基于AMESim和Simulink的飛機液壓剎車系統(tǒng)的聯(lián)合仿真*

張 鑫

（商洛學院電子信息與電氣工程學院 商洛 726000）

1 引言

飛機機電系統(tǒng)由各種具有保障飛行安全功能的子系統(tǒng)組成。其中，剎車系統(tǒng)是飛機機電系統(tǒng)的重要組成部分，其功能是保障飛機安全著陸，對飛機的安全飛行具有至關重要的作用。

飛機在非緊急情況下使用液壓剎車。因此對飛機剎車系統(tǒng)建模，關鍵在于對液壓系統(tǒng)的建模仿真，在建模方面，液壓系統(tǒng)建模的常用軟件有AMESim、Matlab/Simulink等。

AMESim是法國開發(fā)的集成軟件，其內(nèi)部有集成好的各種結(jié)構(gòu)部件，建模方便。應用此軟件，國內(nèi)外很多研究學者都對液壓等系統(tǒng)做了仿真和分析，并取得良好成果。Sung Hee Park，Khairul Alam，Young Man Jeong等用AMESim對飛機輪載系統(tǒng)做了液壓仿真［1］。Deng H，Wang X，Zhang W等用AMESim軟件對液壓剎車系統(tǒng)的波動負載做了仿真分析［2］。Gu H，Xiao C，Liu Y對液壓機械裝置進行了液壓AMESim動態(tài)仿真［3］。

Simulink是Matlab最重要的組件之一，它為系統(tǒng)動態(tài)建模、仿真和綜合分析提供了環(huán)境。液壓系統(tǒng)進行的建模仿真工作可以用Simulink來完成。付連宇、許純新、石紅雁等基于Simulink對液壓系統(tǒng)進行了動態(tài)仿真，高欽和等利用Simulink建立了液壓模型庫［4］。田樹軍、張宏等對管路的動態(tài)性能采用了Simulink仿真研究［5］。王野牧、王潔、陳先惠、王炳君對閉環(huán)液壓系統(tǒng)進行了Simulink建模［6］。

從國內(nèi)外前人研究的結(jié)果可以看出，在液壓系統(tǒng)和和剎車系統(tǒng)建模的主要工具是AMESim/Simulink。利用兩軟件進行系統(tǒng)建模時，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，利用Simulink對液壓元件（例如液壓泵、作動筒、液壓電磁閥等）進行建模仿真的過程不是很容易。因為Simulink里面專門的工具箱對液壓傳動或氣壓傳動系統(tǒng)進行仿真，因此就要求用戶必須要深刻理解系統(tǒng)的數(shù)學模型并且需要非常專業(yè)的流體力學知識和經(jīng)驗。而AMESim作為一個圖形化的開發(fā)軟件，采用基本元件模塊來建模，模塊自身包含系統(tǒng)和零部件的功能，無需添加程序代碼和運算公式。然而有時，需要深入研究控制系統(tǒng)，并根據(jù)此建立模型，而Simulink在控制律設計以及邏輯實現(xiàn)方面有著突出的優(yōu)勢。這時采用Simulink和AMESim進行聯(lián)合仿真就十分必要。

介紹了飛機液壓剎車系統(tǒng)的原理和功能，基于AMESim和Simulink建立起飛機剎車系統(tǒng)的仿真模型，并在原系統(tǒng)的基礎上加入PID控制，與原系統(tǒng)進行比較。

2 液壓剎車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理

飛機液壓剎車系統(tǒng)作為機電系統(tǒng)的重要組成，其利用地面提供的摩擦力，安全、快速地實現(xiàn)對飛機著陸過程中轉(zhuǎn)彎和滑行的控制與制動。其性能好壞將會對飛機的安全返航和快速反應產(chǎn)生直接影響。

