автореферат диссертации по транспорту, 05.22.13, диссертация на тему:Предупреждение отказов вычислителей пилотажно-навигационных комплексов самолетов гражданской авиации при использовании бортовых цифровых систем управления

На правах рукописи УДК 629.7.054.072.1:681.323

ТРАН ВАН ДОНГ (TRAN VAN DONG)

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ОТКАЗОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЕЙ ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ САМОЛЕТОВ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ БОРТОВЫХ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05.22.13 - Навигация и управление воздушным движением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2005

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Академия гражданской авиации» на кафедре систем автоматизированного управления.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

доктор технических наук, профессор Сухих Николай Николаевич ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: ,

доктор технических наук, профессор Олянгок Петр Васильевич; кандидат технических наук, доцент Головченко Валентин Петрович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

«Радар ММС» ХК НПО «Ленинец» (Санкт-Петербург).

Л *>*

Защита диссертации состоится <г ' » _ 2005 г. в 10 часов на заседании

Диссертационного совета Д.223.012.01 Академии гражданской авиации по адресу: 196210 С.-Петербург, ул. Пилотов, д. 38, Академия ГА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии ГА.

Автореферат разослан

2005 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор

С.А.Исаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Авиационный транспорт - один из важнейших видов транспорта, осуществляющий перевозки пассажиров, грузов, почты, ведущее звено экономической и социальной инфраструктуры страны. Для Вьетнама авиационный транспорт является фактором нормального функционирования рынка товаров и услуг, развития регионов, межотраслевых и международных связей, удовлетворения транспортных потребностей.

Наличие существенной специфики в работе авиационного транспорта заставляет постоянно искать возможность совершенствования всех входящих в него систем, обеспечивающих его нормальное функционирование. При этом одно из главных направлений связано с автоматизацией процесса управления и в первую очередь это касается бортовых пилотажно-навигационных комплексов (ПНК). Главным звеном такой автоматизации на современном этапе явилось внедрение бортовых цифровых вычислительных машин (БЦВМ), что повлекло за собой создание цифровых ПНК.

Успешное выполнение возложенных на ПНК задач возможно лишь при надежном его функционировании. Основным элементом ПНК является вычислитель. Поэтому, говоря о безотказности всего комплекса, в первую очередь имеют в виду безотказность бортового вычислителя (БВ).

Анализ интенсивности использования самолетного парка вьетнамской авиакомпании «Vietnam airlines» подтвердил актуальность задачи предупреждения отказов БВ и, прежде всего, вычислителей пилотажной части комплекса, часто называемой системой автоматизированного управления полетом (САУП).

В настоящее время подробно исследованы общие вопросы резервирования автоматических систем и элементов, даны рекомендации по введению структурной избыточности при проектировании САУП, которые могут быть перенесены на САУ других классов. Общность предлагаемых в этих исследованиях подходов заключается в том, что отказы отдельных элементов системы управления не вызывают изменения состояния системы, определяющего динамику ее движения. Принципиально новый подход исходит из предположения о возможности отдельных отказов, влияющих на динамику движения системы, и рассматривает состояние системы с отказом как одно из возможных ее состояний. При этом возрастает роль методов теории управления, обеспечивающих сокращение потерь в качестве управления при режимах с отказами. В настоящей работе исследуются и разрабатываются алгоритмы и структуры, придающие современным системам автоматического управления полетом важное качество устойчивости к отказам в рамках второго подхода.

Цель работы

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов и средств построения отказоустойчивых бортовых цифровых САУП при отказах вычислителей данных систем. При этом разработка методов и средств основывается

на предлагаемой в работе классификации отказов элементов бортового оборудования и результатах анализа интенсивности использования самолетного парка «Vietnam airlines» вследствие конкретных отказов.

Постановленная цель достигается путем решения следующих основных

задач:

1. Анализа интенсивности использования самолетного парка «Vietnam airlines» в первую очередь вследствие отказов элементов бортового оборудования.

2. Классификации отказов элементов бортового оборудования на основе признака очевидности (явности) или неочевидности (неявности) для экипажа и способах их учета и предупреждения.

3. Анализа методов и средств построения отказоустойчив ых систем управления вообще и систем управления полетом в частности.

4. Разработки методов и средств, обеспечивающих толерантность системы к явным отказам вычислителя автопилота.

5. Разработки метода параметрического синтеза цифрового закона управления автомата тяги.

6. Разработки метода построения логической схемы управляющего автомата, являющегося основой устройства управления БЦВМ, исходя из динамики системы управления полетом и способа представления передаточной функции БЦВМ.

Для решения указанных задач в работе использовались методы анализа и синтеза аналоговых и цифровых систем автоматического управления, теории управления движущихся объектов, теории чувствительности систем, теории конечных автоматов, а также методы цифрового моделирования динамических систем.

Научная новизна

Научная новизна состоит в следующем:

1. Формализованным путем показана суть алгоритмических методов обеспечения отказоустойчивости САУП. Выделены две группы методов подобного обеспечения - прямые и адаптивные.

2. Сформулирована и формализована методика формирования цифровых корректирующих законов, уменьшающих влияние отказов вычислителя на динамику системы управления. Методика апробирована для двух классов систем - с минимальным и конечным временем установления. В качестве последней рассматривается автоматическая система угловой стабилизации самолета.

3. Разработан метод параметрического синтеза цифрового закона управления на примере автомата тяги. При этом обоснованы: выбор оценки соответствия цифровой и аналоговой моделей, перечень синтезируемых параметров цифровой модели.

4. Сформулирована и формализована методика синтеза логической схемы конечного автомата, являющегося основой устройства управления БЦВМ,

исходя из заданной формы программирования передаточной функции D (z) цифрового БВ и его операционной структуры. Методика базируется на классическом методе синтеза микропрограммных автоматов.

Практическая ценность

Практическая ценность работы заключается в обоснованных рекомендациях по:

- систематизации мероприятий по учету и предупреждению отказов элементов бортового оборудования;

- увеличению интенсивности использования самолетного парка «Vietnam airlines» вследствие предложенных методов и средств построения отказоустойчивых бортовых систем управления;

- методике синтеза толерантных цифровых законов управления полетом самолетов гражданской авиации;

- архитектуре отказоустойчивых систем.

Основные научные результаты, выносимые на защиту

На защиту выносятся:

- анализ интенсивности использования самолетного парка «Vietnam airlines» вследствие отказов элементов бортового оборудования;

- анализ методов и средств построения отказоустойчивых систем управления (в том числе систем управления полетом);

- методика и результаты синтеза цифровых корректирующих законов, уменьшающих влияние отказов бортового цифрового вычислителя на динамику системы управления полетом. Полученные результаты позволяют классифицировать отказ вычислителя автопилота, являющийся по сути опасным, как неопасный, и учитывать его в минимальном перечне оборудования (МПО);

- методика и результаты параметрического синтеза цифрового закона управления, реализуемого в вычислителе автомата тяги самолета;

- методика и результаты синтеза управляющего автомата, положенного в основу работы устройства управления бортового цифрового вычислителя, для обеспечения надежной реализации последовательности выполнения операций при вычислении дискретного закона управления полетом.

Практическая реализация результатов работы

Результаты, полученные в диссертационной работе, использованы в деятельности инженерно-авиационной службы «Vietnam airlines» при разработке мероприятий по предупреждению отказов элементов бортового оборудования и увеличению интенсивности использования самолетного парка (акт внедрения, утвержденный вице-президентом «Vietnam airlines» в январе 2005 г.). Материалы диссертационной работы используются при изложении курсов «Авиационные приборы и пилотажно-навигационные комплексы», «Бортовые информационно-управляющие системы» на факультете летной эксплуатации и инженерно-техническом факультете Академии гражданской авиации.

Апробация работы

Основные результаты научных исследований докладывались и обсуждались на:

- международной научно-технической конференции «Vietnam Airlines -Boeing», Вьетнам, Ханой, 2002 г.;

-техническом семинаре Vietnam Airlines, Вьетнам, Ханой, 2003 г.;

- Пятой международной научно-технической конференции «Чкаловские чтения», Россия, Егорьевск, 2004 г.;

- XII Туполевских чтениях (Международная молодежная научная конференция), Россия, Казань, 2004 г.;

- расширенных семинарах кафедры систем автоматизированного управления Академии ГА, Россия, Санкт-Петербург, 2002-2004 гг.

Публикации

По результатам диссертационных исследований опубликовано 14 печатных работ, в том числе 9 - в российских изданиях, 5 - во вьетнамских.

Структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок, 10 таблиц, список литературы включает 97 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулирована цель исследования, дается краткая аннотация содержания глав.

Первая глава посвящена анализу интенсивности использования самолетного парка «Vietnam airlines» (VNA) и, в первую очередь, вследствие отказов элементов бортового оборудования. Здесь же предложена классификация отказов данных элементов и агрегатов, указаны пути по совершенствованию учета и предупреждения отказов.

