УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ РЕЗЕРВИРОВАННОЙ С ПОМОЩЬЮ МАЖОРИТАРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМОЙ
DEVICE FOR CONTROL OVER SYSTEM REDUNDANT WITH MAJORITY ELEMENTS

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><mi>X</mi><mo>−</mo><msub><mi>X</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>Z</mi><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.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой, основанное на принципе мажоритарной логики, с повышенной эффективностью функционирования, обусловленной возможностью обнаружения факта отказа системы и подключения к нагрузке одного из работоспособных элементов (Патент №2451995 от 27.05.2012 г.). Устройство управления такой резервированной системой содержит рабочий элемент (РЭ), два элемента сравнения (ЭС), три вычитающих устройства (ВУ), три компаратора (К), три электронных ключа (ЭК), причем выход РЭ подключен ко второму входу первого ВУ, первому входу второго ВУ и первому входу первого ЭК, выходы которых подсоединены к входам первого, второго компараторов К и выходом системы соответственно, выход первого ЭС подключен к первому входу первого ВУ, а также к первому входу третьего ВУ и первому входу второго ЭК, выходы которых подключены к входу третьего компаратора и выходу первого ЭК соответственно, выход второго ЭС соединен со вторыми входами второго и третьего ВУ и входом третьего ЭК, выход которого соединен с выходом второго ЭК, причем входы РЭ и двух ЭС соединены вместе и являются входом системы, входы БУ соединены с соответствующими выходами компараторов, а первый, второй и третий выходы БУ подключены ко вторым входам первого, второго и третьего ЭК соответственно, а также содержит четвертый, пятый и шестой компараторы К, четвертый ЭК, три логических элемента НЕ и логический элемент И, причем ко входам четвертого, пятого и шестого компараторов подключены выходы РЭ, первого и второго ЭС соответственно, а выходы четвертого, пятого и шестого К подключены соответственно к первому, второму и третьему входам четвертого ЭК, выходы которого соединены с четвертым, пятым и шестым входом БУ соответственно, выходы первого, второго и третьего компараторов соединены соответственно со входами первого, второго и третьего элементов НЕ, выходы которых подключены соответственно к первому, второму и третьему входам логического элемента И, выход которого соединен с четвертым входом четвертого ЭК. В вычитающих устройствах и первых трех компараторах, являющихся элементами мажоритарной логики (МЛ), осуществляется сравнение сигналов РЭ, первого и второго ЭС и при отказе одного из этих элементов БУ подключает через соответствующий ЭК к выходу один из исправных элементов. При отказе двух элементов на выходах первого, второго и третьего К будут сигналы низкого уровня, которые инвертируются в элементах НЕ и подаются на элемент И, подсоединяющий через четвертый ЭК четвертый, пятый и шестой входы БУ к выходам соответствующих К, которые определяют исправный элемент, то есть на выходе которого имеется сигнал, превышающий порог компаратора, и БУ подключает данный элемент через соответствующий ЭК на выход системы, то есть обеспечивается работоспособность системы даже при отказе двух элементов.
Однако недостатком такого устройства управления является невозможность эффективного функционирования системы при отказе двух из трех резервируемых элементов в случае, если сигналы на выходе элементов являются знакопеременными или изменяются периодически от максимального значения до значения, близкого к 0, так как компаратор канала обнаружения исправного элемента будет периодически выключаться и соответственно приводить к отказу всей системы, а также возникновении ситуации, когда в двух элементах произошел одинаковый отказ и в соответствии с мажоритарной логикой неисправным будет считаться исправный элемент, а исправными - отказавшие элементы, при этом на выходе логического элемента И будет отсутствовать сигнал высокого уровня и БУ через ЭК подключит к выходу системы один из неисправных элементов (РЭ или ЭС).
Технической задачей настоящего изобретения является повышение эффективности функционирования резервированной с помощью мажоритарных элементов системы за счет повышения вероятности безотказной системы путем обнаружения факта отказа резервируемых элементов РЭ, ЭС системы и подключения к нагрузке одного из работоспособных элементов вне зависимости от того, постоянный или знакопеременный сигнал на их выходе, а также возникновения ситуации, когда в двух резервируемых элементах произошел одинаковый отказ, то есть обеспечение работоспособности системы при отказе одного/двух элементов путем использования в устройстве новых каналов обнаружения отказавшего элемента и управления.
