автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.09, диссертация на тему:Разработка метода векторного мажоритарного резервирования для многомерных систем управления летательных аппаратов

На правах рукописи Для служебного пользования Экз. № £

ЗАХАРЕНКОВ Владилен Васильевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ВЕКТОРНОГО МАЖОРИТАРНОГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ДЛЯ МНОГОМЕРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05.07.09 - Динамика, баллистика и управление движением летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск - 1999

Работа выполнена в Омском государственном техническом университете и в конструкторском бюро производственного объединения "Полет" ( ГУДП КБ ПО "Полет").

Научный руководитель- доктор технических наук, профессор

Комаревич Л.В.

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент

Белицкий В.Д.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Потапов В.И. - доктор технических наук

Суворов М.Д.

Ведущее предприятие - Открытое акционерное общество Омское машиностроительное конструкторское бюро (ОМКБ )

Защита диссертации состоится "01" июля 1999 года в 1£> час. на заседании диссертационного совета К 063.23.03 при Омском государственном техническом университете по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11 (ауд. 6-340).

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, Омский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета К 063.23.0S Шалай В.В.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан июнь 1999 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 063.23 л 2

кандидат технических наук

Шалай В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Непрерывное возрастание сложности летательных аппаратов (ЛА) обуславливает повышение требований к надежности функционирования бортовых систем автоматического управления (БСАУ) ЛА. Важным и широко применяемым методом обеспечения высоких показателей надежности является резервирование каналов БСАУ, для которого характерно увеличение массы оборудования и возрастание энергетических затраты по сравнению с системами без резервирования.

Актуальной является задача повышения эффективности систем с резервированием каналов при минимальных ресурсных и энергетических затратах с обеспечением требуемого уровня надежности на заданном интервале времени.

Актуальна и обратная постановка задачи, в которой на заданном интервале времени требуется получить максимальный уровень надежности при ограничении ресурсных и энергетических затрат.

При этом большое значение приобретает разработка методов преобразования структуры и сигналов многомерных систем (МС) с избыточностью (резервированием), позволяющих решать задачи оптимизации надежности и диагностики этих систем.

Целью диссертационной работы является разработка метода повышения эффективности избыточных многомерных систем, в частности, бортовых систем управления ЛА.

Основная идея работы заключается в сочетании функциональной избыточности (ФИ), создаваемой путем определенной ориентации осей чувствительности каналов управления в базисе системы управления, и векторного мажоритарного преобразовании избыточных сигналов.

Методы исследования. Разработка метода векторного мажоритарного резервирования и исследование в соответствии с поставленной целью проводились методами системного анализа, методами функционального анализа, теории матриц, теории управления, теоретической электротехники, теории механизмов, теории вероятностей, математической статистики, математического, физического моделирования и теории подобия.

Научная новизна работы заключается в следующих результатах:

- показано, что п-мерная система с избыточностью равной ш, имеет максимальную вероятность безотказной работы на заданном

временном интервале, если избыточный базис образован ш+п осями, среди которых не содержится коллинеарных осей, и по каждой базисной оси ориентировано не более одного функционального канала;

- получено векторное нелинейное преобразование избыточного ш+п- мерного сигнала в п-мерный неизбыточный сигнал, обеспечивающее минимум нормы полной векторной погрешности п-мерного неизбыточного сигнала при э искажениях составляющих избыточного ш+п-мерного сигнала (векторное мажоритарное преобразование), з<т;

- получен критерий достоверности избыточного ш+п-мерного сигнала, состоящий в том, что произведение достоверного избыточного ш+п-мерного сигнала на некоторую матрицу, ортогональную матрице оператора вводящего ФИ, равно нулю;

- разработан метод оптимизации избыточности систем управления п-мерными объектами на основе ФИ каналов управления и векторного мажоритарного преобразования;

- разработаны функциональные схемы векторных мажоритарных систем управления и векторного мажоритарного сервопривода, а также сервопривода с ФИ для повышения точности функционирования;

- разработаны принципы диагностики систем с векторным мажоритарным резервированием каналов управления.

Практическая ценность работы. Метод оптимизации избыточности многомерных систем управления на основе векторного мажоритарного преобразования позволяет синтезировать многомерные резервированные системы с минимальной массой при заданном уровне показателей надежности или с максимальными показателями надежности при заданной массе для заданного интервала времени.

