一种基于机电综合技术的新型商用飞机燃油控制系统

喻文韬

【摘 要】本文首先对机电综合技术及传统商用客机燃油控制系统做了简单介绍，并在其基础上分析了现阶段传统商用客机燃油控制系统遇到的困境，继而提出了一种基于机电综合技术的新型商用飞机燃油控制系统架构，最后分析了此架构的优势及未来发展的前景。

【关键词】商用飞机；机电综合；燃油控制系统

中图分类号： TU17；TU85 文献标识码： A 文章编号： 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

商用飞机上的机电综合技术是一种将分散于各个机械系统中的不同的控制功能集中在一个机电综合控制系统（IEMS）中进行统一管理的技术。它有减少设备数量、数据共享更加便利、减少电缆数量和重量等显著优点，因此已经成为了民用飞机设计的一种趋势。

国外的民用飞机行业十分重视对机电综合技术的研究，在B787、A380项目中，液压、燃油、起落架、水/废水等系统均采用了此项技术。国内民用飞机产业对机电综合管理技术的研究还处于起步阶段。自从国家发展民用飞机产业，启动了新舟60、ARJ21、C919等重点型号项目，机电综合管理技术的研究还处于起步阶段。新舟60飞机由于是在运七200A飞机基础上改进的机型，所以机载机电系统基本沿用了各系统独立设计的模式，没有体现出机电系统的综合。而ARJ21作为国内最新研制的支线飞机，选用COLLINS公司2套数据采集装置（DCU）初步实现了机电系统的数据采集和集中处理，不具备综合控制能力，在机电系統综合管理方面没有实质进展。

仅有C919飞机采用的是分散管理集中控制式的机电综合管理技术，以综合模块化航电（IMA）架构为基础，将水/废水系统的控制逻辑驻留在航电的通用处理模块（GPM）中。此控制逻辑是由水/废水系统而非统一的IEMS负责开发和管理的。

1 商用飞机燃油系统

根据CCAR-25-R4《运输类飞机适航标准》的规定，燃油系统的构造和布置，在每种很可能出现的运行情况下，包括申请审定的飞行中，应允许发动机或辅助动力装置工作的任何机动飞行，必须保证以发动机和辅助动力装置正常工作所需的流量和压力向其供油。

因此，一般商用飞机的燃油控制系统被设计成在正常操作和整个飞机正常飞行包线条件下，以一定的压力连续向发动机和APU提供燃料的系统。它还提供足够的冗余，以确保导致灾难性事件的燃料系统故障的发生概率是极低的。

2 传统商用飞机燃油控制系统架构

传统的商用飞机燃油控制系统采用的是非集成式的架构，飞行员通过多个PBA分别给不同的控制器发出指令，再由控制器控制不同设备完成相应功能。这种架构下的燃油系统的典型工作模式为：（1）由飞行员手动操作驾驶舱顶部板上的燃油泵工作开关；（2）燃油控制器接收指令后控制启动燃油泵；（3）待燃油泵启动完毕后飞行员手动操作辅助动力装置或发动机的开关，发出指令给它们的控制器；（4）由控制器发出指令启动辅助动力装置或发动机。

传统的商用飞机燃油控制系统的典型架构如下：

传统的商用飞机燃油控制系统主要有几个弊端：（1）需要飞行员判断和操作的步骤较多，尤其是飞机进入应急状态需要切换燃油泵和启动辅助动力装置时；（2）需要多个控制器和大量线缆，增加了重量和线缆布置的难度；（3）需要在驾驶舱控制板上布置多个开关，考虑到飞机驾驶舱紧张的布局空间以及分系统分区域布置的理念，形成的方案很难令人满意。

3 基于机电综合技术的商用飞机燃油控制系统

基于上述传统方案的弊端，本文提出了一种新的基于机电综合技术的商用飞机燃油控制系统方案。

此方案下的燃油控制系统的主要功能是稳定的为发动机和APU 提供燃油。同时，燃油系统还需在驾驶舱内为机组人员提供油量指示，低油位告警等信息。飞行员可通过安装在驾驶舱顶部的燃油控制面板（FCP）开启、关闭燃油系统的泵，从而控制燃油系统工作。燃油系统的EICAS 信息也将在驾驶舱的相关显示器上显示。

正常情况下，飞行员通过按入顶部板上的燃油控制开关启动燃油系统，然后驻留在航电核心处理器中的燃油控制软件开始通过航电网络收集飞机构型信息、APU运行状态和燃油泵状态等原始数据，计算出燃油系统、辅助动力系统、发动机系统应该处于的工作状态，并发送指令给这三个系统控制器或电源系统，最终达到控制设备的目的。

此方案的核心是采用了更为先进的机电综合式的集成架构和优化的控制逻辑。其工作模式如下：

可以看出，在采用了机电综合技术后，燃油控制系统的集成度、智能化程度更高。

新的架构将原来分散布置的各机电子系统进行了综合，以航电IMA 架构和分布式实时信号传输网络为基础，通过对系统和网络资源的共享、合理配置与管理，实现不同安全等级的机电系统功能的综合以及信号的采集、集中传输和实时控制，从而提高机电系统的信息和设备的共享和管理；提高系统可靠性和飞机维护性，降低维护成本。

为完成上述功能，航电核心处理系统采用综合化、模块化、开放式的IMA 系统结构，具有通用的集成式处理机柜、通用的操作系统、通用的容错处理、中央电源及灵活的飞机应用接口。

航电核心处理系统由IMA 平台（含ARINC653 实时操作系统）和航电数据网络（ADN）组成。航电核心处理系统以IMA 通用处理平台作为数据处理和存储的中心，通过航电数据网络（ADN）中的数据交换组件和远程数据接口单元（RDIU）将航电/机电驻留子系统与飞机其它系统进行集成交联。

