Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и общий анализ методов и средств контроля технического состояния АБСУ современных воздушных судов 10
1.1. Назначение, основные параметры, применяемые методы и средства технического обслуживания АБСУ 10
1.2. Структурный анализ системы контроля АБСУ-154-2 и ее компонентов 18
1.3. Особенности АБСУ (AFCS) иностранных воздушных судов и систем контроля их функционирования на примере самолетов В-737/757/767 и А-320 23
1.4. Анализ АБСУ как объекта эксплуатации 29
1.5. Особенности технической эксплуатации типовой АБСУ, достоинства и недостатки 37
1.6. Анализ методов и средств контроля и диагностирования АБСУ при ТЭ в гражданской авиации 41
Выводы по главе. Цели и задачи исследования 54
Глава 2. Методологические основы моделирования АБСУ как объекта контроля технического состояния 57
2.1. Методология представления АБСУ как объекта контроля 57
2.2. Модель продольного канала АБСУ 65
2.3. Образующие образа продольного канала АБСУ 70
2.4. Конфигурации образующих продольного канала АБСУ-154-2 71
2.5. Разработка алгебры изображений применительно к поставленной задаче 73
2.5.1. Общая постановка задачи 73
2.5.2. Конкретизация реализации задачи в предметной области изображений 73
системы АБСУ 73
2.5.3. Реализации изображений системы АБСУ на примере продольного канала 76
Выводы по главе 83
Глава 3. Моделирование состояний АБСУ 85
3.1. Разработка модели компонентов для оценки состояния системы 85
3.2. Построение модели системы АБСУ 88
3.3. Формирование представление решений и алгоритм определения ожидаемого состояния АБСУ в технологической цепи эксплуатации AT 90
3.4. Переход состояния АБСУ в процессе эксплуатации 95
3.5. Математическая модель и алгоритм определения параметров состояния АБСУ 101
3.6. Анализ результатов моделирования в системе принятия решений при технической эксплуатации АБСУ 106
3.7. Рекуррентные соотношения взаимосвязи входных и выходных параметров АБСУ 110
Выводы по главе 116
Глава 4. Разработка системы контроля и диагностики АБСУ 117
4.1. Определение принципов построения системы контроля и диагностики АБСУ в ходе технологического процесса эксплуатации AT 117
4.2. Аппаратная и программная среда системы измерения, управления и диагностики АБСУ 120
4.3. Структура и качество диагностического процесса АБСУ 126
4.4. Прогнозирование технического состояния АБСУ 129
4.5. Исследования характера распределения параметров 136
4.6. Общность разработанного метода и средств контроля технического состояния к применению при техническом обслуживании САУ на действующих ЛА (Як-42) и новых ВС с бортовыми вычислительными комплексами 141
Выводы по главе... 148
Заключение 152
Эффективность от внедрения результатов работ 153
Список использованных источников 154
Приложение 159
- Структурный анализ системы контроля АБСУ-154-2 и ее компонентов
- Анализ методов и средств контроля и диагностирования АБСУ при ТЭ в гражданской авиации
- Формирование представление решений и алгоритм определения ожидаемого состояния АБСУ в технологической цепи эксплуатации AT
- Аппаратная и программная среда системы измерения, управления и диагностики АБСУ
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Одной из основных проблем, стоящих сегодня перед российскими эксплуатантами авиационной техники (AT), является повышение эффективности использования воздушных судов (ВС) в условиях современного уровня развития гражданской авиации (ГА), который характеризуется высокой себестоимостью авиаперевозок и высокими требованиями к обеспечению безопасности полетов. Автоматическая бортовая система управления самолетом (АБСУ), обеспечивающая заданные характеристики устойчивости и управляемости самолета и автоматизацию управления самолетом, в значительной степени определяет безопасность полета. Все возрастающие требования к безопасности и регулярности полетов ВС приводят к усложнению бортовых пилотажно-навигационных комплексов, в частности, одной из жизненно важных его частей АБСУ. В результате чего растет трудоемкость технического обслуживания (ТО) АБСУ и ВС в целом, которые составляют 25-30% прямых эксплуатационных расходов. Решение данной проблемы на сегодня возможно только с помощью совершенствования системы технического обслуживания.