С 1996 года VNA арендует и покупает самолёты нового поколения (табл. 1), а также самостоятельно обслуживает эти самолеты. Вьетнамские авиационные технические базы (АТБ) могут самостоятельно обслуживать почти все новые виды самолётов: все виды обслуживания, кроме D-check (8 лет) для ATR-72, F70; все виды обслуживания до 4C-check (5 лет) для А320; все виды обслуживания А для В767, что обеспечивает относительно высокий уровень надёжности в эксплуатации.

В данной главе выполнен анализ исправности и простоев самолетов различных типов по результатам опыта их эксплуатации в VNA.

Интенсивность использования самолетного парка, характеризуемая годовыми налётами одного самолета, в значительной степени определяется простоями самолетов на техническом обслуживании и в ремонте, что проиллюст-

рировано распределением календарного фонда времени нахождения самолетов в основных состояниях эксплуатации.

Таблица 1

Количество самолетов в VNA

Типы 1996, Текущее Будущее количе- Парк самолетов

самолётов 1997 гг. количество ство (2006 г.) к 2010 г.

А320 10 10 10 10

А321 0 08 09 15

- F70 2 02 02 02

ЛШ72 5 09 09 09

В767 3 05 05 09

В777, В747 0 06 08 10

Сумма 20 40 43 55

Анализ интенсивности показал, что фактическая исправность самолетов VNA ниже, чем норматив исправности. Это объясняется многими причинами, в том числе качеством технического обслуживания, эффективностью эксплуатационного планирования и наличием отказов отдельных элементов и агрегатов.

За период 2000-2002 гг. с самолетами VNA произошли 243 предпосылки к авиационным происшествиям (ПАП), из которых 65% связаны с ситуациями, возникшими в результате отказов авиационной техники. В том числе число ПАП из-за отказов авиационной техники, связанных с конструктивно-производственными недостатками, составляет 85% общего числа ПАП вследствие отказов. Этот факт представляет интерес для определения функциональных систем, отказы которых создают наибольшее число предпосылок.

Дальнейший анализ проводился применительно к отказам элементов ПНК и, в первую очередь, применительно к отказам отдельных узлов САУП. Анализ показал, что наиболее отказной частью САУП является FMGC - бортовая ЦВМ. Более детальный анализ позволил конкретизировать отказы БЦВМ и выделить две наиболее часто встречающиеся группы:

- отказы БЦВМ, формирующей сигналы автоматической стабилизации углового положения самолета. Все данные отказы носили явный характер. При этом экипаж в соответствии с РЛЭ знал о необходимых в данном случае действиях;

- отказы БЦВМ, формирующей закон управления автомата тяги (AT), необходимый для стабилизации скорости полета самолета. Отказы этой группы носили неявный характер, т.е. при этом отсутствовала какая-либо сигнализация для экипажа об отказе данного вычислителя. Отказ распознавался тем фактом, что вычислитель стабилизировал другое в отличие от заданного значение скорости полета. Окончательное распознавание этого отказа осуществлялось на земле.

В диссертационной работе разрабатываются методы и средства для создания САУП, нечувствительной к отказам первой и второй групп. Данные вопросы решаются на основе принятой в данной главе классификации отказов элементов и агрегатов бортового оборудования (рис. 1). В качестве основного классификационного признака принята различимость (явность) или неразличимость (неявность) отказа для экипажа самолета.

Рис. 1. Классификация отказов бортового оборудования

Проведен подробный анализ мероприятий по совершенствованию учета и предупреждения для каждой группы отказов (явные опасные, явные неопасные и неявные). В результате анализа сформулированы два важных обстоятельства:

- необходимо стремиться к тому, чтобы число отказов из «раздела РЛЭ» уменьшилось при одновременном возможном увеличении числа отказов в «разделе МПО». Иными словами, отказы из разряда «опасные» должны перейти в разряд «неопасные». Достижение данного факта возможно при совершенствовании бортовых технических средств предупреждения отказов;

- для борьбы с неявными для экипажа отказами необходимо развивать программы ТоиР и совершенствовать проектирование отдельных бортовых элементов и агрегатов.

Настоящая диссертационная работа посвящена решению указанных проблем применительно к вычислителям цифровых САУЛ.

Во второй главе анализируются существующие и перспективные методы и средства построения отказоустойчивых бортовых систем управления полетом.

В современной трактовке система считается отказоустойчивой (толерантной или нечувствительной к неисправностям), если ее организация предусматривает устранение последствий неисправностей или отказов элементов и программного обеспечения за счет использования аппаратной, информационной и алгоритмической избыточности.

В настоящее время хорошо разработаны частные методы анализа, синтеза и проектирования избыточных технических систем, основанные на аппарате теории вероятностей, массового обслуживания. Значительные успехи в этой области безусловно достигнуты в теории кодирования. Однако, использование избыточности при проектировании законов управления исследовано явно недостаточно.

В данной главе значительное внимание уделено использованию так называемой аналитической избыточности (analytical redundancy) в цифровых САУ для обеспечения их отказоустойчивости. Показано, что наиболее очевидным является использование аналитической избыточности в задачах построения функционально-резервированной подсистемы информационного обеспечения цифровой САУ. Анализируются конкретные примеры подобного использования.

Методы автоматизированного управления полетом ВС базируются на теории управления движущимися объектами. Среди большого количества различных методов автоматизации процессов управления полетом ВС следует выделить методы (и синтезированные на их основе законы управления), предназначенные для построения отказоустойчивых (толерантных) систем управления.

Существуют два основных способа обеспечения толерантности САУП:

- резервирование, т.е. добавление технических устройств и связей к исходной системе подобных ее устройствам и связям, таким образом, чтобы алгоритм управления оставался неизменным;

- алгоритмическое обеспечение отказоустойчивости, т.е. возможное преобразование структуры исходной системы, добавление к ней устройств и связей таким образом, что видоизменяется алгоритм управления системой.

Указанные два способа справедливы как при аппаратурной, так и при программной реализации системы. В случае программной реализации при первом способе предполагается резервирование одинаковыми программами, при втором - видоизменение (реконфигурация) программы с целью реализации от-

казоустойчивого алгоритма управления. В настоящее время в отечественных и зарубежных САУП, как правило, находит практическое применение первый способ обеспечения отказоустойчивости.

В качестве примера можно указать, что информационные, преобразующие, вычислительные устройства аналоговой САУП типа АБСУ-154 трижды резервированы. Средства контроля построены по мажоритарному принципу, в качестве детекторов отказов системы контроля используются кворум-элементы. В бортовой системе контроля цифрового ГОЖ типа БКСЦПНО, устанавливаемого на самолетах Ту-204 и Ил-06-300, применяются три типа контроля: аппаратный, программный и программно-аппаратный, причем лишь только 5% оборудования не охвачены контролем. Вычислительная система управления полетом (ВСУП) имеет трехкратное резервирование, вычислительная система управления тягой (ВСУТ) - двукратное. ВСУП и ВСУТ входят в состав цифровой САУП. Аналогичное резервирование используется и на самолетах фирмы Airbus.

Внедрение цифровых систем управления полетом позволяет реализовать на практике второй способ обеспечения отказоустойчивости/связанный с видоизменением алгоритма управления (закона управления) системой. Данный путь является наиболее перспективным, так как он требует лишь алгоритмической, а не аппаратурной избыточности. Для САУП, у которых задачи снижения массы и габаритов особенно актуальны, высокая степень аппаратурной избыточности нежелательна и может стать недопустимой. В связи с этим задача разработки новых нетрадиционных пока методов алгоритмического обеспечения отказоустойчивости САУП является весьма актуальной.

Рассматривается постановка и суть задачи алгоритмического обеспечения отказоустойчивости линейной системы вида (1):

где - вектор состояния системы; - вектор внешних воздейст-

вий, компонентами которого могут быть управляющие и возмущающие воздействия; - вектор выходных координат; - матрицы параметров, зависящие в общем случае от времени (верхний индекс 0 характеризует указанные векторы и матрицы при отсутствии отказов в системе).

Необходимо для данного множества отказов преобра-

зовать структуру и параметры САУП к виду (2):

где - матрицы соответствующих

размерностей, при которых система была бы инвариантной к отказам на заданном отрезке времени [0,Т].

Можно выделить два вида методов алгоритмического обеспечения отказоустойчивости САУ: прямые и адаптивные.

Прямые методы позволяют синтезировать САУ, структура и параметры регулятора которой зависят от отказа причем их измене-

ния происходят при поступлении информации об отказе . Каждому отказу соответствует своя структура системы.

При использовании адаптивных методов заранее синтезируется единственная для всех отказов определенного класса структура САУ заданным объектом, и при отказе осуществляется перестройка ее параметров. При этом не требуется глубокого диагностирования, а достаточно лишь провести контроль работоспособности (т.е. установить только сам факт наличия отказа).

Указанные два вида методов алгоритмического обеспечения отказоустойчивости обладают, в общем случае, различными компенсирующими возможностями. Применительно к системам управления полетом имеются существенные затруднения при практической реализации адаптивных методов, связанные, прежде всего, с требованиями по быстродействию. Это объясняется тем, что в классических методах адаптации время, потребное для идентификации изменений динамики объекта, как правило, существенно превышает время затухания переходных процессов. В связи с этим внимание исследователей направлено, в основном, на разработку прямых методов.

