Принципы построения автоматических систем в канале управления тепловыми и светотехническими характеристиками бортовых средств индикации Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 338.45

И. О. Жаринов, О. О. Жаринов, П. П. Парамонов, М. О. Костишин, С. А. Сударчиков

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ В КАНАЛЕ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМИ И СВЕТОТЕХНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ БОРТОВЫХ СРЕДСТВ ИНДИКАЦИИ

Рассматривается задача обеспечения температурных режимов работы оптических и электрорадиоэлементов в изделиях авионики. Предложена схема канала контроля и управления температурными режимами работы компонентов. Приведены результаты экспериментальных исследований.

Ключевые слова: температурный режим работы, радиоэлементы, оптические элементы, авионика.

Введение. Проектирование бортовых приборов сопряжено с необходимостью обеспечения стойкости и устойчивости изделия авионики к внешним факторам. Наиболее существенное влияние на аппаратуру оказывают параметры окружающей среды, в первую очередь, температура. Диапазон рабочих температур от -60 до +70 °С, в этих условиях изделие авионики должно гарантированно сохранять работоспособность и обеспечивать технические характеристики в соответствии с требованиями технического задания.

Для изделий класса МФЦИ (многофункциональных цветных индикаторов) [1—4], включающих радиоэлектронные компоненты и оптико-электронную жидкокристаллическую (ЖК) матрицу (экран), проблема обеспечения стойкости и устойчивости к температурным воздействиям имеет две составляющие:

— необходимость обдува встроенными средствами охлаждения радиоэлектронных компонентов изделия в условиях воздействия повышенной температуры окружающей среды;

— необходимость подогрева встроенными средствами оптико-электронных компонентов (лампы подсвета, ЖК-матрица) изделия в условиях воздействия пониженной температуры окружающей среды.

Таким образом, для обеспечения стойкости и устойчивости МФЦИ к температурным воздействиям в изделии должны быть реализованы специальные схемные и конструктивно-технологические решения.

Схема канала контроля и управления температурным режимом работы индикаторов класса МФЦИ представляет собой двухканальную оптико-электронную измерительную цепь с обратной связью (рис. 1). Представленная схема состоит из:

— чувствительных элементов — датчиков температуры ДТ1 и ДТ2;

— двух операционных усилителей (ОУ), включенных по схеме апериодического звена первого порядка (АЗ1) в суммирующем включении;

— двухканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП);

— программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), реализующей алгоритм обработки данных по температуре окружающей среды;

— цифро-аналогового преобразователя (ЦАП);

— усилителя тока на базе ОУ, включенного по схеме АЗ1;

— электронного ключа, коммутирующего напряжение питания на электровентилятор (ЭВ);

— электронного ключа, коммутирующего напряжение питания на подогреватель;

— объекта управления 1 — высоковольтного источника питания (инвертора, И), ЖК-

матрицы с газоразрядными лампами подсвета (Л) и резистивного подогревателя;

— объекта управления 2 — электровентилятора постоянного тока со встроенной схемой управления.

ДТ1

'■окр

ДТ2

АЦП

—N

ПЛИС —✓ ЦАП

—►

Ключ

Источник питания -► Ключ ЭВ

АЗ1

управления 2

Рис. 1

Обратная связь в такой системе автоматического управления обеспечивается динамическим звеном, выполненным на базе операционного усилителя, включенного по схеме апериодического звена первого порядка. Канал обратной связи предназначен для поддержания требуемого уровня яркости свечения ЖК-экрана и яркостного контраста изображения во всем диапазоне рабочих температур МФЦИ. Расчет схемы произведен в соответствии с рекомендациями работы [5].

