CN102736630A - 基于三余度的光传飞控***的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三余度的光传飞控***的实现方法，属于数字控制技术和飞行控制领域。本发明包括设置三级表决/监控模块，三级表决/监控模块包括监控器、表决器；传感器光信号转换为电信号进入计算机输入端的表决/监控模块，经过飞行控制律计算后，再经过计算机输出端的表决/监控模块，最后进入伺服器，电信号经过表决/监控模块时，监控器切除故障通道，表决器从剩余信号中选取输出。本发明的有益效果：方便的监测并定位故障、有效的屏蔽故障、减小输入信号的离散程度；方法灵活性强，所需支持硬件少，可以使计算机工作在同步状态。

Description

基于三余度的光传飞控***的实现方法

技术领域

本发明涉及一种基于三余度的光传飞控***的实现方法，属于数字控制技术和飞行控制领域。

背景技术

随着对飞机性能要求的提高，数字控制技术已经广泛应用于飞行控制***。同时数字控制***具有诸多优点，如体积小、重量轻、以较少的硬件提供较高的故障检测覆盖率、能消除容差积累、提供完善的信号选择和性能监控，且设计具有很强的灵活性、修改方便易行等。但是数字控制***故障率较高，一般的单通道数字控制回路难以满足飞机可靠性的要求。为了实现飞机操纵***的安全可靠性，除了设法降低元部件本身的故障率外，在现有条件下，一条重要的途径就是采用余度技术。

余度技术，有时也称为容错技术，是一种具有自动屏蔽故障，切除故障的部件，甚至具有故障恢复功能的技术，它允许***出现一次或多次故障。余度技术一般可大致分为以下三类：硬件余度、软件余度、时间余度。由此可见，余度技术主要就是利用多重硬件或软件来换取较高的可靠性和容错性能。余度***以工作方式可分为并联、串联、备份(即一个***参加工作，其它***处于准备状态，以便发生故障时使用)等；以通道数目可分为二余度、三余度、四余度等，再加上各种不同的故障监控方案，因此组合起来类型很多，目前所采用的余度技术大体可分为三种，其故障适应水平和余度结构之间的关系是：“单故障-安全”式→二余度***；“单故障-工作”式→三余度***和“双故障-工作”式→四余度***。

一般说来，余度***具有以下特点：

(1)同样的余度数，采取不同的管理方式(这些管理方式主要由所能达到的技术条件所确定)，就可以得到不同的可靠性；

(2)在相同的余度管理方式下，余度数越大，则***的失效概率就越小，能达到的安全可靠性指标也就越多；

(3)任务的可靠性主要由余度数决定，一般来说，如果不采取特殊措施，则余度数越多，任务的可靠性就越差。这是因为余度数越多，相应的部件数量也就越多，出现故障的概率也就越大。因此从某种意义上来说，余度管理也就是设法以***部件的高故障率，来换取整个***的高可靠性。

基于对余度技术的基本原理的解释。设计人员的任务就是以最小的余度数来满足所需的可靠性和容错指标。

在分布式三余度飞行控制***中存在两种同步方式，一种称为时钟同步，亦称为小帧同步；另一种称为任务同步，亦称为大帧同步，大帧是一个大的任务周期，一般包括一个以上的小帧，每一小帧任务完成后都要进行时钟同步，时钟同步的目的是保证各个计算机在同一时间点上开始一小帧工作，但仅有时钟同步还不能保证每个计算机在同一时间内作相同的工作，因此设置大帧同步的目的就是要保证各个计算机在同一任务的两个时钟同步间隔内去完成相同的小帧工作，任务同步的具体算法是：本通道将当前计算机所处的任务周期和小帧号通过交叉传输链路送到其它计算机，同时接收其它计算机传来的相同数据，然后对这些数据进行相互比较，从而判断各个计算机是否处于任务同步状态。

飞机及其各功能***都有两个重要的可靠性指标，即飞机安全可靠性和任务可靠性。飞行操纵***通常用故障率作为飞行安全可靠性和任务可靠性的定量指标。余度方案的配置，主要是根据对***安全可靠性和任务可靠性的要求，容错指标以及现有可能实现的技术手段来确定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于三余度的光传飞控***的实现方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种基于三余度的光传飞控***的实现方法，包括如下步骤：

