维基教科书

嵌入式控制系统设计

这应用章节讨论了使飞机能够飞行并相互通信的整个系统。例如，在主要机场起降多架飞机是一项艰巨的任务，需要许多子系统。整个飞行管理系统的主要功能是导航、飞行计划和飞机控制。

完整的飞行管理系统中存在三个主要层次

空中交通管制

ATC 包含使飞机能够直接相互通信或通过控制塔通信的所有内容。这一层对于创建全球协调系统来运输人员或设备至关重要。

飞行控制系统

FCS 是使一架飞机能够起飞、保持在空中和着陆的整个系统。飞机的许多嵌入式控制系统都与该功能相关联，并且是作为飞行控制系统的一个组件的一部分。

组件

每个组件在飞机中都有特定任务。它们中的大多数功能非常直接，易于描述为嵌入式系统。例如：开门机构、发动机控制、机上娱乐系统、集成模块化航空电子设备 (IMA)、黑匣子，...

这本应用章节的目的是指出航空中不同系统层次的要求及其对设计的影响。还有许多指向其他网站的链接，提供有关详细功能的信息。

空中交通管制

在所有不同的系统级别中，ATC 是最高级别。这是一个特殊的级别，因为它不存在于其他应用中，如汽车，在汽车中，车辆之间没有全球通信。ATC 的主要目标是防止碰撞，这需要通信和雷达系统。为了提供冗余，大多数飞机都配备了TCAS（交通警报和防撞系统）。

讨论

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飞行控制系统

介绍

飞机上有很多嵌入式控制系统。其中一个是飞行控制系统，它控制飞机的飞行轨迹和稳定性。该系统的执行机构是发动机以及主翼和尾翼的可移动装置。它们由飞行员和飞机的嵌入式控制系统驱动。

存在不同类型的 FCS。它们根据控制的轴数进行分类。单轴 FCS 可防止飞机翻滚。双轴 FCS 还提供了控制飞行方向的可能性。三轴 FCS 更加复杂，它提供了自动爬升和下降的能力。

上图是飞行控制系统的示意图。飞行控制系统 (FCS) 控制飞机的飞行轨迹和稳定性。该系统的执行机构是发动机以及主翼和尾翼的可移动装置。它们由飞行员和飞机的嵌入式控制系统驱动。这包括稳定性控制、自动驾驶仪和发动机控制。控制输出根据传感器输入计算得出，例如导航系统、天气雷达、速度测量、高度测量、发动机中的传感器等等。

设计

技术要求

飞机系统有一些在其他系统中没有发现或不太关键的要求

重量

飞机使用坚固但轻巧的材料制造。航空业是第一个大规模使用铝的行业，而现代材料，如碳纤维，正在开始进入该行业。重量要求也是从机械联动系统发展到电传操纵系统的理由之一。

安全性

材料质量必须高，航空材料属性的变异度较小。尽管黑匣子在考虑单次飞行的安全性时毫无用处，但它在整个设计和维护过程中提供了至关重要的反馈循环。

可靠性（可靠性、可维护性、可用性）

为了提高可靠性，许多系统都采用冗余设计。飞机也经常维护。可靠性在安全性方面非常重要，飞行控制系统必须始终可用，不像汽车，在那里，简单地停止是一个选项。

稳定性控制

大型飞机始终配备某种形式的自动驾驶仪。该控制系统可以以不同的方式工作。在大多数飞机中，控制系统是可选的，用于简化飞行员的任务。其他飞机，通常是军用飞机，需要控制系统，因为它们天生不稳定，没有控制系统，人类无法控制它们。最近，稳定性控制也出现在汽车中，其中ABS和ESP等系统正在进入该行业。

其他更常见的要求是尺寸、响应时间、成本、能耗、噪声控制、趣味性等（请参阅它们在汽车中的处理方式）。

法律法规要求

由于安全性高和可靠性要求高，飞机系统的监管非常严格。软件（DO-178B）、硬件（DO-254）和网络（AFDX）设计都已标准化。因此，新飞机设计的认证以及随之而来的纸质记录非常复杂且耗时。整个程序可以在联邦航空管理局网站上找到：http://www.faa.gov/licenses_certificates/ 不仅飞机，飞行员也面临着很高的要求。飞行员的培训、测试和认证程序也可以在该网站上找到。

