專利名稱：基于三余度的光傳飛控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于三余度的光傳飛控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，屬于數(shù)字控制技術(shù)和飛行控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著對飛機性能要求的提高，數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飛行控制系統(tǒng)。同時數(shù)字控制系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點，如體積小、重量輕、以較少的硬件提供較高的故障檢測覆蓋率、能消除容差積累、提供完善的信號選擇和性能監(jiān)控，且設(shè)計具有很強的靈活性、修改方便易行等。但是數(shù)字控制系統(tǒng)故障率較高，一般的單通道數(shù)字控制回路難以滿足飛機可靠性的要求。為了實現(xiàn)飛機操縱系統(tǒng)的安全可靠性，除了設(shè)法降低元部件本身的故障率外，在現(xiàn)有條件下，一條重要的途徑就是采用余度技術(shù)。余度技術(shù)，有時也稱為容錯技術(shù)，是一種具有自動屏蔽故障，切除故障的部件，甚 至具有故障恢復(fù)功能的技術(shù)，它允許系統(tǒng)出現(xiàn)一次或多次故障。余度技術(shù)一般可大致分為以下三類硬件余度、軟件余度、時間余度。由此可見，余度技術(shù)主要就是利用多重硬件或軟件來換取較高的可靠性和容錯性能。余度系統(tǒng)以工作方式可分為并聯(lián)、串聯(lián)、備份(即一個系統(tǒng)參加工作，其它系統(tǒng)處于準備狀態(tài)，以便發(fā)生故障時使用)等；以通道數(shù)目可分為二余度、三余度、四余度等，再加上各種不同的故障監(jiān)控方案，因此組合起來類型很多，目前所采用的余度技術(shù)大體可分為三種，其故障適應(yīng)水平和余度結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系是“單故障-安全”式一二余度系統(tǒng)；“單故障-工作”式一三余度系統(tǒng)和“雙故障-工作”式一四余度系統(tǒng)。一般說來，余度系統(tǒng)具有以下特點(I)同樣的余度數(shù)，采取不同的管理方式(這些管理方式主要由所能達到的技術(shù)條件所確定)，就可以得到不同的可靠性；(2)在相同的余度管理方式下，余度數(shù)越大，則系統(tǒng)的失效概率就越小，能達到的安全可靠性指標也就越多；(3)任務(wù)的可靠性主要由余度數(shù)決定，一般來說，如果不采取特殊措施，則余度數(shù)越多，任務(wù)的可靠性就越差。這是因為余度數(shù)越多，相應(yīng)的部件數(shù)量也就越多，出現(xiàn)故障的概率也就越大。因此從某種意義上來說，余度管理也就是設(shè)法以系統(tǒng)部件的高故障率，來換取整個系統(tǒng)的高可靠性?；趯τ喽燃夹g(shù)的基本原理的解釋。設(shè)計人員的任務(wù)就是以最小的余度數(shù)來滿足所需的可靠性和容錯指標。在分布式三余度飛行控制系統(tǒng)中存在兩種同步方式，一種稱為時鐘同步，亦稱為小幀同步；另一種稱為任務(wù)同步，亦稱為大幀同步，大幀是一個大的任務(wù)周期，一般包括一個以上的小幀，每一小幀任務(wù)完成后都要進行時鐘同步，時鐘同步的目的是保證各個計算機在同一時間點上開始一小幀工作，但僅有時鐘同步還不能保證每個計算機在同一時間內(nèi)作相同的工作，因此設(shè)置大幀同步的目的就是要保證各個計算機在同一任務(wù)的兩個時鐘同步間隔內(nèi)去完成相同的小幀工作，任務(wù)同步的具體算法是本通道將當前計算機所處的任務(wù)周期和小幀號通過交叉?zhèn)鬏旀溌匪偷狡渌嬎銠C，同時接收其它計算機傳來的相同數(shù)據(jù)，然后對這些數(shù)據(jù)進行相互比較，從而判斷各個計算機是否處于任務(wù)同步狀態(tài)。飛機及其各功能系統(tǒng)都有兩個重要的可靠性指標，即飛機安全可靠性和任務(wù)可靠性。飛行操縱系統(tǒng)通常用故障率作為飛行安全可靠性和任務(wù)可靠性的定量指標。