步骤1，建立光传飞控***三余度***；

步骤2，采用等待同步方法判断三台计算机同步状态；

步骤3，采用计算机对传感器输出的电信号进行跨通道监控、信号表决，然后依照所述电信号进行飞行控制律计算，将计算后的电信号再次进行跨通道监控、信号表决；

步骤4，计算机将经过步骤3处理过的电信号传输至伺服器进行伺服控制。

进一步的，本发明的基于三余度的光传飞控***的实现方法中，步骤1所述的建立光传飞控***三余度***包括通过光纤依次连接的传感器、计算机、伺服器，其中计算机的输入端和输出端分别设置两个表决/监控模块；

其中传感器信号经电光转换后通过光纤送入计算机，经计算机进行数据处理后发送至伺服器；

其中表决/监控模块包括监控器、表决器；

所述监控器用于监控和切除电信号中的故障通道；

所述表决器用于从监控器切除后的剩余电信号中选取输出至伺服器。

进一步的，本发明的基于三余度的光传飞控***的实现方法中，步骤2所述的同步等待算法具体为：

对每台计算机均设置同步标志，对其置位表示正处于同步状态，而复位则表示处于非同步状态；

当某一台计算机进入同步时，首先将其同步标志置位，然后读取其它计算机的同步标志，若在允许的时间内检测到其它各机的同步标志已置位，则表示同步正常。

进一步的，本发明的基于三余度的光传飞控***的实现方法中，步骤3所述的跨通道监控方法具体为：采用监控器把每个通道的输入与其余通道的输入进行比较，取其差值作为监控依据，当一通道与其余通道的差值均大于门限值，则认为此通道出现故障并切断故障通道。

进一步的，本发明的基于三余度的光传飞控***的实现方法中，步骤3所述的信号表决方法具体为：采用表决器从未被切除的信号中选取输出信号，根据信号数目的不同形成各种不同的选取输出信号组合，信号表决采用选中值或者取平均值两种方法。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

采用三余度***和简单的跨通道比较监控方法可以很方便的监测并定位故障；表决器采用的信号表决算法不仅能有效的屏蔽故障，而且还可以减小输入信号的离散程度；***采用的等待同步算法灵活性强，所需支持硬件少，可以使计算机工作在同步状态。综合考虑任务可靠性，飞机的失效概率，***的复杂程度，功率消耗，成本以及余度管理算法及软件的复杂程度，最后确定光传飞控***三余度实现方法结构配置，能够满足安全可靠性和任务可靠性的要求。

附图说明

图1是本发明光传飞控***三余度实现方法结构配置方案图，图中符号说明：

为表决/监控器。

图2是本发明光传飞控***三余度实现方法结构配置采用的表决/监控平面的设置图，图中符号说明：a计算机输入量的表决/监控面；b计算机输出数据的表决/监控面；c伺服器监控面。

图3是本发明光传飞控***三余度实现方法结构配置采用的同步算法的流程图，图中符号说明：t_w为两机间允许等待的最大时间；LA、LB、LC为三通道同步标志位；SFA、SFB、SFC为三通道故障计数器。

图4是本发明光传飞控***三余度实现方法结构配置采用的等待同步算法典型同步与失步的示意图，图中符号说明：t_w为两机间允许等待的最大时间；t_d为所有通道同步到同步标志复位的延迟时间；t_R为再读状态所引起的延迟时间。

图5是本发明光传飞控***三余度实现方法结构配置采用的跨通道比较监控算法的结构图，图中符号说明：a、b、c为三个通道。

图6是本发明光传飞控***三余度实现方法结构配置采用的排序跨通道比较监控算法的结构图，图中符号说明：max、mid、min分别为排序后的三通道信号。

图7是本发明光传飞控***三余度实现方法结构配置采用的跨通道比较监控算法的流程图，图中符号说明：ER为故障门限值；MAX、MID、MIN为排序后的三通道信号，Fmax、Fmid、Fmin为三通道的故障计数器。

