民機(jī)環(huán)控系統(tǒng)臺架試驗(yàn)所需控制系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境分析

段春

【摘 要】針對民用飛機(jī)機(jī)載環(huán)控系統(tǒng)在試驗(yàn)室內(nèi)開展的系統(tǒng)臺架試驗(yàn)，對環(huán)控系統(tǒng)在飛機(jī)上的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行研究，重點(diǎn)對能確保控制系統(tǒng)正常運(yùn)行所需要的外部必要條件進(jìn)行詳細(xì)分析；對比試驗(yàn)室內(nèi)的系統(tǒng)臺架試驗(yàn)條件，進(jìn)而得到需在試驗(yàn)室內(nèi)模擬的被試系統(tǒng)外圍環(huán)境的功能及接口需求。分析結(jié)果可作為被試系統(tǒng)所需運(yùn)行環(huán)境模擬設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)輸入條件。

【關(guān)鍵詞】環(huán)控系統(tǒng)；試驗(yàn)室試驗(yàn)；環(huán)境模擬；需求分析

中圖分類號： V243；TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）23-0091-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.039

【Abstract】In order to support system rig test of civil aircraft on-board environment control system in lab， the ECS work conditions in aircraft are studied， and it focuses on analyzing exterior necessary conditions which should insure the functionality of the control system. Compared with the system test facility conditions in lab， the function and interface requirement of ECS exterior environment to be simulated in lab can be concluded. The analyze result can be used as input to design and develop the ECS work condition simulator.

【Key words】Environment Control System （ECS）； Lab test； Condition simulation； Requirement analyzing

0 前言

國內(nèi)外民用飛機(jī)市場競爭激烈，環(huán)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)客艙舒適性提升、爭取獲得乘客更大滿意度、擴(kuò)大市場份額的重要機(jī)載系統(tǒng)之一[1]。系統(tǒng)試驗(yàn)是驗(yàn)證與優(yōu)化系統(tǒng)功能和性能的重要手段，必不可少。本文所述民機(jī)環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)僅指在試驗(yàn)室內(nèi)開展的系統(tǒng)臺架試驗(yàn)，不包括在飛機(jī)上開展的系統(tǒng)試驗(yàn)。在同時(shí)具備動態(tài)試驗(yàn)和仿真計(jì)算兩大先進(jìn)技術(shù)能力的環(huán)控試驗(yàn)室內(nèi)開展系統(tǒng)試驗(yàn)，可驗(yàn)證更多的設(shè)計(jì)需求是否得到滿足，進(jìn)而減少試飛試驗(yàn)、降低研制風(fēng)險(xiǎn)和研制成本，并能加快項(xiàng)目研制進(jìn)度[2]。機(jī)載環(huán)控系統(tǒng)包含氣源、空調(diào)、壓力調(diào)節(jié)、機(jī)翼防冰等重要子系統(tǒng)，對于150～200座級的民用客機(jī)，普遍從發(fā)動機(jī)引氣，經(jīng)系統(tǒng)調(diào)溫調(diào)壓后分配到機(jī)翼前緣、客艙、駕駛艙等各個(gè)區(qū)域[3]。

試驗(yàn)室內(nèi)的環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)臺只包含系統(tǒng)自身的試驗(yàn)件，不包含其他如航電、電源、告警顯示、起落架等機(jī)載設(shè)備，也沒有飛機(jī)艙室環(huán)境。環(huán)控系統(tǒng)的制冷設(shè)備、活門、導(dǎo)管、換熱器、傳感器等試驗(yàn)件按照機(jī)上的布置位置進(jìn)行安裝連接，設(shè)備與系統(tǒng)控制器間的電氣連接與機(jī)上保持一致。被試系統(tǒng)的供氣來自試驗(yàn)室內(nèi)的發(fā)動機(jī)氣源模擬專用設(shè)施。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取通過試驗(yàn)件改裝、傳感器加裝和試驗(yàn)室內(nèi)的數(shù)據(jù)采集與記錄設(shè)備配合完成。具備這些條件后還無法確保試驗(yàn)?zāi)茼樌_展，因?yàn)橄到y(tǒng)控制缺乏運(yùn)行環(huán)境不能正確運(yùn)行，無法得到正確有效的輸出結(jié)果。

