基于LabVIEW-RT飛機(jī)電力系統(tǒng)主回路過壓保護(hù)的研究

張 萌，王智慧

（1.陸軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表室，陜西 西安 710075；2.陜西航空電氣有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

多電、全電飛機(jī)作為新一代飛機(jī)的重要特征，多年來得到了快速發(fā)展，其核心是：“飛機(jī)系統(tǒng)化的研究理念和集成化的技術(shù)思想”。將飛機(jī)的發(fā)電、電力、用電集成在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，實(shí)行統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一管理和控制。在民用和軍用飛機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用，如B787、A380以及F-35戰(zhàn)斗機(jī)等。目前，國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了很多探索和研究，但是技術(shù)積累匱乏。目前，一些高等院校、中航工業(yè)發(fā)展研究中心、中國(guó)商飛等企業(yè)都在積極推進(jìn)大型民用客機(jī)多電、全電技術(shù)的研究工作。航空電力系統(tǒng)作為多電、全電飛機(jī)的重要組成部分，負(fù)責(zé)向飛機(jī)用電設(shè)備連續(xù)提供滿足規(guī)定要求的電能。電力系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性尤為重要，關(guān)系到飛機(jī)的飛行安全。隨著機(jī)載設(shè)備的數(shù)量越來越多，總功率也在不斷增加，甚至達(dá)到兆瓦級(jí)，飛機(jī)電力系統(tǒng)的架構(gòu)和控制系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，開發(fā)難度越來越大。

目前，在飛機(jī)電力系統(tǒng)的研制過程中，前期需要進(jìn)行以數(shù)學(xué)模型為依據(jù)的全數(shù)字仿真，驗(yàn)證系統(tǒng)開發(fā)指標(biāo)及方案可行性；后期則需要進(jìn)行大量實(shí)物測(cè)試，為產(chǎn)品改進(jìn)提供可靠數(shù)據(jù)。但是，全數(shù)字仿真技術(shù)已很難滿足當(dāng)前多電、全電飛機(jī)電力系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜任務(wù)，對(duì)于一些非線性、復(fù)雜的部件，難以用數(shù)學(xué)方程精確建模的系統(tǒng)，全數(shù)字仿真的結(jié)果只能提供一定的理論參考，可信度較低。其次，后期需要進(jìn)行大量的實(shí)物測(cè)試試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)反復(fù)修改設(shè)計(jì)，不斷迭代、優(yōu)化，將會(huì)造成更多人力、物力和財(cái)力的浪費(fèi)，而且開發(fā)周期較長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)較大，甚至失敗。因此，需要更加可信、高效的仿真技術(shù)來參與產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計(jì)、開發(fā)及驗(yàn)證過程。

半實(shí)物仿真技術(shù)與傳統(tǒng)的全數(shù)字仿真技術(shù)相比，它可以將系統(tǒng)中的部分實(shí)物接入整個(gè)仿真回路中進(jìn)行物理電氣信號(hào)連接，這部分子系統(tǒng)無需建模，仿真過程更加逼真，試驗(yàn)結(jié)果的可信度與參考價(jià)值更高。半實(shí)物仿真能夠參與飛機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全生命周期。如：理論設(shè)計(jì)、全數(shù)字仿真驗(yàn)證、控制系統(tǒng)驗(yàn)證、被控對(duì)象驗(yàn)證、加載測(cè)試、集成測(cè)試等。通過此舉可以及早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)中存在的缺陷并改進(jìn)，保證每個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確，降低實(shí)物集成測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)，縮短產(chǎn)品研制周期、節(jié)約研發(fā)成本。而且有利于多學(xué)科大型復(fù)雜系統(tǒng)的聯(lián)合仿真及新思路與新技術(shù)在多電、全電飛機(jī)電力系統(tǒng)探索和設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與推廣。

