CN108799238B - 具有改进的反馈控制的气动致动系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及具有改进的反馈控制的气动致动系统，并公开了具有第一、第二和第三气动子系统的三重气动架构系统，其中三重冗余可以通过仅测量每个系统中的一个特定节点来实现，诸如仅测量伺服阀的测量电流。第一、第二和第三气动子系统中的每一个经配置以控制单独的冗余气动致动组装件。每个子系统可以包括用于测量从伺服驱动器到控制气动致动组装件的伺服阀的控制电流以输出测量电流值的电流传感器，以及耦合到继电器的放泄阀。每个处理器经配置以产生终止信号以致动第一继电器以打开第一放泄阀。三重气动架构系统进一步包括通信总线以通信地耦合第一、第二和第三气动子系统中的每一个。每个处理器经配置以当一个测量电流值偏离另外两个测量电流值预定的误差值时，产生终止信号并且将终止信号传送到一个或多个继电器。

Description

具有改进的反馈控制的气动致动系统
技术领域
本发明涉及气动致动系统，更具体地涉及用于采用反馈补偿技术的气动致动系统的三重架构。
背景技术
通常包括由一个或多个压力控制阀控制的活塞的气动致动系统用于某些工业应用中。最近，弗吉尼亚州马纳萨斯的极光飞行科学公司(“Aurora”)(Aurora FlightSciences Corporation(“Aurora”)of Manassas,Virginia)将气动致动系统纳入飞行器控制系统。例如，Aurora最近开发了一种右座驾驶员助理，其能够在起飞、巡航和着陆期间使用气动致动来操作飞行器，以操纵主飞行控件。尽管机械简单，但由于压力控制阀的切换特性和控制汽缸本身压力变化的气流的非线性特性，气动致动系统的动态特性本质上是非线性的。
常规的气动致动系统控制器设计方法可以分类为两大类。第一种设计方法采用标准比例积分微分(PID)控制架构，其中增益是通过实验选择的。也就是说，很少使用可用于控制器的稳健设计的广泛控制理论。控制补偿器操作的主要反馈信号是位置误差，其定义为活塞的指令位置与实际位置之间的差值。第二种设计方法采用复杂的非线性方法，诸如滑模控制。在这些实施方式中，一些信号被用于系统反馈，但增益选择或控制设计过程仍然主要基于启发法和/或实验，这可能是昂贵的、不准确的并且过于复杂的。
采用冗余技术通常是有利的，使得一个致动器的故障将仅对整个系统具有名义上的影响。此类冗余通常涉及系统关键组件或功能的重复，其旨在通常以备份或故障安全形式提高系统的可靠性，或者改进实际系统性能。在航空航天应用中，例如，安全关键系统(例如，电传操纵、飞行器中的液压系统、飞行控制系统等)可以重复三次。在三重冗余(又称为三倍冗余)系统中，系统具有三个子组件，在整个系统发生故障之前，其三个子组件都必须发生故障。由于每个子组件很少发生故障，并且由于子组件预计会独立发生故障，因此所有三个子组件发生故障的概率被计算为非常小。
鉴于前述情况，需要一种提供附加反馈的气动致动控制器架构，而不需要复杂的启发法和/或实验。更具体地，需要一种用于安全关键的航空航天应用中的气动致动的三重冗余架构。
发明内容
本发明涉及采用力反馈以提供稳健控制器设计的气动致动控制器设计。更具体地，本发明涉及用于气动致动系统的三重架构，其采用包括电流反馈、力反馈等的反馈补偿技术。
根据第一方面，一种三重气动架构系统包括：第一气动子系统，其用于控制第一气动致动组装件中的第一活塞的运动，第一气动子系统包括第一伺服驱动器、第一伺服阀、第一电流传感器、耦合到第一继电器的第一放泄阀、第一位置传感器以及将第一控制命令传送到第一伺服驱动器的第一处理器，其中第一伺服驱动器将控制电流传输到第一伺服阀以响应于第一控制命令选择性地致动第一气动致动组装件，其中第一位置传感器经配置以测量第一活塞的线性运动并且提供第一活塞的位置反馈，其中第一电流传感器经配置以测量控制电流并且输出第一测量电流值，并且其中第一处理器经配置以产生终止信号以致动第一继电器并且打开第一放泄阀；第二气动子系统，其用于控制第二气动致动组装件中的第二活塞的运动，第二气动子系统包括第二伺服驱动器、第二伺服阀、第二电流传感器、耦合到第二继电器的第二放泄阀、第二位置传感器以及将第二控制命令传送到第二伺服驱动器的第二处理器，其中第二伺服驱动器将控制电流传输到第二伺服阀以响应于第二控制命令选择性地致动第二气动致动组装件，其中第二位置传感器经配置以测量第二活塞的线性运动并且提供第二活塞的位置反馈，其中第二电流传感器经配置以测量控制电流并且输出第二测量电流值，并且其中第二处理器经配置以产生终止信号以致动第二继电器并且打开第二放泄阀；第三气动子系统，其用于控制第三气动致动组装件中的第三活塞的运动，第三气动子系统包括第三伺服驱动器、第三伺服阀、第三电流传感器、耦合到第三继电器的第三放泄阀、第三位置传感器以及将第三控制命令传送到第三伺服驱动器的第三处理器，其中第三伺服驱动器将控制电流传输到第三伺服阀以响应于第三控制命令选择性地致动第三气动致动组装件，其中第三位置传感器经配置以测量第三活塞的线性运动并且提供第三活塞的位置反馈，其中第三电流传感器经配置以测量控制电流并且输出第三测量电流值，并且其中第三处理器经配置以产生终止信号以致动第三继电器并且打开第三放泄阀；通信总线，其用于通信地耦合第一处理器、第二处理器和第三处理器中的每一个，其中第一处理器经配置以经由通信总线接收第一测量电流值、第二测量电流值和第三测量电流值中的每一个，其中第二处理器经配置以经由通信总线接收第一测量电流值、第二测量电流值和第三测量电流值中的每一个，其中第三处理器经配置以接收第一测量电流值、第二测量电流值和第三测量电流值中的每一个，其中第二处理器和第三处理器中的每一个经配置以当第一测量电流值偏离第二测量电流值和第三测量电流值预定的误差值时，产生终止信号并且将终止信号传送到第一继电器，并且其中第一继电器经配置以在接收到终止信号时打开第一放泄阀以排放第一气动致动组装件。
根据第二方面，一种三重气动架构系统包括：第一气动子系统，其用于控制第一气动致动组装件，第一气动子系统包括用于测量从第一伺服驱动器到第一伺服阀的控制电流以输出第一测量电流值的第一电流传感器，以及耦合到第一继电器的第一放泄阀，其中第一处理器经配置以产生终止信号以致动第一继电器以打开第一放泄阀；第二气动子系统，其用于控制第二气动致动组装件，第二气动子系统包括用于测量从第二伺服驱动器到第二伺服阀的控制电流以输出第二测量电流值的第二电流传感器，以及耦合到第二继电器的第二放泄阀，其中第二处理器经配置以产生终止信号以致动第二继电器以打开第二放泄阀；第三气动子系统，其用于控制第三气动致动组装件，第三气动子系统包括用于测量从第三伺服驱动器到第三伺服阀的控制电流以输出第三测量电流值的第三电流传感器，以及耦合到第三继电器的第三放泄阀，其中第三处理器经配置以产生终止信号以致动第三继电器以打开第三放泄阀；以及通信总线，用于通信地耦合第一气动子系统、第二气动子系统和第三气动子系统中的每一个，其中第一处理器、第二处理器和第三处理器中的每一个经配置以当第一测量电流值偏离第二测量电流值和第三测量电流值预定的误差值时，产生终止信号并且将终止信号传送到第一继电器。
根据第三方面，一种气动架构系统包括：气动子系统，其用于控制气动致动组装件，其中气动致动组装件包括汽缸和活塞，其中活塞将汽缸的内部区域分成具有第一压力的第一区域和具有第二压力的第二区域；伺服驱动器，其用于至少部分地基于来自处理器的控制命令来产生控制电流；伺服阀，其用于响应于控制电流通过选择性地调节第一压力和第二压力来选择性地致动气动致动组装件；一个或多个压力传感器，其用于向处理器提供反映第一压力和第二压力的压力数据，其中处理器经配置以至少部分基于压力数据执行实时总力反馈。
在某些方面，所述第一气动子系统、第二气动子系统和第三气动子系统中的每一个包括第一放泄阀和第二放泄阀。
