基于多代理技术的飞机配电装置新型自动测试系统

陈安帅，罗运虎，万晶晶

(1.南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 210016; 2.中国人民解放军第5720工厂，安徽 芜湖 241007)

飞机配电装置作为实现飞机配电系统自动控制的重要枢纽，负责飞机上的电能分配和保护。一旦其出现故障，将会导致飞机部分功能失灵，严重影响飞机的飞行安全，所以对其性能进行测试至关重要。

近年来，有关飞机配电方面的研究主要集中在测试方法的应用[1-3]和配电器件的特性等方面[4-5]。文献[1]介绍了一种专用的飞机配电装置测试架构，但并未考虑有关强电和弱电隔离问题，其采用二线法测电阻，不足之处就是设备内部线路电阻无法消除。文献[2]介绍了一种直升机配电盘自动测试技术。文献[3]介绍了一种直升机旋翼/尾桨集流环测试方法，且详细介绍了四线法在测试过程中的具体应用。文献[4]和文献[5]阐述了反时限保护特性的模型和保护优化问题。

目前，多代理系统(Multi-Agent System,MAS)作为一种灵活控制系统，将控制权分散到各个子系统，由各个子系统根据上级系统自行改变运行状态，采用分布式协调控制方式，可使系统更加灵活、高效地运行。多代理系统适用于具有分布式特性、控制数据较多、控制方式灵活的系统，目前被广泛应用于工业控制[6]与微电网能量管理中[7-10]。

迄今为止，飞机修理工厂对飞机配电装置的修理与测试依然采用手动方式，测试流程烦琐，测试效率和测试精度较低，且没有实现自保开关过载安秒特性测试，从而给飞机修理带来很大的修理风险。为此，为满足X系列飞机配电装置电气修理与自动测试的需要，基于多代理系统理论，设计并实现一种飞机配电装置自动测试系统。

1 飞机配电系统及保护原理概述

1.1 飞机配电系统组成

飞机交/直流配电系统(简称配电装置)在正常运行情况下为飞机的各部分负载分配电能，在故障状态下可以实现应急切换和隔离故障，从而为飞机安全飞行提供重要保障。飞机交/直流配电系统主要由主汇流条、应急汇流条、不间断应急汇流条、控制器件(自保开关、继电器、接触器、断路器等)、二极管、熔断器等组成，其组成结构如图1所示。

图1 飞机配电系统拓扑结构图

1.2 飞机配电装置保护原理

飞机配电装置的保护功能是通过各型交/直流自保开关的过载安秒特性(又称反时限特性)来实现的。反时限过流保护是指当流过自保开关的电流大于动作电流时，配电装置就动作，其动作时间与流过电流大小有关，电流越大，动作时间越短，反之，则越长，其反时限保护模型为

(1)

式中：Ie为自保开关保护额定电流；Ieq为实际电流值；r为常数，通常在0～2之间；K为发热时间常数。

以 2 A、5 A和10 A这3种交流自保开关的实测数据等相关技术参数为依据，基于Matlab数据拟合，对式(1)进行参数辨识，得到r=1、K取值范围为0.4～1.5时的拟合曲线，如图2所示。该曲线可作为各型自保开关模型仿真与状态评估的重要依据。

图2 直流自保开关数据拟合曲线

针对式(1)，基于S-function函数，搭建反时限特性自保开关器件模型。在此基础上，利用Matlab/Simulink搭建的直流和400 Hz交流反时限电路仿真模型如图3所示。

图3 反时限电路仿真模型

为验证不同类型自保开关过载保护特性，图4和图5给出了交直流两种自保开关的仿真结果。10 s时，信号源给受控电流源施加2倍过载信号。S-function函数计算保护时间，开启保护倒计时。30 s左右，计时停止后，自保开关动作，线路被切断，线路电流为0。仿真结果表明其有效性。

图4 2倍过载系数直流反时限特性仿真

图5 2倍过载系数交流反时限特性仿真

为验证自保开关过载系数和动作时间成反比的反时限特性，这里以交流自保开关为例进行仿真。10 s时，信号源给受控电流源施加8倍过载信号，如图6所示。12 s左右自保开关动作，线路被切断，线路电流为0。动作时间由原来的20 s减小到2 s。仿真结果表明其有效性。

图6 8倍过载系数交流反时限特性仿真

2 飞机配电装置新型测试系统设计

2.1 飞机配电装置新型测试方法设计

为了降低配电装置在故障情况(如自保开关开路、配电线路开路等故障)下直接通电所带来的测试风险，本系统首先对配电装置内部通电线路进行线路导通性测试。如果该项测试通过，则进行自保开关过载安秒特性测试，简称“改进式注入测试法”。其中线路导通性测试是自保开关过载安秒特性测试的前提，其测试原理如图7所示。

图7 改进式注入法原理示意图

2.2 飞机配电装置新型测试架构设计

基于多代理技术，所设计的飞机配电装置新型测试系统共分为3层，其测试架构如图8所示。

图8 基于多代理的系统测试架构

在本系统中，第1层为系统控制机Agent A，具有数据综合处理、方案制定、命令发布和线路保护等功能，例如以工控机为控制器的控制单元；第2层为控制电路、激励源和程控测量仪器Agent B，具有分级控制、数据回读、实时测量、提供快速稳定的激励源和电路保护等功能，例如交/直流程控电流源、电压源等激励源、数字万用表等程控测量仪器；第3层为接口电路Agent C，具有切换通路、线路自检等功能，例如继电器模块/接触器模块等电路。Agent A负责各Agent B间的协调调度，并做出重大决策。

2.3 飞机配电装置新型测试系统关键模块设计

2.3.1 设计需求

本文对20种飞机配电装置内部自保开关的类型和数量进行统计。自保开关类型有4种，分别为DBF-X、DBB-X、DBG-X、SDB-X。额定电流类型有1 A、2 A、3 A、5 A等 11种，具体信息如表1所示。

表1 自保开关类型和数量统计表

下面以表1的统计数据为基础，利用矩阵法推导和化简得到接口电路设计的主要依据，具体步骤如下。

① 建立原始矩阵。某配电装置1的原始矩阵为

(2)

式中：行表示自保开关类型，列表示自保开关额定电流值，其中元素DBF-1代表的是额定电流为1 A的DBF型自保开关的数量，以此类推，可以得到其他19个配电装置的原始矩阵P2～P20。

② 求出最大矩阵。为了提高测试系统设计的通用性，整理求出所有配电装置的最大矩阵Pmax，如式(3)所示，其中DBF-1max元素DBF-1代表的是额定电流为1 A的DBF型自保开关的最大数量。

(3)

③ 求完备矩阵。最大矩阵Pmax乘以过载系数矩阵PK，K1～K4代表该类型自保开关过载系数，从而可得到最大支路电流和最大路数的完备矩阵PK：

(4)

④ 行化简。根据各型自保开关过载安秒特性测试要求，K取值在0～2之间，支路电流承受能力可向下兼容，统一选择2倍过载系数，并保留每一列元素的最大值，即化简后的矩阵PX为

(5)

式中：元素表示2 A、4 A、6 A、10 A等电流支路的最大数量。

⑤ 列化简。实际设计过程中，通常会把数值相近通路合并，简化设计的同时，可得到比较充足的设计余量。按照上面的设计推理过程，针对20种各型配装置类型，得到最终化简后的矩阵PY为

(6)

式中：各元素分别代表电流为5 A、10 A、20 A、40 A、100 A的支路个数。PY矩阵将作为整个设计中接口电路支路数量的主要参考数据。

2.3.2 接触器模块

在飞机配电装置中，电流经连接器由主汇流条或者应急汇流条流向各个自保开关向负载供电。为实现改进式注入法，需要设计一个接触器模块作为过载电流切换控制电路。

所设计的接触器模块工作原理如图9所示，其中“接触器线圈加电压”部分负责向飞机配电装置内部继电器/接触器供电。交/直流电流通过“交/直流电流进”和“插头进电流”部分流向配电装置主汇流条或者应急汇流条，然后从配电装置各个自保开关支路流出，经接“交/直流出”部分汇集在电流源的负端，从而形成电流通路。所有接触器线圈正端均接至+27 V，线圈负端由适配器模块控制实现。接触器模块具体参数如表2所示，这里的“其他功能通路”包括电源总开关等必要开关。

图9 接触器模块工作原理示意图

表2 接触器模块具体参数说明

2.3.3 继电器模块

为实现过载测试(强电)与线路导通性测试(弱电)之间的隔离，需要设计一个继电器模块作为注入电流支路切换接口电路和电阻测量支路接口电路的隔离电路。所设计的继电器模块工作原理如图10所示，该设计既考虑了独立性，又简化控制逻辑，从而使控制方式更可靠。当对自保开关进行过载安秒特性时，该模块继电器动作，从而自动实现适配器模块(弱电)与接触器模块(强电)之间的电气隔离。

图10 继电器模块工作原理示意图

继电器模块具体参数如表3所示，为了控制灵活选择了4通道和2通道继电器。

表3 继电器模块具体参数说明

2.3.4 适配器模块

为实现对接触器模块与继电器模块的控制，所设计的适配器模块采用“底板+电源板+矩阵开关板+接触器/继电器控制板”架构(如图11所示)。其中，电源板用于向其他各分板与继电器线圈供电；工控机通过ISA总线经底板将信息送至各分板，所设计的底板相当于一个数据耦合平台，能够实现各分板之间的数据共享与相互通信，并在工控机控制下高效协调运行。

图11 适配器模块架构

根据测试需求，HI、LO、接触器控制和继电器控制路数如表4所示。

表4 适配器模块内部板卡说明

3 飞机配电装置测试软件设计

3.1 软件功能需求

① 测试软件应该具有良好的人机界面、清晰的测试逻辑、完整的测试项目。

② 为防止测试者在测试过程中的误操作，测试软件应在测试过程中给予测试人员信息提示，并通过软件保护来防止误操作对配电装置造成损坏。

③ 测试软件可将所测试的数据保存为PDF或Excel文件，同时所保存的文件具有密码保护功能。

基于上述软件需求分析，本文选用VC++6.0作为软件开发平台，采用面向对象的编程思想使用微软基础类库(Microsoft Foundation Classes,MFC)进行软件界面开发。

3.2 软件设计原则

① 界面简洁：界面设计要合理、简洁，聚集功能相近的按钮，减少操作流程。

② 操作简单：运用模块化的编程思想降低软件冗余、烦琐的操作。

③ 误操作保护：在测试前提示使用者做必要的测试前检查。

3.3 软件模块开发

软件模块包括自检模块、线路导通性模块、吸合/释放电压模块、过载安秒特性检查模块。限于篇幅，这里仅给出吸合/释放电压模块软件流程图,如图12所示。

图12 继电器吸合/释放电压测试流程图

4 飞机配电测试系统的验证及分析

4.1 测试验证条件

所设计的测试系统实物如图13所示。系统测试操作步骤如下：

图13 飞机配电装置综合测试系统

① 打开测试系统电源总开关。

② 打开上位机测试软件，并依次打开交/直流电流源、多路电压源、程控万用表、艾诺电压源。

③ 通过测试软件对各部件进行自检，通信成功后，将设备与待测飞机配电装置通过电缆进行连接。

④ 对所测配电装置进行型号识别，识别成功后进入到相应测试界面并按照测试需求进行性能测试。

⑤ 测试完成后，保存测试数据。

4.2 测试结果及分析

参考有关航修测试规程，飞机配电装置各测试项的指标如表5所示。

表5 X系列飞机配电装置测试指标

4.2.1 线路导通性测试

针对X型飞机配电装置，图14分别给出了目前手动测试方式二线法和本自动测试系统四线法的线路导通性测试结果。如图14所示，二线法线路阻值数据均在1～1.5 Ω之间，四线法线路阻值数据均在0.2～0.6 Ω之间，表明本自动测试系统的四线法能够自动消除系统内部线路电阻，大幅提高了测试精度。

图14 线路导通性测试

4.2.2 自保开关过载安秒特性测试

过载安秒特性测试结果如图15所示，30个自保开关断开时间均在5～20 s之间，符合表5的航修测试规程及标准。

图15 过载安秒特性测试

4.2.3 继电器吸合/释放电压测试

继电器吸合/释放电压测试结果如图16所示，吸合电压在10～18 V之间，释放电压在1～6 V之间，均满足表5的航修测试标准与要求。

图16 继电器吸合/释放电压测试

4.3 测试方法的实效性分析

目前国内航修厂对飞机配电装置的测试均采用手动测试方法，手动测试和自动测试系统比较如表6所示。

表6 手动测试和自动测试系统比较

如表6所示，基于多代理技术的飞机配电装置新型自动测试系统无论在单个测试项目还是整体测试方面，其效率和精度都远优于目前的手动测试方式。

5 结束语

为满足X系列飞机配电装置电气修理与自动测试的需要，基于多代理技术，设计了一套飞机配电装置新型测试系统。以“工控机+各种程控部件+配电装置”为架构，搭建系统测试硬件平台，基于VC++6.0开发系统测试软件，测试结果表明其有效性。由于受时间等因素的影响，该测试系统后续要在测试精度、效率、可靠性等方面加以改善。