飛機數字式供電綜合控制管理技術仿真

吳利華，楊號

（西安市140 信箱10 分箱，西安 710089）

0 引言

飛機供電系統是飛機的重要保障系統之一，它由電源系統和配電系統組成。隨著飛機各機載系統日益電氣化，呈現出使用電能逐步取代甚至完全取代其他二次能源的發展趨勢[1]，出現了“多電飛機”和“全電飛機”。飛機用電設備大幅增加導致電源功率隨之增大，飛機電網重量增加，可靠性降低以及維護困難等一系列問題。為了解決這些問題，現代先進飛機都采用集散式控制系統，以減少電網的重量，增加系統的可靠性和維修性。有鑒于此，對其中的電氣多路傳輸、容錯供電及負載自動管理等技術進行研究，實現對供電系統的綜合控制管理成為先進飛機供電系統的發展方向之一。[2]國外已在各型飛機上應用了這些技術，而國內在這些技術上處于研究階段，因而有必要對飛機供電系統的數字式綜合控制管理技術進行建模、仿真等基礎研究。通過建立仿真平臺進行設計方案的仿真和評估，驗證原理及方案的可行性，為以后的型號設計積累經驗。

1 飛機數字式供電綜合控制管理系統的特點

1.1 飛機數字式供電綜合控制管理系統

飛機數字式供電綜合控制管理系統由供電系統處理機（PSP）、發電機控制器（GCU）、輔助發電機控制器（AGCU）、應急發電機控制器（EGEN GCU）、外部電源監控器（EPCU）、左側直流控制保護器（LH DCPU）、右側直流控制保護器（RH DCPU）、左側直流功率控制器（LH DPCU）、右側直流功率控制器（RH DPCU）、左側交流功率控制器（LH APCU）、右側交流功率控制器（RH APCU）和遠程功率配電裝置（RPDU）等組成。這些設備通過電氣數據總線（GJB289A）連接組成一個分布式計算機網絡，通過總線進行通信實現供電系統的數字式一體化綜合控制管理功能。[3]供電系統處理機完成飛機供電系統的綜合控制和管理，并實現飛機供電系統與綜合航電系統的通信。其結構圖如圖1所示。

圖1 飛機數字式供電綜合控制管理系統結構圖

供電綜合控制管理系統采用集散控制方式，由PSP 負責對供電系統進行全面的控制和管理。為了提高可靠性，PSP 采用雙處理機布局。一個PSP 作為總線控制器，對所有的供電系統遠程終端進行控制，另一個作為備用總線控制器，它以遠程終端的方式工作，對主控PSP 進行冗余備份。[4-5]

1.2 飛機數字式供電綜合控制管理系統特點

飛機數字式供電綜合控制管理系統特點：

1）接口特性復雜，信號種類多。接口信號包括交流115 V/400 Hz模擬量信號、直流28 V模擬量信號、直流28 V/開路輸入輸出信號、直流28 V/開路驅動功率信號、地/開路信號等等，各接口的電流范圍從十幾mA到幾A 不等，因而接口功率變化范圍大，信號種類多，強弱電信號接口相互影響較大。

2）飛機數字式供電綜合控制管理系統除內部各個子系統之間相互交聯外，還要與綜合航電系統進行交聯，上傳供電系統的參數、狀態及故障信息。

2 飛機數字式供電綜合控制管理仿真設計

2.1 仿真系統組成

針對飛機數字式供電綜合控制管理系統的特點，數字式供電綜合控制管理仿真系統主要由電源系統及配電系統組成的供電控制管理系統，由供電系統處理機仿真器（PSPS）、發電機控制器、輔助發電機控制器和外部電源監控器仿真器（GCU/EPCUS）、直流控制保護器仿真器（DCPUS）、左側交流功率控制器仿真器（LH APCUS）、右側交流功率控制器仿真器（RH APCUS）、左側直流功率控制器仿真器（LH DPCUS）、右側直流功率控制器仿真器（RH DPCUS）、遠程功率配電裝置仿真器（RPDUS）和座艙信號采集器仿真器（CSCS）等組成，見圖2。

圖2 飛機數字式供電綜合控制管理仿真總線結構圖

各仿真器分別實現結構控制設備的接口和邏輯功能，通過GJB289A 總線連成一個分布式計算機網絡，建立起供電綜合控制管理系統仿真模型。[6]由于仿真系統中沒有設置綜合航電系統仿真器，因而PSPS 沒有直接實現與綜合航電系統的信息交互，綜合航電系統的飛行控制及任務數據通過座艙信號采集器仿真器（CSCS）完成模擬或處理。供電系統的狀態顯示、故障告警及維護操作等由PSPS 實現。仿真器均采用工控機，軟件采用LabVIEW 進行開發實現。

2.2 仿真系統設計與實現

1）供電系統處理機仿真器設計。

供電系統處理機仿真器的功能主要為：① 管理和控制功能，完成負載管理、總線通信管理、故障管理和維護管理等；② 狀態信息顯示功能；③ 故障顯示和告警功能；④ 總線通信功能。其軟件設計包括初始化模塊、總線通信模塊、界面顯示調度模塊、PSPS顯示模塊、負載管理模塊和維護模塊，結構圖如圖3所示。

