电传飞控检测系统设计研究

韩建辉 翦巍

摘要：本文论述了现代电传飞控的故障检测系统，介绍了典型的现代电传飞控系统的组成与技术特点。设计了基于专家系统的故障检测系统，专家系统由综合数据库、故障知识库、推理机、知识获取以及决策解释等组成。依据专家系统的原理建立了电传飞控系统的故障综合数据库与故障知识库，采用正向和逆向推理原理完成了推理机的策略设计，针对飞控系统高安全性要求，提出综合数据库的初始数据与检测方法以硬软件的形式驻留于飞控系统之中，故障知识库与推理策略在独立于飞控系统的故障检测系统中。本文对电传飞控系统的故障检测的实现有一定的实用性和推广价值。

关键词：电传飞控;故障检测系统;专家系统;推理策略;故障检测流程

中图分类号：V249.11 文献标识码：A

随着以计算机为代表的数字信息技术的发展，飞行控制技术进入到以闭环负反馈控制为基本原理的电传飞控系统技术。电传飞控系统技术使用了大量的集成电路、更复杂的控制软件、更多的控制回路和变量，相比早期的飞控系统复杂程度发生了质的变化，由此使得电传飞控系统的成品检验、总装后的通电检测、使用过程中的故障检测维护工作变得异常繁杂，给检测维护人员的工作带来了极大的挑战。传统的解决方法是对地面检测维护人员进行长时间的技术培训，需要学习飞控系统的技术特点和检测仪器的使用，遇到疑难故障还需要设计人员亲临现场排故，极为耗费人力资源。为解决该问题，本文以某型飞机为背景展开了电传飞控检测系统的设计研究。

本文根据电传飞控系统的组成特点对飞控系统的故障类型进行了分类。基于专家系统的故障检测体系架构原理，建立了基于某型机的飞控综合数据库和故障知识库，并确定了推理机的正向和逆向推理策略，利用知识获取和决策解释机制对专家系统进行数据库的更新和检测结果的解释。对专家系统的检测流程进行了软件设计并对典型的硬件检测电路进行了举例介绍。基于专家系统的故障检测系统将飞控技术专家的工程检测排故经验转化为软件数据库的形式存储于计算机中，利用合理的推理策略得到检测结果，给出检测结果的处理意见。可以大大减少地面检测维护人员的工作负担，节约人力资源。

1 电传飞控系统的组成与特点

以计算机技术为核心的电传飞控构成如图1所示。包括计算机子系统、传感器子系统、显示控制子系统、伺服作动子系统组成，外部与机电系统和航电显示系统通过机载总线交联。驻留在飞控计算机中的飞行控制律软件接收飞行员指令，并综合飞行姿态传感器解算出控制舵面运动的伺服作动指令，采用负反馈控制原理的飞行控制律可以实现飞机的俯仰、滚转与偏航控制、飞行边界保护、三轴增稳、自动配平、自动飞行等功能，同时减轻飞行员的工作负担，提高了飞行的安全性。现代电传飞控系统采用多余度技术、多控制回路、多控制通道、多种工作模态技术，是全时全权限的控制系统[1]。

2 基于专家系统的电传飞控故障检测

2.1 基于专家系统的故障检测体系架构

基于专家系统的故障检测系统本质为一个智能计算机程序，包含了电传飞控技术专家和工程技术人员多年的积累的知识和工程经验。将这些知识和工程经验进行抽象，转化为计算机可以识别的语言，利用基于人工智能算法编写的程序进行高效的推理，得出工程检测人员需要的故障定位、故障处理方法、故障原因分析以及维护保障建议。其体系结构如图2所示。

飞控综合数据库用于储存检测方法、输入激励、结果响应，以及推理过程中得到的中间结果;飞控故障知识库用于储存飞控技术专家和工程技术人员在故障检测中积累的故障处理方法、故障原因、维护保障建议等;知识获取为在故障知识库中获得飞控技术专家和工程技术人员的经验;推理机采用创建的推理规则和控制策略，根据综合数据库和故障知识库进行推理导出结论，使整个专家系统能够协调工作;解释决策对推理机导出的结论进行解释;人机接口为人机交互的程序界面，方便检测人员和技术专家使用和编辑。

