淺析先進(jìn)飛機(jī)機(jī)電綜合控制與管理系統(tǒng)的研究

郭鵬 楊彬彬 季亞玢 張睿純 吳秀杰

【摘要】電氣負(fù)載管理中心（ELMC）是先進(jìn)飛機(jī)配電系統(tǒng)的重要組成部分，是飛機(jī)電氣系統(tǒng)的樞紐部件。它根據(jù)電氣系統(tǒng)處理機(jī)（PSP）的布局命令和負(fù)載供電請(qǐng)求，以及機(jī)上負(fù)載的當(dāng)前狀況，來(lái)控制匯流條轉(zhuǎn)換及固態(tài)功率控制器（SSPC），從而保證機(jī)上電氣負(fù)載的供電及提高電源利用率。

【關(guān)鍵詞】電氣系統(tǒng)綜合控制與管理;可靠性;不中斷供電;容錯(cuò)供電

1.引言

飛機(jī)電氣系統(tǒng)包括供電系統(tǒng)和用電設(shè)備。供電系統(tǒng)分為電源系統(tǒng)和配電系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)的控制與管理主要是針對(duì)供電系統(tǒng)而言的，其目的是向飛機(jī)上所有用電設(shè)備提供滿足預(yù)定功能的電能。最近幾十年來(lái)，大量高性能的電氣電子負(fù)載陸續(xù)裝機(jī)使用，對(duì)飛機(jī)供電系統(tǒng)的供電能力與供電質(zhì)量提出了全新的要求，迫切需要改變現(xiàn)有的配電體制，采用先進(jìn)的分布式配電系統(tǒng)和負(fù)載自動(dòng)管理技術(shù)，來(lái)適應(yīng)新一代先進(jìn)飛機(jī)發(fā)展的性能要求。

2.飛機(jī)電氣系統(tǒng)發(fā)展概況

電氣系統(tǒng)在軍用飛機(jī)上經(jīng)歷了一個(gè)從無(wú)到有、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展過(guò)程。早期飛機(jī)上并不裝載任何電氣設(shè)備，后來(lái)，經(jīng)過(guò)第一、二次世界大戰(zhàn)和現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需求推動(dòng)，飛機(jī)完成的任務(wù)由空中偵察和對(duì)地射擊演變?yōu)榭罩懈穸泛蜖?zhēng)奪制空權(quán)，與此相對(duì)應(yīng)，機(jī)載設(shè)備與以前相比也有了天壤之別的變化：飛控、火控、電子戰(zhàn)、環(huán)控、雷達(dá)、外掛、發(fā)動(dòng)機(jī)控制等各種高性能機(jī)載設(shè)備相繼誕生。這些機(jī)載設(shè)備的增加給飛機(jī)供電系統(tǒng)帶來(lái)了巨大的沖擊，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1）供電容量要求越來(lái)越大

以戰(zhàn)斗機(jī)為例，F(xiàn)-104是美國(guó)50年代初的一種輕型戰(zhàn)斗機(jī)，它采用的是恒速恒頻交流和變頻交流組成的混合供電系統(tǒng)，其主電源為20KVA的變頻交流發(fā)電機(jī)和一臺(tái)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的2.5KVA的恒頻交流發(fā)電機(jī);到了70年代，以F-15為代表的第三代戰(zhàn)斗機(jī)開始占主導(dǎo)地位，其采用的是115V、400Hz的恒速恒頻交流供電系統(tǒng)，主電源為2臺(tái)40/50KVA的組合電源裝置;到了90年代后期，更先進(jìn)的第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22則采用的是270V高壓直流供電系統(tǒng)，主電源為兩臺(tái)65KW的直流發(fā)電機(jī)。

2）供電質(zhì)量要求越來(lái)越高

根據(jù)電氣系統(tǒng)實(shí)際需要的變化，對(duì)供電系統(tǒng)供電標(biāo)準(zhǔn)不斷改進(jìn)。到目前為止，其標(biāo)準(zhǔn)從GJB 181到GJB 181A的階段。標(biāo)準(zhǔn)更新?lián)Q代的一個(gè)重要推動(dòng)力就是供電質(zhì)量要求在不斷提高。舉例來(lái)說(shuō)，在GJB 181以前，對(duì)電源轉(zhuǎn)換工作特性未提出要求，GJB 181A中就明確規(guī)定：“在匯流條和電源轉(zhuǎn)換狀態(tài)，電壓和頻率的變化應(yīng)在零伏狀態(tài)與全能特性之間，且時(shí)間不大于50ms。正常瞬態(tài)就可能發(fā)生在完成轉(zhuǎn)換期間”。這里面體現(xiàn)的是新型負(fù)載所需要的供電不中斷要求。

