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畢業(yè)設(shè)計(jì)（外文翻譯）
第七屆會(huì)議論文集Modelica語(yǔ)言，科莫，意大利，9月20日至22日，2009
基于Modelica半實(shí)物仿真的
飛機(jī)反推力裝置液壓系統(tǒng)
趙建軍1 李自強(qiáng)1 丁劍烷1 陳利平1 王祈福1
陸清2王宏鑫2吳爽2
1：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中心，機(jī)械學(xué)院，華中科技大學(xué)?？萍技凹夹g(shù)。湖北省武漢市，中國(guó)，430074
2：上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，中國(guó)商用飛機(jī)集團(tuán)有限公司，上海，200436
{jjzhao168, willhave, jwdingwh, chenliping.ty}@gmail.com wangqf@hust.edu.cn
lq70300@126.com whongxin@sina.com wushuanga@sohu.com
摘要：本文介紹了一個(gè)解決方案來(lái)建立一個(gè)硬件在環(huán)（HIL）仿真系統(tǒng)與Modelica語(yǔ)言為基礎(chǔ)的民間飛機(jī)推力逆向仿真平臺(tái)系統(tǒng) -機(jī)電工程在Windows系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用硬件在環(huán)仿真平臺(tái)“機(jī)電工程”，以模型和模擬的推力反向器的液壓系統(tǒng)，并采取硬件- 作為模擬輸入PLC的輸出信號(hào)。建模模塊，通信模塊，解決模塊，動(dòng)畫模塊和控制模塊包括硬件在環(huán)仿真平臺(tái)中，其關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)施細(xì)節(jié)規(guī)定。HIL系統(tǒng)已成功應(yīng)用于ARJ21飛機(jī)液壓系統(tǒng)仿真反推力。它可以模擬液壓系統(tǒng)在正常狀態(tài)，故障狀態(tài)以及其他工作條件，以驗(yàn)證控制邏輯和評(píng)價(jià)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能，從而幫助減少了實(shí)驗(yàn)成本，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：飛機(jī)推力反向器的液壓系統(tǒng)，實(shí)時(shí)仿真，硬件在環(huán)，Modelica
1. 簡(jiǎn)介
推力反向器[1]作為飛機(jī)引擎的一部分，是飛機(jī)著陸減速裝置，它可以有效地縮短了滑行距離。推力反向器是一個(gè)典型的復(fù)雜物理系統(tǒng)，涉及機(jī)械，電子，液壓，控制等領(lǐng)域。為了驗(yàn)證推力反向器的控制邏輯，我們可以進(jìn)行地面試驗(yàn)及飛行的推力反向器真正件實(shí)驗(yàn)，但這種方法具有較高的成本和安全性差，而且只限于不同的自然條件。此外，這種方法，對(duì)極端條件下的測(cè)試是非常困難的。Modelica語(yǔ)言為基礎(chǔ)的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)可以解決上述問題。首先，基于Modelica[2，3]是一個(gè)免費(fèi)的，面向?qū)ο蟮拇笮?，?fù)雜和異構(gòu)的物理系統(tǒng)的語(yǔ)言formodeling。這是適合多領(lǐng)域建模。在數(shù)學(xué)描述Modelica語(yǔ)言模型是由微分，代數(shù)和離散方程。Modelica語(yǔ)言，我們可以在整個(gè)反推模型，它涉及機(jī)械，電子，液壓和控制領(lǐng)域。其次，HIL系統(tǒng)同時(shí)使用真實(shí)邏輯控制元件和反推力模型來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬。HIL系統(tǒng)可以驗(yàn)證這在varietyof工作條件的控制邏輯，它的成本非常低。此外，有了這個(gè)系統(tǒng)，就沒有必要考慮安全性。
