航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字電子控制器通道恢復(fù)技術(shù)研究

喬 坤， 劉 冬， 高天陽(yáng)一

（中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所， 江蘇 無(wú)錫 214063）

0 引言

數(shù)字電子控制器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)電子控制器）是航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字電子控制系統(tǒng)的核心部分，實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)采集、控制律運(yùn)算、輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等功能。為保證電子控制器任務(wù)可靠性，多通道設(shè)計(jì)方法廣泛應(yīng)用[1-2]。多通道設(shè)計(jì)通過(guò)硬件冗余技術(shù)保證了任務(wù)可靠性，但協(xié)調(diào)工作的基礎(chǔ)前提是各個(gè)通道同步工作。正常情況下，電子控制器各通道同時(shí)上電，各通道軟件同步運(yùn)行，運(yùn)算結(jié)果一致。

為避免通道間存在耦合、互相影響，電子控制器各通道間電氣獨(dú)立[3-4]。飛機(jī)為電子控制器各通道提供獨(dú)立供電電源，電子控制器內(nèi)部各通道電源處理模塊相互獨(dú)立。發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電子控制器單個(gè)通道存在掉電后再次上電的可能。掉電通道再次完成上電初始化后，運(yùn)算結(jié)果與正常通道運(yùn)算結(jié)果不一致，多通道協(xié)調(diào)一致運(yùn)行受到影響。

電子控制器工作電磁環(huán)境復(fù)雜，受單粒子、空間輻射、電磁干擾等影響，發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)電子控制器內(nèi)部某些部件或器件受影響后產(chǎn)生瞬態(tài)故障，此類(lèi)故障屬于“軟故障”[5-6]，通過(guò)通道復(fù)位，“軟故障”能夠消除，故障器件恢復(fù)正常。發(fā)生復(fù)位通道完成初始化后工作能力恢復(fù)正常，復(fù)位前的數(shù)據(jù)全部被抹掉，導(dǎo)致其控制律運(yùn)算結(jié)果與正常通道產(chǎn)生差異，多通道運(yùn)行不協(xié)調(diào)。

針對(duì)供電異常、通道異常復(fù)位導(dǎo)致通道間失步、運(yùn)行不協(xié)調(diào)的情況，有必要研究通道恢復(fù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通道間計(jì)算結(jié)果一致，減少?gòu)?fù)位、供電異常對(duì)多通道同步工作的影響，保證電子控制器多通道可靠協(xié)調(diào)工作。

1 電子控制器架構(gòu)介紹

本文基于某型非加力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器開(kāi)展通道恢復(fù)技術(shù)研究，電子控制器采用雙通道架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 數(shù)字電子控制器架構(gòu)

A、B 通道均具有獨(dú)立的電源處理模塊，飛機(jī)為各通道提供獨(dú)立的電源。

A、B 通道具有獨(dú)立的信號(hào)處理模塊，分別采集控制用傳感器/信號(hào)器不同余度。A、B 通道具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)輸出模塊，用于驅(qū)動(dòng)液壓機(jī)械裝置電液伺服閥/電磁閥。

A、B 通道具有獨(dú)立的控制計(jì)算模塊，通道間采用ARINC659 總線通訊。A、B 通道完成信號(hào)采集后，通過(guò)ARINC659 總線共享采集結(jié)果并進(jìn)行信號(hào)表決。A、B 通道根據(jù)采集結(jié)果，執(zhí)行相同的控制律運(yùn)算。正常情況下，雙通道控制律運(yùn)算結(jié)果一致。當(dāng)出現(xiàn)通道復(fù)位、供電異常情況，雙通道運(yùn)行失步，發(fā)生復(fù)位、重新上電通道與正常通道控制律運(yùn)算結(jié)果不一致，這是本文要解決的核心問(wèn)題。

2 通道恢復(fù)方法

通道恢復(fù)目標(biāo)是對(duì)再次上電或發(fā)生復(fù)位通道進(jìn)行狀態(tài)恢復(fù)操作，使其恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)，與正常通道控制律運(yùn)算結(jié)果一致，重新加入正常工作隊(duì)列，提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性。

電子控制器各通道均執(zhí)行發(fā)動(dòng)機(jī)控制律運(yùn)算任務(wù)，其運(yùn)算結(jié)果與當(dāng)前和過(guò)去控制系統(tǒng)工作狀態(tài)緊密相關(guān)。對(duì)于發(fā)生復(fù)位或再次上電通道，整個(gè)通道的軟件狀態(tài)從初始化狀態(tài)重新運(yùn)行，復(fù)位或掉電前的數(shù)據(jù)全部被抹掉，進(jìn)而導(dǎo)致控制律運(yùn)算結(jié)果與正常通道存在差異。因此，通道恢復(fù)就是對(duì)關(guān)鍵的控制狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，即對(duì)受控制系統(tǒng)過(guò)去工作狀態(tài)有影響的控制狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。

