（电力电子与电力传动专业论文）先进飞机电气系统计算机控制技术研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 ab s t r a c t p o w e r s y s t e m p r o c e s s o r ( p s p ) a n d e l e c t r i c l o a d m ana g e c e n t e r ( e l mc ) a r e t h e i m p o rt an t c o n t e n t s o f r e s e a r c h o f t h e p o w e r d i s t r i b u t io n f o r m o r e e l e c t r ic a i r p l ane s . t h e p o w e r d is t r i b u t i o n s y s t e m f o r m o r e e l e c t r i c a i r p l ane s i s a m i x e d - m o d e p o w e rw h i c h a p p l i e s a n e w t e c h n o l o g y c a l l e d e l e c t r i c a l mu l t i p l e x i n g . t h i s s y s t e m u s e s t h e m e a n s o f d i s t r i b u t e d c o n t r o l a n d c o n c e n t r a t e d ma n a g e me n t . t h e e le c t r i c l o a d ce n t e r c o n t r o l s e l e c t r i c a l l o a d s m e a n - w h i l e t h e p o w e r s y s t e m p r o c e s s o r c o n t r o l s t h e w h o l e e l e c t r i c a l s y s t e m. t h e p o w e r d i s t r i b u t i o n s y s t e m re a l i z e s e f f e c t i v e l y l o a d a u t o m a t i c m ana g e m e n t ， t h e m a i n p u r p o s e o f t h i s t h e s i s i s n o t o n l y t o ana l y s i s and r e s e a r c h t h e p o w e r s y s t e m p r o c e s s o r and t h e e l e c t r i c l o a d ma n a g e c e n t e r ,b u t a l s o t o d e s i g n t h e s c h e m e o f t h e p o w e r s y s t e m p r o c e s s o r and t h e e l e c t r i c l o a d mana g e c e n t e r . t h e e m p h a s e s i s t o ana l y s i s t h e s o ft w a r e d e s i g n o f t h e p o w e r s y s t e m p r o c e s s o r i n d e t a i l . t h e c o n t e n t o f s o ft w a r e d e s ig n i n c lu d e s t h e t r a n s p l a n t and a p p l y o f r t o s ， t h e e s t a b l i s h m e n t o f i n t e r r u p t m e c h ani s m a b o u t s e r ia l c o m m u n i c a t i o n， t h e r e a l i z a t i o n o f s y s t e m f u n c t i o n， t h e r e a l - t i m e d a t a p r o c e s s i n g and t h e s e tt i n g a n d m a n a g e m e n t o f t a s k p r i o r . t h e h a r d w a r e p l a t f o r m o f s y s t e m d e v e l o p m e n g i s p c 1 0 4 and t h e s o ft w a r e p l a t f o r m i s p c / os - 1 1 . d e s i