民用飛機電傳操縱系統(tǒng)的可靠性分析

民用飛機電傳操縱系統(tǒng)的可靠性分析

呼叫管理系統(tǒng)是傳輸管理系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，是航空控制系統(tǒng)的重要組成部分。現(xiàn)代大型民用飛機電傳操縱系統(tǒng)的失效率要求不高于1×10-9次/小時,對于伺服作動系統(tǒng)則提出了更高的要求。對于控制關(guān)鍵操縱面的伺服作動系統(tǒng),一般要求電子、電氣部分具有雙故障工作能力,液壓、機械部分具有故障工作/故障安全能力。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時,能夠進行信號選擇、故障檢測與隔離等,此時就需要考慮故障覆蓋率對系統(tǒng)可靠性的影響。在可靠性分析中,最常用的模型是可靠性框圖。伴隨著余度技術(shù)、容錯技術(shù)在作動系統(tǒng)中的應(yīng)用,系統(tǒng)各單元之間的關(guān)系日趨復(fù)雜,影響系統(tǒng)可靠性的因素日益增多,簡單的框圖模型已無法滿足要求。上世紀60年代以來,國內(nèi)外對系統(tǒng)的可靠性模型進行了深入的研究,發(fā)展了靜態(tài)故障樹、動態(tài)故障樹、馬爾可夫模型及Petri網(wǎng)模型等等,其中,馬爾可夫模型和Petri網(wǎng)模型在描述容錯冗余的動態(tài)過程方面較有優(yōu)勢。為了較為真實地描述系統(tǒng)的動態(tài)過程,本文利用馬爾可夫過程對伺服作動系統(tǒng)進行可靠性分析。1系統(tǒng)監(jiān)控方式分析馬爾可夫過程的數(shù)學(xué)表示為:設(shè){X(t)?t≥0}{X(t)?t≥0}是取值在E={0?1?}E={0?1?}或E={0?1??N}E={0?1??Ν}離散狀態(tài)空間的一個隨機過程。若對任意自然數(shù)n及任意n個時刻點0≤t1<t2…<tn,均有:則稱{X(t)?t≥0}{X(t)?t≥0}為離散狀態(tài)空間E上連續(xù)時間的馬爾可夫過程。若對任意u,t≥0,均有:與u無關(guān),則稱馬爾可夫過程{X(t)?t≥0}{X(t)?t≥0}是齊次的。當(dāng)用齊次馬爾可夫過程來描述不可修系統(tǒng)的時候,通常采用馬爾可夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移鏈法。狀態(tài)轉(zhuǎn)移鏈法是在可修系統(tǒng)馬爾可夫模型的基礎(chǔ)上演變而來的一種分析不可修可靠性的方法,它能真實地反映系統(tǒng)的實際工作情況,準確地考慮系統(tǒng)各部分之間功能的相互依存、故障的相互影響,能方便地考慮復(fù)雜余度系統(tǒng)的余度管理,如監(jiān)控方式、故障覆蓋率和余度降級等因素。對于余度伺服作動系統(tǒng),其每個通道從工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換到故障狀態(tài)可以看成是一個馬爾可夫隨機過程。為了簡化分析,首先作如下假設(shè):(1)不考慮接口與轉(zhuǎn)換裝置的故障;(2)系統(tǒng)不可修;(3)不考慮虛警率及通道的誤切;(4)伺服作動系統(tǒng)各通道完全相似;(5)單元故障相互獨立,故障未被檢出定為系統(tǒng)故障,同時出現(xiàn)2次或2次以上故障的概率為0。伺服作動系統(tǒng)各單元壽命服從指數(shù)分布,電氣部分故障率為2×10-4,機械部分故障率3×10-4。a.貯備方案貯備方案的結(jié)構(gòu)如圖1所示。伺服作動系統(tǒng)采用主備結(jié)構(gòu)工作并有機械備份,主、備系統(tǒng)均為電氣二余度、機械單余度。主系統(tǒng)工作時,備份系統(tǒng)處于冷貯備狀態(tài)。主系統(tǒng)故障時系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)到備份系統(tǒng),備份系統(tǒng)故障時則轉(zhuǎn)入機械操縱系統(tǒng)。系統(tǒng)監(jiān)控方式采用模型比較監(jiān)控,即構(gòu)造一個與電氣或機械部件動靜態(tài)特征相似的數(shù)學(xué)或電子模型,在相同的輸入信號下比較輸出值來判斷部件的故障。比較監(jiān)控技術(shù)目前應(yīng)用較為成熟,其故障覆蓋率可在0.95以上,實現(xiàn)起來較為方便。