优化

正如大家所想，系统设计有很多种可能性。此外，如何将这些设计的优势结合起来，以满足既定的要求，也是一项艰巨的任务。由于额外的可靠性要求，必须保留一些备份系统，这使得一切更加复杂。飞机的设计，更具体地说，这种控制系统的设计，是一种迭代式设计。这一概念早在航空业的早期就已经出现。每架飞机都是迭代步骤的产物，目的是不断地接近“理想”飞机。在早期，设计主要基于设计师的经验，但随着复杂性的增加，需要一种更加系统化的设计方法。在空中客车公司的以下论文中，可以找到这种计算机辅助设计方法的示例和讨论。http://www.mip.ups-tlse.fr/publis/files/06.26.pdf

飞行员

飞行员与飞机系统交互，因此可以被视为飞行控制系统的一部分。

培训

飞行员必须接受良好的培训并具有丰富的经验，以便能够在发生意外情况或系统故障时做出适当的反应。飞机设计基于此假设，与汽车不同，汽车对飞行员的培训要求远远低于飞机。

人机界面

为了实现飞行员与飞机系统之间的交互，飞机配备了人机界面 (HMI)。良好的HMI设计可以大大减少控制飞机所需的努力。

冗余

在配备自动驾驶仪的大型飞机上，飞行员也可以被视为飞机的冗余系统，以便在自动驾驶仪发生故障时驾驶飞机。即使是飞行员本身也可以互相替换。尽管他们被要求完成不同的任务，但所有飞行员都可以在紧急情况下驾驶飞机。在早期，控制一架飞机需要多达四名飞行员，现在大型飞机只需要两名飞行员。

传感器

以下传感器通常由FCS使用。其主要目的是自主导航飞机。因此，使用了惯性导航系统。飞机具有六个独立的自由度，三个旋转自由度和三个平移自由度。如果它们都得到了测量，就可以导航和控制飞机。旋转运动由三个陀螺仪测量。平移运动由加速度计测量。由于飞机的旋转运动，有必要将加速度计放置在与地球表面平行的框架上。这通过陀螺仪的测量来实现。在军用飞机中，所有测量都是由加速度计进行的。这些加速度计固定在飞机上。其中三个用于测量角加速度。通过积分，可以计算出角度（横滚角、俯仰角和偏航角），并用于推导出由其他加速度计测量的平移。

控制系统

自动驾驶仪是一个系统，其作用是减轻飞行员的工作量。在长途飞行后，飞行员必须保持高度集中，才能安全着陆。在大型飞机上使用控制系统的另一个原因是，这些飞机的控制面需要较大的控制力，这是人类飞行员无法提供的。此外，需要注意的是，计算机控制系统更加精确。

传感器会根据飞机的飞行方向产生信号。控制系统会将此信息与所需方向进行比较。如果两者之间存在差异，它将通过控制执行器来纠正当前状况。在更先进的三轴系统中，使用的信号比一轴系统更多。控制系统将控制飞机所需的姿态和飞机所需的航线（方向和高度）。一些飞机，尤其是军用战斗机，被设计为不稳定飞行。这意味着升力中心位于重心之前。在这种情况下，从平衡状态的轻微偏转会导致飞机变得不稳定并失去控制。这种行为在军用战斗机中是可取的，因为它可以进行短距离转弯并快速反应。在不稳定飞机飞行时，响应时间确实会更快。因为人类无法控制这种飞机，所以控制系统对于保持飞机虚拟稳定性非常重要。

控制系统的可靠性要求

现在解释一个重要的方面，可靠性要求。这适用于任何以可靠性要求为重的嵌入式控制系统。控制系统的设计是一个迭代过程。许多系统已经过使用和替换，如今，电传操纵系统是一个热门话题。关于设计标准，特别是可靠性要求，设计师选择使用两台相同的计算机进行飞行控制（见图）。现在尚不清楚软件的具体实现，但可以提出一些问题。

如何知道哪台计算机的哪个信号是正确的信号？
如果一台计算机发生故障怎么办？
冗余性足够吗？

也许可以对这种配置进行一些修改。第一种可能的配置使用两台计算机。使用不同的算法，由不同的公司分别开发，可能是有用的。但这些不同的算法执行相同的计算。结果可以进行比较，并可以对一个最终输出信号进行投票。另一种可能性是增加计算机数量。如今，最多可以使用 5 台计算机。

