某型渦扇發(fā)動機分布式容錯控制系統設計與試驗驗證

劉 旭 ，張?zhí)旌?，陳 飛

（1.南京航空航天大學能源與動力學院，南京210016；2.中國航發(fā)控制系統研究所，江蘇無錫214063）

0 引言

航空發(fā)動機控制系統的任何部件的故障或失效都可能對發(fā)動機的安全造成危害，影響其安全可靠運行。因此，必須要提高控制系統的可靠性，降低控制系統部件故障或失效對發(fā)動機的危害。提高發(fā)動機控制系統可靠性的1個重要途徑就是采取容錯控制技術。容錯控制技術通過余度和重構等方法，可以容忍單個部件或組合的故障或失效，維持發(fā)動機的有效運行，避免對發(fā)動機安全產生危害性后果[1]。因此，為了提高發(fā)動機的安全性和可靠性，有必要對發(fā)動機控制系統進行容錯設計。

目前國內外發(fā)動機全權限數字電子控制（FADEC）系統廣泛采用基于硬件余度的容錯控制思想，應用雙通道冗余架構使控制系統能容忍單個通道的硬件故障[2]，但一般只能實現熱備份和整體切換的重構方法，余度配置的靈活性不足。近年來，國內學者針對智能容錯技術開展了一系列研究，包括神經網絡理論、模糊理論和自適應理論等智能容錯方法[3-5]，基于機載實時模型以及平衡流形的故障信號重構技術也取得了初步成果[6-7]，但考慮到航空發(fā)動機的工作特性與算法的適應性等問題，這些方法大多停留于理論研究層面，距離工程應用還存在一些差距。

本文提出1種分布式架構下結合硬件冗余和控制律重構的容錯控制方案。針對某型雙軸混排式渦扇發(fā)動機，基于TTP/C總線設計包含7個智能節(jié)點的分布式容錯控制系統，采用模型參考變結構控制算法設計了容錯控制器。搭建硬件在環(huán)仿真試驗環(huán)境，通過智能節(jié)點故障的容錯控制試驗，對本文設計的分布式容錯控制系統進行試驗驗證。

1 分布式容錯控制系統總體方案

分布式控制系統在靈活性、可靠性和維護性等方面遠優(yōu)于傳統的集中式控制系統，是航空發(fā)動機控制系統的重要發(fā)展方向[8]。在分布式控制系統中，數據采集程序和執(zhí)行機構控制程序分散在各智能傳感器節(jié)點和智能執(zhí)行機構節(jié)點中，控制、容錯和健康管理等程序集中在中央控制器節(jié)點上，每個節(jié)點都含有獨立的處理器，通過數據總線相互連接以交換數據信息[9]。分布式架構下各智能節(jié)點的數據通過總線全局共享，且都可以進行模塊化的冗余設計，適合容錯技術的實現。本文在分布式架構下基于TTP/C總線設計了容錯控制系統。

1.1 TTP/C總線

TTP/C總線是1種基于時間觸發(fā)協議（Timer Trigger Protocol，TTP）的數據總線，具有嚴格時間確定性、安全關鍵性和完全分布式的特點[10-11]，比TTCAN和Flex Ray總線具有更完備的容錯機制，比ARINC659總線具有體積小、可用性高和價格低的優(yōu)勢。在TTP/C總線協議下，分布式集群根據成員協議（GMP）在1個任務周期內快速實現故障節(jié)點的檢測和隔離[12]。瞬時故障的節(jié)點在下幾個任務周期內再整合進入集群，若連續(xù)4個任務周期不能通過再整合進入集群，該節(jié)點進入故障模式將被集群凍結。若故障節(jié)點存在備份節(jié)點，則快速啟用備份節(jié)點代替原故障節(jié)點。TTP/C總線的這種總線容錯機制為本文的分布式容錯控制系統奠定了基礎。