圖3 供電系統處理機仿真器軟件結構圖

2）發電機控制器、輔助發電機控制器和外部電源監控器仿真器設計。

發電機控制器、輔助發電機控制器和外部電源監控器仿真器的功能主要為：①仿真發電機控制器、輔助發電機控制器和外部電源監控器仿真器的控制功能和故障保護功能；② 狀態信息顯示功能；③ 自檢測功能；④ 總線通信功能；⑤顯示功能。其軟件設計包括初始化模塊、維護模塊、總線通信模塊、監控處理模塊、主控模塊和顯示模塊等，結構圖如圖4所示。

3）直流控制保護器仿真器設計。

直流控制保護器仿真器的功能主要為：① 供電控制和轉換功能；② 故障保護功能；③ 自檢測功能；④ 總線通信功能。其軟件設計包括初始化模塊、監控模塊、狀態顯示模塊、故障設置模塊、主控模塊和維護BIT模塊等[7]，結構圖如圖5所示。

圖4 發電機控制器、輔助發電機控制器和外部電源監控器仿真器軟件結構圖

圖5 直流控制保護器仿真器軟件結構圖

4）交流功率控制器仿真器設計。

交流功率控制器仿真器分為左、右側功率控制器仿真器，其功能主要為：① 實現交流主匯流條、交流一次配電匯流條的供電轉換控制；② 完成負載自動管理功能；③ 對本側配電中心進行狀態監測；④ 完成總線通信功能等。其軟件設計包括初始化模塊、主控模塊、監控模塊、維護模塊、狀態顯示模塊以及維護BIT 故障設置模塊等，結構圖如圖6所示。

圖6 交流功率控制器仿真器軟件結構圖

5）直流功率控制器仿真器設計。

直流功率控制器仿真器也分為左、右側直流功率控制器仿真器，其功能主要為：① 實現直流一次配電匯流條的供電轉換控制；② 完成直流一次配電負載的自動管理功能；③ 對本側直流配電中心進行狀態監測；④ 完成總線通信功能等。其軟件設計主要包括初始化模塊、主控模塊、監控模塊、維護模塊、故障設置模塊和狀態顯示模塊等，結構圖如圖7所示。

圖7 直流功率控制器仿真器軟件結構圖

6）遠程功率配電裝置仿真器設計。

遠程功率配電裝置仿真器的功能主要為：① 完成交、直流二次配電匯流條的供電轉換控制；② 實現二次配電負載的供電自動管理功能；③ 總線通信功能。其軟件設計包括初始化模塊、監控模塊、主控模塊、維護BIT模塊、狀態顯示模塊、故障設置模塊等，結構圖如圖8所示。

圖8 遠程功率配電裝置仿真器軟件結構圖

7）座艙信號采集器仿真器設計。

座艙信號采集器仿真器的功能主要為：①信號采集，完成對飛機負載控制信號及飛機狀態信號的采集以及處理；② 自檢測功能；③ 總線通信功能。其軟件設計包括初始化模塊、狀態設置模塊、狀態采集模塊、狀態顯示模塊、維護BIT模塊和總線通信模塊等，結構圖如圖9所示。

圖9 座艙信號采集器仿真器軟件結構圖

3 結束語

仿真系統在對飛機數字式供電綜合控制管理系統各個控制裝置進行功能分析的基礎上建立了供電系統處理機、發電機控制器、輔助發電機控制器和外部電源監控器、直流控制保護器、交流功率控制器、直流功率控制器、遠程功率配電裝置和座艙信號采集器等的仿真器，通過總線組成了飛機數字式供電綜合控制管理仿真系統。[8]該系統為設計方案的驗證和評估提供了方便，也為供電綜合控制管理技術的研究提供了良好的平臺，具有較大的應用價值。

[1]于黎明.全電飛機的技術改進及其發展狀況[J].飛機設計,1999(3):12-15.

[2]周素瑩,齊蓉,林輝.多電飛機電源系統的負載穩定性分析[J].航空計算技術,2002(4):5-9.

[3]沈頌華.航空航天器供電系統[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

[4]楊樂平,李海濤,楊磊.LabVIEW 程序設計與應用[M].北京:電子工業出版社,2005.

[5]雷振山.LabVIEW7 Express 實用接收教程[M].北京:電子工業出版社,2005.

[6]梁嘉琳,周元軍,董世良.多電飛機電力系統集成仿真技術研究[C]//中國航空技術學會控制與應用第十二屆學術年會論文集.2006:95-106.

[7]林輝,齊蓉,周素瑩.多電飛機電氣系統關鍵技術研究[J].航空計算技術,2004(3):48-53.

[8]陳偉.多電飛機供電系統研究[C]//中國航空學會航空電氣工程第五屆學術年會論文集.2005:l-8.