余度方案的配置，主要是根據(jù)對系統(tǒng)安全可靠性和任務(wù)可靠性的要求，容錯指標以及現(xiàn)有可能實現(xiàn)的技術(shù)手段來確定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述背景技術(shù)的不足，提供了一種基于三余度的光傳飛控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案一種基于三余度的光傳飛控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，包括如下步驟 步驟1，建立光傳飛控系統(tǒng)三余度系統(tǒng)；步驟2，采用等待同步方法判斷三臺計算機同步狀態(tài)；步驟3，采用計算機對傳感器輸出的電信號進行跨通道監(jiān)控、信號表決，然后依照所述電信號進行飛行控制律計算，將計算后的電信號再次進行跨通道監(jiān)控、信號表決；步驟4，計算機將經(jīng)過步驟3處理過的電信號傳輸至伺服器進行伺服控制。進一步的，本發(fā)明的基于三余度的光傳飛控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法中，步驟I所述的建立光傳飛控系統(tǒng)三余度系統(tǒng)包括通過光纖依次連接的傳感器、計算機、伺服器，其中計算機的輸入端和輸出端分別設(shè)置兩個表決/監(jiān)控模塊；其中傳感器信號經(jīng)電光轉(zhuǎn)換后通過光纖送入計算機，經(jīng)計算機進行數(shù)據(jù)處理后發(fā)送至伺服器；其中表決/監(jiān)控模塊包括監(jiān)控器、表決器；所述監(jiān)控器用于監(jiān)控和切除電信號中的故障通道；所述表決器用于從監(jiān)控器切除后的剩余電信號中選取輸出至伺服器。進一步的，本發(fā)明的基于三余度的光傳飛控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法中，步驟2所述的同步等待算法具體為對每臺計算機均設(shè)置同步標志，對其置位表示正處于同步狀態(tài)，而復(fù)位則表示處于非同步狀態(tài)；當某一臺計算機進入同步時，首先將其同步標志置位，然后讀取其它計算機的同步標志，若在允許的時間內(nèi)檢測到其它各機的同步標志已置位，則表示同步正常。進一步的，本發(fā)明的基于三余度的光傳飛控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法中，步驟3所述的跨通道監(jiān)控方法具體為采用監(jiān)控器把每個通道的輸入與其余通道的輸入進行比較，取其差值作為監(jiān)控依據(jù)，當一通道與其余通道的差值均大于門限值，則認為此通道出現(xiàn)故障并切斷故障通道。進一步的，本發(fā)明的基于三余度的光傳飛控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法中，步驟3所述的信號表決方法具體為米用表決器從未被切除的信號中選取輸出信號，根據(jù)信號數(shù)目的不同形成各種不同的選取輸出信號組合，信號表決采用選中值或者取平均值兩種方法。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果
采用三余度系統(tǒng)和簡單的跨通道比較監(jiān)控方法可以很方便的監(jiān)測并定位故障；表決器采用的信號表決算法不僅能有效的屏蔽故障，而且還可以減小輸入信號的離散程度；系統(tǒng)采用的等待同步算法靈活性強，所需支持硬件少，可以使計算機工作在同步狀態(tài)。綜合考慮任務(wù)可靠性，飛機的失效概率，系統(tǒng)的復(fù)雜程度，功率消耗，成本以及余度管理算法及軟件的復(fù)雜程度，最后確定光傳飛控系統(tǒng)三余度實現(xiàn)方法結(jié)構(gòu)配置，能夠滿足安全可靠性和任務(wù)可靠性的要求。


圖I是本發(fā)明光傳飛控系統(tǒng)三余度實現(xiàn)方法結(jié)構(gòu)配置方案圖，圖中符號說明 為表決/監(jiān)控器。 圖2是本發(fā)明光傳飛控系統(tǒng)三余度實現(xiàn)方法結(jié)構(gòu)配置采用的表決/監(jiān)控平面的設(shè) 置圖，圖中符號說明a計算機輸入量的表決/監(jiān)控面；b計算機輸出數(shù)據(jù)的表決/監(jiān)控面；c伺服器監(jiān)控面。圖3是本發(fā)明光傳飛控系統(tǒng)三余度實現(xiàn)方法結(jié)構(gòu)配置采用的同步算法的流程圖，圖中符號說明4為兩機間允許等待的最大時間；LA、LB、LC為三通道同步標志位；SFA、SFB、SFC為三通道故障計數(shù)器。圖4是本發(fā)明光傳飛控系統(tǒng)三余度實現(xiàn)方法結(jié)構(gòu)配置采用的等待同步算法典型同步與失步的示意圖，圖中符號說明1為兩機間允許等待的最大時間；td為所有通道同步到同步標志復(fù)位的延遲時間；tK為再讀狀態(tài)所引起的延遲時間。圖5是本發(fā)明光傳飛控系統(tǒng)三余度實現(xiàn)方法結(jié)構(gòu)配置采用的跨通道比較監(jiān)控算法的結(jié)構(gòu)圖，圖中符號說明a、b、c為三個通道。