基于LabVIEW-RT飛機電力系統(tǒng)主回路過壓保護的研究

張 萌，王智慧

（1.陸軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表室，陜西 西安 710075；2.陜西航空電氣有限責任公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

多電、全電飛機作為新一代飛機的重要特征，多年來得到了快速發(fā)展，其核心是：“飛機系統(tǒng)化的研究理念和集成化的技術(shù)思想”。將飛機的發(fā)電、電力、用電集成在一個系統(tǒng)內(nèi)，實行統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一管理和控制。在民用和軍用飛機上得到了廣泛應(yīng)用，如B787、A380以及F-35戰(zhàn)斗機等。目前，國內(nèi)也進行了很多探索和研究，但是技術(shù)積累匱乏。目前，一些高等院校、中航工業(yè)發(fā)展研究中心、中國商飛等企業(yè)都在積極推進大型民用客機多電、全電技術(shù)的研究工作。航空電力系統(tǒng)作為多電、全電飛機的重要組成部分，負責向飛機用電設(shè)備連續(xù)提供滿足規(guī)定要求的電能。電力系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性尤為重要，關(guān)系到飛機的飛行安全。隨著機載設(shè)備的數(shù)量越來越多，總功率也在不斷增加，甚至達到兆瓦級，飛機電力系統(tǒng)的架構(gòu)和控制系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，開發(fā)難度越來越大。

目前，在飛機電力系統(tǒng)的研制過程中，前期需要進行以數(shù)學模型為依據(jù)的全數(shù)字仿真，驗證系統(tǒng)開發(fā)指標及方案可行性；后期則需要進行大量實物測試，為產(chǎn)品改進提供可靠數(shù)據(jù)。但是，全數(shù)字仿真技術(shù)已很難滿足當前多電、全電飛機電力系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜任務(wù)，對于一些非線性、復(fù)雜的部件，難以用數(shù)學方程精確建模的系統(tǒng)，全數(shù)字仿真的結(jié)果只能提供一定的理論參考，可信度較低。其次，后期需要進行大量的實物測試試驗，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)反復(fù)修改設(shè)計，不斷迭代、優(yōu)化，將會造成更多人力、物力和財力的浪費，而且開發(fā)周期較長、風險較大，甚至失敗。因此，需要更加可信、高效的仿真技術(shù)來參與產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計、開發(fā)及驗證過程。

半實物仿真技術(shù)與傳統(tǒng)的全數(shù)字仿真技術(shù)相比，它可以將系統(tǒng)中的部分實物接入整個仿真回路中進行物理電氣信號連接，這部分子系統(tǒng)無需建模，仿真過程更加逼真，試驗結(jié)果的可信度與參考價值更高。半實物仿真能夠參與飛機電氣系統(tǒng)設(shè)計的全生命周期。如：理論設(shè)計、全數(shù)字仿真驗證、控制系統(tǒng)驗證、被控對象驗證、加載測試、集成測試等。通過此舉可以及早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)計中存在的缺陷并改進，保證每個環(huán)節(jié)設(shè)計準確，降低實物集成測試風險，縮短產(chǎn)品研制周期、節(jié)約研發(fā)成本。而且有利于多學科大型復(fù)雜系統(tǒng)的聯(lián)合仿真及新思路與新技術(shù)在多電、全電飛機電力系統(tǒng)探索和設(shè)計中的應(yīng)用與推廣。

半實物仿真技術(shù)作為近年來新興的仿真技術(shù)，已經(jīng)在航空、航天、船舶、汽車、電網(wǎng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但在航空電力系統(tǒng)的開發(fā)中應(yīng)用較少。為此，本文基于NI LabVIEW-RT實時系統(tǒng)及平臺對28 V飛機主電路系統(tǒng)的過壓保護進行半實物研究，并設(shè)計了優(yōu)化模型，解決了信號干擾、傳感器精度不足、采樣電阻精度不足帶來的保護時間誤差較大等問題，為未來多電、全電飛機電力系統(tǒng)的研究及大系統(tǒng)的聯(lián)合仿真奠定了基礎(chǔ)，具有較強的工程實踐意義。

