CN112124568B - 一种电传飞行控制系统以及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电传飞行控制系统和控制方法，电传飞行控制系统包括：用于提供驾驶舱操纵指令的驾驶舱操纵器件；飞控电子设备，其与驾驶舱操纵器件通信连接、从其接收驾驶舱操纵指令并且生成用于控制飞控作动器组件的控制指令；与飞控电子设备通信连接的飞控作动器组件，接收用于控制飞控作动器组件的控制指令，使得相应的飞机舵面动作，飞控电子设备包括至少两台主计算机和三台次计算机，次计算机分别对应于一个控制通道，次计算机被配置成在主计算机失效的情况下彼此独立地从驾驶舱操纵器件接收驾驶舱操纵指令并且对其进行控制律计算，飞控作动器组件与各个次计算机通信连接，使得在每个单个控制通道独立工作时都能实现飞机最低飞行安全要求。

Description

一种电传飞行控制系统以及控制方法

技术领域

本发明涉及飞机飞行控制领域，尤其涉及一种电传飞行控制系统。本发明还涉及应用该电传飞行控制系统进行控制的方法。

背景技术

飞行控制系统是现代民用飞机上的复杂而关键的系统，对于飞机安全至关重要。

美国波音公司的777和787形成了自己的电传飞控系统架构体系。其架构中采用了3余度FCM(飞行控制模块)和4余度ACE(作动控制电子)，飞控作动器和能源系统在四个控制通道上进行配置，其中作动器通常都进行主动工作，并且没有备份计算机。我国C919大型客机也采用这种3台FCM和4台ACE的架构体系。

欧洲空客公司的A320、A380和A350也形成了自己的电传飞控系统架构体系，其主计算机和次计算机采用了复杂的余度配置和故障重构逻辑，与波音公司不同，这种电传飞控系统中的作动器通常为一台作动器主动工作，而另一台作动器旁通或阻尼工作。

目前这几类飞行控制系统架构分别存在着余度/重构关系复杂或备份能力较弱的缺点。

发明内容

在现有技术的基础上，本发明的目的是提供一种电传飞行控制系统，在该电传飞行控制系统中仅设有三个控制通道，三个控制通道分别对应一台独立的次计算机，由此简化了设备数量，优化了电传飞控系统的控制通道分配，增加了独立的备份控制路径。该电传飞行控制系统可在满足25.1309等安全性要求的基本前提下，对电传飞行控制系统进行优化，同时提高了所有主计算机和次计算机失效后的控制能力。

该目的通过发明以下形式的一种电传飞行控制系统来实现。所述电传飞行控制系统包括：

驾驶舱操纵器件，所述驾驶舱操纵器件用于提供驾驶舱操纵指令；

飞控电子设备，所述飞控电子设备被构造成能够与所述驾驶舱操纵器件通信连接，从而能够从驾驶舱操纵器件接收驾驶舱操纵指令并且生成用于控制飞控作动器组件的控制指令；

飞控作动器组件，所述飞控作动器组件与所述飞控电子设备通信连接，以接收用于控制飞控作动器组件的控制指令，使得相应的飞机舵面动作，

所述飞控电子设备包括至少两台主计算机和三台次计算机，所述三台次计算机分别对应于所述电传飞行控制系统的一个控制通道，所述三台次计算机被配置成在所述主计算机失效的情况下彼此独立地从驾驶舱操纵器件接收驾驶舱操纵指令并且对其进行控制律计算，所述飞控作动器组件与各个次计算机通信连接，使得在每个单个控制通道独立工作时都能实现飞机最低飞行安全要求。

在该电传飞行控制系统中通过设有三台次计算机，三台次计算机分别对应于所述电传飞行控制系统的一个控制通道，从传统的四个控制通道调整为三个控制通道，从而仅设有三个控制通道，由此简化了设备数量，优化了电传飞控系统的控制通道设计。

根据本发明的一种优选实施方式，所述飞控电子设备还包括一台备份计算机，所述备份计算机与三台次计算机都通信连接，以监控三台次计算机的工作状态，所述备份计算机还与所述驾驶舱操纵器件和飞控作动器组件通信连接，在所有次计算机失效的情况下，备份计算机能够从驾驶舱操纵器件接收驾驶舱操纵指令、生成用于控制飞控作动器组件的控制指令并将其发送给飞控作动器组件，以使相应的飞机舵面动作，从而保证飞机最低飞行安全要求。

