航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)余度管理方法研究

賈盼盼， 俞 剛

(中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無錫 214063)

飛行控制計(jì)算機(jī)是飛行控制系統(tǒng)的核心部分[1]。飛行控制系統(tǒng)的可靠性是衡量其質(zhì)量的重要指標(biāo)[2]。為了能夠使飛機(jī)更可靠地運(yùn)行，需要更深入地研究飛行控制計(jì)算機(jī)。容錯(cuò)技術(shù)可以提高系統(tǒng)的可靠性，通過組織系統(tǒng)的資源，以及設(shè)計(jì)系統(tǒng)故障檢測(cè)與診斷方法、故障處置方法和故障恢復(fù)方法等容錯(cuò)策略，提高了系統(tǒng)軟件容錯(cuò)能力[3-4]。傳感器作為測(cè)量元件在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用，傳感器信號(hào)的準(zhǔn)確性直接影響到航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定工作。因此，應(yīng)建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)傳感器解析余度管理算法，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性[5]。采用解析余度技術(shù)，能夠最大程度地減少傳感器的物理重復(fù)保護(hù)，并擺脫硬件余度造成的系統(tǒng)體積增大、費(fèi)用提高、結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜和飛行器承載能力變小的困境。

姚一平[6]提出，近年來，飛機(jī)除了軍事應(yīng)用之外，在民用方面也有廣泛的應(yīng)用前景，其用途還在不斷地?cái)U(kuò)展，向著多元化和智能化方向發(fā)展。為了降低飛機(jī)生產(chǎn)和維護(hù)成本，同時(shí)增強(qiáng)飛行控制系統(tǒng)的功能和性能，需要不斷地提高飛行控制計(jì)算機(jī)的可靠性，余度技術(shù)是提高其可靠性的手段之一。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在飛機(jī)余度技術(shù)方面已有幾十年的經(jīng)驗(yàn)，為以后的研究打下了良好的基礎(chǔ)。研究表明，提高飛控系統(tǒng)可靠性的根本途徑是采用余度技術(shù)。余度技術(shù)的基本思想是增加余度資源以提高系統(tǒng)的可靠性。由于解析余度技術(shù)具有這些顯著優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)70年代起，以美國為首的軍事強(qiáng)國就將其作為關(guān)鍵技術(shù)開展研究，并利用其開發(fā)故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)。王琴[7]提出，在國內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控技術(shù)的高速發(fā)展也為解析余度技術(shù)提供了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，促使對(duì)解析余度技術(shù)的研究不斷深入。目前，解析余度技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、航天以及大型且復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)中。

本文對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字電子控制系統(tǒng)解析余度算法進(jìn)行研究，提出了4類解析余度的算法，包括平均值表決算法、權(quán)重法表決算法、大值表決算法和小值表決算法，并對(duì)所選定的余度方案進(jìn)行詳細(xì)的分析研究,對(duì)保證發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和可靠性具有重要意義。

1 解析余度算法

飛行中機(jī)內(nèi)自檢測(cè)能對(duì)電子控制器電路和傳感器信號(hào)的輸入、控制信號(hào)輸出、伺服回路等單元分別進(jìn)行故障檢測(cè)，并給出這些單元的故障標(biāo)志[8]。當(dāng)交叉通道進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，故障定位程序?qū)⒏鶕?jù)飛行中機(jī)內(nèi)自檢測(cè)結(jié)果將故障定位到單元[9]。故障隔離就是將故障信息分離出去，選擇正確的信息來參與控制。在多余度系統(tǒng)中，一般用表決的方法進(jìn)行故障隔離。

下面各算法中，X1、X2為2個(gè)信號(hào)，X1failure、X2failure為故障標(biāo)志，Δ1為表決閾值，Xsafe為安全值，Xdefault為默認(rèn)值，X為表決結(jié)果值。

1.1 平均值表決余度算法

根據(jù)信號(hào)的情況不同，平均值表決余度算法可以分為以下4種情況進(jìn)行表決處理。

① 2個(gè)信號(hào)X1、X2檢測(cè)無故障，并且差值在規(guī)定的表決閾值范圍內(nèi)時(shí)，則表決結(jié)果取2個(gè)信號(hào)的平均值，表決故障字為無表決故障。此時(shí)的邏輯可表示為：若式(1)成立，則輸出式(2)。

|X1-X2|≤Δ1

(1)

(2)

② 2個(gè)信號(hào)X1、X2檢測(cè)無故障，但是差值超過規(guī)定的表決閾值時(shí)，則表決結(jié)果取安全值，需要注意的是安全值初始值需根據(jù)信號(hào)類型確定，表決故障字為表決故障。此時(shí)的邏輯可表示為：若式(3)成立，則輸出式(4)。

|X1-X2|>Δ1

(3)

