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

      2023-01-04 11:24:40賈盼盼
      測(cè)控技術(shù) 2022年12期
      關(guān)鍵詞:余度平均值邏輯

      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。

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