Способы объединения основного и резервных каналов управления в системах

Рис.2.4

Рис.2.3

Рис.2.2

Рис.2.1

Общая схема системы с общим структурным резервированием:

m- количество резервных каналов; n – количество функционально-законченных элементов в каждом канале привода; Uвх – входной сигнал; Yвых – перемещение выходного звена привода.

Каждый канал на представленной схеме представляет собой один следящий электрогидравлический привод с позиционной обратной связи, подключённый к источнику энергии. Каналы привода (основной и резервные) состоят из n функционально законченных элементов. Отказ каждого из этих элементов (1,…n) приводит к отказу всего канала привода. Вероятность появления отказа каждого из этих каналов привода, включающего n элементов, за время полёта tп равна

(2.1)

а вероятность безотказной работы одного канала резервированного привода, основного или резервного канала (при условии, что они одинаковые) равна

(2.2)

Известно [2], что если резервированный привод имеет всего m+1 одинаковых каналов, включая один основной и m резервных, а для полноценного управления необходимо иметь k работающих каналов, то в этом случае вероятность обеспечения безотказного управления определяется выражением [3]:

, (2.3)

т.е. биномиальным распределением.

Здесь - количество сочетаний из m по j, j – номер канала (основного или резервного: j=1,…m+1),

- вероятность отказа одного канала,

- вероятность безотказной работы одного канала.

Если один канал многоканального привода (привода со структурным общим резервированием, при котором резервные каналы привода такие же, как и основной) рассматривать как один функционально-законченный элемент, то многоканальный привод в целом можно представить в виде структурной схемы с m+1 параллельно включенными функционально-законченными элементами (см. схему на рис.2.2).

Каждый из этих функционально-законченных элементов P_k(t) представляет собой один следящий канал привода, преобразующий входной управляющий сигнал в перемещение выходного звена привода.

Общая структура резервированного привода с общим резервированием.

Так, например, для резервированной системы приводов, состоящей из четырёх одинаковых каналов

вероятность отказов двух подканалов: ;

вероятность отказов трех подканалов: ;

вероятность отказов четырех подканалов: .

Вероятность сохранения управления (m+1) -канальным рулевым приводом со структурой, соответствующей схеме на рис.2.2 оценивается выражением:

. (2.4)

При требовании обеспечить вероятность безотказной работы привода не менее Р_mp(t) и, зная оценку безотказности работы одного канала привода P_k(t), можно для случая идеальных переключающих устройств определить необходимое количество резервных (дополнительных) каналов, обеспечивающее выполнение условия:

.

Необходимое для достижения численной оценки заданного уровня безотказности управления (Ртр) количество резервных каналов привода может быть приближенно определено следующим образом:

. (2.5)

Однако на практике зависимость безотказности привода от количества резервных каналов несколько отличается от теоретической кривой. Зависимость реальных оценок безотказности от общего количества каналов электрогидравлического привода показана на рис.2.3. При переходе от механического рулевого привода, к электрогидравлическим рулевым приводам, на основе обработки статистики аварий самолётов 1940 – 1950 –х годов была определена вероятность полного выхода из строя механического рулевого привода управления, которая составила около за один час полета [6]. Соответственно, вероятность полного выхода из строя системы дистанционного управления не должна была быть ниже. В то же время вероятность выхода из строя одного подканала электронной системы не превышает за один час полета. Следовательно, для достижения уровня надежности, соответствующего механической системе рулевого привода необходимо применять резервирование. Теоретически получается, что достаточно трех подканалов управления, чтобы удовлетворить требуемую степень безотказности, однако практически чем больше элементов и чем они сложнее, тем чаще они отказывают, что подтверждает реальная экспоненциальная зависимость, показанная на рис.2.3. Мировая практика создания высоконадёжных авиационных систем управления показывает, что только четырехканальная электрогидравлическая дистанционная система управления может обеспечить необходимый уровень безотказности.

