Текст
                    
ИНЖЕНЕР»'» АВИАЦИОННАЯ
СЛУЖБА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ
АВИАНИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ


A. E. АКИНДЕЕВ, В. Д. КОНСТАНТИНОВ, С. В. КРАУЗ, Е. А. РУМЯНЦЕВ, Н. И. СЕРГЕЕВ, И. М. СИНДЕЕВ ИНЖЕНЕРНО-АВИАЦИОННАЯ СЛУЖБА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ АВИАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ Под редакцией Е. А. РУМЯНЦЕВА Утвержден Главнокомандующим Военно-Воздушными Силами в качестве учебника для слушателей инженерных ВВУЗов ВВС i
УДК 629.735.33.08 Книга содержит изложение основных вопросов тео- рии и практики эксплуатации авиационного оборудо- вания. В ней последовательно рассматриваются основы надежности и способы обработки статистических дан- ных по опыту эксплуатации авиационного оборудова- ния; методы и технические средства контроля его со- стояния; основы инженерно-авиационного обеспечения, организации эксплуатации и ремонта авиационной тех- ники; способы эксплуатационной оценки авиационного оборудования и оценки боевой эффективности авиаци- онных комплексов. Книга является учебником по одноименному курсу, читаемому слушателям ВВИА им. проф. Н. Е. Жуков- ского. Она может быть использована в других высших авиационных военно-учебных заведениях, а также спе- циалистами и инженерно-техническим составом научно- исследовательских организаций и строевых частей ВВС. Иллюстраций —152; таблиц —68; библиография — 48.
ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящая книга является учебником для слушателей ВВИА им. ироф. Н. Е. Жуковского по курсу инженерно-авиационной службы и эксплуатации авиационного оборудования. Этот курс относится к числу учебных дисциплин, завершающих подготов- ку инженеров-электриков ВВС по профилю эксплуатации авиа- ционного оборудования, и опирается на знания, приобретенные слушателями при изучении специальных дисциплин. Учебник .имеет целью изложение основных вопросов теории и практики эксплуатации авиационной техники на базе уста- новленной в ВВС системы инженерно-авиационного обеспече- ния боевых действий и боевой подготовки, с учетом имеющихся данных по обобщению опыта эксплуатации авиационного обору- дования и публикаций, направленных на развитие научно-тео- ретических основ эксплуатации. При изложении материала авторы исходили из того, что слушатели имеют известный опыт службы в строевых частях ВВС на должностях технического состава, поэтому некоторые несущественные детали, связанные с организацией ИАС и ее деятельности, были опущены. Помимо этого, принималось во внимание, что изучение особенностей эксплуатации систем оборудования конкретных образцов авиационной техники осу- ществляется в процессе проведения специальных лекций и аэ- родромных практических занятий, по которым имеются соответ- ствующие учебные пособия. Учебник состоит из четырех разделов. В первом разделе рассматриваются основы теории надежно- сти применительно к восстанавливаемым и невосстанавливае- мым системам авиационного оборудования, приводятся методы расчета и способы повышения надежности сложных систем оборудования и электрических соединений. Большое внимание в этом разделе уделяется изложению основных сведений по об- работке статистических данных, полученных из опыта эксплуата- ции, что имеет важное значение при обобщенном инженерном анализе отказов и предпосылок к летным происшествиям. Здесь .же освещаются методы технического прогнозирования, вопросы проведения ускоренных испытаний на надежность и др. Второй раздел посвящен методам и техническим средствам контроля состояния авиационного оборудования. В разделе со- 3
держится изложение основ технической диагностики и способов исследования авиационного оборудования как объекта контро- ля. Значительное место занимают вопросы определения опти- мальной последовательности проверок при поиске неисправно- стей, отыскания .минимальной совокупности параметров, доста- точной для различения состояния контролируемого оборудова- ния. С учетом перспектив развития и применения комплекс- ных средств инструментального контроля авторы сочли необхо- димым выделить в отдельные главы материалы по принципам построения автоматических, в том числе цифровых, систем кон- троля и систем регистрации полетных данных. В этом же раз- деле даются основные сведения по аэродромно-техническим средствам. В третьем разделе рассматриваются вопросы организации инженерно-авиационной службы и организации эксплуатации авиационной техники на земле, включая мероприятия по подго- товке нс полетам и содержанию техники в исправном состоянии.. При этом значительное место уделено сетевым и другим пер- спективным методам планирования и выполнения работ по под- готовке авиационного оборудования к,полетам, организации вой- скового и капитального ремонта. 'Особо выделены проблемы бе- зопасности полета, в том числе количественные оценки летатель- ных аппаратов по безопасности полета, методы восстановления причин летных происшествий и мероприятия ИАС по их преду- преждению. В связи с задачами инженерно-авиационного обес- печения акцентируется внимание на функциональных обязан- ностях инженера по планированию, выполнению инженерно-опе- ративных расчетов, технической подготовке и организации работ в условиях рассредоточенного базирования и укрытия авиаци- онной техники. Четвертый раздел содержит изложение способов оценки эффективности . инженерно-авиационной службы, методов эк- сплуатационной оценки авиационного оборудования и примене- ния теории массового обслуживания к решению некоторых эксплуатационных задач. Раздел завершается освещением во- просов оценки боевой эффективности авиационных комплексов, различного назначения. В теоретическом плане содержание учебника опирается на теорию вероятностей, математическую статистику и теорию слу- чайных функций, теорию графов и алгебру логики, теорию ин- формации и другие разделы технической кибернетики. Главы XII, XV написаны А. Е. Акиндеевым, гл. XVIII ;— В. Д. Константиновы м, гл. I, II, III, V, § 6.3, гл. XIII, XIV, XVII —С. В. Краузом, § 6.1, 6.2, гл. VII, § 8.5, гл. X (кроме- §§ 10.3, 10.5), гл. XI, XIX, XX, XXI — Е. А. Румянцевым,, гл. IX, XVI — Н. П. Сергеевым, гл. IV, VIII (кроме § 8.5),. § 10.3, 10.5 — И. М. С и н д е е в ы м. 4
Авторы выражают признательность К. С. Смирнову, А. В. Калашникову и рецензенту книги Г. И. И в а н о в у за ценные пожелания и замечания, высказанные при просмотре ру- кописи, К- М. Шп плеву и И. С. Попову — за некоторые предоставленные материалы и полезные советы при работе над книгой.
