О построении резервированных бортовых систем. автоматического управления

В настоящее время в построении бортовых систем автоматиче­ского управления наметились два основных направления. Одно из них базируется на использовании резервирования замещением, дру­гое— на применении постоянного резервирования. В зарубежной литературе бортовые системы первого направления получили на­звание мультиплицированных, а второго — мульти­плексных.

Мультиплицированная система, состоящая из двух каналов, на­зывается дублированной, а состоящая из трех каналов — триплированной или троированной. Мультиплексная систе­ма, состоящая из двух каналов, называется дуплексной, а со­стоящая из трех каналов — тр иплексло й. Сказанное о мульти-

Рис. 4.47. Логическая схе-
ма, реализующая логические
функции (4.28, 4.29, 4.30)

плицировании и мультиплексировании справедливо не только по отношению к каналам автопилота, но и к функциональным эле­ментам.

Определенный интерес представляет тот факт, что первые муль­типлицированные и мультиплексные бортовые системы автоматиче­ского управления были разработаны практически одновременно. Дублированная система была разработана английской фирмой Эллиот для самолетов VC-10. Триплексная система, разработанная английской фирмой Смит, предназначена для самолетов типа Трай­дент. Обе системы предназначены для автоматизации посадки, включая приземление; обе — двухотказные.

Разработчики системы автоматического управления для самоле­та VC-10 отказались от триплексной схемы, ссылаясь на трудности, связанные с установкой на самолет трех комплектов КРП и ГРП и радиовысотомеров, работающих на разных частотах, и размещени­ем их антенн[30]. Это, по мнению фирмы, также требовало примене­ния трех комплектов наземных радиомаяков, работающих на трех разных частотах, что практически неприемлемо по ряду причин тех­нического и экономического порядка. Вместе с тем имеется положи­тельный опыт использования дублированных радиомаяков и радио­приемников, каждый канал которых контролируется собственными средствами. Учитывая этот опыт, фирма сочла целесообразным раз­рабатывать дублированную бортовую систему управления, состоя­щую из двух одинаковых каналов, снабженных собственными бло­ками контроля (БК).^При этом также предполагалось, что такая система окажется проще и легче, чем триплексная.

В дублированной системе (рис. 4.48) автоматическое переключе­ние при возникновении неисправностей может осуществляться в двух местах: одно — для двух контролируемых наземных радиомая­ков, другое — на выходе сервоприводов автопилотов. Сервоприво­ды автопилотов имеют собственные БК. Поэтому на рис. 4.48 они условно выделены из автопилотов, имеющих собственные БК.

В полете включены оба канала системы, однако к управляющим поверхностям подключен только один из них. Другой находится в резерве. При возникновении отказа в первом канале происходит ав­томатическое переключение на резервный. Необходимо подчерк­нуть, что в принципе подобные переключения на этапе посадки весьма нежелательны, так как при переходе с неисправного канала на исправный возможны значительные рывки. Эти рывки являются следствием использования в системе аналоговых блоков контроля, которые имеют довольно широкие пороги срабатывания.

От этого недостатка свободна триплексная система автоматиче­ского управления (рис. 4.49) самолета Трайдент. Все три канала ее работают совместно и одновременно. При отказе одного из каналов он отключается практически без рывка. Система превращается в дуплексную, а значит — одноотказную. При возникновении после­дующего отказа происходит мягкое отключение обоих оставшихся каналов. Отключающее устройство представляет собой разновид­ность электромеханического кворум-элемента. Для обеспечения вы­сокой надежности автоматической посадки в состав бортовых поса­дочных средств входят три комплекса КРП и ГРП и три радиовы­сотомера.

Общим для обеих рассмотренных систем является то, что при отказе в любом функциональном элементе происходит отключение

К бустеру

Рис. 4.50. Упрощенная схема бортовой системы с кворум-элементами

всего канала. Таким образом, если в одном из каналов отказывает, например, радиоприемник, а в другом — сервопривод, то вся систе­ма отключается. Систему значительно большей надежности (живу­чести) можно построить, применив логические избирательные схе­мы: выбирающие устройства и кворум-элементы. Это может быть сделано в мультиплексных схемах.

Рассмотрим рис. 4.50, на котором представлена схема триплекс­ной системы с кворум-элементами (КЭ), включенными на выходе однотипных функциональных элементов. На данной схеме на выхо­де функциональных элементов показано только по одному кворум- элементу, но их может быть установлено и по три, как это сделано в схеме на рис. 4.45. В целях упрощения на рис. 4.50 не показаны компараторы, с которых снимаются сигналы об отказе функцио­нальных элементов, и схема формирования сигналов на отключе­ние (см. рис. 4.46).

Рассматриваемая система остается работоспособной, пока не от­кажут два однотипных функциональных элемента.

Обозначим вероятность безотказной работы бортового радио­приемника /?рП, автопилота — раш сервопривода — рсп. Будем также полагать, что надежность кворум-элементов практически равна еди­нице. В таком случае с учетом (4.25) вероятность безотказной ра­боты триплексной системы с кворум-элементами:

/>тск = РІ (3 — 2Р? п) рК 3 — 2 pj рп (3 — 2pj.

Если условно положить, что ррп ^рдл^реп~Рэ» то зависимость примет вид

Ргск ~РІ (3 — 2а>)3.

При тех же условиях вероятность безотказной работы для обыч­ной триплексной системы (см. рис. 4.49) определяется зависимо­стями:

/>тс=1— (1— PpuPanPcn)2′,
Ртс=1-(г-Р3э)2.

Выигрыш в надежности при использовании системы с кворум — элементами равен

Ртск /э(3-2/>э)3 Рте ‘

Совершенно ясно, что чем больше функциональных элементов в каждом канале, тем больший выигрыш в надежности получается при установке кворум-элементов на выходе однотипных функцио­нальных элементов.

Вообще говоря, целесообразность применения того или другого метода резервирования при построении бортовой системы автома­тического управления главным образом зависит от ее назначения, летно-технических характеристик самолета, особенностей его систе­мы управления. В ряде случаев оказывается целесообразным при­менять гибридные (комбинированные) системы с мультиплексиро­ванием некоторых функциональных элементов (гировертикалей, вы­числителей траєкторного управления и др.). Так, большинство бор­товых систем автоматического управления заходом на посадку сос­тоит из дуплексной директорной системы (вычислителей траєктор­ного управления) и одноканального автопилота с блоками контро­ля. Датчики сигналов, используемых только автопилотом, обычно не резервируются; датчики сигналов директорной системы, как пра­вило, резервируются тем или иным образом.

Предпочтение отдается системам, в которых к каждому вычисли­телю траєкторного управления подключены свои датчики сигналов, причем сигналы датчиков одного назначения и вычислителей взаим­но контролируются компараторными блоками контроля. Примерно по такой схеме построена наиболее распространенная отечествен­ная бортовая система автоматического управления заходом на по­садку БСУ-ЗП. Другая отечественная система САУ-1Т состоит из дублированного автопилота, триплексированных вычислителей траекторных сигналов и гировертикалей. Остальные датчики сиг­налов дублированы или дуплексированы. Эта система путем моди­фикации и доукомплектования может быть превращена в двухот­казную систему, удовлетворяющую требованиям обеспечения бе­зопасности автоматического приземления.