在某些方面，其中第一放泄阀排放气动汽缸的第一部分并且第二放泄阀排放气动汽缸的第二部分。
在某些方面，第一放泄阀和第二放泄阀由公共继电器控制。
在某些方面，第一控制命令、第二控制命令和第三控制命令是相似的命令。
在某些方面，第一气动致动组装件、第二气动致动组装件和第三气动致动组装件耦合到公共负载。
在某些方面，第二处理器和第三处理器中的每一个经配置以通过通信总线将终止信号传送到第一继电器。
在某些方面，终止信号是5V DC高信号。
在某些方面，通过确定第一测量电流、第二测量电流和第三测量电流中的每一个之间的差值来计算预定的误差值。
在某些方面，所述第一气动子系统、第二气动子系统和第三气动子系统中的每一个包括压力传感器，以向第一处理器、第二处理器和第三处理器中的每一个提供实时压力反馈。
在某些方面，所述第一气动子系统、第二气动子系统和第三气动子系统中的每一个包括多个压力传感器，以向第一处理器、第二处理器和第三处理器中的每一个提供实时压力反馈。
在某些方面，所述多个压力传感器包括用于测量气动汽缸的第一部分的第一压力的第一压力传感器以及用于测量气动汽缸的第二部分的第二压力的第二压力传感器。
在某些方面，所述第一气动子系统、第二气动子系统和第三气动子系统中的每一个包括压力传感器，以向第一处理器、第二处理器和第三处理器中的每一个提供实时总力反馈，其中压力传感器产生压力数据并且总力根据压力数据和作用在活塞上的空气的横截面积进行计算。
在某些方面，所述第一气动子系统、第二气动子系统和第三气动子系统中的每一个包括线性位置传感器，以向第一处理器、第二处理器和第三处理器中的每一个提供实时位置反馈，其中压力传感器产生压力数据并且总力根据压力数据进行计算。
在某些方面，通信总线包括电流总线和终止总线。
在某些方面，所述第一气动子系统、第二气动子系统和第三气动子系统中的每一个包括两个继电器。
在某些方面，其中所述三个继电器中的每一个经配置以接收来自所述第一气动子系统、第二气动子系统和第三气动子系统中不同的一个的终止信号。
在某些方面，所述三个继电器中的每一个经配置以控制公共放泄阀。
在某些方面，所述三个继电器中的每一个经配置以控制不同的放泄阀。
在某些方面，所述三个继电器中的每一个经配置以控制不同的放泄阀以从公共空气供应线路排放压力。
在某些方面，所述第一伺服阀、第二伺服阀和第三伺服阀中的每一个是三位置操纵阀(three-position pilot-valve)系统。
在某些方面，第一气动致动组装件、第二气动致动组装件和第三气动致动组装件平行并且以三角形配置布置。
在某些方面，所述第一气动致动组装件、第二气动致动组装件和第三气动致动组装件中的每一个的远端经由支架板彼此机械耦合。
在某些方面，公共负载是空中交通工具的飞行控件。
在某些方面，第一控制命令、第二控制命令和第三控制命令与来自空中交通工具的飞行控制系统的命令相似。
在某些方面，第一处理器、第二处理器和第三处理器中的每一个经配置以使用多数投票算法来确定第一测量电流值何时偏离第二测量电流值和第三测量电流值。
在某些方面，第一处理器、第二处理器和第三处理器中的每一个经配置以将控制命令传送到第一伺服驱动器、第二伺服驱动器或第三伺服驱动器，其中控制命令是来自空中交通工具的飞行控制系统的命令。
在某些方面，总力根据压力数据和活塞的表面积进行计算。
在某些方面，气动架构系统进一步包括第一放泄阀和第二放泄阀，第一放泄阀串联流体地定位在伺服阀与第一区域之间，并且第二放泄阀串联流体地定位在伺服阀与第二区域之间。第一放泄阀和第二放泄阀可以经配置以在一个或多个继电器的控制下从汽缸排放压力。进一步地，一个或多个继电器可以经配置以由终止信号触发以排放第一放泄阀和第二放泄阀。
在某些方面中，处理器经配置以基于实时总力反馈和位置反馈来产生终止信号并将其传送到继电器。
在某些方面中，处理器经配置以当实时总力反馈偏离预定范围时产生终止信号并将其传送到继电器。
在某些方面，气动架构系统耦合到第二气动架构系统和第三气动架构系统以提供三重气动架构系统。
本发明的一个实施例涉及一种三重气动架构系统，该三重气动架构系统可以包括第一气动子系统，其用于控制第一气动致动组装件中的第一活塞的运动，第一气动子系统包括第一伺服驱动器、第一伺服阀、第一电流传感器、耦合到第一继电器的第一放泄阀、第一位置传感器以及将第一控制命令传送到第一伺服驱动器的第一处理器，其中第一伺服驱动器将控制电流传输到第一伺服阀以响应于第一控制命令而选择性地致动第一气动致动组装件，其中第一位置传感器经配置以测量第一活塞的线性运动并且经配置以提供第一活塞的位置反馈，其中第一电流传感器经配置以测量控制电流并且输出第一测量电流值，并且其中第一处理器经配置以产生终止信号以致动第一继电器并且打开第一放泄阀；第二气动子系统，其用于控制第二气动致动组装件中的第二活塞的运动，第二气动子系统包括第二伺服驱动器、第二伺服阀、第二电流传感器、耦合到第二继电器的第二放泄阀、第二位置传感器以及将第二控制命令传送到第二伺服驱动器的第二处理器，其中第二伺服驱动器将控制电流传输到第二伺服阀以响应于第二控制命令而选择性地致动第二气动致动组装件，其中第二位置传感器经配置以测量第二活塞的线性运动并且经配置以提供第二活塞的位置反馈，其中第二电流传感器经配置以测量控制电流并且输出第二测量电流值，并且其中第二处理器经配置以产生终止信号以致动第二继电器并且打开第二放泄阀；第三气动子系统，其用于控制第三气动致动组装件中的第三活塞的运动，第三气动子系统包括第三伺服驱动器、第三伺服阀、第三电流传感器、耦合到第三继电器的第三放泄阀、第三位置传感器以及将第三控制命令传送到第三伺服驱动器的第三处理器，其中第三伺服驱动器将控制电流传输到第三伺服阀以响应于第三控制命令而选择性地致动第三气动致动组装件，其中第三位置传感器经配置以测量第三活塞的线性运动并且提供第三活塞的位置反馈，其中第三电流传感器经配置以测量控制电流并且输出第三测量电流值，并且其中第三处理器经配置以产生终止信号以致动第三继电器并且打开第三放泄阀；通信总线，其用于通信地耦合第一处理器、第二处理器和第三处理器中的每一个，其中第一处理器经配置以经由通信总线接收第一测量电流值、第二测量电流值和第三测量电流值中的每一个，其中第二处理器经配置以经由通信总线接收第一测量电流值、第二测量电流值和第三测量电流值中的每一个，其中第三处理器经配置以经由通信总线接收第一测量电流值、第二测量电流值和第三测量电流值中的每一个，其中第二处理器和第三处理器中的每一个经配置以当第一测量电流值偏离第二测量电流值和第三测量电流值预定的误差值时，传输终止信号并且将终止信号传送到第一继电器，并且其中第一继电器经配置以在接收到终止信号时打开第一放泄阀以排放第一气动致动组装件。第一气动子系统、第二气动子系统和第三气动子系统中的至少一个包括第一放泄阀和第二放泄阀。第一放泄阀可以排放气动汽缸的第一部分，并且第二放泄阀可排放气动汽缸的第二部分。第一放泄阀和第二放泄阀可以由公共继电器控制。第一气动致动组装件、第二气动致动组装件和第三气动致动组装件可以耦合到公共负载。第二处理器和第三处理器中的至少一个可以经配置以通过通信总线将终止信号传送到第一继电器。预定的误差值可以通过确定第一测量电流、第二测量电流和第三测量电流中的每一个之间的差值进行计算。所述第一气动子系统、第二气动子系统和第三气动子系统中的至少一个可以包括压力传感器，以向第一处理器、第二处理器和第三处理器中的每一个提供实时压力反馈。所述第一气动子系统、第二气动子系统和第三气动子系统中的至少一个可以包括两个继电器。所述三个继电器中的至少一个可以经配置以接收来自所述第一气动子系统、第二气动子系统和第三气动子系统中的不同的一个的终止信号。所述三个继电器中的至少一个可以经配置以控制不同的放泄阀以从公共空气供应线路排放压力。公共负载可以是空中交通工具的飞行控件。第一控制命令、第二控制命令和第三控制命令可以类似于来自空中交通工具的飞行控制系统的命令。第一处理器、第二处理器和第三处理器中的至少一个可以经配置以使用多数投票算法来确定第一测量电流值何时偏离第二测量电流值和第三测量电流值。
