Методи та моделі забезпечення резервування відмовостійких систем авіаційного обладнання

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний авіаційний університет

Спеціальність 05.22.20 - Експлуатація та ремонт

засобів транспорту

УДК 629.735.083.06 (043.3)

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

АВТОРЕФЕРАТ

МЕТОДИ ТА МОДЕЛІ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ РЕЗЕРВУВАННЯ ВІДМОВОСТІЙКИХ СИСТЕМ АВІАЦІЙНОГО ОБЛАДНАННЯ

Сильнягін Анатолій Олексійович

Київ-2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Воробйов Владислав Михайлович, Національний авіаційний університет, професор кафедри електроенергетичних систем

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Конахович Георгій Філімонович, Національний авіаційний університет, декан факультету електроніки та телекомунікацій кандидат технічних наук, доцент, Пащенко Сергій Валерійович, заступник начальника науково-дослідного управління Наукового центру Військово-Повітряних Сил України

Провідна установа - АНТК ім. О.К. Антонова

Захист відбудеться “27“ березня 2003 р. о 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради - Д26.062.03 Національного авіаційного університету (03058, м. Київ, пр. Космонавта Комарова,1).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою:

03058, м. Київ, пр. Космонавта Комарова, 1

Автореферат розісланий “26“ лютого 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д26.062.03 д.т.н.,Запорожець О.І.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Функціональні системи та комплекси авіаційного обладнання повітряних суден (АО ПС) виконують важливі специфічні задачі: управління польотом і режимами роботи силових установок, забезпечення життєдіяльності, контролю параметрів систем, і відносяться до систем високої цілісності та готовності, які суттєво впливають на безпеку польотів та ефективність застосування.

По даним ІСАО 8,8% авіаційних подій (АП) виникають із-за відмов авіатехніки, а 60…80% з них - відмови авіаційного та радіоелектронного обладнання. Причиною 80% усіх АП є фактор “людини”. Авіапарк ряду країн (Україна, Росія, країни СНД) на теперішній час суттєво застарів і потребує від експлуатанта значних зусиль по підтриманню авіатехніки в працездатному стані. Розвиток, удосконалення та підвищення ефективності функціонування АО ПС разом зі системою технічного обслуговування і ремонту (ТО) підпорядковані задачам забезпечення безпеки польотів.

Необхідність роботи визвана тим, що відомчі тенденції вдосконалення процесів створення та експлуатації для автоматизованих систем управління (АСУ) авіапідприємств вичерпали себе, тобто немає адекватності затрачених ресурсів по підтриманню рівнів надійності та безпеки польотів із фактично досягнутими результатами. Таким чином, це положення не може вважатися нормальним і потребує застосування системного підходу, нових інформаційних технологій, створення досконалих програмно-методичних та автоматизованих технічних комплексів.

Довгострокові програми розвитку авіатехніки ЦА України та Росії, як глибоко інтегрованих країн в цій галузі, з 2002 р. по 2015 р. визначили та систематизували проблеми вдосконалення та розвитку старіючого авіапарку ПС та визначили перспективи розвитку ПС п'ятого покоління. Авіоніка нового покоління проходить перехідний етап створення, випробувань та масового впровадження на перспективні ПС.

Очікуються суттєві вигоди та переваги порівняно з існуючими ПС: отримання ефекту, як властивості, відмовостійкої роботи та обробки інформації, інтеграція літакових функцій, перехід на програмовану експлуатацію, підвищення льотно-експлуатаційно-технічних характеристик (ЛТХ, ЕТХ), значний економічний ефект по життєвому циклу (ЖЦ).

Системи та комплекси АО мають складні структури і широко застосовують бортові обчислювальні засоби, а для виконання літакових функцій потребують різних видів резервування (структурного, інформаційного, функціонального, параметричного та ін.). Створення інформаційних технологій вимагає значних зусиль підприємств-розробників, органів сертифікації та експлуатаційних підрозділів при ТОіР по забезпеченню вимог Норм льотної придатності.

Комплексними показниками надійності та ефективності АО ПС виступають: відмовобезпечність, відмовостійкість, а критерієм системної ефективності - ймовірність успішного завершення польоту. Маючи на увазі велику складність АО, наявність різних режимів роботи та його енергоємність, забезпечення резервування представляє собою багатопланову задачу по науково-технічному рішенню та створенню методів, моделей, програмно-алгоритмічного забезпечення, методик та автоматизованих засобів. Процес експлуатації АО розглядається в єдиній сукупності задач льотної діяльності та ТО (особливі ситуації польоту, людино-машинні взаємодії систем “екіпаж-АО-середовище” та “екіпаж-ПС-середовище”, науково-практичне забезпечення через методи, моделі, методики та якість виконання ТО).

