Построение систем встроенного контроля исправности систем рулевых приводов

Встроенная система контроля, или, как часто говорят, - мониторинга - является обязательной подсистемой рулевого привода современного самолёта. Своевременное обнаружение и отключение неисправного устройства или целиком канала рулевого электрогидравлического привода и переход на резервный канал управления при появлении локального отказа привода или взаимодействующей с ним системы – вот задача построения системы встроенного контроля. Системы встроенного контроля, выполняющие указанные выше задачи, включают в свой состав:

§ Датчики координат привода, характеризующих исправное состояние привода и взаимодействующих с ним систем.

§ Логические устройства, осуществляющие быструю оценку общесистемной ситуации в приводе на основе анализа измеряемых координат привода и сигналов из взаимодействующих с приводом систем. В качестве логических устройств систем встроенного контроля исправности в настоящее время всё чаще используются встроенные в привод микроконтроллеры.

§ Детекторы отказов, вырабатывают команды на устройства изменения структуры привода (отключение неисправного канала и перевод его в безопасное состояние), а также сигнализируют о факте появления отказа.

§ Исполнительные устройства, обеспечивающие изменения в структуре привода и перевод отказавшего канала в отказобезопасное состояние.

Как было показано ранее, каждый из каналов многоканального привода должен иметь свой набор переключателей, приводящих отказавший канал привода в нерабочее и отказобезопасное состояние.

При построении схем определения отказавшего канала или его устройства широко используются два метода:

1. Метод мажоритарной логики (голосования большинством), который реализуется с помощью кворум-элементов – устройств выделяющих из нескольких входных сигналов средний [5]. Следует отметить, что кворум-элемент может быть реализован не только на электронных элементах и программно в микроконтроллере, но и с помощью гидравлических устройств и упругих элементов, входящих в состав маломощных многоканальных сервоприводов с суммированием усилий на общем выходном звене.

2. Принцип самоконтроля функционально законченного устройства, осуществляющего формирование или преобразование с усилением по мощности сигналов управления, отказ которого вероятен, и которое можно отключить. В соответствии с этим принципом в состав каждого канала резервированного привода следует ввести модель контролируемого устройства. Модель может быть электронной, цифровой, реализуемой программно, или натурной. В частности, в качестве модели контролируемого устройства может использоваться дублирующее аналогичное устройство, например, второй, работающий параллельно с основным электрогидравлический усилитель мощности или какой-либо другой преобразователь сигналов.

В соответствии с принципом мажоритарной логики, сущность которого поясняется схемой, показанной на рис.6.1, один из каналов (х1, х2, х3) считается отказавшим, если контролируемая координата (x_i) отличается от среднего арифметического (х_ср) или среднего выборочного значения, полученного на основе осреднения одноименных координат во всех каналах на определенную величину Dх:

(5.1)

>.

В выражении 5.1 Dх - порог срабатывания детектора отказов (ДО).

Для контроля исправности резервированного канала управления целесообразно использовать следующие координаты привода:

- Напряжения на обмотках управления электромеханических преобразователей сигналов ЭГУ, линейных электродвигателей (ЛЭД) и других электромеханических преобразователей и исполнительных механизмов.

- Сигналы рассогласования в каналах привода.

- Входные сигналы управления.

- Сигналы в цепях позиционных обратных связей и другие сигналы, характеризующие состояние следящего привода.

Рис.5.1

Схема построения контроля многоканальной линии управляющих сигналов на основе метода мажоритарной логики («голосования большинством»).

Важным обстоятельством является то, что при использовании мажоритарного принципа контроля в многоканальных приводах с четырьмя контролируемыми информационными каналами после отказа второго канала оставшиеся два канала работают в режиме ''равного доверия''. При появлении рассогласования между одноименными координатами оба канала должны быть отключены. Таким образом, один дополнительный канал привода нужен только целей его контроля.

Задача увеличения количества накапливаемых отказов при одном и том же общем количестве каналов может быть решена введением в состав каждого рабочего канала моделей отказоопасных устройств, элементов или целиком модельного канала привода. При построении таких систем контроля следует руководствоваться принципом равного доверия и к контролируемому объекту и к его модели. В качестве примера на рис.6.2 показана структурная схема системы контроля электрогидравлического усилителя мощности (ЭГУ) с использованием его электронной модели.

