飛行控制計(jì)算機(jī)的余度分析與設(shè)計(jì)

文/許靜 夏珊

（1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333001 2.航空工業(yè)昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 江西省景德鎮(zhèn)市 333001）

低速、低空和機(jī)頭方向不變的機(jī)動(dòng)飛行及在小面積場(chǎng)地垂直升降是直升機(jī)的突出特征，由于這些特點(diǎn)使其具有廣闊的用途及發(fā)展前景。對(duì)于其核心部件飛行控制計(jì)算機(jī)的要求也更加嚴(yán)格，需要更高的可靠性，而單一提高硬件系統(tǒng)中元器件的可靠性無(wú)法提高整機(jī)可靠性，所以余度技術(shù)被應(yīng)用到飛行控制計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)中，降低技術(shù)復(fù)雜度和提高故障覆蓋率是余度配置中首要解決的問(wèn)題，目前應(yīng)用廣泛，技術(shù)相對(duì)成熟的是雙余度飛行控制計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)資源少，重量輕，便于實(shí)現(xiàn)。

1 飛行控制計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

余度技術(shù)的應(yīng)用能明顯提高飛行控制計(jì)算機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的安全可靠性，但不是簡(jiǎn)單的余度疊加，并非余度數(shù)越多越好，雙余度飛行控制計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)綜合考慮了可靠性與系統(tǒng)復(fù)雜程度的指標(biāo)，采用硬件冗余和軟件管理的管理策略，硬件方面增加了一路功能相同的飛控計(jì)算機(jī)通道，主機(jī)具有輸出控制權(quán)，副機(jī)作為熱備份。飛行控制計(jì)算機(jī)通過(guò)總線系統(tǒng)與航電系統(tǒng)進(jìn)行交聯(lián)，接收來(lái)自航電系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、機(jī)上傳感器的總線、模擬量及離散量信號(hào)，由機(jī)內(nèi)雙通道對(duì)采集到的控制指令、飛行參數(shù)、監(jiān)控信號(hào)進(jìn)行邏輯處理、參數(shù)加工以及故障監(jiān)控等處理，通過(guò)交叉?zhèn)鬏旀溌穼?shí)現(xiàn)雙通道之間的信號(hào)交互，由雙余度表決策略得到相關(guān)信號(hào)的表決值。飛控計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)表決信號(hào)進(jìn)行控制律計(jì)算，得到舵機(jī)的控制指令，由模擬量輸出通道實(shí)現(xiàn)舵機(jī)控制指令的輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的控制。飛控計(jì)算機(jī)原理圖如圖1 所示。

2 飛行控制計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)

硬件結(jié)構(gòu)相同的雙通道組成了雙余度飛控計(jì)算機(jī)，兩個(gè)CPU負(fù)責(zé)輸入信號(hào)的處理和控制律計(jì)算，通過(guò)交叉?zhèn)鬏旊娐愤M(jìn)行交叉互比表決，將最終結(jié)果輸出給伺服控制系統(tǒng)，以驅(qū)動(dòng)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)。各硬件模塊的功能介紹如下。

2.1 CPU模塊

CPU 模塊承擔(dān)控制邏輯解算、飛行控制律解算、余度管理、故障檢測(cè)和任務(wù)調(diào)度等任務(wù)。以MPC8245 為例，MPC8245 處理器具有MPC603e 內(nèi)核機(jī)PCI 橋，存儲(chǔ)器控制器，DMA 控制器，可編程中斷控制器，它具有并行執(zhí)行數(shù)條指令、簡(jiǎn)單指令的快速執(zhí)行、流水線操作等優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)部最高頻率為300MHz，最快單周期可同時(shí)執(zhí)行6 條指令，峰值速度約500MIPS/300MHz。

2.2 接口模塊

為了對(duì)飛行控制計(jì)算機(jī)俯仰角及其角速率、橫滾角及其角速率、偏航角及其角速率進(jìn)行精確采樣，利用A/D 轉(zhuǎn)換器將經(jīng)過(guò)調(diào)理后的模擬量信號(hào)變換為計(jì)算機(jī)可用的數(shù)字量，外部輸入信號(hào)需經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行處理，包括解調(diào)、濾波及增益調(diào)整等，最后才能接入CPU 進(jìn)行AD 采集。

圖1：飛控計(jì)算機(jī)原理圖

圖2：通道故障邏輯圖

接口模塊還配置有422 總線采集單元，對(duì)于大氣傳感器、地面測(cè)試設(shè)備、慣性傳感器等外部設(shè)備的422 總線信號(hào)進(jìn)行采集。

