ОТКАЗОУСТОЙЧИВАЯ КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к бортовым вычислительным системам, структура которой может быть использована при создании высоконадежных отказоустойчивых комплексных систем управления (КСУ) полетом летательных аппаратов (ЛА) и входящих в их состав систем дистанционного управления (СДУ) и систем автоматического управления (САУ) ЛА.
Использование КСУ позволяет значительно упростить конструкцию, летную и техническую эксплуатацию системы управления ЛА, а также ее связи с другими системами бортового оборудования. Использование КСУ дает возможность применения более гибких законов управления, обеспечивающих качественно и количественно существенно более высокие характеристики устойчивости, управляемости и маневренности ЛА на всех режимах полета.
В основу предлагаемой полезной модели положено многократное резервирование каналов информационного обмена, датчиков, вычислителей, средств контроля и исполнительных механизмов. Управление аппаратной и вычислительной избыточностью осуществляется в зависимости от состояния системы программно - алгоритмически и аппаратно.
Известна отказоустойчивая вычислительная система, патент РФ №2439674, МПК 7 G06F 15/16, опубликован 10.01.2012 г., бюл. №1, принятая нами в качестве прототипа.
Отказоустойчивая вычислительная система содержит N центральных процессоров и N процессоров ввода-вывода в симметричной конфигурации соединения, которые определяют состояние соответствующего средства обработки каналов и обеспечивают передачу его состояния другому средству обработки, определяют запрос на выполнение задания средствами обработки между собой, позволяющий любому одному средству обработки по какому-либо заранее выбранному критерию или по их совокупности выполнять функцию ведущего средства обработки в симметричной конфигурации для текущего управления периферийными и исполнительными устройствами, входы всех средств обработки подсоединяют к общему источнику входных данных, все средства обработки, имеющие идентичные образы памяти программ, синхронно выполняют запрос на задание, а результаты выполнения передают по каналам связи между всеми средствами обработки, в каждом из которых собственные результаты программно сравнивают с результатами остальных по мажоритарному принципу, восстанавливают достоверное значение результата, которое рассылают всем средствам обработки, так что ошибку сбившегося средства обработки парируют в нем достоверным значением, а при следующих подряд повторениях идентичной ошибки неисправное средство обработки переводят в резерв или отключают.
Недостатком известного устройства является необходимость выделения ведущего средства обработки в симметричной конфигурации, необходимость применения двух вычислительных устройств в каждом канале, при этом система контроля и диагностики по мажоранте и конфигуратор используются только по числу каналов. Предложенное устройство применимо в основном для контроля внутренних процессорных модулей, не охватывает всю систему управления и не учитывает особенностей организации КСУ ЛА.
Целью заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей, повышение надежности, живучести, отказобезопасности и универсальности использования комплексной системы управления путем реконфигурации структуры вычислительно-управляющего оборудования КСУ ЛА.
Указанная цель достигается тем что, отказоустойчивая комплексная система управления (КСУ), содержащая в каждом канале управления органы управления, кинематически связанные с датчиками положения ручки (ДПР), электрически связанными с резервированными вычислительными устройствами, которые связаны с комплексом бортового обор удования (КБО) и оконечными исполнительными устройствами, выходы которых подключены к указанным вычислителям, резервированные внутренние и внешние шины информационного обмена, мажоритарные элементы и реконфигураторы вычислительных устройств по количеству резервных каналов, дополнительно содержит на каждом посту управления летчика четырехкратно резервированные в каждом канале управления ДПР, пульт управления (ПУ), двух и более кратно резервированную вычислительную систему САУ (ВС САУ), четырехкратно и более кратно резервированные вычислительные устройства системы дистанционного управления (ВУ СДУ), трех или четырехкратно резервированный интегральный блок датчиков (ИБД), трех или четырехкратно резервированный блок резервной навигации (БРН), группу из четырехкратно резервированных блоков управления приводами (БУП), количество групп БУП определяется количеством рулевых аэродинамических поверхностей и их секций, трех, четырех или более кратно резервированные программно-алгоритмические модули кворумирования и реконфигурации (МКР) сигналов управления, датчиков, резервов вычислителей и исполнительных механизмов входного и выходного сечения по мажоритарной логике, четырехкратно резервированные в каждом канале (крена, тангажа и рыскания) ДПР постов управления летчика подключены к входам трех, четырехкратно и более кратно резервированных ВУ СДУ, которые соединены между собой и с ВС САУ и соединены с выходами ИБД и БРН, соответственно, входы резервированных БУП соединены с соответствующими выходами ВУ СДУ, а выходы БУП подключены к входам соответствующих электромеханических или электрогидравлических приводов, трех или четырехкратно резервированные БРН соединены с соответствующими выходами резервированного ИБД, входы ВС САУ соединены с выходами КБО и ПУ, в зависимости от требований к КСУ, используемых на различных типах ЛА.
