飞机起落架控制系统分布式控制研究

飞机起落架控制系统分布式控制研究

0制单元的故障传统的升降控制体系是集中控制体系，该策略已经使用了很长时间，但缺点如下。整个系统取决于一个单一的中央控制单元，单元中的错误可能会导致整个系统的瘫痪。当主控制器出现故障时，使用冗余控制装置继承控制任务，成本和重量显著增加。由于每个传感器和执行器都直接连接到中央单元，并且引入了探测器和导线的数量，因此系统的可靠性和安全性大大降低。为了弥补集中式控制系统的不足,分布式控制系统应运而生,用分布实时控制系统代替传统的点到点的系统可以解决以上问题。1起落架控制系统传统的集中式起落架控制系统的配置包括一个称为ECU的中央控制单元,用线束将所有的节点连接到这个中央控制单元,即使用点到点的连接方式将传感器和执行器连接到一台控制计算机上。传感器和执行器安装在起落架的门上、联锁装置和驾驶舱内,ECU接受来自传感器的输入,驱动液压执行器和联锁装置来控制起落架的伸出和缩回。此外,传感器也能为飞行员提供状态信息。集中式起落架系统结构如图1所示。而分布式系统在每个系统节点提供一个电子控制单元,分散各个处理单元间的控制功能,把复杂的问题分解成更小的模块,从而降低整个系统出现故障的风险。起落架控制系统包括3个子系统:伸出/缩回子系统,鼻子转向子系统和制动子系统。这里只研究伸出/缩回子系统的分布式控制策略。系统控制前起落架和两个主起落架伸出和缩回,来实现飞机的安全起飞和降落。起落架伸出和缩回过程:起落架开始解锁起落架缩回、起落架舱门关闭。如果起落架控制手柄移动到伸展位置,则伸出的过程与之相反。2核心网络工信协议分布式系统的核心是采用一个通信网络,也称为总线,把传感器、执行器和控制器、操作员终端连接起来实现分布式信息的采集、处理和控制。由于控制系统不断需要更多的信号,采用数据总线系统不仅可以减少布线的复杂性,还能提高系统的可靠性。如任何系统一样,分布式系统也有实现实时系统方面的技术限制,其中一个限制就是系统节点的最大数目,如TTP/C协议规定的最大容量为64个节点。可以使用“网关”,利用时间触发系统的互操作性将不同类型的时间触发系统交错在一起,来解决该问题。有2种不同类型的总线,事件触发和时间触发总线,各有优势,事件触发总线更成熟、更灵活,而对于分布式控制系统,时间触发是首选,它可以提供更好的系统分区。TTP/C网络每个节点由主控制器、TTP/C协议控制器和相应的系统接口组成。主控制器和协议控制器之间的数据交换由CNI(通信网络接口)实现。该协议可以支持星型和总线型的网络拓扑结构。该协议不仅对节点进行冗余配置,而且提供双冗余的通信渠道,可有效地防止单个节点或信道故障导致整个系统的瘫痪。TTP/C故障假设确保通信系统可以处理系统中任何组件的任意单一故障。协议控制器通过一个具有容错能力的全局时钟将各个节点的时间同步,建立一个公共的时间基准,当公共时间达到消息描述列表中某一定义的事件时刻,控制器执行相应的发送或接收操作。FlexRay的节点结构与TTP/C类似,但其没有信息描叙表,而是把参数固定在通信协议中,一些动态结构数据则在启动前加载到控制器中。FlexRay的一个周期分为动态段和静态段,采用不同的总线访问方式。FlexRay提供较好的容错功能,能支持单个或冗余的双绞铜线的通信,具有总线监控器,用来保证节点出现故障时,通信渠道和其他节点不会受到影响。控制器区域网络(CAN)总线协议目前已经广泛应用,并成功用在汽车行业,为事件触发协议。当事件发生时,它允许设备传播信息。为了克服数据包冲突,消息具有优先级并且高优先级的消息先于低优先级的消息发送。CAN总线不具备实时性的特点,因此,这种方法并不能保证最后期限前完成所有必要的实时任务。这个缺点称为系统的不确定性,因此它不适用于航空电子系统。SAFEBus是霍尼韦尔公司开发的专有的网络协议,应用在航天局的航天飞机轨道器上,SAFEBus也被用于波音777飞机的驾驶舱仪器。SAFEbus相比TTP/C和FlexRay是一个比较成熟的技术。虽然SAFEbus的总线长度有限,但其具有高达60MB/s的传输速率。SAFEBus的可靠性相当高,但价格昂贵,相对TTP/C和FlexRay实施成本高,而且许多组件是霍尼韦尔专用的,不能作为商用产品。