Одним из перспективных направлений по совершенствованию системы ТО ВС является внедрение в систему ТО технологий упреждающего обслуживания, основанных на сборе и обработке информации о текущем техническом состоянии AT, и позволяющих предупредить опасное изменение состояния AT. Но для того, чтобы упреждающее обслуживание было эффективным, необходимо иметь соответствующий метод, средства диагностирования и контроля технического состояния АБСУ и технологии их реализации, позволяющие получать необходимую информацию в реальном масштабе времени.
Вопросы исследования ТО АБСУ, в том числе с точки зрения исследования эффективности их функционирования, рассмотрены в работах академика Поспелова Г.С, проф. Матвеева В.Н., д. т. н. Белогородского С.Л., Гне-денко Б.В., Глазунова Л.П., Горского Л.К., Доценко Б.И., Дружинина Г.В., Зайнашева Н.К., Коптева А.Н., Мозголевского А.В., Болдинова СИ., Утяцко-го А. Г., Смирнова A.M., Чернли У., Newman T.J., Эйкопф П. и других ученых. Вместе с тем в настоящее время практически отсутствует глубоко проработанная система взглядов на вопросы контроля состояния АБСУ при непрерывном повышении требований к обеспечению безопасности полетов, надежности работы бортового оборудования ЛА и снижению эксплуатационных расходов.
Таким образом, актуальность проблемы заключается в необходимости совершенствования системы ТО АБСУ и повышения эффективности метода и средств контроля технического состояния АБСУ.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью работы является повышение эффективности ТО АБСУ за счет разработки нового прогрессивного метода, использования современных средств контроля технического состояния и реализации упреждающих технологий ТО АБСУ.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для достижения поставленной цели в диссертации были поставлены следующие задачи:
Провести анализ существующей системы контроля технического состояния АБСУ и выявить факторы, дестабилизирующие работу системы контроля;
Разработать модель представления АБСУ для контроля технического состояния системы при ТО;
Разработать метод определения технического состояния АБСУ и выявления минимально-достаточного количества контролируемых компонентов системы и их параметров;
Разработать архитектурную схему автоматизированного контроля состояния АБСУ;
Предложить средства контроля технического состояния АБСУ;
6. Апробировать метод и средства контроля технического состояния
АБСУ.
ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ является система контроля технического состояния АБСУ при техническом обслуживании самолетов.
ПРЕДМЕТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ являются метод и средства оценки технического состояния АБСУ по параметрам измерения изображений электрических сигналов системы АБСУ.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ включают теорию структурно-функционального анализа, методы математического моделирования, теорию графов (алгоритмический подход), теорию массового обслуживания, теорию образов, технической диагностики, теорию эксперимента.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационной работы заключается в следующем:
предложена модель представления образа АБСУ для контроля технического состояния на основе образующих, связей, конфигураций и алгебры изображений в условиях реальной эксплуатации конкретного типа ВС;
предложен метод определения рационального количества подлежащих контролю компонентов системы АБСУ и их сигналов, основанный на решении функции предпочтения диагностической модели АБСУ;
предложен метод определения необходимой периодичности контроля и ТО АБСУ, обосновано увеличение периодичности ТО и снижение стоимости ТО путем решения системы дифференциальных уравнений, описывающих поведение АБСУ в процессе ТО, и анализа изменения состояния АБСУ;
предложена архитектурная схема автоматизированной системы контроля технического состояния АБСУ при наземном ТО ВС на базе компьютерного вычислительного комплекса;
предложен для контроля АБСУ автоматизированный измерительный комплекс на базе современных точных технических средств PXI фирмы National Instruments и среды графического программирования LabVIEW.
ДОСТОВЕРНОСТЬ полученных результатов и правомерность принятых допущений подтверждается адекватностью полученных моделей и результатами экспериментальных исследований в процессе эксплуатации.
Модель и метод представления АБСУ для исследования технического состояния.
Модель и метод определения рационального количества контролируемых компонентов системы АБСУ-154-2.
Модель определения ожидаемого состояния АБСУ в технологической цепи эксплуатации AT.
