CN112816133B - 一种高安全的主动重心控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航空机载系统设计领域，公开了一种高安全的主动重心控制系统及方法，包括：重心监控通道、正常控制通道；重心监控通道设置在航电综合处理机内，正常控制通道设置在飞控计算机内；正常控制通道包含：目标重心解算单元、实时重心解算单元、燃油调节指令解算单元、燃油管理与测量单元；重心监控通道的输出端与目标重心解算单元的输入端连接，目标重心解算单元的的输出端、实时重心解算单元的输出端分别与燃油调节指令解算单元的输入端连接，燃油调节指令解算单元的的输出端与燃油管理与测量单元的输入端连接；燃油管理与测量单元的控制端与外部燃油转输泵和阀的控制端连接，燃油管理与测量单元的测量端与外部燃油的油箱传感器连接。
Description
技术领域
本发明属于航空机载系统设计领域，涉及一种高安全的主动重心控制系统及方法。
背景技术
主动重心技术从上世纪70年代开始，逐步在国外多型军民用飞机上得到应用，其通过对机上燃油的转输控制，实现对飞机重心的主动控制。通过应用该技术，除了能减小飞行阻力，节省燃油消耗，产生显著的经济效益外，对于特殊构型的飞机，还能解决飞机设计过程中重心控制的难题。
由于飞机的重心与其飞行安全紧密相关，必须将飞机的重心始终维持允许的变化范围。传统上，通过预先设计合理的耗油顺序，可以保证飞行中，不会由于燃油的消耗导致飞机的重心超出其使用限制范围。而应用主动重心控制技术，通常必须要在尾翼处布置配平油箱，由于配平油箱的重心相对很靠后，如果主动重心控制系统发生故障或失效，配平油箱中的燃油无法及时向机翼油箱转输，则随着机翼燃油的消耗，飞机的重心会一直向后移动，很大可能会导致飞机的重心超出其使用后限，引发灾难性事故。
可见，应用主动重心控制技术后，在给飞机带来收益的同时，也对飞行安全带来了隐患。
发明内容
本发明的目的是：本发明目的提供分布式的，具备多级安全保证措施的主动重心控制系统，其应用可在给家飞机带来收益的同时，最大程度减小其故障或失效对飞行安全的影响。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
技术方案一：
一种高安全的主动重心控制系统，，所述控制系统包括：重心监控通道、正常控制通道；重心监控通道设置在航电综合处理机内，正常控制通道设置在飞控计算机内；
正常控制通道包含：目标重心解算单元、实时重心解算单元、燃油调节指令解算单元、燃油管理与测量单元；
重心监控通道的输出端与目标重心解算单元的输入端连接，目标重心解算单元的的输出端、实时重心解算单元的输出端分别与燃油调节指令解算单元的输入端连接，燃油调节指令解算单元的的输出端与燃油管理与测量单元的输入端连接；燃油管理与测量单元的控制端与外部燃油转输泵和阀的控制端连接，燃油管理与测量单元的测量端与外部燃油的油箱传感器连接。
本发明技术方案一的特点和进一步的改进为：
(1)所述系统还包括；超控通道；所述超控通道的输入端接收飞行员的超控指令，所述超控通道的控制端与与外部燃油转输泵和阀的控制端连接。
(2)所述系统还包括；接通和断开控制单元，所述接通和断开控制单元的输入端接收飞行员的接通或断开主动重心控制指令，所述接通和断开控制单元的输出端用于控制燃油调节指令解算单元与燃油管理与测量单元的接通或断开。
(3)所述重心监控通道，用于监测飞机的实时重心；并根据飞机的实时重心输出告警信息，所述告警信息至少包含：注意级告警信息和警告级告警信息。
技术方案二：
一种高安全的主动重心控制方法，所述方法应用于如技术方案一所述的系统，所述方法包含两种工作模式：正常工作模式和超控工作模式；
在正常工作模式下：
目标重心解算单元解算目标重心，并发送给燃油调节指令解算单元；
实时重心解算单元解算飞机实时重心，并发送给燃油调节指令解算单元；