Результаты разработки структурных и функциональных схем устройств с векторным мажоритарным преобразованием избыточных векторных сигналов защищены восемнадцатью авторскими свидетельствами СССР на изобретения и патентом РФ.

Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, были использованы для разработки измерителя вектора индукции геомагнитного поля в системе стабилизации и ориентации по программе работ со спутником "Файсат" в конструкторском бюро "Полет".

Результаты работы, связанные с технической реализацией устройств для мажоритарного выбора составляющих многомерного векторного сигнала в объеме авторского свидетельства №1136335 использованы по теме Министерства гражданской авиации 2.05.4.8 "Провести исследования по совершенствованию стратегий ремонта и обоснованию системы контроля технического состояния пилотажно-навигационного и радиоэлектронного оборудования в процессе технического обслуживания и ремонта".

Апробация. Основные результаты диссертационной работы доклады-вались и обсуждались на Международной научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин", г. Омск 1995 г.;

на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы совершенствования процессов технической эксплуатации авиационной техники, инженерно-авиационного обеспечения полетов в условиях ускорения научно-технического прогресса", г. Москва, 1985 г.;

на Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы эксплуатации авиатехники" г. Киев, 1979 г;

на Республиканской научно-технической конференции "Применение информационно-измерительных систем при эксплуатации авиационной техники", г. Киев, 1979 г.;

на 5 научно-технических семинарах, организованных в г. Киеве Республиканским домом экономической и научно-технической информации в период 1979-1988 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано девять работ, выпущен отчет в КБ "Полет", получено 16 авторских свидетельств СССР и один патент РФ на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 95 страницах машинописного текста, содержит 13 рисунков и 3 таблицы, список литературы из 110 наименований и пяти приложений.

Во введении излагается общая характеристика работы, формулируется цель, перечисляются задачи, решаемые в диссертации:

В первой главе анализируются основные свойства избыточных систем и мажоритарных преобразований избыточных сигналов.

Во второй главе анализируются основные свойства векторных мажоритарных систем управления (ВМСУ).

В третьей главе на основе различных критериев выполнен синтез алгоритмов векторного мажоритарного преобразования и диагностики систем с векторным мажоритарным преобразованием.

В четвертой главе анализируются результаты числового эксперимента, выполненного для определения оптимальной структуры матрицы оператора функциональной избыточности.

Заключение содержит основные выводы и результаты работы.

Приложения содержат рекомендации по разработке функциональных схем систем и сервоприводов с векторным мажоритарным резервированием, применяемых в авиационной и ракетно-космической технике.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава содержит анализ функциональной избыточности систем управления многомерными объектами и анализ мажоритарного преобразования избыточных сигналов. При этом управляющая система представлена в виде параллельного набора функциональных каналов (ФК), преобразующих векторное возмущение внешней среды на объект управления в одномерные составляющие векторного сигнала управления.

Принятое представление многомерной системы справедливо как в терминах передаточных матриц, так и в терминах пространства состояний.

Установлено, что метод наименьших квадратов, применительно к функционально избыточным векторным сигналам, не обеспечивает минимума нормы полной векторной погрешности, если оператор функционирования системы искажен отказами ее ФК и / или действием помех.

Для указанных условий функционирования многомерной системы требуется найти преобразование избыточного векторного сигнала, обеспечивающее минимум нормы полной векторной погрешности.

Решение поставленной задачи оптимизации избыточности заключается в таком выборе структуры резервируемой системы, при котором избыточный векторный п+ш-мерный сигнал формируется в виде

У=А\У{г} (1)

и затем преобразуется в п-мерный векторный сигнал X управления объектом с помощью векторного мажоритарного преобразования

Х=[АОА]"' АвУ,

(2)

где А- (п+ш)?п-матрица, определяющая перераспределение функций между каналами системы; ^/{г}-оператор п-мерной системы управления; г-вектор воздействия на управляемый объект; в -диагональная (п+ш) ? (п+ш)-матрица, элементы §(?.) которой связаны с оценками достоверности избыточного сигнала так, что изменяются от 1 до 0 при ухудшении этих оценок.

Алгоритм векторного мажоритарного преобразования получен обобщением по методу математической индукции алгоритма мажоритарного преобразования избыточного скалярного сигнала в одномерной (скалярной) системе на случай векторного сигнала с функциональной избыточностью.

Структурная схема векторного мажоритарного преобразования векторных сигналов представлена на рис. 1.

