STUDY OF INTERACTION OF THE COMPLEX CONTROL SYSTEM WITH SYSTEMS AND DEVICES OF THE AIRCRAFT AVIONICS
Journal: VESTNIK OF ASTRAKHAN STATE TECHNICAL UNIVERSITY. SERIES: MANAGEMENT, COMPUTER SCIENCE AND INFORMATICS
Volume 2016 № 1
, 2016
Rubrics: MANAGEMENT, MODELING, AUTOMATION
Authors:
1.
JSC "Design Office of Industrial Automation"
2.
Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University
St. Petersburg, Russian Federation
St. Petersburg, Russian Federation
3.
National Research University “Moscow Power Engineering Institute”
(Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department of Automated Control Systems for Thermal Processes)
Type:
Article
Pages:
from 7
to 16
Status:
Published
Received:
05.01.2016
Accepted:
25.01.2016
Published:
25.01.2016
Subject area:
VAC 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 681.5
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 681.5
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
Language:
Russian
Keywords:
complex control system, avionics, aircraft, systems of artificial intelligence
Abstract (English):
The paper presents the results of the study of the interaction of the complex control system with the systems and devices of the avionics of the aircraft. The special attention is paid to the analysis of the degradation of the controllability of the aircraft in case of failure elements of the control systems and information - measuring devices of the avionics of the control object. The avionics is considered in view of constructing the integrated modular avionics with the description of its advantages and disadvantages. Expediency of using heterogeneous computing devices with higher internal control and ensuring the autonomy of the critical controls of the aircraft, such as electro-remote control system is shown. The need to use in the process of creating complex avionics modern high-speed communication interfaces that will implement the exchange of information between the devices in the same complex information and computing space is stated. This approach to the organization of interaction of the devices and systems of avionics with a complex integrated control system significantly increases the failure safety and survivability of the aircraft. The conclusion that in order to improve the reliability and fail-safe control systems of the aircraft, necessary to carry out the implementation of avionics in the form of the distributed structure, made in a single information-computing space is explained. Information about the level of failure of control of the aircraft and recommendations on elimination of its consequences can detect and eliminate the degradation of controllability of the aircraft at the initial stage of designing the integrated management systems. The results of the research should be used while designing the integrated systems of aircraft control using the tools and techniques of artificial intelligence.
The paper presents the results of the study of the interaction of the complex control system with the systems and devices of the avionics of the aircraft. The special attention is paid to the analysis of the degradation of the controllability of the aircraft in case of failure elements of the control systems and information - measuring devices of the avionics of the control object. The avionics is considered in view of constructing the integrated modular avionics with the description of its advantages and disadvantages. Expediency of using heterogeneous computing devices with higher internal control and ensuring the autonomy of the critical controls of the aircraft, such as electro-remote control system is shown. The need to use in the process of creating complex avionics modern high-speed communication interfaces that will implement the exchange of information between the devices in the same complex information and computing space is stated. This approach to the organization of interaction of the devices and systems of avionics with a complex integrated control system significantly increases the failure safety and survivability of the aircraft. The conclusion that in order to improve the reliability and fail-safe control systems of the aircraft, necessary to carry out the implementation of avionics in the form of the distributed structure, made in a single information-computing space is explained. Information about the level of failure of control of the aircraft and recommendations on elimination of its consequences can detect and eliminate the degradation of controllability of the aircraft at the initial stage of designing the integrated management systems. The results of the research should be used while designing the integrated systems of aircraft control using the tools and techniques of artificial intelligence.