冷貯備工作系統(tǒng)主系統(tǒng)的馬爾可夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。各狀態(tài)定義:狀態(tài)0主系統(tǒng)開始工作,系統(tǒng)可靠。狀態(tài)11條電氣通道故障并被檢出,主系統(tǒng)安全,電傳系統(tǒng)可靠。狀態(tài)2狀態(tài)1時,1條電氣通道或機械通道故障并被檢出,主系統(tǒng)故障,轉(zhuǎn)入備份系統(tǒng)。狀態(tài)3任何電氣及機械通道故障未被檢出的情況。列出離散時間的馬爾可夫模型方程組:主系統(tǒng)的可靠度為R1=p0+p1于是,可得主系統(tǒng)故障率λ=-lnR1冷貯備系統(tǒng)總的可靠度為R=(1+λt)e-λtb.三余度方案三余度伺服作動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)采用電氣、機械三余度結(jié)構(gòu),機械備份。系統(tǒng)正常時,三通道同步工作,任一條通道故障則將其切斷,三通道全部故障則轉(zhuǎn)入機械操縱模式。系統(tǒng)監(jiān)控方式采用在線監(jiān)控,也稱為自監(jiān)控。它不需要外部相似數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ),完全依靠自身的手段監(jiān)控自身的故障。例如用LVDT(線性位移傳感器)或壓差信號傳感器進行監(jiān)控,假設(shè)故障覆蓋率均為C。目前,國內(nèi)在線監(jiān)控技術(shù)尚未完全成熟,監(jiān)控覆蓋率一般在0.95以下。其馬爾可夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。各狀態(tài)定義:狀態(tài)03條通道工作,系統(tǒng)工作在三余度+備份狀態(tài),系統(tǒng)可靠。狀態(tài)1檢測出1條通道工作并成功將其切除,此時系統(tǒng)工作在二余度+備份狀態(tài),系統(tǒng)可靠。狀態(tài)2狀態(tài)1時檢測出1條通道故障并成功將其切除,此時系統(tǒng)工作在單通道+備份狀態(tài),系統(tǒng)可靠。狀態(tài)3狀態(tài)1時檢測出1條通道故障并成功將其切除,此時系統(tǒng)轉(zhuǎn)入備份狀態(tài),系統(tǒng)安全。狀態(tài)4狀態(tài)0時1條通道故障未被檢測出,此時系統(tǒng)工作在偽三余度+備份狀態(tài)。雖然1條通道故障,但通過輸出多數(shù)表決可將故障消化吸收掉,系統(tǒng)可靠。狀態(tài)5本狀態(tài)包含2種情形,1種情形是系統(tǒng)在狀態(tài)1時,1條通道故障未被檢測出,此時如果再有1條通道故障,駕駛員可通過信息反饋選擇是否切換到備份通道,系統(tǒng)安全。另一種情形是在狀態(tài)4時,檢測出1條通道故障,與前一種狀態(tài)相同,系統(tǒng)安全。狀態(tài)6本狀態(tài)包含3條通道時,1條通道檢出2條通道未檢出;2條通道檢出1條通道未檢出;3條通道未檢出的情況。駕駛員選擇是否切換到備份通道,系統(tǒng)安全。系統(tǒng)的可靠度R為R=p0+p1+p2+p42模擬與分析應(yīng)用MATLAB對2種方案的可靠性模型進行仿真比較:(1)種方案的可靠性驗證三余度系統(tǒng)故障覆蓋率C1=0.95,貯備系統(tǒng)故障覆蓋率C2=0.95,仿真時間取0～30000h。2種方案的可靠性曲線如圖5所示。由曲線可以看出,在故障覆蓋率相同的前提下,冷貯備系統(tǒng)的可靠性要高于三余度系統(tǒng)的可靠性。(2)冷貯備系統(tǒng)故障覆蓋率三余度系統(tǒng)故障覆蓋率C:0.91～0.95,貯備系統(tǒng)故障覆蓋率C2:0.95～0.99,仿真時間0～1h,2種方案的可靠性曲線族如圖6所示。從圖6可以看出,冷貯備系統(tǒng)故障覆蓋率對系統(tǒng)可靠性的影響相對于三余度自監(jiān)控與四余度比較監(jiān)控方案來說要小。由以上分析可以看到,在目前自監(jiān)控技術(shù)尚未成熟的情況下,選擇貯備系統(tǒng)方案并采用比較監(jiān)控是符合當(dāng)前實際的。3服作動系統(tǒng)方案選擇在余度伺服作動系統(tǒng)的設(shè)計過程中,評估系統(tǒng)的可靠性是重要工作