2.2 飞控综合数据库和故障知识库的设计

基于专家系统的飞控故障检测使用计算机技术模拟飞控技术专家利用丰富经验和专业知识解决实际的故障的过程。在故障分析求解的過程中，推理机使用基于各种规则和算法的检索技术来实现该过程。要使推理能够高效的运行，飞控综合数据库和故障知识库的知识表示方式需要满足表达充分明确、获取便捷、易于实现计算机编码检索。根据多余度电传飞控系统的复杂性、测试点和测试性分析，故障按飞控系统的组成分为计算机子系统故障、传感器子系统故障、显示控制子系统故障、伺服作动子系统故障4大类，再根据各个子系统进行细分进而确定具体的故障单元模块，由于篇幅所限，仅对计算机子系统故障分解进行展示，如图3所示。

飞控系统完成故障分解后，确定每一个故障单元模块。综合数据库就是将技术专家对每一个故障单元模块的检测方法、输入激励、结果判定方法的经验汇总，其包含了丰富的技术专家故障检测经验。设计综合数据库需要对电传飞控系统的测试性有深入详尽的了解。综合数据库是由一组关系模式及对应该组关系模式的值的组成，综合数据的逻辑设计就是要设计数据库中各表之间的对应关系及表内各属性之间的关系[2]。表中的对应关系为一对一、一对多或者多对多，对应关系应合理使其既相互关联又相对独立保证数据的一致性。其中每一个故障单元模块、检测方法、参数需要描述清楚明确，见表1。

依据综合数据库确定具体的故障单元模块。故障知识库根据故障单元模块对应的故障代码确定最小的外场可更换单元（LRU），便于生产、外场人员的检测维护。同时提供故障原因分析和维护保障建议，可以使客户及早发现关联故障，工程技术人员及早发现设计缺陷，完善飞控系统及相关系统的设计。将飞机的安全性风险及早的消除掉。故障知识库见表2。

2.3 推理机策略

推理的过程是一个问题求解的过程，解答问题的质量取决于问题的求解方法。推理机求解问题的方法即为推理机的策略。推理机策略很多分为正向推理、逆向推理、确定性推理、不确定性推理[3]。本文将电传飞控系统的技术专家和工程技术人员的知识经验转换为产生式规则储存在综合数据库和故障知识库中。所以采用确定性推理，表示形式为：IF<条件集>THEN<结论集>。其正向推理方式举例如下：

IF检测解锁and人工设定Side stick Position=30mmand飞控系统处于直接链模态and延时T=100ms and（LiftAileron Position <14deg or Lift Aileron Position>15deg）and模拟量板正常THEN Lift Aileron故障。

IF检测解锁and总线板时间无刷新THEN总线板卡故障。

其逆向推理方式举例如下：

IF Elevator模型监控故障and Aileron模型监控故障and Rudder模型监控故障and THS模型监控故障THEN检查液压源。

IF大气数据故障and多路总线板卡正常THEN检查大气数据计算机。

推理机依据综合数据库和故障知识库建立完整精确的推理规则，不同的条件集合对应不同的结论集合。推理策略知识表达直观、形式统一、利于理解和解释。随着电传飞控系统的技术升级和使用时间增长，一些新的故障、故障检测方法、解决方法、故障原因分析及处理方法会产生，需要对推理机策略和综合数据库和故障知识库进行更新优化。

2.4 知识获取与决策解释

在专家系统初步设计完成后，飞控技术专家需要通过知识获取模块对综合数据库、故障知识库和推理机的数据内容进行确认检查，后期完成专家系统的更新优化。决策解释不但对专家系统的知识库和推理机策略进行解释说明，而且需要对检测结论给予清晰的、易于理解的解释。对于检测到的故障，给出故障对飞机功能的危害分析，给予检测人员明确简单实用的故障排除建议，故障对飞机功能的危害分析，定位故障单元模块，给出故障器件的拆卸、维修、安装、测试校正的详细步骤。决策解释模块使检测系统的使用更加简单，减轻对地面检测人员的压力。

