高可靠性旋翼折疊軟件控制邏輯設(shè)計(jì)

陳利國(guó)，吳麗媛 ，王偉，宋治惠

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 機(jī)電管理專(zhuān)業(yè) ，天津，300300）

直升機(jī)在某些區(qū)域，受限于存放空間，需要具備旋翼折疊和展開(kāi)功能。旋翼折疊分為人工折疊和自動(dòng)折疊兩種方式，而自動(dòng)折疊又分為液壓折疊和電動(dòng)折疊。目前，我國(guó)自動(dòng)折疊型直升機(jī)基本全部采用液壓折疊方式，液壓折疊采用液壓作動(dòng)筒和液壓式等裝置，存在液壓油泄露、污染等問(wèn)題。對(duì)于國(guó)外的折疊型直升機(jī)，已經(jīng)有很多型號(hào)采用電動(dòng)折疊方式，并在實(shí)戰(zhàn)中得到驗(yàn)證[1-3]，其重量輕、無(wú)污染等的優(yōu)點(diǎn)必然會(huì)使其成為折疊直升機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。我國(guó)在這方面的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)都存在很大不足，所以對(duì)電動(dòng)折疊系統(tǒng)的研究很有必要性。

軟件是電動(dòng)折疊系統(tǒng)的重要組成部分，一般軟件包含有折疊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制軟件、盤(pán)槳控制軟件、鎖定裝置控制軟件以及機(jī)電綜合管理軟件等。其中，機(jī)電綜合管理系統(tǒng)在各執(zhí)行機(jī)構(gòu)及軟件運(yùn)行階段承擔(dān)下達(dá)指令以及接受判斷各系統(tǒng)狀態(tài)及故障的任務(wù)，其可靠性關(guān)乎旋翼折疊與展開(kāi)的成功與否。

1 原理及控制流

旋翼折疊過(guò)程包含盤(pán)槳作動(dòng)器對(duì)齒、限動(dòng)鎖上鎖、盤(pán)槳、盤(pán)槳作動(dòng)器脫齒、折疊作動(dòng)器拔銷(xiāo)、折疊[4]；旋翼展開(kāi)過(guò)程包含槳葉展開(kāi)、折疊作動(dòng)器插銷(xiāo)、限動(dòng)鎖開(kāi)鎖。其原理圖如圖1所示，機(jī)電綜合管理系統(tǒng)通過(guò)采集輪載、折疊控制板等信號(hào)，判斷旋翼系統(tǒng)是否具備折疊或者展開(kāi)條件，具備后，通過(guò)與盤(pán)槳控制器及主槳集流環(huán)的信息交互，控制折疊執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行折疊與展開(kāi)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各執(zhí)行部件的狀態(tài)[5]。從其原理可以看出，機(jī)電綜合管理系統(tǒng)承擔(dān)旋翼折疊與展開(kāi)的具體流程的指令下發(fā)及狀態(tài)判斷，旋翼執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照什么樣的流程，每個(gè)流程的執(zhí)行情況以及每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)都是由機(jī)電綜合管理系統(tǒng)決定的，其重要性不言而喻，所以機(jī)電綜合管理系統(tǒng)的軟件可靠性、全面性對(duì)旋翼折疊系統(tǒng)及其重要。

圖1 旋翼折疊原理交聯(lián)圖

盤(pán)槳控制器接收機(jī)電綜合管理計(jì)算機(jī)的控制指令，同時(shí)判斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置信息，驅(qū)動(dòng)盤(pán)槳電機(jī)，使直升機(jī)旋翼在剎車(chē)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)到需要的位置；通過(guò)獨(dú)立的對(duì)齒電機(jī)控制剎車(chē)齒輪與剎車(chē)盤(pán)的嚙合脫開(kāi)，其控制流圖如圖2所示。