半實(shí)物仿真技術(shù)作為近年來新興的仿真技術(shù)，已經(jīng)在航空、航天、船舶、汽車、電網(wǎng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但在航空電力系統(tǒng)的開發(fā)中應(yīng)用較少。為此，本文基于NI LabVIEW-RT實(shí)時(shí)系統(tǒng)及平臺(tái)對(duì)28 V飛機(jī)主電路系統(tǒng)的過壓保護(hù)進(jìn)行半實(shí)物研究，并設(shè)計(jì)了優(yōu)化模型，解決了信號(hào)干擾、傳感器精度不足、采樣電阻精度不足帶來的保護(hù)時(shí)間誤差較大等問題，為未來多電、全電飛機(jī)電力系統(tǒng)的研究及大系統(tǒng)的聯(lián)合仿真奠定了基礎(chǔ)，具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐意義。

1 過壓保護(hù)要求

飛機(jī)電力系統(tǒng)作為飛機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，其電力系統(tǒng)的可靠性直接影響飛機(jī)的飛行安全，目前飛機(jī)的電力系統(tǒng)除電能分配功能外，還包含許多保護(hù)功能，過壓保護(hù)就是其中一項(xiàng)重要保護(hù)措施。電壓過高將導(dǎo)致后一級(jí)用電設(shè)備無法正常工作，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龎挠秒娫O(shè)備。如果系統(tǒng)電壓過高且不能及時(shí)切斷或者隔離故障，那么待故障進(jìn)一步擴(kuò)大后還將產(chǎn)生更為嚴(yán)重的后果。因此，在飛機(jī)的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須具備過壓保護(hù)功能。GJB181A—2003對(duì)飛機(jī)電力系統(tǒng)過壓保護(hù)有嚴(yán)格的要求，所有設(shè)備必須按照相應(yīng)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

如圖1所示，GIB181A—2003過壓保護(hù)的要求具有反延時(shí)的特性，即電壓超出規(guī)定越多，產(chǎn)生的危害也就越大，要求的保護(hù)時(shí)間也越短，需要快速切斷和隔離故障通道，保護(hù)用電設(shè)備。電壓超出規(guī)定越少，產(chǎn)生的危害也就越小，為防止尖峰、干擾等引起的電力系統(tǒng)誤動(dòng)作，要求的保護(hù)時(shí)間也越長(zhǎng)。

圖1 過欠壓極限曲線

2 半實(shí)物仿真系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件組成

如圖2所示，本文采用NI半實(shí)物仿真平臺(tái)架構(gòu)，系統(tǒng)主要包含：上位機(jī)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)仿真機(jī)、接口系統(tǒng)、配電盤箱（被控系統(tǒng)）。

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

上位機(jī)系統(tǒng)為一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)，用來開發(fā)控制算法模型，并運(yùn)行NI VeriStand開發(fā)軟件編譯、下載模型，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。

仿真機(jī)系統(tǒng)為美國(guó)NI公司出品，包含主機(jī)箱1085和控制器8840，控制器內(nèi)部安裝LabVIEW-RT實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其為半物理仿真的核心設(shè)備，仿真步長(zhǎng)可達(dá)毫秒級(jí)，最小可達(dá)20 μs；另外，還安裝了模擬量I/O板卡，用來采集系統(tǒng)中的電壓信號(hào)值；安裝的數(shù)字量I/O板卡，主要用來發(fā)送離散控制信號(hào)控制接觸器動(dòng)作。

信號(hào)接口系統(tǒng)用來匹配與實(shí)物配電盤箱對(duì)接的信號(hào)類型及大小，將電壓傳感器輸出的信號(hào)匹配為仿真機(jī)系統(tǒng)板卡可接受的電壓或者電流信號(hào)，將仿真機(jī)系統(tǒng)輸出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為可以直接驅(qū)動(dòng)真實(shí)接觸的功率信號(hào)。

配電盤箱系統(tǒng)為被控對(duì)象，主要包含主接觸器、電壓傳感器、匯流條、斷路器等硬件設(shè)備。

2.2 系統(tǒng)軟件流程

如圖3所示，在MATLAB/SimuLink的環(huán)境當(dāng)中創(chuàng)建過壓保護(hù)系統(tǒng)模型，利用MATLAB RTW將SimuLink模型編譯成C代碼，利用VC將C代碼編譯為Model_name.dll，在NI VeriStand 中直接添加*.dll 文件。

