НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Система управления (СУ) обеспечивает управление поле­том ЛА по заданной программе и парирование возмущений, дейст­вующих на него в полете. Зависимость эффективности ЛА от на­дежности его СУ особенно сильно проявляется для беспилотных Л А с автономными СУ, поскольку в этом случае вмешательство опе­ратора в работу СУ исключено. По структуре СУ можно подразде­лить на ряд подсистем (элементов первого уровня) в соответствии с их функциями.

Подсистемы подразделяют в свою очередь на отдельные блоки (элементы второго уровня), например на измерительные устройст­ва, усилители, преобразователи, счетно-решающие устройства, ис­полнительные органы и т. д. Деление СУ по структуре заканчива­ется такими комплектующими элементами, как электронные лампы, полупроводниковые диоды. и триоды, сопротивления, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, реле, электродвигатели, гироприборы, штепсельные разъемы, источники питания и т. п. Ком­плектующими элементами могут быть также отдельные микромо — Дули.

Отметим следующие, существенные с точки зрения надежности, особенности СУ. По структуре СУ представляет собой сложную систему с несколькими уровнями, насчитывающую большое число однотипных комплектующих элементов. Структура подсистем мо­жет быть переменной, так как различные элементы включаются и выключаются в разные моменты времени, что должно быть отраже­но соответствующими изменениями ССН. Физические процессы воз­никновения неисправностей (пробой конденсаторов, переменный контакт в потенциометрах, обрыв нитей накала электронных ламп и т. п.) во многих случаях настолько сложны, что отказы проявля­ются как внезапные. Весьма широко распространены отказы типа обрыва и короткого замыкания. Характерными для некоторых эле­ктронных устройств являются также сбои — самоустраняющиеся отказы.

Благодаря массовому производству комплектующие элементы хорошо отработаны, характеристики их надежности известны с вы­сокой достоверностью. При переходе от существующих изделий к новому комплектующие элементы часто не подвергаются конструк­тивным изменениям. Подавляющее большинство комплектующих элементов имеет малый вес, так что наличие структурной избыточ­ности систем оказывает слабое влияние на весовые характеристики ЛА. Все это обусловливает особое внимание к структурной надеж­ности СУ и применение различных методов резервирования как эф­фективного средства повышения надежности.

Различают активное и пассивное резервирование. При активном резервировании (резервировании замещением) в случае отказа си­стема перестраивается: с помощью переключателя отказавший эле­мент отключается и включается резервный. При этом большое зна­чение имеет состояние резервных элементов до появления отказа. Резерв может быть нагруженным, облегченным или ненагружен — ным («холодным»). В первом случае резервные элементы функцио­нируют в том же режиме, что и основные, во втором — в облегчен­ных режимах (при пониженных нагрузках), в третьем — до наступ­ления отказа резервные элементы находятся в нерабочем состоянии.

Облегченный режим можно рассматривать как своеобразное ре­жимное или параметрическое резервирование. Такая режимная избыточность связана со структурной избыточностью, так как при облегченном режиме требуется большее число элементов, чем при нагруженном, и, наоборот, сокращение числа элементов связано с увеличением нагрузки на них.

При пассивном («горячем») резервировании все элементы, и основные и резервные, включены постоянно. Система при отказе одного или даже нескольких элементов не перестраивается по струк­туре, но и не утрачивает работоспособности до тех пор, пока эле­
ментов, оставшихся исправными, достаточно для ее нормального функционирования. Вместе с тем при отказе отдельных элементов зачастую происходит перераспределение нагрузки между остальны­ми элементами, что утяжеляет условия их работы, а следователь­но, снижает надежность.

Существует несколько видов резервирования [33]: общее, раз­дельное (в частном случае — поэлементное), скользящее, избира­тельное. Сущность общего, раздельного и поэлементного резерви-

рования соответственно ясна из рис. 3.1, а, б и в. Число т параллельно включенных элементов называют кратностью резерви­рования. Резервирование может быть выполнено и с дробной крат­ностью, если, например, для нормальной работы системы, имеющей три одинаковых блока, требуется по крайней мере два исправных. В качестве скользящего резерва используют небольшое число эле­ментов, которые могут быть подключены вместо любого из отказав­шихся основных элементов (рис. 3.1, г). Избирательное резервиро­вание или резервирование по «схеме голосования» (рис. 3.1, д) за­ключается в том, что сравниваются сигналы на выходе нечетного числа параллельно работающих элементов и во внешнюю цепь вы­дается сигнал, имеющийся на выходе большинства элементов.