1.2 容錯控制系統硬件架構

參考工程中的雙轉子渦扇發(fā)動機的控制方法，將高壓轉速nH、低壓轉速nL和渦輪落壓比πt作為可供選擇的被控變量，主燃油量wfb和尾噴管喉道截面面積A8作為可供選擇的控制變量。根據發(fā)動機被控變量和控制變量的選擇，本文設計的某型渦扇發(fā)動機分布式容錯控制系統的架構如圖1所示。包含7個智能節(jié)點，節(jié)點1為低壓轉速節(jié)點，負責采集低壓軸轉子轉速；節(jié)點2為高壓轉速節(jié)點，負責采集高壓軸轉子轉速；節(jié)點3為壓力采集節(jié)點，負責采集高壓渦輪進口總壓和低壓渦輪出口總壓，從而計算出渦輪落壓比；節(jié)點4為核心控制節(jié)點，負責發(fā)動機控制任務和容錯策略的執(zhí)行；節(jié)點5為油針位置控制節(jié)點，負責主燃油量的小閉環(huán)控制；節(jié)點6為尾噴管面積控制節(jié)點，負責尾噴管喉道截面面積的小閉環(huán)控制；節(jié)點7為節(jié)點4的備份節(jié)點，在節(jié)點4故障時啟用備份節(jié)點7，保證系統的正常工作。TTP/C總線采用雙通道冗余總線結構，提高系統的可靠性。在分布式架構下，可以靈活地增加硬件備份節(jié)點的數量，進一步提高系統可靠性。

圖1 某型渦扇發(fā)動機分布式容錯控制系統架構

分布式容錯控制系統中智能節(jié)點按照時間軸（如圖2所示）發(fā)送控制數據和自身的成員關系列表，控制系統的控制步長為20 ms。其中，控制節(jié)點4需要進行控制律計算和容錯策略執(zhí)行，因此預留了較長的時間片；備份節(jié)點7采用熱備份方式，在集群中正常接收數據和處理數據，但未分配時間片不能發(fā)送數據，當控制節(jié)點4發(fā)生故障時，直接占據節(jié)點4的時間片，快速替換故障節(jié)點。由于本文節(jié)點數目較少，因此未對時間軸進行嚴格劃分，若節(jié)點數目增加，可以適當縮小各節(jié)點的時間片。

圖2 TTP/C總線任務調度時間軸

1.3 容錯控制方案

在上節(jié)分布式容錯控制系統硬件架構的基礎上，提出1種結合控制律重構和硬件冗余的容錯控制方案。當傳感器或執(zhí)行機構節(jié)點故障時，控制器根據節(jié)點故障情況，利用控制律重構在線改變控制結構，切換至無故障節(jié)點的控制回路中；當核心控制節(jié)點故障時，無法采用控制律重構進行容錯控制，此時利用硬件冗余快速啟用備份節(jié)點代替故障節(jié)點。

智能節(jié)點故障的容錯控制策略見表1。在分布式容錯控制系統正常運行時，采用wfb和A8控制nH和πt的多變量控制方案。當1號低壓轉速節(jié)點發(fā)生故障時，nL的數據不再更新，但不影響發(fā)動機的正?？刂?；當2號高壓轉速節(jié)點發(fā)生故障時，nH的數據不再更新，控制律切換為wfb和A8控制nL和πt的多變量控制律；當3號壓力信號節(jié)點和6號尾噴管控制節(jié)點發(fā)生故障時，控制系統切換為wfb控制nH的單變量控制；當4號核心控制節(jié)點發(fā)生故障時，利用容錯控制系統的硬件冗余，啟用備份節(jié)點代替故障節(jié)點；當5號油針控制節(jié)點發(fā)生故障時，wfb的數據不再更新，由于A8對nL的影響比較明顯，理論上可以采用A8控制nL的單變量控制律，但在實際工程中，A8對發(fā)動機狀態(tài)的調節(jié)范圍較窄，故針對5號節(jié)點故障采用硬件冗余設置備份節(jié)點，可以達到更好的容錯效果。

