閥殼油封軸承壓裝機設(shè)計【含全套CAD圖紙】
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長春工程學院畢業(yè)設(shè)計(外文翻譯)
CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
HIL Simulation of Aircraft Thrust Reverser Hydraulic System
In Modelica
基于Modelica半實物仿真的飛機
反推力裝置液壓系統(tǒng)
資料來源: EBSCOhost數(shù)據(jù)庫
設(shè)計題目: 閥殼油封軸承壓裝機
學生姓名: 耿唯軒
學院名稱: 國際教育學院
專業(yè)名稱: 機械設(shè)計制造及其自動化
班級名稱: 機制1646
學 號: 1622421610
指導教師: 關(guān)鐵鷹
教師職稱: 副教授
完成時間: 2020年5月19日
第七屆會議論文集Modelica語言,科莫,意大利,9月20日至22日,2009
基于Modelica半實物仿真的
飛機反推力裝置液壓系統(tǒng)
趙建軍1 李自強1 丁劍烷1 陳利平1 王祈福1
陸清2王宏鑫2吳爽2
1:計算機輔助設(shè)計中心,機械學院,華中科技大學??萍技凹夹g(shù)。湖北省武漢市,中國,430074
2:上海飛機設(shè)計研究所,中國商用飛機集團有限公司,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:本文介紹了一個解決方案來建立一個硬件在環(huán)(HIL)仿真系統(tǒng)與Modelica語言為基礎(chǔ)的民間飛機推力逆向仿真平臺系統(tǒng) -機電工程在Windows系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用硬件在環(huán)仿真平臺“機電工程”,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。建模模塊,通信模塊,解決模塊,動畫模塊和控制模塊包括硬件在環(huán)仿真平臺中,其關(guān)鍵技術(shù)和實施細節(jié)規(guī)定。HIL系統(tǒng)已成功應用于ARJ21飛機液壓系統(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,以驗證控制邏輯和評價系統(tǒng)的關(guān)鍵性能,從而幫助減少了實驗成本,優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計。
關(guān)鍵詞:飛機推力反向器的液壓系統(tǒng),實時仿真,硬件在環(huán),Modelica
1. 簡介
推力反向器[1]作為飛機引擎的一部分,是飛機著陸減速裝置,它可以有效地縮短了滑行距離。推力反向器是一個典型的復雜物理系統(tǒng),涉及機械,電子,液壓,控制等領(lǐng)域。為了驗證推力反向器的控制邏輯,我們可以進行地面試驗及飛行的推力反向器真正件實驗,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,對極端條件下的測試是非常困難的。Modelica語言為基礎(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]是一個免費的,面向?qū)ο蟮拇笮?,復雜和異構(gòu)的物理系統(tǒng)的語言formodeling。這是適合多領(lǐng)域建模。在數(shù)學描述Modelica語言模型是由微分,代數(shù)和離散方程。Modelica語言,我們可以在整個反推模型,它涉及機械,電子,液壓和控制領(lǐng)域。其次,HIL系統(tǒng)同時使用真實邏輯控制元件和反推力模型來實現(xiàn)模擬。HIL系統(tǒng)可以驗證這在varietyof工作條件的控制邏輯,它的成本非常低。此外,有了這個系統(tǒng),就沒有必要考慮安全性。
本文介紹了一個解決方案來建立一個模擬平臺與基于Modelica語言反推力HIL模擬系統(tǒng) –機電工程[4]與Windows操作系統(tǒng)的普通電腦。它使用為例,先進的區(qū)域噴氣飛機的推力反向器在21世紀(ARJ21的),這是設(shè)計和公司的中國商用飛機有限公司(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,然后詳細說明了仿真平臺,這是建模模塊,解決,溝通,動畫及和記控制的幾個重要模塊,最后演示了該系統(tǒng)的成功應用ARJ21的推力反向器模擬。
2系統(tǒng)概述
一般來說,硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)由主機上的Windows操作系統(tǒng)和實時目標機器上運行的PC運行的操作系統(tǒng), 這種系統(tǒng)具有較高的實時功能,但非常昂貴。ARJ21飛機的推力反向器是由液壓驅(qū)動系統(tǒng),它主要是由六電磁液壓閥,其國家所有的推力反向器控制開關(guān)取決于控制。在模擬實驗中,PLC作為反推控制器產(chǎn)生控制信號,液壓閥6根據(jù)的推力反向器控制開關(guān)和反饋信號從模擬平臺的狀態(tài)。和反饋信號將只用于故障觸發(fā)。因此,模擬不需要很高的實時能力。
