Системы обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса в контуре управления летательного аппарата

На правах рукописи

Макаров Николай Николаевич

СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

БОРТОВОГО ЭРГАТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

В КОНТУРЕ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Специальности: 05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления;

05.11.16 – Информационно-измерительные и

управляющие системы (в приборостроении)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Ульяновск - 2009

Работа выполнена в ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Солдаткин Владимир Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Соснин Петр Иванович

доктор технических наук

Кушельман Валерий Яковлевич

доктор технических наук, профессор

Панкратов Владимир Михайлович

Ведущая организация: ОАО «Московский институт электромеханики и автоматики»

Защита состоится « 29 » апреля 2009 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д212.277.01 при ГОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет» по адресу: 432027, г, Ульяновск, ул. Северный Венец, д. 32, ауд. 211 (главный корпус).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного технического университета.

Автореферат разослан «____» _______________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Казаков М.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффективность применения авиационной техники неразрывно связана с проблемой безопасности полетов, успешное решение которой в значительной мере определяет перспективы развития как гражданской, так и военной авиации.

Сложность решения проблемы обеспечения безопасности полетов непрерывно возрастает в связи с повышением интенсивности использования авиационной техники и расширением круга выполняемых ею функциональных задач. Связанное с этим постоянное усложнение бортового оборудования не только увеличивает вероятность отказов техники, но и затрудняет деятельность экипажа, является причиной дополнительных ошибок пилотирования. Это обусловливает возрастание роли бортовых средств автоматизированного контроля, диагностики и управления бортовым оборудованием, разгрузки и информационной поддержки экипажа при обеспечении безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса «Экипаж – Бортовое оборудование – Воздушное судно» в контуре штурвального и автоматического управления летательного аппарата (ЛА).

Для обеспечения безопасности полета в возможных нештатных ситуациях на ЛА, в частности на самолетах, используют специальные бортовые средства инструментальной поддержки экипажа: системы предупреждения критических режимов, системы контроля и сигнализации отказов, системы электронной индикации и другие системы контроля.

Значительный вклад в разработку методов и бортовых средств инструментального обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса в контуре управления ЛА внесли Б.М. Абрамов, З.С. Абутидзе, Е.Ю. Барзилович, Л.М. Берестов, В.А. Боднер, Г.С. Бюшгенс, Е.С. Вождаев, В.Г. Воробьев, В.В. Глухов, В.Б. Живетин, Б.В. Зубков, А.А. Красовский, Е.И. Кринецкий, Ю.В. Козлов, А.И. Коротеев, В.Г. Кравцов, С.П. Крюков, Ю.Ф. Кулифеев, В.Я. Кушельман, Г.Н. Лебедев, А.И. Логвин, Г.Н. Москатов, А.В. Мозгалевский, П.П. Пархоменко, Б.Н. Петров, В.А. Подобедов, Е.С. Сагимонян, Р.В. Сакач, И.М. Синдеев, А.Н. Синяков, В.М. Солдаткин, Р.В. Студнев, В.Н. Сучков, М.А. Тайц, Ф.Е. Темников, И.Ю. Юсупов, Е.А. Федосов, Б.Е. Федунов, Е.Г. Харин, Г.П. Шибанов, В.П. Школин и другие отечественные ученые и специалисты, а также ОКБ генеральных конструкторов, отраслевые институты ГосНИИ АС, ГосНИИ ГА, НИИ АО, НИИ ВВС, ЛИИ и другие организации авиационной отрасли.

По материалам публикаций известны зарубежные исследователи в данной области: D. Bartur, F.M. Benoit, T.R. Brown, Ch. Bulloch, H.L. Chevallier, M. Codish, T. Dhamelincourt, R.K. Heffley, W.P. Gilbert, S.M. John, J.K. King, W.H. King, C.E. Libbey, B. McConnel, D. McLean, W.W. Melvin, A. Miele, L. Milosivich, R.P. Quinlican, J.M. Ramsdon, R.M. Rarons, M. Samaka, R.C. Sangster, A.W. Scoott, I.P. Staples, R.A. Wilke, T. Wong и другие.

Возрастание количества функциональных систем, агрегатов и других объектов бортового оборудования современной авиационной техники, увеличение числа критических параметров полета, влияющих на уровень безопасности пилотирования, обусловливают необходимость дальнейшей автоматизации процессов контроля текущего состояния воздушного судна, бортового оборудования и действий экипажа, диагностирования отказов, формирования управляющих воздействий и принятия оперативных решений на всех этапах от наземного обслуживания и предполетной подготовки до посадки под общим контролем экипажа.