通道恢復(fù)的方法有前向恢復(fù)和后向恢復(fù)兩種[7]，前向恢復(fù)是將正常通道的控制狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)通道間通信總線傳輸?shù)竭M(jìn)行狀態(tài)恢復(fù)的通道，進(jìn)行狀態(tài)恢復(fù)的通道采用正常通道數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)恢復(fù)。后向恢復(fù)是在通道正常運(yùn)行的過(guò)程中，每個(gè)控制周期將關(guān)鍵控制狀態(tài)數(shù)據(jù)寫(xiě)入非易失存儲(chǔ)器中，當(dāng)通道完成初始化后重新運(yùn)行時(shí)，根據(jù)最后一次保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)恢復(fù)。

由于后向恢復(fù)只能在通道發(fā)生異常和重新初始化時(shí)間很短的情況達(dá)到較好的恢復(fù)效果，而前向恢復(fù)具有對(duì)重啟初始化時(shí)間沒(méi)有嚴(yán)格要求的特點(diǎn)[8]，本文采用的方式是前向恢復(fù)。

3 通道恢復(fù)流程

為實(shí)現(xiàn)通道恢復(fù)，針對(duì)狀態(tài)恢復(fù)通道和正常通道，分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的恢復(fù)流程[9-10]。

對(duì)于進(jìn)行狀態(tài)恢復(fù)的通道，按如下步驟執(zhí)行，流程見(jiàn)圖2。

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圖2 狀態(tài)恢復(fù)通道執(zhí)行流程

Step1：完成初始化后，當(dāng)檢測(cè)到另外一個(gè)通道處于正常運(yùn)行狀態(tài)，主動(dòng)進(jìn)入恢復(fù)流程。

Step2：通過(guò)通道間通訊讀取正常通道關(guān)鍵控制狀態(tài)數(shù)據(jù)。

Step3：狀態(tài)恢復(fù)次數(shù)小于5 時(shí)，執(zhí)行一次狀態(tài)恢復(fù)，恢復(fù)軟件的工作狀態(tài)，采用正常通道關(guān)鍵控制狀態(tài)數(shù)據(jù)覆蓋自身通道相應(yīng)數(shù)據(jù)，恢復(fù)次數(shù)加1；恢復(fù)次數(shù)大于等于5，退出狀態(tài)恢復(fù)流程。

Step4：執(zhí)行狀態(tài)恢復(fù)后，判斷本通道控制律運(yùn)算結(jié)果與正常通道數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果是否一致，若一致通過(guò)通道間通訊發(fā)出上線申請(qǐng)；若不一致則轉(zhuǎn)Step2。

Step5：發(fā)出上線申請(qǐng)后，若通過(guò)通道間通訊收到正常通道允許上線信號(hào)，本通道恢復(fù)成功，重新上線加入正常工作隊(duì)列，同步次數(shù)清零；若未收到正常通道允許上線信號(hào)，則轉(zhuǎn)Step2。

對(duì)于正常通道，按如下步驟執(zhí)行，流程見(jiàn)圖3。

圖3 正常通道執(zhí)行流程

Step1：每個(gè)控制周期通過(guò)通道間通訊將關(guān)鍵控制狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送至對(duì)方通道。

3.1 狀態(tài)恢復(fù)數(shù)據(jù)識(shí)別

狀態(tài)恢復(fù)數(shù)據(jù)識(shí)別是否正確完全決定了狀態(tài)恢復(fù)能否成功，本文對(duì)受過(guò)去工作狀態(tài)影響的控制狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、篩選。

本文研究對(duì)象為某型非加力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，電子控制器按照發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)計(jì)劃、發(fā)動(dòng)機(jī)反饋參數(shù)，根據(jù)主燃油大閉環(huán)控制律計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)所需的主燃油流量。電子控制器根據(jù)伺服（主燃油流量、壓氣機(jī)導(dǎo)葉角度）給定與反饋的偏差、伺服控制律，計(jì)算、輸出相應(yīng)的電流信號(hào)到主燃油、壓氣機(jī)導(dǎo)葉執(zhí)行裝置，形成伺服閉環(huán)控制。數(shù)控系統(tǒng)控制律結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖4。

圖4 數(shù)控系統(tǒng)控制律結(jié)構(gòu)

主燃油大閉環(huán)控制律框圖見(jiàn)圖5，主燃油大閉環(huán)控制律狀態(tài)恢復(fù)參數(shù)見(jiàn)表1。主燃油流量控制計(jì)劃采用風(fēng)扇換算轉(zhuǎn)速N1r 閉環(huán)控制，同時(shí)執(zhí)行高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化率N2dot 限制計(jì)劃、高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N2 最大限制計(jì)劃、風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1 最大限制計(jì)劃、渦輪后燃?xì)鉁囟萒5t 限制計(jì)劃、高壓壓氣機(jī)后壓力P3t 限制計(jì)劃。在發(fā)動(dòng)機(jī)推力瞬變控制中受加速燃油流量限制計(jì)劃和減速燃油流量限制計(jì)劃限制。

