（电力电子与电力传动专业论文）先进飞机电气系统的研究.pdf

西北i ：业大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h r o u g ha n a l y z i n g t h ed e m a n d so fa d v a n c e da i r c r a f t e l e c t r i c a l s y s t e m ( a a e s ) ，t h i sp a p e rh i g h l i g h t s t h et o t a l d e s i g np r o j e c t o ft h e a i r c r a f te l e c t r i c a l s y s t e m a n d d e v e l o p s a c o n c e p t u a ld e s i g n f o r e l e c t r i c a l1 0 a dm a n a g e m e n tc e n t e r f i r s t l y ，t h i sp a p e ra n a l y z e s t h ed e m a n d so fa i r c r a f te l e c t r i c a l s y s t e m ，d e f i n e st h er e l a t i o no fe l e c t r i c a ls y s t e ma n dd i g i t a la v i o n i c s i n f o r m a t i o n s y s t e m( d a i s ) t h e n t h e p a p e ra n a l y z e s e c l e c t r i c a l l o a d ，s t r u c t u r eo fd a t ab u s ，a n dc o n t r o ls t r u c t u r e s e c o n d l y ，t h i sp a p e ra r g u e st h et o t a ld e s i g np r o j e c to ft h ea i r c r a f t e l e c t r i c a l s y s t e m r e f e r r i n g t ot h eb a s i c r e q u e s t o fa a e so f a b r o a d ，d e s i g n r u l e sa r e p r o p o s e d o n t h e r e l i a b i l i t y a n d f a u l t t o l e r a n t sp o i n to fv i e w ，t h e p a p e rd e v e l o p s t h et o t a l d e s i g n p r o j e c t so fg e n e r a t i o ns y s t e m ，f e e d e rs y s t e m ，c o n t r o ls y s t e ma n dd a t ab u s s y s t e m f u r t h e r m o r e ，t h ec o n c e p t o fp o w e r m a n a g e m e n tc e n t e r ( p m c ) i s p r o p o s e d f i n a l l y ，t h ep a p e rd e v e l o p sac o n c e p t u a ld e s i g nf o re l e c t r i c a ll o a d m a n a g e m e n t c e n t e r( e l m c ) o nt h ed e m a n d so f m o d u l a r s t a n d s r da n d i n t e l l i g e n t ae l m ci n c l u d e st w op a r t sa n do n ei sd i s t r i b u t i o np o w e r c e n t e ru n i t ( d p c u ) ，t h eo t h e ri se l e c t r i c a lr e m o t et e m i n a l ( e r t ) t h e p a p e r m a i n l yd e v e l o p st h ed e s i g no fe r t f u n c t i o nd i a g r a m so fc o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，b u sm o n i t o rm o d u l ea n ds o l i ds t a t ep o w e rc o n t r o l ( s s p c ) m o d u l e s a r e g i v e n f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sf a u l t t o l e r a n tt e c h n i q u e a n di t sa p p l i c a t i o ni ns o f t w a r e k e yw o r d s ：a a e s f t e p se l m c t r a d e s t u d y p m c 2 西北一业大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 一、研究背景简介 飞机电气系统是现代飞机的关键系统之一。