溫軼群,段富海
(大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院,遼寧大連 116024)
預(yù)警機(Airborne Early Warning Aircraft,AEWA)的全稱是空中指揮預(yù)警飛機,其設(shè)置了完備的遠程警戒雷達任務(wù)系統(tǒng),主要功能是對海上或是空中目標(biāo)進行監(jiān)視與搜索,同時對己方飛機進行有效的指揮,使之順利執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。相較于常規(guī)的軍用運輸機,它在可靠性、航向控制精度以及飛行姿態(tài)精度等方面有更高的要求。隨著飛行任務(wù)復(fù)雜性與飛機性能的不斷提升,如果只依靠飛行員去操縱飛機,將分散飛行員注意力,無法有效地完成預(yù)警任務(wù),必須由自動飛行控制系統(tǒng)(Automatic Flight Control System,AFCS)來全部或部分代替飛行員控制各舵面和動力裝置,才能很好完成對飛機的操縱[1]。由于預(yù)警機承擔(dān)作戰(zhàn)指揮中心的作用,其AFCS失效或性能降低,可能導(dǎo)致預(yù)警精度降低,預(yù)警效果變差,輕則丟失目標(biāo),重則影響戰(zhàn)場全局。
AFCS是飛機的重要組成部分,是飛機總體設(shè)計的主要內(nèi)容,是一種可靠性和安全性要求極高的復(fù)雜實時控制系統(tǒng),由電氣、電子、機械和液壓等部件組成,其核心是自動駕駛儀。無需飛行員實施干預(yù),自動駕駛儀即可保持飛機的飛行姿態(tài),主要用于穩(wěn)定飛機的俯仰角、傾斜角和航向角,穩(wěn)定飛機的飛行高度和飛行速度,能夠與導(dǎo)航系統(tǒng)交聯(lián)實現(xiàn)自動導(dǎo)航,按導(dǎo)航信息自動操縱飛機升降以及轉(zhuǎn)彎,駕駛儀和地形雷達進行交聯(lián)可以實現(xiàn)對于地形的自動跟蹤,和儀表著陸系統(tǒng)進行交聯(lián)可以實現(xiàn)自動著陸。其它功能包括自動配平、改平與增穩(wěn)等。自動駕駛儀的組成包括慣性導(dǎo)航傳感器、飛控計算機、駕駛儀放大器、執(zhí)行機構(gòu)舵機、綜合反饋裝置與操縱裝置(駕駛儀操縱臺和耦合器操縱臺)等[2]。
現(xiàn)階段,用來進行復(fù)雜系統(tǒng)可靠性分析的主要方法包括(Goal-Oriented,GO)法與故障樹分析法(Fault Tree Analysis,F(xiàn)TA)。其中,前者在20世紀(jì)60年代被提出,主要用來分析武器系統(tǒng)的可靠性。該方法主要基于信號流描述系統(tǒng)與GO操作符,結(jié)合了概率公式方法和狀態(tài)概率組合法等,來開展可靠度概率計算,同時進行定量與定性的分析[3]。近年來,基于GO法的交叉理論研究不斷深入,已衍化出了GO-FLOW法和模糊GO法[4]等。GO法的應(yīng)用更加深入和廣泛,且功能逐漸完善,使用更加簡捷[5]。和FTA法相比,可以采用GO法來分析多狀態(tài)且更加復(fù)雜的系統(tǒng),尤其是在存在有液流、氣流與電流等各種物流的系統(tǒng)中,采用它來進行可靠性分具有良好的效果[3]。例如,金霞等[6]通過該法來探討了電動靜液作動器所具有的可靠性;此外,初雨田等[7]通過該方法研究了艦載機折疊翼控制系統(tǒng)所具有的可靠性;李媛媛等[8]通過該方法對車用發(fā)動機增壓系統(tǒng)所具有的可靠性進行了全面的探究;趙云云等[9]在該方法的基礎(chǔ)上,對廣州地鐵同相牽引供電系統(tǒng)進行了深入的研究,著重探討其可靠性問題;蘇麗娟等[10]主要通過該方法來對CRH3動車組當(dāng)中的輔助供電系統(tǒng)可靠性展開了深入分析;段富海[11]采用該方法研究了某型飛機電傳操縱桿的余度問題。
