Автореферат (Динамика цифровых резервированных асинхронных многотактных систем управления магистральных самолетов)

Общая характеристика работыАктуальность работы. Практически все современные самолеты, начиная с Ту-204и Ил-96-300 оборудованы цифровыми системами дистанционного управления (ЦСДУ).Приихразработкевозникаетрядпроблем,несвойственныханалоговымдистанционным системам, не говоря уже о механических. Формирование требований кхарактеристикам ЦСДУ, качественная и количественная оценка влияния цифровойреализации СДУ и ее резервирования на динамические характеристики самолетатребуют разработки новых методов исследования и моделирования сложных цифровыхсистемуправления.Необходимоучитыватьмногоканальность,асинхронностьвыполнения операций между каналами резервированной ЦСДУ и внутри каждогоканала, многотактность, т.е.

использование различных частот для обновленияинформации и выполнения вычислительных операций, выравнивание информациимежду каналами для обеспечения идентичности вычислительных процессов вразличных каналах ЦСДУ. Для построения эффективной системы контроля ЦСДУнеобходима оценка рассогласований между контролируемыми сигналами, что такжетребует учета упомянутых выше особенностей построения и функционирования ЦСДУ.Необходимо получить распределения рассогласований для выбора параметров системыконтроля, чтобы удовлетворить требованиям к вероятности несрабатывания и ложногосрабатывания системы контроля.Объектомисследованияявляютсяцифровыерезервированныесистемыдистанционного управления современных высокоавтоматизированных самолетов.Предметом исследования являются методы и средства анализа сложныхрезервированных асинхронных многотактных ЦСДУ самолетов, особенности ихдинамики, методы синхронизации работы каналов ЦСДУ и оценка их влияния надинамические свойства элементов ЦСДУ, на устойчивость замкнутой системы«самолет – ЦСДУ» и на эффективность системы контроля.Целью диссертационной работы является формирование теоретического задела исоздание прикладных методов и средств для исследований и разработки цифровыхрезервированныхасинхронныхмноготактныхсистемуправленияинаучногосопровождения создания систем дистанционного управления магистральных самолетов.Впроцессевыполнениядиссертационнойработысформулированной выше цели были решены следующие задачи:3длядостижения1.Проведен анализ вариантов структурного построения ЦСДУ, функций иалгоритмовуправления,методовобеспечениянадежностиипостроенияэффективной системы контроля современных самолетов транспортной категории.2.Проведен анализ информационных потоков и вычислительных процессов,реализующих функции и алгоритмы ЦСДУ.

Определены типовые циклограммыработы ЦСДУ и сформулированы требования к максимальным допустимымзапаздываниям в трактах передачи информации системы управления.3.Разработаны методы расчета резервированных асинхронных ЦСДУ с цельюопределения их динамических характеристик, запасов устойчивости системы«самолет – резервированная ЦСДУ» и оценки их отличия от аналогичныххарактеристик для случая одноканальных синхронных систем.4.Разработаны методы анализа влияния выравнивания информации на динамическиехарактеристикирезервированныхЦСДУ.Проведенаоценкаискажениядинамических характеристик ЦСДУ вследствие выравнивания входных ивыходных сигналов, значений интегралов и фильтров.5.Проведена оценка влияния наиболее распространенных видов многотактностиЦСДУ на ее динамические свойства и устойчивость системы «самолет – ЦСДУ».6.Разработаны методы оценки рассогласований в цифровых системах управления,вследствие их дискретности, асинхронности и многотактности.7.Разработаны методы обеспечения идентичности состояний и вычислительныхпроцессоввканалахрезервированнойЦСДУдляеестабильногофункционирования как многомашинного комплекса.

