機(jī)電綜合技術(shù)在無人機(jī)液冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司技術(shù)中心，成都 610092)

0 引言

隨著航空電子技術(shù)、機(jī)載終端技術(shù)、機(jī)載總線技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了對機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制與管理的機(jī)電綜合技術(shù)[1-3]：把現(xiàn)有的機(jī)電系統(tǒng)作為一個整體，以整機(jī)的性能為設(shè)計目標(biāo)，通過機(jī)載嵌入式計算機(jī)和機(jī)載總線對機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行綜合管理、自動控制及故障診斷與處置，與其他系統(tǒng)/設(shè)備交互，代替各機(jī)電子系統(tǒng)獨立分散的控制器和數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)。采用機(jī)電綜合技術(shù)不僅可以提高系統(tǒng)性能、降低連線的復(fù)雜性、減少零部件數(shù)量、減輕飛機(jī)重量，還能夠解決綜合前系統(tǒng)存在的大量問題。

機(jī)電綜合技術(shù)已在國外成熟應(yīng)用，在國內(nèi)先進(jìn)有人機(jī)也已應(yīng)用，但在大中型無人機(jī)的成熟應(yīng)用尚處于起步階段。

實現(xiàn)機(jī)電綜合技術(shù)裝機(jī)應(yīng)用的研制工作包括：頂層架構(gòu)設(shè)計、計算機(jī)架構(gòu)設(shè)計[4-5]、控制構(gòu)型及邏輯、半物理仿真試驗平臺設(shè)計[6-10]、試驗驗證及試飛驗證等。

本文闡述了將機(jī)電綜合技術(shù)應(yīng)用于某高空高速無人機(jī)液冷系統(tǒng)所開展的關(guān)鍵工作。

1 機(jī)電綜合頂層架構(gòu)

某無人機(jī)機(jī)電綜合控制對象為液壓系統(tǒng)、冷氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、起降系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、液冷系統(tǒng)、防/除冰系統(tǒng)，其他系統(tǒng)包括飛控計算機(jī)(簡稱：飛控)、飛參、鏈路系統(tǒng)(簡稱：鏈路)、綜檢計算機(jī)(簡稱：綜檢)。

實現(xiàn)機(jī)電綜合控制技術(shù)的核心設(shè)備為一臺嵌入式計算機(jī)(名為：綜合管理計算機(jī))，該計算機(jī)采用余度設(shè)計[3]，硬件配置如圖1所示，與被控系統(tǒng)及其他關(guān)鍵設(shè)備的交聯(lián)關(guān)系如圖2所示。

圖1 綜合管理計算機(jī)硬件架構(gòu)圖

如圖2所示，通過與無人機(jī)其他關(guān)鍵設(shè)備的總線數(shù)據(jù)交互，與被控系統(tǒng)的總線數(shù)據(jù)交互或信號交互，綜合管理計算機(jī)能夠同時實現(xiàn)對多個機(jī)電系統(tǒng)的綜合管理。

圖2 控制交聯(lián)關(guān)系圖

結(jié)合圖3所示的數(shù)據(jù)流，機(jī)電綜合控制的工作流程如下：

1)對傳感器進(jìn)行信號采集處理，生成傳感器輸出結(jié)果/傳感器接口狀態(tài)等信息；

2)結(jié)合傳感器信息、系統(tǒng)運行狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)/設(shè)備故障診斷，生成告警信息；

3)當(dāng)系統(tǒng)/設(shè)備無故障時，結(jié)合外部指令(如綜檢、鏈路、飛控等)、傳感器信息進(jìn)行控制邏輯解算后向設(shè)備發(fā)送控制指令(如設(shè)備接通/斷開指令)；

4)當(dāng)系統(tǒng)/設(shè)備故障時，按照預(yù)先設(shè)定的故障處置邏輯或按照飛控發(fā)出的指令、向設(shè)備發(fā)送控制指令(如設(shè)備接通/斷開指令)，

5)持續(xù)將傳感器信息、系統(tǒng)/設(shè)備故障狀態(tài)、告警信息分發(fā)給綜檢、鏈路、飛參、飛控等。

圖3 數(shù)據(jù)流示意圖

2 液冷系統(tǒng)工作原理

某無人機(jī)液冷系統(tǒng)用于為電子設(shè)備提供散熱，由蒙皮換熱器、燃油換熱器、液冷組件、電子設(shè)備冷板、管路和載冷劑組成，其中液冷組件集成了低液位告警器、污染告警器、出口壓力傳感器、出口溫度傳感器、電動泵、儲液器、過濾器、過壓保護(hù)活門、旁通活門等。