Нерешенной на сегодняшний день остается задача синтеза толерантных законов управления полетом применительно к отказам самих вычислителей САУП. В следующей главе приводятся разработки автора по построению отказоустойчивой цифровой САУП с использованием функции чувствительности. Эти разработки можно отнести к прямому методу алгоритмического обеспечения отказоустойчивости дискретной системы.

Третья глава посвящена разработке методов по предупреждению явных отказов бортового цифрового вычислителя системы угловой стабилизации.

В главе обосновано, что в общем случае проявление отказов в цифровой управляющей машине (ЦУМ) можно описать изменением ее коэффициента передачи Кц

Будем считать, что при отказах в ЦУМ происходит изменение коэффициента передачи машины на величину , где - номинальное значение коэффициента передачи ЦУМ. Такая трактовка отказов является, во-первых, справедливой, поскольку она правильно описывает результат при их возникновении в ЦУМ и, во-вторых, удобной, т.к. позволяет не рассматривать конкретные причины, место и проявление отказов. Строго говоря, величина может изменяться во время вычислений. Но в первом приближении правомерно считать = const, что определяется самой природой отказов, возникающих, как правило, в одном разряде какого-либо операционного устройства

ЦУМ и изменяющих выходную величину машины на некоторое постоянное значение в течение нескольких периодов дискретности.

Таким образом, необходимо построить цифровую систему управления, нечувствительную к отказам в ЦУМ в некотором диапазоне изменения коэффициента передачи вычислительной машины. Данная задача применительно к вариациям коэффициента усиления объекта для цифровых систем управления не является новой и возможные пути ее решения представлены в известных работах. Однако, получающиеся при этом самонастраивающиеся ЦАС являются сложными с точки зрения их реализации и, кроме того, различные алгоритмы самонастройки должны вычисляться в самой ЦУМ, функционирующей в условиях отказов. Аппаратурная реализация цепи настройки ввиду ее сложности весьма затруднительна.

В диссертационной работе предлагается синтезировать линейные цифровые корректирующие цепи, подключение которых способствует уменьшению влияния отказов на поведение автоматической системы. Для оценки влияния отказа ЦУМ на динамику замкнутой цифровой автоматической системы (ЦАС) определяется функция чувствительности и выходной величины Y к изменению коэффициента передачи ЦУМ.

Подобная методика синтеза ранее была разработана моим научным руководителем. Новым в настоящей диссертации является то, что при синтезе корректирующих законов учитываются две функции чувствительности

т.е. находятся законы, уменьшающие одновременно влияние на динамику ЦАС изменения коэффициента передачи ЦУМ и постоянной времени объекта управления (рис. 2).

При нахождении и необходимо учесть, что

Известно, что для создания ЦАС, нечувствительной к изменению параметров системы, необходимо введение второй степени свободы в виде неединичной обратной связи Н При этом после выбора Н у системы остается еще одна степень свободы для получения заданной Ф - передаточной функции замкнутой системы при номинальном коэффициенте передачи ЦУМ.

Предложено в качестве N использовать параллельную корректирующую цепочку к D В этом случае ЦАС будет иметь вид, представленный на рис. 3.

Сформулирована методика синтеза корректирующих законов Н и

N(2).

Разработанная методика на первом этапе исследований реализована для систем с минимальным временем установления. Произведено цифровое моделирование конкретной ЦАС.

-СГ^3-*

*о

о (2) О^О ► (Б) У (5)

т„

У:

Рис. 2. Цифровая автоматическая система

Рис. 3. Цифровая автоматическая система при подключении Н (г) и N (г)

Дальнейшим развитием метода явилось применение его к цифровым системам управления с неминимальным временем установления, к которым относятся, например, ЦАС угловой стабилизации самолета.

В разработанную методику синтеза корректирующих законов Н (z) и N(z) был введен ряд дополнений. Методика расчета корректирующих законов Н (z) и N (z) с учетом вышеуказанных дополнений рассмотрена на примере цифровой системы автоматической стабилизации крена одного из тяжелых самолетов для следующего режима полета: Н = 8 км, М = 0,8. Приводятся результаты цифрового моделирования.

В главе четыре разрабатывается метод предупреждения неявных отказов вычислителя автомата тяги. Считается, что причиной подобных неявных отказов являются ошибки при синтезе (проектировании) цифрового закона управления, реализованного в вычислителе автомата тяги.

Рассматриваются назначение и принцип построения автомата тяги. Анализ производится применительно к аналоговому устройству. В дальнейшем обосновываются основные положения параметрического синтеза цифрового закона управления автомата тяги.

Решение общей задачи параметрического синтеза в классе линейных дискретных моделей требует решения следующих частных задач:

- выбора оценки соответствия моделей;

- выбора синтезируемых параметров импульсной модели;

- определения значений параметров ЦУМ по выбранной оценке и полученным моделям;

- исследования влияния численных методов на степень приближения-, характеристик непрерывного и дискретного регуляторов и выбора методов, позволяющих получить наилучшее приближение.

Указанные задачи решаются в данной главе.

Для детерминированных воздействий X (t) может быть использована оценка:

где - переходная функция импульсной модели;

h (t) - переходная функция непрерывной модели-прототипа;

8 - параметр соответствия.

Из условия эквивалентности моделей и из условия Т ^ То , обычно выполняемого для точных систем, следует:

limTo->o{max,[H(t,T0>T)-h(t)]}=0.

Это выражение устанавливает возможность достижения любого наперед заданного значения Е в (3) соответствующим выбором параметров То, Т

Однако непосредственное использование оценки (3) затруднительно по причине сложности отыскания ее численных значений. В связи с этим в работе обосновывается и предлагается использовать приближенную оценку:

Д ст = шах, Н (t, То, т) - шах, h (t). (4)

Преимуществами оценки (4) по сравнению с известными являются:

- простота определения на физических и математических моделях;

- ясный физический смысл;

- тесная связь со специфическими особенностями цифровых систем.

Оценка (4) предполагает возможность выбора параметров То, Т из условия ограничения дополнительной динамической ошибки, обусловленной дискретизацией, на заданном уровне.

На рис. 4 представлена структурная схема системы с цифровым автоматом тяги.

Запаздывание отнесено к неизменяемой части контура, а его величина ограничена выражением

Отнесение звена запаздывания к неизменяемой части системы справедливо в силу рассмотрения линеаризованного контура. Выполнение же условия (5) диктуется высокими требованиями к быстродействию системы.

Рис. 4. Структурная схема цифрового автомата тяги

Для экстраполяции решетчатой функции на выходе цифрового фильтра используется экстраполятор нулевого порядка.

В работе далее на основе известного метода использования передаточных функций в области псевдочастоты j X определяется Б (]Х) (6) и далее D

(7):

Переход от (7) к разностному уравнению дает алгоритм работы ПИ-регулятора

У (п) = Кр [ (То/2 + Тс) X (п) - (Тс - То/2) X (п-1)] + У (п-1) (8)

где - коэффициент передачи цифрового фильтра;

Y (п) - решетчатая функция на выходе цифрового фильтра (регулирующее воздействие), X (п) -решетчатая функция на входе цифрового фильтра (ошибка)., Уравнение (8) является дискретным аналогом интегро-дифференци-ального уравнения, описывающего непрерывный ПИ-регулятор.

Выражение оценки (4) при заданном значении тах! И (1) позволило уточнить параметры 1 и То дискретного автомата тяги.

Далее в данной главе проведен анализ влияния методов численного интегрирования и дифференцирования на характеристики цифрового ПИ-регулятора.

Приводятся результаты цифрового моделирования.

Пятая глава посвящена предупреждению ошибок в ходе выполнения программы при реализации цифрового закона управления полетом.

Особую опасность для бортовых цифровых систем управления представляют отказы, нарушающие заданную последовательность выполнения операций при реализации закона управления. К такому результату могут привести искажения разрядов вследствие сбоев в адресных частях команд и кодах операций, а также сбои и отказы центрального устройства управления (УУ). Большую опасность представляют также случайные сбои в ходе программы управляющей машины, возникающие из-за нарушения процесса нормальной выработки последовательности адресов команд, а также из-за ошибок в выполнении условных и безусловных переходов. В этих случаях, помимо несвоевременного выполнения отдельных участков программы, создается возможность искажения хранящейся в памяти цифровой машины полезной информации, накопленной в процессе предшествующего периода работы системы управления, и необходимой для ее дальнейшего функционирования.

Все перечисленные причины, приводящие к нарушению нормальной выработки команд, возможны и наиболее вероятны при реализации цифрового закона управления полетом в бортовом вычислителе, имеющем некую универсальную архитектуру и, что самое главное, устройство управления, синтезированное под реализацию любых, не связанных с типом самолета, законов управления полетом. Такая универсальность в данном случае снижает надежность функционирования УУ, т к. данное устройство в этих условиях имеет довольно сложную структуру.

