基于AMESim和Simulink的飞机液压刹车系统的联合仿真*

张 鑫

（商洛学院电子信息与电气工程学院 商洛 726000）

1 引言

飞机机电系统由各种具有保障飞行安全功能的子系统组成。其中，刹车系统是飞机机电系统的重要组成部分，其功能是保障飞机安全着陆，对飞机的安全飞行具有至关重要的作用。

飞机在非紧急情况下使用液压刹车。因此对飞机刹车系统建模，关键在于对液压系统的建模仿真，在建模方面，液压系统建模的常用软件有AMESim、Matlab/Simulink等。

AMESim是法国开发的集成软件，其内部有集成好的各种结构部件，建模方便。应用此软件，国内外很多研究学者都对液压等系统做了仿真和分析，并取得良好成果。Sung Hee Park，Khairul Alam，Young Man Jeong等用AMESim对飞机轮载系统做了液压仿真［1］。Deng H，Wang X，Zhang W等用AMESim软件对液压刹车系统的波动负载做了仿真分析［2］。Gu H，Xiao C，Liu Y对液压机械装置进行了液压AMESim动态仿真［3］。

Simulink是Matlab最重要的组件之一，它为系统动态建模、仿真和综合分析提供了环境。液压系统进行的建模仿真工作可以用Simulink来完成。付连宇、许纯新、石红雁等基于Simulink对液压系统进行了动态仿真，高钦和等利用Simulink建立了液压模型库［4］。田树军、张宏等对管路的动态性能采用了Simulink仿真研究［5］。王野牧、王洁、陈先惠、王炳君对闭环液压系统进行了Simulink建模［6］。

从国内外前人研究的结果可以看出，在液压系统和和刹车系统建模的主要工具是AMESim/Simulink。利用两软件进行系统建模时，通过对比可以发现，利用Simulink对液压元件（例如液压泵、作动筒、液压电磁阀等）进行建模仿真的过程不是很容易。因为Simulink里面专门的工具箱对液压传动或气压传动系统进行仿真，因此就要求用户必须要深刻理解系统的数学模型并且需要非常专业的流体力学知识和经验。而AMESim作为一个图形化的开发软件，采用基本元件模块来建模，模块自身包含系统和零部件的功能，无需添加程序代码和运算公式。然而有时，需要深入研究控制系统，并根据此建立模型，而Simulink在控制律设计以及逻辑实现方面有着突出的优势。这时采用Simulink和AMESim进行联合仿真就十分必要。

介绍了飞机液压刹车系统的原理和功能，基于AMESim和Simulink建立起飞机刹车系统的仿真模型，并在原系统的基础上加入PID控制，与原系统进行比较。

2 液压刹车系统的结构和原理

飞机液压刹车系统作为机电系统的重要组成，其利用地面提供的摩擦力，安全、快速地实现对飞机着陆过程中转弯和滑行的控制与制动。其性能好坏将会对飞机的安全返航和快速反应产生直接影响。

飞机在非紧急情况下使用液压刹车。储液箱、作动器、管道、泵和阀门是液压系统的主要组成部分。液压系统的液体是专用液体，储存在储液箱中。这些液体通过泵增加压力以后通到管道系统中。飞机上需要液压的部件通过阀门与管道系统相连接。管道中液体的流动方向、压力、流速都由阀门统一控制。作动器在管路的一端。作动器可以分为两种：第一种是是作动筒，相当于包含有推杆和活塞的液压缸，液体在液压缸内使活塞运动，通过推杆和活塞共同作用，就可以将变大的力传送出去；液压马达就是第二种，原理是用压力增大以后的液体使涡轮转动，那么旋转的轴动力为输出量。

飞机液压刹车系统一般主要包括刹车控制单元、刹车执行装置、液压伺服阀、刹车控制单元、速度传感器及机轮等［7］。图1为液压刹车系统［8～10］的结构图。由飞控计算机输出刹车量信号到机电处理器，机电处理器输出相应的PWM信号到电控刹车阀，电控刹车阀控制调节实际刹车的压力，并控制机轮进行制动或转弯。刹车压力信号由电控刹车阀测得。刹车装置仅对左右主机轮进行刹车控制。

电控刹车阀模型可以简化为图2。图中，Uf为测得的实际刹车压力值，Ur为刹车压力给定值。当刹车油液进入刹车液压缸将会产生压力，压力传感器会计算出实际液压压力，信号返回给控制模型，控制电磁阀使之产生适当的压力。

图1 液压刹车结构图

图2 液压刹车模型

单作用液压缸、放大器、力传感器和电液比例溢流阀为液压刹车系统的主要组成元件。液压刹车的工作过程为闭环反馈，如果电液比例溢流阀的给定信号Ur与力传感器测得的信号Uf有偏差，则控制系统将调节比例溢流阀开度，以增大或减小工作腔的压力 pL，直到Ur=Uf。

3 AMESim与Simulink联合仿真设置

针对液压系统对象，若采用AMESim和Simulink 联合仿真［11～12］模式将会在一定程度降低工作量，提高工作效率，得到满意的仿真效果。本文采用软件版本为Matlab R2012a和AMEsim Rev10。