Значний вклад в розвиток теорії та практики експлуатації і ремонту авіаційних систем та ПС внесли вчені України та Росії: П.А. Соломонов, А.Г. Гамулин, М.С.Кулик, М.М. Смирнов, В.С. Новиков, В.О. Ігнатов, Ж.С. Черненко, Л.М. Артюшин, О.В. Соломєнцев, В.М. Воробйов, В.Г. Денисов, Р.В. Сакач, А.О. Комаров, Г.Ф. Конахович, С.О. Дмитрієв та ін.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами: методи, моделі, програмно-алгоритмічне забезпечення, методики є результатами виконання автором науково-дослідних робіт (НДР) з ГОСНИИ ГА, АНТК ім. О.К. Антонова, ГОСНИИ ЭРАТ ГА. Теми: “Разработка рекомендаций по совершенствованию методов обслуживания систем электрооборудования и ПНК самолёта Ту-154”, 305-В77, №77075502, 1979; “Оценка надёжности авиационных электрифицированных систем на стадии проектирования с учётом факторов эксплуатации”, С-4-81, 1982; “Моделирование процесса состояний динамических систем АО при оценке безотказности - отказобезопасности. Методика оценки уровней резервирования АО и рекомендации обоснования областей безотказной работы систем для выбора их структур”, 667-Х88, №3881, 1990; держбюджетні НДР № 104-ГБ92, 513-ГБ94, 765-ГБ97 та кафедральні 17К-96, 17К-99 (1990…2002 р.).

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є обгрунтування та створення методів забезпечення резервування відмовостійких систем АО на базі розроблених у роботі моделей (математичних, напівнатурних, фізичних) для розкриття внутрішніх властивостей АО в реалізації необхідного потенціалу в компонентах структур, щоб забезпечити прискорюючийся динамічний процес підвищення системної ефективності функціонування в умовах експлуатації серійних та перспективних ПС.

Об'єктом дослідження є відмовостійкі системи та комплекси АО та процеси в них.

Предмет дослідження - види резервування та їх рівні, що реалізується у структурах авіаційного обладнання. Методи та моделі виступають засобом підвищення ефективності функціонування АО.

Основні задачі наукового дослідження сформульовані та реалізуються по слідуючим напрямкам:

Аналіз стану та тенденцій розвитку сучасних і перспективних систем АО та методів підвищення надійності та системної ефективності функціонування ПС.

Розробка статистичних моделей оцінки показників надійності й ефективності процесів технічного обслуговування і ремонту та функціонування ергатичної системи “екіпаж-ПС-середовище”.

Дослідження показників безпеки польотів та ефективності процесу експлуатації із застосуванням методу статистичного моделювання.

Розробка математичних, напівнатурних, фізичних моделей підвищення системної ефективності функціонування систем автоматичного управління польотом (САУП), управління закрилками, рульовими приводами, інформаційної керуючої системи сигналізації введенням в їх структури параметричного, режимного та інформаційного резервування для розкриття їх внутрішніх властивостей.

Експериментальні дослідження відмовостійких існуючих та перспективних систем АО із застосуванням різних моделей функціонування.

Розробка та впровадження в умовах авіапідприємств розробників (проектування, сертифікація, серійне виробництво) та експлуатантів методів, моделей, методик по підвищенню надійності та ефективності систем АО.

Методи досліджень. При розв'язку поставленої задачі використовувалися методи системного та морфологічного аналізу, теорії оптимізації, теорії ймовірності та математичної статистики, методи параметричного та структурного синтезу, математичного, імітаційного, напівнатурного і фізичного моделювання, експериментальних досліджень і випробувань бортових систем АО, метод еквіфінальних динамічних можливостей виконавчих рульових приводів, метод багатолистої фазової площини та багатомірного простору.

Наукову новизну дисертації визначають слідуючі основні результати:

Сформульовано задачу системних досліджень комплексного розв'язку для авіапідприємств на ЖЦ: < проектування > < сертифікація >< серійне виробництво >< експлуатація > актуального напрямку підвищення ефективності відмовостійких систем АО введенням в їх структури резервування (параметричного, режимного, інформаційного) та управління резервами.

Розроблено методологічні основи створення та супроводження в експлуатації відмовостійкого АО шляхом розкриття внутрішніх властивостей на базі нових інформаційних технологій та сучасного експерименту.

Запропоновано метод реалізації принципу відмовостійкості АО, як логіко-динамічних систем, для системної реалізації властивостей АО на ЖЦ.

Сформовано сукупність прикладних задач, результати розв'язку яких обгрунтовують необхідні рівні резервування відмовостійкого АО шляхом розвитку та розробки методів, моделей, методик (статистичне моделювання процесу експлуатації, точний метод дослідження нелінійних слідкуючих систем, рішення задач діагностики та прогнозування, прямий метод оцінки якості функціонування по узагальненому показнику, імовірнісна модель інформаційно-управляючих систем).

Достовірність одержаних результатів базується на узгоджені теоретичних і експериментальних досліджень відмовостійких систем АО та процесу експлуатації, застосуванням методології системного підходу та адекватністю моделей статистичного, фізичного, математичного та напівнатурного експерименту, а також льотних випробувань різних типів ПС.

Практичне значення одержаних результатів. Задачі, які розв'язуються в дисертації, сформульовані виходячи з практичної необхідності удосконалення та розвитку авіаційної техніки, тенденцій переобладнання бортового авіаційного та радіоелектронного обладнання авіонікою нового покоління (з 2000 року) на перспективних ПС. Підтримання вітчизняної техніки у справному та працездатному стані розглядується на ближчий час як задача особливої державної важливості.

Основним практичним результатом роботи є створення науково-обгрунтованої методології побудови та інженерного проектування і випробувань відмовостійких структур АО, розробка методів і моделей підвищення відмовостійкості, підвищення динамічних та енергетичних характеристик систем АО, розширення функціональних можливостей та поліпшення експлуатаційних характеристик ПС в цілому.

Важливими практичними результатами є реалізовані нові інформаційні технології та комплекси автоматизованих технічних засобів у вигляді функціональних тренажерів систем (Ан-74, Ан-140, Ту-154, Як-42 та ін.), які дозволили суттєво підвищити якість навчання авіаспеціалістів в НАУ та виключило закупку дорогих виробів цього класу (акти впроваджень).

