數字電傳控制系統故障機理分析與優化

戴 迪 鞏亞龍

（中國飛行試驗研究院,陜西 西安 710087）

飛機的運行系統隨技術的不斷改進發展實現了由簡單的人工機械系統到助力操縱系統。20世紀70年代，電傳操縱系統問世，使用發出的電信號、設備開關及操作手柄駕駛飛機，對飛機空中的姿態和飛行軌跡進行控制。飛機在飛行中鋼體結構會發生變化，為了提升飛機運行系統的操縱性能，研究者希望通過自動控制技術改善飛機運行系統，通過自動控制系統與電傳操縱系統的結合來實現飛機操縱系統質的發展[1]。

1 飛機電傳控制系統的原理與分類

目前飛機運行使用的電傳控制系統與最早的人工機械操縱系統相比，在基礎理論方面有著眾多相似之處，也就是說飛機操縱系統始于原始的機械操縱。隨著電子技術的進步和航空事業的快速發展，科研人員逐漸研究出高性能的電傳控制系統。電傳控制系統原理是將飛行員人工操作信號轉換為電信號，電信號加上控制增穩操作系統極大地增強了飛機運行體統的性能。電傳控制系統的劃分主要是依據傳感器的分類，目前我國發展階段采用最多的飛機數字式電傳控制系統是模擬式電傳操縱系統（見圖1）。

圖1 俯仰通達組成圖

2 機上上電常見故障

2.1 多種故障現象

在使用前對電傳控制系統上電時，使地面電源車經過1號和2號飛機及動力系統Ⅰ、Ⅱ開關，這個過程容易出現多種上電順序不同導致的異常出錯情況，電傳控制盒上會有幾種現象：通道燈亮起1個燈，代表計算機單通道故障；亮起2個燈，表示計算機雙通道故障；通道燈亮起4個，表示電傳系統連接狀態很有可能已經改變為剛性連接或者計算機由于故障處于異常暫停狀態。

2.2 機上上電試驗模擬

首先給實驗對象供電，飛機及動力系統的1號開關和2號開關分別為K11、K12、K21、K22，用組合排列的方法對以上4個開關進行順序和相差時間間隔的開關實驗，給電傳計算機進行多次上電，之前所述的故障都出現了。記錄每組實驗的1號和2號的應急匯流條上兩端的電壓。先按下K11/K21，將電壓穩定在27V后，再按下K12/K22，此時，應急匯流條上出現斷電故障維持了大約6.5ms；先按下K12/K22，也將電壓穩定在27V后，再按下K11/K21，檢測到應急匯流條上產生了電壓波動故障持續約3ms，經檢測這期間電壓波動最大值在20V左右[2]。

3 故障系統機理分析

3.1 電傳控制系統分析

圖2所示電傳控制系統的機上供電原理過程電路圖中，A、B、C、D4臺電傳計算機都提供一條27V直流從飛機及動力系統的1號和2號應急匯流條進入系統裝置。和外部供電源相連后，打開電傳計算機裝置，電流首先經過左、右主應急匯流條，后經以上4個開關和左、右直流配電保護裝置形成電壓穩定在27 V的供電回路。1號和2號飛機和動力系統的實驗過程相同，為簡化電路，單獨使用1號直流配電裝置進行上電試驗。先按下K11開關，電流經過左直流應急匯流條、接觸器J1常開端、接觸器J2閉合端到達圖中陰影部分的1號應急匯流條，形成回路，此時再打開K12開關，接觸器J2觸點會發生短暫轉換，這個過程會造成KZB-8Z應急匯流條出現斷電現象，持續約6.5 ms；實驗第二種組合，將開關順序顛倒過來，先打開K12開關，27 V電流經過右直流應急匯流條到接觸器J2的常開端，最后還是經過KZB-8Z配電保護裝置的應急匯流條，這時再按下K11開關，左直流主匯流條上的電荷負載突然增加會造成整個電流回路上的短暫電壓波動。

圖2 電傳計算機機上供電原理圖

3.2 計算機二次電源

GJB181-86對B類用電設備抗欠壓浪涌會造成50 ms掉電現象。為解決這一問題，可以在計算機輸入電源入口安裝一個儲能電容器C1。

在產生50 ms掉電前，先給C1充電，抗住這一故障C1至少應充電：

計算結果顯示，給C1正常供電16.6 s后，50 ms的掉電現象對計算機就不會產生影響。為保證正常供電，上述計算公式（2）中的V0選取17 V電壓，VE選取26 V，作為充電電壓為儲能電容器C1提供能量。

