王曉露,吳昊,王丹陽,魏伊,魏思維

(北京精密機電控制設(shè)備研究所,北京 100076)

0 引言

飛機貨艙門作動系統(tǒng)(cargo door actuation system,CDAS)提供開關(guān)貨艙門的驅(qū)動力和控制功能.國產(chǎn)C919大飛機的貨艙門采用外推上翻式布置[1],對應(yīng)的CDAS由三個航線可更換單元(line replaceable unit,LRU)組成,分別為線性作動器(linear actuator,LA)、控制面板(control panel,CP)、傳動軟軸(flexible shaft,FS)[2-4].具有電動控制和手動控制兩種模式,地勤人員通過操作CP控制LA,根據(jù)CP指示來判斷設(shè)備狀態(tài)信息,確認(rèn)后續(xù)操作方式.

飛機要求較高的安全性,CDAS要處理各種突發(fā)狀況,需要完備的處理邏輯.貨艙門作動系統(tǒng)工作狀態(tài)分析很少出現(xiàn)在各項研究中.文[2-3]采用軟件流程圖的方式確定CDAS運動過程,但缺乏系統(tǒng)性的狀態(tài)及切換邏輯、故障管理分析.有限狀態(tài)機(finite-state-machine,FSM)理論可以有效地處理此類問題.例如基于FSM,文[5]解決了某車輛不同工況下的防滑控制問題；文[6]驗證了飛機供電保護邏輯設(shè)計合理性；文[7-8]分析了A320的故障模型和飛機控制邏輯；文[9]完成民機自動飛行模式及轉(zhuǎn)換設(shè)計；文[10]優(yōu)化了飛機配電系統(tǒng)的供電模式轉(zhuǎn)換過程.

綜上,為確定CDAS工作狀態(tài)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移邏輯,及早查找和修改模型調(diào)度邏輯復(fù)雜導(dǎo)致的設(shè)計錯誤,采用FSM理論進(jìn)行系統(tǒng)性的梳理,給出狀態(tài)劃分、故障管理、運動規(guī)劃等解決方案,并基于Matlab一體化建模進(jìn)行仿真驗證.

1 系統(tǒng)架構(gòu)

CDAS系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示.LA安裝于飛機貨艙門和機身結(jié)構(gòu)之間,用于驅(qū)動貨艙門的開啟和關(guān)閉,由機電作動器(EMA)和控制驅(qū)動器(ACE)組成.其中運動控制和狀態(tài)邏輯駐留在ACE內(nèi)；CP安裝在飛機蒙皮結(jié)構(gòu)上,用于地勤操作.FS連接在LA和CP之間,用于手動模式下傳遞力矩和速度,從而驅(qū)動貨艙門開關(guān).

為進(jìn)行系統(tǒng)電動模式操作仿真,構(gòu)建了CDAS試驗臺,如圖2所示,由負(fù)載臺、LA、CP組成.其中,負(fù)載臺由固定框架和艙門模擬負(fù)載兩部分組成,負(fù)載通過旋轉(zhuǎn)副1和固定框架連接；LA位于負(fù)載和框架之間,通過旋轉(zhuǎn)副2和旋轉(zhuǎn)副3連接；LA自身簡化為一個具有驅(qū)動能力的直線副4；CP固連在框架上,提供LA操作輸入和狀態(tài)顯示功能.

圖1 CDAS系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of CDAS

圖2 CDAS系統(tǒng)試驗系統(tǒng)模型Fig.2 Test platform model for CDAS

2 研究方法

2.1 有限狀態(tài)機

有限狀態(tài)機(FSM)是表示有限個狀態(tài)以及這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動作等行為的數(shù)學(xué)模型,描述對象生命周期內(nèi)所經(jīng)歷的狀態(tài)序列和對各種事件的響應(yīng).一個狀態(tài)是指在外部輸入條件不變的情況下,設(shè)備表現(xiàn)出的運行狀態(tài).作為CDAS的核心LRU,LA需要接收和處理外部信號,進(jìn)行指令響應(yīng),并將系統(tǒng)運行及故障狀態(tài)顯示至控制面板上,適合采用FSM理論模型進(jìn)行梳理.這里以LA為中心進(jìn)行輸入、輸出、狀態(tài)及其動作、轉(zhuǎn)移條件的梳理.