g n d e n b a s e d o n t h i s and a c c o r d i n g t o t h e f u n c t i o n o f p o w e r s y s t e m p r o c e s s o r ， w e s e v e r a l t a s k s t o m a k e g c / o s - i i a tt e m p e r a n d m a n a g e t h e m k e y w o r d : t h e p o w e r d i s t r i b u t i o n s y s t e m f o r p l a n e e l e c t r i c l o a d ma n a g e c e n t e r g c / o s - 1 1 p o w e r s y s t e m p r o c e s s o r e mb e d d e d 西北工业大学硕士学位论文第一章概论 第一章概论 1 . 1 飞机供电系统综述 先进飞机是以多电飞机 或全电飞机)为代表的未来飞机的发展方向， 它将一种用电力供电系统取代原来的液压、气压和机械系统的飞机，即所有 的次级功率均用电能的形式分配。由传统飞机到全电飞机需要一个漫长的发 展和过渡过程，涉及到的关键技术有: 机电作动器、高速电机、电气环控、 电动燃油、高压发电、高压配电、高压用电以及飞机电气系统的综合管理与 自 动控制等。 六七十年代，国外一些装备液压作动筒的军用飞机多次失事， 迫使人们 寻求更可靠得飞机舵面操纵机构。由于电工技术的发展和飞机需求，以及电 力电子器件、大规模集成电路和微处理器的广泛应用，用机电作动器代替液 压作动筒成为可能。通过研究、试验和试飞， 证明在新技术基础上发展的机 电作动器同原有的液压作动筒相比，不仅性能、体积和重量不变，而且可靠 j胜、生命力和维修性显著提高。由此也设想用电能取代气压能等，即引发了 二次能源全为电能的全电飞机的概念。 先进的多电飞机 ( m e a )电气系统具有以 下主要特点: i . 系统控制部分采用标准数据总线( 目 前通常为1 5 5 3 b 总线) ， 以实现 供电处理机和各智能终端间的数据通信。 2 . 负载管理中心智能化，以实现各种复杂飞行条件下负载控制的高度 协调。 3 . 机内电 气部件具有自 检测 ( b i t ) 功能， 以实现飞机部件级的故障隔 离。 4 供电处理机由数据总线获取各种负载 匕 行状态数据信息，依照这些 信息和飞机飞行状态等因素控制系统的各智能终端。 西北工业大学硕士学位论文第一章概论 第一章概论 1 . 1 飞机供电系统综述 先进飞机是以多电飞机 或全电飞机)为代表的未来飞机的发展方向， 它将一种用电力供电系统取代原来的液压、气压和机械系统的飞机，即所有 的次级功率均用电能的形式分配。由传统飞机到全电飞机需要一个漫长的发 展和过渡过程，涉及到的关键技术有: 机电作动器、高速电机、电气环控、 电动燃油、高压发电、高压配电、高压用电以及飞机电气系统的综合管理与 自 动控制等。 六七十年代，国外一些装备液压作动筒的军用飞机多次失事， 迫使人们 寻求更可靠得飞机舵面操纵机构。由于电工技术的发展和飞机需求，以及电 力电子器件、大规模集成电路和微处理器的广泛应用，用机电作动器代替液 压作动筒成为可能。通过研究、试验和试飞， 证明在新技术基础上发展的机 电作动器同原有的液压作动筒相比，不仅性能、体积和重量不变，而且可靠 j胜、生命力和维修性显著提高。由此也设想用电能取代气压能等，即引发了 二次能源全为电能的全电飞机的概念。 先进的多电飞机 ( m e a )电气系统具有以 下主要特点: i . 系统控制部分采用标准数据总线( 目 前通常为1 5 5 3 b 总线) ， 以实现 供电处理机和各智能终端间的数据通信。 2 . 负载管理中心智能化，以实现各种复杂飞行条件下负载控制的高度 协调。 3 . 机内电 气部件具有自 检测 ( b i t ) 功能， 以实现飞机部件级的故障隔 离。 4 供电处理机由数据总线获取各种负载 匕 行状态数据信息，依照这些 信息和飞机飞行状态等因素控制系统的各智能终端。 西北工业大学硕士学位论文第一章概论 无论是全电飞机还是多电飞机 ( m e a ) ，由于飞机用电量的急剧提高，都 需要飞机电 气系统性能有一个飞跃性的发展。 供电处理机( p s p ) 和电气负载管理中心 ( e l m c )是多电飞机 ( m e a )电气 系统中的关键部件，主要包括配电中心和控制中心。它的作用是保证飞机上 所有用电设备( 如飞行控制系统、各种电子设备、 武器控制、照明、防冰与环 境控制系统等) 连续的提供满足规定技术性能的电能， 保证用电设备的正常工 作，若供电系统发生故障时，能够及时的按照预定的方案进行容错处理。它 利用智能模块来代替飞行人员的操作，进行自 动控制和负载管理，可大大减 少配电系统的电缆长度以及飞行人员的负担，改善现有的配电方式和负载管 理方法。 配电中心的主要功能是给不同负载提供满足其需要的电源，主要由交、 直流汇流条和蓄电 池汇流条、转换继电器、固态功率控制器 ( s s p c )以及二 极管等电 气部件组成。