基于多代理技術(shù)的飛機(jī)配電裝置新型自動測試系統(tǒng)

陳安帥，羅運(yùn)虎，萬晶晶

(1.南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210016; 2.中國人民解放軍第5720工廠，安徽 蕪湖 241007)

飛機(jī)配電裝置作為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)配電系統(tǒng)自動控制的重要樞紐，負(fù)責(zé)飛機(jī)上的電能分配和保護(hù)。一旦其出現(xiàn)故障，將會導(dǎo)致飛機(jī)部分功能失靈，嚴(yán)重影響飛機(jī)的飛行安全，所以對其性能進(jìn)行測試至關(guān)重要。

近年來，有關(guān)飛機(jī)配電方面的研究主要集中在測試方法的應(yīng)用[1-3]和配電器件的特性等方面[4-5]。文獻(xiàn)[1]介紹了一種專用的飛機(jī)配電裝置測試架構(gòu)，但并未考慮有關(guān)強(qiáng)電和弱電隔離問題，其采用二線法測電阻，不足之處就是設(shè)備內(nèi)部線路電阻無法消除。文獻(xiàn)[2]介紹了一種直升機(jī)配電盤自動測試技術(shù)。文獻(xiàn)[3]介紹了一種直升機(jī)旋翼/尾槳集流環(huán)測試方法，且詳細(xì)介紹了四線法在測試過程中的具體應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]闡述了反時限保護(hù)特性的模型和保護(hù)優(yōu)化問題。

目前，多代理系統(tǒng)(Multi-Agent System,MAS)作為一種靈活控制系統(tǒng)，將控制權(quán)分散到各個子系統(tǒng)，由各個子系統(tǒng)根據(jù)上級系統(tǒng)自行改變運(yùn)行狀態(tài)，采用分布式協(xié)調(diào)控制方式，可使系統(tǒng)更加靈活、高效地運(yùn)行。多代理系統(tǒng)適用于具有分布式特性、控制數(shù)據(jù)較多、控制方式靈活的系統(tǒng)，目前被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制[6]與微電網(wǎng)能量管理中[7-10]。

迄今為止，飛機(jī)修理工廠對飛機(jī)配電裝置的修理與測試依然采用手動方式，測試流程煩瑣，測試效率和測試精度較低，且沒有實(shí)現(xiàn)自保開關(guān)過載安秒特性測試，從而給飛機(jī)修理帶來很大的修理風(fēng)險。為此，為滿足X系列飛機(jī)配電裝置電氣修理與自動測試的需要，基于多代理系統(tǒng)理論，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)一種飛機(jī)配電裝置自動測試系統(tǒng)。

1 飛機(jī)配電系統(tǒng)及保護(hù)原理概述

1.1 飛機(jī)配電系統(tǒng)組成

飛機(jī)交/直流配電系統(tǒng)(簡稱配電裝置)在正常運(yùn)行情況下為飛機(jī)的各部分負(fù)載分配電能，在故障狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)急切換和隔離故障，從而為飛機(jī)安全飛行提供重要保障。飛機(jī)交/直流配電系統(tǒng)主要由主匯流條、應(yīng)急匯流條、不間斷應(yīng)急匯流條、控制器件(自保開關(guān)、繼電器、接觸器、斷路器等)、二極管、熔斷器等組成，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 飛機(jī)配電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.2 飛機(jī)配電裝置保護(hù)原理

飛機(jī)配電裝置的保護(hù)功能是通過各型交/直流自保開關(guān)的過載安秒特性(又稱反時限特性)來實(shí)現(xiàn)的。反時限過流保護(hù)是指當(dāng)流過自保開關(guān)的電流大于動作電流時，配電裝置就動作，其動作時間與流過電流大小有關(guān)，電流越大，動作時間越短，反之，則越長，其反時限保護(hù)模型為

(1)

式中：Ie為自保開關(guān)保護(hù)額定電流；Ieq為實(shí)際電流值；r為常數(shù)，通常在0～2之間；K為發(fā)熱時間常數(shù)。

以 2 A、5 A和10 A這3種交流自保開關(guān)的實(shí)測數(shù)據(jù)等相關(guān)技術(shù)參數(shù)為依據(jù)，基于Matlab數(shù)據(jù)擬合，對式(1)進(jìn)行參數(shù)辨識，得到r=1、K取值范圍為0.4～1.5時的擬合曲線，如圖2所示。該曲線可作為各型自保開關(guān)模型仿真與狀態(tài)評估的重要依據(jù)。

