某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)分布式容錯(cuò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

劉 旭 ，張?zhí)旌?，陳 飛

（1.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京210016；2.中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無(wú)錫214063）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的任何部件的故障或失效都可能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全造成危害，影響其安全可靠運(yùn)行。因此，必須要提高控制系統(tǒng)的可靠性，降低控制系統(tǒng)部件故障或失效對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的危害。提高發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的1個(gè)重要途徑就是采取容錯(cuò)控制技術(shù)。容錯(cuò)控制技術(shù)通過(guò)余度和重構(gòu)等方法，可以容忍單個(gè)部件或組合的故障或失效，維持發(fā)動(dòng)機(jī)的有效運(yùn)行，避免對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)安全產(chǎn)生危害性后果[1]。因此，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和可靠性，有必要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行容錯(cuò)設(shè)計(jì)。

目前國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)字電子控制（FADEC）系統(tǒng)廣泛采用基于硬件余度的容錯(cuò)控制思想，應(yīng)用雙通道冗余架構(gòu)使控制系統(tǒng)能容忍單個(gè)通道的硬件故障[2]，但一般只能實(shí)現(xiàn)熱備份和整體切換的重構(gòu)方法，余度配置的靈活性不足。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)智能容錯(cuò)技術(shù)開(kāi)展了一系列研究，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、模糊理論和自適應(yīng)理論等智能容錯(cuò)方法[3-5]，基于機(jī)載實(shí)時(shí)模型以及平衡流形的故障信號(hào)重構(gòu)技術(shù)也取得了初步成果[6-7]，但考慮到航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性與算法的適應(yīng)性等問(wèn)題，這些方法大多停留于理論研究層面，距離工程應(yīng)用還存在一些差距。

本文提出1種分布式架構(gòu)下結(jié)合硬件冗余和控制律重構(gòu)的容錯(cuò)控制方案。針對(duì)某型雙軸混排式渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，基于TTP/C總線設(shè)計(jì)包含7個(gè)智能節(jié)點(diǎn)的分布式容錯(cuò)控制系統(tǒng)，采用模型參考變結(jié)構(gòu)控制算法設(shè)計(jì)了容錯(cuò)控制器。搭建硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)環(huán)境，通過(guò)智能節(jié)點(diǎn)故障的容錯(cuò)控制試驗(yàn)，對(duì)本文設(shè)計(jì)的分布式容錯(cuò)控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 分布式容錯(cuò)控制系統(tǒng)總體方案

分布式控制系統(tǒng)在靈活性、可靠性和維護(hù)性等方面遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的重要發(fā)展方向[8]。在分布式控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集程序和執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制程序分散在各智能傳感器節(jié)點(diǎn)和智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)中，控制、容錯(cuò)和健康管理等程序集中在中央控制器節(jié)點(diǎn)上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都含有獨(dú)立的處理器，通過(guò)數(shù)據(jù)總線相互連接以交換數(shù)據(jù)信息[9]。分布式架構(gòu)下各智能節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過(guò)總線全局共享，且都可以進(jìn)行模塊化的冗余設(shè)計(jì)，適合容錯(cuò)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。本文在分布式架構(gòu)下基于TTP/C總線設(shè)計(jì)了容錯(cuò)控制系統(tǒng)。

