МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

Київський міжнародний університет цивільної авіації

УДК 629.735.083.06

АЛЬ ЛАВАМА АЙМАН

МЕТОДИ І МОДЕЛІ ОБГРУНТУВАННЯ

ВІДМОВОСТІЙКИХ СТРУКТУР

АВІАЦІЙНОГО ОБЛАДНАННЯ І АВІОНІКИ

Спеціальність 05.22.14 - Експлуатація повітряного транспорту

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Електрифіковані системи та комплекси повітряних суден” в Київському міжнародному університеті цивільної авіації Міністерства освіти України

Науковий керівник: доктор технічних наук,

професор Воробйов Владислав Михайлович

завідуючий кафедрою Електрифіковані системи та комплекси повітряних суден

“Київський міжнародний університет цивільної авіації”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Кулик Микола Сергійович

завідуючий кафедрою Технічна експлуатація літакових апаратів та двигунів

“Київський міжнародний університет цивільної авіації”

кандидат технічних наук, доцент

Рудюк Григорій Іванович

АНТК ім. О.К.Антонова

Провідна установа:

Київський інститут Військово Повітряних Сил України

Захист відбудеться 1 липня 1999 р. в 15 год.

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.О62.03 при

Київському міжнародному університеті цивільної авіації.

Адреса: 252601, м. Київ-58, ГСП, проспект Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Київського

міжнародного університету цивільної авіації.

Автореферат розісланий "31 " травня 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, д.т.н. Запорожець О.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. У теперішній час авіакомпаніями світу накопичений значний досвід по експлуатації авіоніки нового покоління. У той же час до 2000 року очікується масове впровадження в функціональні системи бортового обладнання авіоніки - на інтегральних модульних конструкціях. по відношенню до сучасного бортовому авіаційному і радіоелектронному обладнанню (БРЕО) її відрізняють наступні нові принципи: модульна конструкція, загальна відмовостійка обробка інформації, синергічні можливості, гнучкий самольотний інтерфейс, централізоване електроживлення, високі економічні характеристики по життєвому циклу (ЖЦ), можливість уніфікації обладнання для різних типів повітряних судів (ПС), розширені можливості для сертифікації по етапах ЖЦ.

Застосування авіоніки нового покоління дозволяє забезпечити нові можливості для груп колективів: розробників ПС, розробників і постачальників авіоніки, експлуатантів і органів сертифікації. Масовий перехід до авіоніки на перспективних ПС здійснюється на деякому відрізку часу і вимагатиме перехідного етапу, коли нарівні з традиційними системами авіаційного обладнання (АО) використовуються системи і комплекси нового покоління.

Комплексною характеристикою авіоніки є системна ефективність, як міра доцільності альтернатив структур і методів їх експлуатації. Під системною ефективністю розуміється відмежована узагальнена категорія властивостей поліергатичної системи "екіпаж - авіоніка - середа" або "екіпаж - ВР - середа", яка оцінюється показниками: будови, функціонування, адаптації і розвитку в структурах ЖЦ при обмеженнях на системні ресурси, і що реалізовує свої можливості (льотно-експлуатаційно-технічні, надійнісні і економічні характеристики) в умовах програмованої експлуатації (ЛТХ, ЕТХ).

Відмовостійкість - комплексний показник надійності функціо-нальної системи, який визначається імовірністю того, що система функ-ціонуватиме на певному рівні якості після того, як відбудеться відмова (або декілька відмов) у компонентах апаратури та (чи) програмного забезпечення.

Пріоритетність етапу проектування в реалізації властивостей авіоніки (економічних, надійністних, ЛТХ і ЕТХ) загалом дозволяє обгрунтувати конструктивний підхід до розкриття внутрішніх властивостей систем і процесів на етапах ЖЦ, автоматизуючи їх, орієнтуючись на кінцевий результат - підвищення рівня безпеки польотів і ефективності функціонування авіоніки.

Процесам створення і управління великими технічними і людино-машинними системами, що характеризуються сукупністю властивістю (багатокритеріальність, складність, динамічність процесів, інтеграція, цілісність і розділення функцій) присвячено досить багато робіт: Б.Н.Петрова, В.М.Глушкова, В.С.Міхальовича, В.І.Скуріхина, Л.В.Рабіновича, В.А. Полковнікова, Г.С. Поспелова, А.А. Красовського, А.І. Кухтенко, В.П. Кунцевича, Л.С. Понтрягина, В.В. Павлова, М. Атанса, М. Калмана, Б.Н. Окоємова, А.Г. Івахненко, К.Д. Жука, А.А. Тімченко, П.Р. Левковца та інших вчених.