При резервировании элемента, у которого могут быть только от­казы типа замыкания, резервные элементы необходимо включать последовательно с основным. Если же для основного элемента ха­рактерны отказы типа обрыва, то резервные элементы включаются параллельно с ним.

В конкретных случаях схемы резервирования могут быть доста­точно сложными, содержащими различные виды резервирования. Для расчетов структурной надежности используют общие методы, изложенные в § 1.3. Например, в случае общего резервирования с нагруженным постоянно включенным резервом (рис. 3.1, а) струк­турная надежность

Л£)=1-пП — пРц№ (3-2)

ї=і <•=і

а при пассивном поэлементном резервировании, показанном на рис. 3.1, в,

Л(0=П ( 1-ГЇ [1-Яу(/)]1. (3.3)

/=1{ 1-І )

В имеющейся литературе по общей теории надежности [25, 26, 33] весьма подробно проанализированы различные схемы резерви­рования, построенные на основе указанных способов, и даны рас­четные зависимости, которыми можно воспользоваться при необхо­димости. При использовании активного резервирования необходимо учитывать надежность переключателя, в частности в выражениях

(3.2) и (3.3) под величинами Рц(і) следует понимать вероятности безотказной работы не только основных и резервных элементов, но и переключателей. Соединение в ССН переключателя и обслужива­емого им участка схемы является последовальным.

Применение резервирования связано с увеличением веса, объ­ема, занимаемого аппаратурой, а также стоимости производства и эксплуатации. Для выбора наивыгоднейшей схемы резервирования необходимо провести сравнительную оценку эффективности ее раз­личных вариантов. Удобным для этой цели показателем эффектив­ности является отношение

Q=QJQP (3.4)

вероятности QH отказа нерезервированной системы к вероятности QP отказа резервированной системы.

При одинаковых уровнях Рц(() надежности элементов в случае раздельного резервирования надежность системы выше, чем при об­щем, но при этом добавляются соединительные элементы (провода, пайка и т. п.).

Активное резервирование принципиально выгоднее пассивного, причем это преимущество тем заметнее, чем больше облегчен ре­жим, в котором находится резерв. Элементы, находящиеся в нена — груженном резерве, не расходуют ресурс до момента отказа основ­ного элемента. Но на включение ненагруженного резерва в работу требуется некоторое время, что не всегда допустимо по условиям функционирования системы. К тому же ненагруженные резервные элементы на ЛА также подвержены вибрациям, тепловым нагруз­кам и т. п., как и основные элементы, а следовательно, и в нерабо­чем состоянии их интенсивность отказов существенно отлична от нуля. При большом числе участков резервирования может ока­заться, что система отказывает в основном из-за переключателей, а следовательно, существует оптимальное число участков резерви­рования, при котором вероятность отказа минимальна. Пассивное резервирование конструктивно проще активного, но перераспреде­ление нагрузки при отказах элементов повышает интенсивность их отказов и, кроме того, изменения параметров элементов, вызванные этим перераспределением, могут привести к параметрическому от­казу системы.

Интенсивность отказов элементов системы управления сущест­венно зависит от внешних условий (температуры, влажности, виб­раций) и режима работы. Значения Х0 интенсивности отказов комп­лектующих элементов, определяемых в лабораторных условиях, мо­гут служить для оценки надежности при номинальной нагрузке и нормальных условиях. В неблагоприятных условиях интенсивность отказов повышается. Например, в аппаратуре искусственных спут­ников Земли, находящихся на орбите [68], интенсивность отказов конденсаторов равно 0,6-10-6, диодов — (1,7-ьЗ,5) ■ 1 О-‘6;дросселей —

3- Ю-6, сопротивлений— 0,5-10-6, реле — 20■ 10-6, электродвигате­лей— 88-10-6 отказов/ч, т. е. в 54-20 раз больше, чем в обычных условиях.

Отличия условий и уровня нагрузки от номинальных обычно учи­тывают в расчете надежности поправочными коэффициентами, на которые умножается табличное значение Хо**йнтенсивности отказов.

Реальные условия работы элементов, можно учесть следующими зависимостями [54] интенсивности отказов от рабочей (Г) и нор­мальной (Го) температуры, фактической (z) и номинальной (z0) относительной влажности, рабочего (U) и номинального (t/0) на­пряжения, фактической (Р) и номинальной (Ро) рассеиваемой мощ­ности.

