孫波

摘要：飛機(jī)電源系統(tǒng)是飛機(jī)的重要系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，飛機(jī)電源品質(zhì)的優(yōu)劣直接影響各用電設(shè)備，同時(shí)傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)計(jì)也難以考慮其他系統(tǒng)對(duì)電源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響。本文基于malab、saber、modelica軟件對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，通過(guò)構(gòu)建“建模仿真-執(zhí)行試驗(yàn)-結(jié)果對(duì)比”的試驗(yàn)鑒定模式，建立統(tǒng)一的飛機(jī)電源系統(tǒng)模型庫(kù)。飛機(jī)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)電源系統(tǒng)模型庫(kù)全程使用以及迭代完善，對(duì)發(fā)現(xiàn)飛機(jī)電源系統(tǒng)缺陷，提升飛機(jī)電源系統(tǒng)性能具有現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)電源系統(tǒng);建模;仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TM712文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1背景與意義

飛機(jī)電源系統(tǒng)及其設(shè)備為飛機(jī)上各用電設(shè)備提供主要能源，一方面，對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)而言，為適應(yīng)電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)的要求，大功率電子設(shè)備及高能電子武器投入使用，使得飛機(jī)電子設(shè)備的用電量猛增，同時(shí)多種功能用電負(fù)載在不同或相同時(shí)間互相耦合工作，使得用電負(fù)載的復(fù)雜程度大大增加，大功率的非線性負(fù)載如制動(dòng)能量回饋類(lèi)負(fù)載、瞬時(shí)啟動(dòng)沖擊型、較高頻率脈沖型負(fù)載將對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成很大的影響;另一方面，飛控、照明、環(huán)控、雷達(dá)、剎車(chē)等飛機(jī)關(guān)鍵功能也越來(lái)越依賴(lài)于一個(gè)魯棒性強(qiáng)的電源系統(tǒng)。

飛機(jī)電源系統(tǒng)涉及機(jī)械、電力、熱、磁等多學(xué)科領(lǐng)域，同時(shí)與發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、負(fù)載管理系統(tǒng)等機(jī)上其他系統(tǒng)交聯(lián)。傳統(tǒng)的飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，各個(gè)系統(tǒng)的建模都局限在本系統(tǒng)范圍內(nèi)，難以考慮系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)影響。建立全機(jī)層面的建模與仿真，同時(shí)考慮電、熱、機(jī)械的模型，這是一項(xiàng)全局性和基礎(chǔ)性的工作，對(duì)未來(lái)飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

2建模與仿真實(shí)現(xiàn)

2.1基于matlab的電源系統(tǒng)建模仿真

Matlab是一種面向科學(xué)和工程計(jì)算的高級(jí)語(yǔ)言，其中Simulink是一個(gè)用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟件包，可實(shí)現(xiàn)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的復(fù)雜算法與先進(jìn)的控制理論相結(jié)合，方便地對(duì)一個(gè)復(fù)雜的電源系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字仿真分析。

利用Matlab/Simulink構(gòu)建了三級(jí)同步電源系統(tǒng)模型。此系統(tǒng)為115V變頻交流電源系統(tǒng)模型，采用有效值調(diào)壓方式進(jìn)行發(fā)電機(jī)調(diào)壓控制，如圖1所示。

利用上述模型，進(jìn)行了如下仿真：電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為6000r/min時(shí)，時(shí)間t從0.3s到0.8s，電機(jī)帶額定負(fù)載（84kW），圖2為空載時(shí)主發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)態(tài)值示意圖，圖3為額定負(fù)載時(shí)主發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)態(tài)值示意圖。

2.2 基于saber軟件的電源系統(tǒng)建模仿真

使用saber軟件搭建變頻交流電源系統(tǒng)的仿真模型，發(fā)電機(jī)為三級(jí)式發(fā)電機(jī)模型，調(diào)壓方式為均值調(diào)壓方式，具體模型如圖4所示。

電源系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)仿真波形、電源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)加卸載仿真波形（在0.31ms時(shí)加入阻性滿載，至0.67ms時(shí)

2.3 基于modelica語(yǔ)言的多學(xué)科聯(lián)合系統(tǒng)建模、仿真

基于Modelica語(yǔ)言，建立一套三級(jí)發(fā)電電源系統(tǒng)的模型庫(kù)和仿真系統(tǒng)模型。將各級(jí)電機(jī)與其對(duì)應(yīng)的整流電路連接，每一級(jí)整流電路輸出的電壓值輸入至下一級(jí)作為下一級(jí)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電壓，將三級(jí)電機(jī)連接在一起，第三極雙三相電機(jī)經(jīng)整流后輸出的電壓經(jīng)調(diào)壓器模型后反饋至勵(lì)磁電機(jī)的勵(lì)磁繞組，從而形成電流負(fù)反饋。三級(jí)電源系統(tǒng)的整體模型見(jiàn)圖7。

