航空發(fā)動機數(shù)字電子控制器的BIT技術

航空發(fā)動機數(shù)字電子控制器的BIT技術航空發(fā)動機數(shù)字電子控制器的BIT技術航空發(fā)動機數(shù)字電子控制器的BIT技術xxx公司航空發(fā)動機數(shù)字電子控制器的BIT技術文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準審核制定方案設計，管理制度航空發(fā)動機數(shù)字電子控制器的BIT技術

2010-3-311:11:00

來源：南京航空航天大學能源與動力學院

航空飛行器的安全性一直是業(yè)界的熱點話題，如今針對航空發(fā)動機的健康管理技術也成為研究熱點。如何通過先進的機內自測試(Built-In-Test，BIT)技術來保障航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的可靠性，并將航空發(fā)動機的健康管理技術同數(shù)字電子控制器的BIT技術有機結合起來，成為當前業(yè)界的一個新課題。BIT技術是指系統(tǒng)或設備內部提供的檢測和隔離故障的自動測試。它通過附加在系統(tǒng)內的硬件和軟件周期性或連續(xù)性地在線監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)并進行故障檢測，是提高電子系統(tǒng)可測試性，進而提高系統(tǒng)工作可靠性、減少系統(tǒng)維護費用的關鍵技術。BIT技術最早由大型航空公司和軍工企業(yè)發(fā)起，并逐步制定了ARINC604、ARINC624等設計規(guī)范。為了減少機載設備維修時間、降低維修費用，大型航空公司成功地將先進的BIT技術應用到他們生產的飛機中[1]。波音公司在其客機設計中大量采用BIT技術，使波音747、757、767等客機的故障隔離時間和維修時間大大縮短，提高了飛機的工作可靠性。軍用飛機中，如美軍的F-15、F-16、F/A-18、F-117、F-22、B-2等在設計過程中都大量采用BIT技術，使得這些武器裝備的測試性、可靠性、維修性以及戰(zhàn)備完好性都具有很高的水平。其中，F(xiàn)-15E、F-16C/D的新型航空電子系統(tǒng)中由于采用了BIT技術，保證了這2種飛機在海灣戰(zhàn)爭中的執(zhí)行任務率高達95%。隨著飛機和發(fā)動機性能要求的不斷提高，對發(fā)動機控制系統(tǒng)的功能、計算能力、響應速度、控制精度等都提出了更加嚴格的要求，從而使控制系統(tǒng)從原來比較簡單的液壓機械式，逐步向以微處理器為中心的全權限數(shù)字電子控制（FullAuthorityDigitalEngineControl，F(xiàn)ADEC）技術發(fā)展。相對于傳統(tǒng)的液壓機械式控制，數(shù)字電子控制器在體積、重量、性能和靈活性方面具有顯著優(yōu)勢，因此新研制的航空發(fā)動機控制系統(tǒng)幾乎全部采用數(shù)字電子控制器，而且為了適應新的應用需求，許多在役動力裝置也提出了將液壓機械式控制器改造為全權限數(shù)字電子控制器的需求。而制約FADEC技術得以廣泛應用的一個關鍵問題就是可靠性。合理利用BIT技術，可以有效地保證電子控制器的可靠性，同時可以增強控制系統(tǒng)的可維護性[2]。航空發(fā)動機FADEC系統(tǒng)是一種典型的嵌入式實時控制系統(tǒng)，數(shù)字電子控制器一般安裝于發(fā)動機的附件機匣上，工作環(huán)境惡劣，而對可靠性要求極高。相對于一般電子設備的BIT，航空發(fā)動機數(shù)字電子控制器的BIT具有其特殊性，不僅要完成電子控制器內部電路模塊的故障檢測，還要負責控制系統(tǒng)中傳感器和執(zhí)行機構的故障檢測，并參與控制系統(tǒng)的重構，甚至負責對控制對象航空發(fā)動機及其子系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視與故障檢測。