автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Разработка алгоритмических методов обеспечения живучести и безопасности информационно-управляющих систем

На правах рукописи

РГБ ОЛ

СУЯРГУЛОВ Тимур Рпмович

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИВУЧЕСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

Специальность 05.13.14 — Системы обработки информации и упраллснпя

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени кандидата технических паук

УФА 2000

Работа выполнена на кафедре «Авиационное приборостроение» Уфимскс государственного авиационного технического университета.

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Ефанов В.Н.

доктор технических наук, профессор Уразбахтина Л.Б. кандидат технических наук, доцент Гвоздев В.Е. УНПП «Молния»

Защита состоится « » 01 _ 2000 г. в « 14 » часов на заседай! диссертационного совета Уфимского государственного авиационного тсхническо, университета по адресу: 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического.университета.

Автореферат разослан « и » $4 _2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д-р техн. наук, профессор (ЮЙ^^®" В.НЕфанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Анализ последствий внедрения новых технологий в условиях роста сложности технических систем свидетельствует об увеличении риска возникновения крупных аварий. Для ограничения уровня неблагоприятного техногенного воздействия большинство крупных промышленных государств провело комплексные исследования, направленные на обеспечение безопасного функционирования технических и производственных систем. Важную роль в решении указанной проблемы сыграли работы отечественных ученых Б.Н.Петрова, С.Д.Землякова, В.Ю.Рутковского, И.А.Рябинина, Б.Г.Волика, А.Г.Додонова, Г.В.Дружинина, Н.И.Подлесного, Г.Н.Черкесова и ряда других исследователей, заложивших основы теории отказоустойчивых и живучих систем. Однако традиционные принципы обеспечения отказоустойчивости и живучести предполагают сохранение исходных целей функционирования при возникновении отказов и других возможных нарушений. Стремление выполнить поставленную задачу в подобных неблагоприятных условиях часто приводит к появлению ситуаций, опасных для людей и окружающей среды.

В связи с этим, важное значение приобретают исследования, направленные на формирование особой стратегии управления поведением потенциально опасных технических и производственных объектов. Такая стратегия должна предусматривать изменение целей функционирования при возникновении опасных ситуаций, перераспределение ресурсов, направленных на достижение новых целей, и разработку алгоритмов упраатения этими ресурсами, призванных предотвратить или минимизировать неблагоприятные последствия возникающих опасных ситуаций. Следует отметить, что принятие решений о целевой, функциональной и алгоритмической реконфигурации исследуемых систем производится в условиях крайней (или существенной) нехватки научных данных. поскольку приходится иметь дело с редкими событиями и процессами, имеющими не эволюционный, а скачкообразный характер.

Указанные обстоятельства обуславливают актуальность сформулированной темы исследования, направленного на разработку методики реконфигурации алгоритмов управления, учитывающей соотношение между целевым предназначением, динамически изменяемым функциональным обликом и допустимым уровнем безопасности информационно-управляющих систем (НУС) технических и производственных объектов, в частности, систем авиационной автоматики.

Цель диссертационной работы

Разработка алгоритмических методов обеспечения живучести и безопасности информационно-управляющих систем (РТУС), исследование принципов их структурной и параметрической организации, обеспечивающих высокую эффективность функционирования технических и производственных объектов

в условиях риска и неопределенности, а также в практическом применении разработанных методов при проектировании систем авиационной автоматики.

Задачи исследования

Для достижения сформулированной цели исследования в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи.

1. Анализ особенностей возникновения и развития опасных ситуаций с целью оценки возможности минимизации их последствий за счет реконфигурации алгоритмов управления.

2. Разработка методики реконфигурации алгоритмов управления с учетом целевого предназначения НУС, ее динамически изменяющегося функционального облика и допустимого уровня безопасности.

3. Разработка метода совмещенного синтеза алгоритмов управления и реконфигурации в условиях дефицита достоверной информации о характеристиках потоков нарушений и о их влиянии на свойства и поведение системы.

4. Разработка инструментальных средств для автоматизации процедуры синтеза алгоритмов управления и реконфигурации.

5. Оценка эффективности применения предложенных методов и атго-ритмов на примере перспективных систем авиационной автоматики, в частности, САУДУ 27.

Методы исследования

При решении поставленных в диссертационной работе задач использовались методы теории надежности, теории автоматического управления, теории ортогональных многочленов, теории экспертных оценок, теории нечетких множеств, численные методы решения задач оптимизации.

На защиту выносятся

2 .Концепция управления поведением ИУС с учетом требований к безопасности, предусматривающая, изменение целей функционирования системы при возникновении опасных ситуаций.

2.Методика циклической реконфигурации алгоритмов управления, позволяющая разрешить противоречие между полнотой и длительностью процедуры восстановления нормального функционирования ИУС при возникновении нарушений.

3.Методика каскадной реконфигурации алгоритмов управления на основе принципа нечеткой стабилизации ИУС, обеспечивающая в процессе накопления нарушений сохранение допустимого уровня безопасности функционирования за счет рационального перераспределения ресурсов системы.

4.Алгоритмическое и программное обеспечение процедуры синтеза перспективной отказоустойчивой САУ ДУ 27, обеспечивающей безопасные режимы работы силовой установки при возникновении отказов функциональных элементов в контурах винтовентиляторов и газогенератора.

Научная новизна

1. Новизна предложенной концепции состоит в изменении приоритетов при разработке ИУС потенциально опасных технических и производственных объектов. В отличие от известных принципов обеспечения отказоустойчивости и живучести ИУС, предусматривающих сохранение при возникновении нарушений основных функций и целен управления, предлагаемая концепция допускает изменение функционального облика и целевого предназначения системы, если их сохранение приводит к недопустимому неблагоприятному воздействию на людей и окружающую среду.

2. В методике циклической реконфигурации ИУС впервые предложено осуществлять совместный синтез исходного алгоритма управления и алгоритма реконфигурации при возникновении нарушений. Новым является критерий синтеза в виде желаемой области значений вектора нечетких ожиданий выходных реакций ИУС, математическое описани? которого базируется на специально построенных дискретных ортогональных многочленах типа Хака и аналитической процедуре формирования функций принадлежности к нечетко заданным состояниям синтезируемой системы.

3. Отличительная особенность методики каскадной реконфигурации заключается в использовании сформулированного принципа нечеткой стабилизации, позволяющего оценивать работоспособность сложных технических систем в условиях структурной и параметрической неопределенности. Доказано достаточное условие нечеткой стабилизации ИУС, на основе которого осуществляется синтез алгоритмов управления, обеспечивающих безопасную эксплуатацию технических и производственных систем в процессе функциональной деградации последних.

4. Новизна системы автоматического управления параметрами ТВВД состоит в предложенном принципе предотвращения недопустимых режимов работы силовой установки за счет согласованного управления контурами винто-вентшшторов и газогенератора.

Практическая значимость и внедрение результатов работы

Диссертационная работа является составной частью комплексных исследований по разработке высокоэффективных систем управления, выполнявшихся на кафедрах авиационного приборостроения и промышленной электроники УГАТУ по темам АП-ПЭ-35-96-03, АП-АП-34-99-03. Прикладные исследования, выполненные автором в рамках указанных выше научно- исследовательских работ, определяют практическую значимость следующих результатов диссертации:

- инженерных методик циклической и каскадной реконфигурации алгоритмов управления с учетом требований к безопасности функционирования бортовых информационно-управляющих систем, синтеза алгоритма управления по желаемой области значений нечеткого ожидания вектора выходных реакций информационно-управляющих систем, а также синтеза алгоритма управ-

ления на основе принципа нечеткой стабилизации информационно-управляющих систем;

- программных модулей циклической и каскадной реконфигурации алгоритмов управления с учетом требований к безопасности функционирования бортовых информационно-управляющих систем;

использование указанных методик и программных средств позволяет сократить в среднем на 20-30% время, затраченное на расчетно-теоретические работы при проектировании систем данного класса;

- структура, законы управления и алгоритмы работы совмещенной системы управления контурами винтовентиляторов и газогенератором ТВВД; их использование обеспечивает сокращение аппаратурных затрат на 50-67% по сравнению с вариантами, предусматривающими непосредственное резервирование агрегатов.

Перечисленные результаты использованы в опытно-конструкторских разработках АО "Пирометр" (г. Санкт-Петербург) при исследовании и доводке перспективных систем автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

1.Вторая международная научная конференция «Методы и средства управления технологическими процессами», Мордовский государственный университет, г.Саранск, 1997 г.

2.Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и тфорштика-98», Московский государственный институт электронной техники, г.Зеленоград, 1998 г.