本文介紹了一個(gè)解決方案來(lái)建立一個(gè)模擬平臺(tái)與基于Modelica語(yǔ)言反推力HIL模擬系統(tǒng) –機(jī)電工程[4]與Windows操作系統(tǒng)的普通電腦。它使用為例，先進(jìn)的區(qū)域噴氣飛機(jī)的推力反向器在21世紀(jì)（ARJ21的），這是設(shè)計(jì)和公司的中國(guó)商用飛機(jī)有限公司（專員）制造。首先，它介紹了硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的總體框架，然后詳細(xì)說明了仿真平臺(tái)，這是建模模塊，解決，溝通，動(dòng)畫及和記控制的幾個(gè)重要模塊，最后演示了該系統(tǒng)的成功應(yīng)用ARJ21的推力反向器模擬。
2系統(tǒng)概述
一般來(lái)說，硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)由主機(jī)上的Windows操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)器上運(yùn)行的PC運(yùn)行的操作系統(tǒng)， 這種系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)功能，但非常昂貴。ARJ21飛機(jī)的推力反向器是由液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它主要是由六電磁液壓閥，其國(guó)家所有的推力反向器控制開關(guān)取決于控制。在模擬實(shí)驗(yàn)中，PLC作為反推控制器產(chǎn)生控制信號(hào)，液壓閥6根據(jù)的推力反向器控制開關(guān)和反饋信號(hào)從模擬平臺(tái)的狀態(tài)。和反饋信號(hào)將只用于故障觸發(fā)。因此，模擬不需要很高的實(shí)時(shí)能力。
該硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，在這篇文章中討論，不需要昂貴的“真正的“實(shí)時(shí)系統(tǒng)。它可以運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)的普通計(jì)算機(jī)和采樣頻率可以達(dá)到50赫茲，這是足夠的推力反向器模擬的要求。
在圖1所示的系統(tǒng)的概述。HIL仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基于PLC和仿真平臺(tái)“機(jī)電工程”，這五個(gè)軟件模塊組成- 建模模塊，解決模塊，通信模塊，動(dòng)畫模塊和硬件在環(huán)控制模塊。
圖1：系統(tǒng)概述
PLC中，作為在HIL系統(tǒng)的硬件部分使用，接收電子信號(hào)控制開關(guān)，以及模擬反饋信號(hào)，并發(fā)送控制信號(hào)的邏輯運(yùn)算后的仿真平臺(tái)。機(jī)電工程，以Modelica語(yǔ)言為基礎(chǔ)的綜合開發(fā)環(huán)境，是用來(lái)作為建模和硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的仿真平臺(tái)。推力反向器是模擬對(duì)象，這是基于Modelica模型。根據(jù)該模型，求解模塊產(chǎn)生的疑問，這是實(shí)時(shí)計(jì)算工作。通訊模塊是實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交換和PLC負(fù)責(zé)。該動(dòng)畫模塊接收從解決模塊和驅(qū)動(dòng)器的三維動(dòng)畫的結(jié)果數(shù)據(jù)。囪基發(fā)展控制模塊，它的面板，如圖2所示，為啟動(dòng)和終止仿真，仿真參數(shù)設(shè)置負(fù)責(zé)，展現(xiàn)與其他模塊進(jìn)行通信，以及關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
圖2：半實(shí)物仿真系統(tǒng)
仿真過程如下：
1) 在分析了反推力系統(tǒng)，組件模型和系統(tǒng)模型）創(chuàng)建于Modelica語(yǔ)言。
2) 在設(shè)置與控制模塊的硬件在環(huán)仿真面板參數(shù)，模擬開始：HIL模式轉(zhuǎn)換控制模塊，然后生成一個(gè)求解器模塊解決，這將是在一個(gè)新的程序調(diào)用。
3) 通信模塊是由所謂的硬件在環(huán)控制模塊接收來(lái)自PLC的控制信號(hào)。經(jīng)過翻譯，這些信號(hào)會(huì)顯示在面板上，并傳送到求解程序。
4) 在求解過程中接收控制信號(hào)并在每個(gè)周期計(jì)算。當(dāng)計(jì)算完成后，解算器發(fā)送的結(jié)果到HIL控制模塊，并等待下一個(gè)周期。
