劉 凱

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

新型噴管技術(shù)的應(yīng)用將能賦予戰(zhàn)斗機(jī)超機(jī)動(dòng)性、短距起降和低可探測(cè)性[1-3]，能夠顯著提高戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)能力。該噴管控制系統(tǒng)是保證其正確運(yùn)動(dòng)的重要部分，如果一旦失控將使飛機(jī)失去控制，甚至在瞬間就發(fā)生機(jī)毀人亡的災(zāi)難性后果。因此該噴管不但要求具有可變速率的應(yīng)急回中功能[4]，還要求控制系統(tǒng)具有較高的可靠性及故障檢測(cè)功能。因此對(duì)該噴管控制系統(tǒng)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)[5]，對(duì)故障檢測(cè)、隔離及處理的研究對(duì)工程實(shí)踐具有十分重要的意義[6-7]。

目前，美、俄等航空技術(shù)先進(jìn)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)展了新型噴管技術(shù)的應(yīng)用，并在新型噴管控制設(shè)計(jì)、使用等方面積累一定的經(jīng)驗(yàn)[8]；但是由于技術(shù)保護(hù)等原因，只能接觸有限的外圍技術(shù)[9]，而對(duì)控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)等方面從無(wú)相關(guān)介紹[10]。國(guó)內(nèi)近年來(lái)在新型噴管及其控制技術(shù)方面開(kāi)展一定的研究工作[11]，但對(duì)其控制系統(tǒng)可靠性方面研究較少[12]。

本文對(duì)新型噴管電子控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了初步探討，對(duì)新型噴管電子控制系統(tǒng)包括硬件及軟件進(jìn)行了介紹，并對(duì)系統(tǒng)可能發(fā)生的故障及其失效原因、擬采取的措施及對(duì)安全的影響進(jìn)行了初步分析，對(duì)故障事件的發(fā)生概率、故障對(duì)飛行安全的嚴(yán)酷度等也進(jìn)行了安全評(píng)估。

1 系統(tǒng)介紹

新型噴管電子控制器接收飛控計(jì)算機(jī)的偏轉(zhuǎn)角及方位角指令，并接收飛行高度、馬赫數(shù)、喉道面積等信號(hào)[13]，由新型噴管控制算法軟件模塊計(jì)算出3個(gè)作動(dòng)筒的目標(biāo)位置，通過(guò)射流管電液伺服閥對(duì)作動(dòng)筒進(jìn)行閉環(huán)控制[14]，3個(gè)作動(dòng)筒的位置決定了噴管的偏轉(zhuǎn)角、方位角及噴管的出口面積，新型噴管控制工作原理如圖1所示[15]。

圖1 新型噴管控制工作原理

新型噴管電控部件含新型噴管控制器、控制軟件、控制電纜、傳感器等。新型噴管控制器算法軟件模塊計(jì)算出3個(gè)作動(dòng)筒的目標(biāo)位置后，并完成對(duì)作動(dòng)筒的閉環(huán)控制，作動(dòng)筒的控制系統(tǒng)原理如圖2所示，其中K1為射流管電液伺服閥本身的特性，是1個(gè)比例環(huán)節(jié)。K2/S為作動(dòng)筒本身的特性，是1個(gè)積分環(huán)節(jié)。K是電子控制器選取的參數(shù)，是1個(gè)比例環(huán)節(jié)。因此，整個(gè)控制系統(tǒng)是1個(gè)1階積分控制系統(tǒng)。

圖2 作動(dòng)筒的控制系統(tǒng)原理

新型噴管電子控制器要完成2個(gè)功能，包含對(duì)3個(gè)作動(dòng)筒的目標(biāo)位置的計(jì)算和完成對(duì)作動(dòng)筒的閉環(huán)控制功能。為保證作動(dòng)筒的動(dòng)、靜態(tài)特性，并保證能夠及時(shí)地對(duì)飛機(jī)的指令進(jìn)行響應(yīng)，要求控制器軟件定時(shí)周期定為不大于5 ms。由于涉及空間位置計(jì)算，并且為了滿足計(jì)算精度的要求，對(duì)作動(dòng)筒目標(biāo)位置的計(jì)算量比較大，經(jīng)借鑒其他項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)估算控制器計(jì)算能力應(yīng)不小于20 Mips。為保證控制系統(tǒng)可靠、安全地工作，對(duì)電子控制器（含軟件）要求具有自檢、容錯(cuò)、故障診斷和處理的能力，具備初步的健康管理功能。