3. Республиканская научно-техническая конференция «Интеллектуальное управление в сложных системах», Уфимский государственный авиационный технический университет, г.Уфа, 1999 г.

4. Международная молодежная научно-техническая конференция «Интеллектуальные системы управления и обработки информации», Уфимский государственный авиационный технический университет, г.Уфа, 1999 г.

5. Международный симпозиум по актуальным проблемам создания авиационных двигателей, Уфимский государственный авиационный технический университет, г.Уфа, 1999 г.

Публикации

Основные положения, представленные в диссертации, опубликованы в 12 научных работах.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 118 наименований и приложения. Основное содержание изложено на 153 страницах машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении к диссертации обосновывается актуальность решаемой научной задачи, формулируются цель и задачи исследования, их научная новизна и практическая значимость.

Первая глава содержит анализ проблемы обеспечения живучести и безопасности ИУС сложных технических и производственных объектов, на основе которого предлагаются основные принципы управления поведением систем данного класса с учетом их целевого предназначения, динамически изменяющегося функционального облика и допустимого уровня безопасности.

Отмечается, что многообразие причин возникновения нарушений нормального режима функционирования ИУС и отсутствие достоверной информации о количественных характеристиках потоков нарушений обусловливают низкую эффективность традиционных методов обеспечения надежности, направленных на сохранение и восстановление исходного алгоритма управления. С другой стороны, в сложных технических системах достижение заданной цели функционирования оказывается возможным за счет реализации нескольких вариантов алгоритма управления, ориентированных на различный состав исправных агрегатов. Такой подход широко используется при создании систем с высокой степенью живучести, когда реконфигурация исходного алгоритма управления обеспечивает мягкую деградацию системы за счет перераспределения функций между оставшимися ресурсами. Проведенные исследования особенностей возникновения и развития аварийных процессов в производственных и технических системах позволили сформулировать аналогичную стратегию гибкого приспособления ИУС к новым условиям функционирования, предусматривающую реконфигурацию ее функционального и алгоритмического облика с учетом возможного изменения цели функционирования. Предлагаемая концепция управления поведением ИУС с учетом требований к безопасности, базируется на том обстоятельстве, что одна и та же причина может привести к различным последствиям в зависимости от условий, в которых развивается неблагоприятная ситуация. Это свидетельствует о возможности минимизировать или предотвратить неблагоприятные последствия за счет оперативного управления опасной ситуацией. Однако такая возможность может быть реализована только в том случае, когда необходимые меры принимаются своевременно, поскольку в системах реального времени всегда существует определенный порог длительности восстановления нормального функционирования, превышение которого вызывает необратимое развитие опасной ситуации. В связи с этим возникает объективное противоречие между полнотой и длительностью восстановления нормальной производственной ситуации. Суть противоречия состоит в том, что упрощенные процедуры восстановления, не требующие значительных временных затрат, не исключают полностью последствия неблагоприятных факторов, создавая тем самым предпосылки для повторного возникновения неблагоприятной ситуации. С другой стороны, детальное изучение причин возникновения опасной ситуации и возможных путей ее развития в

сложившихся условиях, необходимое для полного восстановления нормального режима работы производственного оборудования, требует значительных временных затрат, которые могут привести к необратимым последствиям. Предлагаемый в работе механизм разрешения данного противоречия основан на формировании некоторого множества работоспособных структур управляющей части ИУС, которые способны взаимодействовать с различными наборами функциональных элементов и позволяют осуществлять гибкую перестройку алгоритма функционирования при возникновении опасных ситуаций.

Сравнительный анализ концепций, положенных в основу алгоритмических методов обеспечения живучести и безопасности ИУС, представлен на рис Л. Общей чертой обеих концепций является стремление сохранять и восстанавливать способность к выполнению основных функций ИУС в требуемом объеме в течении заданной наработки при наличии определенного количества отказов. Однако после достижения порога отказоустойчивости, который определяется доступными в текущий момент функциональными ресурсами, дальнейшая стратегия управления поведением системы различается. При реализации концепции живучести характер деградации системы определяется ее способностью выполнять приоритетные подмножества функций, которые формируются в соответствии с исходной целью функционирования. Концепция безопасности предусматривает изменение цели функционирования системы для сохранения допустимого уровня безопасности.

Выявленные общие закономерности обеспечения постепенной деградации ИУС с учетом требований к живучести и безопасности, позволили разработать универсальные механизмы циклической и каскадной реконфигурации (рис.2). Механизм циклической реконфигурации обеспечивает отказоустойчивость ИУС за счет разрешения противоречия между полнотой и длительностью восстановления исходного алгоритма управления и включает в себя два этапа: этап прямой реконфигурации, предусматривающий перевод системы на ре-

оттглпитм х/тттчоТ>ттлитжлг п«т? Плочти-тгаоситип «^тттлтхй т» гчтогг лЛлптттлт'!

реконфигурации, реализующий возврат системы на исходный алгоритм после завершения процедуры восстановления. Для циклической реконфигурации характерно сохранение цели функционирования ИУС. Каскадная реконфигурация реализуется в случае полной утраты системой способности выполнять отдельные функции и предполагает изменение алгоритма управления, сопровождающееся переходом к новому приоритетному подмножеству функций, включая возможность изменения цели функционирования для восстановления требуемого уровня безопасности.

Рассмотрены особенности алгоритмов циклической и каскадной реконфигурации, определяющие выбор математического аппарата и критериев синтеза при проектировании живучих и безопасных ИУС. На основе проведенного анализа и выявленных закономерностей сформулированы цели и задачи исследования.

фикцисааяьшл ресурсы (ФР)

Чисто нарушений

I/

ГУ

бёэогесжст

Безогашостъ

1ЬхОДПЫЙурОБСШ>

безошзюсги

Фтокхдюнажлье ресурсы

1£хадный ургоень ФР

Г^хярссдеградагвм силему

Уровень «нудасй» эффекгишюс1Я

КряпнескиЙ

)ргвень безопасности

Шсодшйургаекь Ягетаругги

6)

Рис.1. Сравнительный анализ концепций живучести (а) и безопасности (б) ИУС

Начальное состояние (нет отказов)

Обратная реконфигурация

Конечное состояние (полная функциональная деградация)

I каскад

II каскад

N каскад

Рис.2. Механизмы циклической и каскадной реконфигурации

Во второй главе разрабатывается метод синтеза алгоритмов циклической реконфигурации ИУС в условиях дефицита достоверной информации об интенсивностях отказов и длительности восстановления.

При обеспечении свойств живучести и безопасности ИУС важную роль играет механизм мобилизации избыточных функциональных ресурсов системы для достижения заданной цели функционирования и реализующие этот механизм алгоритмы управления и реконфигурации. При разработке подобных алгоритмов необходимо учитывать характерные особенности поведения ИУС. в

± о ¿у! числс ьес

деленные

восстановлений, а также ограничения, определяющие требуемый уровень безопасности и допустимое снижение показателей качества функционирования системы. Для обобщенного описания динамических свойств системы во всей совокупности возможных состояний предложено использовать нечеткое ожидание вектора ее выходных реакций

Е(у(к)) = у(к)

1-1//.0»)

. м

о

1~Х>2 (1-Р)

. 1=Р

(1)

где у(к), }'(к,р), у{к,р,1)- векторы выходных реакций, соответственно, исправной системы, системы с отказом в момент времени (р-\)Т0<т<рТ 0 (р = 1,2,...; Т „ - длительность такта квантования) и системы, которая в момент времени (/ -1)Г ~<в<1Т с возвращается к исходному алгоритму управления;

/л {(p), ц 2(/) - функции принадлежности синтезируемой системы к состоянию с отказом и восстановленному исправному состоянию.

Цель синтеза алгоритмов циклической реконфигурации, в этом случае, будет состоять в обеспечении желаемого поведения обобщенных характеристик (1), соответствующих наиболее ожидаемым моментам возникновения нарушений и восстановлений. Для достижения поставленной цели потребуем, чтобы нечеткое ожидание вектора выходных реакций ИУС принадлежало к заданной временной области, ограниченной вектор-функциями у'}\к) и ут(к)

ут{к)<Е{у{к))<ут{к). (2)

Решение сформулированной задачи синтеза требует установления непосредственной зависимости между временными характеристиками ИУС и искомыми значениями параметров алгоритмов прямой и обратной реконфигурации. С этой целью в работе предлагается использовать метод описания временных характеристик ИУС с помощью дискретных ортогональных функций с экспоненциальной метрикой

?,(k) = t^v(-U~mTo), (/5>0,j = l,2,...). (3)

/=i

Разработана процедура вычисления ортогональных коэффициентов при разложении по выбранному базису вектора выходных реакций МУС непосредственно по системе разностных уравнений, описывающих динамику системы в соответствующем состоянии

у(к)^СГАгФ(к), у(к,рУСГ(р)АтФ(к - р), у(к,р,1)=СГ(р,1)АтФ(к - /), (4) где Ф(к)~\<р1{к)\(1^ - вектор ортогональных функций; Л=|Л4,| ; Г, Т(р),

Г(р,1) - характеристические матрицы ИУС, элементы которых зависят от неизвестных параметров управляющей части.