配电中心根据其控制方式的不同可分为常规式、遥控 式和全自动式 ( 固态式)三种。 控制中心负责完成负载及汇流条的信号采集、 控制、 通讯、 数据处理等 功能，其目的是，以供电处理机命令、电力汇流条电压和应急模式选择器状 态为依据，按照既定的控制策略使s s p c 和转换继电器动作。 现代飞机电 源的类型包括: 恒速恒频交流电 源 ( 1 1 5 v / 4 0 0 h z ) 、 变速恒频 电源 ( v s c f ) 、变换器式变速恒频系统、高压直流系统 ( h v d c ) o 下面是几种常用电力系统的综合对比 表 1 l . 相对 权数 恒速恒频 系统 变频/ 恒频混 合系统 变换器式变 速恒频系统 高压直 流系统 可靠性 3 01 2 . 92 7 . 32 7 . 6 3 0 费用 2 4 2 4 . 01 7 . 81 7 乃 2 0 . 2 重量 2 0 1 3 . 21 5 . 2 1 5 . 62 0 . 0 维修性2 0 1 0 . 41 9 . 61 9 . 22 0 . 0 西北工业大学硕士学位论文 第一章概论 6 . 0 1 0 06 5 . 38 4 . 7 8 5 49 5 . 8 现今广泛使用的是1 1 5 v / 4 0 0 h z 的恒速恒频交流系统， 但从表中可以看出 高压直流系统与其他系统相比具有更大的优势: ( 1 )重量轻; ( 2 )效率高; ( 3 )易实现不中断供电; ( 4 )更能适应电力作动系统等高技术用电设备。 ( 5 )与变速恒频系统相比，高压直流系统的滤波要求要小的多。 地函 m m 图 1 . 1 - 1先 进 战斗 机 供电 彩尤 左 案 西北工业大学硕士学位论文 第一章概论 8 0 年代，国外就在一些飞机的局部电网中采用高压直流供电 ， 美国 最新 的军用标准 m i l - s t d - 7 0 4 e对 h v d c电源系统的规定进行重新的修改 ( 1 9 9 1 . 5 . 1 ) 。从综合角度来看，h v d c电力系统是至今最简单、最轻和最可 靠的系统， 下一代战斗机采用h v d c电 源系统已成为一种必然趋势。 但是在 高压直流系统中要求具有: 1 ) 高压、大电 流的直流开关设备 2 ) 高效的功率变换器 3 ) 高 达1 5 千瓦的 无刷直流电 动机 4 ) 采用电 气多路传输的负载综合自 动化管理技术 高压直流系统必须在这些相关技术问题都得到可靠解决后，才能得到真 正的实现。本课题的研究对象就是在高压直流系统中采用电气多路传输技术 的先进飞机二次配电系统。 配电系统是从电源汇流条到用电设备输入端的部分，飞机的配电系统由 电网、配电装置和电网保护装置组成。随着飞机性能的不断提高，机载用电 设备越来越多，其任务越来越繁重，而机载用电设备对飞机安全飞行和成功 执行任务起着关键或重要作用，因而就要求为其供电的供电系统容量不断增 大，系统的可靠性、安全性增高，使得供电系统的组成及结构形式越来越复 杂，技术水平越来越高。为了适应这些需要，到目前为止，国内外飞机的配 电系 统主 要有以 下三种结构 : 常 规配电 系统、 遥控配电 系统4 1和电 气多路传输 的先进飞机配电系统。 目前飞机上用的最广泛的配电系统是常规配电系统。在常规配电系统中 配电功率线全部引进座舱内的配电中心或配电 装置，二级配电中心或电气负 载从中心配电装置获得电能，由电路断路器提供馈电线过载保护。电 气负载 的控制方式为继电器逻辑控制，由 飞行人员通过离散信号控制线手动管理电 气负载，负载的工作情况由状态电门及信号指示灯来显示。这种配电系统在 西北工业大学硕士学位论文 第一草概论 过去几十年中证明是有效的，但在大型飞机的配电系统中需要大量的电缆和 断路器， 如某大型客机的配电和控制用的电缆长达2 0 万米以上， 重约2 吨多， 断路器多达9 0 0 多个，因断路器、开关和信号指示灯多， 控制板占 用面积大， 使得飞机驾驶舱十分拥挤，给维护和检修工作带来很大困难。在这种配电系 统中， 用手动管理负载方式， 飞 行人员的 负担很大 2 9 遥控配电的配电汇流条靠近用电设备，飞机座舱内只引入控制线，由电 路断路器提供馈电过载保护，飞行员通过接触器 ( 继电器控制逻辑)控制用 电设备。现代大中型飞机常用这种配电方式，以利减轻电网重量。这种遥控 配电系统多数没有电气负载管理功能， 由飞行人员手动管理电气负载的工作， 自 动化程度不高，并且由于仍需大量的电路断路器和馈电导线，体积重量也 较大。 电气多路传输的先进飞机配电系统采用了分布式汇流条和负载自 动管理 技术，这种配电系统的控制方式取消了 众多的离散信号控制线，由 计算机通 过多路传输数据总线传递控制信号和状态信息， 经固态功率控制器 ( s s p c ) 对用电设备进行控制和保护，由 座舱内的综合显示装置显示系统状态。此配 电系统采用分布式汇流调配电方式，飞机座舱中无需设置中心配电装置，用 电设备就近与配电汇流条相连，由s s p c提供馈电保护功能。因此，可以大 大减少配电线和控制线的长度，减轻配电系统的重量。 