淺析飛機(jī)電氣系統(tǒng)的故障診斷方法

賈 凱

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川成都 610000）

1 飛機(jī)電氣故障診斷概述

飛機(jī)電氣故障是指飛機(jī)電氣系統(tǒng)中其中某環(huán)節(jié)出現(xiàn)功能喪失或錯(cuò)誤，其實(shí)質(zhì)可能是邏輯設(shè)計(jì)潛在缺陷、元器件損壞或者偶發(fā)性故障。

飛機(jī)電氣故障的分類方法主要有2 種。

（1）按喪失工作能力的程度分為局部故障和完全故障。局部故障是飛機(jī)失去了一些工作能力，但仍然能夠?yàn)轱w機(jī)系統(tǒng)提供部分的電能支持，僅降低了使用性能的故障。而完全故障，則意味著飛機(jī)完全喪失工作能力。

（2）按發(fā)生的后果分為一般故障、嚴(yán)重故障和致命故障。一般故障是指飛機(jī)運(yùn)行中能及時(shí)排除的故障或不能排除的局部故障。嚴(yán)重故障是指飛機(jī)運(yùn)行中無法排除的完全故障。致命故障是指導(dǎo)致飛機(jī)造成重大損壞或重大人員傷亡的故障。

2 飛機(jī)電氣系統(tǒng)的基本組成

2.1 飛機(jī)電源系統(tǒng)組成

飛機(jī)的電源系統(tǒng)一般由主電源、應(yīng)急電源、輔助發(fā)電、地面電源接口等裝置組成（圖1）。其中，LS/G 是左起動(dòng)發(fā)電機(jī)，RS/G 是右起動(dòng)發(fā)電機(jī)；APU 是精助動(dòng)力裝置，GCU 是發(fā)電機(jī)控制單元；EPCU 是電力電能控制單元；BDC 是雙邊的變換器；PUA 是電能單元作動(dòng)器，ECS 是環(huán)境控制系統(tǒng)。

2.2 飛機(jī)配電系統(tǒng)組成

目前先進(jìn)飛機(jī)的配電系統(tǒng)通常包括一次配電設(shè)備、二次配電設(shè)備、供電管理中心、匯流條功率控制器BPCU（Bus Protection and Control Units，總線保護(hù)控制器）等。其中供電管理中心需具備自檢測功能，能夠?qū)⑾嚓P(guān)信息上傳給飛機(jī)或地面。并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)主電源狀態(tài)、二次電源狀態(tài)、應(yīng)急電源狀態(tài)、專用電源狀態(tài)、次電狀態(tài)、二次電狀態(tài)、匯流條功率控制狀態(tài)的監(jiān)控。同時(shí)供電管理中心還能夠通過總線接收飛行狀態(tài)與指令，并傳遞給相應(yīng)二次配電裝置，實(shí)現(xiàn)配電管理與控制。

圖1 常用飛機(jī)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 飛機(jī)電氣系統(tǒng)故障分析

先進(jìn)飛機(jī)采用基于固態(tài)技術(shù)的數(shù)字化供電是一種必然趨勢，并且隨著飛機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜度不斷提高;供電系統(tǒng)的重要性和復(fù)雜性都大幅提升。且飛機(jī)工作環(huán)境惡劣，機(jī)載電源類型繁多，電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)飛機(jī)供電系統(tǒng)和用電設(shè)備的可靠性、安全性和維修性都提出了更高的要求。為了保證供電系統(tǒng)高可靠性和高安全性，急需搭建一個(gè)通用性強(qiáng)、效果明顯、覆蓋性寬、能充分暴露程序隱蔽錯(cuò)誤的測試環(huán)境，來驗(yàn)證供電裝置的可靠性，以確保飛機(jī)安全。

本項(xiàng)目的電氣系統(tǒng)的故障分析主要是對(duì)系統(tǒng)級(jí)別的故障和缺陷進(jìn)行定位和分析。通過對(duì)系統(tǒng)級(jí)別的故障進(jìn)行定位分析后，再鎖定至系統(tǒng)中的組成部分，以便在實(shí)際工作中對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和故障排除，進(jìn)而在系統(tǒng)級(jí)的環(huán)境中對(duì)故障的可能性進(jìn)行逐個(gè)排查，提升飛機(jī)供電技術(shù)的可靠性，有效保障飛機(jī)飛行安全。

下面所述的故障分析方法，需要搭建最小化供電故障測試平臺(tái)，并根據(jù)試飛試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建飛機(jī)供電故障模式庫。將供電故障模式庫通過軟件注入的方式，引入供電故障測試平臺(tái)中，以確定當(dāng)前系統(tǒng)是否存在故障模式所對(duì)應(yīng)的潛在缺陷。

所述的最小化供電故障測試平臺(tái)的設(shè)計(jì)，需要有清晰化的供電系統(tǒng)級(jí)基于模型的需求描述，形成供電系統(tǒng)流程集，向上與飛機(jī)系統(tǒng)工程對(duì)接，向下作為接口設(shè)計(jì)、ICD（Information-Centered Design，一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品創(chuàng)新的基本模型）設(shè)計(jì)、子系統(tǒng)及成品功能設(shè)計(jì)的依據(jù)。同時(shí)對(duì)供電故障測試平臺(tái)內(nèi)子系統(tǒng)及成品功能采用統(tǒng)一的策略及算法，并實(shí)現(xiàn)偽代碼，便于供電裝置策略的同步優(yōu)化、故障分析與協(xié)調(diào)一致性。飛機(jī)供電故障模式庫由基于代碼的故障注入模塊組成，將庫中的不同模塊應(yīng)用到供電裝置的測試中，形成基于代碼的供電故障注入測試環(huán)境，可在飛機(jī)研制的全階段，通過在供電網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行一系列被特定錯(cuò)誤模型干擾的測試程序（Application Under Tests，AUT），收集故障注入后執(zhí)行的跟蹤信息、發(fā)生的所有異常信息以及來自AUT 的信息，并按照預(yù)先設(shè)定的評(píng)估準(zhǔn)則，即可有效地評(píng)估供電系統(tǒng)的安全性、可靠性并為供電系統(tǒng)中故障的診斷、隔離和定位提供有效的支持。