本发明的另一实施例涉及一种三重气动架构系统，该三重气动架构系统包括第一气动子系统，其用于控制第一气动致动组装件，第一气动子系统包括用于测量从第一伺服驱动器到第一伺服阀的控制电流以输出第一测量电流值的第一电流传感器，以及耦合到第一继电器的第一放泄阀，其中第一处理器经配置以产生终止信号以致动第一继电器以打开第一放泄阀；第二气动子系统，其用于控制第二气动致动组装件，第二气动子系统包括用于测量从第二伺服驱动器到第二伺服阀的控制电流以输出第二测量电流值的第二电流传感器，以及耦合到第二继电器的第二放泄阀，其中第二处理器经配置以产生终止信号以致动第二继电器以打开第二放泄阀；第三气动子系统，其用于控制第三气动致动组装件，第三气动子系统包括用于测量从第三伺服驱动器到第三伺服阀的控制电流以输出第三测量电流值的第三电流传感器，以及耦合到第三继电器的第三放泄阀，其中第三处理器经配置以产生终止信号以致动第三继电器以打开第三放泄阀；以及通信总线，用于通信地耦合第一气动子系统、第二气动子系统和第三气动子系统中的每一个，其中第一处理器、第二处理器和第三处理器中的每一个经配置以当第一测量电流值偏离第二测量电流值和第三测量电流值预定的误差值时，产生终止信号并将终止信号传送到第一继电器。第一气动致动组装件、第二气动致动组装件和第三气动致动组装件可以耦合到公共负载。公共负载可以是空中交通工具的飞行控件。第一处理器、第二处理器和第三处理器中的至少一个可以经配置以使用多数投票算法来确定第一测量电流值何时偏离第二测量电流值和第三测量电流值。
本发明的另一个实施例可以包括气动架构系统，该气动架构系统包括气动子系统，其用于控制气动致动组装件，其中气动致动组装件包括汽缸和活塞，其中活塞将汽缸的内部区域分成具有第一压力的第一区域和具有第二压力的第二区域；伺服驱动器，其用于至少部分地基于来自处理器的控制命令产生控制电流；伺服阀，其用于通过响应于控制电流选择性地调节第一压力和第二压力来选择性地致动气动致动组装件；一个或多个压力传感器，其用于向处理器提供反映第一压力和第二压力的压力数据，其中处理器经配置以至少部分基于压力数据执行实时总力反馈。总力可以根据压力数据和活塞的表面积进行计算。气动构架系统还可以包括第一放泄阀和第二放泄阀，第一放泄阀串联流体地定位在伺服阀与第一区域之间，并且第二放泄阀串联流体地定位在伺服阀和第二区域之间。气动架构系统可以耦合到第二气动架构系统和第三气动架构系统以提供三重气动架构系统。
附图说明
参考以下说明书和附图将容易理解本发明的这些和其他优点，在附图中：
图1是示例线性气动致动组装件的示意图。
图2是用于线性气动致动组装件的单线路气动系统的示意图。
图3a至图3c是用于线性气动致动组装件的单线路连续内置测试(CBIT)气动系统的示意图。
图4a和图4b是示出基于压力的反馈系统中随时间推移的压力测量结果的变化的曲线图。
图5a是采用三个气动子系统的示例三重气动架构系统的示意图。
图5b示出了体现三重气动架构系统的三重活塞组装件。
图6a至图6c是三个气动子系统中的每一个的示意图。
图7a和图7b是示出三重气动架构系统的某些测试结果的曲线图。
具体实施方式
以下将参照附图描述本发明的优选实施例。附图中的组件不一定按比例绘制，而是将重点放在清楚地示出本实施例的原理上。例如，为了描述的清楚和方便，可以放大元件的尺寸。此外，只要可能，贯穿附图使用相同的附图标记以指代实施例的相同或相似的元件。在下面的描述中，没有详细描述众所周知的功能或结构，因为它们可能会使本发明在不必要的细节上变得模糊。说明书中的任何语言都不应被解释为将任何未声明的元件表示为实施例的实践所必需的。在以下描述中，应该理解，术语诸如“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”、“侧”、“前”、“后”等是方便的词语，并且不应被解释为限制性术语。对于本申请，应适用以下术语和定义：
如本文所使用的，当用于修改或描述值(或值的范围)时，词语“约”和“大约”意味着合理地接近该值或值的范围。因此，本文所描述的实施例不仅限于所记载的值和值的范围，而是应该包括合理可行的偏差。本文所使用的术语水平和竖直用于描述相对于地面的角度或平面，诸如当飞行器在地面上时。
术语“空中交通工具”和“飞行器”是指能够飞行的机器，包括但不限于固定翼飞行器、无人机、可变翼飞行器和垂直起降着陆(VTOL)飞行器。如本文所公开的，VTOL飞行器可以包括固定翼飞行器(例如，鹞式战机(Harrier jets)、旋翼飞行器(例如直升机)、倾斜转子/倾斜翼飞行器和/或新型飞行器。
如本文所利用的，“和/或”是指以“和/或”连接的列表中的任何一个或多个项目。作为示例，“x和/或y”意味着三元素集{(x)，(y)，(x，y)}中的任何元素。换句话说，“x和/或y”意思是“x和y中的一个或两个”。作为另一个示例，“x、y和/或z”是指七元素集{(x)，(y)，(z)，(x，y)，(x，z)，(y，z)，(x，y，z)}中的任何元素。换句话说，“x、y和/或z”意思是“x、y和z中的一个或多个”。
本文所使用的术语“传送/通信”和“传送到”是指将数据从源传输或以其他方式输送到目的地，并将数据递送到通信介质、系统、信道、网络、设备、电线、电缆、光纤、电路和/或链路以输送到目的地。
术语“电路”和“电路系统”是指可以配置硬件、由硬件执行和/或以其他方式与硬件相关联的物理电子组件(即硬件)和任何软件和/或固件(“代码”)。如本文所使用的，例如，当执行第一组一行或多行代码时，特定处理器和存储器可以包括第一“电路”，并且当执行第二组一行或多行码时特定处理器和存储器可以包括第二“电路”。
如本文所利用的，术语“示例性”意味着用作非限制性示例、实例或说明。如本文所利用的，术语“如”和“例如”列出了一个或多个非限制性示例、实例或说明的列表。如本文所利用的，无论功能的性能是被禁用还是未被启用，只要电路系统包括必要的硬件和代码(如果需要的话)以执行功能，则电路系统就“可操作”以执行该功能(例如，通过操作者可配置的设置、工厂修整等)。
本文所使用的术语“处理器”是指处理设备、装置、程序、电路、组件、系统和子系统，无论是以硬件、有形体现的软件还是两者来实现，并且无论它是否是可编程的。本文所使用的术语“处理器”包括但不限于一个或多个计算设备、硬连线电路、信号修改设备和系统、用于控制系统的设备和机器、中央处理单元、可编程设备和系统、现场可编程门阵列、专用集成电路、片上系统、包括分立元件和/或电路的系统、状态机、虚拟机、数据处理器、处理设施以及前述中的任何的组合。
本文公开了采用力反馈以提供稳健(robust)控制器设计的气动致动系统控制器。气动致动系统控制器可以采用系统动态模型以实现可用于线性(或线性化)系统的现代多输入/多输出(MIMO)方法的使用。气动致动系统可以使用三重架构体现，以评估其自身的健康状况并减轻故障，同时保持其能够充分执行其功能。除了力反馈之外或者代替力反馈，气动致动系统可以采用来自其他信息源的反馈控制，包括流过驱动气动伺服阀的电机中的电流。
本文论述的气动致动系统适用于许多可能的工业应用，诸如航空航天市场中的控制致动器、工业机器和机器人，其中它可以体现在专用控制器中。例如，本文所公开的各种气动系统和控制方法可以应用于包括自动驾驶仪的空中交通工具控制系统。可以从本公开获益的示例空中交通工具控制系统由Jessica E.Duda等人于2017年3月21日提交的题为“Aircrew Automation System and Method”的共同拥有的美国专利序列第15/464,786号(“786申请”)公开。该786申请公开了一种机组自动化系统，其具有致动系统以响应来自核心平台的命令致动飞行器的一个或多个飞行控件。致动系统可以采用所公开的气动致动系统和技术。