尽管ARINC659标准已建立,但其它独立公司不能创建ARINC659的兼容组件,所以SAFEbus应用在分布式的航空电子设备的系统里是不实际的。综合比较各种协议的实时功能、实施成本、成熟度、可用性以及可扩展性和可维护性,TTP/C、FlexRay是最适合航空电子系统的,设计采用TTP/C协议。3结构攻击结构TTA支持两种网络拓扑结构:总线型和星型。3.1总线监护器及冗余耦合器星型拓扑结构广泛应用在各种网络中,它支持TTP/C和FlexRay以及一些基于事件触发的协议。星型拓扑结构具有良好的容错和处理故障的功能。网络中有一个星型耦合器,并具有单条总线的监护器,能够隔离和纠正任意节点的故障。总线监护器的主要功能是,允许隔离故障节点和防止故障传播到网络的其余部分。采用星型拓扑结构的网络必须有一个冗余耦合器,可以避免单点故障。星型拓扑结构的中央节点故障会传播到每个节点从而影响整个网络,设置冗余耦合器可以避免这种影响。由于中央总线监护器位于星型配置的中心,因此可以大大的简化网络的故障检测。星形拓扑结构的功能限制通常是指的是星型耦合器的功能。多个节点通过中央集线器网联在一起,布线长度往往比其他拓扑结构更长。当从飞机机身结构内的一点到另一点进行电缆布线时,设计的复杂性可能增加。星型拓扑结构的中星型耦合器发生故障,将影响到整个网络的性能,因此,星型耦合器的冗余设计是必需的,以避免整个网络的瘫痪。起落架控制系统的星型拓扑结构如图2所示。3.2起落架控制系统总线型拓扑结构是由一条主干线将所有的节点连接在一起。由于结构简单,这种拓扑结构需要的电缆比星型拓扑结构的短,非常适合于小型网络。数据从各个节点发送到主干线,只有需要总线上某些消息的节点才会响应。总线拓扑结构网络主要故障是主干线的故障和物理退化。如果主干出现问题,整个网络将瘫痪。在起落架控制系统的设计中,必须考虑冗余总线。起落架控制系统的总线型拓扑结构如图3所示。与星型拓扑结构相比,总线拓扑结构在具体应用中有许多优势:需要较少的电缆,降低了整个系统的重量,这是在航空航天应用中需要考虑的重要因素;具有很好的可扩展性;非常适合于小型网络;考虑到前起落架,左、右起落架和手柄/指示组件的具体位置,其结构上的优势非常明显。因此,在设计中,选择总线拓扑结构进行分布式起落架控制系统的设计。4组成和网络构成在配置中,有4个基于TTP/C通信协议的主节点:前起落架(NLG)节点、左主起落架(LMLG)的节点、右主起落架(RMLG)的节点、手柄/指示(HI)节点。每个节点由两个相同的TTP/C子系统组成。H-I节点接收飞行员的命令,并发送该命令信号到其他3个节点,以实现起落架的伸出和缩回。前起落架、左主起落架、右主起落架节都连接一个主TTP/A网络和一个备用TTP/A网络,每个网络都含有一组传感器和执行器。这个配置的提出是基于一体化的TTP/C和TTP/A协议。TTP/C节点形成了一个高度可靠的实时系统,TTP/A用于连接智能传感器。TTP/A传感器节点成本通常会比普通传感器低。TTP/C和TTP/A都是基于时间触发的协议,二者相得益彰。5u3000发电机输出400z水气压电源配电分析的目的是通过分析,设计出最佳的电源方案,在分布式通信架构中为所有节点提供电力。有两种类型的电源:用于低电压电子器件的电源(28VDC)和用于机电执行器(EMA)的高输出功率的电源(270VDC)。发电机输出400Hz交流电源,然后由发电机控制单元调节到115V和200V。发电机有一个辅助动力单元(APU),如果发电机出现故障,APU会把直流电池电源转换为115V/200V交流电。5.1用400v直流总线直接给emas供电电源转换模块将发电机产生的115V交流电转换为270V直流电,高压电源结构是用270V直流总线直接给EMAs供电,需用高压电线把270V直流总线与每个起落架的EMA连接起来。270V直流电源包括一个负地返回系统,这使得系统的重量增加,而且高压电线的线束也不能确定,所以提出低压电源结构。5.2电源转换单元考虑通信结构,提出一种完全分布式的低电压电源结构,利用飞机上现有的28V直流总线为每个节点供电,在每个节点上利用电源转换模块把28V的直流电转换为适当的逻辑电平(5V或3.3V)。这种通信结构也可采用一种半分布式的电源结构,电源转换单元不必要定位在每个节点,