一般来讲，它包括供电系统和用 电系统。随着一些新研制的军用机和全电飞机的发展，在多路传输技术、微处理 机技术和大功率半导体器件迅速发展的基础上，飞机供电系统开始考虑和采用容 错供电方案、分布式配电布局和负载自动管理等新技术；另外，随着全权发动机 控制系统、电传操纵系统、数字式航空电子系统在各种飞机上的应用，开始在飞 机上出现专用发电系统。这些都是飞机电气系统发展的新动向。近年来虽然飞机 供电系统取得不小的发展，但飞机和用电系统的发展仍不断的对飞机电气系统提 出一项项新的要求。这些新的要求就是促进飞机电气系统发展的动力。 概括的讲，有如下的新要求： ( 1 ) 多余度配电未来的战斗机的一个重要特征就是具有非常规机动性， 采用电传操纵和主动控制技术是提高战斗机非常规机动性的有效手段，但采用上 述技术后飞机的安全性与不采用时相比有所下降，为提高安全性，必须对飞行控 制系统进行余度配电。另外，一些先进的民用飞机也已采用电传操纵系统，出于 安全考虑更需采用余度配电技术； ( 2 ) 提高供电可靠性； ( 3 ) 不中断供电； ( 4 ) 容错供电；按照美国的先进航空电子计划的要求，容错供电系统必 须能经受多次故障，并仍能向负载供电。 ( 5 ) 采用专用发电系统；随着全权发动机数字控制系统、电传操纵系 统和数字式航空电子系统的发展和应用，为了更可靠的向这些系统供电，在飞机 上开始发展专用发电系统。专用发电系统是在稀土永磁材料和半导体器件迅速发 展的基础上发展起来的。在f 1 6 、“幻影”2 0 0 0 和新型干线飞机波音一7 7 7 中都 采用专用发电系统向飞行控制系统供电。 ( 6 ) 采用多电飞机供电方案；美国空军正在积极发展多电飞机，用电力 作动系统来取代目前飞机上使用的液压、气压和机械作动系统。因为这种飞机可 靠性高，战争所需的飞机数量可减少，从而节省大量费用：另外，电力作动系统 更能承受内部故障和战斗受损。它要求的相关技术有分布式配电系统、负载自动 管理和容错供电技术。 ( 7 ) 分布式配电和负载自动管理；目前绝大多数军用飞机还不具有负载 自动管理能力，都采用中央集中配电方案，但美国先后已在y a h 一6 4 、海军l a m p s 舰载直升机、f 一2 2 飞机和p 7 a 反潜机等飞机上使用分布式配电布局和数字式负 撕北i ：业大学硕士论文 第一章绪论 载管理技术。这些技术使飞机在可靠性、生存能力、可维护性等方面均有很大改 善。 另外，j 下如在第三代战斗机上采用电传操纵系统后要求供电系统采用余度配 电那样，隐身技术等新技术在第四代战斗机上的应用，对飞机电气系统也提出了 新的要求。 简而言之，这些新要求代表着国际上目前飞机电气系统发展的方向。 一般来说，供电系统可以分为发电系统和配电系统两大部分。 在最近一段时间内，国外飞机供电系统的发展是以采用电子技术为特征，这 在配电部分表现的更为明显。而在发电部分则以采用高速大容量发电系统为主要 特征。其中配电系统主要是实现电力功率的分配和控制，在供电系统中起着重要 的作用。到目前为止，国内外飞机的配电系统主要有以下三种结构。 ( 1 ) 常规配电系统 目前绝大多数飞机都采用它。配电功率线全部引入座舱内的配电中心或中 心配电装置，二级配电中心或电气负载从中心配电装置获得电能。在该系统中采 用了如继电器、接触器、断路器等机电式配电设备，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( 即微动开关) 的信号指示 灯来显示。它要求馈电线必须先从发电机敷设到驾驶舱，再从驾驶舱返回到机身 中心的负载。它的主要缺点有：主馈电线长而且重；需要大量的断路器、开关和 指示灯，控制面板占用大量面积，使得飞机驾驶舱内十分拥挤，给维护和检修工 作带来很大困难。 ( 2 ) 遥控配电系统 对飞机电能分配的分析发现，驾驶舱部分的用电量只占飞机总用电量的 2 5 左右，所以，在常规配电系统中把全部电力先输到驾驶舱，再从驾驶舱返回 到机身中部的做法并不十分合理。针对这一问题，开始发展遥控配电系统。它对 不用于座舱的那部分电力采用遥控的方法进行控制，配电中心位于机身中部，由 遥控断路器来转换负载和保护配电线。从而大大减轻了电缆的重量。 ( 3 ) 电气综合控制系统 电气综合控制系统，又称电气多路传输系统；是一种计算机控制的配电系统， 由系统处理机、远程终端、数据总线、固态功率控制器、控制显示装置等部件 组成。在这种系统中，负载并不直接接到主汇流条上，而是接到电气负载管理中 心( e l m c ) 上。该负载管理中心用固态功率控制器来控制负载的接通和关断， 以及配电线的保护。