一種起落架前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)的冗余控制邏輯設(shè)計(jì)

鄧志云，路紅偉，王佳琦

（中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410200）

0 引言

起落架前輪轉(zhuǎn)彎操縱系統(tǒng)作為一種提高飛機(jī)地面滑行機(jī)動(dòng)性和著陸安全性的裝置，主要用于飛機(jī)在地面低速機(jī)動(dòng)滑跑時(shí)控制大角度轉(zhuǎn)彎，飛機(jī)起飛滑跑時(shí)控制小角度轉(zhuǎn)彎糾偏，還可以人工解除轉(zhuǎn)彎狀態(tài)，使其處于自由轉(zhuǎn)向模式，便于牽引飛機(jī)[1]。

余度設(shè)計(jì)是一種提高起落架前輪轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)安全和可靠性的有效設(shè)計(jì)方法，使用一倍或幾倍的硬件及軟件資源，確保在關(guān)鍵部件故障時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常功能，且不削弱或少削弱系統(tǒng)性能，增加系統(tǒng)任務(wù)的可靠性和安全性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品一次故障工作及二次故障安全等要求。國(guó)外起落架轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)大多設(shè)計(jì)為雙余度、雙通道構(gòu)型，余度模塊采用局部總線、分布式控制，系統(tǒng)可擴(kuò)展性及可靠性高，但系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)成本高。而國(guó)內(nèi)起落架轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)則多設(shè)計(jì)為雙通道構(gòu)型，余度模塊采用集中式控制，如AG600 等機(jī)型，系統(tǒng)可擴(kuò)展性及可靠性稍低，其系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)成本低。此外，國(guó)內(nèi)一些科研單位在余度管理的研究，如文獻(xiàn)[2-3]三控制器的雙余度設(shè)計(jì)、文獻(xiàn)[4-5]兩控制器的雙余度設(shè)計(jì)等都為本研究?jī)?nèi)容也提供了大量可供借鑒成果。

根據(jù)某型飛機(jī)轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)的數(shù)字電傳升級(jí)需求，在參考和借鑒了國(guó)內(nèi)外主流飛機(jī)轉(zhuǎn)彎控制構(gòu)型及國(guó)內(nèi)有關(guān)余度研究工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)外圍控制信號(hào)、轉(zhuǎn)彎指令輸入與反饋及核心控制等部件的冗余結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種主、備冗余控制的單次切換邏輯并進(jìn)行了仿真分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化為循環(huán)切換邏輯及仿真分析。最后采用了軟件模擬故障注入的方式對(duì)系統(tǒng)主、備冗余切換邏輯進(jìn)行了驗(yàn)證用例設(shè)計(jì)，并在某型飛機(jī)轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了綜合試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的冗余切換邏輯有效地實(shí)現(xiàn)主、備控制通道的無縫切換，有效提升了系統(tǒng)的安全和可靠性能，對(duì)其他機(jī)型的前輪轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)余度控制具有一定的借鑒意義。

1 系統(tǒng)冗余架構(gòu)

本研究涉及的起落架前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)為一種雙余度系統(tǒng)，是用于飛機(jī)進(jìn)行前輪轉(zhuǎn)彎的控制系統(tǒng)，也是一種電氣控制一液壓驅(qū)動(dòng)的位置伺服系統(tǒng)，主要由輸入機(jī)構(gòu)（主要包括手輪和腳蹬，通過在手輪和腳蹬上安裝的角度/位移傳感器，將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)彎角度的電信號(hào)，即轉(zhuǎn)彎指令）、伺服控制閥、轉(zhuǎn)彎反饋傳感器、綜合控制單元以及轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒等組成，系統(tǒng)具備系統(tǒng)內(nèi)建自檢測(cè)BIT（Built- in-Test）功能，其雙余度架構(gòu)主要是指前起下到位、前起輪載、轉(zhuǎn)彎/減擺等控制開關(guān)信號(hào)以及轉(zhuǎn)彎指令輸入與反饋等功能部件均為雙余度構(gòu)型，核心控制邏輯為一個(gè)監(jiān)控通道、兩個(gè)控制通道的非相似冗余結(jié)構(gòu)，其控制冗余結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 控制冗余結(jié)構(gòu)圖

其中，兩個(gè)控制通道作為前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)的中央控制單元，具備相同的功能，同時(shí)上電工作。主要負(fù)責(zé)對(duì)輸入機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)彎指令和轉(zhuǎn)彎反饋傳感器的實(shí)際起落架前輪轉(zhuǎn)彎角度信號(hào)的采集，通過對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎控制的邏輯結(jié)算，得出適應(yīng)轉(zhuǎn)彎角度的伺服控制閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服控制閥打開要求的開口角度，飛機(jī)液壓油路導(dǎo)通，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒作動(dòng)進(jìn)行起落架前輪轉(zhuǎn)彎，具備系統(tǒng)BIT 功能，同時(shí)與監(jiān)控通道進(jìn)行通信。