Поставленная задача решается за счет того, что в известное устройство управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой, содержащее рабочий элемент (РЭ), два элемента сравнения (ЭС), три вычитающих устройства (ВУ), три компаратора (К), три электронных ключа (ЭК), причем выход РЭ подключен ко второму входу первого ВУ, первому входу второго ВУ и первому входу первого ЭК, выходы которых соединены к входам первого, второго компараторов К и выходом системы соответственно, выход первого ЭС подключен к первому входу первого ВУ, а также к первому входу третьего ВУ и первому входу второго ЭК, выходы которых подключены к входу третьего компаратора и выходу первого ЭК соответственно, выход второго ЭС соединен со вторыми входами второго и третьего ВУ и входом третьего ЭК, выход которого соединен с выходом второго ЭК, причем входы РЭ и двух ЭС соединены вместе и являются входом системы, входы БУ соединены с соответствующими выходами компараторов, а первый, второй и третий выходы БУ подключены ко вторым входам первого, второго и третьего ЭК соответственно, дополнительно введены три канала обнаружения отказавшего элемента (ООЭ), каждый содержащий последовательно соединенные линию задержки (ЛЗ), ВУ, дифференцирующее звено (ДЗ) и триггер (Тр), причем вход каждой ЛЗ подсоединен ко вторым входам соответствующих ВУ, при этом вход первой ЛЗ подключен к выходу РЭ, вход второй ЛЗ - к выходу первого ЭС, вход третьей ЛЗ - к выходу второго ЭС, а выходы Тр подсоединены соответственно к четвертому, пятому и шестому входам БУ.
Управление системой при отказе одного или двух из элементов (РЭ или ЭС) производится следующим образом. Вычитающие устройства и первые три компаратора, являющиеся элементами мажоритарной логики, сравнивают выходные параметры различных пар элементов РЭ-ЭС и определяют те пары, выходные параметры которых одинаковы (разность выходных параметров не выше заданной величины ε). Если выходные параметры элементов РЭ-ЭС незначительно отличаются друг от друга, то на выходе компаратора, связанного через ВУ с этими элементами, будет сигнал высокого уровня (логическая единица), а в противном случае (выходные параметры элементов отличаются) - низкого уровня (логический ноль). В каждом канале ООЭ определяется отказ элемента путем сравнения в ВУ задержанного в ЛЗ и незадержанного сигнала с выхода элемента, дифференцирования разностного сигнала в ДЗ и срабатывания Тр, если сигнал на выходе ДЗ превысит его порог (произошел отказ). На входах БУ в зависимости от различных ситуаций (все элементы РЭ и ЭС исправны, отказал один из элементов или отказали два элемента) будут соответствующие сигналы, являющиеся для него кодом. Блок управления, являющийся дешифратором, подключает исправный элемент через ЭК на выход. Отказ системы наступает при выходе из строя всех элементов РЭ и ЭС.
Техническое решение обладает новым свойством, заключающимся в повышенной эффективностью функционирования при отказе двух из трех резервируемых элементов вне зависимости от того, являются сигналы на выходе элементов постоянными или знакопеременными, а также возникновения ситуации, когда в двух из трех элементов РЭ-ЭС произошел одинаковый отказ и элементы мажоритарной логики не в состоянии определить исправный элемент.