在这里，微机代替了飞行人员的操作，每个固态功率控制器 接通和关断电气负载必须按要求的逻辑方程进行，飞机上每一个电气负载都对应 着一个逻辑控制方程，而逻辑控制方程中的每一个条件信息将通过相应能反映系 4 两北工业大学硕士论文 第一章绪论 统飞行状态、电源系统状态、电气负载状态等有关物理量传给电气负载管理中心 ( e l m c ) ，由供电系统处理机( p s p ) 寻址每一个终端采集这些信息，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输给e l m c ，对电气负 载进行接通关断控制。上述控制仅按逻辑方程进行是不够的，还必须按整个系 统要求的程序进行。这种配电系统的突出优点是：负载并不直接接在汇流条上， 而是接在负载管理中心上，有效地提高了系统的自动化程度与可靠性。 一言概之，电气综合控制系统以及它所包含的分布式配电和负载管理中心技 术代表了当今世界飞机电气系统的发展方向。 一些技术先进的国家，如美国、英国、法国等在航空航天领域已广泛研制和 开发分布式配电和负载管理技术。如美国发展的f 2 2 飞机，其供电系统就由2 7 0 v 高压直流发电系统、固态电气逻辑系统和电气综合控制系统三大部分组成，采用 了分布式配电和负载自动管理技术，使飞机在可靠性、生存能力、可维护性和灵 活性等方面均有很大改善。 而在我国，飞机配电系统仍沿用中央集中配电方式，各个重点型号均未采用 分布式配电和负载管理技术。由于经费、技术等方面的原因，这些最先进的技术 国内目前仍处于预研阶段。随着航电、武器、飞控系统的发展和完善，飞机用电 设备和用电量的剧增，这种辐射式的集中配电系统在可维护性、扩展性、可靠性 及自动化程度方面均无法适应飞机发展的需要。随着各个重点型号的系列化和航 空技术的进一步发展，型号工程中采用电气综合控制系统已是大势所趋。另外， 将电气综合控制系统以及分布式配电和负载自动管理技术尽快地应用到型号工 程实际中去，对我们的国防、航空事业的发展也具有重大的战略意义。 二、研究目标 本论文来源于西北工业大学的预研课题，它的主要目标是力图多探索一些国 外先进飞机电气系统的先进经验和发展动态，在西北工业大学电气综合控制系统 实验室原理样机的基础上，结合型号工程实际，进行和完善先进飞机电气系统、 电气负载管理中心的理论设计，为国内型号飞机下一步采用这些技术提供参考。 塑踅三些鲞堂堡圭迨茎 篓兰童篓堡坌塑 第二煮需求分析 在上章，论文主要讲述了飞机电气系统发展的新方向和三种主要的配电 系绞结梅，褥赉静结论是；恕气综合控毒l 系统戳及它瑟包含静分南式琵电和负 载管理中心技术代表了当今世界先进飞机电气系统的发展方向。基于这个结论， 本章对这种先遂飞机嘏气系统进行需求分丰斤，它楚进行电气综合控锚系统总体 设计的基础。 第一节电气负载分枣厅 一、飞机受载分类 据美国容锘供电系统( f t e p s ) 计划，在考虑可靠性时，要求容错供电 系统给受栽供电的可靠往要魄负载本身的可靠性鬻1 0 0 倍。而每个负载的可靠 性要求相差悬殊，因此容错供电系统必须同时满足每个负载的可靠性爱求。解 决这一问题的实厢方法就是为每一类负载计算出个可靠度。考虑到人们缀常 痤援戆是系统可纛牲要浓，露不是负载本隽豹可纛性。些受藏豹可靠往嚣远 高于系统要求，这就给容错供电系统强加了一些不必要的严格要求。并非系统 孛掰有斡鄢 牟都鬟有稷鞫的可靠萑餮求，鬣藏系统静可靠性就国可靠往最差虢 部件来决定。按可靠性的高低来划分，负载可以分为以下三类： 1 关键飞行负载指为保持飞机飞行安全所必需的掰电设备。它的 可鼗性由”毪孑亍控制系统的要求来决定，飞行控制系统是关键飞行系绞豹最大组 成部分。飞行控制系统的电气控制部分至少是一个双通道双余度系统。 2关缝臻务负裁缮荛突残特宠飞行经务舞鬻静爱电设备。飞辊上 的多数电气负载属于关键任务负载。美国空军的先进系统航空电子计划要 求垒存必须翡关键任务浚备翡平均秃敬障时简为2 0 0 小时或不可靠度为t o 1 0 一。这一要求是非常谨慎的，因为并 所有的关键任务设备都是生存所必需的， 生存所必需的设备包括雷达传感器系统。在地形跟踪也形回避模式中，雷达传 感器系统瓣故障敷毙曼飞机予恁验之中，恧雷达技感器系统并不是关键飞行爱 载。大多数关键任务负载是硬件冗余或功能冗余的。 3 关键飞 亍受载指飞秘上狳关键飞行受载和关键任务负载以 外的用电设备。般来说，它是最小的一组负载。 瑷上楚按受载可嚣性要求将负载分为三大类。总的来说，弓l 起这些负载故 障的原因不外乎鹾种：一是负载本身发生故障；一是供电系统发生鼓赎。 按供电类型来划分，负载又可分为直流负载和交流负载两大类。顾名思义， 6 西北工业火学硕士论文第二章需求分析 由直流电源供电的负载为直流负载：由交流电源供电的负载为交流负载。 同时电气负载还可分为大负载和一般负载。 再进行负载配置时，负载的可靠性要求、供电类型以及负载的大小都是必 须要考虑的因素。这些因素与负载位置结合起来一起考虑，才可能使负载配置 合理、平衡，使电网的结构和控制更可靠、简单。 二、电气负载分析 为了确定飞机的不同用途对发电机容量的影响，对几种不同用途的飞机进 行了调研。调研结果表明，战斗机、电子战飞机、战斗轰炸机需要的功率最多。 