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“實時系統(tǒng)。它可以運行于Windows操作系統(tǒng)的普通計算機和采樣頻率可以達到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)的實現(xiàn)基于PLC和仿真平臺“機電工程”,這五個軟件模塊組成- 建模模塊,解決模塊,通信模塊,動畫模塊和硬件在環(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,接收電子信號控制開關(guān),以及模擬反饋信號,并發(fā)送控制信號的邏輯運算后的仿真平臺。機電工程,以Modelica語言為基礎(chǔ)的綜合開發(fā)環(huán)境,是用來作為建模和硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的仿真平臺。推力反向器是模擬對象,這是基于Modelica模型。根據(jù)該模型,求解模塊產(chǎn)生的疑問,這是實時計算工作。通訊模塊是實時仿真平臺之間的數(shù)據(jù)交換和PLC負責。該動畫模塊接收從解決模塊和驅(qū)動器的三維動畫的結(jié)果數(shù)據(jù)。囪基發(fā)展控制模塊,它的面板,如圖2所示,為啟動和終止仿真,仿真參數(shù)設(shè)置負責,展現(xiàn)與其他模塊進行通信,以及關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
圖2:半實物仿真系統(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,然后生成一個求解器模塊解決,這將是在一個新的程序調(diào)用。
3) 通信模塊是由所謂的硬件在環(huán)控制模塊接收來自PLC的控制信號。經(jīng)過翻譯,這些信號會顯示在面板上,并傳送到求解程序。
4) 在求解過程中接收控制信號并在每個周期計算。當計算完成后,解算器發(fā)送的結(jié)果到HIL控制模塊,并等待下一個周期。
5) HIL控制模塊接收來自求解過程的結(jié)果,并顯示在HIL控制模塊的硬件面板,并交付給動畫模塊來驅(qū)動的實時動畫。與此同時,HIL控制模塊命令通訊模塊發(fā)送結(jié)果反饋信號給PLC。
6) PLC采用反饋信號和控制作為輸入開關(guān)狀態(tài),邏輯運算后,發(fā)送控制信號到仿真平臺。
7) 重復步驟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飛機的推力反向器的液壓系統(tǒng),我們開發(fā)了一個專用液壓庫:Hydrau -Comac,這是在HyLibLight的液壓庫。Hydrau_Comac庫提供ARJ21的推力反向器和輔助液壓元件庫,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)的檢測結(jié)果判定是否有必要校準。為了滿足實時性的要求,Hydrau_Comac庫還提供簡化的實時組件模型。Hydrau_Comac庫的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3:Hydrau_Comac庫的結(jié)構(gòu)
在HyLibLight庫和Hydrau_Comac庫的基礎(chǔ)上,我們模擬ARJ21的反推力液壓系統(tǒng),提供簡化的系統(tǒng)模型(圖4)實時硬件在環(huán)仿真,以及詳細的系統(tǒng)模型進行離線仿真(圖5)。
圖4:實時反推力系統(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),而且還保證物理時間之間在現(xiàn)實世界中的模擬和邏輯時間同步。為了識別輸入和輸出數(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)。
實時流程圖解決是如圖6所示。在每一個采樣周期,如果他們的數(shù)據(jù)變動,解決模塊將會從共享內(nèi)存中提取輸入數(shù)據(jù)并檢查。如果更改,這意味著會導致事件的外面環(huán)境改的變化,從而使解決模塊需要做事件循環(huán)。然后,解決模塊計算,并寫入所要求的輸出數(shù)據(jù)到共享內(nèi)存。
圖6:流動的實時圖表求解
我們使用定時器來實現(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)用查詢性能計數(shù)器()在兩個時間點功能的機器內(nèi)部定時器的時鐘頻率,我們可以得到一個計數(shù)。隨著頻率和數(shù)量,我們可以知道這兩個時間點之間的精確時間。利用這種方法,我們可以知道在一個周期內(nèi)所花費的時間并把這時間稱為一個變量的物理循環(huán)時間。在下一個周期開始時物理循環(huán)時間超過采樣周期。這種方法的計時誤差小于1ms。
在每個周期中,模塊檢查是否解決在計算所花費的時間長于采樣周期。如果計算超過采樣周期,但不超過可接受的時間,該模塊將報告一個警告。而如果計算超出可接受的時間,該模塊將報告錯誤并退出。因此,為了實現(xiàn)高實時性,仿真系統(tǒng)需要運行在高性能計算機,以確保解決的速度。
3.3通訊
在HIL仿真中,如何溝通仿真平臺和PLC,以及如何保證精確的通信頻率是實時能力的關(guān)鍵因素。通過使用通訊模塊,仿真平臺采用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,無奇偶校驗和固定字長的數(shù)據(jù)幀。根據(jù)該指定,從模擬平臺傳輸?shù)絇LC的數(shù)據(jù)將被轉(zhuǎn)換為標準數(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)來讀取串口數(shù)據(jù)。
