航空發動機數控系統余度管理方法研究

賈盼盼， 俞 剛

(中國航發控制系統研究所，江蘇 無錫 214063)

飛行控制計算機是飛行控制系統的核心部分[1]。飛行控制系統的可靠性是衡量其質量的重要指標[2]。為了能夠使飛機更可靠地運行，需要更深入地研究飛行控制計算機。容錯技術可以提高系統的可靠性，通過組織系統的資源，以及設計系統故障檢測與診斷方法、故障處置方法和故障恢復方法等容錯策略，提高了系統軟件容錯能力[3-4]。傳感器作為測量元件在航空發動機控制系統中具有舉足輕重的作用，傳感器信號的準確性直接影響到航空發動機控制系統的安全穩定工作。因此，應建立航空發動機控制系統傳感器解析余度管理算法，從而提高發動機控制系統的可靠性[5]。采用解析余度技術，能夠最大程度地減少傳感器的物理重復保護，并擺脫硬件余度造成的系統體積增大、費用提高、結構變得更為復雜和飛行器承載能力變小的困境。

姚一平[6]提出，近年來，飛機除了軍事應用之外，在民用方面也有廣泛的應用前景，其用途還在不斷地擴展，向著多元化和智能化方向發展。為了降低飛機生產和維護成本，同時增強飛行控制系統的功能和性能，需要不斷地提高飛行控制計算機的可靠性，余度技術是提高其可靠性的手段之一。國內外相關學者在飛機余度技術方面已有幾十年的經驗，為以后的研究打下了良好的基礎。研究表明，提高飛控系統可靠性的根本途徑是采用余度技術。余度技術的基本思想是增加余度資源以提高系統的可靠性。由于解析余度技術具有這些顯著優點，自20世紀70年代起，以美國為首的軍事強國就將其作為關鍵技術開展研究，并利用其開發故障檢測與診斷系統。王琴[7]提出，在國內，發動機數控技術的高速發展也為解析余度技術提供了實現平臺，促使對解析余度技術的研究不斷深入。目前，解析余度技術已廣泛應用于航空、航天以及大型且復雜的工業系統中。

本文對航空發動機數字電子控制系統解析余度算法進行研究，提出了4類解析余度的算法，包括平均值表決算法、權重法表決算法、大值表決算法和小值表決算法，并對所選定的余度方案進行詳細的分析研究,對保證發動機的安全性和可靠性具有重要意義。

1 解析余度算法

飛行中機內自檢測能對電子控制器電路和傳感器信號的輸入、控制信號輸出、伺服回路等單元分別進行故障檢測，并給出這些單元的故障標志[8]。當交叉通道進行比較發現故障時，故障定位程序將根據飛行中機內自檢測結果將故障定位到單元[9]。故障隔離就是將故障信息分離出去，選擇正確的信息來參與控制。在多余度系統中，一般用表決的方法進行故障隔離。

下面各算法中，X1、X2為2個信號，X1failure、X2failure為故障標志，Δ1為表決閾值，Xsafe為安全值，Xdefault為默認值，X為表決結果值。

1.1 平均值表決余度算法

根據信號的情況不同，平均值表決余度算法可以分為以下4種情況進行表決處理。

① 2個信號X1、X2檢測無故障，并且差值在規定的表決閾值范圍內時，則表決結果取2個信號的平均值，表決故障字為無表決故障。此時的邏輯可表示為：若式(1)成立，則輸出式(2)。

|X1-X2|≤Δ1

(1)

(2)

② 2個信號X1、X2檢測無故障，但是差值超過規定的表決閾值時，則表決結果取安全值，需要注意的是安全值初始值需根據信號類型確定，表決故障字為表決故障。此時的邏輯可表示為：若式(3)成立，則輸出式(4)。

|X1-X2|>Δ1

(3)

X=Xsafe

(4)

③ 2個信號中只有1個檢測無故障(設X1無故障，X2有故障)，則表決結果取有效的信號值，表決故障字為無表決故障。此時的邏輯可表示為：若式(5)成立，則輸出式(6)。

(X2failure==true)∩(X1failure==false)

(5)

X=X1

(6)

④ 2個信號X1、X2均故障，則表決結果取默認值，需要注意的是默認值初始值需根據信號類型確定，表決故障字為信號故障。此時邏輯可表示為：若式(7)成立，則輸出式(8)。

(X2failure==true)∩(X1failure==true)

(7)

X=Xdefault

(8)

1.2 權重法表決余度算法

根據信號的情況不同，權重法表決余度算法可以分為以下4種情況進行表決處理。

① 2個信號X1、X2檢測無故障，并且差值在規定的表決閾值范圍內時，則根據各信號的權重因子計算得到表決值，表決故障字為無表決故障。此時的邏輯可表示為：若式(9)成立，則輸出式(10)。

|X1-X2|≤Δ1

(9)

(X=α·X1+β·X2)∩(α+β=1)

(10)

式中：α、β為權重系數。

② 2個信號均有效，但是差值超過規定的表決閾值時，則表決結果取安全值，需要注意的是安全值初始值需根據信號類型確定，表決故障字為表決故障。此時的邏輯可表示為：若式(11)成立，則輸出式(12)。

|X1-X2|>Δ1

(11)

X=Xsafe

(12)

③ 2個信號中只有1個檢測無故障(設X1無故障，X2有故障)，則表決結果取有效的信號值，表決故障字為無表決故障。此時的邏輯可表示為：若式(13)成立，則輸出式(14)。

