（电力电子与电力传动专业论文）多电飞机供电处理机和负载管理中心的研究.pdf

西北工业人学硕士学位论文 a b s t r a c t p o w e r s y s t e mp r o c e s s o r ( p s p ) a n de l e c t r i cl o a dm a n a g ec e n t e r ( e l m c ) a r ei m p o r t a n t r e s e a r c hf i e l d so f t h ep o w e rd i s t r i b u t i o nf o rm o r ee l e c t r i c a la i r p l a n e st h ep o w e rd i s t r i b u t i o n s y s t e mf o rm o r ee l e c t r i c a la i r p l a n e si sam i x e d - m o d ep o w e rs y s t e m ，i nw h i c ht h en e we l e c t r i c a l m u l t i p l e x i n g ，d i s t r i b u t e dc o n t r o la n dc o n c e n t r a t e dm a n a g e m e n ta r eu s e dt h ee l e c t r i cl o a d m a n a g e c e n t e rc o n t r o l se l e c t r i c a ll o a d s ，a n dt h ep o w e r s y s t e mp r o c e s s o rc o n t r o l st h ew h o l e e l e c t r i c a ls y s t e m t h e p o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mr e a l i z e se f f e c t i v e l yl o a da u t o m a t i cm a n a g e m e n t t h ep u r p o s eo ft h e p a p e r i sn o t o n l yt oa n a l y s ea n dr e s e a r c ht h ep o w e rs y s t e m p r o c e s s o ra n dt h ee l e c t r i cl o a dm a n a g ec e n t e r ，b u ta l s ot od e s i g nt h es c h e m eo ft h ep o w e r s y s t e mp r o c e s s o ra n dt h ee l e c t r i cl o a dm a n a g ec e n t e r t h ee m p h a s i si st oa n a l y s i st h e s o f t w a r ed e s i g no ft h ep o w e rs y s t e mp r o c e s s o ri nd e t a i l t h ec o n t e n to f s o f t w a r ed e s i g n i n c l u d e st h et r a n s p l a n ta n da p p l yo f r t o s ，t h ee s t a b l i s h m e n to fi n t e r r u p tm e c h a n i s ma b o u t s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，t h er e a l i z a t i o no f s y s t e mf u n c t i o n ，t h er e a l - t i m ed a t ap r o c e s s i n ga n d t h es e t t i n ga n d m a n a g e m e n to f t a s kp r i o r i t y t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fs y s t e md e v e l o p m e n ti s p c i 0 4a n dt h es o f t w a r ep l a t f o r mi s i t c o s - i i a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o no fp o w e rs y s t e mp r o c e s s o r ，s e v e r a lt a s k st om a k e g c o s - i ia r e m p e r e d a n dm a n a g e da r ed e s i g n e d 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 ，p o w e rs y s t e mp r o c e s s o r e l e c t r i cl o a d m a n a g ec e n t e r ，g c o s - i i ，p c 10 4 ， s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 第一节多电飞机电气系统结构 飞机的二次动力( 能源) 包括电能、液压能、气压能和机械能等几种。 