基于LabVIEW的飛機輔助動力系統(tǒng)仿真分析

李坤 衡康 解華林 趙培楓 劉希軍

摘? 要：文章構建了基于LabVIEW的飛機輔助動力系統(tǒng)仿真模型，并對飛機輔助動力系統(tǒng)進行仿真與分析。分析了飛機輔助動力系統(tǒng)起動原理，并根據(jù)起動原理分析輔助動力系統(tǒng)的起動及關斷過程。采用LabVIEW建立輔助動力系統(tǒng)起動前的火警報警仿真測試、起動過程仿真測試及關斷過程仿真測試。通過對飛機輔助動力系統(tǒng)進行仿真分析，展示輔助動力系統(tǒng)的起動原理及流程，為相關人員的飛機輔助動力系統(tǒng)研究提供理論參考。

關鍵詞：輔助動力系統(tǒng)；LabVIEW；火警報警；系統(tǒng)仿真

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）01-0138-04

Simulation Analysis of Aircraft Auxiliary Power System Based on LabVIEW

LI Kun， HENG Kang， XIE Hualin， ZHAO Peifeng， LIU Xijun

（Civil Aviation Flight University of China， Deyang? 618300， China）

Abstract： This paper establishes a simulation model of aircraft auxiliary power system based on LabVIEW， and simulates and analyzes the aircraft auxiliary power system. The starting principle of the aircraft auxiliary power system is analyzed， and the starting and shutdown processes of the auxiliary power system are analyzed according to the starting principle. LabVIEW is used to establish the fire alarm simulation test， starting process simulation test and shutdown process simulation test of the auxiliary power system before starting. Through the simulation analysis of the aircraft auxiliary power system， the starting principle and process of the auxiliary power system are displayed， which provides theoretical reference for relevant personnel to study the aircraft auxiliary power system.

Keywords： auxiliary power system; LabVIEW; fire alarm; system simulation

0? 引? 言

輔助動力裝置（Auxiliary Power Unit， APU）是位于飛機后部的一種小型燃氣渦輪發(fā)動機，是提供動力能源的裝置，其主要作用是在地面上為飛機系統(tǒng)供氣、供電，在空中提供備用能源[1]。為飛機提供引氣的是APU上的負載壓氣機，為飛機提供交流電的是其對應的交流發(fā)電機。正因為APU的存在，使得如今的民用飛機減少了對外部設備的依賴，從而提高了飛機的可靠性及使用效率。

本文中研究B787飛機上所使用的APU，其具有輔助起動發(fā)電機（Auxiliary Starter Generator， ASG），是APU起動運行的關鍵部件，與傳統(tǒng)機型APU相比，主要區(qū)別是該機型APU上的起動機與發(fā)電機合為一體。設計的優(yōu)點是減少了APU上面的部件，從而降低了APU的成本和重量，系統(tǒng)的安全可靠性得以提升。在每臺APU附件齒輪箱的前部都安裝有兩臺ASG，當APU起動時ASG充當起動機，當APU穩(wěn)定運轉時ASG充當發(fā)電機，給飛機提供23 5VAC-360～440 Hz-225 KVAd交流電[2]。

LabVIEW是一種圖形化的編程語言，具有功能強大、操作簡便等特點，是虛擬儀器程序中功能最為全面、實際應用最廣的一種，其主要功能有系統(tǒng)設計、界面顯示、數(shù)據(jù)采集等。通過LabVIEW建立APU起動及關閉狀態(tài)的仿真模型并進行功能調試，動態(tài)化演示APU的起動及關閉過程。

1? APU系統(tǒng)介紹

現(xiàn)代民航飛機的APU通常設置在機尾的APU艙內，APU主要由動力部分、負載壓氣機部分和附件齒輪箱部分組成。動力部分由壓氣機、軸流式渦輪和燃燒室組成。負載壓氣機和附件齒輪箱主要由動力部分驅動，負載壓氣機部分提供壓縮空氣。附件齒輪箱主要包括起動發(fā)電機、油氣分離器和滑油泵等附件，其底部作為滑油系統(tǒng)集油槽，用來存儲滑油，動力主要是靠動力部分提供[3，4]。