飛機在非緊急情況下使用液壓剎車。儲液箱、作動器、管道、泵和閥門是液壓系統(tǒng)的主要組成部分。液壓系統(tǒng)的液體是專用液體，儲存在儲液箱中。這些液體通過泵增加壓力以后通到管道系統(tǒng)中。飛機上需要液壓的部件通過閥門與管道系統(tǒng)相連接。管道中液體的流動方向、壓力、流速都由閥門統(tǒng)一控制。作動器在管路的一端。作動器可以分為兩種：第一種是是作動筒，相當于包含有推桿和活塞的液壓缸，液體在液壓缸內(nèi)使活塞運動，通過推桿和活塞共同作用，就可以將變大的力傳送出去；液壓馬達就是第二種，原理是用壓力增大以后的液體使渦輪轉(zhuǎn)動，那么旋轉(zhuǎn)的軸動力為輸出量。

飛機液壓剎車系統(tǒng)一般主要包括剎車控制單元、剎車執(zhí)行裝置、液壓伺服閥、剎車控制單元、速度傳感器及機輪等［7］。圖1為液壓剎車系統(tǒng)［8～10］的結(jié)構(gòu)圖。由飛控計算機輸出剎車量信號到機電處理器，機電處理器輸出相應的PWM信號到電控剎車閥，電控剎車閥控制調(diào)節(jié)實際剎車的壓力，并控制機輪進行制動或轉(zhuǎn)彎。剎車壓力信號由電控剎車閥測得。剎車裝置僅對左右主機輪進行剎車控制。

電控剎車閥模型可以簡化為圖2。圖中，Uf為測得的實際剎車壓力值，Ur為剎車壓力給定值。當剎車油液進入剎車液壓缸將會產(chǎn)生壓力，壓力傳感器會計算出實際液壓壓力，信號返回給控制模型，控制電磁閥使之產(chǎn)生適當?shù)膲毫Α?/p>

圖1 液壓剎車結(jié)構(gòu)圖

圖2 液壓剎車模型

單作用液壓缸、放大器、力傳感器和電液比例溢流閥為液壓剎車系統(tǒng)的主要組成元件。液壓剎車的工作過程為閉環(huán)反饋，如果電液比例溢流閥的給定信號Ur與力傳感器測得的信號Uf有偏差，則控制系統(tǒng)將調(diào)節(jié)比例溢流閥開度，以增大或減小工作腔的壓力 pL，直到Ur=Uf。

3 AMESim與Simulink聯(lián)合仿真設置

針對液壓系統(tǒng)對象，若采用AMESim和Simulink 聯(lián)合仿真［11～12］模式將會在一定程度降低工作量，提高工作效率，得到滿意的仿真效果。本文采用軟件版本為Matlab R2012a和AMEsim Rev10。

安裝完成后按照以下步驟進行設置：

1）將 Visual Studio目錄下的“vcvars32.bat”文件從（通常是%%Microsoft Visual StudioVCin中）拷貝至AMESim安裝目錄下。

2）設置AMESim環(huán)境變量，在Windows XP系統(tǒng)中，在電腦屬性高級設置中設置環(huán)境變量，在設置框中將變量名設為“AME”，AMESim的安裝路徑即為變量值（例如：D：Program FilesAMESim）。

3）設置Matlab環(huán)境變量。同上，此時變量名相應的設為“Matlab”，Matlab的安裝路徑即為變量值（例如：D：Program FilesMatlabR2012a）。

4）以同樣的方式定義系統(tǒng)變量LM_LICENSE_FILE，值為 D：Program FilesAMESimlicensinglicense.dat，就是AMESim軟件許可文件所在路徑。

5）選擇VC作為AME的編譯器。在AME軟件的編譯工具中選擇Microsoft Visual C++項，然后點擊OK確認。

6）在MATLAB中選擇編譯器。在MATLAB命令窗口中輸入“mex-setup”，選擇相應的數(shù)字就可以選擇需要的編譯工具，此處同樣選擇VC。具體如下：

＞＞mex-setup

Please choose your compiler for building MEX-files：

Would you like mex to locate installed compilers［y］/n？

如果上述信息正確，鍵入y編譯器選擇完成。

7）找到Matlab與AMESim的接口文件，并添加到Matlab的目錄表中。AMESim的安裝目錄為%AME%，打開Matlab的安裝路徑，添加%AME%scriptingMatlabamesim和%AME%interfacesSimulink（如 ：D:Program FilesAMESimscriptingMatlabamesim 和D:Program FilesAMESiminterfacessimulink）。