(X2failure==true)∩(X1failure==false)

(13)

X=X1

(14)

④ 2個信號X1、X2均故障，則表決結果取默認值，需要注意的是默認值初始值需根據信號類型確定，表決故障字為信號故障。此時的邏輯可表示為：若式(15)成立，則輸出式(16)。

(X2failure==true)∩(X1failure==true)

(15)

X=Xdefault

(16)

1.3 大值表決余度算法

根據信號的情況不同，大值表決余度算法可以分為以下3種情況進行表決處理。

① 2個信號均無故障，則表決結果取2個信號中的大值，表決故障字為無表決故障。此時的邏輯可表示為：若式(17)成立，則輸出式(18)。

X1

(17)

X=X2

(18)

② 2個信號只有1個檢測無故障(設X1無故障，X2有故障)，則表決結果取有效的信號值，表決故障字為無表決故障。此時的邏輯可表示為：若式(19)成立，則輸出式(20)。

(X2failure==true)∩(X1failure==false)

(19)

X=X1

(20)

③ 2個信號X1、X2均故障，則表決結果取默認值，需要注意的是默認值初始值需根據信號類型確定，表決故障字為信號故障。此時的邏輯可表示為：若式(21)成立，則輸出式(22)。

(X2failure==true)∩(X1failure==true)

(21)

X=Xdefault

(22)

1.4 小值表決余度算法

根據信號的情況不同，小值表決余度算法可以分為以下3種情況進行表決處理。

① 兩個信號均無故障，則表決結果取2個信號中的小值，表決故障字為無表決故障。此時的邏輯可表示為：若式(23)成立，則輸出式(24)。

X1

(23)

X=X1

(24)

② 2個信號中只有1個檢測無故障(設X1無故障，X2有故障)，則表決結果取有效的信號值，表決故障字為無表決故障。此時的邏輯可表示為：若式(25)成立，則輸出式(26)。

(X2failure==true)∩(X1failure==false)

(25)

X=X1

(26)

③ 2個信號X1、X2均故障，則表決結果取默認值，需要注意的是默認值初始值需根據信號類型確定，表決故障字為信號故障。此時的邏輯可表示為：若式(27)成立，則輸出式(28)。

(X2failure==true)∩(X1failure==true)

(27)

X=Xdefault

(28)

2 數控系統故障隔離的建模與仿真

詳細設計把解法具體化，回答：“應該怎樣具體地實現這個系統？”，又稱為“模塊設計”。下面介紹航空發動機數控系統故障隔離的詳細設計[10]，主要利用了MATLAB下的Simulink來驗證所設計的算法的有效性。Simulink 是MATLAB 中的一種可視化仿真工具，基于MATLAB 的框圖設計環境，是用于實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制和數字信號處理的建模和仿真中。

2.1 平均值表決余度算法建模與仿真

圖1為平均值表決算法結構圖，并在MATLAB 下的Simulink中對其進行了建模及仿真。給定2個信號的輸入值及其故障情況，輸入值如圖2所示，輸出值如圖3所示。

圖2 平均值表決算法輸入值

圖3 平均值表決算法輸出值

從圖2、圖3中可以看出，仿真結果與平均值表決算法是一致的，仿真結果與預期結果也是一致的。

2.2 權重法表決余度算法建模與仿真

圖4 為權重法表決算法結構圖，并在MATLAB 下的Simulink 中對其進行了建模及仿真。信號的輸入值及其故障情況同平均值表決算法，如圖2所示，輸出的結果如圖5所示。

從圖2、圖5中可以看出，仿真結果與權重法表決算法是一致的，仿真結果與預期結果也是一致的。

2.3 大值表決余度算法建模與仿真

圖6為大值表決算法結構圖，并在MATLAB 下的Simulink 中對其進行了建模及仿真。給定2個信號的輸入值及其故障情況，輸入值如圖7所示，輸出值如圖8所示。

圖6 大值表決算法結構圖

圖7 大值表決算法輸入值

圖8 大值表決算法輸出值

從圖7、圖8中可以看出，仿真結果與大值表決算法是一致的，仿真結果與預期結果也是一致的。

2.4 小值表決余度算法建模與仿真

圖9 為小值表決算法結構圖，并在MATLAB 下的Simulink 對其進行了建模及仿真。信號的輸入值及其故障情況同大值表決算法，如圖7所示，輸出的結果如圖10所示。

圖9 小值表決算法結構圖

圖10 小值表決算法輸出值

從圖7、圖10中可以看出，仿真結果與小值表決算法是一致的，仿真結果與預期結果也是一致的。

3 結束語

本文提出了某型航空發動機FADEC系統的故障隔離設計方案，并基于MATLAB 下的Simulink 對某型航空發動機FADEC 系統的故障隔離算法進行了建模與仿真。仿真結果表明:所設計的故障隔離算法能夠滿足發動機工作范圍內的性能要求，所研究的航空發動機數控系統余度管理算法平均值算法應用普遍，更接近真實的數值，而權重值算法是本文從平均值算法中改進而來的，在數值精確計算方面有所提高。所設計的余度管理算法的大值算法在溫度傳感器中經常被使用，可保證發動機的安全，應用效果良好；所設計的余度管理算法中小值算法由于無法保證發動機的安全，故應用較少。未來，可以進一步開展半物理動靜態仿真試驗驗證研究和地面臺架試車試驗研究，從而提高整個飛行控制系統的安全性和可靠性。