輔助動力裝置的功能是獨自為飛機供電和壓縮空氣，少量輔助動力裝置可為飛機提供額外推力。飛機起飛時，輔助動力裝置給飛機以足夠大的功率；飛機爬升到一定高度后，輔助動力裝置將為飛機供給所需要的動力[5]。飛機從地面起飛之前，主發(fā)動機是依賴于輔助動力裝置提供動力或供給空氣而起動的，因此不需要靠地面電源或氣源車起動發(fā)動機。地面上，輔助動力裝置供電及壓縮空氣，確保客艙及駕駛艙照明及空調裝備正常運行，飛機起飛過程中發(fā)動機功率完全用于飛機的地面加速及爬升以提升飛機起飛性能。飛機進入著陸場后，由于受跑道的限制，飛機必須減速下降才能著地。如果需要滑行一定距離，則需要輔助動力系統(tǒng)給主發(fā)動機供電以維持其正常工作。

APU的工作原理為當進氣口吸進空氣時，壓氣機對空氣進行壓縮形成壓縮空氣，之后壓縮空氣輸送到燃燒室中，與燃油噴霧在燃燒室中混合充分后被點燃形成高溫燃氣，之后高溫燃氣進入渦輪部分，在渦輪處高溫燃氣由化學能轉化為機械能，進而帶動APU工作，燃氣最后經尾噴管排出機外。

2? APU起動及關閉過程

APU起動及關閉過程是由APU控制面板來控制的，面板位于飛機上的P5頭頂板上，APU控制面板上主要有電瓶電門、APU電門、APU GEN電門、APU FAULT燈等部件，這些部件是完成APU起動及關斷過程的關鍵部件。APU控制面板如圖1所示。

APU起動過程是將電瓶電門和APU電門開關撥到ON位，此時電子控制組件（Electronic Control Unit， ECU）會接收到一個信號，打開APU關斷活門和APU進氣門，同時還會將滑油壓力燈點亮。然后APU GEN電門打開，APU開始起動。APU起動過程中不同的轉速階段所執(zhí)行的功能也會不一樣，在3%轉速時點火系統(tǒng)通電；7%轉速時起動燃油總管開始供油；15%轉速時主燃油總管開始供油，飛機應處于地面上；達到35%轉速時，飛機進入飛行狀態(tài)；達到50%轉速時，輔助動力裝置控制器（Auxiliary Power Unit Controller， APUC）斷開ASG并點火；達到60%轉速時除油活門關閉；達到70%轉速時永磁發(fā)電機（Permanent Magnet Genertor， PMG）向燃油組件供電；達到95%轉速時即已準備好供電、供氣；達到100%轉速時表明APU起動成功，可以進行電載荷和氣載荷。

APU關斷首先是將APU電門撥到OFF位，傳遞給ECU的ON位信號斷開，OFF位信號傳送給ECU，輔助電源斷電器（Auxiliary Power Breaker， APB）斷開后，系統(tǒng)將進入持續(xù)2分鐘的冷卻循環(huán)過程，APU降至冷卻轉速。當APUC執(zhí)行超轉保護時，關閉燃油組件供油，當冷卻循環(huán)進行到60 s時，APUC打開除油活門，之后發(fā)送指令給客艙通信系統(tǒng)（Cabin Communications System， CCS）關閉APU燃油關斷活門和燃油增壓泵的自動工作，當APU轉速降到15%以下時，關閉進氣門，隨后APU停止工作。

3? B787飛機APU系統(tǒng)仿真模型建立

對B787飛機APU系統(tǒng)進行仿真設計，根據(jù)APU工作原理及運轉過程，采用LabVIEW建模仿真APU起動及關斷過程。

火警測試過程是APU起動前必不可少的一步，系統(tǒng)仿真首先需完成火警測試程序框圖，該程序框圖是由while循環(huán)構成的，在循環(huán)里面加入條件結構。通過布爾撥動開關控制火警測試程序的完成。布爾撥動控制開關控制條件結構，開關打開輸入真值，條件結構真部分開始運行，否則運行假部分。在條件結構中把火警測試面板上需要點亮的指示燈，通過創(chuàng)建布爾指示燈的屬性節(jié)點的值，并給這些指示燈的屬性節(jié)點賦上條件，以此控制指示燈的亮滅。當布爾撥動開關撥到相應檔位時，賦值為真的指示燈點亮，撥到另一檔位時，賦值為假的指示燈點亮。