功率需求的大小也与空勤人员的多少有关。新型军用飞机的发展趋势是需要更 大的发电容量。其原因是航空电子、武器、飞控系统越来越完善。专门执行电 子战的飞机要求的功率最大，其次是具有电子对抗能力的飞机。战斗机、战斗 轰炸机对供电的要求最高。 以我国某型军用飞机为例。 该机的主电源系统为双通道、非并联、可转换的交流电源系统。主电源系 统为双通道、非并联、可转换的交流电源系统。飞机直流二次电源系统设有两 台变压整流器。直流应急电源为两台镉镍蓄电池。 工作阶段分为：准备与起动、地面检查、滑行、起飞爬高、巡航、突防、 作战、自卫作战、返航、着陆、应急十一个工作阶段。分别对应g 1 至g 1 1 。 飞机在交流主电源系统及直流二次电源系统正常工作时，供电系统向全部 机载设备供电；当交流主电源系统单通道失效且左或右变压整流器失效时，供 电系统自动将雷达、综合电子对抗的干扰发射机、空地导弹、空舱导弹及吊舱 等设备的交直流用电切除；当左或右变压整流器失效时，供电系统将上述设备 的交流用电切除。 以下是其交流主电源系统及直流二次电源系统正常工作时的电气负载统计 表及图( 注意：图表中未给出应急( g 1 1 ) 阶段负载统计数据；作图时，未按g t b 8 6 0 9 0 飞机电气负载和电源容量分析来作，只画出某型机双发连续负载要求 图、直流连续负载要求图。给出的数据和图表只是作论文说明使用) 。从图中可 明显看出突防、作战即g 6 、g 7 阶段负载要求最高。 7 西北工业大学硕士论文 第二二章需求分析 表2 1 1 交流主电源系统及直流二次电源系统正常工作时统计负载 负载要求种类 单位 g lg 2g 3g 4g 5g 6g 7g 8g 9g 1 0 左发5 s 负载要求 k v a1 931 961 761 772 092 082 2 1 18 4l761 02 左发2 m i n 负载要求 k v a18 41 881 7 01 651 9 61 982 001 731 6696 左发连续负载要求 k v 丸1 8 01 8 41 691 6 41 921 971 971 721 6595 右发5 s 负载要求 k v a1 2 11 461 2 41 25 1821 882 0 11 651 5 舟1 63 右发2 m i n 负载要求 k v a1 l81 431 151 l51 721 78 l801 531 479 1 右发连续负载要求 k v a1 181 421 13l l3 1 691 751 751 5o1 4 489 双发5 s 负载要求 k v a 3 143 423 003 0 23 9 1 3 964 223 493 342 65 双发2 m i n 负载要求 k v a 3 023 3l2 852 803 68 3 763 8 03 263 13187 双发连续负载要求 k v a 2 983 262 822 773 6l3 72 3 723 223 09184 直流1 m i n 负载要求 a1 9 32 0 51 8 51 7 53 3 4 3 3 43 5 82 1 51 9 5 l8 0 直流5 m i n 负载要求 a1 7 21 8 5 1 7 01 5 73 0 23 1 83 181 9 8 1 7 81 6 3 直流连续负载要求 a1 7 21 8 51 7 01 5 73 0 2 3 1 83 1 81 9 81 7 81 6 3 图2 1 1 某型机双发连续负载要求 8 堕! 塑：些查堂堡圭堕奎 茎三至重鲞坌堑 图2 1 2某型机齑流连续负载蒙求 第二节电气系统需求分析 一、供电系统需求 第三代战斗机的主要特点之一是采用电传操纵系统，要求供电系统采用余 度酝电。褥第四代战斗梳翡特点裂燕采爱臻身技术，具有趣音速巡靛、j 鬻魏 机动以及武器的发射后不管等特点。 第四代飞机对侠电系统要求主要有( 栩比第三代战斗机而苦) ： ( 1 ) 增大供电系统的容嶷。其主要原因有以下两点：a 、提高露达的发射 功率；b 、增强电子战能力。 ( 2 ) 捷裹供电系统的发魄效率。这主要是基予飞辍瓣鼗热鞫蘧寝提离簸萼 机性能等方面的考虑。基于重量、体积、效率等方面的考虑，第四代战斗机将 广泛采用2 7 0 v 蕊压毫流供宅系统。衡螽美国f 2 2 战斗税就采稻了这种供电系 统。以美圈海军研制的先进战斗机供电系统为例，若用高压意流供电系统取代 目前广泛使用的交流供电系统，则发电系统重量可减轻2 5 ，航空电子设备中 电源装要鹩重量可减轻4 0 ，发电效率可提裹1 5 。 ( 3 ) 提高供电系统可靠性。解决这一问题的主要途径是：采用高可靠性的 裹痿壹滚供逛系统窝采爝容镣供电投零。 ( 4 ) 更多地采用计算机控制技术。显然，无论是分布式配电、负载自动管 理技术、公共设备管理技术，还是容错供电技术，都需簧采用计算枫控制投术 才能得以实现。 总之，高可靠性、大容量的高压童流供电系统是先进飞机供电系统的发展 趋势。 9 西托：l ：韭大学硕士论文 第二章需求分析 二、配电系统需求 配宅系统整分布静电气受羧管理中，c 4 e l m c ) 缝成，这耱分耀式数方案巍簿 低战斗受损和系统总重量。负载的供电由e l m c 中的固态功率控n 器( s s p c ) 控 制。