CN103309319A - 分布冗余式飞机自动配电控制*** - Google Patents

分布冗余式飞机自动配电控制*** Download PDF

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Abstract

本发明提出了分布冗余式飞机自动配电控制***，所述***左功率控制器通过数字及模拟接口监测并控制左交流配电盘、左直流配电盘和应急配电盘；右功率控制器通过数字及模拟接口监测并控制右交流配电盘、右直流配单盘和应急配电盘；左右功率控制器通过1553B通信数据总线和CAN通信数据总线向上位机反馈***运行的状态；左右功率控制器之间通过ARINC429总线交互各自所控配电盘的信息；发电机控制器、远程功率控制器通过RS485总线和CAN总线向左右功率控制器传输各自所控部件的运行状态。本发明实现了健康诊断功能，提高了可靠性和实时性，供电***实现了不中断供电、容错供电和负载自动管理。

Description

分布冗余式飞机自动配电控制***
技术领域
本发明属于自动控制技术领域，尤其是涉及分布冗余式飞机自动配电控制***。
背景技术
    飞机自动配电***主要由各汇流条、终端构成的飞机配电网络以及由相应处理器、控制器构成的配电控制单元组成。一次配电为从发电机到供电汇流条的部分，其控制单元是功率控制器PCU（Power Control Unit）；二次配电为从供电汇流条到配电汇流条及负载的部分，其控制单元为远程配电单元RPDU（Remote Power Distribution Unit）。
    目前飞机自动配电控制方式主要为集中式、分布式和集中分布式。集中式的自动配电控制***只有一个中央处理器，若中央处理器出现故障，整个飞机电源***将无法正常运行，因此***的可靠性和稳定性较差；分布式的自动配电控制***中没有统一的中央处理器，无法从***层面上对飞机电源***进行调控，各个远程配电单元之间会产生难以统一协调的问题；集中分布式控制***对复杂飞机电网进行集中控制时，由于***的庞大和控制算法复杂会导致实时性降低。目一般的控制方式中，对应急配电中心的控制，难以做到更高级别的可靠性保障。
一次配电控制单元PCU是飞机自动配电***的核心，其对飞机配电网络的控制可靠性严重制约着飞机配电***的供电可靠性。而冗余分布式的自动配电控制方式，对提高***控制的实时性和应急配电部分控制的可靠性都具有重要作用。
 