監(jiān)控通道作為前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)的仲裁單元，負(fù)責(zé)采集輸入機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)彎指令和轉(zhuǎn)彎反饋傳感器的實(shí)際起落架前輪轉(zhuǎn)彎角度信號(hào)，同時(shí)接收兩個(gè)控制通道發(fā)送來的邏輯結(jié)算信息，對(duì)兩個(gè)控制通道發(fā)送的信息有效性決心仲裁，監(jiān)控兩個(gè)控制通道的工作狀態(tài)并對(duì)兩個(gè)控制通道輸出的伺服控制閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行選通，對(duì)出現(xiàn)故障的控制通道進(jìn)行復(fù)位控制。

2 余度控制邏輯設(shè)計(jì)

2.1 余度切換觸發(fā)機(jī)制

控制（主、備）通道的切換邏輯主要由監(jiān)控通道負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)，其核心是確定主/備通道，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主/備控制通道輸出的伺服控制閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行選通控制。系統(tǒng)上電后默認(rèn)為主通道控制有效（即主控制通道輸出伺服控制閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)，備控制通道不輸出伺服控制閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)），當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前控制有效通道異常時(shí)，監(jiān)控通道自動(dòng)將控制權(quán)切換到另一控制通道（成為主控制通道），并在檢測(cè)到影響系統(tǒng)正常轉(zhuǎn)彎功能的故障時(shí)，監(jiān)控通道將無條件切換到減擺模式（主備控制通道都不輸出伺服控制閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)），以確保系統(tǒng)安全。

切換觸發(fā)機(jī)制包括控制通道主動(dòng)通知和監(jiān)控通道自動(dòng)切換兩種，切換的觸發(fā)條件有：

（1）St1：當(dāng)前有效控制通道檢測(cè)到影響正常工作的因素時(shí)（指令及反饋傳感器工作異常等），主動(dòng)停止心跳通信，屬主動(dòng)通知類型；

（2）St2：監(jiān)控通道在系統(tǒng)設(shè)定的BIT 周期數(shù)內(nèi)，沒有檢測(cè)到當(dāng)前有效控制通道的心跳信息（St1 或通信故障），屬自動(dòng)切換類型；

（3）St3：監(jiān)控通道對(duì)控制通道發(fā)送的輸入指令進(jìn)行三方仲裁，判定當(dāng)前有效控制通道的輸入指令不可信（超誤差閥值），屬自動(dòng)切換類型；

（4）St4：監(jiān)控通道對(duì)控制通道解算后發(fā)送的轉(zhuǎn)彎輸出指令信息進(jìn)行三方仲裁，判定當(dāng)前控制有效通道的輸出指令不可信（超誤差閥值），屬自動(dòng)切換類型。

2.2 控制邏輯狀態(tài)及信號(hào)定義

（1）控制狀態(tài)包括：

①M(fèi)aBi：主通道有效，備通道空閑，為系統(tǒng)正常工作初始態(tài)；

于MiBa：主通道空閑，備通道有效；

③MiBi：主通道空閑，備通道空閑，為系統(tǒng)上電初始態(tài)（減擺模式）。

（2）觸發(fā)信號(hào)滿足的條件包括：

①M(fèi)ok：主通道工作正常，

于Merr：主通道滿足St1～St4 中的一項(xiàng)或多項(xiàng)；

③Bok：備通道工作正常；

④Berr：備通道滿足St1～St4 中的一項(xiàng)或多項(xiàng)。

（3）觸發(fā)信號(hào)包括：

①M(fèi)r：檢測(cè)到Mok 的上升沿；

于Mf：發(fā)生Merr 的下降沿；

③Br：檢測(cè)到Bok 的上升沿；

④Bf：發(fā)生Berr 的下降沿。

2.3 切換邏輯狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

切換邏輯設(shè)計(jì)為單次切換，即主通道異常后自動(dòng)切換到備通道，切換邏輯結(jié)束。狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)如圖2 所示，觸發(fā)信號(hào)與條件見表1，切換邏輯流程是：

表1 單次切換觸發(fā)信號(hào)與條件列表

圖2 單次切換邏輯狀態(tài)機(jī)

（1）初始MaBi 狀態(tài)下，檢測(cè)到Mf 信號(hào)時(shí)，若有Bok則切換到MiBa 并轉(zhuǎn)入（2），若有Berr 則切換到MiBi 并轉(zhuǎn)入（3）；

