一種飛機電源網絡測試技術的研究

張宇翔 馮銳莉

（航空工業(yè)陜西飛機工業(yè)有限責任公司 陜西漢中 723213）

飛機機載平臺集成越來越多的電氣設備，系統(tǒng)綜合集成程度大幅提高，系統(tǒng)間深度融合和交聯(lián)，這種系統(tǒng)高度集成架構顯著增加了機上系統(tǒng)功能實現(xiàn)和邏輯控制的復雜度，使得飛機系統(tǒng)試驗復雜程度也隨之增加［1］。本文提出了一種基于飛機機載平臺供電網絡的分布式測試系統(tǒng)模型研究，以實現(xiàn)測試系統(tǒng)的可靠性及精度均滿足的研究，通過試驗數(shù)據(jù)采集與處理，實現(xiàn)系統(tǒng)遠程監(jiān)測與控制，為工程技術人員對飛機機載電源系統(tǒng)測試框架提供一種解決思路。

1 國外飛機電源綜合測試系統(tǒng)簡介

國外飛機設計制造公司在飛機（如F-35、B787、B777、A380、A-400M、A320/340、LCA、EMB-170/190、Dornier 728、M346）的設計研制中，對電氣測試系統(tǒng)的研究已經從自身BIT 技術研制發(fā)展到了ATE 及ATS。各種測試系統(tǒng)的建立均是為評估飛機供電系統(tǒng)網絡的功能及性能是否滿足飛機機載電源網絡系統(tǒng)設計要求。

2 飛機電源綜合測試系統(tǒng)方案

2.1 飛機電源綜合測試系統(tǒng)主要測試內容

主要針對整機的交流電源系統(tǒng)及直流電源系統(tǒng)的空載、帶載邏輯轉換及電特性測試，保證飛機整機電源系統(tǒng)的設計符合性，并增加各測試點位置，來分析電路壓降、浪涌對電網各部分的沖擊情況進行測試。在帶載情況下，模擬負載工作對整機電源系統(tǒng)交、直流的影響進行測試，并利用模擬負載對電網系統(tǒng)進行故障注入模擬，以測試電網的自我保護及各分段保護特性。具體涵蓋的內容如下。

2.1.1 交流穩(wěn)態(tài)參數(shù)

交流三相穩(wěn)態(tài)電壓、電流、頻率、功率、功率因數(shù)、相移、相不平衡；波形參數(shù)（單次諧波含量、總諧波含量、波峰系數(shù)、偏離系數(shù)、交流電壓畸變頻譜、畸變系數(shù)、直流分量）；交流電壓調制量、電壓調制頻率特性、頻率漂移、頻率漂移率、頻率調制。

2.1.2 交流瞬態(tài)參數(shù)

在自動加載、卸載過程中，測量交流電壓浪涌、瞬態(tài)電流、瞬態(tài)頻率；同步記錄過渡過程中的多個電壓電流通道波形。

2.1.3 直流穩(wěn)態(tài)參數(shù)

直流電壓、電流、直流脈動電壓、直流畸變系數(shù)、直流畸變頻譜。

2.1.4 直流瞬態(tài)參數(shù)

在自動加載、卸載過程中，測量直流電壓浪涌、瞬態(tài)電流；同步記錄過渡過程中的多個電壓電流波形。

2.2 電源綜合測試系統(tǒng)總體模型設計

電源網絡測試系統(tǒng)模型由基本硬件及軟件平臺兩部分組成。硬件主要功能是測控系統(tǒng)、網絡數(shù)據(jù)傳輸、故障注入、顯示打印等功能，軟件功能主要是驅動、硬件控制。

2.3 電源綜合測試系統(tǒng)硬件模型設計

電源網絡測試系統(tǒng)硬件設計模型主要包含基于網絡系統(tǒng)管理計算機、終端網絡測試計算機、同步時序控制系統(tǒng)、兩臺PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、基于數(shù)據(jù)采集的信號調理和負載控制箱、基于數(shù)據(jù)交換的工業(yè)以太網交換機、其他I/O接口及打印輸出功能等。

測試系統(tǒng)中，基于網絡的測試管理計算機，其功能主要是負責測試系統(tǒng)的運行狀態(tài)管理及試驗數(shù)據(jù)的采集、傳輸及測試原始數(shù)據(jù)的管理，為測試者全面了解電源綜合測試系統(tǒng)及管理和監(jiān)控。終端網絡測試計算機功能為飛機供電特性測試和基于GJB181A的負載特性測試。供電特性測試計算機功能為對飛機各交、直流發(fā)電機、調壓點電壓、交流和直流匯流條電特性和飛機其他機載測試系統(tǒng)的測試；基于GJB181A 的負載特性測試計算機完成對各種大功率機載用電設備、機電設備故障注入點的測試。測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能主要實現(xiàn)從被測試機載設備上獲取數(shù)據(jù)，可選用PXI 數(shù)據(jù)采集卡進行采集，每塊板卡有若干路模擬量輸入通道，各類板卡通過PXI機箱的數(shù)據(jù)總線進行同步采集及傳輸，同步卡采用兩塊PXI采集卡，實現(xiàn)多塊數(shù)據(jù)采集卡的若干個通道的同步，保證了采集的被測信號嚴格同步。

