CC BY
15
УДК 621.3.019.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-11-86-92
К ВОПРОСУ ОЦЕНКИ КОЭФФИЦИЕНТА СОХРАНЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ
НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ
Е.А. Баранов, И.Е. Городничев, А.В. Князев, М.А. Скоробогатов
Предложено с помощью дополнительных критериев проводить оценку соответствия системы и отдельных ее составных частей требованиям к коэффициенту сохранения эффективности.
Ключевые слова: коэффициент сохранения эффективности, коэффициент эффективности, коэффициент оперативной готовности, показатель эффективности.
Рассматриваются подход к оценке коэффициента сохранения эффективности сложных систем расчетным путем, а также сложная многоканальная система управления информацией (СУИ), состоящая из целого ряда устройств, находящихся в состоянии резервирования.
К СУИ предъявляются следующие требования по надежности:
- показатель эффективности определяется вероятностью безотказной работы (ВБР) СУИ за время At и должен быть не менее К;
- коэффициент сохранения эффективности ^сэф должен быть не менее заданного значения К.
Последний критерий относится к разряду сложных показателей надежности. В настоящей статье рассматривается особенность согласования требований к коэффициенту сохранения эффективности на составные части СУИ для записи в ТЗ.
При использовании ^сэф для оценки надежности подразумевают, что в системе применено резервирование отдельных блоков и в случае любого одного отказа СУИ должна выполнять свои функции с некоторой пониженной эффективностью.
Согласно ГОСТ 27.002-2015 коэффициент сохранения эффективности это отношение показателя эффективности использования объекта по назначению за определенную продолжительность эксплуатации к номинальному значению показателя, вычисленному при условии, что отказы объекта в течение того же времени не возникают.
Эффективность системы определяется ее способностью выполнять свое назначение с учетом частоты отказов, сложности обслуживания и ремонтопригодности. Для изделий ВТ, при применении которых в каждой реализации, коэффициент эффективности равен ^эф, если время безотказной работы изделия в этой реализации t6p было менее требуемой длительности решения задачи £бзтр и равен нулю, если отказ имеет место на интервале (0, гбзтр):
Е =
(1)
'бр
^эф,пРи ^бр — ^бз; 0, при Гбр <Гбз.
Таким образом, изделие работоспособно и эффективно, если
>^бз.
Для теоретической оценки показателей надежности сложной многоканальной системы необходимо построить структурную схему надежности (ССН), если возможно в последовательно-параллельном виде, разбивая ее на отдельные тракты (пути) прохождения сигнала. Для упрощения и наглядности необходимо при составлении ССН использовать метод наихудшего случая, что в конечном счете обеспечит запас надежности. При этом для всех элементов ССН можно однозначно определить два возможных состояния: работоспособное или работоспособное с пониженной эффективностью. Процесс функционирования элементов описывается случайной бинарной функцией:
г 1, если / — ый элемент в момент времени £бр
находится в работоспособном состоянии; = <0, если / — ый элемент в момент времени £бр находится в работоспособном состоянии с пониженной эффективностью.
Множество возможных состояний системы можно представить в виде матрицы, в которой каждая строка соответствует определенному состоянию СУИ с ВБР Р;:
N
1111 0111 1011 1101 1110
11 11 11 11 11
/ Рг Х
Р2 Рз Ра
Р1-1
(2)
1111 .„01 1111 .10
Рассматриваемая система, построенная с применением резервирования, продолжает выполнять поставленную задачу при возникновении отказа какого-либо элемента составной части СУИ. Согласно определению коэффициент сохранения эффективности вычисляется отношением вероятности пребывания отдельных элементов составной части СУИ в состоянии отказа к номинальному значению вероятности пребывания объекта, полученному при условии отсутствия отказов.
Рассмотрим СУИ, в которой показатель эффективности задан в виде ВБР за время £бр:
р. — ^сэф = ~ ^
где Р1 - ВБР СУИ при условии отказа ьго элемента в j-й составной части СУИ; Рн - ВБР СУИ в целом при отсутствии отказов (показатель эффективности); К - заданное в ТЗ значение коэффициента сохранения эффективности.
Одним из основных вопросов на этапе проектировании сложных СУИ является проблема распределения требований к показателям надежности на каждую составную часть. Рассматриваемая СУИ состоит из п независимых СЧ, назначение требований к ВБР к каждой из них можно провести, используя формулу:
«эф=Рн = пи^-т (4)
или
Кэф = Рг №Р2 №Р3 № ...р]- № ...рп (ДО, (5)
где п - количество изделий в составе СУИ; ЯДДО - ВБР j-й составной части за время работы Д£.
В случае отказа в j-й составной части ьго комплектующего элемента коэффициент эффективности будет определяться по следующей формуле:
Кэф1 = ^ = МД^ДОРзСДО.-ЛСД^..^),
где Р^^ДЬ) - ВБР j-й составной части за время работы ДЬ при отказе ьго элемента из его состава.
