法向加速度傳感器故障監(jiān)控方法研究

張坤，陳林

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

為了滿足可靠性要求，電傳飛行控制系統(tǒng)一般采用四余度配置，并通過(guò)余度管理實(shí)現(xiàn)四個(gè)余度系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)工作，當(dāng)單個(gè)功能組件發(fā)生奇異故障或第三次故障時(shí)，一般通過(guò)在線監(jiān)控進(jìn)行輔助判別，以避免系統(tǒng)降級(jí)太快。而法向加速度傳感器由于其構(gòu)造及原理，很難通過(guò)線路實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控，只能進(jìn)行控制律重構(gòu)，這將導(dǎo)致系統(tǒng)降級(jí)太快。本文主要是針對(duì)電傳飛行控制系統(tǒng)法向加速度傳感器在發(fā)生奇異故障或發(fā)生第三次故障時(shí)，采用一種模型監(jiān)控的方法進(jìn)行輔助判別，從而提高電傳飛行控制系統(tǒng)的可靠性，并通過(guò)仿真進(jìn)行分析驗(yàn)證。

1 組成及工作原理

法向加速度傳感器用于敏感法向方向的線加速度，并輸出與加速度值成比例的直流電壓信號(hào)，提供給飛控計(jì)算機(jī)用于控制律計(jì)算。法向加速度傳感器為四余度單軸擺式伺服線加速度傳感器，主要由檢驗(yàn)質(zhì)量、電容傳感器、力矩器、伺服電路和支撐結(jié)構(gòu)等組成。

加速度傳感器的工作原理如圖1所示。

圖1 加速度傳感器工作原理

當(dāng)飛機(jī)沿法向有加速度a時(shí)，單擺偏θ角，差動(dòng)電容傳感器產(chǎn)生ΔC的電容差，ΔC經(jīng)驅(qū)動(dòng)檢測(cè)轉(zhuǎn)換為電流，經(jīng)校正、放大后，通過(guò)采樣電阻R轉(zhuǎn)換為電壓輸出，到飛控計(jì)算機(jī)。

從圖中可以看出，傳感器本身沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完整的在線監(jiān)控，現(xiàn)采用模型監(jiān)控的方法進(jìn)行在線故障診斷。

2 基于模型監(jiān)控的故障診斷

2.1 模型監(jiān)控原理

考慮加速度傳感器自身無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控，為了防止加速度傳感器故障導(dǎo)致飛控系統(tǒng)降級(jí)太快，影響飛行安全，現(xiàn)通過(guò)模型監(jiān)控的方法進(jìn)行故障診斷，故障診斷的基本原理如圖2所示。

圖2 模型監(jiān)控原理圖

2.2 監(jiān)控模型的建立[1]

重心處的法向加速度在航跡坐標(biāo)軸系中的分量為

考慮到加速度傳感器敏感的是重心處機(jī)體坐標(biāo)軸系中分量，因此需將法向加速度從航跡坐標(biāo)軸系轉(zhuǎn)換成機(jī)體坐標(biāo)軸系，轉(zhuǎn)換公式如下：

上式中的v用p、q來(lái)表示，將通過(guò)下式求得：

根據(jù)上式（4）可求得

由（3）式和（5）式求得

根據(jù)上式 （6）可以看出，在模型解算時(shí)，利用飛控系統(tǒng)的動(dòng)靜壓信號(hào)、俯仰速率信號(hào)以及迎角信號(hào)可以構(gòu)造一個(gè)重心處機(jī)體坐標(biāo)軸系中法向加速度信號(hào)。

2.3 仿真分析

根據(jù)試飛數(shù)據(jù)，將飛控系統(tǒng)實(shí)測(cè)的加速度數(shù)據(jù)與解算得到的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖3所示。

圖3 測(cè)試數(shù)據(jù)與解算數(shù)據(jù)比較

從圖中可以看出，通過(guò)解算的加速度數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)的加速度數(shù)據(jù)一致性較好，可以作為法向加速度信號(hào)故障時(shí)的輔助判別用。

3 可靠性計(jì)算

針對(duì)法向加速度傳感器的余度管理，在沒(méi)有模型監(jiān)控的情況下，當(dāng)發(fā)生奇異或三次故障時(shí)，控制律重構(gòu)，其任務(wù)可靠性框圖如圖4所示。采用模型監(jiān)控時(shí)，當(dāng)發(fā)生奇異或三次故障時(shí)，可以通過(guò)模型監(jiān)控進(jìn)行輔助判別，其可靠性框圖如圖5所示。

圖4 不帶模型監(jiān)控的可靠性框圖

圖5 帶模型監(jiān)控的可靠性框圖

參考有關(guān)資料，單個(gè)加速度傳感器的失效概率為17×10-6次/飛行小時(shí)。求得單通道加速度傳感器的可靠度為RS(t)=e-λt=e-17×16-6=0.9999830001。

不帶模型監(jiān)控的表決系統(tǒng)的可靠度為：

帶模型監(jiān)控的表決系統(tǒng)的可靠度為：

故不帶模型監(jiān)控的四余度傳感器的失效概率為2.031×10-11次/飛行小時(shí)。帶模型監(jiān)控的四余度傳感器的失效概率為8.352×10-16次/飛行小時(shí)。

因此，對(duì)飛控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，增加模型監(jiān)控，可降低失效概率為2.0309×10-11次/飛行小時(shí)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從提高飛控系統(tǒng)可靠性角度，提出一種加速度傳感器故障的輔助判別方法，并通過(guò)仿真及可靠性計(jì)算得出其提高可靠性的有效性，該輔助判別方法及思路可作為飛控系統(tǒng)余度管理策略設(shè)計(jì)的參考。

[1]劉品.可靠性工程基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社,2002.

[2]顧誦芬.飛機(jī)飛行品質(zhì)[M].北京：中華人民共和國(guó)航空工業(yè)部,1983.