多電飛機供電控制系統仿真研究

周 迪，周潔敏，張紅梅

(南京航空航天大學 民航學院，南京 211106)

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多電飛機供電控制系統仿真研究

周 迪，周潔敏，張紅梅

(南京航空航天大學 民航學院，南京 211106)

對多電飛機的供電網絡控制邏輯進行分析研究，以Boeing787供電系統為例，建立各組成部件相應的數學模型，對不同故障狀態下的供電網絡結構和控制邏輯進行了研究分析，在ANSOFT/SIMPLORER軟件平臺上對用電系統進行仿真電路建模，使用Simulink作為傳遞數據中轉單元，將仿真結果導入Matlab GUI程序設計的控制終端進行兩個軟件的聯合仿真，實現系統故障模式的可操作化和供電網絡組件狀態的可視化。

多電飛機；供電系統；Ansoft/Simplorer； Matlab GUI

多電飛機使用電能代替機械能、液壓能和氣壓能等二次能源，其電網是一個需要極高安全性的微電網，其中包含供電、配電和用電負載等系統。飛機上大多數電氣設備必須保證持續有效的供電才能正常運行。發電機作為飛機上的主要電源，在某發電機發生故障時能立即將其所接的關鍵負載切換至正常的電源匯流條上，保證其正常供電非常重要[1-5]。

隨著飛機用電量的增加，由于發電機單機容量有限，通常多電運輸機帶有4臺主發電機、2臺APU發電機，此外還有RAT帶有的發電機及應急蓄電池等電源，因此多種電源的協調工作十分重要，研究其供電電源和負載特性及其邏輯關系意義重大[6]。

利用Ansoft/Simplorer與Matlab GUI相結合的聯合仿真，將供電電網各部件間的邏輯關系直觀地展示出來，對多電飛機的供電控制研究具有重要的意義。

1 多電飛機供電系統的仿真模型

以多電飛機的典型代表B787為例，在它的供電系統中，一共有4臺主發電機、2臺備用發電機、1臺應急發電機。B787的供電系統簡化結構如圖1所示，各部件名稱見表1。

圖1 B787供電系統簡化結構表1 各部件名稱

部件名稱 符號部件名稱 符號交流AC匯流條連接斷路器BTB變壓整流單元控制器ATRUC直流DC輔助電源斷路器APBSIMLORER中數據傳輸管腳DFSTS輔助動力裝置APUSIMPLORER向MATLAB數據傳輸管腳DFSTM蓄電池BAT電剎車用直流電源E-BPSU蓄電池充電控制器BC發電機控制斷路器GCB蓄電池放電控制器BD轉換整流單元TRU

1.1 工作原理

飛機在正常運行情況下，4臺發電機在供電控制系統的控制下并聯工作。當4臺發電機中的某幾臺發電機出現故障時，控制系統自動識別出發生故障的發電機，并將檢測結果信息傳遞給供電控制單元。控制單元根據具體情況自行改變各個斷路器的導通或者關斷狀態，從當前供電網絡中切除發生故障的發電機，讓正常的發電機向其所帶的關鍵負載供電，同時在駕駛艙顯示故障信息。如果4臺主發電機同時失效，控制系統切斷所有主發電機的聯接，啟用2臺緊急備用發電機，使主匯流條上始終保持供電，以保證關乎飛行安全的關鍵負載的用電。由于主要考慮的是多電飛機的整個供電網絡的狀態在不同故障模式下的狀態切換，為了簡化仿真過程，將供電網絡中的整流、逆變部分都進行了相應簡化[7-10]。

1.2 主發電機、輔助發電機、RAT模型建立

在飛機供電系統的組成結構中，發電機是核心設備之一。每臺發電機在供電系統運行過程中有3種可能的工作狀態(運行狀態、停止狀態和故障狀態)，4臺發電機一共有43=64種狀態。大數量的狀態將會加大系統建模的難度。由于發電機在工作故障狀態或停止狀態時對整個供電網絡的其他模型狀態的影響相同，可視為同種狀態，因此，簡化后4臺發電機共有24=16種狀態。為了便于對整個飛機電網結構狀態進行控制，對4臺主發電機的狀態進行編碼，一共有16種狀態，依次編碼為0～15。用0表示發電機處于故障工作狀態，用1表示發電機處于正常工作狀態。具體編碼情況如表2所示。

表2 4臺主發電機狀態編碼

用表2定義的發電機狀態變量Gi(i=0,1,2,…,15)來表示4臺發電機的狀態。定義單一發電機狀態變量gj(j=1,2,3,4)，依次表示為GenL1、GenL2、GenR1和GenR2。Gi與gi之間的關系如式(1)所示。