бп
бз
На фиг.1 представлена структурная схема устройства управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой. На фиг.2 приведена таблица истинности, содержащая качественные и количественные (булевые) значения параметров элементов, принимаемых в процессе функционирования устройства управления. На фиг.3 приведена временная диаграмма функционирования канала обнаружения отказавшего элемента устройства управления. На фиг.4 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 помощью мажоритарных элементов системой (фиг.1) содержит рабочий элемент РЭ1, два элемента сравнения ЭС2.1 и ЭС2.2, шесть вычитающих устройств ВУЗ. 1-ВУ3.6, три компаратора К4.1-К4.3, три электронных ключа ЭК5.1-ЭК5.3, блок управления БУ6, три линии задержки Л37.1-Л37.3, три дифференцирующих звена Д38.1-Д38.3, три триггера Тр9.1-Тр9.3, причем выходы РЭ1, ЭС2.1 и ЭС2.2, входы которых соединены и являются входом устройства, через электронные ключи ЭК5.1-5.3, управляемые БУ6, подключаются на выход системы, последовательно соединены ВУ3.1 и К4.1, ВУ3.2 и К4.2, В3.3 и К4.3, при этом вход В3.1 подключен к выходам РЭ1 и ЭС2.1, вход В3.2 - к выходам РЭ и ЭС2.2, вход В3.3 - к выходам ЭС2.1 и ЭС2.2, а выходы К4.1-К4.3 подсоединены к соответствующим входам БУ6, i=1…3 канала обнаружения отказавшего элемента (ООЭ), каждый содержащий последовательно соединенные линию задержки ЛЗ7.i, вычитающее устройство ВУ4.i+3, дифференцирующее звено ДЗ8.i и триггер Тр9.i, причем вход ЛЗ7.1 подсоединен к второму входу ВУ3.4 и выходу РЭ1, вход ЛЗ7.2 - к второму входу ВУ3.5 и выходу ЭС2.1, вход ЛЗ7.3 - к второму входу ВУ3.6 и выходу ЭС2.1, а выходы Тр9.1-Тр9.3 подсоединены соответственно к четвертому, пятому и шестому входам БУ6, причем ВУЗ. 1-ВУ3.6 выполнены в виде типового сумматора на интегральной микросхеме (ИМС) прецизионного операционного усилителя 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.: и л. - (Массовая радиобиблиотека; вып.1143), с.50-53], компараторы К4.1-К4.3 выполнены 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], электронные ключи ЭК5.1-ЭК5.3 выполнены в виде электронных реле 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], блок управления БУ6 выполнен в виде дешифратора на ИМС типа К155ИД1 [Горбунов В.Л. и др. Справочное пособие по микропроцессорам и микроЭВМ. - М.: Высшая школа, 1988, с.36, 46], линии задержки ЛЗ7.1-ЛЗ7.3 выполнены 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], дифференцирующие звенья Д39.1-Д39.3 выполнены на операционном усилителе типа 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], триггеры Тр9.1-Тр9.3 выполнены на ИМС К155ТЛ1 или К554СА2 [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].
Таким образом, заявленное устройство управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой обеспечивает ее эффективное функционирование при отказе двух из трех резервируемых элементов вне зависимости от того, являются сигналы на выходе элементов постоянными или знакопеременными, а также возникновения ситуации, когда в двух из трех элементов РЭ-ЭС произошел одинаковый отказ и элементы мажоритарной логики не в состоянии правильно определить исправный элемент.
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 помощью мажоритарных элементов системой. 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.
