Синтез алгоритма синхронизации релейно-гистерезисных элементов в цифровой резервированной системе управления с помощью конечных автоматов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Том XLIV

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ

2013

№ 3

УДК 629.7.05

СИНТЕЗ АЛГОРИТМА СИНХРОНИЗАЦИИ РЕЛЕЙНО-ГИСТЕРЕЗИСНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЦИФРОВОЙ РЕЗЕРВИРОВАННОЙ СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ КОНЕЧНЫХ АВТОМАТОВ

С. Г. БАЖЕНОВ

Предложен подход к синхронизации состояний дискретных элементов каналов управления и контроля двухканального самоконтролируемого вычислителя современной цифровой системы управления самолета. Подход основан на теории конечных автоматов. Предложены методы синхронизации выходных сигналов реле и гистерезиса.

Ключевые слова: цифровая система, резервирование, синхронизация, каналы управления и контроля, реле, гистерезис, конечный автомат.

В настоящее время системы управления (СУ) самолетов строятся на базе бортовых цифровых вычислительных машин. Надежность СУ определяется ее архитектурой, уровнем резервирования и надежностью элементов [1]. Для обеспечения надежности система резервируется, т. е. имеет несколько вычислителей. Каждый вычислитель строится как самоконтролируемый модуль, т. е. имеет архитектуру пары (Airbus, Сухой Суперджет-100, ...) или триады (Boeing 777). В данной работе рассматривается архитектура пары, в которой вычислитель имеет каналы управления и контроля. Резервирование элементов увеличивает надежность СУ, если обеспечивается обнаружение, локализация и изоляция отказавшего элемента. Система контроля электродистанционной СУ имеет следующие функции:

1. Контроль оборудования выполняемый бортовыми средствами встроенного контроля (BIT-Built In Test) .

2. Контроль условий эксплуатации, т. е. проверка наличия электропитания, контроль температуры, обледенение датчиков системы воздушных сигналов и т. д.

3. Контроль и селекция входных сигналов (рис. 1).

4. Контроль и синхронизация вычислительных процессов, а также синхронизация состояний каналов управления и контроля вычислителей.

5. Обнаружение отказа основной СУ и переключение на резервную СУ.

Асинхронная работа каналов вычислителя [2 — 6], наличие ошибок во входных сигналах и случайные сбои информации приводят к рассогласованию вычислительных процессов в разных каналах, что может привести к срабатыванию системы контроля [5, 6]. Для обеспечения идентичности вычислительных процессов, протекающих в разных каналах, применяется выравнивание информации с помощью обмена данными через линии межмашинного обмена (ММО). В силу высокой логической сложности СУ в ней имеется большое количество дискретных сигналов, которые являются выходными сигналами логических элементов — реле, гистерезисы, триггерные схемы, логические элементы «И, ИЛИ, >, <, = » и т. д. (рис. 1).

БАЖЕНОВ Сергей Георгиевич

кандидат технических наук, начальник отдела ЦАГИ

Рис. 1. Организация вычислительного процесса в вычислительной паре

Эти дискретные сигналы определяют состояние каналов, которые должны быть одинаковы при отсутствии отказов. В данной работе предлагается алгоритм синхронизации выходных дискретных значений логических звеньев (реле и гистерезис) резервированной цифровой СУ.

1. ПОСТРОЕНИЕ АЛГОРИТМОВ КОНТРОЛЯ С ПОМОЩЬЮ КОНЕЧНЫХ

АВТОМАТОВ

Эффективным подходом к построению СУ с высоким уровнем логической сложности является использование конечных автоматов [7 — 9], которые позволяют создавать логически стройные и наглядные схемы управления в зависимости от состояния динамической системы и решаемой задачи. Существуют различные варианты задания конечного автомата. Например, конечный автомат может быть задан с помощью пяти параметров: М = (Q, Е, 5, д0, Г), где: Q — конечное

множество состояний автомата; д0 — начальное (стартовое) состояние автомата (д0 е Q); г — множество допустимых состояний, таких что Г с Q; Е — допустимый входной алфавит, т. е. множество входных символов (воздействий), из которого формируются слова, считываемые автоматом (в нашем случае допустимые последовательности входных сигналов); 5 — заданное отображение множества Q хЕ в множество Г ^). Иногда 5 называют функцией переходов автомата.

