Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ методов резервирования с восстанавливающими элементами. постановка задачи 14
1.1 Существующие методы резервирования с ВЭ 14
1.2 Методы пассивного резервирования с ВЭ 20
1.3 Методы активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ 25
1.4 Постановка задачи исследования особенностей реализации средств восстановления в трехканальных АИС 33
1.5 Выводы 37
Глава 2 Исследование особенностей реализации средств восстановления в трехканальных адаптивных избыточных системах 39
2.1 Применение методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ 39
2.2 Реализация УКН 48
2.3 Реализация УДН 57
2.4 Реализация перестраиваемых ВЭ 68
2.5 Выводы 82
Глава 3 Исследование влияния средств восстановления на реализацию трехканальных избыточных устройств 84
3.1 Реализация трехканальных триггерных устройств 85
3.2 Реализация трехканальных устройств деления частоты 91
3.3 Выводы 100
Заключение 101
Список литературы 105
Приложение: 108
- Методы активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ
- Постановка задачи исследования особенностей реализации средств восстановления в трехканальных АИС
- Реализация перестраиваемых ВЭ
- Реализация трехканальных устройств деления частоты
Введение к работе
Современной уровень развития ракетно-космической техники (РКТ) характеризуется разработкой высоконадежных служебных систем космических аппаратов (КА) с длительным сроком активного существования (САС), включающих в себя комплекс устройств автоматики (УА). Требования обеспечения высокой надежности при длительных С АС (10 и более лет) относятся и к служебным системам КА, и к их УА, обеспечивающих энергетику, тепловые режимы, ориентацию и коррекцию КА. Требуемая для УА вероятность безотказной работы (ВБР) - не менее 0,996.
Непрерывный рост сложности УА, их миниатюризация, увеличение скорости представления, обработки и передачи информации, широкое использование микроЭВМ для сбора и обработки данных, формирования и выдачи управляющих воздействий, ответствен ность выполняемых функций и др. поставили перед инженером-разработчиком ряд проблем, связанных с обеспечением высокой надежности.
Решение этих проблем на этапе проектирования УА в значительной мерс зависит от выбора надежных схемно-конструкторских решений, введения различных видов избыточности, обеспечения определенных запасов работоспособности. Критерием эффективности выбранных решений на данном этапе являются количественные требования в виде вероятностных показателей надежности на УА.
В общем случае УА могут содержать как цифровые, так и аналоговые устройства. Для цифровых устройств проблему обеспечения заданной надежности приходится решать с учетом дискретного характера работы элементов, наличия двух видов неиспразностсй (отказы и сбои). Для аналоговых устройств, для которых информация представляется в аналоговой (непрерывной) форме, эта проблема должна быть решена с учетом точности выполнения заданных функций. Учет этих особенностей приводит к тому, что оценка надежности УА должна производиться по нескольким показателям. В качестве основных показателей
надежностн для цифровых устройств принято использовать вероятности безотказной и бессбойной работы УА в течение САС [1], а для аналоговых устройств часто применяют вероятность того, что их погрешность не превысит заданного допустимого значения [2],
Для обеспечения высокой надежности УА применяют различные методы
резервирования, основанные на введении структурной, временной и
информационной избыточности. При недостаточно надежных
электрорадиоизделиях (ЭРИ) базовыми методами резервирования, с помощью которых обеспечивают безотказность УА, являются методы, основанные на введении структурной избыточности. Временную и информационную избыточность обычно вводят дополнительно для обеспечения бессбойности и точности функционирования УА.
Однако существует определенный класс УА, специфической особенностью которых является фактор сохранения непрерывности работы при возникновении любых видов неисправностей в резервируемых устройствах (РУ) в процессе эксплуатации. Непрерывный режим работы УА предъявляет особые требования к их надежности. В этом случае проблема сохранения непрерывности работы не может быть решена без введения структурной избыточности, т.к. только структурная избыточность позволяет исправлять ошибки, вызванные как отказами, так и сбоями.
Эта особенность выдвинула в перечень актуальных проблем теоретические и прикладные вопросы «горячего» резервирования, способного исправлять возникающие в РУ ошибки без перерыва работы. Именно поэтому технический прогресс последних лет характеризуется широким внедрением структурных методов резервирования, не допускающих перерывов в работе УА при отказе или сбое в одном или нескольких РУ.
Для решения этой задачи нашли применение методы постоянного (без замещения) резервирования с восстанавливающими элементами (ВЭ) с мажоритарной функцией, в основу которых положена пассивная реакция на
возникновение неисправностей в РУ. Однако основным их недостатком является малоэффективное использование резервного оборудования при исключении распространения ошибок по структуре резервирования избыточной системы. Ошибки в избыточной системе могут накапливаться и достичь критического состояния, когда ошибки уже не могут быть исправлены без перестройки структуры резервирования.
Этот недостаток может быть исключен применением методов активного резервирования с ВЭ, позволяющих адаптироваться избыточной системе к возможным видам неисправностей в РУ, количество которых достигло порога отказа начальной мажоритарной функции. Применение таких методов предполагает использование в адаптивной избыточной системе (АИС) совокупности средств восстановления, работа которых определяется наличием информации об ошибках в РУ, необходимой для организации процесса восстановления при перестройке структуры резервирования.
В настоящее время имеются публикации [3-11], затрагивающие отдельные вопросы теории и практического применения методов активного резервирования с ВЭ, однако они носят несистематизированный характер и не дают полного представления о таких методах и об особенностях их применения в УА. Последние изданные работы [9-11] явились попыткой восполнить этот пробел. Проведенный анализ этих публикаций показал, что в теории активного резервирования в основном решены вопросы, связанные с автоматическим замещением отказавшего оборудования резервным, при котором на время переключения происходит потеря непрерывности работы АИС. Этот принцип распространим и на избыточные системы с ВЭ с мажоритарной функцией, позволяющие обеспечивать непрерывность работы при отказах РУ. В этом случае отказавшие РУ любого канала АИС автоматически замещаются аналогичными РУ. Однако такой метод требует дополнительных аппаратных затрат на замещающие РУ и приводит к сложной схеме коммутации, поэтому на практике не нашел широкого применения. Существует также возможность адаптации ВЭ к
ошибкам во входных сигналах и возможность целенаправленного изменения порога отказа ВЭ, В первом случае требуется статистическая обработка ошибок в сигналах, поэтому такие ВЭ отличается сложностью. Во втором случае требуется простая перестройка ВЭ внешними управляющими воздействиями, которая предполагает использование специальных средств организации перестройки структуры резервирования. В настоящей работе проведен сравнительный анализ новых более эффективных методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ, основанных на автоматической перестройке структуры резервирования по результатам контроля и диагностики неисправностей в РУ> которые не требуют введения в АИС дополнительных замещающих РУ.
Применение новых методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ определило и новые подходы в проектировании УА. При этом возникли вопросы, какими дополнительными путями возможно восстановление неискаженной информации в АИС при использовании этих методов- Ответы на поставленные вопросы, могут быть получены при сравнительном анализе этих методов и исследовании особенностей их применения в АИС с различным функциональным составом и характером функционирования, позволяющих получить наиболее простые, универсальные схемотехнические решения средств восстановления, пригодные для инженерной практики.
При оценке надежности УА, для которых требуется обеспечить при возникновении неисправностей в РУ непрерывный режим работы, обычно рассматривают две задачи: задачу, связанную с выбором методов активного резервирования с ВЭ, и задачу обеспечения надежности УА с использованием выбранных методов активного резервирования с ВЭ.
При современном уровне сложности УА решение задачи выбора метода активного резервирования с ВЭ усложняется тем, что с одной стороны при имеющемся уровне качества ЭРИ приходится решать задачи обеспечения безотказности АИС даже при наличии отказов совокупности ЭРИ (кроме того, разработчики АИС часто вынуждены применять новые ЭРИ с неизвестными
характеристиками надежности, поскольку с начала серийного выпуска ЭРИ до определения их характеристик надежности обычно проходит несколько лет) и с другой стороны при имеющейся чувствительности устройств к различным дестабилизирующим факторам приходится решать задачу обеспечения бессбойности и точности функционирования АИС даже при высокой интенсивности возникновения ошибок при передаче информации между отдельными устройствами (источники дестабилизирующих факторов не всегда известны заранее).
Несвоевременность поступающей информации о надежности ЭРИ и возможных источниках дестабилизирующих факторов значительно ограничивает практическую применимость различных методов теории надежности при расчете, проектировании, изготовлении и эксплуатации УА. Поэтому задача вьїбора достаточно эффективных методов активного резервирования с ВЭ является одной из самых актуальных задач повышения надежности УА.
Другая не менее важная задача - обеспечение надежности УА с использованием выбранного метода активного резервирования с ВЭ - также является проблематичной. Выигрыш в надежности при применении того или иного метода активного резервирования с ВЭ всегда сопровождается ухудшением ряда других характеристик УА, таких как масса, габариты, потребляемая мощность, стоимость. Для УА с различным функциональным составом и характером функционирования возникают проблемы выбора оптимального состава средств восстановления. Поэтому важно решение этой задачи с учетом минимизации структурной избыточности. При этом необходимо решать эти задачи с учетом использования современной элементной базы и новых подходов в технологии испытаний.
Таким образом, возникает объективная необходимость разработки и внедрения принципов построения АИС, определяемых методами активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ. Наиболее перспективным подходом к решению этих задач является разработка общих принципов построения АИС на
основе уже существующих принципов, определяемых методами пассивного резервирования с ВЭ.
Совершенствование характеристик надежности УА, строящихся по методам активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ, идет по двум основным направлениям. Первое направление предусматривает автоматическое изменение параметров структурной избыточности путем перестройки ВЭ (адаптация), эффективность которого характеризуется полнотой использования резервного оборудования при коррекции ошибок, вызванных постоянными отказами. Второе направление предусматривает автоматическую перезапись информации из исправного канала в канал, восстановивший свою работоспособность (реабилитация), эффективность которого характеризуется полнотой использования резервного оборудования при коррекции ошибок, вызванных кратковременными отказами.
В данной работе аккумулированы результаты научно-исследовательских, проектно-конструкторских изысканий, выполненных автором или под его руководством, которые легли в основу более эффективных методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ, позволяющих автоматически перестраивать структуру резервирования АИС при возникновении неисправностей в РУ.
Актуальность работы
Активное резервирование с перестраиваемыми ВЭ занимает особое место в обеспечении надежности УА и ставит своей целью сохранить работоспособность при возникновении различных неисправностей в РУ без перерыва в работе и обеспечить требуемую надежность систем КА. В связи с изложенным, недостаточно надежными ЭРИ, большой стоимости работ по повышению их надежности, необходимо обеспечить требуемую надежность УА с сохранением заложенных технических параметров в течение длительной эксплуатации (10-15 лет). Уже с первых КА вопросы совершенствования и изыскания новых методов
резервирования УА постоянно в поле зрения разработчиков РКТ. Указанные обстоятельства определяют актуальность работы.
Представленная диссертационная работа выполнена в НПО ПМ по планам реализации директивных документов Совмина СССР, Росавиакосмоса, направленных на увеличение САС КА, разрабатываемых НПО ПМ (Решение комиссии Президиума СМ СССР по ВПВ от 17.04.84г Х116 «О подготовке к представлению плана работ по дальнейшему увеличению САС КА связи», Федеральная программа России на 2001-2005гт., утвержденная постановлением Правительства РФ от 30 марта 2000г №288 и др.).
Цель работы - разработка более эффективных методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ, позволяющих повысить эксплуатационную надежность УА служебных систем КА в течение САС в условиях возникновения различных видов неисправностей в РУ.
Научная новизна заключается в разработке методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ, позволяющих строить АИС, способные сохранять непрерывность функционирования УА при возникновении неисправностей в РУ за счет автоматической перестройки структуры резервирования без введения дополнительных элементов замещения.
Основные задачи исследования:
- определение особенностей применения в АИС методов активного
резервирования с перестраиваемыми ВЭ и необходимого состава средств
восстановления для исключения распространения ошибок по структуре
резервирования;
изыскание математико-алгоритмических методов выбора оптимального состава РУ в АИС для обеспечения заданного уровня надежности УА;
разработка для трехканальных АИС алгоритмов перестройки ВЭ согласно принципам адаптации и реабилитации, которые определяют необходимый состав средств восстановления;
-II-
- изыскание схемотехнических решений средств восстановления,
позволяющих при построении конкретной АИС минимизировать аппаратные
затраты на средства восстановления;
- разработка рекомендаций по реализации в АИС трехканальных
избыточных устройств на микросхемах с учетом ряда особенностей, характерных
для интегрального базиса;
- обеспечение перехода к более эффективным методам проверок резервного
оборудования при функциональном контроле и испытаниях УА, основанным на
нарушении мажоритарной избыточности АИС внешними управляющими
воздействиями.
Практическая ценность и реализация результатов работы подтверждаются:
использованием предложенной методологии активного резервирования с ВЭ в практике разработки УА служебных систем КА, создаваемых и выпускаемых НПО ПМ с учетом этой методологии более 15 лет, и положительными результатами их эксплуатации;
включением научно-методических разработок в нормативно-технические и технологические документы НПО ПМ по конструированию и наземной экспериментальной отработки (НЭО) УА;
- увеличением вероятности безотказной и бессбойной работы УА?
реализованных по методам активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ;
- признанием изобретениями ряда трехканальных АИС и устройств.
Личное участие автора
Автору принадлежат разработка методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ, исследование особенностей применения этих методов в трехканальных АИС, разработка математико-алгоритмических методов выбора оптимального состава РУ в структуре АИС и алгоритмов перестройки ВЭ, реализация всей совокупности средств восстановления, а также выработка рекомендаций по реализации трехканальных избыточных устройств, разработка
методологии проведения экспериментальных исследований и непосредственное участие в НЭО разработок НПО ПМ, реализуемых по этим методам.
Достоверность результатов обеспечивается экспериментальным подтверждением эффективности методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ путем имитации неисправностей при испытаниях УА, расчетным оценкам ВБР, результатами натурной эксплуатации УА в составе изделий «Экран-М», «Глобус».
Практическое значение работы
Результаты работы позволили:
- систематизировать существующие методы резервирования с ВЭ и на
основе проведенной классификации выявить достоинства и недостатки при их
выборе для повышения эксплуатационной надежности УА;
- расширить возможности резервирования, увеличив для разработчиков УА
арсенал методов резервирования с ВЭ;
- создать базу унифицированных схемотехнических решений средств
восстановления, пригодных для построения любых трехканалъньтх АИС
независимо от их функционального состава и характера функционирования;
Апробация работы
Основные положения и научные результаты докладывались и обсуждались на научно-технических советах отделения 600 НПО ПМ (1987 г, 2006 г), Международной научно-технической конференции «Проблемы обеспечения качества изделий в машиностроении» (Красноярск, 1994 г), X Международной научной конференции «Решетнёвские чтения» (Красноярск, 2006 г).
Опытный образец трехканальных избыточных устройств АИС экспонировался на ВДНХ СССР «НТГМ-87» (Москва, 1987 г), а всей АИС - на выставке «ЭКСПО-91» (Пловдив, 1991 г).
Публикации
Основные результаты работы изложены в 16 публикациях, в том числе в 4 научных статьях, 10 изобретениях, 1 репринте, 1 отчете по НЭО.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа изложена на 108 страницах машинописного текста, иллюстрирована 25 рисунками и состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы из 30 наименований и приложения, представляющего акт о внедрении результатов научных исследований.
Основные положения, выносимые на защиту:
Комплекс средств повышения эксплуатационной надежности УА методами активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ, включающий;
методы активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ, отражающие различные пути исключения распространения ошибок по структуре резервирования АИС при возникновении или самоустранении неисправностей в РУ;
методику выбора параметров РУ, по которым целесообразно производить контроль неисправностей в АИС, с учетом прогноза вероятности возникновения ошибок в РУ;
способы контроля и диагностики неисправностей в АИС, обеспечивающие обнаружение и локализацию неисправностей в РУ;
- алгоритмы перестройки ВЭ, в соответствии с которыми должны
перестраиваться ВЭ по всей структуре резервирования АИС;
-способы построения перестраиваемых ВЭ;
- методику определения функций, которые должны выполнять устройства
контроля и диагностики неисправностей в АИС;
- способы синхронизации работы РУ в трехканальных избыточных
устройствах.
Методы проверок резервного оборудования при функциональном контроле и испытаниях АИС, основанные на нарушении мажоритарной избыточности внешними управляющими воздействиями.
Методы активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ
Методы активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ являются логическим развитием методов пассивного резервирования с ВЭ и в настоящее время изучены недостаточно. Последние изданные работы [9-11] отражают особенности новых методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ, не связанных с введением дополнительных элементов замещения.
В основу методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ положена активная реакция на возникновение неисправностей в каналах РУ, приводящих к ошибкам на их выходах. При этом для исключения распространения ошибок по структуре резервирования из R каналов, количество которых уже достигло порога отказа р мажоритарной функции, используются для практически значимого случая R = 3 и р = 2 перестраиваемые ВЭ с правилами решения F0 при общем и Кр(/) при раздельном резервировании:
где Ко(0 = { о(1к), о(2к), о(Зк)) - набор управляющих воздействий на перестройку ВЭ общего резервирования; Уг(і) = {Kj(1 к), У](2к\ К](3к)}, У2(І) = {( (Ік), К2(2к), ї (Зк)} - наборы управляющих воздействий на перестройку ВЭ раздельного резервирования; /+ 1 - условная запись номеров используемых каналов 2к, Зк, 1к? а г + 2-условная запись номеров используемых каналов Зк} 1к, 2к (здесь имеется ввиду, что на одноименные входы перестраиваемых ВЭ разных каналов подают разные входные сигналы из набора Д/) в соответствии с соединениями цепей перекрестных связей между каналами).
В отличие от методов пассивного резервирования с ВЭ эти методы предполагают обнаружение неисправностей в каналах РУ раньше, чем они приведут к количеству ошибок в наборе сигналов D(i) на выходах каналов РУ, достигших порога отказа мажоритарной функции. Это условие является основополагающим для сохранения правильного функционирования избыточной системы в момент перестройки ее структуры резервирования. Выполнение такого ограничения становится возможным, если производить контроль неисправностей непрерывно по отклонению параметров РУ и при выходе этих параметров за допустимые нормы осуществлять самоблокировку отказавшего канала.
Достоинствами методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ являются максимальное использование резервного оборудования при коррекции ошибок, достигаемое за счет перестройки структуры резервирования по результатам контроля и диагностики неисправностей, и возможность построения структуры резервирования на базе методов пассивного резервирования, что позволяет для организации перестраиваемой структуры резервирования производить незначительные изменения исходной мажоритарной системы, а основными недостатками - дополнительные аппаратные затраты на организацию устройств контроля и диагностики неисправностей, а также усложнение общей структуры резервирования, что приводит к усложнению проведения анализа надежности АИС.
При использовании таких методов по сравнению с методами пассивного резервирования с ВЭ различают две дополнительные возможности исключения распространения ошибок по структуре резервирования в зависимости от типа неисправностей в РУ - постоянный (необратимый) отказ или кратковременный (обратимый) отказ. При наличии любого типа неисправностей в двух каналах РУ, что соответствует количеству ошибок, достигших порога отказа мажоритарной функции, возможно исключение распространения ошибок по структуре резервирования путем изменения этой структуры на выбор исправного канала (адаптация). Если же неисправности вызваны кратковременным отказом хотя бы одного из двух каналов РУ, то при самоустранении в нем отказа возможно исключение распространения ошибок по структуре резервирования путем перезаписи информации из исправного канала в восстанавливаемый (реабилитация).
Исходя из различных возможностей исключения распространения ошибок по структуре резервирования, вызванных постоянными или кратковременными отказами в РУ, методы активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ можно разделить на метод адаптации структуры резервирования и метод реабилитации каналов резервирования.
Постановка задачи исследования особенностей реализации средств восстановления в трехканальных АИС
Объектом исследования будем рассматривать средства восстановления в трехканальных АИС обеспечивающие автоматическую перестройку структуры резервирования при возникновении неисправностей в РУ без введения дополнительных элементов замещения. Под средствами восстановления будем понимать совокупность устройств, обеспечивающих контроль и диагностику неисправностей и коррекцию ошибок (УКН, УДН, перестраиваемые ВЭ, схемы синхронизации РУ), При этом будем полагать, что коррекция ошибок в обобщенном случае может происходить несколькими путями: - маскированием ошибок с помощью ВЭ, если количество ошибок не достигло порога отказа р начальной мажоритарной функции; - синхронизацией сигналов на выходах каналов РУ по откорректированным сигналам на выходе ВЭ в соответствии с начальной мажоритарной функцией, если ошибка вызвана сбоем РУ; - перестройкой ВЭ на выбор оставшегося исправного канала, если количество ошибок достигло порога отказа р начальной мажоритарной функции (адаптация); - перестройкой ВЭ на перезапись информации из исправного канала в канал, восстановивший свою работоспособность (реабилитация). Проведенный анализ предложенных методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ и принципов коррекции ошибок показал, что для обеспечения непрерывности функционирования при перестройке структуры резервирования АИС необходимо использовать самоблокировку отказавшего канала. При этом делаются допущения, что ошибки в каналах статистически независимы и ошибки в течение времени реабилитации не накапливаются.
Таким образом, реализация предлагаемых принципов коррекции ошибок требует знания логики взаимодействия в АИС всей совокупности средств восстановления с РУ, т.е. предполагает разработку алгоритмов перестройки структуры резервирования, определяющих необходимый состав средств восстановления при построении конкретной АИС- Для правильной организации взаимодействия указанных средств должен быть решен комплекс вопросов теории и практики реализации средств восстановления в АИС,
Рассмотрение в настоящей главе работ в области методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ позволяют сделать выводы о необходимости решения следующих вопросов теории и практики реализации средств восстановления в АИС. 1. Определение особенностей построения АИС с применением методов активного резервирования с перестраиваемыми ВЭ, осуществляющих при возникновении неисправностей в РУ автоматическую перестройку структуры резервирования без введения дополнительных элементов замещения. Необходимость решения этого вопроса диктуется существующими трудностями выбора параметров, по которым целесообразно осуществлять контроль неисправностей (возможны разные способы контроля, отличающиеся по сложности, быстродействию, надежности и т.п.). Определение особенностей построения АИС разобьем на две задачи: Задача 1. Выбор параметров, по которым целесообразно производить контроль неисправностей РУ, достаточно полно отражающих реально существующие возможности контроля неисправностей в зависимости от функционального состава и характера функционирования АИС. Задача 2, Выбор методов определения оптимального состава РУ с учетом возможности контроля неисправностей для обеспечения заданного уровня надежности АИС,
Решение этих задач позволит сократить количество параметров, по которым будет производиться контроль неисправностей РУ. 2. Разработка алгоритмов перестройки ВЭ в соответствии с принципами адаптации и реабилитации, определяющих необходимый состав средств восстановления. Необходимость решения этого вопроса диктуется существующими трудностями определения правильной реакции средств восстановлен ия на различные состояния работоспособности РУ в АИС. Разработку алгоритмов перестройки ВЭ разобьем на четыре задачи: Задача 1, Формулировка принципов адаптации и реабилитации, определяемые постоянными и кратковременными отказами РУ, и определение для этих случаев необходимого состава средств восстановления, обеспечивающих контроль и диагностику неисправностей и коррекцию ошибок. Задача 2. Установление минимального набора обобщенных признаков неисправностей, достаточного для обнаружения и локализации различных видов неисправностей независимо от количества контролируемых параметров. Задача 3. Определение функций, которые должны решать УКН и УДН при обнаружения и локализации различных видов неисправностей. Задача 4, Выработка рекомендаций по оптимизации построения УКН и УДН при заданном количестве контролируемых параметров. Решение этих задач позволит сократить аппаратные затраты на реализацию УКН и УДН и получить унифицированные схемотехнические решения. 3. Определение особенностей построения перестраиваемых ВЭ, осуществляющих коррекцию ошибок в каналах РУ в мажоритарном режиме и режиме выбора исправного канала. Необходимость решения этого вопроса диктуется усложнением структуры перестраиваемьтх ВЭ для исключения прохождения сигналов с неисправных РУ на их выходы. Определение особенностей построения перестраиваемых ВЭ разобьем на две задачи: Задача 1. Выявление влияния структуры резервирования АИС на реализацию перестраиваемых ВЭ.
Реализация перестраиваемых ВЭ
При построении АИС, реализуемых по принципам перестраиваемой мажоритарной избыточности, проблемы повышения надежности приходится решать для мажоритарной системы в целом. Здесь уже не рассматривают по отдельности уровни общего резервирования системы и раздельного резервирования устройств, В качестве исходной для построения АИС принимают мажоритарную систему, в которой применение ВЭ с неперестраиваемой функцией для исключения распространения ошибок по структуре резервирования, вызванных неисправностями в РУ, не позволяет достичь требуемой надежности. При этом АИС образуют из исходной мажоритарной системы путем замены в ней всех неперестраиваемых ВЭ на перестраиваемые с введением для их управления УКН и УДН. В отличие от исходной мажоритарной системы, в которой распространение ошибок по структуре резервирования исключается неперестраиваемыми ВЭ в каждой ступени резервирования, в АИС их распространение исключается автоматическим изменением параметров структуры резервирования перестройкой всех ВЭ, когда количество ошибок достигает порога отказа начальной мажоритарной функции.
Переход в мажоритарной системе на перестраиваемые ВЭ раскрывает возможности значительного повышения эффективности использования резервного оборудования при незначительном его увеличении. Одновременно их применение дает возможность перейти к более эффективным методам контроля резервного оборудования, основанным на нарушении мажоритарной избыточности внешними управляющими воздействиями. Однако в этом случае при реализации перестраиваемых ВЭ приходится решать ряд специфических задач, связанных как со структурой резервирования, так и с применяемой элементной базой.
Поскольку в мажоритарных системах преобладает применение трехканальных структур, рассмотрено решение этих задач для трехканальных АИС на примере организации перестройки ВЭ по результатам контроля и диагностики неисправностей ВИП, доведенное до практической реализации перестраиваемых ВЭ общего резервирования на интегральных микросхемах,
Необходимость использования в трехканальных АИС перестраиваемых ВЭ вызвана двумя обстоятельствами: с одной стороны, необходимостью сохранить работоспособность АИС при возникновении ошибок в двух каналах, что соответствует порогу отказа р = 2 начальной мажоритарной функции, путем ее автоматического изменения в процессе работы на выбор исправного третьего канала, и, с другой стороны, необходимостью нарушения мажоритарной избыточности для обеспечения полноты проверки функционирования АИС в процессе испытаний.
В обоих случаях в АИС производится выбор сигнала одиночного і-то канала из набора входных сигналов Д/) всех трех каналов за счет изменения правил решения перестраиваемых ВЭ общего Y0 и раздельного Yp(i) резервирования. Из-за струюурных особенностей общего и раздельного резервирования изменение этих правил производят различными наборами управляющих воздействий, а именно набором V0(i) для общего резервирования и наборами V\{i\ Уг(і) для раздельного резервирования, формируемыми УДН в каналах АИС,
Поскольку правила решения Y0 и Yp(i) предполагают выбор из набора входных сигналов Д/) сигнала исправного канала, то их удобно задавать в виде параметрических функций конкретных значений наборов управляющих воздействий Fo(0 и V\(i)t Рг(/). Для упрощения записи функций зададим их в положительной логике, когда логическому нулю соответствует отсутствие сигнала
Реализация трехканальных устройств деления частоты
Для этой группы делителей частоты характерно то, что в СБ каналов резервирования отсутствуют промежуточные разряды. Для синхронизации СБ при сбоях в их работе здесь может производиться только сравнение состояния выходного разряда с состоянием выхода перестраиваемого ВЭ.
Рассмотрим решение задачи введения схем синхронизации в трехканапьный делитель частоты на два при использовании в каналах резервирования в качестве СБ Ж-триггер (например, микросхемы 564TBI, 1526ТВ1), работа которого пояснены таблицей 3.2.1. Здесь С- счетный вход, J и К- входы управления, Q-выход, Q(n) и б(л+1) - состояния выхода .Ж-тригтера до и после поступления импульса на счетный вход. Рассмотрим при этом случаи поступления на счетные входы JST-триггеров всех каналов синхронных и несинхронных импульсов входной частоты из набора F\(i) = {/ (Ік), F](2K), F,(3K)}. На выходах перестраиваемых ВЭ трехканального делителя частоты на два в этих случаях будут формироваться импульсы из набора (0 - {F2(1K), F2(2K), 7 (3 К)} С частотой F2(i) = F\(i)/2.