发明内容
    本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,针对具有左、右交流/直流配电部分以及应急配电部分的飞机一次配电网络，提出了分布冗余式飞机自动配电控制***。所述***能够对主交流/直流配电部分进行分布控制，对应急配电部分进行冗余控制，提高了飞机一次配电网络的供电可靠性。
    为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
分布冗余式飞机自动配电控制***，其特征在于，所述***包括通过总线***连接的上位机、左功率控制器、右功率控制器、左交流配电盘、右交流配电盘、左直流配电盘、右直流配单盘、应急配电盘、发电机控制器和远程功率控制器；所述左功率控制器通过数字及模拟接口分别监测左交流配电盘、左直流配电盘和应急配电盘的运行状态，并通过网络重构逻辑运算和过流保护运算分别对左交流配电盘、左直流配电盘和应急配电盘进行控制；所述右功率控制器通过数字及模拟接口分别监测右交流配电盘、右直流配单盘和应急配电盘的运行状态，并通过网络重构逻辑运算和过流保护运算分别对右交流配电盘、右直流配单盘和应急配电盘进行控制；所述上位机分别对左功率控制器、右功率控制器的状态进行控制，并分别显示左功率控制器、右功率控制器的状态信息；
    所述左功率控制器、右功率控制器共同对应急配电盘进行冗余控制，其方法如下：
    分别确定左功率控制器和右功率控制器的优先级；如果右功率控制器的优先级大于左功率控制器的优先级，则由右功率控制器对应急配电盘进行控制，若右功率控制器对应急配电盘控制失败，则由左功率控制器接替右功率控制器对应急配电盘控制，同时右功率控制器失去对应急配电盘的控制权；
    如果左功率控制器的优先级大于右功率控制器的优先级，则由左功率控制器对应急配电盘进行控制，若左功率控制器对应急配电盘控制失败，则由右功率控制器接替左功率控制器对应急配电盘控制，同时左功率控制器失去对应急配电盘的控制权。
    所述总线***包括航电***总线和电气***总线；航电***总线包括1553B通信数据总线和CAN通信数据总线，电气***总线包括ARINC429总线和RS485通信数据总线、CAN通信数据总线；上位机通过航电***总线分别与左功率控制器、右功率控制器相连；左功率控制器和右功率控制器之间通过ARINC429总线交互各自所控配电盘的运行状态以及自检测的结果，并通过ARINC429总线实现左功率控制器与右功率控制器的同步运行；发电机控制器和远程功率控制器通过RS485通信数据总线和CAN通信数据总线分别向左功率控制器、右功率控制器反馈各自所控部件的运行状态。
    所述左功率控制器和右功率控制器功能模块配置相同，所述功能模块包括：电源模块、中央处理器及控制电路、存储模块、通信接口电路、数字接口电路和模拟接口电路；所述电源模块为功率控制器提供电源，所述中央处理器及控制电路分别对通信接口电路、数字接口电路和模拟接口电路接收的信息进行处理并分别控制通信接口电路、数字接口电路和模拟接口电路的输出，所述存储模块为中央处理器及控制电路提供存储空间和缓存。
    所述电源模块提供2个电源，分别为飞机配电网络中直流汇流条28V电源及蓄电池28V电源；经滤波及电源模块转换后，电源模块输出4路电压源，分别为5V数字电源、±15V模拟电源及28V DC功率电源。
    所述中央处理器及控制电路完成对飞机一次配电网络的状态信息处理、通信信息处理、控制算法运算、控制信号输出以及对自身的自检测。
    所述存储模块能够静态定时存储飞机一次配电网络预定时间内的运行状态，实时存储飞机一次配电网络的当前运行状态。 
    所述通信接口电路包括双余度1553B通信接口、双余度ARINC429通信总线接口、双余度CAN通信接口以及带余度接口的RS485通信接口。
    所述数字接口电路实现功率控制器对飞机配电网络数字状态信号的处理以及对飞机配电盘上接触器的驱动。
    所述模拟接口电路实现功率控制器对飞机配电网络模拟信号的处理，将模拟信号转换为0V到3V电压送入中央处理器。
本发明的有益效果是：本发明提出了分布冗余式飞机自动配电控制***，所述***左功率控制器通过数字及模拟接口监测并控制左交流配电盘、左直流配电盘和应急配电盘；右功率控制器通过数字及模拟接口监测并控制右交流配电盘、右直流配单盘和应急配电盘；左右功率控制器通过1553B通信数据总线和CAN通信数据总线向上位机反馈***运行的状态；左右功率控制器之间通过ARINC429总线交互各自所控配电盘的信息；发电机控制器、远程功率控制器通过RS485总线和CAN总线向左右功率控制器传输各自所控部件的运行状态。本发明实现了健康诊断功能，提高了可靠性和实时性，供电***实现了不中断供电、容错供电和负载自动管理。
附图说明
    图1是本发明***结构示意图。
    图2是本发明***通信网络示意图。
    图3是本发明功率控制器硬件结构示意图。
    图4是本发明功率控制器主程序软件流程示意图。
    图5是本发明功率控制器实现对主直流/交流配电盘分布控制的子程序软件流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提出的分布冗余式飞机自动配电控制***进行详细说明：
