電傳飛控檢測系統設計研究

韓建輝 翦巍

摘要：本文論述了現代電傳飛控的故障檢測系統，介紹了典型的現代電傳飛控系統的組成與技術特點。設計了基于專家系統的故障檢測系統，專家系統由綜合數據庫、故障知識庫、推理機、知識獲取以及決策解釋等組成。依據專家系統的原理建立了電傳飛控系統的故障綜合數據庫與故障知識庫，采用正向和逆向推理原理完成了推理機的策略設計，針對飛控系統高安全性要求，提出綜合數據庫的初始數據與檢測方法以硬軟件的形式駐留于飛控系統之中，故障知識庫與推理策略在獨立于飛控系統的故障檢測系統中。本文對電傳飛控系統的故障檢測的實現有一定的實用性和推廣價值。

關鍵詞：電傳飛控;故障檢測系統;專家系統;推理策略;故障檢測流程

中圖分類號：V249.11 文獻標識碼：A

隨著以計算機為代表的數字信息技術的發展，飛行控制技術進入到以閉環負反饋控制為基本原理的電傳飛控系統技術。電傳飛控系統技術使用了大量的集成電路、更復雜的控制軟件、更多的控制回路和變量，相比早期的飛控系統復雜程度發生了質的變化，由此使得電傳飛控系統的成品檢驗、總裝后的通電檢測、使用過程中的故障檢測維護工作變得異常繁雜，給檢測維護人員的工作帶來了極大的挑戰。傳統的解決方法是對地面檢測維護人員進行長時間的技術培訓，需要學習飛控系統的技術特點和檢測儀器的使用，遇到疑難故障還需要設計人員親臨現場排故，極為耗費人力資源。為解決該問題，本文以某型飛機為背景展開了電傳飛控檢測系統的設計研究。

本文根據電傳飛控系統的組成特點對飛控系統的故障類型進行了分類。基于專家系統的故障檢測體系架構原理，建立了基于某型機的飛控綜合數據庫和故障知識庫，并確定了推理機的正向和逆向推理策略，利用知識獲取和決策解釋機制對專家系統進行數據庫的更新和檢測結果的解釋。對專家系統的檢測流程進行了軟件設計并對典型的硬件檢測電路進行了舉例介紹。基于專家系統的故障檢測系統將飛控技術專家的工程檢測排故經驗轉化為軟件數據庫的形式存儲于計算機中，利用合理的推理策略得到檢測結果，給出檢測結果的處理意見。可以大大減少地面檢測維護人員的工作負擔，節約人力資源。

1 電傳飛控系統的組成與特點

以計算機技術為核心的電傳飛控構成如圖1所示。包括計算機子系統、傳感器子系統、顯示控制子系統、伺服作動子系統組成，外部與機電系統和航電顯示系統通過機載總線交聯。駐留在飛控計算機中的飛行控制律軟件接收飛行員指令，并綜合飛行姿態傳感器解算出控制舵面運動的伺服作動指令，采用負反饋控制原理的飛行控制律可以實現飛機的俯仰、滾轉與偏航控制、飛行邊界保護、三軸增穩、自動配平、自動飛行等功能，同時減輕飛行員的工作負擔，提高了飛行的安全性。現代電傳飛控系統采用多余度技術、多控制回路、多控制通道、多種工作模態技術，是全時全權限的控制系統[1]。

2 基于專家系統的電傳飛控故障檢測

2.1 基于專家系統的故障檢測體系架構

基于專家系統的故障檢測系統本質為一個智能計算機程序，包含了電傳飛控技術專家和工程技術人員多年的積累的知識和工程經驗。將這些知識和工程經驗進行抽象，轉化為計算機可以識別的語言，利用基于人工智能算法編寫的程序進行高效的推理，得出工程檢測人員需要的故障定位、故障處理方法、故障原因分析以及維護保障建議。其體系結構如圖2所示。

飛控綜合數據庫用于儲存檢測方法、輸入激勵、結果響應，以及推理過程中得到的中間結果;飛控故障知識庫用于儲存飛控技術專家和工程技術人員在故障檢測中積累的故障處理方法、故障原因、維護保障建議等;知識獲取為在故障知識庫中獲得飛控技術專家和工程技術人員的經驗;推理機采用創建的推理規則和控制策略，根據綜合數據庫和故障知識庫進行推理導出結論，使整個專家系統能夠協調工作;解釋決策對推理機導出的結論進行解釋;人機接口為人機交互的程序界面，方便檢測人員和技術專家使用和編輯。

