浅析先进飞机机电综合控制与管理系统的研究

【摘要】电气负载管理中心（ELMC）是先进飞机配电系统的重要组成部分，是飞机电气系统的枢纽部件。它根据电气系统处理机（PSP）的布局命令和负载供电请求，以及机上负载的当前状况，来控制汇流条转换及固态功率控制器（SSPC），从而保证机上电气负载的供电及提高电源利用率。

【关键词】电气系统综合控制与管理;可靠性;不中断供电;容错供电

1.引言

飞机电气系统包括供电系统和用电设备。供电系统分为电源系统和配电系统。电气系统的控制与管理主要是针对供电系统而言的，其目的是向飞机上所有用电设备提供满足预定功能的电能。最近几十年来，大量高性能的电气电子负载陆续装机使用，对飞机供电系统的供电能力与供电质量提出了全新的要求，迫切需要改变现有的配电体制，采用先进的分布式配电系统和负载自动管理技术，来适应新一代先进飞机发展的性能要求。

2.飞机电气系统发展概况

电气系统在军用飞机上经历了一个从无到有、从简单到复杂的发展过程。早期飞机上并不装载任何电气设备，后来，经过第一、二次世界大战和现代战争的需求推动，飞机完成的任务由空中侦察和对地射击演变为空中格斗和争夺制空权，与此相对应，机载设备与以前相比也有了天壤之别的变化：飞控、火控、电子战、环控、雷达、外挂、发动机控制等各种高性能机载设备相继诞生。这些机载设备的增加给飞机供电系统带来了巨大的冲击，主要体现在以下两个方面：

1）供电容量要求越来越大

以战斗机为例，F-104是美国50年代初的一种轻型战斗机，它采用的是恒速恒频交流和变频交流组成的混合供电系统，其主电源为20KVA的变频交流发电机和一台液压马达驱动的2.5KVA的恒频交流发电机;到了70年代，以F-15为代表的第三代战斗机开始占主导地位，其采用的是115V、400Hz的恒速恒频交流供电系统，主电源为2台40/50KVA的组合电源装置;到了90年代后期，更先进的第四代战斗机F-22则采用的是270V高压直流供电系统，主电源为两台65KW的直流发电机。

2）供电质量要求越来越高

根据电气系统实际需要的变化，对供电系统供电标准不断改进。到目前为止，其标准从GJB 181到GJB 181A的阶段。标准更新换代的一个重要推动力就是供电质量要求在不断提高。举例来说，在GJB 181以前，对电源转换工作特性未提出要求，GJB 181A中就明确规定：“在汇流条和电源转换状态，电压和频率的变化应在零伏状态与全能特性之间，且时间不大于50ms。正常瞬态就可能发生在完成转换期间”。这里面体现的是新型负载所需要的供电不中断要求。

3.飞机电气系统控制与管理技术发展状况

配电系统由导线、配电装置和保护装置组成，它的作用是将电源产生的电能传输和分配到飞机各个用电设备。根据控制方式不同，通常分为三种：即常规式配电、遥控式配电和自动配电三种。

3.1 常规式配电

常规式配电是目前最广泛的方式。这种方式简单可靠，但是，由于配电中心安装在驾驶舱，所以馈电线必须先从发电机端敷设到驾驶舱，然后再从驾驶舱返回机身中部的负载中心，因而主馈线又长又重。

3.2 遥控式配电

遥控式配电的汇流条靠近用电设备，座舱内只引入控制线，通过遥控断路器来控制负载和保护馈电线，大大减轻了电缆重量。其缺点是离散控制线过多，自动化程度不高。

3.3 自动配电方式

自动配电方式是用计算机控制管理的方式。利用微处理机来实现全部控制和管理功能。负载采用了多路传输技术，提高了配电系统的效率和可靠性;由于采用按键和显示器取代了众多的指示、控制装置，缓和了驾驶舱控制板上设备的拥挤程度。

4.我国飞机电气系统控制与管理发展现状

我国对飞机智能配电供电系统及其相关技术的研究起步较晚，自七十年代末才有少数军工国防单位开始对飞机多路传输技术进行研究。进入八十年代后，才开始对ELMC进行研究。目前，我国的飞机电源系统仍然广泛采用常规配电方式，不能适应新一代飞机的供电要求。

5.先进飞机电气系统综合控制与管理系统的结构方案设计

5.1 飞机电气系统综合控制与管理系统的控制方式

根据综合控制系统对飞机电气系统的控制方式划分，可分为集中式控制、分布式控制和集散式控制。

1）集中式控制

集中式控制是传统的控制模式。其优点是质量轻、成本低、结构简单、便于信息的分析和综合，容易实现整个系统的最优控制。缺点是：容错性差、可靠性差、可维护程度低。

2）分布式控制

分布式控制中，由ELMC负责其周围负载的控制和管理，系统数据总线用于在ELMC、GCU之间传递状态和传感器信息。优点：容错性好;系统易于扩充，也易于维修;可靠性高。