圖2 直流自保開關(guān)數(shù)據(jù)擬合曲線

針對式(1)，基于S-function函數(shù)，搭建反時限特性自保開關(guān)器件模型。在此基礎(chǔ)上，利用Matlab/Simulink搭建的直流和400 Hz交流反時限電路仿真模型如圖3所示。

圖3 反時限電路仿真模型

為驗(yàn)證不同類型自保開關(guān)過載保護(hù)特性，圖4和圖5給出了交直流兩種自保開關(guān)的仿真結(jié)果。10 s時，信號源給受控電流源施加2倍過載信號。S-function函數(shù)計算保護(hù)時間，開啟保護(hù)倒計時。30 s左右，計時停止后，自保開關(guān)動作，線路被切斷，線路電流為0。仿真結(jié)果表明其有效性。

圖4 2倍過載系數(shù)直流反時限特性仿真

圖5 2倍過載系數(shù)交流反時限特性仿真

為驗(yàn)證自保開關(guān)過載系數(shù)和動作時間成反比的反時限特性，這里以交流自保開關(guān)為例進(jìn)行仿真。10 s時，信號源給受控電流源施加8倍過載信號，如圖6所示。12 s左右自保開關(guān)動作，線路被切斷，線路電流為0。動作時間由原來的20 s減小到2 s。仿真結(jié)果表明其有效性。

圖6 8倍過載系數(shù)交流反時限特性仿真

2 飛機(jī)配電裝置新型測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 飛機(jī)配電裝置新型測試方法設(shè)計

為了降低配電裝置在故障情況(如自保開關(guān)開路、配電線路開路等故障)下直接通電所帶來的測試風(fēng)險，本系統(tǒng)首先對配電裝置內(nèi)部通電線路進(jìn)行線路導(dǎo)通性測試。如果該項(xiàng)測試通過，則進(jìn)行自保開關(guān)過載安秒特性測試，簡稱“改進(jìn)式注入測試法”。其中線路導(dǎo)通性測試是自保開關(guān)過載安秒特性測試的前提，其測試原理如圖7所示。

圖7 改進(jìn)式注入法原理示意圖

2.2 飛機(jī)配電裝置新型測試架構(gòu)設(shè)計

基于多代理技術(shù)，所設(shè)計的飛機(jī)配電裝置新型測試系統(tǒng)共分為3層，其測試架構(gòu)如圖8所示。

圖8 基于多代理的系統(tǒng)測試架構(gòu)

在本系統(tǒng)中，第1層為系統(tǒng)控制機(jī)Agent A，具有數(shù)據(jù)綜合處理、方案制定、命令發(fā)布和線路保護(hù)等功能，例如以工控機(jī)為控制器的控制單元；第2層為控制電路、激勵源和程控測量儀器Agent B，具有分級控制、數(shù)據(jù)回讀、實(shí)時測量、提供快速穩(wěn)定的激勵源和電路保護(hù)等功能，例如交/直流程控電流源、電壓源等激勵源、數(shù)字萬用表等程控測量儀器；第3層為接口電路Agent C，具有切換通路、線路自檢等功能，例如繼電器模塊/接觸器模塊等電路。Agent A負(fù)責(zé)各Agent B間的協(xié)調(diào)調(diào)度，并做出重大決策。

2.3 飛機(jī)配電裝置新型測試系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計

2.3.1 設(shè)計需求

本文對20種飛機(jī)配電裝置內(nèi)部自保開關(guān)的類型和數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計。自保開關(guān)類型有4種，分別為DBF-X、DBB-X、DBG-X、SDB-X。額定電流類型有1 A、2 A、3 A、5 A等 11種，具體信息如表1所示。

表1 自保開關(guān)類型和數(shù)量統(tǒng)計表

下面以表1的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用矩陣法推導(dǎo)和化簡得到接口電路設(shè)計的主要依據(jù)，具體步驟如下。

① 建立原始矩陣。某配電裝置1的原始矩陣為

(2)

式中：行表示自保開關(guān)類型，列表示自保開關(guān)額定電流值，其中元素DBF-1代表的是額定電流為1 A的DBF型自保開關(guān)的數(shù)量，以此類推，可以得到其他19個配電裝置的原始矩陣P2～P20。

② 求出最大矩陣。為了提高測試系統(tǒng)設(shè)計的通用性，整理求出所有配電裝置的最大矩陣Pmax，如式(3)所示，其中DBF-1max元素DBF-1代表的是額定電流為1 A的DBF型自保開關(guān)的最大數(shù)量。

(3)

