基于iHawk平台的飞机刹车半实物仿真系统设计
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摘要
飞机刹车系统对飞机的整体性能和安全起着至关重要的作用,它结构复杂,设计难度大,资金投入多,因此在设计与实验过程中,系统仿真作为重要技术得到了广泛的应用。半实物仿真比实物仿真投资少、效率高,比数字仿真更接近实际,是较理想的研究手段,可以作为验证飞机刹车系统控制算法、评估实际控制效果和整体性能的有效试验平台。
本文在全面分析飞机刹车系统工作原理的基础上,确定了飞机刹车系统的仿真要求,设计了基于iHawk实时仿真器和RT-LAB开发平台的半实物仿真系统,并对系统总体结构、实时仿真计算机选型、与实物系统的接口以及仿真软件的实现等问题作了论述。
飞机刹车半实物仿真系统主要由模型系统(SM_Subsystem)和实物系统(SS_Subsystem)组成,其中模型系统包括飞机动力学模型、起落架模型、机轮模型、轮胎/跑道特性模型、刹车装置模型等,实物系统包括刹车控制单元和液压伺服系统等。针对飞机刹车系统各组成部分的动态特性,文中详细论述了各模型的构建,并通过飞机刹车系统的全数字仿真对系统模型的有效性进行了验证。
在MATLAB/Simulink环境下,使用RT-LAB等开发工具,进行了半实物仿真系统软件设计,解决了模型拆分、并行处理优化、子系统通讯、人机交互等关键问题。文中还利用S函数开发了RS485串口通讯模块,解决了半实物仿真系统与视景系统的接口与实时通讯问题。
文中以某型飞机为例,对其刹车系统进行了半实物仿真试验,试验结果分析表明:本文所建立的飞机刹车系统半实物仿真试验平台真实可行,基本能反映飞机刹车系统实际试验情况,可以有效地验证某型飞机刹车系统的性能,有一定的实际工程意义。
Aircraft braking system is very important for the safety and the general character of the airplane. It is hard and costly in designing the complicated structure. So the simulation technology has been applied widely in design and experiment of aircraft braking system. The hardware-in-the-loop (HIL) simulation is an ideal research means because it is cheaper and more efficient than the physics simulation and more authentic than mathematics simulation, so it can be an effective experiment platform to test the control arithmetic of the airplane braking system and evaluate the actual control-effect and general performance.The demands of the simulation system are confirmed and the HIL simulation system based on iHawk real-time simulation computer and RT-LAB platform has been designed with the multianalysis of the operation theory of anti-skid braking system. The general structure of the HIL simulation system, the selecting of real-time simulation computer, the interface of model system between real object, the realization of the simulation software of the system has also been discussed in the paper.The HIL simulation system of aircraft brake mainly consists of SMSubsystem and SSSubsystem. The SMSubsystem includes the model of the airplane dynamics model, the landing gears model, the tire model, the runway model, the brake equipment model etc, and the SSSubsystem is made up of the controller of braking and hydraulic implement machine etc. Aim at the dynamic characteristic of the airplane braking system, the construction of the models is discussesed in detail and the efficiency of the braking system model is tested through the mathematics simulation.The design of the software of the HIL simulation system with RT-LAB in the environment of the MATLAB/SIMULINK is discussed in the paper, and the solve ways of some key- questions in model-split, optimization of concurrent processing, communication of the subsystem, human-computer interaction and so on are all mentioned too. And the real-time connection and communication between the view system and the HIL simulation system has also been realized with RS-485 bus.A HIL test has carried out aim at a kind of airplane braking system, and the test-result indicate that the test-platform of the HIL simulation system of the aircraft
brake is feasible, and the real test condition of aircraft braking system can be reflect, the whole performance of the anti-skid braking system can also be tested by the platform.
