Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Міністерство освіти і науки України
Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського
“Харківський авіаційний інститут”
ФІРСОВ Сергій Миколайович
УДК 629.7.062:681.518.2
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ АКТИВНОЇ ВІДМОВОСТІЙКОСТІ ПНЕВМАТИЧНОГО СЕРВОПРИВОДА БЕЗПІЛОТНОГО ЛІТАЛЬНОГО АПАРАТУ
05.13. 03 –системи та процеси керування
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Національному аерокосмічному університеті
ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерство освіти і науки України
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, лауреат Державної премії України
Кулік Анатолій Степанович, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, завідуючий кафедрою систем управління літальних апаратів.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, лауреат Державної премії України Любчик Леонід Михайлович, Національний технічний університет „Харківський політехнічний інститут”, завідуючий кафедрою комп’ютерної математики та математичного моделювання;
кандидат технічних наук Остроумов
Борис Володимирович, ВО „Комунар” Наукове-технічне спеціальне конструкторське бюро „Полісвіт”, начальник відділу.
Провідна установа
Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, кафедра приладів систем управління літальними апаратами, Міністерство освіти і науки України, м. Київ.
Захист відбудеться “21” січня 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.01 у Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17, радіотехнічний корпус, ауд. 232.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” (61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17)
Автореферат розіслано “9” грудня 2004 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Латкін М.О.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Аналіз світових тенденцій розвитку безпілотної авіаційної техніки свідчить про посилення вимог до забезпечення її безпеки не тільки шляхом покращення льотно-технічних характеристик безпілотних літальних апаратів (БПЛА), а також через забезпечення та зростання польотного ресурсу шляхом удосконалення інтелекту бортових систем автоматичного управління (САУ).
Збільшення ресурсу систем автоматичного управління безпілотних апаратів є однією з ключових задач при проектуванні, розробці й експлуатації БПЛА, необхідність вирішення якої зумовлена розбіжністю міжремонтних ресурсів планера безпілотного літака та його функціональних елементів. В той час, як міжремонтний ресурс планера БПЛА складає близько 1000 годин, а міжремонтний ресурс двигуна –годин, міжремонтний ресурс САУ не перевищує 100 годин польоту. Зазначена невідповідність призводить до багаторазового переустановлення елементів авіоніки з невиробленим міжремонтним ресурсом, підвищення затрат експлуатаційного обслуговування, зростання вартісних показників безпілотного апарата та зниження показників ефективності його використання.
Недостатній міжремонтний ресурс САУ БПЛА більшою мірою визначається мінімальним міжремонтним ресурсом пневматичного сервопривода (ПСП), що є невід’ємним елементом системи управління, який відхиляє аеродинамічні поверхні БПЛА на заданий кут і визначає безпеку польоту безпілотного апарата (за результатами досліджень причин аварій БПЛА за останнє десятиліття несправність функціональних елементів бортових САУ, в тому числі і ПСП, призводить до катастрофи безпілотних апаратів у 25% усіх випадків аварійних ситуацій).
В існуючій системі планово-попереджувальних ремонтів САУ, застосовуваній в практиці обслуговування авіаційної техніки, відсутні зіставлення ресурсу систем управління з ресурсом планера БПЛА, що не дозволяє усунути протиріччя між величинами міжремонтних ресурсів ПСП і планера БПЛА. В системах обслуговування за технічним станом, що використовують на деяких безпілотних апаратах і реалізують гнучкий облік міжремонтного ресурсу САУ, відсутні засоби парирування відмов ПСП, які виникають безпосередньо в польоті БПЛА в режимі реального часу. Застосування традиційних методів і підходів збільшення ресурсу ПСП, пов’язаних з його резервуванням, призводять до збільшення маси конструкції, а також сприяють підвищенню енергетичних і вартісних показників БПЛА, що зменшує його конкурентоспроможність на сучасному ринку авіаційних розробок. Отже, за сформованих умов проектування, виробництва й експлуатації безпілотних апаратів виникає необхідність у розробці інтелектуальних засобів, які підвищують ресурс ПСП із використанням сучасних досягнень в області відмовостійких систем управління, а саме –у забезпеченні активної відмовостійкості пневматичного сервопривода, що дозволяє зберігати його повну або часткову працездатність у випадку відмови елементів під час польоту безпілотного апарата у режимі реального часу.