Рис.5.2

Схема контроля исправности электрогидравлического усилителя мощности с двумя электрическими каналами управления: U1,2 – сигналы управления; Кр1,2 – контакты реле отключения; Хз1,2 – сигналы положения золотника гидрораспределителя ЭГУ; i1,2 – токи управления в обмотках ЭГУ; ДПЗ1.2 – датчики положения золотника гидрораспределителя ЭГУ; ку, Тф – параметры фильтра; Р1 – реле отключения канала.

Алгоритм изменения максимальной скорости золотника гидрораспределителя, представляемый в модели по схеме на рис.5.1 напряжением определяется соотношением:

, (5.2)

где – максимальная скорость перемещения золотника при положительной температуре жидкости и номинальном давлении питания;

- максимальная ограниченная скорость перемещения золотника;

х_зм - сигнал на выходе модели ЭГУ, пропорциональный перемещению золотника;

х_з – сигнал, снимаемый с датчика перемещения золотника;

Uv – сигнал управления скоростью движения золотника.

При отказе одного из каналов управления выходная координата модели ЭГУ в системе контроля первого канала становятся различными. Сначала происходит в определенных пределах подстройка модели под реальный ЭГУ, однако, спустя некоторое время по мере накопления ошибки и по истечении времени запаздывания t_p срабатывает реле (Р1) и отключает первый канал управления. Одновременно обесточивается обмотка клапана включения, так как для его срабатывания и отключения давления подачи необходимо отключить обе обмотки клапана. Расход жидкости на выходе гидрораспределителя и, соответственно, скорость выходного звена привода при этом уменьшится примерно в два раза. Поэтому для сохранения полно ценного управления необходимо в работоспособном втором канале увеличить в два раза коэффициент усиления электронного усилителя.

В таблице 5.1 приведены оценки интенсивности отказов двуканальной системы привода с встроенной контроля при различной вероятности обнаружения системой контроля отказов в приводе.

Таблица 5.1

Влияние вероятности обнаружения отказов системой встроенного контроля на показатель безотказности (частоту отказов) двухканального рулевого привода с системой встроенного контроля.

Вероятность обнаружения отказа системой встроенного контроля.	Количество отказов в 2-х канальном приводе на миллион летных часов.

Необходимо отметить, что увеличение обнаружения отказов с 50% до 95% увеличивает вероятность безотказной работы системы привода в целом в 10 раз.

Важным вопросом при проектировании резервированных приводов с системами встроенного контроля является обеспечение необходимого быстродействия системы встроенного контроля, которая оценивается длительностью интервала времени с момента появления отказа и до момента переключения неисправного канала на исправный резервный канал с обеспечением полноценного управления. По опубликованным данным [1] оценки допустимого времени обнаружении отказа и перехода на резервный канал привода лежат в пределах от 0.040 с до 0.2 с.

Современные системы встроенного контроля с мажоритарной логикой, реализующий принцип ''голосование большинством'', обеспечивают вероятность обнаружения отказов в рулевом приводе примерно 95-99%.

Системы контроля на основе самоконтроля каналов с моделью обеспечивают выявление неисправного канала с вероятностью около 95%.

Однако при выборе метода встроенного контроля необходимо учитывать следующее обстоятельство: при реализации системы встроенного контроля на основе принципа мажоритарной логики минимальное количество каналов, подлежащих контролю должно быть три, а применение принципа самоконтроля позволяет контролировать состояние каждого из каналов. Таким образом, использование принципа самоконтроля позволяет обеспечить необходимый контроль исправности привода при меньшем количестве каналов привода по сравнению с системами контроля на основе мажоритарной логики.