通过设置一台备份计算机使得在所有主次计算机都失效的情况下可实现部分舵面的备份控制，保证飞机最低飞行安全要求，并安全着陆。此外还实现了独立的备份路径。由于增加了备份计算机，从而实现了终极备份。

根据本发明的一种优选实施方式，每两台主计算机彼此通信连接并且分别与各个次计算机通信连接，主计算机从各个次计算机接收驾驶舱操纵指令并且对其进行表决、整合以及执行比次计算机更高层级的控制律计算，从而生成用于控制飞控作动器组件的控制指令，将所述控制指令分别发送给次计算机，所述次计算机接收该控制指令并将该控制指令发送给所述飞控作动器组件。

通过设置主计算机能够大大提升飞行安全性。由于主计算机执行的控制律层级高于次计算机，而次计算机执行的控制律高于备份计算机，由此可逐级递减，但是确保了飞机最低安全性。主计算机能够实现更完善的监控和告警功能。

根据本发明的一种优选实施方式，每个所述控制通道配备独立的液压系统。由于每个控制通道使用匹配的液压系统使得能够对飞机舵面进行有效控制。

根据本发明的一种优选实施方式，所述控制通道中的至少一个配备有电源。

由此各计算机、作动器以及相关的液压/电源被分配至三个控制通道。

根据本发明的一种优选实施方式，主计算机、次计算机和备份计算机分开地布置在飞机上的至少两个不同的位置上。

根据本发明的一种优选实施方式，所述备份计算机被配置成在所述次计算机都失效的情况下仅对其中一个控制通道进行控制。

三台次计算机和备份计算机只要有任意一台能正常工作，就可满足可接受的最小控制要求，从而能够保证飞机安全飞行和着陆。

根据本发明的一种优选实施方式，所述飞机舵面包括升降舵、水平安定面、副翼、扰流板、方向舵或远程控制单元。

本发明还提出一种应用前述电传飞行控制系统对飞机舵面进行控制的方法，所述方法包括以下步骤：

通过所述驾驶舱操纵器件提供驾驶舱操纵指令给所述飞控电子设备的三台次计算机；

所述三台次计算机分别对应于各自独立的控制通道，所述三台次计算机被配置成在所述主计算机失效的情况下，在所述三台次计算机接收到驾驶舱操纵指令之后，独立地对所述驾驶舱操纵指令进行控制律计算并且生成用于控制飞控作动器组件的控制指令；

所述飞控作动器组件分别从三台次计算机接收用于控制飞控作动器组件的控制指令并且基于所述控制指令控制飞机舵面动作，使得在每个单个控制通道独立工作时都能实现飞机最低飞行安全要求。

所述方法还包括：备份计算机监控三台次计算机的工作状态，在所有次计算机失效的情况下，备份计算机能够从驾驶舱操纵器件接收驾驶舱操纵指令、生成用于控制飞控作动器组件的控制指令并将其发送给飞控作动器组件，以使飞机舵面动作，从而保证飞机最低飞行安全要求。

在至少一台主计算机工作时，所述方法还包括：

在所述三台次计算机接收到驾驶舱操纵指令之后，分别将所述驾驶舱操纵指令发送给所述主计算机；

在所述主计算机接收到驾驶舱操纵指令之后对其进行表决、整合以及执行比次计算机更高层级的控制律计算并且生成用于控制飞控作动器组件的控制指令；

所述主计算机将生成的用于控制飞控作动器组件的控制指令发送给各个次计算机；

所述飞控作动器组件分别从次计算机接收用于控制飞控作动器组件的控制指令并且基于所述控制指令控制舵面动作。

所述控制方法具有上述电传飞行控制系统的所有优点。

附图说明

为了更好地理解本发明的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本发明的优选实施方式，对本发明的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。

图1示出了根据本发明的电传飞行控制系统的物理架构，

图2示出了根据本发明的电传飞行控制系统的各个控制通道的能源与控制信号的分配图。

附图标记列表

主计算机1

主计算机2

主计算机3

次计算机4

次计算机5

次计算机6

液压系统7

液压系统8

液压系统9

备份计算机10

扰流板100

副翼200

升降舵300

水平安定面400

方向舵500

具体实施方式

接下来将参照附图详细描述本发明的发明构思。这里所描述的仅仅是根据本发明的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本发明的其他方式，所述其他方式同样落入本发明的范围。