Невелике число робіт присвячене розробці методологічних, теоретичних і прикладних основ підвищення системної ефективності функціонування комплексів бортового загальнолітакового обладнання, що безпосередньо впливає на безпеку польотів

Представлена робота містить результати аналізу і узагальнення досвіду експлуатації авіоніки типів ПС (В 767, А 320, А 340, Ту-154 і ін.) в країнах Ближнього Сходу; шляхи підвищення і обгрунтування системної ефективності відмовостійких структур авіоніки на різних моделях систем логіко-динамічного типу (ЛДС) з позицій системного підходу і методології ЖЦ. Основною концепцією роботи являється обгрунтування відмовостійких структур авіоніки перспективної ПС і що експлуатуються систем авіаційного обладнання (АО) на перехідному етапі масового впровадження авіоніки на прикладах енергетичних каналів систем рульових приводів ПС. Задача обгрунтування відмовостійких структур вирішується в категоріях:

- системних властивостей і ресурсів;

- аспектів діяльності за рахунок ефективного планування і

- реалізації принципів програмованої експлуатації;

- застосування комплексних заходів щодо резервування і відновленню працездатності на етапах ЖЦ.

Актуальність теми дослідження зумовлена тими реальними процесами розвитку авіакомпаній світу в області розробки і масового впровадження авіоніки на базі IMA, тенденціями розвитку ЦА, а також особливостями розвитку і експлуатації авіації країн Ближнього Сходу.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами темами.

Направлення і тема дослідження являється продовженням науково-дослідних робіт кафедрі “Електрифіковані системи та комплекси ПС”, які проводяться разом з АНТК ім. О.К. Антонова, АНТК ім. А.Н. Туполева (Росія), КІ ВПС, ІК ім. В.М.Глушкова НАНУ, авіакомпаніями GULF AIRCRAFT MAINTENANCE COMPANI і АТБ GAMCO (ОАЕ) і Іорданії, Інститутом Авіації (Польша г. Варшава).

Ціллю дисертаційної роботи є обгрунтування відмовостійких структур АО і авіоніки на перехідному етапі масового впровадження авіоніки шляхом розробки методів, моделей і інформаційних технологій на базі ІАСУ і впровадження принципів програмованої експлуатації.

Досягнення мети представляє рішення задачі державної важливості, а результати дозволяють розвивати системний підхід до проблеми підвищення ефективності функціонування і відмовостійкості авіоніки на базі ІАСУ. Це зажадає розкриття механізмів відмов і несправностей авіоніки і реалізації методів і засобів програмованої експлуатації. Основний напрям досліджень складається в обгрунтуванні відмовостійких структур АО і авіоніки що експлуатуються і перспективних ПС на ЖЦ, в категоріях: системних властивостей (ЛТХ, ЭТХ, надійнісні показники); системних ресурсів (функція, структура, параметр, резервування і його види); аспектів діяльності (економічні, організаційно-управлінські, ЛТХ, ЕТХ) за рахунок розробки і застосування методів, моделей, інформаційних технологій, ефективного планування і реалізації принципів програмованої експлуатації на базі ІАСУ.

Методы досліджень. Основою методів і моделей обгрунтування відмовостійких структур бортового обладнання є досягнення науки в області: надійність складних ергатичних систем авіоніки, методології системного підходу, основ теорії оптимізації і статистичних рішень, технічної механіки.

Методологічною основою впровадження авіоніки, є причинно-слідчі зв'язки системи: <авіоніка (АО)> <процеси>, які будучи навантаженими в умови експлуатації (очікувані і екстремальні), взаємодіють, утворюючи нову складну систему.

На основі системного підходу сформована сукупність підзадач, а їх рішення здійснюється на базі розкриття внутрішніх властивостей через методи і моделі теоретичного і прикладного значення ( "дерева" цілей ряду проблем, ймовірнісні і детерміновані методи і моделі оцінювання показників надійності функціонування лінійних і істотно нелінійних структур систем авіоніки на етапах ЖЦ при обмеженнях на системні ресурси).

Комплексною характеристикою бортового АО прийнята системна ефективність в категоріях будови, функціонування, адаптації і розвитку структур і методів їх експлуатації, а в якості критерію - імовірність благополучного виходу польоту. Критерій має ймовірносний характер і представляє твір ймовірностей різних подій: відмовостійкості, живучості і показників надійності системи "екіпаж - авіоніка - середа".

У роботі використана: методологія системного підходу, математичні моделі класу логіко-динамічних систем (ЛДС), метод фазової площини і багатомірний простору, модернізований метод гармонічної линіаризації, метод прямих оцінок якості функціонування авіоніки і т.д.

Наукова новизна. У дисертації сформована сукупність методів, моделей і інформаційних технологій підвищення системною ефективність для обгрунтування відмовостійких структур АО і авіоніки на перехідному етапі масового впровадження ПС з авіонікою. Теоретичні основи цих задач виносяться на захист.

Кінцевою концепцією в цій сукупності взаємопов’язаних задач є програмована експлуатація:

- застосування нових технологій, організаційно-технічних заходів, програмно-технічних засобів і можливостей програмованої експлуатації;

- нові принципи створення бортових відмовостійких систем і комплексів на базі IMA;

- сучасні кошти підготовки екіпажів.