燃油调节指令解算单元根据目标重心，飞机实时重心，飞机空机、装载货物及乘员分别对应的重心，解算燃油调节指令，并发送给燃油管理与测量单元；
燃油管理与测量单元根据所述燃油调节指令控制燃油转输泵和阀，用于控制尾翼的配平油箱和机翼油箱之间的燃油转输；
在超控工作模式：
飞行员获取重心监测通道发送的飞机实时重心，并手动控制燃油转输泵和阀，用于控制尾翼的配平油箱和机翼油箱之间的燃油转输。
本发明技术方案二的特点和进一步的改进为：
(1)在正常工作模式下，目标重心解算单元解算目标重心具体为：
目标重心解算单元根据飞行参数解算目标重心，并根据从重心监控通道获取的重心超限告警信息对所述目标中心进行修正；
或者，
目标重心解算单元获取飞行员输入的目标重心。
(2)实时重心解算单元解算飞机实时重心，具体为：
实时重心解算单元获取飞机空机、装载货物及乘员分别对应的重心，以及燃油管理与测量单元发送的燃油重量和重心，并根据飞机空机、装载货物及乘员分别对应的重心，以及燃油管理与测量单元发送的燃油重量和重心解算飞机实时重心；
燃油管理与测量单元发送的燃油重量和重心来自油箱传感器。
(3)在正常工作模式下，接通和断开控制单元接收飞行员发送的人工接通或断开主动重心控制指令，并根据飞机的构型状态和大气高度，接通或者断开燃油调节指令解算单元与燃油管理与测量单元的连接。
(4)所述正常工作模式和超控工作模式通过如下方法进行转换：
设定飞机重心包线，以及安全裕度；当飞机重心在包线之外时，发出警告级告警信息，当飞机重心在包线内，且距离包线前后限小于安全裕度时，发出注意级告警信息；
重心监测通道发送的注意级告警信息时，目标重心解算单元将当前的目标重心位置向飞机重心包线中心移动；
飞行员收到注意级告警信息时，对飞机的实时重心和目标重心进行监测，当发现目标重心未按预设逻辑前移或者飞机实时重心的变化趋势未改变时，切断正常控制通道，进入人工超控通道，根据重心监控通道发送的飞机实时重心，通过手动控制燃油转输将飞机的重心维持在安全范围；
或者，
飞行员收到注意级告警信息时，手动输入安全的目标重心位置，观察飞机的实时重心是否发生变化，当飞机的实时重心没有发生变化时，进入超控通道进行重心控制。
(5)所述正常工作模式和超控工作模式通过如下方法进行转换：
当重心监测模块发出警告级告警信息，飞行员切断正常控制通道，进入超控通道，根据重心监测模块提供的重心数据，控制燃油在配平油箱之间的转输，以将飞机的重心维持在安全的范围内。
本发明技术方案提出了一种分布式架构的，具备多种安全保证手段的主动重心控制系统。该系统在指令解算、控制执行和状态监测三个层面均具备高安全的故障或异常处置措施，通过应用该系统，可以在给飞机带来收益的同时，最大可能减小因引入主动重心控制技术给飞机飞行安全带来的隐患。而且，本发明采用的软件分布驻留与飞控、燃油和航电系统的实现方式，能最大程度减小因引入主动重心控制技术而带来的硬件成本的增加，能降低系统的研制成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种高安全的主动重心控制系统的工作逻辑架构示意图；
图2为重心监测告警示意图。
具体实施方式
如图1所示，其为本发明一种高安全的主动重心控制系统的工作逻辑架构图。该系统可分为三个通道；重心监控通道、正常控制通道和超控通道，监控通道根据非相似算法得到飞机实时重心作为重心监测依据，对主动重心控制系统的工作状态进行监测；正常控制通道和超控通道为实现飞机重心控制的两种途径。而根据目标重心的解算方式不同，又将正常控制通道划分为自动和人工两种工作模式，自动模式下，以阻力最小为原则，根据相关输入自动解算重心控制的目标重心输入；人工模式下，由飞行员手动输入目标重心，并且该模式的优先级最高，将超控自动解算的目标重心。
正常情况下，超控通道不工作，当飞行员接通主动重心控制时，驻留于飞控计算机(FCC)中的接通和断开控制程序组根据飞行员指令和襟/缝翼位置、起落架位置和大气高度综合判断是否接通主动重心控制；