2.2 飛控綜合數據庫和故障知識庫的設計

基于專家系統的飛控故障檢測使用計算機技術模擬飛控技術專家利用豐富經驗和專業知識解決實際的故障的過程。在故障分析求解的過程中，推理機使用基于各種規則和算法的檢索技術來實現該過程。要使推理能夠高效的運行，飛控綜合數據庫和故障知識庫的知識表示方式需要滿足表達充分明確、獲取便捷、易于實現計算機編碼檢索。根據多余度電傳飛控系統的復雜性、測試點和測試性分析，故障按飛控系統的組成分為計算機子系統故障、傳感器子系統故障、顯示控制子系統故障、伺服作動子系統故障4大類，再根據各個子系統進行細分進而確定具體的故障單元模塊，由于篇幅所限，僅對計算機子系統故障分解進行展示，如圖3所示。

飛控系統完成故障分解后，確定每一個故障單元模塊。綜合數據庫就是將技術專家對每一個故障單元模塊的檢測方法、輸入激勵、結果判定方法的經驗匯總，其包含了豐富的技術專家故障檢測經驗。設計綜合數據庫需要對電傳飛控系統的測試性有深入詳盡的了解。綜合數據庫是由一組關系模式及對應該組關系模式的值的組成，綜合數據的邏輯設計就是要設計數據庫中各表之間的對應關系及表內各屬性之間的關系[2]。表中的對應關系為一對一、一對多或者多對多，對應關系應合理使其既相互關聯又相對獨立保證數據的一致性。其中每一個故障單元模塊、檢測方法、參數需要描述清楚明確，見表1。

依據綜合數據庫確定具體的故障單元模塊。故障知識庫根據故障單元模塊對應的故障代碼確定最小的外場可更換單元（LRU），便于生產、外場人員的檢測維護。同時提供故障原因分析和維護保障建議，可以使客戶及早發現關聯故障，工程技術人員及早發現設計缺陷，完善飛控系統及相關系統的設計。將飛機的安全性風險及早的消除掉。故障知識庫見表2。

2.3 推理機策略

推理的過程是一個問題求解的過程，解答問題的質量取決于問題的求解方法。推理機求解問題的方法即為推理機的策略。推理機策略很多分為正向推理、逆向推理、確定性推理、不確定性推理[3]。本文將電傳飛控系統的技術專家和工程技術人員的知識經驗轉換為產生式規則儲存在綜合數據庫和故障知識庫中。所以采用確定性推理，表示形式為：IF<條件集>THEN<結論集>。其正向推理方式舉例如下：

IF檢測解鎖and人工設定Side stick Position=30mmand飛控系統處于直接鏈模態and延時T=100ms and（LiftAileron Position <14deg or Lift Aileron Position>15deg）and模擬量板正常THEN Lift Aileron故障。

IF檢測解鎖and總線板時間無刷新THEN總線板卡故障。

其逆向推理方式舉例如下：

IF Elevator模型監控故障and Aileron模型監控故障and Rudder模型監控故障and THS模型監控故障THEN檢查液壓源。

IF大氣數據故障and多路總線板卡正常THEN檢查大氣數據計算機。

推理機依據綜合數據庫和故障知識庫建立完整精確的推理規則，不同的條件集合對應不同的結論集合。推理策略知識表達直觀、形式統一、利于理解和解釋。隨著電傳飛控系統的技術升級和使用時間增長，一些新的故障、故障檢測方法、解決方法、故障原因分析及處理方法會產生，需要對推理機策略和綜合數據庫和故障知識庫進行更新優化。

2.4 知識獲取與決策解釋

在專家系統初步設計完成后，飛控技術專家需要通過知識獲取模塊對綜合數據庫、故障知識庫和推理機的數據內容進行確認檢查，后期完成專家系統的更新優化。決策解釋不但對專家系統的知識庫和推理機策略進行解釋說明，而且需要對檢測結論給予清晰的、易于理解的解釋。對于檢測到的故障，給出故障對飛機功能的危害分析，給予檢測人員明確簡單實用的故障排除建議，故障對飛機功能的危害分析，定位故障單元模塊，給出故障器件的拆卸、維修、安裝、測試校正的詳細步驟。決策解釋模塊使檢測系統的使用更加簡單，減輕對地面檢測人員的壓力。