1.1 TTP/C總線

TTP/C總線是1種基于時(shí)間觸發(fā)協(xié)議（Timer Trigger Protocol，TTP）的數(shù)據(jù)總線，具有嚴(yán)格時(shí)間確定性、安全關(guān)鍵性和完全分布式的特點(diǎn)[10-11]，比TTCAN和Flex Ray總線具有更完備的容錯(cuò)機(jī)制，比ARINC659總線具有體積小、可用性高和價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)。在TTP/C總線協(xié)議下，分布式集群根據(jù)成員協(xié)議（GMP）在1個(gè)任務(wù)周期內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)故障節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)和隔離[12]。瞬時(shí)故障的節(jié)點(diǎn)在下幾個(gè)任務(wù)周期內(nèi)再整合進(jìn)入集群，若連續(xù)4個(gè)任務(wù)周期不能通過(guò)再整合進(jìn)入集群，該節(jié)點(diǎn)進(jìn)入故障模式將被集群凍結(jié)。若故障節(jié)點(diǎn)存在備份節(jié)點(diǎn)，則快速啟用備份節(jié)點(diǎn)代替原故障節(jié)點(diǎn)。TTP/C總線的這種總線容錯(cuò)機(jī)制為本文的分布式容錯(cuò)控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

1.2 容錯(cuò)控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

參考工程中的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的控制方法，將高壓轉(zhuǎn)速nH、低壓轉(zhuǎn)速nL和渦輪落壓比πt作為可供選擇的被控變量，主燃油量wfb和尾噴管喉道截面面積A8作為可供選擇的控制變量。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)被控變量和控制變量的選擇，本文設(shè)計(jì)的某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)分布式容錯(cuò)控制系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。包含7個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1為低壓轉(zhuǎn)速節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集低壓軸轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；節(jié)點(diǎn)2為高壓轉(zhuǎn)速節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集高壓軸轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；節(jié)點(diǎn)3為壓力采集節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集高壓渦輪進(jìn)口總壓和低壓渦輪出口總壓，從而計(jì)算出渦輪落壓比；節(jié)點(diǎn)4為核心控制節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)控制任務(wù)和容錯(cuò)策略的執(zhí)行；節(jié)點(diǎn)5為油針位置控制節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)主燃油量的小閉環(huán)控制；節(jié)點(diǎn)6為尾噴管面積控制節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)尾噴管喉道截面面積的小閉環(huán)控制；節(jié)點(diǎn)7為節(jié)點(diǎn)4的備份節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)4故障時(shí)啟用備份節(jié)點(diǎn)7，保證系統(tǒng)的正常工作。TTP/C總線采用雙通道冗余總線結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性。在分布式架構(gòu)下，可以靈活地增加硬件備份節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性。

圖1 某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)分布式容錯(cuò)控制系統(tǒng)架構(gòu)

分布式容錯(cuò)控制系統(tǒng)中智能節(jié)點(diǎn)按照時(shí)間軸（如圖2所示）發(fā)送控制數(shù)據(jù)和自身的成員關(guān)系列表，控制系統(tǒng)的控制步長(zhǎng)為20 ms。其中，控制節(jié)點(diǎn)4需要進(jìn)行控制律計(jì)算和容錯(cuò)策略執(zhí)行，因此預(yù)留了較長(zhǎng)的時(shí)間片；備份節(jié)點(diǎn)7采用熱備份方式，在集群中正常接收數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，但未分配時(shí)間片不能發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)控制節(jié)點(diǎn)4發(fā)生故障時(shí)，直接占據(jù)節(jié)點(diǎn)4的時(shí)間片，快速替換故障節(jié)點(diǎn)。由于本文節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少，因此未對(duì)時(shí)間軸進(jìn)行嚴(yán)格劃分，若節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加，可以適當(dāng)縮小各節(jié)點(diǎn)的時(shí)間片。

圖2 TTP/C總線任務(wù)調(diào)度時(shí)間軸

1.3 容錯(cuò)控制方案

在上節(jié)分布式容錯(cuò)控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出1種結(jié)合控制律重構(gòu)和硬件冗余的容錯(cuò)控制方案。當(dāng)傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，控制器根據(jù)節(jié)點(diǎn)故障情況，利用控制律重構(gòu)在線改變控制結(jié)構(gòu)，切換至無(wú)故障節(jié)點(diǎn)的控制回路中；當(dāng)核心控制節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，無(wú)法采用控制律重構(gòu)進(jìn)行容錯(cuò)控制，此時(shí)利用硬件冗余快速啟用備份節(jié)點(diǎn)代替故障節(jié)點(diǎn)。