3.飛機(jī)電氣系統(tǒng)控制與管理技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

配電系統(tǒng)由導(dǎo)線、配電裝置和保護(hù)裝置組成，它的作用是將電源產(chǎn)生的電能傳輸和分配到飛機(jī)各個(gè)用電設(shè)備。根據(jù)控制方式不同，通常分為三種：即常規(guī)式配電、遙控式配電和自動(dòng)配電三種。

3.1 常規(guī)式配電

常規(guī)式配電是目前最廣泛的方式。這種方式簡(jiǎn)單可靠，但是，由于配電中心安裝在駕駛艙，所以饋電線必須先從發(fā)電機(jī)端敷設(shè)到駕駛艙，然后再?gòu)鸟{駛艙返回機(jī)身中部的負(fù)載中心，因而主饋線又長(zhǎng)又重。

3.2 遙控式配電

遙控式配電的匯流條靠近用電設(shè)備，座艙內(nèi)只引入控制線，通過(guò)遙控?cái)嗦菲鱽?lái)控制負(fù)載和保護(hù)饋電線，大大減輕了電纜重量。其缺點(diǎn)是離散控制線過(guò)多，自動(dòng)化程度不高。

3.3 自動(dòng)配電方式

自動(dòng)配電方式是用計(jì)算機(jī)控制管理的方式。利用微處理機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)全部控制和管理功能。負(fù)載采用了多路傳輸技術(shù)，提高了配電系統(tǒng)的效率和可靠性;由于采用按鍵和顯示器取代了眾多的指示、控制裝置，緩和了駕駛艙控制板上設(shè)備的擁擠程度。

4.我國(guó)飛機(jī)電氣系統(tǒng)控制與管理發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)飛機(jī)智能配電供電系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)的研究起步較晚，自七十年代末才有少數(shù)軍工國(guó)防單位開始對(duì)飛機(jī)多路傳輸技術(shù)進(jìn)行研究。進(jìn)入八十年代后，才開始對(duì)ELMC進(jìn)行研究。目前，我國(guó)的飛機(jī)電源系統(tǒng)仍然廣泛采用常規(guī)配電方式，不能適應(yīng)新一代飛機(jī)的供電要求。

5.先進(jìn)飛機(jī)電氣系統(tǒng)綜合控制與管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

5.1 飛機(jī)電氣系統(tǒng)綜合控制與管理系統(tǒng)的控制方式

根據(jù)綜合控制系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)電氣系統(tǒng)的控制方式劃分，可分為集中式控制、分布式控制和集散式控制。

1）集中式控制

集中式控制是傳統(tǒng)的控制模式。其優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于信息的分析和綜合，容易實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)控制。缺點(diǎn)是：容錯(cuò)性差、可靠性差、可維護(hù)程度低。

2）分布式控制

分布式控制中，由ELMC負(fù)責(zé)其周圍負(fù)載的控制和管理，系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線用于在ELMC、GCU之間傳遞狀態(tài)和傳感器信息。優(yōu)點(diǎn)：容錯(cuò)性好;系統(tǒng)易于擴(kuò)充，也易于維修;可靠性高。

3）集散式控制

集散式控制與分布式控制不同的是增加了供電系統(tǒng)處理機(jī)（PSP）。ELMC負(fù)責(zé)局域負(fù)載的管理和控制，并具有一定的自檢能力;PSP對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面的管理和控制。具有通用性強(qiáng)、靈活、控制功能完善、數(shù)據(jù)處理方便、顯示操作集中、安裝簡(jiǎn)單規(guī)范、調(diào)試方便、運(yùn)行安全可靠等特點(diǎn)。因此，選擇集散式控制系統(tǒng)作為飛機(jī)電氣綜合控制系統(tǒng)的方案較為適宜。

5.2 飛機(jī)電氣系統(tǒng)綜合控制與管理系統(tǒng)的組成及功能

飛機(jī)電氣綜合控制系統(tǒng)由供電系統(tǒng)處理機(jī)（PSP）、電氣負(fù)載管理中心（ELMC）、通用電氣遠(yuǎn)程終端（RT）組成。

5.2.1 供電系統(tǒng)處理機(jī)（PSP）

供電系統(tǒng)處理機(jī)（PSP）控制整個(gè)電氣系統(tǒng)，負(fù)責(zé)整個(gè)電源系統(tǒng)的狀態(tài)獲取，實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)故障判斷和供電系統(tǒng)布局處理功能。正常狀態(tài)下，它從系統(tǒng)中其它終端接收系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)機(jī)負(fù)載狀態(tài)信息，從綜合航電系統(tǒng)接收飛機(jī)狀態(tài)信號(hào)，根據(jù)這些信息，PSP解算整個(gè)電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局，進(jìn)而解算出電源請(qǐng)求方程，然后向負(fù)載管理中心（ELMC）、遠(yuǎn)程終端（RT）發(fā)送合理的控制命令，從而實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)電氣系統(tǒng)的自動(dòng)化管理。