Необхідність роботи викликана тим, що досягнуті рівні безпека польотів ВС не може вважатися задовільною, а тенденції поетапного вдосконалення процесу функціонування обладнання не дають відчутних результатів. Немає адекватності витрат ресурсів на забезпечення рівня безпеки польотів і істотного підвищення показників безпеки польотів. Крім того впровадження авіоніки на всіх типах ПС (після 2000 року) з її новими функціональними можливостями вимагає створення єдиних системообразуючих підходів в рішенні науково-практичних задач.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені і впроваджені в практику авіакомпаній GALF AIR, АТБ GAMCO (ОАЭ) і авіакомпаній Йорданії, а також в учбовий процес КМУ ЦА моделі, методики, алгоритми підвищення ефективності авіоніки на ЖЦ. Окремі результати роботи є розвитком НДР з АНТК ім. О.К. Антонова і іншими організаціями. Достовірність наукових результатів роботи забезпечена:

- застосуванням методу системного підходу;

- створенням логічно пов'язаної сукупності "дерев" цілей ряду проблем по обгрунтуванню відмовостійких структур АО і авіоніки на ЖЦ з ієрархічною структурою;

- використанням в роботі широко випробуваних в теорії і практиці точних і наближених методів дослідження;

- розробкою і застосуванням ймовірносних і детермінованих моделей на рівні математичних, полунатурних і моделей по випробуваннях з використанням сучасної нормативно-технічної документації (ARINC 651, ДСТУ 3589-97, ЕНЛГС) і статистичною інформацією по експлуатації АО.

Ефективність наукових результатів визначається тими вигодами, які виходять при своєчасному розв'язанні питань підвищення рівня безпеки польотів і ефективності функціонування перспективної ПС з відмовостійкою авіонікою; впроваддженням методик, моделей, методів, алгоритмів в практику авіапідприємств і учбовий процес.

Особливий внесок дисертанта. Автором проведений аналіз і узагальнена статистична інформація функціонування авіоніки літаків В 767, А320 по матеріалам авіакомпанії GALF AIR (ОАЭ) і літаків Ту-154, Ту-134, Як-40.

Сформовані "дерева" цілей ряду проблем, що формують основні методологічні принципи досліджень. З використанням методів: прямих оцінок якості функціонування лінійних і нелінійних систем енергетичного рівня, багатопелюсткової фазової площини і багатомірний простору, модернізованого методу гармонічної лініаризації (проф. Рабінович Л.В.), ймовірносних підходів проведені дослідження лінійних і нелінійних структур рульових приводів для обгрунтування їх відмовостійкості на ЖЦ.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи докладалися на міжнародних і вузовських науково-технічних конференціях: "Авіоніка - 95" (1995р.); "Аеронавігація - 96" (1996 м.); "Забезпечення безпеки польотів в нових економічних умовах" (1997 р.); "Аеронавігація і авіоніка - 98" (1998р.); "Людино-машинні приладні системи і комплекси" (1999р., м. Казань, Росія), а також студентських НТК КМУ ЦА.

Публікації. В процесі виконання досліджень опубліковано 17 наукових робіт: з них 5 статей і 4 матеріалів конференцій в збірниках наукових праць УТУ, ТАУ і працях МНТК "Забезпечення безпеки польотів в нових економічних умовах", "Аеронавігація і авіоніка - 98", а також виконано 9 доповідей на міжнародних і вузівских конференціях з публікацією тез доповідей.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається з введення, трьох розділів, основних результатів роботи і додатків. Основна частина роботи містить 269 с. машинописного тексту (в тому числі: 258с. зміст, 10с. списку літератури 114 с найменуваннями робіт), 53с. малюнків і гістограм. Додаток складається із 12с. машинописного тексту і 8с. копій актів.

ЗМІСТ РОБОТИ

Введення. Рішення проблеми безпеки польотів і ефективності функціонування системи "екіпаж - ПС - середа" при впроваджені авіоніки на базі IMA - інтегральних модульних конструкціях викликає необхідність проведення цілого ряду комплексних досліджень: визначення шляхів підвищення системної ефективності функціонування комплексів авіоніки; обгрунтування відмовостійких структур авіоніки і АТ, при обліку перехідного етапу; оцінки впливу чинників експлуатації на технічний стан авіоніки.

У першому розділі. 'Методологічні основи створення відмовостійких логіко-динамічних структур систем і комплексів авіаційного обладнання" визначені основні тенденції в розвитку і створенні бортових систем і комлексів. Прогресу транспортної авіації буде сприяти істотна економія ресурсів. Починаючи з 2005 року, на дозвуковий літаках, що застосовуються - до 35%.

Загальносвітовою тенденцією розвитку авіапарка є його оновлення на базі авіоніки нового покоління, коли вдається принципово вирішити нові задачі для чотирьох груп виробників: експлуатантів, виробників ВР, постачальників і розробників авіоніки, органів сертифікації на ЖЦ ПС. При цьому передбачається забезпечити наступні можливості: створити відмовостійкі структури авіоніки; уніфікувати загальнолітакове обладнання; здійснити інтеграцію функцій, їх розділення; забезпечити цілісність, можливість реконфігурації; втримувати відмови при роботі, що "продовжуються ".

Резервування структур авіоніки і стратегії їх експлуатації виступають засобом рішення задачі <ефективність> <якість> і основною проблемою авіації <безпека польотів> <системна ефективність> як задач зовнішнього контуру. У роботі сформована сукупність методів системного підходу в реалізації відмовостійких структур АО і авіоніки на етапах ЖЦ.

