一種高升力系統(tǒng)卡位信號的算法設(shè)計

梅存浩

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210)

0 引言

高升力系統(tǒng)是民用飛機(jī)的關(guān)鍵分系統(tǒng)之一，它通過控制縫翼和襟翼的運(yùn)動來改變機(jī)翼的彎度和面積[1]，從而提高飛機(jī)的增升效果，減少飛機(jī)起飛或著陸時的滑跑距離[2]。通常由飛行員在中央操縱臺上操縱襟/縫翼控制手柄(簡稱手柄)來驅(qū)動襟/縫翼翼面運(yùn)動[3-4]。手柄上物理卡位的變化會通過傳感器將信號發(fā)送給高升力系統(tǒng)計算機(jī)(簡稱計算機(jī))，計算機(jī)檢測到傳感器信號后會通過算法處理形成命令卡位，并將命令卡位轉(zhuǎn)換成翼面角度指令后發(fā)送給動力驅(qū)動裝置，動力驅(qū)動裝置輸出旋轉(zhuǎn)扭矩，通過扭力管、支撐軸承、角齒輪箱等傳動線系部件傳遞給齒輪旋轉(zhuǎn)作動器，進(jìn)而驅(qū)動襟/縫翼翼面運(yùn)動[5-6]，安裝在傳動系統(tǒng)末端的位置傳感器將襟/縫翼翼面位置信號反饋給計算機(jī)，準(zhǔn)確地控制襟/縫翼到達(dá)指令位置并通過剎車裝置將翼面鎖定在指令位置。

通常計算機(jī)會接收手柄傳感器的四個輸入信號。傳統(tǒng)的算法是將這四個輸入信號直接生成每個通道的命令卡位，并通過相互比較得到表決后的命令卡位。但該算法存在兩個缺陷，一是當(dāng)手柄短暫通過手柄卡位信號無效的區(qū)域時，會產(chǎn)生無效的卡位信號，繼而對后續(xù)的命令卡位信號計算造成影響。二是由于不同通道之間信號的傳輸存在延時，導(dǎo)致表決后的命令卡位并非始終一致，以至于轉(zhuǎn)換成的翼面角度指令也不同，造成襟/縫翼半速等問題。

本文提出了一種高升力系統(tǒng)卡位信號的算法，該算法能夠?qū)崿F(xiàn)將手柄傳感器的四個輸入信號通過2×2余度架構(gòu)的計算機(jī)轉(zhuǎn)換成表決的命令卡位信號，使得四個通道的命令卡位信號正確且一致，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該算法具有較強(qiáng)的魯棒性。

1 高升力系統(tǒng)簡介

1.1 高升力系統(tǒng)架構(gòu)

本文所述的高升力系統(tǒng)具有兩個雙余度的計算機(jī)，每個計算機(jī)由兩個核心控制模塊(分別為指令模塊和監(jiān)控模塊)和一個作動器控制模塊組成。每個核心控制模塊會接收一路手柄傳感器的信號并進(jìn)行內(nèi)部運(yùn)算，作動器控制模塊用于生成指令驅(qū)動動力驅(qū)動裝置中的馬達(dá)運(yùn)動。每個動力驅(qū)動裝置內(nèi)都有兩個馬達(dá)，這兩個馬達(dá)分別由兩個不同的計算機(jī)中的一個作動器控制模塊控制。

在數(shù)據(jù)傳輸上，單個計算機(jī)中的兩個核心控制模塊由跨通道的數(shù)據(jù)鏈路總線傳輸，兩個計算機(jī)之間的核心控制模塊由跨計算機(jī)的數(shù)據(jù)鏈路總線傳輸。

1.2 襟/縫翼控制手柄卡位的定義

襟/縫翼控制手柄為飛行員提供指令接口[7-8]。本文所述的手柄具有五個可選擇的手柄卡位，分別為0、1、2、3和4卡位。操縱時，飛行員需要提起手柄并將其移動到所選擇的卡位上。該手柄裝有兩個傳感器，每個傳感器通過兩個獨(dú)立的負(fù)載電路連接到手柄上。每個傳感器都會由計算機(jī)進(jìn)行激勵并向兩臺計算機(jī)各發(fā)送一路傳感器的信號。

手柄的卡位定義如圖1所示。在傳感器的滿量程范圍內(nèi)，存在手柄卡位的有效區(qū)域和無效區(qū)域。當(dāng)手柄在一個有效的卡位范圍內(nèi)停留超過一定時間后，計算機(jī)會更新卡位指令到已選擇的位置。如果手柄不在一個有效的卡位范圍內(nèi)，計算機(jī)將會保持上一次的有效卡位。

圖1 手柄的卡位定義

2 襟/縫翼控制手柄卡位信號的算法設(shè)計

在信號傳輸方面，每臺計算機(jī)的指令通道和監(jiān)控通道會各自接收到一路從手柄傳感器傳來的信號。傳統(tǒng)的算法中，該信號會被直接用于生成命令卡位信號，但因?yàn)樵谑直倪\(yùn)動過程中，會短暫通過手柄卡位信號無效的區(qū)域，若因此產(chǎn)生無效的卡位信號，則會對后續(xù)的命令卡位表決造成影響。故在本文的算法中增加了手柄卡位信號有效性的確認(rèn)環(huán)節(jié)，并設(shè)計了手柄卡位信號的表決算法，用于后續(xù)的命令卡位計算。手柄卡位信號的算法如下：