Разработан аналитический м^тод построения функций принадлежности /л г(1), фигурирующих в записи выражения для нечеткого ожидания (1). В основу этого метода положена процедура максимизации показателей размытости соответствующих нечетких множеств

dt = KY.S(u: (/)) ->■ max, (5)

j-i

при ограничениях на величину нечетких моментов различных порядков

ifM,0>iyN)i(b/Tj, (6)

м м

где оо; i-1,2; 5(//) = -//In//-(1-//)In(1-//) - функция Шеннона; т'ц

- экспертные оценки возможных моментов возникновения отказов и длительности восстановления.

Экстремали функционалов (5) аппроксимируются ортогональными рядами по системе многочленов (3)

= £ [А, ]Л/ехр(Ч/- ) =

м ы м

= I: арНг-ЪМ ), где г = 1,2. (7)

м

Тем самым исключается субъективная составляющая, обусловленная ап-риорньм заданием вида функций принадлежности, и обеспечивается унифицированная форма математического описания последних, аналогичная приведенному выше описанию выходных реакций системы (4). В результате нечеткое ожидание (1) может быть представлено экспоненциальным рядом с кратными показателями, что позволяет свести ограничения (2) к системе алгебраических неразенств относительно искомых параметров. Решение этой системы завершает процедуру синтеза алгоритмов циклической реконфигурации.

Эффективность разработанного метода подтверждается примерами построения функций принадлежности при различном объеме исходной информации о свойствах потоков отказов и восстановлений, а также примером синтеза алгоритмов циклической реконфигурации для системы управления параметрами двухвального турбореактивного двигателя.

В третьей главе излагаются результаты разработки и исследования метода синтеза алгоритмов каскадной реконфигурации ИУС в условиях структурной и параметрической неопределенности.

Если в процессе накопления карушешя; оставшиеся функциональные ресурсы ИУС не обеспечивают выполнения заданных функций, существенно необходимых для достижения исходной цели функционирования системы, то сохранение прежней стратегии поведения может привести К развитию неконтролируемых процессов, что значительно снижает безопасность системы. Для исключения подобных последствий предложено использовать механизм каскадной реконфигурации, направленный на обеспечение плавной деградации целевого предназначения системы, основным условием которой является сохранение допустимого уровня безопасности. Реализация этого механизма предусматривает изменение цели функционирования ИУС в соответствии с располагаемыми ресурсами, что осуществляется на основе углубленного анализа поведения системы в условиях меняющейся внешней и внутренней обстановки. По результатам анализа формируется множество локальных целей управления, упорядоченное по убыванию жесткости требований. Далее производится разбиение множества возможных состояний системы на подмножества, каждому из которых ставится в соответствие реально выполнимая локальная цель управления. Организация последовательного перехода системы в приоритетные подмножества возможных состояний возлагается на алгоритмы каскадной реконфигурации.

В работе выявлен основной круг проблем, связанных с разработкой такого рода алгоритмов. В первую очередь это касается высокого уровня целевой и поведенческой неопределенности реальных технических и производственных ИУС. Для учета подобных неопределенных факторов приходится использовать

методы формирования и формализации экспертной информации в виде нечетких суждений. Показано, что независимо от особенностей процедуры экспертного оценивания, предусматривающей использование как антонимических, так и неантонимических квалификаторов, а также различных схем квантификаторов и модификаторов при построении соответствующих нечетких шкал, требуемая аналитическая форма представления функций принадлежности достигается за счет их аппроксимации ортогональными рядами, аналогичными рассмотренным ранее. При этом высокая точность аппроксимации обеспечивается для всех наиболее характерных психологических доминант задействованных экспертов.

Еще одна проблема, имеющая существенное значение при разработке алгоритмов каскадной реконфигурации, связана с высокой размерностью задачи синтеза, что объясняется большим числом проектных альтернатив, таких как множество структурных вариантов построения ИУС, множество ее возможных состояний, множество достижимых целей управления для произвольных сочетаний элементов двух предыдущих множеств и т.д. В связи с этим в работе предлагается принцип нечеткой стабилизации ИУС, обобщающий особенности поведения сложных технических систем в условиях неопределенности.

Определение. Информационно-управляющая система обладает свойством нечеткой стабилизации, если для любого ограниченного входного воздействия (£)j < h существуют такие постоянные а > 0, b > 0, с > 0, что нечеткие ожидания ее выходных реакций удовлетворяют условиям

(yf (£)J - b\E {у? (^о )| ехр[~ ~ ^о)]+~ ехр[- а{к-кй)]), (8)

при всех к0 и к>к0.

Сформулирована и доказана теорема, согласно которой для обеспечения условий (8) достаточно потребовать выполнения соотношений

det Pq (q)/det P0 (q) = const, для всех г e П, (9)

detP0(q) = P\q),

где P0r (?). Poil) - матрицы операторов ИУС, соответственно, в г-ом и исходном состоянии, P'(q) - полином с заданным распределением корней, Q -множество учитываемых состояний системы.

Доказательство теоремы основано на предложенном способе исследования Z-изображения вектора нечеткого ожидания выходных реакций системы, согласно которому вычисление интеграла в записи выражения для нечеткого ожидания сведено к решению эквивалентной системы дифференциальных уравнений. Показано, что использование аналитического описания функций принадлежности в виде экспоненциальных рядов позволяет осуществить замену операции дифференцирования по нечетко заданному параметру дифференцированием по комплексной переменной г.

Соотношения (9) определяют совокупность структурно-параметрических условий, при выполнения которых изображение вектора нечетких ожиданий

выходных координат системы для неопределенных моментов возникновения нарушений и неопределенных параметров подсистем с нарушениями имеет дробно-рациональный вид с заданным распределением корней характеристического полинома. На основе этих соотношений разработан метод структурно-параметрического синтеза алгоритмов каскадной реконфигурации ИУС и реализующая его вычислительная процедура последовательного сдвига полюсов системы в заданные области их локализации для каждого из множества возможных состояний.

Метод иллюстрируется примером синтеза системы управления полетом и тягой силовой установки вьхокоманевренного летательного аппарата.

Четвертая глава посвящена исследованию эффективности разработанных методов обеспечения живучести и безопасности ИУС применительно к цифровой системе автоматического управления параметрами турбовинтовен-тиляторного двигателя ДУ27 для самолета Ан-70.

Проведенный анализ данных об испытаниях и эксплуатации системы управления ДУ27 позволил установить характерные причины возникновения опасных режимов функционирования силовой установки, среди которых особо отмечены следующие:

- колебания тяги (до 15-20%) на переходных режимах, связанные с несогласованностью процессов управления в контурах винтовентиляторов и газогенератора;

- отказы функциональных элементов, приводящие к увеличению до недопустимых значений частот вращения ротора свободной турбины и воздушных винтов.

Исследованы возможности существующих схем управления параметрами ДУ27, основанных на выделении двух автономных подсистем, одна аз которых включает двухвальный турбореактивный двигатель (газогенератор) со свободной турбиной, а вторая - два соосных винтовентилятора изменяемого шага с дифференциальным редуктором. Показано, что в этом случае система не обеспечивает предотвращения отмеченных выше опасных режимов функционирования силовой установки. В связи с этим предложен вариант структурной организации системы автоматического управления ДУ27 (рис.3), позволяющий осуществлять комплексное управления параметрами силовой установки с учетом взаимного влияния контуров винтовентиляторов и газогенератора.

В рамках предложенного варианта САУ ДУ27 устраняется влияние отказов гидравлической части системы управления частотами вращения винтовентиляторов на безопасность функционирования силовой установки за счет эквивалентного изменения расхода топлива. С этой целью осуществлен синтез алгоритмов управления параметрами ТВВД как для режимов нормального функционирования, так и при учитываемых отказах гидромеханических регуляторов углов установки винтовентиляторов. Процедура синтеза предусматривает приближение заданной совокупности выходных реакций системы управления к желаемой временной области, определяющей требуемые показатели качества регулирования. Применение прикладного программного обеспечения, разрабо-

Рис.3. Структурно-функциональная схема интегрированной САУ ДУ27

танкого с использованием аппарата дискретных ортогональных, функций, позволило снизить затраты времени на 20-30% по сравнению с вариантом поиска параметров с помощью стандартных пакетов автомнтрхзацик вычислении (МаШсас!, МаЛБОЙДпс.).