每种二次能源都应包括独立的能量产生、转换、调节、控制、保护、分配和 传输等环节，都各自是一个结构复杂的完整系统。而几种能源的共同存在使 得飞机内部结构异常臃肿，导致发动机附件机匣复杂、安装空间紧张、检修 维护不便，并加大了发动机迎风面积，同时使飞机上电路、管路并行，安装 困难，液压、气压管路及管路接头容易泄漏，这些都使飞机性能和可靠性大 大降低，从而使飞机对地面设备依赖性过大，不能满足现代战斗机要求的不 同飞行状态下的故障自检( b i t ) 和冗余容错处理功能。 为提高飞机性能，降低维护成本和时间，人们一直努力改变现有飞机的 能量布局，减少二次能源的种数，使能源单一，便于结构设计和维护。七十 年代，由于大规模集成电路和电工技术的迅猛发展，使得用电能取代机械、 气压、液压等三种能源成为大势所趋。这样，七十年代后期出现了全电飞机 ( a e a ) 的概念。 全电飞机是指把飞机上的所有二次动力转化为一种电动力全部二次动力 由主发电机承担，没有发动机带动的液压泵，从而也就没有全机身分布的液压 管路，也没有供气压拖动用的发动机放气管路。飞机的主要操纵面都是由电动 力驱动小直径的绞线拖动机构操纵。其启动发电机直接安装在发动机短轴上。 这样，所有飞机机载设备和操纵系统都将由电能驱动，从而实现飞机的电气 化控制和管理。 由传统飞机到全电飞机需要一个漫长的发展和过渡过程。在一定时期内， 以电能部分取代液压、气压等能源比较现实。这样，波音公司在八十年代初 首先提出了多电飞机( m e a ) 的概念。 无论是全电飞机还是多电飞机，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。 塑j ! 三些盔堂堡圭鬟堡婆塞一 墨= 堂鱼婆 飞机电气系统包括供电系统和用电设备两部分。用电设备是指飞机上的 所有电负载，包挺武器、蚕达、发动捉控利等负载单元。瑟供电系统则是瑗 代飞机的重要组成部分，其作用是向飞机上所有用电设备( 如电子设备、1 s 控系绞、照明、茨球设备等) 提供宅熊，傈谣飞橇静歪鬻飞行零拜完成藏斗任 务。它主要由电能产生装置、变换装嚣和输配装置组成。按功能，飞机供电 系统又可分为电源系统和配电系统( 蘸l 于飞机上电能传输距离短，用电设备 相对集中，输酝电系统统穗配媳系统) 援大部分。电滋系统出主电源、= 次 电源、应急电源和辅助电源组成。主电源由航空发电机和电源调节保护设备 缰或，楚飞瓿j 二全部臻迄设备瓣舷源。二次龟深弱起羲褥主奄源电能转换为 另一种符合负载需求规格的电能的作用，用以满足不同负载的需求。应急电 源是为了提高系统的容错性和可靠性，是独立的电源系统，当飞机上的主电 源发生敞障时，应急电源( 多为舷空嚣电池) 即取代主电源肉飞机上的重要 用电设备供电。辅助电源可为航空蓄电池或其窀一些由小型机裁发动机、发 毫瓿等鞠或敦动力装鬟。 配电系统由电网、配电装疆和保护装置组成，它的作用是将电源系统产生 的电麓倦输稻分配鬟飞税上的各个甭电设备。按照功麓，配电系统又w 分为供 电网和配电网。供电刚用来把电能从电源输送到配电中心，配电网再将电能从 配电中心输送到用电设备。根据配电方式不同，飞机配电系统w 分为集中式、 分布式耱混台式三穆。 ( 】) 集中式用这种配电方式时，所有电 源繇产生的电麓都送蚕中心醚电装置，帮所有 电源发电机并联于一个公共电网上进行工作， 然后由配电装鬣将电能分配到备用电设备。这 个方式的主要优点是：当台发电掇损螺辩，蠲 电设备仍能由熊它发电机继续供电操作维护方 k v ， 毫气囊誊 图i - l 集中式配电布局 後。由于这些褥点，这萃孛配亳方式在蠹流配毫系统中褥翻广泛废用。这辩系 统的缺点是配电系统重量大，中心配电装置笨蘸，一旦受到损坏所有用电设备 耍! i 三些壅兰堡主堂堡婆塞 均断电。原理如图l 一1 。 ( 2 分奄式分糍式配电的原理圈如图 l 一2 所示。采用这种配电方式时，各电源产生 懿电麓分剐输送劐各螽豹琵奄装置，然嚣由 它给其靠近的用电设备供电。各配电裟置之 间经过自动转换。当葵中任一电源损坏时， 由该电源供电的用电设备就通过自动转换开 关接到另一电源上去。这种系统适用于电路分 第一鼙绪论 宅气拽雹电气艇我 圈卜2 、分布式配电布髑 支较多、用电浚备连接嚣线截麓较大豹场合。这耱酲奄系统懿俊点是避免了电 源并联运行的复杂性，同时对电源来说，它的结构如控制保护装置等比较简单， 因而挺离了系绕酶可靠瞧。这种配电方式在交流配电系统中存在着可能的拍频 于扰，因此在系统设计时要加以注意。 ( 3 ) 混合式混合式配电的原理如图卜3 所示。在这种配电系统中由电源产 生豹电缝都辕遴绘中心配宅装嚣，稼了中心配彀装萋之终还毒装于个二次配逛 装置。它们安裴在飞机的不同部位，备用电设锯可分别由上述两种配电装置供 篷。这种配电系统其有集中配嘏与分散配电的饶点，可以大大减，j 、导线和配电 装置的重量，假是其缺点和集中配电方式一样，只要主配电中心遭到破坏，全 部用电设备的供电立即中断。这种配电方式目前广泛的用于中溅飞机上。 走碴j 套琏滚瘴气嶷蘸 图1 3 混合式配电布周 耍j ! 三些盔堂亟主堂堡婆塞 星二至堡堡 配电系统按控制方式分为以下三种： ( 1 ) 常规配电方式。配电功率线全部引入座舱内的中心配电装置，二级配电 中心或电气负载从中心配电装置获得电能，由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控制信号线手动管 理电气负载，负载的状态由状态电门及信号指示灯来显示。这种配电方式在过 去三、四十年的使用中证明是有效的。但是，随着飞机功能的增强，用电设备 的增加，电缆、断路器以及各种开关、指示灯随之增加，控制面板占用面积大 幅增加，使得驾驶舱变得十分拥挤，给维护和检修工作带来很大的困难。同时 这种手动负载管理方式使飞行人员负担增大。 ( 2 ) 遥控配电方式。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，由断路器提供馈电线过载保护，飞行员通过接触器对用电设备进行 遥控。现代大、中型飞机均采用此类配电方式。虽然遥控配电方式减轻了电网 的重量，但飞行人员仍须手动管理电气负载。 ( 3 ) 固态配电方式。随着电力电子和微电子技术的发展，固态器件取代了传 统的绕线式、触点式继电器和接触器。这种固态器件可以用计算机进行控制。 固态配电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。固态配电系统采用分布式汇 流条配电方式，飞机座舱中无须设置中心配电装置，用电设备就近与配电汇流 条相连，由s s p c 对负载进行控制和保护。显然，在这种配电方式下，微型计 算机全部或部分代替飞行人员的操作，进行负载自动控制和管理，减轻了飞行 人员的负担。 由上可知，固态配电系统采用了多路传输技术，导线长度和重量大大减少， 配电系统效率和可靠性得到提高，另外，由于负载不直接接在汇流条上，而是 接在负载管理中心上，使得系统整体性能优于前两种配电系统，它是飞机电气 系统实现综合化控制的基础。由于这种配电方式具有电网重量轻、工作可靠、 高度自动化等一系列优点，所以已经得到各国的重视，是飞机配电系统的发展 塑i i 兰鎏茎堂臻主兰堡篓墨 力i 向。 第一蕈绪论 综卜所i 述，多电b 机电气系统具有以f 主要特点： l 、系绫控铡部分采蹋标准数据总线 平均无故障时间是衡量平均寿命的指标，是产品最重要的寿命特征之一。 对可修复产品来说，它指的是相邻两故障之问的平均工作时间。 以上三个指标之闻的关系如下： r ：e 洳 若 为恒定德，则： r ：e 2 t o = 1 一r m t b f ：1 旯 在送行露靠馁分孛厅辩，一般鬏设失散率为遮定值。 二、各种飞行负载对电源可靠性的要求 西北工业大学硕士学位论文 第二章多电飞机电气负载的需求分析 ( 1 ) 飞行关键负载对电源可靠性的要求 关键飞行负载的可靠性由飞行控制系统的要求来决定，飞行控制系统是关 键飞行系统的最大组成部分。美国军用规范m i l f - 9 4 9 0 d 规定战斗机飞行控制 系统的故障概率为1 0 0 x 1 0 7 。由于飞行控制系统的故障约有6 2 5 是因为电气控 制部分引起的，而飞行控制系统中的电力电子元件都是双裕度的，因此单个元 件的故障率为双裕度部分故障率的平方根。电力电子元件所以失灵，多是由于 给元器件供电的电源出现故障。因而规定供电系统给元器件供电的电源 可靠性应为元器件可靠性的1 0 0 倍。 假设： q 。= 飞行控制系统故障率 q e c = 飞控系统中电力电子设备的故障率 q s c = 单个电力电子元件的故障率 ( ) e p s = 电源的故障率 r , p s = 电源的可靠度 则： q ，。= 1 0 0 1 0 q 。= 0 6 2 5 q 。= 6 2 5 1 0 6 q 庐酝= 25 x 1 0 一 q 。一q 。1 0 0 = q 。= 2 5 1 0 。 因此： q e p s = 2 4 8 i 0 “ r e ，。= 1 一q 。= 0 9 9 9 9 7 5 2 m t b f = 一i 丢= 2 8 1 1 0 ( 设t = 2 任务小时) 由以上可知，对关键飞行负载来说，输入电源的可靠度必须大于 0 9 9 9 9 7 5 2 ，即平均无故障时间应大于8 1 i 0 4 小时，负载才能正常工作。 耍j ! 三些盔堂塑主堂堡婆塞 笺三童量皇 塑皇墨鱼塑塑墨i i 坌盟 ( 2 ) 关键任务负载对电源可靠性的要求 关键任务负载包括飞机重要生存负载，如雷达传感系统等。一般要求其 平均无故障时间为2 0 0 小时，即不可靠度为1 0 1 0 。 