基于狀態機控制的飛機供電系統仿真

陳李飛，張曉斌，高朝暉

（西北工業大學 自 動化學院，陜西 西 安 7 10129）

飛機供電系統由電源系統和配電系統組成，負責向飛機上的用電設備提供電功率，在飛機中占有十分重要的地位[1]。隨著航空技術的飛速發展，飛機供電系統的結構和控制越來越復雜，供電系統難免會遇到故障情況。當故障產生時，電源控制單元（PCU）能夠對供電系統進行合理控制，從而切除當前故障，保證飛機的正常飛行[2]。

采用仿真的方法對飛機供電系統進行研究一直是關注的熱點。文獻[3]采用Saber軟件完成了對飛機供電系統的仿真，但是該系統僅建立了主發電機模型及其故障，忽略了系統可能出現的匯流條故障、整流器故障等情況，同時對于發電機故障的處理采用邏輯器件實現的方式，該供電系統的仿真模型故障形式單一，不能反映出供電系統多種故障發生時的情況；文獻[4]使用了雙觸發權DTPN建模方法對飛機供電系統進行仿真，建立了相關組件的BEDTPN模型，并通過Petri網的共享合成得到交流供電系統整體模型，這種PCU實現方法比較復雜，文章也并未建立真實的供電系統結構加以驗證。

Ansoft/Simplorer是一款多域機電系統設計與仿真分析軟件，該軟件可以采用電路、方塊圖和狀態機三種方式進行建模。狀態機是一個有向圖形，它通過響應一系列事件而運行，當事件發生時，函數由當前節點轉移到下一個節點，當到達終態節點時，狀態機停止。狀態機是描述控制特性的建模方法，簡單易用，狀態之間的關系明確[5]。本文采用Ansoft/Simplorer軟件，建立了某型飛機的供電系統結構，以該結構為研究對象，以狀態機控制的方法實現PCU的功能，并仿真了供電系統正常和故障運行工況，給出了仿真的結果及分析。

1 有限狀態機原理

有限狀態機[6]是一種具有離散輸入輸出系統的模型，在任意時刻都處于一個特定狀態。對于以事件驅動的控制方式，狀態機是非常有效的設計模型。在某一狀態下，當有相關的觸發事件發生時，狀態機根據當前狀態和觸發事件，決策系統狀態轉移的方向。

有限狀態機是一個五元組 M=(Q,∑,δ,q0,Z)，其中：

1）Q是一個有限的狀態集合；

2）∑表示該系統能接受的所有事件的集合；

3）變遷函數δ：Q×∑→Q，稱為狀態轉移函數，它描述了系統中每個狀態轉換到其他狀態的可能性，只要該事件發生，就會發生轉換。常用定義式δ（q1,a）=q2表示在狀態q1下接受時間a之后，轉入指定的新狀態q2；

4）q0∈Q是系統的一個特殊狀態，一般是系統的初始狀態；

5）Z∈Q是終結狀態的集合。

狀態機通常由有向圖來表示，如圖1所示，圖中圓形節點對應系統的狀態，若在狀態1接收到某個觸發事件a后轉向狀態2，就在圖中畫一條從狀態1到狀態2的帶箭頭的弧線，并在弧線上標記為a。

圖1 狀態轉移圖Fig.1 State transition diagram

2 飛機供電系統仿真模型的設計框架

PCU負責對飛機供電系統進行監控和保護，并將供電系統的工作狀態信息和PCU本身的工作狀態信息傳送給上位機，在飛機供電系統中占有重要的地位。PCU產生供電系統相關接觸器的控制信號，通過控制接觸器的開通關斷來實現飛機供電系統的故障處理，并且各故障狀態相互獨立。這種功能特點決定了在供電系統的仿真中，可以采用狀態機方法實現對飛機供電系統的控制。

本文提出的飛機供電系統仿真的設計思想如圖2所示，仿真結構框架主要包括兩個部分：一是飛機供電系統模型；二是基于狀態機控制實現的PCU功能模塊。程序運行的原理是：故障特征采集模塊檢測飛機供電系統當前的運行狀況，檢測結果作為狀態轉移的觸發事件；在狀態機中，當某一狀態的觸發事件發生時，該狀態向新狀態轉移；故障切除模塊接收新狀態中蘊含的處理信息并輸送到飛機供電系統中，各接觸器進行相應的狀態轉換完成故障處理，保證供電系統的正常運行。

圖2 飛機供電系統的仿真結構框架Fig.2 Simulation structural of aircraft power supply system

3 飛機供電系統的Simplorer仿真

根據前文提出的仿真結構框架，在Simplorer軟件中，需要建立飛機供電系統和PCU這兩個模型。

3.1 飛機供電系統模型

圖3所示為典型的飛機供電系統結構圖，該系統由左右兩個通道組成。正常情況下，各通道發電機僅向各自的交流主匯流條和交流應急匯流條供電；交流主匯流條通過1、2號整流裝置向直流主匯流條和直流應急匯流條供電。當單個發電機故障時，由另一臺發電機向雙通道供電；當發電機均故障時，由蓄電池向直流通道供電，并通過靜止變流器向交流通道供電。當單個交流主匯流條短路時，斷開與之相連的主發電機和應急匯流條，該通道不供電，系統由另一通道正常工作；當左右交流主匯流條均發生故障時，由蓄電池向系統供電。當單個整流器發生故障時，連接左右直流應急匯流條，由另一個整流器向直流側供電；當兩個整流器均故障時，由蓄電池向直流通道供電。