2.3 CCDL模塊

CCDL 模塊實(shí)現(xiàn)雙機(jī)互比功能，在CCDL 模塊的內(nèi)部有雙口RAM，它機(jī)將采集值寫入雙口RAM，本機(jī)通過(guò)讀取相應(yīng)地址中的值獲得它機(jī)采集值。

2.4 通道故障邏輯模塊

通道故障邏輯模塊保障了電路故障時(shí)系統(tǒng)輸出的連續(xù)性、準(zhǔn)確性。在雙余度飛行控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，外部輸入信號(hào)同時(shí)送到A、B 通道，雙機(jī)之間需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行互比表決，在A、B 通道都有效的情況下，A 通道具有輸出控制權(quán)，當(dāng)只有一個(gè)通道有效時(shí)，該通道具有輸出控制權(quán)，若兩個(gè)通道都發(fā)生故障，飛行控制計(jì)算機(jī)默認(rèn)A 通道輸出，如表1、表2 所示，通道故障邏輯圖如圖2所示。

2.5 電源模塊

表1：A 機(jī)有輸出情況表

表2：B 機(jī)有輸出情況表

電源模塊為飛控計(jì)算機(jī)內(nèi)部雙通道及其他相關(guān)單元供電，該模塊既要有較高的品質(zhì)又要滿足抗電磁干擾的特性，同時(shí)，電源模塊還具有濾波、穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)，可輸出紋波小、穩(wěn)定的電壓。

3 飛行控制計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)

雙余度飛行控制計(jì)算機(jī)軟件的設(shè)計(jì)依賴于軟件容錯(cuò)技術(shù)，正常工作時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，故障發(fā)生時(shí)降低系統(tǒng)的性能損失。底層的雙口RAM 通過(guò)進(jìn)行兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏攲?shí)現(xiàn)余度管理，兩通道完成各自的數(shù)據(jù)采集后，單通道狀態(tài)的監(jiān)控依賴于相應(yīng)的監(jiān)控策略，故障綜合則記錄了故障信息及故障點(diǎn)，再通過(guò)交叉?zhèn)鬏斶M(jìn)行雙通道監(jiān)控結(jié)果及數(shù)據(jù)的互比，使監(jiān)控狀態(tài)正確且數(shù)據(jù)結(jié)果有效的通道具有輸出控制權(quán)，正常輸出。

3.1 任務(wù)同步技術(shù)

雙余度飛行控制計(jì)算機(jī)余度管理的關(guān)鍵是任務(wù)同步技術(shù)，兩通道能夠并行同步工作是雙余度實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，余度通道之間為熱并行運(yùn)行方式，各通道比較、表決失誤數(shù)據(jù)必須是同一次計(jì)算的結(jié)果，才可維持計(jì)算數(shù)據(jù)的一致性，故每幀開(kāi)始時(shí)都進(jìn)行一次雙余度通道間的同步。

3.2 表決技術(shù)

飛行控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在周期性執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，為保證輸出結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性，要對(duì)數(shù)據(jù)輸入、輸出結(jié)果進(jìn)行比較表決。兩個(gè)模塊之間互送數(shù)據(jù)信息通過(guò)串口通訊實(shí)現(xiàn)，然后對(duì)其輸出結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控比較，取合理值進(jìn)行下一步操作，滿足屏蔽故障任務(wù)或部件，提高輸出數(shù)據(jù)可靠性的要求。

3.3 故障監(jiān)控技術(shù)

雙余度飛行控制計(jì)算機(jī)采用雙余度通道數(shù)據(jù)交叉互比監(jiān)控方式，使用軟件超時(shí)監(jiān)控技術(shù)，在一定的條件下可進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)和故障隔離、實(shí)現(xiàn)故障工作或故障降級(jí)工作。每一個(gè)通道通過(guò)周期性故障綜合來(lái)識(shí)別自身的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)通道故障控制邏輯的支配，判斷通道是否有真實(shí)輸出，為雙余度的有效控制提供依據(jù)，在飛控系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，具有確保故障安全的能力（即故障發(fā)生時(shí)飛控計(jì)算機(jī)能切斷自身俯仰、傾斜、航向、高度四個(gè)任務(wù)通道的輸出，完全釋放對(duì)飛機(jī)的控制）。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從工程實(shí)際出發(fā)，簡(jiǎn)述了飛行控制計(jì)算機(jī)的雙余度管理策略，設(shè)計(jì)方案結(jié)合了硬件余度和軟件容錯(cuò)技術(shù)，在系統(tǒng)軟件中應(yīng)用了故障監(jiān)控、余度管理和表決技術(shù)等，大大提高了飛行控制計(jì)算機(jī)的可靠性，保障直升機(jī)的飛行安全。