几路传感器 飞控系统设计，玩儿的是故障！
飞控系统设计，玩儿的是故障！
几年前，跟国内航空单位的一位副总师交流时，他说：“跟其他飞机系统不一样，咱飞控系统设计，玩儿的是故障！”。
被这么一点拨，我突然觉得如梦初醒，印证了内心一直以来的想法。后来，我也常常把这句话奉为经典。
1、飞控与其他系统的差异
在一些机载系统的设计过程中，设计师80%的时间精力在关注“如何实现功能和性能指标？”，至于功能丧失后如何降级和重构？功能错误后如何检测和隔离？不是其考虑的重点。
而飞控系统不一样，作为液压、电源、大气惯导等系统的终端用户，飞控设计师80%的时间精力在关注“飞控发生单个失效或组合失效后怎么办？”，“给飞控提供能源或信号的接口系统失效后怎么办？”。
这些失效发生后，飞控系统还能不能满足“失效/工作”、“失效/安全”的设计要求？各层面的信号表决、故障监控该如何设置？这是飞控设计师考虑的重点。
我想，系统设计思维存在差异的根本原因，在于飞控系统是直接关乎生死的关键系统。保证时刻具备飞行控制能力，是飞机安全的底线、红线、生命线。
安 全 关 键
因此，安全性要求的差异，主导了不同系统的设计思路。对系统的安全性要求越高，就越要花大力气去考虑各类故障场景，迭代系统方案，确保万无一失。
2、高安全性特征
我经常说：“飞控系统是安全性要求最高的系统”。可能有人不服气：“我们也是A级，FHA中也有灾难级失效状态，软硬件研制也要遵循DO-254/DO-178。凭啥就你安全性高？”
一、根据型号实践，飞控系统绝大部分功能的FDAL都是A，FHA中灾难级失效状态数量大约占全机的1/3，在众多机载系统中“拔得头筹”。其高安全性特征可见一斑。
二、根据国际民航组织ICAO和商业航空安全小组对飞行事故的统计和分析，以及波音公司对商用喷气式飞机2012-2021年之间的事故统计：其中“丧失控制”相关事故危害极大，造成的死亡人数接近所有飞行事故死亡人数的一半。其关键程度不言而喻。
三、针对飞控这类复杂关键系统，国外有学者曾提出过“超A”或“A+”的概念。除了应用最严格的研制保证过程（A级），还要求多做一些工作，例如更多地采用非相似设计等架构减缓措施。
3、应考虑的故障场景
相较于一些机载系统“以功能和性能驱动”的设计思路，飞控系统是典型的“以安全性和故障驱动”。
其突出特点是：在设计过程中，需要针对各类故障场景，充分评估故障影响并迭代系统架构。
飞控系统需要考虑的故障场景，包括（但不限于）以下情况及其组合：
单路/多路驾驶舱操纵信号失效；单台/多台飞控电子设备失效；单台/多台作动器失效；驾驶舱操纵器件或舵面卡阻；舵面非指令急偏或振荡；单套/多套液压系统失效；单个/多个电源汇流条失效；单发/双发失效；单套/多套大气或惯导信号失效；EWIS电缆或信号传输失效；温度、高度、电磁等环境造成的失效；系统和设备的共模失效；同一安装区域内，设备同时失效；转子爆破、轮胎爆破、鸟撞特定风险等。4、余度设计
为了保证在这些故障场景下，仍然能够支持飞机持续安全飞行和着陆（CSFL，Continued Safe Flight and Landing），飞控系统在架构设计时格外关注余度设计工作（包括余度配置和余度管理）。
余度配置关注物理架构设计。比如配置几台计算机？设置几路传感器？是否可以满足安全性定量要求（例如1E-9/FH）？各个余度之间是否独立？
余度管理关注逻辑架构设计。比如怎样对几路信号进行表决？如何实现故障监控和系统重构？
具体提几点：
表决器要考虑使用均值表决还是中值表决？剩下一套数据后还用不用？表决器架构和参数如何选取？监控器要监控哪些参数？监控阈值如何确定？监控到故障后如何隔离？如何在监控器的性能和鲁棒性之间进行权衡？（既要检测到故障，又不能频繁报虚警）一种三余度表决架构示例
通过余度配置和余度管理，可以保证飞机和系统设计，满足安全性和适航要求。
好的余度设计，是对飞控设计师经验和能力的极限挑战。
5、设计重点
飞控系统余度设计是一个多设计目标、多设计要素的综合性问题，是一个权衡和折中的过程。
权 衡 折 中
余度设计的重点，包括：
舵面的气动余度安排（飞机设计特征）；飞控驾驶舱传感器的余度安排；飞控电子设备（例如计算机）的余度安排；飞控系统工作模式设计；飞控电子设备的主备切换逻辑；飞控电子设备内部的指令/监控架构设计；飞控系统信号表决与故障监控设计；作动器的余度安排；作动器的工作模式设计；同一舵面上作动器的主备切换逻辑；总线的余度安排和工作方式；大气惯导等传感器的余度安排和表决逻辑；电源供电的余度安排和切换逻辑；液压供压的余度安排和故障重构逻辑；设备安装的分区隔离设计；EWIS布线的隔离设计。在飞控系统设计中，应首先识别关键的安全性要求，并在架构中重点考虑；应在设计早期进行快速迭代，以规避后期的架构更改风险。
6、“失效/工作” 与 “失效/安全”
飞控系统通过余度设计，生成物理架构和逻辑架构。并在不同的故障条件下，满足“失效/工作”或“失效/安全”的要求：
一台计算机宕机了？
主备切换，正常工作！
两台计算机宕机了？
主备切换，正常工作！
三台计算机宕机了？
系统降级，杆到舵直接控制！
主驾侧杆卡阻了？
权限转移，副驾操作！
副翼一个作动器失效了？
兄弟作动器在，正常驱动！
副翼两个作动器失效了？
能力降级，扰流板补偿！
大气数据全没了？
系统降级，保证着陆！
两套液压丧失？
剩一套，够我用了！
双发失效？
RAT+蓄电池，帮我续命！
......
7. 小结
尽管航空业采取了那么多措施来确保安全，但近年来，一次次令人触目惊心的事件仍在发生。
与飞控系统相关的典型航空事件包括：
2011年5月24日，猎鹰7X公务机平尾非指令运动事件。2018年10月29日和2019年3月10日，印尼狮航和埃塞航的737MAX-8坠机事件。2020年6月14日，中国台湾中华航空公司空客A330三台飞控计算机失效事件......飞控系统作为机/电/液高度综合的安全关键系统，其功能是否正常，直接影响飞机安全和公众利益。
三 个 敬 畏
我们作为民航从业者，更要从这些事件中吸取教训，并将其借鉴到型号研制中。时刻牢记“敬畏生命、敬畏规章、敬畏职责”，为民航业的安全发展、高质量发展，贡献一名大飞机设计师的力量。
扩展阅读：
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基恩士PLC②--3轴伺服实例解析笔记
基恩士PLC②--3轴伺服实例解析笔记
1.0 工具--CPU定位参数设定
1.1 点参数通用设定
这里是设定运行启动速度，默认是200，可以设置成70慢一点，只要低于运行速度就行
1.2 I/O设定
里面有原点传感器，输入时可选的比如轴1，输入可以直接设置R000输入点，也可以设置成CR8014（轴2为8114，轴3为8214），他们的区别就在于，通过CR8014可以在程序中灵活配置原点传感器
停止传感器也是一样，如上所述，不过他的输入点分别为CR8015,CR8115,CR8215
Z相，限位开关CW,限位开关CCW，这三个输入都是不能设置的
选择输出模式：有两种一种是常用的单脉冲模式，方向+脉冲，还有一种双脉冲模式，+-脉冲模式
正方向动作时输出脉冲：正转脉冲
1.3 原点复归设定
一般的话，参数稍微改下就可以，比如启动速度，默认200，可以改到500，加减速度模式10可以改成100,运转速度默认1000可以改成1500，还有原点复归方向可以根据轴摆放的位置设定,
1.4 JOG设定
手动JOG简单设置下启动速度从默认500改到2000，其他根据情况修改
比较器一般不用就不用设定
1.5 点参数
一共可以设置20个轴点位
可以读取的点位相关参数（当前坐标，当前速度等）
具体定位点的参数表如下
可能出现的错误代码如下
2.0 当如上设置好参数后，进行程序的编写
2.1 设置原点 上下极限传感器
2.2 伺服错误复位
复位按下后，复位伺服的报警，错误，警告
2.3 伺服使能控制
首先如果有急停的话，就驱动伺服的强制停止，轴1-CR8000，轴2-CR8100,轴3-CR8200
如果轴出现报警，错误，警告，自动复位，各轴回原点，移动等标志位，并且通知伺服电缸减速停止
2.4 伺服参数设置
自动模式参数设置，主要就是各轴的自动速度
手动模式参数设置，主要是jog的速度，一般分高速跟低速，所以有2种速度设定切换，这里的高速低速是直接写到系统内的，后面用jog速度直接可以切换
2.5 伺服手动控制
手动模式下控制伺服，首先要考虑一些干涉情况，比如在这里拧紧气缸必须在原位，Z向轴3的位置应该在0以上，轴3应该回过原点，这种情况下才能手动
总结说手动的条件，①伺服轴无报警，警告，错误 ②不存在干涉风险的条件 ③安全光幕无遮挡 ④手动模式 ⑤手动jog按下 ⑥jog速度设置。jog指令里面的high参数，当给0时默认低速，当给1是为高速Jog
2.6 伺服寸动
伺服寸动的逻辑跟自动跑位置是一样的，首先给一个寸动距离和方向，当寸动正方向就给一个正，否则相反，如下图，基恩士的负方向是cm8010.1=(-1)*cm8010.1,其中cm8010指的轴1的#2点
同时，按下寸动的的时候的上升沿，触发PSTRT的定位指令，同时也写入自动速度，触发寸动的定位移动
2.7 主动回原点
首先保证不干涉，在这个项目中，必须Z轴回过原位，并且目前坐标在0之上，然后按下回原点的上升沿，触发ORG的指令，驱动0#单元轴1的原点复归，等到定位完成原点复归完成信号
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