實際上，在當今已實現(xiàn)工程應用的FADEC系統(tǒng)電子控制器中，僅專門負責故障檢測與處理任務的軟件就占了大部分，足見BIT的分量[3]。國內對航空發(fā)動機數(shù)字電子控制器的BIT研究起步比較晚，但是自從指導BIT設計的行業(yè)規(guī)范《裝備測試性大綱》制訂以后，有關單位已經開展了這方面的研究工作，并取得了一些成果。在某些型號控制器的研制中，已經把BIT作為一項設計指標納入研制任務書，并開展了實際的BIT設計。然而，由于缺少BIT的設計規(guī)范和驗證體系，所設計的BIT故障檢測覆蓋率不高，而且BIT本身的可靠性得不到驗證，這些問題都影響了BIT技術在工程中的應用。針對航空發(fā)動機數(shù)字電子控制器BIT的特殊性，研究電子控制器、傳感器、執(zhí)行機構及發(fā)動機系統(tǒng)的故障檢測方法，規(guī)范BIT電路、檢測算法和程序，并發(fā)展新型高效的檢測技術和BIT有效性評價技術是非常有意義的。航空發(fā)動機數(shù)字電子控制器BIT的常規(guī)方法1航空發(fā)動機FADEC系統(tǒng)的一般結構及其與BIT的關系如下圖所示，航空發(fā)動機FADEC系統(tǒng)包括數(shù)字電子控制器、電子式傳感器和電控式執(zhí)行機構。數(shù)字電子控制器是核心，一般采取互為熱備份的雙通道冗余結構，每個通道一般包括信號調理模塊、輸入接口電路、處理器模塊、輸出接口電路、驅動電路和通信電路等，此外設置一個獨立保護及通道切換管理模塊，用于控制系統(tǒng)重構和超轉限制保護。傳感器包括感受發(fā)動機工作狀態(tài)的轉速傳感器，各載面的溫度、壓力傳感器，以及執(zhí)行機構的位置傳感器等。執(zhí)行機構包括各種電液伺服閥、力矩馬達、電磁閥等，用于控制燃油流量、噴口面積、導葉角度、放氣活門開度等。在FADEC系統(tǒng)中，數(shù)字電子控制器一方面負責航空發(fā)動機的所有控制功能，另一方面負責FADEC系統(tǒng)的故障檢測和容錯控制，以提高控制系統(tǒng)的可靠性。此外，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)還可以實現(xiàn)航空發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)視，以提高發(fā)動機的運行可靠性。根據故障檢測的對象，數(shù)字電子控制器的BIT包括3部分：負責電子控制器內部電路模塊故障檢測的基本BIT、負責傳感器故障檢測的傳感器BIT和負責執(zhí)行機構故障檢測的執(zhí)行機構BIT，它們共同構成了FADEC系統(tǒng)的機電BIT。2電子控制器的基本BIT電子控制器的基本BIT負責對電子控制器內部的電路模塊進行故障檢測。航空發(fā)動機的電子控制器一般包括以下電路模塊：CPU、RAM、ROM、A/D、D/A、DI、DO和通信電路等。常規(guī)的方法是：采用功能測試法對CPU進行檢測，即讓CPU執(zhí)行一段包含其全部指令集的測試代碼，對運行結果和標準結果的對比可判斷CPU是否正常；RAM的BIT方法應力圖在盡量少的測試時間內檢測到盡可能多的故障模式，可采用一種標準的March算法檢測RAM的故障；對ROM的典型測試方法包括奇偶校驗、循環(huán)冗余碼校驗、字節(jié)和校驗，其中字節(jié)和校驗最為常用；結合A/D、D/A轉換接口電路的具體故障模式，采用聯(lián)合回繞測試方法，即在電路上提供一個固定的參考電壓供A/D采集以判斷A/D電路的正確性，進一步將D/A輸出回繞到A/D的輸入以判斷D/A的正確性；DI、DO及通信電路也采取類似的回繞法進行故障檢測。nextpage3針對傳感器的BIT方法航空發(fā)動機控制系統(tǒng)中的傳感器一般包括磁電脈沖式轉速傳感器、熱電阻溫度傳感器、熱電偶溫度傳感器、壓阻式壓力傳感器、線性差動變壓器式位移傳感器、旋轉變壓器式角度傳感器以及一些行程開關式位置傳感器等。