CN114002943A - 一种电传飞行控制系统的备份系统的架构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于飞行控制系统技术领域，涉及到一种电传飞行控制系统的备份系统的架构。该架构由备份操纵位移传感器、备份飞行控制计算机、备份能源、皮托管、压力转换器件组成。备份系统的主要目的是对正常飞行控制系统中的控制装置(飞行控制计算机或作动器控制电子)的飞行控制功能进行备份，在正常飞行控制系统不能安全控制飞机时，接管对飞机的飞行控制；通过引入飞机外部的气流的动压来保证备份系统在飞机达到一定速度后才被启动，解决了备份系统在飞机处于停放状态时被提前启动的问题；通过设置备份系统的指令优先于正常控制系统的指令，消除了备份系统控制指令与正常飞行控制系统指令混合使用的可能性。

Description

一种电传飞行控制系统的备份系统的架构
技术领域
本发明属于飞行控制系统技术领域，涉及到一种电传飞行控制系统的备份系统的架构。
背景技术
民用飞机飞行控制系统有严格的安全性要求，特别是防止共模故障的要求。因此在飞行控制系统的架构中除了实现完整控制功能(比如改善乘坐品质的功能、提供包线保护的功能、提供告警的功能等)的正常飞行控制系统外，还设置有实现基本控制功能(三轴主操纵面——副翼、方向舵和升降舵的偏转控制)的备份系统。随着飞行控制系统电子器件的发展，民用电传飞机的备份系统由传统的机械式备份系统发展到现在普遍使用的电备份系统。
为防止备份系统与正常飞行控制系统因为共模故障出现同时失效，备份系统使用的能源、软/硬件、信号处理形式与正常飞行控制系统通常都有所不同。考虑到备份系统是终极备份，为了降低飞机的成本、重量，备份系统相对于正常飞行控制系统需要更加简单，因此其内置的控制律与正常飞行控制系统的控制律通常是不同的；若存在正常飞行控制系统与备份系统同时控制飞机的情况，飞机的设计单位将需要对这种混合控制状态进行适航验证，飞机的使用单位也需要对驾驶员开展相应的培训，这将对飞机的设计单位和使用单位带来额外的负担。飞机从正常飞行控制系统控制转入到备份系统控制后，虽然是安全的，但也意味着飞机丧失了无忧操纵的能力，驾驶员的负担会有所增加。
因此，存在以下对于备份系统的设计需求：1)在正常飞行控制系统不能实现对飞机的安全控制时，备份系统须自动、及时、准确地接管飞机的控制；2)在正常飞行控制系统可用时，备份系统不应抢夺正常飞行控制系统的控制权；3)备份系统不应与正常飞行控制系统混合使用。
发明内容
本发明的目的：提出一种电传飞行控制系统的备份系统的架构。在利用正常飞行控制系统的部分设备的基础上，通过额外配置必要的控制设备、指令传感器、备份能源，安全可靠、低成本的实现对正常飞行控制系统最核心的三轴控制功能的备份。通过架构设计，保证正常飞行控制系统和备份系统之间控制功能的准确切换，且保证两个系统不发生混用。
本发明的技术方案：一种电传飞行控制系统的备份系统的架构，它由备份操纵位移传感器1、备份飞行控制计算机2、备份能源3、皮托管4、压力转换器件5组成；所述皮托管4用于感受飞机外部的气流的动压；所述压力转化器件5接受皮托管4提供的飞机外部气流的动压，并在动压的值达到不同类型飞机的启动动压门限后接通备份能源3与备份飞行控制计算机2间的连接；所述备份能源3专用于向备份飞行控制计算机2供电；所述备份飞行控制计算机2向备份操纵位移传感器1提供激励；所述备份飞行控制计算机2采集备份操纵位移传感器1的输出信号；所述备份飞行控制计算机2根据备份操纵位移传感器1的信号解算备份控制指令，并在正常飞行控制系统不能安全控制飞机时输出备份控制指令，接管飞机的飞行控制。
所述备份飞行控制计算机2由两个控制通道，包括通道A和通道B。
所述备份飞行控制计算机2的通道A和通道B采用功能非相似设计。
所述备份飞行控制计算机2的通道A根据正常飞行控制系统的有效控制信号的数量决定是否启动备份飞行控制计算机2的通道B；当正常飞行控制系统的有效控制信号的数量低于门限值时，备份飞行控制计算机2的通道A启动备份飞行控制计算机2的通道B。
