Полный текст

Введение. Электронное управление системами летательных аппаратов является одной из важнейших задач фирм-производителей [1-3]. Так, только за последние полтора года в РФ потеряно 10 космических аппаратов, значительная часть отказов произошла и по вине управляющей аппаратуры. Ещё свежи воспоминания о неудачах с космическим аппаратом «Фобос-грунт», ракетой «Протон» и др. Серьёзные проблемы имеются и в авионике, особенно в военной, в связи с импортозамещением электронной компонентной базы. Для управления и контроля работы авиационного газотурбинного двигателя используют системы трех видов: гидромеханическая, электронно-гидромеханическая и электронно-цифровая система управления двигателем, называемая РЭД - регулятор электронный двигателя. В Российской Федерации проблематикой РЭД занимаются в АО «ОДК СТАР» (г. Пермь) [4-6]. Применение основной и дублирующей автоматики ведет к дополнительным затратам при производстве, эксплуатации и обслуживании двигателя. Большинство зарубежных фирм-производителей ориентируются на переход к полностью электронной системе управления всеми органами летательного аппарата, к системе управления «с полной ответственностью» (FADEC - Full Authority Digital Engine Control system) [4-6], что предполагает также и обеспечение работоспособности в условиях ухудшения параметров самого двигателя. Для отказа от дублирующей автоматики необходимо, чтобы надёжность электронного контура управления двигателем была очень высокой [5, 6]. В статье предлагаются пути повышения надёжности РЭД на основе инновационных логических элементов. 1. Структура FADEC. Основой системы FADEC является электронный регулятор РЭД (Electronic engine controller - EEC) [5, 6] (рис. 1). Рис. 1. Состав FADEC В РЭД двигателя CFM56-7B (Boeing 737) используются два независимых компьютера, которые имеют названия «канал А» и «канал В». Наиболее важные датчики дублируются, в отдельных случаях дублируются цепи питания и управления каждого канала (некоторые датчики дублируются для каждого параметра). Дублируются соединители и кабели с РЭД. Цепи управления разнесены с цепями питания во избежание короткого замыкания (рис. 2). Совмещенные датчики Двойные датчики Одинарные датчики Одинарные датчики ЕЕС Канал В ЕЕС Канал А Внутренний канал данных Рис. 2. Соединение датчиков с РЭД Схема получения каналами РЭД данных от систем самолёта изображена на рис. 3. ЕЕС Канал В Активный ЕЕС Канал А Резервный Входные сигналы Входные сигналы Выходные сигналы Рис. 3. Схема получения данных РЭД Все входные сигналы РЭД дублированы и обрабатываются одновременно двумя каналами, однако на выход поступают данные лишь с одного канала, который является командным; второй канал называется резервным, но он может стать командным при следующем запуске двигателя, если при самопроверке основной окажется неисправным. В РЭД широко применяют программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), например, типа FPGA (field-programmable gate array) [7-9]. Используются и ПЛИС типа CPLD (Complex Programmable Logic Device) [10-14]. Количество транзисторов в современных ПЛИС достигает нескольких миллиардов, а количество логических элементов - миллионов, разработаны и адаптивные логические элементы (АЛМ). Имеются примеры ПЛИС FPGA с резервированием [15, 16]. 2. Резервирование РЭД на транзисторном уровне. С целью повышения надёжности FADEC предлагается резервирование на транзисторном уровне [17-19]. Тогда предлагаемое выражение вероятности безотказной (бессбойной) работы транзисторов по каждой переменной для экспоненциальной модели Вейбулла, используемой в том числе для оценки радиационной стойкости, имеет вид: (1) где l - интенсивность отказов одного канала, α - коэффициент распределения Вейбулла, 1 ³ a £ 2, t - время работы, r - число парируемых отказов. Рис. 4. Изменение вероятностей безотказной (бессбойной) работы нерезервированного транзистора, схемы, парирующей один отказ схемы, парирующей два отказа и схемы, парирующей три отказа при λ = 10-5 Например, в случае r = 1 гарантируется парирование отказа или сбоя любого одного транзистора в каждой «четвёрке», но затраты в количестве транзисторов возрастают с 1 до (r + 1)2. Проблемой является соблюдение ограничений Мида-Конвей на число последовательно соединённых транзисторов: обычно это четыре транзистора, в постоянных запоминающих устройствах ПЛИС (LUT - Look Up Table) это ограничение принято равным трем [20]. Графики изменения вероятностей безотказной (бессбойной) работы одного нерезервированного транзистора P(t), схемы FCT (r = 1), парирующей один отказ , схемы FCT (r = 2), парирующей два отказа , и схемы FCT (r = 3), парирующей три отказа , изображены на рис. 4. 3. Скользящее резервирование элементов РЭД. С целью повышения надёжности FADEC предлагается использование скользящего резервирования, возможности которого предоставляют современные ПЛИС. Необходимо только обеспечить возможность оперативной реконфигурации всей или части ПЛИС (такие возможности уже обеспечиваются некоторыми производителями). При этом возникает возможность восстановления LUT за счёт использования остаточной функциональности. Так, возможно использовать работоспособную половину LUT, а из этих «половинок» пополнять резерв элементов. При n основных элементах и m резервных скользящее резервирование обеспечивает работоспособность системы в случае, если работоспособно подмножество R элементов мощностью êR ê³ n: (2) Пусть d - максимальное требуемое количество отказавших элементов для восстановления исходной функции, - ближайшее меньшее целое натуральное число (ceil). Тогда (3) С учетом наличия переключающего устройства (ПУ) получим: (4) Соответствующие графики - без учёта интенсивности отказов переключающего устройства и с учётом интенсивности отказов переключающего устройства - изображены на рис. 5, 6. Рис. 5. Изменение РСССР с частичным восстановлением от числа резервных элементов m, основных n, времени t при λ = 10-5 при d = 3, без учета интенсивности отказов переключающего устройства Рис. 6. Изменение РСССР с частичным восстановлением от числа резервных элементов m, основных n, времени t при l = 10-5 при d = 3, с учетом интенсивности отказов переключающего устройства lпу = 10-7 Выводы. Таким образом, использование резервирования на транзисторном уровне позволяет существенно увеличить вероятность безотказной (бессбойной) работы ПЛИС, используемых в РЭД. Однако это требует существенной избыточности соблюдения ограничений Мида-Конвей. Менее избыточным вариантом может быть скользящее резервирование в ПЛИС РЭД, что может обеспечить восстановление отказавшего канала (с возможным снижением производительности) и использовать его для контроля командного канала в процессе полёта.

Об авторах

А. В Греков

Пермский военный институт войск национальной гвардии РФ

С. Ф Тюрин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет; Пермский государственный национальный исследовательский университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 131

PDF (Russian) - 81

Ссылки

• Ссылки не определены.