航空液压系统配电仿真分析

陈 垚

（1.西北工业大学 机电学院，陕西西安 710072；2.商洛学院 电子信息与电气工程学院，陕西商洛 726000）

随着航空科学技术的迅速发展，各种先进的设备大幅度增加，其用电量也大大提高。航空电源系统工作的可靠性、安全性等性能方面，也得到人们越来越多的关注。在系统的各种负载中，液压系统作为航空电网的大功率负载之一，其各项指标的变化对整个电网的影响比较显著[1]。目前，航空电源系统的性能检测主要还是采用地面建立总体配电网络，再通过人工测试的方法进行检测，往往需要耗费大量的人力、物力和时间。对于工作过程复杂的系统,用软件通过不同工作状态进行仿真，可以降低试验成本[2-5]。基于以上原因，本文采用单设备实验测检与系统配电仿真相结合的方式，对液压系统驱动影响电源系统进行了仿真分析，对飞机液压系统的设计选择具有一定指导意义。

飞机飞行过程中，电源给直流电机供电，直流电机将电能转化为机械能（转矩和转速）输入给油泵，油泵将机械能转化为液压能，驱动液压系统正常工作。飞机正常运行时，其工作框图如

1 液压系统简介

图1所示。

图1 液压系统方框图

考虑到建模仿真的对象是液压动力系统参数变化对电网的影响，也就是液压能变化对电能变化的影响，所以仿真模型的输入为油泵参数的变化，输出为电机轴功率。仿真系统方框图如图2所示。

图2 液压系统仿真方框图

2 数学模型的建立

2.1 油泵部分模型的建立

传统建模方法，系统输入功率表示为输出流量和压力的乘积，即轴功率

式中：

Pa—电机的轴功率；

Pe—电机的有效功率；

He—考虑各种损失后泵的实际压头；

qv—考虑各种损失后泵的实际流量；

η—油泵的总效率；

ρ—液体密度；

上式中，压头He虽有理论推导，但均基于诸多粗略假设，难以实际测量。

本文用实验测试曲线创建油泵的数学模型，以提高模型的准确性。对于部分难以确定的参数，用生产商提供的油泵实际曲线建立关系对应表，仿真时根据不同的输入，即可查得相应的输出。在建立模型时，考虑到建模的目的，只需要得到连接油泵输入和输出功率的关系即可。具体的建模过程为：由式(1)知，轴功率Pa随流量qv而变，它们之间的关系可用油泵的特性曲线或工作性能曲线表示。在实际应用中，由于油泵电枢电流Ia相对轴功率Pa更容易测量，而且Ia与轴功率Pa基本上成正比变化，所以，通过电枢电流Ia与效率η曲线关系的方法很容易得到Ia→qv的关系曲线。实验得到Ia→η曲线关系，如图3所示，从该图中可建立相应的关系表，见表1所示。利用查表的方法可以直接查得输入流量对应前端直流电机的电枢电流。至此，即完成了油泵的仿真模型建立。

图3 油泵的工作特性

表1 油泵的工作特性表

2.2 油泵电机部分模型

对于油泵模型的输出，即为电机模型的输入。同样，可以根据直流电动机的特性曲线，运用ηD=f(Ia)的关系，得到电动机的工作效率，则电动机的输出电功率为P1=P2/ηD。

整个系统的数学模型为：由油泵的输入流量qv，可通过其特性曲线得到直流电机的电枢电流Ia，而直流电机的轴功率与电枢电流Ia基本上成正比变化，设KD为比例常数，即P2=KDIa。因为使用小扰动法（即微增量法）对电机负载进行分析，因此可以将电机等效为一个阻抗，表示为RM，这样电机对电网的影响，可以考虑为电阻变化对电网的等效影响，最后输出参数为

Ia—直流电机的电枢电流；ηD—直流电机的总效率；P2—直流电机的轴功率；KD—直流电机的轴功率与电枢电流的比例常数；RM—直流电机的等效电阻；U—直流电机的端电压。

式中KD由电机本身特性决定，为定值，可查产品手册得到；电压U与电流Ia均可测得，但效率ηD无法直接得到。与油泵类似，电机也可以通过系统辨识或者实验测试的方法得到电枢电流Ia与效率η曲线关系。本文根据Ia→η曲线查得了相应的数据表，见表2所示，完成了油泵电机的仿真模型建立。