Keywords:
complex control system, avionics, aircraft, systems of artificial intelligence
complex control system, avionics, aircraft, systems of artificial intelligence
Введение В настоящее время российские и зарубежные авиационные предприятия активно работают над созданием новейших систем управления летательными аппаратами (ЛА). К таким системам относится, в частности, электродистанционная система управления (ЭДСУ), позволяющая исключить механическую проводку управления ЛА, заменив её электрическими линиями связи. Применение ЭДСУ способствует уменьшению массы и улучшению управляемости объекта управления. Как правило, для определения управляемости ЛА используется информация, представленная на рис. 1 [1]. Согласно рис. 1, управляемость ЛА осуществляется на трех уровнях, которые обусловлены наличием или отсутствием данных о параметрах пилотирования объекта управления: угловая и поступательная скорость полета, угловое положение ЛА. В ЛА с ЭДСУ, на вход которой поступают данные об изменении угловой скорости объекта управления, обеспечивается второй уровень управляемости. Электродистанционная система управления и система автоматического управления САУ образуют комплексную систему управления (КСУ) ЛА, которая обеспечивает первый уровень управляемости ЛА при условии, что на её вход поступает информация о скорости и положении объекта управления. Особенностью создания КСУ является выполнение требований по функциональной независимости ЭДСУ от информационно-измерительных и управляющих систем бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО). Такой подход к проектированию КСУ обеспечивает автономность управления ЛА при отказах его информационно-измерительных устройств и систем управления, в том числе САУ. Однако изменение функций систем БРЭО, взаимодействующих с САУ, может повлиять на управляемость ЛА и на решение задач автоматического управления. Вследствие этого на начальном этапе проектирования КСУ важно провести исследование взаимодействия системы с БРЭО c использованием методов анализа сложных слабоформализуемых технических систем [2-5]. Рис. 1. Оценка уровней управляемости летательным аппаратом. Постановка задачи Целью работы являлось исследование работы КСУ при изменении информации и управляющих сигналов БРЭО ЛА, а также работы внутренних элементов КСУ. Для достижения поставленной цели необходимо было выполнить анализ последствий отказов элементов КСУ и БРЭО, влияющих на управление ЛА, который осуществляется методами системного и инженерного анализа. Описание комплексной системы управления и устройств бортового радиоэлектронного оборудования Описание комплексной системы управления. Так как ЭДСУ является автономной от устройств и систем БРЭО, КСУ должна входить в состав ЛА и регламентироваться отдельным техническим заданием, независимым от задания на БРЭО. Простейшая КСУ содержит ЭДСУ и САУ, а также гидроагрегаты рулевых поверхностей с электропреобразователями. Общая структурная схема КСУ представлена на рис. 2. Рис. 2. Общая структурная схема КСУ: ЭП - электропреобразователь; ГП - гидропривод В свою очередь, ЭДСУ включает элементы и устройства обработки электрических сигналов датчиков, установленных на рычагах управления ЛА. Согласно схеме на рис. 2, взаимодействие ЭДСУ с системами сигнализации и предполетного контроля БРЭО осуществляется с использованием вычислительных и передающих устройств САУ. Основной функцией САУ в КСУ является формирование сигналов управления ЛА, а также улучшение устойчивости и управляемости объекта управления в ручном и автоматическом режимах пилотирования. Функция улучшения устойчивости и управляемости обеспечивает демпфирование угловых колебаний объекта управления и ограничение скорости перемещения его исполнительного механизма в зависимости от скорости перемещения рычагов управления ЛА. Отметим, что эта функция может быть успешно реализована в вычислительных устройствах ЭДСУ при наличии на её входе сигналов, характеризующих изменение угловой скорости объекта управления. Тогда САУ будет формировать сигналы управления ЛА в режиме его автоматического управления, предусматривающего решение траекторных задач. Кроме ЭДСУ и САУ, в КСУ ЛА могут применяться и другие системы, например автоматическая система механизации крыла и ограничения критических параметров полета [6]. Одним из условий реализации такой структуры КСУ является наличие автономности функционирования блока управления и контроля рулевыми приводами ЛА от сигналов, формируемых сопутствующими системами. Такой подход к созданию КСУ обеспечивается применением