В диссертационной работе предлагается метод, основанный на синтезе управляющего автомата, являющегося основой УУ, основным достоинством которого является возможность обеспечения высоконадежной реализации последовательности выполнения операций. Суть метода состоит в проектировании автомата, исходя из вида и способа программирования передаточной функции дискретного корректирующего устройства и его операционной структуры, т.е. УУ проектируется с учетом динамики цифровой системы управления полетом.

В работе ставится задача при заданных структурах специализированного цифрового вычислителя (ЦВ) (в первую очередь бортового ЦВ) и цифрового фильтра (ЦФ) реализовать необходимую последовательность операций (микроопераций) с последующим синтезом устройства управления (микропрограммного управления) данного ЦВ.

Наиболее широкое применение находят две известные формы канонической реализации передаточной функции ЦФ - последовательная (каскадная) и параллельная. В основе этих форм в общем случае лежит ЦФ второго порядка, передаточная функция которого имеет вид:

0(2) =

а01+<хцг~'-кх2|г-2_У(г)

(9)

1+Рп г-1 +Р21 г~2 х(2)

В работе на первом этапе рассматривается реализация данного фильтра в ЦВ, имеющем операционную структуру, представленную на рис. 5.

Рис. 5. Операционная структура вычислителя

г На данном рисунке введены следующие обозначения: УУ - устройство управления; АУ - арифметическое устройство; ЗУ - запоминающее устройство, в котором хранятся значения коэффициентов а^ и ^ ; X - буферный регистр входных данных; W - буферный регистр выходных данных; А и В - буферные регистры для накопления промежуточных результатов; - итоговый регистр арифметического устройства.

Пусть ао1 = 1. Структурная схема фильтра для данного случая изображена на рис. 6. Пунктиром здесь показаны некоторые элементы ЦВ, необходимые для выполнения соответствующих операций (микроопераций).

В основе последовательной формы фильтра, как было указано ранее, лежит формула (9). При этом передаточная функция имеет следующий вид (при О0| = 1):

О (2) = П 1 + г''*«* г'2

¡=1 1 + РН2-'+Р2,-2-2

(10)

В ЦВ, представленном на рис. 5.1, АУ, ЗУ и все регистры можно отнести к операционной части вычислителя. УУ при этом координирует действия всех перечисленных устройств, определяет необходимую последовательность пере-

работки информации. В нашем случае для реализации формулы (10) эта последовательность задается блок-схемой, представленной в диссертации.

Рис. 6. Цифровой фильтр второго порядка

В настоящей работе рассматривается подход к синтезу УУ на основе методов синтеза микропрограммного автомата по граф-схеме алгоритма. Необходимо от содержательной граф-схемы алгоритма (ГСА) перейти к отмеченной ГСА, построить граф автомата и его структурную таблицу. По таблице непосредственно и строится логическая схема.

Логическая схема микропрограммного автомата включает в себя две составляющие - память и комбинационную схему (КС). В качестве элементов памяти рассматриваются триггеры с раздельными входами. Соответственно задача построения логической схемы автомата сводится к синтезу КС.

В качестве содержательной ГСА для решения нашей задачи используется упомянутая блок-схема, где внутри условных и операторных вершин записаны логические условия и микрооперации в содержательных терминах.

Глава завершается построением логической схемы микропрограммного автомата по обратной структурной таблице переходов.

Следует отметить, что в рамках пятой главы настоящей диссертации не рассматривались вопросы минимизации полученной логической схемы, вопросы кодирования и «гонок» в автомате и т.п. Здесь показано, как, отталкиваясь от динамики системы и передаточной функции D(z) БЦВМ, можно построить специализированное микропрограммное устройство управления данной бортовой цифровой вычислительной машины.

Основные выводы по работе

Основные выводы проведенных исследований сформулированы в конце каждой главы диссертации. Общие выводы по работе сводятся к следующему:

1. Проведен анализ интенсивности использования самолетного парка «Vietnam Airlines». Показано, что интенсивность в значительной степени определяется простоями самолетов на техническом обслуживании и в ремонте, что в свою очередь обусловлено в первую очередь отказами элементов бортового оборудования самолетов. Обосновано, что наиболее отказным элементом данного ПНК является бортовой цифровой вычислитель. Выделены две группы наиболее часто встречающихся отказов БЦВМ — явные отказы вычислителя автопилота и неявные отказы вычислителя автомата тяги.

2. Произведена классификация отказов элементов и агрегатов бортового оборудования. Основными признаками такой классификации предложены - явность и опасность отказа для экипажа. Показаны причины возникновения и мероприятия по учету каждой группы отказов. Обосновано, что явные опасные отказы возможно предупредить с помощью «интеллектуального помощника экипажа» - бортовой экспертной системы. Явные неопасные отказы должны входить в Минимальный перечень оборудования, допускающий эксплуатацию самолета при отказах, входящих в МПО. Для борьбы с неявными отказами необходимо совершенствовать программы ТоиР, совершенствовать методы проектирования бортовых систем.

3. Обосновано, что одним из важных направлений теории управления является решение задачи обеспечения отказоустойчивости алгоритмов управления к потере первичной информации, а также в условиях отказа приводов и органов управления.

' 4. Показано, что классический подход к решению поставленной задачи, основанный на аппаратной избыточности, является дорогостоящим и не всегда дает желаемые результаты. Поэтому следующим, естественным на наш взгляд, шагом в развитии отказоустойчивых САУП является синтез законов управления на основе алгоритмических способов обеспечения отказоустойчивости цифровой системы.

5. Произведен анализ существующих методов и средств повышения надежности вычислителей пилотажно-навигационных комплексов современных воздушных судов. Показано, что наибольшее распространение в настоящее время находят аппаратурная (структурная) избыточность БВ. Формализованным путем показана суть алгоритмических методов обеспечения отказоустойчивости САУП. Исследование проведено в классе линейных систем. Выделены две группы методов подобного обеспечения - прямые и адаптивные.

6. Обосновано, что отказы в ЦУМ приводят к изменению значения коэффициента передачи цифрового вычислителя. Сформулирована и формализована методика формирования цифровых корректирующих законов, уменьшающих влияние отказов вычислителя на динамику системы управления. Методика апробирована для двух классов систем - с минимальным временем установле-

ния и с конечным временем. В качестве последней рассматривается автоматическая система угловой стабилизации самолета.

7. Осуществлен параметрический синтез цифрового закона управления автомата тяги. При этом обоснованы: выбор оценки соответствия цифровой и аналоговой моделей; перечень синтезируемых параметров цифровой модели. В качестве оценки соответствия использовано сравнение значений переходных функций цифровой модели и аналоговой модели-прототипа. Параметрами синтезируемой цифровой модели выбраны период дискретности системы и запаздывание, вносимое ЦУМ.

8. Разработан метод обеспечения высоконадежной реализации последовательности выполнения операций в цифровом вычислителе, основанный на синтезе управляющего автомата, являющегося основой устройства управления цифрового вычислителя. Показана реализация метода на примере последовательной формы программирования передаточной функции бортового цифрового вычислителя и его заданной операционной структуры. Осуществлено построение элементов логической схемы автомата Мили. Синтез схемы произведен по граф-схеме алгоритма функционирования автомата. Сформулирована и обосновано применение предлагаемого метода к цифровым системам управления полетом ВС.

Публикации по теме диссертации

В российских изданиях:

1. Петров А.Н. Об эксплуатации воздушного судна с допустимыми отказами оборудования/АН.Петров, А.Г.Ковалев, Тран Ван Донг//Проблемы эксплуатации и совершенствования транспортных систем: Межвуз. темат. сб. науч. тр. - СПб.: АГА, 2002. - С.35-39.

2. Тран Ван Донг. Методы алгоритмического обеспечения отказоустойчивости систем автоматического управления полетом/Тран Ван Донг, Н.Н.Сухих//5-я Международная научно-техническая конференция. Чкаловские чтения: Сб.матер. - Егорьевск: ЕАТК им.Чкалова, 2004. - С. 145-146.

3. Тран Ван Донг. Об опыте эксплуатации цифровых ПНК самолетов вьетнамской авиакомпании/Тран Ван Донг//5-я Международная научно-техническая конференция. Чкаловские чтения: Сб. матер. - Егорьевск: ЕАТК им.ВЯЧкалова, 2004. - С. 148.

4. Тран Ван Донг. Реализация прямого метода алгоритмического обеспечения отказоустойчивости цифровой автоматической системы управления полетом при использовании функции чувствительности/Тран Ван Донг//Проблемы транспорта. - 2004. -№11.- С. 172-175.

5. Тран Ван Донг. Снижение вероятности авиационного происшествия при использовании бортовых цифровых информационно-управляющих систем/Гран Ван Донг//ХП Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция. Т.З. - Казань: Казан, гос. техн. ун-т, 2004. - С. 143-144.

6. Тран Ван Донг.О надежности авиационной техники, эксплуатируемой во вьетнамской авиакомпании/Тран Ван Донг//Проблемы эксплуатации и совершенствования транспортных систем. Т.9. 4.14: Межвуз.темат.сб.науч.тр. -2000.-С.24-28.'