Результати вирішення задач, пов'язаних із розробкою САУ, стійких до відмов, описані в наукових працях закордонних і вітчизняних дослідників: Р. Ізермана, Р. Кларка, Л.О. Мироновського, П.П. Пархоменка –в області діагностування і відновлення працездатності систем управління; А.А. Красовського, Ф.Ф. Пащенка, Б.М. Петрова –в області інтелектуального управління технічними системами; А.С. Куліка, Д.В. Лебедєва, В.Ю. Рутковського в області розробки методів та інструментальних засобів забезпечення активної відмовостійкості САУ. Як показує аналіз робіт за тематикою дисертаційного дослідження, запропоновані методи підвищення безпеки систем автоматичного управління не відображають динаміки процесів управління ПСП, не враховують можливості оперативного діагностування із заданою глибиною, а також гнучкого відновлення його працездатності в аварійному стані. Невирішеними залишаються також задачі, пов'язані з формалізацією процесу відновлення працездатності ПСП у режимі реального часу.
Саме тому задача забезпечення пневматичного сервопривода БПЛА властивістю активної відмовостійкості, що дозволяє подовжити міжремонтний ресурс системи управління, а отже, підвищити комплексні показники ефективності експлуатації БПЛА, з використанням методів технічного діагностування та гнучкого відновлення працездатності в режимі реального часу, є актуальною і має важливе науково-практичне значення.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі систем управління літальних апаратів Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” у 1999-2003 рр. у рамках державної науково-технічної програми №7 “Перспективні інформаційні технології, пристрої комплексної автоматизації, системи зв'язку” ДКНТПП України (Постанова Верховної Ради України 2705-хіі від 16.10. 92 р. “Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки”) відповідно до плану науково-дослідних робіт з держбюджетної теми Г301-30/00 “Теоретичні основи синтезу і математичне моделювання інтелектуальних систем управління аерокосмічними об'єктами при наявності збурень” (ДР № 0100U002191) і договором про науково-технічне співробітництво за темою “Розробка номінальних моделей режимів польоту літака Ан-140 і робастних алгоритмів управління в каналі крену”(НТ СКБ “Полісвіт”ВО “Комунар”, м. Харків, №301-13/2001), що входить у проект Державної програми розвитку авіаційної промисловості України до 2010 р., розділ 2 “Робочі математичні моделі функціональних елементів цифрової системи автоматичного управління літака Ан-140”з терміном виконання 2001-2006 рр. (затверджено постановою Кабінету Міністрів України від 12.12.2001). Особистий внесок автора в межах зазначених робіт містить у собі розроблені математичні моделі номінального й аварійного режимів функціонування сервоприводів, а також моделі, алгоритми й інструментальні засоби діагностування та відновлення працездатності сервоприводів БПЛА в режимі реального часу.
Мета і задачі дисертаційного дослідження. Основною метою даної роботи є збільшення міжремонтного ресурсу системи автоматичного управління безпілотного літального апарата шляхом забезпечення активної відмовостійкості пневматичного сервопривода. Відповідно до поставленої мети було визначено такі задачі дисертаційного дослідження:
Об'єкт дослідження –процеси управління аварійним пневматичним сервоприводом безпілотного літального апарата.
Предмет дослідження –методи і засоби відмовостійкого управління пневматичним сервоприводом безпілотного літального апарата.
Методи досліджень. У дисертаційній роботі використано методи теорії автоматичного управління при формуванні номінальних і аварійних законів та алгоритмів управління; методи системного аналізу при дослідженні ПСП як об'єкта діагностування; методи математичного моделювання, технічного діагностування і оптимального управління при розробці діагностичних моделей ПСП і засобів відновлення працездатності, а також при формуванні процедур класифікації видів відмов.
Наукова новизна одержаних результатів:
Практичне значення одержаних результатів. Використання моделей, алгоритмів й інструментальних засобів глибокого діагностування та гнучкого відновлення працездатності пневматичного сервоприводу, розроблених у результаті дисертаційних досліджень, дозволяє збільшити міжремонтний ресурс систем автоматичного управління БПЛА на 50%, а також підвищити комплексний показник якості відмовостійкого аварійного ПСП, що містить у собі показники точності, швидкодії, стійкості, коливання, перерегулювання, в середньому в 3,5 раза в порівнянні з комплексним показником якості аварійного ПСП без властивості відмовостійкості, що дозволяє зробити висновок про необхідність використання відмовостійкого ПСП для підвищення безпеки польотів БПЛА і ефективності виконання його цільових задач. За результатами дисертаційного дослідження одержано три деклараційних патента: №2287 “Потенціометричний перетворювач” (Україна, МКІ G 01 R 17/20); №69128 “Слідкуючий електрогідравлічний привід” (Україна, МКІ F 15 B 9/14); №69223 “Слідкуючий електрогідравлічний привід” (Україна, МКІ F 15 B 9/03).