НЭ,

Уг

у,-

пг

И*

уч

8(21)

ей^е,

ЯЭ,

Ф

-п+хп

НЭ,

Я+К1

Модель ЕАГ

п+а

Модель «ияхргщы

А

*2

X,

Рис.1. Структурная схема векторного мажоритарного преобразования

На основе полученной структурной схемы разработаны и предложены функциональные схемы векторных мажоритарных преобразователей, в том числе, векторных мажоритарных механизмов для применения в функционально избыточных сервоприводах БСАУ ЛА. Разработанные мажоритарные механизмы обеспечивают безрывковое ("мягкое") отключение неисправных каналов. Отмечается, что согласно с фундаментальными положениями теории подобия приборное исполнение векторного мажоритарного алгоритма возможно на любой элементной базе.

Решается задача повышения точности цифрового сервопривода на основе функциональной избыточности и рядов Фибоначчи.

На основе полученной структурной схемы разработаны и предложены функциональные схемы векторных мажоритарных преобразователей, в том числе, векторных мажоритарных механизмов для применения в функционально избыточных сервоприводах БСАУ ЛА.

Показана обратимость векторного мажоритарного преобразования сигналов и разработаны схемы устройств с функциональной избыточностью на основе обратимых элементов и обладающие свойством обратимости.

Во второй главе анализируются основные свойства векторных мажоритарных систем управления (ВМСУ).Установлено, что матрица вида

5 = (Е - А А+), (3)

позволяет разложить избыточный вектор у на ортогональные составляющие ук и уь, А+=[АА]"' А. Вектор ук, порождаемый матрицей А, является достоверным сигналом в избыточной системе. Вектор уь формируется при отказах ФК и выбросах (помехах) отдельных составляющих избыточного сигнала.

Показано, что оптимальной топологии электрических и кинемати-ческих схем функционально избыточных устройств соответствуют матричные операторы с максимальным числом нулевых элементов. На основании чего определены оптимальные структуры матричных операторов, обеспечивающих введение ФИ с минимальным количеством связей между ФК системы, что позволяет снижать сложность приборной реализации системы, и, следовательно, дополнительно повышать ее надежность.

В частности матрицы, образуемые блоками единичных и вырожденных матриц, все элементы которых равны 1, при введении ФИ, порождают топологию цепей с минимумом связей между каналами. Для этих матриц выявлена формальная аналогия между преобразованиями матриц и комплексных чисел. Эта аналогия позволяет упрощать цифровую реализацию алгоритма векторного мажоритарного преобразования.

Разработана структурная схема диагностики сигналов и каналов МС с векторным мажоритарным резервированием.

Выполнено сравнение показателей надежности, сложности и массы систем ССМР и ВСМР и на основе соответствующих аппроксимаций получены предельные соотношения для этих показателей.

При этом сложность, кроме качественного анализа, определена через топологические характеристики матрицы А.

С использование аппарата линейной алгебры и многомерного статистического анализа анализируются векторные абсолютные погрешности, возникающих при искажениях избыточного сигнала в ВМСУ.

Выбранный подход к анализу точности ВМСУ позволяет расширить возможности исследования свойств ВМСУ и, в частности, таких, как ослабление влияния выбросов сигнала при отказах и действии помех, за счет оптимизации параметров нелинейных элементов в векторных мажоритарных преобразователях векторных сигналов.

В третьей главе рассматривается синтез алгоритма векторного мажоритарного преобразования по различным критериям и разрабатываются алгоритмы диагностики систем с векторным мажоритарным преобразованием.

Оптимизация синтеза алгоритмов функционирования мажоритарных преобразователей векторного сигнала выполняется по двум критериям.

В качестве первого критерия принята норма полной векторной погрешности, которая увеличивается с ростом числа отказавших каналов.

В качестве второго - дисперсия сигнала на выходе мажоритарного преобразователя векторного сигнала, которая имеет минимум при полной исправности ВМСУ.

При этом, для п-мерного базиса при избыточности системы, равной ш, показано принципиальное преимущество ВМСУ над другими схемами постоянного резервирования, а именно показано, что п+ш-мерная система имеет максимальную вероятность безотказной работы на заданном временном интервале, если по каждой базисной оси ш+п-мерного базиса, не содержащего коллинеарных осей, ориентирована ось чувствительности только одного функционального канала системы.

Решение задачи синтеза получено в виде следующего алгоритма

х = [Ат <На8[6(?.)]] 1 Ат с11а2 [ё (?.)]у, (4)

где коэффициенты g(?.) диагональной матрицы тождественны плотностям распределения составляющих векторной погрешности; х - преобразованный, у - избыточный сигналы соответственно.

