大型飛機環(huán)控系統(tǒng)壓調(diào)余度設(shè)計*

劉夏青，吳 斌，趙 剛，蔡曉樂

(中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

1 背景

大型飛機的研制是一個國家工業(yè)水平的體現(xiàn)和綜合國力的象征，為避免大型軍事裝備受制于人，自主研發(fā)適用于大型飛機的環(huán)境控制系統(tǒng)已成為國家戰(zhàn)略[1]。

飛機環(huán)境控制系統(tǒng)作為重要的機載系統(tǒng)之一，承擔(dān)著為機上人員提供舒適空氣環(huán)境的任務(wù)。環(huán)控系統(tǒng)通過控制機艙內(nèi)空氣的溫度、濕度、流速、壓力等參數(shù)，向機組人員和乘客提供足夠舒適的生存和工作環(huán)境[2]。

飛機座艙環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展，從20世紀30年代中期算起，至今約有近70年的歷史。隨著現(xiàn)代飛機飛行高度、速度、機動性和適應(yīng)性的不斷提高，外界工作條件的變化也越來越復(fù)雜。飛機需要適應(yīng)外界環(huán)境條件的急劇變化，這就要求飛機的環(huán)控系統(tǒng)具有在急劇變化條件下的適應(yīng)性。這不僅增加了環(huán)控系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且對環(huán)控系統(tǒng)的可靠性也提出了更高要求。

壓調(diào)是環(huán)控系統(tǒng)中一個非常重要的系統(tǒng)，是飛行員及機上人員的生命安全的重要保障，因而對壓調(diào)的余度設(shè)計也顯得尤為重要。本文圍繞大型飛機環(huán)控系統(tǒng)壓調(diào)余度設(shè)計策略進行論述。

2 環(huán)控系統(tǒng)計算機硬件設(shè)計

大型飛機環(huán)控系統(tǒng)計算機應(yīng)用于座艙壓力控制分系統(tǒng)，單架份飛機配置2臺，為2×2余度設(shè)計，兩臺計算機就分別對左、右機身環(huán)控系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備或子系統(tǒng)進行控制與監(jiān)控。每臺計算機應(yīng)具備雙通道處理能力；具備分組配電能力，實現(xiàn)余度控制和容錯管理；具備處理器功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和輸出控制功能；具備周期任務(wù)調(diào)度功能；具備軟件監(jiān)控功能；具備與機電管理計算機、數(shù)據(jù)采集計算機、供電管理計算機、起落架收放和位置指示控制單元，以及雙機雙通道間總線通訊功能；具備與大氣數(shù)據(jù)機、事故記錄單元、駕駛艙排氣活門、貨艙排氣活門、防冰探測盒的總線通訊功能；具備與座艙壓力傳感器和貨艙壓力傳感器的總線通訊功能；具備駕駛艙排氣活門及貨艙排氣活門的手動控制功能；具備駕駛艙排氣活門及貨艙排氣活門的高度限制和抑制功能；具備自檢測功能；具備故障存儲功能；具備開發(fā)調(diào)試功能。

環(huán)控系統(tǒng)計算機與外部環(huán)控系統(tǒng)的各子系統(tǒng)的聯(lián)系框圖如圖1所示。

依據(jù)環(huán)控系統(tǒng)計算機設(shè)計要求及功能構(gòu)型要求，左、右環(huán)控計算機采用同構(gòu)型設(shè)計，環(huán)控計算機內(nèi)部的A、B自動通道采用同構(gòu)型設(shè)計，左、右環(huán)控系統(tǒng)計算機相應(yīng)通道通過HB6096數(shù)據(jù)總線進行信息交換，A、B通道通過HB6096總線進行狀態(tài)及數(shù)據(jù)交換，通過通道故障邏輯進行通道選擇控制。環(huán)控系統(tǒng)計算機A、B通道為主/備工作模式。當(dāng)主通道功能失效，備份通道相關(guān)功能開始工作。

圖1 環(huán)控計算機系統(tǒng)連接框圖

3 環(huán)控系統(tǒng)計算機軟件設(shè)計

環(huán)控計算機雙機雙通道采用統(tǒng)一硬件平臺，根據(jù)硬件平臺統(tǒng)一配置操作系統(tǒng)和開發(fā)驅(qū)動軟件，每個通道根據(jù)系統(tǒng)要求進行模塊配置和調(diào)用相應(yīng)驅(qū)動軟件，并運行每個通道的控制軟件。

