Надежность бортовых вычислительных систем и приборов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский Государственный Университет

Аэрокосмического Приборостроения

Надежность бортовых вычислительных систем и приборов

Подготовил студент

Группы 7911 ВЦ Парфёнова В.О.

Преподаватель Румянцева Е.А.

Санкт-Петербург 2010

Обеспечение надежности системы охватывает все стадии проектирования, производства и эксплуатации системы. Совокупность мероприятий, направленных на повышение надежности системы, оформляются в виде программы обеспечения надежности, в которой предусматриваются необходимые мероприятия, гарантирующие надежность технических и программных средств.

На стадии технического предложения и эскизного проекта оценивается надежность базовой структуры вычислительной системы. Вычисленные показатели сравниваются с требуемыми, и определяется способ повышения надежности системы.

На этом этапе используются следующие методы для повышения надежности:

1. Выбор элементов с номинальными параметрами работы (частота, напряжение, температура и т.д.) выше, чем предполагают режимы эксплуатации в реальных изделиях для снижения интенсивности отказов. Обычно используют элементы с двукратным запасом по рабочим параметрам.

2. Уменьшение рабочей температуры элементов аппаратуры за счет теплоотвода, мощной системы охлаждения, корректного размещения обеспечивающего свободный обдув и отсутствие дополнительных источников тепла (двигателя, сильно греющихся элементов аппаратуры и др.)

3. Разработка структуры БЦВС с учетом резервирования отдельных ее элементов, целых БЦВМ или программное резервирование (повтор решения отдельных задач, использование кодов Хэмминга, перераспределения нагрузки и т.д.).

4. Обеспечение достаточной ремонтопригодности. Ремонтопригодность позволяет снижать затраты времени и средств на восстановление работоспособности системы. Для повышения ремонтопригодности существует множество способов, реализуемых на всех стадиях проектирования, производства и эксплуатации системы: встраивание в систему эффективных средств контроля и диагностики, унификация конструкций и рациональная их компоновка и др.

На этапе производства и эксплуатации так же есть ряд методов повышающих надежность БЦВС:

1. Тщательный отбор и тестирование деталей особо важных элементов вычислительной системы.

2. Корректная техническая эксплуатация и обслуживание. Техническая эксплуатация или техническое обслуживание- обеспечение работоспособности системы путем создания требуемых условий эксплуатации (режим электропитания, температурный и др.) и проведения профилактических и ремонтно-восстановительных работ.

Основной показатель качества технического обслуживания - коэффициент готовности системы (компонентов), характеризующий долю времени, в течение которого система (компоненты) работоспособна. Увеличение коэффициента готовности системы достигается путем сокращения простоев оборудования из-за профилактических и ремонтно-восстановительных работ. На эффективность технического обслуживания наиболее существенно влияют следующие факторы:

а) условия эксплуатации системы (стабильность электропитания, температура, чистота среды и др.):

б) надежность и ремонтопригодность системы, степень совершенства средств контроля и диагностики;

в) режим обслуживания и квалификация обслуживающего персонала;

г) полнота денных о сбоях и отказах технических средств.

Для повышения эффективности технического обслуживания в системах предусматриваются средства накопления данных об ошибках, сбоях и отказах. Данные накапливаются путем регистрации состояния системы в момент ошибки, обнаруживаемой встроенными средствами контроля или программами. Регистрация данных производится операционной системой в специальном системном журнале - области накопителя на магнитных дисках. Данные из системного журнала периодически или при необходимости выводятся на печать и используются обслуживающим персоналом для выявления источников ошибок, сбоев и отказов с целью проведения профилактических и ремонтно-восстановительных работ.

Серьезное влияние на качество технического обслуживания оказывает стоимость эксплуатационных и восстановительных работ. Использование универсального, серийно выпускаемого, модульного оборудования значительно снижает стоимость ремонтных работ и уменьшает количество аппаратуры хранимой в запасе на случай выхода из строя одного из элементов вычислительной системы. Универсальность алгоритмов, позволяющая запускать их в любом из модулей системы, так же способствует значительной экономии средств и времени при эксплуатации системы.

Прогресс в области создания авиационной техники всегда сопровождался повышением уровня автоматизации управления полетом летательных аппаратов (ЛА). Процесс разработки технических устройств и систем, решающих задачу автоматизации управления полетом ЛА, шел по пути усложнения функций управления и имел два источника своего развития.