3.3 計算機復位及和自檢測

數字式計算機是此型號的電傳控制系統屬于四余度之一，受擾動后會造成信號改變，加電后可通過圖3中復位線路對CPU執行復位操作，RESET狀態下，在t0到t4時間內信號復位。

計算機上電自檢測（PUBIT）是系統工作前CPU對計算機基礎硬件設施進行必要的自動全面檢查，如檢查到不正常狀態，則對電傳計算機進行不能開始工作命令，PUBIT失敗計算機就會處于“懸停”狀態，不響應任何指令，復位操作不受影響可以執行，對通道故障邏輯檢測也屬于PUBIT檢測的一項工作[3]。

在CPU供電電壓達到5 V前，時鐘信號也沒有達到要求，至少要保持1ms的CPU復位操作，系統建立時鐘信號需要15 ms，因此，為確保CPU復位指令操作成功，電傳計算機上電復位脈沖時間最小持續16 ms。

圖3 所示觸發復位信號電路中，D1門檻電壓為3.6 V，當VC2電壓小于3.6 V時，輸出RESET為高電平，高電平時對CPU進行復位；當VC2電壓大于3.6 V時，復位脈沖信號結束；當VC2從初始電壓充電到3.6 V了，復位過程完成，整個復位脈沖寬度。

圖3 電傳計算機上電復位信號產生及受擾動示意圖

規定復位時間多于100 ms，是為了留出時間，在運行電傳控制系統前將芯片程序燒到系統中進行其他功能操作，保障上電時CPU復位成功和系統的良好運轉。

3.4 電源波動對計算機影響處理

計算機機上供電原理及機上加電測試結果表明：按1號配電裝置的K12→K11或2號的K22→K21順序上電，由于負載產生變化，1號或者2號的動力應急匯流條上會持續約3 ms的電壓波動，測量的波谷電壓在20 V左右；只要電源電壓V0大于17 V，這種波動就不會影響電傳計算機的正常工作，DC/AC電源模塊就可以正常運行使用；按1號配電裝置的K11→K12或2號的K21→K22順序上電，相應的動力應急匯流條上會瞬間掉電，持續約6.5 ms；要抵抗住這6.5 ms的掉電，計算機的儲能電容C1至少應為

由以上計算結果可以得出，只要按下1號和2號的兩個開關之間的時間間隔大于8.24 s，計算機就可以完成上電工作，從而正常運行。但在實際車間中，地勤人員習慣性操作上電，同時扳動兩個開關（K11/K12）或（K21/K22），無法區分先后順序甚至沒有時間間隔，就會很容易出現按K11→K12或K21→K22這個順序打開開關，同時沒有等待上電時間，造成6.5ms的掉電故障現象，掉電又接著引起5 V二次電源的電壓波動，對電傳計算機CPU工作產生不同程度的變化和影響。

（1）根據供電范圍5±0.5 V，若5 V電源受擾后電壓仍不低于4.5 V，則設備正常供電運行，REAET復位線路不產生復位信號命令，CPU無影響繼續正常工作。

（2）若5 V電源受擾后，電壓在2.86～4.5 V，則CPU停止運轉還是無影響繼續工作在理論上是無法確定的。若無影響，則CPU正常工作；若有影響，CPU會停止工作，進行通道邏輯故障檢測。由于這時從t0到t4的復位脈沖時間小于16 ms，時鐘信號和復位信號沒有足夠時間完成傳輸，引起數字計算機故障失效。

（3）若供電電壓5 V受擾后，電壓低于2.86 V，RESET復位電路會產生復位脈沖，由之前電傳計算機上電的時間可知，復位脈沖寬度treset需要16 ms，滿足16 ms后CPU便可以復位成功，重新啟動；但是只有此時A、B、C、D4臺電傳計算機的CPU是同時重新啟動這一種情況，電傳計算機同步成功，那么系統重啟以后才可以接著正常工作，其他情況均無法恢復正常。

4 結語

經過上述實驗，對結果進行綜合分析，電傳控制系統機上上電過程需要有正確的上電順序做保證。1號或者2號的飛機和動力系統配電裝置的左手邊開關先打開，即K11或K21先接通電路，給儲能電容C1充電8.24 s后，再接通其他3個開關，這個順序可保證正常上電。或者先接通右手邊的開關，即K12在K11之前、K22在K21之前的這個順序，然后再接通其他3個開關，也可保證計算機上電正常。最后，對于整個動力系統，應先打開2號的兩個開關，再打開1號的兩個開關。按照上述順序上電，可保證計算機運行前進行PUBIT自檢測，順利進行正常工作狀態。