（2）在MiBa 狀態(tài)下，檢測(cè)到Bf 信號(hào)時(shí)，若有Berr 則切換到MiBi 并轉(zhuǎn)入（3）；

（3）在MiBi 狀態(tài)下，整個(gè)切換邏輯結(jié)束。

2.4 單次切換邏輯驗(yàn)證與仿真分析

單次切換邏輯驗(yàn)證使用的測(cè)試用例包括：①主備通道都工作異常；于主通道工作正常，備通道工作不正常；③主通道工作不正常，備通道工作正常；④主備通道都工作正常。

仿真環(huán)境：Quartus Prime 17.1，ModelSim SE-64 10.5。仿真驗(yàn)證的主要代碼段如下：

具體仿真分析見表2。

表2 單次切換邏輯仿真與分析

表中，CPU_WDT_M、CPU_WDT_B 是輸入的主備通道喂狗信號(hào)，isready 是系統(tǒng)準(zhǔn)備好信號(hào)，oCPU_M_RESERT、oCPU_B_RESERT 輸出的主備通道復(fù)位信號(hào)，oControl_STATE_M、oControl_STATE_B 是輸出的通道選通有效信號(hào)。MaBi 態(tài)對(duì)應(yīng)oControl_STATE_M=0、oControl_STATE_B=1，MiBi 態(tài)對(duì)應(yīng) oControl_STATE_M=1、oCon-trol_STATE_B=1，MiBa 態(tài) 對(duì) 應(yīng) oControl_STATE_M=1、oControl_STATE_B=0。

經(jīng)仿真分析，設(shè)計(jì)的單次切換邏輯工作正常，能夠有效實(shí)現(xiàn)主、備通道的一次切換。

3 余度切換邏輯優(yōu)化

3.1 存在問題及優(yōu)化思路

在將單次切換邏輯應(yīng)用到實(shí)際的系統(tǒng)綜合驗(yàn)證過程中，由于部分傳感器模塊安裝在起落架的活動(dòng)部位，會(huì)引起傳感器信號(hào)抖動(dòng)導(dǎo)致的采集信息不準(zhǔn)確，而轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)的控制精度要求比較高，在進(jìn)行相關(guān)信號(hào)的有效性判定時(shí)容易出現(xiàn)對(duì)通道故障誤判，單次切換能完成主、備通道的一次切換，但不足以難以滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。

可行的切換邏輯優(yōu)化思路是：在監(jiān)控通道判定控制通道故障時(shí)，對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)功能復(fù)位，從而轉(zhuǎn)為備用通道，待下一次需要進(jìn)行邏輯切換時(shí)，再將其作為工作正常的控制通道進(jìn)行切換，如此循環(huán)切換工作直至系統(tǒng)斷電。

3.2 循環(huán)切換邏輯狀態(tài)機(jī)

在單次切換的基礎(chǔ)上，當(dāng)切換到備通道后，若備通道也發(fā)生工作異常，則將重新切回到主通道輸出。當(dāng)重新切回到主控制通道后，若主控制通道再次發(fā)生工作異常，則繼續(xù)切換到備通道輸出，如此循環(huán)直至系統(tǒng)停止工作。循環(huán)切換邏輯狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)如圖3 所示，切換觸發(fā)信號(hào)與條件見表3，邏輯流程是：

表3 循環(huán)切換觸發(fā)信號(hào)與條件列表

圖3 循環(huán)切換邏輯狀態(tài)機(jī)

（1）初始MaBi 狀態(tài)下：

①檢測(cè)到Mf 信號(hào)時(shí)，若有Bok 則切換到MiBa 并轉(zhuǎn)入（2），若有Berr 則切換到MiBi 并轉(zhuǎn)入（3）；

于檢測(cè)到Br 信號(hào)時(shí)，若有Merr 則切換到MiBa 并轉(zhuǎn)入（2）；

③檢測(cè)到Bf 信號(hào)時(shí)，若有Merr 則切換到MiBi 并轉(zhuǎn)入3）；

（2）在MiBa 狀態(tài)下，

①檢測(cè)到Mr 信號(hào)時(shí)，若有Berr 則切換到MaBi 并轉(zhuǎn)入（1）；

于檢測(cè)到Mf 信號(hào)時(shí)，若有Berr 則切換到MiBi 并轉(zhuǎn)入（3）；

③檢測(cè)到Bf 信號(hào)時(shí)，若有Mok 則切換到MaBi 并轉(zhuǎn)入1），若有Merr 則切換到MiBi 并轉(zhuǎn)入（3）；

