喻文韜

【摘 要】本文首先對機電綜合技術(shù)及傳統(tǒng)商用客機燃油控制系統(tǒng)做了簡單介紹，并在其基礎(chǔ)上分析了現(xiàn)階段傳統(tǒng)商用客機燃油控制系統(tǒng)遇到的困境，繼而提出了一種基于機電綜合技術(shù)的新型商用飛機燃油控制系統(tǒng)架構(gòu)，最后分析了此架構(gòu)的優(yōu)勢及未來發(fā)展的前景。

【關(guān)鍵詞】商用飛機；機電綜合；燃油控制系統(tǒng)

中圖分類號： TU17；TU85 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）25-0001-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.001

【Abstract】Introduced Integrated Electrical & Mechanical Technology and traditional commercial aircraft fuel control system. Analyzed difficulties encountered at this stage.Brings forward a new architecture of fuel control system based on Integrated Electrical & Mechanical Technology.Analyze its advantages and prospects for future development.

【Key words】Commercial aircraft；Integrated Electrical & Mechanical Technology；Fuel Control System

0 前言

商用飛機上的機電綜合技術(shù)是一種將分散于各個機械系統(tǒng)中的不同的控制功能集中在一個機電綜合控制系統(tǒng)（IEMS）中進行統(tǒng)一管理的技術(shù)。它有減少設(shè)備數(shù)量、數(shù)據(jù)共享更加便利、減少電纜數(shù)量和重量等顯著優(yōu)點，因此已經(jīng)成為了民用飛機設(shè)計的一種趨勢。

國外的民用飛機行業(yè)十分重視對機電綜合技術(shù)的研究，在B787、A380項目中，液壓、燃油、起落架、水/廢水等系統(tǒng)均采用了此項技術(shù)。國內(nèi)民用飛機產(chǎn)業(yè)對機電綜合管理技術(shù)的研究還處于起步階段。自從國家發(fā)展民用飛機產(chǎn)業(yè)，啟動了新舟60、ARJ21、C919等重點型號項目，機電綜合管理技術(shù)的研究還處于起步階段。新舟60飛機由于是在運七200A飛機基礎(chǔ)上改進的機型，所以機載機電系統(tǒng)基本沿用了各系統(tǒng)獨立設(shè)計的模式，沒有體現(xiàn)出機電系統(tǒng)的綜合。而ARJ21作為國內(nèi)最新研制的支線飛機，選用COLLINS公司2套數(shù)據(jù)采集裝置（DCU）初步實現(xiàn)了機電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和集中處理，不具備綜合控制能力，在機電系統(tǒng)綜合管理方面沒有實質(zhì)進展。

僅有C919飛機采用的是分散管理集中控制式的機電綜合管理技術(shù)，以綜合模塊化航電（IMA）架構(gòu)為基礎(chǔ)，將水/廢水系統(tǒng)的控制邏輯駐留在航電的通用處理模塊（GPM）中。此控制邏輯是由水/廢水系統(tǒng)而非統(tǒng)一的IEMS負責(zé)開發(fā)和管理的。

1 商用飛機燃油系統(tǒng)

根據(jù)CCAR-25-R4《運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，燃油系統(tǒng)的構(gòu)造和布置，在每種很可能出現(xiàn)的運行情況下，包括申請審定的飛行中，應(yīng)允許發(fā)動機或輔助動力裝置工作的任何機動飛行，必須保證以發(fā)動機和輔助動力裝置正常工作所需的流量和壓力向其供油。

因此，一般商用飛機的燃油控制系統(tǒng)被設(shè)計成在正常操作和整個飛機正常飛行包線條件下，以一定的壓力連續(xù)向發(fā)動機和APU提供燃料的系統(tǒng)。它還提供足夠的冗余，以確保導(dǎo)致災(zāi)難性事件的燃料系統(tǒng)故障的發(fā)生概率是極低的。