Особистий внесок здобувача. У роботах, опублікованих та виконаних у співавторстві, автору належать наступні результати.

Обгрунтовано оцінку ефективності систем контролю по ряду параметрів.

Постановка задачі врахування автоколивальних режимів в оцінці технічного стану релейних слідкуючих систем.

Сформовано узагальнений показник якості нелінійної системи управління закрилками по мультиплікативному критерію та обгрунтовано критерій “непопадання” в зону автоколивань.

Розроблено схеми функціональних тренажерів, алгоритмів, програмно-методичного забезпечення систем управління стабілізатором та інтерцепторів літака Як-42.

Розроблено методики оцінки рівнів параметричного та інформаційного резервування літака Ан-124; обгрунтування критерію вибору узагальненого показника якості по перехідним характеристикам.

Сформульовано та обгрунтовано види резервування систем і комплексів.

Постановка задачі обгрунтування рівня режимного резервування рульових приводів по еквіфінальним характеристикам; математична модель необхідних та наявних моментів і швидкостей двигуна та виконавчого приводу.

В темах НДР: С-4-81, 1982 р.; 305-В77, 1979 р.; 667-Х88, 1990 р. обгрунтовані: математична модель введення параметричного резервування в структуру системи управління закрилками літака ЦА та управління його рівнем на стадії проектування; рекомендації по удосконаленню систем управління закрилками, кондиціонування, інтерцепторами літака Ту-154. Сформульовані області безвідмовної роботи систем АО на стадії проектування.

Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи доповідалися на ряді науково-технічних конференцій (НТК) міжнародного, всесоюзного, республіканського та галузевого рівнів:

Всесоюзної НТК “Совершенствование технологических процессов ремонта авиатехники на заводах ГА”, ВГПО, Авиаремонт, Москва, 1984.

І ВНТК “Проблемы совершенствования радиоэлектронных комплексов и систем обеспечения полётов”, Київ, КІІЦА, 1989.

РНТК “Проблемы использования адаптивных систем эксплуатации оборудования”, Киев, РДЭНТП “Знание”, 1975…1990.

ВНТК “Перспективы развития методов технической эксплуатации авиационной техники” Київ, КІІЦА, 1979.

ВДНГ СРСР “Имитатор-тренажёр СУМК и стабилизатором самолёта Як-42”, Москва, 1987.

РНТК “Разработка новых информационных технологий проектирования и управления промышленных и разрабатывающих предприятий”, Київ, РДЭНТП, ИК АН УССР им. В.М. Глушкова, 1990.

ВНТ семінар “Актуальные проблемы создания автоматизированных систем обеспечения пожарной безопасности на базе микро-ЭВМ и МПТ”, Калинин, НПО “Спецавтоматика”, 1989.

І ВНТК “Безопасность полётов в условиях опасных внешних воздействий”, Київ, КІІЦА, 1981.

ВНТС “Применение вычислительной техники в учебном процессе по специальности электрооборудование ЛА”, Москва, МЭИ, 1982.

Міжвідомчий НТС “Методы повышения отказобезопасности систем и комплексов АО ВС на этапах ЖЦ ВС”, Київ, КМЗ ім. О.К. Антонова, 1986.

МНТК “Обеспечение безопасности полётов в новых экономических условиях”, Київ, КМУЦА, 1997.

МНТК “Методы управления системной эффективностью функционирования электрифицированных и пилотажно-навигационных комплексов”, Київ, КМУЦА “Авионика - 91, 93, 95”. 1991, 1993, 1995.

МНТК “Аэронавигация и авионика”, Київ, КМУЦА, 1997.

МНТК “Авиа - 1999, 2000, 2001”, Київ, НАУ, 1999, 2000, 2001.

Результати розробок експонувалися на ВДНГ СРСР, 1987, ВДНГ УРСР, 1988, 1989 рр., Конкурс МЦА, 1988.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 8 друкованих робіт, в т.ч. 6 статей у збірниках наукових праць, Державний стандарт України, навчальний посібник.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та 7 додатків. Обсяг основної частини складає 162 сторінки. В роботі наведено 63 ілюстрації, 18 таблиць, список використаних джерел містить 110 найменувань на 10 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. Обгрунтовується роль авіаційного обладнання в безпеці польотів ПС, особливості експлуатації старіючого парку та перспективних ПС та напрямки удосконалення бортового АО. Сформульована ціль, основні задачі досліджень, визначені методи досліджень і практична значимість роботи.

Розділ 1. Проведено аналіз типових структур систем та комплексів АО експлуатуємих та перспективних ПС з позицій реалізації властивостей та впливу АО на безпеку польотів та ефективність використання. Ефективність функціонування АО є важливою репрезентативною характеристикою ПС, що реалізується введенням у структури АО різних видів резервування і відновленням їх рівнів у експлуатації. Розроблена системна модель підвищення надійності АО на основі розв'язку комплексу інформаційно і методично ув'язаних задач системоутворення, цілеполягання, комплексно-цільового планування і ціледосягання по етапам життєвого циклу, що забезпечує єдиний науковий підхід до формування множини цілей на ЖЦ з потреб, а також розробку системних критеріїв ефективності процесів проектування, сертифікації, виробництва та експлуатації. Сформована сукупність властивостей АО забезпечує якість і ефективність рішень.

