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考虑安全性的BWB民机飞行控制系统设计

马立群 孙晓哲

马立群,孙晓哲. 考虑安全性的BWB民机飞行控制系统设计[J]. 北京航空航天大学学报,2023,49(4):804-814 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0341
引用本文: 马立群,孙晓哲. 考虑安全性的BWB民机飞行控制系统设计[J]. 北京航空航天大学学报,2023,49(4):804-814 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0341
MA L Q,SUN X Z. Design of flight control system for BWB civil aircraft considering safety[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2023,49(4):804-814 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0341
Citation: MA L Q,SUN X Z. Design of flight control system for BWB civil aircraft considering safety[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2023,49(4):804-814 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0341

考虑安全性的BWB民机飞行控制系统设计

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0341
基金项目: 中央高校基本科研业务费专项资金(3122020067)
详细信息
    作者简介:

    马立群等:考虑安全性的BWB民机飞行控制系统设计13

    通讯作者:

    E-mail:lqma@cauc.edu.cn

  • 中图分类号: V249

Design of flight control system for BWB civil aircraft considering safety

Funds: The Fundamental Research Funds for the Central Universities (3122020067)
More Information
  • 摘要:

    翼身融合(BWB)飞行器满足未来民用航空经济、绿色、低碳的运行需求,是重要的发展方向。针对BWB飞行器的飞行控制系统,对其安全性与系统设计进行了研究。给出基于系统理论的事故模型及过程,与相应的安全性分析,重点对BWB飞行器飞行控制系统内的复杂逻辑关系、不安全控制动作、危害致因进行分析;进行切换系统设计,给出低可靠先进系统和高可靠备用系统的设计过程,并分析切换逻辑;基于设计进行仿真验证。研究结果表明:系统理论过程分析方法能够支持BWB飞行器飞行控制系统复杂逻辑关系的安全隐患分析,同时所设计的飞行控制系统具有一定的安全性与实用性。

     

  • 图 1  BWB飞行器操纵面示意图

    Figure 1.  Control surfaces diagram of BWB aircraft

    图 2  飞行控制系统结构示意图

    Figure 2.  Structure diagram of flight control system

    图 3  STAMP模型控制结构示意图

    Figure 3.  Control structure diagram of STAMP model

    图 4  STPA典型致因分析结构示意图

    Figure 4.  Structure diagram of STPA typical hazard causal factor

    图 5  AC结构示意图

    Figure 5.  AC structure diagram

    图 6  INDI结构示意图

    Figure 6.  INDI structure diagram

    图 7  BWB飞行器操纵面功能分配示意图

    Figure 7.  Functions allocation diagram of BWB aircraft control surfaces

    图 8  BWB飞行器三轴控制结构示意图

    Figure 8.  Structure diagram of BWB aircraft three-axis control

    图 9  RTM/S工作区域示意图

    Figure 9.  RTM/S function region diagram

    图 10  安全边界示意图

    Figure 10.  Safety boundary diagram

    图 11  俯仰角-时间曲线

    Figure 11.  Pitch angel vs. time

    图 12  滚转角-时间曲线

    Figure 12.  Roll angel vs. time

    图 13  侧滑角-时间曲线

    Figure 13.  Sideslip angel vs. time

    图 14  舵面偏转-时间曲线

    Figure 14.  Surface deflection vs. time

    图 15  切换控制的俯仰角-时间曲线

    Figure 15.  Pitch angel vs. time of switching control

    图 16  切换控制的滚转角-时间曲线

    Figure 16.  Roll angel vs. time of switching control

    图 17  切换控制的侧滑角-时间曲线

    Figure 17.  Sideslip angel vs. time of switching control

    图 18  切换控制的姿态边界

    Figure 18.  Attitude boundary of switching control

    表  1  事故危害分析

    Table  1.   Accident hazard analysis

    事故编号事故危害编号危害
    A1机上人员受伤或
    失去生命
    H1飞行器失去控制
    A2飞行器受损H2飞行器失去控制
    A3飞行任务失败H3飞行器失去控制
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    表  2  不安全控制行为分析

