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1、带模拟电备份的F A D E C 系统的可靠性研究薛丹，过玲( 中国一航动力控制系统研究所无锡2 1 4 0 6 3 )摘要：本文对图内目前航空发动机数字电子控制系统( F D E c S ) 的三种余度型式进行了舟绍：数控双通道、数控双通道+ 液压备份、数控双通道+ 模拟电备份论文着重研究了数控双通道+ 模拟电备份系统的可靠性及其采取的可靠性措施，并与数控双通道、数控双通道+ 液压备份两种系统进行了比较对其可靠性、维修性方面的优劣进行了分析目前该系统芷在进行验证机试验关t 调t 航空发动机；队D E c s ；可靠性；数控双通道：模拟电备份；容错1 概述自二十世纪八十年代以后，国外新研制的发
2、动机广泛采用了全权限数字电子控制系统( F A D E C S ) ，这标志着F A D E C 技术在发达国家已经实现了商品化和产业化。F A D E c S 以其众所周知的诸多优点逐渐取代了传统的液压机械式控制系统。我国用了二十多年的时间，走完了第一代航空发动机F A D E c s 预研的全过程，于2 0 0 2 年完成了飞行演示验证：目前正在进行第二代航空发动机F A D E c S 的研制。在现代航空发动机F A D E c S 的研究中，系统可靠性占有极其重要的地位。可靠性工程是F A D E C 系统研制中的重要组成部分。发动机对数控系统的功能和性能要求越来越高，数控系统本身日益
3、复杂，带来了系统可靠性和安全性的下降；严酷的应用环境对数控系统高可靠性、高安全性等综合特性的实现提出了更大的挑战，发动机数控系统的可靠性显得更加重要。开展可靠性工作的目标就是确保新研制和改型的装备达到规定的可靠性要求，保持和提高现役装备的可靠性水平。2F 加E c 系统介绍装有双发以上的飞机，如果一台发动机故障不会发生灾难性的情况，飞机仍可以单发飞行只是任务降级：但对于单发飞机而言。这样的故障将是灾难性的。因此F A D E c 系统应用在单发飞机上时其可靠性要求将很高，丽目前国内实际上单发飞机主要采用成熟的机械液压控制系统，为了便于说明，本文分析单发情况下的F A D E c 系统。目前国内
4、F A D E c 系统的结构形式有三种，第一种系统是数控双通道热备份，一般情况下一个通道为主控，另一个通道处于热备份状态，一旦主控通道失效时，平滑地切换到备份通道进行控制，完成控制系统的所有功能。第二种是数控双通道+ 液压备份，第三种是数控双通道+ 模拟电备份，当发现并确定数控双通道故障时，系统切换备份控制，双通道之间、数控通道与非数控备份之间的切换由逻辑设计电路自动完成、也可设计为由外部手动开关来进行切换。以上介绍的三种F A D E c 系统的任务可靠性框图如图l 图3 所示。F A D E C 系统主要由传感器、数字电子控制器、控制软件、电气系统、液压执行机构等组成。电子控制器是数字式
5、电子控制系统中的硬件核心，每个硬件通道的基本硬件在三种系统中没有区别，主要包括信号输入、控制计算和信号输出等功能模块，每个通道由一个或两个c P U 进行控制和运算，双通道间由通讯接口进行数据和控制信号的通讯。本文的分析中只考虑对安全非常重要的元件，并假设这些元件的故障是不可修复的且相互独立的；另外，本文分析中假设控制软件的可靠度为1 。图l 数控双通道热蔷份F A D E C S 任务可靠性框图圈2 数控双通道+ 液压备份F A D E C S 任务可靠性框图图3 数控双通道+ 模拟电备份F D E C S 任务可靠性框图3 模拟电备份通道可靠性国外第三代航空发动机数控系统由于其自身的高可靠