在配电系统中， 微型 计算机代替了飞行人员的操作，飞机上每一个电气负载都对应着一个逻辑控 制方程， 逻辑控制方程中的每一个条件信息将通过相应能反映系统飞行状态、 电源系统状态、 电气负载状态等有关的物理量给电气负载管理中心( e l mc ) , 由 集散型控制方式下的电 源系统处理机 ( p s p )寻址每一个e l mc采集这些 信息， 按逻辑控制方程解算， 把解算结果的 控制信息通过多路数据总线传递 到e l m c ， 对电 气负载进行接通/ 断开控制。 仅按电 气负载的逻辑方程进行控 制是不够的，还必须按整个系统的不同要求进行，例如负载启动顺序、负载 优先级管理、故障检测和转换程序等。正常情况下，驾驶员不需要再来监控 西北 工业大学硕士学位论文 第一章概论 设备的用电情况，这就大大减轻了飞行人员负担，减少了人为的故障因素。 除此之外，这种系统由于负载是接在e l mc和r t上的，可扩展性、可维护 性好。因此，本方案采用了这种配电系统。 1 . 2 先进飞机配电系统 飞机配电系统发展的总趋势就是采用分布式配电和负载自 动化管理技 术。采用分布式配电，可以大大提高配电可靠性，增强安全性，减轻配电系 统重量，提高功率使用和负载管理的效能; 采用负载自 动管理技术以 后就可 以根据飞机发电容量的大小、供电系统的完好程度以及飞机不同的飞行阶段 自 动的断开和接通用电设备，使系统具有重构的能力，从而保证飞行和任务 关键负载的可靠供电。 采用分布式配电和负载自 动管理的多路传输技术系统， 有着常规配电系统无法比拟的优越性，是下一代先进飞机配电系统的发展趋 势。先进飞机自 动配电系统具有如下特征: a )实现负载的自 动管理 负载自动管理系统可对配电系统所要求的功率与电源系统的功率进行合 理调度分配，达到电 源设备的最有效的利用;该系统可以避免大负载的突加 和突卸所引起的电压波动;当飞机在应急状态时 ( 战斗损坏或故障)可以按 负载管理的优先级卸载，保证向关键飞行负载供电，这样可以在有限功率的 条件下提高飞机安全返航的概率。 b ) 提高供电系统的可靠性 由于先进配电系统易于采用余度和容错技术，可以使系统在单点和多点 故障的情况下仍能向负载供电。 同时，由 于采用了自 检测 ( b i t ) 技术和专家 诊断系统，可以及时发现故障和预测故障。美国研制的先进战斗机的容错性 能已达到在经受1 次故障时仍能向所有负载供电;在发生2次故障后仍能向 一6- 西北 工业大学硕士学位论文 第一章概论 设备的用电情况，这就大大减轻了飞行人员负担，减少了人为的故障因素。 除此之外，这种系统由于负载是接在e l mc和r t上的，可扩展性、可维护 性好。因此，本方案采用了这种配电系统。 1 . 2 先进飞机配电系统 飞机配电系统发展的总趋势就是采用分布式配电和负载自 动化管理技 术。采用分布式配电，可以大大提高配电可靠性，增强安全性，减轻配电系 统重量，提高功率使用和负载管理的效能; 采用负载自 动管理技术以 后就可 以根据飞机发电容量的大小、供电系统的完好程度以及飞机不同的飞行阶段 自 动的断开和接通用电设备，使系统具有重构的能力，从而保证飞行和任务 关键负载的可靠供电。 采用分布式配电和负载自 动管理的多路传输技术系统， 有着常规配电系统无法比拟的优越性，是下一代先进飞机配电系统的发展趋 势。先进飞机自 动配电系统具有如下特征: a )实现负载的自 动管理 负载自动管理系统可对配电系统所要求的功率与电源系统的功率进行合 理调度分配，达到电 源设备的最有效的利用;该系统可以避免大负载的突加 和突卸所引起的电压波动;当飞机在应急状态时 ( 战斗损坏或故障)可以按 负载管理的优先级卸载，保证向关键飞行负载供电，这样可以在有限功率的 条件下提高飞机安全返航的概率。 b ) 提高供电系统的可靠性 由于先进配电系统易于采用余度和容错技术，可以使系统在单点和多点 故障的情况下仍能向负载供电。 同时，由 于采用了自 检测 ( b i t ) 技术和专家 诊断系统，可以及时发现故障和预测故障。美国研制的先进战斗机的容错性 能已达到在经受1 次故障时仍能向所有负载供电;在发生2次故障后仍能向 一6- 西北工业大学硕士学位论文第一章概论 所有关键任务负载供电; 在发生3 次故障后仍能向 所有关键飞行负载供电( 上 述故障可以发生在同一供电通道的不同部件上，也可以发生在不同供电通道 的同一种部件上，或以上述两种方式的组合形式出现) 。 c ) 使供电 系统重量轻、 节约空间 驾驶舱可除去中央配电系统，空间增大。采用的分布式汇流条、远程终 端和负载管理中心均可放置得离负载较近，使功率线的长度可以根据负载分 布来裁减，从而减少了电线长度，减轻了重量。 d ) 提高维护性 硬线电网维护上的最大困难点在于确定故障点，往往需要很复杂的人工 测试过程，既费时又费力，而先进配电系统则当飞行中发生故障后除可对故 障设备进行余度转换以保证系统正常工作外， 还可由自 检装置将故障信息存 入故障显示装置的非易失性存储器中，地勤人员可利用专门的地面检测设备 寻找出故障以至再现故障，很快判别出故障点，可以迅速更换故障设备。 