2.5 專家系統的設計與檢測流程

基于專家系統的飛控檢測系統設計時，首先要根據飛控技術專家的工程經驗制定飛控綜合數據和故障知識庫，知識庫對專家經驗的歸納要盡可能的詳細全面，根據制定數據庫確定推理機的推理策略，推理機的策略要準確高效。前期專家系統的算法確定后，后期軟件編寫入員通過軟件來實現可以在計算機上運行的專家系統。知識庫管理系統采用SQL Server 2008編寫，程序設計語言采用Visual C++語言編寫。知識獲取模塊和決策解釋模塊在檢測系統軟件設計時集成于人機接口模塊，便于用戶和飛控技術專家使用。基于專家系統的飛控檢測系統的設計流程如圖4所示。

飛控系統在加電啟動以后，根據接收到的機輪輪載信號確認飛機的空地狀態。在飛控系統確認飛機在地面狀態同時接收到檢測系統發送的檢測解鎖信號后才能進入系統檢測狀態。根據綜合數據庫的檢測方法、激勵值、初始狀態對飛控系統或者部件進行檢測，推理機根據響應和次數時間等確認系統或者部件狀態是否正常。對部件和系統進行逐一的測試，最終記錄檢測結果。推理機根據檢測結果查詢檢索故障知識庫得出故障的處理方法、故障原因分析、維護保障建議。最終確定需要更換的器件，并給出器件的拆卸、維修、安裝、校對檢測方法步驟。檢測系統的檢測流程如圖s所示。

3 飛控檢測系統的硬件設計

飛控檢測專家系統的綜合數據庫的檢測方法、初始激勵、結果響應，以及推理機的推理策略以硬軟件的方式駐留于電傳飛控系統之中，完成電傳飛控系統的自檢測功能。故障知識庫的故障處理方法、故障原因分析及建議和推理機策略以硬軟件的方式獨立駐留于電傳飛控系統的外部監測系統之中，便于地面檢測維修人員使用。飛控檢測系統在運行和故障時都不能干擾電傳飛控系統的正常工作。

駐留于飛控系統內部完成電傳飛控系統的自檢測功能需在飛控系統的每一個重要元部件設置檢測點。自檢測的硬件電路包括自檢測激勵輸入、模擬輸入、離散輸入輸出回繞、模型監控等。圖6為檢測激勵產生原理圖。檢測激勵輸出受檢測解鎖信號的約束，以保證安全性，同時檢測激勵還回繞到模擬多路器，這樣軟件能夠檢測到激勵線路的正確性;圖7為模型監控硬件電路，通過對工作硬件單元和其數學模型的輸出比較確定元部件是否工作正常。

獨立于電傳飛控系統的檢測系統通過飛機駕駛艙的設備柜分離面的檢測接口與系統交聯。檢測系統不僅可以實時接收飛控系統上報的狀態與故障信息，而且可以利用故障知識庫和推理機的策略得到故障處理方法、故障原因分析和建議等信息。對于復雜的系統故障，檢測系統通過駕駛艙設備柜分離面將接口適配器串接在飛控系統之間，可以采用自定義的故障檢測方法來實現故障的定位和解決。

電傳飛控檢測系統的硬件組成如圖8所示。人機交互主機完成故障顯示記錄以及建立自定義的檢測方法。實時仿真計算機與實時解算飛行控制指令的計算機以及其他子系統進行仿真信息的交換。接口適配器通過串接于飛機的飛控系統設備柜分離面實現總線信號、離散信號和模擬信號的仿真輸入與狀態接收。

4 結束語

現代飛機的電傳飛控系統由于高可靠性和高安全性要求使系統采用多余度設計，從而使得飛控系統變得異常復雜。飛控電傳檢測系統在成品交付、總裝生產、飛行后的維護大修中能夠完成成品和系統故障的定位、給出故障處理方法及原因分析。電傳飛控檢測系統可以提高維護檢測人員的工作效率，提高飛機的飛控系統的完好性和出勤率。檢測系統的故障知識庫和綜合數據庫在使用過程中隨著技術的更新進行實時更新。本文提出的檢測系統是實現快速高效檢測復雜的電傳飛控系統故障的一種方法。

參考文獻

[1]章衛國，李愛軍.現代飛行控制系統設計[M].西安：西北工業大學出版社，2009.

[2]Ealcorta G，Mfrank P.A novel design of structured observ-er-based residuals for FDI [C]//Proceedings of the Amer-ican Control Conference Diego California，1999：1341-1345.

[3]王亞南.專家系統中推理機制的研究與應用[D].武漢：武漢理工大學，2006.