УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ РЕЗЕРВИРОВАННОЙ С ВЫБОРОМ СРЕДНЕГО АРИФМЕТИЧЕСКОГО ЗНАЧЕНИЯ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМОЙ
SYSTEM TO CONTROL REDUNDANT SYSTEM WITH OUTPUT PARAMETER MEAN ARITHMETIC VALUE SELECTION

Изобретение относится к современным пилотажно-навигационным комплексам (ПНК) летательных аппаратов (ЛА) и их бортовой радиоэлектронной аппаратуре и предназначено в основном для формирования сигналов управления резервированными с выбором среднего арифметического значения выходных параметров резервируемых элементов системами.
Системы автоматического управления ЛА, состоящие из радиотехнических и нерадиотехнических средств различного функционального назначения (автопилотов, средств радиоуправления, инерциальной навигации и др.), составляют основу современных ПНК ЛА. Одним из наиболее перспективных путей повышения эффективности функционирования и надежности составных частей таких ПНК является резервирование их наиболее важных элементов. При этом для эффективного управления работой таких резервированных систем требуется как информация об отказах их элементов, получаемая в реальном масштабе времени, так и соответствующее изменение структуры систем (реконфигурация), направленное на сохранение их работоспособности.
Поэтому управление конфигурацией резервированных систем, направленное на восстановление их работоспособности при отказах элементов, является одной из важных задач подсистем управления, контроля и восстановления работоспособности в системах автоматического управления и ПНК любых типов летательных аппаратов.
Обнаружение отказов и формирование команд управления резервированной системой, направленных на восстановление ее работоспособности возможно на основе применения элементов как аналоговой, так и цифровой техники, а также и при их совместном использовании. В настоящее время наиболее часто в обнаружителях отказов аппаратуры применяются аналоговые и цифровые микросхемы.
<mrow><mi>ε</mi><mo>:</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"><mrow><mi>X</mi><mo>−</mo><mi>X</mi></mrow></mstyle><mi>i</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mover><mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"><mi>X</mi></mstyle><mo>∘</mo></mover><mo>−</mo><msub><mrow><mover><mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"><mi>X</mi></mstyle><mo>∘</mo></mover></mrow><mi>i</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"><mi>Z</mi></mstyle><mi>i</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo><</mo><mi>ε</mi></mrow>
Известно устройство управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой, основанное на принципе мажоритарной логики (принципе выбора по большинству). Этот принцип широко используется для обнаружения отказов в системах резервирования, состоящих из рабочего элемента и нескольких элементов сравнения, играющих роль резервных элементов, путем выборки из множества. В этом случае состояние рабочей системы сравнивается с состоянием ряда таких же систем. Признаком безотказности рабочей системы является совпадение ее состояния с состоянием большинства систем [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. - Л.: Издательство Львовского университета, 1973, с. 43-44]. Считается, что состояния рабочей и i-й системы сравнения одинаковы, если разность их выходных параметров меньше
, где ε - произвольная положительная величина (абсолютное значение порога сравнения).
Основным недостатком такого устройства управления резервированной системой является невозможность подключения к нагрузке исправного элемента в случае отказа двух других элементов, что не позволяет в полной мере реализовать принцип резервирования замещением и снижает надежность системы.
cp
<mrow><mi>ε</mi><mo>:</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>X</mi><mo>−</mo><msub><mi>X</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo><</mo><mi>ε</mi></mrow>
Известно устройство управления резервированной с выбором среднего значения выходных параметров резервируемых элементов системой. Так как истинные значения выходных параметров неизвестны, то в качестве оценки для математического ожидания случайной величины принимают среднюю арифметическую величину выходных параметров резервируемых элементов. Признаком безотказности рабочей системы является совпадение ее выходного параметра со среднеарифметическим значением выходных параметров резервированной системы [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. - Л.: Издательство Львовского университета, 1973, с. 35-37]. Считается, что рабочая система исправна, если разность ее выходного параметра X и средней арифметической величины X выходных параметров резервированных элементов меньше
, где ε - произвольная положительная величина.
