機電綜合技術在無人機液冷系統(tǒng)中的應用

(成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司技術中心，成都 610092)

0 引言

隨著航空電子技術、機載終端技術、機載總線技術的發(fā)展，出現(xiàn)了對機電系統(tǒng)進行統(tǒng)一控制與管理的機電綜合技術[1-3]：把現(xiàn)有的機電系統(tǒng)作為一個整體，以整機的性能為設計目標，通過機載嵌入式計算機和機載總線對機電系統(tǒng)進行綜合管理、自動控制及故障診斷與處置，與其他系統(tǒng)/設備交互，代替各機電子系統(tǒng)獨立分散的控制器和數(shù)據采集機構。采用機電綜合技術不僅可以提高系統(tǒng)性能、降低連線的復雜性、減少零部件數(shù)量、減輕飛機重量，還能夠解決綜合前系統(tǒng)存在的大量問題。

機電綜合技術已在國外成熟應用，在國內先進有人機也已應用，但在大中型無人機的成熟應用尚處于起步階段。

實現(xiàn)機電綜合技術裝機應用的研制工作包括：頂層架構設計、計算機架構設計[4-5]、控制構型及邏輯、半物理仿真試驗平臺設計[6-10]、試驗驗證及試飛驗證等。

本文闡述了將機電綜合技術應用于某高空高速無人機液冷系統(tǒng)所開展的關鍵工作。

1 機電綜合頂層架構

某無人機機電綜合控制對象為液壓系統(tǒng)、冷氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、起降系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、液冷系統(tǒng)、防/除冰系統(tǒng)，其他系統(tǒng)包括飛控計算機(簡稱：飛控)、飛參、鏈路系統(tǒng)(簡稱：鏈路)、綜檢計算機(簡稱：綜檢)。

實現(xiàn)機電綜合控制技術的核心設備為一臺嵌入式計算機(名為：綜合管理計算機)，該計算機采用余度設計[3]，硬件配置如圖1所示，與被控系統(tǒng)及其他關鍵設備的交聯(lián)關系如圖2所示。

圖1 綜合管理計算機硬件架構圖

如圖2所示，通過與無人機其他關鍵設備的總線數(shù)據交互，與被控系統(tǒng)的總線數(shù)據交互或信號交互，綜合管理計算機能夠同時實現(xiàn)對多個機電系統(tǒng)的綜合管理。

圖2 控制交聯(lián)關系圖

結合圖3所示的數(shù)據流，機電綜合控制的工作流程如下：

1)對傳感器進行信號采集處理，生成傳感器輸出結果/傳感器接口狀態(tài)等信息；

2)結合傳感器信息、系統(tǒng)運行狀態(tài)進行系統(tǒng)/設備故障診斷，生成告警信息；

3)當系統(tǒng)/設備無故障時，結合外部指令(如綜檢、鏈路、飛控等)、傳感器信息進行控制邏輯解算后向設備發(fā)送控制指令(如設備接通/斷開指令)；

4)當系統(tǒng)/設備故障時，按照預先設定的故障處置邏輯或按照飛控發(fā)出的指令、向設備發(fā)送控制指令(如設備接通/斷開指令)，

5)持續(xù)將傳感器信息、系統(tǒng)/設備故障狀態(tài)、告警信息分發(fā)給綜檢、鏈路、飛參、飛控等。

圖3 數(shù)據流示意圖

2 液冷系統(tǒng)工作原理

某無人機液冷系統(tǒng)用于為電子設備提供散熱，由蒙皮換熱器、燃油換熱器、液冷組件、電子設備冷板、管路和載冷劑組成，其中液冷組件集成了低液位告警器、污染告警器、出口壓力傳感器、出口溫度傳感器、電動泵、儲液器、過濾器、過壓保護活門、旁通活門等。