2 傳統(tǒng)商用飛機燃油控制系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)的商用飛機燃油控制系統(tǒng)采用的是非集成式的架構(gòu)，飛行員通過多個PBA分別給不同的控制器發(fā)出指令，再由控制器控制不同設(shè)備完成相應(yīng)功能。這種架構(gòu)下的燃油系統(tǒng)的典型工作模式為：（1）由飛行員手動操作駕駛艙頂部板上的燃油泵工作開關(guān)；（2）燃油控制器接收指令后控制啟動燃油泵；（3）待燃油泵啟動完畢后飛行員手動操作輔助動力裝置或發(fā)動機的開關(guān)，發(fā)出指令給它們的控制器；（4）由控制器發(fā)出指令啟動輔助動力裝置或發(fā)動機。

傳統(tǒng)的商用飛機燃油控制系統(tǒng)的典型架構(gòu)如下：

傳統(tǒng)的商用飛機燃油控制系統(tǒng)主要有幾個弊端：（1）需要飛行員判斷和操作的步驟較多，尤其是飛機進入應(yīng)急狀態(tài)需要切換燃油泵和啟動輔助動力裝置時；（2）需要多個控制器和大量線纜，增加了重量和線纜布置的難度；（3）需要在駕駛艙控制板上布置多個開關(guān)，考慮到飛機駕駛艙緊張的布局空間以及分系統(tǒng)分區(qū)域布置的理念，形成的方案很難令人滿意。

3 基于機電綜合技術(shù)的商用飛機燃油控制系統(tǒng)

基于上述傳統(tǒng)方案的弊端，本文提出了一種新的基于機電綜合技術(shù)的商用飛機燃油控制系統(tǒng)方案。

此方案下的燃油控制系統(tǒng)的主要功能是穩(wěn)定的為發(fā)動機和APU 提供燃油。同時，燃油系統(tǒng)還需在駕駛艙內(nèi)為機組人員提供油量指示，低油位告警等信息。飛行員可通過安裝在駕駛艙頂部的燃油控制面板（FCP）開啟、關(guān)閉燃油系統(tǒng)的泵，從而控制燃油系統(tǒng)工作。燃油系統(tǒng)的EICAS 信息也將在駕駛艙的相關(guān)顯示器上顯示。

正常情況下，飛行員通過按入頂部板上的燃油控制開關(guān)啟動燃油系統(tǒng)，然后駐留在航電核心處理器中的燃油控制軟件開始通過航電網(wǎng)絡(luò)收集飛機構(gòu)型信息、APU運行狀態(tài)和燃油泵狀態(tài)等原始數(shù)據(jù)，計算出燃油系統(tǒng)、輔助動力系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)應(yīng)該處于的工作狀態(tài)，并發(fā)送指令給這三個系統(tǒng)控制器或電源系統(tǒng)，最終達到控制設(shè)備的目的。

此方案的核心是采用了更為先進的機電綜合式的集成架構(gòu)和優(yōu)化的控制邏輯。其工作模式如下：

可以看出，在采用了機電綜合技術(shù)后，燃油控制系統(tǒng)的集成度、智能化程度更高。

新的架構(gòu)將原來分散布置的各機電子系統(tǒng)進行了綜合，以航電IMA 架構(gòu)和分布式實時信號傳輸網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過對系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)資源的共享、合理配置與管理，實現(xiàn)不同安全等級的機電系統(tǒng)功能的綜合以及信號的采集、集中傳輸和實時控制，從而提高機電系統(tǒng)的信息和設(shè)備的共享和管理；提高系統(tǒng)可靠性和飛機維護性，降低維護成本。

為完成上述功能，航電核心處理系統(tǒng)采用綜合化、模塊化、開放式的IMA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有通用的集成式處理機柜、通用的操作系統(tǒng)、通用的容錯處理、中央電源及靈活的飛機應(yīng)用接口。

航電核心處理系統(tǒng)由IMA 平臺（含ARINC653 實時操作系統(tǒng)）和航電數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（ADN）組成。航電核心處理系統(tǒng)以IMA 通用處理平臺作為數(shù)據(jù)處理和存儲的中心，通過航電數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（ADN）中的數(shù)據(jù)交換組件和遠程數(shù)據(jù)接口單元（RDIU）將航電/機電駐留子系統(tǒng)與飛機其它系統(tǒng)進行集成交聯(lián)。