Результаты моделирования синтезированной системы управления показали, что найденные алгоритмы управления предотвращают опасные режимы функционирования силовой установки при возникновении отказов функцио-нальн-тх элементов соотз^^стзу^1^ ^к^чвар^нтчому снижению аппаратурных затрат на 50-67% по сравнению с вариантами, предусматривающими непосредственное резервирование. При этом достигнутый уровень качества управления (рис.4) характеризуется следующими показателями: для режима нормального функционирования перерегулирование а <5%, время регулирования /р^, <1,5 е.; для режимов с отк&ЗиМИ функциональных элементов персрегулиро-

вание сг < 20%, время регулирования ?р1Г < 3 е., статическая ошибка е„ < 0,5%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе предложено новое решение задачи обеспечения живучести и безопасности информационно-управляющих систем, основанное на реконфигурации алгоритмов управления, что имеет существенное значение при разработке систем названного класса в соответствии с современными требованиями, предъявляемыми к потенциально опасным техническим и производственным объектам. В ходе исследования получены следующие результаты".

Контур управления частотой вращения передаете винта

Исправная система

Отказ цифрового регулятора

Отказ гидромеханического регулятора

Контур управления частотой вращения заднего винта

Исправная система

Отказ цифрового регулятора

Отказ гидромеханического регулятора

Рис.4. Результаты моделирования САУ ДУ27

1. Установлена возможность минимизации последствий нарушения нормального функционирования ИУС за счет реконфигурации алгоритмов управления и сформулирована стратегия управления поведением системы, которая позволяет учитывать требования к обеспечению допустимого уровня безопасности.

2. Показано, что сохранение и восстановление способности ИУС реального временя к выполнению заданного множества функций после возникновения нарушений требует устранения противоречия между полнотой и длительностью восстановления нормального функционирования системы; с этой целью предложен принцип циклической реконфигурации алгоритмов управления.

3. Разработан метод синтеза алгоритмов циклической реконфигурации, в рамках которого предложен способ описания временных характеристик ИУС в базисе дискретных ортогональных многочленов, что позволило установить непосредственную связь между искомыми параметрами управляющей части синтезируемой системы и видом ее временных характеристик. В результате этого задача синтеза по области допустимых значений нечеткого ожидания вектора выходных реакций ИУС сводится к решению системы алгебраических неравенств.

4. Исследовано влияние неопределенных последствий отказов на поведение ИУС. Сформулирован принцип нечеткой стабилизации, формализующий критерии оценки качества управления для систем с параметрической и структурной неопределенностью. На основе этого принципа разработан метод синтеза алгоритмов каскадной реконфигурации, обеспечивающий требуемый уровень безопасности функционирования ИУС в условиях накопления нарушений за счет формирования работоспособных конфигураций из числа исправных управляющих подсистем.

5. Предложен принцип совмещенного управления контурами винтовен- \у тшгаторов и газогенератора ТВВД, обеспечивающий безопасное функционирование силовой установки при возникновении отказов основных функциональных элементов. На его основе осуществлен синтез алгоритмов управления параметрами^ДУ27) позволяющих сохранять работоспособность системы при отказах исполнительных механизмов ВИШ.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Суяргулов Т.Р. Синтез отказоустойчивого алгоритма управления с использованием нечеткой информации о показателях надежности // Информатика и управление: Тез. докл. Всероссийской молодежной НТК. - Таганрог: ТГТУ, 1996. - С.214.

2. Ефанов В.Н., Суяргулов Т.Р. Программный комплекс исследования нечетких временных характеристик цифровых САУ // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. Per. № 960577 от 27.12.1996.

3. Ефанов В.Н., Суяргулов Т.Р. Эффективность применения авиационно-космических комплексов: проблема живучести и безопасности //' Высшая шко-

па и наука развитию авиации н космонавтики: Тез. докл. НПК. -Уфа: УГАТУ, 1997. - С.56.

4. Суяр1улов Т.Р. Живучесть сложных систем: концепции и алгоритмы // Информационные и кибернетические системы управления и их элементы: Тез. докл. Всероссийской молодежной НТК. - Уфа: УГАТУ, 1997. -С.110.

5. Ефанов В.Н., Суяргулов ТР. Алгоритмический синтез цифровых систем управления: обеспечение живучести за счет реконфигурации алгоритма управления // Методы и средства управления технологическими процессами: Сб. трудов П-ой Международной науч. конф. - Саранск: Мордовский ГУ, 1997.

- С. 92-96.

6. Жданов О.Э., Суяргулов Т.Р. Синтез оптимальных архитектур многопроцессорных управляющих вычислительных систем II Микроэлектроника и информатика-98: Тез. докл. Всероссийской межвузовской НТК студентов и аспирантов. - М.: МИЭТ, 1998. - С.121.

7. Ефанов В.Н., Суяргулов Т.Р. Обеспечение устойчивости к программным отказам за счет использования нечеткой информации о состоянии вычислительного процесса // Вычислительная техника и новые информационные технологии; Межвузовский научный сборник. - Уфа, УГАТУ, 1997. - C.50-5S.

8. Ефанов В.Н., Суяргулов Т.Р. Новые подходы к повышению надежности интегрированных систем авиационного оборудования на основе обеспечения свойств отказоустойчивости и живучести // Аэрокосмическое приборостроение России. Сер.2. Авконика. Выпуск 1: Научный сборник. - СПб: Национальная Ассоциация авиаприборостроителей (НААП), 1998. - С.8-30.

9. Гусев Ю.М., Ефанов В.Н., Суяргулов Т.Р. Разработка архитектуры, алгоритмического и программного обеспечения многопроцессорных информационно-вычислительных и управляющих систем с элементами искусственного интеллекта для задач экологического мониторинга и управления сложными техническими объектами: Техн. отчет № ГР 01960006473; инв.№ 02990003324.

- Уфа: УГАТУ, 1999 г. - 63 с.

Ю.Ефаяов В.Н., Суяргулов Т.Р. Интеллектуальная поддержка принятия решений при управлении промышленной безопасностью И Интеллектуальное управление в сложных системах-99: Материалы Республиканской научно- технической конференции. - Уфа: УГАТУ, 1999. - С.108-110. .

11.Кошелев К.В., Суяргулов Т.Р. Интеллектуальные средства обеспечения эффективности бортовых информационно-управляющих комплексов // Интеллектуальные системы управления и обработки информации: Тез. докл. Международной молодежной НТК. - Уфа: УГАТУ, 1999. - С.115.

12.Ефанов В Л., Суяргулов Т.Р. Интегрированные системы управления полетом и тягой дня сверхзвуковых крейсерских режимов И Материалы международного симпозиума по актуальным проблемам создания авиационных двигателей 12-13 апреля 1999 г. - Уфа: УГАТУ, 1999. - С.165-171 (англ.).

Диссертант — Суяргулов Т.Р.

Введение

1 .Анализ современных методов обеспечения живучести и безопасности информационно-управляющих систем

1.1.Исследование принципов обеспечения безопасности функционирования технических и производственных систем

1.2.Алгоритмические методы обеспечения безопасности 1.3.Особенности реализации процедур реконфигурации цифровых информационно-управляющих систем

2. Синтез алгоритмов циклической реконфигурации в условиях дефицита достоверной информации об интенсивностях отказов и длительности восстановления

2.1.Алгоритмические отказы и механизм устранения их последствий

2.2.Исследование временных характеристик ИУС с использованием дискретных ортогональных многочленов

2.3.Аналитический метод построения функции принадлежности

2.4.Метод синтеза алгоритмов циклической реконфигурации по желаемой области значений нечеткого ожидания вектора выходных реакций ИУС

3.Синтез алгоритмов каскадной реконфигурации в условиях структурной и параметрической неопределенности

3.1.Принцип нечеткой стабилизации ИУС 3 ^.Использование экспертной информации при синтезе алгоритмов каскадной реконфигурации

3.3.Метод синтеза алгоритмов каскадной реконфигурации на основе принципа нечеткой стабилизации 110 4.Разра6отка отказоустойчивой цифровой системы автоматического управления параметрами турбовинтового двигателя 130 4.1 .Анализ заданной части системы управления турбовинтовым двигателем 130 4.2.Синтез отказоустойчивого алгоритма цифровой системы автоматического управления

Анализ последствий внедрения новых технологий в условиях роста сложности технических систем свидетельствует об увеличении риска возникновения крупных аварий. Для ограничения уровня неблагоприятного техногенного воздействия большинство крупных промышленных государств провело комплексные исследования, направленные на обеспечение безопасного функционирования технических и производственных систем. Важную роль в решении указанной проблемы сыграли работы отечественных ученых Б.Н.Петрова, С.Д.Землякова, В.Ю.Рутковского, И.А.Рябинина, Б.Г.Волика, А.Г.Додонова, Г.В.Дружинина, Н.И.Подлесного, Г.Н.Черкесова и ряда других исследователей, заложивших основы теории отказоустойчивых и живучих систем. Однако традиционные принципы обеспечения отказоустойчивости и живучести предполагают сохранение исходных целей функционирования при возникновении отказов и других возможных нарушений. Стремление выполнить поставленную задачу в подобных неблагоприятных условиях часто приводит к появлению ситуаций, опасных для людей и окружающей среды.