雙機雙通道進行不同的控制功能，四個通道對應(yīng)的軟件為獨立運行軟件，本系統(tǒng)軟件采用分區(qū)加載的形式，即每個通道都灌裝全部四個軟件，環(huán)控計算機加電之后，通過對機型識別、機位識別和通道識別后，根據(jù)相關(guān)通道軟件不同位置加載不同的應(yīng)用軟件到FLASH中，因而可實現(xiàn)環(huán)控計算機在駕駛艙左右綜合設(shè)備柜位置的可互換性。

對于每個通道軟件，分為地面支持軟件和正常工作軟件。正常工作軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件完成環(huán)控計算機所連接的環(huán)控子系統(tǒng)的實際監(jiān)控管理和控制任務(wù)，系統(tǒng)級的故障處理。系統(tǒng)軟件是應(yīng)用軟件運行軟件平臺，系統(tǒng)軟件初始化環(huán)控計算機運行的各種資源，提供各種驅(qū)動接口，同時實時檢測環(huán)控計算機的運行狀態(tài)并記錄故障信息。

4 壓調(diào)系統(tǒng)余度策略

由于壓調(diào)系統(tǒng)的重要性，環(huán)控計算機壓調(diào)控制系統(tǒng)為三余度設(shè)計，兩個自動控制通道和一個手動控制通道。

因為壓調(diào)是飛機環(huán)控系統(tǒng)中非常重要的系統(tǒng)，座艙壓力及變化率，是環(huán)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)中人員最敏感，且易造成損傷的生理參數(shù)，甚至關(guān)系到機上人員的生命安全。為保證可靠性和安全性，因而該系統(tǒng)至少要采用雙余度設(shè)計，這里的三余度設(shè)計是在雙余度自動控制的基礎(chǔ)上增加無軟件運行的手動控制通道，是壓調(diào)系統(tǒng)功能正常工作的重要保障。

兩個自動控制通道分別分布在控制的1A通道和2A通道，通過應(yīng)用軟件的PID算法程序和邏輯控制程序?qū)崿F(xiàn)。

手動控制功能由PCM模塊實現(xiàn)，采用純硬件方式實現(xiàn)，同構(gòu)型設(shè)計，通過外部電氣線路的功能配置，使左、右環(huán)控計算機分別實現(xiàn)駕駛艙排氣活門及貨艙排氣活門的手動控制功能、駕駛艙排氣活門及貨艙排氣活門的高度告警功能。

1B和2B通道分別實現(xiàn)壓調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用軟件功能的監(jiān)控及安全功能監(jiān)控任務(wù)。

壓調(diào)系統(tǒng)的余度策略是，1A和2A兩個自動控制通道將本通道相關(guān)余度信號數(shù)據(jù)發(fā)送給另一自動通道，包括心跳信號、總線協(xié)商節(jié)點信號、通道狀態(tài)等，同時并接收另一自動通道相關(guān)余度信號數(shù)據(jù)。本通道根據(jù)周期BIT信息、本通道和它通道的余度信息進行綜合決策，來進行壓調(diào)自動控制功能的切換。若本自動通道壓調(diào)出現(xiàn)故障時，另一自動通道進行任務(wù)接管，當(dāng)另一自動通道也失效時，控制器將切換至手動控制模式下進行壓調(diào)功能保障。

環(huán)控計算機壓調(diào)功能分布如圖2所示。

5 小結(jié)

針對大型飛機環(huán)控系統(tǒng)系統(tǒng)需要，對壓調(diào)系統(tǒng)余度策略展開研究。利用環(huán)控計算機架構(gòu)及軟硬件配置，設(shè)計了壓調(diào)的三余度控制方法。由于壓調(diào)在環(huán)控系統(tǒng)中的重要性，基于自動和手動模式的三余度控制設(shè)計策略大大滿足了該關(guān)鍵系統(tǒng)的可靠性和安全性。

圖2 環(huán)控計算機壓調(diào)功能分布圖

[1] 黨曉民，成杰，林麗.我國大型飛機環(huán)境控制系統(tǒng)研制展望[J].航空工程進展，2010(2)：21-24.

[2] 劉剛，劉衛(wèi)，張鶴林.飛機環(huán)控系統(tǒng)管路設(shè)計研究與探討[J].航空科學(xué)技術(shù)，2014(4)：13-18.