ВВЕДЕНИЕ Проявляя постоянную заботу об усилении боевой мощи Со- ветских Вооруженных Сил, Коммунистическая партия Советско- го Союза уделяет большое внимание развитию и укреплению- Военно-Воздушных Сил, оснащению их самой совершенной авиационной техникой, подготовке и воспитанию преданных де- лу коммунизма высококвалифицированных кадров руководя- щего, летного и инженерно-технического состава ВВС. Советские Военно-Воздушные Силы предназначены для на- несения ударов по наземны-м и морским целям непосредственно- на театре военных действий и :в тылу противника, ведения -воз- душной разведки, десантирования войск и боевой техники, по- давления и уничтожения авиации противника на земле и в воз- духе ,и решения ряда других ответственных боевых задач. Высокие требования к боеготовности, сложность и многооб- разие решаемых ВВС боевых задач обусловливают необходи- мость непрерывного совершенствования летно-тактических и: боевых качеств находящихся на вооружении самолетов и вер- толетов различного типа и назначения. Благодаря успехам советской науки и техники .в области са- молета- и ракетостроения, автоматики и электроники, приборо- строения и вычислительной техники наши Военно-Воздушные Силы оснащены первоклассными самолетами с высокоэффектив- ными комплексами бортового оборудования и вооружения. Не- прерывно увеличиваются дальности, скорости полета и диапа- зон высот боевого применения самолетов и вертолетов ВВС,, растет мощь их боевых средств. Значительное повышение боевой эффективности ВВС дости- гается установкой на самолеты совершенных комплексов авто- матического управления и боевого применения, позволяющих решать боевые задачи в любых метеорологических и климати- ческих условиях, в любое время суток. Эти комплексы вклю- чают в себя сложные и точные системы автоматического управ- ления -и навигации, в том числе системы, обеспечивающие по- леты и боевое-применение на малых -высотах. Особое развитие получили авиационные управляемые раке- ты различных классов, способные поразить любые наземные, морские и воздушные цели. Повышению боевой эффективности в значительной мере содействует оборудование самолетов авто- 6
магическими средствами разведки, а также средствами радио- противодействия и постановки помех. Автоматизация и комплексирование проникают во все виды самолетного оборудования. Сложность современных силовых установок, развитие механизации крыла приводят к широкому внедрению автоматизированного электропривода и автоматиче- ских систем управления силовыми установками. В связи с рез- ким увеличением состава оборудования возрастает мощность и •сложность автоматизированных электроэнергетических систем. Комплексирование различных видов оборудования и вооруже- ния сопровождается установкой на самолеты бортовых вычисли- тельных машин, позволяющих с наибольшей эффективностью решать задачи автоматического управления полетом, примене- ния ракетного и другого вооружения, разведки, десантирования и другие задачи. Требование постоянной боевой готовности, усложнение и расширение круга боевых задач, оснащение самолетов ВВС сложными комплексами авиационного оборудования диктуют необходимость неустанного совершенствования боевой выучки и мастерства летного и инженерно-технического состава частей ВВС. Особое значение имеет морально-психологическая закал- ка и подготовка к возможному ведению боевых действий в ус- ловиях термоядерной войны. Весьма важной является также четкая организация и обеспечение полетов при рассредоточен- ном базировании и размещении авиационной техники в укры- тиях. Боевая готовность, эффективность боевого применения и боевой подготовки частей ВВС зависят от инженерно-авиацион- ного обеспечения, осуществляемого инженерно-авиационной службой. Инженерно-авиационное обеспечение включает: — разработку и проведение мероприятий по поддержанию авиационной техники в постоянной боевой готовности; — организацию и проведение эксплуатации и ремонта авиа- ционной техники; — проведение анализа технического состояния, выявление конструктивных и эксплуатационных недостатков авиационной техники, разработку и проведение мероприятий по предупреж- дению отказов и неисправностей; — проведение инженерных расчетов, определение потребных материальных средств для эксплуатации и ремонта, учет нали- чия и состояния авиационной техники; — обучение летного и инженерно-технического состава экс- плуатации и ремонту; — анализ деятельности инженерно-авиационной службы с разработкой мероприятий по совершенствованию ее организа- ционной структуры и методов инженерно-авиационного обеспече- ния, распространение передового опыта. 7
Основу инженерно-авиационного обеспечения составляет эксплуатация авиационной техники на земле и в полете. Ее ус- пешное проведение достигается высоким уровнем политической сознательности и дисциплины личного состава; твердым и глу- боким знанием авиационной техники и точным выполнением ус- тановленных пр.авил ее эксплуатации; своевременным планиро- ванием, четким и оперативным руководством со стороны инже- нерно-авиационной службы; научной организацией труда и по- стоянным повышением уровня технической культуры. Эксплуатация авиационной техники на земле осуществляется инженерно-техническим и летным составом и включает в себя подготовку авиационной техники к полетам, содержание авиа- ционной техники в исправном состоянии (осмотры, регламентные и ремонтные работы, хранение и т. п.). Инженерно-авиационная служба объединяет и направляет деятельность инженерно-технического состава ^авиационных ча- стей и соединений всех специальностей по инженерно-авиацион- ному обеспечению боевой подготовки и боевого применения авиационной техники. Инженеры авиационных частей непосредственно проводят и организуют работу технического состава по обслуживанию и обеспечению готовности к применению летательных аппаратов, вооружения, авиационного и радиоэлектронного оборудования. Должностные обязанности инженеров включают в себя: — организацию и проведение подготовки авиационной техни- ки к полетам и боевому применению; — организацию и проведение регламентных и профилакти- ческих работ на авиационной технике, а также производство ее доработок и ремонта; — организацию сбережения авиационной техники на уровне, обеспечивающем полное использование ее технических возмож- ностей в течение всего срока эксплуатации; — обеспечение правильного применения авиационной техни- ки в полете и в процессе подготовки к полетам; — обеспечение технической подготовки личного состава авиа- ционных частей; — проведение систематического контроля состояния авиаци- онной техники; — проведение инженерно-штурманских, инженерно-оператив- ных расчетов и других мероприятий по инженерно-авиационному обеспечению; — организацию и проведение мероприятий по обеспечению безопасности полетов; — организацию и проведение мероприятий по планированию деятельности ИАС, материально-техническому снабжению, уче- ту и отчетности. 8