表2 直流电动机的工作特性

2.3 液压系统驱动模型

各子系统的数学模型上文已经叙述，只需将各子系统按照相应的输入输出关系连接在一起，即可构成的系统的数学模型。整个模型框图见图4所示。

图4 液压系统方框图

3 模型仿真

3.1 SIMULINK仿真模型建立

用二维空间查表的模块，结合延迟模块，来进行油泵和油泵电机特性曲线建模的实现。查表模块在输入变化的时候，自动输出对应的输出，来模拟油泵和电机的变化量，而延迟模块输入电机和油泵的相应时间，来模拟油泵和电机的稳定过程。最后通过数学模块的搭建来计算等效电阻，并输出。液压系统SIMULINK模型见图5。

图5 液压系统SIMULINK模型

3.2 SIMULINK仿真结果

液压系统模块连接一个内阻为0.05 Ω，电压为28.5 V的电池来进行分析。为了检验模型，流量由8000在仿真第3 s时突增到13000，图6（横坐标表示时间，单位：s，纵坐标表示电压，单位：V）表示油泵端电压的变化。由图6可以知道油泵流量突卸，油泵电机扭矩增大，从而引起轴功率增大，即电枢电流（也是总回路电流）增大，电池内阻固定，故油泵端电压先降低；电机电压改变，线圈会产生反向电动势，同时为了达到稳定，电压持续降低，当轴功率与油泵输入功率平衡时，点数电流不再变化，而反向电动势逐渐消失，故端电压会上升直到最后的平衡。

仿真曲线由于步长等原因为阶梯状，现实曲线为连续光滑曲线，但是变化过程大致相同，稳定后的结果也在设定误差范围内。用特性曲线查表法相对用传统数学模型的方法，同样的仿真速度提高了，模型也简化了。电机接稳压电源，同时串联一个电阻来等效仿真实际情况，可得实验曲线如图7（横坐标表示时间，单位：s，纵坐标表示电压，单位：V）所示，结果符合实际情况。

图6 仿真结果曲线图

4 实验和验证

图7 实验结果曲线图

目前，航空电源系统的性能检测主要还是采用人工测试的方法，往往需要耗费大量的人力、物力和时间。若能对电源系统建立描述其特性的数学模型，并在各种工作条件下进行仿真，就可以用模型代替实际系统，分析其对供电电源系统的影响，并对电源负载变化时的各种情况进行仿真。通过仿真平台的建立，使电气技术人员可以在此平台上仿真过去必须现场试验的技术细节和技术更改。减少试验成本，提高实验效率，简化技术修改难度。同时，通过仿真平台对以上情况下电源系统的变化趋势的分析，充分了解电源系统各部件工作对电源系统的影响。今后可以合理的制订增减设备的方案，以预防一些事故的发生。仿真结果与实验数据较为一致，具有一定工程应用价值。

[1]李 靖.液压系统对航空电源影响的仿真分析[D].西安:西北工业大学,2007:13-15.

[2]刘云生,陈华清.舰船动力系统论证多学科系统级仿真评估框架计算机仿真[J].计算机仿真,2008,25(6):4-6.

[3]王 健,李应红.某型航空发动机起动程序机构数字化设计与仿真[J].计算机工程与设计,2007,28(18):4433-4437.

[4]赵立军,姜继海.飞机牵引驱动混合动力系统设计[J].机床与液压,2009,37(12):74-76.

[5]闫群民,马永翔,朱娟娟.基于 Saber的飞机动力系统仿真[J].计算机工程与设计,2012,33(1):312-316.

[6]陈仰吾.螺旋离心泵的试验研究[J].流体机械,1997,25(2):15-18.

[7]方彦凯.离心泵性能实验数据处理技术研究[J].连云港化工高等专科学校学报,2001,14(4):24-26.

[8]曾俊英.航空动力装置控制:元件部分[M].北京:航空出版社,1995:23-27.

[9]王沫然.Simulink 4建模及动态仿真[M].北京:电子工业出版社,2002:56-58.

[10]郑智琴.Simulink电子通信仿真与应用[M].北京:国防工业出版社,2002:69-72.