e 灵活性好 使用先进配电系统按照标准化、模块化和通用化进行设计，维护方便， 适应性强，在飞机改型，扩大功能和增加新设备时，一般只需对软件作一定 的修改即可完成系统的重构，因而可降低研制费用及改型费用。先进配电系 统的上述特点在 a -7 攻击机和 b -1 轰炸机中得到证实。 1 . 3国内外研究现状 自 七十年代提出全电飞机的概念后， 美国就开始在a 7 - e飞机上进行分布 式配电和负载自 动管理的可行性试验o d a i s 计划掀起了数字式航空电子综合 控制系统的革命性开端。八十年代后，美国海军航空发展中心提出了 “ 固态 电气逻辑 ( s o s t e l ) 控制组合规范” 的理论， 并先后在f - 1 6 , y a h - 6 4 , b - 5 2 和海军 l a m p s舰载直升机上充分使用了分布式配电 和负 载自 动管理技术， 了二 西北工业大学硕士学位论文第一章概论 所有关键任务负载供电; 在发生3 次故障后仍能向 所有关键飞行负载供电( 上 述故障可以发生在同一供电通道的不同部件上，也可以发生在不同供电通道 的同一种部件上，或以上述两种方式的组合形式出现) 。 c ) 使供电 系统重量轻、 节约空间 驾驶舱可除去中央配电系统，空间增大。采用的分布式汇流条、远程终 端和负载管理中心均可放置得离负载较近，使功率线的长度可以根据负载分 布来裁减，从而减少了电线长度，减轻了重量。 d ) 提高维护性 硬线电网维护上的最大困难点在于确定故障点，往往需要很复杂的人工 测试过程，既费时又费力，而先进配电系统则当飞行中发生故障后除可对故 障设备进行余度转换以保证系统正常工作外， 还可由自 检装置将故障信息存 入故障显示装置的非易失性存储器中，地勤人员可利用专门的地面检测设备 寻找出故障以至再现故障，很快判别出故障点，可以迅速更换故障设备。 e 灵活性好 使用先进配电系统按照标准化、模块化和通用化进行设计，维护方便， 适应性强，在飞机改型，扩大功能和增加新设备时，一般只需对软件作一定 的修改即可完成系统的重构，因而可降低研制费用及改型费用。先进配电系 统的上述特点在 a -7 攻击机和 b -1 轰炸机中得到证实。 1 . 3国内外研究现状 自 七十年代提出全电飞机的概念后， 美国就开始在a 7 - e飞机上进行分布 式配电和负载自 动管理的可行性试验o d a i s 计划掀起了数字式航空电子综合 控制系统的革命性开端。八十年代后，美国海军航空发展中心提出了 “ 固态 电气逻辑 ( s o s t e l ) 控制组合规范” 的理论， 并先后在f - 1 6 , y a h - 6 4 , b - 5 2 和海军 l a m p s舰载直升机上充分使用了分布式配电 和负 载自 动管理技术， 了二 西北工业大学硕士学位论文 第一章概论 使飞机在可靠性、生存能力、可维护性和灵活性等方面均得到很大改善。在 后来的f - 2 2 先进飞机中更采用了可编程固态开关、1 5 5 3 b总线和微处理机自 动管理技术。 在西欧的一些 国家，首先 以航空电子系统为主要 内容的是 e a p ( e x p e r im e n t a l a ir c r a ft p r o g r a m ) 计 划。 随 后是比e a p更 大一 个数 量 级 的e u r o f i g h t e r 计划。 我国对该课题的研究起步较晚，自 七十年代末才有少数军工国防单位开始 对飞机电气多路传输技术进行研究。进入八十年代后，才开始对负载管理中心 ( e l m c )进行研究。尽管有关部门做了 许多工作，但是由于资金、器材和技术 资料的不足，使我国在这方面的研究与世界先进国家相比差距甚远。目 前我国 飞机电源系统仍采用传统的中央集中配电 方式，随着航空技术的迅速发展，飞 机性能有了大幅度提高，用电设备迅速增加，电源功率不断提高，致使电网重 量过重，驾驶舱十分拥挤，而且使得维护性、扩展性和可靠性差，自 动化程度 低，响应速度慢，严重影响了飞机整体性能的提高。特别是全电飞机和多电飞 机供电系统提出以后，辐射式的集中配电布局更无法适应，因而迫切要求改变 现有的电源控制与管理系统，采用一套新型电源控制与管理系统，以 适应新一 代先进飞机的性能要求。 1 . 4本文的选题背景和研究内容 先进的多电飞机是下一代先进战斗机的一个重要特征。国外在多电飞机 _ l 己进行了长期的研究。与国外的研究水平相比，我国在多电飞机方面的研 究水平差距还很大， 基本上还是一片空白。首先是多电飞机的系统研究尚未 真正开始， “ 九五” 期间仅仅是启动了高压直流发电 配电系统的原理性研究。 开始了机电作动器和电动静液作动器的功率电传作动器研究，开始了高速电 动机驱动的空气循环机的研究。对电力作动器的多种执行电机的研究取得了 一定的成果。因此为了缩短与发达国家之间的差距，在 “ 九五”研究的基础 西北工业大学硕士学位论文 第一章概论 使飞机在可靠性、生存能力、可维护性和灵活性等方面均得到很大改善。在 后来的f - 2 2 先进飞机中更采用了可编程固态开关、1 5 5 3 b总线和微处理机自 动管理技术。 在西欧的一些 国家，首先 以航空电子系统为主要 内容的是 e a p ( e x p e r im e n t a l a ir c r a ft p r o g r a m ) 计 划。 