2.1 总体思路

针对多电飞机供电系统多学科、强耦合以及地面验证的需求，提出了四层次多领域集成仿真验证方法研究及关键技术应用研究思路。分别是底层理念层：提出分层建模的理念，构建了多电飞机的建模体系及建模规范；建模层：提出了分层建模的思想，将模型按简化程度由简到繁分为方案模型、行为模型和性能模型三个层次，以满足不同研发阶段的仿真需求；仿真验证层：解决了不同软件之间的联合仿真时序及信息交互问题，从理论上分析了联合仿真系统的准确性及收敛性等问题；应用层：搭建了全电系统容错，重构和恢复及配电管理技术仿真开发平台，并利用仿真平台对导线阻抗分析及故障诊断进行了探究。主要研究内容之间的关系如下图所示：

2.2 关键技术

针对多电飞机供电系统多学科、强耦合以及地面验证的需求，开展了多领域集成仿真验证方法研究及关键技术应用。提出了分层建模的理念，构建了多电飞机的建模体系及建模规范；基于多学科统一建模语言，建立了能够反映系统耦合特性的多电飞机电气系统、电作动系统、起落架系统等模型库；在联合仿真研究方面，解决了不同软件之间的联合仿真时序及信息交互问题，从理论上分析了联合仿真系统的准确性及收敛性等问题。在关键技术应用方面，搭建了全电系统容错，重构和恢复及配电管理技术仿真开发平台，并利用仿真平台对导线阻抗分析及故障诊断进行了探究。在相关基础理论的指导下，搭建了飞机供电系统地面验证平台，有力的保障了国产大型客机的首飞工作。

2.2.1 多电飞机电气系统模型库搭建及建模规范

为解决多电飞机电气系统实物搭建困难及模型搭建所面临平衡仿真速度与模型保真度的挑战，提出了分层建模的思想，将模型按简化程度由简到繁分为方案模型、行为模型和性能模型三个层次，以满足不同研发阶段的仿真需求。依据此建模思想，搭建了飞机电气系统模型库，包括基础模型库开发、传感器模型库开发、特征提取模型库开发、诊断和控制模型库开发、智能化负载管理模型库开发。在模型库搭建的基础上，提出了多电飞机电气系统的建模规范和建模标准，为多电飞机电气系统模型搭建提供了指导，提高了模型搭建的效率和精准度。

2.2.2 多电飞机电气系统联合仿真技术研究

在多电飞机的研究中，仿真技术的研究是系统设计的初步，是理论验证的重要环节，结合多领域技术，仿真技术的发展也在不断变化中：从最初的单一软件到现在多种多样的多领域集成仿真平台、多个软件之间的联合仿真。这些发展都是为了更好的适应当今多领域系统集成建模的需求，这也是未来多电飞机研究的重要工具。针对多电飞机电气多领域联合仿真的需求，提出了一种基于FMI通用接口标准的仿真方法，实现了FMI标准与Dymola平台结合的建模仿真验证。首先利用Matlab/Simulink平台对相关数学模型的建模和仿真，得出合理的系统设计方案，然后利用Dymola平台搭建相应系统的电机、液压作动部分和机械部分等模型，而相关的控制部分则通过Matlab/Simulink平台设计的模型输出为FMU，再输入到Dymola中完成建模。该控制器FMU模型可以随时被调用在任意平台中使用，避免了不同平台搭建相应系统时的重复建模工作。

2.2.3 飞机电气系统半物理地面仿真验证平台

为了进一步提高仿真准确性并缩短仿真系统的开发周期，对功率硬件在环（PHIL）仿真系统的原理、结构、稳定性和准确性问题进行了研究。结合飞机电网的一般形式和PHIL仿真的实际需求，将飞机电气系统简化为一个单输入单输出（SISO）电力系统，使用理想变压器（ITM）接口算法将其分割成数字子系统和物理子系统；针对使用ITM接口算法构建的PHIL仿真系统，对其在等效阻抗分别为纯电阻和串联阻感时的稳定性问题进行了研究，形成了判断稳定性的实用方法。

2.2.4全电系统仿真平台搭建及故障检测

1）全电系统容错，重构和恢复及配电管理技术仿真平台开发

开发了全电系统容错，重构和恢复及配电管理技术仿真平台，并构建了仿真验证环境，采用数字化仿真的方法实现全电系统容错，重构和恢复及配电管理技术的仿真验证，包括全电系统传感器布局优化技术建模研究、全电系统容错技术及重构建模技术研究、全电系统智能负载管理技术建模研究；利用通用仿真验证平台环境，对系统的运行过程和性能指标进行仿真分析计算，验证传感器优化布局、特征提取算法、诊断和控制策略、系统架构等的可行性和有效性，分析系统容错设计思想及重构方法，进行全电系统的供配电转换过程仿真，对系统构架的整体性能及电功率、电源品质等指标进行分析，评价不同全电系统架构的优劣。

2）基于仿真平台的故障检测技术

针对自耦变压器在故障发生时极易产生开关管损坏的问题，提出了一种将人工神经网络（ANN）、小波包分解（WPD）和主成分分析（PCA）相结合的星型自耦变压器24脉波整流器故障诊断方法。采用小波包分解技术提取整流器输出电压不同故障波形的特征。采用PCA对提取的特征向量进行降维处理，提高了算法的运算速度。采用BP神经网络对故障类型进行分类，根据提取的特征确定故障位置。在实时仿真平台上对这些故障进行了仿真，并用MATLAB对数据进行了分析。与其他诊断方法相比，该方法具有更好的性能和更快的响应速度。