2.5 专家系统的设计与检测流程

基于专家系统的飞控检测系统设计时，首先要根据飞控技术专家的工程经验制定飞控综合数据和故障知识库，知识库对专家经验的归纳要尽可能的详细全面，根据制定数据库确定推理机的推理策略，推理机的策略要准确高效。前期专家系统的算法确定后，后期软件编写入员通过软件来实现可以在计算机上运行的专家系统。知识库管理系统采用SQL Server 2008编写，程序设计语言采用Visual C++语言编写。知识获取模块和决策解释模块在检测系统软件设计时集成于人机接口模块，便于用户和飞控技术专家使用。基于专家系统的飞控检测系统的设计流程如图4所示。

飞控系统在加电启动以后，根据接收到的机轮轮载信号确认飞机的空地状态。在飞控系统确认飞机在地面状态同时接收到检测系统发送的检测解锁信号后才能进入系统检测状态。根据综合数据库的检测方法、激励值、初始状态对飞控系统或者部件进行检测，推理机根据响应和次数时间等确认系统或者部件状态是否正常。对部件和系统进行逐一的测试，最终记录检测结果。推理机根据检测结果查询检索故障知识库得出故障的处理方法、故障原因分析、维护保障建议。最终确定需要更换的器件，并给出器件的拆卸、维修、安装、校对检测方法步骤。检测系统的检测流程如图s所示。

3 飞控检测系统的硬件设计

飞控检测专家系统的综合数据库的检测方法、初始激励、结果响应，以及推理机的推理策略以硬软件的方式驻留于电传飞控系统之中，完成电传飞控系统的自检测功能。故障知识库的故障处理方法、故障原因分析及建议和推理机策略以硬软件的方式独立驻留于电传飞控系统的外部监测系统之中，便于地面检测维修人员使用。飞控检测系统在运行和故障时都不能干扰电传飞控系统的正常工作。

驻留于飞控系统内部完成电传飞控系统的自检测功能需在飞控系统的每一个重要元部件设置检测点。自检测的硬件电路包括自检测激励输入、模拟输入、离散输入输出回绕、模型监控等。图6为检测激励产生原理图。检测激励输出受检测解锁信号的约束，以保证安全性，同时检测激励还回绕到模拟多路器，这样软件能够检测到激励线路的正确性;图7为模型监控硬件电路，通过对工作硬件单元和其数学模型的輸出比较确定元部件是否工作正常。

独立于电传飞控系统的检测系统通过飞机驾驶舱的设备柜分离面的检测接口与系统交联。检测系统不仅可以实时接收飞控系统上报的状态与故障信息，而且可以利用故障知识库和推理机的策略得到故障处理方法、故障原因分析和建议等信息。对于复杂的系统故障，检测系统通过驾驶舱设备柜分离面将接口适配器串接在飞控系统之间，可以采用自定义的故障检测方法来实现故障的定位和解决。

电传飞控检测系统的硬件组成如图8所示。人机交互主机完成故障显示记录以及建立自定义的检测方法。实时仿真计算机与实时解算飞行控制指令的计算机以及其他子系统进行仿真信息的交换。接口适配器通过串接于飞机的飞控系统设备柜分离面实现总线信号、离散信号和模拟信号的仿真输入与状态接收。

4 结束语

现代飞机的电传飞控系统由于高可靠性和高安全性要求使系统采用多余度设计，从而使得飞控系统变得异常复杂。飞控电传检测系统在成品交付、总装生产、飞行后的维护大修中能够完成成品和系统故障的定位、给出故障处理方法及原因分析。电传飞控检测系统可以提高维护检测人员的工作效率，提高飞机的飞控系统的完好性和出勤率。检测系统的故障知识库和综合数据库在使用过程中随着技术的更新进行实时更新。本文提出的检测系统是实现快速高效检测复杂的电传飞控系统故障的一种方法。

参考文献

[1]章卫国，李爱军.现代飞行控制系统设计[M].西安：西北工业大学出版社，2009.

[2]Ealcorta G，Mfrank P.A novel design of structured observ-er-based residuals for FDI [C]//Proceedings of the Amer-ican Control Conference Diego California，1999：1341-1345.

[3]王亚南.专家系统中推理机制的研究与应用[D].武汉：武汉理工大学，2006.