一种电动静液作动器半物理实时仿真系统

本发明涉及伺服作动器技术领域，特别涉及一种电动静液作动器半物理实时仿真系统。

背景技术：

电动静液作动器(electro-hydrostaticactuator，eha)作为未来飞行器的主导作动系统，它的设计与优化有着非常重要的意义。电动静液作动器可以使飞机的生存能力得到提高，提升了飞机可靠性和维修性，同时带来了维护费用的下降。因此采用电动静液作动器不仅可以大幅提高飞机的性能，还可以节省维护费用。随着技术的发展和成熟，对于工业及民用领域如汽车、工程机械、机器人等，电动静液作动器作为驱动执行器也具有广泛的应用前景。

电动静液作动器按照调速方式主要分为3类，分别为定量泵变转速型、变量泵定转速型以及变量泵变转速型。电动静液作动系统结构主要包括控制器、驱动器、伺服电机、液压泵、液压阀、作动筒、各类传感器以及油箱组件等。

其中，电动静液作动器原理如图1所示，其属于定量泵变转速型电动静液作动器。电动静液作动器是泵直驱液压缸的闭式液压系统，采用容积控制原理，通过调节泵的输出流量，实现液压缸的伺服控制。液压泵为定量柱塞泵，通过伺服控制调节电机泵的转速和转向实现流量控制。电动静液作动器采用电流环、转速环、位置环三环控制架构。

电动静液作动器电子装置包括系统控制器1和电动机功率驱动器2两部分，系统控制器1采集各路反馈信号和接收飞控计算机指令，执行相应控制算法，发出电动静液作动器的控制指令；电动机功率驱动器2将系统控制器1发出的指令进行功率放大，驱动电动机3运转。电动静液作动器采用电动机3加泵的形式作为动力源，电动机3和定排量柱塞泵4同轴连接。驱动器2与电动机3之间还安装有电流传感器13，电动机3嵌入有转速传感器14和温度传感器16，还在泵的泄油管路上配置了油滤5和单向阀6，以保证泵的泄露油液顺利流出和整个电动静液作动器内油液的清洁度。液压缸采用对称缸以使eha两个运动方向特性相同。增压油箱7和两个抗气穴阀8组成了电动静液作动器的补油回路，可保证电动静液作动器的基础压力，防止气穴，并补偿电动静液作动器的泄漏。增压油箱7上安装有液位传感器18，实现增压油箱的油量监测。作动筒11的两个容腔分别与两个油路连接，每个油路上还分别安装了压力传感器17；作动筒11的输出杆上安装有位移传感器15；作动筒11的输出端与电动静液作动器外负载12连接。

作动筒11的两个容腔之间设有一个模式选择阀9；通过模式选择阀、阻尼阀以及相应单向阀可实现电动静液作动器正常工作模式和阻尼模式间的切换。安全阀10用于保证电动静液作动器工作压力不超出安全限制。温压传感器19安装在增压油箱7附近，用于监测油液的压力和温度；充放油口20设置在增压油箱7附近，给系统补油或放油。

由于电动静液作动器是一个复杂的系统，且为未非标产品，故其设计周期长，建模仿真准确性有限，开发测试过程繁琐且困难。因此，如何加快电动静液作动器开发进度和节省成本，成为同行从业人员急需解决的问题。另外，现有的半物理仿真平台主要接口有限，无法满足电动静液作动器多学科跨能域的验证需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电动静液作动器半物理实时仿真系统，用于电动静液作动器的开发和试验验证的软件环境搭建，可解决电动静液作动器设计周期长、建模仿真准确性地、开发测试过程繁琐的问题。

