民用飞机电气系统飞行剖面设置及系统显示控制装置的设计与实现

摘要：根据民用飞机电气系统地面试验验证阶段电气系统供电模式设置和运行状态显示的试验需求，本文设计并实现了一种飞行剖面设置及系统显示控制接口装置，该装置不仅具备飞行剖面控制的功能，而且具备电气系统显示控制接口模拟的功能，能较好地满足实际要求，且操作方便、准确可靠。该装置的成功实现，保障了民用飞机电气系统设计验证工作，对我国民用飞机电气系统试验具有重要的指导意义。

关键词：电气系统；飞行剖面；简图页；CAS；N2转速信号

中图分类号：V243文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.09.005

民用飞机飞行剖面一般分为装载和准备、发动机起动、滑行、起飞和爬升、巡航、下降、着陆等飞行阶段，典型飞行剖面如图1所示。电气系统的设计主要采用以主发电机（简称主发）供电为主、以辅助发电机（auxiliary power unit generator，APU GEN）供电为辅和以冲压空气涡轮（ram air turbine，RAT）发电机供电为备份的多余度供电设计模式[1-4]。

在民用飞机电气系统设计研制过程中，电气系统实验室试验不仅是电气系统设计验证的重要手段，也是适航取证必不可缺少的试验验证项目，其试验过程不可或缺[5-6]。

目前，在民用飞机电气系统地面研制试验验证阶段，由于试验条件限制，缺乏有效的方法和装置模拟机上飞行剖面真实状态，以实现飞机电气系统供电模式的设置和运行状态的显示，难以满足地面试验验证需求。

本文在分析民用飞机电气系统运行状态控制和显示具体需求的基础上，借鉴了国外飞机电气系统地面试验验证经验，提出一种能够满足民用飞机电气系统飞行剖面设置及系统显示控制试验用的装置，通过该装置在实验室条件下按试验要求实现电气系统飞行剖面控制和显示控制接口模拟功能。

1需求分析

在进行电气系统地面试验时，为保证电气系统正常运行，有以下试验需求：（1）验证飞机级需求：由于飞机在滑行、起飞、巡航、下降、着陆等各个状态下发动机转速变化，相应的电气系统运行模式不同，需要验证电气系统供电模式的设置能够满足机上环境的要求；（2）验证系统级需求：由于不同的供电模式下电气系统相关参数存在差异，需要验证电气系统的简图页信息[7]和机组告警系统（crew alerting system，CAS）信息显示[8]能够满足电气系统运行状态显示要求；（3）模拟飞机其他系统信号：为确保供电系统正常，运行中需要提供飞机其他系统的状态，如发动机的N2转速信号、起落架状态、左右防火手柄状态、当前空速等，需要验证上述信號的仿真能够满足电气系统正常运行要求；（4）减少试飞架次和支持机上排故：由于电气系统功能耦合和交联复杂，给试飞试验排故增加困难，需要在地面充分验证需求，提高试飞试验效率。

2设计分析

根据上面需求分析，飞行剖面设置及系统显示控制装置主要功能包括两部分：飞行剖面控制和电气系统显示控制接口模拟。因此，在设计该装置时，应根据上述功能分别进行设计。

2.1系统内部结构

飞行剖面设置及系统显示控制装置系统内部结构框图如图2所示。

2.2飞行剖面控制

飞行剖面控制部分设计的总体结构如图3所示。针对发电机驱动转速和加速度的设置问题，本文采用飞行剖面控制软件和油门台并行控制的方式。其中飞行剖面控制软件通过内部设置实现主发、APU GEN和RAT发电机的转速实时控制，其中主发包括左发电机（LVFG）和右发电机（RVFG）；油门台控制是通过手动操作油门台，实现主发转速的控制。两种控制方式通过控制计算机进行选择切换。

同样，采用手动和自动两种方式对发电机冷却系统中主发、APU GEN和RAT发电机的冷却系统温度设定值进行设置。冷却系统控制是由智能仪表实现的，并且是闭环调节。因此，只需要将输入的预设温度值进行运算并按照通信协议进行编码，送到冷却系统接收机中就可以实现对冷却系统进行控制。当采用飞行剖面控制软件进行设置时，该装置通过以太网接口与拖动控制台通信，控制拖动台转速和加速度，对发电机冷却系统进行控制，保证发电机正常工作。同时显示拖动台的转速和加速度的实时数据、转速与时间的关系曲线等。

2.3电气系统显示控制接口模拟

2.3.1电气系统显示控制接口模拟总体结构设计

电气系统显示控制接口模拟部分设计的总体结构如图4所示。由图4可知，电气系统显示控制接口模拟部分采集电源系统发送的ARINC 664总线信息、模拟量和离散量信息，对电源系统信息进行分析、解耦，完成航电系统关于电源系统的简图页和CAS信息显示。同时，模拟飞机其他系统仿真信号，激励电源系统正常工作。

2.3.2简图页显示设计

简图页信息处理程序流程如图5所示，将电源系统以及二次配电单元（RPDU）采集的信号按照接口定义进行逻辑处理，并在显示面板中显示各项信息。具有简图页显示、状态及参数存储功能和回溯功能，便于与测试参数、试验状态对比。