APU的起動需要控制面板上的幾個開關同時作用，在程序框圖中，設計APU電瓶電門開關和APU起動開關，選用垂直按鈕開關，通過開和關來控制整個程序。另外，APU起動時工作的部件通過布爾控件來實現(xiàn)，由布爾指示燈的亮滅來測試系統(tǒng)是否正常運行。按照APU起動原理把控件正確連接起來制作程序框圖。程序框圖最外面是總while循環(huán)，在while循環(huán)里放入了平鋪式順序結構，平鋪式順序結構可以確保子程序框圖按照順序執(zhí)行。

平鋪式結構被分為3幀，第0幀設計火警測試框圖。因火警測試是在APU起動前需進行的工作，故先設計火警測試框圖。在第1幀設計條件結構，三個開關通過與門連接來控制條件結構，在條件結構真的部分中設計平鋪式順序結構，總共分為2幀，兩個布爾燈并賦值為真放在了第0幀，第1幀放入前面的兩個布爾燈并賦值為假，而且在每一幀都加入延時后，此操作可以實現(xiàn)燈的閃爍功能。在平鋪式順序結構的第2幀中設計了條件結構，通過布爾開關控制條件結構的執(zhí)行，按下開關執(zhí)行真值部分，否則執(zhí)行假值部分。在平鋪式順序結構中設計延時，可以控制程序執(zhí)行時間，加入延時后便于觀察程序執(zhí)行流程。APU起動程序框圖如圖2所示。

最后仿真APU的關斷過程，其關斷過程與起動過程是相互關聯(lián)的，APU控制板上的開關同時控制起動與關斷。關斷程序框圖最外面采用while循環(huán)，循環(huán)內設計平鋪式順序結構，總共添加了5幀，按順序完成所需的功能。第0幀的設計與起動過程類似，實現(xiàn)的功能為關閉。后面3幀設計關斷時控制的部件及延時功能。在最后一幀中實現(xiàn)APU60秒冷卻循環(huán)過程所執(zhí)行的操作。

系統(tǒng)冷卻過程采用while循環(huán)，在循環(huán)內設計平鋪式順序結構，共分成2幀，第0幀設計60秒循環(huán)倒計時器，倒計時器是通過for循環(huán)完成的，通過減法運算實現(xiàn)倒計時的功能，運算結果通過數(shù)值顯示控件在前面板上顯示結果，顯示系統(tǒng)冷卻時間。后面一幀設計的是在冷卻過程中需要關斷的控件。APU關斷程序框圖如圖3所示。

4? B787飛機APU系統(tǒng)仿真調試

B787飛機APU系統(tǒng)仿真選取的部件大多數(shù)以布爾控件為主，通過布爾指示燈的亮滅來顯示工作的開始與結束，布爾指示燈通過自定義其亮滅的顏色來仿真真實的APU操作。

按照要求設計好所有程序框圖，并整合形成完整的APU起動及關斷程序，然后開始執(zhí)行系統(tǒng)程序，檢查程序是否可以正常運行。如果不能正常運行，則根據(jù)系統(tǒng)錯誤提示進行修改，在前面板中對APU系統(tǒng)進行仿真調試。

APU起動前需要進行相應的準備工作，觀察飛機狀態(tài)是否滿足APU起動條件。如果條件不滿足，則不允許起動APU。在APU起動前需要進行火警測試，只有測試通過，APU才能進行起動操作。通過LabVIEW設計APU火警測試面板，測試APU起動前需滿足的條件。當測試電門置于OVHT/FIRE位時，確認火警燈、主警告燈和OVHT/DET燈亮起，如圖4所示。當測試電門置于FAULT/INOP位時，確認主警告燈、OVHT/DET燈點亮，如圖5所示。測試燈正常運行且沒有報警時，表明火警測試已通過，進而表明APU可以進行起動操作。