結(jié)合圖4所示的原理圖，該液冷系統(tǒng)的工作過程如下：

1)系統(tǒng)上電工作時，低溫載冷劑被電動泵從儲液器抽出后依次流經(jīng)不同的任務(wù)設(shè)備冷板進(jìn)行熱交換，在此過程中吸收了熱量的載冷劑溫度逐漸升高，流出冷板后變?yōu)楦邷剌d冷劑；

2)高溫載冷劑依次流經(jīng)通過燃油換熱器(與冷側(cè)的燃油換熱)、蒙皮換熱器(與冷側(cè)的機(jī)外空氣換熱)，在此過程中放出了熱量的載冷劑溫度逐漸降低，再次變?yōu)榈蜏剌d冷劑，經(jīng)過濾器后回到儲液器。

圖4 液冷系統(tǒng)原理圖

載冷劑在系統(tǒng)中的流動依賴電動泵輸出的壓力，出口壓力傳感器用于監(jiān)控電動泵的工作情況；載冷劑在系統(tǒng)中的熱交換依賴它自身的溫度，出口溫度傳感器用于監(jiān)控載冷劑的工作情況；污染告警器用于監(jiān)控載冷劑的清潔情況，維護(hù)電動泵的良好運行環(huán)境；低液位告警器監(jiān)控儲液器中載冷劑的量，維護(hù)系統(tǒng)所需的載冷劑量。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 需求分析

根據(jù)液冷系統(tǒng)的硬件組成和機(jī)電綜合總體架構(gòu)，對控制系統(tǒng)而言其硬件接口需求包括：

1)離散量傳感器采集接口;

2)模擬量傳感器采集接口;

3)傳感器的供電接口;

4)電動泵的供電接口。

根據(jù)液冷系統(tǒng)的工作原理和機(jī)電綜合總體架構(gòu)，其控制功能需求包括：

1)電動泵工作狀態(tài)邏輯控制(開/關(guān))；

2)電動泵工作狀態(tài)診斷(不能啟動/轉(zhuǎn)速不足/工作正常)；

3)液冷回路工作狀態(tài)診斷(超溫/正常/堵塞)；

4)液冷組件污染狀態(tài)診斷(正常/污染超限)；

5)冷組件低液位診斷(正常/不足)；

6)響應(yīng)綜檢、鏈路或飛控的控制指令(啟動/停止)；

7)向綜檢、鏈路或飛控分發(fā)液冷系統(tǒng)運行狀態(tài)、告警信號；

8)針對不同故障的自動處置(僅記錄/停止運行/重啟)。

其中，狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷的目的是：

1)在載冷劑溫度過高影響冷卻效果時快速診斷處置，避免引發(fā)其他設(shè)備的故障；

2)快速診斷電動泵能力降低或失效；

3)便于在線診斷液冷回路設(shè)備狀態(tài)；

4)便于地面維護(hù)時及時補(bǔ)足載冷劑；

5)便于地面維護(hù)時及時更換過濾器。

3.2 控制構(gòu)型

基于該無人機(jī)機(jī)電綜合頂層架構(gòu)，液冷系統(tǒng)的控制由綜合管理計算機(jī)、配電設(shè)備、綜檢、鏈路、飛參、飛參、1553B總線網(wǎng)絡(luò)共同完成，其構(gòu)型如圖5所示。

圖5 液冷控制構(gòu)型圖

1)地面人員對液冷系統(tǒng)的直接操作由綜檢或鏈路轉(zhuǎn)換為指令發(fā)出；(如：地面檢查維護(hù)時需啟動液冷系統(tǒng))；

2)地面人員可在綜檢、鏈路地面設(shè)備或飛參的顯示界面觀察液冷系統(tǒng)的運行狀態(tài)；(如壓力、溫度、設(shè)備狀態(tài)等)；

3)綜合管理計算機(jī)是液冷控制系統(tǒng)控制與狀態(tài)監(jiān)控的主設(shè)備；(采集傳感器信息、發(fā)出直接控制指令)；

4)1553B總線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)綜合管理計算機(jī)、綜檢、鏈路、飛控及飛參的通信；

5)綜檢、鏈路及飛參顯示并記錄液冷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，飛控在需要進(jìn)行應(yīng)急處置時發(fā)出控制指令。

