CC BY
19
УДК 621.396.6
С.Я. ЯЦЕНКО, М.Ф. СИДОРЕНКО, М.П. СВСЮКОВ, I.e. КИТАЙЧУК,
В.М. ДАШК1СВ
НТ СКБ "ПОЛСВТ" фля ДНВП "Об'еднання Комунар", Xapnie, Украгна
КОМПЛЕКСНИЙ П1ДХ1Д ДО ВИР1ШЕННЯ БАГАТОКРИТЕР1АЛЬНО1 ЗАДАЧ1 РОЗРОБКИ ЕЛЕКТРОННО1 СИСТЕМИ РЕГУЛЮВАННЯ СКЛАДНОГО ТЕХН1ЧНОГО
ОБ'еКТА
Запропоновано метод onmuMi3au,ii подоби техшчно! системы, що проектуеться, за сукупшстю критерив оцтки ii nm^i. Суть метода полягае в наданш критер1ям оцтки nm^i виробу вагових кoефiцieнmiв, eidmeidm до ix знaчuмoсmi, пошущ локальних ексmремумiв за кожним частковим крumерieм з вiдnoвiднuм ваговим коеф^ентом, i в обранш, в nm^i оптимуму, точки, рiвнoвiддaленoi вiд знайдених локальних ексmремумiв. Метод дае можливсть знаходити наближенершення в умовах, коли аналтичний вираз цiльoвoi функцп е вiдсуmнiм. Для nрaкmuчнoi реaлiзaцii отриманих наукових ршень, проведено aнaлiз джерел вiдмoв та опрацьовано i впроваджено комплексну програму за-безпечення нaдiйнoсmi. За створеною методикою спроектовано iрозроблено електронний регулятор ЭР2500 турбовального aвiaцiйнoгo двигуна. Регулятор устшно витримав комплекс випробувань, е запущеним до сершного виробництва
KAmnoei слова: бaгamoкрumерiaльнa onmuмiзaцiя, проектування електронних систем, вiдмoвoсmiйкiсmь
Прикладна задача дослвдження
Досл1дження виконувалося в рамках прикладно! задач! розробки електронного регулятора (ЕР) ав1ацшного турбовального дви-гуна.Силова установка (СУ) повпряного судна, разом з ЕР, е критично ввдповвдальними щодо безпеки польоту 1 людей на борту. Розробка бортових радаоелектронних систем повпряних суден ускладнюеться множиною суперечливих критерив оцшки: м1шмуму маси й об'ему, вартосп, (нит й вимогами iмпортозамiщення), тощо . ЕР, як складова згаданих систем, також належить до систем, особливо ввдповвдальних щодо безпеки людей .Отже, практика предметно! обласп вимагае, щоб протягом ус1е1 тривалост1 життевого циклу виробу 1мов1ршсть в1дмови була м1н1мальною . По-друге, в раз1 ввдмови, мш1м1зувати пог1ршення безпеки пов1тряного судна 1 людей на борту.1, по-трете — задоволь-няти специф1чш вимоги аерокосм1чно! галуз1, загальш для ус1х радюелектронних систем: м1шмуму маси, об'ему, вартост1, максимуму точносп, електромагштно! сум1сност1, тощо.
Анал!з стану предметно! облает науки
Ввдомий ряд роб1т по ввдмовостшкоста . Так, у [1] застосовано 1ндекс над1йност1 за Кв1рком для виявлення ненадайних елеменпв системи . Пвдхвд 'рунтуеться на досвда, вимагае високо! квал1ф1каци спещал1ст1в, призначений для про-
ектування окремих елеменпв 1 непридатний для складних систем.
Шдх1д у [2] Грунтуеться на складанш ма-триць стану систем, зад1яних на кожному еташ польоту, з1 значеннями ймов1рностей в1дмов кожно! системи з1 статистики льотних при-год. Це ефективно для простих електронно-механ1чних систем без нел1н1йних залежностей м1ж джерелами виникнення в1дмов.
У [3] пропонуеться «коефшдент якост1 виробництва» апаратного забезпечення (АЗ) . Модель прогнозу потоку ввдмов ° сумою потоюв в1дмов АЗ та потоку ввдмов програмного забезпечення (ПЗ), що вважаеться ф1ксованим . Пвдхвд не охоплюе вс можлив1 джерела в1дмов, 1 його недостатньо для практичного застосування.