Для конденсаторов

Х = Х0[а+(ОД)-]е“(г-г»>, (3.5)

где <3 = 0,204-0,25; а=0,074-0,086 1/ град; т = 3,54-5,0 для бумаж­ных конденсаторов, 4,04-5,0 — для слюдяных и 3,0 — для керамиче­ских; Г0= +(604-Ю0)°С.

Для сопротивлений

Х=>1>[1-(-Л yPR{z-z0)eal(T-ToHHP-p°)], (3.6)

где k— (0,54-1,25) • 10-3, 1/Вт ‘/а ■Ом’,г %; Р — сопротивление, Ом; Zo — 60%; 0 — тепловое сопротивление (0=404-140 град/Вт в зави­симости от типа сопротивления); а=0,0154-0,025 1/град; Г0= = +40° С.

Для обмоток катушек индуктивности, трансформаторов, магнит­ных усилителей и т. п.

А= А0 ( 1 + — — еНН*-*оЛе‘’1<7′-7’°>+6/>], (3.7)

q Риз /

где /г=3,3-10-8 мм/А, при переменном токе или заземлении положи­тельного полюса источника постоянного тока Де=0; 0—; тепловое со­противление для рассеяния тепла в окружающую среду, град/Вт; Риз — сопротивление утечки, Ом; р=2,5-10-2, если z выражена в процентах; q — сечение провода, мм2; а=0,054-0,09 1/ град в зави­симости от вида изоляции.

Для полупроводниковых диодов и триодов

А=А0ехр [а {(Г-Г0) + 6 ([^УР+WJ~

— (^1^р0^рО“Ь^2^н0^ио)]} “Ь Y (t/_ ^ио)]> (3.8)

где Up, Ip, Up0, 1 po — фактические и номинальные напряжения и ток в рабочем состоянии; Ua, /н, Un0, /но—фактические и номинальные напряжения и ток в нерабочем состоянии; а=0,025—0,03 1/град для германиевых диодов и триодов и 0,01 1/град — для кремниевых; 0 — тепловое сопротивление, град/Вт; kx = t{l (t + t2) и k2=t2! (tx + t2)— относительные времена работы, определяемые величинами tx вре­мени функционирования и t2 паузы (при непрерывном режиме />1 = 1; ^2=0); у=1,25/й/но 1/В — для германиевых диодов’и триодов и 0,008/Нно 1/В для кремниевых.

Для электронных ламп

Х=Х0 [0,4+0,6 (UJUJT] (ВД)Р (Т/Т0У, (3.9)

где Uи, U и Т — фактические значения напряжения накала, анода (или экрана) и температуры колбы; UHо, U0 и То — номинальные значения указанных параметров; а= 104-12; [1=1,74-1,8; у=5,5— эмпирические коэффициенты.

Надежность работы контактных устройств определяют как произведение вероятностей безотказной работы контактов при за­мыкании и при размыкании цепи, а также вероятностей перехода нагрузки из нерабочего в рабочее состояние и обратно; последние зависят от сопротивления контактов в замкнутом положении и со­противления изоляции при разомкнутых контактах. Надежность реле находят как произведение вероятностей безотказной работы контактов, механической части и обмоток, надежность электродви­гателей — как произведение вероятностей безотказной работы об­моток, механической части, щеток и подшипников. Следует иметь в виду, что при включении некоторых видов нагрузки пусковой ток может в несколько раз превышать установившееся значение при но­минальном напряжении.

При импульсном режиме работы интенсивность отказов

>.=у i/++/2) + +++ + /2)+Хвк/, (3.10)

где Хо и Ххр —- соответственно интенсивность отказов в режиме не­прерывной работы и в нерабочем состоянии (в частности, при хра — . нении); t и t2 — время функционирования и пауз соответственно; Хвк — дополнительная величина интенсивности отказов, обусловлен­ная процессами, происходящими при включении и выключении; / — частота циклов, т. е. число включений в единицу времени.

Для электромагнитных реле, в частности, величина Авк в расчете на один контакт составляет (0,024-0,8) ■ 10~6, а сумма первых двух членов выражения (3.10) лежит в пределах (0,14-100) ■ 10-6 при температуре +20° С и относительной влажности 60%.

Под влиянием внешних условий надежность элементов при хра­нении понижается. Обычно интенсивность отказов Ххр в режиме хранения значительно ниже интенсивности отказов Хо в рабочем режиме. В табл. 3.1 приведены отношения Хо/Ххр для некоторых эле­ментов [40].