раздельных аппаратных платформ, реализующих управление рулевыми приводами ЛА. Предусмотрены также собственные программные и аппаратные средства защиты от неправильно сформированных сигналов САУ и системы интеллектуальной поддержки экипажа (СИПЭ). В процессе создания КСУ важной задачей является обеспечение высокой степени отказобезопасности её подсистем (10-7÷10-9) в соответствии с требованиями документов Aerospace Recommended Practice (ARP4754), Руководства по гарантии конструирования бортовой электронной аппаратуры КТ254, Классификации требований КТ-160D по устойчивости к внешним воздействующим факторам, классификационными требованиями КТ-178В по программному обеспечению (ПО), требованиями к бортовому оборудованию авиационных правил АПА-29. Как правило, требования по надежности и отказобезопасности авиационного оборудования удовлетворяются разнородностью программного и аппаратного обеспечения вычислительных устройств системы управления, а также применением новых интерфейсов обмена данных между ними (CAN и AFDX). При этом, наряду с разнородностью программно-аппаратного обеспечения вычислительных устройств подсистем КСУ, в их структуре целесообразно использовать модельное ПО, реализованное на отдельной аппаратной платформе. Такой подход к проектированию КСУ позволит улучшить контроль входных и выходных сигналов, формируемых вычислительными устройствами системы и участвующих в управлении ЛА. Описание бортового радиоэлектронного оборудования летательного аппарата. В состав БРЭО ЛА входят различные приборы и устройства, предназначенные для обеспечения полета аппарата во всех условиях его эксплуатации. Основными устройствами и системами БРЭО являются информационно-измерительные системы, системы энергоснабжения, сигнализации и управления двигателями ЛА. В состав БРЭО входят также устройства для решения специальных задач, таких как управление оружием, пролет по заданному маршруту. Важной особенностью проектирования современных систем БРЭО ЛА является соответствие структуры БРЭО концепции интегрированной модульной авионики (ИМА) [7, 8]. Согласно этой концепции, взаимодействие устройств и систем БРЭО должно осуществляться на открытой сетевой архитектуре и единой вычислительной платформе. В ИМА происходит объединение на единой вычислительной платформе источников питания, вычислительных процессоров, шин передачи данных, источников ввода-вывода. При этом функции комплекса в этом случае выполняют программные приложения. Фактически реализация функций бортового оборудования сводится к созданию баз данных их функций и сигналов на уровне ПО. Архитектура БРЭО современных ЛА представлена на рис. 3 [8]. Рис. 3. Архитектура комплекса бортового оборудования на базе ИМА Согласно рис. 3, архитектура комплекса предусматривает подключение различных функциональных устройств к единому вычислительному устройству комплекса. Например, информационно-измерительные устройства подключаются к вычислительному ядру комплекса ботового оборудования (КБО), через который передают информацию в системы управления ЛА. Как правило, вычислительные устройства КБО размещаются в крейтах, разнесенных по левому и правому бортам аппарата. Преимуществами ИМА являются уменьшение массы и габаритов бортового оборудования, повышение уровня унификации его вычислительных модулей и скорости их замены при отказах. Однако представленная структура КБО имеет существенный недостаток - высокая вероятность отказа взаимодействия бортового оборудования вследствие отказа вычислительного ядра КБО. Для устранения вышеуказанного недостатка целесообразно применять разнородные вычислительные устройства с повышенным внутренним контролем, а также обеспечивать автономность критических средств управления ЛА, таких как ЭДСУ. При этом в процессе создания КБО необходимо использовать современные высокоскоростные интерфейсы обмена данными (CAN и AFDX), что позволит реализовать обмен информацией между устройствами комплекса в едином информационно-вычислительном пространстве. Такой подход к организации взаимодействия устройств и систем БРЭО с КСУ может существенно повысить отказобезопасность и живучесть ЛА. Таким образом, можно сделать вывод, что для повышения отказобезопасности и надежности систем управления ЛА необходимо осуществлять реализацию их БРЭО не в виде «единой вычислительной платформы», а в форме распределенной структуры, выполненной в «едином информационно-вычислительном пространстве». Анализ влияния последствий отказов элементов КСУ и БРЭО на управляемость летательного аппарата Из теории надежности известно, что