5) HIL控制模塊接收來(lái)自求解過程的結(jié)果，并顯示在HIL控制模塊的硬件面板，并交付給動(dòng)畫模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)動(dòng)畫。與此同時(shí)，HIL控制模塊命令通訊模塊發(fā)送結(jié)果反饋信號(hào)給PLC。
6) PLC采用反饋信號(hào)和控制作為輸入開關(guān)狀態(tài)，邏輯運(yùn)算后，發(fā)送控制信號(hào)到仿真平臺(tái)。
7) 重復(fù)步驟3，直到終止循環(huán)的模擬。
3關(guān)鍵技術(shù)
3.1建模
在分析了ARJ21飛機(jī)的推力反向器的液壓系統(tǒng)，我們開發(fā)了一個(gè)專用液壓庫(kù)：Hydrau -Comac，這是在HyLibLight的液壓庫(kù)。Hydrau_Comac庫(kù)提供ARJ21的推力反向器和輔助液壓元件庫(kù)，如隔離控制閥（側(cè)腦室），兜帽鎖（氯），方向控制閥（直流電壓），液壓執(zhí)行器，管，負(fù)載，以及流體的特性。這些模型是根據(jù)自身構(gòu)造方程及其參數(shù)的檢測(cè)結(jié)果判定是否有必要校準(zhǔn)。為了滿足實(shí)時(shí)性的要求，Hydrau_Comac庫(kù)還提供簡(jiǎn)化的實(shí)時(shí)組件模型。Hydrau_Comac庫(kù)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3：Hydrau_Comac庫(kù)的結(jié)構(gòu)
在HyLibLight庫(kù)和Hydrau_Comac庫(kù)的基礎(chǔ)上，我們模擬ARJ21的反推力液壓系統(tǒng)，提供簡(jiǎn)化的系統(tǒng)模型（圖4）實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真，以及詳細(xì)的系統(tǒng)模型進(jìn)行離線仿真（圖5）。
圖4：實(shí)時(shí)反推力系統(tǒng)模型
圖5：離線系統(tǒng)模型與管道
3.2求解
HIL仿真模型的模型解決與離線模擬解決不同。HIL仿真解決不僅需要與外部硬件交換數(shù)據(jù)，而且還保證物理時(shí)間之間在現(xiàn)實(shí)世界中的模擬和邏輯時(shí)間同步。為了識(shí)別輸入和輸出數(shù)據(jù)，我們使用“輸入“和“輸出’”前綴修改輸入變量和輸出變量，因此，我們可以保證計(jì)算順序-從輸入變量到輸出變量。此外，根據(jù)Modelica的規(guī)范，輸入變量和輸出變量可用于外部通信，因此，外部交換數(shù)據(jù)需要在配置文件中記錄。根據(jù)在配置文件中記錄，聯(lián)營(yíng)的解決模塊輸入/輸出共享內(nèi)存變量。求解器模塊從共享內(nèi)存中讀取輸入數(shù)據(jù)，并寫入輸出數(shù)據(jù)到那里。 HIL控制模塊寫入輸入數(shù)據(jù)從PLC的共享內(nèi)存中，并從哪里讀取輸出數(shù)據(jù)。
實(shí)時(shí)流程圖解決是如圖6所示。在每一個(gè)采樣周期，如果他們的數(shù)據(jù)變動(dòng)，解決模塊將會(huì)從共享內(nèi)存中提取輸入數(shù)據(jù)并檢查。如果更改，這意味著會(huì)導(dǎo)致事件的外面環(huán)境改的變化，從而使解決模塊需要做事件循環(huán)。然后，解決模塊計(jì)算，并寫入所要求的輸出數(shù)據(jù)到共享內(nèi)存。
圖6：流動(dòng)的實(shí)時(shí)圖表求解
我們使用定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。通過調(diào)用查詢性能頻率（）函數(shù)，我們可以得到，并調(diào)用查詢性能計(jì)數(shù)器（）在兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)功能的機(jī)器內(nèi)部定時(shí)器的時(shí)鐘頻率，我們可以得到一個(gè)計(jì)數(shù)。隨著頻率和數(shù)量，我們可以知道這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間的精確時(shí)間。利用這種方法，我們可以知道在一個(gè)周期內(nèi)所花費(fèi)的時(shí)間并把這時(shí)間稱為一個(gè)變量的物理循環(huán)時(shí)間。在下一個(gè)周期開始時(shí)物理循環(huán)時(shí)間超過采樣周期。這種方法的計(jì)時(shí)誤差小于1ms。