В связи с этим, важное значение приобретают исследования, направленные на формирование особой стратегии управления поведением потенциально опасных технических и производственных объектов. Такая стратегия должна предусматривать изменение целей функционирования при возникновении опасных ситуаций, перераспределение ресурсов, направленных на достижение новых целей, и разработку алгоритмов управления этими ресурсами, призванных предотвратить или минимизировать неблагоприятные последствия возникающих опасных ситуаций. Следует отметить, что принятие решений о целевой, функциональной и алгоритмической реконфигурации исследуемых систем производится в условиях крайней (или существенной) нехватки научных данных, поскольку приходится иметь дело с редкими событиями и процессами, имеющими не эволюционный, а скачкообразный характер.

Указанные обстоятельства обуславливают актуальность сформулированной темы исследования, направленного на разработку методики реконфигурации алгоритмов управления, учитывающей соотношение между целевым предназначением, динамически изменяемым функциональным обликом и допустимым уровнем безопасности информационно-управляющих систем (ИУС) технических и производственных объектов, в частности, систем авиационной автоматики.

С учетом вышеизложенного, цель исследования формулируется следующим образом.

Цель исследования. Разработка алгоритмических методов обеспечения живучести и безопасности информационно-управляющих систем (ИУС), исследование принципов их структурной и параметрической организации, обеспечивающих высокую эффективность функционирования технических и производственных объектов в условиях риска и неопределенности, а также в практическом применении разработанных методов при проектировании систем авиационной автоматики.

Задачи исследования:

1. Анализ особенностей возникновения и развития опасных ситуаций с целью оценки возможности минимизации их последствий за счет реконфигурации алгоритмов управления.

2. Разработка методики реконфигурации алгоритмов управления с учетом целевого предназначения ИУС, ее динамически изменяющегося функционального облика и допустимого уровня безопасности.

3. Разработка метода совмещенного синтеза алгоритмов управления и реконфигурации в условиях дефицита достоверной информации о характеристиках потоков нарушений и о их влиянии на свойства и поведение системы.

4. Разработка инструментальных средств для автоматизации процедуры синтеза алгоритмов управления и реконфигурации.

5. Оценка эффективности применения предложенных методов и алгоритмов на примере перспективных систем авиационной автоматики, в частности, САУ ДУ 27.

На защиту выносятся:

Концепция управления поведением ИУС с учетом требований к безопасности, предусматривающая изменение целей функционирования системы при возникновении опасных ситуаций.

2.Методика циклической реконфигурации алгоритмов управления, позволяющая разрешить противоречие между полнотой и длительностью процедуры восстановления нормального функционирования ИУС при возникновении нарушений.

3.Методика каскадной реконфигурации алгоритмов управления на основе принципа нечеткой стабилизации ИУС, обеспечивающая в процессе накопления нарушений сохранение допустимого уровня безопасности функционирования за счет рационального перераспределения ресурсов системы.

4.Алгоритмическое и программное обеспечение процедуры синтеза перспективной отказоустойчивой САУ ДУ 27, обеспечивающей безопасные режимы работы силовой установки при возникновении отказов функциональных элементов в контурах винтовентиляторов и газогенератора.

Научная новизна

1. Новизна предложенной концепции состоит в изменении приоритетов при разработке ИУС потенциально опасных технических и производственных объектов. В отличие от известных принципов обеспечения отказоустойчивости и живучести ИУС, предусматривающих сохранение при возникновении нарушений основных функций и целей управления, предлагаемая концепция допускает изменение функционального облика и целевого предназначения системы, если их сохранение приводит к недопустимому неблагоприятному воздействию на людей и окружающую среду.

2. В методике циклической реконфигурации ИУС впервые предложено осуществлять совместный синтез исходного алгоритма управления и алгоритма реконфигурации при возникновении нарушений. Новым является критерий синтеза в виде желаемой области значений вектора нечетких ожиданий выходных реакций ИУС, математическое описание которого базируется на специально построенных дискретных ортогональных многочленах типа Хана и аналитической процедуре формирования функций принадлежности к нечетко заданным состояниям синтезируемой системы.

3. Отличительная особенность методики каскадной реконфигурации заключается в использовании сформулированного принципа нечеткой стабилизации, позволяющего оценивать работоспособность сложных технических систем в условиях структурной и параметрической неопределенности. Доказано достаточное условие нечеткой стабилизации ИУС, на основе которого осуществляется синтез алгоритмов управления, обеспечивающих безопасную эксплуатацию технических и производственных систем в процессе функциональной деградации последних.

4. Новизна системы автоматического управления параметрами ТВВД состоит в предложенном принципе предотвращения недопустимых режимов работы силовой установки за счет согласованного управления контурами винто-вентиляторов и газогенератора.

Практическая значимость и внедрение результатов

Диссертационная работа является составной частью комплексных исследований по разработке высокоэффективных систем управления, выполнявшихся на кафедрах авиационного приборостроения и промышленной электроники УГАТУ по темам АП-ПЭ-35-96-03, АП-АП-34-99-03. Прикладные исследования, выполненные автором в рамках указанных выше научно- исследовательских работ, определяют практическую значимость следующих результатов диссертации:

- инженерных методик циклической и каскадной реконфигурации алгоритмов управления с учетом требований к безопасности функционирования бортовых информационно-управляющих систем, синтеза алгоритма управления по желаемой области значений нечеткого ожидания вектора выходных реакций информационно-управляющих систем, а также синтеза алгоритма управления на основе принципа нечеткой стабилизации информационно-управляющих систем;

- программных модулей циклической и каскадной реконфигурации алгоритмов управления с учетом требований к безопасности функционирования бортовых информационно-управляющих систем; использование указанных методик и программных средств позволяет сократить в среднем на 20-30% время, затраченное на расчетно-теоретические работы при проектировании систем данного класса;

- структура, законы управления и алгоритмы работы совмещенной системы управления контурами винтовентиляторов и газогенератором ТВВД; их использование обеспечивает сокращение аппаратурных затрат на 50-67% по сравнению с вариантами, предусматривающими непосредственное резервирование агрегатов.

Перечисленные результаты использованы в опытно-конструкторских разработках АО "Пирометр" (г. Санкт-Петербург) при исследовании и доводке перспективных систем автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов.

Связь исследования с научными программами

Тема диссертационной работы связана с исследованиями, проводимыми в рамках Международных программ:

- программы PSAM - Probabilistic Safety Assessment and Management -Международной Ассоциации по вероятностному оцениванию безопасности и управления (IAPSAM) и Европейской Ассоциации по надежности и безопасности (ESPA);

- программы RSA - Risk and Safety Assessment Европейского общества анализа риска (БАМ);

- программы FESSP - Fission Energy and Systems Safety Program - Американского общества инженеров-механиков (ASME), а также Федеральной целевой программы «Интеграция» и НИР по темам АП-ПЭ-3 8-96-03, АП-АП-34-99-03, выполненных на кафедрах «Промышленная электроника» и «Авиационное приборостроение» Уфимского государственного авиационного технического университета.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

Вторая международная научная конференция «Методы и средства управления технологическими процессами», Мордовский государственный университет, г.Саранск, 1997 г.

2.Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-98», Московский государственный институт электронной техники, г.Зеленоград, 1998 г.

3. Республиканская научно-техническая конференция «Интеллектуальное управление в сложных системах», Уфимский государственный авиационный технический университет, г.Уфа, 1999 г.

4. Международная молодежная научно-техническая конференция «Интеллектуальные системы управления и обработки информации», Уфимский государственный авиационный технический университет, г.Уфа, 1999 г.