1 過壓保護要求

飛機電力系統(tǒng)作為飛機的關(guān)鍵設(shè)備，其電力系統(tǒng)的可靠性直接影響飛機的飛行安全，目前飛機的電力系統(tǒng)除電能分配功能外，還包含許多保護功能，過壓保護就是其中一項重要保護措施。電壓過高將導(dǎo)致后一級用電設(shè)備無法正常工作，嚴重時甚至會燒壞用電設(shè)備。如果系統(tǒng)電壓過高且不能及時切斷或者隔離故障，那么待故障進一步擴大后還將產(chǎn)生更為嚴重的后果。因此，在飛機的電力系統(tǒng)設(shè)計中必須具備過壓保護功能。GJB181A—2003對飛機電力系統(tǒng)過壓保護有嚴格的要求，所有設(shè)備必須按照相應(yīng)的要求進行設(shè)計。

如圖1所示，GIB181A—2003過壓保護的要求具有反延時的特性，即電壓超出規(guī)定越多，產(chǎn)生的危害也就越大，要求的保護時間也越短，需要快速切斷和隔離故障通道，保護用電設(shè)備。電壓超出規(guī)定越少，產(chǎn)生的危害也就越小，為防止尖峰、干擾等引起的電力系統(tǒng)誤動作，要求的保護時間也越長。

圖1 過欠壓極限曲線

2 半實物仿真系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件組成

如圖2所示，本文采用NI半實物仿真平臺架構(gòu)，系統(tǒng)主要包含：上位機系統(tǒng)、實時仿真機、接口系統(tǒng)、配電盤箱（被控系統(tǒng)）。

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

上位機系統(tǒng)為一臺高性能計算機，用來開發(fā)控制算法模型，并運行NI VeriStand開發(fā)軟件編譯、下載模型，實時監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。

仿真機系統(tǒng)為美國NI公司出品，包含主機箱1085和控制器8840，控制器內(nèi)部安裝LabVIEW-RT實時操作系統(tǒng)，其為半物理仿真的核心設(shè)備，仿真步長可達毫秒級，最小可達20 μs；另外，還安裝了模擬量I/O板卡，用來采集系統(tǒng)中的電壓信號值；安裝的數(shù)字量I/O板卡，主要用來發(fā)送離散控制信號控制接觸器動作。

信號接口系統(tǒng)用來匹配與實物配電盤箱對接的信號類型及大小，將電壓傳感器輸出的信號匹配為仿真機系統(tǒng)板卡可接受的電壓或者電流信號，將仿真機系統(tǒng)輸出的控制信號轉(zhuǎn)化為可以直接驅(qū)動真實接觸的功率信號。

配電盤箱系統(tǒng)為被控對象，主要包含主接觸器、電壓傳感器、匯流條、斷路器等硬件設(shè)備。

2.2 系統(tǒng)軟件流程

如圖3所示，在MATLAB/SimuLink的環(huán)境當中創(chuàng)建過壓保護系統(tǒng)模型，利用MATLAB RTW將SimuLink模型編譯成C代碼，利用VC將C代碼編譯為Model_name.dll，在NI VeriStand 中直接添加*.dll 文件。

圖3 軟件流程

2.3 系統(tǒng)工作原理

（1）上位機系統(tǒng)編譯和加載過壓保護模型，并實時監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，用來替代真實控制系統(tǒng)；

（2）設(shè)置外部電源電壓值（用來模擬真實的機上電源）為正常工作電壓28 V；

（3）接口系統(tǒng)接收來自配電盤箱系統(tǒng)的電壓傳感器采集的電壓信號（電流型），并將其調(diào)理為實時仿真系統(tǒng)硬件可接受的幅值（±10 V）和信號類型（電壓型），接收來自實時仿真系統(tǒng)輸出的接觸器控制信號（5 V），并將控制信號調(diào)理為接觸器的驅(qū)動控制信號（28 V）；

（4）實時仿真系統(tǒng)通過6365模擬量板卡采集電壓信號，并實時判斷系統(tǒng)電壓狀態(tài)。當系統(tǒng)發(fā)生過壓故障時，實時仿真系統(tǒng)通過數(shù)字量板卡6509輸出主接觸器關(guān)斷信號，執(zhí)行過壓保護動作，保護時間按GIB181A—2003過壓保護的反延時特性曲線進行。

