民用飛機電氣系統(tǒng)飛行剖面設置及系統(tǒng)顯示控制裝置的設計與實現(xiàn)

摘要：根據(jù)民用飛機電氣系統(tǒng)地面試驗驗證階段電氣系統(tǒng)供電模式設置和運行狀態(tài)顯示的試驗需求，本文設計并實現(xiàn)了一種飛行剖面設置及系統(tǒng)顯示控制接口裝置，該裝置不僅具備飛行剖面控制的功能，而且具備電氣系統(tǒng)顯示控制接口模擬的功能，能較好地滿足實際要求，且操作方便、準確可靠。該裝置的成功實現(xiàn)，保障了民用飛機電氣系統(tǒng)設計驗證工作，對我國民用飛機電氣系統(tǒng)試驗具有重要的指導意義。

關鍵詞：電氣系統(tǒng)；飛行剖面；簡圖頁；CAS；N2轉(zhuǎn)速信號

中圖分類號：V243文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.09.005

民用飛機飛行剖面一般分為裝載和準備、發(fā)動機起動、滑行、起飛和爬升、巡航、下降、著陸等飛行階段，典型飛行剖面如圖1所示。電氣系統(tǒng)的設計主要采用以主發(fā)電機（簡稱主發(fā)）供電為主、以輔助發(fā)電機（auxiliary power unit generator，APU GEN）供電為輔和以沖壓空氣渦輪（ram air turbine，RAT）發(fā)電機供電為備份的多余度供電設計模式[1-4]。

在民用飛機電氣系統(tǒng)設計研制過程中，電氣系統(tǒng)實驗室試驗不僅是電氣系統(tǒng)設計驗證的重要手段，也是適航取證必不可缺少的試驗驗證項目，其試驗過程不可或缺[5-6]。

目前，在民用飛機電氣系統(tǒng)地面研制試驗驗證階段，由于試驗條件限制，缺乏有效的方法和裝置模擬機上飛行剖面真實狀態(tài)，以實現(xiàn)飛機電氣系統(tǒng)供電模式的設置和運行狀態(tài)的顯示，難以滿足地面試驗驗證需求。

本文在分析民用飛機電氣系統(tǒng)運行狀態(tài)控制和顯示具體需求的基礎上，借鑒了國外飛機電氣系統(tǒng)地面試驗驗證經(jīng)驗，提出一種能夠滿足民用飛機電氣系統(tǒng)飛行剖面設置及系統(tǒng)顯示控制試驗用的裝置，通過該裝置在實驗室條件下按試驗要求實現(xiàn)電氣系統(tǒng)飛行剖面控制和顯示控制接口模擬功能。

1需求分析

在進行電氣系統(tǒng)地面試驗時，為保證電氣系統(tǒng)正常運行，有以下試驗需求：（1）驗證飛機級需求：由于飛機在滑行、起飛、巡航、下降、著陸等各個狀態(tài)下發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化，相應的電氣系統(tǒng)運行模式不同，需要驗證電氣系統(tǒng)供電模式的設置能夠滿足機上環(huán)境的要求；（2）驗證系統(tǒng)級需求：由于不同的供電模式下電氣系統(tǒng)相關參數(shù)存在差異，需要驗證電氣系統(tǒng)的簡圖頁信息[7]和機組告警系統(tǒng)（crew alerting system，CAS）信息顯示[8]能夠滿足電氣系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示要求；（3）模擬飛機其他系統(tǒng)信號：為確保供電系統(tǒng)正常，運行中需要提供飛機其他系統(tǒng)的狀態(tài)，如發(fā)動機的N2轉(zhuǎn)速信號、起落架狀態(tài)、左右防火手柄狀態(tài)、當前空速等，需要驗證上述信號的仿真能夠滿足電氣系統(tǒng)正常運行要求；（4）減少試飛架次和支持機上排故：由于電氣系統(tǒng)功能耦合和交聯(lián)復雜，給試飛試驗排故增加困難，需要在地面充分驗證需求，提高試飛試驗效率。

2設計分析

根據(jù)上面需求分析，飛行剖面設置及系統(tǒng)顯示控制裝置主要功能包括兩部分：飛行剖面控制和電氣系統(tǒng)顯示控制接口模擬。因此，在設計該裝置時，應根據(jù)上述功能分別進行設計。

2.1系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

飛行剖面設置及系統(tǒng)顯示控制裝置系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.2飛行剖面控制

飛行剖面控制部分設計的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。針對發(fā)電機驅(qū)動轉(zhuǎn)速和加速度的設置問題，本文采用飛行剖面控制軟件和油門臺并行控制的方式。其中飛行剖面控制軟件通過內(nèi)部設置實現(xiàn)主發(fā)、APU GEN和RAT發(fā)電機的轉(zhuǎn)速實時控制，其中主發(fā)包括左發(fā)電機（LVFG）和右發(fā)電機（RVFG）；油門臺控制是通過手動操作油門臺，實現(xiàn)主發(fā)轉(zhuǎn)速的控制。兩種控制方式通過控制計算機進行選擇切換。