5. Международный симпозиум по актуальным проблемам создания авиационных двигателей, Уфимский государственный авиационный технический университет, г.Уфа, 1999 г.

Публикации

Основные положения, представленные в диссертации, нашли отражение в 12 публикациях, в том числе в 2 статьях.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 118 наименований. Основное содержание изложено на 153 страницах машинописного текста.

Основные результаты и выводы по третьей главе.

1 .Для исследования влияния неопределенных последствия нарушений на поведение ИУС предложено использовать децентрализованную модель ее описания с уровнем декомпозиции на подсистемы соответствующим условию, что отказ одной подсистемы соответствует появлению одного неопределенного параметра.

2.В условиях дефицита достоверной информации о последствиях нарушений, для обеспечения возможности функционирования системы во множестве состояний, характеризуемых различным уровнем функциональных ресурсов, предложено использовать подход, основанный на обеспечении свойства стабилизации системы. В этой связи предложено определение нечеткой стабилизации ИУС, формализующее критерии оценки качества управления для систем с параметрической и структурной неопределенностью,

3.Сформулирована теорема, определяющая достаточные условия нечеткой стабилизации ИУС. Для ее доказательства исследовано изображение вектора нечеткого ожидания выходных реакций системы и определены условия, при выполнении которых данное изображение относится к классу дробно-рациональных функций.

4.На основе определенных в теореме ограничений на структурные характеристики подсистем управления, определены критерии структурного синтеза алгоритмов каскадной реконфигурации ИУС.

5.Определение параметров алгоритмов каскадной реконфигурации предложено осуществлять из условия обеспечения желаемого качества управления на основе приближения распределения полюсов ИУС для каждого из множества возможных состояний к желаемому. В этой связи предложена итерационная процедура последовательного сдвига полюсов в желаемые области их локализации.

6.Приведен пример синтеза алгоритмов каскадной реконфигурации системы управления летательным аппаратом.

4. РАЗРАБОТКА ОТКАЗОУСТОЙЧИВОЙ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ТУРБОВИНТОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Турбовинтовые двигатели с многолопастными укороченными воздушными винтами - винтовентиляторами, обладают высокой экономичностью, причем их эффективность сохраняется в широком диапазоне изменения внешних условий. Эти свойства раскрывают широкие перспективы использования двигателей названного класса в многоцелевых летательных аппаратах. В данной главе рассматриваются вопросы синтеза комплексной системы управления параметрами винтовентиляторной силовой установки, включающей двухваль-ный газогенератор со свободной турбиной привода винтов - изд. Д-236, и два соосных воздушных винта изменяемого шага с дифференциальным редуктором - изд. СВ-36. Проводится анализ заданной части системы в результате которого предлагается метод совмещенного управления контурами винтовентиляторов и газогенератора. Производится синтез цифровой системы автоматического управления, обеспечивающей безопасные режимы работы силовой установки при возникновении отказов функциональных элементов в контурах винтовентиляторов и газогенератора. Для исследования результатов синтеза осуществляется моделирование замкнутой цифровой САУ в исправном состоянии и при учтенных отказах с применением вычислительной техники.

4Л. Анализ заданной части системы управления турбовинтовым двигателем

Эффективность и безопасность применения современных летательных аппаратов определяется, прежде всего, возможностями их силовых установок /51/. Для решения задач военной и гражданской транспортной авиации широкие перспективы применения имеют летательные аппараты с турбовинтовен-тиляторными двигателями (ТВВД) с укороченными многолопастными воздушными винтами. Использование двигателей подобного рода позволяет добиться существенной экономии топлива (на 20-40%) по сравнению с существующими турбореактивными двигателями (ТРД) и обеспечить по сравнению с турбовинтовыми двигателями (ТВД) большие скорости крейсерского полета (до 850-900 км/ч).

Однако, применение ТВВД требует решения ряда проблем. В первую очередь это касается задачи обеспечения требуемого качества управления и безопасности. Авиационный двигатель с механическим движителем представляет собой сложную динамическую систему, включающую двухвальный турбореактивный двигатель (газогенератор) со свободной турбиной и два соосных винтовентилятора изменяемого шага с дифференциальным редуктором. Попытки упростить анализ взаимодействия перечисленных устройств за счет выделения автономных подсистем, одна из которых включает контур управления газогенератором, а другая - винтовентиляторами, приводит к несогласованному изменению углов установки лопастей и частот вращения переднего и заднего воздушных винтов. Возникающий при этом колебательный процесс вызывает значительные отклонения величины тяги, развиваемой двигательной установкой, что создает предпосылки при поддержании постоянной температуры газа перед турбиной для быстрого вывода компрессора на границу газодинамической устойчивости и, кроме того, существенно снижает безопасность полетов на малой высоте и с малыми скоростями /83/.

Кроме того применение винтовентиляторов связано с проблемой высокого уровня шума и вибрации, характерных для ТВВД. Поскольку основным источником шума в ТВВД являются винтовентиляторы при значительно меньшей роли компрессоров и реактивной струи, то в качестве главного средства борьбы с шумом используется синхрофазирование воздушных винтов. Такой способ позволяет существенно снизить интенсивность высокочастотного широкополосного шума, а также уменьшить величину пиков дискретного шума, возникающего от взаимодействия неравномерных полей давления, скорости и следов лопастей различных винтовентиляторов. В свою очередь, необходимым условием обеспечения режима синхрофазирования является высокая точность поддержания заданных частот вращения винтовентиляторов в широком диапазоне изменения режимов работы двигателя и условий полета, что также предъявляет жесткие требования к качеству управления частотами вращения винтов в широком диапазоне изменения режимов работы.

С учетом вышеизложенного, большую актуальность приобретают вопросы синтеза комплексной системы управления параметрами винтовентилятор-ной установки, учитывающей взаимное влияние газогенератора и винтовенти-ляторной установки с целью предотвращения колебаний тяги.

Выбирая в качестве объекта управления ТВВД, проанализируем свойства заданной части на основе укрупненной функциональной схемы, представленной на рис.4.1., которая содержит два основных контура регулирования. Контур I - контур регулирования газогенератора, и контур II - контур регулирования винтовентиляторов. Взаимное влияние этих контуров в объекте управления осуществляется со стороны винтовентиляторов через пст -частоту вращения свободной турбины, со стороны газогенератора через мощность 7\ГСТ или момент Мст развиваемые свободной турбиной и, далее, через дифференциальный редуктор 5 и момент редуктора Мр. В контур I входят: двухвальный газогенератор (изд. Д-236) - 1 и устройства системы топливопитания - дозирующее устройство 8, регулятор перепада давления на дозирующей игле 7, сервопоршень дозирующей иглы 4, маятниковый золотник 5, задатчик степени повышения давления в компрессоре 6. В свою очередь, в контур II входят: винтовентиля-торы, представляющие собой два соосных воздушных винта изменяемого шага с дифференциальным редуктором (изд. СВ-36) - 2 и два гидравлических регулятора частот вращения винтов, каждый из которых состоит из центробежных измерителей частот вращения винтов 9, 10, задающих пружин 11, 12, золотниковых элементов сравнения 13, 14, астатических серводвигателей совместно с кривошипно-шатунными механизмами 15,16.

Рис. 4.1. Функциональная схема заданной части.

Рассмотрим основные функции, выполняемые гидромеханическими устройствами управления /2/. Замкнутый регулятор степени повышения давления в компрессоре, содержащий устройства 4, 5, 6, 8, поддерживает заданную величину соотношения давлений на входе и выходе компрессора газогенератора посредством изменения расхода топлива в камеру сгорания. Регулятор непосредственно воздействует на перемещение дозирующей иглы за счет изменения соотношения давлений АРу в полостях сервопоршня 4. Указанное соотношение давлений АРу регулируется с помощью маятникового золотника 5, обеспечивающего изменение расхода жидкости из полости сервопоршня, взаимодействующего с ножом маятника при нарушении соотношения сил давления Р*вя, Р*, приложенных к золотнику 5.

Электрогидравлический регулятор перепада давления на дозирующей игле 7 также обеспечивает изменение расхода топлива в зависимости от величины управляющего электрического сигнала у. Скважность этого сигнала, воздействуя через электромагнитный исполнительный механизм и устройство сопло-заслонка на средний расход жидкости из полости сервопоршня иглы слива, обеспечивает определенное положение этой иглы и тем самым соответствующее давление топлива перед дозирующей иглой.