Тогда формулу (3) можно представить в виде к = = Р1(Д0Р2(Д0Р3(Д0...Р;;(ДС)...Рп(Д0
сэф Рн Р1(ДС)Р2(ДС)Р3(Д0...Р;(ДС)...Рп(Д0
или, проведя сокращение общих значений ВБР в числителе и знаменателе, в виде:
К = = к > к
Ксэф = ТдДо = КсэфК, где Ксэф - заданное на СУИ в целом значение коэффициента сохранения эффективности; Ксэфу - заданное значение коэффициента эффективности j-й составной части СУИ.
Таким образом, требование к коэффициенту сохранения эффективности, заданное на СУИ в целом, распространяется на составные части, изготовляемые предприятиями-соисполнителями.
Для оценки соответствия каждого отдельного j-го изделия требованиям ТЗ по надежности используется метод перебора согласно утвержденному перечню имитационных отказных состояний. Для каждого такого состояния расчетным путем или по результатам испытаний определяется ВБР изделия в заданный период времени £бр, а затем по формуле (3) определяется коэффициент сохранения эффективности изделия. Изделие удовлетворяет требованиям по надежности, если полученное значение коэффициента сохранения эффективности Ксэфу больше или равно заданному в
ТЗ значению (Kсэфj > К) во всех отказных состояниях.
Рассмотрим другой случай, когда заданное значение ^эф определяется по формуле коэффициента оперативной готовности:
Кэф = Ког = Кг X Р = X х Сбр), (6)
где - значение коэффициента готовности СУИ; Р - вероятность безотказной работы СУИ за время работы £бр; Т0 - значение средней наработки на отказ СУИ; - время перехода СУИ из одного состояния в другое из-за ьго отказа комплектующего элемента.
Коэффициент сохранения эффективности определяется согласно (1) по формуле
Ксэф = ^, (7)
Лэфн
где - значение коэффициента эффективности СУИ после возникновения ьго отказа; ^эфн - значение коэффициента эффективности СУИ при отсутствии отказов.
Ставится задача определить требования к показателям надежности комплектующих изделий.
Коэффициент оперативной готовности - сложный критерий, и распределение его на СЧ является не тривиальной задачей. Воспользуемся особенностями этого показателя. Согласно (6) он состоит из трех показателей:
1) Р - вероятности безотказной работы СУИ за время работы £бр;
2) Т0 - значения средней наработки на отказ СУИ;
3) - времени перехода СУИ из одного состояния в другое из-за ь го отказа комплектующего элемента (должно быть задано в ТЗ или определяется опытным путем).
Каждый из трех показателей связан с ^сэф следующими зависимостями:
- при отсутствии отказов = 0)
^эф = Р(Д0= х Сбр) - (1 - (8)
1п
'О
из формулы (8) следует
То = тлЬ (9)
- - заданное в ТЗ предельное значение времени восстановления.
Таким образом, требования по надежности, заданные в ТЗ к коэффициенту эффективности в виде коэффициента оперативной готовности, эквивалентно заданию требований к средней наработке на отказ и к ВБР каждой комплектующей составной части. На основании этого предложен метод распределения требований к коэффициенту оперативной готовности, заданному на всю СУИ, между ее комплектующими составными частями. Сущность метода:
- определим, используя формулы (8) и (9) для всей СУИ эквивалентные заданному Ког значения Т0 и Р;
- проведем распределение значений средней наработки на отказ и ВБР СУИ между ее комплектующими составными частями;
- найдем значение коэффициента оперативной готовности ьй составной части КоГ1 по распределенным значениям и Р^ формулы (6).
Демонстрация удовлетворения или неудовлетворения изделием требованиям по надежности может быть проведена после расчета значения Ксэф по формуле (7). Знаменатель в формуле, при количестве отказов, равному нулю, - число постоянное, и определяется по формуле (8). В числителе значение коэффициента эффективности не может быть однозначным, т.к. его значение зависит от каждого отказа, после которого его составляющие Т01, и Р^ существенно меняются, поэтому предлагается оценку Кэф = Ког проводить, объединяя их последовательно в единый показатель.
В таблице, используя формулы (2) - (8) и (9), составлена последовательность расчета Ксэф для каждой комплектующей составной части.
Последовательность расчета Ксэф
Отказное i-е состояние в j-й СЧ, шт. Т0ь ч Pt tв1, ч Кэф к Лсэф Сравнение с заданным значением Ксэф
0 Т0 Рн 0 Ког Ксэф Ксэф ^ К
1 Toi Pl Korl Ксэф1 Ксэф! ^ К
2 То2 Р2 ^в2 Ког2 Ксэф2 Ксэф2 ^ К
i Т01 Pi ¿BÍ Korí Ксэф1 Ксэф1 ^ К
1. Для каждой СЧ с целью имитации составляется перечень возможных отказных состояний с целью исследования работоспособности СУИ в целом, используя формулу (2) (разд. 1 таблицы).
2. Для каждого отказного состояния определяется новое значение средней наработки на отказ или ВБР Р(№) СЧ по формуле (9) (раздел 2, 3 таблицы).