新型噴管電子控制器擬采用主備方式進(jìn)行控制(控制器為雙余度，含A機(jī)余度及B機(jī)余度)，當(dāng)雙余度控制器都正常時(shí)，A機(jī)進(jìn)行控制并對(duì)自身進(jìn)行監(jiān)控，B機(jī)同樣進(jìn)行控制的計(jì)算并對(duì)A機(jī)的控制進(jìn)行監(jiān)控，只是此時(shí)B機(jī)不對(duì)外進(jìn)行控制輸出。當(dāng)控制器發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，如果能夠確認(rèn)故障位置時(shí)，將故障報(bào)告給飛控計(jì)算機(jī)，在飛控計(jì)算機(jī)沒(méi)有發(fā)出結(jié)束工作信號(hào)前，由非故障余度控制器單余度工作，如果工作的余度又發(fā)生故障，系統(tǒng)將進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)，并且將故障報(bào)告給飛控計(jì)算機(jī)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器

傳感器設(shè)計(jì)對(duì)其性能有相應(yīng)要求；有相應(yīng)的環(huán)境技術(shù)要求、電磁兼容性要求及可靠性指標(biāo)等要求；還要求具有故障檢測(cè)接口，當(dāng)傳感器出現(xiàn)短路、斷路等故障時(shí)，能夠通過(guò)該接口檢測(cè)到該傳感器已發(fā)生故障。

2.2 電子控制器

電子控制器采用軍品設(shè)計(jì)要求，對(duì)其有相應(yīng)的環(huán)境技術(shù)要求、電磁兼容性要求及可靠性指標(biāo)等要求?？刂破鳛槿珯C(jī)雙余度設(shè)計(jì)，電源、CPU、I/O口、驅(qū)動(dòng)電路等均采用雙余度結(jié)構(gòu)，雙機(jī)間要有數(shù)據(jù)交換及故障監(jiān)控和處理功能。控制器具有對(duì)傳感器的輸入信號(hào)檢測(cè)功能、伺服閥的輸出回路檢測(cè)功能及執(zhí)行機(jī)構(gòu)斷路檢測(cè)功能。由于液壓、機(jī)械部件采用單余度工作方案，電子控制器有些開(kāi)關(guān)量輸出接口為單余度。為保證系統(tǒng)安全，電子控制器的單余度開(kāi)關(guān)量輸出為雙余度計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)經(jīng)邏輯判斷后進(jìn)行控制，在一機(jī)檢測(cè)到另一機(jī)有問(wèn)題的情況下，可以利用該信號(hào)使另一機(jī)輸出關(guān)斷；而在一機(jī)復(fù)位時(shí)，另一機(jī)可以單獨(dú)控制輸出。這樣就可以保證當(dāng)出現(xiàn)不可判別的故障時(shí)，噴管可以回到中立位置，也可以使系統(tǒng)能夠單余度工作。

3 軟件設(shè)計(jì)

噴管電子控制器軟件不僅要滿足功能性要求，還要滿足健壯性、可維護(hù)性等設(shè)計(jì)要求。軟件要求周期內(nèi)有至少30%的時(shí)間余量。該軟件包含操作軟件和應(yīng)用軟件2部分。軟件模塊如圖3所示。

圖3 軟件模塊

3.1 操作軟件功能

操作軟件為應(yīng)用軟件提供安全、有效、快捷的運(yùn)行平臺(tái)，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、管理數(shù)字式電子控制器硬件、外設(shè)資源，進(jìn)行自身正確性監(jiān)控。其內(nèi)容涉及模擬量和開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，余度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換、中斷控制及程序調(diào)度、模擬量和開(kāi)關(guān)量輸出等。

3.2 應(yīng)用軟件

3.2.1 控制軟件的功能

控制軟件根據(jù)飛控計(jì)算機(jī)的指令及發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，計(jì)算作動(dòng)筒的給定位置，并通過(guò)PID算法對(duì)作動(dòng)筒實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使作動(dòng)筒動(dòng)、靜態(tài)指標(biāo)滿足飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。

3.2.2 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件主要完成數(shù)字式電子控制系統(tǒng)的自檢測(cè)、余度管理、同時(shí)完成噴管數(shù)據(jù)的記錄、存儲(chǔ)和通信。

3.2.2.1 控制系統(tǒng)自檢測(cè)軟件的設(shè)計(jì)

噴管控制系統(tǒng)的自檢測(cè)功能主要由噴管數(shù)字式電子控制器來(lái)完成，負(fù)責(zé)檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)各硬件包括傳感器、電纜、輸入通道、輸出通道、及相應(yīng)的電液轉(zhuǎn)換元件等單元功能的正確性和性能的符合性，同時(shí)也應(yīng)在系統(tǒng)存在故障的條件下，實(shí)現(xiàn)故障認(rèn)定，并為使用和維護(hù)提供技術(shù)支持。系統(tǒng)自檢測(cè)對(duì)于輸出量要保持原狀態(tài)，不要為檢測(cè)而改變輸出狀態(tài)，以免造成噴管誤動(dòng)作。

對(duì)于系統(tǒng)上電自檢測(cè)，只有確認(rèn)雙余度控制系統(tǒng)檢測(cè)都無(wú)故障時(shí)，系統(tǒng)才能繼續(xù)運(yùn)行；如果任何1個(gè)余度計(jì)算機(jī)檢測(cè)出故障，則記錄相應(yīng)的故障狀態(tài)字，并向飛控系統(tǒng)報(bào)告故障，當(dāng)程序停止時(shí)，不再向下運(yùn)行，系統(tǒng)進(jìn)入斷開(kāi)工作模態(tài)。

系統(tǒng)在線檢測(cè)則通過(guò)硬件查詢傳感器及電纜是否有故障，還要查詢其他的輸入及輸出是否有故障。如果監(jiān)控查詢有故障，則置相應(yīng)故障標(biāo)志，由其他單元對(duì)故障進(jìn)行處理。

3.2.2.2 余度管理軟件的設(shè)計(jì)

余度管理軟件要對(duì)開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷。對(duì)模擬量數(shù)據(jù)，余度管理軟件首先比較輸入信號(hào)是否超過(guò)傳感器的輸入范圍，如果超過(guò)范圍則直接確認(rèn)信號(hào)故障；其次要比較計(jì)算雙機(jī)間同一傳感器差值，若差值小于故障門(mén)限，則認(rèn)為信號(hào)無(wú)故障，否則認(rèn)為輸入信號(hào)故障，置相應(yīng)位故障標(biāo)志；余度管理軟件還要比較本次輸入值與上一次輸入值的差是否超過(guò)門(mén)限，如果超過(guò)，則確認(rèn)信號(hào)故障。

表1 噴管電控系統(tǒng)可能發(fā)生的故障進(jìn)行分析

余度管理軟件還通過(guò)數(shù)學(xué)模型及工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)作動(dòng)筒控制閉環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，以確定控制系統(tǒng)是否存在故障。

如果發(fā)現(xiàn)故障，余度管理軟件將依據(jù)故障位置、飛行條件等因素對(duì)故障進(jìn)行隔離及處理。

3.2.2.3 數(shù)據(jù)管理軟件的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理軟件將記錄控制器的工作狀態(tài)、輸入輸出數(shù)據(jù)等信息，并負(fù)責(zé)向飛參系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)，待飛行結(jié)束后進(jìn)行分析。

4 失效模式及對(duì)系統(tǒng)的影響

對(duì)噴管電控系統(tǒng)可能發(fā)生的1次故障進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1，經(jīng)分析認(rèn)為新型噴管控制系統(tǒng)可靠性滿足要求。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證新型噴管電控系統(tǒng)可靠性，對(duì)新型噴管控制系統(tǒng)進(jìn)行了故障模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，模擬故障同上表1，經(jīng)驗(yàn)證本系統(tǒng)能夠正確識(shí)別試驗(yàn)中模擬的全部故障，并正確處理。

6 結(jié)論

經(jīng)對(duì)新型噴管控制系統(tǒng)故障模式進(jìn)行分析，并針對(duì)系統(tǒng)的故障模式增加故障檢測(cè)、隔離及處理功能后，其可靠性得到了較大提升。經(jīng)故障模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠正確識(shí)別試驗(yàn)中模擬的全部故障，并正確處理。經(jīng)對(duì)系統(tǒng)失效模式及對(duì)系統(tǒng)的影響分析，認(rèn)為新型噴管控制系統(tǒng)可靠性滿足要求。

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