"Дерево" мети проблеми "Підвищення системної техніко-економічної ефективності перспективної ПС з авіонікою на базі IMA на ЖЦ" (мал. 1) дозволило декомпозувати проблему при використанні системного підходу до меті, підмети, методи, моделі, завдання, що дозволило "розв'язати" слабо структуровану систему і процеси в ній. Визначені категорії, які вигідні по відношенню до інтеграції відмовостійкості і модульності. В основу критерію проектування повинен бути встановлений принцип відмовостійкості для всіх функцій. Він визначає архітектуру системи, необхідний рівень відмовостійкості, а також самі системи, найбільш необхідні для інтеграції. Конструкція систем високої цілісності здійснює запас функціонального резервування, коли при недопустимості одиничної відмови функція зберігається. Для функції високої готовності в конструкції повинен проводитись ретельний пошук компромісу між вартістю збільшення числа елементів і вартістю загальної втрати роботи функції. Повна відмовостійкість на IMA може бути неефективною і незатребуваною; ефективність від неповного впровадження принципу відмовостійкості (при проектуванні) може виявитися високоефективною. Контролепридатність і ремонтопридатність - ключові чинники при впровадженні IMA, коли створюються потенційні економічні вигоди за рахунок ТО і підтримка обладнання в справному технічному стані (по ARINC 651 термін такого стану становить 15000 годин). Основний коментар авіаліній - ніяких ТО поза основною базою. Основним критерієм системної техніко-економічної ефективності ПС з авіонікою прийнята вартість повного ЖЦ, тобто первинна вартість ПС або первинна вартість володіння на ЖЦ. Її складові: первинна вартість ПС, вартість експлуатації і ТО, вартість доробок.

"Дерево" мети проблеми: Підвищення надійності функціональних систем з авіонікою і кінцевої ланки в безпеці польотів: "екіпаж - ПС" (мал.2) базується на сучасних уявленнях про інформаційні технології, НТД по виробництву польотів і нових можливостях ПС з авіонікою.

Основним критерієм, що має ймовірну основу, прийнята ймовірність благополучного виходу (завершення) польоту ПС ЦА, для супутньої ПС - ймовірність благополучного (успішного) виконання завдання, відповідно: :

де - ймовірності відповідно: відмовостійкості роботи авіоніки; непопадання ПС і авіоніки в умови небезпечних зовнішніх впливів (живучість); функціонування ергатичної системи "екіпажа - ПС"; i,. .b -. види впливів дій на складові надійності.

Відмовобезпека є домінуючим чинником - показники надійності функціонування, що володіє властивостями репрезентативності, інтеграції і цілісності виконання функцій ПС і систем. Вона, будучи комплексним показником надійності і ефективності функціонування системи "екіпаж - ПС", знаходиться на рівні проблеми - цілі досліджень. На рівні підпроблеми знаходяться властивості: відмовостійкість, живучість, показники надійності системи "екіпаж - ПС", "екіпаж - авіоніка", "екіпаж-авіаційне обладнання". На другому рівні проблеми - формування показників надійності, які визначають математичну і фізичну інтерпретації (по НТД). На третьому рівні проблеми - формування методик, моделей, алгоритмів, програм, які визначають власне показники надійності складаючих ланок: апаратури і програмного забезпечення.

"Дерево" мети проблеми "Підвищення системної ефективності відмовостійких структур авіоніки перспективних ПС" (мал.3) визначає мету - реалізацію відмовостійкої авіоніки при проектуванні. Під відмовою розуміємо несправність авіоніки при проектуванні, тобто її апаратурної частини і (або) програмного забезпечення ПО. Відмовостійкість структур передбачає проходження послідовно трьох процесів: відмова повинна бути виявлена; елементи, що відмовили визначені і ізольовані; ресурси перебудовані (реконфігурація). Ресурси, що залишилися необхідно організувати так, щоб керувати ними, тобто: здійснювати резервування; використати принцип ієрархії задач з можливими обмеженнями у виконанні функції (принцип "жертовності"); підключити механізм контролю відмови і реалізувати шляхи реконфігурації. У порівнянні з АО, що ксплуатується треба вважати, що середня наробка на відмову авіоніки , а частота відмов зросте .

Основним критерієм, при умові забезпечення вимог безпеки польотів, є отримання максимальних економічних вигод по всіх етапах ЖЦ, без переваги окремим етапам.

Ієрархічну структуру послідовного виконання завдання для досягнення мети Цс з позицій системного підходу можна представити системою рівнянь:

(3)

Де - безліч цілей, реалізація яких максимізує системну ефективність; - безліч властивостей, процесів і систем, які їх реалізують на ЖЦ; - безліч функцій і задач, які забезпечують реалізацію цілей на етапах ЖЦ; - підсистеми, які реалізують безліч функцій і задач .

Формалізація задач системою оптимізації здійснюється з використанням системної моделі - багатоцільової системи підцілей:

Процедура декомпозиції станів системи може бути подана графом деревовидного типу.