Принцип работы схемы контроля и управления следующий. Датчики ДТ1 и ДТ2 формируют электрический сигнал, уровень которого прямо пропорционален температуре ¿окр окружающей изделие среды. Сигнал датчиков усиливается на элементах АЗ1 и подвергается аналого-цифровому преобразованию в АЦП, функционирующем в режиме мультиплексирования во времени для последовательной обработки сигналов от двух датчиков, расположенных внутри МФЦИ. Установкой канала обработки АЦП управляет ПЛИС, в которой реализована пороговая схема обработки данных, предусматривающая формирование управляющего воздействия на цифро-аналоговый преобразователь и электронные твердотельные ключи.

ЦАП в канале управления яркости преобразует код яркости свечения ЖК-экрана от ПЛИС и через усилитель тока передает управляющее воздействие на объект управления 1. Код ПЛИС в канале обдува управляет электронным ключом с целью коммутации напряжения питания на электровентилятор, а в канале подогрева — с целью коммутации на подогреватель ЖК, представляющий собой резистивное напыление малого сопротивления (порядка 7—10 Ом) на стекле внутри ЖК-панели.

Канал автоматической регулировки яркости в системах индикации геоинформационных данных предназначен для управления в автоматическом режиме яркостью свечения лампы бокового или заднего подсвета ЖК-экрана. Функциональная схема системы управления для одного канала приведена на рис. 2.

Канал автоматической регулировки яркости (АРЯ) состоит из:

— чувствительного элемента — датчика внешней освещенности (фотодиода);

— операционного усилителя, включенного по схеме апериодического звена первого порядка в суммирующем включении;

— аналого-цифрового преобразователя;

t

— ПЛИС, реализующей алгоритм АРЯ;

— цифро-аналогового преобразователя;

— усилителя тока на базе ОУ;

— объекта управления — высоковольтного источника питания (инвертора) и ЖК-матрицы с газоразрядными лампами подсвета.

Обратная связь в такой системе автоматического управления (САУ) обеспечивает динамическое звено, выполненное на базе операционного усилителя, включенного по схеме апериодического звена первого порядка.

Ручная регулировка яркости

Свет

—► \ —N

ЧЭ —► АЗ 1 >> АЦП —✓ ПЛИС —✓ ЦАП

X •4— —►

г* X

Объект управления

Рис. 2

Канал обратной связи регистрирует уровень изменения яркости свечения ламп подсвета, возникающего при подаче на вход системы АРЯ входного управляющего воздействия от внешнего источника света. Расчет параметров САУ произведен в соответствии с рекомендациями работы [5]. Система АРЯ чувствительна к изменению уровня внешней освещенности, создаваемой в плоскости экрана МФЦИ внешними источниками света. Наиболее существенное воздействие при эксплуатации авиационных систем оказывает естественный источник света — Солнце, создающее при прямой засветке или переотражении света от облаков уровень внешней освещенности в плоскости экрана МФЦИ до 75 кЛк. Такой уровень освещенности даже при наличии на экране МФЦИ специализированных антибликовых и антиотра-жающих средств (пленок) существенно усложняет восприятие пилотом изображения пило-тажно-навигационной информации и геоинформационных данных [6—11].

Система АРЯ на основании результатов измерений от датчиков уровня внешней освещенности формирует управляющее воздействие на высоковольтную систему инвертора, вырабатывающего напряжение „поджига" инертного газа ламп подсвета, с целью увеличения яркости свечения ЖК-экрана, под воздействием внешней засветки вызывающего перераспределение отношения яркости изображения в цвете к яркости изображения цвета фона (как правило, в авионике цвет фона черный, реже — серый).

Результаты экспериментов. Для проверки работоспособности технических решений, положенных в основу схемы контроля и управления температурным режимом компонентов индикатора класса МФЦИ, были проведены эксперименты. Индикатор МФЦИ помещался в климатическую камеру „спокойного" воздуха, где попеременно устанавливалась температура окружающей среды от -60 до +70 °С с шагом 5 °С. После двухчасовой выдержки при заданной температуре изделие включалось и выполнялся контроль:

— температуры среды (за счет объема климатической камеры, значительно превосходящего объем изделия, гарантировалось постоянство температуры окружающей среды);

— температуры внутри изделия на основании результатов измерений от ДТ1 и ДТ2 для разных значений напряжения питания изделия (+27 и +30 В);

— яркости свечения ЖК-экрана и рассчитывался яркостный контраст изображения на экране МФЦИ.