Розроблений апаратно-програмний комплекс відмовостійкого ПСП БПЛА, що дозволяє досліджувати його динаміку в різних режимах функціонування, а також за наявності різних видів внутрішніх відмов і зовнішніх збурень, впроваджено в Науково-дослідному інституті проблем фізичного моделювання режимів польотів літаків для налагодження алгоритмів глибокого діагностування та гнучкого відновлення працездатності реального ПСП згідно з договором про науково-технічне співробітництво №12/2003 “Розробка математичних та інструментальних засобів забезпечення відмовостійкості пневматичного сервопривода безпілотного літального апарата” в рамках теми ГНДІПФМ-34/03 “Наукові основи створення та моделювання нового покоління відмовостійких і високоефективних над малогабаритних літальних апаратів” (НДІПФМ, м. Харків, ДР №0103U005074), що відображено в акті впровадження.
Використання результатів дисертаційного дослідження в навчальному та науковому процесах Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”також підтверджено відповідними актами впровадження.
Особистий внесок здобувача. В опублікованих працях особисто здобувачу належать такі результати: розроблено математичні моделі номінального й аварійного режимів функціонування ПСП за наявності відмов [1]; сформовано алгоритми визначення відмови в ПСП [2], пошук місця відмови [3], визначення класу [4] і виду відмов [5]; сформовано ієрархію діагностичних моделей ПСП [6]; розроблено процедуру замкнутого діагностування ПСП із використанням сигнально-параметричного підходу, а також процедуру визначення належності відмови ПСП множині внутрішніх відмов або множині зовнішніх збурень [7]; сформовано алгоритми гнучкого відновлення [8], а також інструментальні засоби відновлення працездатності ПСП [9,10]; розроблено апаратно-програмний комплексу ПСП з активною відмовостійкістю, що відображає динаміку впливу відмов на його працездатність [11], а також результати експериментального визначення видів відмов у ПСП [12]; забезпечено активну відмовостійкiсть потенціометричного перетворювача [13] та використання сигнально-параметричного підходу для діагностування технічного стану слідкувальних електрогідравлічних приводів [14,15].
Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційних досліджень були викладені й обговорювалися на семінарах кафедри систем управління літальних апаратів і конференціях факультету систем управління літальних апаратів Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”. Деякі аспекти й основні результати дисертаційної роботи доповідалися на таких науково-технічних конференціях: Міжнародній науково-технічній конференції “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні”, м. Харків, 2001 р.; VI Міжнародній науково-технічній конференції “Контроль і управління в складних системах”, м. Вінниця, 2001 р.; IX Українській конференції з автоматичного управління “Автоматика-2002”, м. Одеса, 2002 р.; Міжнародній науково-технічній конференції “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні”, м. Харків, 2002 р.; XI Міжнародній науково-технічній конференції “Нові технології в машинобудуванні”, Рибаче –Харків, 2002 р.; XII Міжнародній науково-технічній конференції “Нові технології в машинобудуванні”, Рибаче –Харків, 2003 р.; Міжнародній науково-технічній конференції “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні”, м. Харків, 2003 р.
Публікації. За темою дисертації опубліковано 15 робіт: сім статей у збірниках наукових праць, які включені до переліку видань ВАК України; п’ять тез в збірках праць міжнародних наукових конференцій; три деклараційних патенти.
Структура і обсяг роботи. Дисертація містить: вступ, п’ять розділів, висновки і додатки. Повний обсяг дисертації складає: 223 сторінки, у тому числі 65 рисунків на 28 окремих сторінках, 13 таблиць на 6 сторінках, бібліографія з 133 найменувань на 14 сторінках та два додатки на 26 сторінках.
Основний зміст роботи
Вступ дисертаційної роботи включає в себе ключову інформацію про зміст дисертаційної роботи, розкриває актуальність вибраної теми, зв'язок роботи з іншими науковими програмами, планами і темами, відображає основну мету і задачі дисертаційного дослідження, а також об’єкт, предмет і методи досліджень, розкриває наукову новизну одержаних результатів та їхнє наукове й практичне значення; містить відомості про апробацію та публікації основних результатів дисертаційного дослідження.
У першому розділі дисертаційної роботи проаналізовано існуючі підходи та методи збільшення міжремонтного ресурсу САУ БПЛА, доведено недостатню ефективність їх використання для підвищення ресурсу систем управління безпілотних апаратів, а також розглянуто можливості реалізації перспективного системного підходу для збільшення міжремонтного ресурсу ПСП, що є найважливішим елементом системи автоматичного управління БПЛА, який визначає ресурс систем управління БПЛА, шляхом забезпечення його активної відмовостійкості .
