贾盼盼， 俞 刚
(中国航发控制系统研究所，江苏 无锡 214063)
飞行控制计算机是飞行控制系统的核心部分[1]。飞行控制系统的可靠性是衡量其质量的重要指标[2]。为了能够使飞机更可靠地运行，需要更深入地研究飞行控制计算机。容错技术可以提高系统的可靠性，通过组织系统的资源，以及设计系统故障检测与诊断方法、故障处置方法和故障恢复方法等容错策略，提高了系统软件容错能力[3-4]。传感器作为测量元件在航空发动机控制系统中具有举足轻重的作用，传感器信号的准确性直接影响到航空发动机控制系统的安全稳定工作。因此，应建立航空发动机控制系统传感器解析余度管理算法，从而提高发动机控制系统的可靠性[5]。采用解析余度技术，能够最大程度地减少传感器的物理重复保护，并摆脱硬件余度造成的系统体积增大、费用提高、结构变得更为复杂和飞行器承载能力变小的困境。
姚一平[6]提出，近年来，飞机除了军事应用之外，在民用方面也有广泛的应用前景，其用途还在不断地扩展，向着多元化和智能化方向发展。为了降低飞机生产和维护成本，同时增强飞行控制系统的功能和性能，需要不断地提高飞行控制计算机的可靠性，余度技术是提高其可靠性的手段之一。国内外相关学者在飞机余度技术方面已有几十年的经验，为以后的研究打下了良好的基础。研究表明，提高飞控系统可靠性的根本途径是采用余度技术。余度技术的基本思想是增加余度资源以提高系统的可靠性。由于解析余度技术具有这些显著优点，自20世纪70年代起，以美国为首的军事强国就将其作为关键技术开展研究，并利用其开发故障检测与诊断系统。王琴[7]提出，在国内，发动机数控技术的高速发展也为解析余度技术提供了实现平台，促使对解析余度技术的研究不断深入。目前，解析余度技术已广泛应用于航空、航天以及大型且复杂的工业系统中。
本文对航空发动机数字电子控制系统解析余度算法进行研究，提出了4类解析余度的算法，包括平均值表决算法、权重法表决算法、大值表决算法和小值表决算法，并对所选定的余度方案进行详细的分析研究,对保证发动机的安全性和可靠性具有重要意义。
飞行中机内自检测能对电子控制器电路和传感器信号的输入、控制信号输出、伺服回路等单元分别进行故障检测，并给出这些单元的故障标志[8]。当交叉通道进行比较发现故障时，故障定位程序将根据飞行中机内自检测结果将故障定位到单元[9]。故障隔离就是将故障信息分离出去，选择正确的信息来参与控制。在多余度系统中，一般用表决的方法进行故障隔离。
下面各算法中，X1、X2为2个信号，X1failure、X2failure为故障标志，Δ1为表决阈值，Xsafe为安全值，Xdefault为默认值，X为表决结果值。
1.1 平均值表决余度算法
根据信号的情况不同，平均值表决余度算法可以分为以下4种情况进行表决处理。
① 2个信号X1、X2检测无故障，并且差值在规定的表决阈值范围内时，则表决结果取2个信号的平均值，表决故障字为无表决故障。此时的逻辑可表示为：若式(1)成立，则输出式(2)。
|X1-X2|≤Δ1
(1)
(2)
② 2个信号X1、X2检测无故障，但是差值超过规定的表决阈值时，则表决结果取安全值，需要注意的是安全值初始值需根据信号类型确定，表决故障字为表决故障。此时的逻辑可表示为：若式(3)成立，则输出式(4)。
|X1-X2|>Δ1
(3)
X=Xsafe
(4)
③ 2个信号中只有1个检测无故障(设X1无故障，X2有故障)，则表决结果取有效的信号值，表决故障字为无表决故障。此时的逻辑可表示为：若式(5)成立，则输出式(6)。
(X2failure==true)∩(X1failure==false)
(5)
X=X1
(6)
④ 2个信号X1、X2均故障，则表决结果取默认值，需要注意的是默认值初始值需根据信号类型确定，表决故障字为信号故障。此时逻辑可表示为：若式(7)成立，则输出式(8)。
(X2failure==true)∩(X1failure==true)
(7)
X=Xdefault
(8)
1.2 权重法表决余度算法
根据信号的情况不同，权重法表决余度算法可以分为以下4种情况进行表决处理。
① 2个信号X1、X2检测无故障，并且差值在规定的表决阈值范围内时，则根据各信号的权重因子计算得到表决值，表决故障字为无表决故障。此时的逻辑可表示为：若式(9)成立，则输出式(10)。
|X1-X2|≤Δ1
(9)
(X=α·X1+β·X2)∩(α+β=1)
(10)
式中：α、β为权重系数。
② 2个信号均有效，但是差值超过规定的表决阈值时，则表决结果取安全值，需要注意的是安全值初始值需根据信号类型确定，表决故障字为表决故障。此时的逻辑可表示为：若式(11)成立，则输出式(12)。
|X1-X2|>Δ1
(11)
X=Xsafe
(12)
③ 2个信号中只有1个检测无故障(设X1无故障，X2有故障)，则表决结果取有效的信号值，表决故障字为无表决故障。此时的逻辑可表示为：若式(13)成立，则输出式(14)。
(X2failure==true)∩(X1failure==false)
(13)
X=X1
(14)