為了增強(qiáng)可靠性，采用雙機(jī)冗余設(shè)計(jì)。兩臺(tái)PSP同時(shí)工作，其中一臺(tái)處于熱備份狀態(tài)，只負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視和數(shù)據(jù)記錄，當(dāng)主PSP故障時(shí)，由備份PSP接管總線控制權(quán)，執(zhí)行主PSP的功能。每一個(gè)PSP都能從主電源和蓄電池電源中任何一個(gè)獲得電力并工作。PSP主要完成以下功能：

1）控制系統(tǒng)的啟動(dòng)和關(guān)閉;

2）控制系統(tǒng)電氣數(shù)據(jù)總線;

3）接收和處理系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的管理;

4）連接航空電子系統(tǒng);

5）進(jìn)行系統(tǒng)供電系統(tǒng)處理機(jī)自檢測(cè)和故障診斷。

5.2.2 電氣負(fù)載管理中心（ELMC）

ELMC是具有局部處理能力的智能終端，對(duì)其周圍負(fù)載進(jìn)行控制和管理。主要功能有：

1）匯流條監(jiān)測(cè)功能;

2）控制SSPC;

3）繼電器監(jiān)控以及二極管監(jiān)測(cè);

4）通訊功能;

5）自檢測(cè)（BIT）功能。

5.2.3 遠(yuǎn)程終端（RT）

RT主要是根據(jù)電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)對(duì)主交流和主直流匯流條之間的連接和斷開進(jìn)行控制和保護(hù)，對(duì)各個(gè)接觸器的狀態(tài)以及交流外部電源的品質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)對(duì)主電源、APU電源、地面電源的加電邏輯進(jìn)行控制，確保任何兩種以及主電源的兩個(gè)通道之間不會(huì)并聯(lián)。主要功能有：

1）監(jiān)測(cè)交直流電源通道、主匯流條、接觸器等的工作狀態(tài);

2）監(jiān)控EPMC;

3）控制外部電源;

4）處理PSP的指令;

5）機(jī)內(nèi)自檢測(cè)（BIT）。

6.電氣系統(tǒng)綜合控制與管理技術(shù)特點(diǎn)

通過(guò)上述分析和國(guó)外的研究、實(shí)踐來(lái)看，飛機(jī)配電系統(tǒng)的發(fā)展總趨勢(shì)就是采用分布式配電和負(fù)載自動(dòng)管理技術(shù)。采用分布式配電技術(shù)，可以大大提高配電可靠性，增加安全性，減輕配電系統(tǒng)重量，提高功率使用和負(fù)載管理的效能;采用負(fù)載自動(dòng)管理技術(shù)后，就可以根據(jù)飛機(jī)發(fā)電容量的大小、供電系統(tǒng)的完好程度以及飛機(jī)不同飛行階段自動(dòng)斷開和接通用電設(shè)備，保證飛行和任務(wù)關(guān)鍵負(fù)載的可靠供電。采用分布式配電和負(fù)載自動(dòng)管理的自動(dòng)化配電系統(tǒng)，是下一代先進(jìn)飛機(jī)配電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，它具有如下特征：

1）實(shí)現(xiàn)負(fù)載的自動(dòng)管理;

2）提高供電系統(tǒng)的可靠性;

3）節(jié)約時(shí)間、減輕供電系統(tǒng)重量;

4）提高配電系統(tǒng)的維護(hù)性;

5）提高配電系統(tǒng)的可操作性;

6）提高配電系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

7.未來(lái)技術(shù)發(fā)展與展望

航空電子系統(tǒng)將不斷朝著綜合化的方向發(fā)展，作為航空電子綜合化系統(tǒng)的一部分，飛機(jī)電氣控制與管理系統(tǒng)也必將朝著綜合化方向發(fā)展。在未來(lái)的大綜合化系統(tǒng)中，飛機(jī)電氣控制與管理系統(tǒng)將成為其中的一個(gè)最底層子系統(tǒng)，其控制結(jié)構(gòu)與總線接口方式也必將朝著這一方向來(lái)改進(jìn)。

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作者簡(jiǎn)介：郭鵬（1984—），女，吉林樺甸人，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)供職于中航工業(yè)洪都650所，主要從事電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。