图1示出了根据本发明的电传飞行控制系统的物理架构。根据本发明的电传飞行控制系统包括驾驶舱操纵器件；飞控电子设备和飞控作动器组件。驾驶舱操纵器件示例性地包括侧杆或驾驶杆盘、脚蹬、减速板手柄、配平开关等器件。驾驶舱操纵器件与飞控电子设备通信连接，驾驶舱操纵器件用于例如接收驾驶员的操纵指令并且将该操纵指令提供给飞控电子设备。

飞控电子设备包括至少两台主计算机、在该实施方式中示例性地示出了三台主计算机；三台次计算机和备份计算机。飞控电子设备与驾驶舱操纵器件以及与飞控作动器组件通信连接。飞控电子设备从驾驶舱操纵器件接收驾驶舱操纵指令并且生成用于控制飞机作动器组件的控制指令，然后将该控制指令发送给飞控作动器组件。飞控作动器组件与飞机舵面例如机械连接，飞控作动器组件从飞控电子设备接收控制指令并且基于该控制指令操纵对应舵面工作，例如操纵舵面偏转。舵面在此示例性地包括升降舵300、水平安定面400、副翼200、扰流板100、方向舵500等，或者也包括远程控制单元。

在该实施方式中，三台主计算机中每两台主计算机之间通信连接，主计算机1与主计算机2通信连接、主计算机2与主计算机3通信连接、主计算机1与主计算机3通信连接。三台主计算机又分别与每台次计算机4、5、6通信连接，但是三台次计算机彼此之间独立、即彼此之间不互相连接。备份计算机10与三台次计算机通信连接。次计算机和备份计算机分别与驾驶舱操纵器件和飞控作动器组件通信连接。而主计算机不与驾驶舱操纵器件和飞控作动器组件连接。备份计算机可作为某一个次计算机对应的控制通道的备份。

在此，每个次计算机都对应于一个控制通道，在此控制通道理解为从对相应驾驶舱操纵器件的操纵开始直至对应的舵面部件运动的信号联系。因此，在该实施方式中总共设有三个控制通道。

参见图1，例如在驾驶员操作驾驶舱操纵器件时，驾驶舱操纵器件将驾驶舱操纵指令通过通信连接分别提供给三台次计算机4、5、6。三台次计算机4、5、6将该驾驶舱操纵指令直接地或例如在其内部通过模数变换之后分别传输给所有的主计算机1、2、3。主计算机能够独立地生成控制指令，主计算机在接收到该驾驶舱操纵指令之后对其进行表决、整合以及控制律计算。在此，例如当主计算机接收到的信号不一致时，通过主计算机之间的两两通信连接，可在此发现并消除错误信号，仅采用正确的信号进行计算。此外，在例如部分关键接口信号丧失之后，主计算机能够实现控制率重构，例如采用默认值来进行控制律计算，以保证安全性。

在主计算机进行控制律计算之后形成对飞控作动器组件的控制指令，主计算机将该控制指令发送给各个次计算机4、5、6。各个次计算机4、5、6在接收到该控制指令之后，能够独立进行指令选择或指令表决，此时将控制指令传输给飞控作动器组件，使飞控作动器组件执行相应动作以驱动飞机舵面的对应运动，例如偏转。

当主计算机1、2、3全部失效的情况下，驾驶舱操纵器件将驾驶舱操纵指令通过通信连接分别提供给三台次计算机4、5、6之后，三台次计算机4、5、6在其内部分别对该驾驶舱操纵指令进行比主计算机所进行的控制律更低层级的控制律计算，在本文中也称为进行降级控制律计算。在此三台次计算机4、5、6分别独立地进行降级控制律计算以得出对飞控作动器的控制指令。在这种情况下由次计算机通过降级控制律计算得出的对飞控作动器的控制指令不如在主计算机中通过控制律计算得出的控制指令实现的控制效果好，即操纵品质降级。

例如三台次计算机4、5、6所对应的控制通道可分别控制约1/3的作动器。由此单通道的独立工作也可实现最小可接受的控制。

此外，在图1中，飞控电子设备还包括备份计算机10，如前所述，所述备份计算机与三台次计算机通信连接，以监控三台次计算机的工作状态。该备份计算机可处于热备份状态和/或冷备份状态。

当备份计算机监控到三台次计算机全部失效时，备份计算机可至少对部分舵面部件进行备份控制，即，备份计算机从驾驶舱操纵器件接收驾驶舱操纵指令并例如基于备份计算机中的控制律生成用于控制飞机作动器组件的控制指令并将其发送给飞机作动器组件以使相应的飞机舵面执行对应动作。备份计算机可控制部分的舵面部件使得确保飞机的最低安全性。备份计算机执行的控制律比次计算机执行的控制具有更低层次。