圖6是本發(fā)明光傳飛控系統(tǒng)三余度實現(xiàn)方法結(jié)構(gòu)配置采用的排序跨通道比較監(jiān)控算法的結(jié)構(gòu)圖，圖中符號說明max、mid、min分別為排序后的三通道信號。圖7是本發(fā)明光傳飛控系統(tǒng)三余度實現(xiàn)方法結(jié)構(gòu)配置采用的跨通道比較監(jiān)控算法的流程圖，圖中符號說明ER為故障門限值；MAX、MID、MIN為排序后的三通道信號，F(xiàn)max、Fmid> Fmin為三通道的故障計數(shù)器。圖8是本發(fā)明光傳飛控系統(tǒng)三余度實現(xiàn)方法結(jié)構(gòu)配置采用的信號表決算法的流程圖，圖中符號說明ER為故障門限值。圖9是本發(fā)明光傳飛控系統(tǒng)三余度實現(xiàn)方法結(jié)構(gòu)配置中表決器輸入輸出信號均值曲線。圖10是本發(fā)明光傳飛控系統(tǒng)三余度實現(xiàn)方法結(jié)構(gòu)配置中表決器輸入輸出信號方差曲線。圖11是本發(fā)明光傳飛控系統(tǒng)三余度實現(xiàn)方法結(jié)構(gòu)配置在飛行控制系統(tǒng)應(yīng)用于故障恢復(fù)方案的流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明光傳飛控系統(tǒng)三余度實現(xiàn)方法結(jié)構(gòu)配置方案如圖I所示，在飛行余度控制系統(tǒng)中，由于傳感器數(shù)目太大，如果采用圖I (I)中的直接交叉連接的方式，則所需的輸入通道成倍增加，并且過多的接口和連線也增加了故障源，從而降低可靠性因此選用了如圖1(2)所示的方案，利用計算機間的串行交叉通道數(shù)據(jù)鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸，在計算機內(nèi)進行數(shù)據(jù)表決和監(jiān)控。系統(tǒng)表決/監(jiān)控平面如圖2所示，計算機輸入量的表決/監(jiān)控模塊用以監(jiān)控傳感器及其它部件的故障；計算機輸出數(shù)據(jù)的表決/監(jiān)控模塊用以監(jiān)控計算機硬件和軟件工作的正確性；伺服器監(jiān)控面包括伺服電路監(jiān)控和機械液壓監(jiān)控，主要由硬件實現(xiàn)。光傳飛控系統(tǒng)三余度實現(xiàn)方法的實施如下步驟I :建立一個如圖I (2)所示的光傳飛控系統(tǒng)三余度系統(tǒng)；步驟2 :采用等待同步方法判斷三臺計算機同步狀態(tài)；步驟3 :計算機輸入端的表決/監(jiān)控模塊對傳感器輸出的電信號進行比較表決，然后進行飛行控制律計算，最后計算機輸出端的表決/監(jiān)控模塊對經(jīng)過計算機處理的電信號進行表決/監(jiān)控，其中表決/監(jiān)控模塊中的比較器通過跨通道比較監(jiān)控方法對電信號比較，表決/監(jiān)控模塊中的表決器通過信號表決方法對電信號表決；步驟4，最后，計算機將經(jīng)過輸出端表決/監(jiān)控模塊比較表決過的電信號傳輸至伺服器進行伺服控制。其中，等待同步方法、跨通道比較監(jiān)控方法、信號表決方法的實現(xiàn)如下(I)等待同步方法等待同步方法的流程圖如圖3所示，等待同步算法的典型同步與失步示意圖如圖4所示，在正常同步狀態(tài)下，從進入同步到完成同步所需的最大時間為2tw+td+tK ；每臺飛控計算機都帶有工作時鐘，工作時間一長，會產(chǎn)生很大的時間漂移，使飛控計算機不可能工作在同步狀態(tài)。同步算法就是一種校正時間漂移的一種算法。軟件同步方法雖然同步精度低，占用一定的機時，通過合適算法和容差選擇，仍能滿足要求，它的優(yōu)點在于可以增加同步算法的靈活性，所需硬件支持很少，且受外電路干擾所引起的相關(guān)故障的概率也小得多。因此，本方案中選用了軟件方法來實現(xiàn)同步。在此具體采用了所謂的“等待同步算法”。該算法要求每臺計算機都要有自己的同步標志，對其置位表示正處于同步狀態(tài)，而復(fù)位則表示處于非同步狀態(tài)(即已完成同步算法或尚未開始同步過程)。具體流程為當某臺計算機進入同步時，首先將自己的同步標志置位，然后讀取其它計算機的同步標志，若在允許的時間內(nèi)檢測到其它各機的同步標志已置位，則表示同步正常，可以進入下一個任務(wù)周期；否則認為出現(xiàn)同步故障，并根據(jù)各機間的同步標志的置位情況進行故障的判斷和作相應(yīng)的處理；為了防止偽同步故障的發(fā)生(例如某一通道的同步標志總是處于置位狀態(tài))，則在所有標志復(fù)位后，在讀一次狀態(tài)標志，若都處于復(fù)位狀態(tài)，則說明為真同步，否則為偽同步。(2)跨通道比較監(jiān)控方法和信號表決方法跨通道比較監(jiān)控算法結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，三通道信號兩兩作差，差值與門限值比較，從而篩選出故障信號，并切除故障通道。若對輸入信號按從大到小進行排序，就可以省去一個比較監(jiān)控器，這種算法稱為排序跨通道比較監(jiān)控算法，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。由此可以得到如下故障監(jiān)控判別樹(￡為門限值)。權(quán)利要求