Первый - информационный. Появление новых датчиков или информационных систем привело к возникновению новых режимов систем автоматизированного управления (САУ) полетом ЛА.

Второй источник - техническое совершенствование бортовых вычислителей, приводов и агрегатов управления, повышение их надежности и быстродействия. Применение новых вычислительных средств на каждом этапе развития отечественных САУ постепенно вызвало объединение технических устройств и систем в завершенную конструкцию - комплексную систему управления (КСУ). Важной системной характеристикой существующих КСУ является обеспечение функциональной связи между авиационным комплексом и органами управления ЛА для решения задач управления движением. При этом сохраняются два способа получения информации - автономный для обеспечения пилотирования ЛА и внешний - от информационных систем для формирования заданной траектории полета или отклонений от нее в конкретных задачах применения ЛА.

К настоящему времени сложилась классическая схема построения контуров автоматизированного управления полетом ЛА, реализованная в современных КСУ. Ядром системы управления является контур «самолет - дистанционная система управления (СДУ)», предназначенный для обеспечения заданных пилотажных характеристик ЛА. Указанный контур охвачен контуром стабилизации угловых положений (классический автопилот). Внешним контуром является контур траекторного управления, работающий по заданным сигналам от внешних информационных систем, формирующих заданную траекторию целевого применения авиационного комплекса. Система ограничительных сигналов работает независимо от контуров автоматического управления, формирует сигналы допустимых параметров полета для СДУ и вырабатывает упреждающую сигнализацию для экипажа о приближении ЛА к предельно допустимым параметрам полета.

Указанная схема построения КСУ имеет с точки зрения траекторного движения ЛА следующие недостатки: в ней внешние для КСУ системы авиационного комплекса формируют заданную траекторию и отклонения от нее, как правило, без учета ограничений на координаты движения ЛА, ограничений по тяге двигателей и конструкции планера. При существующем основном способе связи с внешними системами через сигналы в КСУ не предусмотрено обеспечение траекторной безопасности, так как в силу указанного разделения функций КСУ в автоматическом режиме управления осуществляет слежение за заданным угловым положением и траекторией полета. Таким образом, существующие контура траекторного управления могут успешно функционировать только в условиях невыхода регулируемых координат движения ЛА и управляющих воздействий на ограничения.

На сегодняшний день задача обеспечения безопасности полета ЛА автоматизирована по отдельным параметрам полета. При этом в каждый текущей момент времени ограничивается только один параметр движения из вектора параметров полета, связанных между собой через динамический объект управления. Кроме того, не учитывается прогноз изменения параметров движения ЛА в процессе полета по заданной траектории (учитывается только текущий темп изменения ограничиваемого параметра). Ограничения на отдельных этапах автоматизированных режимов управления введены как квазистатические, что при несогласованности заданной траектории полета с допустимым движением ЛА может вызывать размыкание контура управления по регулируемой координате. Существующие контура безопасности управления работают независимо от основных режимов автоматизированного управления и при наличии ситуации выхода за ограничения вступают в работу с отключением режима управления КСУ.

Высокий уровень автоматизации управления современными летательными аппаратами обостряет проблему обеспечения безопасности полета, которая находится в прямой зависимости от уровня надежности аппаратных средств КСУ и надежности программного обеспечения. Создание полностью безотказной аппаратуры практически недостижимо, поэтому задача проектирования комплексных систем управления, обладающих высокой надежностью и отказобезопасностью, является актуальной и требующей создания научно обоснованного методического обеспечения разработки надежных цифровых систем управления.

Техническая сложность и высокая стоимость КСУ требуют изучения влияния кратности резервирования аппаратуры (вычислительные модули, датчики и приводы) и разработки методик обеспечения надежности программных средств, связанных с достижением необходимого уровня тестирования с использованием как методов математического моделирования программ, так и встроенных символьных отладчиков и стендов полунатурного моделирования в составе бортовых цифровых вычислительных машин (БЦВМ) и КСУ в целом.

Цели и задачи настоящей работы заключаются в решении научной проблемы, связанной с разработкой математических методов повышения надежности цифровых комплексных систем автоматического управления ЛА, описываемых нелинейными дифференциальными уравнениями высоких порядков.