本文在全面分析飞机刹车系统工作原理的基础上,确定了飞机刹车系统的仿真要求,设计了基于iHawk实时仿真器和RT-LAB开发平台的半实物仿真系统,并对系统总体结构、实时仿真计算机选型、与实物系统的接口以及仿真软件的实现等问题作了论述。
飞机刹车半实物仿真系统主要由模型系统(SM_Subsystem)和实物系统(SS_Subsystem)组成,其中模型系统包括飞机动力学模型、起落架模型、机轮模型、轮胎/跑道特性模型、刹车装置模型等,实物系统包括刹车控制单元和液压伺服系统等。针对飞机刹车系统各组成部分的动态特性,文中详细论述了各模型的构建,并通过飞机刹车系统的全数字仿真对系统模型的有效性进行了验证。
在MATLAB/Simulink环境下,使用RT-LAB等开发工具,进行了半实物仿真系统软件设计,解决了模型拆分、并行处理优化、子系统通讯、人机交互等关键问题。文中还利用S函数开发了RS485串口通讯模块,解决了半实物仿真系统与视景系统的接口与实时通讯问题。
文中以某型飞机为例,对其刹车系统进行了半实物仿真试验,试验结果分析表明:本文所建立的飞机刹车系统半实物仿真试验平台真实可行,基本能反映飞机刹车系统实际试验情况,可以有效地验证某型飞机刹车系统的性能,有一定的实际工程意义。
Aircraft braking system is very important for the safety and the general character of the airplane. It is hard and costly in designing the complicated structure. So the simulation technology has been applied widely in design and experiment of aircraft braking system. The hardware-in-the-loop (HIL) simulation is an ideal research means because it is cheaper and more efficient than the physics simulation and more authentic than mathematics simulation, so it can be an effective experiment platform to test the control arithmetic of the airplane braking system and evaluate the actual control-effect and general performance.The demands of the simulation system are confirmed and the HIL simulation system based on iHawk real-time simulation computer and RT-LAB platform has been designed with the multianalysis of the operation theory of anti-skid braking system. The general structure of the HIL simulation system, the selecting of real-time simulation computer, the interface of model system between real object, the realization of the simulation software of the system has also been discussed in the paper.The HIL simulation system of aircraft brake mainly consists of SMSubsystem and SSSubsystem. The SMSubsystem includes the model of the airplane dynamics model, the landing gears model, the tire model, the runway model, the brake equipment model etc, and the SSSubsystem is made up of the controller of braking and hydraulic implement machine etc. Aim at the dynamic characteristic of the airplane braking system, the construction of the models is discussesed in detail and the efficiency of the braking system model is tested through the mathematics simulation.The design of the software of the HIL simulation system with RT-LAB in the environment of the MATLAB/SIMULINK is discussed in the paper, and the solve ways of some key- questions in model-split, optimization of concurrent processing, communication of the subsystem, human-computer interaction and so on are all mentioned too. And the real-time connection and communication between the view system and the HIL simulation system has also been realized with RS-485 bus.A HIL test has carried out aim at a kind of airplane braking system, and the test-result indicate that the test-platform of the HIL simulation system of the aircraft
brake is feasible, and the real test condition of aircraft braking system can be reflect, the whole performance of the anti-skid braking system can also be tested by the platform.