В современных условиях значительного усложнения обору- дования выполнение требований по готовности может быть до- стигнуто при существенном снижении времени и трудозатрат на все .виды работ на авиационной технике путем внедрения в прак- тику эксплуатации наиболее прогрессивных методов планирова- ния, управления и организации, а также широкого применения средств автоматизации .и механизации трудоемких 'процессов. Решение всех перечисленных задач требует отличной подго- товки инженеров в области теории, методов и технических средств эксплуатации. Весьма важной является выработка у ин- женеров частей соответствующих качеств и навыков команди- ров-воспитателей и организаторов. Одним из подразделений инженерно-авиационной службы является инженерно-технический состав, осуществляющий экс- плуатацию авиационного оборудования, которое .включает в се- бя сложный и многообразный комплекс технических устройств и систем. К авиационному оборудованию относятся: — оборудование автоматического управления полетом — электронная автоматика: демпферы колебаний и автоматы ус- тойчивости, автоматы управления и ограничения скорости поле- та, перегрузок, усилий в системах управления; автопилоты, маг- нитные, астрономические, инерциальные системы навигации; командные пилотажно-навигационные системы; системы автома- тического управления (САУ), аналоговые и цифровые вычисли- тельные .машины комплексов автоматического управления; — электрооборудование: бортовые централизованные систе- мы снабжения постоянным и переменным током, электроавтома- тика в устройствах запуска авиационных двигателей и управ- ления их входными устройствами, в противопожарных системах, в системах кондиционирования; электропривод в устройствах механизации планера и его взлетно-посадочных органов, топлив- ных и гидравлических системах; светотехническое оборудование; — приборное оборудование: приборы пилотажные, контроля работы авиадвигателей и самолетных систем, централизованные системы измерения параметров внешней среды и параметров полета, автоматы измерения и управления выработкой топлива и центровкой самолета и другие приборы; — кислородное оборудование и высотное спецснаряжение; — фбтооборудование и тепловые средства разведки; — оборудование поиска подводных лодок (.магнитометриче- ские гидроакустические, тепловые и другие нерадиотехнические средства); — бортовые устройства и системы регистрации полетных дан- ных; — тренажеры (пилотажные, навигационные, комплексные и отдельных систем авиационного оборудования); 9
— контрольно-поверочная аппаратура и наземные автомати- ческие системы контроля авиационного оборудования. Успешная эксплуатация авиационного оборудования возмож- на лишь при отличном знании инженерами-электриками ВВС теории и конструкции этого оборудования, при овладении ими всеми передовыми формами и методами эксплуатации.
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ НАДЕЖНОСТЬ АВИАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ! и j.m i i ииа^^хн ihj Глава I ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ЗАВИСИМОСТИ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ § 1.1. ОСНОВНЫЕ понятия Боевые качества самолетов ВВС и безопасность полетов в- значительной степени зависят от надежности авиационной тех- ники. Под надежностью понимается свойство авиационной техники выполнять заданные функции при сохранении своих летно-так- тических и технических характеристик на земле и в воздухе в- установленных пределах в течение требуемого промежутка вре- мени или требуемой наработки. Надежность авиационной техники в течение ©сего срока ее эксплуатации обеспечивается системой эксплуатации и ремонта. Под долговечностью понимается свойство авиационной тех- ники длительно сохранять работоспособность вплоть до наступ- ления момента полной технической непригодности или экономи- ческой нецелесообразности ее дальнейшей эксплуатации. Свойство приспособленности авиационной техники к выявле- нию, устранению и предупреждению .неисправностей называется восстанавливаемостью или ремонтопригодностью. Вышеприведенные свойства: надежность, долговечность и вос- станавливаемость — обладают количественными характеристи- ками и, следовательно, могут быть подвергнуты объективной оценке. Предметом теории надежности является исследование и раз- работка способов оценки и обеспечения надежности техники. Объектами исследования и обеспечения надежности являются технические устройства. Термин «техническое устройство» яв- ляется обобщающим понятием любой конструкции, машины, аг- регата, прибора, блока, системы и т. п. В теории надежности пользуются также понятиями «э л е- м е н т» и «с и с т е м а». Элемент — составная часть (совокупность деталей или од- на деталь) сложного технического устройства, которая при рас- чете и исследовании надежности не подлежит расчленению. 11
Система — совокупность совместно действующих элемен- тов*, предназначенная для выполнения определенных заданных функций. При исследовании надежности оперируют противоположны- ми понятиями «безотказная работа» и «отказ». Под отказом по- нимается событие потери работоспособности авиационной тех- ники, проявившееся как в полете, так и на земле. Отказ, проявив- шийся в период от момента запуска двигателей перед полетом до выключения их после .посадки, считается отказом в полете. Отказы, проявившиеся вне указанного времени, относятся к от- казам на земле. Утрата работоспособности может быть полной или ча- стичной. Во втором случае техническое устройство теряет способность выполнять хотя бы одну из заданных функций или выполняет свои функции неудовлетворительно, что выражается отклонением значения какой-либо из его’ рабочих характеристик .за пределы установленных допусков. Все отказы по характеру своего проявления различаются на постепенны ей внезапные. Постепенные отказы появляются в результате медленного развития скрытого повреждения, старения или износа, интенсив- ного воздействия различных факторов, под влиянием которых происходит со .временем непрерывный рост величины отклонения рабочих характеристик технического устройства от номинального значения, что может привести к выходу величины этого откло- нения за пределы установленных допусков. При внезапных от- казах постепенно развивающиеся в техническом устройстве ко- личественные отклонения в их характеристиках перерастают в скачкообразное качественное изменение, при котором техниче- ское устройство утрачивает свойства выполнять заданные функ- ции. Отказы как случайные события могут быть независимыми и зависимыми. Если отказ какого-либо технического устройства не является следствием отказа другого технического устройства, то такой отказ является независимым. Отказ, возникший вследствие отказа других технических устройств, называется зависимым. Все отказы технических устройств по своему происхождению можно разделить на три группы: — К онстр ук THIB но-п р о .и з в о дс т в ен н ы е отказы, происходящие, -как привило, на нервом этапе эксплуатации вслед- ствие недостатков в конструкции и технологии изготовления тех- нических устройств, несовершенного контроля качества продук- ции, т. е. вследствие недоработок, незамеченного брака производ- ства и скрытых дефектов. * В широком смысле под элементами системы могут подразумеваться не только технические устройства, но в отдельных случаях физические и хими- ческие агенты, среда, персонал операторов, летный состав и т. д. 12
