李亞倫，齊蓉，周素瑩，鞏明超，劉二豪

（西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，西安 710129）

0 引 言

近年來(lái)，多電飛機(jī)的發(fā)展一直受到各國(guó)研究者的關(guān)注，其特征是使用機(jī)電作動(dòng)器（EMA）逐步取代液壓、氣壓以及機(jī)械作動(dòng)器。早在20世紀(jì)70年代初期，美國(guó)空軍對(duì)機(jī)電作動(dòng)取代液壓作動(dòng)進(jìn)行研究，目前多電技術(shù)已在空客A380、波音B787和F-35等型號(hào)飛機(jī)上獲得應(yīng)用和驗(yàn)證。此外，在飛機(jī)的體系結(jié)構(gòu)上，實(shí)施公共設(shè)備的機(jī)電綜合管理，是飛機(jī)管理系統(tǒng)的發(fā)展方向。國(guó)外在20世紀(jì)80年代就開(kāi)始了一系列機(jī)電綜合研究計(jì)劃，提出了公共設(shè)備管理系統(tǒng)（UMS）的概念，并成功應(yīng)用到F-22、F-35戰(zhàn)斗機(jī)和A380、B787民用客機(jī)上。目前，國(guó)內(nèi)飛機(jī)電作動(dòng)技術(shù)在舵面驅(qū)動(dòng)上研究較多，但在艙門作動(dòng)上的研究較少。國(guó)內(nèi)飛機(jī)艙門作動(dòng)系統(tǒng)還處于輔助動(dòng)力作動(dòng)階段，例如新舟60、ARJ21艙門均為機(jī)械作動(dòng)。國(guó)外飛機(jī)貨艙門作動(dòng)已經(jīng)由純手動(dòng)、輔助動(dòng)力及液壓驅(qū)動(dòng)向電作動(dòng)發(fā)展，例如波音777貨艙門已實(shí)現(xiàn)電作動(dòng)。

在艙門系統(tǒng)的控制方面，中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)的艙門控制設(shè)備及控制方法提高了艙門操作的安全性，但對(duì)每個(gè)艙門仍采用單獨(dú)控制器進(jìn)行控制。這種分散式的控制方法使各艙門獨(dú)立存在，與其他的公共設(shè)備系統(tǒng)之間沒(méi)有信息交互，且大量的控制器、傳感器、執(zhí)行元件及線纜導(dǎo)致硬件利用率低，飛機(jī)體積、重量、功耗增大，可維護(hù)性差。整體上國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)關(guān)于電作動(dòng)艙門系統(tǒng)的集中式控制研究成熟度較低，僅在艙門系統(tǒng)的信號(hào)交互方面有相關(guān)研究。國(guó)外提出的飛機(jī)管理系統(tǒng)架構(gòu)通過(guò)高速總線互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)各系統(tǒng)的集中統(tǒng)一管理。這對(duì)艙門控制具有借鑒意義，可將艙門系統(tǒng)通過(guò)總線融入到機(jī)電設(shè)備綜合管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)艙門系統(tǒng)的集中式控制。

本文提出一種民用飛機(jī)電作動(dòng)艙門集中式控制方案，對(duì)艙門集中控制系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化艙門系統(tǒng)的復(fù)雜度；對(duì)集中式控制方案涉及的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)研究，包括總線參與的電機(jī)伺服控制設(shè)計(jì)，借鑒有限狀態(tài)機(jī)的思想設(shè)計(jì)多艙門并行控制程序以及可修改感應(yīng)距離的接近傳感器設(shè)計(jì)；針對(duì)設(shè)計(jì)架構(gòu)驗(yàn)證試驗(yàn)和電機(jī)伺服試驗(yàn)，對(duì)電作動(dòng)艙門集中式控制方案的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 艙門集中控制方案

1.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

在充分考慮先進(jìn)民用飛機(jī)機(jī)電綜合管理的架構(gòu)方式下，克服分散式艙門控制的弊端，設(shè)計(jì)的集中式控制方案架構(gòu)如圖1所示。在該架構(gòu)下，艙門系統(tǒng)作為一個(gè)子系統(tǒng)融入到公共設(shè)備管理系統(tǒng)中，與剎車系統(tǒng)、起落架收放系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)等其他公共設(shè)備子系統(tǒng)共同接受機(jī)電設(shè)備的綜合管理。

圖1 艙門集中控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture diagram of the centralized control system of the cabin door

艙門集中式控制系統(tǒng)的組成包括：集中綜合控制器、控制及顯示裝置、艙門電作動(dòng)系統(tǒng)以及艙門系統(tǒng)總線。艙門電作動(dòng)系統(tǒng)則由艙門控制器、預(yù)位電機(jī)、閂鎖電機(jī)、開(kāi)啟電機(jī)等作動(dòng)器以及指示到位的接近傳感器組成。

1.2 集中式控制方案原理分析

基于上述集中式艙門控制方案的架構(gòu)，艙門開(kāi)啟的流程如圖2所示?？刂坪惋@示裝置將操作人員開(kāi)啟艙門的控制指令編碼，并發(fā)送到艙門系統(tǒng)總線上，集中控制器通過(guò)判斷標(biāo)識(shí)符ID接收指令，然后進(jìn)行邏輯分析并產(chǎn)生有效控制指令，邏輯分析的目的是防止誤操作。有效控制指令發(fā)送到艙門系統(tǒng)總線后，對(duì)應(yīng)的艙門控制器判斷標(biāo)識(shí)符并接收信息，經(jīng)控制律計(jì)算驅(qū)動(dòng)閂鎖電機(jī)運(yùn)行，解閂鎖到位后再驅(qū)動(dòng)開(kāi)啟電機(jī)運(yùn)行。電機(jī)運(yùn)行到位信號(hào)由接近傳感器產(chǎn)生，艙門控制器捕獲到位信號(hào)后停止驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的速度位置等信息經(jīng)過(guò)艙門控制器處理后，經(jīng)總線反饋回集中控制器，完成對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制。另外，艙門的狀態(tài)信息也可以經(jīng)過(guò)總線發(fā)送至控制和顯示裝置，指示當(dāng)前的艙門狀態(tài)。電機(jī)運(yùn)行到位后，艙門開(kāi)啟過(guò)程完成。

圖2 艙門開(kāi)啟流程圖Fig.2 Door opening flow chart

經(jīng)過(guò)上述分析，艙門控制的實(shí)質(zhì)是對(duì)電機(jī)的控制，由于集中式艙門控制方案增加了集中控制器對(duì)整機(jī)艙門進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度的過(guò)程，因此電機(jī)的伺服控制過(guò)程有總線參與其中，如何解決這一問(wèn)題是關(guān)鍵。整機(jī)多個(gè)艙門同時(shí)控制，并行運(yùn)行互不影響的問(wèn)題也需要解決。另外，針對(duì)目前民用飛機(jī)艙門傳感器選型混亂多樣的局面，設(shè)計(jì)感應(yīng)距離可修改的接近傳感器，有利于統(tǒng)一艙門系統(tǒng)傳感器選型。

綜上，對(duì)比傳統(tǒng)分散式艙門控制方案，集中式艙門控制方案具有以下優(yōu)勢(shì)。

（1）采用集中控制器對(duì)各艙門作動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，對(duì)艙門的控制管理高度集中化。集中控制器可選擇環(huán)境較好的安裝位置，降低電磁干擾影響。

（2）艙門控制器承擔(dān)的計(jì)算量減少，降低對(duì)控制器的性能要求。

（3）采用總線取代點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，大量減少線纜數(shù)量，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，降低經(jīng)濟(jì)成本，提高艙門系統(tǒng)可靠性。

（4）采用感應(yīng)距離可修改的接近傳感器，選型統(tǒng)一，提高應(yīng)用靈活性。

2 關(guān)鍵問(wèn)題解決措施

2.1 總線參與的電機(jī)伺服控制設(shè)計(jì)

通常電機(jī)的控制過(guò)程只由一個(gè)控制器完成，但是在集中式艙門控制方案下，由集中控制器綜合管理各艙門控制器，同時(shí)考慮到降低艙門控制器的性能要求，集中控制器也承擔(dān)了部分控制律的計(jì)算。集中控制器計(jì)算結(jié)果的發(fā)送及電機(jī)轉(zhuǎn)速、位置信息的反饋均需要通過(guò)總線傳送，針對(duì)這一問(wèn)題本文設(shè)計(jì)有總線參與的電機(jī)伺服控制方案，該控制方案的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電機(jī)伺服控制方案Fig.3 Motor servo control scheme

由于艙門各電機(jī)動(dòng)作行程為固定角度，同時(shí)為保證艙門運(yùn)行的平穩(wěn)性，采用電流、轉(zhuǎn)速、位置三閉環(huán)電機(jī)伺服控制方案，控制律采用經(jīng)典PID控制。位置環(huán)和速度環(huán)的控制由集中控制器完成，由于電流環(huán)控制對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，因此電流環(huán)控制仍由艙門控制器完成。集中控制器控制律計(jì)算的轉(zhuǎn)速環(huán)輸出通過(guò)總線發(fā)送到艙門CPU作為電流環(huán)給定，參與電流環(huán)控制律的計(jì)算，艙門CPU捕獲的速度和位置信號(hào)也通過(guò)總線發(fā)送給集中控制器，參與速度環(huán)和位置環(huán)控制律的計(jì)算。設(shè)置外環(huán)控制周期為內(nèi)環(huán)的5～8倍，提高總線利用率。

常用的航電總線類型及特點(diǎn)如表1所示。

表1 常用航電總線對(duì)比Table 1 Comparison of commonly used avionics buses

考慮到可靠性、實(shí)時(shí)性、抗干擾能力及傳輸距離等因素，選用CAN總線作為集中式艙門控制系統(tǒng)的總線。隨著總線技術(shù)的發(fā)展，總線通訊速率將進(jìn)一步提高，電流環(huán)控制律計(jì)算也可以交由集中控制器完成，艙門控制器只需要完成簡(jiǎn)單的通訊功能、電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能以及傳感器信號(hào)采集功能，整個(gè)艙門系統(tǒng)的功能更加集中化。

2.2 實(shí)現(xiàn)多艙門并行控制的軟件設(shè)計(jì)

在分散式艙門控制系統(tǒng)下，每個(gè)艙門控制器都通過(guò)各自的通信線纜單獨(dú)控制，艙門之間不存在信息交互，因此各艙門的控制與運(yùn)行過(guò)程是相互獨(dú)立的。但是在集中式控制系統(tǒng)中總線取代了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，整機(jī)艙門的控制信號(hào)及運(yùn)行過(guò)程中的反饋信號(hào)均通過(guò)總線傳輸，如何在一個(gè)艙門運(yùn)行占用總線時(shí)還能夠同時(shí)控制其他艙門，即實(shí)現(xiàn)多艙門并行控制的問(wèn)題需要解決。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出通過(guò)軟件設(shè)計(jì)來(lái)解決的方案。

借鑒有限狀態(tài)機(jī)（FSM）的思想設(shè)計(jì)的軟件方案如圖4所示，能夠解決集中式艙門控制系統(tǒng)下多艙門的并行控制問(wèn)題。

圖4 基于有限狀態(tài)機(jī)的軟件方案Fig.4 Software scheme based on finite state machine

該軟件設(shè)計(jì)方案是三層狀態(tài)機(jī)的嵌套，第一層為艙門作動(dòng)系統(tǒng)層，第二層為艙門作動(dòng)器層，第三層為控制層。整個(gè)狀態(tài)機(jī)呈現(xiàn)出從待機(jī)狀態(tài)（IDLE）不斷向下層發(fā)散的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。該狀態(tài)機(jī)的特點(diǎn)是，當(dāng)?shù)谝粚訝顟B(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移變量從一個(gè)艙門轉(zhuǎn)換到另外一個(gè)艙門后，只要該艙門分支下層的狀態(tài)轉(zhuǎn)移變量不變，如果第一層狀態(tài)轉(zhuǎn)移變量再次轉(zhuǎn)換回該艙門，則狀態(tài)機(jī)可以承接上一次的運(yùn)行過(guò)程，繼續(xù)執(zhí)行對(duì)應(yīng)電機(jī)的控制。通過(guò)對(duì)該特點(diǎn)的運(yùn)用，可以解決多艙門的并行控制問(wèn)題，然而該方法并不是嚴(yán)格意義上的同時(shí)控制，而是通過(guò)狀態(tài)機(jī)的方式對(duì)程序執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行調(diào)度，呈現(xiàn)出并行控制的特點(diǎn)。

利用該方法控制艙門作動(dòng)電機(jī)對(duì)系統(tǒng)提出時(shí)序上的要求：

式中：為電機(jī)控制程序的執(zhí)行時(shí)間；為總線數(shù)據(jù)的收發(fā)時(shí)間；為電機(jī)速度環(huán)控制周期。

2.3 感應(yīng)距離可修改的接近傳感器設(shè)計(jì)

接近傳感器為艙門作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)提供到位信號(hào)，參與艙門作動(dòng)系統(tǒng)的控制過(guò)程。目前應(yīng)用的接近傳感器大多與接口模塊集成為接近開(kāi)關(guān)，只能檢測(cè)靶標(biāo)距離固定值，因此在艙門控制中針對(duì)不同功能需要選擇不同型號(hào)的接近開(kāi)關(guān)。為了統(tǒng)一選型并且提高應(yīng)用的靈活性，設(shè)計(jì)感應(yīng)距離值可修改的接近傳感器，其工作原理如圖5所示。

圖5 可修改感應(yīng)距離的接近傳感器原理圖Fig.5 Schematic diagram of proximity sensor that can modify the sensing distance

在控制器外部擴(kuò)展一塊電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）來(lái)存儲(chǔ)艙門各作動(dòng)器到位值。隨著靶標(biāo)的移動(dòng)，接近傳感器輸出與靶標(biāo)距離呈現(xiàn)一定函數(shù)關(guān)系的模擬信號(hào)，在經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換后與存儲(chǔ)的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，產(chǎn)生“接近”或“遠(yuǎn)離”信號(hào)。根據(jù)以上分析，只需要在軟件中修改感應(yīng)距離的預(yù)設(shè)值，就可以實(shí)現(xiàn)同一型號(hào)的接近傳感器感應(yīng)不同距離靶標(biāo)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 集中式控制方案的架構(gòu)驗(yàn)證試驗(yàn)

集中式控制架構(gòu)的驗(yàn)證試驗(yàn)由上位機(jī)、控制器及艙門作動(dòng)系統(tǒng)模擬裝置組成。上位機(jī)基于Lab Windows/CVI設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)各控制指令下發(fā)及艙門狀態(tài)監(jiān)視；控制器采用TMS320F28335；作動(dòng)系統(tǒng)模擬裝置由電機(jī)帶動(dòng)金屬擋板運(yùn)動(dòng)模擬艙門作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)，由某型號(hào)接近傳感器產(chǎn)生到位信號(hào)。

模擬控制顯示裝置的上位機(jī)界面如圖6所示，艙門作動(dòng)系統(tǒng)由6個(gè)艙門模擬裝置組成，具體如圖7所示。

圖6 上位機(jī)界面Fig.6 PC interface

圖7 艙門作動(dòng)系統(tǒng)模擬裝置Fig.7 Simulating device for cabin door actuation system

試驗(yàn)時(shí)由上位機(jī)下發(fā)艙門具體作動(dòng)器的控制指令，指令經(jīng)過(guò)CAN總線被控制器接收后進(jìn)行邏輯判斷。邏輯判斷的目的是保證正確的操作順序，例如艙門在未解鎖狀態(tài)時(shí)下發(fā)開(kāi)啟艙門指令，則指令不能被執(zhí)行。經(jīng)邏輯判斷為有效的控制指令，能夠發(fā)送至艙門作動(dòng)系統(tǒng)，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。電機(jī)運(yùn)行到位后，艙門狀態(tài)信息上傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示。

試驗(yàn)中上位機(jī)對(duì)客艙門4依次發(fā)出解鎖、開(kāi)啟指令，由于當(dāng)前艙門處于完全關(guān)閉狀態(tài)，因此指令均被邏輯判斷為有效。鎖電機(jī)、開(kāi)啟電機(jī)依次動(dòng)作，對(duì)應(yīng)的接近傳感器產(chǎn)生到位信號(hào)后電機(jī)停止運(yùn)行，模擬裝置開(kāi)啟到位指示燈亮起顯示該艙門當(dāng)前狀態(tài)，并通過(guò)總線將狀態(tài)信息上傳到上位機(jī)顯示。上位機(jī)母面板指示當(dāng)前4個(gè)艙門處于可靠關(guān)閉狀態(tài)，而客艙門4處于禁止起飛狀態(tài)。觀察客艙門4的子面板，指示當(dāng)前艙門解閂、開(kāi)啟到位。該艙門作動(dòng)器模擬裝置的試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，上位機(jī)界面的試驗(yàn)結(jié)果如圖9～10所示。

圖8 模擬裝置試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results of the simulation device

圖9 上位機(jī)試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Experimental results of the PC

圖10 上位機(jī)試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experimental results of the PC

