移-时间曲线,仿真结果说明了考虑管路时引入的延迟效应和振动效应。

    (4). 搭建了液压系统半实物仿真硬件环境
    购置了数字逻辑实验仪、PLC可编程逻辑控制器、大屏幕触摸屏、单片机开发板、控制计算机等硬件设备,构建了液压系统仿真平台系统信号模拟仿真器,搭建了液压系统半实物仿真硬件环境,所有硬件设备统一放置于工控机柜中。

    (5). 实现了反推力控制半实物仿真与三维实时动画显示
    实现了反推力控制半实物仿真系统,系统包括信号模块、通信模块、反推力系统模型、求解模块及动画模块。可以进行正常着陆和终止起飞两种状态下左通道、右通道、双通道反推力展开、收回的正常工况与故障模式的半实物实时仿真,可以实时显示反推力液压作动筒展开收回的三维动画。

    (6). 提供了开放的航空液-控-机-电多领域统一建模与仿真平台
    MWorks基于Modelica语言,支持多领域统一建模与仿真,特别是液压、多体、控制、电子等多领域统一建模能力为MWorks所特有。MWorks已经面向航空提供了专业的行业液压库,支持反推力系统或起落架系统的液压、多体、控制等子系统的统一建模。
    MWorks是一个知识积累、模型集成的计算平台,可以由工程师方便地将企业的产品设计知识、设计经验以及实验数据集成到模型之中,以供参考和重用。MWorks是一个开放的平台,在权限容许范围内,可以查看任何模型的原理与代码,并可以自行修改或调整。
    基于MWorks平台的通用建模与仿真能力,加上丰富的基础领域库,如液压、控制、电子、一维机械、多体等,以及针对性的行业领域库,如商飞专用液压库,再辅以各种扩展功能与工具,已经形成一个开放的航空液-控-机-电多领域统一建模与仿真平台。

4. 应用价值

       通过液压系统仿真计算平台系统对飞机反推力系统进行了仿真试验与功能验证,能为反推力系统的设计与试验的优化提供依据,发现潜在问题,减少试验次数,缩短开发周期,降低研究成本,具有重要的技术和经济意义。