安装完成后按照以下步骤进行设置：

1）将 Visual Studio目录下的“vcvars32.bat”文件从（通常是%%Microsoft Visual StudioVCin中）拷贝至AMESim安装目录下。

2）设置AMESim环境变量，在Windows XP系统中，在电脑属性高级设置中设置环境变量，在设置框中将变量名设为“AME”，AMESim的安装路径即为变量值（例如：D：Program FilesAMESim）。

3）设置Matlab环境变量。同上，此时变量名相应的设为“Matlab”，Matlab的安装路径即为变量值（例如：D：Program FilesMatlabR2012a）。

4）以同样的方式定义系统变量LM_LICENSE_FILE，值为 D：Program FilesAMESimlicensinglicense.dat，就是AMESim软件许可文件所在路径。

5）选择VC作为AME的编译器。在AME软件的编译工具中选择Microsoft Visual C++项，然后点击OK确认。

6）在MATLAB中选择编译器。在MATLAB命令窗口中输入“mex-setup”，选择相应的数字就可以选择需要的编译工具，此处同样选择VC。具体如下：

＞＞mex-setup

Please choose your compiler for building MEX-files：

Would you like mex to locate installed compilers［y］/n？

如果上述信息正确，键入y编译器选择完成。

7）找到Matlab与AMESim的接口文件，并添加到Matlab的目录表中。AMESim的安装目录为%AME%，打开Matlab的安装路径，添加%AME%scriptingMatlabamesim和%AME%interfacesSimulink（如 ：D:Program FilesAMESimscriptingMatlabamesim 和D:Program FilesAMESiminterfacessimulink）。

设置好环境后，联合仿真就可以进行了。在Simulink中，连接AMESim是通过S函数来完成的。AMESim模型在进行Simulink仿真时必须一直打开。原因是当关闭AMESim模型时，所产生的S函数就无法被Simulink识别和调用，而是压缩成了一个其他文件。

此外，联合仿真过程中需要注意以下两点：

1）两部分模型都运行时联合仿真才可以正常进行。AMESim模型变成“运行模式”的时候，会自动生成一个专门的文件。所以，如果想要对AMES-im模型的参数进行改变，就要在每次改变了参数以后重新进入“运行模式”，这样改变后的参数值才能在新的仿真环境中生效。

2）在设定S函数模块的参数时，必须以AMES-im模型名加“_“的方式设置S函数的名称，将S函数和AMESim模型匹配。AMESim模型的仿真格式由S函数模块中的参数决定。仿真界面中必须设置前两个参数：是不是将AMESim的仿真结果变为一个文件即为第一个参数，如果该值为“1”则表示产生，否则表示不能生成；第二个参数表示AMES-im模型仿真的步长，该值小于等于“0”表示该步长与Simulink的步长是一样的，如果设置该值为“0.01”则表示步长为0.01s。

4 液压刹车仿真

图3为刹车系统AMESim仿真图，图中只给出左刹车通道的模型。左侧为工作钳模型，右侧为比例溢流阀模型。其中主要参数设置如表1。

表1 主要参数设置

在联合仿真中，如图4所示，采用适用性广泛的PID控制来控制液压刹车系统，PID控制规则如下。

其中：Kp、Ki、Kd分别为比例、积分、微分环节的系数。

设定100%刹车量时输出满压力6MPa，1s时开始刹车，3s时输出压力为0。图5为无PID控制时左刹车压力曲线图，1s～3s时为满压力时的响应曲线，3s～5s时为压力为0时的响应曲线。图6为Kp=8.2，Ki=4.3，Kd=0.02时左刹车压力响应曲线。可以看出，添加PID控制的响应效果能更好地满足系统要求。

图4 液压刹车AEMSim与Simulink仿真

图5 无PID控制刹车压力响应曲线（100%刹车量）

图6 有PID控制时刹车压力响应曲线（100%刹车量）

表2 系统结果比较

设采样时间为5s。通过图5和图6可以得到两种情况下的峰值时间、调节时间和超调量，如表2所示。比较无PID控制器仿真曲线和有PID控制时的响应曲线，可以看出两条曲线均在2s内达到稳定刹车压力，满足飞机性能要求。仅用了0.2s，有PID控制的响应曲线就已经达到了误差允许范围内的稳态了。但是没有控制器的仿真曲线用了0.9s才达到稳定。加入PID控制以后，超调量从18.33%减小到6.67%。与不带控制器的原始系统相比较可知，带有PID控制器的系统响应速度更快，到达稳态的时间更短，超调更小。表明带PID控制器的系统，系统性能明显改善。

5 结语

阐述了飞机液压刹车系统的组成和工作原理，分析了AMESim和Simulink各自的优缺点，详细说明了AMESim和Simulink联合仿真的软件设置步骤。利用AMESim和Simulink对系统进行了联合仿真。并加入PID控制，使得系统的响应速度更快，到达稳态的时间更短，超调量更小，改善了系统的性能。