綜上所述，在集中式艙門控制方案的架構(gòu)下，艙門控制裝置的指令能通過(guò)總線正確發(fā)送到艙門控制器，艙門控制器能解碼并執(zhí)行動(dòng)作，且顯示裝置能正確指示當(dāng)前的艙門狀態(tài)信息。

另外，上位機(jī)同時(shí)發(fā)送多個(gè)艙門控制指令，各艙門作動(dòng)模擬裝置均能正確動(dòng)作，驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)多艙門并行控制的軟件設(shè)計(jì)的正確性。通過(guò)上位機(jī)修改接近傳感器感應(yīng)距離預(yù)設(shè)值，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)帶動(dòng)擋板停止在不同位置，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的感應(yīng)距離可修改的接近傳感器的可行性。

3.2 集中式控制下電機(jī)伺服試驗(yàn)驗(yàn)證

集中式艙門控制方案下的電機(jī)伺服試驗(yàn)裝置平臺(tái)，采用TMS320F28335為集中控制器，艙門控制器采用DSP28035，控制和顯示面板的模擬用上位機(jī)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)總線采用CAN總線，艙門作動(dòng)電機(jī)選用無(wú)刷直流電機(jī)，電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程則通過(guò)磁粉制動(dòng)器加載模擬。試驗(yàn)裝置如圖11所示。

圖11 驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)Fig.11 Simulation experiment platform

試驗(yàn)過(guò)程如下：上位機(jī)發(fā)出艙門開(kāi)啟或關(guān)閉指令，集中控制器接收到動(dòng)作指令后按照位置給定曲線開(kāi)始執(zhí)行位置環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)控制律的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果發(fā)送至CAN總線，艙門控制器接收計(jì)算結(jié)果后作為電流環(huán)給定，進(jìn)行電流環(huán)控制律計(jì)算，驅(qū)動(dòng)并控制電機(jī)開(kāi)始帶載運(yùn)行；載荷模擬器通過(guò)轉(zhuǎn)矩控制器和電流控制器加載，模擬艙門運(yùn)行過(guò)程中作動(dòng)電機(jī)的帶載情況；電機(jī)位置和轉(zhuǎn)速信息則通過(guò)無(wú)刷直流電機(jī)的霍爾傳感器反饋，反饋值通過(guò)CAN總線按照設(shè)定的頻率發(fā)送回集中控制器，構(gòu)成閉環(huán)完成對(duì)電機(jī)的伺服控制。

試驗(yàn)以艙門某作動(dòng)電機(jī)要求30 s內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)（100±2）°，行程范圍為20°起始至120°到位為例?？紤]到作動(dòng)機(jī)構(gòu)不同角度位置及風(fēng)載，電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的負(fù)載時(shí)刻變化，電機(jī)行程范圍內(nèi)各位置對(duì)應(yīng)的負(fù)載大小已給定，如圖12所示。

圖12 電機(jī)負(fù)載曲線Fig.12 Motor load curve

將滿足上述要求的曲線作為位置給定，通過(guò)在集中控制器中設(shè)置數(shù)組表示該曲線。電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中控制器將電機(jī)位置、轉(zhuǎn)速信息實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)顯示。試驗(yàn)結(jié)果的電機(jī)位置跟蹤如圖13所示，轉(zhuǎn)速跟蹤如圖14所示。

圖13 位置給定與反饋曲線圖Fig.13 Position setting and feedback curve diagram

圖14 轉(zhuǎn)速給定與反饋曲線圖Fig.14 Speed setting and feedback curve diagram

從圖13～圖14可以看出：電機(jī)在30 s時(shí)由20°運(yùn)行至119.3°，滿足30 s內(nèi)運(yùn)行（100±2）°的指標(biāo)要求，且反饋曲線顯示電機(jī)位置及轉(zhuǎn)速跟蹤效果良好。該試驗(yàn)結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的集中式艙門控制方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)艙門作動(dòng)電機(jī)的伺服控制，且控制效果良好，初步證明了集中式艙門控制取代分散式艙門控制的可行性。

4 結(jié) 論

（1）綜合未來(lái)民用飛機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，本文提出的電作動(dòng)艙門集中式控制方案使得艙門系統(tǒng)的控制更加集中化，并且可以將艙門系統(tǒng)融入到機(jī)電設(shè)備綜合管理系統(tǒng)中。

（2）該方案采用總線取代傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，極大地減少了線纜數(shù)量，降低了艙門系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)型、可靠性和可維護(hù)性。