Розроблена багатоетапна модель інтегрованої АСУ (ІАСУ) авіапідприємств на основі дослідження внутрішніх властивостей будови структури, функціонування, адаптації та розвитку, методів і моделей. Використання логіко-динамічного принципу оцінки умов функціонування, прогнозування, контролю працездатності, діагностики дозволяє ідентифікувати виникаючі особливі ситуації в польоті та побудувати математичну модель процесів при відповідному ранжуванню АО по впливу на безпеку польотів

, (1)

де - різницевий вектор; - вектор нормативних значень параметрів і змінних; - вектор поточних значень параметрів і змінних; - ступінь адекватності параметрів і змінних моделі; - відповідність моделі вимогам безпеки польотів.

Сформульовані основні поняття: технічний стан, відмовостійкість, стабільність відмовостійкості, системна ефективність, види резервування.

В постановці задач дослідження визначено круг подальшого розвитку роботи через методи, моделі, програмно-алгоритмічне забезпечення, експериментальні дослідження властивостей, що реалізують властивості відмовостійкої авіоніки введенням різних видів резервування.

Розділ 2. В другому розділі роботи на основі методу статистичного моделювання проведено удосконалення процесу експлуатації сучасних і перспективних комплексів АО. Перебір технічних станів АО при ранжуванні вихідних ефектів по нормативній документації по виробництву польотів та ТО дозволяє здійснювати аналіз достатньо повної сукупності відмов АО, включаючи льотно-інженерно-технічні екіпажі (помилки операторів), на вихідні ефекти АО. Автоматизований аналіз показників відмовобезпечності та відмовостійкості здійснений із застосуванням універсального алгоритму, розробленого на кафедрі НАУ.

Алгоритм , вдосконалений у даній роботі, забезпечує: проведення багатофакторного аналізу впливу функціональних відмов АО на показники безпеки польотів і аналіз функціональної ефективності АО для прогнозування виникнення особливих ситуацій польоту. На друк видаються слідуючі масиви та змінні: статистика результатів відмов із врахуванням відмов парирування небезпечних наслідків екіпажем і основні показники безпеки польотів: коефіцієнт безпеки Кбез, регулярності Крег., готовності Кг, математичне очікування напрацювання на відмову М. Блоками формується час, що залишився до закінчення польоту Т

, (2)

де ТТЕК - змодельований польотний час; ТА - середня тривалість польоту. Вираз в квадратних дужках означає найближче ціле число не більше за величину в квадратних дужках.

Розв'язок задач діагностики станів включає етапи: логічного міркування, обробки вихідної інформації для прийняття рішення про оцінку технічного стану. Широко використана експлуатаційна статистика про відмови АО. Взаємозв'язок між блоками та зовнішніми характеристиками відмови (симптомами) представлена матрицями станів. В інших випадків використовуються пошукові схеми на основі математичної логіки по аналізу відмов та несправностей при наявності зв'язків: диз'юнктивного і кон'юнктивного .

Пошук відмов функціональних систем АО здійснений на основі методу, що використовує функціонально-логічні схеми для організації програми діагностики із застосуванням ЕОМ. Структура моделі наслідків функціональних відмов представляється таблицею, а видам відмов присвоюється цифрові позначення:

, (3)

- моделі наслідків функціональних відмов агрегатів і виробів ФС.

Діагностична модель працездатності АО по режимам дається у вигляді:

, (4)

де - признаки станів базових подій; - технічні стани, які характеризують функціонування системи.

Оцінка показників ефективності процесу технічного обслуговування комплексів АО здійснена статистичними методами на основі аналізу процесів систем льотної та технічної експлуатації з позицій їхнього взаємовпливу.

Дослідження системи експлуатації ПС передбачало проведення трьох етапів: етап діагностування, етап прогнозування та етап реалізації. Експлуатаційними параметрами вибрані:

коефіцієнт використання ПС в день старту ;

коефіцієнт робочого навантаження , де Тст - льотні часи,
N - кількість ПС, сд - тривалість дня старту, R - людино-години ТО та організації польотів.

Критерій готовності визначає внутрішню структуру ТО, а критерій ефективності - вимоги до системи ТО:

, (5)

де - функції розподілу випадкових величин.

Проблема підвищення ефективності екплуатуємої та перспективної авіоніки із врахуванням вимог безпеки польотів є в загальному багатокритеріальною задачею оптимального управління. Ціллю даних досліджень є вироблення конкретних рішень: визначення об'єкту та періодичності робіт ТОіР, оцінка технічного стану (діагностика і прогнозування), вироблення вимог до складу та кваліфікації персоналу, визначення критичних рівнів технічного стану (ТС).

В залежності від структур АО під ефективністю функціонування розуміється , а для систем виконуючих задач , де Ні - технічний стан системи; Фі - вихідний ефект; Р(Ні)-ймовірність знаходження АО в Ні стані; n-число станів; Рз - ймовірність виконання -й задачі (), Р(А/Ні) - умовна ймовірність події А при виконанні АО вихідного ефекту визначеної якості.

Розглянуті та досліджені різні структури АО.

Сформована сукупність показників надійності, експлуатації, безпеки польотів (масиви та змінні) із врахуванням можливостей діагностування, врахуванням статистики виявлених відмов, працездатності елементів захисту та процесу відновлення, а також ергатичних факторів і врахуванні статистики небезпечних відмов. Підготовлена інформаційна база для різних систем АО для оцінки функціонування на базі розробленого алгоритму організації інформаційної бази. Створена діагностична модель функції працездатності комплексів АО. По суті була вирішена задача виявлення “слабих” місць з ціллю вдосконалення процесу ТОіР (підвищення відмовостійкості та відмовобезпечності). Статистичне моделювання та створені моделі функціонування забезпечили отримання результатів при раптових відмовах АО, що не охоплює множину других їх видів.

