陳李飛，張曉斌，高朝暉

（西北工業(yè)大學(xué) 自 動(dòng)化學(xué)院，陜西 西 安 7 10129）

飛機(jī)供電系統(tǒng)由電源系統(tǒng)和配電系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)向飛機(jī)上的用電設(shè)備提供電功率，在飛機(jī)中占有十分重要的地位[1]。隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展，飛機(jī)供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制越來越復(fù)雜，供電系統(tǒng)難免會(huì)遇到故障情況。當(dāng)故障產(chǎn)生時(shí)，電源控制單元（PCU）能夠?qū)╇娤到y(tǒng)進(jìn)行合理控制，從而切除當(dāng)前故障，保證飛機(jī)的正常飛行[2]。

采用仿真的方法對(duì)飛機(jī)供電系統(tǒng)進(jìn)行研究一直是關(guān)注的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]采用Saber軟件完成了對(duì)飛機(jī)供電系統(tǒng)的仿真，但是該系統(tǒng)僅建立了主發(fā)電機(jī)模型及其故障，忽略了系統(tǒng)可能出現(xiàn)的匯流條故障、整流器故障等情況，同時(shí)對(duì)于發(fā)電機(jī)故障的處理采用邏輯器件實(shí)現(xiàn)的方式，該供電系統(tǒng)的仿真模型故障形式單一，不能反映出供電系統(tǒng)多種故障發(fā)生時(shí)的情況；文獻(xiàn)[4]使用了雙觸發(fā)權(quán)DTPN建模方法對(duì)飛機(jī)供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，建立了相關(guān)組件的BEDTPN模型，并通過Petri網(wǎng)的共享合成得到交流供電系統(tǒng)整體模型，這種PCU實(shí)現(xiàn)方法比較復(fù)雜，文章也并未建立真實(shí)的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)加以驗(yàn)證。

Ansoft/Simplorer是一款多域機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析軟件，該軟件可以采用電路、方塊圖和狀態(tài)機(jī)三種方式進(jìn)行建模。狀態(tài)機(jī)是一個(gè)有向圖形，它通過響應(yīng)一系列事件而運(yùn)行，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，函數(shù)由當(dāng)前節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)終態(tài)節(jié)點(diǎn)時(shí)，狀態(tài)機(jī)停止。狀態(tài)機(jī)是描述控制特性的建模方法，簡(jiǎn)單易用，狀態(tài)之間的關(guān)系明確[5]。本文采用Ansoft/Simplorer軟件，建立了某型飛機(jī)的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以該結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，以狀態(tài)機(jī)控制的方法實(shí)現(xiàn)PCU的功能，并仿真了供電系統(tǒng)正常和故障運(yùn)行工況，給出了仿真的結(jié)果及分析。

1 有限狀態(tài)機(jī)原理

有限狀態(tài)機(jī)[6]是一種具有離散輸入輸出系統(tǒng)的模型，在任意時(shí)刻都處于一個(gè)特定狀態(tài)。對(duì)于以事件驅(qū)動(dòng)的控制方式，狀態(tài)機(jī)是非常有效的設(shè)計(jì)模型。在某一狀態(tài)下，當(dāng)有相關(guān)的觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)，狀態(tài)機(jī)根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和觸發(fā)事件，決策系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方向。

有限狀態(tài)機(jī)是一個(gè)五元組 M=(Q,∑,δ,q0,Z)，其中：

1）Q是一個(gè)有限的狀態(tài)集合；

2）∑表示該系統(tǒng)能接受的所有事件的集合；

3）變遷函數(shù)δ：Q×∑→Q，稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，它描述了系統(tǒng)中每個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到其他狀態(tài)的可能性，只要該事件發(fā)生，就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)換。常用定義式δ（q1,a）=q2表示在狀態(tài)q1下接受時(shí)間a之后，轉(zhuǎn)入指定的新狀態(tài)q2；

4）q0∈Q是系統(tǒng)的一個(gè)特殊狀態(tài)，一般是系統(tǒng)的初始狀態(tài)；

5）Z∈Q是終結(jié)狀態(tài)的集合。

狀態(tài)機(jī)通常由有向圖來表示，如圖1所示，圖中圓形節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的狀態(tài)，若在狀態(tài)1接收到某個(gè)觸發(fā)事件a后轉(zhuǎn)向狀態(tài)2，就在圖中畫一條從狀態(tài)1到狀態(tài)2的帶箭頭的弧線，并在弧線上標(biāo)記為a。

圖1 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.1 State transition diagram