圖3 某型飛機供電系統結構簡圖Fig.3 Structure diagram of aircraft power supply system

在Simplorer中，分別搭建飛機發電機、整流器、靜止變流器等器件模型，然后按照圖3所示的連接結構，完成飛機供電系統的仿真模型。

3.2 PCU模型

飛機供電系統可能發生多種故障，鑒于篇幅所限，這里僅以發電機故障為例，說明以狀態機形式實現PCU功能的方法。PCU模型包括3個部分：故障特征采集模塊、狀態機模塊、故障切除模塊。

1）故障特征采集模塊

故障特征采集模塊的作用是根據器件的外部輸出特性判斷其是否發生故障，并將檢測結果輸送到狀態機中作為故障觸發事件。對于發電機故障，故障判斷的依據是檢測發電機輸出有無電壓以及主匯流條是否發生短路。當主匯流條未發生短路但是發電機輸出無電壓，此時認定是發電機發生故障。利用Simplorer中的電壓表和比較器，可建立該模塊的仿真模型。

2）狀態機模塊

狀態機模塊的功能是實現狀態變量和狀態轉移的設置，根據系統所處狀態和系統的故障觸發事件，決策系統狀態轉移的方向。

在供電系統中，發電機故障包括四種故障情況：雙發均正常、左發或右發單發故障、雙發均故障。根據上文提到的發電機故障處理方法，可知道在特定狀態下，各主要繼電器的開通關斷狀態如表1所示，其中“1”表示開通，“0”表示關斷。

表1 發電機故障時繼電器的工作狀態Tab.1 Relays working states behind generator fault

圖4給出了在Simplorer中以狀態機方法實現發電機故障處理的仿真圖。圖中，圓圈代表狀態，圓圈中的黑點表示系統當前所處的狀態，這里設定“雙發正常”為初始狀態，“雙發故障”為結束狀態；在狀態中可以設置變量并對變量進行賦值，這里各繼電器的控制信號作為變量；有向開關代表觸發事件，將各故障信號作為有向開關的控制信號。當故障情況發生時，有向開關導通，系統的狀態發生轉移。

圖4 發電機故障時的狀態機實現Fig.4 State machine accomplished when generator fault

狀態機的工作原理如下：供電系統初始處于“雙發正常”狀態，繼電器的狀態按照表1所示的狀態動作；當左發電機故障時，故障采集模塊獲取到故障信號，并決定有向開關“左發故障信號”導通，系統的狀態轉移到“右發正常”；如果在此基礎上，系統右發電機也發生故障，狀態機的狀態繼續發生轉移，此時系統處于“雙發故障”終態，狀態不再發生轉移。

3）故障切除模塊

故障切除模塊的功能是將狀態機輸出的控制信號加以處理，使其更真實地反映接觸器的工作過程。這種處理主要是對狀態機輸出的控制信號設置一定的延遲時間，然后作為供電系統接觸器的控制信號，輸入到供電系統中。利用Simplorer中的延時器件，可實現故障切除功能。

從以上的分析可以看出，狀態機能夠簡單的完成PCU功能；各狀態之間的關系明確，能夠清楚地給出系統發生故障的原因。圖4“雙發正常”中的圓點標識代表系統當前所處的狀態，它是可動的，因此該標識能夠明確指出系統狀態轉換的過程，這就為查找系統故障的原因提供了方法。例如，供電系統的狀態由“雙發正常”轉移到“右發正常”，而轉移的條件就是檢測到左發故障信號，此時就知道是左發電機發生了故障。

4 仿真結果及分析

對已經完成的飛機供電系統仿真模型，設定如下故障情況：在 0～0.6 s時，雙發正常工作；在 0.6～0.8 s時，左發電機故障，右發電機正常工作；在0.8～1.0 s時，右發電機故障，雙發均故障，仿真結果如下分析。

圖5給出了供電系統左右通道交直流主匯流條和應急匯流條的電壓波形。從圖中可以看出，在0～0.6 s時，發電機完成啟動并正常工作，各匯流條均有電；在0.6 s左發電機故障，由左發供電的左交直流主匯流條和應急匯流條上無電壓，經PCU處理后，左通道開始由右發電機供電，此時相當于發電機的加載工況，右發電機的輸出電壓有所下降，但是經調壓器作用又重新回到穩定；在0.8 s右發電機也發生故障，各匯流條上的電壓都下降為0，此時交直流的主匯流條和應急匯流條斷開，蓄電池開始向直流應急匯流條供電，并通過左右靜止變流器向交流應急匯流條供電，各主匯流條不供電。從仿真結果來看，各匯流條的電壓波形與供電系統自身要求的故障處理過程相一致。

為了驗證仿真結果是否正確，將仿真測量結果與GJB 181A《飛機供電特性》的相關要求做對比，對比的結果如表2所示。從表中可以看出，所仿真的飛機供電系統在發電機故障情況下，交直流通道的電壓均滿足國軍標相應的穩態和瞬態特性要求，證明了仿真的正確性。

圖5 仿真結果Fig．5 Simulation results

表2 仿真結果與GJB181A對比Tab.2 Comparison between simulation results and GJB181A

5 結束語

文中提出了一種基于狀態機方式實現PCU功能的方法，并基于Ansoft/Simplorer軟件，以某型飛機供電系統為研究對象，仿真了PCU對飛機供電系統的故障處理過程。仿真結果顯示，采用狀態機控制的方法，飛機供電系統能夠簡單有效地處理相應故障，保證供電系統正常工作。

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