在每個(gè)周期中，模塊檢查是否解決在計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)于采樣周期。如果計(jì)算超過采樣周期，但不超過可接受的時(shí)間，該模塊將報(bào)告一個(gè)警告。而如果計(jì)算超出可接受的時(shí)間，該模塊將報(bào)告錯(cuò)誤并退出。因此，為了實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)性，仿真系統(tǒng)需要運(yùn)行在高性能計(jì)算機(jī)，以確保解決的速度。
3.3通訊
在HIL仿真中，如何溝通仿真平臺(tái)和PLC，以及如何保證精確的通信頻率是實(shí)時(shí)能力的關(guān)鍵因素。通過使用通訊模塊，仿真平臺(tái)采用PLC通過RS232串行端口通信。通訊參數(shù)如下：57.6kbps的傳輸速率，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)和固定字長(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀。根據(jù)該指定，從模擬平臺(tái)傳輸?shù)絇LC的數(shù)據(jù)將被轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀。然后，PLC將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換幀檢索內(nèi)容。通訊模塊調(diào)用Windows API函數(shù)進(jìn)行串口通訊：調(diào)用CreateFile（）函數(shù)打開串口，writeFile（）函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入到串行端口，用readfile（）函數(shù)來(lái)讀取串口數(shù)據(jù)。
PLC采用高速串口通信模塊CP341來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。FB7的CP341功能塊負(fù)責(zé)接收從模擬平臺(tái)的數(shù)據(jù)，并且FB8的CP341功能塊是將數(shù)據(jù)發(fā)送到模擬平臺(tái)負(fù)責(zé)。通過使用定時(shí)器，串行口通信的頻率可以被控制。串口通信的頻率是相同的采樣頻率。PLC使用其內(nèi)部定時(shí)器，其最小時(shí)間間隔可為10ms。由于PLC是電路工作，因此，定時(shí)精度取決于PLC控制程序運(yùn)行周期。在正常情況下，PLC控制程序運(yùn)作周期可小于1毫秒，精度可以達(dá)到1毫秒。通訊模塊在于Windows操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，使用多媒體定時(shí)器 “時(shí)間設(shè)置事件（）“定時(shí)控制，并實(shí)現(xiàn)串口讀寫回調(diào)功能操作，精度也能達(dá)到1毫秒。
3.4動(dòng)畫
一般來(lái)說，基于Modelica多體動(dòng)畫的實(shí)施有3個(gè)步驟：首先，求解計(jì)算模型生成的結(jié)果數(shù)據(jù)，然后將被用來(lái)形成動(dòng)畫數(shù)據(jù)；其次，幾何模型建立；第三，幾何模型的動(dòng)畫數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)并在屏幕上顯示出來(lái)。對(duì)于實(shí)時(shí)仿真，我們需要在每個(gè)周期的最新的動(dòng)畫數(shù)據(jù)，但它需要較長(zhǎng)時(shí)間，不能滿足實(shí)時(shí)性要求。幸運(yùn)的是，反推只有一個(gè)自由議案，也就是驅(qū)動(dòng)可以來(lái)回移動(dòng)。因此，我們可以首先創(chuàng)建一個(gè)離線的動(dòng)畫，然后用執(zhí)行器來(lái)部署可變長(zhǎng)度變量使該離線動(dòng)畫顯示，從而保證動(dòng)畫的同步性。具體過程如下：
首先，建立了推力反向器多體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并執(zhí)行離線仿真，使仿真結(jié)果文件生成；其次，閱讀模擬結(jié)果的文件并創(chuàng)建三維動(dòng)畫；第三，建立一對(duì)一的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的映射關(guān)系的長(zhǎng)度和脫機(jī)部署動(dòng)畫幀變量；最后，進(jìn)行了實(shí)時(shí)仿真，獲得該變量的值，并用它來(lái)驅(qū)動(dòng)動(dòng)畫。
