飛行控制計算機的余度分析與設(shè)計

文/許靜 夏珊

（1.中國直升機設(shè)計研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333001 2.航空工業(yè)昌河飛機工業(yè)集團有限責任公司 江西省景德鎮(zhèn)市 333001）

低速、低空和機頭方向不變的機動飛行及在小面積場地垂直升降是直升機的突出特征，由于這些特點使其具有廣闊的用途及發(fā)展前景。對于其核心部件飛行控制計算機的要求也更加嚴格，需要更高的可靠性，而單一提高硬件系統(tǒng)中元器件的可靠性無法提高整機可靠性，所以余度技術(shù)被應(yīng)用到飛行控制計算機的設(shè)計中，降低技術(shù)復雜度和提高故障覆蓋率是余度配置中首要解決的問題，目前應(yīng)用廣泛，技術(shù)相對成熟的是雙余度飛行控制計算機的設(shè)計，這種結(jié)構(gòu)資源少，重量輕，便于實現(xiàn)。

1 飛行控制計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

余度技術(shù)的應(yīng)用能明顯提高飛行控制計算機在執(zhí)行任務(wù)時的安全可靠性，但不是簡單的余度疊加，并非余度數(shù)越多越好，雙余度飛行控制計算機的設(shè)計綜合考慮了可靠性與系統(tǒng)復雜程度的指標，采用硬件冗余和軟件管理的管理策略，硬件方面增加了一路功能相同的飛控計算機通道，主機具有輸出控制權(quán)，副機作為熱備份。飛行控制計算機通過總線系統(tǒng)與航電系統(tǒng)進行交聯(lián)，接收來自航電系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、機上傳感器的總線、模擬量及離散量信號，由機內(nèi)雙通道對采集到的控制指令、飛行參數(shù)、監(jiān)控信號進行邏輯處理、參數(shù)加工以及故障監(jiān)控等處理，通過交叉?zhèn)鬏旀溌穼崿F(xiàn)雙通道之間的信號交互，由雙余度表決策略得到相關(guān)信號的表決值。飛控計算機通過對表決信號進行控制律計算，得到舵機的控制指令，由模擬量輸出通道實現(xiàn)舵機控制指令的輸出，從而實現(xiàn)對飛機的控制。飛控計算機原理圖如圖1 所示。

2 飛行控制計算機的硬件系統(tǒng)

硬件結(jié)構(gòu)相同的雙通道組成了雙余度飛控計算機，兩個CPU負責輸入信號的處理和控制律計算，通過交叉?zhèn)鬏旊娐愤M行交叉互比表決，將最終結(jié)果輸出給伺服控制系統(tǒng)，以驅(qū)動舵機運動。各硬件模塊的功能介紹如下。

2.1 CPU模塊

CPU 模塊承擔控制邏輯解算、飛行控制律解算、余度管理、故障檢測和任務(wù)調(diào)度等任務(wù)。以MPC8245 為例，MPC8245 處理器具有MPC603e 內(nèi)核機PCI 橋，存儲器控制器，DMA 控制器，可編程中斷控制器，它具有并行執(zhí)行數(shù)條指令、簡單指令的快速執(zhí)行、流水線操作等優(yōu)點，內(nèi)部最高頻率為300MHz，最快單周期可同時執(zhí)行6 條指令，峰值速度約500MIPS/300MHz。

2.2 接口模塊

為了對飛行控制計算機俯仰角及其角速率、橫滾角及其角速率、偏航角及其角速率進行精確采樣，利用A/D 轉(zhuǎn)換器將經(jīng)過調(diào)理后的模擬量信號變換為計算機可用的數(shù)字量，外部輸入信號需經(jīng)過信號調(diào)理電路進行處理，包括解調(diào)、濾波及增益調(diào)整等，最后才能接入CPU 進行AD 采集。

圖1：飛控計算機原理圖

圖2：通道故障邏輯圖

接口模塊還配置有422 總線采集單元，對于大氣傳感器、地面測試設(shè)備、慣性傳感器等外部設(shè)備的422 總線信號進行采集。

2.3 CCDL模塊

CCDL 模塊實現(xiàn)雙機互比功能，在CCDL 模塊的內(nèi)部有雙口RAM，它機將采集值寫入雙口RAM，本機通過讀取相應(yīng)地址中的值獲得它機采集值。