1.一種基于三余度的光傳飛控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于包括如下步驟 步驟I，建立光傳飛控系統(tǒng)三余度系統(tǒng)； 步驟2，采用等待同步方法判斷三臺計算機同步狀態(tài)； 步驟3，采用計算機對傳感器輸出的電信號進行跨通道監(jiān)控、信號表決，然后依照所述電信號進行飛行控制律計算，將計算后的電信號再次進行跨通道監(jiān)控、信號表決； 步驟4，計算機將經(jīng)過步驟3處理過的電信號傳輸至伺服器進行伺服控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于三余度的光傳飛控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于 步驟I所述的建立光傳飛控系統(tǒng)三余度系統(tǒng)包括通過光纖依次連接的傳感器、計算機、伺服器，其中計算機的輸入端和輸出端分別設(shè)置兩個表決/監(jiān)控模塊； 其中傳感器信號經(jīng)電光轉(zhuǎn)換后通過光纖送入計算機，經(jīng)計算機進行數(shù)據(jù)處理后發(fā)送至伺服器； 其中表決/監(jiān)控模塊包括監(jiān)控器、表決器； 所述監(jiān)控器用于監(jiān)控和切除電信號中的故障通道； 所述表決器用于從監(jiān)控器切除后的剩余電信號中選取輸出至伺服器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于三余度的光傳飛控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于步驟2所述的同步等待算法具體為 對每臺計算機均設(shè)置同步標志，對其置位表示正處于同步狀態(tài)，而復(fù)位則表示處于非同步狀態(tài)； 當某一臺計算機進入同步時，首先將其同步標志置位，然后讀取其它計算機的同步標志，若在允許的時間內(nèi)檢測到其它各機的同步標志已置位，則表示同步正常。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于三余度的光傳飛控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于步驟3所述的跨通道監(jiān)控方法具體為采用監(jiān)控器把每個通道的輸入與其余通道的輸入進行比較，取其差值作為監(jiān)控依據(jù)，當一通道與其余通道的差值均大于門限值，則認為此通道出現(xiàn)故障并切斷故障通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于三余度的光傳飛控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于步驟3所述的信號表決方法具體為采用表決器從未被切除的信號中選取輸出信號，根據(jù)信號數(shù)目的不同形成各種不同的選取輸出信號組合，信號表決采用選中值或者取平均值兩種方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于三余度的光傳飛控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，屬于數(shù)字控制技術(shù)和飛行控制領(lǐng)域。本發(fā)明包括設(shè)置三級表決/監(jiān)控模塊，三級表決/監(jiān)控模塊包括監(jiān)控器、表決器；傳感器光信號轉(zhuǎn)換為電信號進入計算機輸入端的表決/監(jiān)控模塊，經(jīng)過飛行控制律計算后，再經(jīng)過計算機輸出端的表決/監(jiān)控模塊，最后進入伺服器，電信號經(jīng)過表決/監(jiān)控模塊時，監(jiān)控器切除故障通道，表決器從剩余信號中選取輸出。本發(fā)明的有益效果方便的監(jiān)測并定位故障、有效的屏蔽故障、減小輸入信號的離散程度；方法靈活性強，所需支持硬件少，可以使計算機工作在同步狀態(tài)。
文檔編號G05D1/10GK102736630SQ20111008440
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月2日
發(fā)明者楊一棟, 江駒, 王新華, 甄子洋, 龔華軍 申請人:南京航空航天大學