一种高升力系统卡位信号的算法设计

梅存浩

(上海飞机设计研究院，上海 201210)

0 引言

高升力系统是民用飞机的关键分系统之一，它通过控制缝翼和襟翼的运动来改变机翼的弯度和面积[1]，从而提高飞机的增升效果，减少飞机起飞或着陆时的滑跑距离[2]。通常由飞行员在中央操纵台上操纵襟/缝翼控制手柄(简称手柄)来驱动襟/缝翼翼面运动[3-4]。手柄上物理卡位的变化会通过传感器将信号发送给高升力系统计算机(简称计算机)，计算机检测到传感器信号后会通过算法处理形成命令卡位，并将命令卡位转换成翼面角度指令后发送给动力驱动装置，动力驱动装置输出旋转扭矩，通过扭力管、支撑轴承、角齿轮箱等传动线系部件传递给齿轮旋转作动器，进而驱动襟/缝翼翼面运动[5-6]，安装在传动系统末端的位置传感器将襟/缝翼翼面位置信号反馈给计算机，准确地控制襟/缝翼到达指令位置并通过刹车装置将翼面锁定在指令位置。

通常计算机会接收手柄传感器的四个输入信号。传统的算法是将这四个输入信号直接生成每个通道的命令卡位，并通过相互比较得到表决后的命令卡位。但该算法存在两个缺陷，一是当手柄短暂通过手柄卡位信号无效的区域时，会产生无效的卡位信号，继而对后续的命令卡位信号计算造成影响。二是由于不同通道之间信号的传输存在延时，导致表决后的命令卡位并非始终一致，以至于转换成的翼面角度指令也不同，造成襟/缝翼半速等问题。

本文提出了一种高升力系统卡位信号的算法，该算法能够实现将手柄传感器的四个输入信号通过2×2余度架构的计算机转换成表决的命令卡位信号，使得四个通道的命令卡位信号正确且一致，并通过实验验证该算法具有较强的鲁棒性。

1 高升力系统简介

1.1 高升力系统架构

本文所述的高升力系统具有两个双余度的计算机，每个计算机由两个核心控制模块(分别为指令模块和监控模块)和一个作动器控制模块组成。每个核心控制模块会接收一路手柄传感器的信号并进行内部运算，作动器控制模块用于生成指令驱动动力驱动装置中的马达运动。每个动力驱动装置内都有两个马达，这两个马达分别由两个不同的计算机中的一个作动器控制模块控制。

在数据传输上，单个计算机中的两个核心控制模块由跨通道的数据链路总线传输，两个计算机之间的核心控制模块由跨计算机的数据链路总线传输。

1.2 襟/缝翼控制手柄卡位的定义

襟/缝翼控制手柄为飞行员提供指令接口[7-8]。本文所述的手柄具有五个可选择的手柄卡位，分别为0、1、2、3和4卡位。操纵时，飞行员需要提起手柄并将其移动到所选择的卡位上。该手柄装有两个传感器，每个传感器通过两个独立的负载电路连接到手柄上。每个传感器都会由计算机进行激励并向两台计算机各发送一路传感器的信号。

手柄的卡位定义如图1所示。在传感器的满量程范围内，存在手柄卡位的有效区域和无效区域。当手柄在一个有效的卡位范围内停留超过一定时间后，计算机会更新卡位指令到已选择的位置。如果手柄不在一个有效的卡位范围内，计算机将会保持上一次的有效卡位。

图1 手柄的卡位定义

2 襟/缝翼控制手柄卡位信号的算法设计

在信号传输方面，每台计算机的指令通道和监控通道会各自接收到一路从手柄传感器传来的信号。传统的算法中，该信号会被直接用于生成命令卡位信号，但因为在手柄的运动过程中，会短暂通过手柄卡位信号无效的区域，若因此产生无效的卡位信号，则会对后续的命令卡位表决造成影响。故在本文的算法中增加了手柄卡位信号有效性的确认环节，并设计了手柄卡位信号的表决算法，用于后续的命令卡位计算。手柄卡位信号的算法如下：