В результаті систематизації методів забезпечення відмовостійкості систем управління визначено неможливість застосування традиційних методів резервування та реконфігурації алгоритмів управління для збільшення міжремонтного ресурсу САУ через зростання масогабаритних характеристик БПЛА та підвищення його енергетичних й економічних показників. Крім того, обмеженість існуючих методів технічного діагностування полягає у неможливості їхньої реалізації під час польоту БПЛА та неспроможності діагностування ПСП із заданою глибиною і подальшого відновлення працездатності сервопривода БПЛА. Виходячи з проведеного аналізу стану розробок із забезпечення відмовостійкості САУ зроблено висновок про актуальність забезпечення пневматичного сервопривода БПЛА властивістю активної відмовостійкості з використанням системного підходу, основаного на глибокому діагностуванні технічного стану сервопривода і його гнучкому відновленні із заданою глибиною в режимі реального часу, що дозволяє зберігати повну або часткову працездатність ПСП за наявності відмови. Для досягнення мети дисертаційного дослідження визначені та структуровано задачі, що відображають послідовність розробки забезпечення активної відмовостійкості пневматичного сервопривода безпілотного літального апарата.
Другий розділ присвячено дослідженню пневматичного сервопривода БПЛА як об'єкта діагностування. Він містить у собі опис моделей номінального й аварійного режимів функціонування ПСП, побудову ієрархії діагностичних моделей і оцінку здатності до структурного та сигнального діагностування функціональних діагностичних моделей (ФДМ) на кожному рівні ієрархії.
Для одержання математичної моделі номінального функціонування ПСП, досліджуваного в даній роботі, визначено його узагальнену функціональну схему (рис.1), що складається із суматора (СМ), підсилювача потужності (ПП), рульової машинки (РМ) і двох потенціометрів зворотного зв'язку (П, П).
Рис.1. Узагальнена функціональна схема пневматичного сервопривода
За результатами дослідження статичних і динамічних характеристик ПСП і його функціональних елементів сформовано математичну модель номінального функціонування сервопривода в дискретному вигляді:
(1)
,
де sat[…]–функція, значення якої описується таким рівнянням: ; –межі висування штока; –мінімальне та максимальне значення швидкості штока ПСП; –змінні стану, що визначають відповідно положення штока ПСП і швидкість його висування в к-й момент часу; –змінні стану, що визначають відповідно положення штока ПСП і швидкість його висування в (k+1)-й момент часу; , і –коефіцієнти передачі СМ відповідно по входах , і ; –загальний коефіцієнт передачі СМ; –коефіцієнт підсилення ПП; , , –коефіцієнти передачі потенціометрів зворотного зв'язку П, П і РМ відповідно; –крок квантування; –часова стала РМ; , , –поточні значення напруги на задавальному пристрої, потенціометрах зворотного зв’язку П і П відповідно; - максимально можлива величина управління.
Точність опису номінального функціонування ПСП у просторі станів у дискретному вигляді залежить від кроку квантування . Для обмеження зверху застосовано теорему Котельникова-Шеннона, для обмеження знизу використано умову стійкості рекурентної процедури. З урахуванням зазначених обмежень одержано значення кроку квантування, що дорівнює .
При побудові математичних моделей аварійного функціонування ПСП і його функціональних елементів сформовано множини фізичних видів відмов, що виникають у сервоприводі БПЛА:
, (2)
де , , , , –множини видів відмов СМ, ПП, РМ, П і П відповідно.
У результаті дослідження ПСП та його елементів за множиною видів відмов (2) визначено прямі діагностичні ознаки для кожної основної задачі діагностування, а саме: –для задач визначення класу відмови, –для задач пошуку місця відмови, –для задач визначення відмови. На основі одержаних параметрів відмови збурений рух ПСП подано у такому вигляді:
(3)
де –змінні стану, що визначають положення штока ПСП і швидкість його висування в к-й момент часу з урахуванням впливу видів відмов; –змінні стану, що визначають положення штока ПСП і швидкість його висування в (k+1)-й момент з урахуванням впливу видів відмов.
Математичним забезпеченням діагностування ПСП є функціональні діагностичні моделі, що пов'язують прямі та непрямі ознаки відмов для задач визначення наявності відмови, пошуку її місця, а також установлення класу і виду відмови. Етап побудови ФДМ є основою для формування умов здатності до діагностування ПСП. Вибір типу ФДМ залежить від виду вирішуваної задачі й обмежень, що накладаються на часові, кількісні й якісні характеристики процесу діагностування. Для ПСП БПЛА перевага віддається ФДМ із довільною динамікою, які називаються ML-моделями. Опис ML-моделі, що пов'язує прямі ознаки відмови з його непрямими ознаками в просторі стану, має такий вигляд:
(4)
де , , –частинні похідні матриць стану, управління і виходу за узагальненим діагностичним параметром ; –матриця, власні числа якої визначають динаміку ML-моделі; –вектор змінних стану, одержаний на виході еталонної моделі, роль якої виконує спостерігач Люенбергера; –власні значення матриці , вибрані на основі нерівності .