所述备份飞行控制计算机2的通道B向备份操纵位移传感器1提供激励，所述备份飞行控制计算机2的通道B采集备份操纵位移传感器1的输出信号，生成备份控制指令。
所述备份飞行控制计算机2的通道B根据正常飞行控制系统的有效控制信号的数量决定是否输出备份控制指令；当正常飞行控制系统的有效控制信号的数量低于门限值时备份飞行控制计算机2的通道B输出备份控制指令。
所述备份系统的备份控制指令优先于正常飞行控制系统的指令，备份系统的备份控制指令和正常飞行控制系统的指令不会被电传飞行控制系统同时执行。
所述备份飞行控制计算机2中设置有延时切断电路。
本发明的有益效果：本发明通过设计，提供一种电传飞行控制系统的备份系统的架构，用于与正常飞行控制系统一起保障飞机的飞行安全。本发明利用了正常飞行控制系统现有的部分设备，降低了备份系统的重量和成本；通过对指令传感器、控制设备和能源进行备份，解决了正常飞行控制系统和备份系统间的共模故障问题；通过将备份飞行控制计算机设置为两通道功能非相似，降低了备份飞行控制计算机的设计难度和研制成本，同时也避免了备份飞行控制计算机发生共模故障；通过备份系统监控正常飞行控制系统有效的控制指令的数量的方式，实现了在正常飞行控制系统不能有效控制飞机时由备份系统及时控制飞机的目标；通过设置备份系统的备份控制指令优先于正常飞行控制系统的控制指令的方式，实现了备份系统和正常控制系统的控制指令不混用的设计目标，降低了设计单位的验证负担和使用单位的培训负担，提高了飞行控制系统的安全性；通过引入动压的方式，使备份系统在飞机达到一定速度后才被启动，避免了备份系统在飞机停放阶段时自行启动；通过在备份飞行控制计算机中设置延时电路，保证飞机在利用备份系统着陆时，能够在备份系统启动速度点下控制飞机滑行，提高了飞机的可控性和安全性。
附图说明
图1是本发明提供的电传飞行控制系统的备份系统的结构图。
其中：1—备份操纵位移传感器；2—备份飞行控制计算机；3—备份能源；4—皮托管；5—压力转换器件；6—正常飞行控制系统中的控制装置；7—座舱操纵器件；8—作动器；9—作动器控制模块
具体实施方式
下面将结合本发明附图和实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明实施例提供得电传飞行控制系统的备份系统的示意图，如图1所示，所述系统包括：备份操纵位移传感器1、备份飞行控制计算机2、备份能源3、皮托管4、压力转换器件5。
备份系统的主要目标是对正常飞行控制系统中的控制装置6(飞行控制计算机或作动器控制电子)的功能进行备份，备份系统需要依托归属于正常飞行控制系统的座舱操纵器件7包括但不限于驾驶杆/盘、脚蹬、侧杆等装置，需要依托归属于正常飞行控制系统的主操纵面的作动器8及相应的作动器控制模块9，共同实现对飞机的飞行控制。正常飞行控制系统中的控制装置6的具体形式、功能和数量，不属于本发明的权利要求对象，仅用于配合说明备份系统与正常飞行控制系统间信号传输的关系和逻辑工作的关系，不影响本发明权利要求对象的使用范围；座舱操纵器件7、作动器8和作动器控制模块9的具体实现形式、功能和数量不属于本发明的权利要求对象，仅用于配合说明本发明的权利要求对象的功能和实现方式系，不影响本发明权利要求对象的使用范围。
备份操纵位移传感器1是专门为备份飞行控制计算机2配套的、独立于正常飞行控制系统的指令传感器，用于将驾驶员在驾驶舱的操纵位移量转换为电信号。备份操纵位移传感器1根据飞机的控制需要，设置三个独立的传感器，分别感受横向、航向和纵向的控制指令。单独设置备份操纵位移传感器1的目的是为了防止与正常飞行控制系统中的操纵位移传感器发生共模故障。
备份飞行控制计算机2采用双通道设计，两个通道——通道A和通道B之间采用功能非相似设计，两个通道的功能不同。备份飞行控制计算机2主要用于激励备份操纵位移传感器1并采集备份操纵位移传感器1的信号，并根据备份操纵位移传感器2的信号生成主操纵面的控制指令。备份飞机控制计算机2通过实时监控正常飞行控制系统的可用性状态，在正常飞行控制系统不能继续安全控制飞机时，备份飞行控制计算机2发出备份控制指令，接管对飞机的飞行控制。
