CN113848758A - 一种飞控机电作动***故障注入的数字与半物理仿真平台 - Google Patents
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Abstract
一种飞控机电作动***故障注入的数字与半物理仿真平台。其包括控制管理和状态监控计算机、实时仿真机、故障注入箱和飞控机电作动模拟***；飞控机电作动模拟***包括控制器、驱动器、无刷直流电机、减速器、滚珠丝杠、丝杠螺母、电流传感器、霍尔传感器和位置传感器；本发明效果：结合了全数字以及半物理两种仿真模式，且这两种模式可以自由切换，因此可对飞控机电作动***开展全面的实验室实验。数字仿真和半物理仿真两种方式的结合可以进行故障模式注入和影响的分析与验证。
Description
技术领域
本发明属于飞控机电作动***仿真设计技术领域，特别是涉及一种飞控机电作动***故障注入的数字与半物理仿真平台。
背景技术
多电/全电飞机是现代民用客机的发展趋势，飞控机电作动***(Electromechanical actuation system，EMA)作为新型高效的作动装置已逐渐应用于现代民用客机的飞控舵面控制。飞控机电作动***具有结构紧凑、便于安装、工作效率高、无污染等优点，且在新型商用飞机中已部分取代液压***，例如波音787不仅将EMA应用于配平作动、扰流板驱动，还将其应用于起落架和环境控制***。
大型客机飞控机电作动***作为飞机舵面操纵和安全飞行的关键***，其承受气动载荷，且故障率较高，其安全性设计与分析非常重要，因此需要对其在飞机运行的各种工况下进行分析与试验。其中飞控机电作动***的故障模式及其影响需要经过充分的地面试验进行确定，进而进行试飞试验验证，因此试验室状态下的地面故障注入试验很有必要。数学仿真可以开展所有故障科目的试验，对故障机理、故障产生发展过程以及故障影响进行分析。但是对于部分试验科目，数字仿真难以反映出***实际运行的情况，而通过半物理仿真，可方便地对飞控机电作动***进行实际地故障注入与影响分析。综上，建立数字与半物理仿真相结合的故障注入仿真平台可以对飞控机电作动***的故障模式及影响进行充分有效地分析。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种飞控机电作动***故障注入的数字与半物理仿真平台。
为了达到上述目的，本发明提供的飞控机电作动***故障注入的数字与半物理仿真平台包括控制管理和状态监控计算机、实时仿真机、故障注入箱和飞控机电作动模拟***；其中，所述飞控机电作动模拟***包括控制器、驱动器、无刷直流电机、减速器、滚珠丝杠、丝杠螺母、电流传感器、霍尔传感器和位置传感器；控制器通过驱动器与无刷直流电机电连接；滚珠丝杠的一端连接舵面；丝杠螺母螺纹连接在滚珠丝杠上；无刷直流电机的输出端通过减速器与丝杠螺母相连接；电流传感器和霍尔传感器安装在无刷直流电机上；位置传感器安装在舵面上，并且电流传感器、霍尔传感器和位置传感器分别与控制器电连接；控制管理和状态监控计算机分别与实时仿真机和故障注入箱电连接；故障注入箱同时与控制器和驱动器电连接。
所述故障注入箱包括控制板、继电器驱动电路和8个继电器；控制板与继电器驱动电路电连接；继电器驱动电路与8个继电器电连接；8个继电器与驱动器通过继电器桥接线连接；控制板通过CAN总线分别与控制管理和状态监控计算机、控制器连接。
所述控制板采用ARM STM32F407单片机。
所述控制管理和状态监控计算机通过光纤与实时仿真机相连接。
所述实时仿真机中安装有飞控机电作动***数学模型。
本发明提供的飞控机电作动***故障注入的数字与半物理仿真平台具有如下有益效果：(1)结合了全数字以及半物理两种仿真模式，且这两种模式可以自由切换，因此可对飞控机电作动***开展全面的实验室实验。
(2)数字仿真可以开展所有故障科目的实验，支持对故障机理、故障产生发展过程以及故障影响进行深入分析。
(3)半物理仿真可方便地对飞控机电作动***进行实际地故障注入与影响分析，可以体现***性能降级的具体行为和指标数据，并确定数学仿真中可能忽视的问题。
(4)数字仿真和半物理仿真两种方式的结合可以进行故障模式注入和影响的分析与验证。
附图说明
图1为本发明提供的飞控机电作动***故障注入的数字与半物理仿真平台构成示意图。
图2为本发明提供的飞控机电作动***故障注入的数字与半物理仿真平台中故障注入箱结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的飞控机电作动***故障注入的数字与半物理仿真平台包括控制管理和状态监控计算机1、实时仿真机2、故障注入箱3和飞控机电作动模拟***4；其中，所述飞控机电作动模拟***4包括控制器5、驱动器6、无刷直流电机7、减速器8、滚珠丝杠9、丝杠螺母10、电流传感器、霍尔传感器和位置传感器；控制器5通过驱动器6与无刷直流电机7电连接；滚珠丝杠9的一端连接舵面；丝杠螺母10螺纹连接在滚珠丝杠9上；无刷直流电机7的输出端通过减速器8与丝杠螺母10相连接；电流传感器和霍尔传感器安装在无刷直流电机7上；位置传感器安装在舵面上，并且电流传感器、霍尔传感器和位置传感器分别与控制器5电连接；控制管理和状态监控计算机1分别与实时仿真机2和故障注入箱3电连接；故障注入箱3同时与控制器5和驱动器6电连接。