本文利用GO法定量分析了某預(yù)警機AFCS的可靠性。分析了飛機AFCS的結(jié)構(gòu),參照相關(guān)的原理圖將GO圖模型構(gòu)建起來,開展了可靠性的定量分析,同時還將所得結(jié)果與FTA法[12-13]展開橫向比較分析,對該法在預(yù)警機的自動飛行控制系統(tǒng)可靠性分析方面所具有的準(zhǔn)確及有效性進行研究。
某預(yù)警機AFCS結(jié)構(gòu)與工作原理如圖1所示。整個系統(tǒng)由3個最基本的回路構(gòu)成:伺服回路(舵回路)是駕駛儀的執(zhí)行回路,含放大器和舵機;駕駛儀回路(內(nèi)回路)實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定與控制;導(dǎo)航回路(外回路)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)交聯(lián),主要實現(xiàn)航跡控制和各種模態(tài)控制。飛機AFCS傳感器設(shè)備主要包括2套平臺慣性系統(tǒng)和2套捷聯(lián)航姿系統(tǒng)。
圖1 某預(yù)警機AFCS原理
駕駛儀回路是一個具有獨立功能的分系統(tǒng),當(dāng)接通自動駕駛儀時,駕駛儀計算機中的存儲器將記憶飛機飛行的即時姿態(tài),并把它作為基準(zhǔn)值。由飛機上的傳感器進行即時姿態(tài)的持續(xù)測量,再將所得數(shù)據(jù)傳輸至駕駛儀計算機中,并且和基準(zhǔn)值進行對比,最終形成了控制指令。
導(dǎo)航回路通過飛機上的導(dǎo)航系統(tǒng)和駕駛儀回路來進行交聯(lián),主要的作用是實現(xiàn)對于飛行模態(tài)的自動控制。在已經(jīng)接通了飛行模態(tài)之后,由計算機來接收交聯(lián)系統(tǒng)與傳感器的信號,再進行特定控制律計算,由此將會形成相關(guān)控制指令,并且向飛機駕駛儀計算機發(fā)送,最終實現(xiàn)了模態(tài)功能[14]。
在運用GO法進行系統(tǒng)可靠性分析的過程中,首先需要根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理構(gòu)建系統(tǒng)GO圖;其次基于其操作符相關(guān)運算規(guī)則,遵循特定的信號流序列,對每個操作符逐步進行運算,來完成系統(tǒng)各狀態(tài)的概率計算;最終,將可獲得系統(tǒng)成功運行的精確概率[15]。
在對AFCS主要組件功能進行分析之后,需結(jié)合17種操作符所具有的主要特點,轉(zhuǎn)化系統(tǒng)原理圖,得到圖2所示的GO圖[16]可靠性分析模型。在該圖中,各個組件和GO法操作符之間所存在的對應(yīng)關(guān)系和可靠性如表1所示。狀態(tài)值0、1與2分別對應(yīng)于組件的提前狀態(tài)、成功狀態(tài)及故障狀態(tài)。
圖2 某預(yù)警機AFCS的GO圖
表1 某飛機AFCS操作符數(shù)據(jù)
在圖2中,通過第5類信號發(fā)生器操作符來代表指令信號與控制信號;此外,還通過第1類兩狀態(tài)單元操作符來代表執(zhí)行機構(gòu)、駕駛儀放大器、姿態(tài)傳感器、模態(tài)傳感器、機上交聯(lián)系統(tǒng)、駕駛儀操縱臺以及耦合器操縱臺等,并且采用第3類觸發(fā)發(fā)生器操作符表示飛控計算機和駕駛儀計算機。
圖2中,一方面,信號5包含在信號12的輸出表達式中;另一方面,信號12又反過來影響信號5的輸出概率,這種現(xiàn)象即為信號反饋。本文采用直接將反饋斷開,閉環(huán)變?yōu)殚_環(huán),然后再沿信號流進行計算的方法。
根據(jù)表1所列的數(shù)據(jù),本文采用了狀態(tài)累積概率算法來開展GO運算[17],那么關(guān)鍵信號流所對應(yīng)的表達式具體為:
(1)信號流5