圖3 軟件流程

2.3 系統(tǒng)工作原理

（1）上位機(jī)系統(tǒng)編譯和加載過壓保護(hù)模型，并實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，用來替代真實(shí)控制系統(tǒng)；

（2）設(shè)置外部電源電壓值（用來模擬真實(shí)的機(jī)上電源）為正常工作電壓28 V；

（3）接口系統(tǒng)接收來自配電盤箱系統(tǒng)的電壓傳感器采集的電壓信號(hào)（電流型），并將其調(diào)理為實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)硬件可接受的幅值（±10 V）和信號(hào)類型（電壓型），接收來自實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)輸出的接觸器控制信號(hào)（5 V），并將控制信號(hào)調(diào)理為接觸器的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)（28 V）；

（4）實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)通過6365模擬量板卡采集電壓信號(hào)，并實(shí)時(shí)判斷系統(tǒng)電壓狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生過壓故障時(shí)，實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)通過數(shù)字量板卡6509輸出主接觸器關(guān)斷信號(hào)，執(zhí)行過壓保護(hù)動(dòng)作，保護(hù)時(shí)間按GIB181A—2003過壓保護(hù)的反延時(shí)特性曲線進(jìn)行。

3 系統(tǒng)實(shí)時(shí)化建模

28 V主電路過壓保護(hù)系統(tǒng)模型如圖4所示，系統(tǒng)主要包含6個(gè)子系統(tǒng)。

圖4 過壓保護(hù)系統(tǒng)仿真模型

（1）輸入接口模塊（Hardware_interface_module）

如圖5所示，輸入接口模塊主要用來完成模型與外部硬件接口的一一映射。讀取28 V飛機(jī)主電路系統(tǒng)中的電壓值。

圖5 硬件接口模型

（2）變比模塊（Variable_scale_module）

如圖6所示，變比模塊主要用來恢復(fù)真實(shí)的電壓值，主要因?yàn)榻涌谙到y(tǒng)在采集電壓值時(shí)將高壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為低壓信號(hào)，需滿足實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)硬件板卡采集的電壓范圍（±10 V）要求，因此模型需要根據(jù)硬件的變比系數(shù)將采集的電壓轉(zhuǎn)化為真實(shí)的電壓值。

圖6 變比模型

（3）過壓保護(hù)（Overvoltage_protection_module）

如圖7所示，過壓保護(hù)模塊主要判斷系統(tǒng)是否存在過壓情況，并根據(jù)GIB181A—2003過壓保護(hù)曲線的要求對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)反延時(shí)保護(hù)功能。

圖7 過壓保護(hù)模型

（4）控制模塊（Control_module）

如圖8所示，控制模塊主要是根據(jù)上一級(jí)判斷的結(jié)果輸出相應(yīng)接觸器的關(guān)斷與接通信號(hào)，如果發(fā)生過壓故障，控制輸出模塊輸出邏輯0（接觸器斷開命令），反之則輸出邏輯1（接觸器接通命令）。

圖8 控制輸出模型

（5）優(yōu)化模塊（Signal_optimization_module）

如圖9所示，優(yōu)化模塊主要用來處理信號(hào)干擾、修正傳感器及采樣電阻誤差，使系統(tǒng)能夠得到一個(gè)波動(dòng)小的信號(hào)。