Синтезированы и отработаныалгоритмы выравнивания значений интегральных звеньев и фильтров, а такжесинхронизации логических элементов релейно-гистерезисного типа.8.Разработаны методы выбора параметров системы контроля ЦСДУ для выполнениятребований к возможности ложного срабатывания.Научная новизна работы состоит в том, что:-Разработаны универсальные, практически применимые методы исследованиясложных цифровых систем управления современных самолетов с учетомособенностей их построения и функционирования.-Раскрыты особенности процессов, происходящих в цифровых резервированныхсистемах, и определено их влияние на динамику как самой системы управления,так и замкнутой системы «самолет – ЦСДУ».-Изучена структура передаточной функции, определяющей устойчивость замкнутойсистемы «самолет – ЦСДУ», выявлено наличие нелинейной зависимости запасов4устойчивости замкнутой системы от коэффициентов усиления ЦСДУ, проведенаколичественная оценка этого нелинейного влияния.-Выявлено влияние выравнивания информации между каналами ЦСДУ надинамические свойства системы, получены аналитические выражения дляэквивалентных передаточных функций и количественные оценки этого влияния.-Проведен анализ динамических характеристик систем с разными частотамиобновления информации, выявлен факт влияния циклограммы работы систем начастотные характеристики лишь при выраженном рациональном соотношениичастот обновления информации.

Исследовано влияние циклограммы работы надинамические характеристики двухтактной двухканальной системы, обнаруженазависимость структуры передаточной функции системы от циклограммы работы.-Предложенамодификацияметодагармоническогобалансасучетомтранспонирования гармоник, комбинированных на нелинейных элементах, внизкочастотную область, оценен их вклад в частотную характеристику.-Предложен подход к выбору параметров системы контроля для достижениямаксимальной эффективности контроля и выполнения требований к вероятности ееложного срабатывания.Теоретическая и практическая значимость работы.

Основные результатыработы использованы при разработке цифровых систем управления отечественныхмагистральныхсамолетов(Ту-204,Ту-334,Сухой Суперджет 100,МС-21).Сформированы требования к динамическим характеристикам основных трактовуправления и обратных связей с точки зрения устойчивости, управляемости ипостроения эффективной системы контроля и на их основе обоснованы частотыобновления информации этих сигналов. На основании разработанных методов анализасложных цифровых систем создано программное обеспечение для расчета частотныххарактеристик ЦСДУ и областей устойчивости.

Эталонные частотные характеристикибыли использованы при стендовых испытаниях реальных БЦВМ самолетов Ту-204,Ту-334, Сухой Суперджет 100. Предложены методы обеспечения согласованной работыканалов системы управления, разработаны алгоритмы выравнивания информации исинхронизации состояний. Проведенный анализ процессов в резервированной системеуправления самолета Сухой Суперджет 100 и полученные двумерные распределениярассогласований между каналами позволили обоснованно выбрать параметры системыконтроля и обеспечить ее эффективную работу.5Методыисследования.Входевыполнениядиссертационнойработыиспользовались методы исследования динамики полета и систем автоматическогоуправления, теории дискретных и многосвязных систем, теории конечных автоматов,теории случайных процессов и цепей Маркова, статистического анализа данных летныхиспытаний, а также математическое моделирование.Обоснованность и достоверность результатов.

Достоверность результатовподтверждается данными обширного набора вычислительных экспериментов, а такжесопоставлением с имеющимися данными физических экспериментов по стендовойотработке ЦСДУ самолетов Ту-204, Сухой Суперджет 100, МС-21.Реализация результатов работы. Результаты работы использовались приразработке и отработке цифровых систем дистанционного управления самолетовТу-204, Ту-334, Сухой Суперджет 100 и МС-21. Также теоретическая часть работыположена в основу программного пакета DASIS (Digital Asynchronous SystemsInvestigation Software), который применялся при расчете динамических характеристикЦСДУ и оценке запасов устойчивости самолетов с ЦСДУ.Апробация работы. Результаты работы докладывались на ряде российских имеждународных конференций, среди которых 8-й Международный аэрокосмическийконгресс(IAC-15)и7-яВсероссийскаянаучно-практическаяконференция«Имитационное моделирование.

