民用飛機電氣系統飛行剖面設置及系統顯示控制裝置的設計與實現

摘要：根據民用飛機電氣系統地面試驗驗證階段電氣系統供電模式設置和運行狀態顯示的試驗需求，本文設計并實現了一種飛行剖面設置及系統顯示控制接口裝置，該裝置不僅具備飛行剖面控制的功能，而且具備電氣系統顯示控制接口模擬的功能，能較好地滿足實際要求，且操作方便、準確可靠。該裝置的成功實現，保障了民用飛機電氣系統設計驗證工作，對我國民用飛機電氣系統試驗具有重要的指導意義。

關鍵詞：電氣系統；飛行剖面；簡圖頁；CAS；N2轉速信號

中圖分類號：V243文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.09.005

民用飛機飛行剖面一般分為裝載和準備、發動機起動、滑行、起飛和爬升、巡航、下降、著陸等飛行階段，典型飛行剖面如圖1所示。電氣系統的設計主要采用以主發電機（簡稱主發）供電為主、以輔助發電機（auxiliary power unit generator，APU GEN）供電為輔和以沖壓空氣渦輪（ram air turbine，RAT）發電機供電為備份的多余度供電設計模式[1-4]。

在民用飛機電氣系統設計研制過程中，電氣系統實驗室試驗不僅是電氣系統設計驗證的重要手段，也是適航取證必不可缺少的試驗驗證項目，其試驗過程不可或缺[5-6]。

目前，在民用飛機電氣系統地面研制試驗驗證階段，由于試驗條件限制，缺乏有效的方法和裝置模擬機上飛行剖面真實狀態，以實現飛機電氣系統供電模式的設置和運行狀態的顯示，難以滿足地面試驗驗證需求。

本文在分析民用飛機電氣系統運行狀態控制和顯示具體需求的基礎上，借鑒了國外飛機電氣系統地面試驗驗證經驗，提出一種能夠滿足民用飛機電氣系統飛行剖面設置及系統顯示控制試驗用的裝置，通過該裝置在實驗室條件下按試驗要求實現電氣系統飛行剖面控制和顯示控制接口模擬功能。

1需求分析

在進行電氣系統地面試驗時，為保證電氣系統正常運行，有以下試驗需求：（1）驗證飛機級需求：由于飛機在滑行、起飛、巡航、下降、著陸等各個狀態下發動機轉速變化，相應的電氣系統運行模式不同，需要驗證電氣系統供電模式的設置能夠滿足機上環境的要求；（2）驗證系統級需求：由于不同的供電模式下電氣系統相關參數存在差異，需要驗證電氣系統的簡圖頁信息[7]和機組告警系統（crew alerting system，CAS）信息顯示[8]能夠滿足電氣系統運行狀態顯示要求；（3）模擬飛機其他系統信號：為確保供電系統正常，運行中需要提供飛機其他系統的狀態，如發動機的N2轉速信號、起落架狀態、左右防火手柄狀態、當前空速等，需要驗證上述信號的仿真能夠滿足電氣系統正常運行要求；（4）減少試飛架次和支持機上排故：由于電氣系統功能耦合和交聯復雜，給試飛試驗排故增加困難，需要在地面充分驗證需求，提高試飛試驗效率。

2設計分析

根據上面需求分析，飛行剖面設置及系統顯示控制裝置主要功能包括兩部分：飛行剖面控制和電氣系統顯示控制接口模擬。因此，在設計該裝置時，應根據上述功能分別進行設計。

2.1系統內部結構

飛行剖面設置及系統顯示控制裝置系統內部結構框圖如圖2所示。

2.2飛行剖面控制

飛行剖面控制部分設計的總體結構如圖3所示。針對發電機驅動轉速和加速度的設置問題，本文采用飛行剖面控制軟件和油門臺并行控制的方式。其中飛行剖面控制軟件通過內部設置實現主發、APU GEN和RAT發電機的轉速實時控制，其中主發包括左發電機（LVFG）和右發電機（RVFG）；油門臺控制是通過手動操作油門臺，實現主發轉速的控制。兩種控制方式通過控制計算機進行選擇切換。