    如图1所示，是本发明的分布冗余式飞机自动配电控制***，***包括一台上位机、左右两台功率控制器、四台发电机控制器、两台远程功率控制器以及飞机一次配电网络（包括左交流配电盘、左直流配电盘、右交流配电盘、右直流配电盘和应急配电盘）。左交流配电盘和左直流配电盘由左功率控制器监测和控制，右交流配电盘和右直流配电盘由右功率控制器监测和控制，应急配电盘则左右功率控制器均可监测和控制；功率控制器与配电盘的接口包括数字接口和模拟接口。左、右两台功率控制器与通过1553B总线及CAN总线与上位机通信，两台功率控制器之间，以及功率控制器与发电机控制器、远程功率控制器之间通过ARINC429、CAN及RS485总线进行通信。
    如图2所示，分布冗余式飞机自动配电控制***的通信网络如下：左、右两台功率控制器与上层航电***总线和下层电气***总线均有连接，对于上层航电***总线，主要通过1553B总线及CAN总线与上位机通信，对于下层电气***总线，主要是两台功率控制器之间，以及功率控制器与发电机控制器、远程功率控制器之间通过ARINC429、CAN及RS485进行通信。功率控制器与上位机上位机采用单通道CAN总线及1553B总线作为功率控制器与上位机通信的航电***总线；两台功率控制器与发电机控制器和远程功率控制器之间采用单通道CAN总线和单通道RS485总线组成的复合余度通信进行通信；2台功率控制器之间采用双通道ARINC429通信进行通信。
    如图3所示，左右功率控制器采取相同的硬件结构，包括：电源模块、中央处理器及控制电路、存储模块、通信接口电路、数字接口电路和模拟接口电路。功率控制器的工作过程如下：功率控制器接收各种外部状态信号（如接触器状态、汇流条电压及频率等），并在处理器内部通过一定的控制算法运算，输出配电网上相关接触器的控制信号，控制信号经驱动电路放大后，控制各个接触器，从而实现飞机配电网的自动配电控制和故障隔离；在接收状态信号及发送控制信号的过程中，PCU还需不断与上位机、另一台PCU及各发电机控制器GCU和RPDU进行通信，完成状态监控与反馈以及接收指令等功能；为能够在电网故障断电后通过PCU查明飞机电网故障原因，还需要PCU上带有只读存储器，存储飞机电网在一段时间范围内的工作状况。
    所述电源模块完成对功率控制器电能的供给。电源模块输入有2路，分别为飞机配电网络中直流汇流条28V电源及蓄电池28V电源。该电源经滤波及电源模块转换后，得到4路电源电压信号，分别为5V数字电源、±15V模拟电源及28VDC功率电源。
    所述中央处理器及控制电路是功率控制器的核心，完成了对飞机一次配电网络的状态信息处理、通信信息处理、控制算法运算、控制信号输出以及对自身的自检测。其中中央处理器为TI公司的DSP芯片TMS320F2812，内含整个控制***运行的相关程序；控制电路主要包括CPLD（EPM7128S）及其***电路，主要通过数字逻辑实现地址编码译码和相关时序电路。
    所述存储模块能够静态定时存储飞机一次配电网络1小时之内的运行状态，动态实时存储飞机一次配电网络的当前运行状态，其核心是Flash芯片WF1M32B-G2UI3A。 
    所述通信接口电路实现功率控制器对外的通信接口，包括双余度1553B通信接口、双余度ARINC429通信总线接口、双余度CAN通信接口以及带余度接口的RS485通信接口。
    所述数字接口电路实现功率控制器对飞机配电网络数字状态信号的硬件处理以及对飞机配电盘上接触器的驱动。
    所述模拟接口电路实现功率控制器对飞机配电网络模拟信号的硬件调理，将模拟信号转换为0~3V电压送入中央处理器。
    如图4所示，左、右功率控制器的主程序流程相同，流程如下：***开始运行后，首先开始初始化和初始自检测，自检测的结果将上传至上位机，若自检测正常则继续运行，否则就根据上位机的指令选择继续或重启复位；之后***进入正常运行阶段，进行信息采集，数据处理，算法控制运算，过流保护运算，输出控制结果并进行信息交换和存储；***正常运行过程中也需要进行在线自检测的过程，用于判定控制输出信号是否失效，若在线自检测发现故障则立即向上位机报警，并根据上位机的指令选择继续或复位。
    所述主程序流程中，获取电网当前运行状态包括数字信号的采集、模拟信号的采集以及各条通信总线数据的接收。
    所述主程序流程中，运算电网重构控制逻辑过程是软件流程中的核心部分，左右两个功率控制器对应着各自的电网重构算法。
    如图5所示，左右功率控制器各自对左交流/直流配电盘以及右交流/直流配电盘进行分布控制的流程如下：进行分布控制时，首先读取飞机配电盘上的相关数字/模拟信息，并进行数据处理，然后进行网络重构运算，得出飞机配电网络理论上的网络重构计算结果Net，当Net=1时表示令对应支路接通；当Net=0时表示令对应支路断开；同时判定是否存在配电盘上支路过流，则开始计算电流保护时间，若过流时间持续2s以上，则进行过流保护，令对应的过流保护指令Err=0，表示断开过流支路。根据Net及Err合成配电盘上最终的开通/关断指令Cmd。
 左、右功率控制器对应急配电部分的冗余控制流程如下：在上电初始时，RPCU首先对应急配电部分进行控制；***正常之后， RPCU可以通过自检测判定相关控制指令是否能够实现，同时LPCU处于监视和备份状态；一旦具有控制权的RPCU相关自检测不通过，则立即将控制权授权给LCPU，同时自身失去控制权；处于监视地位的LPCU接收到控制权后，应当立即对应急配电部分进行控制，防止出现故障。