В основу диагностики ВМСУ положено преобразование (3), которое с учетом мажоритарного преобразования имеет вид

8в = (Е-АеА+), (5)

где А = сВД ё(?.)] А; А/= [Ат с1т8[ё(?р]А]-> АТ йаВ[ ё(?.)].

При наличии в составе избыточного сигнала искаженных компонент произведение матрицы 8Ена избыточный сигнал не равно нулю.

Разработаны и анализируются четыре способа диагностики в ВМСУ, а также её реконфигурация при отказах каналов.

Рассмотрен случай с дублированием каналов многомерной системы и введением дополнительных контрольных каналов или их аналогов с ориентацией осей чувствительности по произвольному направлению при ориентации основных каналов по базисным осям.

В четвертой главе разработана имитационная модель ВМСУ и выполнен анализ результатов числового эксперимента на основе статистической обработки результатов.

Суть имитационного моделирования системы состоит в проведении численного эксперимента с математической моделью функционирования резервированной системы, описывающей её поведение в течение периодов времени заданной продолжительности.

Имитационное моделирование подтвердило гипотезу о том, что выбор ориентации осей чувствительности каналов управления, определяющий сложность системы, влияет на вероятность

безотказной работы. Причем увеличение числа строк в матрице А с нулевыми элементами увеличивает время безотказной работы ВМСУ. Эксперимент выполнен для выборки, равной 1000 реализаций для экспоненциального распределения отказов с гипотетическими значениями интенсивности отказов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В настоящей диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи векторного мажоритарного резервирования многомерных систем управления летательными аппаратами на основе обобщения мажоритарного преобразования для одномерных (скалярных) систем с параллельными каналами и разработки на этой основе теории построения векторных систем с векторным мажоритарным преобразованием векторных сигналов.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

¡.Установлено,что описанию функциональной избыточности в терминах линейного матричного преобразования векторного сигнала и вероятностному поведению ФИ системы соответствует векторное мажоритарное преобразование векторного избыточного сигнала, в форме взвешенной суммы с весовыми коэффициентами, имеющими, по крайней мере, два значения, причем одно из них равное нулю устанавливается в том случае, когда оценка достоверности соответствующей координаты векторного сигнала оказывается ниже допустимого уровня.

2.Разработана на основе указанного векторного мажоритарного преобразования концептуальная модель векторного мажоритарного резервирования систем управления многомерными объектами, движущимся в трехмерном инерциальном пространстве, например, самолет, спутник и т.п., снабженный исполнительными органами (рулями).

Предлагаемая концепция позволяет сократить количество каналов САУ без ухудшения характеристик надежности, по сравнению со скалярными мажоритарными БСАУ, в которых резервирование выполняется раздельно по базисным осям.

3.Определены условия для реализации оптимальных по надежности систем с векторным мажоритарным резервированием и выработаны рекомендации для построения функциональных схем

некоторых конкретных систем управления, в частности, систем устойчивости и управляемости ЛА.

4. Разработан метод диагностики векторных систем с векторным мажоритарным резервированием обеспечивающий повышения их надежности и живучести за счет реконфигурации структуры и являющийся оптимальным, в смысле объема информации, необходимой для диагностических процедур.

Основные результаты опубликованы в следующих работах;

1. Захаренков В.В. Отчет по методу построения эффективной бортовой измерительной системы проекций вектора индукции геомагнитного поля на основе трехкомпонентных магнитометров. НТО-44-3520-98/КБ ПО "Полет".

2. Захаренков В.В., Комаревич Л.В. Мажоритарное резервирование многомерной САУ // Динамика систем, механизмов и машин: Междунар. науч.-техн. конф.: Тез. докл. Омск: Изд-во ОмГТУ, 1995. Кн. 3. С. 61.

3. Захаренков В.В. Об одном методе синтеза восстанавливающих органов для векторных систем // Изв. АН СССР. Техническая кибернетика. 1979. №6. С. 125.

4. Захаренков В.В. О синтезе восстанавливающих органов для векторных систем. // Республ. науч.-техн. конф. "Применение информационно-измерительных систем при эксплуатации авиационной техники": Тез. докл. 20-22 ноября 1979 года. Киев, 1979. С. 81.

5. Захаренков В.В., Игнатов В.А., Маньшин Г.Г. Исследование надежности резервируемой системы с кворум-элементом // Изв. АН БССР. Сер. ФТН. 1972. №2. С. 88-91.