③ 求完備矩陣。最大矩陣Pmax乘以過載系數(shù)矩陣PK，K1～K4代表該類型自保開關(guān)過載系數(shù)，從而可得到最大支路電流和最大路數(shù)的完備矩陣PK：

(4)

④ 行化簡。根據(jù)各型自保開關(guān)過載安秒特性測試要求，K取值在0～2之間，支路電流承受能力可向下兼容，統(tǒng)一選擇2倍過載系數(shù)，并保留每一列元素的最大值，即化簡后的矩陣PX為

(5)

式中：元素表示2 A、4 A、6 A、10 A等電流支路的最大數(shù)量。

⑤ 列化簡。實(shí)際設(shè)計過程中，通常會把數(shù)值相近通路合并，簡化設(shè)計的同時，可得到比較充足的設(shè)計余量。按照上面的設(shè)計推理過程，針對20種各型配裝置類型，得到最終化簡后的矩陣PY為

(6)

式中：各元素分別代表電流為5 A、10 A、20 A、40 A、100 A的支路個數(shù)。PY矩陣將作為整個設(shè)計中接口電路支路數(shù)量的主要參考數(shù)據(jù)。

2.3.2 接觸器模塊

在飛機(jī)配電裝置中，電流經(jīng)連接器由主匯流條或者應(yīng)急匯流條流向各個自保開關(guān)向負(fù)載供電。為實(shí)現(xiàn)改進(jìn)式注入法，需要設(shè)計一個接觸器模塊作為過載電流切換控制電路。

所設(shè)計的接觸器模塊工作原理如圖9所示，其中“接觸器線圈加電壓”部分負(fù)責(zé)向飛機(jī)配電裝置內(nèi)部繼電器/接觸器供電。交/直流電流通過“交/直流電流進(jìn)”和“插頭進(jìn)電流”部分流向配電裝置主匯流條或者應(yīng)急匯流條，然后從配電裝置各個自保開關(guān)支路流出，經(jīng)接“交/直流出”部分匯集在電流源的負(fù)端，從而形成電流通路。所有接觸器線圈正端均接至+27 V，線圈負(fù)端由適配器模塊控制實(shí)現(xiàn)。接觸器模塊具體參數(shù)如表2所示，這里的“其他功能通路”包括電源總開關(guān)等必要開關(guān)。

圖9 接觸器模塊工作原理示意圖

表2 接觸器模塊具體參數(shù)說明

2.3.3 繼電器模塊

為實(shí)現(xiàn)過載測試(強(qiáng)電)與線路導(dǎo)通性測試(弱電)之間的隔離，需要設(shè)計一個繼電器模塊作為注入電流支路切換接口電路和電阻測量支路接口電路的隔離電路。所設(shè)計的繼電器模塊工作原理如圖10所示，該設(shè)計既考慮了獨(dú)立性，又簡化控制邏輯，從而使控制方式更可靠。當(dāng)對自保開關(guān)進(jìn)行過載安秒特性時，該模塊繼電器動作，從而自動實(shí)現(xiàn)適配器模塊(弱電)與接觸器模塊(強(qiáng)電)之間的電氣隔離。

圖10 繼電器模塊工作原理示意圖

繼電器模塊具體參數(shù)如表3所示，為了控制靈活選擇了4通道和2通道繼電器。

表3 繼電器模塊具體參數(shù)說明

2.3.4 適配器模塊

為實(shí)現(xiàn)對接觸器模塊與繼電器模塊的控制，所設(shè)計的適配器模塊采用“底板+電源板+矩陣開關(guān)板+接觸器/繼電器控制板”架構(gòu)(如圖11所示)。其中，電源板用于向其他各分板與繼電器線圈供電；工控機(jī)通過ISA總線經(jīng)底板將信息送至各分板，所設(shè)計的底板相當(dāng)于一個數(shù)據(jù)耦合平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)各分板之間的數(shù)據(jù)共享與相互通信，并在工控機(jī)控制下高效協(xié)調(diào)運(yùn)行。

圖11 適配器模塊架構(gòu)

根據(jù)測試需求，HI、LO、接觸器控制和繼電器控制路數(shù)如表4所示。

表4 適配器模塊內(nèi)部板卡說明

3 飛機(jī)配電裝置測試軟件設(shè)計

3.1 軟件功能需求

① 測試軟件應(yīng)該具有良好的人機(jī)界面、清晰的測試邏輯、完整的測試項(xiàng)目。

② 為防止測試者在測試過程中的誤操作，測試軟件應(yīng)在測試過程中給予測試人員信息提示，并通過軟件保護(hù)來防止誤操作對配電裝置造成損壞。

③ 測試軟件可將所測試的數(shù)據(jù)保存為PDF或Excel文件，同時所保存的文件具有密碼保護(hù)功能。

基于上述軟件需求分析，本文選用VC++6.0作為軟件開發(fā)平臺，采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷胧褂梦④浕A(chǔ)類庫(Microsoft Foundation Classes,MFC)進(jìn)行軟件界面開發(fā)。