4 飛機(jī)電氣系統(tǒng)故障測試方法

根據(jù)先進(jìn)飛機(jī)電氣系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)故障可能發(fā)生在電源系統(tǒng)，配電系統(tǒng)或者電網(wǎng)絡(luò)中。在電源系統(tǒng)中，根據(jù)不同的電源構(gòu)型設(shè)計(jì)，主電源中可能含有發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)控制器、大功率開關(guān)器件、過流反流保護(hù)器件、AC/DC、DC/DC、DC/AC 等。在配電系統(tǒng)中，根據(jù)不同的項(xiàng)層構(gòu)型，可能存在多個(gè)固態(tài)配電裝置、智能匯流裝置、大功率開關(guān)器件、以及通過總線向上與飛機(jī)管理系統(tǒng)相連，向下與配電裝置相連的供電管理中心等。電網(wǎng)絡(luò)中主要包括：電連接器、供電電纜、通信電纜、電纜固定裝置、電纜防護(hù)等。上述各子系統(tǒng)中組成部分，考慮無余度的情況下，屬于單點(diǎn)故障，進(jìn)行系統(tǒng)故障測試后可通過注入相應(yīng)的故障模式代碼，進(jìn)行定位故障測試。如在配電系統(tǒng)構(gòu)型中，因飛機(jī)改進(jìn)改型需要，對(duì)其中的供配電管理中心進(jìn)行了軟硬件更改。為驗(yàn)證其更改的正確性，可將改進(jìn)改型后的設(shè)備通過總線連入原有的故障測試平臺(tái)，并通過總線將故障模式代碼注入到該設(shè)備中，然后觀察系統(tǒng)響應(yīng)。系統(tǒng)響應(yīng)包括：系統(tǒng)自檢狀態(tài)、系統(tǒng)運(yùn)行輸入狀態(tài)、系統(tǒng)運(yùn)行的輸出狀態(tài)等（圖2）。

圖2 故障注入流程

故障測試平臺(tái)包含1 個(gè)主控臺(tái)，主控臺(tái)應(yīng)能針對(duì)相應(yīng)的故障類型進(jìn)行識(shí)別和編譯并啟動(dòng)故障注入，將故障模式注入到測試環(huán)境中。主控臺(tái)應(yīng)能對(duì)故障節(jié)點(diǎn)的電流及電壓進(jìn)行采集、分析、實(shí)時(shí)監(jiān)測的功能，對(duì)故障節(jié)點(diǎn)及環(huán)路測試系統(tǒng)中其他設(shè)備的自檢狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。在故障注入后對(duì)整個(gè)測試系統(tǒng)，特別是故障節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行感知，通過波形及狀態(tài)指示燈進(jìn)行呈現(xiàn)。因此，主控臺(tái)可以根據(jù)用戶設(shè)置的故障類型及其相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)注入故障。故障注入后形成預(yù)設(shè)的狀態(tài)輸入，以模擬實(shí)際故障情況，可較為真實(shí)還原相應(yīng)故障狀態(tài)。如對(duì)機(jī)載用電成品短路故障進(jìn)行模擬時(shí)，可設(shè)置故障測試平臺(tái)為供電正常、采集正常、通信正常及其他故障節(jié)點(diǎn)關(guān)閉，同時(shí)設(shè)置短路節(jié)點(diǎn)接通，通過測試平臺(tái)輸出高電平，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電子開關(guān)閉合以短路相應(yīng)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載成品短路故障的模擬。如對(duì)機(jī)載通信故障進(jìn)行模擬時(shí)，可設(shè)置故障測試平臺(tái)狀態(tài)為供電正常、采集正常、通信正常及其他故障節(jié)點(diǎn)關(guān)閉，同時(shí)設(shè)置通信誤碼故障節(jié)點(diǎn)接通，使與待測設(shè)備交聯(lián)的通信機(jī)輸出中加入丟包、校驗(yàn)和錯(cuò)誤、傳輸周期錯(cuò)誤的故障數(shù)據(jù)，以模擬通信誤碼。

5 結(jié)語

隨著飛機(jī)的不斷發(fā)展和集成開發(fā)的不斷深化，飛機(jī)電氣系統(tǒng)將更加智能，功能將更加豐富，而故障的模式也必將呈現(xiàn)多樣化。本項(xiàng)目提出的將故障注入作為飛機(jī)電氣故障診斷、功能性檢測的方法，可以有效地排除飛機(jī)電源系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、機(jī)載電氣設(shè)備、電網(wǎng)絡(luò)的潛在故障，同時(shí)能對(duì)飛機(jī)電氣系統(tǒng)自身的故障防范與保護(hù)措施進(jìn)行可靠驗(yàn)證。為了提高飛機(jī)電氣系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，應(yīng)基于其特點(diǎn)，選擇故障注入的方式來確定其運(yùn)行狀態(tài)，并針對(duì)此來采取相應(yīng)的措施進(jìn)行優(yōu)化，從而提高飛機(jī)運(yùn)行安全性。