Зависимость вероятности выхода из строя системы резервированного электрогидравлического привода от общего количества каналов: теоретическая зависимость и практическая оценка.

Большое значение при построении резервированного привода имеет способ подключения основного и резервных каналов к общему выходному звену.

Например, возможно построение многоканального привода с одним переключающим элементом, который по мере выхода из строя основного или резервных каналов подключает выходное звено к исправному каналу. Такая структура привода показана на рис.2.4 (первая схема). В этом случае вероятность возможности использования любого резервного канала привода после отказа основного канала привода не больше вероятности безотказной работы переключателя, который должен быть очень надёжным. Возможность отказа элемента переключения отказавшего канала на исправный канал существенно снижает общую надежность привода и влияет на выбор структуры резервированного привода. Более высоконадежный вариант включения резервного канала и отключения другого канала, вышедшего из строя, предусматривает введение переключающего элемента в каждый канал привода. Блок-схема структуры такого привода показана рис.2.4 (вторая схема).

Полагая, что переключающие элементы и резервные каналы отказывают независимо друг от друга, можно найти оценку безотказности каждого канала со встроенным переключающим элементом.

(2.6)

где Р пi – вероятность безотказной работы переключающего элемента в i -ом канале, а P_i - вероятность безотказной работы i-го канала без переключателя.

Вероятность отказа i -го канала с переключателем:

(2.7)

а вероятность отказа всех каналов привода:

. (2.8)

Вероятность сохранения приводом функции управления хотя бы одного резервного канала определяется выражением:

. (2.9)

Следовательно, наиболее целесообразной структурой резервированного привода является структура с общим скользящим резервированием [7.3], в котором все каналы резервированного рулевого включают в свой состав устройства отключения неисправного канала привода и являются равноценными. В такой системе привода при отказе одного канала управление осуществляется оставшимися работоспособными каналами или одним любым из оставшихся работоспособных каналов. В последнем случае имеет место резервирование по методу замещения. Таким образом, более высокую надежность обеспечивает структура привода, состоящего из одинаковых равно надежных каналов, включающих одинаковые наборы элементов, в том числе, и одинаковые переключающие элементы каждом канале, которому соответствует вторая схема на рис.7.2.4.

Два варианта структурной схемы переключения на резервный канал: с одним общим переключателем По (вверху) и переключателями (П1,…Пm), встроенными в каждый канал.

Практически, опыт разработки электрогидравлических систем приводов самолетов показывает, что количество электрогидравлических следящих приводов – каналов во многом определяется количеством независимых энергетических (гидравлических и электрических) систем на самолете. В свою очередь, количество гидравлических систем питания определяется количеством маршевых двигателей самолета и наличием надежных насосов относительно большой производительности. По мере совершенствования конструкций насосов гидравлических систем и по мере повышения их надежности конфигурация гидрокомплекса маневренных самолетов все более упрощается в направлении сокращения количества вторичных источников энергии и взаимосвязи между ними. Схема типового гидравлического комплекса маневренного самолёта показана на рис.2.5.

В настоящее время в основе типовой конфигурации гидрокомплекса маневренного самолета с двумя маршевыми двигателями лежат два насоса, каждый из которых установлен на маршевом двигателе. В современных маневренных самолетах в большинстве случаев на борту используются две независимые гидравлические системы. Именно они определяют количество параллельно работающих исполнительных механизмов резервированного рулевого привода каждой жизненно важной рулевой поверхности. Таким образом, исполнительные механизмы электрогидравлических приводов, основных рулевых поверхностей маневренных самолетов дублируются. Как было показано выше, оценки безотказности электронных компонентов комплекса управления больше чем на порядок отличаются от показателей безотказности исполнительных электрогидравлических механизмов. Поэтому кратность резервирования электронных трактов управления и их компонентов, как правило, в два раза превосходит кратность резервирования исполнительных гидравлических механизмов. В этом случае электрогидравлическая система дистанционного управления получается равнонадежной.