新型噴管控制系統(tǒng)故障模式分析及模擬

劉 凱

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

新型噴管技術(shù)的應(yīng)用將能賦予戰(zhàn)斗機(jī)超機(jī)動(dòng)性、短距起降和低可探測(cè)性，能夠顯著提高戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)能力。該噴管控制系統(tǒng)是保證其正確運(yùn)動(dòng)的重要部分，如果一旦失控將使飛機(jī)失去控制，甚至在瞬間就發(fā)生機(jī)毀人亡的災(zāi)難性后果。因此該型噴管不但要求具有可變速率的應(yīng)急回中功能，還要求控制系統(tǒng)具有較高的可靠性及故障檢測(cè)功能。為提高新型噴管控制系統(tǒng)可靠性及故障安全性，需對(duì)新型噴管控制系統(tǒng)進(jìn)行故障模式研究，并采取相應(yīng)的對(duì)策以保證系統(tǒng)在故障狀態(tài)下能夠安全工作。為保證控制系統(tǒng)對(duì)故障的處理策略正確，需要對(duì)故障進(jìn)行模擬并驗(yàn)證該系統(tǒng)對(duì)故障的處理邏輯。

目前，美、俄等國(guó)家已經(jīng)開(kāi)展了新型噴管技術(shù)的應(yīng)用，并在新型噴管控制設(shè)計(jì)、使用等方面積累一定的經(jīng)驗(yàn)；但是由于技術(shù)保護(hù)等原因，只能接觸有限的外圍技術(shù)，而對(duì)控制系統(tǒng)故障模式研究等方面從無(wú)相關(guān)介紹。國(guó)內(nèi)近年來(lái)在新型噴管及其控制技術(shù)方面開(kāi)展一定的研究工作，但對(duì)其控制系統(tǒng)故障模式研究及故障模擬方面研究較少。

本文對(duì)新型噴管控制系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，對(duì)系統(tǒng)的控制器、傳感器、通訊、伺服閥、電磁閥及作動(dòng)筒等部件的故障模式、解決方法、故障影響進(jìn)行了初步分析，對(duì)新型噴管控制系統(tǒng)故障模擬系統(tǒng)進(jìn)行了介紹并對(duì)如何進(jìn)行故障模擬進(jìn)行了初步的研究工作。

1 系統(tǒng)介紹

新型噴管電子控制器接收飛控計(jì)算機(jī)的偏轉(zhuǎn)角及方位角指令，并接收飛行高度、馬赫數(shù)、喉道面積等信號(hào)，由新型噴管控制算法軟件模塊計(jì)算出3個(gè)作動(dòng)筒的目標(biāo)位置，通過(guò)射流管電液伺服閥對(duì)作動(dòng)筒進(jìn)行閉環(huán)控制，3個(gè)作動(dòng)筒的位置決定了噴管的偏轉(zhuǎn)角、方位角及噴管的出口面積，新型噴管控制工作原理如圖1所示。

新型噴管控制系統(tǒng)含新型噴管控制器、控制軟件、控制電纜、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（含射流管電液伺服閥及2位三通閥）、作動(dòng)筒（內(nèi)置傳感器）等。新型噴管控制器算法軟件模塊計(jì)算出3個(gè)作動(dòng)筒的目標(biāo)位置后，并完成對(duì)作動(dòng)筒的閉環(huán)控制，作動(dòng)筒的控制系統(tǒng)原理如圖2所示，其中K1為射流管電液伺服閥本身的特性，是1個(gè)比例環(huán)節(jié)。K2/S為作動(dòng)筒本身的特性，是1個(gè)積分環(huán)節(jié)。K是電子控制器選取的參數(shù)，是1個(gè)比例環(huán)節(jié)。因此，整個(gè)控制系統(tǒng)是1個(gè)1階積分控制系統(tǒng)。

新型噴管電子控制器要完成2個(gè)功能，即完成3個(gè)作動(dòng)筒的目標(biāo)位置的計(jì)算和完成閉環(huán)控制功能。為保證作動(dòng)筒的動(dòng)、靜態(tài)特性，并保證能夠及時(shí)對(duì)飛機(jī)的指令進(jìn)行響應(yīng)，要求控制器軟件定時(shí)周期定為不大于5 ms。由于涉及空間位置計(jì)算，并且為了滿足計(jì)算精度的要求，對(duì)作動(dòng)筒目標(biāo)位置的計(jì)算量比較大，因此要求控制器計(jì)算能力不小于20 Mips。為保證控制系統(tǒng)可靠、安全的工作，對(duì)電子控制器（含軟件）要求具有自檢、容錯(cuò)、故障診斷和處理的能力，具備初步的健康管理功能。

新型噴管電子控制器擬采用主備方式進(jìn)行控制，當(dāng)兩余度控制器都正常時(shí)，A機(jī)進(jìn)行控制并對(duì)自身進(jìn)行監(jiān)控，B機(jī)同樣進(jìn)行控制的計(jì)算并對(duì)A機(jī)的控制進(jìn)行監(jiān)控，只是此時(shí)B機(jī)不對(duì)外進(jìn)行控制輸出。當(dāng)控制器發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，如果能夠確認(rèn)故障位置時(shí)，將故障報(bào)告?zhèn)鹘o飛控計(jì)算機(jī)，在飛控計(jì)算機(jī)沒(méi)有發(fā)出結(jié)束工作信號(hào)前，由非故障余度控制器單余度工作，如果工作的余度又發(fā)生故障，系統(tǒng)將進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)，并且將故障報(bào)告?zhèn)鹘o飛控計(jì)算機(jī)。

2 控制系統(tǒng)故障模式及應(yīng)對(duì)措施

經(jīng)對(duì)新型噴管控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，控制系統(tǒng)故障模式包含電控系統(tǒng)故障模式和液壓系統(tǒng)故障模式。電控系統(tǒng)故障可能由控制器故障、通訊故障、傳感器故障等因素引起。液壓系統(tǒng)故障可能由射流管電液伺服閥故障、2位三通閥故障引起。

2.1 電控系統(tǒng)故障模式

具體的故障模式及應(yīng)對(duì)措施見(jiàn)表1。

故障部件 故障原因 解決措施控制器故障控制器C P U故障，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行比較。 控制器退出工作狀態(tài)。與飛控計(jì)算機(jī)通訊其中1個(gè)余度無(wú)法接收到數(shù)據(jù)。 單余度工作。通訊故障 與發(fā)動(dòng)機(jī)控制器通訊其中1個(gè)余度無(wú)法接收到數(shù)據(jù)。單余度工作。1個(gè)余度傳感器采樣值超門限。 單余度工作。傳感器故障1個(gè)余度傳感器短路。 單余度工作。1個(gè)余度傳感器斷路。 單余度工作。兩余度傳感器采樣值誤差超門限。 控制器退出工作狀態(tài)。1個(gè)余度射流管電磁閥短路 單余度工作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障1個(gè)余度射流管電磁閥斷路 單余度工作。1個(gè)余度2位三通閥短路 單余度工作。1個(gè)余度2位三通閥斷路 單余度工作。射流管電磁閥卡死 控制器退出工作狀態(tài)。2位三通閥卡死 噴管無(wú)法進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)。作動(dòng)筒 作動(dòng)筒卡死控制器退出工作狀態(tài)；座艙報(bào)警信號(hào)；建議飛行員將該發(fā)動(dòng)機(jī)降慢車使用。

3 故障模擬

經(jīng)過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)故障進(jìn)行分析，我們認(rèn)為對(duì)控制系統(tǒng)故障影響而言，“控制器CPU故障”需要單獨(dú)模擬；“控制器傳感器解調(diào)電路故障”與傳感器故障屬于同一類故障，對(duì)傳感器故障的試驗(yàn)基本可以替代“控制器傳感器解調(diào)電路故障”；“控制器輸出電路故障”與液壓系統(tǒng)故障屬于同一類故障，對(duì)液壓系統(tǒng)故障模擬的試驗(yàn)基本可以替代“控制器輸出電路故障”的模擬試驗(yàn)。因此，可以設(shè)計(jì)1套故障模擬系統(tǒng)，通過(guò)新型噴管電子控制器輸入輸出接口信號(hào)及阻抗變化模擬控制系統(tǒng)故障，以此檢驗(yàn)新型噴管電子控制器對(duì)故障檢測(cè)的能力及對(duì)故障處理的有效性及正確性，并檢驗(yàn)新型噴管控制系統(tǒng)對(duì)故障的魯棒性。

3.1 新型噴管故障模擬系統(tǒng)

新型噴管故障模擬系統(tǒng)包含模擬信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)、通訊控制顯示系統(tǒng)、電氣柜、電纜等部分。新型噴管故障模擬系統(tǒng)如圖3所示。

3.1.1 通訊控制顯示系統(tǒng)

通訊控制顯示系統(tǒng)包含工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（含顯示器）、XXXX通訊卡（與飛控計(jì)算機(jī)通訊）、XXXX通訊卡（與FADEC通訊）。各種通訊板卡插入工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中，并由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)模擬飛控計(jì)算機(jī)及FADEC與新型噴管控制器之間的通訊。通訊控制顯示系統(tǒng)還要完成與新型噴管故障模擬系統(tǒng)之間的通訊。通訊控制軟件要顯示人—機(jī)界面，完成對(duì)各種故障的設(shè)定功能，并通過(guò)RS232通訊口傳輸至模擬信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)，由模擬信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)模擬作動(dòng)筒各種故障；完成模擬飛控計(jì)算機(jī)通訊及FADEC通訊功能，并模擬各種通訊故障；將通訊的數(shù)據(jù)、新型噴管控制器輸出信號(hào)信息等顯示出來(lái)。

3.1.2 模擬信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)

模擬信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)能夠采集射流管電磁閥輸入信號(hào)；能夠模擬作動(dòng)筒傳感器各線圈的短路、斷路等情況，并能在程序的控制下連續(xù)輸出模擬作動(dòng)筒傳感器的信號(hào)，使模擬信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)能夠模擬作動(dòng)筒正常及故障情況下傳感器的輸出值；能夠模擬2位三通閥阻抗特性，能夠模擬2位三通閥斷路、短路；能夠模擬射流管電磁閥阻抗特性，能夠模擬射流管電磁閥斷路、短路。模擬信號(hào)軟件包含作動(dòng)筒的數(shù)學(xué)模型，在無(wú)故障模擬的情況下要采集新型噴管控制器輸出信號(hào)，模擬作動(dòng)筒的動(dòng)作，輸出模擬傳感器的信號(hào)反饋給新型噴管控制器，并將新型噴管控制器輸出信號(hào)通過(guò)RS232通訊口傳輸給控制顯示系統(tǒng)顯示出來(lái)；模擬信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)還要接收通訊控制顯示系統(tǒng)發(fā)送過(guò)來(lái)的控制命令信號(hào)，控制模擬作動(dòng)筒傳感器的信號(hào)的幅值，完成作動(dòng)筒各種故障的模擬。

3.2 新型噴管控制系統(tǒng)故障模擬驗(yàn)證

新型噴管控制系統(tǒng)見(jiàn)表2（故障模擬及處理結(jié)果）中所列故障模擬驗(yàn)證，系統(tǒng)能夠正確識(shí)別故障并進(jìn)行正確處理。

表2 故障模擬及處理結(jié)果

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