引文
【1】 Sandy M.Stubbs and John A. Ranner, Review of Antiskid and Brake Dynamics Research, Aircraft Safety and Operating Problems Conference, 1980
【2】 Home W B, Joyner U T, Pneumatic Tire Hydroplaning and Some Effects on Vehicle Performance, SAE970C, 1965
【3】 Douglas D.Moseley, Thomas J.Carter, Performance Testing on an Electrically Actuated Aircraft Braking System, SAE 881399
【4】 Liu Zhaodu, Mathmetical Model of Tire-Longitudinal Road Adhesion and Their Use in the Study of Road Vehicle Dynamics, Journal of Beijing Institute of Technology, 1996.5
【5】 Gim G, Nikravesh P E, An Analytical Model of Pneumatic Tyres for Vehicle Dynamic Simulation, Partl: Pure slips, Int.J.of Vehicle Design, 1990.11(6)
【6】 James Lacombe, Tire Model for Simulations of Vehicle Motion on High and Low Friction road Surface, Proceedings of the 2000 Winter Simulation Conference
【7】 Davis, D.C, Aradial spring terrain enveloping tire model, Vehicle system Dynamics, 1974.3
【8】 Gim G, Nikravesh P E, An Analytical Model of Pneumatic Tyres for Vehicle Dynamic Simulation, Partl: Pure slips, Int.J.of Vehicle Design, 1990, 11(6)
【9】 St.Germann, M.Wurtenberger, A.DaiB, Monitoring of the friction coefficient between tyre and road surface. IEEE 1994.2
【10】 A.Porcel, P.Laurence, M.Basse, ect, Tyre Model for Vehicle Simulation: Overview and Real Time Solution for Critical Situations, IEEE 2001.9 [11] Ned Jlindsley, A new tire model for aircraft landing gear dynamics, The Graduate Faculty of The University of Akron, 1999.8 [12]
【11】 A.DaiB, Model Based Calculation of Friction Curvers between Tyre and Road Surface, IEEE 1995.8
【12】 Sudhanshu Nigam, Modeling, Simulation and Response AnalySis of Antilock Systems, The Doctor Faculty of West Virginia University, 1993. 8
【13】 Holt D J, Aircraft Braking Systems, Aerospace Engineering, June 1993
【14】 Jeong-Woo Jeon*, Gui-AEE Woo, Ki-Chang lee, Don-Ha Hwang, Yong-Joo Kim. Developments of ABS Controller for Aircraft with Real-Time HILS System, International Conference On SIMULATION, Conference Publication NO.457, IEE, pp. 176-181, 1998
【15】 Jeong-Woo Jeon, Ki-Chang lee, Don-Ha Hwang, Yong-Joo Kim. Development of a Dynamic Simulator for Braking Performance Test of Aircraft with Anti-skid Brake System. Aircraft Safety and Operrating Problems Conference, 1980, Wallops, Flighter Center