在气动驱动系统控制器中采用力反馈提供了许多需要特别严格和/或性能保证的好处。第一，具有力反馈的气动致动系统比其他非线性方法在软件中实现起来要简单得多。因此，控制器中以软件实施的测试方法和可能的认证更直接。第二，具有力反馈的气动致动系统控制器能够在设计阶段期间使用现代控制系统设计和性能分析技术。因此，就系统带宽、干扰抑制、稳健性界限的正式估计、频率响应等做出明智的决定。第三，具有力反馈的气动致动系统控制器能够容忍物理系统的变化。相关示例包括连接到宽范围的负载的能力以及对供应压力大幅变化的容忍度(特别是在启动期间)。最后，具有力反馈的气动致动系统控制器直接有助于在位置控制和直接力控制之间快速无缝转换的能力。
三重架构设计使气动系统能够实时向操作者提供警报，使得操作者可以安全平稳地转换空中交通工具的控制，或者在完全无人操作的情况下结束任务并返回基地。应该理解，所公开的三重架构还提供了许多优点。第一，三重架构提供了三条冗余的气动控制线路，使得整个气动系统可以在禁用一条或两条线路的情况下操作。第二，每条线路都可以操作其自身的闭环控制，但气动活塞可以耦合在一个机械组装件中。第三，每条线路对其自身及其两条兄弟气动线路进行连续内置测试(CBIT)。第四，三重架构可以采用投票技术以检测单个系统的故障并禁用该系统。例如，三重架构能够检测一个或多个气动组件(例如，活塞、伺服驱动器、处理器、传感器等)的故障或断开。最后，三重架构使用实时反馈补偿以仅使用每条气动线路中的一个节点启用故障检测。例如，在没有压力反馈补偿的情况下，三重架构可能在三条气动线路中的每一条之间需要附加的共享连接，这也会导致用于CBIT的更复杂的投票算法。
图1示出了用于气动系统的示例线性气动致动组装件100。如图所示，气动致动组装件100通常包括汽缸104、与汽缸104可操作地耦合的线性位置传感器106、可滑动地与汽缸104接合的活塞组装件108、一组空气耦合装置(coupling)102(例如空气入口/出口)和多个负载连接器112。空气耦合装置102经配置以将汽缸104与空气供应线路110和气动系统的其他组件耦合。
如图所示，活塞组装件108通常包括活塞108a、活塞杆108b和尾杆部分108c。在操作中，活塞组装件108经配置以沿其位于其终端(例如，前终端和后终端)之间的位移轴线D(相对于汽缸104的长度横向地)线性移位，由此经由活塞杆108b驱动负载。活塞108a的外直径经设定尺寸和形状以接触/可滑动地接合汽缸104的内壁，从而将汽缸104的总内部区域(A)分成(1)在活塞108a的左侧(朝向前方)具有第一压力(p1)的第一区域(A1)以及(2)在活塞108a的右侧(朝向后方)具有第二压力(p2)的第二区域(A2)。活塞108a可以进一步包括一个或多个O形环114以形成或保持活塞108a的外直径与汽缸104的内壁之间的密封。气动致动组装件100的各种硬件组件(诸如活塞组装件108和汽缸104)可以由例如钢(例如，镀铬碳钢、316不锈钢等)、金属合金(例如铝合金，诸如电泳和涂覆耳桑(rilsan)的铸造铝合金等)、非金属(例如尼龙、聚酰胺，诸如玻璃增强聚酰胺等)等构造。
线性位置传感器106经由导体116向控制器(例如处理器)提供(模拟的或数字电子的)实时位置反馈以指示在其行程的整个范围内的活塞杆108b延伸的量。线性位置传感器106可以是例如用于测量角度、速度和位移的电位计以促进闭环反馈控制。可替代地，线性位置传感器106可采用一个或多个其他缸内线性位移换能器(LDT)或外部LDT。缸内LDT可以使用例如磁致伸缩换能器，而外部LDT可以使用采用霍尔效应技术的外部感测杆以感测活塞108a上的永磁体位置的位置。在操作中，磁体通过汽缸104传播磁场，该汽缸向传感器提供定位信号。
空气供应线路110用于在气动致动组装件100与空气供应之间(和/或气动系统的其他组件之间)输送加压的大气空气(或另一种气体，诸如压缩的二氧化碳)。空气供应线路110可以采用聚氨酯(PUR)管、尼龙管、PTFE管、聚氨酯(PUR)管等中的一个或多个。空气供应线路110使用一个或多个空气耦合装置102耦合到气动致动组装件100或另一组件。一个或多个空气耦合装置102可以采用各种类型的管/软管接头(hose fittings)，诸如螺纹管接头、带倒刺的软管接头、快速断开的空气耦合装置等。
气动致动组装件100可以被配置为推/推布置，由此通过选择性地增加活塞108a任一侧上的汽缸104内的压力而使活塞组装件108位移。更具体地，通过经由控制/伺服阀选择性地控制/调节第一压力(p1)和第二压力(p2)来控制活塞组装件108的位移。当第一压力(p1)和第二压力(p2)相等时，活塞组装件108是静止的(即不移动)。为了使活塞组装件108向后移位，可以在第二压力(p2)减小到预定压力(或保持恒定)的同时增加第一压力(p1)，由此将活塞组装件108推到右侧直到它达到预定位置或其终端(例如，尽量靠在前终端处)。当到达预定位置或后终端时，可以在第一压力(p1)降低到预定压力的同时增加第二压力(p2)，由此沿着另一方向(即，向左)推动活塞组装件108，直到它到达其预定的位置或终端(例如，尽量靠在前终端处)。
气动致动组装件100包括多个负载连接器112以与系统的其他组件耦合。第一负载连接器112可以定位在尾杆部分108c的远端处并且第二负载连接器112可以定位在汽缸104的后端处。负载连接器112可以是如图所示的挂钩(clevis)，另一个组件可以通过穿过连接器端部的螺栓或销来紧固到该挂钩。虽然示出了挂钩，但是可以设想其他负载连接器112，其包括螺纹杆、钩、单向或双向连接器夹具、带凸缘的单向或双向连接器夹具、T形角连接器夹具、旋转连接器夹具等。为了减轻使用期间的摩擦，负载连接器112可以包括一个或多个永久性或可更换的衬套、轴承(例如球轴承)等。
图2示出了不采用状态自监控的单线路气动系统200的示意图。如图所示，单气动系统200通常包括气动致动组装件100、处理器202、伺服驱动器204、一个或多个压力传感器206、一个或多个放泄阀208、空气源210、机电伺服阀212、电源214和开关设备216。气动系统200的各种组件可以是被设计成在操作位置快速更换的模块化组件(例如，线路可更换单元(LRU))。
虽然一个或多个压力传感器206在各个附图中被示出为单个块，但是一个或多个压力传感器206不一定是单个组件。例如，单独的压力传感器206可以用于检测活塞108a的任一侧上的汽缸104内的压力(p1、p2)。气动致动组装件100可以机械地附接(例如，经由活塞杆108b)到负载306，负载306被示出为包括质量块306a、线性弹簧306b和粘性阻尼器306c。
空气源210作为到伺服阀212的输入进行操作。空气源210可以是例如空气压缩机，其用于提供约50磅力/平方英寸(psi)至150psi的压缩空气，更优选地约60psi至120psi，或者最优选地约80psi。然而，本领域技术人员将认识到，压缩空气的压力水平(psi)尤其可以取决于具体组件、期望的动态性能、期望的系统效率等。因此，本公开不应当解释为限于所提供的示例psi范围。气动致动组装件100是双作用的，因为压力可以从空气源210供应到汽缸104的任一侧以在活塞输出处产生推力或拉力。
机电伺服阀212在电动机的控制下经由电机电流控制从空气源210到汽缸104的空气流
Figure GDA0003313985470000141
以选择性地调节第一压力(p1)和第二压力(p2)，由此选择性地移位汽缸104中的活塞组装件108。为此，伺服阀212被配置为以一个或多个预定的空气流量
Figure GDA0003313985470000142