Claims (9)

1.分布冗余式飞机自动配电控制***，其特征在于，所述***包括通过总线***连接的上位机、左功率控制器、右功率控制器、左交流配电盘、右交流配电盘、左直流配电盘、右直流配单盘、应急配电盘、发电机控制器和远程功率控制器；所述左功率控制器通过数字及模拟接口分别监测左交流配电盘、左直流配电盘和应急配电盘的运行状态，并通过网络重构逻辑运算和过流保护运算分别对左交流配电盘、左直流配电盘和应急配电盘进行控制；所述右功率控制器通过数字及模拟接口分别监测右交流配电盘、右直流配单盘和应急配电盘的运行状态，并通过网络重构逻辑运算和过流保护运算分别对右交流配电盘、右直流配单盘和应急配电盘进行控制；所述上位机分别对左功率控制器、右功率控制器的状态进行控制，并分别显示左功率控制器、右功率控制器的状态信息；
    所述左功率控制器、右功率控制器共同对应急配电盘进行冗余控制，其方法如下：
    分别确定左功率控制器和右功率控制器的优先级；如果右功率控制器的优先级大于左功率控制器的优先级，则由右功率控制器对应急配电盘进行控制，若右功率控制器对应急配电盘控制失败，则由左功率控制器接替右功率控制器对应急配电盘控制，同时右功率控制器失去对应急配电盘的控制权；
    如果左功率控制器的优先级大于右功率控制器的优先级，则由左功率控制器对应急配电盘进行控制，若左功率控制器对应急配电盘控制失败，则由右功率控制器接替左功率控制器对应急配电盘控制，同时左功率控制器失去对应急配电盘的控制权。
2.根据权利要求1所述的分布冗余式飞机自动配电控制***，其特征在于，所述总线***包括航电***总线和电气***总线；航电***总线包括1553B通信数据总线和CAN通信数据总线，电气***总线包括ARINC429总线和RS485通信数据总线、CAN通信数据总线；上位机通过航电***总线分别与左功率控制器、右功率控制器相连；左功率控制器和右功率控制器之间通过ARINC429总线交互各自所控配电盘的运行状态以及自检测的结果，并通过ARINC429总线实现左功率控制器与右功率控制器的同步运行；发电机控制器和远程功率控制器通过RS485通信数据总线和CAN通信数据总线分别向左功率控制器、右功率控制器反馈各自所控部件的运行状态。
3.根据权利要求1所述的分布冗余式飞机自动配电控制***，其特征在于，所述左功率控制器和右功率控制器功能模块配置相同，所述功能模块包括：电源模块、中央处理器及控制电路、存储模块、通信接口电路、数字接口电路和模拟接口电路；所述电源模块为功率控制器提供电源，所述中央处理器及控制电路分别对通信接口电路、数字接口电路和模拟接口电路接收的信息进行处理并分别控制通信接口电路、数字接口电路和模拟接口电路的输出，所述存储模块为中央处理器及控制电路提供存储空间和缓存。
4.根据权利要求3所述的分布冗余式飞机自动配电控制***，其特征在于，所述电源模块提供2个电源，分别为飞机配电网络中直流汇流条28V电源及蓄电池28V电源；经滤波及电源模块转换后，电源模块输出4路电压源，分别为5V数字电源、±15V模拟电源及28V DC功率电源。
5.根据权利要求3所述的分布冗余式飞机自动配电控制***，其特征在于，所述中央处理器及控制电路完成对飞机一次配电网络的状态信息处理、通信信息处理、控制算法运算、控制信号输出以及对自身的自检测。
6.根据权利要求3所述的分布冗余式飞机自动配电控制***，其特征在于，所述存储模块能够静态定时存储飞机一次配电网络预定时间内的运行状态，实时存储飞机一次配电网络的当前运行状态。
7.根据权利要求3所述的分布冗余式飞机自动配电控制***，其特征在于，所述通信接口电路包括双余度1553B通信接口、双余度ARINC429通信总线接口、双余度CAN通信接口以及带余度接口的RS485通信接口。
8.根据权利要求3所述的分布冗余式飞机自动配电控制***，其特征在于，所述数字接口电路实现功率控制器对飞机配电网络数字状态信号的处理以及对飞机配电盘上接触器的驱动。
9.根据权利要求3所述的分布冗余式飞机自动配电控制***，其特征在于，所述模拟接口电路实现功率控制器对飞机配电网络模拟信号的处理，将模拟信号转换为0V到3V电压送入中央处理器。
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