新型噴管電控系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

劉 凱

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽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性[1-3]，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。因此該噴管不但要求具有可變速率的應(yīng)急回中功能[4]，還要求控制系統(tǒng)具有較高的可靠性及故障檢測功能。因此對該噴管控制系統(tǒng)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)[5]，對故障檢測、隔離及處理的研究對工程實(shí)踐具有十分重要的意義[6-7]。

目前，美、俄等航空技術(shù)先進(jìn)國家已經(jīng)開展了新型噴管技術(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)[8]；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)[9]，而對控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)等方面從無相關(guān)介紹[10]。國內(nèi)近年來在新型噴管及其控制技術(shù)方面開展一定的研究工作[11]，但對其控制系統(tǒng)可靠性方面研究較少[12]。

本文對新型噴管電子控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了初步探討，對新型噴管電子控制系統(tǒng)包括硬件及軟件進(jìn)行了介紹，并對系統(tǒng)可能發(fā)生的故障及其失效原因、擬采取的措施及對安全的影響進(jìn)行了初步分析，對故障事件的發(fā)生概率、故障對飛行安全的嚴(yán)酷度等也進(jìn)行了安全評估。

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[13]，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，通過射流管電液伺服閥對作動(dòng)筒進(jìn)行閉環(huán)控制[14]，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[15]。

圖1 新型噴管控制工作原理

新型噴管電控部件含新型噴管控制器、控制軟件、控制電纜、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)。

圖2 作動(dòng)筒的控制系統(tǒng)原理

新型噴管電子控制器要完成2個(gè)功能，包含對3個(gè)作動(dòng)筒的目標(biāo)位置的計(jì)算和完成對作動(dòng)筒的閉環(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)地對飛機(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，對作動(dòng)筒目標(biāo)位置的計(jì)算量比較大，經(jīng)借鑒其他項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)估算控制器計(jì)算能力應(yīng)不小于20 Mips。為保證控制系統(tǒng)可靠、安全地工作，對電子控制器（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(控制器為雙余度，含A機(jī)余度及B機(jī)余度)，當(dāng)雙余度控制器都正常時(shí)，A機(jī)進(jìn)行控制并對自身進(jìn)行監(jiān)控，B機(jī)同樣進(jìn)行控制的計(jì)算并對A機(jī)的控制進(jìn)行監(jiān)控，只是此時(shí)B機(jī)不對外進(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)告給飛控計(jì)算機(jī)，在飛控計(jì)算機(jī)沒有發(fā)出結(jié)束工作信號前，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)告給飛控計(jì)算機(jī)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器

傳感器設(shè)計(jì)對其性能有相應(yīng)要求；有相應(yīng)的環(huán)境技術(shù)要求、電磁兼容性要求及可靠性指標(biāo)等要求；還要求具有故障檢測接口，當(dāng)傳感器出現(xiàn)短路、斷路等故障時(shí)，能夠通過該接口檢測到該傳感器已發(fā)生故障。

2.2 電子控制器

電子控制器采用軍品設(shè)計(jì)要求，對其有相應(yīng)的環(huán)境技術(shù)要求、電磁兼容性要求及可靠性指標(biāo)等要求?？刂破鳛槿珯C(jī)雙余度設(shè)計(jì)，電源、CPU、I/O口、驅(qū)動(dòng)電路等均采用雙余度結(jié)構(gòu)，雙機(jī)間要有數(shù)據(jù)交換及故障監(jiān)控和處理功能?？刂破骶哂袑鞲衅鞯妮斎胄盘枡z測功能、伺服閥的輸出回路檢測功能及執(zhí)行機(jī)構(gòu)斷路檢測功能。由于液壓、機(jī)械部件采用單余度工作方案，電子控制器有些開關(guān)量輸出接口為單余度。為保證系統(tǒng)安全，電子控制器的單余度開關(guān)量輸出為雙余度計(jì)算機(jī)輸出信號經(jīng)邏輯判斷后進(jìn)行控制，在一機(jī)檢測到另一機(jī)有問題的情況下，可以利用該信號使另一機(jī)輸出關(guān)斷；而在一機(jī)復(fù)位時(shí)，另一機(jī)可以單獨(dú)控制輸出。這樣就可以保證當(dāng)出現(xiàn)不可判別的故障時(shí)，噴管可以回到中立位置，也可以使系統(tǒng)能夠單余度工作。

3 軟件設(shè)計(jì)

噴管電子控制器軟件不僅要滿足功能性要求，還要滿足健壯性、可維護(hù)性等設(shè)計(jì)要求。軟件要求周期內(nèi)有至少30%的時(shí)間余量。該軟件包含操作軟件和應(yīng)用軟件2部分。軟件模塊如圖3所示。

圖3 軟件模塊

3.1 操作軟件功能

操作軟件為應(yīng)用軟件提供安全、有效、快捷的運(yùn)行平臺，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、管理數(shù)字式電子控制器硬件、外設(shè)資源，進(jìn)行自身正確性監(jiān)控。其內(nèi)容涉及模擬量和開關(guān)量輸入信號的數(shù)據(jù)采集，余度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換、中斷控制及程序調(diào)度、模擬量和開關(guān)量輸出等。

3.2 應(yīng)用軟件

3.2.1 控制軟件的功能

控制軟件根據(jù)飛控計(jì)算機(jī)的指令及發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，計(jì)算作動(dòng)筒的給定位置，并通過PID算法對作動(dòng)筒實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使作動(dòng)筒動(dòng)、靜態(tài)指標(biāo)滿足飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。

3.2.2 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件主要完成數(shù)字式電子控制系統(tǒng)的自檢測、余度管理、同時(shí)完成噴管數(shù)據(jù)的記錄、存儲和通信。

3.2.2.1 控制系統(tǒng)自檢測軟件的設(shè)計(jì)

噴管控制系統(tǒng)的自檢測功能主要由噴管數(shù)字式電子控制器來完成，負(fù)責(zé)檢測系統(tǒng)內(nèi)各硬件包括傳感器、電纜、輸入通道、輸出通道、及相應(yīng)的電液轉(zhuǎn)換元件等單元功能的正確性和性能的符合性，同時(shí)也應(yīng)在系統(tǒng)存在故障的條件下，實(shí)現(xiàn)故障認(rèn)定，并為使用和維護(hù)提供技術(shù)支持。系統(tǒng)自檢測對于輸出量要保持原狀態(tài)，不要為檢測而改變輸出狀態(tài)，以免造成噴管誤動(dòng)作。

對于系統(tǒng)上電自檢測，只有確認(rèn)雙余度控制系統(tǒng)檢測都無故障時(shí)，系統(tǒng)才能繼續(xù)運(yùn)行；如果任何1個(gè)余度計(jì)算機(jī)檢測出故障，則記錄相應(yīng)的故障狀態(tài)字，并向飛控系統(tǒng)報(bào)告故障，當(dāng)程序停止時(shí)，不再向下運(yùn)行，系統(tǒng)進(jìn)入斷開工作模態(tài)。

系統(tǒng)在線檢測則通過硬件查詢傳感器及電纜是否有故障，還要查詢其他的輸入及輸出是否有故障。如果監(jiān)控查詢有故障，則置相應(yīng)故障標(biāo)志，由其他單元對故障進(jìn)行處理。

3.2.2.2 余度管理軟件的設(shè)計(jì)

余度管理軟件要對開關(guān)量信號進(jìn)行邏輯判斷。對模擬量數(shù)據(jù)，余度管理軟件首先比較輸入信號是否超過傳感器的輸入范圍，如果超過范圍則直接確認(rèn)信號故障；其次要比較計(jì)算雙機(jī)間同一傳感器差值，若差值小于故障門限，則認(rèn)為信號無故障，否則認(rèn)為輸入信號故障，置相應(yīng)位故障標(biāo)志；余度管理軟件還要比較本次輸入值與上一次輸入值的差是否超過門限，如果超過，則確認(rèn)信號故障。

表1 噴管電控系統(tǒng)可能發(fā)生的故障進(jìn)行分析

余度管理軟件還通過數(shù)學(xué)模型及工程經(jīng)驗(yàn)對作動(dòng)筒控制閉環(huán)進(jìn)行檢測，以確定控制系統(tǒng)是否存在故障。

如果發(fā)現(xiàn)故障，余度管理軟件將依據(jù)故障位置、飛行條件等因素對故障進(jìn)行隔離及處理。

3.2.2.3 數(shù)據(jù)管理軟件的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理軟件將記錄控制器的工作狀態(tài)、輸入輸出數(shù)據(jù)等信息，并負(fù)責(zé)向飛參系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)，待飛行結(jié)束后進(jìn)行分析。

4 失效模式及對系統(tǒng)的影響

對噴管電控系統(tǒng)可能發(fā)生的1次故障進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表1，經(jīng)分析認(rèn)為新型噴管控制系統(tǒng)可靠性滿足要求。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證新型噴管電控系統(tǒng)可靠性，對新型噴管控制系統(tǒng)進(jìn)行了故障模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，模擬故障同上表1，經(jīng)驗(yàn)證本系統(tǒng)能夠正確識別試驗(yàn)中模擬的全部故障，并正確處理。

6 結(jié)論

經(jīng)對新型噴管控制系統(tǒng)故障模式進(jìn)行分析，并針對系統(tǒng)的故障模式增加故障檢測、隔離及處理功能后，其可靠性得到了較大提升。經(jīng)故障模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠正確識別試驗(yàn)中模擬的全部故障，并正確處理。經(jīng)對系統(tǒng)失效模式及對系統(tǒng)的影響分析，認(rèn)為新型噴管控制系統(tǒng)可靠性滿足要求。

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