《先进飞行控系统》第十四课

先进飞行控制系统第十四节课(20121130)（2）余度技术现代飞机的电传操纵系统，一方面必须要能可靠地实现原机械操纵系统对飞机的不同操纵；另一方面更为重要的是，电传操纵系统还采用杆指令的前馈信号以及各种不同形式的反馈信号，使飞机具有不同的响应特性以及优秀的飞行品质。为了实现对飞机的可靠操纵和在整个飞行包线内具有所要求的响应特性和优秀的飞行品质，系统的安全可靠性对于研制和开发电传操纵系统来说是十分重要的。而解决系统安全可靠性最有效的方法就是采用余度技术。（2）余度技术1）余度技术定义：所谓余度技术，即用多重可靠性较低的相同或相似的元部件组成可靠性较高的系统，一般称其为冗余系统。如何构成余度系统并使其达到所要求的可靠性指标以及使系统成本降低，这是采用余度技术需要深入研究的问题应当指出，现今的电传操纵系统多数为数字式系统，因此，系统的可靠性除了硬件可靠性外，还存在软件可靠性问题。（2）余度技术余度系统应满足下列三个条件：①对组成系统的各个部分具有故障监控、信号表决的能力。②一旦系统或组成系统的某部分出现故障，应有故障隔离能力即应有二次故障能工作的能力。③出现故障后，系统能重新组织余下的完好部分，具有故障安全能力，并在少量降低性能指标的情况下承担任务。可见，采用余度技术的实质是通过消耗、应用更多的资源换取可靠性的提高。（2）余度技术2）余度技术的类型及分类：从余度结构分，有三种型式：①无表决无转换的余度结构：这种系统，当结构中任一部件故障时，不需要外部部件完成故障的检测，判断和转换功能如并联开关系统；②有表决无转换的余度结构：这种系统需要一个外部元件检测和作出判断（即表决），但不要完成转换功能，如多数表决逻辑系统；③有表决有转换的余度结构，这种系统需要一个外部元件检测判断、并转换到另一个通道或系统，以代替故障通道或系统，如备分式余度等。（2）余度技术从余度系统运行方式划分，有两种型式：①主动并列运行，这种系统有多重系统同时并列工作，由表决器信号选择器输出经过选择的正确信号。表决器具有信号选择功能，如取中值，均值、次大、次小等，可用软件实现这种系统又称为表决系统。该系统又分整机余度与分机余度两种，如图7-1所示。（2）余度技术图7-1主动并行运行余度型式（2）余度技术②备用转换运行，这种系统中一个或部分分系统工作，其余分系统处于备用状态。当工作的分系统有故障时，通过监控装置检测出故障并转换至备用的完好分系统，使系统继续正常工作。这种系统又分为热贮备系统与冷贮备系统两种。前一系统与工作系统处于同步随动状态，但输出不起作用。后一种系统处于中立位置,仅在转换时才启动工作。从上述分类中可见设计余度系统时，主要是解决余度数和表决、监控的设置及运行方式。四余度模拟式电传操纵系统杆力传感器A传感器A杆力传感器B传感器B杆力传感器C传感器C杆力传感器D传感器D综合补偿器A综合补偿器B综合补偿器C综合补偿器D表决器/监控器A表决器/监控器B表决器/监控器C表决器/监控器D舵回路A舵回路B舵回路C舵回路D助力器故障逻辑故障逻辑故障逻辑故障逻辑[四余度杆力传感器]―接收驾驶员指令输入信号[四余度传感器]―含速率陀螺与加速度计，用于提供增稳信号；[四余度的综合补偿器]―是电子组件，也是模拟式飞控计算机完成数据处理、增益调整、滤波、动态补偿、信号放大等功能；[四余度表决器/监控器]―也是飞控计算机中的功能，其中表决器（又叫信号选择器）：完成信号选择；监控器则实现故障监控、检测、识别及隔离故障信号，使其不传到舵机上去。[余度舵机]―四个舵回路输出通过机械装置其同操纵一个助力器使舵面偏转。若有2个舵回路是故障信号，助力器仍可按正确信号工作，具有双故障工作能力。（3）非相似余度技术在采用多通道方法构成余度系统时，如果各通道均采用相同的硬件和软件则容易发生共点故障。非相似余度技术就是采用完全不同的硬件和软件来组成余度通道，产生和监控飞行控制信号，从而可以避免多通道余度系统的共点故障、达到高的可靠性。