关键词：多余度；舵机； 安全性；力纷争
1 民机安全性和可靠性要求
安全性是适航的主要目的，这是判断飞机是否具备适航性的标准。目前最先进的液压和电子元件的可靠性或失效概率是不能保证单通道飞行关键系统满足适航要求的。关键系统的故障概率必须是极不可能的，所以系统的故障概率必须小于每飞行小时1×10-9。单通道电液系统和电子元件每飞行小时发生故障的概率大概在1×10-3到1×10-4之间，远远达不到上述目标。
因此，在系统设计中，通过增加那些不具有期望安全性功能的余度来达到所需的整个功能安全性水平，但是这将导致增加额外的系统复杂性，从而降低整个系统的基本可靠性。而民机为了具备更好的经济性和可用性，必须尽可能提高系统的基本可靠性，使得飞机发生故障的概率尽可能减小。为了满足所要求的安全性和可靠性水平，必须特别考虑简化设计、减少组件数量、消除电气连接器以及电气线路和液压源的共模故障。
2 余度工作方式的权衡
飞控系统的舵机从余度工作方式上一般分为主/主工作方式和主/备工作方式。在主/备系统中，控制通道之间的快速切换则至关重要。在权衡余度舵机的工作方式时，应该从以下几个方面进行考虑：故障瞬态、故障监控、故障性能、负载均衡。
故障敏感性是指余度控制系统在发生故障后，在可接受的瞬态条件下自动继续运行的能力。如果系统执行的是关键功能，则要求系统必须在出现一次或多次故障后系统仍可以继续工作，但是“故障-工作”的系统却不能确保故障瞬态是能够满足要求的。对于主/主系统来说在检测出故障之前其他作动器仍正常工作以抵消故障作动器所发出的力，故障瞬态影响较小。主/备系统需要用故障检测系统来监控和判断主控通道是否故障，如果故障则需要自动断开它，并切换到一个正常的通道。故障瞬态主要依赖于故障检测覆盖度、切换时间和备用通道的跟踪。
故障监控是指系统工作过程中必须提供故障检测以便能够及时切断故障通道和舵机，以保持系统的完整性。故障监控应能够检测到所有类型的故障，比如失效、卡阻、振荡、非指令运动、爬坡等故障。主/主系统要求所有的控制通道同时工作，一个通道故障后由其余正常的通道继续工作进行补偿，不会对飞机产生过大瞬态影响，因此没有必要立即切断故障通道，故可以采用自监控、主/主通道间交叉监控或模型监控的方法，但是它的有效性取决于模型与实际硬件的匹配程度。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在主/备系统中，控制通道之间的快速切换以及故障检测的覆盖率则至关重要，每个通道必须单独监视和故障检测。通常对每个控制通道进行复制或建模，以提供检测活动所需的比较信息，从而达到全覆盖率的效果，但是系统的平均故障间隔时间可能会受到显著影响。
故障后的性能，是指系统监控出舵机已经发生故障并将故障舵机切除，主/主系统则使用剩余舵机继续工作而主/备系统则切换至正常通道继续工作。主/主系统要求多余度控制通道在控制系统的某个节点上协同工作，因此一个控制通道的丧失就会导致输出性能的改变。对于主备系统，控制通道独立运行单个通道正常工作就能满足全部性能要求，主控通道故障后备用通道工作，不会导致性能下降。
负载均衡是对具有相同输入的多个舵机一起工作时容忍相互间力纷争的能力。负载均衡是力综合舵机特有的问题，因为在一次只有一个通道控制的主/备系统中，或者在位置综合和速度综合系统中，显然没有力纷争的问题。理想的做法是在余度舵机之间平均分配负载，以消除任何力纷争。然而，跟踪误差产生的原因是由于在每个执行器伺服回路或执行器的安装中不可能做到完全一致，即使输入命令是相同的。由于舵机与公共输出相连，所有位置命令将不能同时满足，舵机之间将发生力纷争。为了使力综合执行器配置中的力纷争最小化通常使用四种方法：
a)舵机反馈回路的公差控制：机械舵机可以通过良好的公差控制实现力纷争最小化，这是因为控制机械制造精度是可行的，而且机械连杆机构的物理特性是不变的。相比之下，电信号控制的舵机具有指令和反馈路径元件，如放大器、解调器和反馈传感器，且会随着时间、温度和功率改变其物理特性。一般认为电信号控制的舵机相关的公差远远大于机械舵机。
b)通道之间的柔性：在某些应用中，执行器之间的结构柔性允许两个舵机的位置有所差异，从而通过正常的位置反馈回路减少力纷争。
c)低力增益舵机：由舵机的绕度结构的组成的反馈路径可以降低舵机的力增益，并减少力纷争。减少舵机的力增益（刚度）并合理进行匹配，如由一个共同的机械指令发出信号，并由多个带弹簧拉杆的舵机驱动舵面，可减小力纷争。
d)平均负载均衡：对压力进行采集，并且需要进行均衡后才能进入指令通道。对压力反馈信号进行均衡处理并引入指令通道进行舵机的控制。单个舵机的负载必须与平均负载进行比较，平均负荷的计算和与平均值的个体差异需要跨通道比较，该方法虽然不降低舵机的刚度，但增加了复杂性，并引入了跨通道故障的可能性
3 余度工作方式的权衡
本报告介绍了两种不同余度工作方式作动器的优缺点，以及在各自设计过程中需要考虑的工程问题。在民机舵机的设计和权衡论证过程中，需综合考虑上述各种因素，使系统安全性、可靠性得以提高，系统重量得以降低以达到民机高安全性、低燃油消耗以及低运营成本的要求。
【参考文献】
[1] 郭辉, 王平军, 郭涛. 基于Simulink的飞机液压助力器建模与仿真研究[J].机床与液压，2007（9）
[2] 王小平, 董新民, 朱凡. 飞机电传操纵系统多余度电液舵机运动同步性的测试与调整[J].机床与液压，2003（3）
论文作者:喻燮晋
论文发表刊物:《科学与技术》2019年18期
论文发表时间:2020/4/28
标签：舵机论文; 故障论文; 系统论文; 通道论文; 工作论文; 纷争论文; 飞机论文; 《科学与技术》2019年18期论文;