— Эксплуатационные отказы, возникающие в про- цессе эксплуатации вследствие различных случайных причин. — Отказы, возникающие вследствие таких закономерных причин, как износ и старение материалов. Они проявляются в основном на последнем этапе эксплуатации. Состояние технического устройства, при котором оно не со- ответствует хотя бы одному из требований, установленному как в отношении основных рабочих характеристик, так и в отноше- нии второстепенных признаков, характеризующих внешнее со- стояние, надежность крепления устройства и т. п., называется неисправност ь.ю. Все неисправности и отказы технических устройств происхо- дят вследствие действия ‘различных факторов, представляющих совокупность причин, отрицательно воздействующих в процессе эксплуатации на состояние технических устройств. К числу такого рода факторов относятся физические, биоло- гические и психофизиологические факторы. К психофизиологическим факторам относятся действия людей в процессе эксплуатации технических устройств, определяющиеся их способностями, уровнем подготовленности, возможностями, потребностями, субъективными особенностями характера и общим состоянием, которые могут привести к по- вреждениям технических устройств. К биологическим факторам относятся различные воздействия животных и растительных организмов, наносящие вред техническим устройствам. К физическим факторам относятся физические явле- ния, процессы и свойства среды, воздействующие на технические устройства и оказывающие влияние на их состояние. Физические факторы делятся на внешние и внутренние. Внешние физические факторы являются совокуп- ностью физических свойств внешней окружающей среды, оказы- вающих влияние на работоспособность технических устройств. Например, чрезмерно высокая или низкая окружающая темпера- тура, осадки, высокая влажность воздуха, вредные химические- примеси в атмосфере, низкое давление, действия лучистой энер- гии, наличие в воздухе взвешенной пыли и т. д. Внутренние физические факторы представляют собой те явления и процессы, которые, развиваясь в технических устройствах во время их функционирования, одновременно вли- яют на состояние и рабочие режимы этих же технических уст- ройств и их составных элементов,' а также технических устройств, в'заимо'С'вяванных с ними. Например, вибрация, ударные воздей- ствия, электроэрозия, внутренний перегрев и т. д. Под влиянием длительного воздействия на технические уст- ройства физических факторов происходит износ их рабочих деталей и старение материалов, из которых они выполнены. Износ характеризуется постепенным изменением формы и 13-
размеров рабочих поверхностей отдельных деталей технических устройств, происходящим в процессе эксплуатации и приводя- щим к ухудшению рабочих характеристик данного устройства или к внезапному нарушению его исправности. Старение характеризуется постепенным структурным измене- нием материалов деталей технических устройств в процессе хра- нения и эксплуатации, приводящих к ухудшению рабочих харак- теристик данного устройства или к внезапному нарушению его исправности. Обеспечение надежности технических устройств осущест- вляется на всех этапах их создания и применения, т. е. в перио- ды их проектирования и изготовления, в процессе эксплуатации и хранения. К числу схемных и конструктивных способов обеспечения на- дежности технических устройств относятся резервирова- ние, применение различных средств защиты, подбор более надежных с о ст а в н ы х э л е м е н т о в, ориентация на применение облегченных режимов работы элементов. К специальным мероприятиям в процессе производства тех- нических устройств относится отработка элементов, ко- торые до их применения в системах подвергаются испытаниям в рабочем режиме, близком к эксплуатационному. Дефектные элементы в процессе испытания отказывают и изымаются из дальнейшего употребления. Выдержавшие эти испытания используются по назначению. При вводе технических устройств в эксплуатацию применяет- ся способ их т р е н и р о в к и или приработки. Устройства до их передачи в эксплуатацию предварительно испытываются в рабочем режиме, близком к эксплуатационному, до тех пор, пока количество отказов не установится минимальным. В процессе эксплуатации надежная работа авиационной тех- ники обеспечивается путем проведения различных мер профи- лактики. Когда авиационная техника не используется по назначению, для нее создаются условия хранения, позволяющие обеспечить защиту ее от различных вредных влияний окружающей среды во время ее бездействия. § 1.2. ОСНОВНЫЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАДЕЖНОСТИ В настоящее время количественные критерии надежности по- лучили широкое применение для оценки надежности технических устройств .в процессе их проектирования и эксплуатации. В основу теоретических изысканий, применяющихся для вы- вода общих закономерностей теории надежности, а также для поиска наиболее рациональных путей обеспечения надежности, 14