При использовании данной отказоустойчивой КСУ на беспилотных летательных аппаратах, она содержит приемник радиосигналов от наземного пункта управления, соответствующих параметрам полета ЛА и являющихся управляющими сигналами, обработку которых осуществляют посредством вычислительных средств КСУ.
С целью повышения живучести, КСУ содержит три или более резервов ВУ СДУ, размещенных в шкафах-крейтах, которые пространственно рассредоточены на борту ЛА и соединены по соответствующей схеме.
При этом для заявляемой отказоустойчивой КСУ предусмотрены следующие варианты схем включения резервов ВУ СДУ.
Система содержит функциональные модули ВУ СДУ, шестикратно резервированные и соединенные по схеме две «триады», размещенные в двух шкафах-крейтах, разнесенных по левому и правому бортам ЛА и объединенных каналами межмашинного обмена (ММО).
Система содержит функциональные модули ВУ СДУ, шестикратно резервированные и соединенные по схеме три «двуады», размещенные в трех шкафах-крейтах по левому, правому борту и в центральной части ЛА, объединенных каналами ММО.
Система содержит функциональные модули ВУ СДУ, соединенные по схеме три «двуады» резервов вычислителей и объединенные по полносвязной схеме.
Система содержит функциональные модули ВУ СДУ, соединенные по схеме одна «двуада» и одна «триада», размещенные в шкафах-крейтах, разнесенных по правому и левому борту ЛА и объединенных каналами ММО.
Система содержит функциональные модули ВУ СДУ, соединенные по схеме две «двуады», объединенные по полносвязной схеме.
Система содержит функциональные модули ВУ СДУ, соединенные по схеме, в которой каждый из трех и более резервов вычислителей объединены по каналам ММО либо по полносвязной схеме и размещены в отдельных шкафах-крейтах, разнесенных по борту ЛА.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема КСУ для ЛА с двумя постами управления летчика, на фиг. 2 - схема соединения ВУ СДУ, включенных по схеме две «триады», на фиг. 3-схема соединения ВУ СДУ, включенных по схеме три «двуады», фиг. 4 - схема соединения ВУ СДУ, включенных по схеме три «двуады», объединенных по полносвязной схеме, фиг. 5 - схема соединения ВУ СДУ, включенных по схеме одна «двуада» и одна «триада», фиг. 6 - схема соединения ВУ СДУ, включенных по схеме две «двуады», объединенных по полносвязной схеме.
КСУ (фиг. 1) содержит: на первом посту управления летчика ручку 1 управления с четырехкратно резервированными ДПР по количеству каналов управления (крен, тангаж, рыскание), на втором посту управления летчика ручку 2 управления с четырехкратно резервированными ДПР по количеству каналов управления, пульт 3 ПУ, резервированные вычислители 4 ВС САУ, четырехкратно резервированные ВУ СДУ 5, четырехкратно резервированный блок 6 ИБД, четырехкратно резервированный блок 7 БРН, первый четырехкратно резервированный блок 8 БУП, второй четырехкратно резервированный блок 9 БУП, третий четырехкратно резервированный блок 10 БУП, первый привод 11, второй привод 12, третий привод 13 (число приводов определяется числом рулевых поверхностей ЛА и потребной степенью резервирования), кроме того на выходах ДПР и ИБД, на входных и выходных сечениях ВС САУ, ВУ СДУ, БРН, БУП и электромеханических приводов установлены четырехкратно резервированные программно-алгоритмические МКР всех сигналов (на чертеже не показаны).
Для управления могут быть использованы три и более привода - в зависимости от типа и класса ЛА.
Управление осуществляют с первого и второго постов управления или от КБО (для БЛА всегда, а для пилотируемого ЛА в ручном, директорном и автоматическом режимах управления).