圖2 盤(pán)槳控制器控制流圖

支臂限動(dòng)鎖驅(qū)動(dòng)裝置接收機(jī)電綜合管理計(jì)算機(jī)的控制指令，同時(shí)判斷限動(dòng)鎖當(dāng)前位置信息，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，支臂限動(dòng)鎖驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)驅(qū)動(dòng)支臂限動(dòng)鎖撥叉組件，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋翼支臂的鎖定與開(kāi)鎖動(dòng)作，其控制流圖如圖3所示。

圖3 支臂限動(dòng)鎖控制流圖

折疊控制器接收機(jī)電綜合管理計(jì)算機(jī)發(fā)送的折疊控制信號(hào)[6]，同時(shí)根據(jù)槳葉機(jī)構(gòu)位置狀態(tài)信號(hào)判斷折疊或展開(kāi)狀態(tài)，經(jīng)解算后，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)主軸完成插銷(xiāo)、折疊或展開(kāi)、拔銷(xiāo)動(dòng)作，使旋翼達(dá)到折疊或展開(kāi)狀態(tài)，其控制流圖如圖4所示。

圖4 折疊控制器控制流圖

2 旋翼折疊控制邏輯設(shè)計(jì)

確定旋翼折疊的與各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制流后，需要對(duì)旋翼折疊的流程進(jìn)行確定。旋翼折疊時(shí)，機(jī)電綜合管理系統(tǒng)首先收到地勤人員從折疊控制板發(fā)來(lái)的折疊指令，通過(guò)判斷自檢狀況及直升機(jī)所處狀態(tài)，確定可以執(zhí)行旋翼折疊流程后，開(kāi)始調(diào)整旋翼總距，調(diào)整到位后，分別給盤(pán)槳作動(dòng)器和支臂限動(dòng)鎖下發(fā)指令進(jìn)行對(duì)齒及上鎖操作，機(jī)電綜合管理系統(tǒng)判斷對(duì)齒及上鎖操作到位后，進(jìn)行松剎，確定松剎操作后，控制盤(pán)槳作動(dòng)器進(jìn)行盤(pán)槳，為防止旋翼因外力及重力轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行剎車(chē)處理后，機(jī)電綜合管理系統(tǒng)控制盤(pán)槳作動(dòng)器脫齒，在機(jī)電綜合管理系統(tǒng)收到脫齒到位后，控制折疊作動(dòng)器進(jìn)行拔銷(xiāo)處理，待拔銷(xiāo)到位后，各槳葉按照順序依次進(jìn)行折疊，具體流程如圖5所示。

圖5 旋翼自動(dòng)折疊流程圖

旋翼展開(kāi)時(shí)，機(jī)電綜合管理系統(tǒng)首先收到地勤人員從折疊控制板發(fā)來(lái)的展開(kāi)指令，通過(guò)判斷自檢狀況及直升機(jī)所處狀態(tài)，確定可以執(zhí)行旋翼展開(kāi)流程后，機(jī)電綜合管理系統(tǒng)給折疊控制器下發(fā)指令，控制各槳葉按照順序依次展開(kāi)，機(jī)電綜合管理系統(tǒng)判斷槳葉展開(kāi)到位后，依次控制折疊作動(dòng)器執(zhí)行插銷(xiāo)動(dòng)作及支臂限動(dòng)鎖執(zhí)行開(kāi)鎖動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)旋翼的自動(dòng)展開(kāi)，具體流程如圖6所示。

圖6 旋翼自動(dòng)展開(kāi)流程圖

旋翼折疊與展開(kāi)的可靠性和快速性直接影響到裝備作戰(zhàn)速度，為了提高旋翼折疊的可靠性，需要考慮自動(dòng)折疊流程的中斷及故障的出現(xiàn)，如：通訊中斷、自檢失敗等故障，在此情況下，可以使旋翼在當(dāng)前的狀態(tài)下繼續(xù)通過(guò)某種手段實(shí)現(xiàn)旋翼的折疊與展開(kāi)。因此，設(shè)計(jì)了自動(dòng)折疊以外的單步折疊方法，即在旋翼折疊與展開(kāi)過(guò)程出現(xiàn)中斷的情況下，通過(guò)操縱機(jī)電綜合管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在中斷時(shí)所處的狀態(tài)下繼續(xù)單步進(jìn)行折疊與展開(kāi)的流程。該方法及邏輯不僅僅適用于中斷及故障模式下，在緊急情況下，可以由熟練掌握折疊流程的人員進(jìn)行單步操作，也可完成旋翼的折疊與展開(kāi)。