Автомат начинает работу в состоянии д0. Входное воздействие (считанный символ) переводит автомат в новое состояние из Q в соответствии с функцией переходов. Если в результате действия последовательности входных воздействий (входного слова) автомат оказывается в одном из допустимых состояний, то слово «принимается» автоматом, т. е. принадлежит языку данного автомата. В противном случае слово «отвергается». В задачах управления и контроля это означает недопустимую последовательность входных воздействий, т. е. отказную ситуацию. Переход из одного состояния в другое происходит при наступлении определенных событий и описывается графом перехода. Конечные автоматы с успехом применяют для построения систем с высоким уровнем логической сложности, в частности, при наличии большого количества состояний системы и использовании различных алгоритмов управления для каждого состояния. Также конечный автомат может быть эффективно использован для контроля сигналов. Для этого необходимо сформировать сценарии изменения входных сигналов, для которых алгоритм контроля может сформировать выходной сигнал. Это язык конечного автомата. Если на основании входных сигналов нельзя определить выходной сигнал, то сигнал считается отказавшим.

2. КОНТРОЛЬ И ВЫРАВНИВАНИЕ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА РЕЛЕ

Весьма важным частным случаем является выходной сигнал реле, т.е. признак превышения входным сигналом порогового значения. Эти реле применяются для отключения режимов автоматического управления при вмешательстве летчика в управление, подключения режимов стабилизации тангажа и крена и т. д. Поскольку выход реле дискретный, то разное по времени срабатывание реле приводит к значительному рассогласованию управляющих сигналов, а значит к ложному срабатыванию системы контроля. При этом, если входной сигнал близок к пороговому значению реле и медленно меняется, то даже небольшое отличие входных сигналов каналов управления и контроля приводит к значительной разнице по времени между срабатываниями реле, что ведет к срабатыванию системы контроля. Для того чтобы обеспечить надежную и синхронную работу реле и предотвратить ложные срабатывания, разработан алгоритм в виде конечного автомата, приведенный на рис. 2. Суть алгоритма состоит в следующем. В канале управления реализовано обычное реле, а в канале контроля предусмотрены меры по обеспечению синхронизации их срабатываний. В частности, если произошло срабатывание в канале управления, т. е. входной сигнал Хс равен уровню срабатывания реле Н и входной сигнал канала контроля

лежит в диапазоне (Н - к) < Хт < (Н + к), где к — порог допустимого разброса входного сигнала, то и в канале контроля происходит срабатывание, что обеспечивает синхронность срабатывания реле при наличии небольших рассогласований между каналами. Если Хт >(Н + к)

или Хт < (Н - к), переключения реле не происходит, и на его выходе имеем номинальные значения 0 и 1. В том случае, если выходные сигналы реле каналов управления и контроля отличаются в течение определенного времени, то вычислитель считается отказавшим. Для определения отказа

Рис. 2. Синхронизация реле между каналами управления и контроля сдвоенного

вычислителя

вычислителя используется логический блок подтверждения отказа (рис. 2) со счетчиком несравнений. Логика этого блока следующая:

если выходные значения реле каналов управления и контроля разные, то значение счетчика увеличивается на единицу вплоть до максимального;

если выходные значения реле каналов управления и контроля одинаковые, то значение счетчика уменьшается на единицу вплоть до нуля;

по достижении счетчиком несравнений максимального значения считается, что факт отказа вычислителя подтвержден, и он отключается;

максимальное значение счетчика несравнений определяется временем подтверждения, в течение которого отказ должен быть обнаружен.