Объект исследования. Многообразие объектов авиационной техники и используемых бортовых средств инструментального обеспечения безопасности полета, определяет актуальность создания взаимоувязанных по идеологии и принципу построения систем обеспечения безопасности функционирования элементов бортовых эргатических комплексов самолетов, вертолетов и других воздушных транспортных средств, для которых критерий безопасности является определяющим.

Предмет исследования. Как показывает анализ, с позиции обеспечения уровня безопасности полета, регламентируемого Авиационными Правилами (АП) и Нормами летной годности самолетов (вертолетов) (НЛГС (В)), средства автоматизированного контроля, диагностики, управления и парирования отказов элементов бортового эргатического комплекса должны выполнять функции информационно-управляющей системы обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса в контуре управления ЛА.

Цель работы – обеспечение регламентированного уровня безопасности полета в нештатных ситуациях, связанных с непреднамеренным выходом ЛА за эксплуатационные границы из-за нарушений функционирования элементов бортового эргатического комплекса при воздействии внешних возмущений, отказах техники, ошибках пилотирования и их неблагоприятных сочетаниях.

Научная проблема исследования – разработка системной методологии построения, теории и методов проектирования алгоритмических аппаратных и программных средств, методик моделирования, экспериментального исследования и оценки эффективности применения информационно-управляющих систем обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса в контуре управления ЛА.

Решение сформулированной научной проблемы проводилось по следующим основным направлениям:

• разработка теоретических основ построения, проектирования и исследования автономных и интегрированных систем обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса в контуре штурвального и автоматического управления ЛА;
• формирование показателей и критериев, учитывающих влияние текущего состояния элементов бортового эргатического комплекса на уровень безопасности режима полета ЛА;
• разработка методов анализа и синтеза каналов обнаружения, идентификации и предупреждения нештатных ситуаций, управления, принятия решений и информационной поддержки экипажа с учетом специфики объекта применения и целевого назначения системы;
• разработка особенностей построения алгоритмических и аппаратных средств, внешних и внутренних информационно-управляющих магистралей обмена системы в контуре штурвального и автоматического управления ЛА;
• разработка методик моделирования и оценки эффективности работы каналов и информационно-управляющей системы обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического в контуре управления ЛА;
• разработка методик проектирования и изготовления, экспериментального исследования и применения вариантов информационно-управляющих систем обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса на летательных аппаратах различных типов.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории безопасности и надежности, математической статистики и теории вероятностей, системного анализа, параметрического и структурного синтеза, теории измерений и измерительных преобразователей, теории терминального управления и принятия решений, методы комплексирования и оптимальной фильтрации, математического и имитационного моделирования, стендовых и натурных испытаний бортовой аппаратуры.

Научная новизна диссертации заключается в развитии теории и методов проектирования элементов бортовых человеко-машинных информационно-управляющих систем активной безопасности и определяется следующими результатами исследования:

Разработаны основы теории и методы проектирования и исследования информационно-управляющей системы обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса «Экипаж – Бортовое оборудование – Воздушное судно» в нештатных ситуациях, связанных с ошибками пилотирования, отказами техники, опасными внешними воздействиями и их неблагоприятными сочетаниями.

Предложен и разработан метод формирования частных (по отдельным критическим параметрам) и интегральной (по режиму полета в целом) детерминированных информативных функций опасности, отражающих нормируемые АП и НЛГС (В) вероятностные критерии безопасности полета и требования к соответствующим особым ситуациям, влияние на них динамики движения воздушного судна, состояния бортового оборудования и общесамолетных систем, отдельных критических параметров полета. Разработаны методики построения информативных функций опасности для основных этапов полета самолета. Установлены, формализованы и исследованы связи предложенных информативных функций опасности с влияющими факторами и динамикой управляемого движения объекта, обоснованы возможности использования интегральной информативной функции, ее полной производной и вектора градиента ее изменения при решении задач анализа и синтеза каналов управления, принятия решений и информационной поддержки экипажа информационно-управляющей системы обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса.

На основе предложенных информативных функций опасности разработаны методы анализа каналов информационно-управляющей системы контроля и диагностики общесамолетного оборудования, включающего различные по принципу действия и динамическим характеристикам агрегаты и системы. Разработаны методики анализа сложности информационно-логических структур и синтеза алгоритмов оценки работоспособности, поиска неисправностей и диагностирования отказов общесамолетного оборудования. Выработаны рекомендации по обеспечению безотказности конструктивных модулей информационно-управляющей системы контроля и диагностики общесамолетного оборудования.

С учетом особенностей пилотажно-навигационного и радиосвязного оборудования разработаны методы анализа и синтеза информационно-управляющей системы контроля и парирования отказов интегрированного комплекса бортового оборудования. С использованием информативных функций опасности отказов разработаны методики проектирования каналов измерения, принятия решений и сигнализации отказов на основе методов нечетких множеств и нечеткой логики, методика построения управления с учетом критерия безопасности при типовых отказах функциональных элементов бортового оборудования.