本发明实施例提供一种电动静液作动器半物理实时仿真系统，包括：上位机和实时目标机；所述上位机与实时目标机通讯连接；

所述上位机包括：

仿真监控和调试模块，用于实时显示和存储仿真试验的数据，及用于实现人机交互；

模型搭建及测试模块，用于通过图形化建模环境搭建不同的模型及测试模型的性能，并运用实时接口驱动模块库在模型中预留半物理仿真中需要与物理实物连接的实时驱动接口；

实时接口驱动模块库，用于提供各个模型预留的在半物理仿真中需要与物理实物连接的实时驱动接口；

fpga模型编程工具箱，用于为开发半物理仿真系统fpga模型提供组件；

代码生成及编译模块，用于通过所述模型搭建及测试模块提供的图形化建模生成实时工程，并供实时目标机下载；

所述实时目标机，包括：

下载模块，用于下载所述代码生成及编译模块生成的仿真模型；

运行模块，用于运行仿真模型，进行仿真试验；

反馈模块，用于将仿真试验的实时数据反馈给所述上位机进行显示及模型优化。

进一步地，所述运行模块，包括：

模拟控制器单元，用于模拟原电动静液作动器的控制器；

模拟电动静液作动器本体单元，用于运行模拟电动静液作动器本体、驱动器和载荷条件的模型。

进一步地，当所述模拟控制器单元模拟原电动静液作动器的控制器时，所述仿真系统还包括：驱动器和电动静液作动器本体；

所述实时目标机分别与驱动器和电动静液作动器本体控制连接，实现实时交互；所述驱动器与电动静液作动器本体驱动连接；

所述实时目标机还包括：

第一发送模块，用于给所述驱动器发送控制指令；以及给所述电动静液作动器本体发送控制模式选择阀的指令；

采集模块，用于从所述驱动器中采集所述驱动器的相关信息；以及采集电动静液作动器本体的相关数据；

所述电动静液作动器本体用于与加载装置机械连接，所述加载装置用于提供电动静液作动器本体试验所需要的载荷条件。

进一步地，所述驱动器的相关信息，包括：驱动器的温度、以及驱动器采集的所述电动静液作动器本体中伺服电机的电流和转速信息。

进一步地，所述电动静液作动器本体的相关数据，包括：电动静液作动器的输出位移信息、增压油箱的液位、压力和油液温度信息、作动筒两腔的压力和伺服电机的温度。

进一步地，当所述模拟电动静液作动器本体单元运行模拟电动静液作动器本体、驱动器和载荷条件的模型时，所述仿真系统还包括：控制器；所述控制器分别与所述上位机和实时目标机连接；

所述实时目标机与所述控制器实现实时交互；

所述实时目标机还包括：

第二发送模块，用于向控制器发送实时目标机模拟得到的电动静液作动器本体的相关数据和驱动器的温度信息；

接收模块，用于接收所述控制器发送的电动静液作动器的控制指令和控制模式选择阀的指令。

进一步地，所述电动静液作动器本体的相关数据，包括：电动静液作动器的输出位移信息、增压油箱的液位、压力和油液温度信息、作动筒两腔的压力和伺服电机的温度、转速及电流。

进一步地，所述实时目标机采用铝合金外壳机箱，内部包括：处理器组合、独立电源模块、风扇和工业主板；

所述处理器组合用于接收所述上位机下发的指令和向所述上位机反馈测试数据；所述独立电源模块集成在所述机箱内，给实时目标机供电；所述风扇用于将机箱内部的热量排出；所述工业主板具有若干个拓展插槽，用于安装不同的实时板卡。

进一步地，所述处理器组合包括多核cpu和fpga，所述cpu用于处理所述上位机下发的指令和向所述上位机反馈测试数据以及运行仿真模型，所述fpga用于运行对仿真精度要求高的仿真模型。

本发明实施例提供的一种电动静液作动器半物理实时仿真系统，软件环境功能强大且使用方便，包括实现代码自动生成/下载和试验/调试的整体工具。既能在未设计出控制器的情况下快速验证控制算法，又能在电动静液作动器本体未加工出来时验证控制器性能，缩短电动静液作动器的开发进程，加快测试验证效率，节省时间和成本。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为定量泵变转速型电动静液作动器的原理图。

图2为本发明实施例提供的电动静液作动器半物理实时仿真系统结构框图；

图3为本发明实施例提供的电动静液作动器半物理实时仿真系统的技术架构图；

图4为本发明实施例提供的电动静液作动器的rcp验证涉及的硬件连接图；

图5为本发明实施例提供的实时目标机的结构框图；

图6为本发明实施例提供的电动静液作动器半物理实时仿真系统rcp技术总体框图；

图7为本发明实施例提供的电动静液作动器的hil验证涉及的硬件连接图；

图8为本发明实施例提供的电动静液作动器半物理实时仿真系统hil技术总体框图；

1-控制器；2-驱动器；3-电动机；4-定排量柱塞泵；5-油滤；6-单向阀；7-增压油箱；8-抗气穴阀；9-模式选择阀；10-安全阀；11-作动筒；12-电动静液作动器外负载；13-电流传感器；14-转速传感器；15-位移传感器；16-温度传感器；17-压力传感器；18-液位传感器；19-温压传感器；20-充放油口；100-上位机；200-实时目标机；300-电动静液作动器本体。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在相关技术中，半物理仿真，包括快速控制原型(rapidcontrolprototyping)和硬件在环仿真(hardwareintheloopsimulation)，是指在仿真试验系统的仿真回路中接入部分实物的实时仿真。实时性是进行半物理仿真的必要前提。