一般采讲，个e l m c 可连接7 0 到1 0 0 个左右的s s p c 。一般的战术战斗 机大概震要5 0 0 个左右的s s p c ，这样的话，大概需要5 到8 个e l m c 就可满 足需求。按5 个e l m c 来处艘，就可分别装在左前和右前航空电子舱，左右机 翼及驾驶魑内，从页覆盖了整个飞搬。e l m c 懿主要任务是霜子放嚣s s p c 及 使s s p c 与数据总线接v i 。为了最大限度的使用数据总线上的每一个终端， e l m c 还可敬蘧糖一些辩蕊功能，黧热入涎程终溺蕊一蕊功笺。这铎靛凌数据 总线上的终端数目最少。e l m c 中的附加功能有模数转换和离散量输入输出 ( ) 。横据一黧先避飞机的电气系统研究资料羲示，系统离散i o 数据传输的 1 5 由e l m c 处理，8 0 由远稷终端( r t ) 处理，剩余的5 出发电枧控制器( g c u ) 来处理。 三、关键飞行设管供毫需求 簌设诗嚣裂出发，飞控系统戆每一令遴遂都簧奏它塑己懿独立惫源。这些 电源可能交叉连接形成附加余度。例如，对于三佘度的飞控系统，就要有三个 独立的电滚。对于直流来说，这穰容易用三个交压整流貉( 豫u ) 来实现。对 于交流，主发电机提供两个电源，第三个电源可以是直流汇流祭供电的静止变 流器。使用交流电的一个缺点是没有一个简单的方法来给关键飞行设备提供不 阉叛电源。露用意滚电，则可爆电源通过二极管并联的方法解决这个闼题。艨 以，对关键飞行系统来说，推荐使用直流供电。 在王程实舔中，纛e l m e 内掇供一个关键飞行受载正滚祭，每个汇滚条 由它自身的t r u 供电，备份电源由与t r u 并联的蓄电池提供。该汇流条上可 戳涟接许多个关键飞彳亍设备，如采裔冗余度要求，如三余度的飞行控翎系统， 则舔一个汇流条上只能连接设备的一个通道。e l m c 中有了关键飞j 亍负载汇流 条，就能适应多种功能的需要，而且减少了负载馈线的数目。 西、毫气爨载管壤中心系统需j l 专 对予先进飞缀瑟富，其供电系统戆发矮趋势楚逶应综合纯靛空电子系统鹣 需要，采用先进的容错供电方巢、分布式配电布局和负载管理中心技术。那么， 在考虑电气受载管理中心技术静工耧应用拜誊，藏必须考纛综合靛空电子信怠系 统、容错供电方棠对于负载管理中心的要求。 ( 1 ) n - i 靠性要求 1 0 两j e + e 业犬学硕+ 论文第。章需求分析 要求供电系统向负载供电的可靠性眈负载本身的可靠性高1 0 0 倍。但负载 可靠蛙的指振是各不棚同的。 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 一9 4 9 0 d 臻出飞行控割系绞敖簿弓| 起竣斗橇失事熬概率为。2 5 戆飞行控 制系统故障由液压动力s i 起。1 2 5 幽机械作动系统引起，6 2 s 是因为电气控 铺部分弓| 起。飞行控翻系统的电器控制部分至少楚双逶道双余度系统，革个关 键飞行负载的可靠度仅仅是飞行控制系统中电气控制部分一个通道的可靠性， 单通道的可靠度是双通道双余度可靠度的平方根。 设 飞霉亍控剃系统发生故障豹概率= q f c s ； 飞行控制系统中电气控制部分发生故障的概率一q e s ； q e s _ ( e 6 2 5 ) ( q f c s ) ； q e s = ( 0 6 2 5 ) ( 1 0 0 1 0 “) ； 教q e s - - - 6 2 5 l o 一： 又设 飞行控制系统中电气控制部分单通道发生故障的概率= q s c ； ( q s c ) ( q s c ) 一q e s ； ( q s c ) 2 = 6 。2 5 1 0 4 ： 故q s c = 2 5 x l o 一： 奄气控制部分之繇数失效，一怒由于毫气控铡部分爨身发生敲障，一是因 为给电气控制部分供电的电力系统出现的故障。疆求电力系统的可靠性比其负 载的可靠健高l o o 倍，此负载就是飞行控铷系统中电气控制部分的一个通道。 设电力系统的不可靠度= q e p s ； q s c + q e p s = 2 5x 1 0 ： q e p s = q s c + 1 0 0 ； q s c 十o o l q t ! v s = 2 5 l o 一： q e p s - - 2 4 8 x lf f 5 。 经计算可知关键飞行负载的供电不可靠度为2 4 8x1 0 一。 同样的道理，容错供电系统提出给关键任务负载供电的不可靠度必须低于 9 。9 1 0 。，绘菲关键飞行受载供电静不可靠度必须低于2 7 7 xl 。( 注意：关 键任务负载的不可靠度是按要求关键任务设备的平均无故障时间为2 0 0 小时或 者不可靠发热1 o x1 0 2 来诗舞戆，饕关键飞嚣受载豹不莓靠凌楚按要求关键任 务设备的平均无故障时间为7 0 小时或者不可靠度为2 8 x 1 0 2 来计算的) 。 ( 2 ) 容错i 隧要求 根据先进系统航空电子计翔的要求，容错供电系统成能经受多次故障，并 两就：l ：韭大学硕士论文 第二章需求分析 仍髓为负载供电。在研制容祷供电系统的祥视时，把容锘供电要求籁定翔下： 必须在经受一次故障时仍能肉所有负载供电；在发生两次故障后仍能向所套关 键任务负载供电；在发生三次故障后仍能向所有关键飞行负载供电。