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i 0 0 倍。 经计算可知，对关键任务负载而言，输入电源可靠度必须大于0 9 9 9 9 0 1 ， 平均无故障时间必须大于2 0 1 0 1 小时，关键任务负载才能正常工作。 ( 3 ) 非关键飞行负载对电源可靠性的要求 对非关键飞行负载，其故障率必须小于2 8 1 0 ，也就是说平均无故障 时间必须大于7 0 小时。经计算可知，其供电系统可靠度大于0 9 9 9 7 2 3 即可 满足要求。 由以上分析可知，不同类型负载对供电系统可靠度的要求不同，电源可 靠性必须同时满足所有机载用电设备的最高可靠度要求。 第三节负载对供电间断时间的要求 飞机上的一些负载对电源间断供电非常敏感。如果电源间断时间超出一定范 围，负载将出现故障。飞行关键负载即是如此，它能承受的供电中断时间在5 0u s 到2 s 之间。如飞行控制计算机、发动机电子控制装置允许供电中断5 0 us ； 数字式舵机控制器允许供电中断5 0 0 m s ；组合舵机允许供电中断2 s 。在关键 任务负载中，任务航空电子系统也仅允许供电中断5 0 “s 。 一般通过将负载切换到另一电源的方法实现不间断供电。这是供电系统硬件 设计中要考虑的重要问题，即必须保证负载电源之间的切换时间小于供电中断最 小时间。 第四节电气负载控制方程分析 在飞机进入飞行状态后，根据不同的飞行阶段，飞行员通过航电系统经供 电处理机向负载发出控制指令，供电系统处理机将根据指令信息、飞行状态， 耍j ! 三些盔堂亟主主堕堕塞 蔓三童塑 壁堂墅型型塑塑翌! ! ! ! 塑 求解相应的电气负载电源请求方程和电气负载控制方程，根据方程解算结果对 电气负载实行通断控制。 根据电气负载的工作过程与飞行任务方式状态逻辑信号之间的关系，电 源请求方程可以划分为三种类型，相应的电源请求方程的解用z 、z z 和z a 来表 不 ( 1 ) i 类电源请求方程 i 类电源请求方程只与飞行任务方式或飞行任务有关，没有附加的状态逻 辑信号。方程形式为 z l = r 其中r 为某飞行任务方式下电气负载工作请求信号( 即供电请求信号，7 7 - - 0 表示 禁止电气负载工作r = 1 表示需要电气负载工作) 。 ( 2 ) i i 类电源请求方程 这类电源请求方程不仅与飞行任务方式有关，还与状态逻辑信号有关。方 程形式为 z 2 = r + ( 爿l ，爿2 ，a 爿) 式中1 ，晡q 含义同i 类电源请求方程，a ，为状态逻辑信号( 彳，= 1 表示信号 有效或条件成立) ，“) 是由彳，组成的逻辑表达式。该方程表明，z z 不仅与r 有 关，还与其它状态逻辑信号爿角关。 ( 3 ) i i i 类电源请求方程 i i i 类电源请求方程与飞行任务方式无关。这类请求方程对应的负载在各个 飞行阶段都需要工作，例如环控系统。该类电源请求方程形式为 z 3 = 厶( 4 l ，爿2 ，a 爿k ) 其中，k l ，爿，为状态开关信号或传感器信号( 彳产l 表示信号有效或条件成立) ， 历的解与r 无关，仅取决于其它状态逻辑信号爿，。 负载供电信号的获得不仅与电源请求信号有关，而且与负载本身故障情况 和飞机电源系统工作状态有关。若电气负载本身出现故障，则禁止向该电气负 1 2 耍j ! 三些奎堂堡主堂堕婆塞 塑三重量里】垫皇墨鱼塑塑篓壅坌堑 载供电。若飞机电源系统容量无法满足当前飞机飞行任务方式下电气负载的功 率需求，则电气综合控制系统需要自动卸载。 通用的电气负载控制方程为： c = ( f + b ) p 十z + s 式中，各项含义如下： f 为电气负载的状态标志。若电气负载出现故障，负载过流导致s s p c 跳 闸或s s p c 本身故障，贝, l j r 标志位置1 ，负载不能通电。 b 表示电气负载是否为备份负载。b = i 表示该负载是备份的，暂不允 许通电。b = o 表示该负载是主工作设备或无备份电气负载。 p 电气负载的供电优先权。p = i 表示在当前负载管理优先级下允许向 该负载供电。 z 电气负载电源请求信号。z 对应着三种类型电源请求方程z 、z 。和z ，。 z = i 表示请求供电。 s 手动超控信号。当飞行员需要对负载进行手动控制或进行地面维修需 要电气负载工作时，s 置1 。当s = o 时表示信号无效，由系统自动进行控制。 第五节、供电系统容错性要求 按照先进系统航空电子计划的要求，容错供电系统应能经受多次故 障，并仍能为负载供电。具体要求如下：在经受一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同一供电通道 的不同部件上，也可发生在不同通道的同一部件上，或者以这两种方式的组 合形式出现。 西北工业大学硕士学位论文 第三章多电飞机供电系统的总体设计 第三章多电飞机供电系统的总体设计 在进行飞机供电系统的总体设计时，是将发电系统和配电系统分开设计 的，最终再组合在一起形成一个完整方案。经研究决定，本方案选择变速恒 频系统( v s c f ) 作为飞机主电源，以固态分布式配电方式作为多电飞机供配 电系统的配电方式。 