同樣，采用手動和自動兩種方式對發(fā)電機冷卻系統(tǒng)中主發(fā)、APU GEN和RAT發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)溫度設定值進行設置。冷卻系統(tǒng)控制是由智能儀表實現(xiàn)的，并且是閉環(huán)調(diào)節(jié)。因此，只需要將輸入的預設溫度值進行運算并按照通信協(xié)議進行編碼，送到冷卻系統(tǒng)接收機中就可以實現(xiàn)對冷卻系統(tǒng)進行控制。當采用飛行剖面控制軟件進行設置時，該裝置通過以太網(wǎng)接口與拖動控制臺通信，控制拖動臺轉(zhuǎn)速和加速度，對發(fā)電機冷卻系統(tǒng)進行控制，保證發(fā)電機正常工作。同時顯示拖動臺的轉(zhuǎn)速和加速度的實時數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)速與時間的關系曲線等。

2.3電氣系統(tǒng)顯示控制接口模擬

2.3.1電氣系統(tǒng)顯示控制接口模擬總體結(jié)構(gòu)設計

電氣系統(tǒng)顯示控制接口模擬部分設計的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。由圖4可知，電氣系統(tǒng)顯示控制接口模擬部分采集電源系統(tǒng)發(fā)送的ARINC 664總線信息、模擬量和離散量信息，對電源系統(tǒng)信息進行分析、解耦，完成航電系統(tǒng)關于電源系統(tǒng)的簡圖頁和CAS信息顯示。同時，模擬飛機其他系統(tǒng)仿真信號，激勵電源系統(tǒng)正常工作。

2.3.2簡圖頁顯示設計

簡圖頁信息處理程序流程如圖5所示，將電源系統(tǒng)以及二次配電單元（RPDU）采集的信號按照接口定義進行邏輯處理，并在顯示面板中顯示各項信息。具有簡圖頁顯示、狀態(tài)及參數(shù)存儲功能和回溯功能，便于與測試參數(shù)、試驗狀態(tài)對比。

2.3.3機組告警系統(tǒng)（CAS）信息顯示設計

根據(jù)RPDU傳送的信息以及仿真器監(jiān)測的EPS信號，按照接口文件定義的邏輯關系計算出CAS信息，并在CAS顯示頁面上顯示。在CAS信息顯示設計過程中，在顯示界面上按以下分類顯示EPS三個等級的警戒信息：Warning（紅色）、Caution（黃色）和Advisory（白色），同時可選擇顯示/短路兩種狀態(tài)。具有CAS信息狀態(tài)顯示、參數(shù)存儲和回溯的功能。

2.3.4飛機其他系統(tǒng)信號仿真設計

為確保供電系統(tǒng)正常，運行中需要航電系統(tǒng)提供飛機其他系統(tǒng)的狀態(tài)，如發(fā)動機的N2轉(zhuǎn)速信號、起落架狀態(tài)、左右防火手柄狀態(tài)和當前空速等。這些信號直接關系到供電系統(tǒng)工作于何種狀態(tài)、運行是否正常，以及其工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。根據(jù)具體的試驗要求和供電系統(tǒng)實際運行狀況，擬設計信號仿真器模擬飛機其他系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并且分別按照各信號的給定周期通過總線或硬線實時地發(fā)送給供電系統(tǒng)。信號仿真分模擬信號輸出和離散信號輸出。

發(fā)動機N2轉(zhuǎn)速信號[9-10]是飛機左右發(fā)動機上的測速發(fā)電機的輸出信號，用來給發(fā)電機控制器及其他設備提供發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，是一個幅度和頻率都隨轉(zhuǎn)速變化的交流信號。在信號仿真器設計過程中，將發(fā)動機的N2轉(zhuǎn)速信號通過數(shù)據(jù)采集板卡的模擬輸出端口，經(jīng)過調(diào)理電路，傳送給發(fā)電機控制器。采集卡輸出的數(shù)字信號通過信號調(diào)理箱進行放大驅(qū)動繼電器，繼電器輸出配置成需要的地/開、高/開或開關信號，實現(xiàn)對電氣系統(tǒng)狀態(tài)的模擬和控制。繼電器采用24VDC信號繼電器，最大驅(qū)動電流達到2A，峰值到5A，滿足控制需要。

3系統(tǒng)硬件配置

基于前兩節(jié)的設計考慮，飛行剖面設置及系統(tǒng)顯示控制接口裝置整體硬件結(jié)構(gòu)框架如圖6所示，系統(tǒng)中選取兩臺PXI平臺工控機，一臺負責飛機供電系統(tǒng)電源系統(tǒng)控制、監(jiān)測，另一臺負責供電系統(tǒng)配電系統(tǒng)激勵、監(jiān)測功能。這樣，既可以使系統(tǒng)在功能和結(jié)構(gòu)上互不影響，又可以提高系統(tǒng)的運算速度，降低對工控機控制器的要求。