Необходимо провести анализ эффективности разработанных алгоритмов синхронизации и контроля. Рассмотрим гармонический входной сигнал, амплитуда и среднее значение которого подобраны таким образом, что его максимальное значение немного превышает порог срабатывания реле. При этом скорость изменения сигнала при срабатывании реле мала, и наличие небольших рассогласований между каналами управления и контроля приводит к значительной разнице между выходными сигналами. Рассмотрим появление постоянного смещения сигнала датчика. Поведение системы контроля демонстрируется на рис. 3. На рисунке приняты следующие обозначения: Хс, Хт — входные сигналы реле каналов управления и контроля; 7с, Ут — выходные сигналы реле каналов управления и контроля; N^, 81:7 — значение счетчика несравнений

и исправность выходного сигнала.

На рис. 3, а показано поведение системы при нулевом пороге допустимого разброса (к = 0). Видно, что наличие постоянного сдвига или «шума» во входном сигнале на реле канала контроля приводит к срабатыванию системы контроля и отключению вычислителя. При ненулевом пороге допустимого разброса релейные элементы каналов управления и контроля срабатывают одновременно, и ложного срабатывания системы не происходит (рис. 3, б).

012345678 0 12345678

а) И = 0 6) А = 0.1

Рис. 3. Реле, порог равен 0.5. Постоянный сдвиг во входном сигнале канала контроля — 0.1

3. КОНТРОЛЬ И ВЫРАВНИВАНИЕ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ГИСТЕРЕЗИСА

Наиболее сложными для синхронизации дискретными элементами являются элементы, которые включаются по одному признаку, а выключаются по-другому. Частным случаем такого элемента является гистерезис. В СУ самолета гистерезис может использоваться для реализации функции «перекачки» балансировочного отклонения руля высоты на стабилизатор (рис. 4).

В том случае, если выходной сигнал интеграла превышает по абсолютной величине порог включения, то гистерезис срабатывает и стабилизатор начинает отклоняться с постоянной скоростью. Этот же сигнал через обратную связь поступает на вход интеграла руля высоты, выходной сигнал которого также изменяется с постоянной скоростью до тех пор, пока его абсолютная величина не снизится до порога выключения. После этого стабилизатор останавливается, а интеграл не меняется. Коэффициент обратной связи подобран таким образом, что суммарный момент тангажа руля высоты и стабилизатора не меняется, т. е. «перекачка» балансировочного момента тангажа не вносит возмущений в движение самолета. Поскольку выход гистерезиса дискретный, то разное по времени срабатывание приводит к значительному рассогласованию управляющих сигналов и к ложному срабатыванию системы контроля. Если входной сигнал близок к порогу включения или выключения и медленно меняется, то даже небольшое отличие входных сигналов каналов управления и контроля может привести к включению/выключению гистерезиса в одном канале и сохранению значения в другом канале, что ведет к срабатыванию системы контроля. Чтобы обеспечить надежную и синхронную работу гистерезиса и предотвратить ложные срабатывания, разработан алгоритм в виде конечного автомата, приведенный на рис. 5. В канале управления реализован обычный гистерезис, а в канале контроля обеспечивается синхронизация срабатывания, аналогично тому, как это делалось для реле. Можно сказать, что работа данного гистерезиса может быть описана с помощью четырех реле. Если все реле будут синхронизованы, то и работа гистерезиса будет синхронизована. Для определения и подтверждения отказа используется логический блок, приведенный на рис. 2.

Необходимо провести анализ эффективности разработанных алгоритмов синхронизации и контроля. Рассмотрим гармонический входной сигнал, амплитуда которого немного превышает порог включения гистерезиса. Также рассмотрим следующие условия работы и отказы датчика Хт канала контроля:

появление постоянного смещения сигнала датчика;

появление «шумов» высокой интенсивности в сигнале датчика;

наличие сбоев во входном сигнале;

увод сигнала с постоянной скоростью;

остановка сигнала в произвольном положении;

сброс входного сигнала на ноль.

На рис. 6 — 11 демонстрируется поведение системы при ненулевом пороге допустимого разброса ф = 0.1). Рассмотрены случаи наличия постоянного сдвига (рис. 6), «шумов» (рис. 7)

Рис. 4. Схема «перекачки» балансировочного положения руля высоты на стабилизатор с помощью двойного гистерезиса

Рис. 5. Представление блока «перекачки» сигнала руля высоты на стабилизатор (двойной гистерезис) в виде конечного

автомата для каналов управления и контроля

0.8 0.6 0.4 0.2 ■ 0 1 -0.2 ■ -0.4 -Об -0.8

1.5 I

0.5 0

-0.5 I

1.5

0

---- А" .1.......- :

С -Хт ... т / V

......

