基于Simulink的飞机电源系统建模与仿真_唐虹

2007年10月Power System Technology Oct. 2007 文章编号：1000-3763（2007）19-0087-04 中图分类号： TM712 文献标识码：A 学科代码：470⋅4054

基于Simulink的飞机电源系统建模与仿真

唐虹1，黄茜汀1，唐万忠2，许自杰2，李安奇2

（1．西北工业大学机械电子工程学院，陕西省西安市 710072；

2．成都飞机工业(集团)有限责任公司，四川省成都市 610092）

Simulink Based Modeling and Simulation of a Certain Kind of Aircraft Power Supply System TANG Hong1，HUANG Qian-ting1，TANG Wan-zhong2，XU Zi-jie2，LI An-qi2

（1．School of Mechanical and Electronic Engineering，Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072，Shaanxi Province，China；2．Chengdu Aeroplant Industry(Group) Company Limited，Chengdu 610092，Sichuan Province，China）

ABSTRACT: By means of detailed analysis on power supply system of a certain type of aircraft and on the basis of researching generator model, load model as well as their interrelation, taking the power generation part of aircraft power supply system for example, a mathematical model of power generation part, in which the generator occupies kernel place, is built up by use of micro increment and piece-wise linearization. According to the relations among the models of all parts in power supply system, a simulation model for whole aircraft power supply system is established and the simulation study on this model is carried out by use of the Simulink toolbox in Matlab software. Simulation results show that the established model is simple, easy to use and the simulation results are of high precision.

KEY WORDS: power supply system；modeling；mathematical mode；transfer function；simulation；Simulink；Matlab

摘要：分析了某型号飞机的电源系统，讨论了发电机模型和负载模型及其相互关系，以发电部分为例，采用微增量和分段线性化的方法，建立了以发电机为核心的电源系统发电部分数学模型。最后利用Matlab软件中的Simulink工具箱，根据系统各部分模型间的关系建立了整个电源系统仿真模型，并对其进行了仿真研究。仿真结果表明，所建立模型简单、方便、仿真精度高。

关键词：电源系统；建模；数学模型；传递函数；仿真；Simulink；Matlab

0 引言

电源系统是飞机上一个极其重要的系统。电源系统的供电质量及可靠性直接影响整个飞机的性能。飞机用电负载特性比较复杂，除了常规线性负载外，还有大量的恒功率负载和再生性负载等非线性负载。雷达、导航设备等内部有开关电源，属于恒功率负载，当系统电压降低时，将汲取大电流，呈现负阻抗特性。而各种电力传动机构、电动机在制动时，也将向系统回馈能量。这些负载特性都将直接影响电源系统的品质，给系统的稳定性带来不利影响[1-4]。目前，我国飞机电源系统工作状态的性能测试方法一直采用传统的人工方式，花费了大量的人力、物力。

本文采用现代计算机仿真技术来描述飞机电源系统的数学模型，并利用Matlab软件中的Simulink 工具箱对其进行仿真，模拟实际电源系统的工作状态，直接显示负载变化对飞机电源的影响[5]，为今后制订合理的增减设备方案、预防事故发生提供有效参考。

1 飞机电源系统介绍及建模分析

飞机电源系统由主电源、二次电源、应急电源、电源的转换、保护、调节、稳定和检测等电路组成，其作用是向飞机上的所有用电设备(如油泵，雷达等)提供电能，保证飞机的安全飞行，完成飞行和作战任务。本文所研究的飞机电源系统，其主电源由航空直流发电机和控制保护器构成，辅助和应急电源为航空蓄电池。发电机与蓄电池并联向系统供电，其整体结构如图1所示。

飞机电源系统随负载变化，分析和建立电源系统及负载的整体数学模型，是电源系统仿真分析的必要途径。在建立系统数学模型时，本文以飞机电源系统发电机为核心，采用“拼图式”由局部到整体的方法，先建立发电机的数学模型并单独仿真检

图1飞机电源系统整体结构图

Fig.1 Whole framework of aircraft power supply system 验所建模型的准确性，然后与各负载部件相联构成整个系统的仿真模型[6]。经上述处理后的主电路模型如图2所示。

I

E a

图2飞机电源系统主电路原理图

Fig.2Main circuit principle diagram for

the aircraft supply system

图2中：U a为发电机输出电压、调压点电压；

E a为当前发电机电枢电势；I a为当前电枢电流；Z a 为电枢绕组等效电阻；I j为激磁绕组电流；Z j为激磁绕组等效电阻；I b为蓄电池电流，z b为蓄电池等效内阻；E b为蓄电池的等效电动势；U n为电网电压；I 为电网负载总电流；R为电网总负载电阻，由固定负载电阻、汇流条总电阻、机上各种用电设备包括二次电源等组成。由“拼图式”方法搭建的模型，可以随时加卸负载，便于模拟不同的工作状态，具有通用性。

2 飞机电源系统发电部分简介

本文重点研究系统在某个转速和给定电压(28.5 V)条件下，干扰(负载变化)作用引起系统输出(电压)的变化规律。该系统属于自镇定系统，因此采用古典控制理论来建模。

在建立数学模型时，本文采用微增量法对所考察的函数进行线性化处理。需要说明的是，进行线性化处理会带来误差，但因调压器调整过程中，发电机处于高转速、小负载状态，系统各部件特性的非线性程度不大，所以可用微增量法建立起来的数学模型来分析所得到的结果，这与实际运行状况是相符的[7]。

考虑通用性，本文采用“积木式”的方法，分别建立主电路、激磁电路及激磁控制部分的数学模型，相联可以得到发电机供电网络的数学模型。这样可以方便的通过改变各模块的传递函数来选择不同型号的电源部件，建立不同型号电源系统的数学模型。

通过分别建立飞机电源系统发电部分主电路、激磁及控制电路的数学模型，最后可得发电机与蓄电池并联供电系统的数学模型。将系统的主电路、激磁电路与调压器的结构图按它们之间的传递函数结合在一起，最后可得如图3的电源系统发电部分的结构框图。

图3电源系统发电部分数学模型结构框图Fig.3Mathematical model structural diagram of the generated part for the supply system

3 系统仿真与分析

3.1 系统仿真

飞机电源系统可以模拟不同飞行状态下的工作情况，其关键是电源系统仿真模块的设计与实现。Simulink作为一个动态的建模仿真工具，可以用来仿真线性系统、非线性系统、连续系统、离散系统、连续和离散的混合系统、多速率采样系统以及单任务或多任务的离散事件驱动系统等。本文利用可视化仿真软件Matlab强大的仿真计算功能，在其集成开放式组件Simulink仿真环境下实现飞机电源系统仿真模型的搭建与运行[8]。根据前面系统结构框图，进行相应的模块搭建，得到飞机电源发电部分Simulink仿真模型[9-10]。

在Simulink环境下，将采用同样方法搭建的静止变流器、油泵、雷达等用电设备与发电部分联结就得到了全系统的仿真模型[11-16]，如图4所示。

在前端输入电压以及飞机各项参数变化情况下，计算出各用电设备的输出功率变化，反馈给飞机电源，就可以观察不同负载对整个电网的影响。