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0 引言
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高升力系统是民用飞机的关键子系统之一，对飞行安全性和性能有重要作用。高升力系统在起飞和着陆阶段，通过改变机翼弯度和增加机翼面积，提高飞机的升力和阻力，同时改善飞机的失速特性[1]。飞行时，驾驶员通过移动驾驶舱内的襟缝翼控制手柄（以下简称手柄）控制襟缝翼的收起和放下来调控飞机的升力和阻力。手柄传感器将手柄位置信号传递给襟缝翼计算机（以下简称计算机），在计算机内进行计算得到襟缝翼位置控制指令，控制襟/缝翼PDU（动力驱动装置）中的马达转动，进而驱动翼面运动[2]。考虑到民用飞机的安全性要求很高，高升力系统按照失效安全理念设计，计算机、襟翼PDU、缝翼PDU均采用双余度配置[3]。为了提高信号的可靠性，计算机会对接收的手柄传感器信号进行监控和表决处理，最终输出一个有效的襟缝翼卡位信号完成系统某项功能[4]。梅存浩提出将两台计算机设为主备关系的表决算法，该算法对计算机的软件集成度要求较高，将襟翼通道和缝翼通道集成在一个CPU（核心处理单元）中[5]。本文提出的交叉匹配表决算法对计算机的软件集成度要求较低，可用于襟翼和缝翼通道独立的架构，在此基础上对算法改进，能够规避由于信号传输延迟等原因导致系统半速运动的问题，通过增加计数器的设计，避免由于襟缝翼精度不够使故障隐藏，保证了飞行安全。
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1 计算机和手柄的电气接口关系
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现代民用飞机高升力系统一般采用双余度计算机。手柄一般采用RVDT（旋转可变差动变压器）和电位计两种形式的传感器[6]，本文以RVDT为例进行分析。FSCL（襟缝翼控制手柄）包括4路RVDT传感器，分别与计算机的缝翼通道和襟翼通道相连接，如图1所示。其中RVDT1与计算机1襟翼通道连接，RVDT2与计算机1缝翼通道连接，RVDT3与计算机2襟翼通道连接，RVDT4与计算机2缝翼通道连接。
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图1 计算机和手柄的接口架构
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2 和值监控算法
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监控器依据信号本身的属性或余度信号间的关联，通过某种计算方法判断接收的信号是否有效，监控器的结果可能会影响表决结果，因此监控器设计非常重要[7]。
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每一路RVDT传感器有Va和Vb两个信号，襟缝翼计算机内的连续BIT（机内自检测）功能通过对Va和Vb进行和值监控进行判断，若Va和Vb的和值不在有效范围内，则通告该传感器信号无效，否则传感器信号有效。计算机通过对Va和Vb信号解调，计算得到FSCL电气行程角度。具体的算法逻辑图如图2所示。
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图2 和值监控算法
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3 表决算法
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3.1 交叉匹配算法
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表决器的核心是将多余度信号综合成为一个可靠性更高的信号用于完成某项功能，表决器可能会应用监控器的结果[8]。
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一个FSECU（襟缝翼计算机）通道首先将FSCL卡位的电气行程的无效门限设定为一个较大的阈值，记为αmax，即FSECU接收到FSCL卡位的电气行程后，经过换算，发现没有落入[某一卡位名义值+αmax]范围内，则直接判定该路传感器信号无效。若换算后的电气行程落入了[某一卡位名义值+αmax]范围内，该通道将该卡位的电气行程的有效门限重新设定为一个较小的阈值，记为αmin，若电气行程落入到[某一卡位名义值+αmin]范围内，则该通道依据该电气行程数值生成一个新的卡位指令。
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该通道将新的卡位指令和其他三个通道的卡位指令在某个时间窗口t内比较，若有至少一个卡位指令与之相同，则判定该通道的卡位指令有效。若四个通道中有两个通道率先完成了匹配，为提高系统鲁棒性，剩余的两个通道可将阈值由αmin放宽至αmax，即判断换算后的电气行程是否落入[某一卡位名义值+αmax]范围内，若该通道重新生成的卡位指令与其他三个通道的卡位指令仍不相同，则判定新的卡位指令无效，并继续使用上一个有效的卡位指令。该算法的逻辑框图如图3所示。
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图3 交叉匹配算法
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3.2 算法改进
