IMPROVE RELIABILITY OF ELECTRONIC AVIATION ENGINE CONTROLLER ON THE BASIS OF INNOVATIVE LOGIC ELEMENTS

Abstract


Electronic regulators of aircraft engines (also called RED - electronic engine regulators) are designed to provide the required efficiency in current conditions, as well as in conditions of deterioration of parameters or with partial engine failures. In the event of a complete engine failure, there remains hope for a second or other engines (if any). In some cases, it is possible to restart the failed engine. However, the RED is also subject to failures, therefore, as a reservoir for managing the gas turbine engine, a hydromechanical system is used that allows the engine to be controlled almost "manually". This additional control loop increases the weight and dimensions, the costs of production, operation and maintenance of the engine. The analysis shows that the majority of manufacturers are guided by the transition to a fully electronic control system of the aircraft, including a gas turbine engine. Such a RED is called REDPO, an electronic motor controller with full responsibility (or FADEC - Full Authority Digital Engine Control system). However, in order to completely abandon duplicating automation, a super reliable RED is needed. Existing redundant REDs are built using the redundancy also of sensor circuits, actuators. For example, use two channels of RED. In this case, the information they provide is compared with each other, but only one channel is the main (command) information for this engine start. In this case, the channels themselves are also duplicated "inside". That is, there are actually 4 control channels. As a part of the RED, programmable logic integrated circuits (FPGAs), for example, type FPGA (field-programmable gate array), microcontrollers, systems on a chip are widely used. It is proposed to increase the reliability of the RED using innovative logic elements of FPGAs based on both sliding redundancy and redundancy at the transistor level. The article analyzes the results of evaluating the reliability of such elements.