Розділ 3. В розділі “Методи та моделі підвищення системної ефективності функціонування відмовостійких комплексів АО введенням резервування” особливу увагу приділено створенню методології та задачам синтезу систем підвищеної надійності, в тому числі при виникненні всіх поступових та других видів відмов. Ці задачі є найбільш приоритетними для етапу проектування, тобто при створенні структур АО в них повинен бути закладений потенціал (резерв), який забезпечує настройку на кращий режим функціонування або передбачені можливості недопуску відмов від дії факторів. Звідси й витікає сам принцип відмовостійкості АО, як продовження роботи при наявності відмов у апаратурі і (або) програмному забезпечені.

Виходячи з гіпотези поступової деградації параметрів складних систем АО на життєвому циклі ЖЦ і утворенні несподіваних відмов, розвинуті методи та моделі підвищення відмовостійкості систем шляхом здійснення настройок та регулювань без зміни структури системи. В роботі використана методологія, запропонована д.т.н., проф. Воробйовим В.М., і розвинута в задачах забезпечення систем АО параметричним резервуванням на прикладах лінійної “системи автоматичного управління польотом (САУП) - повітряне судно” та нелінійної слідкуючої системи управління закрилками (СУЗ).

Згідно ДСТУ 3589-97, розробленого з участю автора роботи, дані визначення ключових понять видів резервування та їх рівнів, область безвідмовної роботи, центр або область настройки. У роботі обгрунтований метод формування узагальненого показника якості, тобто оптимальної працездатності у розумінні забезпечення найкращих параметрів настройки (точності) для “САУП-ПС” та непопадання в автоколивальний режим для “СУЗ-ПС”. авіаційний обладнання моделювання кондиціонування

Використання прямого методу оцінки якості функціонування АО, який використовує перехідні характеристики та частинні критерії якості , де - відповідно граничний, оптимальний та наявний показники перехідного процесу і-тої системи. Якість систем АО визначається по узагальненому показнику якості (ОПК): в працездатному стані і ОПК = -1 (відмова) .

Границі областей безвідмовної роботи ОБР та підобластей настройки ПОН лінійних та нелінійних систем АО (“САУП-ПС” та “СУЗ-ПС”) мають індивідуальний вигляд (рис.1,2.). Множина технічних станів систем представляється у вигляді: ПОНОБРОБРВСКА, де ОБРВСК - ОБР влаштованої системи контролю. Алгоритм визначення технічного стану “САУП-ПС” в умовах серійного авіазаводу приведений на рис.3.

В релейних слідкуючих системах керування закрилками, рульових приводах введення параметричного резервування дозволяє суттєво підвищити точність відпрацювання закрилків і рулів, забезпечити оптимальне управління приводами у розумінні швидкодії та непопадання систем в автоколивальні режими, недопустимих по вимогам експлуатації. В якості потенціалу можливостей в системі закладені резерви, які при деградації параметрів вичерпуються, і система переходить у неробочий стан. Шляхом настройок і регулювань параметри блоків системи неначе “підганяються” друг до друга, і система переводиться в ОБР. Наявність розроблених методик дозволяє автоматизувати процес настройок і знизити витрати на пошук відмов і несправностей, коли до 80% експлуатаційних витрат витрачаються на цьому етапі.

Корекція динамічних властивостей слідкуючих релейних систем здійснюється введенням різних керуючих функцій виду:

, (6)

де - відповідно кут, швидкість, прискорення похибки системи; - функціональний зв'язок по ; - коефіцієнти зв'язків по і .

Отримані аналітичні залежності границь руху в фазовому просторі, які дозволяють розмістити робочу точку в області двозонних автоколивань ковзних режимів.

Метод еквіфінальних динамічних можливостей дозволив створити математичну модель підвищення системної ефективності функціонування рульових приводів САУ. За рахунок введення в структури режимного резервування. Розуміння та розкриття внутрішніх властивостей енергетичних каналів приводів дозволяє використовувати ненапружені режими роботи в тепловому відношенні та підвищити надійність функціонування.

Виходячи із реальних навантажень приводу, виявляються динамічно важкі режими роботи та проводиться вибір типу двигуна та передаточного відношення редуктора, коли виконуються вимоги динаміки:

, (7)

а також вимоги енергетики. В цій постановці одночасно мінімізуються маса і габарити рульового приводу.

Для складних діаграм навантаження отримана система нерівностей для вибору раціонального значення передаточного відношення редуктора:

, (8)

де і1, і2, і3,4 - передаточні відношення редуктора відповідно із умов виконання приводом вимог моменту, швидкості та прискорення; рм - максимальне значення кута відхилення руля; в - частота вимушених коливань руля; - жорсткість шарнірного моменту.

Подальшим етапом вибору двигуна приводу є перевірка на нагрів.

В роботі вирішена задача попередньої оцінки еквіфінальних динамічних можливостей проектуємого приводу, який має довільного вигляду механічні характеристики, з вимогами самої системи (стабілізації та управління). Задача розв'язується на попередній стадії проектування тобто до створення дослідного зразку. Якщо відомі еквіфінальні динамічні стани приводів й альтернативні варіанти енергетичних структур, а також установлений їх зв'язок з характеристиками надійності та експлуатації систем, то з'явилися можливість з системних позицій задовольнить загальносистемним критеріям якості.