例如，现代先进民用飞机，要求电传操纵系统的失效故障概率达到/飞行小对，故均采用非相似余度技术。1010（3）非相似余度技术B777飞机的主飞行控制计算机是三余度的，是由三个完全相同的数字主飞行操纵计算机构成的。每个主飞行计算机从三余度的ARINC629总线上接收信息，并完成控制律及余度管理的计算，但每条通道计算机的计算机指令仅送给三条总线不同的一条总线上,以防止共点故障。此外，每套主飞行计算机通道又包含有三个数字计算机处理器，这些处理器均采用了非相以余度技术。三个处理器的硬件分别采用AMD29050：Motorola68040，Intel80486。飞行软件是用Ada高级语言编写的，但是由三组不同的人员按非相似余度原则来编码的。（3）非相似余度技术A320飞机的电子飞行控制系统也是非相似余度结构。该系统的计算机由两个独立系统组成：两台副翼/升降舵计算机三台扰流片/升降舵计算机，五台计算机中的任一台均可控制飞机安全飞行。这两种计算机系统的硬件是不同的，前者是Motorola公司的68000微机，后者是Intel公司的8000微机，这两套系统相互独立，相互间不传输信号。每台计算机又分为两个通道，一个通道产生控制指令并传递给舵机，而另一条通道，监控其结果，当两者计算结果不一致时，则该台计算机被切除。每个通道采用不同的软件结构，控制指令用Pascal高级语言编程，监控通道则用汇编语言编程，并且每个通道均由不同人员独立开发。（4）解析余度技术与硬件余度相对照，解析余度不是通过“相似”硬件的多重设计，而是用数学（软件）方法来构成余度的。它通常采用与测量变量有关的物理过程的解析模型来形成余度。现阶段采用的多套硬件余度有一个本质的弱点，其基本可靠性平均无故障间隔MTBF会成倍下降，给地面维护工作增加了负担。解析余度技术可以实现在提高系统安全可靠性的同时，又可以保证系统的MTBF不降低。目前解析余度技术还处于初步研究开发阶段。（5）备份系统为了使电传操纵系统有极高的安全可靠性，除了主余度通道体，还设有备份系统(或通道)，以保证主余度通道万一失效后，飞机能安全返航和着陆。现代飞机的电传操纵系统多数都设置有备份通道，主要的目的是，当电传操纵系统由于系统主要余度部件（如重要的传感器,计算机处理器等）完全失效时，或电传系统受到环境因素（如雷电或电磁干扰等）以及软件共点故障的影响完全失效时，以保证飞机有所要求的生存能力。（5）备份系统为了实现备份通道的目的，通常要求备份通道的功能及结构简单，可靠性高。在保证整个飞行包线内至少具有3级飞行品质和着陆阶段具有2级飞行品质的前提下，力求使系统简单可靠，同时，它应与主余度通道是非相似的，尽量采用不同的信号传递介质。目前多数采用下述几种类型的备份通道①采用多余度的模拟式备份通道。由于模拟式系统的抗电磁干扰能力强于数字式系统，并且它没有软件故障问题，因此它是一种较好的数字式系统备份通道。如AFTI/F-16即采用三余度模拟式备份系统。（5）备份系统②多余度的数字式备份系统。尽管备份系统仍然是数字式的，但它与主余度系统是非相似的。如F-16C/D飞机主余度系统是四余度数字系统，而备份系统，是一个软件不相同的四余度数学系统。③机械备份系统。采用机械备份系统时，无法实现备份时飞机的控制增稳，因此，这种飞机本身必须是静稳定的，且在无增稳及控制增稳的条件下，飞机具有可接受的飞行品质例如F/A-B的纵轴备份系统就是机械式的，该飞机本身是静稳定的，在机械操纵系统控制下也具有可接受的飞行品质（5）备份系统为了增强飞机控制系统的可靠性和飞机的安全性，在现代采用电传系统的先进民用飞机上，往往还采用双重备份系统，如B777的主飞行操纵系统中除了具有模拟式备份系统（当系统处于直接操纵模态时）外，还采用机械式的配平操纵系统作为主飞行操纵系统的应急备份系统。