将压缩空气引导至汽缸104。例如，伺服阀212可以响应于来自可以是高带宽电机电流控制器的伺服驱动器204的电输入信号或命令来计量到达汽缸104的空气的流量。
伺服阀212可以是例如三位置操纵阀系统。在第一位置，伺服阀212关闭以禁止空气源210与活塞组装件108的任一侧(汽缸104内)之间的空气流
Figure GDA0003313985470000143
在第二位置，伺服阀212将来自空气源210的压缩空气流路由至活塞组装件108的前侧
Figure GDA0003313985470000144
并且同时从活塞组装件108的后侧排放压力(p3)
Figure GDA0003313985470000145
最后，在第三位置，伺服阀212将来自空气源210的压缩空气流路由至活塞组装件108的后侧
Figure GDA0003313985470000146
并且同时从活塞组装件108的前侧排放压力(p3)
Figure GDA0003313985470000147
在第二位置和第三位置，响应于来自伺服驱动器204的对伺服阀212的命令，可以独立且成比例地控制空气流量
Figure GDA0003313985470000148
合适的伺服阀包括可从恩菲尔德技术公司(Enfield Technologies)获得的那些，诸如恩菲尔德技术LS-V05s型号阀，其是一种带双向线性力电机和阀芯(spool)和套筒的5端口4通比例阀。
伺服驱动器204基于从处理器202接收到的指令，使用电机电流来控制伺服阀212，以控制活塞组装件108的位置、速度、压力或力。处理器202包括输出电路系统202a(例如，以输出控制命令或其他指令)和输入电路系统202b(例如，以接收反馈和/或指令)。处理器202可以是例如可编程片上系统(PSoC)微控制器集成电路(IC)。示例PSoC IC芯片可以包括CPU内核和可配置集成模拟和数字外设的混合信号阵列。
处理器202可以进一步与一个或多个传感器耦合以监控活塞组装件108的状态。如将论述的，处理器202可以经配置以执行气动系统200的实时控制。为此，处理器202的控制法则可以使用来自一个或多个传感器的反馈信号。一个或多个传感器可以包括例如线性位置传感器106和一个或多个压力传感器206，其分别监控活塞108a的位置和活塞108a的每一侧上的汽缸104内的压力。一个或多个压力传感器206可以定位在汽缸104内、汽缸104与控制阀108之间(例如，串联在所述供应线路110内)或系统中的其他地方。进一步地，关于空中交通工具，处理器202可以从飞行控制系统接收期望的位置命令。
气动系统200可以进一步包括一个或多个放泄阀208，以通过释放气动系统200内的一个或多个预定点处的气压来禁用/脱离气动致动组装件100。如图所示，气动系统200可以包括在伺服阀212的每一侧上的放泄阀208，以促进气动系统200的完全停机。具体地，可以提供三个放泄阀208。第一个放泄阀流体地定位以释放串联在伺服阀212与空气源210之间的排放压力(pa)。第二个放泄阀流体定位以释放串联在伺服阀212与前端空气耦合装置102之间的排放压力(pa)。第三个放泄阀流体地定位以释放串联在伺服阀212与后端空气耦合装置102之间的排放压力(pa)。
每个放泄阀208可以电耦合到电源214，电源214提供启动和/或停用放泄阀208所需的功率(例如，通过启动或停用放泄阀208内的螺线管)以选择性地排放压力(pa)。电源214可以是例如12v至24v的DC电源，诸如电池、变压器、交通工具的电源(陆地交通工具或空中交通工具)等。
为了控制放泄阀208的致动，可以在电源214与每个放泄阀208之间提供开关设备216以选择性地将功率从电源214供应到放泄阀208。开关设备216可以采用按钮(瞬时按钮)、开关、继电器等中的一个或多个。
因此，开关设备216可以由控制器或操作者手动致动以接合和/或脱离气动系统200(例如，气动致动组装件100)或部分。例如，如果操作者希望脱离气动系统200，则操作者可以触发开关设备216以启动位于整个气动系统200中的一个或多个放泄阀208以释放来自气动致动组装件100的压力。在某些方面，开关设备216可以使操作者仅启动放泄阀208的子集。如果气动系统200用于提供自动驾驶功能，则飞行员可以触发一个或多个放泄阀208(例如，所有放泄阀208)以立即禁用自动驾驶仪功能并且将飞行器的控制返回给飞行员。然而，气动系统200的停机可能导致到飞行员控制的突然和立即转变。
图3a至图3c示出了单线路连续内置测试(CBIT)气动系统300的示意图。气动系统300的各种组件可以被提供为模块化组件。如图所示，单线路CBIT气动系统300通常包括气动致动组装件100、处理器202、伺服驱动器204、一个或多个压力传感器206、一个或多个放泄阀208、空气源210、机电伺服阀212、电源214、继电器304和电流传感器302。如可以理解的，单线路CBIT气动系统300结合了气动系统200的许多组件，但进一步包括电流传感器302以测量伺服驱动器204与伺服阀212之间的电动机电流。电流传感器302将测量数据(即，测量电机电流)输出到处理器202的输入电路系统202b。
图3a中示出了活塞组装件108处于中间位置，其中前室中活塞的横截面积(A1)与后室中的活塞的横截面积(A2)相似，但通常小于后室中的活塞的横截面积(A2)，因为前横截面区域还包括离开汽缸104的活塞室的活塞杆108b。换句话说，在中间位置处第一面积(A1)小于第二面积(A2)，因为活塞杆108b在汽缸104内的部分占据第一面积(A1)的较大量。假设没有外部负载施加到活塞杆，当活塞前侧上的力(f1)(其等于(A1)和(p1)的乘积)与活塞后侧上的力(f2)(其等于(A2)和(p2)的乘积)相等时，活塞组装件108是静止的。为了使活塞组装件108向后移位，在伺服阀212的控制下，第一压力(p1)可以增加，同时通过排放预定量的气压(p3)将第二压力(p2)降低至预定压力(或保持恒定)，由此如图3b所示，向右侧推动活塞组装件108直到其到达预定位置或其终端(例如，前终端)。一旦达到预定位置或者尽量靠在后终端处，第二压力(p2)就可以增加，同时通过排放预定量的气压(p3)将第一压力(p1)降低至预定压力，由此如图3c所示，向左侧推动活塞组装件108直到其到达预定位置或其终端(例如，前终端)。
至少部分基于来自电流传感器302的测量数据，处理器202可以指导一个或多个放泄阀208经由例如位于电源214与放泄阀208之间的一个或多个继电器304排放线路压力(pa)。利用精确的系统模型，单个气动致动组装件100的CBIT可以通过将到活塞的伺服驱动器的测量电机电流与伺服驱动器的期望电机电流(例如，所存储的数据值)进行比较来执行。更具体地，当测量电机电流与预期的电机电流相差预定的偏差时，可以识别单线路CBIT气动系统300的组件的故障。这是可能的，因为向外发送的(outgoing)伺服命令和测量电机电流之间的关系是已知的，并且与这种已知关系的偏差表示发生故障。检测这种故障允许单线路CBIT气动系统300使用继电器304和放泄阀208以通过从线路排放气压(p3)来自动禁用其气动装置。如同气动系统200一样，单线路CBIT气动系统300的故障可能导致到飞行员控制的突然和立即转变。
除了电流监控之外，CBIT气动系统300还可以采用多变量控制设计方法，其使用四种状态以描述和控制CBIT气动系统300，包括气动活塞的位置、气动活塞的速度以及两个系统压力(气动活塞的每一侧上的压力)。为此，CBIT气动系统300可以使用一个或多个处理器118和/或用于跟踪活塞组装件108的位置的传感器(例如，产生位置数据的线性位置传感器106)以及用于测量活塞组装件108的每一侧上的汽缸104内的压力的压力传感器206。使用这些传感器，处理器可以计算活塞108a的活塞速度(例如，部分基于位置数据)。