【16】 杨涤,李立涛,杨旭,朱承元.系统实时仿真开发环境与应用.清华大学出版社,209～229
【17】 王智民,鲁芹,RedHat Linux 7.0实战技术,国防工业出版社,105～357
【18】 杨新,飞机六自由度模型及仿真研究,系统仿真学报,2002.5
【19】 隋福成,陆华,飞机起落架缓冲器数学模型研究,飞机设计,2001.6
【20】 库玉鳌,刹车与起落架抖动的相互影响,航空学报,1996.3
【21】 张谦,起落架与防滑刹车系统的相互作用研究,航空精密制造技术,2003.4
【22】 张谦,飞机电传数字防滑刹车系统控制律仿真研究,西北工业大学硕士论文,1999年,16～25
【23】 邹美英,飞机防滑刹车系统新型控制律设计与仿真研究,西北工业大学硕士论文,2005年,32～55
【24】 徐冬苓,李玉忍,谢立理,飞机防滑刹车系统的建模与仿真研究,测控技术,2004.11
【25】 郝利辉,飞机防滑刹车控制器的研究,西北工业大学硕士论文,2005年,14～40
【26】 姜东红,谢利理,基于iHawk平台的飞机刹车系统半实物仿真研究,计算机应用研究,2006.7
【27】 吕立华,张健民,仇鸿平,热轧协同仿真平台研究,信息与控制,2003.12
【28】 晋萍,聂宏,起落架着陆动态仿真分析模型及参数优化设计,南京航天航空大学学报,2003.10第35卷第5期
【29】 励缨等,舰载飞机逃逸复飞动力学特性研究,飞行力学,1994.6,89～120
【30】 王野平,论轮胎与路面间的摩擦,汽车技术,1999.2
【31】 袁冬,飞机起落架仿真数学模型建立方法,飞行力学,2002.12
【32】 王纪森,何长安,飞机轮胎与跑道间结合系数模型的研究,西北工业大学学报,2000.11
【33】 刘昭度,轮胎—路面纵向附着动力学模型,北京理工大学学报,1995.5
【34】 王纪森,何长安,防滑控制研究,西北工业大学学报,2000.8
【35】 李锋,刘刚,张瑜,飞机防滑刹车系统结构谐振一体化设计的仿真研究,西北工业大学学报,1999.8
【36】 刘延斌,金光,半实物仿真技术的发展现状,光机电信息,2003.1
【37】 科柯宁.智维列夫,航空机轮与刹车系统设计,北京:国防工业出版社,1980
【38】 殷晨波,茅承钧,轮胎刚度和阻尼特性的研究,南京建筑工程学院学报,1994.2
【39】 庄继德.现代汽车轮胎技术,北京理工大学出版社,2001.3
【40】 时培涛,吴瑞祥,张燮年等,飞机防滑刹车系统动态特性仿真研究,北京航空航天大学学报,999.10
【41】 王秀霞,丁学工,液压伺服控制技术在飞机机轮刹车系统中的应用,液压气动与密封,2001年6月,第3期(总第87期)
【42】 沈航,飞机起落架着陆与滑跑性能分析,应用力学学报,2001年9月,第18卷增刊
【43】 王锴,飞机全电刹车系统设计,硕士学位论文,北京航空航天大学,2003,20～25
【44】 赵海鹰,王占林,裘丽华,飞机防滑控制系统的分布式实时仿真,北京航空航天大学学报,2000年4月,26(2)
【45】 姚新宇,黄柯,半实物仿真系统的实时性分析,计算机仿真,1999.10
【46】 申文彬,刘宏立,实时仿真系统的时间特性分析与控制,中国科技信息,2005年第24期
【47】 潘峰,薛定宇,徐心和,基于DSPACE半实物仿真技术的伺服控制研究与应用,系统仿真学报,2004年5月NO.5V01.16
【48】 潘炜,高镜惠,周雅夫等,基于MATLAB/Simulink的汽车ABS的半实物仿真系统.微计算机信息,2003年第19卷第12期
【49】 刘志国,王仕成,高智杰,激光制导武器半实物仿真系统的实时性实现,计算机仿真,2004.2
【50】 沈永福,邓方林,柯熙政,激光制导炸弹导引头半实物仿真系统方案设计,红外与激光工程,2002.4
【51】 邓方林,刘志国,王仕成,激光导引头半实物仿真系统的设计与研制,系统仿真学报,2004.2
【52】 单家元,刘藻珍,李钟武等,激光制导武器半实物仿真试验系统,计算机仿真,2002.3
【53】 许哲,许化龙,王宏力,导弹姿态控制系统的分布式仿真方案研究,战略导弹控制技术,2004年NO.3
【54】 孟秀云,王肇敏,魏华良,某型火箭弹半实物仿真系列方案设计,计算机仿真,2001.3
【55】 童贺,桁架自适应结构振动控制仿真实验研究,硕士学位论文,北京航空航天大学,2004
【56】 杨松波,王新民,刘少华,使用RTW和VxWorks实现某飞控测试系统的开发,机械与电子,2004.12
【57】 梁加红,通用实时数据采集系统仿真研究,国防科学技术大学硕士论文,2002
【58】 高海,李坤,王洪希,基于以太网的PLC监控系统的实现,计算机控制、监测与管理,2004.11
【59】 王子才,仿真技术发展及应用,中国工程科学,2003年2月第五卷第2期