目标重心解算程序组根据自动逻辑或飞行员人工输入的指令生成飞机目标重心；
实时重心解算程序组根据空机和装载货物等的重量和重心以及燃油管理计算机(FMC)反馈的燃油重量和重心数据解算出飞机的实时重心；
燃油调节指令解算程序组接收目标重心和实时重心解算出燃油调节指令；驻留于FMC的燃油管理程序组接收燃油调节指令控制相关转输系统泵和阀的开启，实现对燃油的转输；同时重心测量程序组通过布置于各油箱的燃油测量传感器解算出燃油的重量和重心数据。
当处于正常控制通道时，重心监控通道会一直对重心调节进行监测，目标重心应与飞机的重心限制边界留有一定的安全距离，当重心监测模块发现实时重心与重心边界的距离小于规定的距离时，会视具体情况触发不同的告警信息，并发送给FCC。如图2所示，其为重心监测模块的告警示意，当其监测到飞机的重心位于图中区域II时，会出发注意级告警信息；当监测到重心位于Ⅲ时，会发出警告级告警信息。
位于FCC的目标重心解算收到监测模块发送的注意级告警信息时，会将当前的目标重心位置向图中的I区域移动一定的距离。飞行员收到注意级告警信息时，需要对飞机的实时重心和目标重心进行监测，当发现目标重心未按预设逻辑前移或者飞机实时重心的变化趋势未改变时，可以选择切断正常控制通道，进入人工超控通道，根据监测模态提供的飞机实时重心，通过手动控制燃油转输将飞机的重心维持在安全范围。同时，也可以尝试手动输入安全的目标重心位置，再继续观察飞机的实时重心是否发生变化，进入安全的范围内(图2中的I区域)。如果这种方式不起效果，则再行尝试进入超控通道进行重心控制。当重心监测模块发出警告级告警信息，飞行员应立即切断正常控制通道，进入超控通道，根据监测模块提供的重心数据，控制燃油在配平油箱之间的转输，以将飞机的重心维持在安全的范围内。必要时，还可以再采取应急放油的方式加快的飞机重心的控制。
本发明属于航空机载系统设计领域，涉及一种主动重心控制系统设计。其采用分布式架构，依托飞控、燃油和航电系统，构建了一种高安全的主动重心控制系统。多余度、高可靠的飞控计算机(FCC)作为重心控制指令的解算单元，可以保证指令的可靠性；燃油管理系统作为执行层，接收FCC的指令，控制机上燃油的转输，实现对重心的主动控制；在航电综合处理机(ICP)中驻留非相似飞机重心监测软件(模块)，对飞机的重心进行监测。正常情况，系统控制的目标重心根据相关逻辑自动解算，必要时也可以由飞行员手动输入。当重心监测模块发现飞机重心异常时，会视情发出不同级别的告警信息，系统和飞行员据此采取不同处置措施。当燃油管理计算机失效时，系统还具备人工燃油转输控制功能，在重心监测模块的支持下，飞行员可以通过手动超控相关泵和阀，实现对飞机重心进行控制。本发明在指令和状态监测两个层级的设计，能够大大提高系统工作的可靠性；同时，在执行层设计的人工燃油转输控制，还能在燃油管理计算机失效是，仍能保持对飞机重心的控制，大大提高系统的故障容错能力。此外，系统分散驻留在相关系统中，没有额外增加物理硬件，相比其它方案，实时方便、成本低，具备较强的工程应用基础。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种高安全的主动重心控制系统，其特征在于，所述控制系统采用分布式架构，多余度的飞控计算机FCC作为重心控制指令的解算单元，燃油管理系统作为执行层，接收飞控计算机FCC的指令，控制机上燃油的转输，实现对重心的主动控制，在航电综合处理机ICP中驻留非相似飞机重心监测模块，对飞机的重心进行监测；
所述控制系统包括：重心监控通道、正常控制通道；重心监控通道设置在航电综合处理机内，正常控制通道设置在飞控计算机内；
正常控制通道包含：目标重心解算单元、实时重心解算单元、燃油调节指令解算单元、燃油管理与测量单元；
重心监控通道的输出端与目标重心解算单元的输入端连接，目标重心解算单元的的输出端、实时重心解算单元的输出端分别与燃油调节指令解算单元的输入端连接，燃油调节指令解算单元的的输出端与燃油管理与测量单元的输入端连接；燃油管理与测量单元的控制端与外部燃油转输泵和阀的控制端连接，燃油管理与测量单元的测量端与外部燃油的油箱传感器连接；