表1 智能節(jié)點故障容錯控制策略

容錯控制系統結構如圖3所示。該結構包括傳感器信號采集節(jié)點、執(zhí)行機構控制節(jié)點、核心控制節(jié)點和備份節(jié)點。TTP/C總線控制器在每個智能節(jié)點中實時運行，用于判斷當前集群的工作狀態(tài)。控制律切換單元與4個變結構控制器組成了容錯控制器，4個變結構控制器根據容錯控制策略設計，對應不同故障情況下的控制回路；控制律切換單元根據總線控制器輸出的成員關系列表進行邏輯判斷，從而選擇相應的變結構控制器。當控制系統中傳感器信號采集節(jié)點或執(zhí)行機構控制節(jié)點故障時，該故障節(jié)點在20 ms的任務周期內被集群快速診斷并隔離，若在規(guī)定時間80 ms內無法再整合進入集群，核心控制節(jié)點的控制律切換單元根據TTP/C總線控制器輸出的各節(jié)點工作狀態(tài)選擇相應的變結構控制器，實現容錯控制；若核心控制節(jié)點故障，則在無法再整合后立即啟用其備份節(jié)點。

圖3 容錯控制系統結構

2 模型參考變結構控制器設計

模型參考變結構控制算法具有結構簡單、物理實現方便、對攝動和外部干擾不敏感等優(yōu)點，還可以借助參考模型設計性能指標，實現多變量控制回路的解耦，適用于容錯控制器設計[13]。其系統結構如圖4所示。

圖4 模型參考變結構控制系統結構

某型渦扇發(fā)動機在穩(wěn)態(tài)工作點處的線性化模型為

式中:xp、yp、up分別為狀態(tài)、輸出及輸入矢量，其數值為穩(wěn)態(tài)工作點相應變量的相對增量；A、B、C、D為適維矩陣。

為了滿足變結構控制的設計要求，將線性模型的輸入量增廣到狀態(tài)量中，得到設計對象模型

參考模型為系統（2）的同階系統

式中:xm為參考模型的狀態(tài)變量；r為參考模型的外部輸入量。

采用狀態(tài)反饋解耦法設計參考模型[14]，利用極點配置得到參考模型動態(tài)系數矩陣

式中:K1和K2為參考模型需配置的矩陣。

被控對象與參考模型之間的誤差系統模型為

式中:e=xm-xa，為誤差系統的狀態(tài)變量。

針對誤差系統設計變結構控制的切換函數為

式中:G=[K I]，為滑動模態(tài)矩陣；K通過極點配置求解。

取s=0，根據式（5）和（6）可得

若矩陣GB非奇異，可以得到滑動模態(tài)的等效控制

其 中 :ψ1= （GBa）-1G （Am-Aa）；ψ2=（GBa）-1GAm；ψ3=（GBa）-1GBm。

為了保證變結構控制到達條件成立，采用等速趨近律設計切換控制律

式中:ε為對角正定矩陣，其對角元素為εi，調節(jié)εi可以調節(jié)趨近速度。

針對線性模型設計的控制器在遠離線性化點處控制效果不佳，被控對象會與參考模型之間存在靜差，因此在控制器中增加了帶積分分離的積分補償項

式中:ey=ym-ya；k為積分常數。

最終得到增廣后的系統控制量ua=ueq+usw+uc，對ua積分得到實際系統控制量up。

對于某型渦扇發(fā)動機，以wfb和A8控制nH和πt的多變量方案為例，狀態(tài)量xp=[nLnH]T，控制量up=[wfbA8]T，被控量yp=[nHπt]T。通過最小二乘法擬合得到其線性系統模型為