對于熱電阻式溫度傳感器和壓阻式壓力傳感器，通常通過檢測電橋的一個端點電壓，判斷傳感器線路是否斷線或短路；對于線性差動變壓器式位移傳感器，檢測2個副邊信號的幅度和，判斷激勵線圈或副邊線圈是否開路；熱電偶信號利用專門的熱電偶調理集成電路檢測斷偶或短路；轉速信號在發(fā)動機起動期間應處于合適的范圍，行程開關式位置信號在發(fā)動機起動前的狀態(tài)是確定的，以此判斷相應傳感器是否處于正常工作狀態(tài)。大型航空發(fā)動機的傳感器通常具有硬件余度，可以根據同一個測點不同傳感器的不一致性和有效范圍綜合判斷傳感器的故障狀態(tài)。此外，可以利用發(fā)動機的機載模型，基于卡爾曼濾波技術實現(xiàn)傳感器的解析余度，根據該余度信息可以診斷傳感器硬故障，并在物理傳感器全部失效時提供解析余度，使數(shù)控系統(tǒng)仍能正常工作。4針對執(zhí)行機構的BIT方法航空發(fā)動機控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機構一般包括電液伺服閥、力矩馬達、電磁開關閥、高速電磁閥、繼電器、步進電機等。通常通過檢測流過執(zhí)行機構的電流或檢測控制器端對應電磁線圈兩端的電壓大小，判斷執(zhí)行機構的線路是否斷線或短路，并利用與執(zhí)行機構相對應的位置或位移傳感器判斷執(zhí)行機構是否失效。5與控制系統(tǒng)重構容錯技術的結合航空發(fā)動機數(shù)字電子控制器BIT的任務不僅僅在于檢測控制系統(tǒng)的故障，還要參與控制系統(tǒng)的重構。當BIT檢測并確認某個通道中的某個環(huán)節(jié)故障時，一方面將故障信息記錄下來或實時報告飛機系統(tǒng)，另一方面向切換管理模塊發(fā)送切換信息，由切換管理模塊利用冗余通道及時構成一個完整的控制回路，或構成一個權限降低的控制回路，從而提高控制系統(tǒng)的可靠性水平。對于單余度執(zhí)行機構故障的容錯，一般將執(zhí)行機構凍結在一個故障安全位置，控制能力下降。航空發(fā)動機數(shù)字電子控制器BIT技術新的發(fā)展方向1智能BIT技術在實際應用過程中，常規(guī)BIT技術不斷暴露出診斷能力差、虛警率高、不能識別間歇性故障等問題。為了降低虛警率，提高識別間歇性故障的能力，把人工智能(AI)技術通過專用處理器和AI軟件應用到BIT技術中，稱為智能BIT技術。與常規(guī)BIT相比，智能BIT不單純根據BIT內部信息進行決策，還運用專家系統(tǒng)、神經網絡等人工智能技術，并綜合考慮了BIT輸出、溫度、振動等環(huán)境信息、BIT歷史信息、設備動態(tài)歷史信息等，從而擴大了BIT故障診斷的數(shù)據信息來源，增強了常規(guī)BIT的決策能力，提高了BIT故障診斷準確性。而且智能BIT比常規(guī)BIT更不易受外界干擾，它使BIT本身能適應被測單元的特性變化，及時對被測單元進行跟蹤、分析，能有效地檢測間歇性故障，消除虛警。因此，智能BIT技術能夠大大提高常規(guī)BIT的自適應性，使其具有連續(xù)監(jiān)控、自動重構、知識多余度、分散性自動測試和學習機制等特點，能夠較全面地反映被測單元的狀態(tài)，避免常規(guī)BIT“非此即彼”的簡單決策方法導致的診斷失誤[4]。智能BIT技術是武器裝備測試系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。美國為了解決BIT的虛警問題，開展了智能BIT技術研究并加以運用，使F－22的故障診斷能力比F－15E提高了近一個數(shù)量級。2在線式邊界掃描技術航空發(fā)動機電子控制器向更高性能和更高集成度的方向發(fā)展，使得傳統(tǒng)測試方法難以滿足需要。邊界掃描測試技術，通過一條在集成電路邊界繞行的移位寄存器鏈，對邊界掃描器件的所有引腳進行掃描以完成電路檢測?！斑吔纭敝笢y試電路被設置在電子器件功能邏輯電路的四周，位于靠近器件輸入、輸出引腳的邊界處?！皰呙琛敝高B接器件各輸入、輸出引腳的串行移位寄存器形成“掃描路徑”，沿著這條路徑可輸入由“1”和“0”組成的各種編碼，對電路進行“掃描”式檢測，從輸出結果判斷其是否正確。邊界掃描技術為解決復雜電子系統(tǒng)的故障檢測,提供了一套完整的、標準化的測試方法，能實現(xiàn)芯片級、板級和系統(tǒng)級的測試。