устройство обнаружения отказов в резервированной системе

Формула изобретения

Устройство обнаружения отказов в резервированной системе, содержащее рабочий элемент (РЭ), два вычитающих устройства (ВУ) и два элемента сравнения, входы которых подключены к входу РЭ, а выходы - к соответствующим ВУ, входы которых подсоединены к выходу РЭ, отличающееся тем, что в него введены третье ВУ, четыре пороговых устройства (ПУ), два элемента НЕ, два логических элемента И, логический элемент ИЛИ и устройство индикации отказов (УИО), причем ко входам первого ПУ и второго ПУ подсоединены выходы РЭ, при этом к выходам первого и второго ВУ подключены соответственно последовательно соединенные третье ПУ, первый логический элемент И, элемент ИЛИ и УИО, и четвертое ПУ, второй логический элемент И, логический элемент ИЛИ и УИО, а к выходам первого и второго ПУ подсоединены соответственно третье ВУ и второй вход УИО, и второй вход третьего ВУ и первый элемент НЕ, к которому подключены третий вход УИО, при этом к входу второго элемента НЕ подсоединен выход третьего ВУ, а к выходу - второй вход первого логического элемента И и второй вход второго логического элемента И.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к современным пилотажно-навигационным комплексам (ПНК) летательных аппаратов и их бортовой радиоэлектронной аппаратуре и предназначается в основном для формирования сигналов оповещения об отказе элементов в резервированных системах радиоавтоматики и системах автоматического управления летательными аппаратами.

Системы автоматического управления ЛА, состоящие из радиотехнических и нерадиотехнических средств различного функционального назначения (автопилотов, средств радиоуправления, инерциальной навигации и др.), составляют основу современных ПНК ЛА. Одним из наиболее перспективных путей повышения надежности составных частей таких ПНК является резервирование их наиболее важных элементов. При этом для эффективного управления работой таких резервированных систем требуется информация об отказах их элементов, получаемая в реальном масштабе времени.

Поэтому обнаружение отказов в резервированных системах является одной из важных задач подсистем контроля работоспособности в системах автоматического управления и ПНК любых типов летательных аппаратов.

Обнаружение отказов возможно на основе применения элементов как аналоговой, так и цифровой техники, а также и при их совместном использовании. В настоящее время наиболее часто в обнаружителях отказов аппаратуры применяются аналоговые и цифровые микросхемы.

Известен обнаружитель отказов, построенный на основе сравнения параметров рабочей системы со среднеарифметическим значением выходных параметров нескольких систем [Г.А.Шевцов, Е.М.Шеремет. Логическое резервирование. - Л.: Издательство Львовского университета, 1973, с.35-36]. Условием отказа системы в этом случае считается ситуация, когда отклонение выходного параметра системы Х от математического ожидания m_x (истинного значения) превышает допустимый предел . Использование в качестве оценки математического ожидания случайной величины средней арифметической величины наблюдаемых значений представляется наиболее предпочтительным, так как такая оценка является состоятельной и несмещенной, а при нормальном распределении случайной величины (наиболее часто встречаемом на практике) также и наиболее эффективной [Г.А.Шевцов, Е.М.Шеремет. Логическое резервирование. - Л.: Издательство Львовского университета, 1973, с.35]. Такой обнаружитель содержит рабочий элемент (РЭ) и несколько элементов сравнения (ЭС), входы которых подключены к входу РЭ, а выходы к входам суммирующего устройства (СУ), к входу которого подключен также выход РЭ. Сигнал с выхода СУ подается на умножитель, где умножается на число, обратное сумме (n+1), где n - число ЭС, и далее поступает вход вычитающего устройства (ВУ), к второму входу которого подключен выход РЭ. На выходе ВУ формируется сигнал, равный разности выходного параметра РЭ и математического ожидания выходных параметров системы РЭ и n ЭС, несущий информацию об отказе.

Однако такой обнаружитель отказов имеет следующие недостатки: отсутствует возможность идентификации таких типов внезапных отказов (сбоев) как скачки значений выходного параметра системы вверх или вниз относительно среднего значения; вероятностные характеристики обнаружения существенно зависят от числа систем сравнения, чем их больше, тем лучше вероятностные характеристики обнаружения [Г.А.Шевцов, Е.М.Шеремет. Логическое резервирование. - Л.: Издательство Львовского университета, 1973, с.30-44; Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1988. - С.52 - (Массовая радиобиблиотека. Вып.1111)].