3.3 控制邏輯

在液冷控制構(gòu)型中綜合管理計算機(jī)是核心，將執(zhí)行液冷系統(tǒng)控制的關(guān)鍵部分，即對液冷系統(tǒng)的控制與狀態(tài)監(jiān)控，主要包括：

1)通常情況電動泵的啟停控制由綜檢或鏈路發(fā)送指令至綜合管理計算機(jī)、經(jīng)綜合管理計算機(jī)進(jìn)行邏輯判斷后控制配電設(shè)備執(zhí)行上電或斷電來實現(xiàn)；

2)傳感器信號由綜合管理計算機(jī)采集，處理后的傳感器數(shù)據(jù)再發(fā)送給飛參、綜檢、鏈路、飛控；

3)綜合管理計算機(jī)依據(jù)對傳感器信息進(jìn)行液冷系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷(見表1)，并將診斷結(jié)果發(fā)送給飛參、綜檢、鏈路、飛控；

4)綜合管理計算機(jī)依據(jù)故障診斷結(jié)果，按預(yù)先的策略控制電動泵和傳感器的啟停，并將處置結(jié)果發(fā)送給飛參、綜檢、鏈路、飛控。

表1 液冷系統(tǒng)故障表

綜合管理計算機(jī)按照上述控制邏輯正常運行，即可實現(xiàn)對該無人機(jī)液冷系統(tǒng)的自主運行控制和自主診斷與處置，同時地面人員可查看相關(guān)信息，必要時也可直接進(jìn)行控制。

4 試驗平臺設(shè)計

4.1 試驗平臺總體構(gòu)架

在綜合管理計算機(jī)通過軟硬件實現(xiàn)了上述控制邏輯后，為驗證液冷控制系統(tǒng)的接口正確性和控制邏輯的正確性，需開展半物理仿真試驗。

半物理仿真試驗平臺將參照圖5所示的液冷控制系統(tǒng)原理，搭建地面站、綜檢、飛參、配電功率裝置的模型、搭建1553B總線網(wǎng)絡(luò)，與綜合管理計算機(jī)、液冷系統(tǒng)性能試驗臺協(xié)同運行，完成對液冷系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的功能和性能的驗證。

該試驗平臺主要包括試驗上位機(jī)、模型仿真機(jī)，其與綜合管理計算機(jī)、液冷系統(tǒng)性能試驗臺協(xié)同運行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示，其中液冷系統(tǒng)性能試驗臺可由運行液冷系統(tǒng)實時仿真模型的模擬器代替。

圖6 測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

試驗上位機(jī)的操作系統(tǒng)為Windows7，運行由LabVIEW開發(fā)的控制和顯示模型。模型仿真機(jī)的操作系統(tǒng)為Linux，運行由Simulink開發(fā)的配電功率裝置模塊和UDP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。綜合管理計算機(jī)的操作系統(tǒng)為Vxworks5.5，運行液冷系統(tǒng)控制軟件。液冷系統(tǒng)性能試驗臺提供液冷系統(tǒng)運行所需環(huán)境。

4.2 試驗平臺運行過程

根據(jù)液冷控制系統(tǒng)的工作方式和工作原理，該試驗平臺的基本運行過程如下：

1)試驗人員通過測試上位機(jī)的地面站控制模型或綜檢車控制模型發(fā)出的控制指令通過UDP傳至模型仿真機(jī)發(fā)；

2)模型仿真機(jī)收到UDP報文后，解析出控制指令，并將控制指令通過1553B總線傳至綜合管理計算機(jī)；

3)機(jī)電計算機(jī)根據(jù)控制指令通過RS422總線向模型仿真機(jī)發(fā)送液冷系統(tǒng)配電指令；

4)模型仿真機(jī)收到液冷系統(tǒng)配電指令后，配電功率裝置模型通過DIO卡輸出幅值為5 V的高低電平控制繼電器為液冷系統(tǒng)試驗臺上的傳感器和電動泵上/斷電，同時配電功率裝置模型通過RS422總線向綜合管理計算機(jī)發(fā)送液冷系統(tǒng)供電狀態(tài)；

5)液冷系統(tǒng)試驗臺上的傳感器和電動泵上電后，電動泵和傳感器開始工作；

6)綜合管理計算機(jī)依據(jù)采集的2路模擬量信號和2路離散量信號；

7)綜合管理計算對傳感器信號進(jìn)行整理，對液冷系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，并將液冷系統(tǒng)所有相關(guān)信息通過1553B總線傳至模型仿真機(jī)；