使用气动致动器的挑战在于室压力和空气的质量流量通常是非线性的，这降低了依赖于线性建模的经典反馈控制建模工具的功效。由于几个原因，活塞室中的气压和质量流量通常可以是非线性的。首先，参照图4a，伺服阀212可以向活塞组装件108的一侧(例如背侧)供应供应压力，或者当其接近关闭位置时，可以将其排放。曲线图400a示出了取决于伺服阀212的位置的活塞组装件108的后侧的压力变化的初始速率。如图所示，当伺服阀212从排放切换到对活塞的一侧进行加压时，压力变化的速率急剧变化。其次，参照图4b，曲线图400b示出了在固定的控制阀命令位置中通过伺服阀212的气流也是非线性的。例如，如果从伺服阀212的一侧到另一侧的压力差在一定水平之上，则气流将阻塞—由空气是可压缩气体的事实引起的现象。这些现象在活塞动力学以及因此在整个反馈控制系统中起着重要的作用。然而，忽略压力状态会使反馈控制器面临不确定性，而预测压力状态需要复杂的非线性建模。
为了解决这些挑战，不是使用活塞组装件108的位置、活塞组装件108的速度以及两个系统压力测量结果(p1、p2)对CBIT气动系统300进行建模，而是可以使用活塞组装件108上的净力作为反馈代替两个系统压力测量值(p1、p2)来实现建模。可由处理器202使用可从一个或多个压力传感器206获得的两个压力信号(p1、p2)直接测量净力。具体地，可使用活塞108a的横截面积以及施加到活塞108a的压力使用等式1和等式2来计算净力(F)，其中F是以磅为单位的净力，r是以英寸为单位的活塞108a的半径，p1是以psi为单位的施加在前端处的压力，p2是以psi为单位的施加在后端处的压力，并且pATM是以psi为单位的大气压力(～14.7psi)。
F前＝(面积横截面)x(P施加)＝(πr2)x(p1-pATM) 等式1
F后＝(面积横截面)x(P施加)＝(πr2)x(p2-pATM) 等式2
如果期望的活塞力(F)的闭环控制具有足够的精确度和带宽，则净力反馈可以大大减少由气动致动引起的室压力的非线性影响，例如阻塞。高带宽力控制需要活塞室压力的快速测量、期望活塞压力的快速计算以及高带宽伺服阀致动，以实现期望活塞室压力。净力(F)的这种高带宽控制显著降低了压力行为的非线性对用于活塞的完整反馈控制系统的操作的影响。这使得能够使用现代控制设计方法，该方法通常基于线性模型系统。这些现代方法的好处是，当考虑到系统模型中的不确定性时，它们比常规方法更准确。力控制器达到期望性能所需的带宽可以取决于系统中存在的非线性效应的特征频率以及闭环系统的期望性能带宽。精确的带宽和精确度要求取决于系统所需的准确度和响应，但经验法则是补偿控制器的带宽(即力反馈)应该比完整致动系统的期望带宽快至少10倍，并且用于补偿控制器中的传感器应该具有至少是控制器的期望稳态精确度的10倍的分辨率。例如，在本发明的一个应用中，活塞控件的期望闭环带宽大约为4Hz，并且经验观察显示由于室压力中的非线性效应引起的系统共振引起约1Hz的不希望的系统振荡。因此，具有优于100Hz的控制带宽的力控制器提供足够的响应时间以抵消活塞的固有非线性动力学。在该相同的应用中，室压力测量值的精度约为0.1磅每平方英寸(psi)，而系统在室压力高达约100psi的情况下操作。
上述气动控制技术可以进一步体现在三重气动架构中。除了提供合适的冗余之外，三重气动架构系统减轻了与上述单线路系统200、单线路系统300相关的某些缺陷，诸如在自动驾驶仪脱离的情况下经历从自动驾驶仪到驾驶员控制的突然和立即转变。在自动驾驶仪中使用三重气动架构系统的附加好处是，通过使用三个气动致动组装件，轭(yoke)/操纵杆操纵不再需要基于滚柱轴承的设计。
图5a示出了采用并行操作的三个基本相似或相同的气动子系统500a、500b、500c的示例三重气动架构系统500的示意图，三个气动子系统被示出为气动子系统线路A(“线路A”)500a、气动子系统线路B(“线路B”)500b和气动子系统线路C(“线路C”)500c。如图所示，气动子系统500a、气动子系统500b、气动子系统500c中的每一个包括气动致动组装件100以执行相同的任务并且因此可以机械地彼此耦合。三个气动致动组装件100可以进一步在一端或两端共享公共负载连接器112(为了更好地示出总线连接，后端负载连接器112从图5a中省略)。
气动子系统500a、气动子系统500b、气动子系统500c彼此通信地并且可操作地耦合以便于交换反馈和指令，诸如经由传感器总线504交换传感器读数(例如，电流、压力、速度、位置、力和其他测量值)以及经由终止总线502交换终止信号。鉴于三重气动架构系统500的三倍冗余，三个气动致动组装件100经由其相应的气动子系统500a、气动子系统500b、气动子系统500c接收类似的控制命令(例如，来自飞行控制系统)。
气动子系统500a、气动子系统500b、气动子系统500c中的每一个包括处理器202，以用于命令从伺服驱动器204到伺服阀212的电机电流，该电机电流使用串联电流传感器302进行监控。每个处理器202监控所有三条线路的测量的电机电流。在没有系统故障的情况下，预计气动子系统500a、气动子系统500b、气动子系统500c中的每一个处的测量的电机电流基本上相同，因为三个气动致动组装件100经配置以将公共(即，相同的)负载306驱动到相同的命令位置。结果，来自每个气动子系统500a、气动子系统500b、气动子系统500c的反馈应基本相同。为此，每个处理器202运行投票算法以确保所有三个电机电流一致(即，在彼此的预定可接受偏差内)。投票算法可以是一种版本的“三倍模块冗余”算法。
如果在三个气动子系统500a、500b、500c中的一个处与气动子系统500a、气动子系统500b、气动子系统500c中的另外两个处的测量的电机电流不一致(即，超出预定可接受偏差——指示故障线路/子系统)，终止信号(例如，5VDC高信号)可以在故障子组装件处被发送到继电器304。在操作中，继电器304通过向气动放泄阀提供功率而保持气动放泄阀关闭(保持线路中的压力)，除非继电器从处理器202接收到终止信号。该继电器304布置是有利的，因为在线路中的一条处的处理器202故障将不会禁用整个三重气动架构系统500。当任何子系统500a、子系统500b、子系统500c检测到故障时，检测子系统处的处理器202经配置以发送终止信号到故障气动子系统的继电器304，从而禁用(例如，排放/放泄)故障气动子系统。之后，剩下的两个健康气动子系统可以随后改变其操作以对损失的气动致动组装件100负责。剩下的两个子系统改变它们的控制增益，使得双活塞系统的动力学和性能紧密地匹配三活塞系统的正常操作。用于双活塞操作的改变的控制器可以使用与设计正常操作系统相同的方法来设计和操作。
图5b示出了三重气动架构系统500的三重活塞组装件实施例。如图所示，三个气动致动组装件100可以平行并且以三角形配置布置。三个气动致动组装件100可以使用一组支架板506相对于彼此固定就位。如图所示，每个支架板506包括布置成三角形配置的三个支架孔。支架板506的外周边也可以是三角形的。虽然三重活塞组装件被示出为三角形配置，但根据应用，其他配置也是可能的。例如，三个气动致动组装件100可以平行并且以平面配置(并排在单个平面中)布置。
图5b的三个气动致动组装件100被示出为在后端采用三个单独的负载连接器112，但是三个气动致动组装件100可以经配置以共享公共负载连接器112或使用后端支架板506进行附接(例如，空中交通工具的固定部分)。负载连接器112在前端没有示出，但是可以同样共享负载连接器112或者采用三个单独的负载连接器112。在任一种情况下，一个或多个负载连接器112可以耦合到每个气动致动组装件100的活塞杆108b的尾杆部分108c。