1 系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系

環(huán)控系統(tǒng)控制與其他機(jī)載系統(tǒng)存在復(fù)雜的輸入輸出交聯(lián)關(guān)系。如圖1所示，系統(tǒng)一方面需要接收其他系統(tǒng)如控制板、起落架、艙門、電源等發(fā)來的信息作為系統(tǒng)控制運(yùn)算的輸入條件；另一方面需要發(fā)出諸多信息給其他系統(tǒng)如告警顯示、飛行記錄、機(jī)載維護(hù)、水廢水等用于監(jiān)控、記錄及控制運(yùn)算；還有一部分系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備不是與系統(tǒng)控制器直接相連，而是在其控制與監(jiān)測回路中間串入了航電系統(tǒng)，以航電網(wǎng)絡(luò)作為中間橋梁在控制器與被控對象之間傳輸控制命令和反饋狀態(tài)信息。

由于系統(tǒng)試驗(yàn)臺沒有真機(jī)環(huán)境，不包含其他機(jī)載系統(tǒng)，無法提供控制系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的外部環(huán)境，試驗(yàn)無法開展；因此需要試驗(yàn)室配備專用設(shè)施來模擬該環(huán)境，下面對控制系統(tǒng)運(yùn)行所需外圍環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 運(yùn)行環(huán)境功能需求

環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)臺的控制架構(gòu)如圖2所示，實(shí)線部分為系統(tǒng)自身控制結(jié)構(gòu)；虛線部分示意外圍環(huán)境模擬功能，僅模擬保證系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的最小系統(tǒng)而非全系統(tǒng)功能，詳細(xì)功能需求分析如下。

2.1 模擬電源系統(tǒng)功能

電源網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。機(jī)上環(huán)控系統(tǒng)設(shè)備的工作用電均由電源系統(tǒng)分配，并由其控制供電通斷及提供回路保護(hù)。當(dāng)控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備時(shí)，控制器發(fā)出指令經(jīng)航電網(wǎng)絡(luò)傳到電源系統(tǒng)，由電源系統(tǒng)控制遠(yuǎn)程分配單元實(shí)現(xiàn)對用電負(fù)載的供電通斷；同時(shí)電源系統(tǒng)將供電狀態(tài)信息通過航電網(wǎng)絡(luò)回傳給環(huán)控系統(tǒng)，作為對供電端的監(jiān)控。

試驗(yàn)室內(nèi)模擬電源系統(tǒng)與環(huán)控系統(tǒng)有交聯(lián)部分的功能。模擬功能具備：

（1）分配28V直流和115/200V三相交流電的能力；

（2）接收和解析環(huán)控控制器發(fā)出的信息，并轉(zhuǎn)化為實(shí)際供電通斷動作，同時(shí)能將供電狀態(tài)信息反饋給環(huán)控系統(tǒng)；

（3）本地控制和遠(yuǎn)程控制兩種模式；

（4）回路保護(hù)功能。

2.2 模擬航電系統(tǒng)功能

飛機(jī)上環(huán)控系統(tǒng)與航電系統(tǒng)聯(lián)系密切，部分系統(tǒng)功能如通風(fēng)就是結(jié)合航電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；很多機(jī)載系統(tǒng)如發(fā)動機(jī)、燃油惰化、客艙核心等也都是通過航電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與環(huán)控系統(tǒng)的信息交換。模擬航電環(huán)境需具備功能如下：

（1）能接收并處理環(huán)控系統(tǒng)通過航電網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給其他系統(tǒng)的信息；

（2）能將其他系統(tǒng)通過航電網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的信息傳輸給環(huán)控系統(tǒng)；