對(duì)該系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為12000rpm時(shí)，分別進(jìn)行10A-110A-10A的加卸載，系統(tǒng)輸出的電壓波形如圖8-圖9。

3 建模與仿真方案與途徑

現(xiàn)在戰(zhàn)爭(zhēng)包含的武器裝備種類(lèi)越來(lái)越多、規(guī)模越來(lái)越大，裝備之間的交聯(lián)關(guān)系越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成很大的影響。將電源系統(tǒng)建模仿真推進(jìn)至系統(tǒng)級(jí)和不同體系層級(jí)，同時(shí)采用多分辨率建模仿真的思想，面向不同作戰(zhàn)任務(wù)對(duì)電源系統(tǒng)的影響，建立對(duì)應(yīng)不同顆粒度仿真。從試驗(yàn)鑒定模式、仿真模型庫(kù)建設(shè)和建模仿真資源具體使用要求三個(gè)方面，將建模仿真知識(shí)和資源落實(shí)到試驗(yàn)鑒定的具體裝配項(xiàng)目上。

3.1“建模仿真-執(zhí)行試驗(yàn)-結(jié)果對(duì)比”的試驗(yàn)鑒定模式

將基于建模仿真的虛擬產(chǎn)品試驗(yàn)鑒定作為一條常態(tài)化流程，與物理產(chǎn)品試驗(yàn)鑒定同步開(kāi)展，基于物理原型，將先驗(yàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模仿真結(jié)果與實(shí)際的試驗(yàn)鑒定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)利用半物理仿真平臺(tái)，對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)驗(yàn)證。如果結(jié)果一致，則說(shuō)明裝備通過(guò)試驗(yàn)鑒定，達(dá)到作戰(zhàn)能力要求;如果兩類(lèi)試驗(yàn)不一致，則通過(guò)綜合評(píng)估判斷，一方面校核和修正仿真模型，優(yōu)化試驗(yàn)方案和計(jì)劃，補(bǔ)充和擴(kuò)展試驗(yàn)仿真策略模型，另一方面如果仿真確實(shí)沒(méi)有錯(cuò)誤，則能夠形成作戰(zhàn)評(píng)估報(bào)告，指出產(chǎn)品缺陷和提出改進(jìn)建議。

通過(guò)“建模仿真-執(zhí)行試驗(yàn)-結(jié)果對(duì)比”的試驗(yàn)鑒定模式，提高模型的準(zhǔn)確性;并在電源系統(tǒng)聯(lián)合協(xié)同仿真過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)各模型的缺陷與不足，從而完善模型，指導(dǎo)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

3.2 構(gòu)建統(tǒng)一的飛機(jī)電源系統(tǒng)仿真模型庫(kù)

一方面構(gòu)建統(tǒng)一的建模仿真平臺(tái)，在不同飛機(jī)電源系統(tǒng)產(chǎn)品供應(yīng)商之間確定統(tǒng)一的建模仿真平臺(tái)，建設(shè)建模仿真資源庫(kù)，并且注重試驗(yàn)鑒定中使用統(tǒng)一的仿真模型。為避免模型的重復(fù)開(kāi)發(fā)與不一致使用，在構(gòu)建新的仿真模型前，應(yīng)該首先確認(rèn)是否已存在所需的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證、確認(rèn)和鑒定的，并可重復(fù)使用的建模仿真工具和數(shù)字化系統(tǒng)模型。另一方面建立一套統(tǒng)一的建?？蚣埽?guī)定模型應(yīng)當(dāng)具備的精度，規(guī)定模型之間的接口定義，以及軟件文檔的需求，在各供應(yīng)商之間建立標(biāo)準(zhǔn)化的建模仿真規(guī)范。

3.3 建模仿真資源的全程使用

在電力系統(tǒng)研發(fā)全壽命周期內(nèi)盡可能使用數(shù)字化、虛擬化建模仿真資源完成各階段的仿真驗(yàn)證任務(wù)，而且建模仿真也是裝備全壽命周期各階段都唯一的一類(lèi)重要試驗(yàn)鑒定資源和手段。

將建模與仿真貫穿在產(chǎn)品研制全生命周期中，根據(jù)飛機(jī)整機(jī)電力系統(tǒng)研制需求，提供飛機(jī)電力系統(tǒng)整機(jī)建模需求模型，加強(qiáng)各供應(yīng)商與主機(jī)之間協(xié)作，在研制過(guò)程中不斷更新迭代模型，使模型與物理產(chǎn)品功能性能各方面更加逼近;同時(shí)在全機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型協(xié)同仿真過(guò)程中不斷完善模型。