圖9 優(yōu)化模型

（6）輸出接口模塊（Output_interface_module）

如圖10所示，輸出接口模塊主要用來完成模型與外部輸出硬件6509板卡的一一映射，輸出接觸器控制邏輯信號(hào)。

圖10 優(yōu)化模型

4 測(cè)試結(jié)果與分析

為驗(yàn)證優(yōu)化模型的效果，本文進(jìn)行了未優(yōu)化和優(yōu)化的過壓保護(hù)模型半物理仿真測(cè)試。由于國(guó)軍標(biāo)的過壓保護(hù)在過電壓較低時(shí)，反延時(shí)時(shí)間差別較大，為秒級(jí)，系統(tǒng)保護(hù)應(yīng)該更靈敏。在過電壓較大時(shí)時(shí)間差別較小，為毫秒級(jí)，因此在選取過壓測(cè)試點(diǎn)時(shí)，過電壓較低時(shí)選取的測(cè)試點(diǎn)較密集，在過電壓較大時(shí)選取的測(cè)試點(diǎn)較稀疏。具體過壓測(cè)試點(diǎn)選取為31.5 V、31.55 V、31.6 V、31.65 V、31.7 V、32 V、35 V、40 V、50 V。圖11為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)物。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物

4.1 未優(yōu)化模型測(cè)試結(jié)果

由于測(cè)試點(diǎn)較多，本文只給出了2個(gè)點(diǎn)的測(cè)試波形。圖12、圖13所示為未優(yōu)化的模型在31.5 V、50 V的過壓保護(hù)波形。

圖12 模型未優(yōu)化31.5 V過壓保護(hù)曲線

圖13 模型未優(yōu)化50 V過壓保護(hù)曲線模型

由圖11可以看出，當(dāng)電壓輸入達(dá)到31.5 V時(shí)，按照GIB181A—2003的要求，系統(tǒng)應(yīng)該延時(shí)7.76 s之后切斷過壓通道的電源。

由圖12可以看出，當(dāng)電壓輸入達(dá)到50 V時(shí)，按照GIB181A—2003的要求，系統(tǒng)應(yīng)該延時(shí)50 ms后切斷過壓通道的電源，真實(shí)測(cè)試時(shí)間為53 ms，誤差為3 ms。

分析上述結(jié)果產(chǎn)生的主要原因，發(fā)現(xiàn)是受電壓傳感器采集精度的影響。本系統(tǒng)選擇的電壓傳感器精度為0.5%，電壓在過壓臨界值31.5 V時(shí)產(chǎn)生誤差0.157 5 V；采集得到的電壓信號(hào)疊加了干擾信號(hào)產(chǎn)生的誤差。按照GIB181A—2003的過壓保護(hù)要求，31.5 V對(duì)應(yīng)保護(hù)時(shí)間為7.758 s，3.16 V對(duì)應(yīng)保護(hù)時(shí)間為4.231 8 s，電壓相差0.1 V，但時(shí)間相差3.526 3 s。較小的電壓波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)時(shí)間影響較大，電壓傳感器的誤差及干擾信號(hào)的影響不能忽略。

本文提出了一種優(yōu)化方案，將原始信號(hào)分兩步進(jìn)行優(yōu)化，最后得到與實(shí)際電壓值接近的信號(hào)，再進(jìn)行過壓保護(hù)判斷。

如圖14（a）所示，當(dāng)電壓輸入為31.5 V，原始采樣的電壓信號(hào)較大，波動(dòng)達(dá)到（31.5±0.3）V時(shí)，先對(duì)原始信號(hào)求平均值，此處平均值時(shí)間不宜過長(zhǎng)。過長(zhǎng)的時(shí)間濾波效果雖然較好，但同時(shí)延時(shí)較長(zhǎng)，部分區(qū)間的電壓點(diǎn)將不能正常保護(hù)，尤其在電壓較高時(shí)，過長(zhǎng)的延時(shí)無法忽略。但時(shí)間也不宜過短，否則濾波輸出的波形雖有所改善，但波動(dòng)仍然較大。本文經(jīng)過反復(fù)論證，取平均值時(shí)間為10 ms。經(jīng)過半實(shí)物仿真測(cè)試，如圖14（b）所示，濾波輸出的電壓信號(hào)波動(dòng)為（31.5±0.05）V，采用平均值法可以使精度提高6倍。

