新型噴管電控系統可靠性設計

劉 凱

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

新型噴管技術的應用將能賦予戰斗機超機動性、短距起降和低可探測性[1-3]，能夠顯著提高戰斗機的作戰能力。該噴管控制系統是保證其正確運動的重要部分，如果一旦失控將使飛機失去控制，甚至在瞬間就發生機毀人亡的災難性后果。因此該噴管不但要求具有可變速率的應急回中功能[4]，還要求控制系統具有較高的可靠性及故障檢測功能。因此對該噴管控制系統進行可靠性設計[5]，對故障檢測、隔離及處理的研究對工程實踐具有十分重要的意義[6-7]。

目前，美、俄等航空技術先進國家已經開展了新型噴管技術的應用，并在新型噴管控制設計、使用等方面積累一定的經驗[8]；但是由于技術保護等原因，只能接觸有限的外圍技術[9]，而對控制系統可靠性設計等方面從無相關介紹[10]。國內近年來在新型噴管及其控制技術方面開展一定的研究工作[11]，但對其控制系統可靠性方面研究較少[12]。

本文對新型噴管電子控制系統可靠性設計技術進行了初步探討，對新型噴管電子控制系統包括硬件及軟件進行了介紹，并對系統可能發生的故障及其失效原因、擬采取的措施及對安全的影響進行了初步分析，對故障事件的發生概率、故障對飛行安全的嚴酷度等也進行了安全評估。

1 系統介紹

新型噴管電子控制器接收飛控計算機的偏轉角及方位角指令，并接收飛行高度、馬赫數、喉道面積等信號[13]，由新型噴管控制算法軟件模塊計算出3個作動筒的目標位置，通過射流管電液伺服閥對作動筒進行閉環控制[14]，3個作動筒的位置決定了噴管的偏轉角、方位角及噴管的出口面積，新型噴管控制工作原理如圖1所示[15]。

圖1 新型噴管控制工作原理

新型噴管電控部件含新型噴管控制器、控制軟件、控制電纜、傳感器等。新型噴管控制器算法軟件模塊計算出3個作動筒的目標位置后，并完成對作動筒的閉環控制，作動筒的控制系統原理如圖2所示，其中K1為射流管電液伺服閥本身的特性，是1個比例環節。K2/S為作動筒本身的特性，是1個積分環節。K是電子控制器選取的參數，是1個比例環節。因此，整個控制系統是1個1階積分控制系統。

圖2 作動筒的控制系統原理

新型噴管電子控制器要完成2個功能，包含對3個作動筒的目標位置的計算和完成對作動筒的閉環控制功能。為保證作動筒的動、靜態特性，并保證能夠及時地對飛機的指令進行響應，要求控制器軟件定時周期定為不大于5 ms。由于涉及空間位置計算，并且為了滿足計算精度的要求，對作動筒目標位置的計算量比較大，經借鑒其他項目經驗估算控制器計算能力應不小于20 Mips。為保證控制系統可靠、安全地工作，對電子控制器（含軟件）要求具有自檢、容錯、故障診斷和處理的能力，具備初步的健康管理功能。

新型噴管電子控制器擬采用主備方式進行控制(控制器為雙余度，含A機余度及B機余度)，當雙余度控制器都正常時，A機進行控制并對自身進行監控，B機同樣進行控制的計算并對A機的控制進行監控，只是此時B機不對外進行控制輸出。當控制器發現故障時，如果能夠確認故障位置時，將故障報告給飛控計算機，在飛控計算機沒有發出結束工作信號前，由非故障余度控制器單余度工作，如果工作的余度又發生故障，系統將進入應急狀態，并且將故障報告給飛控計算機。

2 硬件設計

2.1 傳感器

傳感器設計對其性能有相應要求；有相應的環境技術要求、電磁兼容性要求及可靠性指標等要求；還要求具有故障檢測接口，當傳感器出現短路、斷路等故障時，能夠通過該接口檢測到該傳感器已發生故障。