Для інформаційно-управляючих систем (на прикладі системи сигналізації про пожежу авіадвигуна) отримані аналітичні імовірнісні моделі подій: правильного виявлення, невиявлення та “помилкової тривоги”. В основу методу покладений поліноміальний закон розподілення випадкової величини явища, що контролюється. Ймовірність події описується виразом

, a, b, d - ймовірності подій, відповідно правильного і неправильного виявлень та “хибної тривоги”; - біноміальні коефіцієнти.

Достовірність інформації, яка отримується системою можна оцінити трьома імовірнісними характеристиками. Інформаційна система, побудована на первинних датчиках з різними та однаковими характеристиками, із застосуванням принципу мажоритарності забезпечує слідуючі характеристики ймовірностей,

, , (9)

де - відповідно ймовірності правильного і неправильного виявлення подій та “хибної тривоги”, - утворювальна функція.

Підвисити якість інформаційних систем із n датчиків, у розумінні підвищення достовірності імовірнісних характеристик Pпо н,n можна або підвищенням достовірності інформації, що оцінюється імовірнісними характеристиками аі , bi, di самих датчиків, або вибором оптимальної інформаційної структури комбінованих систем датчиків.

Аналогічні загальні залежності можна отримати для комбінованих систем датчиків з різними імовірнісними характеристиками.

Розділ 4. Експериментальні дослідження відмовостійких резервованих систем і комплексів авіаційного обладнання приведені з застосуванням математичних, напівнатурних і фізичних моделей.

Розглядалися та досліджувалися процеси та системи управління закрилками літаків Ту-154, Ан-74, Ан-140, Ан-124, Ту-134, в електромеханічному та електрогідравлічному варіантах приводів. Проведено статистичне моделювання процесу експлуатації систем для обгрунтування стратегії експлуатації, вибору контролю, розподілення обладнання по методам ТО і оцінки дій екіпажу, тобто впливу на безпеку польотів та ефективність функціонування.

Математичне та напівнатурне моделювання системи “САУП-ПС” на етапах ЖЦ дозволило створити алгоритми настройки системи для умов серійного авіазаводу, а також виробити рекомендації по використанню моделі на других етапах ЖЦ (проектування з ціллю вибору варіанту і параметрів автопілота, сертифікації задоволення вимогам НЛГС, експлуатації настройки та регулювання системи “під реальне ПС”). Достовірність досліджень забезпечувалась високою відповідністю результатів експерименту в напрямку: <математична модель> <напівнатурна модель> <фізичний об'єкт> <льотні випробування>.

Статистичне моделювання процесу пошуку несправностей відмовостійких комплексів авіоніки здійснювалося з застосування програмно-алго-ритмічного забезпечення на прикладі системи управління закрилками літака Ил-86. В основу були покладені функціонально-логічні моделі в основних режимах роботи та матриці зв'язку елементів. На основі інформаційної моделі отримані результати моделювання, а саме, визначена ступінь впливу відмов та несправностей, дій екіпажу на безпеку польотів та ефективність функціонування. Був реалізований автоматизований пошук несправності в системах кондиціювання повітря, управління внутрішніми інтерцепторами літака Ту-154, на основі чого вироблені конкретні рекомендації для експлуатації.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

Значимість даної роботи в авіаційній галузі полягає в тому, що вона дозволяє реалізувати системний підхід до підвищення ефективності функціонування ПС і систем АО на базі інтегрованої АСУ підприємств розробників та експлуатантів.

В роботі сформовано конструктивний підхід до створення нових інформаційних технологій, які базуються на моделюванні процесів і систем, експлуатаційних стендових досліджень, методології льотного експерименту та оптимізації управління.

Проведено аналіз сучасних вимог до структур систем та комплексів ПС та їх властивостей для оцінки рівнів резервування на етапах ЖЦ, а також статистичне моделювання процесу льотної та технічної експлуатації різних систем і комплексів АО сучасних і перспективних ПС в задачах оцінки рівнів безпеки польотів, ефективності функціонування, контролю та діагностування для удосконалення процесів експлуатації, підвищення показників надійності: відмовобезпечності , відмовостійкості.

Результати експериментальних досліджень різних систем АО літаків
Ан-74, Ту-154, Ан-140, Ил-86 (системи кондиціонування повітря, рульових приводів автопілотів, систем управління закрилками та інтерцепторами та ін.) дозволяють оцінити вплив введення в їх структури різних видів резервування на ефективність функціонування при врахуванні ергатичних факторів. Наукові дослідження та результати дозволили зробити висновки:

Сформульовано задачу системних досліджень, яка забезпечує комплексне рішення для авіапідприємств на ЖЦ проектування сертифікація серійне виробництвоексплуатація і системну ув'язку ЛТХ, ЕТХ та надійнісних характеристик. Систематизовані основні підходи для побудови та дослідження моделей процесів та систем АО (перехідні процеси, діагностика, формування узагальненого показника якості, механізми відмов систем), що складають основу визначення шляхів підвищення системної ефективності функціонування відмовостійких систем АО.