3. Расчетным путем или в результате испытаний устанавливается по формуле (6) прогнозируемая величина для каждого перехода СУИ в отказное состояние (разд. 4 таблицы).
4. По полученному значению по формуле (6) определяется значение Кэф1 (разд. 5 таблицы).
5. По формуле (8) определяется значение Ксэф (разд. 6 таблицы).
6. По формуле (7) проводится сравнение полученного значения Ксэф
с заданным в ТЗ значением К с дальнейшим выводом о выполнении или невыполнении данного требования (разд. 7 таблицы).
90
7. Если рассчитанные значения Ксэф для всех запланированных отказных состояний комплектующих составных частей больше либо равно заданному значению, то СУИ в целом соответствует требованиям ТЗ.
Таким образом, рассмотрены вопросы, связанные с оценкой соответствия СУИ заданным требованиям по надежности в виде коэффициента сохранения эффективности. Показано, что при любом отказе СУИ требования к коэффициенту сохранения эффективности для системы в целом и отдельным ее комплектующим составным частям совпадают.
Предложено использовать дополнительные критерии для оценки соответствия изделия заданным требованиям к коэффициенту сохранения эффективности и методу распределения, заданному в ТЗ на СУИ в целом, и значения коэффициента оперативной готовности между ее комплектующими составными частями.
Баранов Евгений Александрович, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, e-a-baranov@yandex.ru, Россия, Москва, АО «Центральный Научный Исследовательский Институт Автоматики и Гидравлики»,
Городничев Илья Евгеньевич, ведущий инженер, gorodnichev. ilya@,mail.ru, Россия, Москва, АО «Центральный Научный Исследовательский Институт Автоматики и Гидравлики»,
Князев Андрей Валентинович, заместитель начальника научно-технического отделения, gorod6419@gmail.com, Россия, Москва, АО «Центральный Научный Исследовательский Институт Автоматики и Гидравлики»,
Скоробогатов Михаил Анатольевич, начальник отдела надежности, mihail_sk@inbox.ru, Россия, Москва, АО «Центральный Научный Исследовательский Институт Автоматики и Гидравлики»
ON THE ISSUE OF EVALUATING THE EFFICIENCY CONSERVATION COEFFICIENT AT THE DESIGN STAGE OF COMPLEX SYSTEMS.
E.A. Baranov, I.E. Gorodnichev, A.V. Knyazev, M.A. Skorobogatov.
The article proposes using additional criteria to assess the compliance of the system and its separate components with the requirements for the efficiency conservation coefficient.
Key words: efficiency conservation coefficient, efficiency coefficient, operation readiness coefficient, efficiency indicator
Baranov Evgeniy Aleksandrovich, candidate of technical sciences, leading scientific employee, e-a-baranov@yandex.ru, Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»,
Gorodnichev Ilya Evgenievich, lead engineer, gorodnichev.ilya@mail.ru, Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»,
Knyazev Andrey Valentinovich, deputy head of the scientific and technical department, gorod6419@gmail.com, Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»,
Skorobogatov Mikhail Anatolyevich, head of reliability department, mihail_sk@inbox.ru, Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»
УДК 621.45.043
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-11-92-99
МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОМ СТЕНДЕ КОМПЛЕКСА БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
А.Ю. Егорушкин, Н.Н. Фащевский
Выполнен анализ свойств системы автоматического управления вертолёта с использованием Matlab-Simulink и модельно-ориентированного подхода. Проведены полунатурный эксперимент с формализацией начальных условий и обработка результатов эксперимента в математическом пакете Matlab с использованием алгоритмов идентификации параметров математической модели. Осуществлена оценка результатов с учетом математической модели вертолета, полученной из уравнений движения. Эта методика позволяет проводить сравнительный анализ результатов модельного эксперимента на стенде МСКБО.
Ключевые слова: МСКБО, математическая модель, продольное движение ЛА, система управления вертолета, модельный эксперимент.
Центральной задачей при проектировании пилотажно-навигационных комплексов (ПНК) летательных аппаратов (ЛА) является решение задачи взаимодействия приборного оборудования входящих в него систем между собой и с летчиком при пилотировании, в том числе в сложных метеоусловиях и при отказах систем ПНК. Для этой цели необходимо предварительно отработать вопросы формирования методов и алгоритмов интеллектуальной и комплексной обработок информации датчиков, методов и алгоритмов интеллектуального управления, методов и форм организации и планирования взаимодействия систем и объектов, методов и форм организации человеко-машинного интерфейса (информационно-управляющего поля кабины), макетов перспективных интеллектуальных систем и комплексов, конструкторской и программной документации, включая специализированное программное обеспечение изделий бортовой авионики.
Эти задачи решаются на базе моделирующих стендов, таких как многофункциональный стенд комплекса бортового оборудования (МСКБО) на базе инжинирингового научно-образовательного центра (ИНОЦ) «Авионика» на кафедре ИУ-2 МГТУ им. Н.Э. Баумана.
92