結合圖4所示的原理圖，該液冷系統(tǒng)的工作過程如下：

1)系統(tǒng)上電工作時，低溫載冷劑被電動泵從儲液器抽出后依次流經不同的任務設備冷板進行熱交換，在此過程中吸收了熱量的載冷劑溫度逐漸升高，流出冷板后變?yōu)楦邷剌d冷劑；

2)高溫載冷劑依次流經通過燃油換熱器(與冷側的燃油換熱)、蒙皮換熱器(與冷側的機外空氣換熱)，在此過程中放出了熱量的載冷劑溫度逐漸降低，再次變?yōu)榈蜏剌d冷劑，經過濾器后回到儲液器。

圖4 液冷系統(tǒng)原理圖

載冷劑在系統(tǒng)中的流動依賴電動泵輸出的壓力，出口壓力傳感器用于監(jiān)控電動泵的工作情況；載冷劑在系統(tǒng)中的熱交換依賴它自身的溫度，出口溫度傳感器用于監(jiān)控載冷劑的工作情況；污染告警器用于監(jiān)控載冷劑的清潔情況，維護電動泵的良好運行環(huán)境；低液位告警器監(jiān)控儲液器中載冷劑的量，維護系統(tǒng)所需的載冷劑量。

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 需求分析

根據液冷系統(tǒng)的硬件組成和機電綜合總體架構，對控制系統(tǒng)而言其硬件接口需求包括：

1)離散量傳感器采集接口;

2)模擬量傳感器采集接口;

3)傳感器的供電接口;

4)電動泵的供電接口。

根據液冷系統(tǒng)的工作原理和機電綜合總體架構，其控制功能需求包括：

1)電動泵工作狀態(tài)邏輯控制(開/關)；

2)電動泵工作狀態(tài)診斷(不能啟動/轉速不足/工作正常)；

3)液冷回路工作狀態(tài)診斷(超溫/正常/堵塞)；

4)液冷組件污染狀態(tài)診斷(正常/污染超限)；

5)冷組件低液位診斷(正常/不足)；

6)響應綜檢、鏈路或飛控的控制指令(啟動/停止)；

7)向綜檢、鏈路或飛控分發(fā)液冷系統(tǒng)運行狀態(tài)、告警信號；

8)針對不同故障的自動處置(僅記錄/停止運行/重啟)。

其中，狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷的目的是：

1)在載冷劑溫度過高影響冷卻效果時快速診斷處置，避免引發(fā)其他設備的故障；

2)快速診斷電動泵能力降低或失效；

3)便于在線診斷液冷回路設備狀態(tài)；

4)便于地面維護時及時補足載冷劑；

5)便于地面維護時及時更換過濾器。

3.2 控制構型

基于該無人機機電綜合頂層架構，液冷系統(tǒng)的控制由綜合管理計算機、配電設備、綜檢、鏈路、飛參、飛參、1553B總線網絡共同完成，其構型如圖5所示。

圖5 液冷控制構型圖

1)地面人員對液冷系統(tǒng)的直接操作由綜檢或鏈路轉換為指令發(fā)出；(如：地面檢查維護時需啟動液冷系統(tǒng))；

2)地面人員可在綜檢、鏈路地面設備或飛參的顯示界面觀察液冷系統(tǒng)的運行狀態(tài)；(如壓力、溫度、設備狀態(tài)等)；

3)綜合管理計算機是液冷控制系統(tǒng)控制與狀態(tài)監(jiān)控的主設備；(采集傳感器信息、發(fā)出直接控制指令)；

4)1553B總線網絡實現(xiàn)綜合管理計算機、綜檢、鏈路、飛控及飛參的通信；

5)綜檢、鏈路及飛參顯示并記錄液冷系統(tǒng)的數(shù)據和狀態(tài)，飛控在需要進行應急處置時發(fā)出控制指令。

3.3 控制邏輯

在液冷控制構型中綜合管理計算機是核心，將執(zhí)行液冷系統(tǒng)控制的關鍵部分，即對液冷系統(tǒng)的控制與狀態(tài)監(jiān)控，主要包括：