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在实际过程中，会存在计算机通道采集FSCL传感器信号、软件计算周期、不同通道间信号波动、以及FSCL传感器与其他元件的误差等因素。上述因素的累加会使得通道之间生成卡位指令不一致的现象。若采用本文的交叉匹配算法生成卡位指令，例如若某一通道生成的卡位指令与其他三路通道生成的卡位指令不一致，则该通道判定卡位无效，因此不会发送控制信号给对应的PDU马达，对于该通道襟翼或缝翼控制单元相当于未产生与其他三个通道一致的襟缝翼运动指令，但是襟缝翼已经按照另外三个通道一致的指令驱动系统运动，触发了该通道控制单元的非指令运动监控器，最终导致出现襟翼或缝翼半速运动的现象。
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为了减少这种襟翼或缝翼半速运动发生的概率。本文对交叉匹配算法做出如下改进。
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1）当四个通道生成的卡位指令相同时，则每个通道都判定本通道生成的卡位指令是有效的，即判定是新的系统指令。此时每个通道输出的指令为一致的系统指令。
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2）当某一通道生成的新系统指令与其他三路通道生成的系统指令不一致，根据举手表决，少数服从多数，该通道（少数）会采用其他通道（多数）的卡位指令作为有效指令。最后每个通道输出的指令为一致的系统指令。
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3）当四个通道生成的卡位指令两两不一致，例如:当襟翼通道1和襟翼通道2生成的指令为a卡位，缝翼通道1和缝翼通道2生成的指令为b卡位，且a不等于b，如果按照交叉匹配算法，则会出现襟翼到a卡位，缝翼到b卡位的情况，且襟缝翼计算机不会有告警显示，这不符合襟缝翼构型和卡位的对应关系，应该避免。计算机通道会将新的卡位指令与上一个有效的卡位指令进行比较，若两个指令不一致，则判定新的卡位指令是有效的。在上一个例子中，若四个通道的上一个有效的卡位指令皆为a，则襟翼通道1和襟翼通道2会采用卡位指令b作为有效的卡位指令。
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4）当某一通道生成的新系统指令与其他三路通道生成的系统指令不一致或者四路通道生成的系统指令两两不一致发生时，襟缝翼计算机内部的计数器counter加1，当counter计数超过3次时，会触发相应的通道故障。则该通道判定新卡位指令无效，因此该通道进入了失效安全状态，不再工作。高升力系统将出现襟翼半速或缝翼半速。改进后的算法示意图如图4所示。
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图4 交叉匹配算法的改进
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4 仿真结果及分析
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在MATLAB &Simulink环境下，对上述襟缝翼手柄信号监控表决算法及改进算法分别搭建仿真模型，仿真模型的运行频率240 Hz，求解器选择ODE4[10-11]。一共对四种场景进行验证，并将改进后的算法结果和原始算法结果对比，场景1下原始算法和改进后的算法结果一致，输出结果未做区分。
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4.1 四路通道一致
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当四路通道手柄卡位一致时，改进后的算法结果和原始算法结果一致。FSCL从0到1卡位，表决后的手柄卡位如图5所示。
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4.2 一路通道与其他三路通道不一致
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当一路通道与其他三路通道不一致且超过时间范围，传统交叉匹配表决算法会让不能匹配的通道无效，其他三路通道表决出一致的手柄卡位。FSCL从0卡位移到1卡位，传统表决算法结果如图6所示，在3.0 s时，襟翼通道1未和其他三个通道匹配，且超过时间范围，最终输出卡位为-1（即无效卡位），而其他三路通道都输出正确的1卡位。改进后的算法会对四路通道新生成的指令进行投票，最终输出以多数通道表决出的指令为准。改进后的算法结果如图7所示，在2.5 s时，三个通道表决出的指令为1卡位，襟翼通道1服从多数结果，以1卡位输出，因此四个通道输出都是1卡位。
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图5 场景1手柄卡位输出
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图6 场景2传统算法下手柄卡位输出
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图7 场景2改进算法下手柄卡位输出
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4.3 四路通道两两不一致
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当四路通道两两不一致且超过时间范围时，如本测试场景为，输入手柄信号从0卡位到1卡位，传统算法表决出襟翼1通道和缝翼1通道为0卡位，襟翼2通道和缝翼2通道为1卡位，如图8所示。改进后的算法的最终输出以发生变化的通道指令为准，即2.5 s时襟翼2通道和缝翼2通道从0卡位变为1卡位，最终输出结果为2.5 s时，四个通道皆为1卡位，如图9所示。