表1 主燃油大閉環(huán)控制律狀態(tài)恢復(fù)參數(shù)

圖5 主燃油大閉環(huán)控制律

主燃油加速限制、減速限制計(jì)劃采用開(kāi)環(huán)計(jì)算方法，與過(guò)去工作狀態(tài)無(wú)關(guān)。主燃油N1r 控制、各限制回路控制采用PI 控制算法，積分環(huán)節(jié)計(jì)算和過(guò)去工作狀態(tài)相關(guān)，狀態(tài)恢復(fù)時(shí)N1r 控制、各限制回路積分值需執(zhí)行同步。

數(shù)控系統(tǒng)有主燃油流量和壓氣機(jī)導(dǎo)葉角度兩個(gè)伺服控制回路。主燃油流量、壓氣機(jī)導(dǎo)葉角度伺服控制各有主控、備份兩個(gè)閉環(huán)控制回路。正常情況下使用主控回路進(jìn)行控制，當(dāng)主控回路出現(xiàn)故障時(shí)，由備份回路進(jìn)行控制。

主燃油流量、壓氣機(jī)整導(dǎo)葉角度主控和備份伺服回路均采用位置式PID 算法，積分環(huán)節(jié)計(jì)算和過(guò)去工作狀態(tài)相關(guān)，狀態(tài)恢復(fù)時(shí)各伺服控制回路積分需執(zhí)行同步。伺服控制律狀態(tài)恢復(fù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 伺服控制律狀態(tài)恢復(fù)參數(shù)

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的通道恢復(fù)流程是否合理、恢復(fù)要素是否完整，在數(shù)控系統(tǒng)半物理模擬試驗(yàn)環(huán)境開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)環(huán)境由電子控制器、航電模擬器、測(cè)控仿真設(shè)備、故障注入軟件等組成。通過(guò)故障注入軟件可實(shí)現(xiàn)電子控制器各通道斷電、上電、復(fù)位[11-12]。

4.1 下電重新上電后通道恢復(fù)驗(yàn)證

在發(fā)動(dòng)機(jī)加速過(guò)程中斷開(kāi)、接通A 通道供電電源，模擬A 通道電源異常，半物理模擬試驗(yàn)曲線如圖6 所示。

圖6 A 通道斷電后恢復(fù)上線半物理模擬試驗(yàn)曲線

加速過(guò)程中第10.2 s 斷開(kāi)A 通道電源，第12.2 s接通A 通道電源。A 通道上電初始化后執(zhí)行通道狀態(tài)恢復(fù)，各控制回路燃油計(jì)算值、各伺服回路電流計(jì)算值與B 通道值一致，重新恢復(fù)上線，控制過(guò)程正常。兩個(gè)通道主燃油給定值（WF_dem）、主燃油主控回路電流計(jì)算值（ILWF）對(duì)比如圖6 所示。

4.2 復(fù)位后通道恢復(fù)驗(yàn)證

在發(fā)動(dòng)機(jī)減速過(guò)程中復(fù)位B 通道，模擬B 通道發(fā)生“軟故障”，半物理模擬試驗(yàn)曲線如圖7 所示。

圖7 B 通道復(fù)位后恢復(fù)上線半物理模擬試驗(yàn)曲線

減速過(guò)程中第8.5 s 復(fù)位B 通道，第9.1 s 停止復(fù)位B 通道。B 通道復(fù)位初始化后執(zhí)行通道狀態(tài)恢復(fù)，各控制回路燃油計(jì)算值、各伺服回路電流計(jì)算值與A通道值一致，重新恢復(fù)上線，控制過(guò)程正常。兩個(gè)通道主燃油給定值（WF_dem）、主燃油主控回路電流計(jì)算值（ILWF）對(duì)比如圖7 所示。

5 結(jié)語(yǔ)

為提高數(shù)控系統(tǒng)可靠性，本文開(kāi)展了航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字電子控制器通道恢復(fù)方法研究。針對(duì)某型號(hào)非加力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字電子控制器，完成了通道恢復(fù)流程設(shè)計(jì)和恢復(fù)要素識(shí)別；通過(guò)半物理模擬試驗(yàn)，證明了通道恢復(fù)方法的有效性。試驗(yàn)結(jié)果表明本文所提出的通道恢復(fù)方法合理，具有較好的工程實(shí)用價(jià)值，發(fā)生復(fù)位、供電異常后恢復(fù)上電的通道能夠恢復(fù)上線，從而提高了數(shù)控系統(tǒng)可靠性。