图8是本发明光传飞控***三余度实现方法结构配置采用的信号表决算法的流程图，图中符号说明：ER为故障门限值。

图9是本发明光传飞控***三余度实现方法结构配置中表决器输入输出信号均值曲线。

图10是本发明光传飞控***三余度实现方法结构配置中表决器输入输出信号方差曲线。

图11是本发明光传飞控***三余度实现方法结构配置在飞行控制***应用于故障恢复方案的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

光传飞控***三余度实现方法结构配置方案如图1所示，在飞行余度控制***中，由于传感器数目太大，如果采用图1(1)中的直接交叉连接的方式，则所需的输入通道成倍增加，并且过多的接口和连线也增加了故障源，从而降低可靠性因此选用了如图1(2)所示的方案，利用计算机间的串行交叉通道数据链路进行数据传输，在计算机内进行数据表决和监控。

***表决/监控平面如图2所示，计算机输入量的表决/监控模块用以监控传感器及其它部件的故障；计算机输出数据的表决/监控模块用以监控计算机硬件和软件工作的正确性；伺服器监控面包括伺服电路监控和机械液压监控，主要由硬件实现。

光传飞控***三余度实现方法的实施如下：

步骤1：建立一个如图1(2)所示的光传飞控***三余度***；

步骤2：采用等待同步方法判断三台计算机同步状态；

步骤3：计算机输入端的表决/监控模块对传感器输出的电信号进行比较表决，然后进行飞行控制律计算，最后计算机输出端的表决/监控模块对经过计算机处理的电信号进行表决/监控，其中表决/监控模块中的比较器通过跨通道比较监控方法对电信号比较，表决/监控模块中的表决器通过信号表决方法对电信号表决；

步骤4，最后，计算机将经过输出端表决/监控模块比较表决过的电信号传输至伺服器进行伺服控制。

其中，等待同步方法、跨通道比较监控方法、信号表决方法的实现如下：

(1)等待同步方法：

等待同步方法的流程图如图3所示，等待同步算法的典型同步与失步示意图如图4所示，在正常同步状态下，从进入同步到完成同步所需的最大时间为2t_w+t_d+t_R；

每台飞控计算机都带有工作时钟，工作时间一长，会产生很大的时间漂移，使飞控计算机不可能工作在同步状态。同步算法就是一种校正时间漂移的一种算法。软件同步方法虽然同步精度低，占用一定的机时，通过合适算法和容差选择，仍能满足要求，它的优点在于可以增加同步算法的灵活性，所需硬件支持很少，且受外电路干扰所引起的相关故障的概率也小得多。因此，本方案中选用了软件方法来实现同步。在此具体采用了所谓的“等待同步算法”。该算法要求每台计算机都要有自己的同步标志，对其置位表示正处于同步状态，而复位则表示处于非同步状态(即已完成同步算法或尚未开始同步过程)。

具体流程为：当某台计算机进入同步时，首先将自己的同步标志置位，然后读取其它计算机的同步标志，若在允许的时间内检测到其它各机的同步标志已置位，则表示同步正常，可以进入下一个任务周期；否则认为出现同步故障，并根据各机间的同步标志的置位情况进行故障的判断和作相应的处理；为了防止伪同步故障的发生(例如某一通道的同步标志总是处于置位状态)，则在所有标志复位后，在读一次状态标志，若都处于复位状态，则说明为真同步，否则为伪同步。

(2)跨通道比较监控方法和信号表决方法：

跨通道比较监控算法结构图如图5所示，三通道信号两两作差，差值与门限值比较，从而筛选出故障信号，并切除故障通道。若对输入信号按从大到小进行排序，就可以省去一个比较监控器，这种算法称为排序跨通道比较监控算法，其结构如图6所示。

由此可以得到如下故障监控判别树(ε为门限值)。

其中，门限值的选择如下：

假设输入信号x，y是相互独立的正态分布平稳随机过程N(μ(t)，σ²(t))，令z＝x-y，由概率论的知识可知：正态分布的线性组合仍然是正态分布，即z服从正态分布N(0，2σ²)，其概率分布密度为：