图2示出了根据本发明的电传飞行控制系统的各个控制通道的能源与(各个次计算机的)控制信号的分配图。例如从图2中可看见，次计算机4、6控制左侧的副翼，而次计算机5、6控制右侧的副翼。而在左侧的扰流板和右侧的扰流板中的各个板部件通过次计算机4、5、6来控制。其中，次计算机4、5、6可分别控制一个舵面部件或多个舵面部件，例如次计算机4和5控制左侧扰流板中的多个扰流板部件，而次计算机6控制左侧扰流板中的其中一个扰流板部件。当然也可想到次计算机的其他分配方式。通过为舵面部件分配次计算机4、5或6对应的控制通道，由此确保在仅一个次计算机可用的情况下、即单个控制通道独立工作时也可实现确保飞机的最低安全性。

此外，为电传飞行控制系统的控制通道分别分配有液压系统，在此为三个控制通道分配有三个液压系统7、8、9，每个控制通道使用匹配的液压系统。也可考虑，其中一个液压系统为电源。例如液压系统9为电源。

根据本发明的电传飞行控制系统中的飞控电子设备的主计算机、次计算机和备份计算机应分开地布置在飞机上的至少两个位置上，例如其中主计算机布置在前电子电气设备舱中，而次计算机布置在中电子电气设备舱中。

下面以一示例说明根据本发明的电传飞行控制系统中的次计算机、备份计算机以及液压系统的布置。根据图2，例如左侧升降舵通过次计算机4和次计算机6控制并且右侧升降舵通过次计算机6和次计算机5控制。方向舵通过三个次计算机4、5、6控制。升降舵和方向舵通常用于对飞机俯仰运动的控制。左侧扰流板和右侧扰流板通过三个次计算机4、5、6控制并且左侧副翼通过次计算机4和次计算机6控制并且右侧副翼通过次计算机6和次计算机5控制。扰流板和副翼通常用于对飞机横滚运动的控制。其中，次计算机4、5、6分别对应液压系统7、8、9。

在次计算机全部失效的情况下，在该示例中备份计算机10控制左侧副翼和右侧副翼以及方向舵和升降舵。在该示例中备份计算机10都是选择的对应于次计算机3的控制通道进行控制。当然也可想到选择其他的控制通道，在此只是示例性。

在此，例如如此选择对各个舵面部件的控制，至少保证左侧升降舵、右侧升降舵和方向舵中有至少两个能通过至少一个控制通道控制。而对于扰流板或副翼来说，使两个副翼或其中一个副翼和左右一对扰流板能通过至少一个控制通道控制。由此能够实现在飞机故障时确保飞机的最低安全性。

此外，在本发明中主计算机和次计算机均采用指令-监控架构方式来设计。

在根据本发明的电传飞行控制系统中，三台次计算机为本发明的核心。其中仅设有三个次计算机，次计算机的数量匹配电传飞行控制系统的控制通道的数量，相比于现有技术降低了次计算机数量，但是同时又能够满足飞机最低安全性。此外，通过引入独立的备份计算机，优化了电传飞行控制系统的控制通道，即使次计算机全部失效也能确保飞机最低安全性，在此备份计算机可自由选择需要控制的作动器，只要能够满足最小安全飞行要求、即最小控制要求即可。另外，由于每个控制通道使用匹配的液压系统使得能够对飞机舵面进行有效控制。由于主计算机执行的控制律层级高于次计算机，而次计算机执行的控制律高于备份计算机，由此可逐级递减，但是确保了飞机最低安全性。此外三台次计算机和备份计算机只要有任意一台能正常工作，就可满足可接受的最小控制要求，从而能够保证飞机安全飞行和着陆。

本发明的保护范围仅由权利要求限定。得益于本发明的教导，本领域技术人员容易认识到可将本发明所公开结构的替代结构作为可行的替代实施方式，并且可将本发明所公开的实施方式进行组合以产生新的实施方式，它们同样落入所附权利要求书的范围内。

Claims (12)