硬件系統(tǒng)主要由PXI系統(tǒng)和調(diào)理箱組成。PXI系統(tǒng)包括PXI機箱、PXI控制器和外部模塊（通信板卡、數(shù)據(jù)采集板卡、數(shù)字I/O板卡等）。調(diào)理箱也采用模塊化插卸式設計，由機箱、電源模塊和調(diào)理板卡組成，調(diào)理板卡的功能是根據(jù)飛機供電系統(tǒng)中的實際信號要求和PXI系統(tǒng)對信號的要求進行調(diào)理、放大等功能。

本裝置硬件配置主流工業(yè)控制計算機、NI公司PCI總線數(shù)據(jù)采集卡PCI-6229、凌華公司的繼電器板卡cPCI-7252以及凌華公司的串口板卡cPCI-3544。

4功能實現(xiàn)

為驗證飛行剖面設置及系統(tǒng)顯示控制裝置的設計是否滿足試驗要求，本節(jié)對該裝置在飛行剖面控制和電氣系統(tǒng)顯示控制接口模擬兩個方面通過Labview軟件[11]進行了功能驗證。

4.1飛行剖面控制功能驗證

在正常飛行階段對主發(fā)（LVFG和RVFG）進行轉(zhuǎn)速和加速度的設置，通過面板將LVFG的速度設置為13206r/min，RVFG的速度設置為13206r/min，加速度均設置為1000 r/min，點擊運行，經(jīng)過約13.2s后，LVFG和RVFG的轉(zhuǎn)速從0上升到13206r/min，整體反饋曲線如圖7所示。由圖7可以看出，LVFG、RVFG的最終速度能快速、準確地達到設定值，說明發(fā)電機拖動系統(tǒng)控制功能和轉(zhuǎn)速顯示功能可以達到預期的效果。

4.2電氣系統(tǒng)顯示控制接口模擬功能驗證

電氣系統(tǒng)顯示控制接口模擬部分需實現(xiàn)簡圖頁顯示、CAS信息顯示和外部信號仿真的功能。

（1）簡圖頁顯示功能實現(xiàn)

正常供電情況：在地面實驗室條件下，以LVFG和RVFG為電源系統(tǒng)供電為例，電源系統(tǒng)運行狀態(tài)簡圖頁顯示正確，符合正常供電的預期效果。

應急供電情況：在地面實驗室條件下，以RAT發(fā)電機和蓄電池為電源系統(tǒng)應急供電為例，電源系統(tǒng)運行狀態(tài)簡圖頁顯示正確，符合應急供電的預期效果。

（2）CAS信息顯示功能實現(xiàn)

在地面實驗室條件下，當LVFG和RVFG出現(xiàn)故障時， CAS信息顯示面板上出現(xiàn)LVFG和RVFG故障對應的CAS信息L GEN FAULT和R GEN FAULT，等級均為“Caution”，顯示正確，符合預期效果。

（3）外部信號仿真功能實現(xiàn)

以模擬APU起動發(fā)電所需的航電仿真信號為例，在外部信號仿真界面上按下按鈕“APU Master Switch”“APU RTL”，在繼電器板卡上聽到清晰的開關閉合的聲音，即表明可以通過界面操作控制繼電器板卡信號的輸出，此時這兩個信號由默認狀態(tài)“open”轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝行А睜顟B(tài)，即由“0”變?yōu)椤?”，從而達到信號仿真的目的。

5結(jié)論

本文創(chuàng)新性地設計了飛行剖面控制和電氣系統(tǒng)顯示控制接口模擬結(jié)構(gòu)框架，并針對電氣系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)設計了簡圖頁和CAS信息顯示流程及邏輯。通過上述功能試驗，驗證了本文提出的飛行剖面設置及系統(tǒng)顯示控制裝置功能正確、操作方便、準確可靠，且人機交互界面友好，能較好地滿足電氣系統(tǒng)運行狀態(tài)控制和顯示的試驗需求。該裝置的成功研制和實現(xiàn)，不僅解決了民用飛機電氣系統(tǒng)地面試驗驗證階段電氣系統(tǒng)供電模式設置和運行狀態(tài)顯示的技術難題，保障了電氣系統(tǒng)的設計驗證，而且對提升民用飛機電氣系統(tǒng)實驗室試驗配套設施的研制能力具有重要的意義。

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（責任編輯王為）

作者簡介

楊剛（1991-）男，碩士，工程師。主要研究方向：民用飛機電氣系統(tǒng)設計、試驗及驗證分析。

Tel：13917372784E-mail：ganglove2011@126.com

Design and Implementation of Flight Profile Setting and System Display Control Device of Civil Aircraft Electrical System

Yang Gang*

Shanghai Aircraft Design Research Institute，Shanghai 201210，China

Abstract： According to the test requirements of the power supply mode setting and operating status display of the electrical system in the stage of ground test verification of civil aircraft electrical system， a kind of flight profile setting and system display control device is designed and realized， which not only has the function of flight profile control， but also has the function of display control interface simulation of electrical system， which can meet the actual requirements well， and the operation is convenient， accurate and reliable. The successful realization of this device guarantees the design and verification of civil aircraft electrical system， which has important guiding significance for the test of civil aircraft electrical system in China.

Key Words： electrical system； flight profile； brief map page； CAS； N2speed signal