6、性，已经不再使用机械液压式备份。国内的数控系统目趋成熟，目前进行了数控双通道+ 模拟电备份的尝试。这种设计方式优点在于数控系统余度变为三余度，模拟备份通道与数控通道之间为非相似余度，数控系统任务可靠性增加，而且较之机械液压备份装置简单、轻便、经济，便于设计、加工、修改，易于监控、故障定位、维修；但由于模拟备份通道增加了额外硬件( 包括模拟备份通道输入、输出、控制单元，以及模拟备份通道用的传感器和电液伺服机构、电磁阀转换机构等) ，系统基本可靠性下降，因此需要对系统的可靠性进一步进行分析而得出结论。3 1 结构、原理数控双通道+ 模拟电备份的三通道F A D E C 系统由传感器、数字电子控制器
7、、控制软件、电气系统、液压执行机构等组成。转速、主燃油流量、压气机导叶角度和喷口面积等关键传感器为双余度或三余度，其中每个参数的一个传感器或传感器的一个线圈用于模拟电备份通道；液压执行机构包括主燃油供油装置( 含主燃油泵) 、主燃油分配器、加力燃油泵、加力喷口控制装置、加力燃油分布器、喷口油源泵、喷口泵控制附件。系统采用两个硬件上完全相同而软件采用非相似余度的数控通道互为备份，另外增加一个完全独立的模拟通道，满足对主燃油、压气机导叶角度和喷口面积最基本的控制要求。在正常的情况下由数控通道完成对发动机的起动逻辑控制、主燃油流量控制、加减速控制、加力燃油流量控制、喷口面积控制、风扇进口可调叶片角度
8、控制、压气机进口静子叶片可调角度控制、防喘与消喘控制功能和超转、超温限制等功能，当数控系统功能失效时系统平稳切换到模拟电备份控制，由模拟电备份控制发动机的主燃油流量、压气机进口静子叶片可调角度和喷口面积，保证发动机安全工作和飞机安全返航。数控通道中的传感器故障处理原则如下：对于双余度传感器，其中一个传感器出现故障时，数控系统应能保持正常工作；对于感受关键参数的传感嚣( 双余度传感器都出现故漳)故障时，数控通道退出工作；对于感受重要参数的传感器故障时，数控系统减少控制功能：对于感受一般参数的传感器故障时，数控通道仅进行报警处理。3 2 容错设计论文所分析的数控双通道+ 模拟电备份系统，为了达到高
9、可靠性，设计中采用了以下容错技术。3 2 1 余度设计余度技术是提高系统任务可靠性与安全可靠性的一种手段。若采用一般提高系统可靠性的方法( 如筛选元器件) ，付出的代价很大。试验证明元器件成倍淘汰，费用也成倍增加，但故障率下降不大。因此可靠性提高并不显著，也难以达到航空发动机F A D E C 系统要求的可靠性指标。采用余度技术，就可以用可靠度不太高的组件组成高可靠或超高可靠的系统从而将系统的故障率降低数个量级，因此采用余度技术可使F A D E C 系统代替传统的机械液压式控制装置，来满足安全、任务可靠性指标要求。但是余度技术的采用是有代价的，它是以超常规所需的资源来换取高可靠性，同时使系统
10、重量、体积、复杂性、费用和设计时间增加。而复杂性的增加将造成非计划维修的增加，即增加了维护任务。因此采用余度技术，在提高系统安全、任务可靠性的同时，相应的降低了系统的基本可靠性平均无故障间隔时间( 1 I T H E ) 。所以，整个余度系统的设计需从可靠性、重量、体积、复杂性、费用、维修性和设计时间等因素全面权衡考虑。此外，采用余度技术时，应注意余度单元数量不宜过大。以简单并联系统为例，当附加余度单元超过一定数量时，可靠性提高的速度将明显减慢，不是并联及余度单元越多越好，并联余度单元数对可靠性的影响如图4 所示。l _ 210 345 并联数( n )图4 并联余度单元数对可靠性的影响，u2
11、l1lIllIv捌窘枢鞘g臣皂臻峨本文所分析的数控双通道+ 模拟电备份系统，采用了余度设计，其中数控双通道硬件部分为相似余度设计，软f f | ：部分为非相似余度设计；数控通道与模拟电备份通道之间为非相似余度。3 2 2 重构设计重构是指余度系统故障时，系统可以转入新工作结构而采用的余度管理措旌，因此，重构技术是余度技术的重大发展。本文所分析的数控双通道+ 模拟电备份系统，其数控通道部分进行了重构设计，包括硬件重构技术和软件重构技术。按实现的功能部分分析硬件重构是传感器余度的重构；软件重构是控制律的重构，即只设置最少的二余度，依靠计算构成附加余度信号的解析余度法，重新设计控制律。重构技术的主要