如前所述，采用独立备份系统具有很多优点，特别是可使飞行员和用户在使用一种新的数字式飞行控制系统方面增加信心，使系统防失控的可靠性增加，保证飞机在某些危险故障对安全飞行。（5）备份系统但采用备份系统也存在某些缺点。采用备份系统将使系统的复杂性增加，提高了设计和研制的成本。此外，它将可能成为飞控系统额外的故障源，当数字主系统没有问题时，独立备份系统可能形成问题，如意外的自动接通或驾驶员有意或无意接通。此外，独立备份系统还要求进行额外飞行试验，要求飞行员进行额外的训练掌握这种操纵状态。在电传操纵系统设计时，还必须进行精心设计，以保证两种系统可以实现良好的转换。7.1.3电传操纵系统的特点与分类（1）特点1）FBW系统主要靠电路传递飞行员指令，因而在这种系统中不再含有机械操纵系统。a）这有利于提高飞机战场的生存能力。由电路代替机械杆系，可使飞机操纵系统被炮火击中的概率减小，提高战场生存能力。b）此外，因无机械杆系，可以减轻重量，消除机械系统存在的间隙摩擦等非线性与弹性变形的影响，有利微小信号传递。c）因无机械杆系，无复合摇臂装置，可克服力反传，功率反传现象，从而不会引起驾驶杆非周期振荡。2）全权限的控制增稳系统―可在整个飞行包线内满足及改善飞行品质的要求。3）多余度配置―保证不亚于机械操纵系统的可靠性，通常用飞机损失概率作为飞行安全可靠性指标。军用飞机一般要求失效率≯次/飞行小时，民航机为次/飞行小时。710910（2）分类电传操纵系统基本上可分为两类：数字式电传操纵系统模拟式电传操纵系统1）模拟式电传系统模拟式电传系统是去掉了机械操纵的控制增稳系统，它是多余度的。在这种系统中主要包括模拟式传感器，舵机及模拟式电子组件（模拟计算机），这就是说系统的一切部件和电路均是由单功能的硬件组成，通过这些硬件来实现控制律与余度管理单通道模拟式系统的组成反馈传感器反馈传感器反馈传感器校正器介调器非线性调制器校正,调制器滤波器综合器变增益反馈传感器舵机DC（直流）AC（交流）电子组件（模拟计算机）原理：变增益在于使信号适合飞行状态的变化，有时为防止结构共振与颤振，还加结构滤波，由于模拟式元部件及技术在自动驾驶仪与增稳系统中用了多年，技术较成熟。缺点：这种系统缺点是系统中每一个细小功能都要用特定的硬件或电路来实现，所以结构复杂，尤其在实现多余度管理之后，系统就更庞杂，且不精确，因此近年代逐渐被数字式电传系统所代替。2）数字式系统数字系统又分两种，即：数字部件组成全数字式系统－全部由舵机等仍是模拟式的部件，如传感器，计算机是数字外，其它统）－系统中除半数字系统（混合式系目前所用的数字式电传，实际上是混合式系统（半数字系统）7.1.4电传操纵系统的功能与控制原理电传操纵系统实际上是在控制增稳基础上，取消不可逆助力机械操纵通道，只保留驾驶杆经杆力传感器输出电气指令信号的通道构成的。无论模拟式或数字式系统的功能与控制原理都是相同的。对每一种给定的飞机来说可能有不同的系统结构和功能要求，也即有不同的控制规律，但是在基本方面将是大同小异的。单通道纵向电传操纵系统的组成及工作原理杆力传感器pkyF人工配平过载限制1u指令模型变增益2u--++sMQk01skA2qksFAquPSSNSSsNsF3sWsWzsGesGzn校正网络结构陷波舵机助力器飞机kSF2QK低通滤波迎角传感器zn3qk1Lk2Lk1L2Lu++---znuQKq1qksWqksGqQKznsF1znk变增益变增益清洗网络低通滤波过载传感器速率陀螺传感器FRSS迎角过载限制器电传操纵系统比控制增稳系统在前向通道中增加了自动配平网络，过载限制器以及为补偿飞机静不稳定而设置的放宽静稳定性回路（RelaxedStaticStabilityRSS）。如果飞机是稳定的，则不必引入RSS。为提高飞机安全性，在反馈通道内增加了迎角/过载限制器。NSS、PSS为中性速度稳定性控制律及正速度稳定性模态。7.1.4电传操纵系统的功能与控制原理中