如图2所示，所述故障注入箱3包括控制板3-1、继电器驱动电路3-2和8个继电器3-3；控制板3-1与继电器驱动电路3-2电连接；继电器驱动电路3-2与8个继电器3-3电连接；8个继电器3-3与驱动器6通过继电器桥接线连接；控制板3-1通过CAN总线分别与控制管理和状态监控计算机1、控制器5连接。故障注入箱3负责在半物理仿真模式下注入相应的故障，同时负责将控制管理和状态监控计算机1设置的舵面位置指令和故障信息传递给飞控机电作动模拟***4，同时将飞控机电作动模拟***4采集的信息回传给控制管理和状态监控计算机1。
所述控制板3-1采用ARM STM32F407单片机。
所述控制管理和状态监控计算机1通过光纤与实时仿真机2相连接。
所述实时仿真机2中安装有飞控机电作动***数学模型。
现将本发明提供的飞控机电作动***故障注入的数字与半物理仿真平台的工作原理阐述如下：
本发明提供的飞控机电作动***故障注入的数字与半物理仿真平台可进行数字仿真和半物理仿真两种模式的实验。
一、数字仿真模式下的实验
首先由实验人员在控制管理和状态监控计算机1上设置舵面位置以及各种飞控机电作动***的故障类型、故障开始时间和持续时间在内的故障信息，持续时间用来表明是瞬态故障或永久故障，然后由控制管理和状态监控计算机1将上述信息作为指令通过光纤传输到连在网络上的反射内存卡中的故障设置区，实时仿真机2通过访问本地的反射内存卡接收上述指令后开始运行飞控机电作动***数学模型，之后读取本地反射内存卡的故障设置区中的故障信息，运行到所设定的故障开始时间时注入故障类型，在设定的故障条件下完成故障注入实验。实时仿真机2将飞控机电作动***数学模型运行得到的各状态变量写入本地反射内存卡的数据状态区，控制管理和状态监控计算机1读取本地反射内存卡的数据状态区并进行显示与监控。
二、半物理仿真模式下的实验
首先由实验人员在控制管理和状态监控计算机1上设置舵面位置以及各种飞控机电作动***的故障类型、故障开始时间和持续时间在内的故障信息，然后，由控制管理和状态监控计算机1通过故障注入箱3向飞控机电作动模拟***4发送舵面位置指令；飞控机电作动模拟***4中的控制器5接收到上述舵面位置指令后通过驱动器6控制无刷直流电机7转动并经过减速器8减速，继而使丝杠螺母10旋转，由此带动滚珠丝杠9进行直线运动，从而将旋转运动转化成舵面的直线运动。与此同时，故障注入箱3中的控制板3-1根据接收到的故障指令，通过继电器驱动电路3-2对8个继电器3-3的开关组合进行设置，以模拟相应故障，并将指令发送给驱动器6以实际地设置相应故障。之后，利用电流传感器、霍尔传感器采集无刷直流电机7的电流和转速信号并反馈给控制器5，从而可以实现电流和转速的闭环控制；利用位移传感器将舵面偏转信号反馈到控制器5，从而实现位置伺服控制。最后控制器5将上述采集信号经故障注入箱3传送给控制管理和状态监控计算机1而进行显示。
Claims (5)
1.一种飞控机电作动***故障注入的数字与半物理仿真平台，其特征在于：所述飞控机电作动***故障注入的数字与半物理仿真平台包括控制管理和状态监控计算机(1)、实时仿真机(2)、故障注入箱(3)和飞控机电作动模拟***(4)；其中，所述飞控机电作动模拟***(4)包括控制器(5)、驱动器(6)、无刷直流电机(7)、减速器(8)、滚珠丝杠(9)、丝杠螺母(10)、电流传感器、霍尔传感器和位置传感器；控制器(5)通过驱动器(6)与无刷直流电机(7)电连接；滚珠丝杠(9)的一端连接舵面；丝杠螺母(10)螺纹连接在滚珠丝杠(9)上；无刷直流电机(7)的输出端通过减速器(8)与丝杠螺母(10)相连接；电流传感器和霍尔传感器安装在无刷直流电机(7)上；位置传感器安装在舵面上，并且电流传感器、霍尔传感器和位置传感器分别与控制器(5)电连接；控制管理和状态监控计算机(1)分别与实时仿真机(2)和故障注入箱(3)电连接；故障注入箱(3)同时与控制器(5)和驱动器(6)电连接。
2.根据权利要求1所述的飞控机电作动***故障注入的数字与半物理仿真平台，其特征在于：所述故障注入箱(3)包括控制板(3-1)、继电器驱动电路(3-2)和8个继电器(3-3)；控制板(3-1)与继电器驱动电路(3-2)电连接；继电器驱动电路(3-2)与8个继电器(3-3)电连接；8个继电器(3-3)与驱动器(6)通过继电器桥接线连接；控制板(3-1)通过CAN总线分别与控制管理和状态监控计算机(1)、控制器(5)连接。
3.根据权利要求1所述的飞控机电作动***故障注入的数字与半物理仿真平台，其特征在于：所述控制板(3-1)采用ARM STM32F407单片机。
4.根据权利要求1所述的飞控机电作动***故障注入的数字与半物理仿真平台，其特征在于：所述控制管理和状态监控计算机(1)通过光纤与实时仿真机(2)相连接。
5.根据权利要求1所述的飞控机电作动***故障注入的数字与半物理仿真平台，其特征在于：所述实时仿真机(2)中安装有飞控机电作动***数学模型。
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