半物理仿真同其它类型的仿真方法相比具有经济地实现更高真实度的可能性。从系统的观点来看，半物理仿真允许在系统中接入部分实物，意味着可以把部分实物放在系统中进行考察，从而使部件能在满足系统整体性能指标的环境中得到检验，因此半物理仿真是提高系统设计的可靠性和研制质量的必要手段。

为加快电动静液作动器开发进度和节省成本，半物理仿真是一个切实可行的途径，因此，本发明提供了一种高度集成的半物理仿真验证平台，可满足电动静液作动器多学科跨能域的验证需求，且具有多种接口。

在电动静液作动器的开发过程中经常遇到两种应用问题：一是在开发的初期阶段，控制器尚未设计生产完成，为将错误及不当之处消除于设计初期，使设计修改费用减至最小和提升开发效率。可在最终产品硬件投产之前，对整个控制系统进行多次的、离线的及在线的试验来验证控制系统方案的可行性和仔细研究诸如离散化及采样频率等的影响、算法的性能等问题，这个过程称之为快速控制原型(rcp)。

第二个问题是已设计完的控制器投入生产后，在实际应用前必须对其进行详细的测试。如果按传统的测试方法，用真实的对象或环境进行测试，需要投入较大的人员、设备及资金，而且周期长，不能进行极限条件下的测试，试验的可重复性差，所得测试结果可记录性及可分析性都较差。可采用的方法是在产品实际应用之前，采用真实的控制器，被控对象或者系统运行环境部分或全部采用实时数字模型来模拟，进行整个系统的仿真测试，这个过程称之为硬件在环仿真(hil)。

本发明实施例提供的电动静液作动器半物理实时仿真系统，硬件部分涉及上位机、实时目标机、实时仿真接口、驱动器、控制器和电动静液作动器本体等设备。软件部分包括仿真监控和调试软件及相关工具箱、模型搭建及测试软件、实时接口驱动模块库、fpga模型编程工具箱和代码生成及编译软件。

上位机与实时目标机通讯连接，参照图2所示，上位机上加载的软件模块包括：

仿真监控和调试模块21，用于实时显示和存储仿真试验的数据，及用于实现人机交互；

模型搭建及测试模块22，用于通过图形化建模环境搭建不同的模型及测试模型的性能，并运用实时接口驱动模块库在模型中预留半物理仿真中需要与物理实物连接的实时驱动接口；

实时接口驱动模块库23，用于提供各个模型的预留半物理仿真中需要与物理实物连接的实时驱动接口；

fpga模型编程工具箱24，用于为开发半物理仿真系统fpga模型提供组件；

代码生成及编译模块25，用于通过所述模型搭建及测试模块提供的图形化建模生成实时工程，并供实时目标机下载。

对应的实时目标机，包括：

下载模块26，用于下载所述代码生成及编译模块生成的仿真模型；

运行模块27，用于运行仿真模型，进行仿真试验；

反馈模块28，用于将仿真试验的实时数据反馈给所述上位机进行显示及模型优化。

参照图3所示，为整个电动静液作动器半物理实时仿真系统的架构图，上位机运行windows环境，实时目标机运行实时环境。两者通过通讯连接实现数据交互和共享。

上位机软件包括仿真监控和调试软件及相关工具箱、模型搭建及测试软件、实时接口驱动模块库、fpga模型编程工具箱和代码生成及编译软件。

上位机运用模型搭建及测试软件通过图形化建模环境搭建不同的模型及测试模型的性能，并运用实时接口驱动模块库在模型中预留半物理仿真中需要与物理实物连接的实时驱动接口。代码生成及编译软件可将通过图形化建模环境搭建的模型生成实时工程，并下载到实时目标机中，在实时仿真子系统中运行。实时目标机通过实时仿真接口与驱动器、控制器、电动静液作动器本体等物理设备连接。

上位机通过仿真监控和调试软件实时显示和存储仿真试验的数据，存储的数据可在线分析也可导出进行离线分析。上位机通过仿真监控和调试软件实现人机交互，操作者可监控仿真的状况并进行所需要的调试。