解得控制器參數

取 ε=diag[0.2 0.1]，k=10，得到該多變量控制方案下的變結構控制器。

根據控制律重構方案改變控制量up和被控制量yp中的參數，通過最小二乘擬合得到對應的線性化模型，按照上述控制器的設計方法求解得到另外3個變結構控制器，求解過程不再贅述。

由于最終控制量up通過積分得到，離散化后積分量通過累加得到，所以變結構控制器實際是1種增量式控制器。為了保證控制器切換過程中發(fā)動機的平穩(wěn)過渡，控制器切換后的輸出量保持為前一時刻輸出量，然后再進行積分累加。

3 硬件在環(huán)仿真試驗

與數字仿真試驗相比，硬件在環(huán)仿真試驗使用了真實的控制器硬件，盡可能逼真地模擬傳感器與執(zhí)行機構信號，因此更接近實際系統[15]。為驗證上述容錯控制系統的有效性，本文建立了分布式容錯控制系統硬件在環(huán)仿真試驗環(huán)境，并開展仿真試驗驗證。

3.1 硬件在環(huán)仿真平臺構建

圖5 硬件在環(huán)仿真平臺總體結構

硬件在環(huán)仿真試驗平臺總體方案如圖5所示，包括分布式控制系統和接口模擬系統2部分。接口模擬系統由接口模擬電路和NI公司的myRIO嵌入式開發(fā)平臺2部分組成。接口模擬電路模擬真實的傳感器和執(zhí)行機構，接收分布式控制系統輸出的電流控制信號并調理為電壓信號傳送給myRIO，同時在myRIO控制下輸出相應的傳感器模擬信號，包括轉速信號、壓力信號和線性可變差動變壓器（LVDT）信號；myRIO作為接口模擬系統的核心，實時運行渦扇發(fā)動機部件級模型，采集經過接口模擬電路調理后的主燃油量和尾噴管喉道面積模擬電壓信號輸入給發(fā)動機模型，經過模型計算輸出對應發(fā)動機高低壓轉速和相應截面出口壓力的控制信號，并控制接口模擬電路輸出相應的傳感器模擬信號。分布式容錯控制系統負責信號的采集與容錯控制，將計算出來的控制量以驅動電流的形式傳輸給接口模擬系統，同時利用上位機監(jiān)控軟件顯示當前發(fā)動機的運行狀態(tài)并發(fā)送控制指令。硬件在環(huán)仿真試驗平臺實物如圖6所示。

圖6 硬件在環(huán)仿真平臺實物

3.2 容錯控制試驗

3.2.1 傳感器信號采集節(jié)點故障容錯試驗

傳感器信號采集節(jié)點包括節(jié)點1、2、3，現以3號壓力采集節(jié)點故障為例進行說明。節(jié)點3在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)控制過程中出現故障的仿真試驗結果如圖7所示。

圖7 壓力采集節(jié)點故障容錯試驗響應曲線

從圖中可見，在第2.4 s時節(jié)點3發(fā)生故障且無法再整合進入集群，此后渦輪落壓比的數據不再更新保持不變。容錯控制系統將控制方案從wfb和A8控制nH和πt的多變量方案切換為wfb控制nH的單變量控制方案，在整個過程中發(fā)動機狀態(tài)量和輸出量幾乎不變。在第9 s時將發(fā)動機高壓轉速調節(jié)到95%，重構后的系統在3 s內完成狀態(tài)調節(jié)，此時不再調節(jié)。由于發(fā)動機處于穩(wěn)態(tài)，因此當節(jié)點3發(fā)生故障時，發(fā)動機控制量的增量為0，各狀態(tài)量無波動。發(fā)生故障后，容錯控制系統仍能使發(fā)動機有效、穩(wěn)定地控制，也驗證了模型參考變結構控制器的控制效果。