Решение этой задачи лежит на пути ее обоснованного упрощения, то есть понижения порядка и использования статистической теории максимума правдоподобия с принципом дивергенции и квадратичного программирования по принципу дополнительности с условиями Куна-Таккера, приводящим в общем случае к нелинейным регрессионным моделям с матрицами Фишера или, при дальнейших упрощениях, сводящими данную проблему к линейным регрессионным моделям, проходящим на плоскости через начало координат. При численных методах интегрирования были применены процедуры Рунге-Кутта различных порядков, позволяющие выбирать такты и находить динамические погрешности по переходным процессам для модели самолетов, описываемой уравнениями третьего порядка.

Применение в работе метода наименьших квадратов позволило определить рекуррентные процедуры вычисления вектора параметров комплексов, а также находить их оценки и дисперсии. В результате было получено требуемое количество полетов с заданным уровнем надежности с несколькими значениями доверительных вероятностей без отказов и с одним отказом. С целью сокращения количества полетов и повышения достоверности вероятностей был выбран критерий Байеса, позволивший обосновать данное решение при использовании уточненных априорных вероятностей.

В работе большое внимание было уделено выбору и обоснованию технических средств отладки цифровых систем управления для обеспечения высокопроизводительного процесса отладки и изучения работы программы с проверкой значений переменных на каждом шаге, что позволило наиболее полно моделировать функционирование комплексной системы управления на предельных режимов полета, изучение которых в реальных условиях недопустимо. Кроме того, требования практической реализации цифровых КСУ потребовали разработки инженерных методов оценивания надежности программного обеспечения систем управления и формирования алгоритмов резервирования и контроля комплексных систем управления.

В настоящей работе было обосновано проведение в процессе проектирования, заводских стендовых и летно-конструкторских испытаний комплексных систем управления четырех связанных между собой этапов.

Первый из них заключается в построении математической модели летательного аппарата, датчиков, вычислительной машины и аппаратуры для органов управления. Они составляются на основе физических процессов и ряда допущений с учетом возможного диапазона изменения параметров в процессе полета. Значения таких пределов определяются эксплуатационными, аэродинамическими особенностями самолета и маневренными возможностями. При этом основными параметрами, подлежащими ограничениям, являются следующие: нормальная и боковая составляющие перегрузки, максимальные значения которых определяются прочностью планера и аппаратуры, а также способностью экипажа их долго переносить; угол атаки, когда его допустимое предельное значение не позволяет самолету выходить на режим срыва потока; приборная скорость полета, максимально допустимая по прочности и возможности возникновения флаттера, минимальная, связанная с появлением неустойчивости режима полета; высота полета, определяемая практическим потолком; коэффициент демпфирования колебаний и другие. Большинство из параметров зависят нелинейно от переменных, что вносит значительные трудности при использовании математической модели. Отметим, что коэффициенты аэродинамических сил и моментов представляют собой функции нескольких переменных, которые при реализации должны быть аппроксимированы.

При выборе оптимальных законов управления был использован метод динамического программирования Беллмана, позволяющий получать достаточно простые линейные рекуррентные вычислительные процедуры в виде стационарных и нестационарных матриц, справедливых при различных размерностях фазовых координат и векторов управления. Вычислительный алгоритм достаточно просто реализуется на БЦВМ и не требует выполнения сложных исследований для выбора тактов интегрирования уравнений.

Второй этап состоит в проведении математического моделирования замкнутой системы и определении соответствия переходных процессов угловых и линейных выходных координат заданным тактико-техническим требованиям. Здесь значимым является выбор методов интегрирования дифференциальных уравнений и оптимальных шагов интегрирования. Малые шаги интегрирования приводят к накоплению ошибок от интегрирования, а большие шаги вызывают расходящиеся неустойчивые режимы. Однако при появлении в системе после интегрирования неустойчивых режимов они не гарантируют проектировщику получения в конечно-разностной системе решения исходных дифференциальных уравнений. Поэтому сначала выполнялось исследование выбора наилучшего шага интегрирования, а затем производился процесс моделирования.

Только после этого можно приступать к уточнению параметров датчиков, законов управления, реализуемых на вычислительных машинах, усилителей, рулевых агрегатов и рулевых приводов. Следует отметить, что наличие нелинейностей в комплексной системе управления требует учета значений начальных условий, а также влияния управляющих и возмущающих воздействий как регулярных, так и случайных. Так как от их действия возникают режимы автоколебаний, захватывания и возрастания неустойчивых колебаний, то проектировщик должен проанализировать много различных вариантов параметров (линейных и нелинейных) и выбрать из них наилучшие.