Обгрунтовані основні напрямки підвищення результативності виробничої діяльності авіапідприємств. При цьому реалізується потенціал у компонентах АО за рахунок рішення задач цільовим функціям, включаючи резервування (параметричне, режимне, інформаційне, структурне), з ціллю забезпечення прискорюючогося динамічного процесу підвищення системної ефективності відмовостійкого АО для задач майбутньої експлуатації.

Розроблені теоретичні основи оцінки рівнів резервування (параметричного, режимного, інформаційного) для підвищення ефективності функціонування систем АО на основі створення методів та моделей для системної реалізації властивостей АО на життєвому циклі.

Сформульовані основні наукові поняття та визначення, які ввійшли в основу дисертаційних досліджень та створення Державного стандарту ДСТУ 3589 - 97 (системна ефективність АО, системний критерій ефективності, технічний стан, узагальнений показник якості функціонування, види резервування, відмовостійкість, відмовобезпечність).

Розроблено програмно-алгоритмічне забезпечення планування та управління технічним станом лінійних та нелінійних систем АО для відновлення рівнів резервування в експлуатації по логічно ув'язаної сукупності етапів ЖЦ для визначення їх відповідності вимогам нормативно-технічної документації, задачам сертифікації та розробки програмно-методичних і автоматизованих технічних комплексів.

Реалізовані нові інформаційні технології, які забезпечують розкриття механізмів відмов та несправностей складних систем АО з ціллю відновлення техніки на етапах ЖЦ. Методи, моделі та програмно-методичні та автоматизовані технічні комплекси впроваджені в умови проектних, серійних, експлуатаційних авіапідприємств та учбовий процес НАУ.

Сформована сукупність прикладних задач, результати розв'язку яких базуються на системному підході та нових інформаційних технологіях по забезпеченню резервування систем. Вони достатньо універсальні й можуть бути використані в інших галузях промисловості та транспорту України.

На основі отриманих у роботі наукових результатів реалізована концепція створення системи “АСУ - авіаційна професійна діяльність в умовах НАУ”, яка суттєво інтенсифікує процес пізнання та реалізації кваліфікаційних вимог ВНЗ (клас функціональних тренажерів систем літаків Ан-74, Ан-140, Ту-154, Як-42 та ін., математичні, напівнатурні та фізичні моделі систем).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ВИКЛАДЕНИЙ У ТАКИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

Сильнягин А.А., Алдошин А.И. Сравнительная оценка эффективности систем автоматического контроля электрооборудования летательных аппаратов. К.: КИИГА. Сб. “Перспективные методы обслуживания и управления надёжностью АиРЭО воздушных судов”. 1982, - с. 93-99.

Воробьёв В.М., Сильнягин А.А. Метод оценки технического состояния существенно нелинейных следящих систем ВС ГА. М.: ВГПО “Авиаремонт”, сб. науч. тр. ВНТК “Совершенствование технологических процессов…”, 1984, с.49-50.

Воробьёв В.М., Сильнягин А.А. Определение областей безотказной работы существенно нелинейных следящих систем управления полётом ВС. К.: КИИГА. Сб. “Эффективность технического обслуживания и ремонта ВС ГА”. 1987, - с. 47-54.

Воробьёв В.М., Сильнягин А.А. Электрифицированное оборудование. Системы управления механизацией крыла и стабилизатором самолёта Як-42. Уч. пос. К.: КИИГА, 1989, - 42 с.

Воробйов В.М., Кісельов А.Д., Сильнягін А.О., Захарченко В.П. та ін. ДСТУ 3589-97. Системи та комплекси авіаційного обладнання. Надійність та експлуатація. Терміни та визначення. К.: Держстандарт України, 1998, - 28 с.

Вашку Ж.О., Сильнягін А.О. Принципи конструювання виконавчих енергетичних приводів авіоніки з еквіфінальними характеристиками. К.: Вісник ЦНЦ ТАУ, вип.4, 2001, - с.54-56.

Сильнягин А.А. Методы и модели обоснования резервирования отказоустойчивой авионики воздушных судов. К.: НАУ. Проблеми підвищення ефективності інфраструктури. Зб. наук. праць №8, 2002, - с.70-73.

АНОТАЦІЯ

Сильнягін А.О. Методи та моделі забезпечення резервування відмовостійких систем авіаційного обладнання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальності 05.22.20 - експлуатація та ремонт засобів транспорту. Національний авіаційний університет. Київ, 2003 р.

Дисертація присвячена задачі підвищення ефективності функціонування відмовостійких систем АО шляхом забезпечення резервуванням потенційних та динамічних можливостей цих систем.

Приведені дослідження процесу експлуатації систем та комплексів АО методом статистичного моделювання з ціллю підвищення ефективності функціонування Результатами моделювання є: обгрунтування розподілу АО по стратегіям експлуатації та ремонту, показники надійності АО та безпеки польотів (відмовобезпечність, відмовостійкість, безвідмовність, параметри діагностування), розвиток програмно-алгоритмічного забезпечення.

Розроблені та розвинуті методи і моделі оцінки рівнів параметричного, режимного, інформаційного та структурного резервування з ціллю підвищення ефективності функціонування відмовостійких систем АО на етапах життєвого циклу. Дослідження проведене з використанням нових інформаційних технологій для чого були створені та розвинуті математичні, напівнатурні та фізичні моделі лінійних та суттєво нелінійних систем АО: систем управління закрилками та інтерцепторами, системи кондиціонування, а також ймовірністні моделі інформаційно-управляючої системи про пожежу всередині авіадвигуна (літаки Ан-38, Ан-74, Ан-140, Ту-154, Ил-86).