1.一种电传飞行控制系统，所述电传飞行控制系统包括：

驾驶舱操纵器件，所述驾驶舱操纵器件用于提供驾驶舱操纵指令；

飞控电子设备，所述飞控电子设备被构造成能够与所述驾驶舱操纵器件通信连接，从而能够从驾驶舱操纵器件接收驾驶舱操纵指令并且生成用于控制飞控作动器组件的控制指令；

飞控作动器组件，所述飞控作动器组件与所述飞控电子设备通信连接，以接收用于控制飞控作动器组件的控制指令，使得相应的飞机舵面动作，

其特征在于，所述飞控电子设备包括至少两台主计算机和三台次计算机，所述三台次计算机分别对应于所述电传飞行控制系统的一个控制通道，所述三台次计算机被配置成在所述主计算机失效的情况下彼此独立地从驾驶舱操纵器件接收驾驶舱操纵指令并且对其进行控制律计算，所述飞控作动器组件与各个次计算机通信连接，使得在每个单个控制通道独立工作时都能实现飞机最低飞行安全要求。

2.根据权利要求1所述的电传飞行控制系统，其特征在于，所述飞控电子设备还包括一台备份计算机，所述备份计算机与三台次计算机都通信连接，以监控三台次计算机的工作状态，所述备份计算机还与所述驾驶舱操纵器件和飞控作动器组件通信连接，在所有次计算机失效的情况下，备份计算机能够从驾驶舱操纵器件接收驾驶舱操纵指令、生成用于控制飞控作动器组件的控制指令并将其发送给飞控作动器组件，以使相应的飞机舵面动作，从而保证飞机最低飞行安全要求。

3.根据权利要求1所述的电传飞行控制系统，其特征在于，每两台主计算机彼此通信连接并且分别与各个次计算机通信连接，主计算机从各个次计算机接收驾驶舱操纵指令并且对其进行表决、整合以及执行比次计算机更高层级的控制律计算，从而生成用于控制飞控作动器组件的控制指令，将所述控制指令分别发送给次计算机，所述次计算机接收该控制指令并将该控制指令发送给所述飞控作动器组件。

4.根据权利要求1或2所述的电传飞行控制系统，其特征在于，每个所述控制通道配备独立的液压系统。

5.根据权利要求1或2所述的电传飞行控制系统，其特征在于，所述控制通道中的至少一个配备有电源。

6.根据权利要求2所述的电传飞行控制系统，其特征在于，主计算机、次计算机和备份计算机分开地布置在飞机上的至少两个不同的位置上。

7.根据权利要求2所述的电传飞行控制系统，其特征在于，所述备份计算机被配置成在所述次计算机都失效的情况下仅对其中一个控制通道进行控制。

8.根据权利要求1所述的电传飞行控制系统，其特征在于，所述飞机舵面包括升降舵、水平安定面、副翼、扰流板或方向舵。

9.根据权利要求1所述的电传飞行控制系统，其特征在于，所述飞机舵面包括远程控制单元。

10.一种应用根据权利要求1至9中任一项所述的电传飞行控制系统对飞机舵面进行控制的方法，所述方法包括以下步骤：

通过所述驾驶舱操纵器件提供驾驶舱操纵指令给所述飞控电子设备的三台次计算机；

所述三台次计算机分别对应于各自独立的控制通道，所述三台次计算机被配置成在所述主计算机失效的情况下，在所述三台次计算机接收到驾驶舱操纵指令之后，独立地对所述驾驶舱操纵指令进行控制律计算并且生成用于控制飞控作动器组件的控制指令；

所述飞控作动器组件分别从三台次计算机接收用于控制飞控作动器组件的控制指令并且基于所述控制指令控制飞机舵面动作，使得在每个单个控制通道独立工作时都能实现飞机最低飞行安全要求。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述飞控电子设备还包括一台备份计算机，备份计算机监控三台次计算机的工作状态，在所有次计算机失效的情况下，备份计算机能够从驾驶舱操纵器件接收驾驶舱操纵指令、生成用于控制飞控作动器组件的控制指令并将其发送给飞控作动器组件，以使飞机舵面动作，从而保证飞机最低飞行安全要求。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，在至少一台主计算机工作时，所述方法还包括：

在所述三台次计算机接收到驾驶舱操纵指令之后，分别将所述驾驶舱操纵指令发送给所述主计算机；

在所述主计算机接收到驾驶舱操纵指令之后对其进行表决、整合以及执行比次计算机更高层级的控制律计算并且生成用于控制飞控作动器组件的控制指令；

所述主计算机将生成的用于控制飞控作动器组件的控制指令发送给各个次计算机；

所述飞控作动器组件分别从次计算机接收用于控制飞控作动器组件的控制指令并且基于所述控制指令控制舵面动作。

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