з
ВУ1
ДЗ1
1
Рассмотрим работу устройства управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой. Для понимания существа работы устройства достаточно подробно рассмотреть функционирование резервированной системы при отказе любых двух элементов. Наиболее наглядно и компактно процесс функционирования предложенного устройства управления может быть представлен таблицей истинности состояний элементов устройства. Поэтому на фиг.2 приведена таблица истинности, содержащая качественные и количественные (булевые) значения параметров элементов, принимаемых в процессе функционирования устройства управления. Рабочий элемент РЭ1 и элементы сравнения ЭС2.1 и ЭС2.2 работают одновременно (так называемый нагруженный резерв). Рассмотрим случай отказа двух элементов в резервированной системе, например РЭ1 и ЭС2.1 (состояния О на фиг.2), которому соответствуют 6 и 9 состояния системы. Состояние 6 возникает при одинаковых отказах элементов (разность сигналов РЭ1 и ЭС2.1 не превышает допустимый порог ε). На выходе компаратора К4.1 и, соответственно, на первом входе БУ6 будет сигнал высокого уровня, а на выходах К4.2, К4.3 и входах 2,3 БУ6 - сигналы низкого уровня, что при отсутствии каналов ООЭ в устройстве управления может привести к неправильному срабатыванию БУ6, так как комбинация сигналов на входах 1-3 БУ, соответствующая данному состоянию, также соответствует состоянию 3. При различных отказах РЭ1 и ЭС2.1 (разность сигналов РЭ1 и ЭС2.1 превышают допустимый порог ε), что соответствует состоянию 9, на выходах всех К4.1-К4.3 будут сигналы низкого уровня. Для правильного определения отказавшего элемента в устройство управления вместо элементов обнаружения исправного элемента, используемого в прототипе, включены каналы обнаружения отказавшего элемента, временная диаграмма функционирования которых приведена на фиг.3. На фиг.3 представлен случай обнаружения отказа элемента, например РЭ, в первом канале ООЭ. В качестве выходного сигнала элемента X(t) (фиг.3а) использована синусоида и рассмотрен наихудший случай отказа элемента во время перехода синусоиды через О (t≈12). На фиг.3б) показан сигнал X(t-t) на выходе линии задержки ЛЗ7.1, на фиг.3в) - сигнал X(t) на выходе вычитающего устройства ВУ4.4, на фиг.3г) - сигнал X(t) на выходе дифференцирующего звена ДЗ8.1, на фиг.3д) - сигнал XТр(t) на выходе триггера Тр9.1. Из зависимостей видно, что канал ООЭ правильно обнаруживает отказ элемента даже при наихудшем случае. На входах БУ6 в зависимости от различных ситуаций (все элементы РЭ, ЭС исправны, отказал один из элементов или отказали два элемента) будут сигналы, являющиеся для него кодом, и блок управления подключает исправный элемент через электронные ключи ЭК5.1-ЭК5.3 на выход системы. На фиг.3е) приведены зависимости определения исправного элемента блоком управления БУ6 предлагаемого устройства управления резервированной системой (сплошная линия) и прототипа (штриховая линия), из которых следует, что предлагаемое устройство управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой обеспечивает ее эффективное функционирование при отказе двух из трех резервируемых элементов вне зависимости от того, являются сигналы на выходе элементов постоянными или знакопеременными, и возникновения ситуации, когда в двух из трех элементов РЭ-ЭС произошел одинаковый отказ и элементы мажоритарной логики не в состоянии правильно определить исправный элемент. Отказ системы наступает при отказе всех РЭ, ЭС.
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 для случая, когда сигналы на выходе резервируемых элементов являются знакопеременными, а также при одинаковом отказе двух резервируемых элементов и невозможности в элементах мажоритарной логики правильно определить исправный резервируемый элемент РЭ, ЭС. При этом вероятности безотказной работы определялись по следующим формулам [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. - Л.: Издательство Львовского университета, 1973, с.60-61], полученным в предположении, что все элементы равнонадежны:
где р - вероятность безотказной работы элемента.
бп
бз
Результаты расчетов в виде зависимостей вероятностей безотказной работы резервированных систем Р и P от значений вероятности безотказной работы элементов р приведены на фиг.4.
Анализ полученных результатов показывает, что предлагаемое техническое решение позволяет в 1,73-1,14 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 своевременного обнаружения отказавшего элемента и подключения к нагрузке оставшегося работоспособным элемента мажоритарного органа.
Изложенные сведения свидетельствуют о возможности выполнения при реализации заявленного устройства управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой следующей совокупности условий:
предлагаемое устройство управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой при его реализации позволит обеспечить повышение эффективности функционирования при отказе двух из трех резервируемых элементов вне зависимости от того, являются сигналы на выходе элементов постоянными или знакопеременными, и/или возникновения ситуации, когда в двух из трех элементов РЭ-ЭС произошел одинаковый отказ за счет обнаружения факта отказа элемента системы и подключения к нагрузке одного из работоспособных элементов;
показана возможность реализации на практике заявленного устройства управления резервированной с помощью мажоритарных 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 помощью мажоритарных элементов системой при его разработке способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.