Таким чином, для кожної задачі діагностування побудовані відповідні ФДМ, об'єднані в ієрархію діагностичних моделей, нижній рівень якої займають ФДМ для визначення виду відмови, а верхній рівень –ФДМ для безпосереднього виявлення відмови в ПСП БПЛА. На основі розроблених ФДМ зроблено оцінку здатності до сигнального та структурного діагностування ПСП щодо визначення в ньому відмови, пошуку її місця, встановлення класу і виду відмови, що дозволяє одержати додаткові умови, які забезпечують здатність до повного діагностування ПСП за всією множиною видів відмов при вирішенні задач діагностування.
Третій розділ присвячено розробці інструментальних засобів діагностичного забезпечення ПСП БПЛА і містить у собі розробку алгоритмів виявлення відмови ПСП, пошуку місця відмови, визначення класу та виду відмови, а також розробку процедури класифікації відмов у ПСП. Вхідними даними при розробці інструментальних засобів діагностування ПСП є результати дослідження ПСП як об'єкта діагностування, а саме: ієрархія ФДМ, множина вихідних сигналів і вимоги до вхідних сигналів, що забезпечують здатність до повного діагностування ПСП при вирішенні задач діагностування.
Визначення відмови. З урахуванням того, що ПСП є системою з одним входом і одним виходом, сформульовано основні задачі виявлення відмов у ПСП: формування діапазону припустимих змін показників якості; розробка класифікаційних процедур обробки непрямих діагностичних ознак відмов, що дозволяють установити факти появи і наявності відмов.
При формуванні діапазону припустимих змін показників якості у рамках розглянутого сигнально-параметричного підходу застосовують метод із використанням показників якості у формі такого функціонала:
, (5)
де –значення показника якості; –різницевий сигнал між виходом ПСП та еталонною моделлю; N –кількість вимірів.
Визначення допусків на величину відхилення вихідного сигналу ПСП () здійснюють на основі припустимого відхилення параметра, зміна якого характеризує наявність відмови в ПСП та обчислюють з використанням виразу
, (6)
де –функція чутливості непрямої діагностичної ознаки до прямої діагностичної ознаки .
На основі відомих значень допусків на прямий діагностичний параметр () і функції чутливості до цієї ознаки з використанням рівняння (6) визначено нижню та верхню межу припустимих змін непрямої ознаки, які формують значення поля допуску для показника якості функціонування ПСП:
, (7)
де –діапазон зміни показника якості функціонування ПСП; –нижня межа зміни показника якості функціонування ПСП; –верхня межа зміни показника якості функціонування ПСП.
Оскільки на даному рівні діагностичного забезпечення встановлюється лише факт появи відмови, то при класифікаційній обробці непрямих діагностичних ознак відмов використовується предикатне рівняння в шкалі порядків
, (8)
де –символ - кон’юнкції.
При у ПСП відсутня відмова, при у ПСП відмова присутня.
Визначення місця відмови. ПСП містить у собі п'ять функціональних елементів (рис.1), отже, множина місць відмов дорівнює п'яти і кількість прямих діагностичних параметрів складає п'ять елементів: . На основі аналізу здатності до діагностування ПСП щодо множини місць виникнення відмови визначена множина непрямих діагностичних ознак місць відмов, що складається з чотирьох елементів: . Розробка конструктивної машинно-орієнтованої процедури пошуку місця відмови в ПСП пов'язана з вирішенням таких основних задач: вибір сукупності інформаційних непрямих ознак для однозначної характеристики місць відмов ПСП; одержання оптимальної сукупності класифікаційних ознак; формування ефективних правил пошуку місця відмови (ППМ).
Розв’язання першої задачі полягає в побудові TLR-моделі, тобто в переході від шкали відносин у шкалу найменувань за допомогою предикатного рівняння
(9)
де –відхилення j-ї непрямої діагностичної ознаки місця відмови при зміні i-ї прямої діагностичної ознаки місця відмови.
Результат вирішення першої задачі –TLR-модель, яка є таблицею, що містить в собі п’ять строк, в яких розташовані прямі діагностичні ознаки місць відмови (), та п’ять стовпчиків, що включають у себе непрямі діагностичні ознаки місця відмови (). Значення додаткової непрямої діагностичної ознаки визначається рівнянням , де –допустимі межі відхилення вихідних сигналів першого та другого потенціометрів зворотного зв’язку, визначені виразом (5). Значення елементів TLR-моделі одержують за допомогою рівняння (9).
При вирішенні другої задачі пошуку місця відмови на основі отриманої TLR-моделі ПСП одержано мінімальну сукупність непрямих діагностичних ознак, що містить у собі п’ять елементів , які забезпечують попарне розрізнення місць відмов. Розв’язання третьої задачі містить у собі одержання безумовного правила пошуку місця відмови сервопривода, що являє собою дихотомічне дерево пошуку місця відмови в ПСП, у вузлах якого розташовані предикатні рівняння в шкалі предикатів, сформовані для кожного місця за тими ж правилами, що і для задачі визначення відмов в ПСП.