随 后是比e a p更 大一 个数 量 级 的e u r o f i g h t e r 计划。 我国对该课题的研究起步较晚，自 七十年代末才有少数军工国防单位开始 对飞机电气多路传输技术进行研究。进入八十年代后，才开始对负载管理中心 ( e l m c )进行研究。尽管有关部门做了 许多工作，但是由于资金、器材和技术 资料的不足，使我国在这方面的研究与世界先进国家相比差距甚远。目 前我国 飞机电源系统仍采用传统的中央集中配电 方式，随着航空技术的迅速发展，飞 机性能有了大幅度提高，用电设备迅速增加，电源功率不断提高，致使电网重 量过重，驾驶舱十分拥挤，而且使得维护性、扩展性和可靠性差，自 动化程度 低，响应速度慢，严重影响了飞机整体性能的提高。特别是全电飞机和多电飞 机供电系统提出以后，辐射式的集中配电布局更无法适应，因而迫切要求改变 现有的电源控制与管理系统，采用一套新型电源控制与管理系统，以 适应新一 代先进飞机的性能要求。 1 . 4本文的选题背景和研究内容 先进的多电飞机是下一代先进战斗机的一个重要特征。国外在多电飞机 _ l 己进行了长期的研究。与国外的研究水平相比，我国在多电飞机方面的研 究水平差距还很大， 基本上还是一片空白。首先是多电飞机的系统研究尚未 真正开始， “ 九五” 期间仅仅是启动了高压直流发电 配电系统的原理性研究。 开始了机电作动器和电动静液作动器的功率电传作动器研究，开始了高速电 动机驱动的空气循环机的研究。对电力作动器的多种执行电机的研究取得了 一定的成果。因此为了缩短与发达国家之间的差距，在 “ 九五”研究的基础 西北工业大学硕士学位论文第一章概论 上，开始了多电飞 机的研究。 飞机电气系统是飞机的血管和神经，它的质量关系着全机的质量和飞行 安全。对于多电飞机来说，其电气系统的质量和可靠性变得尤为重要。多电 妞 机电气系统的研究是 “ 十五”空军武器装备预先研究项目的子课题，是对 多电飞机的电气系统进行研究。它将主要研究分析多电飞机的发展及研究状 况，多电飞机电气系统的需求问 题，以及多电飞机配电系统的布局设计、可 靠性以 及电磁兼容性等问题，为以后几年的研究打下坚实的基础。 在本课题中主要研究以下几方面的问题: i 、系统总体分析 配电系统的控制与管理系统的需求分析;与其他子系统交联关系分析; 配电系统的控制与管理系统的系统拓扑结构设计等。 2 、 供电系统处理机的分析与设计 供电系统处理机硬件配置及设计;供电系统处理机双余度硬件设计;供 电系统处理机双余度软件设计;供电系统处理机系统数据总线及驱动软件设 计;供电系统处理机应用软件设计;飞机电气系统实时数据库建立;飞机负 载飞行状态仿真库建立;系统数据总线接口设计与制作。 3 、负载管理中心的分析与设计 电气负载管理中心需求分析;电 气负载管理中心硬件设计;电气负载管理 中心系统总线接口 控制器设计;系统数据总线接口控制器驭动软件设计;电 气负载管理中心应用软件设计;电气负载管理中心通信软件设计;电气负载 管理中心 b i t功能设计。 西北工业大学硕士学位论文第二章飞机电气系统分析 第二章飞机电气系统分析 2 . 1电气系统分析 飞机电气负载管理中心和供电系统处理机既是供电系统的一部分，也属 于航空电子综合系统的一部分，它的发展应符合航空电子综合系统的发展趋 势。资料表明，航空电子综合系统经历了分立式结构、集中分布结构和分布 式结构几个过程，下一代航空电子综合系统的突出特点将是继续沿综合化的 方向发展，在结构上趋于全分布式，其对信息的处理和响应也越来越走向综 合化，其子系统也将朝着模块化、标准化、智能化和可维护方面发展。 2 . 1 . 1航空电子系统特点 航空电子综合系统的发展方向是全分布式结构和信息高度综合，要求航 空电子综合系统以及航空电子综合系统的子系统具有模块化、标准化、智能 化和可维护性这样一些特点。 1 . 模块化 模块化是综合化的实现基础，更高程度的模块化将带来更高程度的综合 化。航空电子综合系统以模块化的结构实现，不仅能适应航空电子综合系统 的应用的通用性，而且易于实现系统故障检测和系统重构。 z .标准化 标准化也是综合化的实现基础，制定标准的目 的就是为了使航空电子设 备更具有更高的通用性。 3 智能化 人工智能是由最新的计算机技术和微电子技术结合而成的一种尖端技 术。它是专门探索人类感觉和思维过程以及研究应用计算机模拟人类智能活 动的一门新学科。将人工智能技术应用于航空电子综合系统可大大提高信号 扭 a 西北工业大学硕士学位论文第二章飞机电气系统分析 第二章飞机电气系统分析 2 . 1电气系统分析 飞机电气负载管理中心和供电系统处理机既是供电系统的一部分，也属 于航空电子综合系统的一部分，它的发展应符合航空电子综合系统的发展趋 势。资料表明，航空电子综合系统经历了分立式结构、集中分布结构和分布 式结构几个过程，下一代航空电子综合系统的突出特点将是继续沿综合化的 方向发展，在结构上趋于全分布式，其对信息的处理和响应也越来越走向综 合化，其子系统也将朝着模块化、标准化、智能化和可维护方面发展。 2 . 