根据电动静液作动器控制需求，仿真系统需要利用fpga对伺服电机和伺服电机的驱动电路部分模型进行仿真，以满足高频的实时仿真需求。因此需要开发半物理仿真系统的fpga模型。

上述运行模块27包括：模拟控制器单元，用于模拟原电动静液作动器的控制器；模拟电动静液作动器本体单元，用于运行模拟电动静液作动器本体、驱动器和载荷条件的模型。

下面通过两个实施例，分别对在电动静液作动器研制开发过程中对应的上述两个问题进行详细的说明。

实施例1：

本发明实施例提供的电动静液作动器半物理实时仿真系统，用于电动静液作动器的rcp验证，涉及到的硬件部分参照图4所示，包括：上位机100、实时目标机200、驱动器2和电动静液作动器本体300；

上位机100与实时目标机200通讯连接；实时目标机200分别与驱动器2和电动静液作动器本体300控制连接；驱动器2与电动静液作动器本体300驱动连接；电动静液作动器本体300包括伺服电机、液压泵、液压阀、作动筒、传感器和油箱等组件。

上位机通过基于图形化的建模界面搭建实现控制算法，供实时目标机下载；

参照图5所示，实时目标机200还包括：

第一发送模块29，用于给所述驱动器发送控制指令；以及给所述电动静液作动器本体发送控制模式选择阀的指令；

采集模块30，用于从所述驱动器中采集所述驱动器的相关信息；以及采集电动静液作动器本体的相关数据；

电动静液作动器本体用于与加载装置机械连接，加载装置用于提供电动静液作动器本体试验所需要的载荷条件。

上位机与实时目标机通讯连接，上位机既用于模拟飞控计算机，给电动静液作动器本体发送所需的指令，又通过仿真监控和调试模块21运行试验所需的显示界面，模型搭建及测试模块22还用于搭建实时目标机用于控制电动静液作动器本体的算法。

实时目标机在电动静液作动器的rcp验证技术中发挥原电动静液作动器的控制器的作用，运行模块27的控制算法由模型搭建及测试模块22搭建实现，并通过代码生成及编译模块25编译后，供实时目标机一键下载，方便快捷，因此能实现电动静液作动器控制算法的快速验证和迭代优化。

实时目标机与驱动器连接，第一发送模块29给驱动器发送控制指令，除此之外，采集模块30还从驱动器中采集驱动器的温度、伺服电机的电流和转速等反馈信息，用于监控电动静液作动器本体的运行情况。

实时目标机还与电动静液作动器本体连接，第一发送模块29给电动静液作动器本体发送控制模式选择阀的指令。同时，采集模块30从电动静液作动器本体中采集电动静液作动器的输出位移信息用于电动静液作动器位置环闭环控制；还从电动静液作动器本体中采集增压油箱的液位、压力和油液温度信息、作动筒两腔的压力和伺服电机的温度等反馈信息，用于监控电动静液作动器的运行情况。驱动器与电动静液作动器本体连接，驱动器驱动伺服电机按实时目标机给驱动器的控制指令动作，并采集伺服电机的电流和转速信息，用于电流闭环和转速闭环的控制。电动静液作动器本体与加载装置机械连接，加载装置用于提供电动静液作动器试验所需要的载荷条件。

本发明实施例中电动静液作动器的rcp验证技术，除了可以排除控制器的设计缺陷，优化控制算法，还可以验证电动静液作动器本体的设计缺陷。

上述实时目标机是半物理仿真系统的核心；实时目标机能实现半物理仿真的实时性，实时系统的核心部分，主要是实时处理器组合和外围实时仿真接口。

该实时目标机与上位机之间通讯连接；实时目标机拥有高性能处理器组合。其系统包含若干个拓展插槽，以安装不同的实时板卡。实时目标机，采用铝合金外壳机箱，独立电源，低噪音风扇，工业主板。

高性能处理器组合用于接收上位机下发的指令和向上位机反馈测试数据及运行仿真模型；独立电源模块集成在机箱内，给实时目标机供电；风扇用于将机箱内部的热量排出；工业主板具有若干个拓展插槽，用于安装不同的实时板卡。