2 飛機(jī)供電系統(tǒng)仿真模型的設(shè)計(jì)框架

PCU負(fù)責(zé)對(duì)飛機(jī)供電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)，并將供電系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息和PCU本身的工作狀態(tài)信息傳送給上位機(jī)，在飛機(jī)供電系統(tǒng)中占有重要的地位。PCU產(chǎn)生供電系統(tǒng)相關(guān)接觸器的控制信號(hào)，通過控制接觸器的開通關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)飛機(jī)供電系統(tǒng)的故障處理，并且各故障狀態(tài)相互獨(dú)立。這種功能特點(diǎn)決定了在供電系統(tǒng)的仿真中，可以采用狀態(tài)機(jī)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)供電系統(tǒng)的控制。

本文提出的飛機(jī)供電系統(tǒng)仿真的設(shè)計(jì)思想如圖2所示，仿真結(jié)構(gòu)框架主要包括兩個(gè)部分：一是飛機(jī)供電系統(tǒng)模型；二是基于狀態(tài)機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的PCU功能模塊。程序運(yùn)行的原理是：故障特征采集模塊檢測(cè)飛機(jī)供電系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀況，檢測(cè)結(jié)果作為狀態(tài)轉(zhuǎn)移的觸發(fā)事件；在狀態(tài)機(jī)中，當(dāng)某一狀態(tài)的觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)，該狀態(tài)向新狀態(tài)轉(zhuǎn)移；故障切除模塊接收新狀態(tài)中蘊(yùn)含的處理信息并輸送到飛機(jī)供電系統(tǒng)中，各接觸器進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換完成故障處理，保證供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖2 飛機(jī)供電系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)框架Fig.2 Simulation structural of aircraft power supply system

3 飛機(jī)供電系統(tǒng)的Simplorer仿真

根據(jù)前文提出的仿真結(jié)構(gòu)框架，在Simplorer軟件中，需要建立飛機(jī)供電系統(tǒng)和PCU這兩個(gè)模型。

3.1 飛機(jī)供電系統(tǒng)模型

圖3所示為典型的飛機(jī)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)由左右兩個(gè)通道組成。正常情況下，各通道發(fā)電機(jī)僅向各自的交流主匯流條和交流應(yīng)急匯流條供電；交流主匯流條通過1、2號(hào)整流裝置向直流主匯流條和直流應(yīng)急匯流條供電。當(dāng)單個(gè)發(fā)電機(jī)故障時(shí)，由另一臺(tái)發(fā)電機(jī)向雙通道供電；當(dāng)發(fā)電機(jī)均故障時(shí)，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(dāng)單個(gè)交流主匯流條短路時(shí)，斷開與之相連的主發(fā)電機(jī)和應(yīng)急匯流條，該通道不供電，系統(tǒng)由另一通道正常工作；當(dāng)左右交流主匯流條均發(fā)生故障時(shí)，由蓄電池向系統(tǒng)供電。當(dāng)單個(gè)整流器發(fā)生故障時(shí)，連接左右直流應(yīng)急匯流條，由另一個(gè)整流器向直流側(cè)供電；當(dāng)兩個(gè)整流器均故障時(shí)，由蓄電池向直流通道供電。

圖3 某型飛機(jī)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Structure diagram of aircraft power supply system

在Simplorer中，分別搭建飛機(jī)發(fā)電機(jī)、整流器、靜止變流器等器件模型，然后按照?qǐng)D3所示的連接結(jié)構(gòu)，完成飛機(jī)供電系統(tǒng)的仿真模型。

3.2 PCU模型

飛機(jī)供電系統(tǒng)可能發(fā)生多種故障，鑒于篇幅所限，這里僅以發(fā)電機(jī)故障為例，說明以狀態(tài)機(jī)形式實(shí)現(xiàn)PCU功能的方法。PCU模型包括3個(gè)部分：故障特征采集模塊、狀態(tài)機(jī)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(jù)器件的外部輸出特性判斷其是否發(fā)生故障，并將檢測(cè)結(jié)果輸送到狀態(tài)機(jī)中作為故障觸發(fā)事件。對(duì)于發(fā)電機(jī)故障，故障判斷的依據(jù)是檢測(cè)發(fā)電機(jī)輸出有無電壓以及主匯流條是否發(fā)生短路。當(dāng)主匯流條未發(fā)生短路但是發(fā)電機(jī)輸出無電壓，此時(shí)認(rèn)定是發(fā)電機(jī)發(fā)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(tài)機(jī)模塊

狀態(tài)機(jī)模塊的功能是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)變量和狀態(tài)轉(zhuǎn)移的設(shè)置，根據(jù)系統(tǒng)所處狀態(tài)和系統(tǒng)的故障觸發(fā)事件，決策系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方向。

在供電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)故障包括四種故障情況：雙發(fā)均正常、左發(fā)或右發(fā)單發(fā)故障、雙發(fā)均故障。根據(jù)上文提到的發(fā)電機(jī)故障處理方法，可知道在特定狀態(tài)下，各主要繼電器的開通關(guān)斷狀態(tài)如表1所示，其中“1”表示開通，“0”表示關(guān)斷。