2.1.1 輸入輸出

綜合CDAS信號流,以LA為基準(zhǔn),可分為系統(tǒng)內(nèi)(LA與CP間,紫色虛線)和系統(tǒng)外(LA與飛機其他系統(tǒng)或單元間,橘色點劃線)兩大類,如圖3中所示,圖中箭頭標(biāo)識信號方向.

1)系統(tǒng)外電氣信號主要有飛機電源、艙門信號(關(guān)、閂、鎖)、輪載信號、壓差信號、照明信號,機械信號為LA的作動位移、速度、加速度等.

2)系統(tǒng)內(nèi)電氣信號主要有控制信號(開/關(guān)/停指令、電源按鈕)、面板照明燈、狀態(tài)顯示信號(故障指示、壓差指示、開/關(guān)指示).

圖3 CDAS系統(tǒng)內(nèi)外接口圖Fig.3 Internal and external interfacesof CDAS

2.1.2 狀態(tài)劃分及轉(zhuǎn)移條件

從功能上而言,CDAS系統(tǒng)電動模式和手動模式是冗余模式,電動模式失效時,手動模式作為冷備份可執(zhí)行開關(guān)門動作.電動模式中,以LA作動形式為基準(zhǔn)進(jìn)行狀態(tài)劃分,有正常開關(guān)門、慢速回零、停止三種狀態(tài).核心轉(zhuǎn)移條件如下所述：

1)根據(jù)作動使能邏輯,當(dāng)輪載信號無效、有壓差、門已上閂、門已上鎖中任一條件發(fā)生時,LA不可作動.

2)自檢(PBIT、CBIT)出故障時轉(zhuǎn)入故障處理程序,LA處于停止?fàn)顟B(tài).

3)根據(jù)關(guān)門信號、開關(guān)指令、上電位置狀態(tài)進(jìn)行非故障情況下的開關(guān)門動作相應(yīng).上電位置狀態(tài)初始化設(shè)置變量,上電時關(guān)門信號有效則設(shè)置為有效；上電位置狀態(tài)無效時需進(jìn)行慢速回零作動進(jìn)行校準(zhǔn),校準(zhǔn)后可以響應(yīng)正常的開關(guān)門指令.

綜合考慮上述內(nèi)容,制定出斷電、初始化、停止、回零作動、正常作動五種電動模式狀態(tài),狀態(tài)和轉(zhuǎn)移類型如圖4所示.狀態(tài)在有限狀態(tài)機圖中是一個‘點’,狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為‘線’.狀態(tài)執(zhí)行內(nèi)容和轉(zhuǎn)移條件的參照表1結(jié)果.

圖4 電動模式有限狀態(tài)機示意圖Fig.4 Finite state machine diagram of electric mode

表1 有限狀態(tài)機分析表Tab.1 Analysis results of finite state-machine

從上述狀態(tài)劃分和轉(zhuǎn)移分析中,關(guān)鍵的處理任務(wù)是故障管理和運動規(guī)劃.下述兩個小節(jié)主要解決這兩個核心事項.

2.2 故障管理

LA的狀態(tài)和處理的輸入輸出量較多,需進(jìn)行故障分類和優(yōu)先級定義,如表2所示.將系統(tǒng)外電氣輸入信號綜合顯示至CP,制定對應(yīng)的顯示和控制邏輯,定義為級別3；將LA可消除故障,經(jīng)重新上電或按規(guī)章操作處理的定義為級別2；將不能消除的故障定義為級別1,處理方式為改用手動模式,此類情況應(yīng)擇機更換LRU.

根據(jù)初始化得出的位置有效性和PBIT狀態(tài),確認(rèn)故障類型,設(shè)置指示燈,進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài).然后根據(jù)CBIT和輸入量判斷,更新故障類型和指示燈狀態(tài).

表2 故障和輸入指示Tab.2 Fault and input indication

2.3 運動規(guī)劃

由上述分析,存在非零位啟動的校正問題,需要進(jìn)行慢速歸零規(guī)劃；存在指令中斷問題,需要從任一中間位置的開關(guān)門運動規(guī)劃.

開門過程的負(fù)載特性如圖5所示,位移以開門方向為正方向,負(fù)載首先是作動力,行至S1時負(fù)載為0,然后負(fù)載力逐步增大,再運動距離S2后完成滿行程S的開門過程；關(guān)門時負(fù)載力反向,位移從大到小.