式中:PRj(i)為輸出為i時信號流j的狀態(tài)概率;PSj(i)為輸入為i時信號流j的狀態(tài)概率;Pcj(i)為操作符狀態(tài)為i時信號流j的狀態(tài)概率。
結(jié)合表1數(shù)據(jù),計算得到
即飛機AFCS提前狀態(tài)值為7.2×10-9;正常運行的概率為0.999 999 983 9。
作為重要的圖形演繹法,故障樹(FTA)法可被用來進行系統(tǒng)可靠性分析、風(fēng)險評估及安全性分析等工作[13]。FTA法通過對系統(tǒng)的分析和建模,得到系統(tǒng)的FTA圖,然后進行系統(tǒng)的可靠性分析,定量計算得出系統(tǒng)的可靠度。以某預(yù)警機AFCS故障為頂事件,建立飛機AFCS的故障樹,如圖3所示。
圖3 某預(yù)警機AFCS的FTA圖
由故障樹頂事件的計算方法可得:
整理可得:
故某飛機AFCS正常運行的概率為:
式中:λi為第i個事件發(fā)生概率;Pi為第i個事件不發(fā)生概率。
表2詳細地列出了故障樹當(dāng)中各底事件的發(fā)生概率,通過故障樹頂事件的計算方法可分別計算出飛機AFCS正常運行和失效的概率,即
表2 各底事件數(shù)據(jù)
GO法和FTA法都是有效的系統(tǒng)可靠性分析方法,二者都以圖形的方式描述系統(tǒng)并進行建模,但對于不同的研究對象,適用性有一定差異。
(1)在建模過程中,GO法以成功為到導(dǎo)向,從GO圖輸入操作符的成功狀態(tài)開始,假設(shè)系統(tǒng)各部件都處于正常狀態(tài),按照信號流序列,對每個操作符逐步進行運算,直至輸出系統(tǒng)成功的狀態(tài)概率;而FTA法是以故障為導(dǎo)向,以系統(tǒng)故障為頂事件,逐層分析故障原因,直至各底事件發(fā)生,并構(gòu)建FTA圖。GO法更能清晰地反映系統(tǒng)各組件之間的邏輯關(guān)系,而FTA法更能清晰地描述系統(tǒng)故障的原因,方便故障維修排除。
(2)在定量分析時,GO法根據(jù)操作符的運算規(guī)則,按照信號流序列,采用狀態(tài)組合算法或概率計算公式,可以直接分析計算出系統(tǒng)成功運行概率的精確值;而FTA法需先求出最小割集的概率,進而才能逐步計算出系統(tǒng)故障頂事件的近似概率值。
(3)由以上分析可知,GO法和FTA法分析的結(jié)果大體一致,但是仍有差異。究其原因:在GO法分析中,考慮了計算機在實際運行時可能會發(fā)生提前動作的情況,對應(yīng)的系統(tǒng)產(chǎn)生動作的概率為7.2×10-9,而FTA法只能考慮部件的兩種狀態(tài),即成功運行和故障,因此運用GO法分析系統(tǒng)的可靠性時更加全面。
(1)預(yù)警機擔(dān)負對海、對空目標(biāo)的監(jiān)視與搜索,并指揮己方飛機執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù),由于其任務(wù)的特殊性和重要性,預(yù)警機對飛控系統(tǒng)的飛行控制精度、可靠性和安全性要求更高。
(2)分別采用GO法與FTA法定量計算了某預(yù)警機AFCS可靠性,同時還比較了它們各自的建模與計算過程,得出這兩種系統(tǒng)可靠性分析方法所計算出的系統(tǒng)成功運行概率基本一致,最終全面地驗證了GO法在該可靠性分析工作中具有良好的準(zhǔn)確性與較高的可行性。
(3)飛機AFCS屬于典型的多狀態(tài)復(fù)雜系統(tǒng),相比于FTA法只能描述兩狀態(tài)無時序系統(tǒng),GO法不僅能很好地描述多種狀態(tài)事件,同時還能應(yīng)用于有先后順序或時序要求的多狀態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性分析,因此通過該方法來研究相關(guān)問題具有更好的科學(xué)合理性,更加貼近系統(tǒng)的實際工況。所以,GO法具有更高的精確性與真實度。