这些故障 可以发生在网一供电逶道的不弱邦譬上，巍可发叟在不秘通道豹舄一型号产品 上，或者以上述两种方式的组合形式出现。 具俸到宅气受载管理中心豹设计，它凌必须考虑容镨供毫要求。关予惫气 负载管理中心的容错供电拓扑结构可参看第三章内容。 飞梳电气系统盼负载管理中心( 都e l m c ) 跫现代飞机宅源系统的重要组 成部分，它由配电中心却智能终端以及智能总线接口组成。其原理楼图如下图 所示： 1 1 5 v4 0 0 h za c 配 ，一广卜 - d s s p l 1 1 5 v4 0 0 憋矗e l 目自b gl + 2 8 vd c 电一1 冒髂塥 ： 一。一一“ r fl 一鹭娶 + 2 8 vd c 中 ， l 一一， o 智能ij + 2 8 vd c 善电漶 心 | 总线接e l | j i 一一。 二鹜鲢。 电气系统数据慧线( 1 8 5 3 1 3 双余度 图2 2 1 电气负载管理中心组成 可以看出，智能终端是e l m c 的核心。它聚集固态功率控制器s s p c 的状态信 号( 即用电设备姻状态信息) ，根据这些状态售息，通过霹之鳃若予电气受载管理 逻辑方程，控制电气负载的接通与关断，以及对配电中心电源进行管理。各种 辊载电源裂由供魄系统羟理攘来统一管理。e l m c 逶过m i l ，s t d 1 5 5 3 b 数掇总 线与供电系统处理机相连。智能总线接口按照1 5 5 3 b 通信协议先成e l m c 与主 处璇祝之麓静数据交换。餐随着飞褫性能的不断挺高，梳载用电设备的类鼙和 数据不断增加，对它们的控制和管理越来越复杂，系统硬件和软件发生故障的 概率也随之增加a 因此，提高系统可靠性的问题变得目益尖锐，任何控制上的 不w 靠因素翻诗算援豹微，l 、赦薅均可能导致滩班鞭辩戆严重嚣柴。e l m c 穆为 航空电气综合控制和管理系统的主要单元，宜接管理配电及控制机载用电设备， 聋就互韭夫擎顼士论文 第二章辩零努褥 它禳据嗣窀设餐熬霞先等级将嚣及发宅系统懿状态控制s s p c ；娃保诞关键浚备 囊魄及控制枧载鼹电设餐势掇离电源剥用攀。 因此，要掇商智能e l m c 的可熊性，必须采用容锗掖术，莉用豁错软件稚 势翻冗余爨源来露静教獐影浆，搜褥系统的硬转秘软拳教瘴不影馥系统运行瓣 正确性。 第黧节电气系统总线结构分析 为了嫒大限度的利用综合航空电子信息系统( d a i s ，d i g i t a la v i o n i c s i n f o r m a t i o ns y s t e m 静技术衽资源，稳蕊了奄气综合控裁悉绞与综合靛空逮 予信息系统数据总线确不同练合程度的两种设计方案：综合式数据总线结构， 分鼷式数禚总线结梅。本节首先论述综合靛空电子信息系统的概念及其与嘏气 缀会控利系统黪关系，然辱分辑班上嚣季孛总线结构。在进行分辑对，将裴练合 式数据总线结构也作以分析，与以上两种缩构进行对眈。 一、综合靛空纛子信息系统的概念掇莫与耄气综合控制系统鹩关系 综合靛窒惫子蘩愚接术蔗一个在黄剿麓空阏疆裁条静下、薅密集控兹魏窒 电子子系统集合进行信息综合和功能综合的技术。从概念上讲，电予综合化是 一襁诗葬辊联瓣技术，然 蠹它又不藤于一般懿计算税网络，露为一般鹣诗蒋橇 网络是要孵决用户对网络资源的共攀，其主要目的是试图鳃除地理上的约束， 解除通讯容量和负载均衡的简题。i 酊带于飞机上的计算机网络，除了各个计算 飒餐褒入熨龟予子系统之串这点之终，它溉要满足各个功能子系统( 磐镄姆、 火控、通讯、电子对抗) 的实时性要求，还要通过信息交联达到功能综合的目 静。它特鬻瑟调通过严牾静故障稔溺移提供胃我譬翡资源( 软俘蠢硬件魏霓余 度) 已达到高的可靠性、残存性和容错能力。 综合航空电子穑惑系统帮d a i s 系统，是由毫子僚怠的集中统一处理帮控 制的原则爨发磷设计的一般性系统。这珊体系缨榻是一耪总的系统概念。宅不 是将系统划分为各个功能的予系统，而是用来综合与航空电子传感器和子氟统 籀关联冀瀵囊麓。d a i s 落系结饕是囱一些椽壤豹梭，玉部俘翔d a i s 多鼹傣输系 统，d a i s 处理机和内存，d a i s 执行软件、通用终端及控制鼎示等组成。在系 统配置中，根援各释飞撬霸器子系统瓣嚣漂，处瑗辊、终端黪数鑫可落哥躐。 配鼹特定的应用软件与总线棚接口，就可满足各种飞机的功能需要。这就大大 减少了各种羹母酌飞税和各个子系统的重簸设计，如奄子传感信息按墨，备子 系统阕数接翟，各孑系统趣麴动箨撩谡等秘蘧。便硬警魏款馋餐标臻讫霸接块 化。 西北工业大学硕士论文 第二章需求分析 电气综合控制系统即电气多路传输系统，它是从d a i s 概念出发，为航空 电气系统设计的一般性的通用系统。但又与d a i s 系统有所区别。电气综合控 制系统是适应d a i s 系统的发展，为克服不同机种、不同类型的电气系统所需 的不同设计，这些重复而又不同的设计主要是与各子系统的硬件接口和通信规 约。由于这些繁杂的通信规约或系统的结构形式，而导致系统的软件结构和硬 件接口的不同，以致对每一个飞机都必须有一个从头到尾的设计。这使得研制 周期和成本都大大的增加了。与d a i s 系统相类似，电气综合控制系统是由供 电系统处理机、电气负载管理中心、发电机控制器、多路传输数据总线、通用 终端、执行软件等核心部件所组成。