一種高升力系統卡位信號的算法設計

梅存浩

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

高升力系統是民用飛機的關鍵分系統之一，它通過控制縫翼和襟翼的運動來改變機翼的彎度和面積[1]，從而提高飛機的增升效果，減少飛機起飛或著陸時的滑跑距離[2]。通常由飛行員在中央操縱臺上操縱襟/縫翼控制手柄(簡稱手柄)來驅動襟/縫翼翼面運動[3-4]。手柄上物理卡位的變化會通過傳感器將信號發送給高升力系統計算機(簡稱計算機)，計算機檢測到傳感器信號后會通過算法處理形成命令卡位，并將命令卡位轉換成翼面角度指令后發送給動力驅動裝置，動力驅動裝置輸出旋轉扭矩，通過扭力管、支撐軸承、角齒輪箱等傳動線系部件傳遞給齒輪旋轉作動器，進而驅動襟/縫翼翼面運動[5-6]，安裝在傳動系統末端的位置傳感器將襟/縫翼翼面位置信號反饋給計算機，準確地控制襟/縫翼到達指令位置并通過剎車裝置將翼面鎖定在指令位置。

通常計算機會接收手柄傳感器的四個輸入信號。傳統的算法是將這四個輸入信號直接生成每個通道的命令卡位，并通過相互比較得到表決后的命令卡位。但該算法存在兩個缺陷，一是當手柄短暫通過手柄卡位信號無效的區域時，會產生無效的卡位信號，繼而對后續的命令卡位信號計算造成影響。二是由于不同通道之間信號的傳輸存在延時，導致表決后的命令卡位并非始終一致，以至于轉換成的翼面角度指令也不同，造成襟/縫翼半速等問題。

本文提出了一種高升力系統卡位信號的算法，該算法能夠實現將手柄傳感器的四個輸入信號通過2×2余度架構的計算機轉換成表決的命令卡位信號，使得四個通道的命令卡位信號正確且一致，并通過實驗驗證該算法具有較強的魯棒性。

1 高升力系統簡介

1.1 高升力系統架構

本文所述的高升力系統具有兩個雙余度的計算機，每個計算機由兩個核心控制模塊(分別為指令模塊和監控模塊)和一個作動器控制模塊組成。每個核心控制模塊會接收一路手柄傳感器的信號并進行內部運算，作動器控制模塊用于生成指令驅動動力驅動裝置中的馬達運動。每個動力驅動裝置內都有兩個馬達，這兩個馬達分別由兩個不同的計算機中的一個作動器控制模塊控制。

在數據傳輸上，單個計算機中的兩個核心控制模塊由跨通道的數據鏈路總線傳輸，兩個計算機之間的核心控制模塊由跨計算機的數據鏈路總線傳輸。

1.2 襟/縫翼控制手柄卡位的定義

襟/縫翼控制手柄為飛行員提供指令接口[7-8]。本文所述的手柄具有五個可選擇的手柄卡位，分別為0、1、2、3和4卡位。操縱時，飛行員需要提起手柄并將其移動到所選擇的卡位上。該手柄裝有兩個傳感器，每個傳感器通過兩個獨立的負載電路連接到手柄上。每個傳感器都會由計算機進行激勵并向兩臺計算機各發送一路傳感器的信號。

手柄的卡位定義如圖1所示。在傳感器的滿量程范圍內，存在手柄卡位的有效區域和無效區域。當手柄在一個有效的卡位范圍內停留超過一定時間后，計算機會更新卡位指令到已選擇的位置。如果手柄不在一個有效的卡位范圍內，計算機將會保持上一次的有效卡位。

圖1 手柄的卡位定義

2 襟/縫翼控制手柄卡位信號的算法設計

在信號傳輸方面，每臺計算機的指令通道和監控通道會各自接收到一路從手柄傳感器傳來的信號。傳統的算法中，該信號會被直接用于生成命令卡位信號，但因為在手柄的運動過程中，會短暫通過手柄卡位信號無效的區域，若因此產生無效的卡位信號，則會對后續的命令卡位表決造成影響。故在本文的算法中增加了手柄卡位信號有效性的確認環節，并設計了手柄卡位信號的表決算法，用于后續的命令卡位計算。手柄卡位信號的算法如下：

