基于三余度數字伺服控制系統的多通道信息同軸電機的設計

1數字控制技術服務控制系統是一項反饋控制系統，用于傳輸和箭管控制系統。將控制系統中的控件信號轉換為具有成本積分的大自動動力，通過控制動作裝置的激活運動，懸掛發動機或噴管，并改變其屋頂向量。根據規定的軌道，飛機以規定的重量飛行。20世紀60~70年代,美國成功地在其“土星V”運載火箭的制導與控制系統中大規模地采用了各種形式的余度技術,余度技術也成為美國目前及下一代可重復使用航天飛機上的關鍵技術之一。數字控制應用于各類電液伺服系統也得到了廣泛研究。為滿足導彈和航天運載器中對電液伺服系統高性能、高可靠性和輕質小型的要求,研制了一個適用于航天應用的三余度數字伺服控制系統,與常規模擬伺服系統相比,此系統有許多優越性,例如采用余度結構后,系統任務可靠性大大提高,數字伺服控制器的使用將顯著提高系統性能指標及通用性。2基于主機的多冗余伺服閥三余度數字伺服控制系統同常規伺服系統一樣,是一個位置隨動系統,主要數字由控制器、伺服放大器、伺服閥、作動器、反饋裝置和液壓能源裝置組成。它與常規伺服系統的不同之處在于為提高整個系統的可靠性,對控制器、放大器、伺服閥和反饋傳感器等關鍵部件進行了三冗余處理,其基本結構見圖1。此三余度系統通過采用主動并列運行方式、分級余度形式,可實現故障-工作/故障-安全。系統中設有兩個軟件表決/監控面(V/M)和一個硬件表決點,采用交叉與直接信號傳遞方式。余度管理方案如下:a.信號選擇(表決):用中值信號選擇器實現,即當輸入的三路信號均正常時,選擇中值;當確定有一路故障時,選擇剩余兩路信號的平均值。b.故障監控(檢測):比較監控和自監控相結合,前者采用交叉通道比較監控;后者采用軟、硬件相結合的方法,如用回繞試驗完成輸入/輸出回路的自檢測。c.故障隔離:用軟件實現,如在信號選擇時,即可隔離故障通道的影響。d.瞬時故障:用延時確認方法恢復。在實時控制系統中,由于電磁干擾、電源瞬變等因素的影響,容易發生瞬時性故障,過一段時間后,隨著這些因素的消失,故障也會消失。為防止誤切比的增大,提高系統的可靠性,要求對瞬時故障具有自恢復能力,為此,在余度表決模塊中設置了一個軟件計數器,用來統計超差(即某一路信號與另兩路信號的差值超過允許上限)次數,只有當連續超差大于規定次數時才確定此通道故障。三余度伺服閥的結構較復雜,且該閥是三余度伺服系統中三冗余通道到單通道的關鍵連接點,其性能及故障模式對整個系統有著重要影響,圖2給出了它的原理框圖。伺服閥內部對力矩馬達、液壓放大器和機械反饋裝置進行了三冗余處理,對動壓反饋采取了并聯措施,大大地提高了系統的任務可靠性。閥內部的硬件表決點用機械方式實現。伺服閥的設計采用了靜態余度技術(也稱“故障掩蓋技術”,即當冗余通道中的一個通道出現故障時,系統不對故障進行診斷和隔離,而是利用多數表決(三中取二)結構將故障“掩蓋(或吸收)”,故三余度伺服閥的余度等級為故障-工作,允許存在單通道故障。容錯實時控制器的性能及可靠性對整個系統有很大影響,它主要由3個單片微處理器組成,實現通訊管理、余度管理、信號采集、控制律綜合和指令輸出等功能。基于伺服系統的具體控制要求和控制器中央微處理單元(CPU)的性能價格比、開發系統支持等因素的考慮,準32位(內部32位、外部16位)、40Hz的高速數字信號處理芯片TMS320C25被選為系統的CPU。用C25作為伺服系統的控制器,不僅能滿足系統對控制速度和精度的要求,而且還有較大的擴充能力。3個C25單片機(或3個冗余通道)間通過雙口隨機存儲器(RAM)通訊,通過硬件和軟件相結合的方法實現同步。借助串行總線接口(SIU),C25可通過串行總線實現同上級控制單元CPU間的通訊。圖3展示了三余度數字伺服控制器的基本組成。該控制器的三個CPU各有一套獨立的系統控制電路、存儲器接口電路、模/數(A/D)電路、數/模(D/A)電路和串行通訊接口電路等,如果斷開相互之間的通訊連接,它們則成為3個相同的數字伺服控制器。這種結構既能通過串行總線實施數字指令控制,也可通過模/數(A/D)口實現用模擬指令來控制。對控制器中的CPU及外圍電路,模/數(A/D)和數/模(D/A)電路等電路進行的冗余處理,顯著地提高了控制器及整個系統的可靠性。