Архитектурная схема автоматизированного комплекса контроля технического состояния АБСУ по измеренным сигналам контролируемого компонента системы АБСУ.
Реализация предложенных математических моделей в физическое аналоговое воздействие в среде LabVIEW и средствах "РХГ для контроля технического состояния АБСУ воздушного судна.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:
реализовать технологию упреждающего обслуживания АБСУ в реальном масштабе времени;
обеспечить контроль состояния АБСУ в процессе эксплуатации с целью предупреждения возможных отказов и неисправностей;
автоматизировать процесс определения технического состояния АБСУ-154-2 при ТО ВС;
повысить эффективность ТО АБСУ путем совершенствования технологического процесса ТО на предложенных технических решениях.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Полученные в диссертационной работе результаты переданы для использования при разработке и реализации проектов совершенствования технологических процессов ТО в ОАО «Авиакомпания Самара» самолетов Ту-154М и Ту-154Б в рамках совершенствования технико-экономических показателей и использованы в учебных пособиях "Техническое обслуживание и ремонт авиационных электрических систем и пилотажно-навигационных комплексов" учебного процесса СГАУ.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации доложены на XII Всероссийском научно-техническом семинаре по управлению движением и навигации летательных аппаратов (Самара, 2005), на XIII Всероссийском научно-техническом семинаре по управлению движением и навигации летательных аппаратов (Самара, 2006), на Четвертой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности» (Москва, 2007), на межрегиональной научно-методической конференции «Актуальные проблемы развития университетского образования в России» (Самара, 2009).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертационной работы автором опубликовано 9 работ, в т.ч. 2 статьи - в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, 4 статьи - в сборниках материалов Международных и Всероссийских конференций.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения,
четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 187 страниц машинописного текста, включая 6 таблиц, 35 рисунков, библиографию из 97 наименований и приложение на 26 с.
Структурный анализ системы контроля АБСУ-154-2 и ее компонентов
Автоматическая бортовая система управления АБСУ-154-2 устанавливается на магистральный реактивный пассажирский самолет Ту-154М для повышения эффективности использования самолета, облегчения работы экипажа, обеспечения регулярности рейсов и повышения безопасности полетов путем автоматизации управления самолета на всех этапах полета [2]. АБСУ представляет собой сложную информационно-измерительную и управляющую систему, реализующую широкий диапазон функций контроля текущих параметров и команд управления исполнительными устройствами ВС.
Автоматическая бортовая система управления, обобщенная функциональная схема которой показана на рис.1.2, представляет собой трижды зарезервированный по основным каналам комплекс взаимосвязанных устройств [2, 7, 12, 21].
Автоматическая бортовая система управления обеспечивает: улучшение характеристик устойчивости и управляемости самолета; автоматическую стабилизацию углового положения самолета относительно трех основных осей; автоматическую стабилизацию барометрической высоты, приборной скорости полета и числа М; автоматическое выполнение поворотов на заданный курс; управление по крену и тангажу от рукояток управления на пульте управления автопилота; автоматическое управление самолетом в боковой плоскости в режимах полета по сигналам радиомаяков VOR и по сигналам навигационно-вьгчислительного устройства НВУ; автоматическое управление самолетом в режиме захода на посадку до высоты 30 м; автоматическую стабилизацию и управление приборной скоростью полета с по мощью автомата "AT" в режиме захода на посадку; автоматический уход на второй круг; индикацию основных пилотажно-навигационных параметров и четкую предупредительно-командную сигнализацию (визуальную, световую и звуковую); автоматический предполетный и полетный контроль с указанием отказавшего режима, неисправного блока, подканала, а также автоматическое переключение на резервный режим работы.
Кроме указанных, система АБСУ обеспечивает выполнение многих дополнительных функций, которые или входят как составные части в вышеприведенные режимы, или дополняют их.
