HWIL硬件在环仿真方法在民机刹车系统中的应用介绍

杨鹏

【摘 要】本文针对安全性要求非常高的民机刹车系统，介绍了验证其性能和排故等的一个比较先进的方法——HWIL硬件在环仿真方法，给出了HWIL刹车试验平台搭建方法，比较了HWIL相对于传统方法的优势。最后，提供了刹车系统使用HWIL进行仿真试验的具体考虑。通过介绍可以看出，HWIL方法对于民机刹车系统研制具有重要作用。

【关键词】民机；刹车系统；硬件在环仿真；性能；惯性台

【Abstract】Towards the civil aircraft which has high level requirement for safety， an advanced method for performance verification and trouble shooting is introduced， which named HWIL （Hardware-In-the-Loop simulation）. The HWIL building method is proposed， and the advantage is compared with traditional method. In the end， the detailed consideration for civil aircraft brake system to use HWIL is provided. Per the introduction， the importance of HWIL method for civil aircraft brake system development is celar.

【Key words】Civil aircraft；Brake system；HWIL；Performance；Dynamometer

0 引言

随着民用航空技术的发展和使用，人们越来越多的搭乘飛机出行。相应地，对民机的要求也越来越高。作为使民机安全停止的最重要手段之一，对刹车系统的要求也越来越高，包括安全性、经济型和舒适性等[1]。为了使刹车系统能够在民机运营时正确的发挥作用，满足这些需求，根据SAE ARP 4754A[2]，需要在研发过程中进行充分的验证，其中一项就是验证刹车系统能否在不同的跑道情况下（包括干跑道、湿跑道[3]和积雪、融雪、冰等污染跑道[4]）工作正常。

刹车系统的控制依赖飞机轮速、地速等的反馈，作为刹车系统判断其是否正常工作的依据。但是，对于积雪、融雪、冰等污染跑道，由于摩擦系数非常低，一方面刹车距离大大增加，另一方面容易发生非对称刹车而使飞机偏转，两者都有可能使飞机冲出跑道，甚至导致机毁人亡，进行刹车系统试验非常危险。因此，能否在实验室条件下模拟飞机真实反馈，以验证刹车性能（防滑效率、着陆场长等）就变得十分必要。本文将介绍目前国际上主流的实验室验证刹车性能的方法之一——HWIL硬件在环仿真技术。

1 刹车系统HWIL介绍及试验平台搭建

HWIL，全称Hardware-In –the-Loop，即硬件在环仿真，顾名思义，是指使用真实硬件搭建试验平台，并通过计算机模拟实验室不具备的其他参数进行试验验证的技术，因此也称为半物理仿真。

在民机刹车系统研制初期的理论阶段，刹车系统的硬件还未制造出来，此时需要搭建纯仿真平台，以尽可能早地发现可能存在的问题并加以解决。当刹车系统的硬件设计并制造出来后，就进入HWIL阶段了。在HWIL中，刹车系统的试验件均为真件或等效真件，除刹车系统外的飞机本身气动等输入参数在计算机中进行仿真，通过HWIL平台在计算机中模拟飞机和其他交联系统的响应和反馈，如飞机姿态、速度、起落架缓冲支柱压缩量等，从而判断刹车系统是否正常工作，并模拟刹车性能。此处需要注意的是，除刹车系统外的飞机参数是HWIL中必要的输入，其准确性很大程度影响仿真结果的准确性，因此需要提供尽可能准确的各个输入参数。

图1为刹车系统HWIL硬件在环仿真平台的示意图。其中实线框代表真实硬件，虚线框为飞机输入参数。由图中可以看出，重量重心、气动参数等飞机参数输入到HWIL计算机中，同时计算机接收来自刹车控制盒的控制和采集信号，计算飞机在每个时刻的轮速、地速等响应，输入到刹车控制盒中。刹车控制盒根据计算机提供的控制指令及此时飞机的响应，输出给下游的刹车系统真实硬件（如刹车控制阀、切断阀等）控制指令，从而执行刹车动作，并产生相应的刹车压力、刹车力矩等，这些数据同样会输入到刹车控制盒中作为刹车控制阀闭环控制的反馈。液压能源系统提供真实的液压油，作为刹车供压源。

2 HWIL与惯性台联调试验方法对比

实际上，在国际上民机刹车系统采用HWIL方法之前，比较广泛采用的是惯性台联调试验方法。所谓惯性台联调方法就是通过大的转动惯性台驱动机轮转动，提供真实的轮速，并在刹车控制系统施加刹车力将转动的机轮刹停时模拟跑道，提供摩擦力。但是这种方法有诸多不足，所以逐渐被国际主流民机厂商淘汰。表1提供了HWIL相对于惯性台联调试验方法的优点。由表1可以看出，HWIL比惯性台联调方法明显优越很多，所以已经成为如克瑞、赛峰等波音、空客民机主流供应商的首选。

3 刹车系统HWIL试验时的考虑

3.1 使用HWIL目的和对应试验项目

刹车系统使用HWIL平台进行硬件在环仿真，主要基于以下目的：

1）验证刹车系统性能；

2）表征刹车系统的硬件是完好的；

3）调整刹车系统软件来优化其在特定飞机上的表现；

4）表明飞行的安全性；

5）帮助故障定位，提高意外情况出现时的排故能力。

根据以上目的，刹车系统HWIL硬件在环仿真时至少需要考虑如表2所示的项目。

3.2 HWIL所需参数

由于HWIL为半物理仿真，除刹车系统外的飞机本身气动特性等参数都依赖于输入到HWIL仿真平台中，因此HWIL精确仿真所需要的参数清单就十分必要。根据经验，主要参数清单如下：

3.3 HWIL平台修正

由于HWIL部分为仿真和计算模型，在初始仿真时的结果与飞机真实试验结果未必完全一致，因此需要将飞机上可以进行的试验数据（如普通干跑道着陆等）与HWIL仿真结果进行对比分析，对HWIL仿真平台进行修正和优化，以保证HWIL平台可以比较精确地反应飞机真实情况，从而模拟冰跑道刹车等飞机无法进行的试验项目。

4 小结

本文介绍了民机刹车系统HWIL硬件在环仿真方法及其优势，并介绍了民机刹车系统使用HWIL进行硬件在环仿真时的考虑。通过介绍可以得知HWIL对于民机刹车系统进行性能仿真、故障定位/排故和节省试验成本等方面有较大优势，为国际主流民机刹车系统首选方法，并且也逐渐为国内民航和民机刹车系统研制所认可和实施的重要方法。

【参考文献】

[1]Young D W.“Aircraft Landing Gears -The Past， Present and Future”， Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part D Transport Engineering， pp.75-92，1986.

[2]SAE.ARP 4754A- Guidelines for development of Civil Aircraft and Systems， Society of Automotive Engineers， 1996.

[3]中國民航总局.中国民用航空规章第25部-运输类飞机适航标准[CCAR-25-R4]. 2011.11， pp.8-14.

[4]EASA.Certification Specifications and Acceptable Means of Compliance for Large Aeroplanes Amendment 16， European Aviation Safety Agency， pp.1-D-13—1-D-15， 2015.

[责任编辑：朱丽娜]