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进行飞机电源系统建模与仿真实验的意义

2020-02-28 375 上传者：管理员

摘要：飞机电源系统作为飞机的重要系统，与其他系统交联关系复杂，飞机电源品质的优劣会直接影响各用电设备。就目前而言，传统飞机设计难以考虑其他系统对电源系统的动态影响。基于此，本文利用matlab、saber、modelica软件对飞机电源系统进行了建模与仿真，力求通过构建“建模仿真－执行试验－结果对比”的试验鉴定模式，成功建立统一的飞机电源系统模型库。研究发现：在飞机电源系统设计过程中全程使用电源系统模型库，不仅对发现飞机电源系统缺陷有帮助，还对提升飞机电源系统性能具有现实意义。

关键词：
仿真
全局性
建模
飞机电源系统
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1、背景与意义

飞机电源系统及其设备为飞机上各用电设备提供主要能源，一方面，对现代战机而言，为适应电子战、信息战的要求，大功率电子设备及高能电子武器投入使用，使得飞机电子设备的用电量猛增，同时多种功能用电负载在不同或相同时间互相耦合工作，使得用电负载的复杂程度大大增加，大功率的非线性负载如制动能量回馈类负载、瞬时启动冲击型、较高频率脉冲型负载将对电力系统的稳定性造成很大的影响；另一方面，飞控、照明、环控、雷达、刹车等飞机关键功能也越来越依赖于一个鲁棒性强的电源系统。

飞机电源系统涉及机械、电力、热、磁等多学科领域，同时与发动机系统、燃油系统、负载管理系统等机上其他系统交联。传统的飞机设计过程中，各个系统的建模都局限在本系统范围内，难以考虑系统之间的动态影响。建立全机层面的建模与仿真，同时考虑电、热、机械的模型，这是一项全局性和基础性的工作，对未来飞机系统设计产生深远影响。

2、建模与仿真实现

2.1 基于matlab的电源系统建模仿真

Matlab是一种面向科学和工程计算的高级语言，其中Simulink是一个用于动态系统建模、仿真和分析的软件包，可实现电气传动控制系统的复杂算法与先进的控制理论相结合，方便地对一个复杂的电源系统进行数字仿真分析。

利用Matlab/Simulink构建了三级同步电源系统模型。此系统为115V变频交流电源系统模型，采用有效值调压方式进行发电机调压控制，如图1所示。

图1 三级式电源系统模型

利用上述模型，进行了如下仿真：电机主轴转速为6000r/min时，时间t从0.3s到0.8s，电机带额定负载（84kW），图2为空载时主发电机输出电压稳态值示意图，图3为额定负载时主发电机输出电压稳态值示意图。

图2 空载时主发电机输出电压稳态值

图3 额定负载时主发电机输出电压稳态值

2.2 基于saber软件的电源系统建模仿真

使用saber软件搭建变频交流电源系统的仿真模型，发电机为三级式发电机模型，调压方式为均值调压方式，具体模型如图4所示。

图4 电源系统Saber仿真原理图

电源系统的稳态仿真波形、电源系统的动态加卸载仿真波形（在0.31ms时加入阻性满载，至0.67ms时卸掉负载），详见图5-图6。

图5 电源系统的稳态仿真波形

图6 电源系统的动态加卸载仿真波形

2.3 基于modelica语言的多学科联合系统建模、仿真

基于Modelica语言，建立一套三级发电电源系统的模型库和仿真系统模型。将各级电机与其对应的整流电路连接，每一级整流电路输出的电压值输入至下一级作为下一级发电机的励磁电压，将三级电机连接在一起，第三极双三相电机经整流后输出的电压经调压器模型后反馈至励磁电机的励磁绕组，从而形成电流负反馈。三级电源系统的整体模型见图7。

图7 三级直流电源系统整体模型

对该系统模型进行仿真，当电机的转速为12000rpm时，分别进行10A-110A-10A的加卸载，系统输出的电压波形如图8-图9。

图8 突加突卸10A-110A-10A负载输出电压波形

图9 突加突卸10A-110A-10A负载励磁电流波形

3、建模与仿真方案与途径

现在战争包含的武器装备种类越来越多、规模越来越大，装备之间的交联关系越来越复杂，对电源系统的稳定性造成很大的影响。将电源系统建模仿真推进至系统级和不同体系层级，同时采用多分辨率建模仿真的思想，面向不同作战任务对电源系统的影响，建立对应不同颗粒度仿真。从试验鉴定模式、仿真模型库建设和建模仿真资源具体使用要求三个方面，将建模仿真知识和资源落实到试验鉴定的具体装配项目上。

3.1“建模仿真-执行试验-结果对比”的试验鉴定模式

将基于建模仿真的虚拟产品试验鉴定作为一条常态化流程，与物理产品试验鉴定同步开展，基于物理原型，将先验数据驱动的建模仿真结果与实际的试验鉴定结果进行对比，同时利用半物理仿真平台，对模型进行校准验证。如果结果一致，则说明装备通过试验鉴定，达到作战能力要求；如果两类试验不一致，则通过综合评估判断，一方面校核和修正仿真模型，优化试验方案和计划，补充和扩展试验仿真策略模型，另一方面如果仿真确实没有错误，则能够形成作战评估报告，指出产品缺陷和提出改进建议。

通过“建模仿真-执行试验-结果对比”的试验鉴定模式，提高模型的准确性；并在电源系统联合协同仿真过程中，发现各模型的缺陷与不足，从而完善模型，指导产品开发。

3.2 构建统一的飞机电源系统仿真模型库

一方面构建统一的建模仿真平台，在不同飞机电源系统产品供应商之间确定统一的建模仿真平台，建设建模仿真资源库，并且注重试验鉴定中使用统一的仿真模型。为避免模型的重复开发与不一致使用，在构建新的仿真模型前，应该首先确认是否已存在所需的经过验证、确认和鉴定的，并可重复使用的建模仿真工具和数字化系统模型。另一方面建立一套统一的建模框架，规定模型应当具备的精度，规定模型之间的接口定义，以及软件文档的需求，在各供应商之间建立标准化的建模仿真规范。

3.3 建模仿真资源的全程使用

在电力系统研发全寿命周期内尽可能使用数字化、虚拟化建模仿真资源完成各阶段的仿真验证任务，而且建模仿真也是装备全寿命周期各阶段都唯一的一类重要试验鉴定资源和手段。将建模与仿真贯穿在产品研制全生命周期中，根据飞机整机电力系统研制需求，提供飞机电力系统整机建模需求模型，加强各供应商与主机之间协作，在研制过程中不断更新迭代模型，使模型与物理产品功能性能各方面更加逼近；同时在全机系统动态模型协同仿真过程中不断完善模型。

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