Постановка науково! задач1
Анал1з джерел показуе, що юнуе наукова задача створення методу розробки складних, ввдповвдальних радюелектронних систем, що враховуе можлив1 джерела ввдмов, 1 дозволяе м1н1м1зувати ймов1ршсть в1дмови, та (або) шкоду ввд не! . Пошук оптимальних р1шень при проектуванн1 виробу е тотожним до оптимального керування складною динам1чною системою за критер1ем м1н1муму витрати ресурс1в.
Досв1д пвдказуе, що область р1шень е без-перервною. З практики в1домо, що цшьова функц1я б1ля екстремуму досягае насичен-ня . Тому пошук точних координат оптимуму
© С.Я. Яценко, Н.Ф. Сидоренко, Н.П. Евсюков, И.Е. Китайчук, В.Н. Дашкиев, 2016
чисельними методами е вкрай ускладненим . Без ютотного попршення точноста, можна за-стосувати «принцип е - оптимальности [4], який стверджуе, що коли цiльова функщя без-перервна i гладка, а в межах деяко! е - околиц вiд точки екстремуму рiзниця мж значенням цшьово! функцп в довшьнш точцi й екстре-мумом е меншою за е , та якщо екстремум недосяжний, або його точне положення вста-новити неможливо — наближено оптимальною вважаеться будь-яка точка в межах област е .
Для оптимального керування динамiчною системою використовуеться принцип максимуму Понтрягша [5]. Але в прикладних задачах е мно-жина апрiорно рiвнозначних кригерiiв, що виз-начаються сукупшстю одних i тих же керуючих дiянь. Цi кригерii конкурують мiж собою за один i той самий ресурс. Задача багатокрш^ально1 оптимiзацii розглядалася у [6] и [7], проте акцент зроблено на виборi найрiвномiршшоi послiдовностi пробних точок для чисельного виршення — так званих ЛПТ — послiдовностей. Задача оптишзацп там не завершена: обира-ти оптимум пропонуеться особi, що приймае рiшення в конкретнiй прикладнiй задач^
Невиршена частина загально! проблеми
В [8] описано метод попарного порiвняння: пошук екстремуму кожноi кригерiальноi функцп окремо, з побудовою матрицi «компромюного ршення». Проте даний метод е непридатним для пошуку оптимального ршення, перед-бачаючи пошук локального екстремуму за кожним критерieм при фжсованих значеннях iнших цiльових функцiй.
В [9] описано метод агрегування цшьових функцiй: об'еднання множини цiльових функцш в iнтегральну функцiю корисностi i пошук ii екстремуму. Але вш придатний там, де частковi цiльовi функцii мають загальну одиницю вимiру.
Пропонуеться новий принцип «компромiсу критерпв». В основу його покладена така гшотеза. Припустимо, iснуe n-вимiрний проспр К, кожен вимiр якого ввдповвдае одному з п критерiiв якость В К iснуe n-вимiрна система координат, кожна вюь якоi, з обраним мас-штабним коефiцieнтом, ввдповвдае чисельнiй мiрi одного з критерпв якостi.
Припустимо, iснуe m-вимiрний проспр А, кожен з вимiрiв якого ввдповвдае одному з т керуючих дiянь (параметрiв, аргументiв щльово! функцii). В цьому просторi кнуе m-вимiрна система координат, кожна вюь якоi, з обраним масштабним коефщентом, вiдповiдаe одному з керуючих дiянь.
Вважаемо, що iснуe математична модель оптимiзованоi системи. Тобто, iснуe якесь
перетворення, що кожнш точцi з област А ставить у ввдповвдшсть едину точку простору К. В просторi А вiдокремлюeться паралелепiпед П ввдповвдно до накладених параметричних обмежень. В просторi К вiдокремлюeться паралелешпед Р, вiдповiдно до накладених функцюнальних обмежень. За потраплян-ня пробноi точки за межi паралелепiпеда Р, вщповщна цiй точцi комбiнацiя вихщних параметрiв X вважаеться забороненою i виключаеться з подальшего розгляду.