3.2 軟件設(shè)計原則

① 界面簡潔：界面設(shè)計要合理、簡潔，聚集功能相近的按鈕，減少操作流程。

② 操作簡單：運(yùn)用模塊化的編程思想降低軟件冗余、煩瑣的操作。

③ 誤操作保護(hù)：在測試前提示使用者做必要的測試前檢查。

3.3 軟件模塊開發(fā)

軟件模塊包括自檢模塊、線路導(dǎo)通性模塊、吸合/釋放電壓模塊、過載安秒特性檢查模塊。限于篇幅，這里僅給出吸合/釋放電壓模塊軟件流程圖,如圖12所示。

圖12 繼電器吸合/釋放電壓測試流程圖

4 飛機(jī)配電測試系統(tǒng)的驗(yàn)證及分析

4.1 測試驗(yàn)證條件

所設(shè)計的測試系統(tǒng)實(shí)物如圖13所示。系統(tǒng)測試操作步驟如下：

圖13 飛機(jī)配電裝置綜合測試系統(tǒng)

① 打開測試系統(tǒng)電源總開關(guān)。

② 打開上位機(jī)測試軟件，并依次打開交/直流電流源、多路電壓源、程控萬用表、艾諾電壓源。

③ 通過測試軟件對各部件進(jìn)行自檢，通信成功后，將設(shè)備與待測飛機(jī)配電裝置通過電纜進(jìn)行連接。

④ 對所測配電裝置進(jìn)行型號識別，識別成功后進(jìn)入到相應(yīng)測試界面并按照測試需求進(jìn)行性能測試。

⑤ 測試完成后，保存測試數(shù)據(jù)。

4.2 測試結(jié)果及分析

參考有關(guān)航修測試規(guī)程，飛機(jī)配電裝置各測試項(xiàng)的指標(biāo)如表5所示。

表5 X系列飛機(jī)配電裝置測試指標(biāo)

4.2.1 線路導(dǎo)通性測試

針對X型飛機(jī)配電裝置，圖14分別給出了目前手動測試方式二線法和本自動測試系統(tǒng)四線法的線路導(dǎo)通性測試結(jié)果。如圖14所示，二線法線路阻值數(shù)據(jù)均在1～1.5 Ω之間，四線法線路阻值數(shù)據(jù)均在0.2～0.6 Ω之間，表明本自動測試系統(tǒng)的四線法能夠自動消除系統(tǒng)內(nèi)部線路電阻，大幅提高了測試精度。

圖14 線路導(dǎo)通性測試

4.2.2 自保開關(guān)過載安秒特性測試

過載安秒特性測試結(jié)果如圖15所示，30個自保開關(guān)斷開時間均在5～20 s之間，符合表5的航修測試規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)。

圖15 過載安秒特性測試

4.2.3 繼電器吸合/釋放電壓測試

繼電器吸合/釋放電壓測試結(jié)果如圖16所示，吸合電壓在10～18 V之間，釋放電壓在1～6 V之間，均滿足表5的航修測試標(biāo)準(zhǔn)與要求。

圖16 繼電器吸合/釋放電壓測試

4.3 測試方法的實(shí)效性分析

目前國內(nèi)航修廠對飛機(jī)配電裝置的測試均采用手動測試方法，手動測試和自動測試系統(tǒng)比較如表6所示。

表6 手動測試和自動測試系統(tǒng)比較

如表6所示，基于多代理技術(shù)的飛機(jī)配電裝置新型自動測試系統(tǒng)無論在單個測試項(xiàng)目還是整體測試方面，其效率和精度都遠(yuǎn)優(yōu)于目前的手動測試方式。

5 結(jié)束語

為滿足X系列飛機(jī)配電裝置電氣修理與自動測試的需要，基于多代理技術(shù)，設(shè)計了一套飛機(jī)配電裝置新型測試系統(tǒng)。以“工控機(jī)+各種程控部件+配電裝置”為架構(gòu)，搭建系統(tǒng)測試硬件平臺，基于VC++6.0開發(fā)系統(tǒng)測試軟件，測試結(jié)果表明其有效性。由于受時間等因素的影響，該測試系統(tǒng)后續(xù)要在測試精度、效率、可靠性等方面加以改善。