楊波 周華鵬 諶昱

摘 要：針對(duì)某民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)“緊急停車(chē)”信號(hào)的采集機(jī)理，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC系統(tǒng)進(jìn)行容錯(cuò)性分析和驗(yàn)證，研究發(fā)現(xiàn)該渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC系統(tǒng)對(duì)于虛假信號(hào)的識(shí)別能力不足。通過(guò)增加雙通道采集信號(hào)比對(duì)和二次電源監(jiān)控等措施，對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵信號(hào)故障識(shí)別邏輯進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。結(jié)果表明，改進(jìn)后的FADEC系統(tǒng)可以有效增強(qiáng)系統(tǒng)容錯(cuò)能力，為今后發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC系統(tǒng)關(guān)鍵信號(hào)的采集與通道控制邏輯設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng);虛假信號(hào);容錯(cuò)能力;邏輯優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.30.077

0 引言

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是采用全權(quán)限數(shù)字電子控制（FADEC）系統(tǒng)。與傳統(tǒng)機(jī)械液壓控制系統(tǒng)相比，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)無(wú)論對(duì)提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能潛力、減輕重量，還是易于改變控制方案和規(guī)律、實(shí)現(xiàn)飛/發(fā)綜合控制等方面都有顯著優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外主流FADEC系統(tǒng)均采用雙通道架構(gòu)，兩個(gè)通道具有相互獨(dú)立的軟硬件。系統(tǒng)能夠?qū)ψ陨砑安杉瘏?shù)的有效性進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行主控通道的選擇，當(dāng)主控通道出現(xiàn)故障時(shí)，能夠自動(dòng)切換到備份通道并穩(wěn)定工作。

隨著FADEC系統(tǒng)軟、硬件的發(fā)展，系統(tǒng)可靠性問(wèn)題越來(lái)越得到重視。容錯(cuò)設(shè)計(jì)是提高以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)可靠性的主要手段，因此系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)將是未來(lái)FADEC系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。同時(shí)，在現(xiàn)有渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中，暴露出FADEC系統(tǒng)的容錯(cuò)能力不足的問(wèn)題。以一起單通道虛假停車(chē)信號(hào)造成某民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車(chē)故障為例。該渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在某次試飛運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)A通道主控，當(dāng)A通道異常采集到“緊急停車(chē)”信號(hào)后，即控制發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)電磁閥接通，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)。整個(gè)過(guò)程B通道始終未采集到“緊急停車(chē)”信號(hào)。通過(guò)對(duì)故障的排查分析，發(fā)現(xiàn)是A通道開(kāi)關(guān)量采集模塊上電容器件燒蝕，引發(fā)A通道二次電源異常，從而導(dǎo)致A通道“緊急停車(chē)”信號(hào)采集異常。

本文以該虛假信號(hào)導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)故障為例，通過(guò)對(duì)故障進(jìn)行分析，提出有效改進(jìn)方案。同時(shí)，從故障引發(fā)對(duì)FADEC系統(tǒng)容錯(cuò)能力不足的探討，為今后國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 虛假信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理

該渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器內(nèi)部的A、B通道采用了二次電源采集電路，其作用是將外部輸入的28V電源轉(zhuǎn)換成A、B通道內(nèi)部信號(hào)處理電路需要使用的15V電源。15V電源用于向開(kāi)關(guān)量輸入采集電路進(jìn)行二次供電。為了保證電源穩(wěn)定，電路中使用了電容器件對(duì)15V二次電源進(jìn)行濾波。當(dāng)濾波電容失效短路時(shí)，二次電源負(fù)載阻抗下降、輸出電流增大，在轉(zhuǎn)換器自身的過(guò)流保護(hù)作用下，使輸出的15V 二次電源電壓下降，導(dǎo)致A 通道“緊急停車(chē)”開(kāi)關(guān)量信號(hào)的采集異常。

緊急停車(chē)功能是發(fā)動(dòng)機(jī)在特殊情況下實(shí)現(xiàn)快速停車(chē)的應(yīng)急功能，它受駕駛艙內(nèi)的“緊急停車(chē)”開(kāi)關(guān)控制。開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)量信號(hào)通過(guò)電子控制器采集、調(diào)理后作用到發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)電磁閥上，進(jìn)行燃油切斷，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)緊急停車(chē)。該渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)“緊急停車(chē)”信號(hào)采集及控制原理見(jiàn)圖1。