Тут - стан ЛДС і ПС, відповідних умовам польоту, в тому числі в особливих випадках: нормальному, ускладненими умовами польоту, складної ситуації, аварійному і катастрофічному

Cинтез (3) як рішення задачі ідентифікації полягає в тому, що поетапна модель М наближається до процесів функціонування системи S в процесі часу M S деякої алгоритмічної оптимізації.

Застосування методів ідентифікації реалізують інші методи послідовних переходів від моделі до моделі.

Основні принципи системного підходу до обгрунтування відмовостійких структур АО і авіоніки сучасної і перспективних ПС значною мірою сформовані в роботах Воробйова В.М., Тимченко А.А., Левковця П.Р. та інш. авторів, а також містяться в НТД ARINC 651, конструкторській документації ДСТУ 3589-97.

У дисертації розроблений організаційно-технічний і технологічній базис ИАСУ, що представляє сукупність етапів.

Підвищення відмовостійкості структур АО авіоніки здійснюється формуванням "дерева" критеріїв системної ефективності авіоніки на ЖЦ для розкриття внутрішніх властивостей (мал.4).

Системні критерії враховують три аспекти вимог: до якості процесів, до ресурсів, до динаміки процесів на етапах ЖЦ. Використання робіт академіків В.М.Глушкова, В.С.Міхалевича, В.Л.Волковича, А.А.Тимченко дозволило сформувати системні вимоги на рівні: якості процесів, ресурсів, динаміки.

1. Вимоги до якості результуючих процесів функціонування авіоніки і АО

де - якість функціонування АО і авіоніки (відповідно поточне і нормативне); - сімейство функціоналів якості процесів з , - сукупність властивостей (ЛТХ, ЕТХ) авіоніки і АО.

2. Вимоги до ресурсів

де - узагальнена трудомісткість виконання операції, а для варіанту структури в с В; - нормативний ресурс для досягнення .

3. Вимоги до динаміки процесів проектування (часу проектування)

де - функція продуктивності у часі алгоритму на етапах ЖЦ при варіанті структури в з В; - час виконання операції при варіанті структури в з В;

- ресурс на виконання операції а; - трудомісткість на виконання операції а при варіанті р з Е(р)структури алгоритму в.

Обмеженнями при системній оптимізації виступають ресурси (технічні і методичні): по операціях; по набору функціоналів, операторів і структур алгоритмів; умовах функціонування; логіки роботи АО і авіоніки і умов узгодженості структур алгоритмів і логіки задач.

Постановка задачі системної оптимізації в функції предикат.

.

Загальна умова системної оптимізації має вигляд

Критерій є узагальненою системною вимогою до цельових показників і ресурсів ИАСУ, що створюється.

Обмежений простір - висічений паралепіпед визначає внутрішні властивості систем і комплексів авіоніки і АО з цільовою функцією її експлуатації в майбутньому (мал. 4).

Ефективність функціонування може бути оцінена логічним добутком складаючих

Значення відповідають рівням особливих льотних ситуацій (УУП, СС, АС, КС) по окремому або сукупному ефекту.

В другому розділі “Методи і моделі забезпечення рівнів резервування лінійних логіко-динамічних систем авіоніки і авіаційного обладнання" проведений аналіз методів і засобів організації відмовостійких структур АО і авіоніки шляхом контролю, самокотролю і комутації резервів критичних функцій ПС.

Ймовірність виникнення деякої ОПС при роботі резервованої системи з ряду каналів n по схемі із загальним резервом і фіксованим "ведучим" каналом визначається виразом:

де - імовірність появи ОПС внаслідок відмов елементів системи до або в процесі заміни "ведучого" блоку (каналу), тобто поява відмови ведучого" каналу, що не контролюється і утворення ОПС, поява ОПС внаслідок відмови "ведучого" блоку в період між контролем (якщо контроль періодичний) і парирування наслідків відмов, а також відмов систем контролю і комутації;

- імовірність події, що укладається в переключені "ведучого" блоку на блок резерву;

- імовірність того, що за час t з резерву відмовлять K блоків (каналів).

Конструктор системи повинен насамперед забезпечити високе значення коефіцієнта повноти контролю:

і прийняти максимальні зусилля по виключенню відмов, що не контролюються.

При обліку різних видів резервування, а не тільки структурного, з можливо значним числом резервних каналів, існують ефективні шляхи підвищення . Для відмовостійких структур систем АО і авіоніки, тобто при характерний вираз:

У роботі розглядаються перші два рівні ієрархії.

До основних видів резервування функціональних систем відносяться: структурний резерв, параметричне, функціональне, інформаційне; ергатичне резервування, а також інші види, характерні для функціонування.

У відмінність від непрямих методів оцінки прямі методи дозволяють вирішити наступні задачі.

1. Для етапу проектування - обгрунтувати вибір структур САУ і передбачити необхідні (еквіфінальні) резерви, що забезпечують, по-перше, виконання вимог норм льотної придатності, по-друге, створити необхідну технологічну, технічну, експлуатаційну і інформаційну базу для подальшого її удосконалення і розвитку.