3 系統(tǒng)實時化建模

28 V主電路過壓保護系統(tǒng)模型如圖4所示，系統(tǒng)主要包含6個子系統(tǒng)。

圖4 過壓保護系統(tǒng)仿真模型

（1）輸入接口模塊（Hardware_interface_module）

如圖5所示，輸入接口模塊主要用來完成模型與外部硬件接口的一一映射。讀取28 V飛機主電路系統(tǒng)中的電壓值。

圖5 硬件接口模型

（2）變比模塊（Variable_scale_module）

如圖6所示，變比模塊主要用來恢復(fù)真實的電壓值，主要因為接口系統(tǒng)在采集電壓值時將高壓信號轉(zhuǎn)化為低壓信號，需滿足實時仿真系統(tǒng)硬件板卡采集的電壓范圍（±10 V）要求，因此模型需要根據(jù)硬件的變比系數(shù)將采集的電壓轉(zhuǎn)化為真實的電壓值。

圖6 變比模型

（3）過壓保護（Overvoltage_protection_module）

如圖7所示，過壓保護模塊主要判斷系統(tǒng)是否存在過壓情況，并根據(jù)GIB181A—2003過壓保護曲線的要求對系統(tǒng)實現(xiàn)反延時保護功能。

圖7 過壓保護模型

（4）控制模塊（Control_module）

如圖8所示，控制模塊主要是根據(jù)上一級判斷的結(jié)果輸出相應(yīng)接觸器的關(guān)斷與接通信號，如果發(fā)生過壓故障，控制輸出模塊輸出邏輯0（接觸器斷開命令），反之則輸出邏輯1（接觸器接通命令）。

圖8 控制輸出模型

（5）優(yōu)化模塊（Signal_optimization_module）

如圖9所示，優(yōu)化模塊主要用來處理信號干擾、修正傳感器及采樣電阻誤差，使系統(tǒng)能夠得到一個波動小的信號。

圖9 優(yōu)化模型

（6）輸出接口模塊（Output_interface_module）

如圖10所示，輸出接口模塊主要用來完成模型與外部輸出硬件6509板卡的一一映射，輸出接觸器控制邏輯信號。

圖10 優(yōu)化模型

4 測試結(jié)果與分析

為驗證優(yōu)化模型的效果，本文進行了未優(yōu)化和優(yōu)化的過壓保護模型半物理仿真測試。由于國軍標的過壓保護在過電壓較低時，反延時時間差別較大，為秒級，系統(tǒng)保護應(yīng)該更靈敏。在過電壓較大時時間差別較小，為毫秒級，因此在選取過壓測試點時，過電壓較低時選取的測試點較密集，在過電壓較大時選取的測試點較稀疏。具體過壓測試點選取為31.5 V、31.55 V、31.6 V、31.65 V、31.7 V、32 V、35 V、40 V、50 V。圖11為現(xiàn)場測試實物。

圖11 現(xiàn)場實物

4.1 未優(yōu)化模型測試結(jié)果

由于測試點較多，本文只給出了2個點的測試波形。圖12、圖13所示為未優(yōu)化的模型在31.5 V、50 V的過壓保護波形。

圖12 模型未優(yōu)化31.5 V過壓保護曲線

圖13 模型未優(yōu)化50 V過壓保護曲線模型

由圖11可以看出，當電壓輸入達到31.5 V時，按照GIB181A—2003的要求，系統(tǒng)應(yīng)該延時7.76 s之后切斷過壓通道的電源。

由圖12可以看出，當電壓輸入達到50 V時，按照GIB181A—2003的要求，系統(tǒng)應(yīng)該延時50 ms后切斷過壓通道的電源，真實測試時間為53 ms，誤差為3 ms。

分析上述結(jié)果產(chǎn)生的主要原因，發(fā)現(xiàn)是受電壓傳感器采集精度的影響。本系統(tǒng)選擇的電壓傳感器精度為0.5%，電壓在過壓臨界值31.5 V時產(chǎn)生誤差0.157 5 V；采集得到的電壓信號疊加了干擾信號產(chǎn)生的誤差。按照GIB181A—2003的過壓保護要求，31.5 V對應(yīng)保護時間為7.758 s，3.16 V對應(yīng)保護時間為4.231 8 s，電壓相差0.1 V，但時間相差3.526 3 s。較小的電壓波動對系統(tǒng)的保護時間影響較大，電壓傳感器的誤差及干擾信號的影響不能忽略。