备份能源3是为备份飞行控制计算机2供电的独立电源。单独设置备份能源3的目的是为了防止与正常飞行控制系统所使用的能源发生共模故障。备份能源3的形式可以有蓄电池、备用的发电机等，其具体形式和数量不影响本发明的权利要求范围。
皮托管4是用于感受飞机外部的气流的动压。
压力转换器件5是用于接受皮托管4传递的动压，并将动压转换为接通动作，用于在达到动压信号的门限值时启动备份能源3与备份飞行控制计算机2间的连接。该器件的具体形式可以有压力开关，也可以是其他类似功能的元器件。该器件可以与皮托管4组合成一个设备，也可以与备份飞行控制计算机2组合成一个设备。该器件的具体实现形式，不影响本发明的权利要求范围。启动备份能源3与备份飞行控制计算机2间的连接的动压信号的具体门限值因不同类型的飞机有不同的要求，动压信号的门限值的具体数值不影响本发明的权利要求范围。
正常飞行控制系统中的控制装置6是在正常情况下实现飞机飞行控制功能的核心装置，用于计算飞机的飞行控制律，下发控制指令信号，对飞行控制系统进行监控等。
座舱操纵器件7是驾驶员的操纵装置，用于接收驾驶员的动作指令。按目前飞机的常规配置，包括驾驶杆、驾驶盘、脚蹬、侧杆。
作动器8是操纵面的驱动装置，用于执行作动器控制模块9的指令，按需驱动操纵面偏转。按目前飞机的常规配置，包括液压形式、电气形式、电气-液压混合形式等。
作动器控制模块9是作动器的直接控制装置，用于接收备份飞行控制计算机2的备份控制指令和控制装置6的控制指令，并对控制指令进行选择、转换、放大后对作动器进行控制。
当飞机的飞行速度达到某一个启动速度门限(该速度门限根据各型号飞机的具体情况确定)后，皮托管4将敏感到足以使压力转换器件5工作的气流压力。压力转换器件5将接通备份能源3与备份飞行控制计算机2的通道A的连接，备份飞行控制计算机2的通道A将开始处于工作状态。备份飞行控制计算机2的通道A中设置有延时切断电路，用于当飞机的飞行速度降低到启动速度门限以下时，延迟切断备份能源3与备份飞行控制计算机2的通道A的连接。设置皮托管4的目的是为了防止飞机处于停放状态时，备份系统2启动。设置延时切断电路的目的是为了保证在备份系统启动速度门限下仍可以短时间内控制飞机滑行。
备份飞行控制计算机2的通道A和通道B同时接收正常飞行控制系统的控制装置6发出的用于作动器控制模块9的控制信号。控制信号具体的数量和形式，由各型号飞机的具体情况确定，不影响本发明发明的权利要求对象。
备份飞行控制计算机2的通道A在启动后，将实时判断正常飞行控制系统的控制装置6发出的控制信号的状态；当有效的控制信号的数量降低到规定的监控门限时(比如控制飞机的横向运动至少需要2台作动器正常工作，当有效的控制信号数量为2时，即达到监控门限；具体的门限可以根据需要确定)，通道A启动备份飞行控制计算机2的通道B；通道B开始向备份操纵位移传感器1提供激励，也同时采集备份操纵位移传感器1的反馈信号生成控制信号，但此时通道B不向作动器控制模块9输出控制指令。当通道B判断出有效的控制信号的数量降低到规定的控制信号输出门限时，通道B开始向作动器控制模块9下发控制指令。通道A和通道B使用的监控门限设置值并不相同，具体需要根据所控制的飞机的具体情况进行设置。
考虑到电传飞机的作动器是余度配置的，备份系统无须控制所有的作动器运动。为了避免备份系统与正常飞行控制系统同时控制飞机，本发明提供两种实施方案：一种是当通道B开始向作动器控制模块9下发指令时，同时向控制装置6提供一个信号，控制装置6中仍能发出信号的飞行控制计算机或作动器控制电子在获得这个信号后将切断自身的控制信号输出。一种是在作动器控制模块9中设置优先逻辑，备份飞行控制计算机2的通道B与主操纵面相关的所有作动器控制模块9相连，当作动器控制模块9获得备份飞行控制计算机2的控制信号后，将优先按备份飞行控制计算机2的指令工作，不管其是否仍在接收控制装置6的信号，部分作动器控制模块9会在备份飞行控制计算机2的指令下控制作动器运动，部分作动器控制模块9会停止作动器的控制，将作动器置于安全状态；其中仅需要备份飞行控制计算机2向有控制作动器运动需求的作动器控制模块9供电和提供控制指令。
上述的实施例中，所述备份系统和正常飞行控制系统的能源、指令端和控制律解算部分互相独立，可以有效的保证在正常飞行控制系统的控制装置6完全失效时对飞机的飞行控制。备份飞行控制计算机2的内部采用两个独立的通道，两个独立通道的功能独立，只有在两个独立故障均发生，即通道A错误的启动通道B，且通道B错误的判断了控制装置6的工作状态的基础上才会出现备份飞行控制计算机2控制飞机的情况，因此备份系统的错误介入飞机的控制是极不可能的；另一方面备份系统本身能够提供飞机的基本飞行控制能力，即使错误的介入也不会导致安全性的影响。
上述的实施例中，通过采集飞机的动压信号的方式，保证备份系统仅在飞机有一定的速度后被部分启动，避免了备份系统在飞机停放状态下被启动。
上述的实施例中，通过在控制装置6或者作动器控制模块9中设置逻辑，保证了备份系统启动后，作动器控制模块9不会继续执行控制装置6的指令，避免了备份系统和正常飞行控制系统指令的冲突。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电传飞行控制系统的备份系统的架构，其特征在于，包括备份操纵位移传感器(1)、备份飞行控制计算机(2)、备份能源(3)、皮托管(4)、压力转换器件(5)；
所述皮托管(4)用于感受飞机外部的气流的动压；所述压力转化器件(5)接受皮托管4提供的飞机外部气流的动压，并在动压的值达到不同类型飞机的启动动压门限后接通备份能源(3)与备份飞行控制计算机(2)间的连接；所述备份能源(3)用于向备份飞行控制计算机(2)供电；所述备份飞行控制计算机(2)向备份操纵位移传感器(1)提供激励；所述备份飞行控制计算机(2)采集备份操纵位移传感器(1)的输出信号；所述备份飞行控制计算机(2)根据备份操纵位移传感器(1)的信号解算备份控制指令，并在正常飞行控制系统不能安全控制飞机时输出备份控制指令，接管飞机的飞行控制。
2.根据权利要求1所述的电传飞行控制系统的备份系统的架构，其特征在于，所述备份飞行控制计算机(2)由两个控制通道，包括通道A和通道B。
3.根据权利要求1所述的电传飞行控制系统的备份系统的架构，其特征在于，所述备份飞行控制计算机(2)的通道A和通道B采用功能非相似设计。
4.根据权利要求1所述的电传飞行控制系统的备份系统的架构，其特征在于，所述备份飞行控制计算机(2)的通道A根据正常飞行控制系统的有效控制信号的数量决定是否启动备份飞行控制计算机(2)的通道B；当正常飞行控制系统的有效控制信号的数量低于门限值时，备份飞行控制计算机(2)的通道A启动备份飞行控制计算机(2)的通道B。
5.根据权利要求1所述的电传飞行控制系统的备份系统的架构，其特征在于，所述备份飞行控制计算机(2)的通道B向备份操纵位移传感器(1)提供激励，所述备份飞行控制计算机(2)的通道B采集备份操纵位移传感器(1)的输出信号，生成备份控制指令。
6.根据权利要求1所述的电传飞行控制系统的备份系统的架构，其特征在于，所述备份飞行控制计算机(2)的通道B根据正常飞行控制系统的有效控制信号的数量决定是否输出备份控制指令；当正常飞行控制系统的有效控制信号的数量低于门限值时备份飞行控制计算机(2)的通道B输出备份控制指令。
7.根据权利要求1所述的电传飞行控制系统的备份系统的架构，其特征在于，所述备份系统的备份控制指令优先于正常飞行控制系统的指令，备份系统的备份控制指令和正常飞行控制系统的指令不会被电传飞行控制系统同时执行。
8.根据权利要求1所述的电传飞行控制系统的备份系统的架构，其特征在于，所述备份飞行控制计算机(2)中设置有延时切断电路。
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