针对多电飞机传感器分布面广，安装位置复杂，提出系统参数不确定性对传感器输出的影响这个概念。在整理不确定性理论和分析不确定性的基本方法之后，引入多项式混沌理论不确定分析方法，来应对传统的不确定分析方法无法满足实时性的缺点，并成功应用到飞机数字调压器中，有力的保障了飞机的飞行安全。

2.2.5基于联合仿真平台的导线阻抗分析技术

1）阻抗测试方法

针对飞机上为了节省衬层空间将电线束在一起导致的邻近效应的问题，提出了一种采用Maxwell对成束导线进行建模的方法，分析了其涡流场下电线的阻抗矩阵，用Simplorer软件与Maxwell软件联合仿真获得被测电线的阻抗值，并从电磁学的角度分析了外导线电流变化时束内芯线阻抗不同的原因，给出了建议的成束敷设方法。

2）不同频率和间隙对阻抗的影响分析

针对飞机电力系统配电线路中的电压降低和功率损耗对电气设备的影响，用Maxwell二维软件建立了飞机缆绳弯曲模型，探讨了间隙距离（飞机电缆与飞机蒙皮之间的距离）和电压频率（下一代飞机将采用变频电源）对飞机电缆阻抗的影响；利用电磁理论分析了它们随频率和间隙距离的变化趋势，更加精确地分析了电缆电阻和电感的形成机理，为变频飞机电力系统的应用提供参考。

1、       创新点

1）针对多电飞机电气系统实物搭建困难及模型搭建面临平衡仿真速度与模型保真度的问题，提出了分层建模的思想，将模型按简化程度由简到繁分为方案模型、行为模型和性能模型三个层次。在研发中搭建不同层次的仿真模型来满足不同研发阶段的仿真需求。

2）针对多电飞机电气系统多领域联合仿真的需求，提出了一种基于FMI通用接口标准的联合仿真方法，分别利用MATLAB/Simulink平台和Dymola平台搭建系统模型的控制模型和相应的电机、液压、机械等部分模型，进而实现系统模型的联合仿真。联合仿真技术有效的避免了不同平台搭建相应系统时的重复建模工作。

3）在飞机电气系统半物理地面仿真验证平台方面，搭建了飞机电气系统硬件再换仿真系统，对其在在等效阻抗分别为纯电阻和串联阻感时的稳定性问题进行了研究，形成了判断稳定性的实用方法。

4）在仿真平台开发方面，创新性地开发了全电系统容错，重构和恢复及配电管理技术仿真平台，并构建了仿真验证环境，采用数字化仿真的方法实现全电系统容错，重构和恢复及配电管理技术的仿真验证。

5）在联合仿真平台应用方面，创新性地对导线阻抗分析技术展开了研究，提出了一种采用Maxwell对成束导线进行建模的方法，分析了涡流场下电线的阻抗矩阵，用Simplorer软件与Maxwell软件联合仿真测电线的阻抗值，有效的解决了飞机电线成束仿真中所面临的结构选取、参数计算等关键问题，为成束敷设方法提供了建设性意见。

2、       研究成果应用情况

（1）建立的多电飞机配电系统仿真模型的建模方法及仿真试验规范应用于天津航空机电有限公司研究项目“多电飞机配电系统仿真技术研究”。该项研究依据规范搭建了通用元器件级、功能电路级、部件级、产品级、系统级和激励部件的仿真模型，有效的支撑了该所相关项目的前期方案论证工作。

（2）构建的MA700飞机供电系统全数字仿真验证平台、和半物理验证平台应用于西安飞机工业（集团）有限责任公司研究项目“MA700飞机电源系统数字仿真设计研究及控制原理半物理仿真验证”。该研究使用电源系统部件数字模型，按飞机典型飞行阶段的负载分阶段进行电源系统正常状态、非正常状态和应急状态的稳态参数和瞬态参数仿真试验；进行了供电转换和保护仿真试验；进行了泵类负载起动试验，为MA700飞机电源系统集成和初步设计方案提供了有效的验证。

（3）搭建的飞机机电系统费实习仿真建模规范及模型库应用于中航工业第一飞机设计研究院研究项目“飞机供电系统多学科建模及半物理验证”。该研究建立了飞机典型部件的建模仿真规范，提出了分层建模的思想，并基于MATLAB、DYMOLA、SABER等软件分别构建了系统级和部件级模型库，搭建了飞机机电系统半物理仿真验证平台。该项目已经顺利结题验收，研究成果有效的支撑了该所相关项目的前期方案论证工作。

（4）提出的“全电系统容错，重构和恢复及配电管理技术仿真平台”应用于中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所空军“十二五”航空支撑项目，研究了全电系统容错、重构和恢复及配电管理技术，并构建了仿真验证环境，采用数字化仿真的方法实现全电系统容错、重构和恢复及配电管理技术的仿真验证，项目成果有效支撑了该单位在全电飞机方面的相关研究工作。

（5）提出的“采用Maxwell对成束导线进行建模的方法及Simplorer软件与Maxwell软件联合仿真”方法应用于中航工业第一飞机设计研究院关于“无缝绕包PI/PTPE复合绝缘电线应用性能研究”项目，有效的解决了飞机电线成束仿真中所面临的结构选取、参数计算等关键问题，对电线进行了正确的模型搭建并得到了合理的仿真分析结果。研究成果有效的支撑了该单位相关研究工作的开展。