控制器的故障檢測與隔離主要通過兩個軟件表決/監控器實現。一個在CPU的輸入處,檢測隔離傳感器和A/D轉換器故障;另一個在CPU輸出處,檢測隔離CPU的硬、軟件故障。3基于動態余度的任務可靠性分析在非冗余的伺服系統中,各組成環節間的關系決定了它是一個串聯系統,即系統中任一環節故障都會導致整個系統故障。三余度數字伺服控制系統對數字控制器、伺服放大器、力矩馬達和液壓放大器等關鍵環節進行了三冗余處理,對動壓反饋采取了并聯措施。控制器中A/D之后和D/A之前的表決器均用軟件實現,屬動態冗余技術。軟件表決器依存于控制器最小系統,其可靠度小于1,所以對軟件表決器也采取了三冗余處理,以提高其可靠性。為獲得高可靠性,還對A/D之前的采樣信號進行了直接硬線交連,用于上一節余度設計中。動、靜態余度技術的采用使三余度數字伺服控制系統可以在單通道有故障的情況下正常工作,即實現故障-工作/故障-安全的余度等級。在進行可靠性分析之前,作如下假設:a.與伺服系統有關的電源和機械連接絕對可靠;b.組成伺服系統的各環節,其壽命均服從恒故障率的指數分布(可靠度函數Ri(t)=e-λit,其中λi為故障率。)各環節間的故障相互獨立;c.考慮環境因素后的等效任務時間t=1.5h。基于對三余度數字伺服控制系統的結構功能分析,可以得到可靠性框圖(圖4),圖中2/3(G)代表三中取二多數表決結構。圖中符號含義:I為傳感器;Ai為A/D輸入環節;Vij為軟件表決器;V為硬件表決點;Ci為CPU板;Di為D/A輸出環節;F為力矩馬達;G為液壓放大器;H為機械反饋;O為動壓反饋;J為滑閥;P為能源裝置;B為作動器。對此系統可用概率模型法將表決點化入可靠性框圖中,然后按此圖寫出系統成功事件關系式,并用布爾運算規則簡化關系式,最后求出系統成功事件概率,即為系統任務可靠度。每個通道的軟件表決器均依存于控制器最小系統,它們的硬件組成相同,軟件稍有不同,可近似認為它們是同一個環節,即Vij=Vi(i,j=1,2,3)。采用動態余度技術后,表決器在化入可靠性框圖時應考慮故障監控覆蓋率Xij。軟件的可靠性難以預測,在分析中用覆蓋率Xij反映其可靠度。將軟件表決器化入可靠性框圖中,對系統任務可靠度Rs計算結果表明,故障監控覆蓋率Xij和表決器可靠度RV對系統可靠性有較大影響,由于表決器依附于CPU板,故障監控用軟件實現,故提高CPU板的硬、軟件可靠性,將能大幅度地提高系統的可靠性。類似的可靠性分析與計算預測可用于幾類具有不同余度配置的伺服系統,比較結果列于表1。從表1中可得出以下結論:a.對伺服機構采用三余度結構后,任務可靠性有了顯著提高。b.對三余度伺服機構采用非冗余數字控制器,盡管系統的性能會因采用先進的控制律而得到改善,但系統的任務可靠度卻因額外串入多個環節而大大降低,控制器成為提高可靠性的“瓶頸”。而當控制器也采用三余度結構,并用軟件技術實現多重多數表決之后,系統的任務可靠度提高到0.999636,與未采用控制器的三余度伺服機構相當。若進一步提高CPU板的可靠度,或對之采用三冗余加熱備份,并實行單通道自檢,可使系統的可靠度進一步提高,甚至可能高于三余度模擬系統的任務可靠度。c.采用三余度結構后,提高了系統的任務可靠度。但隨著余度數增加、部件數增加,不僅使費用增加,而且使出部件故障的可能性增加。由于射前不應有任何故障,故而地面維修任務增加,也使地面平均無故障間隔時間減少,基本可靠性降低。在設計時,應權衡考慮任務可靠度、基本可靠性和經費支持。4負載模擬系統測試空載試驗的目的是為了驗證三余度數字伺服控制器的軟、硬件功能及3個CPU間的同步情況、余度表決結果。試驗系統的組成見圖5,在試驗中3個通道的電源相互獨立。為防止因3個CPU通道失步或表決差異造成3個D/A輸出不同,影響最終測試結果,在前4個小試驗中,均采用1#通道的D/A同時輸出給3個伺服放大器。系統采樣時間為1ms。控制律采用比例控制,伺服機構內采用機械動壓反饋。表2列出了空載試驗內容,試驗測試結果(圖6)表明,該控制器軟、硬件基本功能已達到要求。當正常工作時,3個通道間能較好地保持同步,且能對1個指令開路,1個反饋斷開,1個通道CPU故障等情況進行檢測,通過多數表決能夠排除這些故障對系統性能的影