положены вероятностно-математические методы, справедливые главным образом для непрерывных случайных .величин. Для ре- шения прикладных задач по надежности на основе статистиче- ского анализа данных, полученных в процессе эксплуатации, бо- лее приемлемыми являются статистические методы и зависимо- сти, справедливые для дискретных случайных величин. В свя- зи с этим все основные характеристики надежности впредь рас- сматриваются как с теоретико-вероятностной, так и со статисти- ческой точек зрения. Вероятность безотказной работы. Одним из основных коли- чественных критериев надежности является функция надежности или вероятность безотказной работы. Вероятность безотказной работы — вероятность того, что за определенное время работы технического устройства и в задан- ных условиях эксплуатации отказ не произойдет. /Д/) = вер (/j > ^). (1.1) Другими словами, p(t) представляет собой вероятность то- го, что величина заданного времени функционирования t мень- ше, чем величина времени появления первого отказа ti. Противоположная величина функции надежности p(t) —- функция распределения времени появления отказа или вероят- ность появления отказа ^(0 = вер(71< t). (1.2) Сумма вероятностей безотказной работы и появления отказа как противоположных событий равна единице: P(t) + ч (1.3) Если через N (I) обозначить число событий безотказной ра- боты исследуемых на надежность однотипных технических уст- ройств в течение времени t, через n(t) — число событий появ- ления отказов в работе этих устройств в течение того же време- ни, а через ДГо = М(О) = ЛА(О + я(О (1.4) — число однотипных технических устройств, первоначально' взя- тых под наблюдение, то статистически вероятность безотказной работы в соответствии с определением вероятности для любого времени может быть вычислена по формуле (1.5) N о Таким образом, статистическая вероятность безотказной ра- боты выражается отношением количества исправных в течение 15
заданного времени однотипных технических устройств к числу технических устройств, первоначально взятых под наблюдение. При увеличении количества технических устройств No вели- чина p*(t) сходится по вероятности к истинному значению функ- ции надежности p (t), т. е. = (1.6)Y N <,-*«> Nq Аналогично статистическая вероятность появления отказа вычисляется по формуле 9*(^)=4F- (t7> Очевидно, что с течением времени общее количество отказов- n(t) в технических устройствах постепенно увеличивается и, следовательно, согласно (1.7), эта величина и вероятность появ- ления отказа </(/) являются монотонно нарастающими функция- Р и с. 1.1. Характеристики вероятности появления отказа и вероятности безотказной работы тральную функцию распределения случайной величины — вре- мени появления отказа технических устройств. Характеристика p(t) имеет противоположный характер отно- сительно кривой q(t) и изображает собой монотонно убываю- щую функцию. Очевидно, что О < р (t) < 1; /1(0) = 1; р (t -> со) = О, Аналогично q (0) = 0; </(/-> оо) = 1. 16
Пример 1.1. В течение 300 часов налета каждым из 360 самолетов, взятых под наблюдение, зарегистрировано 27 отказов курсовых систем. Како- ва в этом случае статистическая вероятность безотказной работы данных систем? Согласно (1.3) и (1.7), 27 р* (300) = 1 — q* (300) = 1 - = 0,925. На практике часто приходится иметь дело со случаем, когда необходимо определить степень надежности авиационной техни- ки в течение времени некоторой операции или даже в течение одного полета, при условии, что данная авиационная техника длительное время находится на эксплуатации и уже до начала упомянутой операции или полета имеет некоторую наработку. Вероятность безотказной работы технического устройства в течение времени ta -г- tb при условии, что оно уже безотказно проработало перед этим в течение времени ta, определяется ус- ловной вероятностью Р (АЮ = вер > tb - ta), (1,8) где ti — время появления первого отказа с началом отсчета в точке ta. Если известна статистическая функция надежности (1.7), т. е. известны ее значения Р* (*а) = и р* (tb) = , (1.9) /v0 /v0 то = (1-10) P(ta) Из (1.9) и (1.10) следует = (1-11) N(ta) Вероятность безотказной работы технических устройств в течение времени при условии, что они безотказно прора- ботали перед этим в течение времени 0 -г- ta, выражается отно- шением количества исправно проработавших технических уст- ройств в течение времени 0 -г- tb к количеству исправно прора- ботавших технических устройств .в течение времени 0-н Пример 1.2. Найти, пользуясь данными примера 1.1, статистическую ус- ловную вероятность безотказной работы курсовых систем по истечении 300 часов налета каждым самолетом, если известно, что за это время произошли отказы курсовых систем на 27 самолетах, причем 9 из них отказали в течение первых 100 часов налета каждым самолетом. р.(300/100)- ® „ 360—27 (V(100) N„ — л(100) 360—9 2, Румянцев Е. А. и др* 17
Плотность вероятности отказов. Для получения кривой по- явления отказов статистическим методом весь диапазон времени наработки однотипными техническими устройствами разбивает- ся на равные отрезки: Д^2> • ч i, где Д^г- — ti f-i—x • В процессе длительной эксплуатации технических устройств до момента появления отказа каждого из них производится учет количества отказов Дпв Д/г2< •, Дм» приходящихся на соответ- ствующие отрезки времени Д/ь Д£2, ч Д^г. Все отмазавшие тех- нические устройства в дальнейшей эксплуатации не используют- ся и новыми не заменяются. Количество исправных технических устройств в процессе ис- пытания все время уменьшается и в конце эксперимента стано- вится равным нулю. На основании полученных в процессе эксплуатации экспериментальных данных строится статистиче- ская кривая плотности вероятности отказов. По оси абсцисс от- кладывается время наработки с момента начала эксплуатации, а по оси ординат — статистическая плотность .вероятности от- казов, равная Aft; (1-12) Согласно этому выражению, статистическая плотность вероят- ности отказов есть отношение количества отказов однотипных технических устройств в единицу времени, взятое для данного отрезка времени, к числу технических устройств, первоначально выбранных под наблюдение. (В литературе по надежности еще нередко плотность вероятности называется частотой отказов, что противоречит определению частоты события в курсах тео- рии вероятностей). Пример 1.3, Найти статистическое распределение плотности вероят- ности отказов 500 самолетных угольных регуляторов напряжения, испытан- ных на нормальном эксплуатационном режиме до полного отказа всех регу- ляторов. Отказы угольных регуляторов подсчитаны через каждые 100 часов испыта- ния. Результаты испытаний и вычислений по формуле (1.12) приведены в табл. 1.1. Если перейти от дискретного спектра плотности вероятно- сти отказов к непрерывному распределению, т. е. в (1.12) при- нять Д/ 0, то получим выражение (1.13) 7V0 dt V 7 Классическое распределение .времени появления отказов ха- рактеризуется кривой (рис. 1.2,Г). В начальное время эксплуа- тации, соответствующее периоду так называемого «детства» тех- 18