Встановлення класу відмови. Задача визначення класів відмов полягає у виборі такої сукупності непрямих діагностичних ознак, використання яких дозволяє побудувати правила, що однозначно виявляють клас відмов із заданої множини.
Результатом вирішення задачі встановлення класу відмови є побудована оптимальна канонічна таблиця логічної моделі TLK-моделі, яка забезпечує однозначний зв'язок непрямих ознак yν з ім'ям класу відмови, що викликала порушення працездатності ν-го функціонального елемента ПСП. У результаті розв’язання другої задачі одержано правило визначення класу відмови (ПВК) у функціональних елементах ПСП у вигляді дихотомічних дерев, у вузлах яких розміщені непрямі ознаки класів відмов, що описуються двозначними предикатами (8), сформованими для кожного класу відмови відповідного функціонального елемента ПСП за тими же правилами, що і для задачі визначення відмови та встановлення місця відмови в ПСП.
Визначення виду відмови. Задача визначення виду відмови складається з таких взаємозалежних задач: одержання оцінних значень прямих ознак відмови ; створення TL-моделі видів відмови; формування ознакового простору видів відмови; побудова правил визначення видів відмови.
На основі умови квазістаціонарності значення одержують із відповідних ДФМ, що цілком діагностуються, класів відмови конструктивних елементів з використанням рівняння
. (10)
Подальше вирішення задачі визначення виду відмови аналогічне до вирішення задач визначення відмови, пошуку її місця та встановлення класу.
В результаті розробки діагностичного забезпечення ПСП сформовано дихотомічне дерево визначення виду відмови, у вузлах якого знаходяться двозначні предикатні рівняння.
Процедура класифікації відмов. У процесі експлуатації ПСП крім виникнення в ньому внутрішніх збурень (відмов) можлива також і поява зовнішніх збурень (навколишнє середовище, сили тертя і т.д.), що викликають неузгодженість виходів об'єкта й моделі. Для реалізації алгоритмів діагностування ПСП необхідно розділити множину збурень, що діють на ПСП, на підмножину внутрішніх збурень DПСП і підмножину зовнішніх збурень f, викликаних впливом середовища. Оскільки величина потужності, що генерується пневматичним двигуном, не залежить від величини збурення, а визначається лише внутрішніми параметрами РМ, декомпозиція множини збурених станів на підмножини відмов ПСП і зовнішніх збурень здійснюється на основі такого предикатного рівняння:
(11)
де –номінальне значення показника якості, зумовлене точністю визначення швидкості висування штока і припустимою зміною величини тиску в магістралі сервопривода; –дійсне значення показника якості, де –дійсне та оцінене значення швидкості штоку РМ.
Розроблена класифікаційна процедура є невід’ємним елементом процесу діагностування ПСП із заданою глибиною, що дозволяє визначити належність збуреного стану ПСП множині станів, викликаних наявністю відмови безпосередньо в елементах сервопривода, і множині станів, що визначаються впливом зовнішнього середовища.
У четвертому розділі наведено результати вирішення дисертаційної задачі забезпечення гнучкого відновлення працездатності ПСП, що містить у собі декомпозицію множини видів відмов, парируваних сигнальним і параметричним підстроюванням і парируваних реконфігурацією апаратури і алгоритмів управління; визначення припустимих меж відхилення параметрів, які забезпечують компенсування відмови; розробку моделей гнучкого відновлення працездатності ПСП; побудову продукційної моделі бази даних і формування алгоритмів гнучкого відновлення працездатності ПСП.
Вхідними даними для розробки інструментальних засобів відновлення працездатності ПСП є результати діагностування сервопривода. Аналіз досліджуваного в дисертації ПСП показав, що для відновлення його працездатності можливе використання чотирьох засобів: сигнального та параметричного підстроювання ПСП і реконфігурації апаратури й алгоритмів управління (рис.2)
, (12)
де е , е, е, е – сигнальне та параметричне підстроювання, реконфігурація апаратури і алгоритмів управління відповідно.
Рис. 2. Узагальнена схема ПСП з активною відмовостійкістю
Класифікацію відмов ПСП на парирувані та непарирувані сигнальним підстроюванням здійснюють за допомогою таких сформульованих визначень:
Визначення 4.1. Множина видів відмов didпсп компенсується в малому підстроюванням, якщо ранг складеної матриці управління Q дорівнює порядку системи (rang(Q)=n).
, (13)
де Q –складена матриця управління; n –порядок системи (для досліджуваного в дисертації ПСП n=2).
Для виконання достатньої умови парирування необхідно, щоб при компенсації відмови ПСП виконувалися умови:
, (14)
, (15)
де –час, що затрачується на відновлення працездатності ПСП; –час перехідного процесу ПСП; –додатковий керуючий вплив, який парирує відмови, що виникають.