2.3.3机组告警系统（CAS）信息显示设计

根据RPDU传送的信息以及仿真器监测的EPS信号，按照接口文件定义的逻辑关系计算出CAS信息，并在CAS显示页面上显示。在CAS信息显示设计过程中，在显示界面上按以下分类显示EPS三个等级的警戒信息：Warning（红色）、Caution（黄色）和Advisory（白色），同时可选择显示/短路两种状态。具有CAS信息状态显示、参数存储和回溯的功能。

2.3.4飞机其他系统信号仿真设计

为确保供电系统正常，运行中需要航电系统提供飞机其他系统的状态，如发动机的N2转速信号、起落架状态、左右防火手柄状态和当前空速等。这些信号直接关系到供电系统工作于何种状态、运行是否正常，以及其工作状态的转换。根据具体的试验要求和供电系统实际运行状况，拟设计信号仿真器模拟飞机其他系统的工作状态，并且分别按照各信号的给定周期通过总线或硬线实时地发送给供电系统。信号仿真分模拟信号输出和离散信号输出。

发动机N2转速信号[9-10]是飞机左右发动机上的测速发电机的输出信号，用来给发电机控制器及其他设备提供发动机的转速，是一个幅度和频率都随转速变化的交流信号。在信号仿真器设计过程中，将发动机的N2转速信号通过数据采集板卡的模拟输出端口，经过调理电路，传送给发电机控制器。采集卡输出的数字信号通过信号调理箱进行放大驱动继电器，继电器输出配置成需要的地/开、高/开或开关信号，实现对电气系统状态的模拟和控制。继电器采用24VDC信号继电器，最大驱动电流达到2A，峰值到5A，满足控制需要。

3系统硬件配置

基于前两节的设计考虑，飞行剖面设置及系统显示控制接口装置整体硬件结构框架如图6所示，系统中选取两台PXI平台工控机，一台负责飞机供电系统电源系统控制、监测，另一台负责供电系统配电系统激励、监测功能。这样，既可以使系统在功能和結构上互不影响，又可以提高系统的运算速度，降低对工控机控制器的要求。

硬件系统主要由PXI系统和调理箱组成。PXI系统包括PXI机箱、PXI控制器和外部模块（通信板卡、数据采集板卡、数字I/O板卡等）。调理箱也采用模块化插卸式设计，由机箱、电源模块和调理板卡组成，调理板卡的功能是根据飞机供电系统中的实际信号要求和PXI系统对信号的要求进行调理、放大等功能。

本装置硬件配置主流工业控制计算机、NI公司PCI总线数据采集卡PCI-6229、凌华公司的继电器板卡cPCI-7252以及凌华公司的串口板卡cPCI-3544。

4功能实现

为验证飞行剖面设置及系统显示控制装置的设计是否满足试验要求，本节对该装置在飞行剖面控制和电气系统显示控制接口模拟两个方面通过Labview软件[11]进行了功能验证。

4.1飞行剖面控制功能验证

在正常飞行阶段对主发（LVFG和RVFG）进行转速和加速度的设置，通过面板将LVFG的速度设置为13206r/min，RVFG的速度设置为13206r/min，加速度均设置为1000 r/min，点击运行，经过约13.2s后，LVFG和RVFG的转速从0上升到13206r/min，整体反馈曲线如图7所示。由图7可以看出，LVFG、RVFG的最终速度能快速、准确地达到设定值，说明发电机拖动系统控制功能和转速显示功能可以达到预期的效果。

4.2电气系统显示控制接口模拟功能验证

电气系统显示控制接口模拟部分需实现简图页显示、CAS信息显示和外部信号仿真的功能。

（1）简图页显示功能实现

正常供电情况：在地面实验室条件下，以LVFG和RVFG为电源系统供电为例，电源系统运行状态简图页显示正确，符合正常供电的预期效果。

应急供电情况：在地面实验室条件下，以RAT发电机和蓄电池为电源系统应急供电为例，电源系统运行状态简图页显示正确，符合应急供电的预期效果。

（2）CAS信息显示功能实现

在地面实验室条件下，当LVFG和RVFG出现故障时， CAS信息显示面板上出现LVFG和RVFG故障对应的CAS信息L GEN FAULT和R GEN FAULT，等级均为“Caution”，显示正确，符合预期效果。

（3）外部信号仿真功能实现

以模拟APU起动发电所需的航电仿真信号为例，在外部信号仿真界面上按下按钮“APU Master Switch”“APU RTL”，在继电器板卡上听到清晰的开关闭合的声音，即表明可以通过界面操作控制继电器板卡信号的输出，此时这两个信号由默认状态“open”转变为“有效”状态，即由“0”变为“1”，从而达到信号仿真的目的。

5结论

本文创新性地设计了飞行剖面控制和电气系统显示控制接口模拟结构框架，并针对电气系统内部状态设计了简图页和CAS信息显示流程及逻辑。通过上述功能试验，验证了本文提出的飞行剖面设置及系统显示控制装置功能正确、操作方便、准确可靠，且人机交互界面友好，能较好地满足电气系统运行状态控制和显示的试验需求。该装置的成功研制和实现，不仅解决了民用飞机电气系统地面试验验证阶段电气系统供电模式设置和运行状态显示的技术难题，保障了电气系统的设计验证，而且对提升民用飞机电气系统实验室试验配套设施的研制能力具有重要的意义。

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（责任编辑王为）

作者简介

杨刚（1991-）男，硕士，工程师。主要研究方向：民用飞机电气系统设计、试验及验证分析。

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