X=Xsafe

(4)

③ 2個(gè)信號(hào)中只有1個(gè)檢測(cè)無故障(設(shè)X1無故障，X2有故障)，則表決結(jié)果取有效的信號(hào)值，表決故障字為無表決故障。此時(shí)的邏輯可表示為：若式(5)成立，則輸出式(6)。

(X2failure==true)∩(X1failure==false)

(5)

X=X1

(6)

④ 2個(gè)信號(hào)X1、X2均故障，則表決結(jié)果取默認(rèn)值，需要注意的是默認(rèn)值初始值需根據(jù)信號(hào)類型確定，表決故障字為信號(hào)故障。此時(shí)邏輯可表示為：若式(7)成立，則輸出式(8)。

(X2failure==true)∩(X1failure==true)

(7)

X=Xdefault

(8)

1.2 權(quán)重法表決余度算法

根據(jù)信號(hào)的情況不同，權(quán)重法表決余度算法可以分為以下4種情況進(jìn)行表決處理。

① 2個(gè)信號(hào)X1、X2檢測(cè)無故障，并且差值在規(guī)定的表決閾值范圍內(nèi)時(shí)，則根據(jù)各信號(hào)的權(quán)重因子計(jì)算得到表決值，表決故障字為無表決故障。此時(shí)的邏輯可表示為：若式(9)成立，則輸出式(10)。

|X1-X2|≤Δ1

(9)

(X=α·X1+β·X2)∩(α+β=1)

(10)

式中：α、β為權(quán)重系數(shù)。

② 2個(gè)信號(hào)均有效，但是差值超過規(guī)定的表決閾值時(shí)，則表決結(jié)果取安全值，需要注意的是安全值初始值需根據(jù)信號(hào)類型確定，表決故障字為表決故障。此時(shí)的邏輯可表示為：若式(11)成立，則輸出式(12)。

|X1-X2|>Δ1

(11)

X=Xsafe

(12)

③ 2個(gè)信號(hào)中只有1個(gè)檢測(cè)無故障(設(shè)X1無故障，X2有故障)，則表決結(jié)果取有效的信號(hào)值，表決故障字為無表決故障。此時(shí)的邏輯可表示為：若式(13)成立，則輸出式(14)。

(X2failure==true)∩(X1failure==false)

(13)

X=X1

(14)

④ 2個(gè)信號(hào)X1、X2均故障，則表決結(jié)果取默認(rèn)值，需要注意的是默認(rèn)值初始值需根據(jù)信號(hào)類型確定，表決故障字為信號(hào)故障。此時(shí)的邏輯可表示為：若式(15)成立，則輸出式(16)。

(X2failure==true)∩(X1failure==true)

(15)

X=Xdefault

(16)

1.3 大值表決余度算法

根據(jù)信號(hào)的情況不同，大值表決余度算法可以分為以下3種情況進(jìn)行表決處理。

① 2個(gè)信號(hào)均無故障，則表決結(jié)果取2個(gè)信號(hào)中的大值，表決故障字為無表決故障。此時(shí)的邏輯可表示為：若式(17)成立，則輸出式(18)。

X1

(17)

X=X2

(18)

② 2個(gè)信號(hào)只有1個(gè)檢測(cè)無故障(設(shè)X1無故障，X2有故障)，則表決結(jié)果取有效的信號(hào)值，表決故障字為無表決故障。此時(shí)的邏輯可表示為：若式(19)成立，則輸出式(20)。

(X2failure==true)∩(X1failure==false)

(19)

X=X1

(20)

③ 2個(gè)信號(hào)X1、X2均故障，則表決結(jié)果取默認(rèn)值，需要注意的是默認(rèn)值初始值需根據(jù)信號(hào)類型確定，表決故障字為信號(hào)故障。此時(shí)的邏輯可表示為：若式(21)成立，則輸出式(22)。

(X2failure==true)∩(X1failure==true)

(21)

X=Xdefault

(22)

1.4 小值表決余度算法

根據(jù)信號(hào)的情況不同，小值表決余度算法可以分為以下3種情況進(jìn)行表決處理。

① 兩個(gè)信號(hào)均無故障，則表決結(jié)果取2個(gè)信號(hào)中的小值，表決故障字為無表決故障。此時(shí)的邏輯可表示為：若式(23)成立，則輸出式(24)。

X1

(23)

X=X1

(24)