1)通常情況電動泵的啟?？刂朴删C檢或鏈路發(fā)送指令至綜合管理計算機、經綜合管理計算機進行邏輯判斷后控制配電設備執(zhí)行上電或斷電來實現(xiàn)；

2)傳感器信號由綜合管理計算機采集，處理后的傳感器數(shù)據再發(fā)送給飛參、綜檢、鏈路、飛控；

3)綜合管理計算機依據對傳感器信息進行液冷系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷(見表1)，并將診斷結果發(fā)送給飛參、綜檢、鏈路、飛控；

4)綜合管理計算機依據故障診斷結果，按預先的策略控制電動泵和傳感器的啟停，并將處置結果發(fā)送給飛參、綜檢、鏈路、飛控。

表1 液冷系統(tǒng)故障表

綜合管理計算機按照上述控制邏輯正常運行，即可實現(xiàn)對該無人機液冷系統(tǒng)的自主運行控制和自主診斷與處置，同時地面人員可查看相關信息，必要時也可直接進行控制。

4 試驗平臺設計

4.1 試驗平臺總體構架

在綜合管理計算機通過軟硬件實現(xiàn)了上述控制邏輯后，為驗證液冷控制系統(tǒng)的接口正確性和控制邏輯的正確性，需開展半物理仿真試驗。

半物理仿真試驗平臺將參照圖5所示的液冷控制系統(tǒng)原理，搭建地面站、綜檢、飛參、配電功率裝置的模型、搭建1553B總線網絡，與綜合管理計算機、液冷系統(tǒng)性能試驗臺協(xié)同運行，完成對液冷系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的功能和性能的驗證。

該試驗平臺主要包括試驗上位機、模型仿真機，其與綜合管理計算機、液冷系統(tǒng)性能試驗臺協(xié)同運行的拓撲結構如圖6所示，其中液冷系統(tǒng)性能試驗臺可由運行液冷系統(tǒng)實時仿真模型的模擬器代替。

圖6 測試系統(tǒng)總體結構拓撲圖

試驗上位機的操作系統(tǒng)為Windows7，運行由LabVIEW開發(fā)的控制和顯示模型。模型仿真機的操作系統(tǒng)為Linux，運行由Simulink開發(fā)的配電功率裝置模塊和UDP數(shù)據轉換模塊。綜合管理計算機的操作系統(tǒng)為Vxworks5.5，運行液冷系統(tǒng)控制軟件。液冷系統(tǒng)性能試驗臺提供液冷系統(tǒng)運行所需環(huán)境。

4.2 試驗平臺運行過程

根據液冷控制系統(tǒng)的工作方式和工作原理，該試驗平臺的基本運行過程如下：

1)試驗人員通過測試上位機的地面站控制模型或綜檢車控制模型發(fā)出的控制指令通過UDP傳至模型仿真機發(fā)；

2)模型仿真機收到UDP報文后，解析出控制指令，并將控制指令通過1553B總線傳至綜合管理計算機；

3)機電計算機根據控制指令通過RS422總線向模型仿真機發(fā)送液冷系統(tǒng)配電指令；

4)模型仿真機收到液冷系統(tǒng)配電指令后，配電功率裝置模型通過DIO卡輸出幅值為5 V的高低電平控制繼電器為液冷系統(tǒng)試驗臺上的傳感器和電動泵上/斷電，同時配電功率裝置模型通過RS422總線向綜合管理計算機發(fā)送液冷系統(tǒng)供電狀態(tài)；

