高升力控制计算机系统关键技术研究.pdf

叶工业控制计算机曳圆园圆3 年第 猿6 卷第 8 期高升力系统渊High-Lift Control System袁HLCS冤是现代大型飞机的重要组成部分袁直接影响飞机的起飞尧降落以及巡航阶段特定任务的执行袁其组成包括翼面作动子系统尧动力驱动子系统尧控制和监控子系统尧故障保护子系统以及传感器子系统遥 据航空安全报告系统渊Aviation Safety Reporting System冤统计显示袁 从 1996 年 1 月至 2002 年 8 月发生的 335 起事故中袁有33 个是由于高升力系统故障造成袁约占总事故的 10%咱1暂遥 鉴于高升力系统在飞行安全中的重要性袁目前国内科研院所及研制单位从不同方面对高升力系统开展了广泛深入研究工作袁研究内容包括高升力系统的安全控制策略咱2暂尧增升装置设计咱3暂尧仿真模型咱4暂等袁但对高升力控制计算机系统领域研究较少遥 实际上高升力控制计算机系统作为高升力系统的控制和监控核心袁它的工作可靠与否直接影响到高升力系统功能的实现以及系统安全遥本文在介绍高升力控制系统基本架构的基础上袁 针对现有高升力控制计算机系统中存在的问题进行关键技术研究遥1高升力控制计算机系统1.1 高升力系统组成及工作原理高升力系统典型架构如图 1 所示袁采用集中式驱动方式袁其组成一般包括操纵手柄渊FSCL冤尧襟缝翼控制计算机(FSECU)尧动力驱动装置渊PDU冤尧超控组件尧余度传感器渊包括翼面位置传感器尧翼面倾斜传感器尧翼尖刹车传感器等冤尧防制动装置尧传动线系等遥典型的高升力系统一般都设计有正常模式尧 降级模式以及备用模式遥在正常及降级模式下袁襟缝翼控制计算机作为系统控制和监控核心袁接收操纵手柄指令袁进行状态确认袁结合翼面位置信息进行余度管理尧表决尧监控袁输出控制指令袁形成完整的闭环控制袁驱动翼面运动袁并通过总线与航电尧机电等系统进行交联袁进行信息传递和状态上报等咱5暂遥 备用模式下袁通过超控组件实现系统翼面的开环控制袁但已不具备故障监控与保护功能遥1.2 高升力控制计算机系统架构飞机设计要求高升力系统能够满足一次故障工作袁 两次故障安全袁综合考虑不同余度配置的设计尧工程实现以及管理难度等袁现阶段国内外高升力控制计算机普遍采用双-双冗余的系统架构袁即系统包括两台控制计算机袁每台控制计算机包括命令和监控通道遥其中两台控制计算机间采用异步工作方式袁计算机间设计双机间 CCDL 实现信息交互袁 实现主-主或主-备工作模式遥 单台控制计算机命令和监控通道设计专用同步接口实现通道间任务同步袁设计专用 CCDL 实现通道间信息共享袁通道间同步监控尧表决尧余度管理等袁当其中任一个通道硬件或者软件出现永久故障后袁本台控制计算机保持故障静默袁并将输出状态置为安全状态袁通过系统总线向交联设备进行状态上报等遥典型设计架构如图 2 所示遥2关键技术研究2.1 系统通道故障逻辑2.1.1 研究必要性高升力系统是对安全性尧可靠性要求较高的系统遥仅就高升力控制计算机系统而言袁 为确保控制计算机系统输出指令的安全可靠袁设计者采取了很多措施院采用余度传感器并设计传感器监控电路尧控制计算机配置双-双余度尧从信号采集到指令输出高升力控制计算机系统关键技术研究郑久寿马小博安书董马子飞许培元渊航空工业西安航空计算技术研究所飞控研究室袁陕西 西安 710068冤Research on Key Technology of High Lift Control Computer System摘要院高升力系统是现代大型飞机的重要组成部分袁直接影响飞机的起飞尧降落以及巡航阶段特定任务的执行遥 在介绍高升力系统现状的基础上袁针对现阶段高升力系统控制计算机安全性设计不足以及集中式驱动架构存在的潜在问题袁进行了关键技术研究遥 提出了一种满足高升力系统安全性需求的通道故障逻辑设计袁在分析国内外高升力系统架构的基础上袁提出了一种基于时间确定性网络的分布式架构遥 上述工作可为高升力系统设计提供参考遥关键词院高升力系统曰控制计算机曰通道故障逻辑曰分布式Abstract:The