④ 2个信号X1、X2均故障，则表决结果取默认值，需要注意的是默认值初始值需根据信号类型确定，表决故障字为信号故障。此时的逻辑可表示为：若式(15)成立，则输出式(16)。
(X2failure==true)∩(X1failure==true)
(15)
X=Xdefault
(16)
1.3 大值表决余度算法
根据信号的情况不同，大值表决余度算法可以分为以下3种情况进行表决处理。
① 2个信号均无故障，则表决结果取2个信号中的大值，表决故障字为无表决故障。此时的逻辑可表示为：若式(17)成立，则输出式(18)。
X1 (17) X=X2 (18) ② 2个信号只有1个检测无故障(设X1无故障，X2有故障)，则表决结果取有效的信号值，表决故障字为无表决故障。此时的逻辑可表示为：若式(19)成立，则输出式(20)。 (X2failure==true)∩(X1failure==false) (19) X=X1 (20) ③ 2个信号X1、X2均故障，则表决结果取默认值，需要注意的是默认值初始值需根据信号类型确定，表决故障字为信号故障。此时的逻辑可表示为：若式(21)成立，则输出式(22)。 (X2failure==true)∩(X1failure==true) (21) X=Xdefault (22) 根据信号的情况不同，小值表决余度算法可以分为以下3种情况进行表决处理。 ① 两个信号均无故障，则表决结果取2个信号中的小值，表决故障字为无表决故障。此时的逻辑可表示为：若式(23)成立，则输出式(24)。 X1 (23) X=X1 (24) ② 2个信号中只有1个检测无故障(设X1无故障，X2有故障)，则表决结果取有效的信号值，表决故障字为无表决故障。此时的逻辑可表示为：若式(25)成立，则输出式(26)。 (X2failure==true)∩(X1failure==false) (25) X=X1 (26) ③ 2个信号X1、X2均故障，则表决结果取默认值，需要注意的是默认值初始值需根据信号类型确定，表决故障字为信号故障。此时的逻辑可表示为：若式(27)成立，则输出式(28)。 (X2failure==true)∩(X1failure==true) (27) X=Xdefault (28) 详细设计把解法具体化，回答：“应该怎样具体地实现这个系统？”，又称为“模块设计”。下面介绍航空发动机数控系统故障隔离的详细设计[10]，主要利用了MATLAB下的Simulink来验证所设计的算法的有效性。Simulink 是MATLAB 中的一种可视化仿真工具，基于MATLAB 的框图设计环境，是用于实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制和数字信号处理的建模和仿真中。 图1为平均值表决算法结构图，并在MATLAB 下的Simulink中对其进行了建模及仿真。给定2个信号的输入值及其故障情况，输入值如图2所示，输出值如图3所示。 图2 平均值表决算法输入值 图3 平均值表决算法输出值 从图2、图3中可以看出，仿真结果与平均值表决算法是一致的，仿真结果与预期结果也是一致的。 图4 为权重法表决算法结构图，并在MATLAB 下的Simulink 中对其进行了建模及仿真。信号的输入值及其故障情况同平均值表决算法，如图2所示，输出的结果如图5所示。 从图2、图5中可以看出，仿真结果与权重法表决算法是一致的，仿真结果与预期结果也是一致的。 图6为大值表决算法结构图，并在MATLAB 下的Simulink 中对其进行了建模及仿真。给定2个信号的输入值及其故障情况，输入值如图7所示，输出值如图8所示。 图6 大值表决算法结构图 图7 大值表决算法输入值 图8 大值表决算法输出值 从图7、图8中可以看出，仿真结果与大值表决算法是一致的，仿真结果与预期结果也是一致的。 图9 为小值表决算法结构图，并在MATLAB 下的Simulink 对其进行了建模及仿真。信号的输入值及其故障情况同大值表决算法，如图7所示，输出的结果如图10所示。 图9 小值表决算法结构图 图10 小值表决算法输出值 从图7、图10中可以看出，仿真结果与小值表决算法是一致的，仿真结果与预期结果也是一致的。 本文提出了某型航空发动机FADEC系统的故障隔离设计方案，并基于MATLAB 下的Simulink 对某型航空发动机FADEC 系统的故障隔离算法进行了建模与仿真。仿真结果表明:所设计的故障隔离算法能够满足发动机工作范围内的性能要求，所研究的航空发动机数控系统余度管理算法平均值算法应用普遍，更接近真实的数值，而权重值算法是本文从平均值算法中改进而来的，在数值精确计算方面有所提高。所设计的余度管理算法的大值算法在温度传感器中经常被使用，可保证发动机的安全，应用效果良好；1.4 小值表决余度算法
2.1 平均值表决余度算法建模与仿真
2.2 权重法表决余度算法建模与仿真
2.3 大值表决余度算法建模与仿真
2.4 小值表决余度算法建模与仿真
所设计的余度管理算法中小值算法由于无法保证发动机的安全，故应用较少。未来，可以进一步开展半物理动静态仿真试验验证研究和地面台架试车试验研究，从而提高整个飞行控制系统的安全性和可靠性。