開放式FADEC系統(tǒng)架構及可靠性建模技術研究.pdf

1、航空發(fā)動機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、驗證難度。更多的控制模式和功能也進一步增加了FADEC系統(tǒng)的可靠性設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,也必須適應其發(fā)展趨勢。但傳統(tǒng)集中式FADEC系統(tǒng)架構固有的高度定制性和封閉性,無法適應這種開放式、分布式的

2、發(fā)展趨勢。而基于數據總線的開放式FADEC系統(tǒng)架構不僅能提高系統(tǒng)計算性能和可靠性,還能降低開發(fā)成本和周期,已經成為美國等航空技術強國的未來發(fā)展方向。由于數據總線是確定系統(tǒng)架構的決定因素之一,而系統(tǒng)架構又是決定系統(tǒng)可靠性的決定因素之一,本文主要圍繞系統(tǒng)架構、數據總線和可靠性建模這三個高度關聯(lián)的技術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)架構及其技術路線。給出了FADE

3、C系統(tǒng)的軟硬件任務分層模型,及1.5×10;3/h的PFS指標和1.5×10;5/h的PFD指標。從系統(tǒng)的性能、可靠性需求及任務特點出發(fā),對比研究了 TTP/C、ARINC659、TTCAN和 FlexRay這四種典型TTA架構數據總線的關鍵特性,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可靠性。研究結果表明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)底層任務適合采用并行架構的FPGA實現(xiàn),而頂層高

4、級任務適合采用串行處理器實現(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,并給出了新型架構的時間集群規(guī)劃和硬件余度配置方法。與傳統(tǒng)的集中式架構相比,本文提出的開放式架構能夠提高系統(tǒng)計算性能和任務可靠性,降低余度配置和軟件綜合的難度。
　　(2)研究了基于FPGA的TTP/C總線控制器設計技術。分析了TTP/C協(xié)議的時間觸發(fā)數據傳輸、時間同步、成員關系一致等關鍵特性,在此基

5、礎上提出了一種基于FPGA的TTP/C總線控制器設計方案。重點研究了容錯同步時鐘、冗余總線收發(fā)器、成員關系一致性等協(xié)議關鍵特性的FPGA實現(xiàn)方法?；谧灾髟O計的TTP/C總線控制器構建了包含8個節(jié)點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)點容錯驗證。通信測試結果表明TTP/C集群的時間觸發(fā)通信速度達5Mbps,同步時鐘誤差小于10μs,在單節(jié)點故障時仍能實時維持集群的成員關系一致和時間同步。本文自主設計的總線控制器實現(xiàn)了該總線

6、協(xié)議V1.1版本的主要功能,達到了奧地利TTTech公司TTP/C專用芯片AS8202NF的最低性能指標。
　　(3)研究了四種典型 FADEC系統(tǒng)架構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。以雙轉子推力矢量渦扇發(fā)動機的FADEC系統(tǒng)為對象,給出了簡化的FMEA分析結果。針對采用傳統(tǒng)方法建立復雜系統(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)架構的安全和危險失效可靠性模型,并對模型進行了量化對比分析。量化分析結果表明采用開放式架構的 FADEC系統(tǒng)具有最優(yōu)的可靠性指標,共模因子對四種FADEC系統(tǒng)架構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與開放式FADEC系統(tǒng)可靠性指標之間的關系。針對開放式架構下的瞬態(tài)和未檢測到的故障模式,對推力矢

8、量渦扇發(fā)動機的FADEC系統(tǒng)重新進行了FMEA分析。在此基礎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。重點研究了故障檢測覆蓋率、解析余度和維修率等參數與系統(tǒng)失效概率及可用度等指標之間的關系。研究結果表明為了滿足1.5×10-5/h的PFD指標,開放式FADEC系統(tǒng)的節(jié)點級診斷覆蓋率不能低于99％,系統(tǒng)級診斷對于節(jié)點級未