$f\left(z\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\sqrt{2}\mathrm{\σ}}\exp (-\frac{z^2}{4{\mathrm{\σ}}^2})---\left(2\right)$

设η为故障监控门限值，当|x-y|＞η时报警，报警率为：

$P\left\{\right|x-y|>\mathrm{\η}\}=P\left\{\right|z|>\mathrm{\η}\}$

$=1-{\∫}_{-\mathrm{\η}}^{\mathrm{\η}}f\left(z\right)\mathrm{dz}---\left(3\right)$

$=2{\∫}_{-\∞}^{-\frac{\mathrm{\η}}{\sqrt{2}\mathrm{\σ}}}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}\exp (-\frac{y^2}{2})\mathrm{dy}$

为了在此门限值下取得较好的监控性能，应该使部件故障率和报警率一致，即

P{|x-y|＞η}＝λ    (4)

其中λ为部件的故障率。由此可得故障门限值大体范围的选取原则，主要是根据信号的统计特性(σ)和部件(或通道)的故障率来确定。信号方差越大，则门限值应越大；通道故障率越大，则门限值应越小。在实际***中，除固定偏置外，一般信号的误差往往是相对偏移量，即偏差随着信号幅值大小不同而有所变化。因此固定门限值会导致在小信号区故障漏检，而在大信号区故障误报。根据以上故障门限值的确定原则，设σ＝kμ，k为常数，通常为0.1-0.01。由此可知门限值是随信号均值变化的。在实际情况下，信号的均值是未知的，通常取为

假设当两信号之差的绝对值大于门限值时，相应的比较器输出为“1”，否则为“0”，并设C3＝C2+2×C1，则相应的故障状态及信号分布情况如表1所示。

表1  比较监控真值表及相应故障状态

跨通道比较监控算法流程图如图7所示：跨通道比较监控算法设置了故障计数器。当比较监控的结果判得某一通道信号有故障时，其相应的故障计数器增值；而无故障通道信号的故障计数器则以1/3的故障计数器增值速度减值(但不得小于零)，采用这种故障计数器增值与减值不同速的方法，可以检测出震荡型和间歇型故障；当故障计数器的值超过允许的最大值时，相应的信号被切除；当由于同步或数据的交叉传输出现故障时，故障的处理留待同步监控器或交叉数据链监控器进行处理，而在比较监控算法中对不可得信号的故障计数器不做任何处理，以等待同步或交叉传输故障的恢复，或者故障通道的切除，由此可以得到跨通道排序比较监控算法的实现程序，并根据输入信号的不同进行了功能仿真：

采用确定性信号输入的目的是对监控算法进行功能性验证，即在确定性信号中设置各种故障，使其包含尽可能多的故障模态，以观察监控器是否能够按照设定的算法进行工作。确定性信号输入时的监控结果如表2所示。

表2  确定信号输入时监控器输出结果

序号	La	Lb	Lc	Fa	Fb	Fc	a	b	c
										1	0	0	0	0	0	0	0	0	0
2	0	0	0	0	0	0	0	1	2
										3	0	0	0	0	0	0	0	2	4
4	0	0	0	0	0	0	0	3	6
										5	0	0	0	0	0	0	0	4	8
6	0	0	0	0	0	0	0	5	10
										7	0	0	0	0	0	0	0	6	12
8	0	0	0	0	0	0	0	7	14
										9	0	0	0	0	0	0	0	8	16
10	0	0	0	0	0	0	0	9	18
										11	0	0	0	3	0	0	20	1	2
12	0	0	0	6	0	0	20	2	3
										13	0	0	0	5	0	0	2	2	3
14	0	0	0	4	0	0	2	3	4
										15	0	0	0	3	0	0	2	3	4
16	0	0	0	2	0	0	2	3	4
										17	0	0	0	1	0	0	2	3	4
18	0	0	0	0	0	0	2	3	4
										19	0	0	0	0	3	0	2	20	4