существуют два типа состояния отказа: явное и неявное [9, 10]. Отказ первого типа является контролируемым и может быть определен средствами собственного контроля устройства, в котором он произошел, а также взаимодействующим с ним оборудованием. Отказ второго типа является более сложным, т. к. его невозможно определить по наличию/отсутствию сигнала, формируемого отказавшим элементом. Как правило, такими отказами являются ошибки в ПО. Выявление неявного отказа осуществляется методами сравнения входных/выходных данных контролируемого элемента относительно заданного значения, а также сигналов, сформированных устройствами, выполняющими одинаковые функции. Наиболее распространенным средством выявления неявного отказа является кворумирование входных/выходных сигналов и их сравнение по модельному ПО. Таким образом, несмотря на выполнение условия автономности ЭДСУ от остального оборудования ЛА, сохраняется возможность влияния его неявного отказа на систему управления. Средствами защиты от таких событий должны являться элементы, обеспечивающие выявление отказа и устранение последствий от его воздействий. При этом средства защиты могут быть выполнены в программном и (или) аппаратном виде, например, команды на перезагрузку процессора; микросхемы отключения источников питания устройств и т. д. Явные и неявные отказы БРЭО, не взаимодействующего с ЭДСУ, могут повлиять также на уровень управляемости ЛА и качество выполнения пилотажно-навигационных задач САУ в режиме автоматического управления. Возможные ситуации отказов БРЭО и САУ представлены в табл. 1. В табл. 1 приведены основные виды отказов БРЭО и САУ, влияющих на управляемость ЛА и качество выполнения пилотажно-траекторных задач САУ. При этом изменение некоторых сигналов, формируемых устройствами и системами БРЭО и влияющих на выполнение режима автоматического управления ЛА, не оказывает воздействия на изменение его уровня управляемости. Таким образом, согласно данным табл. 1, можно ввести еще один тип отказов, оказывающих влияние на управляемость ЛА: отказ не влияет на управляемость ЛА, если отсутствует деградация его уровня управляемости в соответствии с рис. 1. Тогда отказ бортового оборудования ЛА и элементов САУ, влияющий на его управляемость, будет подразделяться на три уровня: 1) несущественный - переход управляемости ЛА с 1-го на 2-й уровень; 2) существенный - переход управляемости ЛА со 2-го на 3-й уровень; 3) критический - потеря управляемости ЛА, что соответствует аварийной и катастрофической ситуациям. Таблица 1 Уровень управляемости летательного аппарата в зависимости от отказов элементов БРЭО и САУ Вид отказа Тип отказа Последствия Управляемость Отказ соединения САУ с БРЭО Явный Потеря пилотажно-навигационной информации и систем контроля Снижение управляемости до 2-го уровня Отказ вычислительного элемента САУ Явный Невыполнение пилотажно-траекторных задач САУ Снижение управляемости до 2-го уровня Неявный Формирование неверного управляющего сигнала при решении задач САУ и пилотирования ЛА Снижение управляемости до 2-го уровня. Отсутствие управляемости ЛА. Наличие аварийной и катастрофической ситуации Отказ триммерного механизма (при наличии в составе САУ) Явный Потеря функции автотриммирования в режиме автоматического пилотирования ЛА. Усложнение условий перемещения рычагов управления аппаратом Управляемость соответствует 2-му уровню Неявный Самопроизвольное вращение выходного вала триммерного механизма с превышением заданной скорости. Неконтролируемое перемещение рычагов ЛА. Приведение аппарата в неустойчивое положение Наличие аварийной и катастрофической ситуации Отказ датчиков угловой скорости ЛА Явный Потеря функции улучшения устойчивости и управляемости ЛА Управляемость соответствует 3-му уровню Неявный Неверные значения по датчикам угловой скорости Наличие аварийной и катастрофической ситуации Отказ пульта управления Явный Отсутствие включения/отключения функций САУ Управляемость ЛА не изменяется Неявный Отказ устройств и систем измерения пилотажной информации Явный Потеря информации о параметрах пилотирования аппарата Управляемость соответствует 2-му уровню Неявный Неверные значения переменных пилотирования аппарата Отказ навигационных систем и устройств управления Явный Отсутствие режимов автоматического пилотирования ЛА по заданной траектории Управляемость ЛА не изменяется Неявный Неверная информация о местоположении аппарата На базе информации, представленной в табл. 1, и определения отказа управляемости введем следующие переменные: Входные: A - отказ соединения САУ с БРЭО; B - отказ вычислительного элемента; C - отказ триммерного механизма; D - отказ датчиков угловой скорости ЛА; F - отказ устройств и систем измерения пилотажной информации. Выходные: k - несущественный отказ управляемости; l - существенный отказ управляемости; m - критический отказ управляемости. Представленные переменные могут быть использованы в процессе описания наступления события отказа управляемости ЛА в форме набора правил, который является моделью заданного вида отказа и представлен в следующем виде: (1) Общая формализованная запись выражения (1) имеет следующий вид: (2) где - оценка отказа управляемости ЛА. Тогда условием сохранения управляемости ЛА при отказах его систем управления и БРЭО будет являться выражение (3) где n - время эксплуатации объекта управления. Рассмотрим применение выражения (3) на примере. Известно, что отказ пульта управления КСУ не влияет на управляемость ЛА, тогда оценка потери управляемости ЛА при исправной работе остальных элементов САУ и БРЭО имеет следующий вид: следовательно, На базе выражений (1)-(3) введем нормировку функции отказа управляемости (2): где Здесь m = 3 соответствует 3-му уровню отказа управляемости. Полученные выражения могут быть использованы в процессе проектирования КСУ ЛА для определения зависимости его управляемости от отказов элементов САУ и БРЭО. Эту процедуру целесообразно осуществлять с применением средств искусственного интеллекта, в частности экспертных систем [11-12]. Тогда на экран рабочего места разработчика должна выводиться информация в следующем виде: «Уровень отказа управляемости» - «Действия разработчика по устранению отказа». Пример такой информации представлен в табл. 2. Таблица 2 Информация экспертной системы Уровень отказа управляемости Действия разработчика 1-й Применение магистральных шин передачи данных, подключение различных информационно-измеряющих и управляющих приборов БРЭО к САУ по линиям последовательного биполярного кода. Применение аппаратных и программных средств отключения электромагнитной муфты от источника питания. Применение резервных приборов, имеющих разнородное программное и аппаратное обеспечение. 2-й Применение в структуре САУ резервных вычислительных элементов. Подключение к ЭДСУ датчиков угловой скорости с целью обеспечения 2-го уровня управляемости ЛА. Применение разнородных вычислительных устройств в структуре САУ, исключающих наличие отказов системы под воздействием одинаковых факторов. Использование в структурной схеме КСУ модельного ПО, контролирующего работу вычислительных элементов. Обеспечение аппаратного и программного отключения отказавшего элемента от линии передачи данных в ЭДСУ. Алгоритмическое и программное применение информационно-измерительных данных из устройств БРЭО, характеризующих угловое положение объекта управления и обеспечение их последующей обработки в вычислительных устройствах САУ. Обеспечение сравнения значений, формируемых датчиками угловой скорости со значениями производных углового положения ЛА в вычислительных устройствах САУ. Резервирование датчиков угловой скорости, подключаемых к ЭДСУ, и кворумирование их значений, поступающих на ее вход. 3-й Применение в структурной схеме КСУ разнородных вычислительных устройств, исключающих наличие отказов системы под воздействием одинаковых факторов. Использование модельного ПО, контролирующего работу вычислительных элементов. Обеспечение аппаратного и программного отключения отказавшего элемента от линии передачи данных в ЭДСУ. Резервирование датчиков угловой скорости, подключаемых к ЭДСУ, и кворумирование их значений, поступающих на вход ЭДСУ. Применение модельного ПО в устройстве управления триммерным механизмом. Применение средств отключения электродвигателя триммерного механизма от его источников питания. Полученная информация об уровне отказа управляемости ЛА и рекомендации по устранению её последствий позволяют обнаружить и исключить деградацию управляемости ЛА на первоначальном этапе проектирования КСУ. Заключение В результате выполненной работы определены последствия влияния отказов бортового радиоэлектронного оборудования и элементов комплексной системы управления летательным аппаратом на его управляемость. Рассмотрена архитектура комплекса бортового радиоэлектронного оборудования, выполненного в соответствии с концепцией интегрированной модульной авионики, выделены её преимущества и недостатки. Полученные результаты целесообразно использовать в процессе проектирования комплексной системы управления летательным аппаратом и их исследовании на отказобезопасность.