設置好環(huán)境后，聯(lián)合仿真就可以進行了。在Simulink中，連接AMESim是通過S函數(shù)來完成的。AMESim模型在進行Simulink仿真時必須一直打開。原因是當關閉AMESim模型時，所產(chǎn)生的S函數(shù)就無法被Simulink識別和調(diào)用，而是壓縮成了一個其他文件。

此外，聯(lián)合仿真過程中需要注意以下兩點：

1）兩部分模型都運行時聯(lián)合仿真才可以正常進行。AMESim模型變成“運行模式”的時候，會自動生成一個專門的文件。所以，如果想要對AMES-im模型的參數(shù)進行改變，就要在每次改變了參數(shù)以后重新進入“運行模式”，這樣改變后的參數(shù)值才能在新的仿真環(huán)境中生效。

2）在設定S函數(shù)模塊的參數(shù)時，必須以AMES-im模型名加“_“的方式設置S函數(shù)的名稱，將S函數(shù)和AMESim模型匹配。AMESim模型的仿真格式由S函數(shù)模塊中的參數(shù)決定。仿真界面中必須設置前兩個參數(shù)：是不是將AMESim的仿真結(jié)果變?yōu)橐粋€文件即為第一個參數(shù)，如果該值為“1”則表示產(chǎn)生，否則表示不能生成；第二個參數(shù)表示AMES-im模型仿真的步長，該值小于等于“0”表示該步長與Simulink的步長是一樣的，如果設置該值為“0.01”則表示步長為0.01s。

4 液壓剎車仿真

圖3為剎車系統(tǒng)AMESim仿真圖，圖中只給出左剎車通道的模型。左側(cè)為工作鉗模型，右側(cè)為比例溢流閥模型。其中主要參數(shù)設置如表1。

表1 主要參數(shù)設置

在聯(lián)合仿真中，如圖4所示，采用適用性廣泛的PID控制來控制液壓剎車系統(tǒng)，PID控制規(guī)則如下。

其中：Kp、Ki、Kd分別為比例、積分、微分環(huán)節(jié)的系數(shù)。

設定100%剎車量時輸出滿壓力6MPa，1s時開始剎車，3s時輸出壓力為0。圖5為無PID控制時左剎車壓力曲線圖，1s～3s時為滿壓力時的響應曲線，3s～5s時為壓力為0時的響應曲線。圖6為Kp=8.2，Ki=4.3，Kd=0.02時左剎車壓力響應曲線。可以看出，添加PID控制的響應效果能更好地滿足系統(tǒng)要求。

圖4 液壓剎車AEMSim與Simulink仿真

圖5 無PID控制剎車壓力響應曲線（100%剎車量）

圖6 有PID控制時剎車壓力響應曲線（100%剎車量）

表2 系統(tǒng)結(jié)果比較

設采樣時間為5s。通過圖5和圖6可以得到兩種情況下的峰值時間、調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量，如表2所示。比較無PID控制器仿真曲線和有PID控制時的響應曲線，可以看出兩條曲線均在2s內(nèi)達到穩(wěn)定剎車壓力，滿足飛機性能要求。僅用了0.2s，有PID控制的響應曲線就已經(jīng)達到了誤差允許范圍內(nèi)的穩(wěn)態(tài)了。但是沒有控制器的仿真曲線用了0.9s才達到穩(wěn)定。加入PID控制以后，超調(diào)量從18.33%減小到6.67%。與不帶控制器的原始系統(tǒng)相比較可知，帶有PID控制器的系統(tǒng)響應速度更快，到達穩(wěn)態(tài)的時間更短，超調(diào)更小。表明帶PID控制器的系統(tǒng)，系統(tǒng)性能明顯改善。

5 結(jié)語

闡述了飛機液壓剎車系統(tǒng)的組成和工作原理，分析了AMESim和Simulink各自的優(yōu)缺點，詳細說明了AMESim和Simulink聯(lián)合仿真的軟件設置步驟。利用AMESim和Simulink對系統(tǒng)進行了聯(lián)合仿真。并加入PID控制，使得系統(tǒng)的響應速度更快，到達穩(wěn)態(tài)的時間更短，超調(diào)量更小，改善了系統(tǒng)的性能。