同樣，采用手動和自動兩種方式對發電機冷卻系統中主發、APU GEN和RAT發電機的冷卻系統溫度設定值進行設置。冷卻系統控制是由智能儀表實現的，并且是閉環調節。因此，只需要將輸入的預設溫度值進行運算并按照通信協議進行編碼，送到冷卻系統接收機中就可以實現對冷卻系統進行控制。當采用飛行剖面控制軟件進行設置時，該裝置通過以太網接口與拖動控制臺通信，控制拖動臺轉速和加速度，對發電機冷卻系統進行控制，保證發電機正常工作。同時顯示拖動臺的轉速和加速度的實時數據、轉速與時間的關系曲線等。

2.3電氣系統顯示控制接口模擬

2.3.1電氣系統顯示控制接口模擬總體結構設計

電氣系統顯示控制接口模擬部分設計的總體結構如圖4所示。由圖4可知，電氣系統顯示控制接口模擬部分采集電源系統發送的ARINC 664總線信息、模擬量和離散量信息，對電源系統信息進行分析、解耦，完成航電系統關于電源系統的簡圖頁和CAS信息顯示。同時，模擬飛機其他系統仿真信號，激勵電源系統正常工作。

2.3.2簡圖頁顯示設計

簡圖頁信息處理程序流程如圖5所示，將電源系統以及二次配電單元（RPDU）采集的信號按照接口定義進行邏輯處理，并在顯示面板中顯示各項信息。具有簡圖頁顯示、狀態及參數存儲功能和回溯功能，便于與測試參數、試驗狀態對比。

2.3.3機組告警系統（CAS）信息顯示設計

根據RPDU傳送的信息以及仿真器監測的EPS信號，按照接口文件定義的邏輯關系計算出CAS信息，并在CAS顯示頁面上顯示。在CAS信息顯示設計過程中，在顯示界面上按以下分類顯示EPS三個等級的警戒信息：Warning（紅色）、Caution（黃色）和Advisory（白色），同時可選擇顯示/短路兩種狀態。具有CAS信息狀態顯示、參數存儲和回溯的功能。

2.3.4飛機其他系統信號仿真設計

為確保供電系統正常，運行中需要航電系統提供飛機其他系統的狀態，如發動機的N2轉速信號、起落架狀態、左右防火手柄狀態和當前空速等。這些信號直接關系到供電系統工作于何種狀態、運行是否正常，以及其工作狀態的轉換。根據具體的試驗要求和供電系統實際運行狀況，擬設計信號仿真器模擬飛機其他系統的工作狀態，并且分別按照各信號的給定周期通過總線或硬線實時地發送給供電系統。信號仿真分模擬信號輸出和離散信號輸出。

發動機N2轉速信號[9-10]是飛機左右發動機上的測速發電機的輸出信號，用來給發電機控制器及其他設備提供發動機的轉速，是一個幅度和頻率都隨轉速變化的交流信號。在信號仿真器設計過程中，將發動機的N2轉速信號通過數據采集板卡的模擬輸出端口，經過調理電路，傳送給發電機控制器。采集卡輸出的數字信號通過信號調理箱進行放大驅動繼電器，繼電器輸出配置成需要的地/開、高/開或開關信號，實現對電氣系統狀態的模擬和控制。繼電器采用24VDC信號繼電器，最大驅動電流達到2A，峰值到5A，滿足控制需要。

3系統硬件配置

基于前兩節的設計考慮，飛行剖面設置及系統顯示控制接口裝置整體硬件結構框架如圖6所示，系統中選取兩臺PXI平臺工控機，一臺負責飛機供電系統電源系統控制、監測，另一臺負責供電系統配電系統激勵、監測功能。這樣，既可以使系統在功能和結構上互不影響，又可以提高系統的運算速度，降低對工控機控制器的要求。

硬件系統主要由PXI系統和調理箱組成。PXI系統包括PXI機箱、PXI控制器和外部模塊（通信板卡、數據采集板卡、數字I/O板卡等）。調理箱也采用模塊化插卸式設計，由機箱、電源模塊和調理板卡組成，調理板卡的功能是根據飛機供電系統中的實際信號要求和PXI系統對信號的要求進行調理、放大等功能。