燃油控制系統(tǒng)的駐留功能軟件根據(jù)軟件研制保障等級（RTCA DO-178B）分成三個軟件分區(qū)：燃油泵控制分區(qū)、發(fā)動機控制分區(qū)及輔助動力裝置分區(qū)。

a）燃油泵控制分區(qū)，軟件研制保障等級為B：

（1）包含所有燃油設(shè)備的控制和監(jiān)視功能；

（2）提供系統(tǒng)的監(jiān)控狀態(tài)信息給維護系統(tǒng)（OMS）；

（3）能接收飛機構(gòu)型信息、APU運行狀態(tài)和燃油泵狀態(tài)等輸入并計算出燃油泵應(yīng)處于的工作狀態(tài)。

b）發(fā)動機控制分區(qū)，軟件研制保障等級為A：

（1）包含所有發(fā)動機設(shè)備的控制和監(jiān)視功能；

（2）提供系統(tǒng)的監(jiān)控狀態(tài)信息給維護系統(tǒng)（OMS）；

（3）能發(fā)出指令控制發(fā)動機。

c）輔助動力控制分區(qū)，軟件研制保障等級為D：

（1）包含所有發(fā)動機設(shè)備的控制和監(jiān)視功能；

（2）提供系統(tǒng)的監(jiān)控狀態(tài)信息給維護系統(tǒng)（OMS）；

（3）能發(fā)出指令控制發(fā)動機。

4 驗證

基于模型的系統(tǒng)開發(fā)及驗證方法是目前國內(nèi)外復(fù)雜控制系統(tǒng)開發(fā)最流行的手段。采用數(shù)學(xué)建模的方法，可以將控制算法和被控對象量化，從而可以更準(zhǔn)確地對控制系統(tǒng)進行設(shè)計和性能評估。利用成熟先進的需求分析工具、建模與仿真工具可以在需求和設(shè)計階段直觀地完成系統(tǒng)建模與仿真，進而可以形成快速控制原型（RCP）、硬/軟件在回路（HIL）的實時仿真與測試并完成系統(tǒng)的虛擬集成。

機電綜合管理系統(tǒng)計算機平臺研發(fā)應(yīng)通過系統(tǒng)需求分析、建模、仿真、虛擬集成，利用數(shù)字樣機技術(shù)，在設(shè)計初期即可解決和優(yōu)化系統(tǒng)功能劃分、技術(shù)指標(biāo)確定，控制率優(yōu)化，故障監(jiān)控模型等，并形成一系列的項目管理和技術(shù)約束規(guī)范，形成系統(tǒng)間協(xié)調(diào)和溝通的基礎(chǔ)平臺，促進系統(tǒng)間技術(shù)的相互交流和進度的相互協(xié)調(diào)，有利于快速、正確的完成系統(tǒng)的開發(fā)。

機電綜合控制全數(shù)字仿真系統(tǒng)是一個多任務(wù)分布式實時仿真系統(tǒng)，利用該仿真系統(tǒng)可以對機載機電綜合管理系統(tǒng)進行多種設(shè)計方案的前期演示驗證，隨著飛機設(shè)計過程的不斷深入，演示驗證平臺可以逐步完善最終成為原理虛擬樣機，可進行各種實際飛機無法進行的試驗項目，故障注入、故障模式影響分析等研究，最終為實際物理模型的連接提供接口，從而可以直接為型號的預(yù)研提供試驗平臺，縮短型號研制周期，減少研制成本。該多任務(wù)分布式實時仿真系統(tǒng)中實時任務(wù)和非實時任務(wù)并行運行，應(yīng)滿足以下基本要求：

●通用性：能夠適應(yīng)多型號飛機需求，具有多種機電系統(tǒng)系統(tǒng)的模型庫、控制算法庫等，數(shù)據(jù)與模型相互獨立；

●開放性：夠進一步開發(fā)擴充模型庫，以適應(yīng)新型號、新設(shè)備以及實際物理模型連接的需求；

●智能性：能夠適應(yīng)不同機載機電綜合管理系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)；