1 . 1航空电子系统特点 航空电子综合系统的发展方向是全分布式结构和信息高度综合，要求航 空电子综合系统以及航空电子综合系统的子系统具有模块化、标准化、智能 化和可维护性这样一些特点。 1 . 模块化 模块化是综合化的实现基础，更高程度的模块化将带来更高程度的综合 化。航空电子综合系统以模块化的结构实现，不仅能适应航空电子综合系统 的应用的通用性，而且易于实现系统故障检测和系统重构。 z .标准化 标准化也是综合化的实现基础，制定标准的目 的就是为了使航空电子设 备更具有更高的通用性。 3 智能化 人工智能是由最新的计算机技术和微电子技术结合而成的一种尖端技 术。它是专门探索人类感觉和思维过程以及研究应用计算机模拟人类智能活 动的一门新学科。将人工智能技术应用于航空电子综合系统可大大提高信号 扭 a 西北工业大学硕士学位论文 第二章飞机电气系统分析 和数据的处理速度， 减轻空勤人员的负担， 帮助空勤人员最有效地完成任务。 随着微处理器速度的飞速发展及其成本的不断降低，飞机上原来的非智能部 件也朝着智能化的方向发展，如智能传感器和智能执行部件的出现，这将大 大推动航空电子综合系统朝着全分布式的方向发展。 4 . 可维护性 在想当长时间内，可维护性在系统设计过程中得不到重视。随着航空电 子综合系统的日益复杂，维护时间不断延长，维修费用不断增长，可维护性 才逐渐上升到与系统性能处于同等重要的地位，成为评估系统的重要指标。 如宝石柱就充分考虑了系统的可维护性，把基本的维修元件从外场可更换装 置变成现场可更换模块，这不仅降低了模块成本，并能在系统中运用两级维 护方案。可维护性的提高主要依据系统的自 检测功能来实现。 2 . 1 . 2容错供电分析 1 .容错性 按照先进飞机系统航空电子计划的要求，容错供电系统应能够承受多次 故障，并能向负载供电。具体要求如下:在经受 1次故障时仍能向全部飞 机 用电负载供电;在发生两次故障后仍能向所有关键任务负载供电;在发生 3 次故障后仍能向所有关键飞行负载供电。这些故障可以发生在同一供电通道 的不同部件上，也可以发生在不同通道的同一部件上，或以上两种方式的组 合出现。由此可见，只有四余度的供电系统才能满足容错供电的要求。为此， e l m c 在配电系统模型中采用双发供电系统，通讯总线采用双余度方式，控制 中心采用多冗余控制方案。 2 . 不中断供电 供电系统在中断之后应回到稳态极限之内，频率超差、过压或欠压、过 流等非正常工作状态导致的供电中断可能会造成汇流条转换和供电恢复时间 的延迟，此时应由保护装置控制。不中断供电是对现代飞机供电的又一新的 西北工业大学硕士学位论文 第二章飞机电气系统分析 和数据的处理速度， 减轻空勤人员的负担， 帮助空勤人员最有效地完成任务。 随着微处理器速度的飞速发展及其成本的不断降低，飞机上原来的非智能部 件也朝着智能化的方向发展，如智能传感器和智能执行部件的出现，这将大 大推动航空电子综合系统朝着全分布式的方向发展。 4 . 可维护性 在想当长时间内，可维护性在系统设计过程中得不到重视。随着航空电 子综合系统的日益复杂，维护时间不断延长，维修费用不断增长，可维护性 才逐渐上升到与系统性能处于同等重要的地位，成为评估系统的重要指标。 如宝石柱就充分考虑了系统的可维护性，把基本的维修元件从外场可更换装 置变成现场可更换模块，这不仅降低了模块成本，并能在系统中运用两级维 护方案。可维护性的提高主要依据系统的自 检测功能来实现。 2 . 1 . 2容错供电分析 1 .容错性 按照先进飞机系统航空电子计划的要求，容错供电系统应能够承受多次 故障，并能向负载供电。具体要求如下:在经受 1次故障时仍能向全部飞 机 用电负载供电;在发生两次故障后仍能向所有关键任务负载供电;在发生 3 次故障后仍能向所有关键飞行负载供电。这些故障可以发生在同一供电通道 的不同部件上，也可以发生在不同通道的同一部件上，或以上两种方式的组 合出现。由此可见，只有四余度的供电系统才能满足容错供电的要求。为此， e l m c 在配电系统模型中采用双发供电系统，通讯总线采用双余度方式，控制 中心采用多冗余控制方案。 2 . 不中断供电 供电系统在中断之后应回到稳态极限之内，频率超差、过压或欠压、过 流等非正常工作状态导致的供电中断可能会造成汇流条转换和供电恢复时间 的延迟，此时应由保护装置控制。不中断供电是对现代飞机供电的又一新的 西北工业大学硕士学位论文第二章飞机电气系统分析 要求。 计算机等设备的应用不允许供电中断。 供电中断主要由两个原因引起， 一是电源间转化引起，另一是电网短路等引起。关键飞行负载可按其对供电 中断的敏感度进行分类，它能承受的供电中断时间在5 0 u s 到2 s 之间。 对关键飞行负载来说， 容错供电系统要求供电时间低于单个负载最大允 许时间的5 0 % ， 对正常供电来讲， 系统设计时把最大供电中断时间保持在5 0 m s 内，这样就能满足大部分负载的要求。当检测到电源脱落后，把负载转换到 另一可供选用的供电电源上，以达到不中断供电的目的。当负载允许的最大 供电中断时间小于5 0 m s 时， 一般来说就不能使用这种转换方法。 在这种情况 下就要使用真正的不中断电源。