開放式FADEC系統(tǒng)架構(gòu)及可靠性建模技術(shù)研究.pdf

1、航空發(fā)動機(jī)控制變量和功能不斷增加,對FADEC系統(tǒng)的計算性能和輸入輸出接口復(fù)雜度提出了更高的要求,也增加了系統(tǒng)硬件集成和軟件綜合、驗(yàn)證難度。更多的控制模式和功能也進(jìn)一步增加了FADEC系統(tǒng)的可靠性設(shè)計和安全性評估難度。與此同時,航空電子系統(tǒng)也正在向軟件綜合及硬件分布的開放式架構(gòu)方向發(fā)展,FADEC系統(tǒng)作為航空電子系統(tǒng)的一個重要節(jié)點(diǎn),也必須適應(yīng)其發(fā)展趨勢。但傳統(tǒng)集中式FADEC系統(tǒng)架構(gòu)固有的高度定制性和封閉性,無法適應(yīng)這種開放式、分布式的

2、發(fā)展趨勢。而基于數(shù)據(jù)總線的開放式FADEC系統(tǒng)架構(gòu)不僅能提高系統(tǒng)計算性能和可靠性,還能降低開發(fā)成本和周期,已經(jīng)成為美國等航空技術(shù)強(qiáng)國的未來發(fā)展方向。由于數(shù)據(jù)總線是確定系統(tǒng)架構(gòu)的決定因素之一,而系統(tǒng)架構(gòu)又是決定系統(tǒng)可靠性的決定因素之一,本文主要圍繞系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)總線和可靠性建模這三個高度關(guān)聯(lián)的技術(shù)問題展開開放式多余度FADEC系統(tǒng)研究。論文的主要工作和創(chuàng)新如下:
　　(1)研究了開放式FADEC的系統(tǒng)架構(gòu)及其技術(shù)路線。給出了FADE

3、C系統(tǒng)的軟硬件任務(wù)分層模型,及1.5×10;3/h的PFS指標(biāo)和1.5×10;5/h的PFD指標(biāo)。從系統(tǒng)的性能、可靠性需求及任務(wù)特點(diǎn)出發(fā),對比研究了 TTP/C、ARINC659、TTCAN和 FlexRay這四種典型TTA架構(gòu)數(shù)據(jù)總線的關(guān)鍵特性,對比分析了FPGA和串行處理器這兩類計算單元的計算性能和軟件任務(wù)可靠性。研究結(jié)果表明TTP/C總線是開放式FADEC系統(tǒng)背板總線的最優(yōu)選擇,系統(tǒng)底層任務(wù)適合采用并行架構(gòu)的FPGA實(shí)現(xiàn),而頂層高

4、級任務(wù)適合采用串行處理器實(shí)現(xiàn)。最后提出了一種基于 TTP/C總線的綜合采用 FPGA和串行處理器的開放式多余度容錯FADEC系統(tǒng)架構(gòu),并給出了新型架構(gòu)的時間集群規(guī)劃和硬件余度配置方法。與傳統(tǒng)的集中式架構(gòu)相比,本文提出的開放式架構(gòu)能夠提高系統(tǒng)計算性能和任務(wù)可靠性,降低余度配置和軟件綜合的難度。
　　(2)研究了基于FPGA的TTP/C總線控制器設(shè)計技術(shù)。分析了TTP/C協(xié)議的時間觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、時間同步、成員關(guān)系一致等關(guān)鍵特性,在此基

5、礎(chǔ)上提出了一種基于FPGA的TTP/C總線控制器設(shè)計方案。重點(diǎn)研究了容錯同步時鐘、冗余總線收發(fā)器、成員關(guān)系一致性等協(xié)議關(guān)鍵特性的FPGA實(shí)現(xiàn)方法?；谧灾髟O(shè)計的TTP/C總線控制器構(gòu)建了包含8個節(jié)點(diǎn)的總線通信測試平臺,并開展了時間觸發(fā)通信和初步的節(jié)點(diǎn)容錯驗(yàn)證。通信測試結(jié)果表明TTP/C集群的時間觸發(fā)通信速度達(dá)5Mbps,同步時鐘誤差小于10μs,在單節(jié)點(diǎn)故障時仍能實(shí)時維持集群的成員關(guān)系一致和時間同步。本文自主設(shè)計的總線控制器實(shí)現(xiàn)了該總線

6、協(xié)議V1.1版本的主要功能,達(dá)到了奧地利TTTech公司TTP/C專用芯片AS8202NF的最低性能指標(biāo)。
　　(3)研究了四種典型 FADEC系統(tǒng)架構(gòu)的可靠性建模及求解問題。分析了失效概率、MTTF、可用度及故障檢測覆蓋率等FADEC系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。以雙轉(zhuǎn)子推力矢量渦扇發(fā)動機(jī)的FADEC系統(tǒng)為對象,給出了簡化的FMEA分析結(jié)果。針對采用傳統(tǒng)方法建立復(fù)雜系統(tǒng)可靠性模型時存在的狀態(tài)空間爆炸和模型求解難度大的問題,作者提出一種綜合了

7、RBD、馬爾科夫鏈和 FTA方法的分級組合可靠性建模方法。采用該分級組合建模方法建立了四種典型FADEC系統(tǒng)架構(gòu)的安全和危險失效可靠性模型,并對模型進(jìn)行了量化對比分析。量化分析結(jié)果表明采用開放式架構(gòu)的 FADEC系統(tǒng)具有最優(yōu)的可靠性指標(biāo),共模因子對四種FADEC系統(tǒng)架構(gòu)的早期危險失效率均有重大影響。
　　(4)研究了故障檢測覆蓋率等參數(shù)與開放式FADEC系統(tǒng)可靠性指標(biāo)之間的關(guān)系。針對開放式架構(gòu)下的瞬態(tài)和未檢測到的故障模式,對推力矢

8、量渦扇發(fā)動機(jī)的FADEC系統(tǒng)重新進(jìn)行了FMEA分析。在此基礎(chǔ)上采用前述的分級組合可靠性建模方法建立了開放式FADEC系統(tǒng)危險和安全失效的可靠性模型,并首次在模型中引入了維修率、共模因子、解析余度及故障檢測覆蓋率等量化參數(shù)。重點(diǎn)研究了故障檢測覆蓋率、解析余度和維修率等參數(shù)與系統(tǒng)失效概率及可用度等指標(biāo)之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明為了滿足1.5×10-5/h的PFD指標(biāo),開放式FADEC系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)級診斷覆蓋率不能低于99％,系統(tǒng)級診斷對于節(jié)點(diǎn)級未