1) 设置单台计算机手柄位置信号无效的监控器，在以下两种情况，该监控器会被触发：

(1) 在单台计算机中，两个通道的传感器度数都小于0卡位的最小有效度数α；

(2) 在单台计算机中，两个通道的传感器度数之差的绝对值大于某个阈值β。

2) 一旦单台计算机内的手柄位置信号无效的监控器被触发，其故障信号将与另一台计算机对应的监控器进行比较，并根据比较结果发出相应的告警信息。

3) 在单台计算机中，取两个通道的传感器度数的平均值，若该值在手柄卡位的有效区域内保持时间超过ts，则在指令通道或监控通道上得到确认的手柄卡位有效信号，并把手柄卡位的有效性状态设置为1。

4) 在单台计算机中，若两个通道的手柄卡位信号相同，手柄卡位均有效，没有手柄位置无效的监控器被触发，则在计算机内部获得表决的手柄卡位信号。否则，表决的手柄卡位信号依然维持上一次有效的手柄卡位信号。表决的手柄卡位信号会传输到总线信号上，并参与到命令卡位的判断逻辑中。

手柄卡位信号算法的图形化描述如图2所示。

图2 手柄卡位信号的算法

3 襟/缝翼命令卡位选择的算法设计

通过上一章的算法，计算机会获得四个通道表决的手柄卡位信号。该信号会与计算机外部所收到的信号一起参与到襟翼自动收回功能、襟翼载荷减缓功能、缝翼低速/大迎角锁定功能以及襟/缝翼巡航锁定功能等高升力系统自动功能的计算中。通过上述自动功能的计算，可得到四个通道的襟/缝翼命令卡位信号[9]。若直接将这四个信号进行表决，则可能由于不同通道之间信号的传输存在延时，导致不同通道间的命令卡位会存在某些时刻不一致的现象，一旦不一致的时间超过了一个阈值，就会触发襟/缝翼位置指令不一致的监控器，从而导致襟/缝翼半速现象的发生。本文提出了将两台计算机设为主-备关系的算法，可有效地解决命令卡位表决时鲁棒性不强的问题，具体的算法如下：

1) 将两个计算机设为主备关系，其中计算机1为主计算机；

2) 若计算机1中两个通道的命令卡位信号一致，且都没有手柄位置信号无效监控器被触发，则表决的命令卡位为计算机1中两路一致的命令卡位；

3) 若计算机1中两个通道的命令卡位信号一致，但是某个通道有手柄位置信号无效监控器被触发，则判断计算机2中两个通道的命令卡位信号是否一致，若一致，且都没有手柄位置信号无效监控器被触发，则表决的命令卡位就是计算机2中两路一致的命令卡位；

4) 若计算机1中两个通道的命令卡位信号不一致，则同样判断计算机2中的两个通道的命令卡位信号是否一致，若一致，且都没有手柄位置信号无效监控器被触发，则表决的命令卡位就是计算机2中两路一致的命令卡位；

5) 其他情况下，表决的命令卡位将维持上一次有效的命令卡位。

襟/缝翼命令卡位选择算法的图形化描述如图3所示。

图3 襟/缝翼命令卡位选择的算法

4 实验验证

为了验证上述算法的可靠性，搭建了实验测试平台。平台主要包括手柄、计算机以及数据采集装置[10]。实验时，将手柄从0卡位依次放到4卡位，再从4卡位依次收到0卡位，作为一个循环，并采集每个通道最终输出的命令卡位以及高升力系统的故障状态，共做500个循环，来测试系统的鲁棒性。首先用传统的算法进行测试，测试结果出现了3次命令卡位不一致的现象，从而导致襟/缝翼半速运动现象的发生，如图4所示。

图4 传统算法的测试结果

接着，用本文所述的算法进行了测试，500次的测试结果均正常，没有襟/缝翼半速运动现象的发生，证明了本文算法的鲁棒性较强，如图5所示。

图5 本文算法的测试结果

5 结论

本文提出了一种高升力系统卡位信号的算法。该算法能够实现将手柄传感器的四个输入信号通过高升力系统计算机转换成表决的命令卡位信号。通过在手柄卡位信号的算法中增加信号有效性的确认环节，以及在命令卡位信号的算法中加入将两个计算机设为主-备关系，并进行表决计算的环节，可以有效地避免传统算法中由于信号传输延时导致的不同通道间命令卡位信号不一致的问题，并通过搭建实验测试平台，验证其算法的鲁棒性较强，对国内民用飞机高升力系统的设计有一定的借鉴作用。