нических устройств, наблюдается повышенная плотность вероят- ности отказов. На этом этапе обычно отказывают наиболее сла- бые узлы и элементы, содержащие в себе скрытые производст- венные дефекты. Особенно значительной плотность вероятности отказов в этот период бывает у технических устройств, состоя- щих из большого количества мелких элементов: радиоламп тран- зисторов, реле, конденсаторов нт. д. Таблица 1.1 № П/П Mt в часах ft- Ю-з № п/п в часах Дл/ //10-8 1 0-100 9 0,18 16 1500—1600 3 0,06 9 100—200 13 0,26 17 1600—1700 5 0,10 •О 200—300 16 0,32 18 1700—1800 11 0,22 4 300—400 15 0,30 19 1800—1900 18 0,36 t> 400—500 11 0,22 20 1900—2000 27 0,54 6 500—600 6 0,12 21 2000—2100 38 0,76 7 600—700 3 0,06 22 2100—2200 48 0,96 8 700—800 2 0,04 23 2200—2300 55 1,10 9 800—900 4 0,08 24 2300—2400 52 1,04 10 900—1000 3 0,06 25 2400—2500 46 0,92 11 1000—1100 2 0,04 26 2500—2600 42 0,84 12 1100—1200 5 0,10 27 2600—2700 31 0,62 13 1200—1300 3 0,06 28 2700—2800 15 0,30 14 1300—1400 3 0,06 29 2800—2900 7 0,14 15 1400—1500 4 0,08 30 2900—3000 3 0,06 Ранние отказы могут быть устранены путем отбраковки эле- ментов. Для этого, до применения элементов в аппаратуре, их .заставляют работать в режиме, близком к расчетному. Выдержавшие эти испытания элементы принимаются для применения их в технических устройствах. Затем перед выпуском с производства готовые технические устройства подвергаются в течение определенного времени проверке в режиме приработки и тренировки. Изделия, выдержавшие эти испытания, .могут быть рекомендованы для эксплуатации. Период рабочего' времени технических устройств, в течение которого наблюдается повышенная частота отказов, вследствие скрытых производственных дефектов, называется периодом приработки (рис. 1.2,Г, отрезок кривой I). Второй участок кривой распределения отказов соответствует «зрелости» технических устройств, когда в процессе эксплуата- ции возникают главным образом внезапные отказы, имеющие случайный характер происхождения. Предсказать, когда они произойдут, невозможно. Частота появления такого рода отка- зов обычно бывает небольшой. Период рабочего времени технических устройств, в течение которого устанавливается наиболее низкая плотность вероятно- 2* 19
20
сти отказов, называется периодом нормальной экс- плуатации (рис. 1.2,П, отрезок кривой II). Последняя часть кривой распределения отказов соответствует «старости» технических устройств, когда имеет место массовое проявление отказов вследствие износа деталей технических уст- ройств и старения материалов, из которых они изготовлены. На этом участке кривой плотность вероятности отказов сначала зна- чительно увеличивается, а затем ввиду сильного уменьшения количества исправных технических устройств падает, снижаясь постепенного до нуля. Период рабочего времени технических устройств, в течение которого наблюдается значительное повышение плотности веро- ятности отказов вследствие износа деталей и старения их мате- риала, называется периодом износа и старения (рис. 1.2,Г, отрезок кривой III). Плотность времени появления ранних отказов, возникаю- щих вследствие наличия в устройствах производственных дефек- тов, хорошо согласуется с распределением Пуассона (рис. 1.2,Л) Tz (1-14) где Тта — безразмерное математическое ожидание для рас- пределения А, выраженное целым числом отрезков времени; t — текущее безразмерное количество отрезков време- ни наработки, выраженное целым числом отрезков времени; £ — единичный коэффициент нормирования, отождеств- ляющий собой размерную величину, равную еди- нице. Распределение времени появления внезапных отказов (рис. 1.2,5) может быть выражено экспоненциальной формулой _ t__ = Ттб, (1.15) * tn б Tjjfi Tm6 — математическое ожидание распределения Б. Плотность времени появления отказов, возникающих вслед- ствие износа и старения (рис. 1.2,5), хорошо согласуется с кри- вой нормального закона распределения У-Гт6У в . (1.16) fAt} = - * е ав 1/ 2тс 21
Применяя, согласно (1.7), в выражении (1.14) параметр q (t), получим Ж = =-^> (1-17> di dt где плотность вероятности отказов интерпретируется как ско- рость увеличения функции распределения или как скорость убы- вания функции надежности. Интенсивность отказов. С течением времени технические устройства, находящиеся на эксплуатации, как это следует из рис. 1.1, становятся все менее и менее надежными. Поэтому не- обходимо располагать такой характеристикой, которая позволи- ла бы оценить степень надежности технического устройства в каждый данный момент. На первый взгляд может показаться, что степень надежности технического устройства полностью ха- рактеризует плотность вероятности отказов. Однако это не так.. Допустим, проводятся испытания на надежность 1000 одно- типных технических устройств. В первые десять часов работы отказывает 50 технических устройств. После 300 часов работы осталось всего 100 исправных технических устройств. В после- дующие десять часов работы из них отказывают 10 технических устройств. Статистическая плотность вероятности отказов, согласно 50 (1.12), в начальный момент испытания составляет --------- = 1000-10 == 0,005, а через 300 часов работы равна: ------=0,001, т. е. 1000-10 •общее количество отказов в единицу времени сокращается ® 5 раз, однако, несмотря на это, оказывается, что в начальный мо- мент технические устройства работают надежнее, так как в этом случае за каждый час работы отказывает только одно техниче- ское устройство из 200, а после 300 часов работы за один час от- казывает одно техническое устройство из 100. Плотность веро- ятности отказов позволяет оценить плотность вероятности появ- ления отказов технических устройств среди их множества, перво- начально взятого под наблюдение, а в данном случае для оценки надежности технического устройства необходима характеристи- ка, выражающая плотность вероятности появления отказа от- дельно взятого технического устройства. Такой характеристикой надежности является интенсивность* отказов X. Она определяется количеством отказов в единицу * В некоторых литературных источниках интенсивность отказов в отличие от общепринятой терминологии именуется опасностью отказов, а также лам- бда-характеристикой. 22
времени, отнесенным к количеству исправно действующих в данный момент технических устройств, т. е. Д/г,- (1.18) где Nml — среднее статистическое число исправно действующих технических устройств в течение заданного времени. Таким образом, интенсивность отказов для заданного отрез- ка времени является отношением количества отказов однотип- ных технических устройств в единицу времени, взятым для задан- ного промежутка времени, к среднему числу исправно действую- щих технических устройств в течение этого же промежутка вре- мени. Пример 1.4. Пользуясь данными примера 1.3, вычислить распределение интенсивности отказов угольных регуляторов. В основу вычисления берется формула (1.18). Среднее число исправно действующих регуляторов в течение /-того от- резка времени с достаточной степенью точности равно: i-1 Nml " ~ • Л-1 Результаты вычисления приведены в табл. 1.2 Таблица 1.2 № п/п Nml № п/п Nmi 1 495,5 0,182- 10 - 3 16 399,5 0,0751 - IO-8 2 484,5 0,264 - IO-3 17 395,5 0,101 - IO-3 3 470 0,340 - 10—3 18 387,5 0,286- IO-® 4 454,5 0,330 - io—3 19 373 0,483- IO-» 4 441,5 0,249- 10 “8 20 350,5 0,770-10-8 6 433 0,139 • 10“3 21 318 1,197 • IO-8 7 428,5 0,070- 10-3 22 275 1,746 • IO”3 8 426 0,047 IO—» 23 223,5 2,460-10-s 9 423 0,095 - IO-3 24 170 3,059-10-8 10 419,5 0,072-10-3 25 121 3,802 - IO-8 И 417 0,048- 10—3 26 77 5,455 - Ю-з 12 413,5 0,129-10-3 27 40,5 7,654 - IO”3 13 409,5 0,0733- IO-3 28 17,5 9,143-10-e 14 406,5 0,0738 -IO—3 29 6,5 10,769- IO-» 15 403 0,0995-Ю-з 30 1,5 50,000- Ю-з Кривая интенсивности отказов изображена .на рис. 1.3. Переходя от выражения (1.18), справедливого для дискрет- 23