② 2個(gè)信號(hào)中只有1個(gè)檢測(cè)無故障(設(shè)X1無故障，X2有故障)，則表決結(jié)果取有效的信號(hào)值，表決故障字為無表決故障。此時(shí)的邏輯可表示為：若式(25)成立，則輸出式(26)。

(X2failure==true)∩(X1failure==false)

(25)

X=X1

(26)

③ 2個(gè)信號(hào)X1、X2均故障，則表決結(jié)果取默認(rèn)值，需要注意的是默認(rèn)值初始值需根據(jù)信號(hào)類型確定，表決故障字為信號(hào)故障。此時(shí)的邏輯可表示為：若式(27)成立，則輸出式(28)。

(X2failure==true)∩(X1failure==true)

(27)

X=Xdefault

(28)

2 數(shù)控系統(tǒng)故障隔離的建模與仿真

詳細(xì)設(shè)計(jì)把解法具體化，回答：“應(yīng)該怎樣具體地實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)？”，又稱為“模塊設(shè)計(jì)”。下面介紹航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)故障隔離的詳細(xì)設(shè)計(jì)[10]，主要利用了MATLAB下的Simulink來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的算法的有效性。Simulink 是MATLAB 中的一種可視化仿真工具，基于MATLAB 的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制和數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。

2.1 平均值表決余度算法建模與仿真

圖1為平均值表決算法結(jié)構(gòu)圖，并在MATLAB 下的Simulink中對(duì)其進(jìn)行了建模及仿真。給定2個(gè)信號(hào)的輸入值及其故障情況，輸入值如圖2所示，輸出值如圖3所示。

圖2 平均值表決算法輸入值

圖3 平均值表決算法輸出值

從圖2、圖3中可以看出，仿真結(jié)果與平均值表決算法是一致的，仿真結(jié)果與預(yù)期結(jié)果也是一致的。

2.2 權(quán)重法表決余度算法建模與仿真

圖4 為權(quán)重法表決算法結(jié)構(gòu)圖，并在MATLAB 下的Simulink 中對(duì)其進(jìn)行了建模及仿真。信號(hào)的輸入值及其故障情況同平均值表決算法，如圖2所示，輸出的結(jié)果如圖5所示。

從圖2、圖5中可以看出，仿真結(jié)果與權(quán)重法表決算法是一致的，仿真結(jié)果與預(yù)期結(jié)果也是一致的。

2.3 大值表決余度算法建模與仿真

圖6為大值表決算法結(jié)構(gòu)圖，并在MATLAB 下的Simulink 中對(duì)其進(jìn)行了建模及仿真。給定2個(gè)信號(hào)的輸入值及其故障情況，輸入值如圖7所示，輸出值如圖8所示。

圖6 大值表決算法結(jié)構(gòu)圖

圖7 大值表決算法輸入值

圖8 大值表決算法輸出值

從圖7、圖8中可以看出，仿真結(jié)果與大值表決算法是一致的，仿真結(jié)果與預(yù)期結(jié)果也是一致的。

2.4 小值表決余度算法建模與仿真

圖9 為小值表決算法結(jié)構(gòu)圖，并在MATLAB 下的Simulink 對(duì)其進(jìn)行了建模及仿真。信號(hào)的輸入值及其故障情況同大值表決算法，如圖7所示，輸出的結(jié)果如圖10所示。

圖9 小值表決算法結(jié)構(gòu)圖

圖10 小值表決算法輸出值

從圖7、圖10中可以看出，仿真結(jié)果與小值表決算法是一致的，仿真結(jié)果與預(yù)期結(jié)果也是一致的。

3 結(jié)束語

本文提出了某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC系統(tǒng)的故障隔離設(shè)計(jì)方案，并基于MATLAB 下的Simulink 對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC 系統(tǒng)的故障隔離算法進(jìn)行了建模與仿真。仿真結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的故障隔離算法能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍內(nèi)的性能要求，所研究的航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)余度管理算法平均值算法應(yīng)用普遍，更接近真實(shí)的數(shù)值，而權(quán)重值算法是本文從平均值算法中改進(jìn)而來的，在數(shù)值精確計(jì)算方面有所提高。所設(shè)計(jì)的余度管理算法的大值算法在溫度傳感器中經(jīng)常被使用，可保證發(fā)動(dòng)機(jī)的安全，應(yīng)用效果良好；所設(shè)計(jì)的余度管理算法中小值算法由于無法保證發(fā)動(dòng)機(jī)的安全，故應(yīng)用較少。未來，可以進(jìn)一步開展半物理動(dòng)靜態(tài)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證研究和地面臺(tái)架試車試驗(yàn)研究，從而提高整個(gè)飛行控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。