Визначення 4.2. Множина видів відмов diDПСП, що компенсується множиною засобів відновлення eiE, називається парируваною цією множиною, якщо на відновлення затрачається час і додаткове управління .
За допомогою сформульованих визначень одержано діапазони зміни класів відмов, що забезпечують компенсацію відмови застосуванням сигнального та параметричного підстроювання ПСП.
Оскільки у досліджуваному ПСП використовуються два потенціометри зворотного зв'язку (П і П), релейний підсилювач потужності (РПП) і мікропроцесорна система (МПС), кількість елементів множини видів відмов ПСП, парируваних реконфігурацією апаратури, дорівнює чотирьом (рис. 2). Для забезпечення активної відмовостійкості ПСП необхідно сформувати додатковий керуючий вплив ( ), що парирує виниклу відмову.
У результаті представлення параметричних збурень ПСП відповідними еквівалентними початковими умовами одержано рівняння динаміки відхилення виходу ПСП від номінального стану:
, (16)
де –множина точок однозв'язної кінцевої області простору стану ПСП, що містить у собі початок координат і його кінцевий окіл.
Алгоритм сигнального та параметричного підстроювання формується за допомогою математичного апарату функцій Ляпунова. Особливість методу відновлення працездатності ПСП реконфігурацією апаратури полягає у використанні лише справного функціонального елемента, у той час як непрацездатний елемент виключається з контуру управління. Для реалізації сценаріїв відновлення працездатності ПСП розроблено продукційну модель бази знань, в основі конструкції якої використовують дихотомічні дерева. Ознаки у вузлах формують з використанням предикатних рівнянь, що відображають належність відмови до парируваної чи непарируваної множини відмов.
У п'ятому розділі наведено результати експериментального дослідження відмовостійкого ПСП. Для проведення експериментальних досліджень розроблено програмно-апаратний комплекс, що дозволяє імітувати реальні умови функціонування ПСП, а саме: вводити множину відмов у ПСП, діагностувати відмови із заданою глибиною і гнучко відновлювати працездатність ПСП із використанням наявних засобів відновлення в режимі реального часу. Результати експериментального дослідження ПСП з активною відмовостійкістю, що містять у собі діагностування і відновлення СМ, ПП, РМ за наявності дрейфів і зміни коефіцієнтів передачі, а також діагностування та відновлення П і П при дрейфах, обривах сигнального проводу і проводів постачання напруги, підтверджують результати теоретичних досліджень дисертаційної роботи, адекватність розроблених математичних моделей номінального й аварійного режимів функціонування ПСП, а також працездатність алгоритмів глибокого діагностування і гнучкого відновлення ПСП у режимі реального часу.
В результаті оцінки ефективності використання відмовостійкого ПСП для збільшення міжремонтного ресурсу САУ БПЛА з використанням комплексних показників якості технічних систем визначено, що наявність властивості відмовостійкості в ПСП дозволяє підвищити ресурс САУ в середньому на 50%. Порівняння значень комплексних показників якості класичного ПСП (J=0,267) та аварійного ПСП із властивістю активної відмовостійкості (J=0,9696) показує, що комплексний показник якості відмовостійкого ПСП у середньому в 3,5 раза вищий, ніж аналогічний показник класичного ПСП БПЛА.
Основні результати й висновки.
Основні результати дисертації опубліковано в таких роботах:
АНОТАЦІЯ
Фірсов С.М. Забезпечення активної відмовостійкості пневматичного сервоприводу безпілотного літального апарата. –Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.03 –системи та процеси керування. –Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України, Харків, 2004.
Дисертаційне дослідження проведено з метою збільшення міжремонтного ресурсу систем автоматичного управління БПЛА шляхом забезпечення активної відмовостійкості пневматичного сервопривода, який є одним із найважливіших функціональних елементів САУ БПЛА, що визначає його працездатність. В результаті дослідження ПСП як об’єкта діагностування та розроблених математичних моделей номінального і аварійного режимів функціонування ПСП створено функціональні діагностичні моделі, які сформовано в ієрархію діагностичних моделей, що дозволяють діагностувати ПСП із заданою глибиною до виду відмови. Наведено результати розробки класифікаційної процедури, яка визначає належність виду збурення ПСП до внутрішньої відмови або зовнішнього збурення. З використанням сигнально-параметричного підходу розроблено моделі, алгоритми й інструментальні засоби відновлення працездатності ПСП, а також підхід, що однозначно дозволяє визначити компенсування відмови. Розроблено апаратно-програмний комплекс для дослідження відмовостійкого ПСП, що дозволяє вводити види відмов у ПСП, діагностувати їх з глибиною до виду відмови та відбивати їх у режимі реального часу наявними засобами відновлення.
Ключові слова: активна відмовостійкість, пневматичний сервопривод, діагностичне забезпечення, забезпечення гнучкого відновлення працездатності.