2.4 信號采集傳感器與信號調理功能

信號采集傳感器模塊包括電壓傳感器、電流傳感器、轉速傳感器等，由傳感器將信號轉換后，經隔離電路及信號調理模塊進行整形、放大、濾波等調理后輸入數(shù)據(jù)采集卡［2］。測試系統(tǒng)所采集的信號類型包含了飛機電源網絡中電氣系統(tǒng)的各種電壓及電流信號。通過傳感器采集到的電壓模擬信號直接進入調理箱進行處理，經過取樣電阻調壓后，輸出測試系統(tǒng)；通過傳感器采集的模擬電流信號先轉變?yōu)殡妷盒盘枺儆扇与娮枵{理后進入測試系統(tǒng)。

2.4.1 信號調理電源

信號調理電源的設計非常重要，可先設計電壓通過EMI 濾波器濾波。EMI 濾波器主要是由共模濾波器、差模濾波器兩個部分組成，EMI濾波器主要特點是使信號調理電源的抗干擾能力增強，避免受到電網對電源的干擾。由于電網測試獲取的直流電的紋波干擾很大，對測量電路影響較大，可考慮在電路模塊中增加了一個防干擾功能的濾波模塊，衰減紋波干擾，使輸出紋波Vp-p達到10mV以下。

2.4.2 電壓信號調理電路

測試系統(tǒng)中包含多路115V/400Hz 交流電壓的測試通道，直流28V 有若干通道，根據(jù)飛機的供電類型?？深A留220V/50Hz 測試通道。交流115V/400Hz 和直流28V信號都通過采集信號電壓調理后由PXI數(shù)據(jù)采集卡進行采集。預留的220V/50Hz隔離電壓采集與電壓傳感器可以兼顧使用，220V電壓信號先通過取樣電阻也將電壓信號轉換成電流信號，為防止弱電壓信號形成干擾，可由電壓傳感器進行隔離、比例變換輸出電流信號，此采集方式可將信號通過取樣電阻將電流信號轉換成電壓信號。

2.4.3 電流信號調理電路

電流信號的測試選擇電流傳感器進行完成。電流信號通過電流傳感器輸出的取樣電阻獲得，取樣電阻上采集的電壓信號經過放大后送入PXI 數(shù)據(jù)采集卡，測試所選用的取樣電阻阻值和運算放大器的放大倍數(shù)可考慮實際設計使用要求及環(huán)境，并同時考慮所采用傳感器的技術參數(shù)進行決定。

2.5 測試系統(tǒng)軟件功能

整個測試系統(tǒng)的軟件基本分為兩個：一是運行在試驗數(shù)據(jù)及網絡管理計算機上的試驗管理軟件，二是測試所需要達到的功能軟件。功能軟件主要完成GJB181-1986測試、GJB181A-2003測試及本地波形監(jiān)控回放等基本功能。在GJB181-1986 和GJB181A-2003規(guī)定的測試參數(shù)可先記錄測試數(shù)據(jù)，其特性參數(shù)可單獨分析，也可實現(xiàn)多個特性參數(shù)同時進行分析。本地波形監(jiān)控功能同步實時采集系統(tǒng)中多個通道的所需波形，來實現(xiàn)對測試數(shù)據(jù)的存儲、回放和測試報表生成和打印等功能，也可對測試數(shù)據(jù)進行挖掘，形成電網絡系統(tǒng)的評價。

3 測試數(shù)據(jù)信息管理

測試數(shù)據(jù)信息管理也是測試環(huán)節(jié)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，主要包括數(shù)據(jù)的存儲和訪問。試驗數(shù)據(jù)管理信息可為設計提供重要的飛機設計信息，以拓展飛機的各種性能。通過信息化手段的試驗數(shù)據(jù)管理，改善傳統(tǒng)的查詢方式，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理流程和處理質量。

4 測試系統(tǒng)的關鍵技術研究

4.1 時序控制技術

測試系統(tǒng)的時序控制是對所觸發(fā)、記錄、回放及系統(tǒng)時間的控制，其控制結果直接導致測試結果的準確性及數(shù)據(jù)分析的正確性。測試系統(tǒng)的時間控制一般分為兩級。一級可借助具有GPS絕對時間的授時來達到測試系統(tǒng)各終端之間秒級甚至毫秒級的同步，以此來規(guī)劃統(tǒng)一的時間基準，便于區(qū)分系統(tǒng)各部分事件發(fā)生的時間；另一級是PXI機箱時鐘同步，記錄系統(tǒng)事件的先后順序，使測試系統(tǒng)在進行數(shù)據(jù)采集時達到各相關采集通道之間相互同步，并保持一定時序的精準性。