正常情況下，直升機(jī)“緊急停車(chē)”開(kāi)關(guān)KG1處于斷開(kāi)狀態(tài)，A點(diǎn)電壓為外部28V電壓，B點(diǎn)電壓經(jīng)R1與R2電阻對(duì)15V二次電源進(jìn)行分壓，電壓為10V，大于基準(zhǔn)電壓9V，比較器輸出高電平。處理器經(jīng)總線(xiàn)數(shù)據(jù)采集該信號(hào)，并通過(guò)該信號(hào)狀態(tài)判斷“緊急停車(chē)”開(kāi)關(guān)狀態(tài)。比較器輸出高電平時(shí)，判斷為開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，外部無(wú)“緊急停車(chē)”信號(hào)輸入;當(dāng)直升機(jī)“緊急停車(chē)”開(kāi)關(guān)KG1處于閉合狀態(tài)時(shí)，A點(diǎn)通過(guò)開(kāi)關(guān)接地，A點(diǎn)電壓為0V，B點(diǎn)電壓小于基準(zhǔn)電壓9V，比較器輸出低電平。處理器經(jīng)總線(xiàn)數(shù)據(jù)采集該信號(hào)，并通過(guò)該信號(hào)狀態(tài)判斷“緊急停車(chē)”開(kāi)關(guān)狀態(tài)。比較器輸出低電平時(shí)，判斷為開(kāi)關(guān)閉合，外部“緊急停車(chē)”信號(hào)輸入。

當(dāng)15V二次電源濾波電容異常時(shí)，電容阻抗下降，導(dǎo)致15V二次電源電壓下降，當(dāng)二次電源電壓下降至低于13.5V時(shí)，圖1中B點(diǎn)電壓小于9V，比較器輸出低電平。處理器誤判定為“緊急停車(chē)”信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)電磁閥A線(xiàn)圈接通，發(fā)動(dòng)機(jī)斷油停車(chē)。

“緊急停車(chē)”信號(hào)誤采集邏輯框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)容錯(cuò)性分析

系統(tǒng)容錯(cuò)性是指元器件出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)仍具有完成基本功能的能力。容錯(cuò)性是系統(tǒng)安全性和可靠性的一種體現(xiàn)。本案例中FADEC系統(tǒng)同樣采用了雙通道余度設(shè)計(jì)，但主控通道的電容元器件失效，導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)異常停車(chē)，表明系統(tǒng)在容錯(cuò)設(shè)計(jì)方面存在一定不足。為了進(jìn)一步驗(yàn)證，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC系統(tǒng)進(jìn)行了半物理試驗(yàn)。

將電子控制器A通道濾波電容取下，接入滑動(dòng)變阻器，模擬電容失效阻抗下降效應(yīng)，進(jìn)行故障注入試驗(yàn)。在半物理模擬試驗(yàn)臺(tái)上，設(shè)定A通道主控，并將發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)到飛行狀態(tài)。緩慢調(diào)整滑動(dòng)變阻器阻值，在此過(guò)程FADEC系統(tǒng)采集到“緊急停車(chē)”信號(hào)，并執(zhí)行發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)控制。在此狀態(tài)下手動(dòng)切換至B通道主控，重新起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)能夠控制發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)和工作。整個(gè)過(guò)程出現(xiàn)的信號(hào)異?，F(xiàn)象與機(jī)理分析預(yù)期一致。

從故障機(jī)理分析可以看出，該發(fā)動(dòng)機(jī)的“緊急停車(chē)”信號(hào)經(jīng)過(guò)了FADEC系統(tǒng)內(nèi)部的二次電源電路調(diào)理，而二次電源的異常導(dǎo)致了“緊急停車(chē)”關(guān)鍵信號(hào)的異常采集。另外，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，主控通道異常采集到“緊急停車(chē)”信號(hào)，而此時(shí)備份通道信號(hào)正常，仍可以控制發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，但數(shù)控系統(tǒng)未能識(shí)別出主控通道的信號(hào)異常，從而未能及時(shí)進(jìn)行通道切換，導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)異常停車(chē)。綜上，該FADEC系統(tǒng)在容錯(cuò)設(shè)計(jì)方面至少存在以下兩點(diǎn)不足：

（1）關(guān)鍵信號(hào)引入了二次處理，導(dǎo)致了系統(tǒng)故障模式增加。

（2）雙通道之間信號(hào)相互獨(dú)立，但對(duì)于關(guān)鍵開(kāi)關(guān)量信號(hào)通道間無(wú)比對(duì)、表決等故障識(shí)別措施，系統(tǒng)自診斷以及容錯(cuò)能力不足。

3 FADEC系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)改進(jìn)及驗(yàn)證

3.1 容錯(cuò)性設(shè)計(jì)改進(jìn)