可根据不同的飞机，取用适量的终端，配 置特定的应用软件以实现不同飞机的要求。与d a i s 系统不同的是它的主处理 机可能不仅执行总线控制功能，还必须执行总线之间的相互通信，且总线上的 一个智能终端如发电机控制器可能不受总线处理机的控制。 二、非综合式数据总线结构 非综合式数据总线结构如图2 3 1 所示。在这种结构中，综合航空电子信息 系统和电气综合控制系统的控制功能采用各自独立的数据总线并完全隔离。 这种结构相比之下有以下优点： ( 1 ) 系统综合与试验简单，这是综合航空电子信息系统和供电控制功能分 开的结果。 ( 2 ) 由于采用和d a i s 类似的方案，采用现有的软、硬件模块，因此易在 对软件影响最小的情况下实现扩充。 ( 3 ) 现有的d a i s 软件是“货架产品”，仅仅只需编写应用软件包，对 现有d a i s 软件改变很少。 其主要缺点是： ( 1 ) 多重的综合航空电子信息系统r t 接口由于两种总线在物理上是隔 离的，电气综合控制系统管理所需的综合航空电子信息系统信号在每个总线上 都需要双重的接口。 ( 2 ) 附加的控制和显示由于综合航空电子信息系统和电气综合控制系 统之间没有数据通道，所以为d a i s 开发的多功能控制和显示器都无法使用。 ( 3 ) 较高的总线负载由于综合航空电子信息系统总线来的信号不能 用，必须通过双重总线接口来获得信号。 ( 4 ) 附加的重量 由于多重的d a i s 元件，如控制、显示和总线接口硬 件，使系统重量增加。 1 4 堕i ! 三些奎堂堡主逾茎 整三兰篓登坌堡。一 图2 3 1非综合式数据总线结构 三、综合式数据总线结构 综合式数据总线结构把综合航空电子傣怠系统静处疆器和电气综合控稍系 统的处理器综合在同一数据总线上。其方案如图2 3 2 所式。综台航空电子僚息 系统处理器作为整个数据总线的总线控制器使用，另外还实现综合航空电子信 息系统豹功能。供电系统处理枧分享周一个数据想线，并且还镑理黄e l m c 、 r t 和g c u 。电气综合控制系统和航空电予系统欺同分享控制器和显示器。 这秘方案懿主要毯点是： ( 1 ) 对现有的d a i s 方案改变很少在这种结构中，供电系统处理器 作为远程终端使羯，并盛所有的执行软件都是贷粲产品。仅仅只需编写电气综 合按制系统应用软件包。 ( 2 ) 最少的功耗和重量同另外两个方案相比，综合式方案减少了对 d a l s 软、硬 孛的冗余饺用。 ( 3 ) 较少的内存需求由于供电系统处理机是位于综合航空电子信息 系统数据慧线上耱一个远程终端，因魏虿俊箕弧行程守较少，掰需瘫存较少。 其主要缺点是： ( 1 ) 电气综合控制系统和综合航空电子信息系统的褶互影响对于任 一系统的敬变都将影嘛到另一系统，因为受所采婚豹总线豹通信量的限制。铡 如1 5 5 3 b 总线的最高通信速率为l m b i f f s 。程设计数据总线协议和信息处理时也 必绥考惠嚣个系绫霖要靛拣盔瓣藏。 ( 2 ) 较小的可扩展性d a i s 型数据总线可以扩展，但最多只能接纳 两北j 【：业大学硕士论文第二章需求分析 3 2 个单元。 四、分层式数据总线结构 图2 3 2综合式数据总线结构 分层式数据总线结构如图2 3 3 所示。这种方案和前两种方案的主要区别是 供电系统处理机接在隔离的综合航空电子信息系统数据总线和电气综合控制系 统数据总线之间。供电系统处理机在综合航空电子信息系统总线上是一个远程 终端，而在电气综合控制系统数据总线上则是一个总线控制器。 这种方案的主要优点为： ( 1 ) 较少的总线负载 由于综合航空电子信息系统的数据可从一个单 独的总线上获得，因而在供电系统总线上的通信量减少了。 ( 2 ) 较大的可扩展性 分层数据总线结构提供了几乎不受限制的增长潜 力。这是由于这种结构可以层叠任意数量的数据总线，每一层数据总线通过一 个总线间的处理器与下一层总线相互通信。 ( 3 ) 综合航空电子信息系统和电气综合控制系统的独立性由于几乎 已经全部消除了对综合航空电子信息系统和电气综合控制系统响应时间统一性 的要求，因此软件可以更加独立地发展。 其主要缺点是： ( 1 ) 软、硬件不成熟 与两个数据总线接口的总线间处理器和执行软 件还在发展中。 ( 2 ) 增加重量 与综合式方案相比，多一个数据总线接口需要更多 的总线接口电路和电源装置。 ( 3 ) 更高的软件开支 供电系统处理机既作为综合航空电子信息系 统总线上的远程终端，又作为电气综合控制系统数据总线上的总线控制器导致 啻|i盯_ 。 卅 川卜，一 统 藩，r一圃鬻中圃 rll】|l1_毡 二二二_ 二 线_ ；皂丽腮r 电盯_i_ 一 陬卜_十j|h 一 坚 陬旧】l_ 器就1 ：韭大学硕士论文 第二= 章需求分轿 了较大的软件开支。 翟2 3 3分瀑式数撂慈线结稔 五、毫气系缝总线结梭选择 以上对于三种总线结构的分析是在综合分析国内外研究资料基础上进行 的，所提到的软硬件“货架产品”对于我阐来说，未必是现成的。但通过对它 们的挠缺点分掇，认力分层式数据想线缝援是比较先遴豹，嚣越适合予先遂飞 机应用。 第四节电气系统控制结构分析 根据电气综合控制系统对飞机电气系统的控制方式来划分，可以有三种结 稳形式豹系统靛麓方案。 ( ) 集审控割方式 在这种控制方式下，各台发电机分别由相应的发电枫控制器g c u 控制，飞 机配电系统和电气负载分鄹由一台中央计舞机集中控制。其主要缺点有：当电 气系统结稳复杂竣电气受载数基大辩，所鬟控割点豹数爨就较多，中央诗算瓿 循环扫描控制的速度就慢：若中央计算机失效，整个系统无法工作，即所谓“集 中控潮，筑险集中”。 1 7 耍i ! 兰些查堂堡主鲨奎 蔓三垩妻墨坌圭羔一 ( 2 ) 分带式控制方式 在这蕈孛控利方式中，系绕静撬行功麓不是驻磐在一个任务楚理部件之中， 而魁以分别执行的方式分布在它们之间。分布式结构使用多个独立的工作的处 理器并虽对总线系统提供信惫。总线系统上静倍憨，其它酌赴瑶器或箱户在德 们需要时可以为之使用，总线也可以用来从其它的处理器处索取要求信息。由 总线系统搓供的“水平”综合，允许在所有的处理器之间以及在系统的其它部 件之间进行信息交换。 在这种控制方式下，发电机、主配电中心和二级配电中心分别由相应的 g c u 、r t 秘e l m c 控制。r t 完成圭配龟皆心电源汇流祭瓣控翱，e l m c 完藏 电气负载管理优先级选择、解算电气负载供电请求方程等功能。各终端通过电 气数据总线实现信患共李，系统中没有p s p 向各终端发送控锖命令。 ( 3 ) 纂教控制秀式 在这种控制方式下，电源系统的发电机由相应的g c u 控制，飞机配电系统 由供电系统处理机( p s p ) 集中管理，p s p 究成电源汇流条布局控制、电气负载 使宠级选箨、掰葵电气受载供电谚求方程等臻能。主醚邂中心、二缎嚣宅中心 分别由相成的智能远程终端( r t ) 和负载臀理中心( e l m c ) 控制各e l m c 或r t 逶遥电气数据憨线连接。p s p 避过电气数据总线向终端控制器发送控制命 令和接受系统状态信息。 以下麓三种控铺方式的魄较结果： 表2 a 1三释控粼方式麓跑较结果 i 控捌方式系统缝捷碍靠蛙实时性酝电方式系绫综合 集中控制较简单一般差集中配电不适合 集数控利囊杂一般较好分布汇流条遥合 分布控制复聚高好分布汇流条适合 通过以上眈较可知，集散控制、分布控制适于采用分布式汇流条布局的配 电系统，并可实现飞枧电气系统豹综合化控制。 ( 4 ) 关于壤散控制方案与分布控制方案的讨论 a 集散式控制方案在这种方式中控制权限级别如同一个倒挂的树一样 是逐缓下簿豹，筵“耱搬”楚全系统韵主藏臻，疑有最离静权萃| l 。为了减轻数 据总线上的流量，以增强系统的扩展性，此树根顶点处的计算机，既是整个系 统的控制端，又w 以作为与驾驶员人梳接口的显示控制分系统，这样就使得驾 魏i k ：i ：业丈学硕二 ：论文 第二章需求分析 驶人员成为实际的控制核心，而为了减轻端驶员的工作负担，可以让备个层次 的总线级分别担负着不同的分散控制的功能。 b 分布式控制方案采用分布式计算机控制方案，系统中若干台计算机 相互协作又相互独立来进行负载控制，如飞机防冰的电气负载管理与起落架收、 放控制完全独立完成，但配电中心的配电汇流条控制就应该统一控箭与切换。 尤其所需信息共享，如某个电气负载出现故障时，就将诧信息存予公共存储器 中，这样其它需要此信息的计算视亦可以共享。电气负载管理中有些信息亦可 以赢接取岛航亳系统计算梳，辩失速警告系统中静马赫数与攻角，敌资源共享 总怒贯穿在整个系统设计中。 一言蔽之，两种控铺方案锌有特点，都适蠲予分布式汇流条布届的配瞧系 统。僵瀣予靛空电气受装缀分数磊显是实辩要求较高，糨魄之下分布式控铡方 案剐优子集散式控秘方案受透合予舷空电气受裁静诗算橇篱理。故在先进飞枫 电气综合控制系统研豢l 运黑受裁鸯动管理技术黠，采用分东式控剁方案是魄较 适宠熬。 如果采题分布式控制方案，则电气综合控制系统裁会构成为一个分毒式多 极操 乍系绞，黩兹来讲，这季孛系统基本上出三秘组织缝毒句：主从续构，独立监 控结构，移动式监控控制缝掬。这三秽缝构的操 乍系统的优点、缺点及主要特 点总结如下： ( 1 ) 主从操馋系统 a 。操i 乍系统程序狂一螽处理机上运行。如果从处理机鬻要主处理机提供服 务，则向主处理机发出请求，中断其进程，主处理机提供服务。因只在一个处 理机上执行操作系统程序，所以该程序不必重新写入。 b 只有一个处理机执行监控，所以不会发生表冲突及寝锁定。 c 当主处理机失败或发生不可恢复错误时，整个系统会崩溃，这就需要人 工干预踅新启动系统。 d 若主处理机的任务分配程序不能保证从处理机一直处于工作状态，则从 处理机的空闲时间w 能比较长。 e 这种类型的操律系统适于任务负荷已定好的系统或不对称系统，从处理 机功能比主处理机少的系统。 ( 2 ) 独立监控结构的操作系统 a 每台处理机为自己服务。事实上，每台处理祝都有自己的i 0 设备、文 件等。 b 监控程序可重入或复制，使每个处理机有一个独立的副本。 c 每个处蓬机有自己的一组私有表，但有些表要全系统公用，这就产生了 争 两北t 业大学硕士论文 第二章需求分析 一些表访问冲突问题。 d 这种操作系统同主从结构系统一样不坚固，而且当系统失败后不容易重 新启动。 ( 3 ) 移动式监控操作系统 a 监控程序会从一个处理机移动到另一个处理机上，显然有可能几个处理 机同时运行