8)模型仿真機(jī)收到1553B數(shù)據(jù)后，解析出顯示信息并通過UDP向測試上位機(jī)發(fā)送；

9)測試上位機(jī)的地面站、綜檢車及飛參顯示模型顯示液冷系統(tǒng)所有信息，試驗人員根據(jù)顯示信息進(jìn)行綜合判定。

4.3 實時通信周期設(shè)計

該試驗平臺上存在Windows7、Linux、 Vxworks5.5多種操作系統(tǒng)，存在UDP協(xié)議通信、RS422通信、1553B通信多種通信方式，不同數(shù)據(jù)幀的刷新頻率不一致，不同模塊之間通信的循環(huán)周期不一致，收發(fā)不協(xié)調(diào)會導(dǎo)致通信延時甚至中斷。

為保證實時通信質(zhì)量，根據(jù)液冷控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)接收/發(fā)送頻率和數(shù)據(jù)處理頻率設(shè)計要求，該試驗平臺進(jìn)行了通信周期設(shè)計。

地面站控制模型和綜檢車控制模型的控制指令發(fā)送周期包含80 ms、160 ms、240 ms等不同周期，綜合管理計算機(jī)的接收與發(fā)送周期都為40 ms，配電功率裝置的接收與發(fā)送周期為80 ms，飛參顯示模式的接收周期為80 ms。

在不影響系統(tǒng)功能和實時性的情況下，該試驗平臺通過修改配電功率裝置仿真步長、或修改顯示模型的接收周期來保證通信質(zhì)量。

4.4 數(shù)據(jù)通信定義設(shè)計

該試驗平臺還需解決數(shù)據(jù)通信問題，即數(shù)據(jù)大小端問題。

按照無人機(jī)的全機(jī)通信協(xié)議要求，綜檢、地面站、飛參與綜合管理計算機(jī)的1553B通信采用大端模式。綜合管理計算機(jī)的CPU為PowerPC處理器，采用的是大端模式。該試驗平臺上的測試上位機(jī)的Inetel CPU為X86架構(gòu)，采用小端模式。綜合管理計算機(jī)與試驗平臺上的模型仿真機(jī)的RS422通信采用小端模式。

為保證數(shù)據(jù)解碼正確性，UDP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊需要根據(jù)各個通信數(shù)據(jù)幀的通信模式進(jìn)行相應(yīng)的解碼工作。

5 試驗結(jié)果及分析

5.1 指令執(zhí)行結(jié)果及分析

該試驗平臺對飛參顯示界面上的信息進(jìn)行了實時存儲，對單次配電指令的執(zhí)行情況如表2所示。

表2 單次配電指令的執(zhí)行時序

結(jié)果表明該試驗平臺能實現(xiàn)液冷控制系統(tǒng)的實時控制。

5.2 傳感器結(jié)果及分析

圖7和圖8分別給出了飛參顯示模式上的某時間的液冷系統(tǒng)壓力值和溫度值，其中溫度精度要求為2 ℃，壓力精度要求為0.1 MPa。

圖7 液冷系統(tǒng)出口壓力曲線

圖8 液冷系統(tǒng)出口溫度

結(jié)果表明該試驗平臺能實現(xiàn)液冷控制系統(tǒng)的傳感器采集及信息傳輸。

5.3 控制邏輯結(jié)果及分析

表3給出了模擬一級超溫告警故障時，綜合管理計算機(jī)執(zhí)行一級超溫故障診斷的過程，結(jié)果表明綜合管理計算機(jī)按照控制邏輯正確執(zhí)行邏輯控制、故障診斷。

表3 一級超溫告警故障時序分析

6 結(jié)論

基于某高空高速無人機(jī)機(jī)電綜合架構(gòu)對其液冷系統(tǒng)進(jìn)行的控制系統(tǒng)設(shè)計，經(jīng)利用LabVIEW和Simulink搭建的半物理仿真試驗臺的多項測試結(jié)果表明：綜合管理計算機(jī)能夠按照預(yù)定的控制邏輯實現(xiàn)液冷傳感器采集與信息傳輸、故障診斷與控制邏輯解算、指令控制與數(shù)據(jù)分發(fā)等功能。

本文所采用的機(jī)電綜合技術(shù)在無人機(jī)液冷系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用實踐可推廣至燃油、液壓等多個機(jī)電系統(tǒng)，通過對多個機(jī)電系統(tǒng)的綜合控制與管理，實現(xiàn)降低無人機(jī)重量、提高無人機(jī)性能的目標(biāo)。