Гидравлические регуляторы частот вращении винтов поддерживают заданные значения этих параметров при действии возмущений или при изменении режима работы газогенератора. Если произошло отклонение частоты вращения переднего или заднего винта от заданной величины, то нарушается равенство сил, приложенных к золотникам 13, 14. Это приводит к перемещению соответствующего золотника и, следовательно, к перемещению сервопоршней, которые через кривошипно-шатунные механизмы изменяют угол установки лопастей винтов <рп, <рз. Тем самым изменяются моменты сопротивления винтов. Возникший переходной процесс протекает до тех пор, пока не восстанавливаются прежние значения частот вращения.

Структурная схема линеаризованной модели заданной части системы управления винто-вентиляторной силовой установкой представлена на рис. 4.2. При этом газогенератор рассматривается как объект управления с двумя входными воздействиями ХПт - расход топлива, X частота вращения свободной

Лет турбины и пятью выходными параметрами уМст - мощность свободной турбины, у * - температура газа за турбиной низкого давления, упьа, упид частоты

Т нд вращения роторов высокого и низкого давлений, Ур* - давление за каскадом высокого давления компрессора. ь 1 *

Wlo(s)

Wз(s)

W6(s)

У г' > из 4

Рис.4.2. Структурная схема линеаризованной модели заданной части.

Линейная модель газогенератора учитывает два основных аккумулятора энергии - вращающиеся массы роторов турбокомпрессоров низкого и высокого давлений. В соответствии с этим передаточные функции ^(5)-^(5) имеют структуру, представленную в таблице 4.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе предложено новое решение задачи обеспечения живучести и безопасности информационно-управляющих систем, основанное на реконфигурации алгоритмов управления, что имеет существенное значение при разработке систем названного класса в соответствии с современными требованиями, предъявляемыми к потенциально опасным техническим и производственным объектам. В ходе исследования получены следующие результаты:

1. Установлена возможность минимизации последствий нарушения нормального функционирования ИУС за счет реконфигурации алгоритмов управления и сформулирована стратегия управления поведением системы, которая позволяет учитывать требования к обеспечению допустимого уровня безопасности.

2. Показано, что сохранение и восстановление способности ИУС реального времени к выполнению заданного множества функций после возникновения нарушений требует устранения противоречия между полнотой и длительностью восстановления нормального функционирования системы; с этой целью предложен принцип циклической реконфигурации алгоритмов управления.

3. Разработан метод синтеза алгоритмов циклической реконфигурации, в рамках которого предложен способ описания временных характеристик ИУС в базисе дискретных ортогональных многочленов, что позволило установить непосредственную связь между искомыми параметрами управляющей части синтезируемой системы и видом ее временных характеристик. В результате этого задача синтеза по области допустимых значений нечеткого ожидания вектора выходных реакций ИУС сводится к решению системы алгебраических неравенств.

4. Исследовано влияние неопределенных последствий отказов на поведение ИУС. Сформулирован принцип нечеткой стабилизации, формализующий критерии оценки качества управления для систем с параметрической и структурной неопределенностью. На основе этого принципа разработан метод синтеза алгоритмов каскадной реконфигурации, обеспечивающий требуемый уровень безопасности функционирования ИУС в условиях накопления нарушений за счет формирования работоспособных конфигураций из числа исправных управляющих подсистем.

5. Предложен принцип совмещенного управления контурами винтовен-тиляторов и газогенератора ТВВД, обеспечивающий безопасное функционирование силовой установки при возникновении отказов основных функциональных элементов. На его основе осуществлен синтез алгоритмов управления параметрами ДУ27, позволяющих сохранять работоспособность системы при отказах исполнительных механизмов ВИШ.

1. Движение А. Отказоустойчивость свойство, обеспечивающее постоянную работоспособность цифровых систем // ТИИЭР. 1978. Т.66. №10. С.5-25.

2. Автоматика авиационных газотурбинных силовых установок /Под ред. А.В.Штоды. М.: Воениздат, 1980. - 247 с.

3. Адаптивные системы управления газотурбинными двигателями летательных аппаратов. М.: МАИ, 1994. - 224 с.

4. Алефельд Г., Херцбергер Ю. Введение в интервальные вычисления. -М.: Мир, 1987.-360с.

5. Анализ и оптимальный синтез на ЭВМ систем управления /Под ред.

6. A.А.Воронова, И.А.Орурка. М.: Наука, 1984. - 344с.

7. Андриенко А.Я., Иванов В.П., Петров Б.Н., Портнов-Соколов Ю.П. Проблемы гибкости и надежности управления в теории бортовых терминальных систем // Автоматика и телемеханика. 1981. №2. С. 15-24.

8. Аоки М. Введение в методы оптимизации. М.: Наука, 1977. - 344 с.

9. Аржаников Н.С., Садекова Г.С. Аэродинамика летательных аппаратов. М.: Высшая школа, 1983. - 359с.

10. Ахо А., Холкрофт Дж., Ульман Дж. Построение и анализ вычислительных алгоритмов. М.: Наука, 1979. - 320 с.

11. B.П.Иванов. М.: Машиностроение, 1983. - 200с.

12. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления. М.: Наука, 1984. - 320с.

13. Волик Б.Г., Рябинин И.А. Эффективность, надежность и живучесть управляющих систем // Автоматика и телемеханика. 1984. №2. С.151-160.

14. Вопросы математической теории надежности. Под ред. Гнеденко Б.В. М.: Радио и связь, 1983. - 367с.

15. Воронов A.A. Введение в динамику сложных управляемых систем. -М.: Наука, 1985. 352с.

16. Гавзов Д.В., Сапожников В.В., Сапожников В л.В. Методы обеспечения безопасности дискретных систем // Автоматика и телемеханика. 1993. №8. С.3-47.

17. Глазунов Л.П. Основы теории надежности автоматических систем управления. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 207 с.

18. Глумов В.М., Земляков С.Д., Рутковский В.Ю., Силаев A.B. Алгоритмическое обеспечение отказоустойчивости систем автоматического управления // Автоматика и телемеханика. 1988. № 9. С.3-33.

19. Гуляев В. А., До донов А.Г., Пелехов С.П. Организация живучих вычислительных структур. Киев: Наук, думка, 1982. - 140 с.

20. Гусев М.Ю., Ефанов В.Н. Обеспечение живучести систем управления алгоритмическим методом // Живучесть и реконфигурация информационно-вычислительных и управляющих систем: Тезисы докл. Ш-й Всесоюзной научно-технической конференции. М.: МАИ, 1991. - С.70.

21. Гусев Ю.М., Ефанов В.Н., Ефанова Т.С., Крымский В.Г. Об исследовании систем автоматического управления с помощью ортогональных разложений // Изв. ВУЗов СССР. Электромеханика. 1982. №5. С.73-79.

22. Гуськов Ю.П., Загайнов Г.И. Управление полетом самолетов. М.: Машиностроение, 1980. - 215 с.

23. Демидович Б.И., Марон И.А. Основы вычислительной математики. -М.: Наука, 1970. 664 с.

24. Додонов А.Г., Кузнецова М.Г., Горбачик Е.С. Введение в теорию живучести вычислительных систем. Киев: Наук.думка, 1990. - 184 с.

25. Дроздов В.Н., Мирошкин И.В., Скорубский В.И. Системы автоматического управления с микроЭВМ. JL: Машиностроение, 1989. - 284с.

26. Ефанов В.Н., Ефанова Т.С., Крымский В.Г. Электронные системы автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов. -Уфа: УАИ, 1986. 82 с.

27. Ефанов В.Н., Крымский В.Г. Синтез отказоустойчивых управляющих систем с использованием нечеткой информации о состояниях // Методы и системы технической диагностики. Межвуз. науч. сб. вып.14, ч.2. Саратов: СГУ, 1990. - С.141-142.

28. Ефанов В.Н., Суяр1улов Т.Р. Эффективность применения авиационно-космических комплексов: проблема живучести и безопасности // Высшая школа и наука развитию авиации и космонавтики: Тез. докл. НПК. -Уфа: УГАТУ, 1997.-С.56.

29. Ефанов В.Н., Суяргулов Т.Р. Программный комплекс исследования нечетких временных характеристик цифровых САУ // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. Per. № 960577 от 27.12.1996.

30. Игнатьев М.Б. Голономные автоматические системы. М.: Наука, 1973.-204с.

31. Изерман Р. Цифровые системы управления. М.: Мир, 1984. - 541 с.

32. Ильичев A.B., Грушанский В.А. Эффективность адаптивных систем. -М.: Машиностроение, 1987. 232 с.51 .Интегральные системы автоматического управления силовыми установками самолетов / Под ред. A.A. Шевякова. М.: Машиностроение, 1983. -283 с.

33. Искусственный интеллект: D 3-х кн.: Кн. 2. Модели и методы: Справочник/ Под ред. Д.А.Поспелова. М.: Радио и связь, 1990. - 304 с.