1) 設(shè)置單臺計算機(jī)手柄位置信號無效的監(jiān)控器，在以下兩種情況，該監(jiān)控器會被觸發(fā)：

(1) 在單臺計算機(jī)中，兩個通道的傳感器度數(shù)都小于0卡位的最小有效度數(shù)α；

(2) 在單臺計算機(jī)中，兩個通道的傳感器度數(shù)之差的絕對值大于某個閾值β。

2) 一旦單臺計算機(jī)內(nèi)的手柄位置信號無效的監(jiān)控器被觸發(fā)，其故障信號將與另一臺計算機(jī)對應(yīng)的監(jiān)控器進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的告警信息。

3) 在單臺計算機(jī)中，取兩個通道的傳感器度數(shù)的平均值，若該值在手柄卡位的有效區(qū)域內(nèi)保持時間超過ts，則在指令通道或監(jiān)控通道上得到確認(rèn)的手柄卡位有效信號，并把手柄卡位的有效性狀態(tài)設(shè)置為1。

4) 在單臺計算機(jī)中，若兩個通道的手柄卡位信號相同，手柄卡位均有效，沒有手柄位置無效的監(jiān)控器被觸發(fā)，則在計算機(jī)內(nèi)部獲得表決的手柄卡位信號。否則，表決的手柄卡位信號依然維持上一次有效的手柄卡位信號。表決的手柄卡位信號會傳輸?shù)娇偩€信號上，并參與到命令卡位的判斷邏輯中。

手柄卡位信號算法的圖形化描述如圖2所示。

圖2 手柄卡位信號的算法

3 襟/縫翼命令卡位選擇的算法設(shè)計

通過上一章的算法，計算機(jī)會獲得四個通道表決的手柄卡位信號。該信號會與計算機(jī)外部所收到的信號一起參與到襟翼自動收回功能、襟翼載荷減緩功能、縫翼低速/大迎角鎖定功能以及襟/縫翼巡航鎖定功能等高升力系統(tǒng)自動功能的計算中。通過上述自動功能的計算，可得到四個通道的襟/縫翼命令卡位信號[9]。若直接將這四個信號進(jìn)行表決，則可能由于不同通道之間信號的傳輸存在延時，導(dǎo)致不同通道間的命令卡位會存在某些時刻不一致的現(xiàn)象，一旦不一致的時間超過了一個閾值，就會觸發(fā)襟/縫翼位置指令不一致的監(jiān)控器，從而導(dǎo)致襟/縫翼半速現(xiàn)象的發(fā)生。本文提出了將兩臺計算機(jī)設(shè)為主-備關(guān)系的算法，可有效地解決命令卡位表決時魯棒性不強(qiáng)的問題，具體的算法如下：

1) 將兩個計算機(jī)設(shè)為主備關(guān)系，其中計算機(jī)1為主計算機(jī)；

2) 若計算機(jī)1中兩個通道的命令卡位信號一致，且都沒有手柄位置信號無效監(jiān)控器被觸發(fā)，則表決的命令卡位為計算機(jī)1中兩路一致的命令卡位；

3) 若計算機(jī)1中兩個通道的命令卡位信號一致，但是某個通道有手柄位置信號無效監(jiān)控器被觸發(fā)，則判斷計算機(jī)2中兩個通道的命令卡位信號是否一致，若一致，且都沒有手柄位置信號無效監(jiān)控器被觸發(fā)，則表決的命令卡位就是計算機(jī)2中兩路一致的命令卡位；

4) 若計算機(jī)1中兩個通道的命令卡位信號不一致，則同樣判斷計算機(jī)2中的兩個通道的命令卡位信號是否一致，若一致，且都沒有手柄位置信號無效監(jiān)控器被觸發(fā)，則表決的命令卡位就是計算機(jī)2中兩路一致的命令卡位；

5) 其他情況下，表決的命令卡位將維持上一次有效的命令卡位。

襟/縫翼命令卡位選擇算法的圖形化描述如圖3所示。

圖3 襟/縫翼命令卡位選擇的算法

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述算法的可靠性，搭建了實(shí)驗(yàn)測試平臺。平臺主要包括手柄、計算機(jī)以及數(shù)據(jù)采集裝置[10]。實(shí)驗(yàn)時，將手柄從0卡位依次放到4卡位，再從4卡位依次收到0卡位，作為一個循環(huán)，并采集每個通道最終輸出的命令卡位以及高升力系統(tǒng)的故障狀態(tài)，共做500個循環(huán)，來測試系統(tǒng)的魯棒性。首先用傳統(tǒng)的算法進(jìn)行測試，測試結(jié)果出現(xiàn)了3次命令卡位不一致的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致襟/縫翼半速運(yùn)動現(xiàn)象的發(fā)生，如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)算法的測試結(jié)果

接著，用本文所述的算法進(jìn)行了測試，500次的測試結(jié)果均正常，沒有襟/縫翼半速運(yùn)動現(xiàn)象的發(fā)生，證明了本文算法的魯棒性較強(qiáng)，如圖5所示。

圖5 本文算法的測試結(jié)果

5 結(jié)論

本文提出了一種高升力系統(tǒng)卡位信號的算法。該算法能夠?qū)崿F(xiàn)將手柄傳感器的四個輸入信號通過高升力系統(tǒng)計算機(jī)轉(zhuǎn)換成表決的命令卡位信號。通過在手柄卡位信號的算法中增加信號有效性的確認(rèn)環(huán)節(jié)，以及在命令卡位信號的算法中加入將兩個計算機(jī)設(shè)為主-備關(guān)系，并進(jìn)行表決計算的環(huán)節(jié)，可以有效地避免傳統(tǒng)算法中由于信號傳輸延時導(dǎo)致的不同通道間命令卡位信號不一致的問題，并通過搭建實(shí)驗(yàn)測試平臺，驗(yàn)證其算法的魯棒性較強(qiáng)，對國內(nèi)民用飛機(jī)高升力系統(tǒng)的設(shè)計有一定的借鑒作用。