2. Для етапу серійного виробництва (ПС і авіоніки) знайти прийнятні рішення при установці САУ на ПС з урахуванням можливих "піднабудов" їх властивостей і обробці обладнання "під струмом".

3. Для етапу експлуатації необхідно сформувати комплекс методичних і технічних засобів для задач ідентифікації ТС (на формах ТОіР), проведення процедур відновлення ТС до проектного рівня.

4. Для органів сертифікації по етапах ЖЦ повинен бути сформований комплекс доказової документації для рішення комплексу задач визначення відповідності нормам льотної придатності.

Сформований узагальнений показник якості функціонування ЛДС АО, заснований на роботах проф. В.М.Воробйова.

Аналітично частковий критерій якості визначається виразом

Сформовані показники якості мають вигляд

При автоматизованих розрахунках областей безвідмовної роботи (ОБР) "САУП - ПС" необхідно змінити форму подання граничних умов, а оцінка якості САУ здійснюється по узагальненому показнику якості рівному

ОПК =

Узагальнений критерій якості функціонування з метою математичної коректності представляє собою критерій якості мультипликативного характеру. Узагальнений показник якості як критерій ефективності функціонування є мірою, що визначає область безвідмовної роботи і відмовних станів.

Для областей безвідмовної роботи

ОПК =

для непрацездатних (відмовних) станів

ОПК=-1 (10)

Об’єднаний показник якості представляє собою деяку узагальнену сукупність множиною критеріїв ж в просторі параметрів системи

ОПК =

де

Функція Хевісайда для множини значень в просторі

параметрів, визначається логічним виразом:

.

Критерієм безвідмовної роботи є умова

Розглянуті окремі випадки можливих станів систем.

Функції Хэвісайда, що оцінюють працездатність стану, визначаються логічними умовами

Визначений зв'язок між областями прецездатний і відмовних станів.

Формування критерію здійснюється з умов:

при при при недопустимих значеннях.

Оцінка якості "САУП-ПС" здійснюється по узагальненому показнику якості (ОПК):

ОПК =

ОПК = -1 для

Застосування математичного і напівнатурного моделювання дозволяє ідентифікувати задачу оцінки технічного стану системи "САУП-ПС" і являє собою автоматизований арсенал методів і засобів дослідження динамічних процесів в логіко-динамічних системах.

У третьому розділі “Методи і моделі забезпечення рівнів резервування нелінійних логіко-динамічних систем авіоніки і АО” досліджені релейні системи, що стежать: керування закрилками, рулями, поворотом крил ПС электромеханічного і електрогідравлічного типів. Достоїнствами преривистих методів управління виконавчими приводами АТ і авіоніки являються можності створення силових рульових приводів з еквіфінальними характеристиками; застосування виконавчих систем з істотно-нелінійними характеристиками; забезпечення високої відмовостійкості систем; мінімальної польотної масси і габаритів; можливості створення оптимальних по швидкодії систем. Однак, релейним рульовим приводам властиві автоколивні режими, які можуть бути допустимі (НТД) або недопустимі. У умовах "цифрового борта", властивого авіоніці, застосування переривних методів керування виконавчими приводами має особливий практичний інтерес.

Встановлення границь станів для довільного вигляду механічної характеристики двигуна може бути виражене при основному припущені: (добре стабілізовані системи). Аналітичні вирази границь руху в основному мають теоретичний інтерес, для практики достатньо визначити положення границь .

У області існування двозонних автоколивань можуть реалізовуватись три типи перехідних процесів: аперіодичний, коливний і вібраційний, тому необхідно провести обмеження в координатах для вибору коефіцієнтів і типу керуючої функції, які визначають наявність ковзаючого руху.

При визначенні границь двозонного ковзаючого режиму обмеження зведені до існування границь . У ряді робіт показано існування близькості оптимальних і ковзаючих режимів і отримання найкращих перехідних процесів в значенні швидкодії, тобто вибір (розташування) зображаючої точки поблизу границі (зліва від неї) і вище за лінію . Автоколивання будуть двозонними, а перехідний процес - близьким до оптимального.

Суть застосування модернізованого методу гармонічної лінеарізації, розробленого проф. Рабіновічем Л.В., заключається в тому, що метод побудови передбачає при прийнятих припущенях (малий вплив вищих гармонік на виході нелінійного елемента на властивості системи; наявність в системі тієї частоти, яка є на вході) в системі на виході не повинно виникнути автоколивань, тобто вона повинна бути стійкою. Частотну характеристику замкненої системи можна будувати тоді, коли відсутня точка перетину фазової траєкторії лінійної системи з фазовою границею стійкості.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ І ВИСНОВКИ

1. Обгрунтована актуальність досліджень з позицій системного підходу, існуючих тенденцій і обліку льотно-експлуатаційно-технічних, надійнісних, економічних характеристик і вимог безпеки польотів і сформована сукупність методів системного підходу в реалізації відмовостійких структур АО і авіоніки на етапах ЖЦ.

2. На основі методології системного підходу сформовані "дерева" цілей ряду проблем по підвищенню системної техніко-економічної ефективності, відмовостійкості авіоніки і АО.