<mrow><msqrt><mi>n</mi></msqrt></mrow>
<mrow><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"><mi>X</mi></mstyle><mi>i</mi></msub></mrow><mi>n</mi></mfrac></mrow>
Для конкретности и простоты изложения рассмотрим резервированную с выбором среднего арифметического значения выходных параметров резервируемых элементов систему, состоящую из i=1…n резервируемых элементов. Устройство управления такой резервированной системой содержит [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. - Л.: Издательство Львовского университета, 1973, с. 21, 83-84] i=1…n резервируемых элементов (РЭ), суммирующее устройство (СУ), устройство деления (УД) на n∗=n, причем выходы РЭ подключены ко входу СУ, выход СУ подключен ко входу УД, выход которого является выходом системы. Относительное рассеяние выходного параметра резервированной системы в
раз меньше относительного рассеяния параметра элемента, что повышает надежность системы при наличии постепенных отказов. При внезапном отказе одного (любого) i-го элемента приводит к изменению выходного параметра на величину
, что приводит к отказу всей системы.
<mrow><msqrt><mi>n</mi></msqrt></mrow>
Таким образом, приведенное устройство управления резервированной системой обеспечивает сигнал на выходе системы при отсутствии внезапных отказов резервируемых элементов и повышает надежность системы при наличии постепенных отказов за счет уменьшения относительного рассеяния выходного параметра резервированной системы в
раз.
<mrow><msqrt><mi>n</mi></msqrt></mrow>
Наиболее близким, по технической сущности и достигаемому эффекту, является устройство управления резервированной с выбором среднего арифметического значения выходных параметров резервируемых элементов системой, содержащей i=1…n резервируемых элементов (РЭ), суммирующее устройство (СУ), устройство деления (УД) на n∗=n, причем выходы РЭ подключены ко входу СУ, выход СУ подключен ко входу УД, выход которого является выходом системы. При постепенных отказах РЭ надежность системы повышается за счет уменьшения относительного рассеяния выходного параметра резервированной системы в
раз. [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. - Л.: Издательство Львовского университета, 1973, с.21, 83-84].
<mrow><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"><mi>X</mi></mstyle><mi>i</mi></msub></mrow><mi>n</mi></mfrac></mrow>
Однако недостатком такого устройства является низкая эффективность функционирования системы, обусловленная низкой вероятностью безотказной работы при внезапном отказе одного (любого) i-го резервированного элемента, за счет резкого изменения выходного параметра на величину
, особенно при малом числе n резервируемых элементов, что практически приводит к отказу всей системы резервирования. Для устранения этого недостатка требуется создание фактически нового технического устройства управления резервированной системой, способного распознавать указанную выше ситуацию и уменьшить изменение выходного параметра при внезапном отказе резервированного элемента.
Технической задачей настоящего изобретения является повышение эффективности функционирования резервированной с выбором среднего арифметического значения выходных параметров резервируемых элементов системой путем повышения вероятности безотказной работы системы за счет обнаружения факта внезапного отказа резервированного элемента и управления коэффициентом деления устройства деления.
Поставленная задача решается за счет того, что в известное устройство управления резервированной с выбором среднего арифметического значения выходных параметров резервируемых элементов системой, содержащее i=1…n резервируемых каналов (РК), каждый содержащий резервируемый элемент (РЭ), последовательно соединенные суммирующее устройство (СУ) и устройство деления (УД), являющееся выходом устройства, дополнительно введены последовательно соединенные счетчик (Сч) и блок управления (БУ), выход которого подключен ко второму входу УД, а также в каждый РК введены последовательно соединенные ключ (Кл), линия задержки (ЛЗ), вычитающее устройство (ВУ), пороговое устройство (ПУ) и триггер (Тр), при этом выходы каждого триггера РК подключены к соответствующим входам Сч и управляющим входам Кл, причем в каждом РК входы ЛЗ и ВУ подсоединены к соответствующим входам СУ, причем выход РЭ каждого РК подключен к входу соответствующего Кл.
i
o
o
o
Управление системой при отказе одного из элементов РЭ производится следующим образом. При внезапном отказе РЭ i-го РК на выходе соответствующего ВУ будет скачок сигнала, который приведет к срабатыванию ПУ при превышении допустимого отклонения ε (допустимого предела отклонения выходного параметра X) и переводу Тр в «единичное» состояние. «Единичный» сигнал Тр поступает на управляющий вход Кл и выключает i-й РК резервированной системы, а также подается на i-й вход Сч. Счетчик по числу сработавших Тр определяет суммарное число n отказавших РЭ, которое в БУ вычитается из общего числа n РЭ. Сигнал s блока управления, пропорциональный разностному сигналу n∗=n-n, управляет коэффициентом деления УД. Уменьшение коэффициента деления УД на число внезапно отказавших n РЭ не приводит к резкому изменению выходного параметра резервированной системы и ее отказу. Отказ системы наступает при отказе всех РЭ. Таким образом, повышается вероятность безотказной работы системы резервированной с выбором среднего арифметического значения выходных параметров резервируемых элементов системы.