...... V к у. : -

м

Время, с

...... у

1 с -У т

В1 емя, с!

1.2 1 0.8 0.6

-№./10;

.....817 |

0.2

Время, с

Рис. 6. Постоянный сдвиг во входном сигнале канала контроля Хт

0 12 3 4 5 6 7 Рис. 7. Гистерезис. «Шум» в сигнале Хт

012345678 Рис. 8. Гистерезис. Сбой в сигнале Хт

0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6

-0.8 1.5 Г

0.5

0

-0.5 1.5

I

2.5 2 1.5

1

0.5

X

Л'

л *

V. .. 4 *

\ *

\ *

N ч

1 Время, с,

: ...... У

-1 1 1 ..;........

• ■ *

» 1 ..........;

■ !

В| )емя, с

ую

^ У

;......... 1 \

! иемя, с

1 2 3 4 5 6 7

Рис. 9. Гистерезис. Линейный уход Хт

Рис. 10. Гистерезис. Остановка Хт

Рис. 11. Гистерезис. Сброс Хт в ноль

и сбоев (рис. 8) во входном сигнале канала контроля. При ненулевом пороге допустимого разброса гистерезисные элементы каналов управления и контроля срабатывают одновременно при тех же условиях, т. е. ложного срабатывания системы контроля не происходит. При отказе входного сигнала система контроля должна его обнаружить. Рассматриваемые в работе отказы входного сигнала — линейный уход, остановка и сброс в ноль — система контроля обнаруживает (рис. 9 — 11), что свидетельствует о ее эффективности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование конечных автоматов для синтеза алгоритмов контроля и синхронизации дискретных элементов релейно-гистерезисного типа в резервированных системах управления позволяет представить алгоритмы в наглядной графической форме и позволяет обеспечить как устойчивую работу этих элементов при наличии широкого спектра возмущений, так и своевременное срабатывание системы контроля при появлении реальных отказов в разных проявлениях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баженов С. Г. Обеспечение надежности и принципы построения СДУ современных гражданских самолетов // Труды ЦАГИ. Современные проблемы динамики и систем управления летательных аппаратов. — Сб. статей к 50-летию НИО-15 под ред. Б. С. Алешина. 2011, вып. № 2699, с. 19 — 33.

2. БаженовС. Г., ШелюхинЮ. Ф. Влияние выравнивания информации в цифровой резервированной системе управления на динамические свойства типовых звеньев // ТВФ.

2008. Т. LXXXII, № 3 — 4, с. 46 — 55.

3. Баженов С. Г. Некоторые особенности динамики многотактной цифровой системы управления // Ученые записки ЦАГИ, 2010. Т. XLI, № 5, с. 56 — 65.

4. Баженов С. Г. К расчету устойчивости самолета в боковом канале с цифровой многотактной системой управления // Ученые записки ЦАГИ. 2011. Т. XLII, № 2 с. 80 — 89.

5. БаженовС. Г. Анализ рассогласований между каналами цифровой системы управления, вызванных сбоями информации // Ученые записки ЦАГИ. 2010. Т. XLI, № 6, с. 43 — 53.

6. БаженовС. Г. Синтез алгоритма синхронизации интегральных звеньев цифровой резервированной системы управления // Ученые записки ЦАГИ. 2011. Т. XLII, № 1, с. 86 — 93.

7. ХопкрофтД., МотваниР., УльманД. Введение в теорию автоматов, языков и вычислений. — Вильямс, 2002.

8. Мозговой М. В. Классика программирования: алгоритмы, языки, автоматы, компиляторы // Наука и техника, 2006, 320 с.

9. Холодилов С. Недетерминированные конечные автоматы // RSDN Magazine,

2009, 57 с.

Рукопись поступила 12/XII2011 г.