图6a至图6c示出了线路A 500a、线路B 500b和线路C 500c中的每一个的示意图。如上所述，三个气动子系统500a、500b、500c基本相同，并且因此，将仅详细论述图6a。然而，可以理解的是，关于图6a的论述同样适用于图6b至图6c，但是从其他气动子系统500a、气动子系统500b、气动子系统500c的角度来看。
现在转到图6a，示出了线路A 500a的示意图，其各种组件可以是模块化组件。如图所示，线路A500a通常包括气动致动组装件100、处理器202、伺服驱动器204、一个或多个压力传感器206、多个放泄阀208、空气源210、机电伺服阀212、电源214、多个继电器304、电流传感器302以及与终止总线502和传感器总线504耦合的一个或多个总线接口。一个或多个总线接口使得经由终止总线502和传感器总线504在三个气动子系统500a、500b、500c之间启用通信和反馈。总线接口采用一个或多个电连接器(例如，多引脚连接器)、硬连线、无线收发器等。在某些方面，三重气动架构系统500可以采用对等(peer-to-peer)通信网络或主从网络。示例网络包括控制器局域网络(CAN总线)。
如图所示，线路A 500a包括三个继电器304，一个继电器(A-A)由来自线路A 500a的处理器202的终止信号控制，而另外两个继电器(B-A)、(C-A)分别由来自线路B 500b和线路C 500c的处理器202的终止信号控制。如同单线路CBIT气动系统300一样，线路A 500a包括电流传感器302以测量伺服驱动器204与伺服阀212之间的电动机电流。电流传感器302输出测量数据(即，测量电机电流)到传感器总线504，以传送到所有三条线路(即，线路A500a、线路B 500b和/或线路C 500c)的处理器202和/或如果需要，直接传送到线路A 500a的处理器202的输入电路系统202b。在操作中，预计来自每条线路的类似反馈。换句话说，线路A 500a的同胞(sibling)处理器202(线路B 500b和线路C 500c的处理器202)预计将类似的电机电流命令到其相应的伺服阀212，这是因为三个气动致动组装件100将相同的负载306驱动到相同的命令位置。因此，三条线路(线路A、线路B和线路C)的每个处理器202经配置以监控另外两条线路。例如，线路A 500a可以由线路B 500b和/或线路C 500c的处理器202终止。
虽然三条线路(即线路A 500a，线路B 500b和线路C 500c)各自被示为具有三个继电器304，但气动系统500可以在每条线路500a、500b、500c处仅使用两个继电器304仍然可靠地工作。例如，参考线路A 500a，线路A 500c的处理器202不必经配置以终止线路A 500c(即，自我终止)，为此，可以省略继电器(A-A)，由此只留下继电器(B-A)、继电器(C-A)。尽管如此，可以设想自我终止并且可以采用自我终止以经由任选的继电器304(A-A)、(B-B)和(C-C)提供附加的冗余。
因此，每个处理器202监控所有三个气动致动组装件100的测量电机电流，以识别任何差异。三个气动子系统500a、500b、500c内的每个处理器202因此可以运行投票算法以确保来自三个电流传感器302中的每一个的所有三个电机电流都一致。在一条线路的电机电流与另外两条兄弟线路不一致的情况下，经由终止总线502将终止信号发送到不一致的线路的继电器304，以切断到放泄阀208的功率，从而在单个故障气动系统中放泄/排放压力(pa)。
气动系统500内的不安全故障将导致电机电流与预定“正常”操作范围的偏差。通过包含压力和/或力反馈，只需要监控电机电流测量值以检测所有关键气动系统故障。因此，除了电机电流反馈之外，在每个单独的气动致动组装件100的控制回路中使用压力和/或力反馈，使得能够测量来自伺服驱动器204的电动机电流，以捕获关于气动系统500的每个单独的气动子系统500a、500b、500c中的所有组件的信息。
作为说明，考虑没有压力补偿的情况：所有三个活塞机械地耦合并且一个单独的气动致动组装件100已经损失到其室中的一个的空气软管。尽管所有的控制器都可能受到活塞损失的影响，但是每个线性位置传感器106的输出将保持与其他的相同。仅依靠活塞位置，投票算法将无法将系统响应中的这种变化与活塞上的外部负载的变化进行区分。通过电机电流监控，气动系统500将检测断开线路的电流传感器302处的电机电流测量值相对于其他两条可操作线路处的测量值的偏差。此外，通过经由一个或多个压力传感器206的压力和/或力反馈，气动系统500可以进一步经由处理器202中的一个检测故障线路处的压力的突然下降。
在表1中提供了由三重架构检测和寻址的示例性故障模式的列表。例如，可以使用压力反馈控制来检测在项目编号3和项目编号4处提出的故障。关于项目编号6和项目编号7，一旦气动系统500产生控制动作，将响应于电机电流偏差检测到故障。如果气动致动组装件100处于低负载和静态下，则可能不会立即检测到编号6和编号7下的故障，因为故障会导致零电机电流，该零电机电流可能接近当处于低负载和静态下时的预期电机电流。
Figure GDA0003313985470000221
Figure GDA0003313985470000231
表1
如上所述，每个处理器202测量所有三个气动子系统500a、500b、500c中的每一个的电机电流，以计算每条线路中的电机电流之间的差值(德尔塔(delta)误差值：EXY)：EAB、EAC和EBC。这些误差值也可能被过滤以减少噪音。当误差值超过或偏离预定的可允许阈值或范围时，检测到系统故障。选择预定的可允许阈值以快速检测故障并且拒绝不是由故障导致的差异(以避免误报)。应该拒绝的差异的示例包括由传感器噪声而引起的偏差以及由于三个气动活塞中每一个的微小差别而引起的偏差。误差阈值的选择应考虑室的固有噪声和性能偏差以及组件故障对控制器的影响。例如，误差阈值可以是超过总测量范围的5％的任何偏差。表2中总结的三重投票逻辑采用误差值和系统故障的阈值以评估系统健康状况。
Figure GDA0003313985470000241
表2
进行了一系列实验以验证三重气动架构系统500和三重投票逻辑在识别线路故障方面的有效性。结果总结在图7a和图7b中。
图7a是示出三条气动线路中测量电机电流的曲线图。跟踪每条气动线路以实现(例如，相同的)步进位置命令。电流数据以“微控制器单元”表示，微控制器单元是用于采集数据的微控制器的模数转换器的非标定(unscaled)输出。通过拔下伺服阀在线路C上产生伺服故障。为了将现实世界差异引入到实验中，在线路C中使用的活塞和机械组装件与线路A和线路B的那些不同。尽管存在这些差别，但三重气动架构系统500的CBIT算法忽略了这些正常差异，同时仍能成功检测到实际的系统故障。如曲线图所证明的，在伺服故障后在线路C处测量的电机电流对随后接收到的位置命令(由曲线图中的电流尖峰/峰值指示)无响应。因此，三重气动架构系统500的CBIT算法正确地确定线路C的电流与线路A和线路B的电流显著不同。
图7b是示出用于三条气动线路的测量电机电流的差值的曲线图。如上所解释的，每个处理器202测量所有三条线路(线路A 500a、线路B 500b和线路C 500c)的电机电流，并且计算每条线路中的电机电流之间的差值：EAB、EAC和EBC。当误差值超过可允许阈值时，系统检测到故障。通过拔下线路C上的伺服器再次产生伺服故障。经过短暂的延迟(大约2秒)后，检测到故障并且线路C被自动废弃。具体地，误差值EAC和EBC两者都超过了可允许偏差阈值，而EAB没有，这表明两个故障测量所共有的线路是故障源。
故障检测的短暂延迟可以归因于所产生故障的性质。具体地，当线路C处的伺服器被拔出时，它将发送0电机电流读数，与在没有负载下的且没有位置命令的健康线路没有显著差异。当接收到新的位置命令(因此在每条线路处需要电机电流)时，健康线路(线路A和线路B)产生新的非零电机电流，并且线路C的故障立即被检测为分化。