PLC采用高速串口通信模塊CP341來實現(xiàn)通信。FB7的CP341功能塊負責接收從模擬平臺的數(shù)據(jù),并且FB8的CP341功能塊是將數(shù)據(jù)發(fā)送到模擬平臺負責。通過使用定時器,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)部定時器,其最小時間間隔可為10ms。由于PLC是電路工作,因此,定時精度取決于PLC控制程序運行周期。在正常情況下,PLC控制程序運作周期可小于1毫秒,精度可以達到1毫秒。通訊模塊在于Windows操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,使用多媒體定時器 “時間設(shè)置事件()“定時控制,并實現(xiàn)串口讀寫回調(diào)功能操作,精度也能達到1毫秒。
3.4動畫
一般來說,基于Modelica多體動畫的實施有3個步驟:首先,求解計算模型生成的結(jié)果數(shù)據(jù),然后將被用來形成動畫數(shù)據(jù);其次,幾何模型建立;第三,幾何模型的動畫數(shù)據(jù)驅(qū)動并在屏幕上顯示出來。對于實時仿真,我們需要在每個周期的最新的動畫數(shù)據(jù),但它需要較長時間,不能滿足實時性要求。幸運的是,反推只有一個自由議案,也就是驅(qū)動可以來回移動。因此,我們可以首先創(chuàng)建一個離線的動畫,然后用執(zhí)行器來部署可變長度變量使該離線動畫顯示,從而保證動畫的同步性。具體過程如下:
首先,建立了推力反向器多體運動學模型,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)建三維動畫;第三,建立一對一的執(zhí)行機構(gòu)之間的映射關(guān)系的長度和脫機部署動畫幀變量;最后,進行了實時仿真,獲得該變量的值,并用它來驅(qū)動動畫。
4應用
HIL仿真系統(tǒng)已成功應用于ARJ21飛機液壓系統(tǒng)仿真反推力。仿真平臺的用戶界面如圖7所示。邏輯控制部分的硬件實現(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的數(shù)據(jù),經(jīng)過一番邏輯運算,它輸出數(shù)據(jù)相當于仿真平臺的控制信號。
圖7:觸摸面板的PLC
機電工程運行于Windows操作系統(tǒng)與通用計算機。我們與仿真平臺機電工程計算機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)的實時仿真周期可以達到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:部署時間及充填時間的執(zhí)行器
圖8:執(zhí)行器壓力試驗曲線
9:執(zhí)行機構(gòu)的壓力仿真曲線
HIL仿真系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單,成本低。通過對ARJ21飛機液壓系統(tǒng)仿真反推力,我們可以驗證在各種工況的控制邏輯,評價系統(tǒng)的關(guān)鍵性能,使數(shù)量和測試成本可降低,以及ARJ21的設(shè)計優(yōu)化飛機液壓系統(tǒng)及測試可以提供依據(jù)。
5結(jié)論
本文演示了以Modelica為基礎(chǔ)的HIL硬件仿真專為??飛機液壓系統(tǒng)研制反推力的解決方案。HIL硬件仿真系統(tǒng),運行在Windows操作系統(tǒng)的普通計算機上,通過與外部硬件進行串行端口通信。HIL仿真系統(tǒng)的成本非常低,而且其采樣周期可長達20毫秒,因此特別適合用于對那些不需要非常高的實時功能的情況下。該仿真原型應用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語言模型飛機推力反向器的液壓系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)連接,能大大提高測試效率,減少測試數(shù)量和測試成本。
今后的工作是要加強與一般的Windows計算機模擬實時功能,以及使用機電工程生成目標代碼,它可以用于實時系統(tǒng)。
致謝
這項工作得到了中國國家自然科學基金(批準No.60704019和Grant No.60874064)。
特別感謝Medelon公司認可使用HyLibLight庫。
縮略語
ARJ21的:21世紀先進的支線飛機
申訴專員:中國工商有限公司飛機公司
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:硬件在半實物
參考文獻
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[2]彼得Fritzson,Engelson瓦迪姆?;贛odelica統(tǒng)一的面向?qū)ο笳Z言系統(tǒng)建模與仿真[1]。第12屆歐洲會議面向?qū)ο笠?guī)劃的研究[J]。 1998年,67- 90。
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[4]范立舟,陳莉萍,吳一中,丁建萬,趙建軍,章云慶,機電工程:一個多域物理建模與仿真系統(tǒng)基于Modelica現(xiàn)代的IDE,第五屆國際基于Modelica會議,第2卷,725-732,2006
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