Кожнш крш^альнш функцii приписуеться ваговий коефщент М, що визначае значимiсть даного критерда. Значення М варiюються в залежносп вiд умов практичноi задачi. Як правило, значення М призначаються методом експертних оцiнок.
В заданш областi А за допомогою методу «ЛП-послвдовностей» (або iншого) обираеться множина пробних точок — варiантiв сполу-чень вихiдних даних. Для кожного варiанту здiйснюeться чисельна реалiзацiя моделi. В отриманiй множинi значень критерiальних функцiй, за допомогою одного з чисельних методiв пошуку екстремуму здшснюеться пошук наближених значень локальних екстремушв кожноi з критерiальних функцiй в заданш обласп пошуку. Далi, для кожного отриманого значення критерiальноi функци в просторi А здiйснюeться обчислення «ввдсташ» до значення локального екстремуму кожно! критерiальноi функцii — з урахуванням об-раних значень вагових коефщенпв. Точка, мiнiмально «вiддалена» ввд усiх локальних екстремумiв — в просторi цiльових функцiй — i вважаеться компромiсом критерiiв.
Адаптац1я до прикладно! задач1
Описаний метод застосовано для вирiшення практичноi задачi — проектування ЕР складноi технiчноi системи (турбовального авiацiйного двигуна). Вона мала певш особливостi, стосов-но до запропонованого теоретичного апарату. Область пошуку була скшченною, i склада-лася з декшькох альтернативних варiантiв схемних ршень, комплектацii АЗ (вiдповiдно до юнуючого асортименту радiоелектронних компонентiв), а також коькох варiантiв алгоритмiв ПЗ ^ кожен варiант в обласп пошуку передбачав довiльне сполучення цих скла-дових). А процес виршення оптимiзацiйноi задачi зводився до вибору одного найкращого варiанту з множини можливих.
Специфжа предметноi обласп обумовила варiант з одним головним критерieм оцiнки (вiдмовостiйкiстю) i множиною допомiжних критерiiв (маси, об'ем^, вартоста проектування та виробництва, тощо). В процеи проектування
чисельне вираження якост оцшки виробу за призначенням, тобто, точшсть функцюнування регулятора, що було задано Головним Замов-ником в Техшчному Завданнi на проектуван-ня, було використано в якост фжсованого функцiонального обмеження, обов'язкового для виконання — i процедури оптимiзацii не зазнавало.
В якост чисельного вираження головного критерда оцiнки обрано ймовiрнiсть настан-ня вiдмови з ваговим коефщентом 1. Ваговi коефiцieнти допомiжних критерпв визначалися методом експертних оцiнок, на пiдставi досвiду розробки подiбних виробiв i додавалися як десятковi, чи сот1 частки вiд 1.
Для коректного проведення дослвдження, а також для втшення на практицi теоретично обчислених оптимальних результапв, на тдприемстта опрацьовано i втiлено комплексну i багатоступiнчасту програму забезпечення надiйностi, яка охоплюе аналiз джерел ввдмов виробу та реалiзацiю заходiв по забезпеченню вiдмовостiйкостi на усiх етапах життевого циклу ЕР.
Анамз джерел вщмов ЕР
Особливiстю практичного застосування ЕР е сукупнiсть рiзноманiтних джерел ввдмов рiзноi природи, специфiчних для кожного ета-пу життевого циклу. Тому максимум обраного критерда досягаеться максимiзацieю частко-вих критерiiв вадмовостшкост для кожного джерела вiдмов усуненням або мiнiмiзацieю «негативноi iнтерференцii» обраних заходiв.
Етап проектування: концептуальнi помил-ки, помилки в проектi, схемних ршеннях та алгоритмах функцiонування; помилки в про-грамному кодi, конфлжт ПЗ та АЗ, конфлiкг власного i пропрieтарного ПЗ, помилки в пропрieтарному ПЗ.
Етап виробництва: застосування неяюсних матерiалiв та заготовок, або непрацездатних покупних електрорадiовиробiв, брак при виготовленш деталей та ¿х складанш, пошкод-ження.
Етап практичноi експлуатацii: недотри-мання умов експлуатацii та некоректш дii обслуговуючого, або льотного персоналу; несанкцiонованi змiна програмного коду або втручання в обчислювальний процес, по-шкодження носiя програмного коду, помилки в кодц повне припинення, або перебоi живлен-ня; ввдмова самого ЕР, датчикiв, виконавчих механiзмiв, електромагнiтна несумiстнiсть бортового радiоелектронного обладнання; дiяння електромагнiтних перешкод та шших зовнiшнiх факторiв.
Змкт комплексно! програми забезпечення надшносп ЕР
За результатами аналiзу джерел вiдмов було розроблено комплексну програму забезпечення надшносп, яка передбачае вiдповiднi заходи зпдно з етапами життевого циклу ЕР.
Заходи, закладеш в арх1тектуру 1 алгоритм функцюнування ЕР на етат його проектування:
— Виключення з арх1тектури ус1х компонентов, як1 не е зад1ян1 у реал1зацп функционального призначення ЕР, або у забезпечення його над1йност1.
— Застосування архитектуру без операцiйноi системи, або шшого проприетарного ПЗ.
— Тестування ПЗ при ус1х можливих сполу-ченнях умов, зг1дно з вимогами КТ-178В.
— Запис ново! версп програмного коду т1льки за допомогою комплексу контрольно-перевiрочноi апаратури, в програмний код якого введено 1ерарх1чну систему приоритетов допуску, з паролями.
Заходи, реал1зован1 в алгоритм1 функц1онування ЕР в його практичней експлуатацii:
— За критичних ввдмов передача керування пдромехашчнш система. За в1дмови одного з контуров керування ЕР зберпае працездатшсть решти.
— Трьохстушнчастий алгоритм контролю справност датчиков та каналов вишрювання ¿х сигналов — град^ентний, допусков 1 взаемний контроль.
— Живлення в1д двох альтернативних дже-рел електроживлення.
— Контроль справност датчиков та к1л керування виконавчими механизмами 1 табло, контроль з6о!в та повторний перезапуск обчис-лювального пристрою.
— Захист АЗ в1д коротких замикань, перена-пружень, перегр^в^в та ^мпульсних перешкод.
Заходи забезпечення надшност АЗ до впливу кл^матичних та мехашчних факторов: застосування термостойких матер^ал^в 1 покупних електрорадювироб^в, м^н^м^зац^я власного енергоспоживання, конструктивна i технологична заходи, п1д61р протикорозшних покритпв.
Заходи з унеможливлення загроз життю та безпещ людини при функцiонуваннi ЕР на ушх етапах його життевого циклу: ввдповвдшсть вимогам з вибухонебезпеки, пожежноi безпе-ки, електробезпеки, унеможливлення загроз життю та безпещ людини шд час виробництва, зберiгання, транспортування та техшчного обслуговування.
Заходи з усунення (м1шм1заци) ввдмов, спричинених технолопчними чинниками при виробницти:
— Виб1р постачальниюв, вхвдний контроль матерiалiв та покупних компоненпв.
— Пооперацшний технiчний контроль якост виготовлення та складання деталей i виробу.
— Допусковий контроль величин опору та напруги в контрольних точках схеми.
— Випробування готового ЕР на вплив фiзичних чинниюв польоту (переохолодження, перегрiв, термiчний шок, вiбрацiя).
Mетодологiчним забезпеченням надiйностi е створена експлуатацiйна документацiя, що чгтко й однозначно регламентуе умови, послвдовшсть дiй працiвникiв при роботi з ви-робом на усiх етапах життевого циклу.
Висновки
Теоретична частина. Запропоновано метод оптимiзацiï при проектуванш технiчноï системи за сукупшстю критерив оцшки ïï якостi. Вш дае можливiсть знаходити наближене ршення в умовах, коли аналiтичний вираз цiльовоï функцiï е вiдсутнiм.
Практична частина. За створеною методикою спроектовано i розроблено ЕР турбовального авiацiйного двигуна ЭР2500, який успiшно витримав комплекс випробувань, е запущеним до серiйного виробництва. На ЭР2500 отрима-но Cвiдоцтво про придатшсть комплектуючого виробу Державiаслужби Украши i Aвiарегiстру Miждержавного Aвiацiйного Комиету (АР MAK).
Подальший напрямок дослвджень в данiй галузi слiд очжувати у створеннi методик визначення вагових коефщенпв, що викори-стовуються в запропонованому метод!
Лггература
1. Капур К. Надежность и проектирование систем [Текст] : пер. с англ. / К. Капур, Л. Ламбертон. - М : Мир, 1980. - 605 с.
2. Мехоношин В. С. Основы теории авиационных эргатических систем [Текст] : учеб. пособие / В.С. Мехоношин. — Ульяновск : УВАУ ГА(И), 2011. - 75 с.
3. Artyukhova M. Prediction of equipment multifactor quality [Text] / M. Artyukhova, S. Polesskiy // Materials of X International Scientific and Practical Conference «Innovations based on information and communication technologies - INFO-2013», October, 1-10, 2013 - Sochi, Russian Federation. - P. 500-503
4. Айзекс Руфус. Дифференциальные игры [Текст] : пер. с англ. / Руфус Айзекс. - М. : Мир, 1976. - 234 с.
5. Бронштейн И. Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов [Текст] / И. Н. Бронштейн, К. А. Семендяев ; под ред. Г. Гроше и В. Циглера. - М. : Наука, 1986 - 544 с.
6. Соболь И. М. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями [Текст] / И. М. Соболь, Р. Б. Статников ; под ред. Н. Н. Калиткина. - М. : Наука, 1981. - 110с.
7. Статников Р. Б. Многокритериальное проектирование машин [Текст] / Р. Б. Статников, И. Б. Матусов. - М. : Знание, 1989. - 48 с.
8. Агранович Б. Л. Системный анализ деятельности и разработка проектных решений по автоматизации управления вузом [Текст] / Б. Л. Агранович, И. П. Чучалин, В. З. Ямполь-ский. - М. : Наука, 1985. - C. 5-14.
9. Евланов Л. Г. Теория и практика принятия решений [Текст] / Л. Г. Евланов. - М. : Экономика, 1984. - 176 с.
Надшшла до редакцп 30.05.2016
С.Я. Яценко, Н.Ф. Сидоренко, Н.П. Евсюков, И.Е. Китайчук, В.Н. Дашкиев. Комплексный подход к решению многокритериальной задачи разработки электронной системы регулирования сложных технических объектов
Предложен метод оптимизации облика технической системы, проектируемой по совокупности критериев оценки качества. Сущность метода состоит в: предоставлении критериям оценки качества изделия весовых коэффициентов, соответственно их значимости, поиске локальных экстремумов по каждому частичному критерию с соответствующим весовым коэффициентом, и в выборе, в качестве искомого оптимума точки, равноудаленной от найденных локальных экстремумов. Метод дает возможность находить приближенное решение в условиях, когда аналитическое выражение целевой функции отсутствует. Для практической реализации полученных научных решений проведен анализ источников отказов, разработана и внедрена комплексная программа обеспечения надежности. По созданной методике спроектирован и производится электронный регулятор турбовального авиационного двигателя ЭР2500. Регулятор успешно выдержал комплекс испытаний, запущен в серийное производство.
Ключевые слова: многокритериальная оптимизация, проектирование электронных систем, отказоустойчивость.
06^Me Bonpocbi ABMraTe^ecTpoeHMa
S.YA. Yacenko, M.F. Sidorenko, M.P. Yevsyukov, I.YE. Kytaychuk, V.M. Dashki-yev. Integrated approach to solve a multi-criteria problem of sophisticated technical object electronical gouverning system development
The technical system architecture optimizing method, based on a set of quality evaluating criteria has been proposed. The essence of method is to provide criteria weights coefficients for due to their importance, to search local extremes positions for each partial criterion with corresponding weights and to elect the point equidistant from local extremes as required optimum. The method makes it possible to find approximate solutions in circumstances where analytical expression of the objective function is missing. The analysis of sources of failures has been executed for practical implementation of scientific solutions as like as comprehensive program to ensure a reliability has been implemented. The aircraft turboshaft engine electronic regulator 3P2500 has been designed and produced thanks to the established methodology. The 3P2500 regulator has successfully passed a set of tests and is running to serial production and installed.
Keywords: multicriteria optimization, electronic systems development, fault-tolerance.