Результаты экспериментов приведены на рис. 3, а — при пониженной температуре, б — в нормальных климатических условиях (НКУ), в — при повышенной температуре окружаю-

щей среды, г — при повышенной температуре окружающей среды в канале управления яркостью. Анализ графиков показывает, что схема контроля и управления обеспечивает комфортные условия для работы радио- и оптоэлементов в МФЦИ. Важно заметить, что пороговые уровни для режимов включения и отключения подогрева и электровентилятора в МФЦИ имеют гистерезис.

а) б)

Результаты измерения тендера гуры а МФЦ11 при испытаниях на -40 град. С (подогревотключается пркг>25 град. С и включается прнКЮ град. С)

Время работы МФЦИ, чин. -Датчик ДТ1 (»27В) "^-Датчик ДТ1 (»ЗОВ? -Датчик ДТ2 (+27В) -Датчик ДТ2 (*308) |

Результаты измерения температуры в МФЦИ прп работе в НКУ (элсктровситилятор включается при г>45 град. С и отключается при /<35 град.С)

60 90 120 150

Время работы МФЦИ в НКУ, мин. (вентилятор первый раз включился 2ч. 12мш!.. отключился 2ч. 14мнн. второй раз включился Зч 22 мин. отключился Зч. 29 мин. и т.д.)

в)

г)

Результаты измерения температуры в МФЦИ гфм повышенной теилерзтуре окружающей среды +60 град. С (вентилятор работает все время)

Время работы МФЦИ. Ы1СН. ^—Датчик ДТ1 -^—Датчик ДТ2

Г, 600 Испытания МФЦИ при повышенной температуре • 60 град. С окружаюшей среды (вентилятор работает все время) прп комнатной освещенности (порог включения А1ЭЯ не достигнут)

Ц 500 £ 400 р, 300

1 100 0

—" —

^ О |--Красный цвет — 4 Время район - Зеленый цвет 6 МФЦИ. мин. -—" - Синий цвет 1 -Белый пвет |

Рис. 3

Заключение. Задача обеспечения температурных режимов работы радио- и оптоэле-ментов в изделиях авиационной промышленности является ключевой для повышения надежности проектируемых изделий [12—15]. Традиционно параметры надежности рассчитываются исходя из ^-характеристик и коэффициентов нагрузки элементов. Коэффициент нагрузки определяется не только электрическими режимами работы компонентов схемы, но и температурными режимами эксплуатации.

Работа радиоэлементов в условиях повышенной, как и ламп подсвета ЖК-матрицы в условиях воздействия пониженной, температуры окружающей среды приводит к снижению их срока службы. В этой связи предлагаемые конструктивно-технические и схемные решения по обеспечению температурных режимов работы компонентов МФЦИ являются безусловно необходимыми и способствуют повышению надежностных характеристик работы изделия авионики.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Жаринов И. О., Жаринов О. О. Бортовые средства отображения информации на плоских жидкокристаллических панелях: Учеб. пособие. СПб: ГУАП, 2005. 144 с.

2. Копорский Н. С., Видин Б. В., Жаринов И. О. Бортовые средства отображения информации современных пилотируемых летательных аппаратов // Современные технологии / Под ред. С. А. Козлова и В. Л. Ткалич. СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. С. 154—165.

3. Жаринов И. О., Емец Р. Б. Индикационное оборудование в авиации XXI века // Науч.-техн. вестн. СПбГУ ИТМО. 2003. № 5 (11). С. 193—195.

4. Парамонов П. П., Копорский Н. С., Видин Б. В., Жаринов И. О. Многофункциональные индикаторы на плоских жидкокристаллических панелях: наукоемкие аппаратно-программные решения // Науч.-техн. вестн. СПбГУ ИТМО. 2004. № 3. (14). С. 238—245.