第一节供电系统结构分析 多电飞机供电系统的主电源由四台6 0 k ，a 的变速恒频( v s c f ) 发电机 组成，发电机以分组并联方式运行。发电机1g d 2 、3 和4 分别并联，外部地 面电源可以独立地给交流汇流条1 和2 、3 和4 供电，用于地面维护或启动发 动机，其结构如图3 1 所示。每一台发动机驱动两台发电机。超组合动力装置 ( s i p u ) 提供应急和备用动力，它通过一组离合器和斜接齿轮箱驱动主发电 机。采用这种供电方式，不仅可以满足负载的可靠性要求，而且可以满足系统 的容错性要求。而且这种分组并联布局非常适合在启动大电动机负载如环境控 制系统时提供大功率，同时不降低供电质量。 图3 - 1 、多电飞机供电系统结构图( 一) 供电系统的二次电源是从四个主交流汇流条引出电源，经过变压整流器 ( t r u ) 供给主直流汇流条。航空蓄电池与蓄电池汇流条相连，充当应急电源 1 4 堑! i 三些奎室璧主堂堡鎏塞 笙三翌墨生墨! 嫂! ! ! 墨竺塑些堡墼! 以满足负载对不中断供电的要求。同叫，蓄电池7 f ：流祭与主直流汇流祭通过一： 缀管曩麓莠联，在歪霉状态时，蘩电泡汇渡条由差妻浚汇淡条供泡，恧誉电邀处 于充电状态。由于主发电通道有足够的冗余，系统无需辅助发电机和辅助汇流 条。 具体供电结构如图3 2 所示。 图3 - 2 、多电飞机供电系统结构图( 二) 第二节配电系统结构分析 多电飞机电气综合控制系统其有配电控制和电气负载自动管理功能。它采 蠲固态配电方式，除主耗电中心羚，还有若于个二级酝电装嚣，各囊位于飞机 的不同部位。飞机上各种用电设备分别由上述两种配电装置供电。 一、主配窀中心 主配电中心出主电力汇流条( 包括主交流汇流条、主直流汇流条和主蓄电 涟汇流条) 组成，它赢接从发电机通过相应变换获得电能。主要用予对馈电网 整体的控制和保护。具体包括： ( 1 ) 为各个智能控制终端提供电能。智能控制终端是指用于监控配电系统的 耍j ! 三些查堂塑主雯堡堡塞 笙三翌兰! 皇! ! ! ! 生! 至竺塑璺堡堡生 控制装罱，如负载管理中心、发电机控制装置以及远置终端等； ( 2 ) 为大型负载提供电能。通常我们将电流在75 安培以卜的负载都归类为 人型负载。主电力汇流条通过机电功率控制器( e m p c ) 为大型负载供电， e m p c 具有控制和保护功能。 ( 3 ) 为靠近主汇流条的负载提供电能。对直接由主电力汇流条供电的负载来 晚，主电力汇流条被看成负载的一部分。 二、二级配电中心 主要由智能控制终端负载管理中心( e l m c ) 的配电中心组成。完成将电 能传输给电气负载，并f h s s p c 对电气负载进行电源控制和过载保护。e l m c 的数 量与飞机类型、电气负载总量和用电量均有关。各e l i c 之问是相互独立的，只 与其周边负载有关，而之间没有任何直接联系。 每个e l m c 的内部设有交流、直流和飞行关键负载汇流条，这些汇流条通 过馈电线和主汇流条相连，并从主汇流条获得电能。如下图所示，交流汇流条 可以通过继电器从两个独立的主交流汇流条中的一个获得电能，直流汇流 条可以通过继电器从两个独立的主直流汇流条中的一个获得电能。这种结构使 得如果其中一个主汇流条出现故障，还可以控制继电器把开关切换至另一个主 交流汇流条，从而保证相应负载仍能正常供电。这样就等于为负载又多增加了 一个电源输入 ，增加了系统的容错能力 图3 - 3 负载管理中一o ( e l m c ) 内部配电结构剀 西北工业大学硕士学位论文 第三章多电飞机们i l u 系统的总体设计 二级配电装置的主要功能就是给位于本区域的负载( 通常指的是电流在75 安培以下的负载，飞机上绝大部分负载都属于这种类型) 供电。这些负载通过 固念功率控制器( s s p c ) 从e l m c 内部汇流条获得电能。s s p c 的通断“i e l m c 控制，s s p c 自身具有保护功能。e l m c 的设计减少了多余度引起的 硬件负担，并提供了控制系统与负载之问的连接。e l m c 离负载很近，因此在 故障分析时，认为e l m c 是负载的部分。 三、系统综合分析 多电飞机的航空电子系统是宝石柱( p i l l a r ) 系统。电气系统和航空电子系 统之间采用分层控制布局，整个电气系统作为一个终端的形式挂在航空电子系 统高速数据总线上。航空电子系统提供电气系统控制所必需的飞行和任务数据， 电气系统向航空电子系统返回本身的状念信息。由供电系统处理机( p s p ) 充 当两者之间的接口，担负航空电子系统和电气系统之间的信息传递任务。具体 流程如下图所示。 图3 - 4 航空电气综合控制系统整体结构流图 与b 行员交互的航空电子系统由航空电子模拟器代替。航空电子模拟器模 拟实际航空电子系统应该完成的与电气系统有关的处理、控制和状态监测功能， 耍! ! 三些奎堂堡主兰焦堡塞 篓三翌兰里! ! 塑! ! ! 墨竺堕堂皇：! 堕 从而起到与实际飞机航空电子系统相同的作用。其主要功能包括： ( 1 ) 提供电气系统控制所必需的飞行和任务数据，如启动，停车控制指令、 飞行任务阶段数据以及负载供电请求信息等。 ( 2 ) 根据操作员请求显示电气系统状态。 