34. Колмлгоров А.Н. Теория информации и теория алгоритмов. М.: Наука, 1987. - 303 с.

35. Кофман А. Введение в теорию нечетких множеств / Под ред. М.Б.Травкина. М.: Радио и связь, 1982. - 432 с.

36. Крапивин В.Ф. О теории живучести сложных систем. М.: Наука, 1978.-248 с.

37. Кузовков Н.Г. Модальное управление и наблюдающие устройства. -М.: Машиностроение, 1976. 184с.

38. Леонтьев А.Ф. Последовательности полиномов из экспонент. М.:1. Наука, 1980. 384 с.

39. Липаев B.B. Надежность программного обеспечения // Автоматика и телемеханика. 1986. №10. -С.5-31.

40. Майерс Г. Надежность программного обеспечения. М.: Мир, 1980.360 с.

41. Майоров A.B., Москатов Г.К., Шибанов Г.Г. Безопасность функционирования автоматизированных объектов. М.: Машиностроение, 1988. - 264 с.

42. Методы анализа и синтеза структур управляющих систем /Под ред. Б.Г.Волика. -М.: Энергоатомиздат, 1988. 279 с.

43. Методы оптимизации в статистических задачах управления /A.M. Бат-ков, В.М. Александров, Мишулина O.A. и др. М.: Машиностроение, 1974. -240 с.

44. Михалевич B.C., Волкович B.JI. Вычислительные методы исследования и проектирования сложных систем. М.: Наука, 1982. - 286 с.

45. Многоуровневое управление динамическими объектами / Васильев В.И., Гусев Ю.М., Ефанов В.Н. и др. М.: Наука, 1987. - 309 с.

46. Никифоров А.Ф., Суслов С.К., Уваров В.Б. Классические ортогональные полиномы дискретной переменной. М.: Наука, 1985. - 168 с.

47. Петров Б.Н. Избранные труды. Т.1. М.: Наука, 1983. - 432 с.

48. Петров Б.Н., Портнов-Соколов Ю.П., Андриенко А .Я., Иванов В.П. Проблемы гибкости и надежности управления в теории бортовых терминальных систем // Автоматика и телемеханика. 1981. №2. С Л 5-24.

49. Петров Б.Н., Рутковский В.Ю., Земляков С.Д. Адаптивное координат-но-параметрическое управление нестандартными объектами. М.: Наука, 1980. - 244 с.

50. Пизо III., Заманский М. Курс математики: Алгебра и анализ. М.: Наука, 1971.-656 с.

51. Погребинский С.Б., Стрельников В.П. Проектирование и надежность многопроцессорных ЭВМ. М.: Радио и связь, 1988. - 168 с.

52. Подлесный Н.И. Живучесть систем управления с микро ЭВМ. Киев: Вища шк., 1990.-56 с.

53. Полностью электронная система регулирования двигателя F100 для самолета F15 // Новое в зарубежном авиадвигателестроении. 1982. №6. -с. 8-12.

54. Половко A.M. Основы теории надежности. М.: Наука, 1964. - 448 с.

55. Розенвассер E.H., Юсупов P.M. Чувствительность систем управления. -М.: Наука, 1981.-464 с.

56. Росин М.Ф., Булыгин B.C. Статистическая динамика и теория эффективности систем управления. М.: Машиностроение, 1981. - 312 с.

57. Сеге Г. Ортогональные многочлены. М.:Физматгиз, 1962. - 512 с.

58. Синяков А.Н., Шаймарданов Ф.А. Системы автоматического управления ЛА и их силовыми установками. М.: Машиностроение, 1991. - 358 с.

59. Системы автоматического управления объектами с переменными параметрами: инженерные методы анализа и синтеза /Б.Н.Петров, Н.И.Соколов, А.В.Липатов. М.: Машиностроение, 1986. - 256 с.

60. Скляревич Л.Н. Введение в статистическую динамику систем с возможными нарушениями. Рига: Зинайте, 1973. - 345 с.

61. Скляревич Л.Н. Линейные системы с возможными нарушениями. М.: Наука, 1975. - 352 с.

62. Согомонян Е.С., Слабаков Е.В. Самопроверяемые устройства и отказоустойчивые системы. М.: Радио и связь, 1989. - 208 с.

63. Структурное проектирование надежных программ встроенных ЭВМ. /A.A. Штрик, Л.Г. Осовецкий, И.Г. Мессих. Л. Машиностроение, 1989. - 296 с.

64. Суетин П.Н. Классические ортогональные многочлены. -М.:Наука, 1979. 416с.

65. Суяргулов Т.Р. Синтез отказоустойчивого алгоритма управления с использованием нечеткой информации о показателях надежности // Информатикаи управление: Тез. докл. Всероссийской молодежной НТК. Таганрог: ТГТУ, 1996.-С.214.

66. Суяргулов Т.Р. Живучесть сложных систем: концепции и алгоритмы // Информационные и кибернетические системы управления и их элементы: Тез. докл. Всероссийской молодежной НТК. Уфа: УГАТУ, 1997. -С.110.

67. Тейер Т., Липов М., Нельсон Э. Надежность программного обеспечения. М.: Мир, 1981. - 328 с.

68. Управление динамическими системами в условиях неопределенности /С.Т.Кусимов, Б.Г.Ильясов, В.И.Васильев и др. М.:Наука, 1998. - 452 с.

69. ЮО.Черкесов Г.Н. Методы и модели оценки живучести сложных систем. М.: МДНТП, 1987. - с. 27-29.

70. Щербаков О.В. Оценка живучести вычислительных систем // Живучесть и реконфигурация информационно-вычислительных и управляющих систем: Тезисы докл.Ш-й Всесоюзн. научно-технич. конф. М., 1991. -с.9.

71. Эффективность сложных систем. Динамические модели. / В.А.Виноградов, В.А. Грушанский, С.И. Довгуш и др. М.: Наука, 1989. - 285 с.

72. Belletrutti I.I., MacFarlane A.G. Characteristic locus technigues in multivariable-control systems desing. //Proc. IEEE, 1971. v.l 18 №9. p.2061-2062.

73. Cohen G.C., Lee C.W., Strickland M.I., Palumbo D.L. Experiences with a prevalidation methodology for designing integrated control system architectures // AIAA Paper. 1989. № 2703. p.1-10.

74. Efanov V.N., Krymsky V.G. Multi-level Control Aganst Uncertainties and Failures Conseguences // Proceedings of PSAM-II Conference v.l. San Diego, 1994. -p.002-13 002-17.

75. Fiebig D. Full authority digital electronic enginecontrol systems: provides needed reliabity. // AIAA Paper. 1990. №30. p.1-5.

76. Linebrink K.L., Vizzini R.W. Full authority digital electronic control (FADEC)-anymented fighter engine demonstration // SAE Techn. Pap. Scr. 1982. №1371. p.1-9.

77. O.Mac.Farlane A.G.,Belletrutti I.I. The characteristic locus design method // Automatica. 1973. v.9. -p.575-588.

78. Mosca V.G., Rabinovitz C., Kreamer H. Fault-tolerant, high reliability electronic engine control system //AIAA Paper. 1979. №1202. p. 1-9.

79. Phatak M., Viswanadham N. Actuator fault detection and isolotion in linear systems // Intl.Systems. 1988. №19. p.2533-2603.

80. Rutkovskiy V.Yu., Zemelyakov S.D., Glumov V.M., Gorbatenkov V.B., Silayev A.V. Adaptive algorithmic metode for diagnostics and faultless operation of control systems //Proc.3-rd IMEKO Symp. on Techn. Diagnotics. Budapest, 1985.

81. Swan I.A., Vizzini R.W. Analitical redundancy design for improved engine Control reliability. Final review // AAIA Paper. 1988. №88-3176. p. 1-11.

82. Raza S.J., Silverthorn J. T. Use of the pseudo-inverse for design of a reconfigurable flight control system // Proc. AIAA Guidance, Navigation and Control Conf. 1985. -p. 349-356.

83. Rattan K.S. Evalution of control mixer concept for reconfiguration of flight control system // Proc. IEEE National Aerospace and Electronics Conf. 1988. v.2.-p. 512-519.

84. Weiss J.L., Looze D.P., Eterno J.S. Simulation results of automatic restructurable flight control system concepts // Proc. AIAA Guidance, Navigation and Control Conf. 1986. -p. 190-197.

85. Huang C.Y., Stengel R.F. Restructurable control using propotional-integral implicit model following // J.Guidance, Control and Dynamics. 1990. v. 13. №2. -p. 303-309.