7. Тран Ван Донг. Стабилизация скорости полета с помощью аналогового и цифрового ПИ-регулятора/Тран Ван Донг//Проблемы эксплуатации и совершенствования транспортных систем. Т. 10: Межвуз.темат.сб.науч.тр. -СПб.: АГА, 2005. -С.27-33.

8. Тран Ван Донг. О синтезе параметров цифрового управляющего устройства/Тран Ван Донг//Проблемы эксплуатации и совершенствования транспортных систем. Т. 10: Межвуз.темат.сб.науч.тр. - СПб.: АГА, 2005. -С.171-174.

9. Сухих Н.Н. Реализация цифровых фильтров в цифровом вычислителе заданной операционной структуры/Н.Н.Сухих, Тран Ван Донг//Известия вузов. Сер.: Приборостроение. - 2005. -№ 7. - С.28-32.

Во вьетнамских изданиях:

10. Тран Ван Донг (в соавт). Методика определения уровня надежности самолетов VNA/Тран Ван Донг//Бюллетень технической документации VNA.-Ханой, 2000.-10 с.

11. Тран Ван Донг. Применение MEL в VNA/Тран Ван Донг//Вьет-намский авиационный институт. Сб.науч.тр. - 2001. — № 6. - 10 с.

12. Тран Ван Донг (в соавт). Взаимосвязь между развитием программы технического обслуживания самолетов и их надежностью/Тран Ван Донг/ЛГезисы доклада международной научно-технической конференции «Vietnam Airlines-Boeing ». - Ханой, 2002. - 3 с.

13. Тран Ван Донг (в соавт). Повышение эффективности эксплуатации самолетов VNA путем уменьшения времени их технического обслужива-ния/Тран Ван Донг//Тезисы доклада технического семинара Vietnam Airlines. -Ханой, 2003.-4 с.

14. Тран Ван Донг. Методика формирования минимального перечня оборудования для самолетов гражданской авиации Вьетнама/Тран Ван Донг//Бюллетень VNA. - Ханой, 2004. -№ 45. - С.12-15.

Подписано к печати 25.04.2005 Формат бумаги 60x90 '/1в Тираж 100 Уч.-издл.1,4 Усллеч.я. 1,4 С 16 Заказ 427 Тип. Академии ГА. 196210. С.-Петербург, ул.Пилотов, дом 38.

. * f "

{sfry**

* JÍIU«»' S

i Ж*""1 "

б§ июи

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Анализ отказов элементов бортовых систем самолетов, эксплуатируемых в "Vietnam Airlines"

1.1. Анализ интенсивности использования самолетного парка вьетнамской авиакомпании

1.2. Классификация отказов элементов и агрегатов бортового оборудования

1.3. Мероприятия по совершенствованию учета и предупреждения отказов 26 Выводы по главе

ГЛАВА 2. Методы и средства построения отказоустойчивых бортовых систем управления полетом

2.1. Методы построения структур отказоустойчивых систем управления

2.2. Методы и средства повышения надежности вычислителей пилотажно-навигационных комплексов воздушных судов

2.3. Алгоритмическое обеспечение отказоустойчивости 61 Выводы по главе

ГЛАВА 3. Предупреждение явных отказов бортового цифрового вычислителя системы угловой стабилизации

3.1. Проявление отказов в цифровой управляющей машине

3.2. Методика формирования цифровых корректирующих законов, уменьшающих влияние отказов на динамику ЦАС

3.3. Синтез корректирующих законов для систем с минимальным временем установления

3.4. Синтез корректирующих законов для системы стабилизации крена самолета 82 Выводы по главе

ГЛАВА 4. Предупреждение неявных отказов вычислителя автомата тяги при параметрическом синтезе цифрового закона управления

4.1. Стабилизация скорости полета самолета с помощью аналогового ПИ-регулятора

4.2. Параметрический синтез цифрового закона управления автомата тяги

4.2.1. Выбор оценки соответствия цифровой и непрерывной моделей и синтезируемых параметров цифровой модели

4.2.2. Результаты синтеза цифрового закона управления автомата тяги

4.3. Анализ влияния методов численного интегрирования и дифференцирования на характеристики моделей цифрового ПИ-регулятора

Выводы по главе

ГЛАВА 5. Предупреждение ошибок в ходе выполнения программы при реализации цифровых законов управления полетом

5.1. Микропрограмма работы бортового цифрового вычислителя

5.2. Реализация цифровых фильтров в бортовом цифровом вычислителе заданной операционной структуры

5.3. Синтез устройства управления БЦВ 119 Выводы по главе

Авиационный транспорт - один из важнейших видов транспорта, осуществляющий перевозки пассажиров, грузов, почты, ведущее звено экономической и социальной инфраструктуры любой страны. Для Вьетнама, занимающего небольшую часть земной суши, авиационный транспорт является фактором нормального функционирования рынка товаров и услуг, развития регионов, межотраслевых и международных связей, удовлетворения транспортных потребностей.

Наличие существенной специфики в работе авиационного транспорта заставляет постоянно искать возможность совершенствования всех входящих в него систем, обеспечивающих его нормальное функционирование. При этом одно из главных направлений связано с автоматизацией процесса управления и в первую очередь это касается бортовых пилотажно-навигационных комплексов (ПНК). Главным звеном такой автоматизации на современном этапе явилось внедрение бортовых цифровых вычислительных машин (БЦВМ), что повлекло за собой создание цифровых ПНК.

Пилотажно-навигационные комплексы представляют собой большие системы значительной сложности. При изучении ПНК их целесообразно разделять на более простые комплексы и подкомплексы, основные из которых навигационный и пилотажный комплексы.

Пилотажный комплекс (ПК) осуществляет стабилизацию центра масс воздушного судна (ВС) на заданной опорной траектории и управление его поворотом вокруг центра масс с обеспечением требуемых пилотажных характеристик и безопасности полета при автоматическом, полуавтоматическом и ручном пилотировании. Часто ПК называют бортовой системой автоматического управления полетом (бортовой САУП).

Навигационный комплекс (НК) определяет траекторию полета центра масс ВС, выдает информацию об отклонении центра масс от программной траектории и информацию о текущем положении центра масс ВС в пространстве. В состав НК может входить цифровая или аналоговая вычислительная машина, которая иногда вырабатывает управляющие сигналы в пилотажный комплекс.

Границей между пилотажным и навигационным комплексами служат переключающие устройства, которые отключают сигналы отклонения центра масс ВС от программной траектории, поступающие из НК в ПК на режимах полуавтоматического и автоматического пилотирования.

Все существующие ПНК в зависимости от, используемой элементной базы и принципов формирования управляющих сигналов делят на аналоговые и цифровые. В связи с достижениями вычислительной техники к перспективным ПНК относятся лишь цифровые, в которых можно обеспечить высокую степень стандартизации и унификации оборудования при меньших затратах и массе. В цифровых ПНК можно не только повышать надежность, но и реализовывать принципиально новые электронные способы отображения пилотажно-навигационной информации на цветных мониторах, что позволяет снижать нагрузку на экипаж в полете. Цифровые ПНК разработаны для российских самолетов Ту-204, Ил-96-300, Ту-334, а также для многих зарубежных ВС (современные самолеты фирм Boeing и Airbus).

В диссертационной работе исследования проводятся применительно к пилотажной части комплекса. Успешное выполнение возложенных на САУП задач возможно лишь при надежном ее функционировании. Основным элементом САУП является вычислитель. Поэтому, говоря о надежности всей системы, в первую очередь имеют в виду надежность бортового вычислителя (БВ).

Анализ интенсивности использования самолетного парка вьетнамской авиакомпании "Vietnam airlines" подтвердил актуальность задачи предупреждения отказов БВ и, прежде всего, вычислителей пилотажной части комплекса.

В настоящее время подробно исследованы общие вопросы резервирования автоматических систем и элементов, даны рекомендации по введению структурной избыточности при проектировании САУЛ, которые могут быть перенесены на САУ других классов. Общность предлагаемых в этих исследованиях подходов заключается в том, что отказы отдельных элементов системы управления не вызывают изменения состояния системы, определяющего динамику ее движения. Принципиально новый подход исходит из предположения о возможности отдельных отказов, влияющих на динамику движения системы, и рассматривает состояние системы с отказом как одно из возможных ее состояний. При этом возрастает роль методов теории управления, обеспечивающих сокращение потерь в качестве управления при режимах с отказами. В настоящей работе исследуются и разрабатываются алгоритмы и структуры, придающие современным системам автоматического управления полетом важное качество устойчивости к отказам в рамках второго подхода.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов и средств построения отказоустойчивых бортовых цифровых САУП при отказах вычислителей данных систем. При этом разработка методов и средств основывается на предлагаемой в работе классификации отказов элементов бортового оборудования и результатах анализа интенсивности использования самолетного парка "Vietnam airlines" вследствие конкретных отказов.

Постановленная цель достигается путем решения следующих основных задач:

1. Анализа интенсивности использования самолетного парка "Vietnam airlines" в первую очередь вследствие отказов элементов бортового оборудования.

2. Классификации отказов элементов бортового оборудования на основе признака очевидности (явности) или неочевидности (неявности) для экипажа и способах их учета и предупреждения.