一般的邊界掃描測試系統(tǒng)適用于離線式的ATE設備。隨著技術的進步，有可能將邊界掃描控制器、掃描測試向量和診斷邏輯集成在目標電路系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)在線式邊界掃描測試，可以極大地簡化BIT硬件電路的設計。目前航空發(fā)動機電子控制器的核心電路所包含的復雜核心器件如486、DSP、FPGA和PowerPC等，都包含邊界掃描接口，這就為在電子控制器中開展基于邊界掃描的測試技術應用提供了基礎。電子控制器中具有復雜功能的電子器件大都支持邊界掃描，對控制器電路中一些不支持邊界掃描的器件，也可以采用邊界掃描器件置換和板極邊界掃描結構置入這2種方式來提高故障檢測的覆蓋率。3與航空發(fā)動機健康管理技術的結合將BIT技術與航空發(fā)動機健康管理技術的結合，是對FADEC系統(tǒng)機電BIT思想的進一步擴展。航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)包括發(fā)動機氣路故障診斷、發(fā)動機振動故障診斷、發(fā)動機有關子系統(tǒng)（含控制、起動、點火、滑油、燃油、空氣等子系統(tǒng)）的故障診斷及發(fā)動機的壽命管理。從實現(xiàn)方式上分為在線和離線2種，即機載和地面維護2部分。根據故障模式的危害性和機載工程的可實現(xiàn)性確定各個健康管理項目是否采取機載方式。機載工程可實現(xiàn)性要考慮相應狀態(tài)參數(shù)的可測性、故障診斷算法的實時性以及工程實現(xiàn)的代價效益比等因素；故障模式的危害性主要考慮對飛行安全是否造成重要影響且需要及時診斷處理。航空發(fā)動機的健康管理系統(tǒng)應緊密結合控制系統(tǒng)而建立，充分利用控制系統(tǒng)中原有的傳感器信息資源，并利用FADEC控制器的實時處理和診斷結果，再輔助必要的額外監(jiān)視措施，實現(xiàn)航空發(fā)動機系統(tǒng)的健康管理。根據國外民用發(fā)動機現(xiàn)狀，發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷的功能可由FADEC控制器實現(xiàn)?，F(xiàn)有的FADEC控制器可以獲取的發(fā)動機運行狀態(tài)參數(shù)包括進氣溫度、排氣溫度、壓力、壓比、轉速、燃油流量、引氣狀態(tài)、可調進口導向葉片和可調靜子葉片位置等。根據狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷的需要，還可增加發(fā)動機振動、滑油溫度、滑油量、滑油壓力、滑油濾旁通活門狀態(tài)、燃油流量和壓力等參數(shù)的采集。由于需要監(jiān)視的參數(shù)多，應考慮增強FADEC控制器的處理能力，也可以考慮在FADEC控制器內增加一個專門負責發(fā)動機健康管理的通道。從FADEC控制器獲取的信息通過數(shù)據總線傳送給機載數(shù)據記錄儀進行保存，以便在地面維護時導出，進行離線故障診斷。4獨立的BIT模塊隨著BIT設計指標不斷提高、BIT功能要求不斷增強以及新型BIT方法的應用，傳統(tǒng)的在原有軟硬件基礎上增加BIT功能的方式將導致BIT的設計與實現(xiàn)變得更加復雜。在不斷完善BIT設計規(guī)范的基礎上，研制專門的BIT模塊，將BIT功能獨立出來，有利于電子控制器的標準化設計[5]。常見的雙通道冗余電子控制器一般設置一個獨立超轉保護與通道切換模塊，可以基于FPGA技術設計一種包括BIT功能和獨立超轉保護與通道切換功能的專用模塊，這樣既可以實現(xiàn)獨立于軟件控制的高度可靠的保護功能，又可以利用FPGA的靈活性實現(xiàn)復雜BIT功能。5BIT驗證技術在BIT的方案論證和設計中，BIT故障檢測覆蓋率的評估是不可缺少的。理論上的估算可以預測研制系統(tǒng)的故障檢測覆蓋率，但人們更感興趣的是系統(tǒng)組裝后如何度量其實際故障診斷能力，因此，有必要開展