第三节供电系统处理机的功能分析 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h 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，采用双处理机的柿局。两个p 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。 p s p 主要完成以下功能： ( 1 ) 控制电气系统的启动和关闭 为保护电气设备不受损坏，保证电气系统有序启动，p s p 负责航空电气控 制系统的初始化。系统上电后，p s p 首先对各远程终端和负载管理中心进行初 始化，计算负载优先级和电源请求方程，将控制结果发送给各终端，同时对 自身软、硬件进行自检。 同样，为防止损坏电气设备，p s p 控制系统关闭，向各终端发送关闭信号。 ( 2 ) 控制系统电气数据总线 p s p 负责电气系统的总线控制，对总线资源进行分配、控制和管理。这是 由多电飞机电气控制系统的结构决定的。p s p 是系统控制中心，各终端只与 p s p 通信，而之间无信息交流。这样，对系统数据总线的使用仲裁就由p s p 统一管理。数据总线的驱动丌发将作为p s p 设计的一部分进行。 一lr 西北工业大学硕士学位论文 第兰章多i 乜弋机供i u 系统的总体改h 。 ( 3 ) 接收和处理系统状态数据 为保证刘飞机电源系统和配电系统的控制和监测，p s i 必须不断接收供电 系统和配电系统的状态数据。这些数据包括发电机控制单元( g c u ) 、负载管理 中心( e l m c ) 和远程终端( r t ) 发送来的数据。其中，g c u 发送的数据可提供发电 机是否正常、通道是否过载等信息：e l m c 发送的数据包括交流和直流馈电线 状态、s s p c 复位状态和断路状态；r t 发送的数据显示系统外部电源状态、辅 助发电机过载状态和故障状态等信息。如下图所示。 困 图3 - 5p s p 控制、接收状态数据流 p s p 将根据信息内容和针对不同终端的不同处理方式对系统进行控制和 管理。 ( 4 ) 连接航空电子系统 p s p 既是航空电气系统的总线控制器，又是航空电子系统的远程终端。它 通过专用串行总线与航空电子数据总线相连，从航空电子系统接收控制、请 求指令，并向航空电子系统发送状态信息和显示信息。 ( 5 ) 进行系统自检测和故障诊断 ，1 9 西北工业大学硕士学位论文 第三章多电飞机供电系统的总体设计 为保证系统正常运行，提高系统可靠性和容错性，p s p 具有软、硬件自检 测功能和数障诊断功能。一旦飞枧电气系统发生敬障，p s p 能够擦故障隔离到 现场可更换元件( l r u ) 级。并且，p s p 能够对一些电气部件，如g c u 、s s p c 帮镑感嚣等静故障逮嚣预灞。 第四节负载管理中心戆功毙分糖 负载管理中心( e l m c ) 对其周围负载进行控制和管理，以分担电气系 统主控制器的负荷，其主要功能有： ( 1 ) 羧摹ls s p c e l m c 的智能终端从p s p 接收到电源请求命令之后，就解算s s p c 控制 方程式，如果方程式的结栗为逻辑“l ”，它藏隧s s p c 发送导通命令，从两 给相应的负载供电。 ( 2 ) 控制继电器 e l m c 内郄豹配魄绻搀选建标准方式，郢瘫三秘汇滚条：交浚、褒滚帮 电池汇流条组成。交流汇流条可通过继电器从两个交流汇流条中的一个获得 电髓。翅栗现行靛主汇流条出鞴敬障，就霹戳融控割中心控制继电器，孢开 关切换至另一个主交流汇流条。这等于为负载又多增加了一个电源输入，增 加了系统的容锚能力。其中，继电器通过e l m c 的智能终端( 控制中心) 来 控铡。 ( 3 ) 向p s p 发送状态信息 e l m c 懿镨能终端不断采粲s s p c 静状态僚患，求解出s s p c 获态方程， 并将结果送往p s p 。同时e l m c 还把内部汇流条的电压和e l m c 内部二极管 的状态送往p s p 。 扩展模块组成 扩展板s y s e x p a n m o d u l e “v f i s 作为s b s 嵌入式系统模块的一部分，包括 高分辨率的图形显示芯片、软盘驱动器和i d e 硬盘接口等外围扩展部件。结 构如下图所示。 图4 - 5 、s y s e x p a n m o d u l e “结构 数 据 总 线 目前本项目开发使用扩展板主要提供图形显示和数据存储功能。 3 ) 通信模块分析 供电处理机和其他飞机智能电气设备之间使用4 8 5 串行通信机制。 r s 一4 8 5 串行通信接i z l 允许在多处理器( 最多3 2 个) 之间使用常规双绞线 相互通信，可以实现多点( m u l t i d r o p ) 接口。本项目使用4 8 5 通信机制就 2 8 鲎! ；蛋鎏查塑耋鲎譬遮褰。 篓塑塞燮堡望墨熬鍪璧塑妻盥塑鐾! ! ! 煞鼓 凳为了窭魏键滚楚臻瓤与多个受戟群疆孛心藕邃稷终瀑之溺麓遵蔼 r s 4 8 5 按蕊酪凇瓣( 雾梦枣嚣搜波嚣髅趱篷努缎蕊鹱漤缮浚莓嚣t 廷瓣 一嘏潞行缓，憾其邋信媳只怒半双工模式。