所述系统还包括；超控通道；所述超控通道的输入端接收飞行员的超控指令，所述超控通道的控制端与与外部燃油转输泵和阀的控制端连接；
所述控制系统的高安全的主动重心控制方法，包含两种工作模式：正常工作模式和超控工作模式；
在正常工作模式下：
目标重心解算单元解算目标重心，并发送给燃油调节指令解算单元；
实时重心解算单元解算飞机实时重心，并发送给燃油调节指令解算单元；
燃油调节指令解算单元根据目标重心，飞机实时重心，飞机空机、装载货物及乘员分别对应的重心，解算燃油调节指令，并发送给燃油管理与测量单元；
燃油管理与测量单元根据所述燃油调节指令控制燃油转输泵和阀，用于控制尾翼的配平油箱和机翼油箱之间的燃油转输；
在超控工作模式：
飞行员获取重心监测通道发送的飞机实时重心，并手动控制燃油转输泵和阀，用于控制尾翼的配平油箱和机翼油箱之间的燃油转输；
所述正常工作模式和超控工作模式通过如下方法进行转换：
设定飞机重心包线，以及安全裕度；当飞机重心在包线之外时，发出警告级告警信息，当飞机重心在包线内，且距离包线前后限小于安全裕度时，发出注意级告警信息；
重心监测通道发送的注意级告警信息时，目标重心解算单元将当前的目标重心位置向飞机重心包线中心移动；
飞行员收到注意级告警信息时，对飞机的实时重心和目标重心进行监测，当发现目标重心未按预设逻辑前移或者飞机实时重心的变化趋势未改变时，切断正常控制通道，进入人工超控通道，根据重心监控通道发送的飞机实时重心，通过手动控制燃油转输将飞机的重心维持在安全范围；
或者，
飞行员收到注意级告警信息时，手动输入安全的目标重心位置，观察飞机的实时重心是否发生变化，当飞机的实时重心没有发生变化时，进入超控通道进行重心控制；
所述正常工作模式和超控工作模式通过如下方法进行转换：
当重心监测模块发出警告级告警信息，飞行员切断正常控制通道，进入超控通道，根据重心监测模块提供的重心数据，控制燃油在配平油箱之间的转输，以将飞机的重心维持在安全的范围内。
2.根据权利要求1所述的一种高安全的主动重心控制系统，其特征在于，所述系统还包括；接通和断开控制单元，所述接通和断开控制单元的输入端接收飞行员的接通或断开主动重心控制指令，所述接通和断开控制单元的输出端用于控制燃油调节指令解算单元与燃油管理与测量单元的接通或断开。
3.根据权利要求1所述的一种高安全的主动重心控制系统，其特征在于，所述重心监控通道，用于监测飞机的实时重心；并根据飞机的实时重心输出告警信息，所述告警信息至少包含：注意级告警信息和警告级告警信息。
4.根据权利要求1所述的一种高安全的主动重心控制系统，其特征在于，在正常工作模式下，目标重心解算单元解算目标重心具体为：
目标重心解算单元根据飞行参数解算目标重心，并根据从重心监控通道获取的重心超限告警信息对所述目标重心进行修正；
或者，
目标重心解算单元获取飞行员输入的目标重心。
5.根据权利要求1所述的一种高安全的主动重心控制系统，其特征在于，实时重心解算单元解算飞机实时重心，具体为：
实时重心解算单元获取飞机空机、装载货物及乘员分别对应的重心，以及燃油管理与测量单元发送的燃油重量和重心，并根据飞机空机、装载货物及乘员分别对应的重心，以及燃油管理与测量单元发送的燃油重量和重心解算飞机实时重心；
燃油管理与测量单元发送的燃油重量和重心来自油箱传感器。
6.根据权利要求1所述的一种高安全的主动重心控制系统，其特征在于，在正常工作模式下，接通和断开控制单元接收飞行员发送的人工接通或断开主动重心控制指令，并根据飞机的构型状态和大气高度，接通或者断开燃油调节指令解算单元与燃油管理与测量单元的连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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