4.2 實時數(shù)據(jù)采集傳輸技術

一般測試系統(tǒng)硬件構架中的不同測試設備或不同測試系統(tǒng)通過實時網絡實現(xiàn)，一般可采用依靠光纖線纜完成，光纖具有很好的數(shù)據(jù)實時性、傳輸準確性、數(shù)據(jù)量交換便捷等特點，可保證數(shù)據(jù)具有良好的實時通信功能。

5 飛機電源綜合測試系統(tǒng)模型故障注入的技術研究

5.1 電源綜合測試系統(tǒng)模型物理的故障注入方法

飛機約32%電源系統(tǒng)故障是由物理性集成故障導致的［3］，測試系統(tǒng)對故障注入當方式一般是基于物理特性的。故障注入的實現(xiàn)方式非常多，一般可由硬件實現(xiàn)、軟件實現(xiàn)。對環(huán)境的電性能干擾可結合物理干擾、電源干擾、電磁干擾等，也可設計為一種可在硬件設備的輔助之下，模擬故障注入于所預設的測試系統(tǒng)的硬件中。

5.2 電源綜合測試系統(tǒng)模型物理的故障注入工具

一般來講，基于物理特性的故障注入工具的設計可包含具有故障預設功能的試驗系統(tǒng)控制器、測試系統(tǒng)軟件及硬件運行監(jiān)測的行為監(jiān)視器、故障注入觸發(fā)、數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析、故障對照分析等部分。具有故障預設功能的試驗系統(tǒng)控制器是用于對整個故障注入試驗進行控制的軟件，在預設的軟件終端系統(tǒng)上置入。故障注入主要將需要運行目標系統(tǒng)中注入預設故障類型的功能。測試系統(tǒng)軟件及硬件的行為監(jiān)視器輔助對執(zhí)行模塊的跟蹤，并在預設的故障數(shù)據(jù)收集觸發(fā)點對數(shù)據(jù)收集器的啟動執(zhí)行。

5.3 電源綜合測試系統(tǒng)模型的故障注入實施內容

模擬供電系統(tǒng)可能發(fā)生的各種典型故障，驗證供電系統(tǒng)的保護功能是否完善和符合設計要求，即電源系統(tǒng)保護功能是否完善、電源與電網保護功能的匹配性、保護裝置與導線的匹配性、保護裝置設置的合理性及保護邏輯關系的正確性。

5.4 電源綜合測試系統(tǒng)故障注入及查詢研究的發(fā)展趨勢

考慮到飛機電源系統(tǒng)在研制生產和運行使用階段會產生包括設計生產數(shù)據(jù)、運行使用數(shù)據(jù)、維修保障數(shù)據(jù)等大量非結構化文本數(shù)據(jù)，利用知識圖譜技術，可以從上述非結構化文本中提取知識，實現(xiàn)非結構化知識的統(tǒng)一規(guī)范化表達，進而支持電源系統(tǒng)的故障診斷，提高基于知識的故障診斷的自主化程度、可解釋性和診斷精度［4］。

在現(xiàn)階段對故障注入的不同研究方法，借助于預設故障的構造、時機、注入、獲取的研究中，必須是軟硬件實現(xiàn)方法相結合、軟件與模擬共同來實現(xiàn)故障的注入研究?？紤]到用戶在不能給出明確的查詢意圖時，搜索系統(tǒng)難以精準捕獲用戶的興趣的問題，提出了人機混合的知識圖譜主動搜索［5］。

通過查詢相關文獻，常用的故障檢測技術主要有4種，即機上自檢BIT技術、地面定期檢測、模擬在線監(jiān)測及智能診斷［6］。對測試系統(tǒng)中搭配的軟件及硬件來實現(xiàn)故障注入，應充分考慮整個系統(tǒng)速度匹配性、時間分辨率的控制、觸發(fā)注入條件的選擇、注入效果分析及跟蹤處理。目前的研究中，對故障的注入方法的應用及結果可對測試系統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性和健壯性方面的評估可發(fā)揮拓展性作用。

6 結語

飛機電源網絡中電氣測試系統(tǒng)模型研究，對評估飛機供電系統(tǒng)的設計符合性具有重要的意義。通過試驗數(shù)據(jù)的信息管理，實現(xiàn)對試驗數(shù)據(jù)的實時判斷和監(jiān)控。特別是通過硬件、軟件結合的方式實現(xiàn)對故障注入的研究，也將為評價飛機整機的設計全生命周期的可靠性提供一種思路。