尽管已经参考部件、特征等的特定布置描述了各种实施例，但是这些并不意图详尽所有可能的布置或特征，并且实际上许多其他实施例、修改和变化将是本领域技术人员可以确定的。因此，应该理解，因此可以以不同于上面具体描述的方式来实践本发明。上面引用的专利和专利公开在本文通过引用整体并入。

Claims (11)

1.一种三重气动架构系统(500)，包括：
第一气动子系统(500a)，其用于控制第一气动致动组装件(100)，所述第一气动子系统(500a)包括用于测量从第一伺服驱动器(204)到第一伺服阀(212)的控制电流以输出第一测量电流值的第一电流传感器(302)，以及耦合到第一继电器(304)的第一放泄阀，其中第一处理器(202)经配置以产生终止信号以致动所述第一继电器(304)以打开所述第一放泄阀；
第二气动子系统(500b)，其用于控制第二气动致动组装件(100)，所述第二气动子系统(500a)包括用于测量从第二伺服驱动器(204)到第二伺服阀(212)的控制电流以输出第二测量电流值的第二电流传感器(302)，以及耦合到第二继电器(304)的第二放泄阀，其中第二处理器(202)经配置以产生终止信号以致动所述第二继电器(304)以打开所述第二放泄阀；
第三气动子系统(500c)，其用于控制第三气动致动组装件(100)，所述第三气动子系统(500)包括用于测量从第三伺服驱动器(204)到第三伺服阀(212)的控制电流以输出第三测量电流值的第三电流传感器(302)，以及耦合到第三继电器(304)的第三放泄阀，其中第三处理器(202)经配置以产生终止信号以致动所述第三继电器(304)以打开所述第三放泄阀；以及
通信总线，其用于通信地耦合所述第一气动子系统(500a)、所述第二气动子系统(500b)和所述第三气动子系统(500c)中的每一个，其中所述第一处理器(202)、所述第二处理器(202)和所述第三处理器(202)中的每一个经配置以当所述第一测量电流值偏离所述第二测量电流值和所述第三测量电流值预定的误差值时，产生所述终止信号并且将所述终止信号传送到所述第一继电器(304)。
2.根据权利要求1所述的三重气动架构系统(500)，其中所述第一气动致动组装件(100)、所述第二气动致动组装件(100)和所述第三气动致动组装件(100)耦合到公共负载。
3.根据权利要求2所述的三重气动架构系统(500)，其中所述公共负载是空中交通工具的飞行控件。
4.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的三重气动架构系统(500)，其中所述第一处理器(202)、所述第二处理器(202)和所述第三处理器(202)中的每一个经配置以使用多数投票算法来确定所述第一测量电流值何时偏离所述第二测量电流值和所述第三测量电流值。
5.一种三重气动架构系统(500)，包括：
第一气动子系统(500)，其用于控制第一气动致动组装件(100)中的第一活塞的运动，所述第一气动子系统(500)包括第一伺服驱动器(204)、第一伺服阀(212)、第一电流传感器(302)、耦合到第一继电器(304)的第一放泄阀、第一位置传感器以及将第一控制命令传送到所述第一伺服驱动器(204)的第一处理器(202)，
其中所述第一伺服驱动器(204)响应于所述第一控制命令而将控制电流传输到所述第一伺服阀(212)以选择性地致动所述第一气动致动组装件(100)，
其中所述第一位置传感器经配置以测量所述第一活塞的线性运动并且提供所述第一活塞的位置反馈，
其中所述第一电流传感器(302)经配置以测量所述控制电流并且输出第一测量电流值，以及
其中所述第一处理器(202)经配置以产生终止信号以致动所述第一继电器(304)并且打开所述第一放泄阀；
第二气动子系统(500)，其用于控制第二气动致动组装件(100)中的第二活塞的运动，所述第二气动子系统(500)包括第二伺服驱动器(204)、第二伺服阀(212)、第二电流传感器(302)、耦合到第二继电器(304)的第二放泄阀、第二位置传感器以及将第二控制命令传送到所述第二伺服驱动器(204)的第二处理器(202)，
其中所述第二伺服驱动器(204)响应于所述第二控制命令而将控制电流传输到所述第二伺服阀(212)以选择性地致动所述第二气动致动组装件(100)，
其中所述第二位置传感器经配置以测量所述第二活塞的线性运动并且提供所述第二活塞的位置反馈，
其中所述第二电流传感器(302)经配置以测量所述控制电流并且输出第二测量电流值，以及
其中所述第二处理器(202)经配置以产生终止信号以致动所述第二继电器(304)并且打开所述第二放泄阀；
第三气动子系统(500)，其用于控制第三气动致动组装件(100)中的第三活塞的运动，所述第三气动子系统(500)包括第三伺服驱动器(204)、第三伺服阀(212)、第三电流传感器(302)、耦合到第三继电器(304)的第三放泄阀、第三位置传感器以及将第三控制命令传送到所述第三伺服驱动器(204)的第三处理器(202)，
其中所述第三伺服驱动器(204)响应于所述第三控制命令而将控制电流传输到所述第三伺服阀(212)以选择性地致动所述第三气动致动组装件(100)，
其中所述第三位置传感器经配置以测量所述第三活塞的线性运动并且提供所述第三活塞的位置反馈，
其中所述第三电流传感器(302)经配置以测量所述控制电流并且输出第三测量电流值，以及
其中所述第三处理器(202)经配置以产生终止信号以致动所述第三继电器(304)并且打开所述第三放泄阀；
通信总线，其用于通信地耦合所述第一处理器(202)、所述第二处理器(202)和所述第三处理器(202)中的每一个，
其中所述第一处理器(202)经配置以经由所述通信总线接收所述第一测量电流值、所述第二测量电流值和所述第三测量电流值中的每一个，
其中所述第二处理器(202)经配置以经由所述通信总线接收所述第一测量电流值、所述第二测量电流值和所述第三测量电流值中的每一个，
其中所述第三处理器(202)经配置以经由所述通信总线接收所述第一测量电流值、所述第二测量电流值和所述第三测量电流值中的每一个，
其中所述第二处理器(202)和所述第三处理器(202)中的每一个经配置以当所述第一测量电流值偏离所述第二测量电流值和所述第三测量电流值预定的误差值时，产生所述终止信号并且将所述终止信号传送到所述第一继电器(304)，以及
其中所述第一继电器(304)经配置以在接收到所述终止信号时打开所述第一放泄阀以排放所述第一气动致动组装件(100)。
6.根据权利要求5所述的三重气动架构系统(500)，其中所述第一气动子系统(500)、所述第二气动子系统(500)和所述第三气动子系统(500)中的每一个包括第一放泄阀和第二放泄阀。
7.根据权利要求6所述的三重气动架构系统(500)，其中所述第一放泄阀排放气动汽缸(104)的第一部分并且所述第二放泄阀排放气动汽缸(104)的第二部分。
8.根据权利要求7所述的三重气动架构系统(500)，其中所述第一放泄阀和所述第二放泄阀由公共继电器(304)控制。
9.根据权利要求5、权利要求6、权利要求7或权利要求8所述的三重气动架构系统(500)，其中所述第一气动致动组装件(100)、所述第二气动致动组装件(100)和所述第三气动致动组装件(100)耦合到公共负载。
10.根据权利要求5、权利要求6、权利要求7或权利要求8所述的三重气动架构系统(500)，其中所述第二处理器(202)和所述第三处理器(202)中的每一个经配置以通过所述通信总线将所述终止信号传送到所述第一继电器(304)。
11.根据权利要求9所述的三重气动架构系统(500)，其中所述第二处理器(202)和所述第三处理器(202)中的每一个经配置以通过所述通信总线将所述终止信号传送到所述第一继电器(304)。
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