实时目标机的计算能力完全足够处理控制器可能的模型，实时目标机的处理器组合包括多核cpu和fpga，为未来可能的模型扩展预留了充足的计算能力。

操作流程：

本发明实施例的电动静液作动器的rcp验证总体技术路线，参照图6所示，包括：

1.验证开始；

2.上位机、实时目标机、驱动器和电动静液作动器本体之间的硬件连接；检测上位机与实时目标机通讯正常、实时目标机与驱动器通讯正常；

3.联调软件和硬件，建立正常的系统连接。当联调不成功，重新执行上述第2步。

4.上位机进行电动静液作动器控制算法模型的搭建，并进行模型编译；

5.实时目标机下载上位机编译后的模型，进行试验；当效果满意，验证通过后，执行步骤7；当效果不满意，验证未通过时执行步骤6；

6.实时目标机反馈实时数据，供上位机进行算法迭代和模型优化，然后执行上述步骤4，直至效果满意，验证通过执行步骤7；

7.验证结束。

实施例2：

本发明实施例提供的电动静液作动器半物理实时仿真系统，用于hil验证试验，涉及到的硬件部分参照图7所示，包括：相互连接的上位机100、实时目标机200和控制器1；

上位机100与实时目标机200通讯连接，此处，上位机100用于搭建模拟电动静液作动器本体、驱动器和载荷条件的模型。实时目标机200用于运行和下载模拟电动静液作动器本体、驱动器和载荷条件的模型，并与控制器1实现实时交互。其中，模拟的电动静液作动器本体也同样包括：伺服电机、液压泵、液压阀、作动筒、传感器和油箱等组件。

参照图5所示，实时目标机还包括：

第二发送模块31，用于向控制器发送实时目标机模拟得到的电动静液作动器本体的相关数据和驱动器的温度信息；

接收模块32，用于接收所述控制器发送的电动静液作动器的控制指令和控制模式选择阀的指令。

实时目标机与控制器连接，接收模块32接收控制器发送的电动静液作动器的控制指令和控制模式选择阀的指令，第二发送模块31将实时目标机模拟得到的电动静液作动器的输出位移信息发送给控制器，用于电动静液作动器得位置环闭环控制。

并向控制器发送实时目标机模拟得到的电动静液作动器的驱动器的温度、伺服电机的电流和转速、增压油箱的液位、压力和油液温度作动筒两腔的压力和伺服电机的温度、转速、电流等反馈信息，用于监控电动静液作动器的运行情况。

控制器1与上位机100通讯连接，此处，上位机100既用于模拟飞控计算机，模型搭建及测试模块22给电动静液作动器本体发送所需的指令，仿真监控和调试模块21又运行试验所需的显示界面。

本发明实施例中电动静液作动器的hil验证技术还可以进行电动静液作动器在各种故障和破坏的情况下控制器的响应试验，以验证控制器的容错功能。这在实际的试验中是高成本的和很难实现的。

操作流程：

本发明实施例的电动静液作动器的hil验证总体技术路线，参照图8所示，包括：

1.验证开始；

2.上位机、实时目标机、控制器之间的硬件物理连接；检测上位机与实时目标机通讯正常、实时目标机与控制器通讯正常。

3.联调软件和硬件，建立正常的系统连接。当联调不成功，重新执行上述第2步。

4.上位机进行电动静液作动器本体、驱动器和加载模型的搭建，并进行模型编译；

5.实时目标机下载上位机编译后的模型，进行试验；当效果满意，验证通过后，执行步骤7；当效果不满意，验证未通过时执行步骤6；

6.实时目标机反馈实时数据，根据分析对控制器结构及功能进行优化，之后再进行试验，直至效果满意，验证通过执行步骤7；

7.验证结束。

本发明的实时仿真系统拥有实时性强，可靠性高，扩充性好等优点。硬件系统中的处理器组合具有高速的计算能力，并配备了丰富的接口，可以根据需要进行组合和拓展；软件环境的功能强大且使用方便，包括实现代码自动生成/下载和试验/调试的整套工具。

本发明通过上述两个实施例完整的公布了电动静液作动器半物理仿真的完整技术，既能实现电动静液作动器的快速控制原型验证，又能实现硬件在回路仿真验证，完整地验证了电动静液作动器各部分的实物和模型，使部件能在满足系统整体性能指标的环境中得到检验，该平台可有效提高系统设计的可靠性和研制质量及进度。而且该平台接口丰富，能满足电动静液作动器多学科跨能域的验证需求，也可拓展应用到其他多学科跨能域的机电装备的研制开发中。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。