本裝置硬件配置主流工業控制計算機、NI公司PCI總線數據采集卡PCI-6229、凌華公司的繼電器板卡cPCI-7252以及凌華公司的串口板卡cPCI-3544。

4功能實現

為驗證飛行剖面設置及系統顯示控制裝置的設計是否滿足試驗要求，本節對該裝置在飛行剖面控制和電氣系統顯示控制接口模擬兩個方面通過Labview軟件[11]進行了功能驗證。

4.1飛行剖面控制功能驗證

在正常飛行階段對主發（LVFG和RVFG）進行轉速和加速度的設置，通過面板將LVFG的速度設置為13206r/min，RVFG的速度設置為13206r/min，加速度均設置為1000 r/min，點擊運行，經過約13.2s后，LVFG和RVFG的轉速從0上升到13206r/min，整體反饋曲線如圖7所示。由圖7可以看出，LVFG、RVFG的最終速度能快速、準確地達到設定值，說明發電機拖動系統控制功能和轉速顯示功能可以達到預期的效果。

4.2電氣系統顯示控制接口模擬功能驗證

電氣系統顯示控制接口模擬部分需實現簡圖頁顯示、CAS信息顯示和外部信號仿真的功能。

（1）簡圖頁顯示功能實現

正常供電情況：在地面實驗室條件下，以LVFG和RVFG為電源系統供電為例，電源系統運行狀態簡圖頁顯示正確，符合正常供電的預期效果。

應急供電情況：在地面實驗室條件下，以RAT發電機和蓄電池為電源系統應急供電為例，電源系統運行狀態簡圖頁顯示正確，符合應急供電的預期效果。

（2）CAS信息顯示功能實現

在地面實驗室條件下，當LVFG和RVFG出現故障時， CAS信息顯示面板上出現LVFG和RVFG故障對應的CAS信息L GEN FAULT和R GEN FAULT，等級均為“Caution”，顯示正確，符合預期效果。

（3）外部信號仿真功能實現

以模擬APU起動發電所需的航電仿真信號為例，在外部信號仿真界面上按下按鈕“APU Master Switch”“APU RTL”，在繼電器板卡上聽到清晰的開關閉合的聲音，即表明可以通過界面操作控制繼電器板卡信號的輸出，此時這兩個信號由默認狀態“open”轉變為“有效”狀態，即由“0”變為“1”，從而達到信號仿真的目的。

5結論

本文創新性地設計了飛行剖面控制和電氣系統顯示控制接口模擬結構框架，并針對電氣系統內部狀態設計了簡圖頁和CAS信息顯示流程及邏輯。通過上述功能試驗，驗證了本文提出的飛行剖面設置及系統顯示控制裝置功能正確、操作方便、準確可靠，且人機交互界面友好，能較好地滿足電氣系統運行狀態控制和顯示的試驗需求。該裝置的成功研制和實現，不僅解決了民用飛機電氣系統地面試驗驗證階段電氣系統供電模式設置和運行狀態顯示的技術難題，保障了電氣系統的設計驗證，而且對提升民用飛機電氣系統實驗室試驗配套設施的研制能力具有重要的意義。

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（責任編輯王為）

作者簡介

楊剛（1991-）男，碩士，工程師。主要研究方向：民用飛機電氣系統設計、試驗及驗證分析。

Tel：13917372784E-mail：ganglove2011@126.com

Design and Implementation of Flight Profile Setting and System Display Control Device of Civil Aircraft Electrical System

Yang Gang*

Shanghai Aircraft Design Research Institute，Shanghai 201210，China

Abstract： According to the test requirements of the power supply mode setting and operating status display of the electrical system in the stage of ground test verification of civil aircraft electrical system， a kind of flight profile setting and system display control device is designed and realized， which not only has the function of flight profile control， but also has the function of display control interface simulation of electrical system， which can meet the actual requirements well， and the operation is convenient， accurate and reliable. The successful realization of this device guarantees the design and verification of civil aircraft electrical system， which has important guiding significance for the test of civil aircraft electrical system in China.

Key Words： electrical system； flight profile； brief map page； CAS； N2speed signal