Техническое решение обладает новым свойством, заключающимся повышенной эффективностью функционирования резервированной с выбором среднего арифметического значения выходных параметров резервируемых элементов системы, обусловленной увеличением вероятности безотказной работы системы за счет обнаружения факта внезапного отказа резервированного элемента и устранения скачка выходного параметра системы.
При этом идентификация работоспособного элемента позволяет использовать устройство не только в интересах реконфигурации структуры системы, но и в целях сокращения времени восстановления работоспособности отказавших элементов за счет уменьшения временных затрат на поиск неисправностей.
бп
бз
На фиг.1 представлена структурная схема устройства управления резервированной с выбором среднего арифметического значения выходных параметров резервируемых элементов системой, состоящее из i=1…n каналов резервирования. На фиг.2 приведена временная диаграмма функционирования такого устройства управления. На фиг.3 приведены результаты расчетов в виде зависимостей вероятностей безотказной работы резервированных систем прототипа Р и предлагаемого устройства Р от значений вероятности безотказной работы элементов р.
Устройство управления резервированной с выбором среднего арифметического значения выходных параметров резервируемых элементов системой (фиг.1) содержит i=1…n резервируемых элементов РЭ1.1… РЭ1.n, i=1…n ключей Кл2.1…Кл2.n, выполненных в виде электронных реле с соответствующим числом нормально-разомкнутых (замкнутых) контактов на основе микросхемы электронного коммутатора 435КН2 [Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ. пособие. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989, 240 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; вып.1143), с.68], i=1…n линий задержки Л33.1…Л33.n, выполненных в виде дискретно-аналоговых линий задержки на интегральной схеме типа КР1016БР1 [Воробьев Е.П., Сенин К.В. Интегральные микросхемы производства СССР и их зарубежные аналоги: Справочник. - М.: Радио и связь, 1990. - 352 с: ил, с.178], i=1…n вычитающих устройств ВУ4.1…ВУ4.n, выполненных в виде типового сумматора на интегральной микросхеме (ИМС) прецизионного операционного усилителя (ОУ) КМ551УД1А [Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ. пособие. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989, 240 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; вып.1143), с.50-53], i=1…n пороговых устройств ПУ5.1…ПУ5.n и i=1…n триггеров Тр6.1…Тр6.п, выполненных на ИМС К155ТЛ1 или К554СА2 по схеме триггера Шмитта или компаратора соответственно [Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ. пособие. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989, 240 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; вып.1143), с.56-57, 122], счетчик Сч7, выполненный в виде типового сумматора на интегральной микросхеме (ИМС) прецизионного операционного усилителя (ОУ) КМ551УД1А [Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ. пособие. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989, 240 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; вып.1143), с.50-53], сумматор СУ8, выполненный в виде типового сумматора на интегральной микросхеме (ИМС) прецизионного операционного усилителя (ОУ) КМ551УД1А [Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ. пособие. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989, 240 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; вып.1143), с.50-53], устройство деления УД9, выполненное в виде перемножителя сигналов на ИМС высокоточного аналогового перемножителя КМ525ПС3А [Воробьев В.П., Сенин К.В. Интегральные микросхемы производства СССР и их зарубежные аналоги: Справочник. - М.: Радио и связь, 1990, с.112-113] или делителя напряжения на ИМС К260НЕ1, и блок управления БУ10, выполненный в виде типового сумматора на интегральной микросхеме (ИМС) прецизионного операционного усилителя (ОУ) КМ551УД1А [Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ. пособие. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989, 240 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; вып.1143), с.50-53], причем i=1…n резервируемый канал, содержащий последовательно соединенные резервируемый элемент РЭ1.i, ключ Кл2 л, линию задержки Л33.i, вычитающее устройство ВУ4.i, пороговое устройство ПУ5.i и триггер Тр6.i, подсоединен к соответствующему входу Сч7 и управляющему входу Кл2.i, причем входы линий задержки Л33.i и вычитающего устройства ВУ4.i подсоединены к соответствующим i-ым входам суммирующего устройства СУ8, последовательно соединенного с устройством деления УД9, являющегося выходом устройства, ко второму входу которого подключены последовательно соединенные счетчик Сч8 и блок управления БУ10.