К таким функциям относятся: автоматический встроенный контроль; автоматический предполетный контроль; автоматическое демпфирование короткопериодических движений относительно трех осей; автоматическое снятие усилий с педалей в процессе выполнения координированного разворота при ручном пилотировании; автоматическая балансировка самолета путем управления механизмом триммерно-го эффекта; автоматический захват глиссады; световая и звуковая сигнализация об отключении отказавших режимов и переключении на резервные режимы при отказах системы АБСУ; сигнализация о предельных отклонениях самолета при заходе на посадку в боковом и продольном движениях; сигнализация о достижении предельных кренов при полете по маршруту и при заходе на посадку. Автоматическая бортовая система управления представляет собой трижды зарезервированный по основным каналам комплекс взаимосвязанных устройств [2, 7, 12, 21].
Принцип действия системы АБСУ основан на перемещении органов управления и рулевых поверхностей самолета по сигналам, поступающим на вычислители и блоки, формирующие законы управления, от гироскопических, воздушных и других датчиков системы управления или от навигационного комплекса [7, 12, 21]. Перемещение рулевых поверхностей осуществляется бустерами, золотники которых управляются электрогидравлическими рулевыми агрегатами РА, Сервопривод системы АБСУ охвачен жесткой обратной связью,
В системе САУ имеется дополнительный контур автоматической балансировки самолета, обеспечивающий устранение статической ошибки с точностью до зоны нечувствительности и масштабное отклонение колонки управления для согласования ее положения с рулевыми поверхностями продольного управления самолета.
Системы САУ, СТУ и автомат AT, входящие в систему АБСУ, являются многорежимными и резервированными системами автоматического управления самолетом. Они сохраняют работоспособность после возникновения нескольких разноименных отказов и обеспечивают мягкую реакцию самолета (отсутствие резких возмущений) при возникновении второго одноименного отказа с автоматическим отключением этого режима и переходом системы АБСУ на работу в другом резервном режиме.
Режимы, не имеющие дублирования по сигналам датчиков навигационного комплекса, не сохраняют работоспособность после возникновения первого отказа, однако имеют мягкую реакцию на первый отказ. Оптимальное резервирование, использованное в системе АБСУ, с применением, в основном, методов мажоритарной логики (метод голосования по большинству) существенно повышает "выживаемость" и надежность системы в целом (для основных режимов работы) с переходом на резервные режимы и обеспечивает безопасность полетов.
Управление и контроль за работой АБСУ и режимами полета осуществляется с помощью интегральных командных приборов пилотажно-навигационной информации, пультов и элементов управления, а также световой и звуковой сигнализаций, входящих в интерьер кабины экипажа. Все подсистемы системы АБСУ охвачены единой системой встроенного контроля, обобщенная схема которой приведена на рис. 1.3, которая обеспечивает полетный и автоматический предполетный контроль с определением неисправного сигнала, например: РА, БДГ, БШУ или канала, например: СТУ, AT, но не блока. Особенностями работы системы контроля АБСУ является переключение с основных режимов работы на резервные.
При выходе из строя вычислителя управляемости система АБСУ по прежнему работает в режиме демпфирования, являющимся резервным режимом штурвального управления по каналам крена и тангажа. В этом случае характеристики управляемости ухудшаются, но сохраняется демпфирование короткопериодических движений относительно трех осей самолета и обеспечивается выполнение координированного разворота.
Анализ методов и средств контроля и диагностирования АБСУ при ТЭ в гражданской авиации
Автоматическая бортовая система управления АБСУ-154-2, эксплуатируемая на самолете Ту-154М, состоит из 75-и компонентов, взаимодействует с 12-ю бортовыми системами самолета, функционирует в 7-й режимах работы и представляет собой сложную динамическую аналоговую систему [2, 3, 12, 13]. Для автоматического самолетовождения на международных авиалиниях самолеты Ту-154М оснащаются спутниковой навигационной системой GPS KLN-90 или оборудуются спутниковой системой управления полетом UNS, имеющих связь с АБСУ [А1]. От надежности работы АБСУ зависит в значительной степени нагрузка на экипаж и в конечном итоге безопасность полетов [11, 18, А17].
Эксплуатация АБСУ затруднена в связи со сложностью самого комплекса, наличия большого числа отдельных компонентов системы, сложными связями системы с системами-датчиками АБСУ, тяжелыми условиями работы, большим количеством отказов и неисправностей, сложной технологией регулировки и отсутствием записи на компьютер состояний компонентов системы и необходимостью выяснения причин отказов и неисправностей и их устранения. Параметры полета и режимы работы АБСУ записываются магнитными самописцами режимов полета МСРП-64 [10, 89].
Сложный состав и структура АБСУ, высокая степень его комплексирования, наличие многочисленных связей между системами, наличие бортового контроля состояния АБСУ, позволяющего в полете и на земле локализовать неисправность, документирование результатов роботы АБСУ самописцем МСРП, вероятное появление отказов и неисправностей являются особенностями процесса технической эксплуатации АБСУ [А1].
Процесс определения технического состояния (ТС) авиационной техники (AT) и комплектующих изделий (КИ) называется техническим диагностированием (ТД) [11]. Под техническим состоянием понимается совокупность подверженных изменению в процессе эксплуатации свойств AT, характеризуемых в определенный момент времени признаками, установленными эксплуатационной документацией (ЭД) на данный тип AT [10]. Признаками ТС могут быть определенные значения количественных и качественных характеристик свойств AT, для которых определены допустимые области существования. В зависимости от фактических значений этих признаков различают следующие виды технического состояния AT: исправное, неисправное, работоспособное или неработоспособное, правильно функционирующее или неправильно функционирующее [13].
В гражданской авиации существует система контроля технического состояния AT при подготовке самолета к полету, выполнении различных видов ТО, при текущем ремонте AT, членами экипажа при подготовке к полету и в процессе полета имеющимися на борту системами встроенного контроля [12]. Под системой контроля понимается совокупность методов и средств обеспечивающих: а) определение и оценку технического состояния объекта контроля, б) поиск неисправности, в) прогнозирование технического состояния объекта контроля, г) выдачу рекомендаций по устранению неисправностей [20]. В задачу технической эксплуатации (ТЭ) АБСУ входит определение технического состояния AT при обслуживании и ремонте AT, устранение отказов и неисправностей, а также восстановление отказавшего оборудования и максимальное сокращение числа самих отказов за счет их своевременного предупреждения [25, 52]. Таким образом, проблема обеспечения высокой эффективности AT в процессе эксплуатации в значительной мере определяется эффективностью методов и средств контроля и прогнозирования технического состояния AT. Средствами контроля и технической диагностики на всех этапах эксплуатации АБСУ решаются эксплуатационные задачи, указанные на рис. 1.7 [А14, А16]. Задачи контроля - установление соответствия состояния КИ предъявляемым требованиям с последующим принятием решения или выдачей управляющих воздействий. Следовательно, показатель эффективности контроля должен, с одной стороны, характеризовать правильность подобного установления, а с другой - быть связанным с характеристиками средств контроля и параметрами, характеризующими организацию системы контроля (объект контроля и средства контроля). Цель организации контроля - достижение некоторого определенного результата, поэтому, при исследовании операции контроля показатель ее эффективности оценивается вероятностью достижения желаемого результата. Одна из важнейших характеристик эффективности контроля - достоверность его результатов, которая является обобщенной характеристикой информационных свойств системы контроля и по всей сущности есть доверительная вероятность объективности принимаемых при контроле решений [10]. Количественные оценки достоверности контроля могут быть различными в зависимости от целей контроля и характера решаемых задач. Следует отметить, что часто цели контроля сводят к одной, а именно: определение точности параметров или способности изделия выполнять свои функции. Такое определение в какой-то мере справедливо для системы контроля работоспособности простых объектов [7, 8]. - наличие большого числа технических средств контроля, диагностирования и технического обслуживания АБСУ: - применение специальной контрольной и измерительной аппаратуры (ПРК); - применение контрольно-поверочная аппаратура специального назначения (КПА и имитаторов сигналов датчиков); - большое количество специализированных лабораторных стендов для проверки, настройки и регулировки АБСУ; - наличие нестандартных средств измерения; - средства технического контроля и диагностирования состояния АБСУ достаточно сложные системы, не уступающие по сложности системе АБСУ; - статическое проведение отладки и контроля состояния АБСУ; - отсутствие устройств автоматизации контроля и документирования состояния АБСУ; - отсутствие прогнозирования технического состояния АБСУ; - недостаточная эффективность средств контроля и диагностирования (большое число не-выявляемых отказов 30%, коэффициент ошибок контроля 25%, число повторных отказов 20%) [5, А1, А7];
Формирование представление решений и алгоритм определения ожидаемого состояния АБСУ в технологической цепи эксплуатации AT
Первый шаг в создании диагностической модели - это получение данных о техническом состоянии объекта диагностирования и отображение поля возможных технических состояний [52]. Система АБСУ состоит из набора образующих gt, g є G; набора связей р„ Р с: Ш и структур а, ас Е. Каждая образующая АБСУ может быть определена двумя состояниями: работоспособным g, и неработоспособным g, . То же можно сказать и о внутренних связях р, и р, . Процесс изменения состояния компонентов и их связей можно считать непрерывным. В процессе эксплуатации система АБСУ может находиться во множестве состояний s e S: работоспособных; неработоспособных; исправных; неисправных, но работоспособных; неработоспособных, но функционирующих; нефункциони-рующих; предотказных; состояниях отказа; состояниях ремонта; в состояниях ожидания ремонта [А1]. Приведенное множество характеризует виды технического состояния. Переход системы из одного состояния в другое является случайным событием. Однако для удобства анализа будем считать, что для компонентов и связей промежуточных состояний не существует. Они могут находиться только в исправном или в неисправном состоянии. Наиболее полной характеристикой перехода будет функция распределения случайной величины - момент возникновения перехода Fn(f). Переход из состояния работоспособности в состояния отказа определяется плотностью распределения отказов [А1].
Вероятность возникновения отказа компонента АБСУ, работающего с момента времени t = 0, за интервал времени At = h-1\\ Вероятность исправной работы за интервал h-1\: Эти выражения являются наиболее общими показателями, характеризующими возможность перехода системы из одного состояния в другое и вероятность пребывания в этом состоянии.
Условная вероятность перехода из работоспособного состояния в состояние отказа Разделив и умножив числитель правой части на At, при At —»0 получим интенсивность отказов
По своему физическому смыслу интенсивность отказов определяет плотность распределения вероятности времени пребывания комплектующего изделия АБСУ в работоспособном состоянии в момент времени / при условии, что КИ до этого находилось в том же состоянии.
Вероятность безотказной работы в течение времени h - /ї, при условии работоспособности КИ в момент времени t[ Если КИ начинает работать в момент времени t\=Q и P(t\)=\, то функция является общей формулой, описывающей вероятность процесса перехода из одного состояния в другое, и, по которой можно определить вероятность пребывания системы АБСУ в том или ином состоянии, в том числе и в работоспособном состоянии.
Количественной характеристикой для расчета надежности является параметр X(t), определяющий интенсивность отказов. В общем случае интенсивность отказов определяет интенсивность перехода из одного состояния в другое.
Из одного состояния в другое система переходит в соответствии с графом, приведенном на рис. 3.2. В граф, приведенный на рис. 3.2, включены состояния исправности - So, состояние неисправности - S2, нефункционирующего состояния - S3, состояние отказа —Si, состояние ожидания восстановления - S4.
Из графа следует, что вероятность нахождения АБСУ в работоспособном состоянии АБСУ готово к функциональному использованию только в состоянии работоспособности. Это обозначает, что величина P(So) в условиях эксплуатации должна быть максимизирована, и минимизирован временной интервал пребывания АБСУ в состоянии неработоспособности.
Алгоритм проверки ожидаемого состояния АБСУ представляет собой вычисление функции X— Y выходных сигналов от заданных входных сигналов и полученных (замеренных) состояний АБСУ. Для получения оценки ожидаемого состояния рассматриваемой модели АБСУ в целом составим предварительно наглядное описание процесса проверки ее состояний, приведенного на рис. 3.3.
Аппаратная и программная среда системы измерения, управления и диагностики АБСУ
Одной из таких новых и революционных технологий является технология виртуальных приборов, позволяющая создавать системы измерения, управления и диагностики различного назначения практически любой произвольной сложности, включая математическое моделирование и тестирование этих систем. Суть этой технологии состоит в компьютерной имитации с помощью программы реальных физических приборов, измерительных и управляющих систем. Программная среда Lab VIEW является именно таким инструментарием технологии виртуальных приборов [66—73]. Виртуальность здесь понимается в смысле виртуальной имитации функций системы измерения, управления и диагностики математическими и программными методами.