Full Text

Введение. Электронное управление системами летательных аппаратов является одной из важнейших задач фирм-производителей [1-3]. Так, только за последние полтора года в РФ потеряно 10 космических аппаратов, значительная часть отказов произошла и по вине управляющей аппаратуры. Ещё свежи воспоминания о неудачах с космическим аппаратом «Фобос-грунт», ракетой «Протон» и др. Серьёзные проблемы имеются и в авионике, особенно в военной, в связи с импортозамещением электронной компонентной базы. Для управления и контроля работы авиационного газотурбинного двигателя используют системы трех видов: гидромеханическая, электронно-гидромеханическая и электронно-цифровая система управления двигателем, называемая РЭД - регулятор электронный двигателя. В Российской Федерации проблематикой РЭД занимаются в АО «ОДК СТАР» (г. Пермь) [4-6]. Применение основной и дублирующей автоматики ведет к дополнительным затратам при производстве, эксплуатации и обслуживании двигателя. Большинство зарубежных фирм-производителей ориентируются на переход к полностью электронной системе управления всеми органами летательного аппарата, к системе управления «с полной ответственностью» (FADEC - Full Authority Digital Engine Control system) [4-6], что предполагает также и обеспечение работоспособности в условиях ухудшения параметров самого двигателя. Для отказа от дублирующей автоматики необходимо, чтобы надёжность электронного контура управления двигателем была очень высокой [5, 6]. В статье предлагаются пути повышения надёжности РЭД на основе инновационных логических элементов. 1. Структура FADEC. Основой системы FADEC является электронный регулятор РЭД (Electronic engine controller - EEC) [5, 6] (рис. 1). Рис. 1. Состав FADEC В РЭД двигателя CFM56-7B (Boeing 737) используются два независимых компьютера, которые имеют названия «канал А» и «канал В». Наиболее важные датчики дублируются, в отдельных случаях дублируются цепи питания и управления каждого канала (некоторые датчики дублируются для каждого параметра). Дублируются соединители и кабели с РЭД. Цепи управления разнесены с цепями питания во избежание короткого замыкания (рис. 2). Совмещенные датчики Двойные датчики Одинарные датчики Одинарные датчики ЕЕС Канал В ЕЕС Канал А Внутренний канал данных Рис. 2. Соединение датчиков с РЭД Схема получения каналами РЭД данных от систем самолёта изображена на рис. 3. ЕЕС Канал В Активный ЕЕС Канал А Резервный Входные сигналы Входные сигналы Выходные сигналы Рис. 3. Схема получения данных РЭД Все входные сигналы РЭД дублированы и обрабатываются одновременно двумя каналами, однако на выход поступают данные лишь с одного канала, который является командным; второй канал называется резервным, но он может стать командным при следующем запуске двигателя, если при самопроверке основной окажется неисправным. В РЭД широко применяют программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), например, типа FPGA (field-programmable gate array) [7-9]. Используются и ПЛИС типа CPLD (Complex Programmable Logic Device) [10-14]. Количество транзисторов в современных ПЛИС достигает нескольких миллиардов, а количество логических элементов - миллионов, разработаны и адаптивные логические элементы (АЛМ). Имеются примеры ПЛИС FPGA с резервированием [15, 16]. 2. Резервирование РЭД на транзисторном уровне. С целью повышения надёжности FADEC предлагается резервирование на транзисторном уровне [17-19]. Тогда предлагаемое выражение вероятности безотказной (бессбойной) работы транзисторов по каждой переменной для экспоненциальной модели Вейбулла, используемой в том числе для оценки радиационной стойкости, имеет вид: (1) где l - интенсивность отказов одного канала, α - коэффициент распределения Вейбулла, 1 ³ a £ 2, t - время работы, r - число парируемых отказов. Рис. 4. Изменение вероятностей безотказной (бессбойной) работы нерезервированного транзистора, схемы, парирующей один отказ схемы, парирующей два отказа и схемы, парирующей три отказа при λ = 10-5 Например, в случае r = 1 гарантируется парирование отказа или сбоя любого одного транзистора в каждой «четвёрке», но затраты в количестве транзисторов возрастают с 1 до (r + 1)2. Проблемой является соблюдение ограничений Мида-Конвей на число последовательно соединённых транзисторов: обычно это четыре транзистора, в постоянных запоминающих устройствах ПЛИС (LUT - Look Up Table) это ограничение принято равным трем [20]. Графики изменения вероятностей безотказной (бессбойной) работы одного нерезервированного транзистора P(t), схемы FCT (r = 1), парирующей один отказ , схемы FCT (r = 2), парирующей два отказа , и схемы FCT (r = 3), парирующей три отказа , изображены на рис. 4. 3. Скользящее резервирование элементов РЭД. С целью повышения надёжности FADEC предлагается использование скользящего резервирования, возможности которого предоставляют современные ПЛИС. Необходимо только обеспечить возможность оперативной реконфигурации всей или части ПЛИС (такие возможности уже обеспечиваются некоторыми производителями). При этом возникает возможность восстановления LUT за счёт использования остаточной функциональности. Так, возможно использовать работоспособную половину LUT, а из этих «половинок» пополнять резерв элементов. При n основных элементах и m резервных скользящее резервирование обеспечивает работоспособность системы в случае, если работоспособно подмножество R элементов мощностью êR ê³ n: (2) Пусть d - максимальное требуемое количество отказавших элементов для восстановления исходной функции, - ближайшее меньшее целое натуральное число (ceil). Тогда (3) С учетом наличия переключающего устройства (ПУ) получим: (4) Соответствующие графики - без учёта интенсивности отказов переключающего устройства и с учётом интенсивности отказов переключающего устройства - изображены на рис. 5, 6. Рис. 5. Изменение РСССР с частичным восстановлением от числа резервных элементов m, основных n, времени t при λ = 10-5 при d = 3, без учета интенсивности отказов переключающего устройства Рис. 6. Изменение РСССР с частичным восстановлением от числа резервных элементов m, основных n, времени t при l = 10-5 при d = 3, с учетом интенсивности отказов переключающего устройства lпу = 10-7 Выводы. Таким образом, использование резервирования на транзисторном уровне позволяет существенно увеличить вероятность безотказной (бессбойной) работы ПЛИС, используемых в РЭД. Однако это требует существенной избыточности соблюдения ограничений Мида-Конвей. Менее избыточным вариантом может быть скользящее резервирование в ПЛИС РЭД, что может обеспечить восстановление отказавшего канала (с возможным снижением производительности) и использовать его для контроля командного канала в процессе полёта.