3. Анализа методов и средств построения отказоустойчивых систем управления вообще и систем управления полетом в частности.

4. Разработки методов и средств, обеспечивающих толерантность системы к явным отказам вычислителя автопилота.

5. Разработки метода параметрического синтеза цифрового закона управления автомата тяги.

6. Разработки метода построения логической схемы управляющего автомата, являющегося основой устройства управления БЦВМ, исходя из динамики системы управления полетом и способа представления передаточной функции БЦВМ.

Для решения указанных задач в работе использовались методы анализа и синтеза аналоговых и цифровых систем автоматического управления, теории управления движущихся объектов, теории чувствительности систем, теории конечных автоматов, а также методы цифрового моделирования динамических систем.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Формализованным путем показана суть алгоритмических методов обеспечения отказоустойчивости САУП. Выделены две группы методов подобного обеспечения - прямые и адаптивные.

2. Сформулирована и формализована методика формирования цифровых корректирующих законов, уменьшающих влияние отказов вычислителя на динамику системы управления. Методика апробирована для двух классов систем - с минимальным и конечным временем установления. В качестве последней рассматривается автоматическая система угловой стабилизации самолета.

3. Разработан метод параметрического синтеза цифрового закона управления на примере автомата тяги. При этом обоснованы: выбор оценки соответствия цифровой и аналоговой моделей, перечень синтезируемых параметров цифровой модели.

4. Сформулирована и формализована методика синтеза логической схемы конечного автомата, являющегося основой устройства управления БЦВМ, исходя из заданной формы программирования передаточной функции В (ъ) цифрового БВ и его операционной структуры. Методика базируется на классическом методе синтеза микропрограммных автоматов.

Практическая ценность работы заключается в обоснованных рекомендациях по:

- систематизации мероприятий по учету и предупреждению отказов элементов бортового оборудования;

- увеличению интенсивности использования самолетного парка "Vietnam airlines" вследствие предложенных методов и средств построения отказоустойчивых бортовых систем управления;

- методике синтеза толерантных цифровых законов управления полетом самолетов гражданской авиации;

- архитектуре отказоустойчивых систем.

На защиту выносятся:

- анализ интенсивности использования самолетного парка "Vietnam airlines" вследствие отказов элементов бортового оборудования;

- анализ методов и средств построения отказоустойчивых систем управления (в том числе систем управления полетом);

- методика и результаты синтеза цифровых корректирующих законов, уменьшающих влияние отказов бортового цифрового вычислителя на динамику системы управления полетом. Полученные результаты позволяют классифицировать отказ вычислителя автопилота, являющийся по сути опасным, как неопасный, и учитывать его в минимальном перечне оборудования (МПО);

- методика и результаты параметрического синтеза цифрового закона управления, реализуемого в вычислителе автомата тяги самолета;

- методика и результаты синтеза управляющего автомата, положенного в основу работы устройства управления бортового цифрового вычислителя, для обеспечения надежной реализации последовательности выполнения операций при вычислении дискретного закона управления полетом.

Результаты, полученные в диссертационной работе, использованы в деятельности инженерно-авиационной службы "Vietnam airlines" при разработке мероприятий по предупреждению отказов элементов бортового оборудования и увеличению интенсивности использования самолетного парка (акт внедрения, утвержденный вице-президентом "Vietnam airlines" в январе 2005 г.). Материалы диссертационной работы используются при изложении курсов "Авиационные приборы и пилотажно-навигационные комплексы", "Бортовые информационно-управляющие системы" на факультете летной эксплуатации и инженерно-техническом факультете Академии гражданской авиации.

Основные результаты научных исследований докладывались и обсуждались на:

- международной научно-технической конференции "Vietnam Airlines - Boeing", Вьетнам, Ханой, 2002 г.;

-техническом семинаре Vietnam Airlines, Вьетнам, Ханой, 2003 г.;

- Пятой международной научно-технической конференции "Чкалов-ские чтения", Россия, Егорьевск, 2004 г.;

- XII Туполевских чтениях (Международная молодежная научная конференция), Россия, Казань, 2004 г.;

- расширенных семинарах кафедры систем автоматизированного управления Академии ГА, Россия, Санкт-Петербург, 2002-2004 гг.

По результатам диссертационных исследований опубликовано 14 печатных работ, в том числе 9 - в российских изданиях, 5 - во вьетнамских.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. В конце каждой главы делаются выводы. В приложении представлен акт о внедрении результатов работы.

Выводы по главе 5

1. Разработан метод обеспечения высоконадежной реализации последовательности выполнения операций в цифровом вычислителе, основанный на синтезе управляющего автомата, являющегося основой устройства управления цифрового вычислителя.

2. Показана реализация метода на примере последовательной формы программирования передаточной функции бортового цифрового вычислителя и его заданной операционной структуры.

3. Осуществлено построение элементов логической схемы автомата Мили. Синтез схемы произведен по граф-схеме алгоритма функционирования автомата.

4. Сформулировано и обосновано применение предлагаемого метода к цифровым системам управления полетом самолетов гражданской авиации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ интенсивности использования самолетного парка "Vietnam Airlines". Показано, что интенсивность в значительной степени определяется простоями самолетов на техническом обслуживании и в ремонте, что в свою очередь обусловлено в первую очередь отказами элементов бортового оборудования самолетов. Обосновано, что наиболее отказным элементом данного ПНК является бортовой цифровой вычислитель. Выделены две группы наиболее часто встречающихся отказов БЦВМ - явные отказы вычислителя автопилота и неявные отказы вычислителя автомата тяги.

2. Произведена классификация отказов элементов и агрегатов бортового оборудования. Основными признаками такой классификации предложены явность и опасность отказа для экипажа. Показаны причины возникновения и мероприятия по учету каждой группы отказов. Обосновано, что явные опасные отказы возможно предупредить с помощью "интеллектуального помощника экипажа" - бортовой экспертной системы. Явные неопасные отказы должны входить в Минимальный перечень оборудования, допускающий эксплуатацию ВС при отказах, входящих в МПО. Для борьбы с неявными отказами необходимо совершенствовать программы ТОиР и методы проектирования бортовых систем.

3. Обосновано, что одним из важных направлений теории управления является решение задачи обеспечения отказоустойчивости алгоритмов управления к потере первичной информации, а также в условиях отказа приводов и органов управления. Эта задача включает в себя два необходимых этапа: любой отказ должен быть обнаружен и локализован в кратчайшие сроки, после чего должны быть предприняты соответствующие меры по устранению его последствий.

4. Показано, что классический подход к решению поставленной задачи, основанный на аппаратной избыточности, является дорогостоящим и не всегда дает желаемые результаты. Поэтому следующим, естественным на наш взгляд, шагом в развитии отказоустойчивых САУП является синтез законов управления на основе алгоритмических способов обеспечения отказоустойчивости цифровой системы.

5. Произведен анализ существующих методов и средств повышения надежности вычислителей пилотажно-навигационных комплексов современных воздушных судов. Показано, что наибольшее распространение в настоящее время находят аппаратурная (структурная) избыточность БВ. Формализованным путем показана суть алгоритмических методов обеспечения отказоустойчивости САУП. Исследование проведено в классе линейных систем. Выделены две группы методов подобного обеспечения - прямые и адаптивные.

6. Обосновано, что отказы в ЦУМ приводят к изменению значения коэффициента передачи цифрового вычислителя. Сформулирована и формализована методика формирования цифровых корректирующих законов, уменьшающих влияние отказов вычислителя на динамику системы управления. Методика апробирована для двух классов систем - с минимальным временем установления и с конечным временем. В качестве последней рассматривается автоматическая система угловой стабилизации ВС.

7. Осуществлен параметрический синтез цифрового закона управления автомата тяги. При этом обоснованы: выбор оценки соответствия цифровой и аналоговой моделей; перечень синтезируемых параметров цифровой модели. В качестве оценки соответствия использовано сравнение значений переходных функций цифровой модели и аналоговой модели-прототипа. Параметрами синтезируемой цифровой модели выбраны период дискретности системы и запаздывание, вносимое ЦУМ. Произведен анализ влияния различных методов численного интегрирования и дифференцирования, реализуемых в цифровом вычислителе, на характеристики модели цифрового ПИ-регулятора.

8. Разработан метод обеспечения высоконадежной реализации последовательности выполнения операций в цифровом вычислителе, основанный на синтезе управляющего автомата, являющегося основой устройства управления цифрового вычислителя. Показана реализация метода на примере последовательной формы программирования передаточной функции бортового цифрового вычислителя и его заданной операционной структуры. Осуществлено построение элементов логической схемы автомата Мили. Синтез схемы произведен по граф-схеме алгоритма функционирования автомата. Сформулировано и обосновано применение предлагаемого метода к цифровым системам управления полетом самолетов гражданской авиации.

1. Авиационные цифровые системы контроля и управления / Под ред. С.А.Мясникова, В.П.Петрова.- Л.: Машиностроение, 1976.-608с.

2. Автоматизированное управление полетом воздушных судов/ В.М.Кейн, О.И.Михайлов, Н.Н.Сухих и др. / Под ред. С.М.Федорова. М.: Транспорт, 1992. - 264 с.