對(duì)于自動(dòng)旋翼折疊系統(tǒng)，由于其采用復(fù)雜的電路與軟件邏輯實(shí) 現(xiàn)折疊展開(kāi)功能，其高可靠性無(wú)法完全依靠軟件邏輯及電路設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，除自動(dòng)折疊外，旋翼還應(yīng)設(shè)置手動(dòng)折疊模式，在電氣失效的情況下，可通過(guò)人工來(lái)實(shí)現(xiàn)旋翼的折疊與展開(kāi)。

除此之外，針對(duì)機(jī)電綜合管理系統(tǒng)本身，也進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)：

(1)內(nèi)部設(shè)置看門(mén)狗，軟件定時(shí)喂狗，對(duì)于偶然因素引起的軟件跑飛或死循環(huán)，致使軟件無(wú)法按時(shí)喂狗，看門(mén)狗電路能自動(dòng)復(fù)位，重新開(kāi)始執(zhí)行軟件；

(2)機(jī)電綜合管理計(jì)算機(jī)采用雙通道并行工作，雙余度使計(jì)算機(jī)軟件運(yùn)行和處理的可靠性增強(qiáng)，具備重構(gòu)和容錯(cuò)能力。

3 旋翼折疊試驗(yàn)

最后，將上述邏輯編譯為C語(yǔ)言代碼燒錄至機(jī)電綜合管理系統(tǒng)設(shè)備，在搭建的旋翼折疊試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了旋翼折疊試驗(yàn)，共通過(guò)操縱機(jī)電綜合管理系統(tǒng)完成旋翼自動(dòng)折疊與展開(kāi)試驗(yàn)200余次，連續(xù)40h的旋翼折疊展開(kāi)試驗(yàn)，試驗(yàn)未出現(xiàn)故障。試驗(yàn)結(jié)果顯示：機(jī)電綜合管理系統(tǒng)可以有效的控制支臂限動(dòng)鎖上鎖/開(kāi)鎖、折疊作動(dòng)器拔銷(xiāo)插銷(xiāo)和展開(kāi)折疊以及盤(pán)槳作動(dòng)器的盤(pán)槳和定位。機(jī)電綜合管理系統(tǒng)控制旋翼自動(dòng)折疊的時(shí)間均在4min之內(nèi)，旋翼自動(dòng)展開(kāi)的時(shí)間均在3min之內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)旋翼快速的折疊與展開(kāi)。

此外，還模擬了支臂限動(dòng)鎖與機(jī)電綜合管理系統(tǒng)通訊中斷、折疊作動(dòng)器與機(jī)電綜合管理系統(tǒng)通訊中斷以及盤(pán)槳作動(dòng)器與機(jī)電綜合管理系統(tǒng)通訊中斷等故障，使旋翼自動(dòng)折疊及展開(kāi)流程中斷，然后在中斷的狀態(tài)下進(jìn)入單步操作模式，使旋翼折疊與展開(kāi)可以在非人工的狀態(tài)下繼續(xù)進(jìn)行。

4 結(jié)論

通過(guò)在機(jī)電綜合管理系統(tǒng)中設(shè)計(jì)單步折疊的方法可以在旋翼折疊中斷的情況下繼續(xù)進(jìn)行剩余的折疊流程，從而提高旋翼折疊的可靠性和快速性，并通過(guò)試驗(yàn)證明其可行性。在搭建的旋翼折疊試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了旋翼自動(dòng)折疊與展開(kāi)試驗(yàn)，證明了機(jī)電綜合管理系統(tǒng)控制的電動(dòng)旋翼折疊可以實(shí)現(xiàn)旋翼快速的展開(kāi)與折疊，可以為今后的旋翼折疊系統(tǒng)提供重要參考。