Проблеми мають важливе науково-практичне значення в області розробки, впровадження, експлуатації і сертифікації авіоніки і ПС і вирішувалися вперше.

3. Сформовані організаційно-технічний і технологічний базис ИАСУ на основі розкриття внутрішніх властивостей проблеми підвищення ефективності відмовостійких структур і систем:

"екіпаж -ПС" і "авіоніка (АО) - ПС" і "дерево" критеріїв системної ефективності функціонування "екіпаж-ПС"

4. На основі аналізу методів і засобів організації відмовостійких структур систем АО і авіоніки шляхом контролю, самоконтролю і комутації резервів сформовані методологічні і прикладні аспекти побудови відмовостійких структур (на прикладі АБСУ). Дана імовірнісна і статистична оцінка ефективності відмовостійких структур.

5. Розкриття внутрішнього змісту властивостей лінійних і істотно- нелінійних логіко-динамічних систем АО і авіоніки для задач підвищення відмовостійкості їх структур здійснено (на прикладах систем "САУП-ПС" рульових приводів автопілотів, систем керування закрилками) методами параметричного резервування. Обгрунтовано використання методу прямих оцінок на основі узагальненого показника якості функціонування.

6. Проведені дослідження з розробкою математичних, натурних моделей і застосуванням сучасних методів (метод багатолистової фазової площини і багатомірного простору, модернізований метод гармонічної лінеарізації) релейних рульових приводів з урахуванням характерних нелінейностей: тертя, "люфт" в передачі для різних способів корекції (послідовного, глибокого жорсткого від’ємного зворотного зв'язку). Виявлені особливості функціонування релейних приводів.

7. На основі підходів розроблена методика обгрунтування рівня параметричного резервування відмовостійких релейних рульових приводів.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах:

1. Малкави М.М., Вашку Орланду Жозе, Аль Лавама Айман. Обобщение опыта эксплуатации авионики стран Ближнего Востока. Матер. МНПК "Обеспечение безопасности полётов в новых экономических условиях". – К.: КМУ ГА, 1997, 249 - 250 с.

2. Малкави М.М., Вашку Орланду Жозе, Аль Лавама Айман. Методология формирования обобщенного показателя качества логико-динамических систем авиационного оборудования. Зб. наук. праць, "вип.3 Системні методи керування, технологія та організації виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів". - К.: УТУ, ТАУ, 1997, 155-156 с.

3. Малкави М.М., Вашку Орланду Жозе, Аль Лавама Айман, Воробьёов А.В. Идентификация работоспособных и безотказных состояний САУ ВС в условиях ИАСУ авиапредприятий. Зб. наук. праць, "вип.3 Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів". - К.: УТУ, ТАУ, 1997, 157-158 с.

4. Аль Лавама Айман. Обоснование метода прямых оценок качества функционирования логико-динамических систем. Материалы МНТК "Аэронавигация и авионика -98". - К.: КМУ ГА, 1998, 99-100с.

5. Аль Лавама Айман, Вашку Орланду Жозе. Формирование обобщенного показателя качества логико-динамических систем. Материалы МНТК "Аэронавигация и авионика -98". - К.: КМУ ГА, 1998, 99-100 с.

6. Малкави М.М., Айман А.Л. Обобщение опыта эксплуатации авионики в условиях стран Ближнего Востока. Материалы "МНТК "Аэронавигация и авионика -98". - К.: КМУ ГА, 1998, 103-104 с.

7. Воробьев В.М., Джиджора Н.П., Айман А.Л., Доброгорская Ю.В. Иерархическая структура реализации "дерева" цели проблемы: "Повышение системной эффективности отказоустойчивых структур АО и авионики". Зб. наук. праць, "вип.5 Системні методи керування, технологія та органвзація виробництва, ремонту в експлуатації автомобвлів". - К.: УТУ, ТАУ, 1998, 164-172 с.

8. Айман А.Л., Вашку О.Ж., Воробьёв А.В. Организационно-тех-нический и технологический базис создания ИАСУ авиапредприятий. Зб. наук. праць, "вип.5 Системні методи керування, технологія та органвзація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів". - К.: УТУ, ТАУ, 1998, 142-147 с.

9. Воробьёв В.М., Джиджора Н.П., Айман А.Л., Доброгорская Ю.В. Повышение системной эффективности отказоустойчивых структур авионики перспективных ВС. Зб. наук. праць, "вип.5 Системні методи керування, технологія та органвзація виробництва, ремонту і експлуатації автомобвлів". - К.: УТУ, ТАУ, 1998, 159-164 с.

АНОТАЦІЯ

Аль Лавама Айман. Методи і моделі обгрунтування відмовостійких структур авіаційного обладнання і авіоніки.

Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.14-експлуатація повітряного транспорту. – Київський міжнародний університет цивільної авіації, Україна, Київ, 1999 р.