6. Маньшин Г.Г., Игнатов В.А., Захаренков В.В. О синтезе мажоритарных схем по условиям максимальной точности // Изв. АН БССР. Сер. ФТН. 1977. № 4. С.97-99.

7. Маньшин Г.Г., Захаренков В.В., Игнатов В.А. Марковские модели надежности резервированных систем при взаимосвязанных отказах // Изв. АН БССР. Сер. ФТН. 1976. № 2. С.110-113.

8. Маньшин Г.Г., Игнатов В.А., Захаренков В.В. Алгоритм определения вероятностных характеристик процесса "гибели" по графу // Изв. АН БССР. Сер. ФТН. 1974. №2. С. 84-86.

9. Модель отказов необслуживаемой дублированной системы

/ Г.Г Маньшин, B.B. Захаренков, B.B. Игнатов // Вычислительная техника в машиностроении: Науч.-техн. сб. Минск: Ин-т техн. кибернетики АН БССР. Дек. 1973. С. 164-171.

10. Захаренков В.В. Модели технического обслуживания дублированной системы // Эффективность и надежность информационных сетей и систем. - Киев: О-во "Знание" УССР. 1975. С 22.

11. A.c. 1021029 СССР. Устройство выбора непрерывного сигнала по принципу большинства / В.В. Захаренков, Н.В. Боголюбов и др. (СССР) // Приоритет изобретения от 18.02.1982 г.

12. A.c. 1203697 СССР. Аналоговое мажоритарное устройство / В.В.Захаренков, В.А. Игнатов, Н.В. Боголюбов (СССР) // Приоритет изобретения от 25.02.1983 г.

13. A.c. 1115235 СССР. Мажоритарное устройство для выделения проекций векторной величины / В.В. Захаренков, Н.В. Боголюбов, В.А. Игнатов (СССР) // Приоритет изобретения от 06.01.1983 г.

14. Пат. 1779809 РФ. Прецизионный цифровой сервопривод /В.В.Захаренков (РФ). Зарегистрирован 04.08.1993 г.

15. A.c. 1150862 СССР. Электродистанционная система ручного управления самолетом / В.В. Захаренков, Н.В. Боголюбов, В.А. Игнатов (СССР) // Приоритет изобретения от 25.02.1983 г.

16. A.c. 708660 СССР. Система демпфирования возмущенного движения самолета / В.В. Захаренков, В.А. Игнатов (СССР) // Приоритет изобретения от 01.03.1979 г.

17. A.c. 786188 СССР. Электродистанционная система ручного управления самолетом / В.В. Захаренков и др. (СССР) // Приоритет изобретения от 09.04.1979 г.

18. A.c. 1107461 СССР. Электродистанционная система ручного управления самолетом/В.В. Захаренков и др. (СССР)// Приоритет изобретения от 31.01.1983 г.

19. A.c. 1 105045 СССР. Устройство для диагностирования многоканальной системы передачи данных / В.В. Захаренков и др. (СССР) // Приоритет изобретения от 09.07.1982 г.

20. A.c. 1037341 СССР. Устройство для магнитной записи и воспроизведения / В.В. Захаренков и др. (СССР) // Приоритет изобретения от 02.06.1982 г.

21. A.c. 871217 СССР. Устройство для магнитной записи и воспроизведения / В.В. Захаренков и др. (СССР) // Приоритет изобретения от 07.09.1979 г.

22. A.c. 1228394 СССР. Электродистанционная система ручного

управления самолетом (ееварианты)/B.B. Захаренков и др. (СССР) И Приоритет изобретения от 23.02.1984 г.

23. A.c. 1274607 СССР. Система демпфирования возмущенного движения самолета / В.В. Захаренков (СССР) // Приоритет изобретения от 15.03.91 г.

24. A.c. 828448 СССР. Устройство выбора непрерывного сигнала по принципу большинства/ В.В. Захаренков, В.А. Игнатов (СССР) //Приоритет изобретения от 05.06.1979 г.

25. A.c. 1133356 СССР. Устройство для мажоритарного выбора составляющих многомерного векторного сигнала/В.В. Захаренков и др. (СССР) // Приоритет изобретения от 31.01.1983 г.

26. A.c. 782162 СССР. Мажоритарное устройство для выделения проекций векторной величины / В.В. Захаренков и др. (СССР) // Приоритет изобретения от 10.07.1978 г.