АННОТАЦИЯ
Фирсов С.Н. Обеспечение активной отказоустойчивости пневматического сервопривода беспилотного летательного аппарата. –Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.03 –системы и процессы управления. –Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”Министерства образования и науки Украины, Харьков, 2003.
Традиционные методы увеличения ресурса САУ БПЛА, применяемые в процессе его проектирования, производства и эксплуатации, не могут быть использованы при возникновении аварийных ситуаций на борту БПЛА в режиме реального времени, а также являются недостаточно эффективными вследствие увеличения энергетических и стоимостных показателей БПЛА.
Диссертационное исследование проведено в целях увеличения межремонтного ресурса САУ БПЛА путем обеспечения активной отказоустойчивости пневматического сервопривода.
В результате исследования ПСП, как объекта диагностирования, разработаны математические модели номинального и аварийного функционирования сервопривода БПЛА. С использованием полученных моделей разработаны функциональные диагностические модели, сформированные в иерархию ФДМ, позволяющие решать задачи глубокого диагностирования ПСП БПЛА: определение отказа, установление его места, класса и вида. Особенность иерархии ФДМ определяется связью прямых и косвенных признаков видов отказов, построенных в виде дискретных уравнений, что позволяет аналитически решать задачи диагностирования. На основе иерархии ФДМ получено алгоритмическое обеспечение диагностирования ПСП до вида отказа, представленное в виде дихотомических деревьев с предикатными уравнениями в узлах, формируемых исходя из иерархии ФДМ посредством аналитического решения обратной задачи, что позволяет осуществлять оперативное диагностирование с глубиной до вида отказа. Для классификации возмущенного состояния ПСП разработана классификационная процедура, определяющая принадлежность возмущенного состояния ПСП множеству возмущенных состояний, вызванных наличием отказа в функциональных элементах сервопривода, или множеству возмущенных состояний, вызванных влиянием внешней среды.
Для гибкого восстановления работоспособности ПСП определены возможные средства восстановления его работоспособности, включающие в себя сигнальную подстройку сервопривода, а также реконфигурацию его функциональных элементов. Разработан подход, позволяющий декомпозировать множество отказов, возникающих в ПСП, на подмножества непарируемых и парируемых отказов имеющимися средствами восстановления работоспособности сервопривода. Путем решения прямой задачи оптимального управления по быстродействию получены диапазоны значений параметров ПСП, характеризующих множество компенсируемых отказов, для которых выполняются условия полной компенсируемости сигнальной подстройкой и реконфигурацией аппаратуры, что позволяет однозначно определять компенсируемость отказа. Разработана продукционная модель базы знаний восстановления работоспособности ПСП сигнальной подстройкой и реконфигурацией аппаратуры, особенностью которой является использование предикатных уравнений в узлах дихотомического дерева.
Для экспериментального исследования отказоустойчивого ПСП разработан аппаратно-программный комплекс, позволяющий вводить виды отказов из выбранного множества, диагностировать ПСП с заданной глубиной и восстанавливать его работоспособность имеющимися средствами восстановления в режиме реального времени.
Целесообразность использования ПСП со свойством активной отказоустойчивости для увеличения межремонтного ресурса САУ БПЛА подтверждает анализ эффективности его использования, который показал, что межремонтный ресурс САУ увеличивается на 50 %, а комплексный показатель качества ПСП со свойством активной отказоустойчивости в 3,5 раза выше, чем аналогичный показатель классического ПСП.
Ключевые слова: активная отказоустойчивость, пневматический сервопривод, диагностическое обеспечение, обеспечение гибкого восстановления работоспособности.
Summary
Firsov S.N. Active fault tolerance support of unmanned aircraft pneumatic driver. –Manuscript.
Thesis for a candidate degree by specialty 05.13.03 –systems and processes of control. –National Aerospace University named after N.E. Zhukovsky “Kharkov Aviation Institute” of Ministry of education and science of Ukraine, Kharkov, 2004.
Dissertation researches are made with the purpose of unmanned aircraft control system service life increasing by ensuring active fault tolerance of the pneumatic servo-driver, which is the one of the basic functional element of unmanned aircraft. On the basis of driver’s researches as diagnostics object, mathematical models of nominal and disturbance condition of driver’s operation are elaborated, functional diagnostic models are offered, which built into the hierarchy allowing to diagnose driver’s fault with certain depth. The results of elaborated classification procedure which defines the fault’s type as internal fault or external disturbance are presented.. Using signal-parametric approach models, algorithms and tools of the driver ability work recovering are elaborated. Hardware-programming complex of fault tolerant driver, which allows enter the faults, diagnose them with certain depth and parry them in real time conditions is presented.
Keywords: active fault tolerance, pneumatic servo-driver, diagnostic ensuring, ensuring of flexible reconstruction recovering of work ability.