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图8 场景3原始算法下手柄卡位输出
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图9 场景3改进算法下手柄卡位输出
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4.4 故障超过3次即锁存
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当场景2或场景3发生3次以上时，故障会被锁存，此时若再发生场景2或场景3的情况，将会触发相应的通道故障，即该通道判定新系统指令无效。该测试场景为手柄从0卡位依次移动至FULL卡位，襟翼1通道在每次手柄移动进行判断时，都滞后于其他三个通道，传统的算法下一共出现4次输出无效卡位，如图10所示，改进后的算法仅在第4次输出无效卡位，如图11所示。
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图10 场景4原始算法下手柄卡位输出
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图11 场景4改进算法下手柄卡位输出
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5 结论
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本文提出了一种改进的襟缝翼手柄信号监控表决算法，可对手柄信号本身的有效性进行监控，同时将多余度手柄信号综合成一个可靠性更高的信号，有效地解决了手柄信号精度低与信号波动问题。仿真结果表明当多余度信号不一致的情况下经过表决算法最终都能得到一致且有效的手柄卡位信号，且当不一致现象发生超过3次后，故障锁存，方便维护人员识别故障，保证飞行安全。综合分析，该算法可为民用飞机襟缝翼计算机设计提供参考。
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摘要
基于双余度襟缝翼计算机架构,首先提出和值监控算法确认襟缝翼控制手柄信号本身的有效性,然后提出交叉匹配表决算法表决出最终有效的手柄卡位信号。但该算法受手柄精度、信号传输时间等影响较大,容易导致襟缝翼系统出现半速运动。为提高算法鲁棒性,进一步提出一种改进的襟缝翼手柄信号表决算法:当一路和其他三路通道信号不一致时,以多数通道一致卡位为准;当两两通道信号不一致时,以发生改变的通道一致卡位为准;当发生以上两种不一致现象超过三次时,故障锁存,不一致的卡位指令将会触发半速告警,避免出现隐藏故障。以上几种场景在MATLAB & Simulink环境下,进行建模仿真验证,结果符合预期,可为襟缝翼计算机的设计提供参考。
Abstract
Based on the dual redundancy flaps slat electronic control unit (FSECU) architecture, a sum monitoring algorithm was first proposed to confirm the validity of the flaps slat control lever (FSCL), and then a cross matching voting algorithm was proposed to vote the final valid detent signal. However, this algorithm was greatly affected by the accuracy of the handle and the signal transmission time, and it was easy to cause the flaps and slat system to move at half speed. In order to improve the robustness of the algorithm, an improved voting algorithm of FSCL was further proposed. When the signals of one channel and the other three channels are inconsistent, the detent of most channels shall prevail. When the signals of the two channels are inconsistent, the detent of the changed channel shall prevail. When the above two cases occur more than three times, the fault is latched, and the bad detent signal will trigger a half-speed alarm to avoid hidden faults. The above scenarios are verified by modeling and simulation in MATLAB&Simulink environment, and the results are in line with expectations, which can provide reference for the design of FSECU.