【60】 姚俊,马松辉,Simulink建模与仿真,西安:西安电子科技大学出版社,2002,128～140
【61】 康凤举.现代仿真技术与应用,国防工业出版社,269～306
【2】 Home W B, Joyner U T, Pneumatic Tire Hydroplaning and Some Effects on Vehicle Performance, SAE970C, 1965
【3】 Douglas D.Moseley, Thomas J.Carter, Performance Testing on an Electrically Actuated Aircraft Braking System, SAE 881399
【4】 Liu Zhaodu, Mathmetical Model of Tire-Longitudinal Road Adhesion and Their Use in the Study of Road Vehicle Dynamics, Journal of Beijing Institute of Technology, 1996.5
【5】 Gim G, Nikravesh P E, An Analytical Model of Pneumatic Tyres for Vehicle Dynamic Simulation, Partl: Pure slips, Int.J.of Vehicle Design, 1990.11(6)
【6】 James Lacombe, Tire Model for Simulations of Vehicle Motion on High and Low Friction road Surface, Proceedings of the 2000 Winter Simulation Conference
【7】 Davis, D.C, Aradial spring terrain enveloping tire model, Vehicle system Dynamics, 1974.3
【8】 Gim G, Nikravesh P E, An Analytical Model of Pneumatic Tyres for Vehicle Dynamic Simulation, Partl: Pure slips, Int.J.of Vehicle Design, 1990, 11(6)
【9】 St.Germann, M.Wurtenberger, A.DaiB, Monitoring of the friction coefficient between tyre and road surface. IEEE 1994.2
【10】 A.Porcel, P.Laurence, M.Basse, ect, Tyre Model for Vehicle Simulation: Overview and Real Time Solution for Critical Situations, IEEE 2001.9 [11] Ned Jlindsley, A new tire model for aircraft landing gear dynamics, The Graduate Faculty of The University of Akron, 1999.8 [12]
【11】 A.DaiB, Model Based Calculation of Friction Curvers between Tyre and Road Surface, IEEE 1995.8
【12】 Sudhanshu Nigam, Modeling, Simulation and Response AnalySis of Antilock Systems, The Doctor Faculty of West Virginia University, 1993. 8
【13】 Holt D J, Aircraft Braking Systems, Aerospace Engineering, June 1993
【14】 Jeong-Woo Jeon*, Gui-AEE Woo, Ki-Chang lee, Don-Ha Hwang, Yong-Joo Kim. Developments of ABS Controller for Aircraft with Real-Time HILS System, International Conference On SIMULATION, Conference Publication NO.457, IEE, pp. 176-181, 1998
【15】 Jeong-Woo Jeon, Ki-Chang lee, Don-Ha Hwang, Yong-Joo Kim. Development of a Dynamic Simulator for Braking Performance Test of Aircraft with Anti-skid Brake System. Aircraft Safety and Operrating Problems Conference, 1980, Wallops, Flighter Center