Изменения параметров элементов (величин сопротивлений, ем­костей, индуктивностей, эмиссии электронных ламп и т. п.) под дей-

Наименований элементов

Сопротивления угольные….

» проволочные. .

Конденсаторы керамические. . . » слюдяные ….

» электролитические.

Транзисторы средней мощности

» малой » . .

Диоды средней мощности….

» малой » . .,. .

Трансформаторы. . . .j.,. . .

ствием внешних условий и в результате старения могут привести к отказам отдельных блоков аппаратуры.

Анализируя и моделируя процессы приближения к отказам, сле­дует учитывать возмущающие воздействия температуры, влажно­сти, ускорения, приложенного напряжения и т. д. как случайных величин или случайных функций. Известно, например, что значение емкости зависит от температуры, величина сопротивления — от тем­пературы и рассеиваемой мощности, сопротивления утечки — от приложенного напряжения, температуры и т. п.

Параметрическую надежность отдельных подсистем (элементов первого уровня) СУ определяют в зависимости от их назначения по вероятностным характеристикам выходных параметров (парамет­ров состояния). При этом в отдельных случаях следует принимать во внимание и выбранный метод управления. Так, управление даль­ностью ракеты можно осуществить двумя методами [см. литерату­ру 58]. Первый метод заключается в том, что в конце активного участка полета ракета удерживается некоторое время на траекто­рии, составляющей с горизонтом фиксированный угол 0, и двигатель выключается в момент достижения заданной скорости. По второму методу во время полета измеряются координаты и скорость движе­ния ракеты, вычисляется величина отклонения ДL дальности от расчетной и из условия AL = 0 определяется требуемый момент вы­ключения двигателя. В случае отказа рулевого привода или како­го-либо иного элемента и невозможности обеспечить фиксирован­ный требуемый угол 0 при первом методе ракета переходит на нерасчетную траекторию, в результате чего рассеивание может пре­высить допустимое. При втором методе такая ситуация не обяза­тельно приводит к параметрическому отказу по величине рассеива­ния, так как выключение двигателя произойдет в другой, отличный от расчетного момент времени и при значении скорости, отличной от программной. Иными словами, при втором методе отказ предотвра­щается за счет параметрической избыточности: недостающее значе­ние одного параметра компенсируется измененными значениями других параметров.

Рассмотрим в заключение параметрическую надежность орга­нов управления — исполнительных органов подсистемы, обеспечи­вающей стабилизацию и программные развороты ЛА, а также па­рирование возмущений. Отказами органов управления являются не­исправности, приводящие к потере управляемости ЛА, а это в свою очередь — к недопустимым отклонениям его от расчетной траек­тории.

Параметрическую надежность органов управления в комплексе с автоматом стабилизации определяют как вероятность обеспечения устойчивости и заданной точности полета Л А. В первом приближе­нии ее можно оцепить как вероятность того, что их эффективность окажется достаточной в условиях максимальных возмущений, т. е.

і • 1

Ри=вер 8йр————————- > 0/Afconp8max < JV, (3.11)

I Гупр^упр—**) J

где 6Пр — предельный угол отклонения органа управления; Кбупг — управляющая сила, создаваемая при отклонении органа управления на единичный угол 6; Ms — суммарный управляющий момент (мак­симум суммы программного, стабилизирующего и возмущающего моментов); Хупр и хм — соответственно координаты точки приложе­ния управляющей силы и центра масс ЛА; бтах — максимальная угловая скорость вращения органа управления; ЖСОпр — максималь­ный момент сопротивления органа управления повороту, обуслов­ленный трением, инерционностью и т. п.; N — располагаемая мощ­ность рулевого привода.

Из (3.11) видно, что в расчете фигурируют два параметра со­стояния органа управления, зависящие от случайных величин Мтах, •Мсопр, N, У^упр. Последняя определяется типом органов управле­ния. Как известно, в качестве органов управления применяют воз­душные и газоструйные рули, поворотные сопла и камеры двигате­лей, различные насадки и т. п. Зависимость величины УеупР от воз­мущений находят для каждого из них на основе анализа физики процесса создания управляющего усилия.

Иногда отказы органов управления подразделяют на нейтраль­ные и тяжелые, считая отказ нейтральным в том случае, когда ор­ган управления вследствие неисправности самопроизвольно уста­навливается в нулевое положение. Примером тяжелого отказа мо­жет быть заклинивание органа управления в крайнем положении. Отказ какого-либо из органов управления следует считать частич­ным, если органы управления, оставшиеся исправными, обеспечива­ют управляемость ЛА.