20	0	0	0	0	2	0	2	2	4
										21	0	0	0	0	5	0	2	20	4
22	0	0	0	0	4	0	2	2	4
										23	0	0	0	0	7	0	2	20	4
24	0	1	0	0	10	0	2	20	4
										25	0	1	0	0	10	0	2	12	10
26	0	1	0	0	10	0	12	20	12
										27	0	1	0	3	10	3	20	12	8
28	0	1	0	2	10	2	10	20	12
										29	0	1	0	5	10	5	20	10	8
30	0	1	0	8	10	8	20	10	8
										31	1	1	1	11	10	11	20	20	8
32	1	1	1	11	10	11	20	20	8

表2中La、Lb、Lc为信号切除(告警)标志，Fa、Fb、Fc为故障计数器。故障门限值取为10，故障计数器的极限值为9。在第11、12组数据中通道a出现瞬时故障，但在13～18组信号中三个信号有回到门限值之内，通道a并没有被切除。这一过程说明：只要故障持续时间不超过所允许的故障计数器最大值所允许的时间，就不会造成通道的切除，从而有效地减少了由于干扰等引起的通道误切除。

第14～24组数据表明通道b出现了振荡型故障，但由于故障计数器增值与减值速度不同，这一故障最终被检测出来了，并被切除。由于没有加入故障恢复，因此以后工作在两通道状态。

第27～31组数据表明，通道a和通道c中的一个通道发生了故障，但由于没加入自检，因此无法对故障进行定位。只好两通道故障计数器同时增值，直到两者均被切除。

以上结果分析表明，监控器能够正确的按预定算法工作。

(3)信号表决方法：

信号表决算法的流程如图8所示：当没有通道信号被切除时，任选两个通道信号做差并与门限值做比较，若所有两信号差小于门限值，则取中值信号作为输出；当有一个通道信号被切除时，若剩余的两个信号的差小于门限值，则选剩余两个信号的均值作为表决输出值；当有两个通道信号被切除时，则取零值作为表决输出，根据表决算法的流程图可以编写出相应的程序，分别针对不同形式的输入进行了仿真：

(I)确定性信号输入

同监控算法仿真一样，确定性信号的输入主要是为了检验其是否按照给定的算法进行信号选择。在仿真过程中，假设故障门限值为10。对第1、2、3组信号来说，三个通道的信号均有效，因此表决器输出为其中值。第4组信号由于两两之差均大于故障门限值，所以取上一次输出值。第5、7、11组数据均是在一通道被切除，剩余两通道信号取平均值作为表决输出。第6、8、12组数据是在一通道被切除，而剩余两通道的信号之差又大于故障门限值，此时取上次输出作为表决器输出。第9、10、13、14为两通道信号被切除时，取剩余通道的值为表决输出。第15、16两组数据为三通道信号均被切除时的情况，此时表决器输出零值。其仿真结果如表3所示，其中La、Lb、Lc为三通道的切除标志。由以上仿真结果分析可知，表决器模块完全实现了其预定的功能。

表3  确定性信号输入时表决输出结果

序号	La	Lb	Lc	a	b	c	Out
								1	0	0	0	10	15	13	13
2	0	0	0	10	14	14	14
								3	0	0	0	11	10	22	11
4	0	0	0	0	17	30	11
								5	0	0	1	11	12	22	11.5
6	0	0	1	0	13	10	11.5
								7	0	1	0	11	0	10	10.5
8	0	1	0	11	12	25	10.5
								9	0	1	1	11	0	10	11
10	0	1	1	12	15	10	12
								11	1	0	0	10	12	13	12.5
12	1	0	0	10	12	0	12.5
								13	1	0	1	0	12	0	12
14	1	0	1	10	11	10	11
								15	1	1	1	10	10	10	0
16	1	1	1	10	21	32	0

(II)随机信号输入

假设三余度信号均服从相同的均值为μ，方差为σ²的正态分布。为了得到此分布序列，在此首先应用乘同余法的递推公式产生伪随机数：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{i+1}=\mathrm{\λ}{X}_i\\ R_{i+1}=X_{i+1}/M\end{array}\right.(i=\mathrm{0,1,2}...N)---\left(5\right)$