Теория и практика» (ИММОД-2015). Диссертацияодобрена НТС комплекса безопасности полета ФГУП «ЦАГИ».Публикациярезультатов.диссертационной работы,Результаты,представленывполученныемонографии,ввходе20выполненияпубликацияхврецензируемых журналах и сборниках научных трудов, а также в сборниках тезисовконференций. Из них 12 статей в журналах из перечня ВАК РФ. Список основныхпубликаций автора по теме диссертации приведен в конце автореферата.На защиту выносятся следующие результаты:1.Комплекс универсальных, применимых на практике методов анализа цифровыхсистем управления с учетом особенностей их построения и функционирования,включаярезервирование,асинхронность,многотактностьивыравниваниеинформации по линиям межмашинного обмена.2.Результатыисследованийустойчивостисистемы«самолет–цифроваярезервированная СДУ», включая структуру передаточной функции, определяющей6устойчивость, нелинейную зависимость запасов устойчивости от коэффициентовусиления системы, оценку ее влияния на устойчивость системы «самолет – ЦСДУ».3.Аналитическиевыражениядляэквивалентнойпередаточнойфункциидвухканальной цифровой системы управления с прямой цепью, интегралом иапериодическим фильтром с учетом выравнивания информации.4.Выявленные особенности динамических характеристик многотактных систем,включаявлияниециклограммыработынадинамическиехарактеристикидвухтактной двухканальной системы, в том числе изменение структурыпередаточной функции системы в зависимости от реализуемой циклограммы.5.Методы обеспечения согласованной работы каналов системы управления,алгоритмы выравнивания информации и синхронизации состояний.6.Подход к выбору параметров системы контроля, обеспечивающий ее высокуюэффективность и выполнение требований к вероятности ложного срабатывания,методыиспользованиядвумерныхраспределенийрассогласованиймеждуканалами для обоснованного выбора параметров системы контроля и обеспеченияее эффективной работы.Объем и структура работы.

Работа состоит из введения, пяти глав и заключения,а также списка использованных источников с 96 наименованиями. Диссертация общимобъемом 314 страниц содержит 163 рисунка, 12 таблиц и 2 приложения.Личный вклад автора. Все основные результаты, изложенные в диссертации,включая постановку задач, их алгоритмическое решение и созданное программноеобеспечение получены автором лично или выполнены под его научным руководством ипри непосредственном участии.Содержание работыВо введении определено место работы в ряду исследований цифровых системуправления, обоснована потребность в разработке методов и средств исследованиярезервированных цифровых систем управления самолетов.В первой главе определен предмет исследования, т.е.

проведен обзор основныхособенностей построения и функционирования современных цифровых системдистанционного управления самолетов транспортной категории. Рассмотреныосновные требования, предъявляемые к самолету с ЦСДУ, и современный подход кразработке цифровых систем. Выделены основные особенности построения и7функционирования ЦСДУ, учет которых необходим при анализе устойчивости ихарактеристик управляемости самолета с цифровой системой управления. Среди них–асинхронностьработыцифровыхдатчиков,информационныхсистем,вычислителей и линий связи, многотактность, использование линий связи дляобеспечения идентичности данных, согласования вычислительных процессов исостояний вычислителей разных каналов.В настоящее время цифровые системы управления самолетов характеризуютсяследующими основными чертами (рис. 1):-системы управления строятся на базе цифровых вычислителей с применениемразнородного резервирования, цифровых информационных систем и линий связи,боковых ручек или миништурвалов и электрогидравлических приводов дляотклонения поверхностей управления;Рисунок 1 – Особенности построения и анализа современных цифровых системуправления самолетов-в ЦСДУ реализуется широкий набор функций для обеспечения заданныххарактеристик устойчивости и управляемости, ограничения параметров движения,8повышения комфорта управления, для реализации которых используютсяалгоритмы управления со сложными настройками по параметрам полета,нелинейными и логическими элементами;-самолет должен обладать отличными динамическими характеристиками, чтоприводит к жестким требованиям к динамике трактов управления.