Преимущество технологии виртуальных приборов состоит в возможности программным путем, опираясь на средства современной компьютерной техники, создавать разнообразные приборы, измерительные системы и программно-аппаратные комплексы, легко их адаптировать к изменяющимся требованиям, уменьшить затраты и время на разработку.
Общепризнанным мировым лидером технологии виртуальных приборов является компания National Instruments, которая уже более 28 лет производит аппаратное и программное обеспечение, позволяющее создавать системы измерения, управления и диагностики [77]. Программное обеспечение National Instruments (N1) включает в себя среды для разработки приложений LabVIEW, LabWindows/CVI и Measurement Studio, драйверы приборов и различного оборудования, а также высокоуровневые средства управления тестами и обработкой данных. Программное обеспечение использует последние версии операционных систем Windows, Mac OS X, Linux и может быть использовано на различных аппаратных платформах: на персональных и промышленных компьютерах, в распределенных системах [78].
Рассмотрим типовую структурную схему одного измерительного канала (рис. 4.1) [25]. Состояние объекта, характеризуемое физической величиной хф, воспринимается датчиком Д. Выходной сигнал датчика u(t) нормируется с помощью унифицирующего измерительного преобразователя (УИП). Функция УИП состоит в электрическом согласовании выходного сигнала датчиков с последующими устройствами. В состав УИП, как правило, входят мостовые схемы, измерительный усилитель, линеаризатор, образцовые меры, масштабирующие блоки, фильтры и т. п. Через ключевой элемент (Кл) нормированный сигнал v{t) поступает на устройство выборки-хранения (УВХ), а затем на аиалогоцифрової) преоврігюаате.чь (АЦП). Преобразование сигнала в цифровой сигнал осуществляется аналого-цифровым преобразователем (АЦП).
Дальнейшая обработка и управление сигналом, его отображение для наблюдения осуществляются программным способом. В момент времени /, УВХ по сигналу УПР осуществляет быструю выборку аналогового сигнала и запоминание его значения на время преобразования АЦП. Тем самым устраняется динамическая (апертурная) погрешность АЦП. Апертурное время - время между началом (НП) и концом (КП) преобразования АЦП. На выходе АЦП формируется цифровой код Z(i), эквивалентный напряжению v(t,) в момент времени t,.
Далее в вычислительном устройстве или в ЭВМ числовая последовательность Z подвергается цифровой обработке по заданным алгоритмам. Затем полученная информация может быть выдана потребителю или, если необходимо, преобразована с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) снова в аналоговую форму. Кроме функции нормирования, УИП выполняют преобразование одного унифицированного сигнала в другой, линеаризацию характеристики преобразования датчика, гальваническую развязку, размножение входного сигнала по нескольким выходам, фильтрацию от помех.
Такая система измерения, управления и диагностики имеет реальный электрический выход, реальные входы, виртуальный экран, виртуальные ручки управления по функциям и др., графически отображаемые на экране монитора компьютера. Ручки, переключатели, кнопки виртуальной системы измерения, управления и диагностики управляются с клавиатуры или посредством мыши.
Система контроля АБСУ является многоканальной измерительной системой. При последовательном сборе информации весьма широко применяются многоканальные ИС, выполненные по классической формуле «датчики + коммутатор + АЦП + ЭВМ». Структурная схема такой ИС представлена на рис 4.2. Здесь показан случай, когда часть датчиков (Д, - Дк) подключена напрямую к коммутатору без использования УИП, в предполо Рассмотрим основные устройства в тракте измерительного канала, приведенные на рис. 4.3 и рис. 4.9.
Основными требованиями к датчику являются требования необходимой точности, быстродействия, линейности, стабильности временных характеристик, помехозащищенности, надежности. На практике выполнить все эти требования весьма трудно, что приводит к необходимости дополнительных схемных и алгоритмических решений для обработки сигнала датчика.