燃油控制系统的驻留功能软件根据软件研制保障等级（RTCA DO-178B）分成三个软件分区：燃油泵控制分区、发动机控制分区及辅助动力装置分区。

a）燃油泵控制分区，软件研制保障等级为B：

（1）包含所有燃油设备的控制和监视功能；

（2）提供系统的监控状态信息给维护系统（OMS）；

（3）能接收飞机构型信息、APU运行状态和燃油泵状态等输入并计算出燃油泵应处于的工作状态。

b）发动机控制分区，软件研制保障等级为A：

（1）包含所有发动机设备的控制和监视功能；

（2）提供系统的监控状态信息给维护系统（OMS）；

（3）能发出指令控制发动机。

c）辅助动力控制分区，软件研制保障等级为D：

（1）包含所有发动机设备的控制和监视功能；

（2）提供系统的监控状态信息给维护系统（OMS）；

（3）能发出指令控制发动机。

4 验证

基于模型的系统开发及验证方法是目前国内外复杂控制系统开发最流行的手段。采用数学建模的方法，可以将控制算法和被控对象量化，从而可以更准确地对控制系统进行设计和性能评估。利用成熟先进的需求分析工具、建模与仿真工具可以在需求和设计阶段直观地完成系统建模与仿真，进而可以形成快速控制原型（RCP）、硬/软件在回路（HIL）的实时仿真与测试并完成系统的虚拟集成。

机电综合管理系统计算机平台研发应通过系统需求分析、建模、仿真、虚拟集成，利用数字样机技术，在设计初期即可解决和优化系统功能划分、技术指标确定，控制率优化，故障监控模型等，并形成一系列的项目管理和技术约束规范，形成系统间协调和沟通的基础平台，促进系统间技术的相互交流和进度的相互协调，有利于快速、正确的完成系统的开发。

机电综合控制全数字仿真系统是一个多任务分布式实时仿真系统，利用该仿真系统可以对机载机电综合管理系统进行多种设计方案的前期演示验证，随着飞机设计过程的不断深入，演示验证平台可以逐步完善最终成为原理虚拟样机，可进行各种实际飞机无法进行的试验项目，故障注入、故障模式影响分析等研究，最终为实际物理模型的连接提供接口，从而可以直接为型号的预研提供试验平台，缩短型号研制周期，减少研制成本。该多任务分布式实时仿真系统中实时任务和非实时任务并行运行，应满足以下基本要求：

●通用性：能够适应多型号飞机需求，具有多种机电系统系统的模型库、控制算法库等，数据与模型相互独立；

●开放性：够进一步开发扩充模型库，以适应新型号、新设备以及实际物理模型连接的需求；

●智能性：能够适应不同机载机电综合管理系统控制结构；

●人机交互性：用户显示界面友好，在仿真过程中方便人机交互。

在机电综合控制仿真系统设计过程时，除了从功能和逻辑上划分各模块，还要考虑各模块对实时性的要求，避免各模块之间产生资源竞争。

机电综合控制全数字仿真系统由仿真管理及显示计算机、三个机电仿真系统、机电通讯总线（CAN总线、ARINC429总线、TTP总线、1553B总线、1394B总线）和机电综合管理计算机四大部分组成。

其中，仿真管理器采用消息、时间驱动机制实现对仿真的管理，并把仿真管理层与功能层有机地结合在一起，仿真管理器是仿真程序业务逻辑的实现，单独提出仿真管理器有助于简化系统实现过程中的逻辑复杂性。

仿真平台软件采用统一建模语言（UML，Unified Modeling Language），它是一種标准的可视化建模语言，它可以用于确定、展示和记录软件系统，统一建模语言中的图形标记尤其适用于面向对象的软件设计。它与具体的实现无关，使开发人员专注于建立产品的模型和结构，而不是选用什么程序语言和算法实现，为面向对象的设计和开发提供支持。UML的重要性在于，表示方法的标准化有效地促进了不同背景人们的交流，有效地促进软件设计、开发和测试人员的相互理解。无论分析、设计和开发人员采取何种不同的方法或过程，他们提交的产品都可以使用UML来描述。UML的主要作用是帮助我们对软件系统进行面向对象的描述和建模，它可以描述这个软件开发过程从需求分析直到实现和测试的全过程。UML通过建立各种类、类之间的关联、类/对象怎样相互配合实现系统的动态行为等成分（这些都称为模型元素）来组建整个模型，刻画客观世界。

仿真管理及显示系统：提供人机交互界面，主要实现仿真任务定制、仿真参数初始化配置、模拟座舱显示、实现故障注入（系统级故障、处理机故障和总线故障）、实验结果评估、分布式数据库管理和时钟同步等功能。

机电综合管理系统：它接受人机交互界面的驾驶员指令、向飞机分系统仿真系统发送命令，实时监控各分系统的运行状况。

飞机机电仿真系统：仿真飞机机电系统的Matlab/Simulink模型，接受机电综合管理系统的控制，仿真状态数据输出等。

软件组成如图5所示。

5 结束语

随着制造技术的不断发展，机电综合技术正在被越来越多的应用在商用飞机上。它可以将分散的各个系统的功能统一起来，集成在独立的控制单元中实现。基于机电综合技术的商用飞机燃油控制系统相较传统，较大的简化了系统架构，减少了设备数量和线缆数量，与此同时，通过将飞行员手动操作改为计算机自动完成，极大的减轻了飞行员的工作负担，符合未来商用飞机的发展方向。

【参考文献】

[1]王晓梅.民用飞机系统机电综合的发展.科技创新导报[J].2011（32）.

[2]廖凌燕.飞机燃油系统仿真方法.系统仿真学报[J].2013（25S）.