李坤 衡康 解华林 赵培枫 刘希军

摘  要：文章构建了基于LabVIEW的飞机辅助动力系统仿真模型，并对飞机辅助动力系统进行仿真与分析。分析了飞机辅助动力系统起动原理，并根据起动原理分析辅助动力系统的起动及关断过程。采用LabVIEW建立辅助动力系统起动前的火警报警仿真测试、起动过程仿真测试及关断过程仿真测试。通过对飞机辅助动力系统进行仿真分析，展示辅助动力系统的起动原理及流程，为相关人员的飞机辅助动力系统研究提供理论参考。

关键词：辅助动力系统；LabVIEW；火警报警；系统仿真

中图分类号：TP391.9    文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）01-0138-04

Simulation Analysis of Aircraft Auxiliary Power System Based on LabVIEW

LI Kun， HENG Kang， XIE Hualin， ZHAO Peifeng， LIU Xijun

（Civil Aviation Flight University of China， Deyang  618300， China）

Abstract： This paper establishes a simulation model of aircraft auxiliary power system based on LabVIEW， and simulates and analyzes the aircraft auxiliary power system. The starting principle of the aircraft auxiliary power system is analyzed， and the starting and shutdown processes of the auxiliary power system are analyzed according to the starting principle. LabVIEW is used to establish the fire alarm simulation test， starting process simulation test and shutdown process simulation test of the auxiliary power system before starting. Through the simulation analysis of the aircraft auxiliary power system， the starting principle and process of the auxiliary power system are displayed， which provides theoretical reference for relevant personnel to study the aircraft auxiliary power system.

Keywords： auxiliary power system; LabVIEW; fire alarm; system simulation

0  引  言

辅助动力装置（Auxiliary Power Unit， APU）是位于飞机后部的一种小型燃气涡轮发动机，是提供动力能源的装置，其主要作用是在地面上为飞机系统供气、供电，在空中提供备用能源[1]。为飞机提供引气的是APU上的负载压气机，为飞机提供交流电的是其对应的交流发电机。正因为APU的存在，使得如今的民用飞机减少了对外部设备的依赖，从而提高了飞机的可靠性及使用效率。

本文中研究B787飞机上所使用的APU，其具有辅助起动发电机（Auxiliary Starter Generator， ASG），是APU起动运行的关键部件，与传统机型APU相比，主要区别是该机型APU上的起动机与发电机合为一体。设计的优点是减少了APU上面的部件，从而降低了APU的成本和重量，系統的安全可靠性得以提升。在每台APU附件齿轮箱的前部都安装有两台ASG，当APU起动时ASG充当起动机，当APU稳定运转时ASG充当发电机，给飞机提供23 5VAC-360～440 Hz-225 KVAd交流电[2]。

LabVIEW是一种图形化的编程语言，具有功能强大、操作简便等特点，是虚拟仪器程序中功能最为全面、实际应用最广的一种，其主要功能有系统设计、界面显示、数据采集等。通过LabVIEW建立APU起动及关闭状态的仿真模型并进行功能调试，动态化演示APU的起动及关闭过程。

1  APU系统介绍

现代民航飞机的APU通常设置在机尾的APU舱内，APU主要由动力部分、负载压气机部分和附件齿轮箱部分组成。动力部分由压气机、轴流式涡轮和燃烧室组成。负载压气机和附件齿轮箱主要由动力部分驱动，负载压气机部分提供压缩空气。附件齿轮箱主要包括起动发电机、油气分离器和滑油泵等附件，其底部作为滑油系统集油槽，用来存储滑油，动力主要是靠动力部分提供[3，4]。

辅助动力装置的功能是独自为飞机供电和压缩空气，少量辅助动力装置可为飞机提供额外推力。飞机起飞时，辅助动力装置给飞机以足够大的功率；飞机爬升到一定高度后，辅助动力装置将为飞机供给所需要的动力[5]。飞机从地面起飞之前，主发动机是依赖于辅助动力装置提供动力或供给空气而起动的，因此不需要靠地面电源或气源车起动发动机。地面上，辅助动力装置供电及压缩空气，确保客舱及驾驶舱照明及空调装备正常运行，飞机起飞过程中发动机功率完全用于飞机的地面加速及爬升以提升飞机起飞性能。飞机进入着陆场后，由于受跑道的限制，飞机必须减速下降才能着地。如果需要滑行一定距离，则需要辅助动力系统给主发动机供电以维持其正常工作。

APU的工作原理为当进气口吸进空气时，压气机对空气进行压缩形成压缩空气，之后压缩空气输送到燃烧室中，与燃油喷雾在燃烧室中混合充分后被点燃形成高温燃气，之后高温燃气进入涡轮部分，在涡轮处高温燃气由化学能转化为机械能，进而带动APU工作，燃气最后经尾喷管排出机外。

2  APU起动及关闭过程

APU起动及关闭过程是由APU控制面板来控制的，面板位于飞机上的P5头顶板上，APU控制面板上主要有电瓶电门、APU电门、APU GEN电门、APU FAULT灯等部件，这些部件是完成APU起动及关断过程的关键部件。APU控制面板如图1所示。