5)液冷系統(tǒng)試驗臺上的傳感器和電動泵上電后，電動泵和傳感器開始工作；

6)綜合管理計算機依據采集的2路模擬量信號和2路離散量信號；

7)綜合管理計算對傳感器信號進行整理，對液冷系統(tǒng)進行故障診斷，并將液冷系統(tǒng)所有相關信息通過1553B總線傳至模型仿真機；

8)模型仿真機收到1553B數(shù)據后，解析出顯示信息并通過UDP向測試上位機發(fā)送；

9)測試上位機的地面站、綜檢車及飛參顯示模型顯示液冷系統(tǒng)所有信息，試驗人員根據顯示信息進行綜合判定。

4.3 實時通信周期設計

該試驗平臺上存在Windows7、Linux、 Vxworks5.5多種操作系統(tǒng)，存在UDP協(xié)議通信、RS422通信、1553B通信多種通信方式，不同數(shù)據幀的刷新頻率不一致，不同模塊之間通信的循環(huán)周期不一致，收發(fā)不協(xié)調會導致通信延時甚至中斷。

為保證實時通信質量，根據液冷控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的數(shù)據接收/發(fā)送頻率和數(shù)據處理頻率設計要求，該試驗平臺進行了通信周期設計。

地面站控制模型和綜檢車控制模型的控制指令發(fā)送周期包含80 ms、160 ms、240 ms等不同周期，綜合管理計算機的接收與發(fā)送周期都為40 ms，配電功率裝置的接收與發(fā)送周期為80 ms，飛參顯示模式的接收周期為80 ms。

在不影響系統(tǒng)功能和實時性的情況下，該試驗平臺通過修改配電功率裝置仿真步長、或修改顯示模型的接收周期來保證通信質量。

4.4 數(shù)據通信定義設計

該試驗平臺還需解決數(shù)據通信問題，即數(shù)據大小端問題。

按照無人機的全機通信協(xié)議要求，綜檢、地面站、飛參與綜合管理計算機的1553B通信采用大端模式。綜合管理計算機的CPU為PowerPC處理器，采用的是大端模式。該試驗平臺上的測試上位機的Inetel CPU為X86架構，采用小端模式。綜合管理計算機與試驗平臺上的模型仿真機的RS422通信采用小端模式。

為保證數(shù)據解碼正確性，UDP數(shù)據轉換模塊需要根據各個通信數(shù)據幀的通信模式進行相應的解碼工作。

5 試驗結果及分析

5.1 指令執(zhí)行結果及分析

該試驗平臺對飛參顯示界面上的信息進行了實時存儲，對單次配電指令的執(zhí)行情況如表2所示。

表2 單次配電指令的執(zhí)行時序

結果表明該試驗平臺能實現(xiàn)液冷控制系統(tǒng)的實時控制。

5.2 傳感器結果及分析

圖7和圖8分別給出了飛參顯示模式上的某時間的液冷系統(tǒng)壓力值和溫度值，其中溫度精度要求為2 ℃，壓力精度要求為0.1 MPa。

圖7 液冷系統(tǒng)出口壓力曲線

圖8 液冷系統(tǒng)出口溫度

結果表明該試驗平臺能實現(xiàn)液冷控制系統(tǒng)的傳感器采集及信息傳輸。

5.3 控制邏輯結果及分析

表3給出了模擬一級超溫告警故障時，綜合管理計算機執(zhí)行一級超溫故障診斷的過程，結果表明綜合管理計算機按照控制邏輯正確執(zhí)行邏輯控制、故障診斷。

表3 一級超溫告警故障時序分析

6 結論

基于某高空高速無人機機電綜合架構對其液冷系統(tǒng)進行的控制系統(tǒng)設計，經利用LabVIEW和Simulink搭建的半物理仿真試驗臺的多項測試結果表明：綜合管理計算機能夠按照預定的控制邏輯實現(xiàn)液冷傳感器采集與信息傳輸、故障診斷與控制邏輯解算、指令控制與數(shù)據分發(fā)等功能。

本文所采用的機電綜合技術在無人機液冷系統(tǒng)的設計應用實踐可推廣至燃油、液壓等多個機電系統(tǒng)，通過對多個機電系統(tǒng)的綜合控制與管理，實現(xiàn)降低無人機重量、提高無人機性能的目標。