Известен также обнаружитель отказов, основанный на принципе мажоритарной логики (принципе выбора по большинству). Этот принцип широко используется для обнаружения внезапных и постепенных отказов в системах резервирования путем выборки из множества. В этом случае состояние рабочей системы сравнивается с состоянием ряда таких же систем. Признаком безотказности рабочей системы является совпадение ее состояния с состоянием большинства систем [Г.А.Шевцов, Е.М.Шеремет. Логическое резервирование. - Л.: Издательство Львовского университета, 1973, с.43-44]. Считается, что состояния рабочей и i-й системы сравнения одинаковы, если разность их выходных параметров меньше : , где - произвольная положительная величина (абсолютное значение порога сравнения).

Для конкретности и простоты изложения рассмотрим обнаружитель отказов, основанный на принципе мажоритарной логики в резервированной системе минимальной кратности, в которой может быть реализовано мажоритарное резервирование, состоящее из одного рабочего и двух резервных элементов (элементов сравнения). Такой обнаружитель содержит рабочий элемент, два вычитающих устройства и два элемента сравнения, входы которых подключены к входу РЭ, а выходы - к соответствующим ВУ, входы которых подсоединены к выходу РЭ. Выходные сигналы ВУ используются для формирования сигналов отказа системы. Сигнал отказа будет формироваться, если хотя бы одна разность будет больше принятого значения 8.

Основным недостатком такого обнаружителя отказов элементов резервированной системы является невозможность формирования сигналов для идентификации таких типов внезапных отказов (сбоев), как скачки значений выходного параметра системы вверх, например типа короткого замыкания, или вниз, например типа обрыва соединения, относительно среднего значения.

Наиболее близким, по технической сущности и достигаемому эффекту, является обнаружитель отказов, основанный на принципе мажоритарной логики, содержащий рабочий элемент, два вычитающих устройства и два резервных элемента (элемента сравнения), входы которых подключены к входу РЭ, а выходы - к соответствующим ВУ, входы которых подсоединены к выходу РЭ. Выходные сигналы вычитающих устройств несут информацию о состоянии рабочего элемента [Г.А.Шевцов, Е.М.Шеремет. Логическое резервирование. - Л.: Издательство Львовского университета, 1973, с.43-44]. При этом увеличение или уменьшение сигнала РЭ до уровня, при котором модуль разности этого сигнала и сигнала хотя бы одного ЭС становится больше принятого значения , будет свидетельствовать об отказе рабочего элемента. Таким образом, с использованием сигналов на выходах вычитающих устройств может быть сформирован сигнал об отказе РЭ резервированной системы.

Однако недостатком этого обнаружителя отказов является то, что с его использованием невозможно сформировать сигналы о таких типах внезапных отказов (сбоев), как скачки значений выходного параметра рабочего элемента системы вверх, например типа короткого замыкания, или вниз, например типа обрыва соединения, относительно среднего значения, а также о постепенных отказах такого же характера. Для формирования таких сигналов требуется создание фактически нового технического устройства обнаружения отказов, чувствительного к рассматриваемым типам отказов.

Технической задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей устройства обнаружения отказов за счет обеспечения возможности формирования не только сигналов об отказе рабочего элемента резервированной системы, но и сигналов, содержащих информацию о таких типах отказов (сбоев), как скачки параметров рабочего элемента системы вверх (типа короткого замыкания) или вниз (типа обрыв соединения), а также их плавного изменения такого же характера, путем использования в обнаружителе новых каналов фиксации направления скачков параметров рабочего элемента импульса и средств их преобразования и коммутации.

Поставленная задача решается за счет того, что в известный обнаружитель отказов, основанный на принципе мажоритарной логики, содержащий РЭ, два ВУ и два ЭС, входы которых подключены к входу РЭ, а выходы - к соответствующим ВУ, входы которых подсоединены к выходу РЭ, дополнительно введены третье ВУ, четыре ПУ, два элемента НЕ, два логических элемента И, логический элемент ИЛИ и устройство индикации отказов (УИО), причем к входам первого ПУ и второго ПУ подсоединены выходы РЭ, при этом к выходам первого и второго ВУ подключены соответственно последовательно соединенные третье ПУ, первый логический элемент И, элемент ИЛИ и УИО, и четвертое ПУ, второй логический элемент И, логический элемент ИЛИ и УИО, а к выходам первого и второго ПУ подсоединены соответственно третье ВУ и второй вход УИО, и второй вход третьего ВУ и первый элемент НЕ, к которому подключены третий вход УИО, при этом к входу второго элемента НЕ подсоединен выход третьего ВУ, а к выходу - второй вход первого логического элемента И и второй вход второго логического элемента И.