3）集散式控制

集散式控制与分布式控制不同的是增加了供电系统处理机（PSP）。ELMC负责局域负载的管理和控制，并具有一定的自检能力;PSP对整个系统进行全面的管理和控制。具有通用性强、灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、安装简单规范、调试方便、运行安全可靠等特点。因此，选择集散式控制系统作为飞机电气综合控制系统的方案较为适宜。

5.2 飞机电气系统综合控制与管理系统的组成及功能

飞机电气综合控制系统由供电系统处理机（PSP）、电气负载管理中心（ELMC）、通用电气远程终端（RT）组成。

5.2.1 供电系统处理机（PSP）

供电系统处理机（PSP）控制整个电气系统，负责整个电源系统的状态获取，实现电源系统故障判断和供电系统布局处理功能。正常状态下，它从系统中其它终端接收系统状态数据机负载状态信息，从综合航电系统接收飞机状态信号，根据这些信息，PSP解算整个电源系统的结构布局，进而解算出电源请求方程，然后向负载管理中心（ELMC）、远程终端（RT）发送合理的控制命令，从而实现了飞机电气系统的自动化管理。

为了增强可靠性，采用双机冗余设计。两台PSP同时工作，其中一台处于热备份状态，只负责对整个供电系统的状态监视和数据记录，当主PSP故障时，由备份PSP接管总线控制权，执行主PSP的功能。每一个PSP都能从主电源和蓄电池电源中任何一个获得电力并工作。PSP主要完成以下功能：

1）控制系统的启动和关闭;

2）控制系统电气数据总线;

3）接收和处理系统状态数据，实现负载的管理;

4）连接航空电子系统;

5）进行系统供电系统处理机自检测和故障诊断。

5.2.2 电气负载管理中心（ELMC）

ELMC是具有局部处理能力的智能终端，对其周围负载进行控制和管理。主要功能有：

1）汇流条监测功能;

2）控制SSPC;

3）继电器监控以及二极管监测;

4）通讯功能;

5）自检测（BIT）功能。

5.2.3 远程终端（RT）

RT主要是根据电源系统的工作状态对主交流和主直流汇流条之间的连接和断开进行控制和保护，对各个接触器的状态以及交流外部电源的品质进行监控，同时对主电源、APU电源、地面电源的加电逻辑进行控制，确保任何两种以及主电源的两个通道之间不会并联。主要功能有：

1）监测交直流电源通道、主汇流条、接触器等的工作状态;

2）监控EPMC;

3）控制外部电源;

4）处理PSP的指令;

5）机内自检测（BIT）。

6.电气系统综合控制与管理技术特点

通过上述分析和国外的研究、实践来看，飞机配电系统的发展总趋势就是采用分布式配电和负载自动管理技术。采用分布式配电技术，可以大大提高配电可靠性，增加安全性，减轻配电系统重量，提高功率使用和负载管理的效能;采用负载自动管理技术后，就可以根据飞机发电容量的大小、供电系统的完好程度以及飞机不同飞行阶段自动断开和接通用电设备，保证飞行和任务关键负载的可靠供电。采用分布式配电和负载自动管理的自动化配电系统，是下一代先进飞机配电系统的发展趋势，它具有如下特征：

1）实现负载的自动管理;

2）提高供电系统的可靠性;

3）节约时间、减轻供电系统重量;

4）提高配电系统的维护性;

5）提高配电系统的可操作性;

6）提高配电系统的可扩展性。

7.未来技术发展与展望

航空电子系统将不断朝着综合化的方向发展，作为航空电子综合化系统的一部分，飞机电气控制与管理系统也必将朝着综合化方向发展。在未来的大综合化系统中，飞机电气控制与管理系统将成为其中的一个最底层子系统，其控制结构与总线接口方式也必将朝着这一方向来改进。

参考文献

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[2]沈颂华.航空航天器供电系统[M].北京航空航天大学出版社，2005.

[3]《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册.电气系统设计.北京：航空工业出版社，1999

[4]航空航天，西北工业大学联合翻译.容错供电系统[M].北京：航空航天工业部第三0一研究所，1997

[5]GJB 181A-2003.飞机供电特性.

作者简介：郭鹏（1984―），女，吉林桦甸人，大学本科，工程师，现供职于中航工业洪都650所，主要从事电气系统设计工作。