ных вычислений, к выражению непрерывного распределения, т. е. считая, что > 0, получим 1 dn(t) N(f) dt (1-19) Рис. 1.3. Характеристика интенсивности появ- ления отказов Согласно (1.19), интенсивность отказов есть плотность веро- ятности времени появления отказа одного отдельно взятого из множества технического устройства или, что одно и то же, есть плотность вероятности времени появления отказа для множества однотипных технических устройств при условии, что каждый данный момент времени t, для которого определяется эта вели- чина, принимается за начальный. Среднее время безотказной работы. Среднее статистическое время безотказной работы однотипных технических устройств (или среднее время появления в каждом из них первого отказа) определяется как отношение суммарной наработки к общему числу этих устройств h = (1.20) М) где tj — время появления отказа /-того технического устрой- ства. Математически среднее время безотказной работы множества однотипных технических устройств определяется как математи- 24
чеокое ожидание времени наработки технического устройства до появления в нем первого отказа оо Tni^tf(t)dt. (1.21) о Путем замены в (1.21) значения f(t), согласно (1.17), сред- нее время безотказной работы может быть выражено через ве- роятность безотказной работы Гт=- \t^dt=- [tdp(t), (1.22) J dt J 0 0 или co оо оо Tm = -tp(t) + ^p(t)dt~ ^p(t)dt. (1.23) 0 0 0 Отсюда видно, что среднее время 'безотказной работы чис- ленно равно площади, ограниченной .кривой вероятности безот- казной работы и осями координат (см. рис. 1.1). Аналитические зависимости между основными характеристи- ками надежности. Все основные характеристики надежности свя- заны между собой функциональной зависимостью. Выражение такой зависимости между функцией надежности, плотностью вероятности и интенсивностью отказов можно полу- чить путем одновременного умножения и деления правой части равенства (1.19) на 'Af0 и применения формул (1.5) и (1.13) 40 = ^, (1-24) P(t) или /(/) = /,(» (1.25) Применяя в (1.24) выражение (1.17), получим зависимость интенсивности отказов от вероятности безотказной работы (L26) р(/) dt Интегрируя это уравнение, получим t - Jx(£) d7=lnp(0, (1-27) о или /2(Z) = e ° . (1.28) 25
Подставляя выражение (1.28) в равенство (1.25), получим t - j х (о at ° . (1.29) Подставляя в (1.23) значение p(t) из (1.28), получим среднее фремя безотказной работы, выраженное через X (7): оо t р - р. (Z) dt rm= е b dt. (1.30) о Три последние формулы позволяют вычислить основные ха- рактеристики надежности иа основании статистических данных относительно X (£), полученных в процессе эксплуатации. Статистическое значение вероятности безотказной работы си- стемы можно получить посредством следующего выражения: k z k z Pk*=\-M S S s /г= и 2 л, (1.31) i-1 z=l Z=1 /=й-Н где z — полное число отрезков распределения случайной вели- чины t. Аналогично для закона непрерывного распределения, соглас- но (1.3) и (1.17), получим t • co t оа /Н0=1 - J/(0^= \ f^dt- \f(t)dt=^f(t)dt. (1.32) о о о t Пользуясь формулами (1.25) и (1.32), получим еще одно вы- ражение = (1-33) \f(t)dt t (сводную таблицу формул характеристик надежности см. п. I). Зависимости между характеристиками надежности для слу- чая постоянства величины интенсивности отказов. Внезапные от- казы, имеющие случайный характер происхождения, подчиняют- ся закону распределения, вытекающему из условий постоянства интенсивности отказов. Поэтому в течение периода нормальной эксплуатации (рис. 1.2,Г, интервал II), когда действие других законов распределения весьма 'незначительно, можно без боль- шой погрешности считать, что интенсивность отказов техниче- ских устройств от времени не зависит и практически является постоянной величиной. 26
Для такого ’случая вероятность безотказной работы, соглас- но (1.28), равна: ^(/) = е-х'. (1.34) Плотность вероятности отказов, согласно (1.34), f(t) = X e~w и, согласно (1.31), оо со Тт = J e-w ± J e-w d ()d) = ± . О о (1.35) (1.36) Пример 1.6. Интенсивность отказов самолетных генераторов в течение периода нормальной эксплуатации практически является постоянной величи- ной и равна 0,021 -10—8. Пользуясь экспоненциальным законом распределения, определить для времени наработки генератора t = 500 час вероятность безотказной работы,, частоту отказов и среднее время безотказной работы. Согласно выражениям (1.34), (1.35), (1.36) и п. 2, получим р (500) = е~0’021 • м“8 500 = 0,9896; /(500) =0,021-10~3 е~0-021 • 10”3 • 5(Ю= 0,02078-10~з; Т 1П 1 0,021 • IQ-3 = 47600 час. Подставляя значение X из (1.36) в (1.34), получим ________________________________t P(t) = e ?m. (1.37) При р(Р) = -^0,37. Таким образом, для обеспечения высокого уровня надежно- сти невосстанавливаемых технических устройств следует выби- рать срок службы в зависимости от тактико-технических требо- ваний намного .меньше, чем среднее время .безотказной работы. Подставляя в выражение (1.35) значение X из равенства (1.36), получим зависимость между плотностью вероятности от- казов и временными параметрами /(Z)=— е 7«. (1.38) /и 27‘
Таким образом, если интенсивность отказов является посто- янной величиной, то вероятность безотказной работы и плот- ность вероятности отказов являются экспоненциальными функ- циями. Если срок службы технического устройства во много раз меньше среднего времени безотказной работы, то характеристи- ки надежности удобно рассчитывать по упрощенным формулам. Разлагая функцию (1.37) в ряд и пренебрегая всеми члена- ми ряда, имеющими порядок малости выше первого, получим р(/)^1~-^-=1-Х/; (1.39) т (1.40) * т При экспоненциальном законе распределения выражение (1.10) может быть переписано в следующем виде: -ы (1-41) е * тде е & «— есть безусловная вероятность безотказной работы системы за время, равное tb — ta. Таким образом, при X = const вероятность безотказной ра- боты в течение некоторого времени совершенно не зависит от ве- личины наработки данного технического устройства, предшест- вующей отрезку этого времени.