Формирование сигналов, содержащих информацию о таких отказах (сбоях), как скачки параметров рабочего элемента системы вверх (типа короткого замыкания) производится с использованием РЭ, первого ПУ, на выходе которого создается положительный импульс, если выходной параметр РЭ превысил верхнюю границу допустимого предела изменения параметра , и УИО, на второй вход которого поступает импульс с первого ПУ.

Сигналы, содержащие информацию о таких отказах (сбоях), как скачки параметров РЭ вниз (типа обрыв соединения) формируются с использованием РЭ, второго ПУ, первого элемента НЕ и УИО, на третий вход которого поступает положительный импульс с первого элемента НЕ, при этом на выходе второго ПУ создается отрицательный импульс, если выходной параметр РЭ вышел за нижнюю границу допустимого предела изменения параметра А.

С использованием РЭ, двух ЭС, трех ВУ, четырех ПУ, второго элемента НЕ, двух логических элементов И, логического элемента ИЛИ и УИО на первый вход которого поступают положительные импульсы с логического элемента ИЛИ, формируется сигнал, несущий информацию только о факте отказа какого-либо элемента резервированной системы (РЭ или ЭС) в соответствующей ветви сравнения, так как порог сравнения может быть превышен как в случае отказа РЭ, так и при отказе любого ЭС.

Техническое решение обладает новыми свойствами:

- многофункциональностью, выражающейся в способности обнаруживать не только внезапные и постепенные отказы, но и направления изменения (скачки) параметров рабочего элемента системы вверх (типа короткого замыкания) или вниз (типа обрыв соединения), а также их плавного изменения такого же характера;

- возможностью применения в широкой номенклатуре резервированных систем за счет выбора и установки соответствующих предельных границ (порогов) допустимого изменения параметров РЭ.

При этом идентификация скачков параметров РЭ вверх и вниз позволяет использовать устройство не только в интересах индикации отказов, но и в целях сокращения времени восстановления работоспособности отказавшего элемента за счет уменьшения временных затрат на поиск неисправностей.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства обнаружения отказов в резервированной на основе мажоритарной логики системе. На фиг.2 приведена временная диаграмма функционирования такого обнаружителя отказов.

Устройство обнаружения отказов в резервированной системе (фиг.1) содержит рабочий элемент 1, два элемента сравнения (резервных элемента) 2.1 и 2.2, три вычитающих элемента 3.1, 3.2, 3.3, выполненных в виде типового сумматора на интегральной микросхеме (ИМС) прецизионного операционного усилителя (ОУ) КМ551УД1А [Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ. пособие. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989, 240 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; вып.1143), с.50-53], четыре пороговых устройства 4.1 - 4.4, выполненных на ИМС К155ТЛ1 или К554СА2 по схеме триггера Шмитта или компаратора соответственно [Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ. пособие. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989, 240 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; вып.1143), с.56-57, 122], две логические схемы НЕ (отрицания) 5.1 и 5.2, выполненные в виде типовых инверторов на цифровых ИМС, например ИМС К155ЛН1, две логические схемы И 6.1 и 6.2, выполненные на типовых цифровых ИМС, например, ИМС К155ЛИ5, логическая схема ИЛИ 7, выполненная на типовой цифровой ИМС, например, ИМС К155ЛЛ1 [Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1988. - C.27, 40, 46 - (Массовая радиобиблиотека. Вып.1111)], устройство индикации отказов 8, которое может быть выполнено в цифровом виде на ИМС КР514ИД1 [Воробьев В.П., Сенин К.В. Интегральные микросхемы производства СССР и их зарубежные аналоги: Справочник. - М.: Радио и связь, 1990, с.198] и типовом светодиодном индикаторе [Хейзерман Д. Применение интегральных схем: Пер. с англ. - М.: Мир, 1984, с.91], причем входы элементов сравнения ЭС 2.1 и 2.2 подключены к входу РЭ 1, а выходы - к соответствующим ВУ 3.1 и 3.2, входы которых подсоединены к выходу РЭ 1, к входам первого ПУ 4.1 и второго ПУ 4.2 подсоединены выходы РЭ 1, при этом к выходам первого и второго ВУ 3.1 и 3.2 подключены соответственно последовательно соединенные третье ПУ 4.3, первый логический элемент И 6.1, элемент ИЛИ 7 и УИО 8, и четвертое ПУ 4.4, второй логический элемент И 6.2, логический элемент ИЛИ 7 и УИО 8, а к выходам первого и второго ПУ 4.1 и 4.2 подсоединены соответственно третье ВУ 3.3 и второй вход УИО 8, и второй вход третьего ВУ 3.3 и первый элемент НЕ 5.1, к которому подключены третий вход УИО 8, при этом к входу второго элемента НЕ 5.2 подсоединен выход третьего ВУ 3.3, а к выходу - второй вход первого логического элемента И 6.1 и второй вход второго логического элемента И 6.2.