Gi=g4×23+g3×22+g2×21+

g1×20=i

(1)

gi={Gj&[1<<(i-1)]}>>(i-1)

(2)

式(2)中：“&”表示“按位與”運算；“<<”表示“左移運算”。

在Ansoft/Simplorer平臺上對發電機進行器件建模，定義模型管腳名稱、輸入輸出屬性和功能，如表3所示。管腳DFSTS1作為兩個軟件平臺的交互接口，接收GUI界面傳來發電機工作狀態控制信息，輸入至Simplore仿真模型中。

表3 發電機模型管腳定義

管腳名稱輸入輸出屬性功能DFSTS1輸入接收四臺發電機狀態變量值GDFSTS2輸出把數據輸出給下級設備N輸入發電機編號

在仿真過程中，一直對發電機的DFSTS1管腳進行數據讀取，然后根據當前單一發電機編號和式(2)中的發電機當前狀態變量Gj(j=0,1,2,…,15)的值，計算得出當前單一發電機的狀態，然后把它的當前狀態通過數據傳輸管腳DFSTS2傳遞給它的下級元件。整個邏輯供電網絡框架中的所有元件之間的數據傳遞都采用這種方式，每個元件只需要獲取到它上級元件的當前狀態就能確定自身的工作狀態。在仿真進行過程中，只要發電機工作狀態正常，那么與之對應的發電機控制器就正常工作。模型計算流程如圖2～5所示。

圖2 發電機模型計算流程

圖3 輔助發電機模型計算流程

圖4 RAT模型計算流程

圖5 斷路器模型計算流程

輔助發電機模型比發電機模型多了1個DFSTS3和DFSTM管腳。DFSTS3管腳用來接收Matlab傳來的輔助發電機控制狀態，DFSTM管腳用來向Matlab輸出當前的工作狀態，其他管腳名稱和數量與發電機模型一樣。但輔助發電機模型計算過程與發電機模型并不相同。輔助發電機的DFSTS1管腳在仿真過程中不斷讀取輸入的發電機狀態變量G的值，然后根據這個值判斷要輸出的值。只有當4臺主發電機都不工作時，輔助發電機才開始工作，此時輸入為1。當4臺主發電機有任意一臺處在工作狀態時，輔助發電機就不工作，此時輸出為0。

RAT在所有發電機和輔助發電機都失效的情況下開始工作。因此要確定RAT的狀態，必須要清楚主發電機和輔助發電機的狀態。所以，在對圖1所示的電網結構進行供電邏輯仿真時，對于RAT模型必須增加3個管腳來獲取輔助發電機和4臺主發電機的工作狀態，進而確定它的工作狀態。

1.3 斷路器模型建立

圖1中，斷路器在整個飛機冗余供電網絡中主要用來控制整個供電網絡中各個設備的電能引入和斷開。在飛機發電機發生故障時，通過切換某個斷路器的狀態進行電網重構，實現冗余供電。因為斷路器的工作狀態和它在供電網絡中的位置有關系，所以添加了一個管腳N用來表示它所處的位置，N取值1～6，依次表示圖1中從左至右的6個斷路器。斷路器的管腳定義表如表4所示，其計算流程如圖5所示。

表4 斷路器模型管腳定義

1.4 GCB、ATRU、TRU、APB 、BC和BD模型建立

從圖1中可以看出：GCB、ATRU、TRU、APB、BC都是由上級設備的狀態作為輸入，并由此決定其輸出信號，因此這個幾個仿真模型底層的代碼都是類似的，其模型管腳定義如表5所示，仿真計算流程與輔助發電機相似。按照表4和圖3可以完成GCB、ATRU和TRU等的模型創建。

表5 GCB、ATRU、TRU、APB、BC和BD模型管腳定義

1.5 230 V交流匯流條模型建立

在圖1所示的飛機供電系統電網結構中，230 V交流匯流條占據著核心作用，它把發電機產生的交流電傳輸給下級的各個設備，保障各個設備的工作需要。除主發電機、輔助發電機和RAT同時發生失效情況外，230 V交流匯流條可向下級設備供電。

230 V交流匯流條在圖1所示結構中有2種不同的連接方式:一種是連接在發電機上;另一種是在應急情況下連接在RAT上。在此只給出第1種方式的管腳定義，另外一種除管腳數量上有所不同，其他完全一樣.管腳定義表如表6所示。230 V交流匯流條的輸入輸出關系計算流程如圖6所示。