得到一服从(0，1)均匀分布随机序列(取模M＝2³²，乘数

种子数X₀＝23767)，然后通过变换公式：

$\begin{array}{cc}{U}_i=\sqrt{-2\ln R_{1i}}\·\sin \left(2\mathrm{\π}{R}_{2i}\right)& (i=\mathrm{0,1,2}...N)\end{array}---\left(6\right)$

得到服从N(0，1)分布的随机序列(上式中R₁和R₂均为服从(0，1)均匀分布的伪随机数)，再由变换公式：

X_i＝σU_i+μ  (i＝0，1，2...N)    (7)

得到服从N(μ，σ²)的随机序列。由该随机序列组成1000组三余度信号输入到表决器中，并分别对表决器工作在三、二通道下的输出信号用数字特征法进行参数估计可得如图9和图10的仿真结果。

由图9可以看到，表决器无论是工作在三通道还是两通道，输入信号与输出信号的均值相同，这与理论分析是一致的。由图10可知，表决器不仅能有效的屏蔽故障，而且还可以减小输入信号的离散程度。

最后，根据本发明提出如下故障恢复方案：当监控器检测到故障时，首先向驾驶员发出恢复请求，以通知驾驶员有故障要恢复，只有驾驶员决定恢复时，恢复程序才开始工作。故障恢复程序的功能是根据驾驶员的指令来判断要求恢复的故障是否已消除，若已消除，则使相应的故障部件加入***工作。并清除有关标志。故障恢复的条件，对于计算机故障来说，可以使用标准的监控算法将故障信号与其余信号进行比较，如果连续三次保持在容差之内，则相应的故障标志被复位，并将相应的故障计数器清零。而传感器故障算法为：将待恢复的故障信号与表决器输出信号进行比较，如果两者的误差连续三次在容差之内，则允许该信号恢复工作，并将相应故障计数器清零。若故障恢复失败，则故障状态位应保留，直到下一次有恢复请求时再试图恢复。如果在故障恢复过程中，又有故障发生，则停止恢复，直到更重要部件故障恢复完成。故障恢复方案的流程图如图11所示。

Claims (5)

1.一种基于三余度的光传飞控***的实现方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，建立光传飞控***三余度***；

步骤2，采用等待同步方法判断三台计算机同步状态；

步骤3，采用计算机对传感器输出的电信号进行跨通道监控、信号表决，然后依照所述电信号进行飞行控制律计算，将计算后的电信号再次进行跨通道监控、信号表决；

步骤4，计算机将经过步骤3处理过的电信号传输至伺服器进行伺服控制。

2.根据权利要求1所述的基于三余度的光传飞控***的实现方法，其特征在于：步骤 1所述的建立光传飞控***三余度***包括通过光纤依次连接的传感器、计算机、伺服器，其中计算机的输入端和输出端分别设置两个表决/监控模块； 

其中传感器信号经电光转换后通过光纤送入计算机，经计算机进行数据处理后发送至伺服器；

其中表决/监控模块包括监控器、表决器；

所述监控器用于监控和切除电信号中的故障通道；

所述表决器用于从监控器切除后的剩余电信号中选取输出至伺服器。

3.根据权利要求1所述的基于三余度的光传飞控***的实现方法，其特征在于：步骤 2所述的同步等待算法具体为：

对每台计算机均设置同步标志，对其置位表示正处于同步状态，而复位则表示处于非同步状态；

当某一台计算机进入同步时，首先将其同步标志置位，然后读取其它计算机的同步标志，若在允许的时间内检测到其它各机的同步标志已置位，则表示同步正常。

4.根据权利要求1所述的基于三余度的光传飞控***的实现方法，其特征在于：步骤 3所述的跨通道监控方法具体为：采用监控器把每个通道的输入与其余通道的输入进行比较，取其差值作为监控依据，当一通道与其余通道的差值均大于门限值，则认为此通道出现故障并切断故障通道。

5.根据权利要求1所述的基于三余度的光传飞控***的实现方法，其特征在于：步骤 3所述的信号表决方法具体为：采用表决器从未被切除的信号中选取输出信号，根据信号数目的不同形成各种不同的选取输出信号组合，信号表决采用选中值或者取平均值两种方法。

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