1) 設置單臺計算機手柄位置信號無效的監控器，在以下兩種情況，該監控器會被觸發：

(1) 在單臺計算機中，兩個通道的傳感器度數都小于0卡位的最小有效度數α；

(2) 在單臺計算機中，兩個通道的傳感器度數之差的絕對值大于某個閾值β。

2) 一旦單臺計算機內的手柄位置信號無效的監控器被觸發，其故障信號將與另一臺計算機對應的監控器進行比較，并根據比較結果發出相應的告警信息。

3) 在單臺計算機中，取兩個通道的傳感器度數的平均值，若該值在手柄卡位的有效區域內保持時間超過ts，則在指令通道或監控通道上得到確認的手柄卡位有效信號，并把手柄卡位的有效性狀態設置為1。

4) 在單臺計算機中，若兩個通道的手柄卡位信號相同，手柄卡位均有效，沒有手柄位置無效的監控器被觸發，則在計算機內部獲得表決的手柄卡位信號。否則，表決的手柄卡位信號依然維持上一次有效的手柄卡位信號。表決的手柄卡位信號會傳輸到總線信號上，并參與到命令卡位的判斷邏輯中。

手柄卡位信號算法的圖形化描述如圖2所示。

圖2 手柄卡位信號的算法

3 襟/縫翼命令卡位選擇的算法設計

通過上一章的算法，計算機會獲得四個通道表決的手柄卡位信號。該信號會與計算機外部所收到的信號一起參與到襟翼自動收回功能、襟翼載荷減緩功能、縫翼低速/大迎角鎖定功能以及襟/縫翼巡航鎖定功能等高升力系統自動功能的計算中。通過上述自動功能的計算，可得到四個通道的襟/縫翼命令卡位信號[9]。若直接將這四個信號進行表決，則可能由于不同通道之間信號的傳輸存在延時，導致不同通道間的命令卡位會存在某些時刻不一致的現象，一旦不一致的時間超過了一個閾值，就會觸發襟/縫翼位置指令不一致的監控器，從而導致襟/縫翼半速現象的發生。本文提出了將兩臺計算機設為主-備關系的算法，可有效地解決命令卡位表決時魯棒性不強的問題，具體的算法如下：

1) 將兩個計算機設為主備關系，其中計算機1為主計算機；

2) 若計算機1中兩個通道的命令卡位信號一致，且都沒有手柄位置信號無效監控器被觸發，則表決的命令卡位為計算機1中兩路一致的命令卡位；

3) 若計算機1中兩個通道的命令卡位信號一致，但是某個通道有手柄位置信號無效監控器被觸發，則判斷計算機2中兩個通道的命令卡位信號是否一致，若一致，且都沒有手柄位置信號無效監控器被觸發，則表決的命令卡位就是計算機2中兩路一致的命令卡位；

4) 若計算機1中兩個通道的命令卡位信號不一致，則同樣判斷計算機2中的兩個通道的命令卡位信號是否一致，若一致，且都沒有手柄位置信號無效監控器被觸發，則表決的命令卡位就是計算機2中兩路一致的命令卡位；

5) 其他情況下，表決的命令卡位將維持上一次有效的命令卡位。

襟/縫翼命令卡位選擇算法的圖形化描述如圖3所示。

圖3 襟/縫翼命令卡位選擇的算法

4 實驗驗證

為了驗證上述算法的可靠性，搭建了實驗測試平臺。平臺主要包括手柄、計算機以及數據采集裝置[10]。實驗時，將手柄從0卡位依次放到4卡位，再從4卡位依次收到0卡位，作為一個循環，并采集每個通道最終輸出的命令卡位以及高升力系統的故障狀態，共做500個循環，來測試系統的魯棒性。首先用傳統的算法進行測試，測試結果出現了3次命令卡位不一致的現象，從而導致襟/縫翼半速運動現象的發生，如圖4所示。

圖4 傳統算法的測試結果

接著，用本文所述的算法進行了測試，500次的測試結果均正常，沒有襟/縫翼半速運動現象的發生，證明了本文算法的魯棒性較強，如圖5所示。

圖5 本文算法的測試結果

5 結論

本文提出了一種高升力系統卡位信號的算法。該算法能夠實現將手柄傳感器的四個輸入信號通過高升力系統計算機轉換成表決的命令卡位信號。通過在手柄卡位信號的算法中增加信號有效性的確認環節，以及在命令卡位信號的算法中加入將兩個計算機設為主-備關系，并進行表決計算的環節，可以有效地避免傳統算法中由于信號傳輸延時導致的不同通道間命令卡位信號不一致的問題，并通過搭建實驗測試平臺，驗證其算法的魯棒性較強，對國內民用飛機高升力系統的設計有一定的借鑒作用。