（3）在MiBi 狀態(tài)下，

①檢測(cè)到Mr 信號(hào)時(shí)，若有Mok 且Berr 則切換到MaBi 并轉(zhuǎn)入（1）；

于檢測(cè)到Mf 信號(hào)時(shí)，若有Bok 則切換到MiBi 并轉(zhuǎn)入（2）；

③檢測(cè)到Br 信號(hào)時(shí)，若有Merr 且Bok 則切換到MiBa 并轉(zhuǎn)入（2）；

④檢測(cè)到Bf 信號(hào)時(shí)，若有Mok 則切換到MaBi 并轉(zhuǎn)入（1）。

3.3 邏輯驗(yàn)證與仿真分析

測(cè)試用例及仿真環(huán)境同上文。仿真驗(yàn)證的主要代碼段在2.4 節(jié)的基礎(chǔ)上增加以下核心代碼：

其中，表4 中的信號(hào)含義與表2 的系統(tǒng)。

表4 循環(huán)切換邏輯仿真與分析

經(jīng)仿真分析，優(yōu)化后的循環(huán)切換邏輯工作正常，能夠有效實(shí)現(xiàn)主、備通道的循環(huán)切換。

4 綜合試驗(yàn)驗(yàn)證

在余度切換邏輯仿真分析的基礎(chǔ)上，參考文獻(xiàn)[6-8]，采用了一種軟件模擬故障注入的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主、備冗余切換邏輯的功能驗(yàn)證，即分別設(shè)置不同的軟件功能模塊來模擬系統(tǒng)硬件的各類故障及軟件異常并固化到系統(tǒng)硬件中，在系統(tǒng)工作的過程中觸發(fā)冗余切換機(jī)制，來判定切換結(jié)果是否符合預(yù)期設(shè)計(jì)。

（1）設(shè)計(jì)的控制通道模擬故障功能模塊包括：

①BIT 異常：包括5V、15V 電壓異常、內(nèi)存檢測(cè)異常、轉(zhuǎn)彎指令、反饋（轉(zhuǎn)彎角度、伺服閥開度）等傳感器工作異常；

于通信異常：包括通信模塊故障、停止心跳通信、停止發(fā)送通道工作狀態(tài)、停止發(fā)送通道輸出的指令信息；

③轉(zhuǎn)彎輸入與反饋指令異常：包括轉(zhuǎn)彎指令傳感器、轉(zhuǎn)彎角度反饋及閥開度等傳感器輸入信息異常；

④轉(zhuǎn)彎輸出指令異常：包括轉(zhuǎn)彎控制輸出指令信息異常；

（2）設(shè)計(jì)的監(jiān)控通道模擬故障功能模塊包括：

①監(jiān)控通道BIT 異常：包括5V、15V 電壓異常，轉(zhuǎn)彎指令、轉(zhuǎn)彎角度反饋及閥開度等傳感器工作異常；

控制通道BIT 異常：接收的控制通道BIT 信息異常；

于通信異常：包括通信模塊故障、在固定的BIT 周期數(shù)內(nèi)，無控制通道心跳信息；

③控制通道輸入指令異常：控制通道的輸入指令異常（超誤差閥值）；

④控制通道輸出指令異常：控制通道的輸入指令異常（超誤差閥值）；

（3）系統(tǒng)綜合驗(yàn)證使用的測(cè)試用例與余度切換邏輯仿真的用例相同。

借助某型飛機(jī)轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)綜合試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證，在各異常觸發(fā)條件下，冗余邏輯狀態(tài)機(jī)工作正常，冗余切換邏輯功能正常，能夠完成主、備冗余及減擺模式之間的有效切換，符合預(yù)期設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

針對(duì)前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)外圍控制信號(hào)、轉(zhuǎn)彎指令輸入與反饋及核心控制等部件的冗余結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了的一種主、備冗余控制的單次切換邏輯狀態(tài)機(jī)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化為循環(huán)切換邏輯。借用Quartus 硬件設(shè)計(jì)與ModelSim 仿真工具，設(shè)計(jì)了涵蓋實(shí)際情況的多種測(cè)試用例，完成了主、備切換邏輯及其狀態(tài)機(jī)的仿真分析，較好的實(shí)現(xiàn)了冗余邏輯的有效切換工作。最后采用了軟件模擬故障注入的方式對(duì)系統(tǒng)主、備冗余切換邏輯進(jìn)行了驗(yàn)證用例設(shè)計(jì)，并在某型飛機(jī)轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了綜合試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的冗余切換邏輯有效的實(shí)現(xiàn)主、備控制通道的無縫切換，有效提升了系統(tǒng)的安全和可靠性能，對(duì)其他機(jī)型的前輪轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)余度控制具有一定的借鑒意義。