本文提出了一種優(yōu)化方案，將原始信號分兩步進行優(yōu)化，最后得到與實際電壓值接近的信號，再進行過壓保護判斷。

如圖14（a）所示，當電壓輸入為31.5 V，原始采樣的電壓信號較大，波動達到（31.5±0.3）V時，先對原始信號求平均值，此處平均值時間不宜過長。過長的時間濾波效果雖然較好，但同時延時較長，部分區(qū)間的電壓點將不能正常保護，尤其在電壓較高時，過長的延時無法忽略。但時間也不宜過短，否則濾波輸出的波形雖有所改善，但波動仍然較大。本文經(jīng)過反復(fù)論證，取平均值時間為10 ms。經(jīng)過半實物仿真測試，如圖14（b）所示，濾波輸出的電壓信號波動為（31.5±0.05）V，采用平均值法可以使精度提高6倍。

圖14 31.5 V電壓采樣優(yōu)化與未優(yōu)化信號對比圖

經(jīng)過上一步優(yōu)化，雖然使誤差系統(tǒng)電壓采集誤差修正在±0.05 V范圍內(nèi)，但在過電壓較低時，0.05 V的電壓誤差仍然會造成保護時間存在約2.3 s的誤差。因此，本文進一步對信號進行了間隙非線性優(yōu)化，選擇間隙±0.075 V，主要目的是在一個仿真步長內(nèi)，當信號波動未超過±0.075 V時，輸出值與上一個仿真步長的輸入值保持一致，當波動超過±0.075 V時，在下個仿真步長輸出當前值，起到平波作用，使采樣電壓保持定值。

4.2 優(yōu)化后模型測試結(jié)果

圖15、圖16給出了優(yōu)化后的模型在31.5 V、50 V時的過壓保護波形圖。

圖15 模型優(yōu)化后31.5 V過壓保護曲線

圖16 模型優(yōu)化后50 V過壓保護曲線

由圖15可以看出，當電壓輸入達到31.5 V時，系統(tǒng)在經(jīng)過7.3 s的延時之后切斷了過壓故障通道的電源，完成了過壓保護動作。

由圖16可以看出，當電壓輸入達到50 V時，系統(tǒng)經(jīng)過52 ms的延時之后切斷了過壓故障通道的電源，完成了過壓保護動作。

因此，在模型優(yōu)化后，無論在過壓較低或過壓較高時，半實物仿真控制系統(tǒng)均能按照要求執(zhí)行保護動作，并且精度較高。

4.3 其他測試點與GIB181A—2003對比分析

為了更加直觀地分析及驗證系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化的效果，本文將未優(yōu)化、優(yōu)化模型的測試結(jié)果與GIB181A—2003的過壓曲線進行對比分析，結(jié)果如圖17所示。

圖17 優(yōu)化與未優(yōu)化仿真結(jié)果對比

未優(yōu)化的模型，當電壓輸入在3.15 V與3.17 V之間的區(qū)間點時均為執(zhí)行保護動作，電壓信號誤差較大（31.5±0.3）V。當波動在31.5 V以下時，控制系統(tǒng)誤以為系統(tǒng)未發(fā)生過壓故障，所以無動作。當電壓較高時，結(jié)果與GIB181A—2003的過壓曲線一致，最大誤差為0.002 s，誤差比例為4%。

優(yōu)化后的模型測試結(jié)果：9個測試點均執(zhí)行保護動作，擬合的曲線基本與GIB181A—2003的過壓曲線一致，過壓較高時最大誤差為0.001 6 s，過壓較低時最大誤差為0.358 3 s，誤差比例分別為3.2%和4.6%。

5 結(jié) 語

本文基于NI LabVIEW-RT實時系統(tǒng)及平臺對28 V飛機主電路系統(tǒng)的過壓保護進行半實物研究，并對保護時間不理想的問題進行了平均值和非線性間隙的優(yōu)化，通過設(shè)計參數(shù)、半物理仿真驗證，使得控制系統(tǒng)判斷電壓準確、執(zhí)行過壓保護動作迅速，達到了GIB181A—2003的要求。本文為未來多電、全電飛機的電力系統(tǒng)開發(fā)和集成實驗提供了一條新的途徑。