ПУ 3 - пульт управления служит для принудительного переключения режимов работы ЛА.
ВС САУ 4 - осуществляет связь КБО с КСУ, управление внешними траекторными режимами и т.д. через ВУ СДУ.
ВУ СДУ 5 (5-1 - 5-6) - обеспечивают реализацию полного состава функций автоматического и автоматизированного «ручного» управления (СДУ с системой устойчивости и управляемости (СУУ)) ЛА с обеспечением сигнализации опасных состояний (СОС) и ограничений пилотажных режимов (ОПР) применительно к полному вектору параметров движения ЛА, осуществляет автоматический переход на другие режимы управления и т.д.
ИБД 6 - предназначен для выдачи сигналов, пропорциональных угловым скоростям и линейным ускорениям в связанной с ЛА системе координат.
БРН 7 - предназначен для преобразования сигналов ИБД в сигналы, пропорциональные углам крена и тангажа.
i
iзад
iзад
БУП 8, 9, 10 - предназначены для формирования заданного положения или заданных скоростей перемещения штоков приводов. Блоки управления приводами формируют сигналы управления приводом u на основе информации о заданном положении штока δ, а также на основе поступающих из привода с датчиков обратных связей сигналов положения и, при необходимости, скорости перемещения штока δ. Тем самым обеспечивается установка штоков в заданное положение.
Ниже приведен один из возможных алгоритмов программно-алгоритмического МКР для канала акселерометров выхода ИБД.
1
2
При назначении порогов исходим из того положения, что у исправных датчиков суммарная погрешность не должна превышать П и нижняя граница погрешностей не меньше П.
Проверка акселерометров:
2
1
а
а
х1
х2
1. П≤-≤П → (0,1);
2
1
а
а
х1
х3
2. П≤-≤П → (0,1);
2
1
а
а
х1
х4
3. П≤-≤П → (0,1);
2
1
а
а
х2
х3
4. П≤-≤П → (0,1);
2
1
a
a
x2
x4
5. П≤-≤П → (0,1);
2
1
а
а
х3
х4
6. П≤-≤П → (0,1);
a
xi
где:  - выходной сигнал i-того акселерометра, i=1-4,
а
х
- выходной сигнал акселерометров резервированных ИБД по оси X, (0) - условия не выполнены - отказ, (1) - датчики исправны.
Далее, по результатам сравнения определяем отказавший датчик и осуществляем реконфигурацию. Например: 1.(1) - означает, что в первом уравнении условие выполнено, 4.(0) - в четвертом уравнении условие не выполнено.
а
а
а
а
а
х
х1
х2
х3
х4
1) 1.(1)+2.(1)+3.(1)+4.(1)+5.(1)+6.(1) → все исправны, =(+++)/4;
а
а
а
а
а
х1
х
х2
х3
х4
2) 1.(0)+2.(0)+3.(0) → отказ , =(++)/3;
а
а
а
а
а
х2
х
х1
х3
х4
3) 1.(0)+4.(0)+5.(0) → отказ , =(++)/3;
а
а
а
а
а
х3
х
х2
х1
х4
4) 2.(0)+4.(0)+6.(0) → отказ , =(++)/3;
а
а
а
а
а
х4
х
х2
х3
х1
5) 3.(0)+5.(0)+6.(0) → отказ , =(++)/3;
а
а
а
а
а
х1
х2
х
х3
х4
6) 1.(0)+2.(0)+3.(0)+4.(0)+5.(0) → отказ  и - → )=(+)/2;
а
а
а
а
а
х2
х3
х
х1
х4
7) 1.(0)+2.(0)+4.(0)+5.(0)+6.(0) → отказ  и  → =(+)/2;
а
а
а
а
а
х3
х4
х
х1
х2
8) 2.(0)+3.(0)+4.(0)+5.(0)+6.(0) → отказ  и  → =(+)/2;
а
а
а
а
а
х1
х4
х
х3
х2
9) 1.(0)+2.(0)+3.(0)+5.(0)+6.(0) → отказ  и  → =(+)/2;
10) Одновременный отказ трех датчиков - общий отказ, по показаниям четырех датчиков исправный датчик не определяется. Отказавший датчик определяют путем сравнения с датчиками основного навигационного комплекса и(или) по результатам встроенного контроля.