В резервированных рулевых приводах с системой выравнивания сил на общем выходном звене появляется возможность использовать системы разгрузки для контроля исправности привода в целом. Рассмотрим эту возможность. Упрощенная схема двухканального привода с суммированием сил на общем выходном звене и системой выравнивания сил в исполнительных механизмах показана на рис.5.3. В каждом канале управления имеются два контура: позиционный контур в виде обратной связи по положению поршня и контур управления перепадом давления с астатизмом первого порядка. Запишем ещё раз соотношения для сигналов рассогласования в каналах этого привода в статическом режиме и близких к нему режимах работы привода:

(5.5)

В этих выражениях: Uвх1,2 - управляющие сигналы, kp - коэффициент усиления в цепи обратной связи по разности перепадов давления, а ue1,2 - оценка ошибки управления.

Учитывая, что в системах с астатизмом первого порядка статические ошибки (ue1, ue2) близки к нулю, можно для указанных выше режимов записать следующие соотношения:

. (5.6)

Из приведенных соотношений следует, что первые слагаемые в уравнениях (5.6) являются заданными положениями выходных звеньев первого и второго каналов в предположении, что они не связаны между собой общим штоком и могут перемещаться независимо (представим себе, что штоки приводов разъединены). Хп – фактическое положение выходного звена сдвоенного гидроцилиндра, а интегральный функционал в правой части приведенных уравнений - есть мера ошибки в статических режимах между фактическим положением выходного звена и предполагаемыми положениями выходного звена, заданными управляющими сигналами Uвх1 и Uвх2. Из приведенных выше уравнений следует, что фактическое положение выходного звена привода в статических или близких к ним режимах равно:

. (5.7)

Таким образом, описанная система разгрузки от силового взаимодействия каналов, вызванного в общем случае разбросом параметров и управляющих сигналов, обеспечивает движение выходного звена привода по траектории близкой к среднеарифметическому значению траекторий заданных по каждому из входов привода. В случае отказа одного из каналов управления выходное звено привода совершает неуправляемое движение (скачок) на величину равную половине расстояния между предполагаемыми положениями, заданным сигналами по каждому входу:

. (5.8)

(Здесь предполагается, что коэффициенты позиционной обратной связи в каналах привода могут быть разные). В общем случае из приведенных выше соотношений можно получить выражения для оценки предполагаемых траекторий перемещения поршней гидроцилиндров каждого из каналов сервопривода Х1(t) и Х2(t) в предположении, что они механически не связаны общим штоком в следующем виде:

(5.9)

(5.10)

Выражения (5.9) и (5.10) используются для построения системы встроенного контроля каждого из каналов привода с помощью электронной аналоговой или цифровой, реализуемой программно, модели каждого из каналов сервопривода. В основе системы встроенного мониторинга для контроля исправности каналов привода используется оценка предполагаемого положения поршня каждого из каналов привода Х1(t) и Х2(t), вычисленных по приведенным выше выражениям на основе:

· измеренного и масштабированного перемещения штока сервопривода Хп kм,

· интегральной оценки рассогласования между штоками двух каналов привода:

(5.11)

• положения штока, заданного управляющим сигналом, с выходной координатой модели Хм1(t) или Хм2(t).

При равной степени доверия к модели и объекту контроля канал отключается, если разность между сравниваемыми координатами больше порога срабатывания детектора отказа:

|Х1(t)-Хм1(t)| = DХ1 >Хдо или |Х2(t)-Хм2(t)| = DХ2 >Хдо. (5.12)

Схема, реализации описанного выше алгоритма выравнивания усилий в конструкции двухканального электрогидравлического привода и контроля исправности привода показана на рис.5.3.

Рис.5.3.

Схема построения системы встроенного контроля двухканального привода с общим выходным звеном с использованием подсистемы разгрузки конструкции привода от силового взаимодействия каналов: ДПД – датчики перепада давления на поршнях гидроцилиндра; ДПП – датчик поступательных перемещений; Кр – коэффициент интегратора; Ip1,2 – интегральные функции (сигналы обратных связей по разности перепадов давления на поршнях исполнительных механизмов); Мсп1,2 – электронные модели сервоприводов; Хм1,2 – сигналы на выходе моделей – оценки положения штоков сервоприводов; ДО1,2 – детекторы отказов; Км – масштабный коэффициент.

Электронная аналоговая или цифровая модели, должны обладать в определенных пределах свойством автоподстройки под контролируемый канал при изменении условий эксплуатации привода и отклонении его параметров.

Дата добавления: 2014-01-04