high-lift system is an important part of modern large aircraft and plays the key role in phase of aircrafttaking off,landing and cruising.Firstly this paper gives an overall introduction of high lift system.Then it carries the keytechnology research basing on the safety design issue of high lift control computer system and the potential problem ofcentralized driving architecture.It proposes a design about channel fault logic,which can meet the safety requirement ofhigh lift system.At last,it also proposes a distributed architecture basing on time-triggered network to overcome the issueswhich is faced for high lift centralized driving architecture.It can provide the reference for the high lift system design.Keywords:high lift system,control computer,channel fault logic,distributed图 1高升力系统典型架构33高升力控制计算机系统关键技术研究全程进行比较尧监控尧余度管理策略以及为确保控制计算机工作的安全可靠进行 BIT 设计等等袁 但上述所有设计措施都是建立在控制计算机通道主处理器电路以及系统软件正常运行的基础上遥一旦主处理器电路或系统软件出现故障或非正常状态袁将导致高升力控制计算机无法正常进行控制袁 甚至导致非预期指令输出袁严重影响高升力系统安全遥针对上述问题采取的措施是设计符合系统要求的通道故障逻辑袁以确保计算机系统工作的安全可靠遥通道故障逻辑设计应独立于命令和监控通道模块的软硬件功能设计袁 同时其设计应当简单袁其可靠性指标应远高于飞控计算机自身的可靠性遥2.1.2 通道故障逻辑架构典型的高升力系统采用主-主或主-备工作模式的双-双冗余控制架构袁系统配置两台异步工作的控制计算机袁每台计算机包括命令和监控通道都具备完整系统控制能力遥因此袁高升力系统通道故障逻辑电路设计在控制计算机的命令和监控通道中袁实现通道故障逻辑通道自锁及通道间互锁袁 双机间通道故障逻辑不进行关联遥 通道故障逻辑电路设计如图 3 所示院图 3高升力系统通道故障逻辑框图对图 3 中信号说明如下院淤CPUV 信号院通道是否有效表征信号袁由软件进行综合判定曰于PSV 信号院二次电源是否有效表征信号袁由硬件电路实时自动判定曰盂WDV 信号院看门狗是否有效表征信号袁实现对软件控制流监控袁由硬件电路判定曰榆HW_RST 信号院硬件复位信号曰虞FAIL_RST 信号院软件复位信号曰愚PSV_DLY 信号院电源延迟信号曰舆CHV_TX 信号院通道输出状态曰余DPV 信号院系统输出状态遥2.1.3 安全性考虑通道故障逻辑作为高升力系统硬件切除的最后手段袁 必须从设计上保证其安全可靠袁主要体现在以下几个方面院1冤通道故障逻辑设计独立于模块软硬件设计袁力求设计简单尧可靠袁避免因与功能模块的共模故障袁而导致通道故障逻辑无法正常工作遥2冤通道故障逻辑系统状态输出引入另一通道故障逻辑输出作为其输入综合信号袁 