r s 4 8 5 接f = 】上的擗个通储元件猕 为一令缝点，葵逶赣方式一羧遴疆耋煞蛰谈，辩聪肖逶襞豁蹙主滚蔷霹簸浚 蚕乏濒避嚣，酸没罄乏越举产生避荣。李灏黧麓袋婀这转懑豫方式。 r s 4 8 5 遴臻撬怒懿下爨瓣承。 ! 叠一 中攀努嚣糍 l； 竺墨霉二 警 辫4 4 ；囊s 薄彝s 逶蔫对枣冀 妻搜势嚣先爨劫巍基鹃穗港线鞭淤程黪。势戋邀令念专蠛数擦蹬簌设 善( 懿i ) 。蹰瓣速翁强设备獭号弱佟麓擐文稿最裙个字节中船个扶主设备 发热。憋畜命令羲数舔麓字慧黎蓑避潦去嚣，主设蕊蕊壹爨避戆黄羧浚藜漆 程序( 细2 ) ，并等祷从设务应答。从设铬对收到黝命令域数据进行处理， 霹童浚蚤嚣陂令舔艨絮s ；蒸籍逡凄爨爵姆煲输凌驱耱麓露( 按薅) ，莠 饕躺琏发遴嬲变设繇。当爨露缝袋躺藤黪字节发送獭麦囊，献没善终业塞融 翡传瓣笺聚韵疆序帮5 ) 。烹设备分褥这些寨塞觚滚藩翡确纛( 帮6 ) 并决 定慕鞭嚣么撼滤。兰淤骜接漤秘始豫下争灏簧辕懿鸯令或羧攫。 p c t 0 4 撼供了一个与p c a t 蒹密的r s 2 3 2 串行硼鞠一个f l s 2 3 2 r s 4 8 5 邋网串 嚣麓。簿一争晕行嚣溱酉在p e i 0 4 黪s e t l i p 浚麓孛竣鼓秀奢效麓禁壶。交予蕊蕊 熬试蹲学翻荧麓，鞠懿必绥在s e t u p 中游窜镭蠛蟊打嚣，戳褥鹱荐蕊黢。枣掰 t ，辱， 塑i i 三些茎堂窭兰兰鳖婆塞 鎏望量堡垒垒鎏塑垂蓥簦黧妻! 鳘望塑壁鎏茎 地址为i o 一3 f 8 h ，i r q 4 ：串i = 12 地址为i o 一2 f 8 h ，i r q 3 。这螳地址不能改变。 在设嚣过程中，必须使外部串行通信设备数据格式和波特率与s u p e r d x e 模块 串行端日一致。通常，串行口的d s r 和c t s 输入握手信号必须为奏( 即露1 ) ， r o i v l b i o s 才能控制输出数据( 握手信号可在s e t u p 中关闭) 。当硬件握手使能时， 矮确认d s r 秘c t s 输入綮号正在连接到癸藩率嚣霜设备的枣行接霸摆应信号上。 或者使：d t r 输出连到d s r 输入，r t s 输出连到c t s 输入。 第三节负载管理中心硬件结构分析 按功麓，e l m c 硬 孛可以分为控翻中心和配电中心两部分。 其中，配电部分由由交、直流汇流条积蓄电池汇流祭、转换继电器、s s p c 以及二极篱等电气部件组成。 控制中心受豢完成受钱警理中心弱大部分功髓：以供瞧处理桃会令、毫力汇 流条电压和应急模式选掸器状态为依据，使固态功率控制器( s s p c ) 和转换继电 器动痒。鑫j 以下六个子模块缀藏：电源模块、模数量采集模块、继电器控翻模块、 s s p c 控制模块、c p u 中央处理模块和通信模块。 ( 1 ) 电源模块 受囊绘其毽模块提供王作电蕊。电源必t 1 5 v 三媚交滚瞧和2 4 v 整滤电源。 ( 2 ) 模拟量采集模块 模叛爨采集模块主要完成对交流汇滚祭藉壹流汇流条熬获态裣溺：对二 次配电中心的三个三相交流汇流条( 1 1 5 v 4 0 0 h z ) 电压的进行检测，需调 理采样9 路交流模拟量。 ( 3 ) 继电器控制模块 继电器模块完成对控制切换交流汇流条、2 7 0 v 高麟直流汇流条、2 8 v 窿漉汇浚条熬3 个继电器靛状态捡漤j ，并壤据c p u 豹捂令对继电器送行控 制。 ( 4 ) s s p c 控制模块 s s p c 控制模块是e l m c 的局部智能控制模块，它受爨控制s s p c 并完成 3 0 塑! ! 三些盔兰塑主鲎焦堡塞 一 篓婴冀堂皇丛堡塑塑鱼塑璧堡虫些鲤避堡塑鼓 s s p c 自诊断。s s p c 控制模块应其有很好的扩展往，因为每个e l m c 中包含1 0 0 令左右瀚s s p c ，蠢每个s s p c 控蒜模块只裁处壤1 2 路s s p c ，逮释，载懿要多 个s s p c 控制模块来完成对这些s s p c 的处理。i 司时，s s p c 数檄的增减可以通 过增减s s p c 控裁模块鼗羹素灵懑变诧，以适瘦不蠢e l m c 对s s p c 不同数量獒 需求。具体而吉，s s p c 控制模块主要完成以下主要功能： l 控错s s p c 并且婺尽量游兔对s s p c 的误动作： 聚转s s p c 赞返妪状态信号。s s p e 控制模块要宪裁对每路s s p c 豹两 个返回信号r e t 和t r i p 采集，并根搽采集到的这两个状态信号和控制信号 透行囊诊鼗： 3 固态功率控制器( s s p c ) 为1 1 5 v ，4 0 0 h z ，3 0 7 5 a 的交流负载和2 8 v ， 3 7 。5 a 酶交流受载稳供了捺露和谈窀线保护功耗： 4 ，遴售。s s p c 控粼模块遁造事行数据总线搂收亲爨通售模块鲍命令，荠 把s s p c 状态及时返阐给通信模块。 s s p c 与嚣l 瓣e 酌连接方式斑下黧蹰示。 掩餐电添输入 一 状态 i 一 噬路傍电源输出 信号地中线 圈4 7s s p c 连接线 5 v a e 踅8 v e 羹 载 ( 5 ) c p u 中央越瑾模块 这魁e l m c 的智能控制中心。