e l m c 须选用高速中央处理器，以及采用多任 务实时操作系统，按照飞行管理方式确定任务优先级，以达到实时指标。 3 . 可靠性 容错供电系统要求，给负载供电的可靠性要比负载本身的可靠性高 1 0 0 倍。由于飞机负载众多，通常将负载分类，然后计算出该类负载的可靠度， 即在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。这样只需满足这一类 负载的可靠性指标要求即可。 ( 1 )关键飞行负载 因为飞行控制系统是关键飞行系统的最大组成部分，所以关键飞行负载 的可靠性由飞行控制系统的要求来决定。 美国军用规范 ( m i l - f - 9 4 9 0 d ) 指出 飞行控制系统故障引起战斗机失事概率为1 0 0 x 1 0，其中:2 5 %的飞行控制 故障由 液压动力引起，1 2 . 5 %由机械作动系统引起的，6 2 . 5 %由电气控制部 件引起的。电气控制部分至少是一个双同道双余度系统， 而单通道的可靠度 是双通道双余度系统可靠度的平方根，该单通道的可靠度即为单个容错供电 系统给关键飞行负载供电的可靠度。 电气控制部件之所以失效，一方面可能是由于电气控制部分自身发生故 障，另一方面可能是因为给电气控制部分供电的电力系统出现的故障。电力 系统的可靠性比其负载的可靠性高 1 0 0倍，此负载就是飞行控制系统中电气 西北工业大学硕士学位论文 第二章飞机电气系统分析 控制系统部分的一个通道。 由以上分析可计算出，对关键飞行负载来说，供电系统的可靠度必须大 于0 . 9 9 9 9 7 5 2 ， 负载才能正常工作。 ( 2 )关键任务负载 在飞机上，要使飞机的设计要求符合每个关键任务负载的要求是不可行 的。 先进系统航空电子计划 要求生存必需的关键任务设备的平均无故障时 间为2 0 0 小时或者不可靠度为1 . o x 1 0 1 . 由于关键任务负载出故障原因大多是由于供电系统引起的，因此要求供 电系统给关键任务负载供电的可靠度应为元件可靠度的1 0 0 倍。 经计算， 对关键任务负载而言， 供电 系统可靠度必须大于0 . 9 9 9 9 0 1 ， 关键 任务负载才能正常工作。 ( 3 )非关键飞行负载 先进系统航空电子设备工作说明书要求关键任务设备的平均无故障 时间为7 0 小时， 或不可靠度为2 . 8 x 1 0 -z 。 经计算可知， 非关键飞行负载供电 系统可靠度必须大于0 - 9 9 9 7 2 3 ，系统才能正常工作。 2 . 2 供电系统处理机的功能 供电系统处理机( p s p ) 是整个电气综合控制系统的核心。 它控制整个电气 系统。通过电气系统中其它控制部件将电 气系统状态信息传送到 p s p ， 一旦控 制和飞 行状态发生变化， 航电系统控制器将提供此方面的最新信息。 p s p 将利 用这些信息计算负载管理优先级并求解负载管理方程。 为了提高可靠性， 采用双处理机的布局。 两个户 s p之间的离散线保证它们 不会同时要求对总线进行控制。 p s p与航空电子模拟器之间的离散线允许航空 电 子模拟器决定哪一 个p s p作为总线控制器。不作为总线控制器的p s p将作 为备用总线控制器，以 远程终端方式工作。 每个p s p都能从两个1 1 5 v主交流 电源和一个2 4 v 主蓄电池电源中的任何一个获得电力并工作。 西北工业大学硕士学位论文 第二章飞机电气系统分析 控制系统部分的一个通道。 由以上分析可计算出，对关键飞行负载来说，供电系统的可靠度必须大 于0 . 9 9 9 9 7 5 2 ， 负载才能正常工作。 ( 2 )关键任务负载 在飞机上，要使飞机的设计要求符合每个关键任务负载的要求是不可行 的。 先进系统航空电子计划 要求生存必需的关键任务设备的平均无故障时 间为2 0 0 小时或者不可靠度为1 . o x 1 0 1 . 由于关键任务负载出故障原因大多是由于供电系统引起的，因此要求供 电系统给关键任务负载供电的可靠度应为元件可靠度的1 0 0 倍。 经计算， 对关键任务负载而言， 供电 系统可靠度必须大于0 . 9 9 9 9 0 1 ， 关键 任务负载才能正常工作。 ( 3 )非关键飞行负载 先进系统航空电子设备工作说明书要求关键任务设备的平均无故障 时间为7 0 小时， 或不可靠度为2 . 8 x 1 0 -z 。 经计算可知， 非关键飞行负载供电 系统可靠度必须大于0 - 9 9 9 7 2 3 ，系统才能正常工作。 2 . 2 供电系统处理机的功能 供电系统处理机( p s p ) 是整个电气综合控制系统的核心。 它控制整个电气 系统。通过电气系统中其它控制部件将电 气系统状态信息传送到 p s p ， 一旦控 制和飞 行状态发生变化， 航电系统控制器将提供此方面的最新信息。 p s p 将利 用这些信息计算负载管理优先级并求解负载管理方程。 为了提高可靠性， 采用双处理机的布局。 两个户 s p之间的离散线保证它们 不会同时要求对总线进行控制。 p s p与航空电子模拟器之间的离散线允许航空 电 子模拟器决定哪一 个p s p作为总线控制器。不作为总线控制器的p s p将作