Робота направлена на підвищення системної ефективності та відмовостійких структур авіаційного обладнання і авіоніки на перехідному етапі впровадження інтегральних модульних конструкцій на типи ПС. Тема виконувалась за проханням керівництва авіакомпанії Галф Аер (ОАЕ) і Іорданії. На основі системного підходу сформована сукупність методів, моделей, методик, алгоритмів забезпечення високої відмовостійкості функціональних систем ПС в умовах програмованої експлуатації на базі ІАСУ авіапідприємств на життєвому циклі.

У прикладних задачах обгрунтування відмовостійких структур досліджувалися лінійні та суттєво-нелінійні системи керування рулями, закрилками ПС електромеханічного та електрогідравлічного типів.

Ключові слова системна ефективність, відмовостійкість, авіоніка, програмована експлуатація, узагальнений показник якості.

АННОТАЦИЯ

Аль Лавама Айман. Методы и модели обоснования отказоустойчивых структур авиационного оборудования и авионики. Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.22.14 – эксплуатация воздушного транспорта, - Киевский международный университет гражданской авиации, 1999 г.

Работа направлена на повышение системной эффективности и обоснование отказоустойчивых структур авиационного оборудования и авионики на базе создания ИАСУ разрабатывающих и эксплуатационных авиапредприятий и принципов программированной эксплуатации. Применение новых информационных технологий, организационно-технических мероприятий, программно-технических комплексов и современных методов и средств подготовки инженерно-технических и лётных экипажей при внедрении авионики на перспективных ВС позволяет получить новые качественные повышения безопасности полётов и эффективности ВС на жизненном цикле. Государственное значение работы состоит в том, что на этапе массового внедрения авионики на базе IMA её достоинства могут быть реализованы на основе системных методов в задачах повышения системной эффективности и отказоустойчивости через ИАСУ и программированную эксплуатацию.

Разработаны методологические, теоретические и прикладные основы по обоснованию отказоустойчивых структур АО и авионики, в том числе на переходных этапах внедрения авионики. Методологические аспекты решения задач формируются на основе совокупности “деревьев” целей ряда проблем:

-

-

-

-

Эти результаты позволили упорядочить слабоструктурированные системы и выработать научные принципы их решения.

Сформирован организационно-технический и технологический базис ИАСУ авиапредприятий, реализующий свои принципы на основе програм-мированной эксплуатации.

Разработаны математические модели оценки качества функ-ционирования линейных и существенно-нелинейных рулевых приводов ВС (вероятностные, статические, детерминированные). На основе анализа методов и средств организации отказоустойчивых структур систем АО и авионики путём контроля, самоконтроля и коммутации резервов сформированы методологические и прикладные аспекты построения отказоустойчивых структур. Дана вероятностная и статистическая оценка эффективности отказоустойчивых структур. Получены аналитические зависимости вероятностей возникновения основных полётных ситуаций при различных видах отказов.

Разработаны методики формирования обобщенного показателя качества функционирования логико-динамических систем и определены особенности функционирования существенно нелинейных ЛДС. Для –рулевых релейных приводов предложена методика согласования свойств привода со свойствами объекта управления. Разработана методика обоснования уровня параметрического резервирования отказоустойчивых релейных рулевых приводов, базирующаяся на применениях результатов метода прямых оценок ЛДС.

Разработаны и проведены исследования на математических, натурных и полунатурных моделях с применением современных методов (метод многолистной –фазовой плоскости и многомерного пространства, модернизированный метод гармонической линеаризации, вероятностные и статистические подходы) линейных и релейных рулевых приводов электромеханического и электрогидравлического типов с учётом характерных нелинейностей (трение, “люфт” в передаче). Выявлены особенности функционирования релейных систем (устойчивая работа, появление автоколебаний, возникновение явления “скачкообразного” резонансов, которые дополняют формирование управляющих функций и обобщенного показателя качества).

Сформирована совокупность методов системного подхода в реализации отказоустойчивых структур АО и авионики на этапах ЖЦ. Сформированы новые понятия как основа дальнейшего развития: отказоустойчивость; стабильная отказоустойчивость; пригодность функций (целостность, готовность, разделение, восстанавливаемость); резервирование; реконфигурация; контролируемость, а также комплексные характеристики ВС и систем: эквифинальность (предельно-достижимые свойства); отказобезопасность; стабильность отказобезопасности.

Ключевые слова: системная эффективность, отказоустойчивость, авионика, программированная эксплуатация, обобщённые показатель качества.

SUMMARY

Al Lawama A.A. Methods and models for basis of trouble stable structures of aviation equipment and avionics.

Thesis for Candidate of science (Engineering) by specialty 05.22.14 – aircraft operation and maintenance. The Kyiv International University of Civil Aviation, Ukraine, Kyiv, 1999.

The dissertation is devoted to increase the trouble stability structures of aviation equipment and avionics on passage stage mass inculeation integral module of GULF AIR (UAE) and Jordan.

On the basis of systematic, algorithms ensuring high trouble stability in functional system of aircraft in condition of programmed operation on the bases of IACS avia enterprises on the life cycle.

In applied tasks basis the trouble stable structures investigated by liner and essential unliner systems control rudders electrical – mechanics and electrical hydravlies types.

Keywords: systematic effectiveness, avionics, programmed operation, trouble stability, durability.