Ключові слова: відмовостійкість, відмовобезпечність, ефективність функціонування, метод, модель діагностування, прогнозування, життєвий цикл.

А. Silnyagin. Methods and models of security of reservation of fail-safe systems of aircraft equipment. - Manuscript.

The dissertation on getting a scientific degree of the candidate of engineering science on speciality 05.22.20 - maintenance and repair of tools of a carrier. National aviation university. Kyiv, 2003.

The dissertation is devoted to the task of a raise of effectiveness of operation of fail-safe systems of aircraft equipment (AE) by providing reservation of potential and dynamic capabilities of these systems.

The given researches of process of operation of systems and complexes of AE by a method of statistical simulation are carried out with the purpose of increasing effectiveness of operation. The outcomes of simulation are the following: the substantiation of distribution of AE under the strategies of maintenance and repair, parameters of reliability AE and air safety (trouble shooting, trouble stability, non-failure operation, parameters of diagnosing), development of program-algorithmic security.

In the dissertation there are developed and advanced methods and models of an estimation of levels of parametric, regime, information and structural reservation with the purpose of increasing of effectiveness of operation of fail-safe systems of AE at stages of life cycle. The researches are carried out with the use of new information engineering process , for what there were created and advanced mathematical, half natural and physical models of linear and essential non-linear systems of AE: control systems of flaps and spoilers, system of conditioning, and also probabilistic models of an informational - control system about fire inside an engine (aeroplanes Аn-38, Аn-74, Аn-140, Tu - 154, Il - 86).

Key words: trouble stability, trouble shooting, effectiveness of operation, method, model of diagnosing, forecasting, life cycle.

Сильнягин А.А. Методы и модели обеспечения резервирования отказоустойчивых систем авиационного оборудования. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20-експлуатация и ремонт средств транспорта. Национальный авиационный университет. Киев, 2003 г.

Диссертация посвящена задачам повышения эффективности функционирования отказоустойчивых систем АО эксплуатируемых и перспективных воздушных судов введением в структуры различных видов резервирования (параметрического, режимного, информационного, структурного). Для обоснования их уровней сформирована совокупность методов и моделей на основе новых информационных технологий, и проведены исследования различных процессов и систем авиационного оборудования; их процесса эксплуатации и ремонта (логико-динамических систем “САУП-ВС”, систем управления закрылками и интерцепторами, системы кондиционирования, рулевого привода, информационно-управляющей системы).

В реализации цели исследований были определены основные задачи, и сформирована совокупность методов и моделей повышения эффективности функционирования отказоустойчивых систем АО введением резервирования.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, списка литературы и приложений.

В работе проведен анализ типовых структур АО с позиции влияния на безопасность полетов и эффективность применения, определена связь показателей надежности и эффективности. Разработана системная модель повышения надежности на основе решения комплекса методически и информационно-увязанных задач система образования, целеполагания, комплексно-целевого планирования и целедостижения на жизненном цикле. Сформирована многоэтапная модель интегрированной АСУ авиапредприятий на основе раскрытия и исследования внутренних свойств отказоустойчивых систем АО (строения, функционирования, адаптации и развития).

На основе метода статистического моделирования осуществлено совершенствование процесса эксплуатации АО эксплуатируемых и перспективных ВС (Ан-74 Ан-140, Ту-154, Ил-86). Оценка показателей эффективности процесса ТОиР осуществлена статистическими методами на основе анализа функционирования систем летной и технической эксплуатации. Целью моделирования является выработка конкретных мероприятий для эксплуатируемой и перспективной авионики (определение объема и периодичности работ ТОиР, оценка действий экипажа, оценки технического состояния АО, выработка требований к составу и квалификации персонала, определение критических уровней технического состояния). Создана диагностическая модель функции работоспособности комплексов при внезапных отказах.

Разработана методология к задачам синтеза систем повышенной надёжности при постепенных отказах путём введения параметрического и информационного резервирования. Использован метод прямой оценки качества функционирования логико-динамической системы “САУП-ВС” и существенно-нелинейной следящей системы управления закрылками самолетов Ан-38, Ан-74, Ту-154 - метод фазовой плоскости и многомерного пространства. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение, и проведены исследования на математических, полунатурных и физических моделях, что обусловило высокую достоверность результатов. Исследования уровней режимного резервирования рулевых приводов осуществлено с применением метода эквифинальных динамических возможностей приводов и математического моделирования. Для информационно-управляющих систем обнаружения пожара использован закон полиномиального распределения случайных величин и проведён синтез структуры системы повышенной отказоустойчивости.

Разработанные методики внедрены в проектные и эксплуатационные авиапредприятия по созданию АО и совершенствованию процесса эксплуатации,(ГОС НИИГА, ГОС НИИЭРАТ ГА, АНТК им. О.К. Антонова и др.).

Ключевые слова: отказоустойчивость, отказобезопасность, эффективность функционирования, метод, модель диагностирования, прогнозирование, жизненный цикл.

Підписано до друку 25.02.03. Формат 60х84/16. Папір офсетний.

Офсетний друк. Ум. фарбовідб. 6. Ум. друк. арк. 1,16. Обл.- вид. арк. 1,25.

Тираж 100 примірників. Замовлення № 47-1. Вид № 6/ІІ.

Видавництво НАУ

03058. Київ-58, проспект Космонавта Комарова, 1.

Свідоцтво про внесення до Державного реєстру ДК № 977 від 05.07.2002

Размещено на Allbest.ru