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四余度飞控计算机信号表决和监控算法
摘 要：飞控计算机余度技术信号的表决是指采用指定的表决准则,从多个同名的可用余度信号中选择出供系统工作的信号.信号表决,也称信号选择或者信号选取.表决即信号选择,用于对2个或2个以上的输入和输出产生共同的结果.信号监控的目的在于检测和识别信号的失效或故障.本文主要研究了四余度飞控计算机输入信号表决与监控算法,给出了一种较可靠的算法设计.
关键词：四余度飞控计算机；信号表决；信号监控；监控算法
一、前言
随着飞控计算机的复杂度越来越高,迫切需要提高其可靠性与容错的能力.而余度技术是提高系统安全性与任务可靠性的一种手段,因此在航空航天飞行控制、空中交通管制等工程应用领域,多余度计算机系统广泛应用于这些场合.
本文以四余度飞控计算机为例,着重研究：（1）输入信号的表决算法；（2）模拟量/ 数字量比较监控算法；（3）离散量比较监控算法.
二、表决技术
在飞行控制计算机中表决技术可以克服漏检,对余度信号进行选择,保证各个通道的数据一致性.输入信号、控制率计算结果、舵输出指令都需要进行表决[1].
表决的优点在于提高系统的可靠性、降低故障效应和故障瞬态,提高各通道信号之间的一致性,改进下游装置故障检测以及减少虚警,改善信号精度,可作为正常信号或者监控信号的基准,用做余度通道的均衡及减少监控门限值,为飞行中监控和地面监测提供了手段[2].在飞控计算机输出和伺服作动器指令处加入表决器有效的减小了伺服系统的力纷争问题.但是,加入表决器使得系统变得复杂,故而这时表决算法就显得尤为重要.
2.1 四余度飞控计算机表决算法设计
四余度输入信号的连接关系如下图1 所示：
在飞控系统中,产生四余度输入信号的传感器包括：四余度俯仰速率传感器、四余度滚转角速率传感器、四余度偏航角速率传感器、四余度法向过载传感器、四余度驾驶杆传感器、四余度驾驶盘杆传感器、四余度脚蹬传感器等模拟量传感器,还拥有四余度大气数据计算机、四余度惯性/GPS导航系统等数字量传感器[3].此外还有飞行控制面板、机轮承载等离散量信号.
2.1.1 模拟量/ 数字量的表决算法
对模拟量或数字量信号一般选择中值或平均值.中值选择是在最坏的情况下（出现一次故障）保证安全的选择方法[4].对模拟量或数字量信号采用的信号选择软件算法是：
（1）4 个信号有效时,选4 个信号的2 个中间值的平均值.
（2）3 个信号有效时,取中值.
（3）2 个信号有效时,取平均值.
（4）1 个信号有效时,选择故障安全值.
如图2 为四余度飞控计算机模拟量或数字量信号选择算法流程实例
采取上述表决算法的优点：偶数信号取平均值可以消除零位死区.在信号经过监控以后,可以确定进入表决器信号的正确性,偶数信号选取中间两值的平均值,奇数信号选取中间值,根据统计学原理可知,误差能得到抑制,即可以得到一个相对真实的测量值.
2.1.2 离散量表决算法
输入离散量采用相加原则比较法,将余度离散量的值相加,可能得出下面几种结果：4、3、2、1、0.
（1）如果结果是4,则表决值为1；
（2）如果结果是3,则表决值为1；
（3）如果结果是2,则表决值为故障安全值；
（4）如果结果是1,则表决值为0；
（5）如果结果是0,则表决值为0.
三、输入信号比较监控
3.1 模拟量/ 数字量比较监控算法
进入算法以后先判断哪几个信号有效,可能有4、3、2、1、0 几种情况.在几种情况下,采用不同的监控算法,其中3、2、1、0 这几种情况是故障以后的比较监控的重构.
3.1.1 四信号有效
3.2 离散量比较监控算法
进入算法以后先判断几个信号有效,可能有4、3、2、1、0 几种情况.在几种情况下,采用不同的监控算法,其中3、2、1、0 这几种情况是故障以后的比较监控的重构.
3.2.1 四信号有效
将离散量的值相加,可能有以下几种结果：4、3、2、1、0：（1）如果结果是4,则所有的信号有效；
（2）如果结果是3,则信号为0 的故障计数器加一,当故障计数器数值超过阈值则判定为永久故障,算法下次转入三余度比较监控算法；
（3）如果结果是2,则执行多故障逻辑,将检查出故障的信号故障计数器数值加一,如果多故障逻辑不能检测出故障则全部信号故障计数器数值加一,如果故障计数器数值超过阈值则永久故障.
（4）如果结果是1,则信号为1 的故障计数器加一,当故障计数器数值超过阈值则判定为永久故障,算法下次转入三余度比较监控算法；
（5）如果结果是0,则所有信号都有效.
3.2.2 三信号有效
将余度离散量的值相加,可能有以下几种结果： 3、2、1、0：
（1）如果结果是3,则所有信号有效；
（2）如果结果是2,则信号为0 的故障则信号为0 的故障计数器加一,当故障计数器数值超过阈值则判定为永久故障,算法下次转入两余度比较监控算法；
（3）如果结果是1,则信号为1 的故障计数器加一,当故障计数器数值超过阈值则判定为永久故障,算法下次转入两余度比较监控算法；
（4）如果结果是0,则所有信号有效.
3.2.3 两信号有效
看两信号是否相等,如果相等则都正确.若不相等则都故障,故障计数器加一,当故障计数器数值超过阈值则判定为永久故障,此离散量控制率不能使用,软件可告警飞控计算机使其控制率重构[5].
四、结语
经过以上的算法环节分析,满足了飞控计算机的安全性和任务可靠性,利用图示分析了信号的故障状态转移,设计了各类状态下的处理策略.但是它以超常规所需要的资源来换取高可靠性,因而使计算机系统复杂性大大增加.所以在余度飞控计算机的设计中,应该对可靠性、重量、空间、复杂性等因素加以全面权衡考虑.
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