3. Автоматизированное управление самолетами и вертолетами/Под ред. С.М.Федорова. М.: Транспорт, 1977. - 246 с.

4. Автоматизированные системы управления воздушным движением. Новые информационные технологии в авиации: Учеб. пособ./ Р.М.Ахмедов, А.А.Бибутов, А.В.Васильев и др. / Под ред. С.Г.Пятко. СПб.: Политехника, 2004. - 446 с.

5. Анисимов Г.В. Системы управления полетом и пилотажно-навигационные комплексы / Г.В.Анисимов, Ю.Г.Кассин. Рига: РКИИГА, 1984.-90 с.

6. Баллард Д. Проектирование сверхнадежных микропроцессорных систем / Д.Баллард // Электроника. 1979. - Т. 52. № 1. - С.73 - 80.

7. Баранов С.И. Синтез микропрограммных автоматов (граф-схемы и автоматы) / С.И.Баранов. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергия, 1979. -232 с.

8. Безопасность полетов / Под ред. Р.В.Сакача. М.: Транспорт, 1989.-240 с.

9. Белогородский С.Л. Автоматизация управления посадкой самолета / С.Л.Белогородский. М.: Транспорт, 1972. - 352 с.

10. Белоусов Ю.А. Отказоустойчивые бортовые вычислительные системы. Вопросы построения аппаратной части / Ю.А.Белоусов // Авиакосмическое приборостроение. 2003. - № 3. - С.18 - 24.

11. Бесекерский " В.А. Цифровые автоматические системы / В.А.Бесекерский. М., 1976. - 576 с.

12. Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами / В.А.Боднер. М.: Машиностроение, 1973. - 504 с.

13. Бородин В.Т. Пилотажные комплексы и системы управления самолетов и вертолетов / В.Т.Бородин, Г.И.Рыльский. М.: Машиностроение, 1978.-242 с.

14. Бортовые вычислительные системы / А.М.Шевченко, Э.М.Мамедли, Ю.П.Струков. Под ред. Б.Н.Петрова // ВИНИТИ. Итоги наукии техники. 1978. - № 6. - 114 с.

15. Бочкарев В.В. Автоматизированное управление движением авиационного транспорта / В.В.Бочкарев, Г.А.Крыжановский, Н.Н.Сухих. / Под ред. Г.А.Крыжановского. М.: Транспорт, 1999. - 319 с.

16. Бочкарев А.М. Бортовое радиоэлектронное оборудование летательных аппаратов / А.М.Бочкарев, Ю.П.Струков // ВИНИТИ. Итоги науки и техники. 1990. -№11.- С. 4 - 248.

17. Вайрадян А. С. Надежность автоматизированных систем управления. Ч. 1/А. С.Вайрадян, Ю.Н.Федосеев. Под ред. Я.А.Хетагурова. М.: МИФИ, 1973.-238 с.

18. Васильев С.Н. От классических задач регулирования к интеллектуальному управлению / С.Н.Васильев // Теория и системы управления. Известия РАН.-2001.-№ 1.- С. 5-22.

19. Васильев С.Н. От классических задач регулирования к интеллектуальному управлению / С.Н.Васильев // Теория и системы управления.И звестия РАН. 2001. - № 2. - С. 5 - 21.

20. Воробьев В.Г. Технические средства и методы обеспечения безопасности полетов / В.Г.Воробьев, Б.В.Зубков, Б.Д.Уриновский. — М.: Транспорт, 1989.- 151 с.

21. Глумов В.М. Алгоритмическое обеспечение отказоустойчивости систем автоматического управления / В.М.Глумов, С.Д.Земляков, В.Ю.Рут-ковский и др. // Автоматика и телемеханика. 1988. - № 9. - С.З - 33.

22. Горлатых C.B. Развитие электронного оборудования современных пассажирских самолетов / С.В.Горлатых // Проблемы безопасности полетов. 1987. - № 12. - С.49 - 58.

23. Горовиц М.А. Синтез систем с обратной связью / М.А.Горовиц. -М.: Сов. радио, 1970. 600 с.

24. Гришин Ю.П. Динамические системы, устойчивые к отказам / Ю.П.Гришин, Ю.М.Казаринов. М.: Радио и связь, 1985. - 176 с.

25. Далецкий C.B. Проблемы формирования системы ТОиР воздушных судов гражданской авиации / С.В.Далецкий. М.: МАИ, 2001. - 96 с.

26. Динамика систем управления ракет с бортовыми цифровыми вычислительными машинами / Под ред. М.С.Хитрика, С.М.Федорова. М.: Машиностроение, 1976. - 272 с.

27. Догановский С.А. Параметрические системы автоматического регулирования / С.А.Догановский. М.: Энергия, 1973.

28. Епифанов А.Д. Избыточные системы управления летательнымиаппаратами / А.Д.Епифанов. М., 1978. - 144 с.

29. Жердев Н.К. Контроль устройств на интегральных схемах / Н.К.Жердев, Б.П.Креденцер, Р.И.Белоконь. Киев: Техника, 1986. - 160 с.

30. Жуковский В.И. Многокритериальное принятие решений в условиях неопределенности / В.И.Жуковский, В. С.Молоствов. М.: МНИИПУ, 1988.-98 с.

31. Иыуду К.А. Математические модели отказоустойчивых вычислительных систем / К.А.Иыуду, С.А.Кривощеков. М.: МАИ, 1989. - 144 с.

32. Казарчук В.В. Техническая эксплуатация навигационных комплексов воздушных судов / В.В.Казарчук. Киев: КИИГА, 1975. - 310 с.

33. Климов В.Т. Бортовые системы для оценки особых ситуаций/ В.Т.Климов // Проблемы безопасности полетов. 1989. - № 8. - С. 7 - 14.

34. Королев В.М. Тенденции развития бортовых средств предупреждения и предотвращения особых ситуаций воздушного судна в полете/ В.М.Королев, С.П.Никифоров // Авиакосмическое приборостроение. 2003. -№ 3. - С. 36-40.

35. Кофман М.М. Методология проектирования перспективных авиационных комплексов бортового оборудования / М.М.Кофман, П.П.Парамонов, Ю.И.Сабо // Авиакосмическое приборостроение. 2003. - № 5. — С. 2 -8.

36. Крыжановский Г.А. Введение в прикладную теорию управления воздушным движением / Г.А.Крыжановский. М.: Машиностроение, 1984. -368 с.

37. Методы введения избыточности для вычислительных систем. Пер. с англ. / Под ред. В. С.Пугачева. М.: Сов. радио, 1966. - 276 с.

38. Михалев И.А. Системы автоматической посадки / И.А.Михалев, Б.Н.Окоемов, М. С.Чикулаев. — М.: Машиностроение, 1975. 203 с.

39. Надежность автоматизированных систем управления: Учеб. / И.О.Атовмян, А. С.Вайредян, Ю.П.Руднев и др. Под ред. Я.А.Хетагурова. -М.: Высш. шк., 1979. 287 с.

40. О синтезе многосвязных систем автоматического регулирования при учете возможных отказов в регуляторе / Ю.М.Гусев, Н.К.Зайнашев, Б.Г.Ильясов и др. // Автоматика и телемеханика. 1977. - № 2.

41. Озерный H.A. Системы с параметрической обратной связью / Н.А.Озерный. М.: Энергия, 1974. - 248 с.

42. Олянюк П.В. Мировая система воздушного транспорта: Учеб. пособ. / П.В.Олянюк. СПб.: АГА, 2004. - 418 с.

43. Олянюк П.В. Радионавигационные устройства и системы гражданской авиации: Учеб.для вузов / П.В.Оянюк, Г.П.Астафьев, В.В.Грачев. -М.: Транспорт, 1983.-320 с.

44. От анализа надежности к комплексному обеспечению эксплуатационно-технических характеристик авиационно-космической техники / Под ред. А.Н.Петрова. -М.: МАИ, 2002. 120 с.

45. Отказоустойчивые системы // Труды института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (ТИИЭР). 1978. - № 10. - 218 с.

46. Петров А.Н. Об эксплуатации воздушного судна с допустимыми отказами оборудования / А.Н.Петров, А.Г.Ковалев, Тран Ван Донг // Проблемы эксплуатации и совершенствования транспортных систем: Межвуз. темат. сб. науч. тр. СПб.: АГА, 2002. - С.35 - 39.

47. Петров Б.Н. Проблемы гибкости и надежности управления в теории бортовых терминальных систем / Б.Н.Петров // Автоматика и телемеханика. 1981. -№ 2. - С.15 -24.

48. Питерсон У. Коды, исправляющие ошибки / У.Питерсон, Э.Уэлдон. М.: Мир, 1976. - 596 с.

49. Половко A.M. Основы теории надежности / А.М.Половко. М.: Наука, 1964.-446 с.

50. Попов Э.В. Экспертные системы: Решение неформализованных задач в диалоге с ЭВМ / Э.В.Попов. М.: Наука, 1987. - 288 с.

51. Поспелов Г. С. Искусственный интеллект основа новой информационной технологии / Г. С.Поспелов. - М.: Наука, 1988. - 278 с.