智能節(jié)點(diǎn)故障的容錯(cuò)控制策略見(jiàn)表1。在分布式容錯(cuò)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，采用wfb和A8控制nH和πt的多變量控制方案。當(dāng)1號(hào)低壓轉(zhuǎn)速節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，nL的數(shù)據(jù)不再更新，但不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常控制；當(dāng)2號(hào)高壓轉(zhuǎn)速節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，nH的數(shù)據(jù)不再更新，控制律切換為wfb和A8控制nL和πt的多變量控制律；當(dāng)3號(hào)壓力信號(hào)節(jié)點(diǎn)和6號(hào)尾噴管控制節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，控制系統(tǒng)切換為wfb控制nH的單變量控制；當(dāng)4號(hào)核心控制節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，利用容錯(cuò)控制系統(tǒng)的硬件冗余，啟用備份節(jié)點(diǎn)代替故障節(jié)點(diǎn)；當(dāng)5號(hào)油針控制節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，wfb的數(shù)據(jù)不再更新，由于A8對(duì)nL的影響比較明顯，理論上可以采用A8控制nL的單變量控制律，但在實(shí)際工程中，A8對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的調(diào)節(jié)范圍較窄，故針對(duì)5號(hào)節(jié)點(diǎn)故障采用硬件冗余設(shè)置備份節(jié)點(diǎn)，可以達(dá)到更好的容錯(cuò)效果。

表1 智能節(jié)點(diǎn)故障容錯(cuò)控制策略

容錯(cuò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)包括傳感器信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制節(jié)點(diǎn)、核心控制節(jié)點(diǎn)和備份節(jié)點(diǎn)。TTP/C總線控制器在每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)中實(shí)時(shí)運(yùn)行，用于判斷當(dāng)前集群的工作狀態(tài)?？刂坡汕袚Q單元與4個(gè)變結(jié)構(gòu)控制器組成了容錯(cuò)控制器，4個(gè)變結(jié)構(gòu)控制器根據(jù)容錯(cuò)控制策略設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)不同故障情況下的控制回路；控制律切換單元根據(jù)總線控制器輸出的成員關(guān)系列表進(jìn)行邏輯判斷，從而選擇相應(yīng)的變結(jié)構(gòu)控制器。當(dāng)控制系統(tǒng)中傳感器信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，該故障節(jié)點(diǎn)在20 ms的任務(wù)周期內(nèi)被集群快速診斷并隔離，若在規(guī)定時(shí)間80 ms內(nèi)無(wú)法再整合進(jìn)入集群，核心控制節(jié)點(diǎn)的控制律切換單元根據(jù)TTP/C總線控制器輸出的各節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)選擇相應(yīng)的變結(jié)構(gòu)控制器，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制；若核心控制節(jié)點(diǎn)故障，則在無(wú)法再整合后立即啟用其備份節(jié)點(diǎn)。

圖3 容錯(cuò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 模型參考變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)

模型參考變結(jié)構(gòu)控制算法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、物理實(shí)現(xiàn)方便、對(duì)攝動(dòng)和外部干擾不敏感等優(yōu)點(diǎn)，還可以借助參考模型設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)多變量控制回路的解耦，適用于容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)[13]。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模型參考變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)處的線性化模型為

式中:xp、yp、up分別為狀態(tài)、輸出及輸入矢量，其數(shù)值為穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)相應(yīng)變量的相對(duì)增量；A、B、C、D為適維矩陣。

為了滿足變結(jié)構(gòu)控制的設(shè)計(jì)要求，將線性模型的輸入量增廣到狀態(tài)量中，得到設(shè)計(jì)對(duì)象模型

參考模型為系統(tǒng)（2）的同階系統(tǒng)