2.4 通道故障邏輯模塊

通道故障邏輯模塊保障了電路故障時系統(tǒng)輸出的連續(xù)性、準確性。在雙余度飛行控制計算機系統(tǒng)中，外部輸入信號同時送到A、B 通道，雙機之間需要對采集到的數(shù)據(jù)進行互比表決，在A、B 通道都有效的情況下，A 通道具有輸出控制權(quán)，當只有一個通道有效時，該通道具有輸出控制權(quán)，若兩個通道都發(fā)生故障，飛行控制計算機默認A 通道輸出，如表1、表2 所示，通道故障邏輯圖如圖2所示。

2.5 電源模塊

表1：A 機有輸出情況表

表2：B 機有輸出情況表

電源模塊為飛控計算機內(nèi)部雙通道及其他相關(guān)單元供電，該模塊既要有較高的品質(zhì)又要滿足抗電磁干擾的特性，同時，電源模塊還具有濾波、穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)，可輸出紋波小、穩(wěn)定的電壓。

3 飛行控制計算機的軟件系統(tǒng)

雙余度飛行控制計算機軟件的設(shè)計依賴于軟件容錯技術(shù)，正常工作時進行實時監(jiān)控，故障發(fā)生時降低系統(tǒng)的性能損失。底層的雙口RAM 通過進行兩個通道的數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏攲崿F(xiàn)余度管理，兩通道完成各自的數(shù)據(jù)采集后，單通道狀態(tài)的監(jiān)控依賴于相應(yīng)的監(jiān)控策略，故障綜合則記錄了故障信息及故障點，再通過交叉?zhèn)鬏斶M行雙通道監(jiān)控結(jié)果及數(shù)據(jù)的互比，使監(jiān)控狀態(tài)正確且數(shù)據(jù)結(jié)果有效的通道具有輸出控制權(quán)，正常輸出。

3.1 任務(wù)同步技術(shù)

雙余度飛行控制計算機余度管理的關(guān)鍵是任務(wù)同步技術(shù)，兩通道能夠并行同步工作是雙余度實現(xiàn)的基礎(chǔ)，余度通道之間為熱并行運行方式，各通道比較、表決失誤數(shù)據(jù)必須是同一次計算的結(jié)果，才可維持計算數(shù)據(jù)的一致性，故每幀開始時都進行一次雙余度通道間的同步。

3.2 表決技術(shù)

飛行控制計算機系統(tǒng)在周期性執(zhí)行任務(wù)過程中，為保證輸出結(jié)果的一致性和準確性，要對數(shù)據(jù)輸入、輸出結(jié)果進行比較表決。兩個模塊之間互送數(shù)據(jù)信息通過串口通訊實現(xiàn)，然后對其輸出結(jié)果進行監(jiān)控比較，取合理值進行下一步操作，滿足屏蔽故障任務(wù)或部件，提高輸出數(shù)據(jù)可靠性的要求。

3.3 故障監(jiān)控技術(shù)

雙余度飛行控制計算機采用雙余度通道數(shù)據(jù)交叉互比監(jiān)控方式，使用軟件超時監(jiān)控技術(shù)，在一定的條件下可進行系統(tǒng)重構(gòu)和故障隔離、實現(xiàn)故障工作或故障降級工作。每一個通道通過周期性故障綜合來識別自身的運行狀態(tài)，實現(xiàn)通道故障控制邏輯的支配，判斷通道是否有真實輸出，為雙余度的有效控制提供依據(jù)，在飛控系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障時，具有確保故障安全的能力（即故障發(fā)生時飛控計算機能切斷自身俯仰、傾斜、航向、高度四個任務(wù)通道的輸出，完全釋放對飛機的控制）。

4 結(jié)束語

本文從工程實際出發(fā)，簡述了飛行控制計算機的雙余度管理策略，設(shè)計方案結(jié)合了硬件余度和軟件容錯技術(shù)，在系統(tǒng)軟件中應(yīng)用了故障監(jiān)控、余度管理和表決技術(shù)等，大大提高了飛行控制計算機的可靠性，保障直升機的飛行安全。