●人機交互性：用戶顯示界面友好，在仿真過程中方便人機交互。

在機電綜合控制仿真系統(tǒng)設(shè)計過程時，除了從功能和邏輯上劃分各模塊，還要考慮各模塊對實時性的要求，避免各模塊之間產(chǎn)生資源競爭。

機電綜合控制全數(shù)字仿真系統(tǒng)由仿真管理及顯示計算機、三個機電仿真系統(tǒng)、機電通訊總線（CAN總線、ARINC429總線、TTP總線、1553B總線、1394B總線）和機電綜合管理計算機四大部分組成。

其中，仿真管理器采用消息、時間驅(qū)動機制實現(xiàn)對仿真的管理，并把仿真管理層與功能層有機地結(jié)合在一起，仿真管理器是仿真程序業(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)，單獨提出仿真管理器有助于簡化系統(tǒng)實現(xiàn)過程中的邏輯復(fù)雜性。

仿真平臺軟件采用統(tǒng)一建模語言（UML，Unified Modeling Language），它是一種標(biāo)準(zhǔn)的可視化建模語言，它可以用于確定、展示和記錄軟件系統(tǒng)，統(tǒng)一建模語言中的圖形標(biāo)記尤其適用于面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計。它與具體的實現(xiàn)無關(guān)，使開發(fā)人員專注于建立產(chǎn)品的模型和結(jié)構(gòu)，而不是選用什么程序語言和算法實現(xiàn)，為面向?qū)ο蟮脑O(shè)計和開發(fā)提供支持。UML的重要性在于，表示方法的標(biāo)準(zhǔn)化有效地促進了不同背景人們的交流，有效地促進軟件設(shè)計、開發(fā)和測試人員的相互理解。無論分析、設(shè)計和開發(fā)人員采取何種不同的方法或過程，他們提交的產(chǎn)品都可以使用UML來描述。UML的主要作用是幫助我們對軟件系統(tǒng)進行面向?qū)ο蟮拿枋龊徒＃梢悦枋鲞@個軟件開發(fā)過程從需求分析直到實現(xiàn)和測試的全過程。UML通過建立各種類、類之間的關(guān)聯(lián)、類/對象怎樣相互配合實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)行為等成分（這些都稱為模型元素）來組建整個模型，刻畫客觀世界。

仿真管理及顯示系統(tǒng)：提供人機交互界面，主要實現(xiàn)仿真任務(wù)定制、仿真參數(shù)初始化配置、模擬座艙顯示、實現(xiàn)故障注入（系統(tǒng)級故障、處理機故障和總線故障）、實驗結(jié)果評估、分布式數(shù)據(jù)庫管理和時鐘同步等功能。

機電綜合管理系統(tǒng)：它接受人機交互界面的駕駛員指令、向飛機分系統(tǒng)仿真系統(tǒng)發(fā)送命令，實時監(jiān)控各分系統(tǒng)的運行狀況。

飛機機電仿真系統(tǒng)：仿真飛機機電系統(tǒng)的Matlab/Simulink模型，接受機電綜合管理系統(tǒng)的控制，仿真狀態(tài)數(shù)據(jù)輸出等。

軟件組成如圖5所示。

5 結(jié)束語

隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，機電綜合技術(shù)正在被越來越多的應(yīng)用在商用飛機上。它可以將分散的各個系統(tǒng)的功能統(tǒng)一起來，集成在獨立的控制單元中實現(xiàn)?；跈C電綜合技術(shù)的商用飛機燃油控制系統(tǒng)相較傳統(tǒng)，較大的簡化了系統(tǒng)架構(gòu)，減少了設(shè)備數(shù)量和線纜數(shù)量，與此同時，通過將飛行員手動操作改為計算機自動完成，極大的減輕了飛行員的工作負擔(dān)，符合未來商用飛機的發(fā)展方向。

【參考文獻】

[1]王曉梅.民用飛機系統(tǒng)機電綜合的發(fā)展.科技創(chuàng)新導(dǎo)報[J].2011（32）.

[2]廖凌燕.飛機燃油系統(tǒng)仿真方法.系統(tǒng)仿真學(xué)報[J].2013（25S）.