Таким образом, заявленное устройство обнаружения отказов в резервированной системе обеспечивает формирование сигналов оповещения не только о фактах отказа рабочего элемента системы, но и о направлениях изменения (скачках) параметров рабочего элемента системы - вверх (типа короткого замыкания) или вниз (типа обрыв соединения), а также их плавного изменения такого же характера, что позволяет сократить время поиска и устранения неисправностей в резервированной системе.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам предлагаемого устройства обнаружения отказов в резервированной системе. Выбор из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к сформулированному техническому результату признаков в заявленном устройстве обнаружения отказов, которые изложены в формуле изобретения. Поэтому заявленное изобретение соответствует критерию «новизна».

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень» проведены поиск и анализ известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с признаками предлагаемого устройства обнаружения отказов в резервированной системе. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем. Заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:

дополнение известного средства каким-либо известным блоком, присоединяемым к нему по известным правилам, для достижения технического результата;

замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата;

увеличение однотипных элементов для достижения сформулированного технического результата;

создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между ними осуществлены по известным правилам, а достигнутый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связями между ними.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «Изобретательский уровень».

Предлагаемое техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», так как совокупность характеризующих его признаков обеспечивает возможность его существования, работоспособность и воспроизводимость, так как для реализации заявляемого технического решения могут быть использованы известные материалы и оборудование.

Рассмотрим работу устройства обнаружения отказов в резервированной системе. Для понимания существа работы устройства достаточно подробно рассмотреть только функционирование ветви, состоящей из РЭ 1 и ЭС 2.1, и подключенных к их выходам элементов, так как РЭ 1 совместно с ЭС 2.2 работает аналогичным образом. Поэтому на фиг.2 показаны эпюры напряжений только первой ветви. Рабочий элемент 1 и элементы сравнения 2.1 и 2.2 работают одновременно (так называемый нагруженный резерв). Сигнал с выхода РЭ 1 U _pэ (случайная реализация сигнала) подается одновременно на входы ВУ 3.1 и 3.2, на другие входы которых поступают сигналы с ЭС 2.1 (U_эc1) и 2.2 (U_эc2) соответственно, а также на входы ПУ 4.1 и 4.2. Пороговое устройство 4.1 имеет порог срабатывания U_вс и порог отключения U_вo , которые определяют верхнюю границу допустимого отклонения параметра РЭ 1 , а пороговое устройство 4.2 - пороги U_нс и U_но, определяющие нижнюю границу допустимого отклонения параметра РЭ 1 . На выходе ВУ 3.1 формируется сигнал U_ву1=U _рэ-U_эс1, а на выходе ВУ 3.2 - U_ву2 =U_рэ-U_эс2, которые поступают на ПУ 4.3 и 4.4 соответственно. При превышении этими сигналами порога сравнения на выходе ПУ 4.3 и 4.4 формируются импульсы высокого уровня U_пу3 (U_пу4) (логическая единица). Эти импульсы подаются на вторые входы логических элементов И 6.1 и 6.2 соответственно. Сами по себе эти импульсы несут информацию только об отказе какого-либо элемента (РЭ или ЭС) в соответствующей ветви сравнения, так как порог сравнения может быть превышен как в случае отказа РЭ, так и при отказе ЭС. Если произошел отказ РЭ, то при превышении значением параметра РЭ пределов допустимого отклонения вверх на выходе ПУ 4.1 формируется положительный скачок единичной амплитуды U_пу1, а при снижении ниже - отрицательный скачок U_пу2, поступающие на первый и второй входы вычитающего устройства 3.3. На выходе этого ВУ 3.3 формируется последовательность единичных импульсов U _ву3, которая после инвертирования (отрицания) элементом НЕ 5.2 (U_не2) подается на первые входы логических элементов И 6.1 и 6.2 соответственно. С выходов элементов И 6.1 и 6.2 импульсы через логический элемент ИЛИ 7 поступают на первый вход УИО и преобразуются в сигналы (световые, звуковые или комбинированные), несущие информацию об отказе элементов в соответствующей ветви сравнения (в ветви РЭ-ЭС 1 или РЭ-ЭС 2). Положительные импульсы с выхода ПУ 4.1 поступают на второй вход УИО и индицируются как отказы РЭ типа «короткое замыкание», то есть как скачок параметра РЭ вверх, а импульсы с выхода элемента НЕ 5.1 подаются на третий вход УИО 8 и отображаются как отказы типа «обрыв соединения», то есть как скачок параметра РЭ вниз. Таким во время функционирования резервированной системы на устройстве индикации отказов отображается информация как о самом факте отказа системы, так и о направлении выхода значений параметра РЭ за пределы допустимого диапазона вверх или вниз.

