民机环控系统台架试验所需控制系统运行环境分析

段春

【摘 要】针对民用飞机机载环控系统在试验室内开展的系统台架试验，对环控系统在飞机上的运行环境进行研究，重点对能确保控制系统正常运行所需要的外部必要条件进行详细分析；对比试验室内的系统台架试验条件，进而得到需在试验室内模拟的被试系统外围环境的功能及接口需求。分析结果可作为被试系统所需运行环境模拟设备的设计与开发输入条件。

【关键词】环控系统；试验室试验；环境模拟；需求分析

中图分类号： V243；TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）23-0091-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.039

【Abstract】In order to support system rig test of civil aircraft on-board environment control system in lab， the ECS work conditions in aircraft are studied， and it focuses on analyzing exterior necessary conditions which should insure the functionality of the control system. Compared with the system test facility conditions in lab， the function and interface requirement of ECS exterior environment to be simulated in lab can be concluded. The analyze result can be used as input to design and develop the ECS work condition simulator.

【Key words】Environment Control System （ECS）； Lab test； Condition simulation； Requirement analyzing

0 前言

国内外民用飞机市场竞争激烈，环控系统是实现客舱舒适性提升、争取获得乘客更大满意度、扩大市场份额的重要机载系统之一[1]。系统试验是验证与优化系统功能和性能的重要手段，必不可少。本文所述民机环控系统试验仅指在试验室内开展的系统台架试验，不包括在飞机上开展的系统试验。在同时具备动态试验和仿真计算两大先进技术能力的环控试验室内开展系统试验，可验证更多的设计需求是否得到满足，进而减少试飞试验、降低研制风险和研制成本，并能加快项目研制进度[2]。机载环控系统包含气源、空调、压力调节、机翼防冰等重要子系统，对于150～200座级的民用客机，普遍从发动机引气，经系统调温调压后分配到机翼前缘、客舱、驾驶舱等各个区域[3]。

试验室内的环控系统试验台只包含系统自身的试验件，不包含其他如航电、电源、告警显示、起落架等机载设备，也没有飞机舱室环境。环控系统的制冷设备、活门、导管、换热器、传感器等试验件按照机上的布置位置进行安装连接，设备与系统控制器间的电气连接与机上保持一致。被试系统的供气来自试验室内的发动机气源模拟专用设施。试验数据的获取通过试验件改装、传感器加装和试验室内的数据采集与记录设备配合完成。具备这些条件后还无法确保试验能顺利开展，因为系统控制缺乏运行环境不能正确运行，无法得到正确有效的输出结果。

1 系统交联关系

环控系统控制与其他机载系统存在复杂的输入输出交联关系。如图1所示，系统一方面需要接收其他系统如控制板、起落架、舱门、电源等发来的信息作为系统控制运算的输入条件；另一方面需要发出诸多信息给其他系统如告警显示、飞行记录、机载维护、水废水等用于监控、记录及控制运算；还有一部分系统内设备不是与系统控制器直接相连，而是在其控制与监测回路中间串入了航电系统，以航电网络作为中间桥梁在控制器与被控对象之间传输控制命令和反馈状态信息。

由于系统试验台没有真机环境，不包含其他机载系统，无法提供控制系统正常运行所需的外部环境，试验无法开展；因此需要试验室配备专用设施来模拟该环境，下面对控制系统运行所需外围环境进行详细分析。

2 运行环境功能需求

环控系统试验台的控制架构如图2所示，实线部分为系统自身控制结构；虚线部分示意外围环境模拟功能，仅模拟保证系统正常运行所需的最小系统而非全系统功能，详细功能需求分析如下。

2.1 模拟电源系统功能

电源网络环境是系统运行的基础。机上环控系统设备的工作用电均由电源系统分配，并由其控制供电通断及提供回路保护。当控制系统内部设备时，控制器发出指令经航电网络传到电源系统，由电源系统控制远程分配单元实现对用电负载的供电通断；同时电源系统将供电状态信息通过航电网络回传给环控系统，作为对供电端的监控。

试验室内模拟电源系统与环控系统有交联部分的功能。模拟功能具备：

（1）分配28V直流和115/200V三相交流电的能力；

（2）接收和解析环控控制器发出的信息，并转化为实际供电通断动作，同时能将供电状态信息反馈给环控系统；

（3）本地控制和远程控制两种模式；

（4）回路保护功能。

2.2 模拟航电系统功能

飞机上环控系统与航電系统联系密切，部分系统功能如通风就是结合航电系统实现；很多机载系统如发动机、燃油惰化、客舱核心等也都是通过航电网络实现与环控系统的信息交换。模拟航电环境需具备功能如下：

（1）能接收并处理环控系统通过航电网络发送给其他系统的信息；

（2）能将其他系统通过航电网络发来的信息传输给环控系统；

（3）能接收与辨识环控系统控制器发出的内部指令，并及时转化为作动命令输出给系统内设备；能将这些设备的状态信息采集、转化并反馈给环控系统。

2.3 模拟显示及其他系统功能

为了观测系统状态，需模拟显示功能，将系统的输入输出信息以友好的图表交互形式进行显示。飞机上诸多系统如发动机系统、起落架系统、舱门系统、客舱核心系统、辅助动力系统、结冰探测系统、防火系统和控制面板等，均有向环控系统提供输入，这些信息是系统运行的重要边界条件，直接影响试验结果。需模拟这些系统的相关功能，并且模拟功能需具备手动设置参数值的能力。

3 硬件接口需求

为实现上述功能，需设计硬件I/O（输入/输出）接口与环控系统试验件接口匹配，I/O方向是相对环控系统而言，即輸入指外部向环控系统传输信号，反之亦然。I/O接口类型分为离散量、模拟量和供电三类，更详细的类型、数量等接口定义信息根据被试系统实际情况而定。

3.1 离散信号接口

离散信号包含开关量和总线信号，其中开关量包含地/开和28V/开两种信号；总线信号包含民机机载总线规范ARINC 429、ARINC 825等。

3.2 模拟信号接口

模拟信号一般为传感器输出信号，包含电压、电流和电阻信号，其中电压信号主要为毫伏、0～5V和0～10V电压模拟量；电流信号主要为4～20mA电流模拟量；电阻信号主要为铂热电阻和热敏电阻等。

3.3 供电接口

供电分为28V直流供电和交流供电，其中交流供电又分为115V单相和200V三相供电。为防止电信号互相干扰、保证传输质量，设计时考虑强/弱电分开，弱电接口与供电接口使用独立的电连接器；每个设备的供电接口需保证连接器接触件的载流量和负载的功率匹配。

根据环控系统具体的试验室试验规划和试验任务，梳理被试系统与外部的硬件接口，接口类型及数量汇于表1得到总的I/O需求。试验配置环境模拟设施时应在表1的需求基础上适当增加各类数量，以提高的冗余度

4 结语

为保证民用飞机环控系统试验室试验顺利开展，对系统运行所需外部必要条件进行了详细的需求分析，得到了功能及接口需求，是系统运行所需外部环境模拟设施的设计与开发的重要依据，为环控系统试验室试验的顺利开展打下坚实基础。

【参考文献】

[1]程立嘉，程晓忠，左彦声.大型客机空气管理系统现状与发展趋势[J].航空科学技术，2008，（3）：7-8.

[2]孙江平，崔燚.基于仿真技术的飞机环控试验室设计[J]. 民用飞机设计与研究，2012，（S1）：119-122.

[3]朱春玲.飞行器环境控制与安全救生[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.