    Table  2.   Unsafe control action analysis

    控制器控制动作控制对象UCA类型1UCA类型2UCA类型3UCA类型4
    大气环境大气环境影响BWB飞行器
    作动器驱动舵面指令BWB飞行器
    AC作动器指令作动器(NUCA3-N-1)切换至AC工作时未驱动作动器(NUCA3-P-1)AC工作时指令错误驱动作动器(NUCA3-T-1)切换至AC工作时,驱动作动器存在延迟X(UCA3-D-1) 切换至BuC工作时,AC工作在X内未结束
    飞行员切换命令RTM/S(UCA4-N-1) 超出安全边界无自动切换,飞行员未手动切换(UCA4-P-1) 超出安全边界,飞行员手动切换至AC(UCA4-T-1) 超出安全边界无自动切换,飞行员手动切换命令存在延迟X
    飞行员接通/断开AC(UCA5-N-1) 飞行员无法手动操纵切换系统时,未手动断开AC(UCA5-P-1) 飞行员无法手动操纵切换系统时,手动接入AC(UCA5-T-1) 飞行员无法手动操纵切换系统时,未手动断开AC延迟X
    飞行员接通/断开BuC(UCA6-N-1) 飞行员无法手动操纵切换系统时,未手动接入BuC(UCA6-P-1) 飞行员无法手动操纵切换系统时,手动断开BuC(UCA6-T-1) 飞行员无法手动操纵切换系统时,未手动接入BuC延迟X
    RTM/S接通/断开AC(UCA7-N-1) 满足切换条件时,RM/S未断开AC(UCA7-P-1) 不满足切换条件时,RM/S接通AC(UCA7-T-1) 满足切换条件时,RM/S断开AC延迟X
    RTM/S接通/断开BuC(UCA8-N-1) 满足切换条件时,RM/S未接通BuC(UCA8-P-1) 不满足切换条件时,RM/S断开BuC(UCA8-T-1) 满足切换条件时,RM/S接通BuC延迟X
    BuC作动器指令作动器(UCA9-N-1) 安全边界外,BuC未驱动作动器(UCA9-P-1) 安全边界外,BuC错误驱动作动器(UCA9-T-1) 安全边界外,BuC接入延迟X(UCA9-D-1) 未进入安全边界,BuC提前结束工作
     注:延迟X单位为s。
    下载: 导出CSV

    表  3  危害致因分析

    Table  3.   Hazard causal factor analysis

    HFC编号HCFHCF
    类型
    场景描述HFC编号HCFHCF
    类型
    场景描述
    HCF3-D-1-1切换条件错误2信号切换软化过程过长HCF7-P-1-3控制输入错误1飞行员手动接入AC
    HCF4-N-1-1飞行员对控制状态意识错误5飞行员判断当前处于(或已切换至)BuC工作状态HCF7-T-1-1切换条件判断
    延迟
    5飞行状态/作动器反馈存在延迟
    HCF4-N-1-2飞行员对飞行状态意识错误13飞行员判断未超出安全边界HCF8-N-1-1切换条件失效5飞行状态/作动器反馈存在错误
    HCF4-P-1-1飞行员对飞行状态意识错误5飞行员判断处于安全边界内HCF8-N-1-2切换条件错误2切换判断条件存在错误
    HCF4-T-1-1控制传输延迟7手动切换控制存在延迟HCF8-N-1-3控制输入错误1飞行员手动断开BuC
    HCF4-T-1-2飞行员对飞行状态判断延迟X5传感器存在延迟,或超出安全边界未及时警告飞行员HCF8-P-1-1切换条件错误2切换判断条件存在错误
    HCF4-T-1-3飞行员对控制模式判断延迟X5控制模式存在延迟,或飞行员未能及时发现HCF8-P-1-2切换条件失效5飞行状态/作动器反馈存在错误,切换条件判断飞行器处于安全边界内
    HCF5-N-1-1飞行员未意识到手动切换故障5控制模式未反馈故障信息,或未及时提醒飞行员故障HCF8-T-1-1切换条件判断
    延迟
    5飞行状态/作动器反馈存在延迟
    HCF5-P-1-1飞行员判断在安全边界内,未意识到手动切换故障5控制模式未反馈故障信息,或未及时提醒飞行员故障HCF9-D-1-1控制输入错误1切换系统输入断开,或飞行员手动断开
    HCF5-T-1-1飞行员意识到手动切换故障延迟X5控制模式未反馈故障信息存在延迟,或未及时提醒飞行员故障HCF9-T-1-1切换条件错误2信号切换软化过程过长
    HCF6-N-1-1飞行员未意识到手动切换故障5控制模式未反馈故障信息,或未及时提醒飞行员故障HCF9-T-1-2反馈存在延迟5传感器反馈存在延迟X
    HCF6-P-1-1飞行员判断在安全边界内,未意识到手动切换故障5控制模式未反馈故障信息,或未及时提醒飞行员故障HCF9-N-1-1输入未断开指令信号1切换系统输入未接通,或飞行员手动断开
    HCF6-T-1-1飞行员意识到手动切换故障延迟X5控制模式未反馈故障信息存在延迟,或未及时提醒飞行员故障HCF9-N-1-2作动器错误标记为故障5作动器故障反馈错误,不执行驱动故障作动器
    HCF7-N-1-1切换条件失效5飞行状态/作动器反馈存在错误HCF9-P-1-1BuC重构错误2BuC重构算法错误
    HCF7-N-1-2切换条件错误2切换判断条件存在错误HCF9-P-1-2BuC重构错误3BuC算法鲁棒性弱
    HCF7-P-1-1切换条件错误2切换判断条件存在错误HCF9-P-1-3BuC控制错误5飞行状态反馈错误
    HCF7-P-1-2切换条件失效5飞行状态/作动器反馈存在错误,切换条件判断飞行器处于安全边界内HCF9-P-1-4BuC重构错误5作动器故障信息错误
     注:延迟X的单位为s。
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-06-22
  • 录用日期:  2021-08-13
  • 网络出版日期:  2021-08-25
  • 整期出版日期:  2023-04-30

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