About the authors

A. V Grekov

Perm Military Institute of National Guard Troops

S. F Tyurin

Perm National Research Polytechnic University; Perm State National Research University

References

  1. Система управления самолетом [Электронный ресурс]. - URL: http://www.studfiles.ru/preview/2021544/page:7/ (дата обращения: 18.06.2017).
  2. Иноземцев А.А. О программе создания авиационных газотурбинных двигателей пятого поколения для семейства самолётов МС-21 // Вестник Пермского научного центра УрО РАН. - 2010. - № 4. -С. 28-46.
  3. Иноземцев А.А. История МиГ-31 продолжается [Электронный ресурс]. - URL: http://vpk-news.ru/ARTICLES/15110 (дата обращения: 18.06.2017).
  4. «ОДК-СТАР» [Электронный ресурс]. - URL: http://www.ao-star.ru/ru/search/node (дата обращения: 18.06.2017).
  5. Fundamentals of Aircraft Turbine Engine Control [Электронный ресурс]. - URL: https://www.grc.nasa.gov/www/cdtb/aboutus/Fundamentals_of_Engine_Control.pdf (дата обращения: 18.06.2017).
  6. Propulsion Controls and Diagnostics Research at NASA Glenn [Электронный ресурс]. - URL: https://www.grc.nasa.gov/WWW/cdtb/ aboutus/ric_overview_200707jpc.old.pdf (дата обращения: 18.06.2017).
  7. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учеб. пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ-Петербург, 2007. - 782 с.
  8. Строгонов А., Цыбин С. Программируемая коммутация ПЛИС: взгляд изнутри [Электронный ресурс]. - URL: http://www.kit-e.ru/articles/plis/2010_11_56.php (дата обращения: 11.11.2017).
  9. Виды программируемой логики [Электронный ресурс]. - URL: http://www.pvsm.ru/programmirovanie/87810 (дата обращения: 10.06.2017).
  10. Programmable Logic Devices [Электронный ресурс]. - URL: http://ee.sharif.edu/~logic_circuits_t/readings/PLD.pdf (дата обращения: 04.06.2017).
  11. Программируемая логика и её применение в микропроцессорных системах [Электронный ресурс]. - URL: http://lektsii.org/7-10275.html (дата обращения: 08.06.2017).
  12. CPLD (Complex Programmable Logic Device) [Электронный ресурс]. - URL: http://www.myshared.ru/slide/981511/ (дата обращения: 09.12.2017).
  13. Brown Stephen, Rose Jonathan. Architecture of FPGAs and CPLDs: A Tutorial [Электронный ресурс]. - URL: http://www.eecg.toronto.edu/~ jayar/pubs/brown/survey.pdf. (дата обращения: 10.06.2017).
  14. Logic Array Blocks and Adaptive Logic Modules in Stratix III Devices [Электронный ресурс]. - URL: https://www.altera.com.cn/content/ dam/alterawww/global/zh_CN/pdfs/literature/hb/stx3/stx3_siii51002.pdf (дата обращения: 08.12.2017).
  15. Carmichael Carl. Triple Module Redundancy Design Techniques for Virtex FPGAs [Электронный ресурс]. - URL: https://www.xilinx.com/ support/documentation/application_notes/xapp197.pdf (дата обращения: 07.12.2017).
  16. Xilinx Reduces Risk and Increases Efficiency for IEC61508 and ISO26262 Certified Safety Applications. WP461 (v1.0) April 9, 2015 [Электронный ресурс]. - URL: http://www.xilinx.com/support/documentation/white_papers/wp461-functional-safety.pdf (дата обращения: 20.11.2017).
  17. Тюрин С.Ф. Статическая оперативная память на основе отказоустойчивой ячейки базового матричного кристалла // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2016. - № 1(17). - С. 16-27.
  18. Тюрин С.Ф. Радиационно-устойчивая ячейка SRAM // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2014. - № 4(12). - С. 14-30.
  19. Тюрин С.Ф., Прохоров А.С. Отказоустойчивая программируемая логическая матрица // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2017. - № 23. - С. 45-58.
  20. Carver A. Mead, Lynn Conway. Introduction to VLSI Systems [Электронный ресурс]. - URL: http://ai.eecs.umich.edu/people/conway/ VLSI/VLSIText/PP-V2/V2.pdf; https://ru.scribd.com/document/104510240/ VLSI-Introduction-to-VLSI-Systems-Mead-amp-Conway (дата обращения: 21.10.2017).

Statistics

Views

Abstract - 102

PDF (Russian) - 53

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2022 PNRPU Bulletin. Electrotechnics, Informational Technologies, Control Systems

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies