CC BY
56
УДК 621.396.664
ОВОДЕНКО А.В., к.т.н., доцент (Донецкий национальный технический университет), САМОЙЛЕНКО А.П., к.т.н., доцент (Южный федеральный университет)
Концепции развития синтеза встроенных систем контроля безотказной работы бортовых радиоэлектронных А.В. комплексов
Ovodenko A.V., PhD in Technical Sciences, Associate Professor (DNTU) Samoylenko A.P., PhD in Technical Sciences, Associate Professor (YFU)
The System studies of the problem of the efficient checking and diagnostics of the condition complex on-board radio electronic complex (BREK) plane
Введение
Системные исследования проблемы эффективного контроля и диагностики состояния сложных бортовых
радиоэлектронных комплексов (БРЭК) самолетов являются чрезвычайно актуальными на современном уровне развития техники [1]. Значительный рост сложности вновь создаваемого
оборудования и эксплуатация его в условиях напряженного режима
функционирования выдвигают качественно новые требования к методам контроля и диагностики, которые должны быть синтезированы на основе результатов постижения глубинной алгоритмической, структурной организации объекта контроля (ОК) как открытой системы.
Важность решения указанной проблемы, к сожалению, многократно подтверждается участившимися случаями технических аварий с катастрофическими последствиями как для самолета как объекта контроля (ОК) и обслуживающего персонала, так и для окружающей среды. Причинами этого чаще всего является элементарная неприспособленность
эксплуатируемого устаревшего и вновь создаваемого оборудования к
диагностическому контролю, отсутствие средств непрерывного
автоматизированного контроля
технического состояния динамических ОК.
Практика эксплуатации различных ОК показывает, что при отсутствии специальных средств поддержки функционирования и контроля, основная часть времени восстановления
затрачивается на поиск и локализацию отказов, увеличивая тем самым затраты на ремонт и обслуживание. С другой стороны, используемые традиционные методы и средства функционального контроля и диагностики ОК не всегда удовлетворяют современным требованиям по надежности и обеспечению безопасности эксплуатации критического оборудования.
Анализ публикаций
Очевидно, автоматизация процедур технического диагностирования является важнейшим средством ускорения, повышения качества технического обслуживания и эксплуатации ОК. Возрастание сложности интегрированного комплекса бортового оборудования современных самолетов приводит к увеличению вероятности отказов техники, усложняет деятельность экипажа, является причиной дополнительных ошибок пилотирования [1-8].
Это обуславливает возрастание роли средств автоматизированного контроля и парирования отказов систем и блоков пилотажно-навигационного и
радиосвязного оборудования, входящего в
состав интегрированного
радиоэлектронного комплекса (ИРЭК).
С позиции обеспечения уровня безопасности полета регламентируемого авиационными правилами и нормами летной годности самолетов [4] бортовые средства автоматизированного контроля должны выполнять функции бортового радиоэлектронного комплекса летательного аппарата (БРЭК) парирования отказов, то есть не только принимать управленческое решение по их парированию с учетом уровня опасности, возникающей вне штатной ситуации.
Важной задачей при синтезе структуры и алгоритмов работы информационно- управляющей системы является построение моделей для количественной оценки влияния отказов систем и блоков бортового оборудования по изменению уровня безопасности на различных этапах полета.
Интегрированный комплекс бортового оборудования логично контролировать на фазах: - рулежка, разбег, взлет, набор высоты, крейсерский полет,
маневрирование, снижение, приземление: то есть должна применяться «Методика формирования и использования
информационных функций опасности отказов интегрированного комплекса бортового оборудования» [6].
Для обеспечения работоспособности БРЭК контроль и диагностика должны осуществляться непрерывно
автоматизированными средствами
контроля и диагностики (АСКиД) встроенными в состав БРЭК.
Цель работы
Основными задачами
информационно-управляющей системы контроля и диагностики состояния (ИУСК и Д) обще самолетного оборудования являются повышение боеготовности и уменьшение времени предполетной подготовки и наземного контроля технического состояния самолетных систем и бортового оборудования, разгрузка и
снижение числа ошибок экипажа, повышение объективности и достоверности процессов контроля, диагностики и принятия управленческих решений по парированию отказов в полёте [3].
Основная часть
Причиной нарушения
функционирования самолётных систем и бортового оборудования являются внезапные и постоянные отказы их элементов. Появление ранних отказов в процессе эксплуатации может быть обусловлено недостаточным объемом информации, полученной до проведения приемо-сдаточных испытаний изделия, а также ее несоответствие условиям реальной эксплуатации.
В процессе обнаружения,
локализации (диагностирования) и устранения неисправностей и отказов самолётных систем и бортового оборудования в полете, при предполётной подготовке и наземном контроле состояния воздушного судна перед вылетом необходимо последовательно выполнить следующие операции: определить фазовые координаты, характеризующие состояния объектов контроля; сформулировать и аппроксимировать ограничения на фазовые координаты объектов контроля,
определяющие границы их нормального функционирования; построить функционал работоспособности, чувствительный к нарушению ограничений;- синтезировать управления, препятствующие развитию нарушений или парирующие последствия отказов, например путем реконфигурации структуры бортового оборудования.
На начальных этапах проектирования ИУСК и Д возникают основные задачи: формализация процесса потока
неисправностей и нарушений
функционирования элементов самолетных систем и бортового оборудования в полёте, в процессе предполётной подготовки и наземного контроля технического состояния воздушного судна; выбор оптимальной структуры ИУСК и Д; синтез
оптимальной стратегии (алгоритма) потока неисправностей; разработка методики оценки состояния отдельных блоков обще самолётного оборудования получаемой в полете информации[3].
Очевидно, для решения задачи контроля и диагностики необходимо применение аппарата теории вероятностей, математической статистики и случайных процессов.
Задача диагностики условно может быть разбита на три составляющие:
- выбор точек контроля для определения необходимого пространства проверок самолетных систем и бортового оборудования и достижения заданной глубины диагностирования в полете, при предполётной подготовке и наземном контроле технического состояния ЛА;
- определение состояния элемента проверки, под которой понимается один блок самолётной системы или бортового оборудования, или любая совокупность блоков, охваченных одной проверкой;
- построение стратегии поиска неисправностей в ОК для их выявления или принятия решения о состоянии обще самолетного оборудования на основе заданного пространства проверок.
Такой подход позволит упростить диагностическую модель технического состояния ОК и сделать возможным использование полученной
диагностической модели для достаточно широкого класса воздушных судов.
Наиболее распространенной
диагностической моделью является логическая модель, основанная на детерминированной двоичной оценке состояния блоков самолетной системы и бортового оборудования [4]. Определение состояния элемента проверки сводится к оценке возможных границ изменения выходных сигналов по отклонениям их технических параметров при известных входных сигналах.
При этом использование логической модели позволяет последовательно решать указанные задачи диагностирования самолетных систем и бортового
оборудования в полете,
Большое количество и стоимость контрольно-проверочной аппаратуры, применяемой при технической
эксплуатации летательных аппаратов (ЛА), выдвигает на первый план проблему разработки унифицированных
автоматических средств контроля (АСК) и диагностирования (АСКД)
радиоэлектронного оборудования (РЭО).
Находящиеся в эксплуатации (АСК) имеют низкий уровень унификации и стандартизации аппаратных и
программных средств. Из-за жесткой структуры таких систем и недостаточной гибкости для каждого нового образца техники требуется своя система контроля.
Разработка АСК для группы РЭО разных типов ЛА приводит к необходимости определения
унифицированных базовых наборов приборов, модулей с интерфейсами (канал общего пользования (КОП) или VХI) АСК.
При проектировании АСК возникает задача, связанная с выбором для множества объектов контроля (ОК) множества средств измерения. Задача такого типа относится к классу задач о покрытии исходного множества минимальным числом имеющихся подмножеств. Из теории комбинаторного анализа и дискретной математики известно, что задачи о покрытии являются NР - сложными и трудноразрешимыми вследствие проблемы Турона. В рассматриваемом случае это осложняется и тем, что в качестве элементов покрывающего множества и покрывающих подмножеств выступают диапазоны технических характеристик ОК и приборов. Характерна следующая методика построения оптимальных базовых структур АСК и включает в себя три метода.
Метод композиции технических характеристик ОК и характеристик одного обобщенного объекта контроля (ООК) и представления их проекциями в L-мерном евклидовом пространстве.
- Метод декомпозиции из L-мерного евклидового пространства п-
мерных евклидовых подпространств в соответствии с техническими
характеристиками одного типа
прибора.Выбранные приборы
группируются по типам, например, все частотомеры, все измерители мощности, все низкочастотные генераторы и т.д. Причем любая комбинация из всех типов приборов дает один из наборов приборов, обеспечивающих контроль всех
характеристик ООК, т. -е. является одним из вариантов базовой структуры АСК.
Метод последовательной
оптимизации с уточнением заданных ограничений. Этот метод связан с тем, что решение п-мерных задач методами линейного программирования в общем случае не позволяет найти лучшее решение из всех допустимых. Автор считает, что разработанным методом можно устранить этот недостаток и получить оптимальное решение из всего допустимого.
Таким образом, авторы предлагают методику построения оптимальных базовых структур автоматизированных средств контроля на основе методов структурной, параметрической
оптимизации, линейного
программирования и теории евклидовой геометрии.
Методика построения оптимальных базовых структур АСК позволяет, по мнению авторов, рассматривать группу ОК авиационной техники как один ООК и уже для него разрабатывать унифицированные АСК, что позволяет сформировать оптимальный набор генераторов стимулирующих сигналов, средств измерений и коммутаций, обладающих наименьшими массогабаритными
характеристиками и низкой стоимостью по сравнению с применяемыми средствами контроля.
При проектировании средств диагностики электронных устройств предлагается создавать полностью автоматические системы диагностики высокой мобильности и унификации [5]. Эта необходимость обоснована высокой ценой отказа военных и некоторых
гражданских систем и ограниченности времени, отводимого на их восстановление.
Построение универсальной
иерархической встроенной системы диагностирования сложных
радиоэлектронных комплексов
представлено в [8], где проводится классификация встроенных систем обнаружения ошибок в современные сложные радиоэлектронные (РЭК) комплексы.
При реализации встроенных средств контроля для поддержки работоспособного состояния БРЭК возможен
сосредоточенный и рассредоточенный варианты их реализации. Однако низкая степень локализации дефектов при первом варианте АСК приводит к необходимости резервирования, что чревато повышением массы конструкции БРЭК и снижению эксплуатационной надежности.
Распределенная система
диагностирования имеет преимущества перед сосредоточенной. Прежде всего, это высокая точность локализации дефектного узла в пределах элемента тестирования.
Распределенные системы
диагностирования целесообразно строить на основе контуров контроля, разделенных по функциональному признаку. Контуры контроля предлагается строить по алгоритмической графовой модели. Вершины которой - это узлы, а дуги- связи между ними.
Задачу определения числа контуров целесообразно решать методом ветвей и границ. Очевидно, что минимизация времени диагностирования будет минимальной лишь тогда, когда время диагностирования всех контуров одинаково. Диагностическая
распределенная система состоит из набора локальных диагностических ядер и центрального ядра связанных между собой автономной диагностической магистралью. Локальное ядро обеспечивает контроль в некотором контуре БРЭК, а центральное ядро - решает задачу управления всем процессом диагностирования, а также может решать задачу реконфигурирования
всего комплекса с целью восстановления его работоспособности.
Итак, в режиме диагностирования распределенной системой АСК реализуется метод «раскрутки»- а, следовательно, расширение устройств, охватываемых контролем, которые после их проверки становятся элементами диагностического ядра, способные проверять другие устройства БРЭК.
Такой подход позволяет построить АСК само проверяемой, структура которой строится по принципу иерархической соподчиненности, а топология
диагностической системы представляет собой локальную вычислительную автономную магистраль, информационно объединяющую локально диагностические ядра с центральным диагностическим ядром, выступающим в функции сервера сети.
Выводы
1. Обеспечение живучести БРЭК летательных аппаратов необходимо осуществлять встроенными автоматизированными средствами контроля (АСК) его работоспособности.
2. Необходимое свойство АСК - их унифицированность, непрерывная само контролируемость и самотестируемость, высокая степень мобильности, встроенность непосредственно в объекты контроля (ОК).
3 При реализации АСК -предпочтительно ее распределение по топологии архитектуры БРЭК.
4. Очевидна необходимость параллельного во времени процесса проектирования объекта контроля (БРЭК) и АСК путем создания функциональных контрольных точек состояния программно-аппаратного обеспечения БРЭК, являющихся информационными входами АСК.
5. Автономность АСК в виде распределенной диагностической сети, объединяющей информационную связь
логических диагностических ядер с серверным логическим ядром.
Список литературы:
1. Бородин А.М., Лобанов Б.С., Усков Н.В. Направления развития и синтез построения интегральных радиоэлектронных комплексов обороны самолётов дальней авиации. Информационно-измерительные и управляющие системы №6, т.60, 2012, с.20-27.
2. Суекин В.В., Дубов А.В., Капранов А.П. Обзор современных средств автоматизации поиска неисправностей в электронных устройствах.//Приборы и системы управления. Контроль.Диагностика.№2.2010, с.54- 59.
3. Макаров Н.Н. Синтез алгоритмов функционирования информационно-управляющей системы контроля и диагностики состояния общесамолетного оборудования. Изд. Вузов. Авиационная техника.2008, №1, с.46-50.
4. Авиационные правила 4.25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории. Издательство международного авиационного комитета, 1994, 321с.
5. Шипилов В.В. Методика построения оптимальных структур унифицированных средств контроля. // Контроль. Диагностика. №6, 2005.
6. Макаров Н.Н., Солдаткин В.М. Методика формирования и использования информационных функций опасности отказов интегрированного комплекса бортового оборудования. Изв.Вузов. Авиационная техника, №4, 2009, с.45.
7. Воробьёв Г.В., Пшеничная К С., Соколов О.В., Шпайпер Е.М. Методология системного анализа влияния показателей контролепригодности на эффективность применения комплексов авиационного вооружения. Известия РАН. Теория и системы управления, 2012, № 5, с 50-67.
8. Щербаков Н.С., Самхарадзе Е.Г., Рыбин Н.М. Построение универсальной иерархической встроенной системы диагностирования сложных
радиоэлектронных комплексов // Приборы и системы управления. Контроль -Диагностика. №4,2012, с.46-50.
Аннотации:
В работе представлена концепции развития синтеза встроенных систем контроля безотказной работы бортовых радиоэлектронных а.в. комплексов. Такой подход позволяет построить автоматизированную систему контроля само проверяемой.
Ключевые слова: эффективная проверка и диагностика, бортовой электронный комплекс, самолет.
The System studies of the problem of the efficient checking and diagnostics of the condition complex on-board radio electronic complex (BREK) plane.
Keywords: efficient checking and diagnostics, board electronic complex, plane.
УДК 62.523
САЦЮК А.В., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
Разработка модели оптимального управления двигателем компрессорной станции на сортировочной горке
Satsuk A.V. Senior lecturer (DIRT)
Development of a model for the optimal control of the engine of a compressor station on a sorting hill
Введение
Задачей компрессорной установки (КУ) на сортировочной горке (СГ) является бесперебойное обеспечение сжатым воздухом устройств, которые включены в технологический процесс сортировочной станции. Такой режим работы КУ исключает остановку приводных механизмов без снижения их скорости, что ведет к большим затратам электроэнергии на переработку одного состава. С другой стороны, перерывы в работе двигателя в период отсутствия работ на станции, ведут за собой негативные последствия. Это обусловлено тем, что при очередном пуске машины ее обмотки значительно перегреваются. Эти две проблемы являются причинами отсутствия управления электромагнитным моментом и скоростью
вращения вала приводных двигателей (ПД) компрессорных станций [1]. Известно, что отсутствия контроля над этими параметрами значительно ухудшают пусковые характеристики, уменьшают срок службы, усложняют процесс запуска синхронных и асинхронных двигателей [2]. Тем не менее, развитие современных технологий в области силовой электроники, микропроцессорной техники способствует решению этих проблем. А современные алгоритмы частотного и векторного управления обеспечивают наиболее «мягкие» характеристики синхронных и асинхронных машин любой мощности [3]. Основной задачей таких алгоритмов является обеспечение плавного
пуска/останова электропривода, широкий диапазон управления частотой вращения и электромагнитным моментом на валу.