2.3.1 慢速回零(校準(zhǔn))規(guī)劃

按照功率上限和回零電流閾值規(guī)劃回零過程.LA作動速度較低,不存在將重力勢能全部轉(zhuǎn)化為作動能量的現(xiàn)象,所以關(guān)門時無論艙門在做功側(cè)還是負(fù)載側(cè),都需要LA主動控制,保證電機不超速和電流過載.開環(huán)電壓模式(定PWM)是一種兼顧快速性和滑移精度的簡易方式.電機特性及回零電壓計算原理如圖6所示.

Us計算公式如下式所示：

圖5 CDAS負(fù)載特性圖Fig.5 CDAS load characteristics

其中：ns為保證滑移精度的設(shè)定速度；Ms為關(guān)門時刻的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩,對應(yīng)的驅(qū)動電流為Is；紅色虛線為額定電壓UN的特性曲線；藍(lán)色點劃線為開環(huán)設(shè)定電壓Us的特性曲線；Ue為反電動勢；R為電機相間電阻；Km為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；Kn為反電動勢系數(shù).

2.3.2 開關(guān)門運動規(guī)劃

CDAS運動過程中存在任一位置起停的現(xiàn)象,因此需要設(shè)計位置-速度或時間-速度[11]式指令曲線.考慮到艙門負(fù)載以重力勢能為主,且變化過程近似正弦變化,因此可采用幅值vmax為電機額定速度、時間T內(nèi)跨域面積大于等于LA額定距離的時間-正弦速度曲線,如圖7紅色虛線所示；但開關(guān)門極限位置的位能不一致,因此對正弦曲線進(jìn)行伸縮變化,即關(guān)門側(cè)跨域由T/2縮短為時間T1、開門側(cè)跨域由T/2伸長為T2,從而將最大速度移位在零負(fù)載位置,如圖7綠線所示,對應(yīng)的時間-速度曲線如下式所示.

圖6 電機特性簡圖Fig.6 Diagram of motor characteristics

圖7 開/關(guān)門速度曲線規(guī)劃Fig.7 Velocity planning curve of that open/close the door

由于

可以得出,

式(2)和式(4)確定了速度規(guī)劃曲線,為簡易正弦曲線,可方便地轉(zhuǎn)化為位置-速度曲線.使用過程中,任意位置起停,以式(2)為基準(zhǔn)計算所處位置的理論時間點,然后以此時間開始對應(yīng)的速度跟隨運動.因速度環(huán)誤差造成的累計位置誤差由開/關(guān)門即將到位時的恒低速運動來補償,同時保證了滑移量精度.

3 建模與仿真

3.1 建模

采用基于Matlab的一體化建模解決方案,框圖如圖8所示.

1)LA劃分為ACE和EMA.ACE模型采用速度曲線規(guī)劃和PID速度閉環(huán)控制模型；EMA中電機采用理想模型,慣量為等效在電機側(cè)的機構(gòu)總慣量,負(fù)載力根據(jù)傳動比折算為電機側(cè)的等效負(fù)載力矩[12]；在Simulink中搭建模型并根據(jù)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行模型校準(zhǔn),形成了LA模型,實現(xiàn)作動功能仿真.

2)負(fù)載模型基于SimMechanics處理和構(gòu)建[13-15],形成基于位置-力的動力學(xué)模型,可自動計算施加于作動桿的負(fù)載力,并具有三維可視化效果.實現(xiàn)方式為：從Creo模型(或其他三維軟件)導(dǎo)出符合SM要求的文件(表征各桿件物理屬性的STEP系列文件和桿件裝配關(guān)系的XML文件)；然后使用smimport命令生成SM模型并根據(jù)實際情況做部分物理屬性修改,進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置,建立輸入輸出接口,封裝成子模塊與LA模型進(jìn)行交互.

3)狀態(tài)模型基于Stateflow構(gòu)建有限狀態(tài)機[16-17],并搭建操作面板的輸入輸出界面,結(jié)合Simulink的實時仿真配置,實現(xiàn)工作狀態(tài)仿真和虛擬操作功能,從而在早期進(jìn)行邏輯調(diào)度分析,盡早排查出不可控流程.

綜上所述,一體化的模型覆蓋了LA機電模型、控制律、負(fù)載動力學(xué)計算、狀態(tài)機仿真等內(nèi)容,具有仿真覆蓋度高、集成化強的優(yōu)點,并且可實現(xiàn)虛擬操作.

圖8 CDAS虛擬操作模型框架Fig.8 CDAS virtual operation model frame

3.2 仿真

為驗證文中方法的有效性,進(jìn)行了綜合仿真示例,涵蓋文中所有工作狀態(tài),并且模擬了部分故障.

仿真結(jié)果如圖9所示,藍(lán)色曲線為LA位移量,紅色點線為工作狀態(tài)的遷移過程,綠色點劃線為速度曲線,速度的非零部分為正常開關(guān)門的規(guī)劃,回零作動按照開環(huán)規(guī)劃執(zhí)行；仿真中的輸入異常和故障處理體現(xiàn)在關(guān)門中斷和回零作動響應(yīng)條件中,任一位置啟動體現(xiàn)在關(guān)門中斷后的繼續(xù)作動中.

詳細(xì)的操作仿真結(jié)果如下.

t0：仿真開始,進(jìn)入斷電狀態(tài),且模擬關(guān)門未到位；

t1：上電操作,進(jìn)入初始化狀態(tài)；

t2：初始化結(jié)束,無故障,進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)；

t3：關(guān)門指令,進(jìn)入回零作動狀態(tài)；

t4：回零關(guān)門到位,完成校準(zhǔn),進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)；

t5：開門指令,進(jìn)入正常開門作動狀態(tài)；

t6：開門到位,進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)；

t7：關(guān)門指令,進(jìn)入正常關(guān)門作動狀態(tài)；

t8：輪載信號異常,進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)；

t9：異常排除,繼續(xù)正常關(guān)門作動狀態(tài)；

t10：關(guān)門到位,進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)；

t11：下電操作,進(jìn)入斷電狀態(tài).

上述工作狀態(tài)切換仿真結(jié)果驗證了2.1的方法.

仿真中t3～t4期間,LA從初始未知位置S0緩慢運動至關(guān)門位置,關(guān)門有效信號發(fā)送給LA從而實現(xiàn)了回零校準(zhǔn)功能.

仿真中t5～t6期間,LA執(zhí)行了無中斷的開門作動過程,速度曲線符合2.3的規(guī)劃方法.

仿真中t7～t10期間,LA執(zhí)行了有中斷的關(guān)門作動過程,中斷結(jié)束后根據(jù)中斷位置計算速度規(guī)劃的起始點,從而繼續(xù)按照規(guī)劃的速度曲線關(guān)門.

仿真中,初始化時檢測到‘12上電位置無效’的低級別故障,FD給出相應(yīng)提示,在t2進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài),按照故障管理機制,只能響應(yīng)關(guān)門指令進(jìn)入回零校準(zhǔn)狀態(tài)；正常關(guān)門過程,即t8時發(fā)生‘輪載信號’輸入異常,作動停止,RP給出了相應(yīng)提示,待異常消除后,方可繼續(xù)執(zhí)行關(guān)門過程.驗證了2.2方法的合理性.

綜上所述,貨艙門作動系統(tǒng)的狀態(tài)切換和故障處理過程合理,操作響應(yīng)正確,回零/開關(guān)門速度曲線有效,驗證了本文的理論方法.

圖9 CDAS綜合操作仿真Fig.9 CDAS comprehensive operation simulation

4 結(jié)語

本研究對基于有限狀態(tài)機的貨艙門作動系統(tǒng)進(jìn)行操作仿真,制定了工作狀態(tài)及轉(zhuǎn)移條件,給出故障管理方法,規(guī)劃了開/關(guān)門、回零校準(zhǔn)、任一位置啟動過程.最后在Matlab中進(jìn)行建模仿真,驗證了文中方法的合理性.根據(jù)模型和仿真結(jié)果,得出以下結(jié)論.

1)有限狀態(tài)機是貨艙門作動系統(tǒng)高層級工作狀態(tài)分析的有效工具,可系統(tǒng)梳理控制器邏輯需求,為底層程序?qū)崿F(xiàn)提供有力支持；

2)飛機貨艙門作動系統(tǒng)要求較高的安全性,一體化建模仿真可有效排除調(diào)度漏洞,為合理制定故障管理內(nèi)容提供依據(jù)；

3)飛機艙門操作具有不確定性,本文的運動規(guī)劃和啟停應(yīng)對措施可作為相關(guān)領(lǐng)域的參考.