4應(yīng)用
HIL仿真系統(tǒng)已成功應(yīng)用于ARJ21飛機(jī)液壓系統(tǒng)仿真反推力。仿真平臺(tái)的用戶界面如圖7所示。邏輯控制部分的硬件實(shí)現(xiàn)與西門子S7- 300系列PLC類似，其中包括電源模塊，CPU模塊，離散輸入模塊，離散輸出模塊，模擬量輸入模塊，模擬量輸出模塊，串口通信模塊和觸摸屏。PLC控制程序的開發(fā)和STEP7一樣以及觸摸屏界面（圖7）開發(fā)與Flexcible2005一起。采用可編程控制器控制開關(guān)的推力反向器，或從觸摸屏作為輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過一番邏輯運(yùn)算，它輸出數(shù)據(jù)相當(dāng)于仿真平臺(tái)的控制信號(hào)。
圖7：觸摸面板的PLC
機(jī)電工程運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)。我們與仿真平臺(tái)機(jī)電工程計(jì)算機(jī)是一種具有英特爾酷睿2 2.8G的CPU，2G內(nèi)存，ATI的3450HD顯卡和19英寸液晶顯示器戴爾桌面。在這種配置中，ARJ21的反推力液壓系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真周期可以達(dá)到20毫秒。結(jié)果數(shù)據(jù)和HIL仿真系統(tǒng)生成曲線與試驗(yàn)基本吻合，所不同的也是可以接受的。（表1，圖8，圖9）。
表1：部署時(shí)間及充填時(shí)間的執(zhí)行器
圖8：執(zhí)行器壓力試驗(yàn)曲線
9：執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力仿真曲線
HIL仿真系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。通過對(duì)ARJ21飛機(jī)液壓系統(tǒng)仿真反推力，我們可以驗(yàn)證在各種工況的控制邏輯，評(píng)價(jià)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能，使數(shù)量和測(cè)試成本可降低，以及ARJ21的設(shè)計(jì)優(yōu)化飛機(jī)液壓系統(tǒng)及測(cè)試可以提供依據(jù)。
5結(jié)論
本文演示了以Modelica為基礎(chǔ)的HIL硬件仿真專為??飛機(jī)液壓系統(tǒng)研制反推力的解決方案。HIL硬件仿真系統(tǒng)，運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)的普通計(jì)算機(jī)上，通過與外部硬件進(jìn)行串行端口通信。HIL仿真系統(tǒng)的成本非常低，而且其采樣周期可長(zhǎng)達(dá)20毫秒，因此特別適合用于對(duì)那些不需要非常高的實(shí)時(shí)功能的情況下。該仿真原型應(yīng)用ARJ21的推力反向器的模擬表明，該HIL硬件仿真系統(tǒng)，它采用基于Modelica語(yǔ)言模型飛機(jī)推力反向器的液壓系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)連接，能大大提高測(cè)試效率，減少測(cè)試數(shù)量和測(cè)試成本。
今后的工作是要加強(qiáng)與一般的Windows計(jì)算機(jī)模擬實(shí)時(shí)功能，以及使用機(jī)電工程生成目標(biāo)代碼，它可以用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)。
致謝
這項(xiàng)工作得到了中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)No.60704019和Grant No.60874064）。
特別感謝Medelon公司認(rèn)可使用HyLibLight庫(kù)。
縮略語(yǔ)
ARJ21的：21世紀(jì)先進(jìn)的支線飛機(jī)
申訴專員：中國(guó)工商有限公司飛機(jī)公司
發(fā)光：兜帽鎖
側(cè)腦室：隔離控制閥
直流電壓：方向控制閥
PLC：可編程邏輯控制器
HIL發(fā)展：硬件在半實(shí)物
參考文獻(xiàn)
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