Таким образом, заявленное устройство управления резервированной с выбором среднего арифметического значения выходных параметров резервируемых элементов системой обеспечивает ее эффективное функционирование при одновременном внезапном отказе n-1 из n резервируемых элементов за счет обнаружения факта внезапного отказа резервированного элемента, определения общего числа отказавших резервированных элементов и устранения скачка выходного параметра системы, что позволяет повысить надежность системы при внезапных отказах резервируемых элементов и свести к минимуму время поиска и устранения неисправностей в резервированной системе.
Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам предлагаемого устройства управления резервированной с выбором среднего арифметического значения выходных параметров резервируемых элементов системе. Выбор из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к сформулированному техническому результату признаков в заявленном устройстве управления резервированной системой, которые изложены в формуле изобретения. Поэтому заявленное изобретение соответствует критерию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень» проведен поиск и анализ известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с признаками предлагаемого устройства управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем. Заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
дополнение известного средства каким-либо известным блоком, присоединяемым к нему по известным правилам, для достижения технического результата;
замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата;
увеличение однотипных элементов для достижения сформулированного технического результата;
создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между ними осуществлен по известным правилам, а достигнутый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связями между ними.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «Изобретательский уровень».
Предлагаемое техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», так как совокупность характеризующих его признаков обеспечивает возможность его существования, работоспособность и воспроизводимость, так как для реализации заявляемого технического решения могут быть использованы известные материалы и оборудование.
1
1
з
з
БУ1
ПУ1
Тр1
Сч1
o
o
1
2
cp
1
2
БУ1
ПУ1
Тр1
Сч1
o
o
2
cp
2
cp
cp
2
cp
Сч1
o
Рассмотрим работу устройства управления резервированной с выбором среднего арифметического значения выходных параметров резервируемых элементов системой. Для понимания существа работы устройства достаточно подробно рассмотреть функционирование резервированной системы, состоящей из n=2 резервированных элементов при внезапном отказе сначала РЭ1.1, а потом РЭ1.2. Для наглядности процесс функционирования резервированной системы на фиг.2 приведена временная диаграмма функционирования такого устройства управления. Резервированные элементы РЭ1.1 и РЭ1.2 работают одновременно (так называемый нагруженный резерв). Сигнал X(t) с выхода РЭ1.1 подается через замкнутые контакты Кл2.1 одновременно на входы линии задержки Л33.1, вычитающего устройства ВУ4.1 и суммирующего устройства СУ8. На второй вход ВУ4.1 поступает сигнал X(t-t), задержанный в Л33.1 на время t. Если разность сигналов Х(t) на выходе ВУ4.1 не превышает порог ε порогового устройства ПУ5.1, то на его выходе будет низкий уровень напряжения U(t)=0, триггер Тр6.1 не сработает (U(t)=0), что сигнализирует о рабочем состоянии первого резервированного канала. Аналогично работает второй резервированный канал с РЭ1.2, если он в рабочем состоянии. На выходе счетчика Сч7, входы которого соединены с выходами триггеров Тр6.1 и Тр6.2, будет «нулевой» сигнал U=n=0, соответственно на выходе блока управления БУ10, подсоединенного входом к выходу Сч7, будет сигнал s, пропорциональный числу рабочих резервированных каналов s~n∗=n-n=2, который поступает на устройство деления УД9. С выхода сумматора СУ8 суммарный сигнал X(t)+Х(t) с выходов РЭ1.1 и РЭ1.2 поступает на вход устройства деления УД9, где делится на n∗=n=2. На выходе системы будет среднее арифметическое значение выходного параметра X(t)=(X(t)+X(t))/2. При внезапном отказе РЭ1.1 (t=4 на фиг.2) сигнал Х(t) на выходе ВУ4.1 превысит порог ε порогового устройства ПУ5.1, на выходе которого будет «единичный» уровень напряжения U(t)=1 на время превышения порога, триггер Тр6.1 сработает (U(t)=1), сигнал с выхода которого поступает на Кл2.1 и отключает первый резервированный канал, а также подается на вход Сч7, сигнализируя об отказе РЭ1.1. На выходе Сч7 будет сигнал U=n=1, а на выходе БУ10 сигнал s, пропорциональный числу рабочих резервированных каналов s~n∗=n-n=1, который поступает на устройство деления УД9. На выходе СУ8 остается только сигнал X(t), который в УД9 делится на 1 и, соответственно, на выходе резервированной системы будет выходной параметр X(t)=X(i) (сплошная линия зависимости X(t) на фиг.2), т.е. внезапный отказ одного из двух РЭ не приводит к отказу всей системы. При отсутствии элементов обнаружения отказа и управления коэффициентом деления УД9 (прототип устройства) на выходе резервированной системы будет искаженный выходной параметр X(t)=Х(t)/2 (штриховая линия зависимости X(t) на фиг.2), что практически может привести к отказу всей системы резервирования. Аналогично первому каналу с РЭ1.1 при внезапном отказе второго РЭ1.2 (t=9 на фиг.2) сработает Тр6.2, который отключает второй канал системы и повышает на единицу Сч7. На выходе Сч7 будет сигнал U=no=2, а на выходе БУ1 сигнал s~n∗=n-n=0, т.е отказ всех РЭ приводит к отказу системы.