（3）能接收與辨識環(huán)控系統(tǒng)控制器發(fā)出的內(nèi)部指令，并及時(shí)轉(zhuǎn)化為作動命令輸出給系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備；能將這些設(shè)備的狀態(tài)信息采集、轉(zhuǎn)化并反饋給環(huán)控系統(tǒng)。

2.3 模擬顯示及其他系統(tǒng)功能

為了觀測系統(tǒng)狀態(tài)，需模擬顯示功能，將系統(tǒng)的輸入輸出信息以友好的圖表交互形式進(jìn)行顯示。飛機(jī)上諸多系統(tǒng)如發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、艙門系統(tǒng)、客艙核心系統(tǒng)、輔助動力系統(tǒng)、結(jié)冰探測系統(tǒng)、防火系統(tǒng)和控制面板等，均有向環(huán)控系統(tǒng)提供輸入，這些信息是系統(tǒng)運(yùn)行的重要邊界條件，直接影響試驗(yàn)結(jié)果。需模擬這些系統(tǒng)的相關(guān)功能，并且模擬功能需具備手動設(shè)置參數(shù)值的能力。

3 硬件接口需求

為實(shí)現(xiàn)上述功能，需設(shè)計(jì)硬件I/O（輸入/輸出）接口與環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)件接口匹配，I/O方向是相對環(huán)控系統(tǒng)而言，即輸入指外部向環(huán)控系統(tǒng)傳輸信號，反之亦然。I/O接口類型分為離散量、模擬量和供電三類，更詳細(xì)的類型、數(shù)量等接口定義信息根據(jù)被試系統(tǒng)實(shí)際情況而定。

3.1 離散信號接口

離散信號包含開關(guān)量和總線信號，其中開關(guān)量包含地/開和28V/開兩種信號；總線信號包含民機(jī)機(jī)載總線規(guī)范ARINC 429、ARINC 825等。

3.2 模擬信號接口

模擬信號一般為傳感器輸出信號，包含電壓、電流和電阻信號，其中電壓信號主要為毫伏、0～5V和0～10V電壓模擬量；電流信號主要為4～20mA電流模擬量；電阻信號主要為鉑熱電阻和熱敏電阻等。

3.3 供電接口

供電分為28V直流供電和交流供電，其中交流供電又分為115V單相和200V三相供電。為防止電信號互相干擾、保證傳輸質(zhì)量，設(shè)計(jì)時(shí)考慮強(qiáng)/弱電分開，弱電接口與供電接口使用獨(dú)立的電連接器；每個(gè)設(shè)備的供電接口需保證連接器接觸件的載流量和負(fù)載的功率匹配。

根據(jù)環(huán)控系統(tǒng)具體的試驗(yàn)室試驗(yàn)規(guī)劃和試驗(yàn)任務(wù)，梳理被試系統(tǒng)與外部的硬件接口，接口類型及數(shù)量匯于表1得到總的I/O需求。試驗(yàn)配置環(huán)境模擬設(shè)施時(shí)應(yīng)在表1的需求基礎(chǔ)上適當(dāng)增加各類數(shù)量，以提高的冗余度

4 結(jié)語

為保證民用飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)室試驗(yàn)順利開展，對系統(tǒng)運(yùn)行所需外部必要條件進(jìn)行了詳細(xì)的需求分析，得到了功能及接口需求，是系統(tǒng)運(yùn)行所需外部環(huán)境模擬設(shè)施的設(shè)計(jì)與開發(fā)的重要依據(jù)，為環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)室試驗(yàn)的順利開展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]程立嘉，程曉忠，左彥聲.大型客機(jī)空氣管理系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].航空科學(xué)技術(shù)，2008，（3）：7-8.

[2]孫江平，崔燚.基于仿真技術(shù)的飛機(jī)環(huán)控試驗(yàn)室設(shè)計(jì)[J]. 民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2012，（S1）：119-122.

[3]朱春玲.飛行器環(huán)境控制與安全救生[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.