【16】 杨涤,李立涛,杨旭,朱承元.系统实时仿真开发环境与应用.清华大学出版社,209～229
【17】 王智民,鲁芹,RedHat Linux 7.0实战技术,国防工业出版社,105～357
【18】 杨新,飞机六自由度模型及仿真研究,系统仿真学报,2002.5
【19】 隋福成,陆华,飞机起落架缓冲器数学模型研究,飞机设计,2001.6
【20】 库玉鳌,刹车与起落架抖动的相互影响,航空学报,1996.3
【21】 张谦,起落架与防滑刹车系统的相互作用研究,航空精密制造技术,2003.4
【22】 张谦,飞机电传数字防滑刹车系统控制律仿真研究,西北工业大学硕士论文,1999年,16～25
【23】 邹美英,飞机防滑刹车系统新型控制律设计与仿真研究,西北工业大学硕士论文,2005年,32～55
【24】 徐冬苓,李玉忍,谢立理,飞机防滑刹车系统的建模与仿真研究,测控技术,2004.11
【25】 郝利辉,飞机防滑刹车控制器的研究,西北工业大学硕士论文,2005年,14～40
【26】 姜东红,谢利理,基于iHawk平台的飞机刹车系统半实物仿真研究,计算机应用研究,2006.7
【27】 吕立华,张健民,仇鸿平,热轧协同仿真平台研究,信息与控制,2003.12
【28】 晋萍,聂宏,起落架着陆动态仿真分析模型及参数优化设计,南京航天航空大学学报,2003.10第35卷第5期
【29】 励缨等,舰载飞机逃逸复飞动力学特性研究,飞行力学,1994.6,89～120
【30】 王野平,论轮胎与路面间的摩擦,汽车技术,1999.2
【31】 袁冬,飞机起落架仿真数学模型建立方法,飞行力学,2002.12
【32】 王纪森,何长安,飞机轮胎与跑道间结合系数模型的研究,西北工业大学学报,2000.11
【33】 刘昭度,轮胎—路面纵向附着动力学模型,北京理工大学学报,1995.5
【34】 王纪森,何长安,防滑控制研究,西北工业大学学报,2000.8
【35】 李锋,刘刚,张瑜,飞机防滑刹车系统结构谐振一体化设计的仿真研究,西北工业大学学报,1999.8
【36】 刘延斌,金光,半实物仿真技术的发展现状,光机电信息,2003.1
【37】 科柯宁.智维列夫,航空机轮与刹车系统设计,北京:国防工业出版社,1980
【38】 殷晨波,茅承钧,轮胎刚度和阻尼特性的研究,南京建筑工程学院学报,1994.2
【39】 庄继德.现代汽车轮胎技术,北京理工大学出版社,2001.3
【40】 时培涛,吴瑞祥,张燮年等,飞机防滑刹车系统动态特性仿真研究,北京航空航天大学学报,999.10
【41】 王秀霞,丁学工,液压伺服控制技术在飞机机轮刹车系统中的应用,液压气动与密封,2001年6月,第3期(总第87期)
【42】 沈航,飞机起落架着陆与滑跑性能分析,应用力学学报,2001年9月,第18卷增刊
【43】 王锴,飞机全电刹车系统设计,硕士学位论文,北京航空航天大学,2003,20～25
【44】 赵海鹰,王占林,裘丽华,飞机防滑控制系统的分布式实时仿真,北京航空航天大学学报,2000年4月,26(2)
【45】 姚新宇,黄柯,半实物仿真系统的实时性分析,计算机仿真,1999.10
【46】 申文彬,刘宏立,实时仿真系统的时间特性分析与控制,中国科技信息,2005年第24期
【47】 潘峰,薛定宇,徐心和,基于DSPACE半实物仿真技术的伺服控制研究与应用,系统仿真学报,2004年5月NO.5V01.16
【48】 潘炜,高镜惠,周雅夫等,基于MATLAB/Simulink的汽车ABS的半实物仿真系统.微计算机信息,2003年第19卷第12期
【49】 刘志国,王仕成,高智杰,激光制导武器半实物仿真系统的实时性实现,计算机仿真,2004.2
【50】 沈永福,邓方林,柯熙政,激光制导炸弹导引头半实物仿真系统方案设计,红外与激光工程,2002.4
【51】 邓方林,刘志国,王仕成,激光导引头半实物仿真系统的设计与研制,系统仿真学报,2004.2
【52】 单家元,刘藻珍,李钟武等,激光制导武器半实物仿真试验系统,计算机仿真,2002.3
【53】 许哲,许化龙,王宏力,导弹姿态控制系统的分布式仿真方案研究,战略导弹控制技术,2004年NO.3
【54】 孟秀云,王肇敏,魏华良,某型火箭弹半实物仿真系列方案设计,计算机仿真,2001.3
【55】 童贺,桁架自适应结构振动控制仿真实验研究,硕士学位论文,北京航空航天大学,2004
【56】 杨松波,王新民,刘少华,使用RTW和VxWorks实现某飞控测试系统的开发,机械与电子,2004.12
【57】 梁加红,通用实时数据采集系统仿真研究,国防科学技术大学硕士论文,2002
【58】 高海,李坤,王洪希,基于以太网的PLC监控系统的实现,计算机控制、监测与管理,2004.11
【59】 王子才,仿真技术发展及应用,中国工程科学,2003年2月第五卷第2期
【60】 姚俊,马松辉,Simulink建模与仿真,西安:西安电子科技大学出版社,2002,128～140
【61】 康凤举.现代仿真技术与应用,国防工业出版社,269～306