бп
бз
РЭ
РЭ
РЭ
РЭ
3
n
Для исследования вероятностных характеристик предлагаемого устройства управления резервированной системой на основе структурной схемы (фиг.1) были проведены расчеты по оценке вероятности его безотказной работы, а также аналогичной характеристики прототипа. При этом вероятность безотказной работы системы в предположении, что все элементы РЭ равно надежны и вероятность безотказной работы элемента равна р, будет определяться: для прототипа надежностью одного (n=1) резервированного элемента Р=р, а для заявленного устройства при безотказной работе элементов обнаружения и управления коэффициентом деления формулой Р=1-(1-р) [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. - Л.: Издательство Львовского университета, 1973, с. 85-86]. Значения порогов обнаружения отказа РЭ выбирались равными ε=(m-3σ), где m, σ - среднее значение и СКО выходного сигнала РЭ соответственно. Значение времени задержки t линии задержки определялось временем надежного срабатывания триггера.
бп
б
бз
б
Результаты расчетов в виде зависимостей вероятностей безотказной работы резервированных систем прототипа Р (график зависимости Р на фиг.3 при n=1) и предлагаемого устройства Р (графики зависимостей Р на фиг.3 для случая n=2 и n=3) от значений вероятности безотказной работы элементов p приведены на фиг.3.
Анализ полученных результатов показывает, что предлагаемое техническое решение позволяет при n-2 в 1.5-1.2 раза и при n=3 в 1.75-1.24 раза повысить вероятность безотказной работы резервированной системы по сравнению с прототипом при значениях вероятностей безотказной работы элементов, равных соответственно 0.5-0.8, за счет обнаружения внезапного отказа резервируемого элемента и управления коэффициентом деления резервированной с выбором среднего арифметического значения выходных параметров резервируемых элементов системой. Заявленное устройство может быть использовано не только для восстановления работоспособности резервированной системы, но и для выявления всех отказавших элементов. При этом следует ожидать сокращения времени восстановления работоспособности отказавшего элемента за счет снижения временных затрат на поиск неисправностей.
Изложенные сведения свидетельствуют о возможности выполнения при реализации заявленного устройства управления резервированной с выбором среднего арифметического значения выходных параметров резервируемых элементов системой следующей совокупности условий:
предлагаемое устройство управления резервированной с выбором среднего арифметического значения выходных параметров резервируемых элементов системой при его реализации позволит обеспечить повышение эффективности функционирования резервированной с выбором среднего арифметического значения выходных параметров резервируемых элементов системы за счет повышения надежности системы путем обнаружения факта внезапного отказа резервируемого элемента системы и управления коэффициентом деления суммы выходных параметров каналов резервирования, то есть обеспечения работоспособности системы при внезапном отказе n-1 из n резервируемых элементов, приводящих к выходу из строя прототипа, при одновременном сокращении времени выявления и устранения неисправностей в резервированной системе;
показана возможность реализации на практике заявленного устройства управления резервированной с выбором среднего арифметического значения выходных параметров резервируемых элементов системой в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
предлагаемое устройство управления резервированной с выбором среднего арифметического значения выходных параметров резервируемых элементов системой при его разработке способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.