实现命令或监控任何通道故障逻辑综合为故障时袁系统通道故障逻辑输出置为故障状态袁从而确保本台控制计算机指令无输出或输出故障安全状态遥3冤通道故障逻辑电路将看门狗监控结果作为输入源袁监控控制计算机系统软件运行状态遥 一旦系统软件未按预期流程运行袁将触发看门狗中断袁进而导致该通道的通道故障逻辑故障袁实现系统安全遥4冤通道故障逻辑电路将二次电源状态作为输入源袁实时监控控制计算机 3.3 V尧5 V尧15 V 等二次电源状态遥 其监控方式通过硬件尧逻辑电路实现袁并对各二次电源的监控结果进行逻辑综合遥考虑到二次电源监控电路由硬件实现袁其稳定建立时间相对较长袁再加上不同模块不同批次元器件特性差异等因素袁导致可能该通道的通道故障逻辑稳定工作时间早于二次电源就绪时间袁进而导致该通道故障逻辑故障遥为避免上述可能出现的虚警情况袁在通道故障逻辑输入源中增加 PSV_DLY 信号遥 通过硬件配置 PSV_DLY 的时间袁 使其大于二次电源监控状态稳定的时间袁在该段时间内将通道故障逻辑二次电源的状态置为正常遥一旦超出配置时间袁 通道故障逻辑以二次电源的实时监控结果作为其输入源遥通过上述设计袁可有效地避免因二次电源监控电路稳定建立时间相对较长可能导致的虚警袁 提高通道故障逻辑输出结果的可靠性袁减少非必要的系统降级遥2.2 分布式时间确定性系统架构2.2.1 现有架构分析中国民用航空规章第 25 部袁运输类飞机适航标准 25.701渊a冤对襟翼及缝翼的运动提出了明确要求院 飞机对称面两边的襟翼渊或缝翼冤的运动袁必须通过机械交联或经批准的等效手段保持同步咱6暂遥 为满足上述适航要求袁现有高升力系统普遍采用集中式驱动架构袁由安装在飞机中央的动力驱动装置提供动力袁通过由滚珠丝杠尧旋转铰链尧旋转作动器以及齿轮齿条等组成的传动线系将动力传输到各驱动器袁 驱动飞机两侧襟/缝翼翼面运动袁实现襟/缝翼收放遥集中式驱动架构能够有效保证襟翼/缝翼运动的同步性袁但当机械传动系统出现卡阻或者断裂故障时袁襟/缝翼将被制动在当前位置袁不能按照预定控制时序进行收放袁可能会导致出现不对称尧襟翼倾斜等严重故障袁对飞机安全造成巨大影响遥针对集中式驱动架构存在的潜在问题袁 采用分布式驱动架构是高升力系统的发展趋势遥 目前国内尚未见分布式高升力系统的成熟应用袁但国外以波音尧空客为代表的厂家已对分布式高升力系统架构进行了深入研究遥 以波音飞机 B787 为例袁采用了分布式独立驱动架构袁如图 4 所示袁分布式的 PDU 对各翼面实现单独驱动袁每块襟/缝翼都布置相应的作动器袁通过各自线系将动力传递给作动器实现收放遥 每块翼面一般由两台液压作动筒驱动袁由共同的液压管道供压袁通过流量一致性实现翼面运动的同步性袁但效果不是很好遥图 2高升力控制计算机架构34叶工业控制计算机曳圆园圆3 年第 猿6 卷第 8 期渊上接第 32 页冤现袁 是一种扩展污水处理信息化的应用范围的高性价比数据采集方案遥 随着数字孪生尧智慧水厂等各种信息化系统的应用袁有助于污水处理实现自动化控制的目标由代替人的体力向代替人的部分脑力劳动转变袁 逐步实现自动化控制向智能化控制的升级遥 目前该系统已经为某污水厂手机监控端提供数据支撑一年多袁其运行稳定可靠袁占用服务器资源也非常少遥 经过多项测试可以实现大批量的高频率数据传送袁 完全能满足污水处理厂的各种信息化系统应用的数据需求遥参考文献咱员暂张施晗.智慧水务在市政污水管网中的应用咱允暂.工程技术研究袁2021袁6渊10冤院圆园圆原圆园猿咱圆暂陈峰袁孟宇袁杨至诚.基于 Socket 方式实现不同品牌 PLC 之间的通信咱允暂.化工自动化及仪表袁2020袁47渊1冤院员远原圆园咱3暂崔靖元袁魏春光袁曾洁.基于 Modbus TCP 协议的地铁虚拟操纵台系统设计咱允暂.自动化与仪表袁2021袁36渊10冤院圆源原圆苑袁猿苑咱源暂吴晓华袁梁哲袁刘同来.基于 C#的多线程 P2P 即时通讯系统咱允暂.