2.2 電子控制器

電子控制器采用軍品設計要求，對其有相應的環境技術要求、電磁兼容性要求及可靠性指標等要求。控制器為全機雙余度設計，電源、CPU、I/O口、驅動電路等均采用雙余度結構，雙機間要有數據交換及故障監控和處理功能。控制器具有對傳感器的輸入信號檢測功能、伺服閥的輸出回路檢測功能及執行機構斷路檢測功能。由于液壓、機械部件采用單余度工作方案，電子控制器有些開關量輸出接口為單余度。為保證系統安全，電子控制器的單余度開關量輸出為雙余度計算機輸出信號經邏輯判斷后進行控制，在一機檢測到另一機有問題的情況下，可以利用該信號使另一機輸出關斷；而在一機復位時，另一機可以單獨控制輸出。這樣就可以保證當出現不可判別的故障時，噴管可以回到中立位置，也可以使系統能夠單余度工作。

3 軟件設計

噴管電子控制器軟件不僅要滿足功能性要求，還要滿足健壯性、可維護性等設計要求。軟件要求周期內有至少30%的時間余量。該軟件包含操作軟件和應用軟件2部分。軟件模塊如圖3所示。

圖3 軟件模塊

3.1 操作軟件功能

操作軟件為應用軟件提供安全、有效、快捷的運行平臺，負責協調、管理數字式電子控制器硬件、外設資源，進行自身正確性監控。其內容涉及模擬量和開關量輸入信號的數據采集，余度系統的數據交換、中斷控制及程序調度、模擬量和開關量輸出等。

3.2 應用軟件

3.2.1 控制軟件的功能

控制軟件根據飛控計算機的指令及發動機的狀態，計算作動筒的給定位置，并通過PID算法對作動筒實現閉環控制，使作動筒動、靜態指標滿足飛機及發動機的要求。

3.2.2 監控軟件設計

監控軟件主要完成數字式電子控制系統的自檢測、余度管理、同時完成噴管數據的記錄、存儲和通信。

3.2.2.1 控制系統自檢測軟件的設計

噴管控制系統的自檢測功能主要由噴管數字式電子控制器來完成，負責檢測系統內各硬件包括傳感器、電纜、輸入通道、輸出通道、及相應的電液轉換元件等單元功能的正確性和性能的符合性，同時也應在系統存在故障的條件下，實現故障認定，并為使用和維護提供技術支持。系統自檢測對于輸出量要保持原狀態，不要為檢測而改變輸出狀態，以免造成噴管誤動作。

對于系統上電自檢測，只有確認雙余度控制系統檢測都無故障時，系統才能繼續運行；如果任何1個余度計算機檢測出故障，則記錄相應的故障狀態字，并向飛控系統報告故障，當程序停止時，不再向下運行，系統進入斷開工作模態。

系統在線檢測則通過硬件查詢傳感器及電纜是否有故障，還要查詢其他的輸入及輸出是否有故障。如果監控查詢有故障，則置相應故障標志，由其他單元對故障進行處理。

3.2.2.2 余度管理軟件的設計

余度管理軟件要對開關量信號進行邏輯判斷。對模擬量數據，余度管理軟件首先比較輸入信號是否超過傳感器的輸入范圍，如果超過范圍則直接確認信號故障；其次要比較計算雙機間同一傳感器差值，若差值小于故障門限，則認為信號無故障，否則認為輸入信號故障，置相應位故障標志；余度管理軟件還要比較本次輸入值與上一次輸入值的差是否超過門限，如果超過，則確認信號故障。

表1 噴管電控系統可能發生的故障進行分析

余度管理軟件還通過數學模型及工程經驗對作動筒控制閉環進行檢測，以確定控制系統是否存在故障。

如果發現故障，余度管理軟件將依據故障位置、飛行條件等因素對故障進行隔離及處理。

3.2.2.3 數據管理軟件的設計

數據管理軟件將記錄控制器的工作狀態、輸入輸出數據等信息，并負責向飛參系統傳送數據，待飛行結束后進行分析。

4 失效模式及對系統的影響

對噴管電控系統可能發生的1次故障進行分析，分析結果見表1，經分析認為新型噴管控制系統可靠性滿足要求。

5 試驗驗證

為驗證新型噴管電控系統可靠性，對新型噴管控制系統進行了故障模擬試驗驗證，模擬故障同上表1，經驗證本系統能夠正確識別試驗中模擬的全部故障，并正確處理。

6 結論

經對新型噴管控制系統故障模式進行分析，并針對系統的故障模式增加故障檢測、隔離及處理功能后，其可靠性得到了較大提升。經故障模擬試驗驗證，該系統能夠正確識別試驗中模擬的全部故障，并正確處理。經對系統失效模式及對系統的影響分析，認為新型噴管控制系統可靠性滿足要求。

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