Для исследования характеристик предлагаемого устройства обнаружения отказов на основе структурной схемы (фиг.1) было проведено математическое имитационное моделирование процесса его функционирования с использованием пакета прикладных программ (ППП) Mathcad, а также машинное макетирование предлагаемого устройства с использованием ППП Samsim. С их использованием были оценены вероятности обнаружения отказов предлагаемым устройством обнаружения, пороговые устройства которого построены на базе триггера Шмитта, а логические элементы НЕ, И, ИЛИ на ИМС 155 серии [Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1988. - c.27, 40-46 - (Массовая радиобиблиотека. Вып.1111)]. При этом в качестве характеристик устройства обнаружения рассматривались относительная ширина порога допустимых изменений параметров РЭ и относительная ширина порога обнаружения отказов в УОО на принципе мажоритарной логики , а работа устройства обнаружения отказов исследовалась в два этапа: на первом этапе оценивались вероятностные показатели прототипа; на втором этапе моделировалось функционирование предложенного устройства обнаружения отказов в резервированной системе.

Вероятность обнаружения отказов прототипом (обнаружителем, построенным на принципе мажоритарной логики) Р_о определяется по формуле [Г.А.Шевцов, Е.М.Шеремет. Логическое резервирование. - Л.: Издательство Львовского университета, 1973, с.50]

где n, s, - число элементов сравнения, число разностей выходных сигналов РЭ и ЭС, удовлетворяющих условию их одинакового состояния, и порог определения этого условия соответственно;

A(n,s, ) - параметр, зависящий от выбранных значений n, s, и закона распределения величин ;

, , _y - допустимый предел отклонения выходного параметра Х РЭ от математического ожидания m_x, при котором считается, что РЭ работает безотказно, среднеквадратическое отклонение (СКО) величин и СКО условной плотности распределения вероятностей величин , найденной в предположении, что не более чем s разностей выходных сигналов РЭ и ЭС не удовлетворят условию их одинакового состояния, соответственно;

- табулированный интеграл Лапласа-Гаусса.

При статистическом моделировании функционирования заявленного устройства обнаружения отказов в резервированной системе выходной сигнал РЭ представлялся нестационарным случайным процессом, имеющим нормальное распределение с переменными значениями математического ожидания и СКО, соответствующими состояниям устойчивой работы и отказам типа «короткое замыкание» и «обрыв соединения». Значения порогов обнаружения изменения параметров РЭ вверх и вниз выбирались соответственно равными U_в=(m_рэ +3 _рэ) и U_н=(m_рэ+3 _рэ), где m_рэ, _рэ - среднее значение и СКО выходного сигнала РЭ соответственно.

Результаты расчетов и моделирования приведены в таблице, где представлены значения вероятностей обнаружения отказов предложенным устройством обнаружения отказов в резервированной системе и прототипом для различных типов отказов рабочего элемента.

Анализ полученных результатов показывает, что предлагаемое техническое решение позволяет с высокой вероятностью (0.9-0.95) обнаруживать и идентифицировать такие отказы рабочего элемента, как скачки его выходных параметров вверх (типа короткого замыкания) или вниз (типа обрыв соединения), а также их плавное изменение такого же характера, и формировать (индицировать) сигналы о таких типах отказов, что превышает возможности прототипа по распознаванию типа отказов РЭ. Заявленное устройство может быть использовано не только для индикации отказов, но и для поиска неисправностей. При этом следует ожидать сокращения времени восстановления работоспособности отказавшего элемента за счет уменьшения временных затрат на поиск неисправностей.

Изложенные сведения свидетельствуют о возможности выполнения при реализации заявленного устройства обнаружения отказов в резервированной системе следующей совокупности условий:

предлагаемое устройство обнаружения отказов в резервированной системе при его реализации позволит обеспечить формирование сигналов оповещения не только о фактах отказа рабочего элемента системы, но и о направлениях изменения (скачках) параметров рабочего элемента системы - вверх (типа короткого замыкания) или вниз (типа обрыв соединения), а также их плавного изменения такого же характера, что позволяет сократить время поиска и устранения неисправностей в резервированной системе;

показана возможность реализации на практике заявленного устройства обнаружения отказов в резервированной системе в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

предлагаемое устройство обнаружения отказов в резервированной системе при его разработке способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.