式中:xm為參考模型的狀態(tài)變量；r為參考模型的外部輸入量。

采用狀態(tài)反饋解耦法設(shè)計(jì)參考模型[14]，利用極點(diǎn)配置得到參考模型動(dòng)態(tài)系數(shù)矩陣

式中:K1和K2為參考模型需配置的矩陣。

被控對(duì)象與參考模型之間的誤差系統(tǒng)模型為

式中:e=xm-xa，為誤差系統(tǒng)的狀態(tài)變量。

針對(duì)誤差系統(tǒng)設(shè)計(jì)變結(jié)構(gòu)控制的切換函數(shù)為

式中:G=[K I]，為滑動(dòng)模態(tài)矩陣；K通過(guò)極點(diǎn)配置求解。

取s=0，根據(jù)式（5）和（6）可得

若矩陣GB非奇異，可以得到滑動(dòng)模態(tài)的等效控制

其 中 :ψ1= （GBa）-1G （Am-Aa）；ψ2=（GBa）-1GAm；ψ3=（GBa）-1GBm。

為了保證變結(jié)構(gòu)控制到達(dá)條件成立，采用等速趨近律設(shè)計(jì)切換控制律

式中:ε為對(duì)角正定矩陣，其對(duì)角元素為εi，調(diào)節(jié)εi可以調(diào)節(jié)趨近速度。

針對(duì)線性模型設(shè)計(jì)的控制器在遠(yuǎn)離線性化點(diǎn)處控制效果不佳，被控對(duì)象會(huì)與參考模型之間存在靜差，因此在控制器中增加了帶積分分離的積分補(bǔ)償項(xiàng)

式中:ey=ym-ya；k為積分常數(shù)。

最終得到增廣后的系統(tǒng)控制量ua=ueq+usw+uc，對(duì)ua積分得到實(shí)際系統(tǒng)控制量up。

對(duì)于某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，以wfb和A8控制nH和πt的多變量方案為例，狀態(tài)量xp=[nLnH]T，控制量up=[wfbA8]T，被控量yp=[nHπt]T。通過(guò)最小二乘法擬合得到其線性系統(tǒng)模型為

解得控制器參數(shù)

取 ε=diag[0.2 0.1]，k=10，得到該多變量控制方案下的變結(jié)構(gòu)控制器。

根據(jù)控制律重構(gòu)方案改變控制量up和被控制量yp中的參數(shù)，通過(guò)最小二乘擬合得到對(duì)應(yīng)的線性化模型，按照上述控制器的設(shè)計(jì)方法求解得到另外3個(gè)變結(jié)構(gòu)控制器，求解過(guò)程不再贅述。

由于最終控制量up通過(guò)積分得到，離散化后積分量通過(guò)累加得到，所以變結(jié)構(gòu)控制器實(shí)際是1種增量式控制器。為了保證控制器切換過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)過(guò)渡，控制器切換后的輸出量保持為前一時(shí)刻輸出量，然后再進(jìn)行積分累加。

3 硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)

與數(shù)字仿真試驗(yàn)相比，硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)使用了真實(shí)的控制器硬件，盡可能逼真地模擬傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)，因此更接近實(shí)際系統(tǒng)[15]。為驗(yàn)證上述容錯(cuò)控制系統(tǒng)的有效性，本文建立了分布式容錯(cuò)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)環(huán)境，并開(kāi)展仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)構(gòu)建