Разработаны методы анализа и синтеза информационно-управляющей системы предотвращения критических режимов, обеспечивающей регламентируемый уровень безопасности полета в случаях, когда меры, принятые экипажем, системой контроля и диагностики общесамолетного оборудования и системой контроля и парирования отказов бортового оборудования, являются недостаточными или неэффективными. Получены математические модели различных этапов полета самолета с учетом его характеристик устойчивости и управляемости, параметров траекторного и углового движения. Разработаны методики формирования упреждающей сигнализации и синтеза алгоритмов автоматического управления на предельных режимах полета по критерию безопасности. Получены модели и алгоритмы, учитывающие особенности системы предупреждения и предотвращения критических режимов вертолета.

Разработаны имитационные модели каналов, методики моделирования и оценки эффективности работы информационно-управляющей системы обеспечения безопасности функционирования элементов бортовых эргатических комплексов магистрального и маневренного самолетов, позволяющие проводить разработку алгоритмического и программного обеспечения различных вариантов системы на этапе проектирования.

Разработанные основы теории и методы проектирования, алгоритмы и методики реализованы при разработке, производстве и применении автономных, частично-интегрированных и интегрированной информационно-управляющих систем обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса различных типов самолетов и вертолетов, производство и эксплуатация которых позволили повысить уровень безопасности полетов гражданской и военной техники, исключить закупку зарубежного оборудования, в том числе при экспорте авиационной техники.

Практическая ценность работы. Работа выполнялась в соответствии с основными направлениями Федеральной Целевой Программе «Развитие гражданской авиации России на 2001 – 2010 гг. и до 2015 г.», по отраслевой НИР «Конструктор-КБО» в рамках планов НИОКР ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения».

Основным практическим результатом работы является создание научно обоснованной методологии построения, проектирования и исследования информационно-управляющей системы обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса, методик проектирования аппаратного, алгоритмического, информационного и программного обеспечения различных вариантов системы.

Полученные научно-технические результаты доведены до уровня методик, алгоритмов, расчетных зависимостей, практических рекомендаций, результатов численного моделирования и аналитических оценок, оригинальных технических решений, стендовой и натурной отработки вариантов, что облегчает их использование в практике построения, проектирования, исследования и реализации модификаций, разработки новых вариантов информационно-управляющих систем обеспечения безопасности функционирования элементов бортовых эргатических комплексов самолетов, вертолетов и других воздушных транспортных средств.

Реализация и внедрение результатов работы. Полученные научные и практические результаты внедрены в ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения» при проектировании, разработке, опытном производстве, проведении государственных и летных испытаний созданных при непосредственном творческом участии и при научно-методическом руководстве диссертанта информационных и информационно-управляющих систем контроля и диагностики общесамолетного оборудования типа СУ ОСО, систем контроля и парирования отказов бортового оборудования типов КИСС, КСЭИС, БИСК, систем предупреждения и предотвращения критических режимов полета типов САС, СОС, СПКР, КСУ, использованы на ОАО «Утес» (г. Ульяновск) и ОАО «Электроприбор» (г. Воронеж) при их освоении и серийном производстве, а также на авиастроительных предприятиях ОАО «ОКБ Сухого», ОАО «Туполев», ОАО «АК им. С.В. Ильюшина», ОАО «ОКБ им. А.С. Яковлева», АНТК «Антонов», ОАО «Казанский вертолетный завод», ОАО «Камов» и др. при эксплуатации созданных систем на отечественных гражданских и военных самолетах и вертолетах.

Основные положения, выносимые на защиту:

Основы теории и методология системного проектирования информа-ционно-управляющей системы обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса в контуре управления ЛА.

Метод формирования и методики использования информативных функций опасности при идентификации состояния элементов эргатического комплекса и количественной оценке уровня безопасности режима полета, прогнозировании его изменения, при построении управлений, принятии оперативных решений и информационной поддержке экипажа в нештатных ситуациях.

Методы анализа и синтеза информационно-управляющих систем контроля и диагностики общесамолетного оборудования, контроля и парирования отказов бортового оборудования, предупреждения и предотвращения критических режимов полета, интегрированной системы обеспечения безопасности функционирования бортового эргатического комплекса.

Математические и имитационные модели, алгоритмы и расчетные зависимости, методики и результаты моделирования, оценки эффективности работы, проектирования, разработки, экспериментального исследования и применения вариантов информационно-управляющих систем обеспечения безопасности функционирования элементов бортовых эргатических комплексов самолетов и вертолетов, направления их совершенствования и развития.

Личный вклад автора. Автором разработаны: