Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ отказов элементов бортовых систем самолетов, эксплуатируемых в "Vietnam Airlines" 12
1.1. Анализ интенсивности использования самолетного парка вьетнамской авиакомпании 12
1.2. Классификация отказов элементов и агрегатов бортового оборудования 23
1.3. Мероприятия по совершенствованию учета и предупреждения отказов 26
Выводы по главе 1 39
Глава 2. Методы и средства построения отказоустойчивых бортовых систем управления полетом 40
2.1. Методы построения структур отказоустойчивых систем управления 40
2.2. Методы и средства повышения надежности вычислителей пилотажно-навигационных комплексов воздушных судов 50
2.3. Алгоритмическое обеспечение отказоустойчивости 61
Выводы по главе 2 65
Глава 3. Предупреждение явных отказов бортового цифрового вычислителя системы угловой стабилизации 67
3.1. Проявление отказов в цифровой управляющей машине 67
3.2. Методика формирования цифровых корректирующих законов, уменьшающих влияние отказов на динамику ЦАС 71
3.3. Синтез корректирующих законов для систем с минимальным временем установления 75
3.4. Синтез корректирующих законов для системы стабилизации крена самолета 82 Выводы по главе 3 87
Глава 4. Предупреждение неявных отказов вычислителя автомата тяги при параметрическом синтезе цифрового закона управления 88
4.1. Стабилизация скорости полета самолета с помощью аналогового ПИ-регулятора 88
4.2. Параметрический синтез цифрового закона управления автомата тяги 94
4.2.1. Выбор оценки соответствия цифровой и непрерывной моделей и синтезируемых параметров цифровой модели 94
4.2.2. Результаты синтеза цифрового закона управления автомата тяги 98
4.3. Анализ влияния методов численного интегрирования и
дифференцирования на характеристики моделей цифрового ПИ-регулятора 104
Выводы по главе 4 109
Глава 5. Предупреждение ошибок в ходе выполнения программы при реализации цифровых законов управления полетом 110
5.1. Микропрограмма работы бортового цифрового вычислителя ПО
5.2. Реализация цифровых фильтров в бортовом цифровом вычислителе заданной операционной структуры 113
5.3. Синтез устройства управления БЦВ 119
Выводы по главе 5 125
Заключение 126
Список использованной литературы 129
Приложение
- Классификация отказов элементов и агрегатов бортового оборудования
- Методы и средства повышения надежности вычислителей пилотажно-навигационных комплексов воздушных судов
- Методика формирования цифровых корректирующих законов, уменьшающих влияние отказов на динамику ЦАС
- Параметрический синтез цифрового закона управления автомата тяги
Введение к работе
Авиационный транспорт - один из важнейших видов транспорта, осуществляющий перевозки пассажиров, грузов, почты, ведущее звено экономической и социальной инфраструктуры любой страны. Для Вьетнама, занимающего небольшую часть земной суши, авиационный транспорт является фактором нормального функционирования рынка товаров и услуг, развития регионов, межотраслевых и международных связей, удовлетворения транспортных потребностей.
Наличие существенной специфики в работе авиационного транспорта заставляет постоянно искать возможность совершенствования всех входящих в него систем, обеспечивающих его нормальное функционирование. При этом одно из главных направлений связано с автоматизацией процесса управления и в первую очередь это касается бортовых пилотажно-навигационных комплексов (ПНК). Главным звеном такой автоматизации на современном этапе явилось внедрение бортовых цифровых вычислительных машин (БЦВМ), что повлекло за собой создание цифровых ПНК.
Пилотажно-навигационные комплексы представляют собой большие системы значительной сложности. При изучении ПНК их целесообразно разделять на более простые комплексы и подкомплексы, основные из которых навигационный и пилотажный комплексы.
Пилотажный комплекс (ПК) осуществляет стабилизацию центра масс воздушного судна (ВС) на заданной опорной траектории и управление его поворотом вокруг центра масс с обеспечением требуемых пилотажных характеристик и безопасности полета при автоматическом, полуавтоматическом и ручном пилотировании. Часто ПК называют бортовой системой автоматического управления полетом (бортовой САУП).
Навигационный комплекс (НК) определяет траекторию полета центра масс ВС, выдает информацию об отклонении центра масс от программной траектории и информацию о текущем положении центра масс ВС в про-
странстве. В состав НК может входить цифровая или аналоговая вычислительная машина, которая иногда вырабатывает управляющие сигналы в пилотажный комплекс.
Границей между пилотажным и навигационным комплексами служат переключающие устройства, которые отключают сигналы отклонения центра масс ВС от программной траектории, поступающие из НК в ПК на режимах полуавтоматического и автоматического пилотирования.
Все существующие ПНК в зависимости от, используемой элементной базы и принципов формирования управляющих сигналов делят на аналоговые и цифровые. В связи с достижениями вычислительной техники к перспективным ПНК относятся лишь цифровые, в которых можно обеспечить высокую степень стандартизации и унификации оборудования при меньших затратах и массе. В цифровых ПНК можно не только повышать надежность, но и реализовывать принципиально новые электронные способы отображения пилотажно-навигационной информации на цветных мониторах, что позволяет снижать нагрузку на экипаж в полете. Цифровые ПНК разработаны для российских самолетов Ту-204, Ил-96-300, Ту-334, а также для многих зарубежных ВС (современные самолеты фирм Boeing и Airbus).
В диссертационной работе исследования проводятся применительно к пилотажной части комплекса. Успешное выполнение возложенных на САУП задач возможно лишь при надежном ее функционировании. Основным элементом САУП является вычислитель. Поэтому, говоря о надежности всей системы, в первую очередь имеют в виду надежность бортового вычислителя (БВ).
Анализ интенсивности использования самолетного парка вьетнамской авиакомпании "Vietnam airlines" подтвердил актуальность задачи предупреждения отказов БВ и, прежде всего, вычислителей пилотажной части комплекса.
В настоящее время подробно исследованы общие вопросы резервирования автоматических систем и элементов, даны рекомендации по введению
структурной избыточности при проектировании САУЛ, которые могут быть перенесены на САУ других классов. Общность предлагаемых в этих исследованиях подходов заключается в том, что отказы отдельных элементов системы управления не вызывают изменения состояния системы, определяющего динамику ее движения. Принципиально новый подход исходит из предположения о возможности отдельных отказов, влияющих на динамику движения системы, и рассматривает состояние системы с отказом как одно из возможных ее состояний. При этом возрастает роль методов теории управления, обеспечивающих сокращение потерь в качестве управления при режимах с отказами. В настоящей работе исследуются и разрабатываются алгоритмы и структуры, придающие современным системам автоматического управления полетом важное качество устойчивости к отказам в рамках второго подхода.
Цель диссертационной работы состоит в разработке методов и средств построения отказоустойчивых бортовых цифровых САУП при отказах вычислителей данных систем. При этом разработка методов и средств основывается на предлагаемой в работе классификации отказов элементов бортового оборудования и результатах анализа интенсивности использования самолетного парка "Vietnam airlines" вследствие конкретных отказов.
Постановленная цель достигается путем решения следующих основных задач:
Анализа интенсивности использования самолетного парка "Vietnam airlines" в первую очередь вследствие отказов элементов бортового оборудования.
Классификации отказов элементов бортового оборудования на основе признака очевидности (явности) или неочевидности (неявности) для экипажа и способах их учета и предупреждения.
Анализа методов и средств построения отказоустойчивых систем управления вообще и систем управления полетом в частности.
Разработки методов и средств, обеспечивающих толерантность системы к явным отказам вычислителя автопилота.
5. Разработки метода параметрического синтеза цифрового закона
управления автомата тяги.
6. Разработки метода построения логической схемы управляющего ав
томата, являющегося основой устройства управления БЦВМ, исходя из ди
намики системы управления полетом и способа представления передаточной
функции БЦВМ.
Для решения указанных задач в работе использовались методы анализа и синтеза аналоговых и цифровых систем автоматического управления, теории управления движущихся объектов, теории чувствительности систем, теории конечных автоматов, а также методы цифрового моделирования динамических систем.
Научная новизна состоит в следующем:
Формализованным путем показана суть алгоритмических методов обеспечения отказоустойчивости САУП. Выделены две группы методов подобного обеспечения - прямые и адаптивные.
Сформулирована и формализована методика формирования цифровых корректирующих законов, уменьшающих влияние отказов вычислителя на динамику системы управления. Методика апробирована для двух классов систем - с минимальным и конечным временем установления. В качестве последней рассматривается автоматическая система угловой стабилизации самолета.
Разработан метод параметрического синтеза цифрового закона управления на примере автомата тяги. При этом обоснованы: выбор оценки соответствия цифровой и аналоговой моделей, перечень синтезируемых параметров цифровой модели.
Сформулирована и формализована методика синтеза логической схемы конечного автомата, являющегося основой устройства управления БЦВМ, исходя из заданной формы программирования передаточной функции D (z) цифрового БВ и его операционной структуры. Методика базируется на классическом методе синтеза микропрограммных автоматов.
Практическая ценность работы заключается в обоснованных рекомендациях по:
- систематизации мероприятий по учету и предупреждению отказов
элементов бортового оборудования;
- увеличению интенсивности использования самолетного парка
"Vietnam airlines" вследствие предложенных методов и средств построения
отказоустойчивых бортовых систем управления;
- методике синтеза толерантных цифровых законов управления поле
том самолетов гражданской авиации;
- архитектуре отказоустойчивых систем.
На защиту выносятся:
анализ интенсивности использования самолетного парка "Vietnam airlines" вследствие отказов элементов бортового оборудования;
анализ методов и средств построения отказоустойчивых систем управления (в том числе систем управления полетом);
методика и результаты синтеза цифровых корректирующих законов, уменьшающих влияние отказов бортового цифрового вычислителя на динамику системы управления полетом. Полученные результаты позволяют классифицировать отказ вычислителя автопилота, являющийся по сути опасным, как неопасный, и учитывать его в минимальном перечне оборудования (МПО);
методика и результаты параметрического синтеза цифрового закона управления, реализуемого в вычислителе автомата тяги самолета;
методика и результаты синтеза управляющего автомата, положенного в основу работы устройства управления бортового цифрового вычислителя, для обеспечения надежной реализации последовательности выполнения операций при вычислении дискретного закона управления полетом.
Результаты, полученные в диссертационной работе, использованы в деятельности инженерно-авиационной службы "Vietnam airlines" при разработке мероприятий по предупреждению отказов элементов бортового обо-
рудования и увеличению интенсивности использования самолетного парка (акт внедрения, утвержденный вице-президентом "Vietnam airlines" в январе 2005 г.). Материалы диссертационной работы используются при изложении курсов "Авиационные приборы и пилотажно-навигационные комплексы", "Бортовые информационно-управляющие системы" на факультете летной эксплуатации и инженерно-техническом факультете Академии гражданской авиации.
Основные результаты научных исследований докладывались и обсуждались на:
- международной научно-технической конференции "Vietnam Airlines
- Boeing", Вьетнам, Ханой, 2002 г.;
-техническом семинаре Vietnam Airlines, Вьетнам, Ханой, 2003 г.;
- Пятой международной научно-технической конференции "Чкалов-
ские чтения", Россия, Егорьевск, 2004 г.;
XII Туполевских чтениях (Международная молодежная научная конференция), Россия, Казань, 2004 г.;
расширенных семинарах кафедры систем автоматизированного управления Академии ГА, Россия, Санкт-Петербург, 2002-2004 гг.
По результатам диссертационных исследований опубликовано 14 печатных работ, в том числе 9 - в российских изданиях, 5 - во вьетнамских.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. В конце каждой главы делаются выводы. В приложении представлен акт о внедрении результатов работы.
В первой главе проводится анализ интенсивности использования самолетного парка "Vietnam Airlines". Показано, что наблюдаются значительные простои ВС в неисправном состоянии вследствие отказов бортового оборудования. В главе особое внимание отведено анализу отказов элементов ПНК. Здесь же предложена классификация отказов элементов бортового оборудования в зависимости от явности (или неявности) для экипажа. Показаны мероприятия, необходимые для учета и парирования отказов. Отказы
явные и опасные, предусмотренные в соответствующем разделе Руководства по летной эксплуатации (РЛЭ) самолета, целесообразно перевести в неопасные, учитываемые в минимальном перечне оборудования (МПО), позволяющем эксплуатировать ВС даже при наличии отказов. Среди неявных отказов предложено рассматривать те, которые необходимо учесть еще на этапе проектирования. Рассматриваются отказы вычислителей автопилота (АП) и автомата тяги (AT).
Вторая глава посвящена методам и средствам построения отказоустойчивых систем управления вообще и систем управления полетом в частности. Показано, что одним из важнейших направлений теории управления является решение задачи обеспечения отказоустойчивости алгоритмов управления к потере первичной информации, а также в условиях отказа приводов и органов управления. Доказано, что классический подход к решению поставленной задачи, основанный на аппаратурной избыточности, не дает желаемых результатов. Поэтому следующим шагом в развитии отказоустойчивости САУП является синтез законов управления на основе алгоритмических методов обеспечения отказоустойчивости цифровой системы. Поставлена задача синтеза цифровых законов для построения САУП, толерантной к отказам вычислителей, формирующих законы управления полетом самолетов ГА.
Третья глава посвящена разработке методов и средств, обеспечивающих толерантность системы к отказам вычислителя АП. При синтезе соответствующих корректирующих законов обосновано, что отказы БВ приводят к изменению коэффициента передачи Кц БВ. Данное обоснование проведено на основе анализа существующих методов и средств повышения надежности БВ. Особое внимание при анализе уделено алгоритмическим методам обеспечения отказоустойчивости. Синтез цифровых корректирующих законов, уменьшающих влияние Кц на динамику системы управления, осуществляется первоначально для систем с минимальным временем установления. Затем данная методика распространена на систему с конечным временем установ-
ления - систему автоматической стабилизации крена ВС. Формирование корректирующих законов осуществляется на основе функций чувствительности выходного сигнала цифровой системы к Кц и постоянной времени объекта управления. Произведено моделирование системы на ПЭВМ.
В четвертой главе разработана методика параметрического синтеза цифрового закона управления автомата тяги. Обоснован выбор оценки соответствия цифровой и непрерывной моделей и синтезируемых параметров цифровой модели. В качестве аналогового прототипа рассматривается ПИ-регулятор, используемый в существующих вычислителях автоматов тяги. Здесь же произведен анализ влияния методов численного интегрирования и дифференцирования на характеристики модели цифрового ПИ-регулятора. Проведено моделирование системы на ПЭВМ.
В главе пять обосновано, что наибольшую опасность для бортовых цифровых систем управления представляют отказы, нарушающие заданную последовательность выполнения операции. Для борьбы с данной группой отказов в главе предлагается метод, основанный на синтезе управляющего автомата, являющегося основой устройства управления БЦВМ, исходя из способа программирования передаточной функции дискретного бортового вычислителя и его операционной структуры. Основная особенность предлагаемого метода состоит в том, что в основе построения устройства управления заложена динамика системы. Синтез произведен до уровня построения отдельных элементов логической схемы автомата.
В заключении сформулированы основные выводы по работе в целом.
В приложении представлен акт о внедрении результатов исследований.
Классификация отказов элементов и агрегатов бортового оборудования
Эксплуатация бортового оборудования воздушных судов неизбежно сопровождается отказами отдельных его устройств (блоков, агрегатов, приборов, систем). Возникновение отказов связано с воздействием эксплуатационных нагрузок, спектр и диапазон которых весьма широк. Неблагоприятные сочетания эксплуатационных нагрузок (вибрационных, ударных, температурных, электрических и др.) и воздействий внешней среды (атмосферного давления, влажности, пыли) приводят не только к отказам отдельных устройство БО, но и к нарушению функционирования отдельных систем ВС. Такие нарушения могут создавать особые ситуации: аварийные, катастрофические, сложные, усложнение условий полета. Неблагоприятное развитие особых ситуаций приводит к тяжелым последствиям, таким как вынужденные посадки, аварии, катастрофы, которые определяют уровень безопасности полетов и эффективность использования авиационной техники по назначению.
Для любых эксплуатантов выявление причин и условий возникновения отказов является важной работой. Выявление истинных причин отказов, их связей с возникновением и развитием особых ситуаций позволяет принимать радикальные меры по предупреждению или исключению таких отказов, существенно совершенствовать не только сами изделия авиационной техники, но также методы и средства их технического обслуживания, разрабатывать методы предотвращения таких тяжелых последствий отказов, как аварии и катастрофы летательных аппаратов.
В зависимости от задаваемых классификационных признаков существует множество классификаций отказов БО. По нашему мнению, наиболее подробная обобщающая классификация представлена в работе [82], где указано 10 признаков. В качестве примера в таблице 1.6 приводится классификация отказов по одному из наиболее важных признаков - степени влияния на безопасность полетов.
В диссертационной работе предлагается классифицировать отказы БО в зависимости от явности или неявности для экипажа ВС. В этом случае в качестве классификационного признака используется наличие внешних проявлений отказа [44,65,70,72,81].
При анализе надежности и отказобезопасности все возможные отказы систем и компонентов ВС можно разделить на явные и неявные для летного экипажа в обычном полете. Опасные единичные отказы в принципе должны быть исключены, либо, при отсутствии технических возможностей их исключения, вероятность таких отказов должна быть очень мала и отвечать принятым нормам летной годности самолетов (НЛГС). Явные же отказы резервированных элементов и неопасные единичные отказы образуют класс событий, который является базой для формирования так называемых «Минимальных перечней оборудования» для полетов с отдельными допустимыми отказами (МПО или MEL в зарубежной практике). Такие отказы проявляются в полете и экипаж располагает информацией о них, но наличие отказа не является препятствием для продолжения эксплуатации ВС. По своей физической природе и мерами парирования на борту ВС эти отказы аналогичны скрытым отказам, обхваченным Программой ТОиР ВС, но отличаются от них наличием сигнализации экипажу о своем проявлении. В связи с этим МПО является эксплуатационным документом, в целом подобным программе планового ТОиР (Регламенту ТО).
При известной доле фантазии все отказы можно уподобить шарам, каждый из которых должен найти место в своей корзине [81]. Белые шары -явные опасные отказы - попадают в корзину с надписью "Руководство по летной эксплуатации - РЛЭ" и летный экипаж должен знать, как их парировать самостоятельно или с помощью бортовой автоматики. Черные шары неявные для экипажа отказы находят свое место в корзине "Программа ТО-иР". Они выявляются и устраняются при выполнении плановых видов ТОиР. Но есть еще серые шары — явные отказы, которые не препятствуют полету ВС. Их место в корзине "МПО" (в принципе, они могут быть переведены конструктором в разряд неявных с исключением средств сигнализации экипажу, если это удешевит конструкцию или эксплуатацию ВС).
Методы и средства повышения надежности вычислителей пилотажно-навигационных комплексов воздушных судов
Пилотажно-навигационный комплекс современного воздушного судна представляет собой большую систему, в которой можно выделить пилотажную и навигационную части, систему внешней связи и пилотажно-навигационные приборы. Центральным органом комплекса (ядром) являются бортовые вычислители аналогового или цифрового типа, входящие в состав пилотажной и навигационной частей. Существуют два принципиально различных подхода к построению высоконадежных БВ. Первый подход заключается в использовании исключительно надежных аппаратурных элементов и построении неизбыточного вычислителя. Разработка таких вычислителей, предполагая априорное исключение всех причин, приводящих к отказу, производится таким образом, чтобы понизить вероятность первого отказа в заданном интервале времени до достаточно низкого уровня.
Такой путь использовался при разработке первых БВ. Второй подход предполагает построение БВ с использованием избыточности. Характерной особенностью применения избыточности в ПНК ВС является то, что она позволяет улучшить все составляющие эффективности комплекса (точность, готовность, надежность) и, в конечном итоге, позволяет восстановить работоспособность [1-3,5,9,12-15,20,28,35,38,43,47,52, 57,77,78,87].
Наибольшее распространение в настоящее время находит аппаратурная (структурная) избыточность БВ (аппаратурное или структурное резервирование). Однако применение структурного резервирования связано со значительным увеличением веса, объема, занимаемого аппаратурой, стоимости и потребления энергии. Кроме того, при схемной реализации метод аппаратурного резервирования не является столь безукоризненным, как это следует из классических моделей надежности. Это объясняется: наличием в элементах двух типов отказов - установившихся и неустановившихся (сбоев), неидеальностью переключателя резерва; перераспределением нагрузки при отказах отдельных элементов. Поэтому внимание разработчиков ПНК в настоящее время все чаще обращается к другому виду избыточности - аналитической. Введение аналитической избыточности принципиально возможно применительно к аналоговым бортовым вычислителям (как правило, при использовании совместно с аппаратурной избыточностью - например, нена-груженный резерв при резервировании замещением). Однако наибольшее значение данное резервирование имеет для цифровых БВ и реализуется в виде алгоритмических и программных методов повышения надежности [56,67, 69,75,83].
Кроме указанных основных способов повышения надежности вычислителей, высказываются идеи их построения с использованием различных принципов изменения структуры вычислителей без восстановления отказавшего элемента, основанных на классических методах теории адаптации и самонастройки и специальных методах введения голономных связей [45,54, 86,88].
Рассмотрим кратко построение бортовых вычислителей, входящих в навигационный комплекс, и пилотажный комплекс, составляющие ПНК некоторых российских и зарубежных ВС.
Вычислительным устройством НК самолетов Ту-134 и Ту-154 является НВУ-БЗ. Оно предназначено для непрерывного автоматического счисления текущих частноортодромических координат самолета и выдачи сигналов для автоматического и полуавтоматического управления самолетом. Применительно к самолету Ту-154 определение координат производится по данным курсовой системы ТКС-П2.
Конструктивно аналоговый вычислитель НВУ-БЗ представляет собой совокупность индикаторных и счетно-решающих блоков, выполненных на типовых элементах аналоговой вычислительной техники. В данном БВ для повышения надежности его функционирования осуществляется аппаратурное резервирование на уровне отдельных функциональных блоков (блок импульсной раскладки В-36 и индикатор-задатчик координат В-52).
В состав НК российского широкофюзеляжного самолета Ил-86 входит БЦВМ "Орбита-20-86К", предназначенная для решения навигационных задач и выдачи управляющих сигналов в ПК на маршруте и предпосадочном маневрировании. С целью повышения надежности данного цифрового вычислителя в нем реализованы специальные алгоритмы, использующие временную избыточность, с помощью которых возможно осуществление контроля БЦВМ. Контроль БЦВМ ориентирован на выявление отказов в следующих функциональных устройствах машины: - устройстве управления и арифметики - путем выполнения примеров с заранее известным ответом; - ОЗУ — путем записи и считывания информации; - ПЗУ - путем суммирования информации и выборки эталонных констант; - УВВ - по контрольным каналам преобразователей, дающих фиксированные коды.
При нарушении работоспособности снимается интегральный сигнал "Готовность ЦВМ". Для защиты от сбоев при хранении программных параметров маршрута, записанных в оперативной памяти БЦВМ, организована специальная программа защиты, методология которой основана на принципе контрольного суммирования. При сбое информации в одной ячейке ОЗУ программа производит автоматический поиск и восстановление сбившейся информации.
Методика формирования цифровых корректирующих законов, уменьшающих влияние отказов на динамику ЦАС
Таким образом, необходимо построить цифровую систему управления, нечувствительную к отказам в ЦУМ в некотором диапазоне изменения коэффициента передачи вычислительной машины. Данная задача применительно к вариациям коэффициента усиления объекта для цифровых систем управления не является новой и возможные пути ее решения представлены в известных работах в области автоматического управления. Однако, получающиеся при этом самонастраивающиеся ЦАС являются сложными с точки зрения их реализации и, кроме того, различные алгоритмы самонастройки должны вычисляться в самой ЦУМ, функционирующей в условиях отказов. Аппаратурная реализация цепи настройки ввиду ее сложности весьма затруднительна.
В диссертационной работе предлагается синтезировать линейные цифровые корректирующие цепи, подключение которых способствует уменьшению влияния отказов на поведение автоматической системы. Для оценки влияния отказа ЦУМ на динамику замкнутой ЦАС определяется функция чувствительности и выходной величины Y (z) к изменению коэффициента передачи ЦУМ.
Так как при отказе отклонения А Кц и А Т являются конечными величинами, то полученные выражения приблизительно показывают их влияние на динамику НАС. Однако данная формальная запись удобна при дальнейшем синтезе корректирующих законов.
Известно, что для создания ЦАС, нечувствительной к изменению параметров системы, необходимо введение второй степени свободы в виде неединичной обратной связи Н (z) [23]. При этом после выбора Н (z) у системы остается еще одна степень свободы для получения заданной Ф (z).
Наиболее наглядно данная методика иллюстрируется на примере цифровых систем с максимальным быстродействием и нулевой установившейся ошибкой в дискретные моменты времени (минимальным временем установления), являющихся весьма чувствительными к изменению параметров [80,95].
Решение будем находить путем непосредственного перемножения полиномов в (3.7) и (3.8) и выбора дробно-рациональной функции такой, чтобы сократить A Y (z) до одного полинома возможно низшей степени. Подобная задача о сокращении полиномов решалась в [95].
Использование разработанной методики и найденных значений Н (z) и N (z) для системы с максимальным быстродействием и нулевой установившейся ошибкой в дискретные моменты времени рассмотрим на конкретном примере.
Значит, и ошибка A Y (z)min при выполнении условия (3.13) будет иметь такое же значение, как и при рассмотрении изменения коэффициента передачи Кц цифровой машины. Следовательно, корректирующие законы H(z) и N (z), найденные при выполнении условия (3.13), позволяют получить систему, малочувствительную к отказам в ЦУМ и к изменению постоянной времени объекта управления.
Коррекция с применением Н (z) и N (z) целесообразна в случае эксплуатации резервированной вычислительной системы при возникновении отказа в одном из каналов. На практике большое применение нашли троированные системы, построенные по мажоритарному принципу. Такой вид резервирования можно считать своеобразным видом контроля, так как при этом решается одна из задач контроля - увеличение достоверности функционирования цифровой машины. При эксплуатации такой троированной системы отказ одной из машин (одного из каналов) не вызовет останова в решении задачи, но достоверность функционирования при этом будет еще ниже, чем у ЦУМ без аппаратного контроля, так как вероятность появления сбоя у двух машин будет больше, чем у одной.
Н (z) и N (z) рассчитываются заранее применительно к основному закону управления D (z). Заранее также определяется величина А КцД0П.
Корректирующие алгоритмы Н (z) и N (z) могут быть реализованы аппаратурным либо программным путем. При отказе одного из каналов мажоритарной вычислительной системы, в которой реализуется исходный алгоритм D (z), происходит отключение отказавшего канала. К отказавшему каналу производится подключение Н (z) и N (z) и, если отказ привел к изменению Кц на величину А Кц А Кцдоп, то происходит восстановление работоспособности канала (оператору при этом может выдаваться соответствующая информация), и система сохраняет нормальную работоспособность. В случае, если при отказе канала А Кц А Кц доп, подключение корректирующих алгоритмов не приведет к восстановлению работоспособности канала. Н (z) и N (z) могут иметь и постоянное подключение к каждому каналу вычисления D (z).
Параметрический синтез цифрового закона управления автомата тяги
Применение в системах управления цифровых управляющих машин обуславливает погрешность выходной величины ЦУМ, определяемую следующими факторами [26]: - потерей информации вследствие дискретизации; — использованием численных методов для реализации алгоритма ре гулирования; - неидеальностью восстановления дискретных сигналов; — запаздыванием, вносимым управляющим устройством; - эффектом квантования информации по уровню.
Влияние перечисленных факторов (кроме последнего) можно рассматривать при сопоставлении характеристик линейной дискретной (импульсной) модели (рис. 4.5,а) и линейной непрерывной модели (рис. 4.5,6) систем управления. Наиболее удобным способом для этого, с учетом хорошо известных характеристик линейных непрерывных моделей-прототипов, является сопоставление выходных величин Уд и У„ моделей (рис. 4.6). Исследование погрешностей импульсной модели по сравнению с непрерывной моделью-прототипом и составляет содержание первого этапа выбора параметров ЦУМ.
Решение общей задачи параметрического синтеза в классе линейных импульсных моделей требует решения следующих частных задач: - выбора оценки соответствия моделей; - выбора синтезируемых параметров импульсной модели; - определения значений параметров ЦУМ по выбранной оценке и полученным моделям; - исследования влияния численных методов на степень приближения характеристик непрерывного и дискретного регуляторов и выбора методов, позволяющих получить наилучшее приближение.
Определение погрешности (Уд — Ун) (рис. 4.6) можно производить моделированием на компьютере. Такой путь требует многократных расчетов величины Уд (t) при разных входных воздействиях X (t), периодах дискретности Т0, запаздываниях т, численных методах. Такая процедура является трудоемкой. Поэтому существует необходимость аналитического исследования величины погрешности или величины некоторого функционала погрешности.
Для детерминированных воздействий X (t) может быть использована оценка (Гусев В.Г. Методы исследования точности цифровых автоматических систем /В.Г.Гусев. - М.: Наука, 1973. - 400 с): maxt[H(t,T0,x)-h(t)] s, (4.8) где Н (t, То, т ) - переходная функция импульсной модели; h (t) - переходная функция непрерывной модели-прототипа; є - параметр соответствия. Из условия эквивалентности моделей (рис. 4.5) и из условия х Т0, обычно выполняемого для точных систем, следует: 1 іm т0- о { max t [ H (t, To, т) - h (t) ]} = 0 . Это выражение устанавливает возможность достижения любого наперед заданного значения є в (4.8) соответствующим выбором параметров Т0, Однако непосредственное использование оценки (3.8) затруднительно по причине сложности отыскания ее численных значений. В связи с этим предлагается использовать приближенную оценку [73]: А ст = max t Н (t, Т0, т ) - max t h (t). (4.9) Покажем правомочность использования оценки (4.9) для рассматриваемого класса систем. С достаточной степенью достоверности справедливо: maxt[H(t,T0,T)-h(t)] = H(tbTo,x)-h(t1), (4.10) где ti - момент достижения максимума переходной функцией импульсной модели. Разность моментов времени достижения максимумов с переходными функциями непрерывной и импульсной модели обозначим t2 - ti . Ввиду малости (t2 - ti) и с учетом (4.10) справедливо maxt[H(t,To,T)-h(t)] = H(tbTo,T)-h(t1) = H(tbTo,T)-h(t2) - h (t2) (t2 -1,) - h" (t2) &Zll- . - h(n) (t2) t2Zll L_ ... (ряд Тэйлора). 2! n! Так как h (t2) = 0, то последнее выражение перепишем в виде max t [ Н (t, То, т ) - h (t) ] = max t Н (t, Т0 т ) - max t h (t) - C,, (4.11) где Q - величина второго порядка малости относительно (t2 - ti).
Выражение (4.11) свидетельствует о возможности замены точной оценки (4.8) приближенной (4.9) для рассматриваемого класса систем, имеющих одну и ту же переходную функцию h (t) для широкого спектра параметров неизменяемой части. Преимуществами оценки (4.9) по сравнению с известными являются: — простота определения на физических и математических моделях; - ясный физический смысл; " - тесная связь со специфическими особенностями цифровых систем [11]. Оценка (4.9) предполагает возможность выбора параметров Т0, т из условия ограничения дополнительной динамической ошибки, обусловленной дискретизацией, на заданном уровне. Реализация предлагаемого подхода к синтезу параметров ЦУМ производится далее применительно к синтезу цифрового закона вычислителя автомата тяги.