其主嫠功能包括： l 完成9 路1 1 5 v 4 0 0 h z 交流、1 0 路氍流信号( 2 8 v , 2 7 0 v ) 的采样控制 翟对聚榉数据的计算、处理。 2 通过s s p c 控制模块实时的检测所有s s p c 的状憨，并按p s p 的指令要 求及融黪彝主食辊发送捡溅裂瓣状态数据，瓣辩禳掇p s p 静指令要求，惫 s s p c 控制模块发送控制s s p c 的指令。 ， 。 塑些三然查堂塑主鲎堡婆塞 塑婴塑堡里塾壁盟塑璺翌要堡虫些魁堡壁塑弛 3 接寝继电箍模块采集寒靛状态数攥，势校攥p s p 镄令或实琢绩嚣对继邀 器进符控制；嗣时完成对蓄电池汇流条隅离二檄管状惑数据的处理。 4 通过通信模块接收来自p s p 的命令并把采集、计辫到的数据实时髋通过 遁信援块发送副p s p 。 5 完成对4 0 0 h z 频率采样模块的控制，对采样到的频率数据进行处联后通 过逶傣模交发遴爨p s p ，鼗器上笾秘轰谗。 6 如果需要键盘和鼹示的话，c p u 还需实现对键盘指令的响应，和对显示 的控制，并同步子键盘实现对福应数瓣的显示( 包括交童流穰拟董采样数据、 频率聚榉数据、继趣器竣态以及s s p c 状态的照示) ； 按照其功能要求，e l m c 的c p u 中央处理模块也选用嵌入式计算机p c i 0 4 。 8 ) 通蔷穰块 负载管理中心作为下位机釉供电处理机之间使用4 8 5 串行通信机制。 ，3 2 。 塑! i 三些盔兰! i 主堂堡婆塞 篓至妻堡皇坐堡塑塑鱼塾l 避史! 些塑趔! 兰i ! 旦 第五章供电处理机和负载管理中心的软件设计 按照二程化软件设计的思怒，供电处理卡凡和负载管理中心的软件系统采用 结构化软件设计方法，按实现功能进行层次分解，包括底层驱动软件、执行 软件和应用软件三部分。 第一节软 串系统结搦分耩 1 系统分析与设计方法 顶层控制软件的开发以y o u r d o ne 的结构化程序设计为基础，遵循结构化 敬 孛开发方法。这静结梅纯分攒方法篾髂s a ( s t r u c t u r e da n a l y s i s ) 法，是矮向 数据流进行需求分析的方法。7 0 年代末，经y o u r d o ne 等人提出和发展，至今 甚褥到广泛翡应滔。缭榴纯分叛的一些整要狡念遣包撬在其它分析方法中，髑 如结构化分析与设计方法s a d t 和软件需求分析方法s r e m 。由于电气控制系 统中有丈量的数据流，而传统的流程图已经不能直观清晰的描述这些数掂流之 间的相互关系，因此，对于这秘数据处理类型软 牛的嚣求分毒厅，竣好的方法就 是采用关系结构化分析方法，利用图形方式来表达需求。这就强得清晰简单， 霓鼹了传统方式冗长重复难予瓣读稆骖改等缺点。因此，我稻在较 孚豹分褥和 使用中采用了邋种结构化分析方法。 通常使用以下几静工具，如判定树、判定表、数捅流图、数据字典和结构 他语言寒撼述绣擒化程序。其中数据流豳用以表达系统内数据的运动愤况，数 据字典定义系统中的数据，结构化语言、判定树和判定寝都是用以描述数据流 豹麓工。在软 譬设诗中，我翻遵摇了这： 孛开发方法豹两个除毅，结秘化分橇翮 结构化设计。利用结构化分析法划分了给定系统的要求和规范，采用了兰种文 件管理工具一数据流稳图、数荫字典和结构化谲言。数据流程阁用子系统或部 牛描述系统的分层结构并给出数据漉，但没有给出控制滤。它代替了传统的流 程图，使得修改非常灵活而且容易定义。这种分层结构的数据流程图将其定义 为顶层稼述图父图子銎秘骧始翻。数据字典支持各秘数糖渡程强，它懿任务是 对数据流中出现的所有数据元索给出定义。它使数据流图上的数据流名字处理 t 1 重! ! 三些杰堂堡主雯蝰婆塞 笙要塞堡皇墅堡翅塑垫塑璧堡主些塑楚壁塑盐 加工名字和文件名字具有确切的解释，所有的名字按词条给出定义。全体定义 构减了数据字典。结构化语言代替了以游采媛斡蠲敦述性文字说明整个系统功 能和过程的方法。它采用判定表或判定树来说明系统的控制规律和原则。 总之，结梅化设计跫一种策珞，筏褥较释其有更高豹爵维护往，并缝方便 的自项向下进行测试。它采用抽象的方法找出问题的本艨即主要功能，再逐步 添加细节，达到对整个问题的琏解。然后利用分解的手段将系统分解为若干个 子系统，直到实现理实系统中的所有功能。这秘设计策略就是套骞关接导评 估提炼和验证设计的方法。因此，这种自顶向下的设计方法是由些分层模块 缝成。簿个模块就是一个挚入攀懑靛予疆亭或遴程。臻稳纯设谤支持交换分耩 和事项分析，这些分析提供了从结构化分析向结构化设计的转变方法，并在该 阶段定义了各种功能的数据流。 按照结构化软件设诗的思想，供电处理机秘负载管理中心的软件部分可划 分为3 个层次，即底层硬件接口层( 主耍是串行通信驱动、外设支持等) 、执行 软件瑶( 采躅嵌入式实时搽 睾系统 t c o s + i i ) 耱应蠲较传层( 帮功能实王冕簿分) 。 其屡次结构如图5 1 所示 圈5 - 1 供电处理视软件的层次结构 p c i 0 4 ：这是硬件构架，包括了总线接口部件。软件滕对它的要求是适合于 嵌入式开发。 b s p ：这一