圖14 31.5 V電壓采樣優(yōu)化與未優(yōu)化信號(hào)對(duì)比圖

經(jīng)過上一步優(yōu)化，雖然使誤差系統(tǒng)電壓采集誤差修正在±0.05 V范圍內(nèi)，但在過電壓較低時(shí)，0.05 V的電壓誤差仍然會(huì)造成保護(hù)時(shí)間存在約2.3 s的誤差。因此，本文進(jìn)一步對(duì)信號(hào)進(jìn)行了間隙非線性優(yōu)化，選擇間隙±0.075 V，主要目的是在一個(gè)仿真步長(zhǎng)內(nèi)，當(dāng)信號(hào)波動(dòng)未超過±0.075 V時(shí)，輸出值與上一個(gè)仿真步長(zhǎng)的輸入值保持一致，當(dāng)波動(dòng)超過±0.075 V時(shí)，在下個(gè)仿真步長(zhǎng)輸出當(dāng)前值，起到平波作用，使采樣電壓保持定值。

4.2 優(yōu)化后模型測(cè)試結(jié)果

圖15、圖16給出了優(yōu)化后的模型在31.5 V、50 V時(shí)的過壓保護(hù)波形圖。

圖15 模型優(yōu)化后31.5 V過壓保護(hù)曲線

圖16 模型優(yōu)化后50 V過壓保護(hù)曲線

由圖15可以看出，當(dāng)電壓輸入達(dá)到31.5 V時(shí)，系統(tǒng)在經(jīng)過7.3 s的延時(shí)之后切斷了過壓故障通道的電源，完成了過壓保護(hù)動(dòng)作。

由圖16可以看出，當(dāng)電壓輸入達(dá)到50 V時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)過52 ms的延時(shí)之后切斷了過壓故障通道的電源，完成了過壓保護(hù)動(dòng)作。

因此，在模型優(yōu)化后，無論在過壓較低或過壓較高時(shí)，半實(shí)物仿真控制系統(tǒng)均能按照要求執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作，并且精度較高。

4.3 其他測(cè)試點(diǎn)與GIB181A—2003對(duì)比分析

為了更加直觀地分析及驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的效果，本文將未優(yōu)化、優(yōu)化模型的測(cè)試結(jié)果與GIB181A—2003的過壓曲線進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖17所示。

圖17 優(yōu)化與未優(yōu)化仿真結(jié)果對(duì)比

未優(yōu)化的模型，當(dāng)電壓輸入在3.15 V與3.17 V之間的區(qū)間點(diǎn)時(shí)均為執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作，電壓信號(hào)誤差較大（31.5±0.3）V。當(dāng)波動(dòng)在31.5 V以下時(shí)，控制系統(tǒng)誤以為系統(tǒng)未發(fā)生過壓故障，所以無動(dòng)作。當(dāng)電壓較高時(shí)，結(jié)果與GIB181A—2003的過壓曲線一致，最大誤差為0.002 s，誤差比例為4%。

優(yōu)化后的模型測(cè)試結(jié)果：9個(gè)測(cè)試點(diǎn)均執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作，擬合的曲線基本與GIB181A—2003的過壓曲線一致，過壓較高時(shí)最大誤差為0.001 6 s，過壓較低時(shí)最大誤差為0.358 3 s，誤差比例分別為3.2%和4.6%。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于NI LabVIEW-RT實(shí)時(shí)系統(tǒng)及平臺(tái)對(duì)28 V飛機(jī)主電路系統(tǒng)的過壓保護(hù)進(jìn)行半實(shí)物研究，并對(duì)保護(hù)時(shí)間不理想的問題進(jìn)行了平均值和非線性間隙的優(yōu)化，通過設(shè)計(jì)參數(shù)、半物理仿真驗(yàn)證，使得控制系統(tǒng)判斷電壓準(zhǔn)確、執(zhí)行過壓保護(hù)動(dòng)作迅速，達(dá)到了GIB181A—2003的要求。本文為未來多電、全電飛機(jī)的電力系統(tǒng)開發(fā)和集成實(shí)驗(yàn)提供了一條新的途徑。