3.2.2 執(zhí)行機構控制節(jié)點故障容錯試驗

執(zhí)行機構控制節(jié)點包括節(jié)點5、6，現以6號尾噴管控制節(jié)點故障為例進行說明。節(jié)點6在發(fā)動機動態(tài)控制過程中發(fā)生故障的仿真試驗結果如圖8所示。從圖中可見，在第31 s左右調節(jié)發(fā)動機狀態(tài)，期望在保持落壓比不變的情況下，將高壓轉速調節(jié)至95%。在第32.5 s左右節(jié)點6發(fā)生故障且無法再整合進入集群，此后A8數據不再更新，并保持不變，容錯控制系統將控制方案從wfb和A8控制nH和πt的多變量方案切換為wfb控制nH的單變量控制方案。在第35 s左右發(fā)動機完成狀態(tài)調節(jié)，但由于發(fā)生故障后為單變量控制，渦輪落壓比略微減小。在整個動態(tài)過程中未出現發(fā)動機狀態(tài)量的較大波動，僅高壓轉速的上升趨勢發(fā)生了變化，容錯控制效果較好。從局部放大圖中可見，發(fā)生故障后A8不再調節(jié)，在原控制律作用下，供油量的變化趨勢增大，在第32.6 s時完成切換，此時由于單變量控制律的增益矩陣選取較大，供油量的上升趨勢進一步變大，影響高壓轉速上升趨勢變化，整個重構過程大約耗時80 ms左右，80 ms主要用于等待故障節(jié)點再整合進入集群，避免瞬時故障引起誤操作。由于總線控制器能夠在20 ms內檢測和隔離故障節(jié)點，整個容錯過程在100 ms以內。

圖8 尾噴管控制節(jié)點故障容錯試驗響應曲線

3.2.3 控制節(jié)點故障容錯試驗

4號控制節(jié)點在發(fā)動機動態(tài)控制過程中出現故障的仿真試驗結果如圖9所示。從圖中可見，在第16 s調節(jié)發(fā)動機狀態(tài)，期望在保持落壓比不變的情況下，將高壓轉速調節(jié)至93%。在第17 s時節(jié)點4發(fā)生故障，容錯控制系統在確認節(jié)點4無法再整合進入集群后，立即啟用備份節(jié)點7，狀態(tài)量和控制量僅在故障發(fā)生時有微小波動，備份節(jié)點可以成功控制發(fā)動機到達目標狀態(tài)，體現了硬件冗余的優(yōu)越性。從局部放大圖中可見，節(jié)點4發(fā)生故障后目標油針位置和目標A8作動筒位置保持不變，執(zhí)行機構節(jié)點控制實際油針位置和實際A8作動筒位置也保持不變，但備份節(jié)點仍在實時計算這2個目標量，因此備份節(jié)點替換完成后目標值發(fā)生小幅跳變。從故障發(fā)生到備份節(jié)點正常工作約耗時100 ms，除了等待故障節(jié)點再整合耗時80 ms外，切換至熱備份節(jié)點需要1個控制周期20 ms，整個容錯過程在120 ms以內。

圖9 控制節(jié)點故障容錯試驗響應曲線

4 結論

本文提出1種結合控制律重構和硬件冗余的容錯控制方案，設計了分布式架構下的容錯控制系統，并針對智能節(jié)點故障問題進行容錯控制系統的硬件在環(huán)仿真試驗。

（1）在傳感器或執(zhí)行機構節(jié)點故障時，容錯控制系統可以快速切換控制回路進行容錯控制，保證發(fā)動機的平穩(wěn)過渡和可靠運行。

（2）在核心控制節(jié)點故障時，容錯控制系統可以快速啟用熱備份節(jié)點代替故障節(jié)點。

（3）若在工程應用中根據實際需求對硬件冗余進行靈活配置并增加智能節(jié)點的數量，可以進一步提高控制系統的可靠性。

（4）若將控制律切換的參考依據以發(fā)動機推力代替發(fā)動機的狀態(tài)量，還將進一步提高該容錯控制系統的工程應用價值。