1. ADS-33 E. Aviation engineering directorate // URL: http://everyspec.com/ARMY/ADS-Aero-Design/ADS-33E-PRF_3614.
2. Scherbatov I. A. Slozhnye slaboformalizuemye mnogokomponentnye tehnicheskie sistemy / I. A. Scherbatov, O. M. Protalinskiy // Upravlenie bol'shimi sistemami: sb. tr. 2013. Vyp. 45 (16). S. 30-46 // URL: http://ubs.mtas.ru/archive/index.php?SECTION_ID=693.
3. Scherbatov I. A. Koncepciya analiza slozhnyh slaboformalizuemyh mnogokomponentnyh sistem v usloviyah neopredelennosti / I. A. Scherbatov // Sovremennye tehnologii. Sistemnyy analiz. Modelirovanie. 2013. № 2. S 28-35.
4. Scherbatov I. A. Klassifikaciya neopredelennostey v zadachah modelirovaniya i upravleniya slozhnymi slaboformalizuemymi sistemami / I. A. Scherbatov // Vestn. Saratov. gos. tehn. un-ta. 2013. № 1 (69). S. 175-179.
5. Sherbatov I. A. Analysis and Modelling of Complex Engineering Systems Based on the Component Approach / I. A. Sherbatov, O. M. Protalinskii, V. N. Esaulenko // Word Applied Sciences Journal (Information Technologies in Modern Industry, Education & Society). 2013. No. 24. P. 276-283.
6. Sapogov V. A. Otkazobezopasnaya vychislitel'naya sistema dlya kompleksnyh sistem upravleniya poletom letatel'nyh apparatov / V. A. Sapogov, K. S. Anisimov, A. V. Novozhilov // Trudy MAI. 2011. № 45 // URL: www.mai.ru/science/trudy/.
7. Shushpanov N. A. Perspektivnye integrirovannye vychislitel'nye kompleksy vertoletov / N. A. Shushpanov, M. Yu. Linnik, I. O. Kovyazin // Aviakosmicheskoe priborostroenie. 2012. № 2. S. 27-32.
8. Integrirovannaya modul'naya avionika // URL: http:// modern-avionics.ru/analytics/2014/modern-role-of-avionics/part-2/.
9. Lipatov I. N. Nadezhnost' funkcionirovaniya avtomatizirovannyh sistem: konspekt lekciy / I. N. Lipatov. Perm': Izd-vo Perm. GTU, 1996. 67 s.
10. Lipaev V. V. Nadezhnost' i funkcional'naya bezopasnost' kompleksov programm real'nogo vremeni / V. V. Lipaev. M.: In-t sistemnogo programmirovaniya RAN, 2013. 207 s.
11. Bol'shakov A. A. Sintez intellektual'nyh organizacionno-tehnicheskih sistem upravleniya / A. A. Bol'shakov // Vestn. Tambov. gos. tehn. un-ta. 2004. T. 10, № 4a. S. 954-959.
12. Intellektual'nye sistemy upravleniya organizacionno-tehnicheskimi sistemami / pod red. prof. A. A. Bol'shakova. M.: Goryachaya liniya-Telekom, 2016. 160 s.