表1 發(fā)電機(jī)故障時(shí)繼電器的工作狀態(tài)Tab.1 Relays working states behind generator fault

圖4給出了在Simplorer中以狀態(tài)機(jī)方法實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)故障處理的仿真圖。圖中，圓圈代表狀態(tài)，圓圈中的黑點(diǎn)表示系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)，這里設(shè)定“雙發(fā)正?！睘槌跏紶顟B(tài)，“雙發(fā)故障”為結(jié)束狀態(tài)；在狀態(tài)中可以設(shè)置變量并對(duì)變量進(jìn)行賦值，這里各繼電器的控制信號(hào)作為變量；有向開關(guān)代表觸發(fā)事件，將各故障信號(hào)作為有向開關(guān)的控制信號(hào)。當(dāng)故障情況發(fā)生時(shí)，有向開關(guān)導(dǎo)通，系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移。

圖4 發(fā)電機(jī)故障時(shí)的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)Fig.4 State machine accomplished when generator fault

狀態(tài)機(jī)的工作原理如下：供電系統(tǒng)初始處于“雙發(fā)正常”狀態(tài)，繼電器的狀態(tài)按照表1所示的狀態(tài)動(dòng)作；當(dāng)左發(fā)電機(jī)故障時(shí)，故障采集模塊獲取到故障信號(hào)，并決定有向開關(guān)“左發(fā)故障信號(hào)”導(dǎo)通，系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移到“右發(fā)正常”；如果在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)右發(fā)電機(jī)也發(fā)生故障，狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)繼續(xù)發(fā)生轉(zhuǎn)移，此時(shí)系統(tǒng)處于“雙發(fā)故障”終態(tài)，狀態(tài)不再發(fā)生轉(zhuǎn)移。

3）故障切除模塊

故障切除模塊的功能是將狀態(tài)機(jī)輸出的控制信號(hào)加以處理，使其更真實(shí)地反映接觸器的工作過程。這種處理主要是對(duì)狀態(tài)機(jī)輸出的控制信號(hào)設(shè)置一定的延遲時(shí)間，然后作為供電系統(tǒng)接觸器的控制信號(hào)，輸入到供電系統(tǒng)中。利用Simplorer中的延時(shí)器件，可實(shí)現(xiàn)故障切除功能。

從以上的分析可以看出，狀態(tài)機(jī)能夠簡(jiǎn)單的完成PCU功能；各狀態(tài)之間的關(guān)系明確，能夠清楚地給出系統(tǒng)發(fā)生故障的原因。圖4“雙發(fā)正常”中的圓點(diǎn)標(biāo)識(shí)代表系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)，它是可動(dòng)的，因此該標(biāo)識(shí)能夠明確指出系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程，這就為查找系統(tǒng)故障的原因提供了方法。例如，供電系統(tǒng)的狀態(tài)由“雙發(fā)正?！鞭D(zhuǎn)移到“右發(fā)正?！?，而轉(zhuǎn)移的條件就是檢測(cè)到左發(fā)故障信號(hào)，此時(shí)就知道是左發(fā)電機(jī)發(fā)生了故障。

4 仿真結(jié)果及分析

對(duì)已經(jīng)完成的飛機(jī)供電系統(tǒng)仿真模型，設(shè)定如下故障情況：在 0～0.6 s時(shí)，雙發(fā)正常工作；在 0.6～0.8 s時(shí)，左發(fā)電機(jī)故障，右發(fā)電機(jī)正常工作；在0.8～1.0 s時(shí)，右發(fā)電機(jī)故障，雙發(fā)均故障，仿真結(jié)果如下分析。

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

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果是否正確，將仿真測(cè)量結(jié)果與GJB 181A《飛機(jī)供電特性》的相關(guān)要求做對(duì)比，對(duì)比的結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，所仿真的飛機(jī)供電系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)故障情況下，交直流通道的電壓均滿足國(guó)軍標(biāo)相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性要求，證明了仿真的正確性。

圖5 仿真結(jié)果Fig．5 Simulation results

表2 仿真結(jié)果與GJB181A對(duì)比Tab.2 Comparison between simulation results and GJB181A

5 結(jié)束語

文中提出了一種基于狀態(tài)機(jī)方式實(shí)現(xiàn)PCU功能的方法，并基于Ansoft/Simplorer軟件，以某型飛機(jī)供電系統(tǒng)為研究對(duì)象，仿真了PCU對(duì)飛機(jī)供電系統(tǒng)的故障處理過程。仿真結(jié)果顯示，采用狀態(tài)機(jī)控制的方法，飛機(jī)供電系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)單有效地處理相應(yīng)故障，保證供電系統(tǒng)正常工作。

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