圖6 230 V交流匯流條模型計算流程表6 230 V交流匯流條模型管腳定義

管腳名稱輸入輸出屬性功能DFSTS1輸入接收上級發電機的數據輸入DFSTS2輸入輸入發電機狀態變量GDFSTS3輸入輸入輔助發電機狀態DFSTS4輸入輸入輔助發電機狀態DFSTS5輸入輸入RAT狀態DFSTS6輸出/輸入輸入/輸出數據DFSTS7輸出/輸入輸入/輸出數據DFSTS8輸出/輸入輸入/輸出數據DFSTS9輸出前級發電機狀態輸出到下級設備DFSTM輸出把工作狀態輸出給Matlab

1.6 115 V交流匯流條、270 V直流匯流條模型和停車裝置模型建立

由于本文只對飛機電網供電控制部分進行仿真，在正常情況下設備都能夠從它前級的匯流條獲取到所需的電能，因此，在圖1所示電網結構中無需對115 V交流匯流條、270 V直流匯流條和電剎車直流電源(EBPSU)的下級負載進行分析，它們的供電邏輯仿真模型可做類似處理。115 V交流匯流條、270 V直流匯流條和EBPSU模型的管腳定義如表7所示，其計算流程如圖7所示。按照圖7和表7中所述，根據前文所述方法，就可以完成模型創建。

表7 交直流匯流條模型和EBPSU管腳定義

圖7 交直流匯流條和EBPSU模型計算流程

1.7 28 V直流匯流條模型建立

在圖1所示的電網結構中，28 V低壓直流匯流條有4條，其中2條為普通匯流條即28Vdc Bus L和28Vdc Bus R，另外2條是應急匯流條，其中一條是機長儀表匯流條(Capt Instr Bus)，另一條是飛行/操縱儀表匯流條(F/O Instr Bus)。

在正常情況下，230 V交流匯流條上的電能通過變壓整流裝置的轉換后通過28 V直流匯流條和蓄電池充電器BC給蓄電池充電。當在飛機上所有的可用發電裝置全部出現故障失效時，與28V直流匯流條連接的28 V蓄電池通過升壓裝置給關鍵負載如機長儀表、飛行儀表及剎車裝置供電，保障飛機安全迫降。28 V直流匯流條的管腳定義如表8所示，其計算流程如圖8所示。

圖8 28 V直流匯流條計算流程表8 28 V直流匯流條模型管腳定義

管腳名稱輸入輸出屬性功能DFSTS1輸入從上級設備引入信號DFSTS2輸入接收發電機狀態變量GDFSTS3輸入接收輔助發電機狀態DFSTS4輸入接收輔助發電機狀態DFSTS5輸入接收RAT狀態DFSTS6輸出向蓄電池充電器輸出控制信號DFSTS7輸出向剎車控制裝置發出控制信號DFSTS8輸入蓄電池放電引入DFSTM輸出把工作狀態輸出給Matlab

1.8 應急蓄電池模型建立

如圖1所示，應急蓄電池在飛機供電網絡中有很重要的地位。飛機在正常供電過程中，對應急蓄電池進行充電；當飛機上的發電機全部發生故障時，應急蓄電池向電網中關鍵負載提供電能。應急蓄電池的模型管腳定義如表9所示。

表9 應急蓄電池模型管腳定義

1.9 多電飛機供電邏輯仿真電路

根據本文所有定義與分析，在Ansoft/Simplorer平臺上繪制各部分供電邏輯仿真電路，如圖9～14所示。

圖9所示為發電機組供電邏輯仿真電路，該部分主要包含4臺主發電機和發電機控制單元(GCB)。圖10所示為斷路器組供電邏輯仿真電路，4臺主發電機的狀態由圖中的GENST管腳輸入的數據進行控制，該管腳用來傳輸發電機狀態變量G的值，該邏輯仿真電路實現了通過變量G值重構飛機電網的自動控制功能。

圖9 發電機組供電邏輯仿真電路

圖10 主匯流條斷路器組供電邏輯仿真電路

圖11～13分別為230 V交流匯流條組、270 V直流匯流條組和115 V交流匯流條組邏輯仿真電路。

圖14為28 V直流匯流條組和應急裝置組供電邏輯仿真電路，該部分主要在發電機全部失效時實現應急供電功能。蓄電池在飛機電源正常時處于充電模式，當供電電源異常時處于放電模式。

圖11 230 V交流匯流條組供電邏輯仿真電路

圖12 270 V直流匯流條組供電邏輯仿真電路

圖13 115 V交流匯流條組供電邏輯仿真電路

圖14 28 V直流匯流條組、應急裝置組供電邏輯仿真電路

2. 飛機供電控制系統仿真終端

2.1 Ansoft/Simplorer與Matlab的聯合仿真技術

通過利用Simplorer平臺與Matlab中Simulink的數據交互接口進行數據傳遞實現聯合仿真，既利用了Simplorer在各專業領域仿真計算的優勢，又結合了Matlab GUI技術較好的人機交互特性，提高了仿真系統的可操作性[11-14]。