APU起动过程是将电瓶电门和APU电门开关拨到ON位，此时电子控制组件（Electronic Control Unit， ECU）会接收到一个信号，打开APU关断活门和APU进气门，同时还会将滑油压力灯点亮。然后APU GEN电门打开，APU开始起动。APU起动过程中不同的转速阶段所执行的功能也会不一样，在3%转速时点火系统通电；7%转速时起动燃油总管开始供油；15%转速时主燃油总管开始供油，飞机应处于地面上；达到35%转速时，飞机进入飞行状态；达到50%转速时，辅助动力装置控制器（Auxiliary Power Unit Controller， APUC）断开ASG并点火；达到60%转速时除油活门关闭；达到70%转速时永磁发电机（Permanent Magnet Genertor， PMG）向燃油组件供电；达到95%转速时即已准备好供电、供气；达到100%转速时表明APU起动成功，可以进行电载荷和气载荷。

APU关断首先是将APU电门拨到OFF位，传递给ECU的ON位信号断开，OFF位信号传送给ECU，辅助电源断电器（Auxiliary Power Breaker， APB）断开后，系统将进入持续2分钟的冷却循环过程，APU降至冷却转速。当APUC执行超转保护时，关闭燃油组件供油，当冷却循环进行到60 s时，APUC打开除油活门，之后发送指令给客舱通信系统（Cabin Communications System， CCS）关闭APU燃油关断活门和燃油增压泵的自动工作，当APU转速降到15%以下时，关闭进气门，随后APU停止工作。

3  B787飞机APU系统仿真模型建立

对B787飞机APU系统进行仿真设计，根据APU工作原理及运转过程，采用LabVIEW建模仿真APU起动及关断过程。

火警测试过程是APU起动前必不可少的一步，系统仿真首先需完成火警测试程序框图，该程序框图是由while循环构成的，在循环里面加入条件结构。通过布尔拨动开关控制火警测试程序的完成。布尔拨动控制开关控制条件结构，开关打开输入真值，条件结构真部分开始运行，否则运行假部分。在条件结构中把火警测试面板上需要点亮的指示灯，通过创建布尔指示灯的属性节点的值，并给这些指示灯的属性节点赋上条件，以此控制指示灯的亮灭。当布尔拨动开关拨到相应档位时，赋值为真的指示灯点亮，拨到另一档位时，赋值为假的指示灯点亮。

APU的起动需要控制面板上的几个开关同时作用，在程序框图中，设计APU电瓶电门开关和APU起动开关，选用垂直按钮开关，通过开和关来控制整个程序。另外，APU起动时工作的部件通过布尔控件来实现，由布尔指示灯的亮灭来测试系统是否正常运行。按照APU起动原理把控件正确连接起来制作程序框图。程序框图最外面是总while循环，在while循环里放入了平铺式顺序结构，平铺式顺序结构可以确保子程序框图按照顺序执行。

平铺式结构被分为3帧，第0帧设计火警测试框图。因火警测试是在APU起动前需进行的工作，故先设计火警测试框图。在第1帧设计条件结构，三个开关通过与门连接来控制条件结构，在条件结构真的部分中设计平铺式顺序结构，总共分为2帧，两个布尔灯并赋值为真放在了第0帧，第1帧放入前面的两个布尔灯并赋值为假，而且在每一帧都加入延时后，此操作可以实现灯的闪烁功能。在平铺式顺序结构的第2帧中设计了条件结构，通过布尔开关控制条件结构的执行，按下开关执行真值部分，否则执行假值部分。在平铺式顺序结构中设计延时，可以控制程序执行时间，加入延时后便于观察程序执行流程。APU起动程序框图如图2所示。

最后仿真APU的关断过程，其关断过程与起动过程是相互關联的，APU控制板上的开关同时控制起动与关断。关断程序框图最外面采用while循环，循环内设计平铺式顺序结构，总共添加了5帧，按顺序完成所需的功能。第0帧的设计与起动过程类似，实现的功能为关闭。后面3帧设计关断时控制的部件及延时功能。在最后一帧中实现APU60秒冷却循环过程所执行的操作。

系统冷却过程采用while循环，在循环内设计平铺式顺序结构，共分成2帧，第0帧设计60秒循环倒计时器，倒计时器是通过for循环完成的，通过减法运算实现倒计时的功能，运算结果通过数值显示控件在前面板上显示结果，显示系统冷却时间。后面一帧设计的是在冷却过程中需要关断的控件。APU关断程序框图如图3所示。

4  B787飞机APU系统仿真调试

B787飞机APU系统仿真选取的部件大多数以布尔控件为主，通过布尔指示灯的亮灭来显示工作的开始与结束，布尔指示灯通过自定义其亮灭的颜色来仿真真实的APU操作。

按照要求设计好所有程序框图，并整合形成完整的APU起动及关断程序，然后开始执行系统程序，检查程序是否可以正常运行。如果不能正常运行，则根据系统错误提示进行修改，在前面板中对APU系统进行仿真调试。

APU起动前需要进行相应的准备工作，观察飞机状态是否满足APU起动条件。如果条件不满足，则不允许起动APU。在APU起动前需要进行火警测试，只有测试通过，APU才能进行起动操作。通过LabVIEW设计APU火警测试面板，测试APU起动前需满足的条件。当测试电门置于OVHT/FIRE位时，确认火警灯、主警告灯和OVHT/DET灯亮起，如图4所示。当测试电门置于FAULT/INOP位时，确认主警告灯、OVHT/DET灯点亮，如图5所示。测试灯正常运行且没有报警时，表明火警测试已通过，进而表明APU可以进行起动操作。