Сформулируем для такого СБ принцип синхронизации: при несовпадении состояния Q(n) Ж-триггера одного из каналов с состоянием F2(i) выхода перестраиваемого ВЭ, определяемого совпадением состояний Q(n) JST-триггеров двух других каналов, должна произойти синхронизация их работы по первому импульсу входной частоты. Этот принцип предполагает запрет счетного режима работы сбившегося Ж-триггера. Анализ режимов схемы синхронизации Ж-триггера для возможных состояний F2(i) выхода перестраиваемого ВЭ и состояний Q(i) выхода Ж-тригтера приводит к значениям управляющих переменных J и К, сведенных в таблице где Ф-суммирование по модулю 2, а А-условное обозначение инверсии.
Однако выражение (3.2.1) предполагает, что при введении в трехканальный делитель частоты на два схем синхронизации Ж-триггеры фиксируют свое состояние по фронту импульсов из набора F\{i) на счетных входах С раньше, чем произойдет смена состояний выходов перестраиваемых ВЭ, определяемых набором F2(/) Если импульсы входной частоты F\(J) во всех каналах СБ синхронны, то это условие выполняется автоматически, и трехканальныи делитель частоты на два на базе Ж-триггеров с введением схем синхронизации в соответствии с функцией (3.2.1) может быть реализован в соответствии с рисунком 3,2.1 [17].
В таком трехканальном делителе частоты на два блокировка каналов осуществляется через Д-входы Ж-триггеров набором сигналов R(i\ которые приводят выходы Q(i) Ж-триггеров в нулевое состояние. Выбор исправного канала в режиме перезаписи информации из исправного канала в восстанавливаемый осуществляется наборами управляющих воздействий V](f),
В рассмотренном делителе частоты импульсы входной частоты Fy(i) изменяют состояния Ж-триггеров всех каналов одновременно, не допуская «состязаний» сигналов на входах перестраиваемых ВЭ. Однако при рассинхронизации импульсов входной частоты F\{i) возникает «явления гонок» этих сигналов, что приводит к возникновению условий ложной синхронизации Ж-триггеров, и, следовательно, к сбою в работе всего трехканального делителя частоты на два. Поэтому для исключения «явления гонок» в процессе синхронизации вводят в СБ буферный каскад Ж-триггера, осуществляющего задержку синхронизации на длительность входного импульса. Трехканальный делитель частоты на два на базе Ж-трнггеров с введением схем синхронизации в соответствии с функцией (3.2.1) для случая несинхронных входных импульсов F\{i) может быть реализован в соответствии с рисунком 3.2.2 [18],
Эффективность реабилитации в приведенных примерах трехканальных делителей частоты на два значительно уступает эффективности реабилитации в трехканальных -триггерах, т.к. в данном случае время реабилитации (tp) ограничивается не только временем распространения сигналов через схему синхронизации (/ ) и Ж-триггер (оД но и периодом (Г]) и длительностью импульсов (tui) входной частоты F\(i):
Для этой группы трехканальных делителей частоты характерно то, что СБ в каналах резервирования содержат промежуточные разряды, которые в зависимости от применяемых микросхем могут быть доступны либо доступны, либо недоступны для контроля их состояния. Доступность промежуточных разрядов для контроля позволяет рассматривать два варианта введения в СБ схем синхронизации, которые осуществляют контроль синхронности сигналов либо только по выходному разряду, либо с использованием промежуточных разрядов. Последний отличается большими дополнительными аппаратными затратами на схему синхронизации, поэтому в данной работе не рассматривается.
Рассмотрим каким образом может быть организована синхронизация в трехканальном делителе частоты с коэффициентом деления N 2 при контроле состояния СБ по выходному разряду- В этом случае на выходах перестраиваемых ВЭ будет формироваться набор импульсов F (i) = F\(i)/N.
Если в качестве СБ в трехканальном делителе частоты использовать схему на базе четырехразрядного двоичного счетчика, например, на микросхеме 564ИЕ10 [29], работа которого пояснена таблицей 3.2.3, где С-счетный вход, V-вход запрета счета, R - вход установки в исходное состояние, Q{ri) - состояние двоичного счетчика до прихода фронта импульса на счетном входе С, Q(n + 1)-состояние двоичного счетчика после прихода фронта импульса на счетном входе С, а операция Q{ri) + 1 рассматривается как суммирование по модулю 16, то для синхронизации можно использовать вход запрета счета V.