5. Герасимов А. Н., Григорьева Н. Н., Жаринов И. О., Жаринов О. О., Исаков В. И., Орлов А. П., Шепета А. П. Линейные системы автоматического управления: Учеб. пособие. СПб: ГУАП, 2009. 232 с.

6. Парамонов П. П., Коновалов П. В., Жаринов И. О., Кирсанова Ю. А., Уткин С. Б. Реализация структуры данных, используемых при формировании индикационного кадра в бортовых системах картографической информации // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. № 2 (84). С. 165—167.

7. Парамонов П. П., Ильченко Ю. А., Жаринов И. О., Тарасов П. Ю. Структурный анализ и синтез графических изображений на экранах современных средств бортовой индикации на плоских жидкокристаллических панелях // Авиакосмическое приборостроение. 2004. № 5. С. 50—57.

8. Парамонов П. П., Ильченко Ю. А., Жаринов И. О. Теория и практика статистического анализа картографических изображений в системах навигации пилотируемых летательных аппаратов // Датчики и системы. 2001. № 8. С. 15—19.

9. Копорский Н. С., Видин Б. В., Жаринов И. О. Система бортовой картографической информации пилотируемых летательных аппаратов. Основные принципы построения // Сб. тр. 10-й Междунар. конф. „Теория и технология программирования и защиты информации". СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. С. 18—23.

10. Парамонов П. П., Костишин М. О., Жаринов И. О., Нечаев В. А., Сударчиков С. А. Принцип формирования и отображения массива геоинформационных данных на экран средств бортовой индикации // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. № 6. С. 136—142.

11. Костишин М. О., Жаринов И. О., Жаринов О. О., Нечаев В. А., Суслов В. Д. Оценка точности визуализации местоположения объекта в геоинформационных системах и системах индикации навигационных комплексов пилотируемых летательных аппаратов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2014. № 1. С. 130—137.

12. Копорский Н. С., Видин Б. В., Жаринов И. О. Организация вычислительного процесса в многомашинном бортовом вычислительном комплексе // Изв. вузов. Приборостроение. 2006. Т. 49, № 6. С. 41—50.

13. Гатчин Ю. А., Жаринов И. О. Основы проектирования вычислительных систем интегрированной модульной авионики. М.: Машиностроение, 2010. 224 с.

14. Парамонов П. П., Жаринов И. О. Интегрированные бортовые вычислительные системы: обзор современного состояния и анализ перспектив развития в авиационном приборостроении // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. № 2. С. 1—17.

15. Гатчин Ю. А., Видин Б. В., Жаринов И. О., Жаринов О. О. Модели и методы проектирования интегрированной модульной авионики // Вестн. компьютерных и информационных технологий. 2010. № 1. С. 12—20.

Сведения об авторах

Игорь Олегович Жаринов — д-р техн. наук, профессор; Университет ИТМО, кафедра машинного проек-

тирования бортовой электронно-вычислительной аппаратуры, Санкт-Петербург; заведующий кафедрой; E-mail: igor_rabota@pisem.net

Олег Олегович Жаринов — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный универ-

ситет аэрокосмического приборостроения, кафедра моделирования вычислительных и электронных систем; E-mail: zharinov73@hotbox.ru

Павел Павлович Парамонов — д-р техн. наук, профессор; Университет ИТМО, кафедра машинного проектирования бортовой электронно-вычислительной аппаратуры, Санкт-Петербург; E-mail: postmaster@elavt.spb.ru

Максим Олегович Костишин — аспирант; Университет ИТМО, кафедра систем управления и информатики, Санкт-Петербург; E-mail: maksim@kostishin.com

Сергей Алексеевич Сударчиков — канд. техн. наук, доцент; Университет ИТМО, кафедра систем управления и информатики, Санкт-Петербург; E-mail: s-a-sudarchikov@yandex.ru

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

систем управления и информатики 11.02.14 г.