圖5 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)總體方案如圖5所示，包括分布式控制系統(tǒng)和接口模擬系統(tǒng)2部分。接口模擬系統(tǒng)由接口模擬電路和NI公司的myRIO嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)2部分組成。接口模擬電路模擬真實(shí)的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接收分布式控制系統(tǒng)輸出的電流控制信號(hào)并調(diào)理為電壓信號(hào)傳送給myRIO，同時(shí)在myRIO控制下輸出相應(yīng)的傳感器模擬信號(hào)，包括轉(zhuǎn)速信號(hào)、壓力信號(hào)和線性可變差動(dòng)變壓器（LVDT）信號(hào)；myRIO作為接口模擬系統(tǒng)的核心，實(shí)時(shí)運(yùn)行渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)模型，采集經(jīng)過(guò)接口模擬電路調(diào)理后的主燃油量和尾噴管喉道面積模擬電壓信號(hào)輸入給發(fā)動(dòng)機(jī)模型，經(jīng)過(guò)模型計(jì)算輸出對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)高低壓轉(zhuǎn)速和相應(yīng)截面出口壓力的控制信號(hào)，并控制接口模擬電路輸出相應(yīng)的傳感器模擬信號(hào)。分布式容錯(cuò)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)信號(hào)的采集與容錯(cuò)控制，將計(jì)算出來(lái)的控制量以驅(qū)動(dòng)電流的形式傳輸給接口模擬系統(tǒng)，同時(shí)利用上位機(jī)監(jiān)控軟件顯示當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)并發(fā)送控制指令。硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物如圖6所示。

圖6 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)實(shí)物

3.2 容錯(cuò)控制試驗(yàn)

3.2.1 傳感器信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)故障容錯(cuò)試驗(yàn)

傳感器信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)包括節(jié)點(diǎn)1、2、3，現(xiàn)以3號(hào)壓力采集節(jié)點(diǎn)故障為例進(jìn)行說(shuō)明。節(jié)點(diǎn)3在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)控制過(guò)程中出現(xiàn)故障的仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 壓力采集節(jié)點(diǎn)故障容錯(cuò)試驗(yàn)響應(yīng)曲線

從圖中可見(jiàn)，在第2.4 s時(shí)節(jié)點(diǎn)3發(fā)生故障且無(wú)法再整合進(jìn)入集群，此后渦輪落壓比的數(shù)據(jù)不再更新保持不變。容錯(cuò)控制系統(tǒng)將控制方案從wfb和A8控制nH和πt的多變量方案切換為wfb控制nH的單變量控制方案，在整個(gè)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)量和輸出量幾乎不變。在第9 s時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到95%，重構(gòu)后的系統(tǒng)在3 s內(nèi)完成狀態(tài)調(diào)節(jié)，此時(shí)不再調(diào)節(jié)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)，因此當(dāng)節(jié)點(diǎn)3發(fā)生故障時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制量的增量為0，各狀態(tài)量無(wú)波動(dòng)。發(fā)生故障后，容錯(cuò)控制系統(tǒng)仍能使發(fā)動(dòng)機(jī)有效、穩(wěn)定地控制，也驗(yàn)證了模型參考變結(jié)構(gòu)控制器的控制效果。

3.2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制節(jié)點(diǎn)故障容錯(cuò)試驗(yàn)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制節(jié)點(diǎn)包括節(jié)點(diǎn)5、6，現(xiàn)以6號(hào)尾噴管控制節(jié)點(diǎn)故障為例進(jìn)行說(shuō)明。節(jié)點(diǎn)6在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中發(fā)生故障的仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。從圖中可見(jiàn)，在第31 s左右調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，期望在保持落壓比不變的情況下，將高壓轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至95%。在第32.5 s左右節(jié)點(diǎn)6發(fā)生故障且無(wú)法再整合進(jìn)入集群，此后A8數(shù)據(jù)不再更新，并保持不變，容錯(cuò)控制系統(tǒng)將控制方案從wfb和A8控制nH和πt的多變量方案切換為wfb控制nH的單變量控制方案。在第35 s左右發(fā)動(dòng)機(jī)完成狀態(tài)調(diào)節(jié)，但由于發(fā)生故障后為單變量控制，渦輪落壓比略微減小。在整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程中未出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)量的較大波動(dòng)，僅高壓轉(zhuǎn)速的上升趨勢(shì)發(fā)生了變化，容錯(cuò)控制效果較好。從局部放大圖中可見(jiàn)，發(fā)生故障后A8不再調(diào)節(jié)，在原控制律作用下，供油量的變化趨勢(shì)增大，在第32.6 s時(shí)完成切換，此時(shí)由于單變量控制律的增益矩陣選取較大，供油量的上升趨勢(shì)進(jìn)一步變大，影響高壓轉(zhuǎn)速上升趨勢(shì)變化，整個(gè)重構(gòu)過(guò)程大約耗時(shí)80 ms左右，80 ms主要用于等待故障節(jié)點(diǎn)再整合進(jìn)入集群，避免瞬時(shí)故障引起誤操作。由于總線控制器能夠在20 ms內(nèi)檢測(cè)和隔離故障節(jié)點(diǎn)，整個(gè)容錯(cuò)過(guò)程在100 ms以內(nèi)。