12、内容是控制律的重新设计问题，一般不严重的故障可以通过自适应技术等来处理，较严重的故障通过重构来解决。采用了重构设计以后，数控双通道+ 模拟电备份系统的任务可靠性框图变成了如图5 所示。圈5 数控双进道+ 液压备份F A D E C S 任务可靠性框图( 可重构)3 2 3 错误诊断和自检故障监控覆盖率是余度系统设计优劣的一个重要评价参数，覆盖率是指故障事件出现时，故障被检测、隔离、系统重构后继续正常工作的条件概率。由以上定义可见，余度系统的设计，在部件故障率一定的条件下，欲提高系统可靠度，实现既定的故障一工作余度等级，仅增加余度数是不够的，关键是如何设计更好的故障监控方式，以提高对故障的监控能
13、力。提高故障监控的覆盖率。近年来箍着计算机技术、电子技术、传感器技术、信号处理技术的飞越发展，使故障诊断和自检技术逐渐完善，在航空工程应用中也发挥越来越犬作用。通过故障诊断和自检设计发现有问题的部件，采取相应的故障定位、故障隔离和系统重构等措施，以减少和弥补由于故障发生而给整个发动机数字电子控制系统带来的影响和危害。本文介绍的数控双通道+ 模拟电备份系统用软件实施错误诊断和自检，在每个控制模块的计算单元运行。错误诊断和自检的项目主要包括：检测控制计算单元的故障；检测输入部件( 传感器、输入单元) 、输出部件( 作动伺服阀的电子部分和输出单元) 的故障。这些检测和自检措施形成了获得错误检测高覆盖
14、率和错误测试低潜伏的基础，这个基础是我们研究应用所需要的。另外，由于采取了故障监控和自检设计，系统的维修可以用视情维修取代定时维修等维修方式，这样可以避免维修的盲目性，从而节约开支。3 3 可靠性分析数控双通道+ 模拟电备份F A D E C 系统的余度等级是单通道故障一工作，双通道故障一安全；而数控双通道的结构型式的余度等级是单通道故障一工作，双通道故障一失效。这里只分析数控双通道十模拟电备份系统中对安全非常重要的电子元部件，可靠性数据见下表：表l带模拟备份的数控系统可靠性数据故障牢 ( 1 0 1 )组成部件 数控单通道模拟通道传瘪罂1 6 81 0 5 5电源1 9 5 41 5 8 7
15、输入单元1 1 0 2 87 2 6 0控制计算单元5 2 9 07 8 7 0输出单元3 2 3 64 4 5伺服及转换装置3 07 5x2 6 1 8 81 8 9 6 7按表中的元部件单元和可靠性数据对数控双通道和数控双通道+ 模拟电备份的基本可靠性分别进行计算，计算结果如下：五数控双通道= 2 x 兄数控单通道+ 五执行机构= 2 x 2 6 1 8 8 x 1 0 _ 6 = 5 2 3 7 6 x 1 0 却1脚数控双通道= 了二= 1 9 0 9 J ，J 3、时 数控双通道A 数控双迸道4 - 模拟备份= 2XA 数控单通道+ 名模拟通递= 5 2 3 7 6 l O “+ 1
16、 8 9 6 7 l O 一6 = 7 1 3 4 3 l O “1 贮阳呈F 数控双通道+ 模拟备份= - _ 二一= 1 4 0 1 7 小时“数控双通道+ 模拟备份按图5 的任务可靠性框图分别进行数控双通道和数控双通道+ 模拟电备份的任务可靠性计算，计算过程中假设故障覆盖率为1 。运用可靠性软件进行仿真计算，该软件用蒙特卡罗方法进行仿真。在进行仿真分析之前，对仿真属性进行设置，设置系统的工作时间为1 0 0 0小时，仿真最大时间为1 0 0 0 0 小时、仿真次数为1 0 0 0 0 次。仿真得到系统的平均无故障时间如下：M T B F t 女控双通道= 7 1 2 3 8 小B 寸 f 了B f I 教控艰逼道+ 模拟鲁骨= 9 0 5 1 7 小时从以上计算结果可见，增加模拟电备份通道以后系统基本可靠性虽然降低了，但任务可靠性指标M I B F 由7 0 0 0 小时增加到了9 0 0 0 小时。由于采用了故障监控和自检设计措施，可以弥补基