КСУ имеет три режима управления - основной, альтернативный и резервный (аварийный). В основном режиме обеспечивается решение всех функциональных задач КСУ в полном объеме. Альтернативный режим обеспечивает решение определенного круга задач, несколько суженного по сравнению с основным режимом. В резервном (аварийном) режиме доступны только функции прямого ручного управления.
В КСУ обеспечивают максимальную внутрисистемную унификацию блоков и модулей.
В основном режиме управления ядро КСУ, образованное программно-аппаратными ресурсами СДУ, наращивают за счет соответствующих ресурсов САУ и взаимодействия с КБО. Связь КСУ с системами КБО осуществляют по шинам цифрового обмена, используя вычислители САУ. Основной режим - режим максимальной функциональной конфигурации, в котором задействованы все основные функциональные элементы КСУ при числе вычислителей в каждом контрольном сечении не менее 3-х.
Для повышения живучести КСУ в случае пожара или другого повреждения блоков, в изобретении осуществляют разделение резервов вычислителей системы на блоки левого и правого бортов, в каждом из которых реализуются по два или более резерва и которые будут пространственно рассредоточены на борту ЛА.
В основном режиме управления КСУ обеспечивает реализацию полного состава функций автоматического (САУ) и автоматизированного «ручного» управления (СДУ с системой улучшения устойчивости и управления (СУУ)) ЛА с обеспечением сигнализации опасных состояний (СОС) и ограничений пилотажных режимов (ОПР) применительно к полному вектору параметров движения ЛА, а также осуществляет автоматический переход на альтернативный и резервный режимы управления при наличии соответствующих отказов, либо вручную по команде от переключателя ПУ "Альтернативный режим", "Резервный режим", с выдачей соответствующей сигнализации (функция управления режимами КСУ и автоматической реконфигурации режимов).
Альтернативный (промежуточный между основным и резервным) режим включается при наличии отказов в КБО, приводящих к невозможности реализации функций КСУ, обеспечиваемых информацией от систем КБО, а также при возникновении более 2-х отказов собственных вычислителей КСУ в разноименных сечениях вычислительного тракта любого из каналов управления. В альтернативном режиме задействованы все функциональные компоненты КСУ без участия КБО, но допускается возникновение более 2-х последовательных отказов собственных вычислителей КСУ в разноименных контрольных сечениях. В этом случае возможно продолжение полета в ситуации не хуже усложнения условий полета.
В альтернативном режиме задействованы интегрированные блоки датчиков ИБД в качестве датчиков линейных ускорений и угловых скоростей, а в части СДУ задействованы все функциональные элементы, но число резервов вычислителей в каком-либо контрольном сечении из-за отказов уменьшилось до трех. В этом режиме используют функции демпфирования и стабилизации крена и тангажа по сигналам ИБД в помощь ручному управлению летчика. Углы крена и тангажа вычисляют алгоритмами резервной навигации методом адаптивной компенсации погрешностей по сигналам датчиков линейных ускорений. В альтернативном режиме выполняются в полном объеме только ручное автоматизированное управление и нижний уровень ОПР.
Режим резервного (аварийного) управления реализуют в виде ядра КСУ, обособленного по всем видам ресурсов от других устройств КСУ, а также от систем КБО. В резервном режиме управления КСУ реализует только функции прямого ручного управления, при котором управляющие сигналы на органы управления формируются цифровым вычислителем по сигналам датчиков ДПР и (при необходимости) по сигналам ИБД.
В резервный режим КСУ переходит автоматически при возникновении критических отказов (после второго отказа в каком-либо одном контрольном сечении тракта формирования и передачи сигналов управления на уровне СДУ). Резервный режим обеспечивает полет и посадку на ближайший аэродром с помощью прямого ручного управления приводами.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей системы дистанционного управления, улучшение эксплуатационных характеристик, повышение живучести, надежности и отказобезопасности комплексной системы управления полетом. Путем реконфигурации архитектуры и структуры КСУ, обеспечивается возможность продолжения полета и выполнения задания при наличии нескольких отказавших элементов в структуре КСУ. Эксплуатация КСУ осуществляется без наземной контрольно-проверочной аппаратуры.
Предложенная полезная модель отказоустойчивой КСУ может быть реализована путем использования базовых элементов для вычислительных систем бортовых цифровых вычислительных машин и базовых элементов, используемых в существующих системах дистанционного управления летательными аппаратами.