Упрощение процедур моделирования в настоящее время идет по пути применения автоматизированных методов, позволяющих с помощью специальных программ выполнять диалоговые режимы взаимодействия разработчика с вычислительной средой. Возможность автоматизированного математического моделирования приводит к существенному снижению затрат времени на проектирование и позволяет проектировщику использовать накопленный им опыт в разработке данного класса комплексных систем управления.

Третий этап представляет собой проведение полунатурного моделирования комплексной системы управления с подключением к стенду реальной аппаратуры. Конструкция стенда состоит из трех (или более, в зависимости от числа подканалов визуализации) персональных компьютеров IBM-PC, соединенных между собой по протоколу TCP/IP, устройств сопряжения для приема-передачи цифровых, аналоговых сигналов и разовых команд от БЦВМ [16, 23, 26]. На данном этапе выполняются операции отладки рабочих программ БЦВМ и уточнения параметров устройств комплексной системы управления.

Для проверки всего оборудования, подключенного к стенду, проводятся статические и динамические режимы отработки системы путем подачи на входы различного рода сигналов управления для получения переходных процессов по линейным и угловым выходным координатам. При такой работе управление самолетом выполняется либо в автоматическом режиме, либо в командном с помощью органов управления, размещенных в кабине стенда. По пилотажно-навигационные приборам контролируются режимы полета оператором стенда. На стенде выполняется окончательная отработка программного обеспечения бортовой цифровой вычислительной машины сначала на проверку соответствия выходных сигналов БЦВМ заданным сигналам по контрольным примерам, затем производится подключение БЦВМ через устройства сопряжения к реальной бортовой аппаратуре и выполняется моделирование различных полетных режимов. Таким образом, осуществляется динамическая проверка программного обеспечения.

На четвертом этапе выполняются стендовые и летно-конструкторские испытания систем управления самолетами. Для этого применялся стационарный и подвижный отладочные стенды, изготовленные на предприятии «Авионика», позволяющие выполнять окончательную отладку программного обеспечения БЦВМ. Проведение этих испытаний направлено на выявление конструктивных и производственных дефектов в устройствах аппаратуры в комплексных системах управления при оптимальных объемах проверок.

Методы исследования, примененные в диссертации, основаны на определении оптимальных цифровых законов управления с помощью теории динамического программирования; на формировании алгоритмов резервирования, контроля и оценивания с помощью оценок постоянных интенсивностей и восстановлений путем построения графов состояний, на статистической теории максимального правдоподобия, наименьших квадратов и байесовых оценок.

Достоверность полученных результатов подтверждается методами полноразмерного математического и полунатурного моделирования комплексов на стендах, а также результатами проведенных летно-конструкторских испытаний КСУ.

Имеется опыт работ по модернизации БЦВС существующих летательных аппаратов.

Основные требования:

* Ранее разработанное и находящееся в эксплуатации ПО не подлежит изменению и должно функционировать в аппаратно - программном аналоге (АПА).

* АПА должен обеспечивать сохранение технических характеристик БЦВС, повышение надежности, а также уменьшение стоимости технического обслуживания.

* АПА должен соответствовать по условиям эксплуатации требованиям ТЗ на модернизируемую БЦВС.

* АПА должен обеспечивать возможность наращивания программного обеспечения.

* Должна быть обеспечена конструктивная совместимость АПА и прототипа и возможность установки АПА на объект без изменения схемы подключения.

Аппаратно - программный аналог модернизируемых БЦВС строится на базе современных БЦВМ (тактовая частота не менее 50 МГц) с подключенным к ней (встроенным или внешним) модулем сопряжения.

Главный принцип подхода к модернизации БЦВМ существующих летательных аппаратов - сохранение циклограммы работы модернизируемой БЦВМ. Метод модернизации - интерпретация модернизируемой БЦВМ. Благодаря этому стоимость модернизации равняется стоимости дискеты + стоимость современной БЦВМ.

Список использованной литературы

летательный аппарат бортовой цифровой вычислительная система

1. Медведев А. Конструктивно-технологическое обеспечение надежности БЦВМ. Проблемы информатизации. №3, 1998.

2. Архитектура бортовой цифровой вычислительной машины и программное обеспечение.

3. Применение стенда с МВС-4 для отладки программного обеспечения.

4. Тестирование рабочих программ.

5. Акты о внедрении.

6. Акт о внедрении системы управления ЭДСУ-200 гидросамолетаБе-200.

7. Акт о внедрении системы управления САУ-10 самолета Су-30.

8. Акт о внедрении системы управления СУ-48 самолета ЯК-141.

Размещено на Allbest.ru