將各個Simplorer與Matlab/Simulink接口模塊的管腳與相應的器件管腳通過網絡標號進行連接，Simplorer與Matlab聯合仿真的飛機供電邏輯仿真電路就連接完成。Simplorer與Matlab的供電邏輯聯合仿真數據傳輸組連接如圖15所示。

圖15 Simplorer與Matlab的供電邏輯 聯合仿真數據傳輸組連接

因為Matlab無法直接與Simplorer進行數據傳遞，需要利用Simulink作為中間數據緩存，才能用Matlab GUI設計的控制終端控制Simplorer進行邏輯仿真。在聯合仿真過程中，還需要配置Matlab/Simulink部分。該部分配置首先要建立一個Simulink仿真文件，在所建立的Simulink仿真文件中添加一個S-Function模塊。Simplorer與Matlab/Simulink聯合仿真的數據交互如圖16所示。

圖16 Simplorer與Matlab/Simulink聯合仿真的數據交互

2.2 供電邏輯仿真控制實驗結果

在Matlab GUI設計供電邏輯仿真控制主界面，如圖17所示。用戶根據需要設置主發電機、輔助發電機和RAT狀態，點擊啟動仿真按鈕便可進行仿真實驗，各個設備工作狀態的仿真實驗結果顯示在仿真控制終端界面上。

圖17 飛機供電邏輯控制仿真主界面

設置主發電機、輔助發電機和RAT全部正常，單擊“啟動仿真”按鈕，啟動飛機供電邏輯仿真平臺。仿真結果如圖18所示。在飛機正常飛行狀態下，各匯流條供電正常，應急蓄電池BAT處于充電狀態，緊急剎車裝置處于不工作狀態。

圖18 發電機全部正常時聯合仿真結果

設置主發電機GEN1和GEN2故障，GEN3和GEN4正常，輔助發電機和RAT正常，單擊“啟動仿真”按鈕，啟動飛機供電邏輯仿真平臺。仿真結果如圖19所示。在飛機飛行過程中單臺發電機失效時，通過自動控制斷路器的開關狀態(斷路器BTBL1、BTBL3、BTBR1和BTBR4處于接通狀態，斷路器BTBL2和BTBR2處于斷開狀態)，保證了所有匯流條的正常供電，此時應急蓄電池BAT處于充電狀態，緊急剎車裝置處于不工作狀態。

圖19 飛機電網單臺發電機失效聯合仿真結果

設置主發電機、輔助發電機和RAT全部故障，單擊“啟動仿真”按鈕，啟動飛機供電邏輯仿真平臺。仿真結果如圖20所示。當飛機在飛行中發電機全部失效時，應急蓄電池BAT開始放電，緊急剎車電源裝置開始工作，所有匯流條中只有28 V直流匯流條上有電。

圖20 發電機全部故障時聯合仿真結果

3. 結束語

在Ansoft/Simplorer與Matlab聯合仿真的基礎上，設計并建立了具有較高交互性和可視性的仿真實驗平臺。通過該平臺，用戶也可以實現各種故障模式切換，通過傳遞回來的仿真結果，用戶可以分析多電飛機供電網絡組件在不同故障情況下的狀態。本研究在分析過程中簡化了整個供電網結構，可為不同型號的飛機供電網結構設計提供參考價值。

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(責任編輯 楊黎麗)

Simulation and Research of Power Supply Control System for More Electric Aircraft

ZHOU Di, ZHOU Jie-min, ZHANG Hong-mei

(College of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China)

The control logic of power supply network of multi-electric aircraft was analyzed and researched, and taking Boeing787 power supply system as an example, the corresponding mathematical model of each component was established to analyze the structure and control logic of power supply network under different fault condition. A simulation circuit model was built on the ANSOFT/SIMPLORER software platform, using Simulink as transfer data transfer unit, the simulation results were transfer into Matlab GUI program design of the control terminal. With the combined simulation of the two softwares, the operation of the system failure mode and the visualization of the state of the power supply network were realized.

multi-electric aircraft; power supply system; Ansoft/Simplorer; Matlab GUI

2016-04-18 作者簡介：周迪(1992—)，女，湖北荊州人，碩士研究生，主要從事航空安全研究，E-mail: 405861245@qq.com。

周迪，周潔敏，張紅梅.多電飛機供電控制系統仿真研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(11):111-120.

format：ZHOU Di, ZHOU Jie-min, ZHANG Hong-mei.Simulation and Research of Power Supply Control System for More Electric Aircraft[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(11):111-120.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.11.019

TM351

A

1674-8425(2016)11-0111-10