52. Прозоров С.Е. Цифровые вычислительные системы авиационных комплексов: Учеб. пособ./ С.Е.Прозоров. Киев: КИИГА, 1990. - 160 с.

53. ИКАО. Док. 9642. Руководство по сохранению летной годности. Монреаль, 1995. - 114 с.

54. Рутковский В.Ю. Адаптивное координатно-параметрическое управление / В.Ю.Рутковский, С.Д.Земляков // Вопросы кибернетики. Системы и методы управления движущимися объектами. 1984.

55. Сапожников P.A. Надежность автоматических управляющих систем / Р.А.Сапожников, А.А.Бессонов, А.Г.Шоломицкий. М.: Высш. шк., 1964.-246 с.

56. Сидоров В.Н. Алгоритмическая надежность цифровых систем управления / В.Н.Сидоров, Р.М.Юсупов. Л.: ЛВИКА, 1969. - 101 с.

57. Системы автоматического и директорного управления самолетом / И.А.Михалев, Б.Н.Окоемов, И.Г.Павлина и др. М.: Машиностроение,1974.-311 с.

58. Сухих H.H. О чувствительности автоматической системы к изменению коэффициента передачи цифрового управляющего устройства / Н.Н.Сухих // Известия вузов. Сер.: Приборостроение. 1991. - № 10. - С. 30 -36.

59. Сухих H.H. Об использовании экспертных систем для управления полетом воздушного судна / Н.Н.Сухих // Проблемы навигации и управления воздушным движением: Межвуз. темат. сб. науч. тр. Л.: ОЛАГА, 1989.- С.126 — 130.

60. Сухих H.H. Определение функции чувствительности некоторых дискретных звеньев / Н.Н.Сухих // ОЛАГА. Труды. 1987. - № 72. - С.65 -70.

61. Сухих H.H. Предупреждение предельных режимов полета / Н.Н.Сухих. М.: Транспорт, 1992. - 62 с.

62. Сухих H.H. Экспертные системы средство информационной поддержки принятия решений экипажем самолета / Н.Н.Сухих. - СПб.: Знание, 1991.-21 с.

63. Сухих H.H. Реализация цифровых фильтров в цифровом вычислителе заданной операционной структуры / Н.Н.Сухих, Тран Ван Донг // Известия вузов. Сер.: Приборостроение. 2005. - № 7. - С.28 - 32.

64. Сухих H.H. Снижение влияния человеческого фактора на безопасность полетов с помощью экспертных систем / Н.Н.Сухих, С.М.Федоров // ИКАО. Циркуляр 229 AN/137. - Монреаль, 1990. - С. А551 - А556.

65. Тран Ван Донг. Взаимосвязь между развитием программы технического обслуживания самолетов и их надежностью/ Тран Ван Донг // Тезисы доклада международной научно-технической конференции "Vietnam Airlines Boeing". - Ханой, 2002. - 3 с. (в соавт.).

66. Тран Ван Донг. Повышение эффективности эксплуатации самолетов VNA путем уменьшения времени их технического обслуживания / Тран Ван Донг // Тезисы доклада технического семинара Vietnam Airlines. — 2003.-4 с. (в соавт.).

67. Тран Ван Донг. Об опыте эксплуатации цифровых ПНК самолетов вьетнамской авиакомпании/ Тран Ван Донг // 5-я Международная научно-техническая конференция, каловские чтения: Сб. матер. Егорьевск: ЕАТК им. В.П.Чкалова, 2004. - С. 148.

68. Тран Ван Донг. Реализация прямого метода алгоритмического обеспечения отказоустойчивости цифровой автоматической системы управления полетом при использовании функции чувствительности / Тран Ван Донг // Проблемы транспорта. 2004. -№11.- С. 172 - 175.

69. Тран Ван Донг. Методика определения уровня надежности самолетов VNA / Тран Ван Донг // Бюллетень технической документации VNA. -2000. 10 с.

70. Тран Ван Донг. Методика формирования минимального перечня оборудования для самолетов гражданской авиации Вьетнама / Тран Ван Донг // Бюллетень VNA. 2004. - № 45. - С. 12-15.

71. Тран Ван Донг. О надежности авиационной техники, эксплуатируемой во вьетнамской авиакомпании/Тран Ван Донг // Проблемы эксплуатации и совершенствования транспортных систем. Т. 9. Ч. 14: Межвуз. темат. сб. науч. тр. СПб.: АГА, 2004. - С.24 - 28.

72. Тран Ван Донг. О синтезе параметров цифрового управляющего устройства/ Тран Ван Донг // Проблемы эксплуатации и совершенствования транспортных систем. Т. 10: Межвуз. темат. сб. науч. тр. СПб.: АГА, 2005. - С.171 -174.

73. Тран Ван Донг. Применение MEL в VNA/ Тран Ван Донг // Вьетнамский авиационный институт. Сб. науч. тр. 2001. - № 6. - 10 с.

74. Тран Ван Донг. Стабилизация скорости полета с помощью аналогового и цифрового ПИ-регулятора / Тран Ван Донг // Проблемы эксплуатации и совершенствования транспортных систем. Т. 10: Межвуз. темат. сб. науч. тр. СПб.: АГА, 2005. - С.27 - 33.

75. Уколов И. С. Принцип избыточности в проблеме разработки ИСАУ JIA/И. С.Уколов, В.Г.Языков // Вопросы кибернетики. Интегрированные системы активного управления летательными аппаратами. М., 1982. -С.4-15.

76. Федоров С.М. Бортовые информационно управляющие системы: Учеб. для вузов / С.М.Федоров, О.И.Михайлов, Н.Н.Сухих. / Под ред.

77. С.М.Федорова. -М.: Транспорт, 1994. 298 с.

78. Черкесов Г.Н. Надежность технических систем с временной избыточностью / Г.Н.Черкесов. М.: Сов. радио, 1974. - 296 с.

79. Шмидт Г. Чувствительность импульсных систем с конечным временем установления / Г.Шмидт // Чувствительность автоматических систем: Труды междунар. симп. по чувств, сист. автомат, управл. М.: Наука, 1968.- С.31-38.

80. Эффективность технической эксплуатации самолетов гражданской авиации / С.В.Далецкий, О-Я.Деркач, А.Н.Петров. М.: Воздуш. трансп., 2002.-216 с.

81. Яцков Н.А. Основы построения автоматизированных систем контроля полетов воздушных судов: Учеб. для вузов ГА / Н.А.Языков. Киев: КИИГА, 1989.-344 с.

82. Alliot J.M., Bosc J.F., Durand N. Et al. An Experimental Study of ATM Capacity // Proc. 1-st U.S.A./Europe Air Traffic Management R&D Seminar, 1997, ht-tp://atm-seminar-97.eurocontrol.fr/bosc.htm.

83. Barto A.G., Bradtke S.J., Singh S.P. Real-Time Learning and Control Using Asynchronous Dynamic Programming. Technical Report COINS 91-57. Amherst, MA: Univ. Of Massachusetts, 1992. P. 10.

84. Bena K. Des systems experts prenneuf l'air avec Swissair // Rev. polytechn. 1988. - N 1058. - S. 207-209.

85. Boskovic J.D., Narendra K.S. Conparison of Linear, Nonlinear, and Neural Network Based Adaptive Controllers for a Class о Fed-Batch Fermentation Processes // Automatica. 1995. V. 31. N 6. P. 221-230.

86. Cooper A.E., Chow W.T. Development of on-board space computer systems. IBM Journal research and development, V. 20, N 1, 1976. P. 21-32.

87. Gupta Naren K., Walker Robert A. Robust fault detection techniques // AIAA Guide a. Contr. Conf. Seattle; Washington, 1984. Collect. Techn. Pap. New York, 1984. P. 758-760.

88. Hendrick R.G. Application of analytical redundancy // SAE Techn. Pap. Ser. 1985. N 851825. P. 1-7.

89. Kohn W. Declarative Control Architecture // Communications of the ACM. 1991. V. 34. N. 8. P. 34-42.

90. McDermott J. Rl: A Rule-Based Configurer of Computer Systems // Artificial Intelligence. 1982. V. 19. N. 1. P. 61-70.

91. Michalewicz Z. Genetic Algorithms + Data Structures = Evolution Programs. Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag, 1994. P. 72.

92. Rauch H.E. Intelligent Fault Diagnosis and Control Reconfiguration // IEEE Control Systems Mag. 1994. N 1. P. 105-109.

93. Rauch H.E., Schmidt T., Natoni B. Daptive Control of a High-Speed Ship // Proc. 9th Yale Workshop on Adaptive and Learning Systems, 1996. P. 8-17.

94. Schmidt G. Epmfindlichkeits Untersuchungen an Abtast-systemen mit endlichen Einstellseit. Regelungstechnik. - 1966. -N 7. - S. 18-22.

95. Tsypkin Ya. Z. Learning in Robust Control Systems // Intelligent Control Systems: Theory and Applications / Eds. M.M. Gupta, N/K/ Singa. N.Y.: IEEE Press. 1996. P. 111-119.