电传操纵

为了解释为什么人们追求全电传操纵，本文简要概述了早期和现在的系统。基本上，飞行员的操作包括移动操纵杆。操纵杆可以与可移动的机翼装置直接耦合，可以采用伺服机构，也可以测量飞行员的动作并生成电信号。飞行员与可移动机翼装置之间的直接机械耦合被移除。这就是电传操纵。电传操纵的优缺点。

(+) 飞机的大小或天气条件无关紧要。飞行员需要施加的力可以得到完美的控制。
(+) 使用触觉界面，可以将所有飞机的“感觉”泛化。这可以减少所需的飞行员培训或经验，从而降低“飞行员”部件的成本。
(+) 飞行员的动作可以与传感器输出一起作为电信号进行处理，以便获得最佳控制，这可以提高安全性、降低能耗，并为乘客带来愉悦的飞行体验。
(+) 电气系统重量更轻。
(-) 由于飞行员与执行器之间的直接耦合消失了，并且系统更加复杂，因此信号处理或传输元件之一的故障可能是致命的。必须高度重视可靠性。
(-) 由于电气系统完全依赖于电力，因此电力故障是致命的。

架构

电传操纵系统的另一个方面是所使用的架构。在“航空电子学原理”（见参考文献）中，对不同可能的架构的命名与本书中的命名不同。将给出两种名称。

集中式架构 -- 集中式硬件/集中式软件

一台计算机用于，比如，也许 10 个子系统。由于所有硬件都集中在一起，因此可以很好地控制环境。维护这些系统也很容易。
如果要满足可靠性要求，可以使用三台计算机，这仍然比 10 个子系统使用 10 台计算机少。
所有计算都集中在一起，因此必须在很长的距离内传输模拟传感器信号，这使得它们对噪声敏感。

分布式架构 -- 分布式硬件/分布式软件

计算在传感器中进行。仅传输结果。
没有中央系统，因此子系统必须能够相互通信。
如果每个传感器都有自己的校准软件，那么更换传感器就很容易，因为不需要对中央系统进行任何修改。

联邦架构 - 分布式硬件/集中式软件

它是集中式和分布式架构之间的折衷方案。
与分布式硬件相比，子系统数量较少，但比集中式硬件多。
由于整个系统被划分为功能块，例如发动机控制系统和通信系统，因此一个功能块的故障不会影响其他功能块。

有关电传操纵的更多信息已在维基百科中的 Aircraft flight control systems 中广泛介绍。

执行机构

飞机的控制面由伺服电机驱动。在执行机构链的设计中，以下内容很重要。如果伺服电机发生故障，系统应回退到手动控制。否则，飞行员将失去对整个飞机的控制。在大型飞机中，控制面始终由电机操纵。作用在这些飞机上的力对人类来说太大了，无法承受。但仍然存在机械连接。该系统被称为“伺服辅助”。在更先进的飞机中，使用了“电传操纵”系统。在这里，不再存在机械连接，飞机完全由伺服电机控制。飞行员只使用一个小侧杆，它产生控制信号。

讨论

由于其长度和与系统级描述的飞行控制系统相关性，关于应用于波音 737 的飞行控制系统的示例已删除。

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组件

飞机中存在许多嵌入式控制系统，这些系统处于组件级别。下面将详细解释一些更有趣的系统。

黑匣子

FDR（飞行数据记录器）或黑匣子是飞机系统中一种特殊的组件，它与飞机系统交互的方式。它旨在记录特定的飞机数据，通常用于事故调查。设计要符合国际公认的标准。上述链接中描述了这些要求和设计。

讨论

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集成模块化航空电子

IMA 代表标准化的计算机网络系统，简化了航空电子软件的开发。它是一种概念，它提出了一种集成的系统架构，类似于汽车应用中的 AUTOSAR 架构。除了简化软件开发外，它还简化了硬件和软件的集成和维护。

讨论

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参考资料

Christophe BAUER、Kristen LAGADEC†、Christian BES 和 Marcel MONGEAU§ 为电传操纵客机优化的飞行控制系统架构。
J. R. Sklaroff 编著的《航天飞机计算机冗余管理技术》。
Albert Helfrick 编著的《航空电子学原理》

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