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飞机机电系统包括发动机起动系统、辅助动力起动系统、螺旋桨控制系统、环境控制系统、燃油控制系统、起落架控制系统、防火控制系统、防冰控制系统等等机械设备的电气控制。目前,国内飞机的机电系统比较分散,每个系统有单独的控制器和电缆等,硬件利用率较低,而随着计算机技术及数据总线通讯技术的发展和应用,分散系統的设计优化和系统集成度设计能力有待提升,这种优化和集成即为机电系统的综合管理。
1 机电综合管理系统的重要性
机电综合管理系统是与飞机安全密切相关的,作为一个核心系统,机电综合管理系统的工作状态和安全保证是全系统的核心,决定着系统的功能和性能。因此整个系统不仅应具备高可靠性,而且要具有容错和重构能力,在系统故障情况下,能够降级运行,以保证飞机的安全。
机电综合管理系统是提升飞机整体性能的必然途径。它对机电系统各子系统内各个功能进行综合,并利用机电综合管理系统将机电系统各子系统的所有功能集中在几个处理机上完成,从而实现对机电控制系统的综合控制、管理和故障监控的功能。
机电综合管理系统是现代飞机先进性的体现。首先是机电综合管理系统能通过减少飞机的布线达到减轻飞机重量的目的;其次是通过信息共享提高了综合化诊断能力,提高了可靠性和维修性。机电综合管理系统的控制不靠单一的某一控制器实现,管理功能是基于动态任务组合,通过信息共享和协同处理,对分散在不同位置的机电子系统实现综合话余度管理,提高了整个飞机的综合化程度和容错能力。
2 国外机电综合管理系统研究
在国外,对飞机机电综合管理系统的研究工作在20世纪70年代末就开始进行了。20年代80年代初,由英国研制并应用于EF2000飞机的机电综合管理系统,由四台系统管理处理机构成,总线采用了双MIL-STD-1553B总线,各处理机具备足够的能力处理总线失效时发生的情况。机电子系统各信号根据其机上安装位置,重要程度等因素,以单余度、双余度方式分别与四台系统管理机交联,整个机电综合管理系统以双余度与航空电子系统接口。
美国于20世纪80年代末开始研制F-22飞机上的机电综合系统取消了传统座舱中的许多控制开关和显示仪表,综合的范围有供电系统、液压系统、燃油系统、环境控制系统、救生系统,辅助动力装置系统、起落架控制系统、刹车系统、结构完整性诊断及状态监视系统等。
美国最新攻击机F-35采用了高度综合化的航空电子系统,即大量采集飞机内部和飞机外部的各种数据,对其进行融合处理,形成对战场环境的正确感知,并实现对飞机和武器系统智能化处理。
当前国外飞机的机电综合管理系统基本上有两种不同的布局:
其一,自成一体的机电管理系统设计。不论采用几个节点机,均通过专用的总线进行公共管理系统内部信息共享,并且部分节点机直接与航空电子设备总线相连,实现与现代化座舱的交联。采用这种方案的飞机有EF2000。
其二,作为飞机管理系统一部分的机电综合管理系统设计。这种机电综合管理系统直接与飞机管理系统的其他部分连接,这样,也便于把控制信息和传感器数据转换到综合飞行控制器进行处理。在这种系统中,机电综合管理系统的主控制器集中在飞机管理系统的控制处理机,并在不同的飞机分系统综合控制器之间进行余度管理,采用这种方案的飞机有F-35。
3 国内机电综合管理系统研究概况
在国内,某些飞机采用非航空电子处理机对机电系统,通过采集机电子系统的状态参数,对其参数进行分析、显示和隔离,并与航空电子系统进行数据交换。有些飞机的机电系统综合主要集中在机电系统的监控方面,即仅处于采集信号、显示信号和故障的功能,并未实际意义上完成对机电整个系统进行信号采集、控制、监控、显示、紧急故障处理措施等功能的综合设计。有少数飞机采用了机电综合管理系统的设计理念,但也仅实现了部分机电子系统的初步综合化管理。
在国内,目前大部分飞机仍然采用单独的控制器、电缆及显示仪表对机电控制子系统进行控制和显示,仅在需要某种信号时,通过硬件进行转换。比如,某型飞机的起落架控制系统中的空-地信号,该信号表示飞机处于空中还是地面,该信号被用于航电系统的多个子系统,以及电源系统、环境控制系统等需根据飞机不同的状态进行控制的系统,如果不进行综合管理,则一个信号被多数系统采集时,需进行转接盒的设计,并进行信号隔离,其设计手段较为落后,而且线路繁杂,易出现信号故障并增加飞机的重量。
4 机电综合管理系统设计分析
飞机机电综合管理系统,应视整个飞机机电系统为一个整体,以此作为控制、管理及监控的对象。通过对飞机发动机起动系统、辅助动力起动系统、螺旋桨控制系统、环境控制系统、燃油控制系统、起落架控制系统、防火控制系统、防冰控制系统等机电控制子系统的工作原理进行建模,将总线互联的分布式计算机系统作为硬件支撑,采用数据总线、多重处理机、仿真控制、分布式系统管理及分布式数据库等技术,实现对机电系统的综合管理,开发机电综合系统仿真平台,建立对机电系统综合化管理、自动控制及故障检测、故障状态下的应急处理措施等功能的计算机系统,并验证机电系统综合管理的能力,进行机电综合管理技术的研究。通过具有容错和重构功能的分布式网络系统提高飞机综合化程度、诊断能力和容错能力,提高可靠性和维修性。
机电综合管理系统,可使用多功能显示器取代原机电子系统的显示仪表,做到信息简明、直观,并提供辅助操作信息,也可通过与航电系统多功能显示器合并功能,优化座舱设计,达到最佳的人机功效。多功能显示器可用多个显示画面和多个可选择开关组成,开关的工作状态由子系统的工作要求进行选择。
5 小结
本文对国内外飞机机电综合管理系统进行了的阐述,简单分析了机电综合管理系统的设计,希望起到抛砖引玉的作用,以促使国内飞机机电综合管理系统的快速发展,提升国内飞机机电系统的集成能力。
1 机电综合管理系统的重要性
机电综合管理系统是与飞机安全密切相关的,作为一个核心系统,机电综合管理系统的工作状态和安全保证是全系统的核心,决定着系统的功能和性能。因此整个系统不仅应具备高可靠性,而且要具有容错和重构能力,在系统故障情况下,能够降级运行,以保证飞机的安全。
机电综合管理系统是提升飞机整体性能的必然途径。它对机电系统各子系统内各个功能进行综合,并利用机电综合管理系统将机电系统各子系统的所有功能集中在几个处理机上完成,从而实现对机电控制系统的综合控制、管理和故障监控的功能。
机电综合管理系统是现代飞机先进性的体现。首先是机电综合管理系统能通过减少飞机的布线达到减轻飞机重量的目的;其次是通过信息共享提高了综合化诊断能力,提高了可靠性和维修性。机电综合管理系统的控制不靠单一的某一控制器实现,管理功能是基于动态任务组合,通过信息共享和协同处理,对分散在不同位置的机电子系统实现综合话余度管理,提高了整个飞机的综合化程度和容错能力。
2 国外机电综合管理系统研究
在国外,对飞机机电综合管理系统的研究工作在20世纪70年代末就开始进行了。20年代80年代初,由英国研制并应用于EF2000飞机的机电综合管理系统,由四台系统管理处理机构成,总线采用了双MIL-STD-1553B总线,各处理机具备足够的能力处理总线失效时发生的情况。机电子系统各信号根据其机上安装位置,重要程度等因素,以单余度、双余度方式分别与四台系统管理机交联,整个机电综合管理系统以双余度与航空电子系统接口。
美国于20世纪80年代末开始研制F-22飞机上的机电综合系统取消了传统座舱中的许多控制开关和显示仪表,综合的范围有供电系统、液压系统、燃油系统、环境控制系统、救生系统,辅助动力装置系统、起落架控制系统、刹车系统、结构完整性诊断及状态监视系统等。
美国最新攻击机F-35采用了高度综合化的航空电子系统,即大量采集飞机内部和飞机外部的各种数据,对其进行融合处理,形成对战场环境的正确感知,并实现对飞机和武器系统智能化处理。
当前国外飞机的机电综合管理系统基本上有两种不同的布局:
其一,自成一体的机电管理系统设计。不论采用几个节点机,均通过专用的总线进行公共管理系统内部信息共享,并且部分节点机直接与航空电子设备总线相连,实现与现代化座舱的交联。采用这种方案的飞机有EF2000。
其二,作为飞机管理系统一部分的机电综合管理系统设计。这种机电综合管理系统直接与飞机管理系统的其他部分连接,这样,也便于把控制信息和传感器数据转换到综合飞行控制器进行处理。在这种系统中,机电综合管理系统的主控制器集中在飞机管理系统的控制处理机,并在不同的飞机分系统综合控制器之间进行余度管理,采用这种方案的飞机有F-35。
3 国内机电综合管理系统研究概况
在国内,某些飞机采用非航空电子处理机对机电系统,通过采集机电子系统的状态参数,对其参数进行分析、显示和隔离,并与航空电子系统进行数据交换。有些飞机的机电系统综合主要集中在机电系统的监控方面,即仅处于采集信号、显示信号和故障的功能,并未实际意义上完成对机电整个系统进行信号采集、控制、监控、显示、紧急故障处理措施等功能的综合设计。有少数飞机采用了机电综合管理系统的设计理念,但也仅实现了部分机电子系统的初步综合化管理。
在国内,目前大部分飞机仍然采用单独的控制器、电缆及显示仪表对机电控制子系统进行控制和显示,仅在需要某种信号时,通过硬件进行转换。比如,某型飞机的起落架控制系统中的空-地信号,该信号表示飞机处于空中还是地面,该信号被用于航电系统的多个子系统,以及电源系统、环境控制系统等需根据飞机不同的状态进行控制的系统,如果不进行综合管理,则一个信号被多数系统采集时,需进行转接盒的设计,并进行信号隔离,其设计手段较为落后,而且线路繁杂,易出现信号故障并增加飞机的重量。
4 机电综合管理系统设计分析
飞机机电综合管理系统,应视整个飞机机电系统为一个整体,以此作为控制、管理及监控的对象。通过对飞机发动机起动系统、辅助动力起动系统、螺旋桨控制系统、环境控制系统、燃油控制系统、起落架控制系统、防火控制系统、防冰控制系统等机电控制子系统的工作原理进行建模,将总线互联的分布式计算机系统作为硬件支撑,采用数据总线、多重处理机、仿真控制、分布式系统管理及分布式数据库等技术,实现对机电系统的综合管理,开发机电综合系统仿真平台,建立对机电系统综合化管理、自动控制及故障检测、故障状态下的应急处理措施等功能的计算机系统,并验证机电系统综合管理的能力,进行机电综合管理技术的研究。通过具有容错和重构功能的分布式网络系统提高飞机综合化程度、诊断能力和容错能力,提高可靠性和维修性。
机电综合管理系统,可使用多功能显示器取代原机电子系统的显示仪表,做到信息简明、直观,并提供辅助操作信息,也可通过与航电系统多功能显示器合并功能,优化座舱设计,达到最佳的人机功效。多功能显示器可用多个显示画面和多个可选择开关组成,开关的工作状态由子系统的工作要求进行选择。
5 小结
本文对国内外飞机机电综合管理系统进行了的阐述,简单分析了机电综合管理系统的设计,希望起到抛砖引玉的作用,以促使国内飞机机电综合管理系统的快速发展,提升国内飞机机电系统的集成能力。