基于異構(gòu)模型環(huán)境的轉(zhuǎn)彎控制算法性能優(yōu)化方法研究

蔡昀彤++吳雙++胡文++是賢珠

摘 要：在對民用飛機進行系統(tǒng)試驗的過程中，需要探討和研究如何在異構(gòu)模型情況下進行聯(lián)合仿真的方法。該文論述了在對起落架轉(zhuǎn)彎功能進行仿真的過程中，通過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

中圖分類號：TN948.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（c）-0080-03

1 研究背景及問題描述

1.1 研究背景

異構(gòu)模型是指若干個計算機模型，這些模型使用不同的軟件建立，使用不同的模型構(gòu)建語言，具有不同的架構(gòu)，同時這些模型都是某一真實物理系統(tǒng)的必要組成部分，必須協(xié)同運行才能實現(xiàn)對該真實系統(tǒng)的模擬。

異構(gòu)模型在計算機建立模型對真實系統(tǒng)進行仿真的工作中比較常見，對于汽車飛機上的系統(tǒng)而言也十分常見。例如飛機的剎車系統(tǒng)，就是一個機械加液壓加電信號組成的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的液壓部分的模型同機械部分的模型就是異構(gòu)的，它們只有在協(xié)同運行的情況下，才能真實地仿真整個剎車系統(tǒng)。

此研究是對民用飛機進行計算機仿真研究工作的一部分。主要的研究手段是對飛機上真實系統(tǒng)進行分解建模再進行聯(lián)合仿真。比如此研究的飛機起落架系統(tǒng)，可以分解為液壓、機械和軟件等若干子系統(tǒng)，對這些子系統(tǒng)分別建立起異構(gòu)模型，再通過計算機聯(lián)合仿真的方式，將這些異構(gòu)模型聯(lián)合起來，模擬完整的飛機起落架系統(tǒng)，從而進行試驗分析以及設(shè)計驗證的工作。

1.2 研究主要解決的問題

在民用飛機領(lǐng)域，至今還缺乏使用異構(gòu)模型進行仿真試驗的具體案例。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、缺乏仿真建模的驗證方法等也是重要原因。

基于此，該研究就計劃建立一套基于異構(gòu)模型的聯(lián)合仿真平臺，通過一些具體真實的仿真試驗來攻克異構(gòu)模型條件下的聯(lián)合仿真技術(shù)瓶頸；并對提升模型的置信度以及尋找對仿真模型的驗證方法方面開展研究。

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，來分析飛行員輸入的轉(zhuǎn)彎指令下起落架機構(gòu)模型的轉(zhuǎn)彎反應(yīng)，來驗證起落架系統(tǒng)模型是否能如真實系統(tǒng)一樣地執(zhí)行轉(zhuǎn)彎指令。在真實鐵鳥試驗臺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后，起落架進行響應(yīng)，液壓系統(tǒng)驅(qū)動前起落架進行轉(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)動液壓伺服閥的電機，從而控制轉(zhuǎn)彎作動筒中的液壓流量和方向，繼而驅(qū)動起落架向需要的方向轉(zhuǎn)彎。因此，為了仿真實現(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、液壓電動泵和作動筒模型以及起落架機構(gòu)模型。

3 仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(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)動系統(tǒng)模型、起落架機械結(jié)構(gòu)模型和起落架轉(zhuǎn)彎控制模型。起落架液壓驅(qū)動系統(tǒng)模型是使用LMS公司的AMESim建立的，起落架機械結(jié)構(gòu)模型是使用達索公司的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軟件進行連接采用的接口形式是VL.Motion Cosim接口。

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

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，是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)：控制邏輯接收轉(zhuǎn)彎指令值和當前轉(zhuǎn)彎角度來計算出驅(qū)動液壓系統(tǒng)的電流；液壓系統(tǒng)通過接收驅(qū)動電流和方向指令來分派合適的液壓壓力；液壓壓力傳導(dǎo)到起落架機械系統(tǒng)后，起落架機械系統(tǒng)計算出轉(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)模型見圖 3所示。

4 仿真結(jié)果

使用飛行員的手輪輸入信號作為仿真模型的輸入，運算此項目搭建的起落架轉(zhuǎn)彎控制模型，將仿真模型的轉(zhuǎn)彎反饋角度結(jié)果同真實的轉(zhuǎn)彎角度結(jié)果進行比較，如圖4所示，圖中左半邊的曲線是真實起落架系統(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?，采用仿真得到的轉(zhuǎn)彎結(jié)果同真實系統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎相應(yīng)曲線非常相似。

在轉(zhuǎn)彎過程中，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)趨勢符合預(yù)期。

對于起落架機構(gòu)模型，這個轉(zhuǎn)彎過程的動畫再現(xiàn)情景如圖6所示。通過動畫再現(xiàn)的方式可以看到轉(zhuǎn)彎的響應(yīng)靈敏，無明顯的抖動現(xiàn)象。

5 結(jié)語

通過文章建立的異構(gòu)模型架構(gòu)，文章使用仿真模型代替真實系統(tǒng)的方式，完成了起落架轉(zhuǎn)彎的功能模型，并且對起落架轉(zhuǎn)彎響應(yīng)的研究從側(cè)面驗證了起落架轉(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)模型間的無法溝通的問題，積累了聯(lián)合仿真的工具使用經(jīng)驗；同時在建模的過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)進行更復(fù)雜、更精確的系統(tǒng)仿真試驗打下了基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] 田紅芳，單立志，李成功.通用模型接口標準FMI[C]//2011年信息技術(shù)、服務(wù)科學(xué)與工程管理國際學(xué)術(shù)會議.2011.

[2] 吳紫俊，趙建軍.多領(lǐng)域功能樣機可交換模型規(guī)范實現(xiàn)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2012，24（10）：2083-2086.

[3] 趙巖.基于Modelica的起落架系統(tǒng)多領(lǐng)域建模研究[D].華中科技大學(xué)，2012.