圖8 尾噴管控制節(jié)點(diǎn)故障容錯(cuò)試驗(yàn)響應(yīng)曲線

3.2.3 控制節(jié)點(diǎn)故障容錯(cuò)試驗(yàn)

4號(hào)控制節(jié)點(diǎn)在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中出現(xiàn)故障的仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。從圖中可見(jiàn)，在第16 s調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，期望在保持落壓比不變的情況下，將高壓轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至93%。在第17 s時(shí)節(jié)點(diǎn)4發(fā)生故障，容錯(cuò)控制系統(tǒng)在確認(rèn)節(jié)點(diǎn)4無(wú)法再整合進(jìn)入集群后，立即啟用備份節(jié)點(diǎn)7，狀態(tài)量和控制量?jī)H在故障發(fā)生時(shí)有微小波動(dòng)，備份節(jié)點(diǎn)可以成功控制發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)目標(biāo)狀態(tài)，體現(xiàn)了硬件冗余的優(yōu)越性。從局部放大圖中可見(jiàn)，節(jié)點(diǎn)4發(fā)生故障后目標(biāo)油針位置和目標(biāo)A8作動(dòng)筒位置保持不變，執(zhí)行機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)控制實(shí)際油針位置和實(shí)際A8作動(dòng)筒位置也保持不變，但備份節(jié)點(diǎn)仍在實(shí)時(shí)計(jì)算這2個(gè)目標(biāo)量，因此備份節(jié)點(diǎn)替換完成后目標(biāo)值發(fā)生小幅跳變。從故障發(fā)生到備份節(jié)點(diǎn)正常工作約耗時(shí)100 ms，除了等待故障節(jié)點(diǎn)再整合耗時(shí)80 ms外，切換至熱備份節(jié)點(diǎn)需要1個(gè)控制周期20 ms，整個(gè)容錯(cuò)過(guò)程在120 ms以內(nèi)。

圖9 控制節(jié)點(diǎn)故障容錯(cuò)試驗(yàn)響應(yīng)曲線

4 結(jié)論

本文提出1種結(jié)合控制律重構(gòu)和硬件冗余的容錯(cuò)控制方案，設(shè)計(jì)了分布式架構(gòu)下的容錯(cuò)控制系統(tǒng)，并針對(duì)智能節(jié)點(diǎn)故障問(wèn)題進(jìn)行容錯(cuò)控制系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)。

（1）在傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，容錯(cuò)控制系統(tǒng)可以快速切換控制回路進(jìn)行容錯(cuò)控制，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)過(guò)渡和可靠運(yùn)行。

（2）在核心控制節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，容錯(cuò)控制系統(tǒng)可以快速啟用熱備份節(jié)點(diǎn)代替故障節(jié)點(diǎn)。

（3）若在工程應(yīng)用中根據(jù)實(shí)際需求對(duì)硬件冗余進(jìn)行靈活配置并增加智能節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，可以進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的可靠性。

（4）若將控制律切換的參考依據(jù)以發(fā)動(dòng)機(jī)推力代替發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)量，還將進(jìn)一步提高該容錯(cuò)控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用價(jià)值。