电脑知识与技术袁2021袁17渊36冤院苑缘原苑愿咱收稿日期院圆园圆圆-12-06暂图 4波音 B787 分布驱动架构2.2.2 时间确定性网络选型对于分布式机载强实时高安全控制系统而言袁 节点间通信的实时性和确定性是系统实现的关键遥大量研究表明院对高可靠性系统而言袁基于时间触发的总线网络的解决方案更具优势咱7暂遥时间触发架构渊Time-triggered Architecture袁TTA冤控制信号来源于时间进程袁 系统使用的状态信息来自规定时间内的特定条件遥 从 2006 年开始袁奥地利维也纳大学 Kopet 研究小组成立了 TTTech 公司袁开发和推广 TTA 通信产品袁TTE 网络是其最先进的技术遥目前已在国外航空航天领域得到了广泛应用袁包括NASA野猎户座冶号多用途载人飞船尧F16 发动机控制系统等咱8暂遥根据功能不同袁TTE 网络中的节点在时钟同步过程可分为3 种类型院同步主站渊Synchronization Master袁SM冤尧压缩主站渊Compression Master袁CM冤和同步客户端渊SynchronizationClient袁SC冤遥 同步主站提供本地时钟参与全局统一时间计算的节点袁一般为终端遥压缩主站是指对各同步控制器发送的时钟按照一定的算法进行表决计算袁生成全局统一时间节点袁一般为交换机遥 同步客户端是指主节点尧压缩节点以外的网络节点袁只接收统一发布的全局统一时间袁同步流程如图 5 所示咱9暂院图 5TTE 同步流程2.2.猿 基于时间确定性网络的分布式架构设计基于时间确定性网络的分布式高升力控制计算机系统包括2 个节点计算机袁分布在两个独立机箱内袁系统总体采用 TTE 总线基础上的分布式架构袁系统总体结构如图 6 所示遥系统采用高完整计算架构袁其余度配置可根据需要方便配置为双双冗余或四余度架构袁 实现故障后系统保持正常工作能力遥系统工作时袁控制计算机节点同时工作袁通过 TTE 数据总线交换信息袁已不再需要传统架构下的双机 CCDL 交联线缆袁可简化交联关系遥 其典型工作流程描述如下院高升力控制计算机输出数字控制指令袁经过 TTE 网络同步后袁同时发送到翼面左侧驱动电子单元和翼面右侧驱动电子单元袁实现左右侧翼面的同步运行遥3结束语本文在对现有高升力控制计算机系统架构分析的基础上袁针对系统通道故障逻辑尧分布式架构关键技术进行了研究遥系统通道故障逻辑设计充分考虑高升力系统安全性尧可靠性需求袁同时力求设计简单袁 所设计的通道故障逻辑系统通过实际工程项目验证袁证明其有效尧可靠遥另外袁针对现有集中式驱动架构存在的潜在问题袁在对国外相关技术追踪的基础上袁提出了一种分布式架构设计袁可有效解决现有架构存在的缺陷遥本文所述研究工作对高升力系统设计有一定的参考价值遥参考文献咱1暂史佑民袁杨新团.大型飞机高升力系统的发展及关键技术分析咱J暂.航空制造技术袁2016渊10冤院74-78咱2暂朱妍袁郭润兆袁安刚.大型运输机高升力系统安全控制策略研究咱J暂.航空科学技术袁2016袁27渊9冤院40-44咱3暂武明建袁朱健辉袁肖天航袁等.某支线客机总体方案中增升装置的设计与优化咱J暂.南京航空航天大学学报袁2017袁49渊3冤院411-419咱4暂师振云袁江飞鸿袁安刚.基于 Vee 模型的高升力控制系统设计咱J暂.航空科学技术袁2020袁31渊8冤院48-56咱5暂徐奡袁夏德天袁郑久寿.高升力系统控制计算机容错技术研究咱J暂.微电子学与计算机袁2015袁32渊6冤院36-40咱6暂中国民用航空局.CCAR-25-R4 中国民用航空规章第 25 部院运输类飞机适航标准咱S暂.北京院中国民用航空局袁2011咱7暂解文涛袁王锐袁徐奡.高可靠分布式容错计算机架构的研究咱J暂.计算机测量与控制袁2016袁24渊8冤院161-164咱8暂郝燕艳袁潘瑞袁万小磊.基于 TTEthernet 的综合电子系统通信网络研究咱J暂.航天器工程袁2013袁22渊6冤院86-87咱9暂许聪袁张磊袁凌震.TTE 在运载火箭控制系统中的应用咱J暂.航天控制袁2017袁35渊1冤院86-91咱收稿日期院圆园圆猿原园员原园苑暂图 6分布式高升力控制计算机系统架构图35