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.