Глава II ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ § 2.1. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАДЕЖНОСТИ ВОССТАНАВЛИВАЕМЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ Настоящий 'Параграф посвящен ’количественным характери- стикам надежности восстанавливаемых технических устройств,, т. е. характеристикам, которые учитывают факт восстановления или замены неисправных технических устройств на исправные, но не учитывают время, необходимое на восстановление или за- мену неисправных технических устройств. Предполагается, что-' возникающие отказы технических устройств устраняются мгно- венно. Такого рода характеристики надежности авиационной техни- ки в отличие от аналогичных характеристик невосстанавливае- мых технических устройств удобны для .практических целей вви- ду возможности определить их, используя статистические данные- об отказах, полученные в авиационных частях. Средняя статистическая плотность вероятности отказов оп- ределяется как отношение количества отказавших элементов &п( в единицу времени к числу элементов N3, находящихся в дей- ствующих системах, при условии, что все отказавшие элементы- мгновенно восстанавливаются или заменяются исправными, т. е. число элементов, находящихся под наблюдением в течение за- данного времени наработки, сохраняется постоянным Суммарная статистическая плотность вероятности отказов, системы выражается полным количеством отказов составных элементов одной данной системы в единицу времени, взятым в- границах заданного времени наработки t; = (2.2)); Среднее время наработки между двумя последующими отка- зами определяется отношением времени наработки t техническо- го
го устройства к полному числу отказов элементов, возникших в нем за это время. 7’мо = -^?. (2.3) /г (О Если при оценке надежности учитываются отказы одновре- ’ менно у 'N однотипных восстанавливаемых технических уст- ройств, то среднее время наработки между двумя последующи- ми отказами может быть представлено в виде: w 1^7 По = , (2.4) 2 М где tj — время наработки /-того технического устройства; tij — число отказов /-того технического устройства за вре- мя его наработки . Сравнивая выражения (2.2) и (2.3), получим равенство Гмо=г^- (2’5) .Можно доказать [22], что для любого закона распределения вре- мени безотказной работы значение средней частоты отказов вос- станавливаемых устройств в установившемся режиме их рабо- ты по истечении некоторого времени, практически равного Т2 1 t = -n—i имеет предел, равный • о» (0 = ~~ = const. (2.6) тт Коэффициенты отказов. В качестве вспомогательного крите- рия надежности элементов системы применяются коэффициенты отказов. Коэффициент отказов представляет собой отношение числа отказов однотипных элементов или блоков пв к общему числу отказов в системе /?.с £и = —• (2.7) «с Величина коэффициента отказа позволяет судить о том, ка- кой тип элемента и в какой степени влияет на надежность систе- мы в целом. Однако коэффициент отказа не дает возможности оценить, какой тип элементов системы менее надежен, а какой более на- .дежен, -30
Для этой цели может быть использован относительный коэф- фициент отказов. Относительный коэффициент отказов определяется по фор- муле ^оо — n3Nz ncN3 (2-8) где N3 — количество элементов данного типа в системе; Nc — полное количество элементов всех типов в системе. Как коэффициент отказов, так и относительный коэффициент отказов можно выразить через некоторые другие характеристики надежности. Количество отказов системы вследствие неисправных элемен- тов данного типа за промежуток времени М может быть опре- делено формулой пэ = N3w3bt, (2.9) где °>э — средняя плотность вероятности отказов элементов данного типа. За это время в системе произойдет всего отказов: «С = ЙСД/, (2.10) где 9С — суммарная плотность вероятности отказов в системе. Подставив оба эти выражения в (2.7), получим k0= N3-~ . (2.11) Ус Для случая 1-+ со <оэ -= Хэ и,следовательно, k* = N3^-. (2.12) Аналогичным способом можно найти зависимость относи- тельного коэффициента отказов от средней и суммарной плот- ности вероятности отказов ^00=^^-. ^00= чф-. При Х = const (2.13) (2.14) Таким образом, коэффициенты отказов в некоторых случаях могут быть выражены через интенсивность отказов. 31
Пример 2.1. В процессе эксплуатации 36 образцов самолетной аппара- туры произошло 80 отказов. Определить коэффициенты отказов элементов аппаратуры и относитель- ные коэффициенты отказов, если заранее известно количество однотипных эле- ментов в каждом комплекте аппаратуры. Данные о количестве элементов каждого типа, распределение отказов между типами элементов и полученные результаты вычисления коэффициентов сведены в табл. 2.1. Таблица 2.1 Наименование элементов Кол-во мэ Число отказов «э ь Пэ £ о о •ад Трансформаторы 22 1 0,0125 0,163 Радиолампы 43 26 0,325 2,16 Конденсаторы 63 15 0,1875 0,844 Потенциометры 20 3 0,0375 0,54 Сопротивления 100 8 0,1 0,287 Реле 26 2 0,025 0,276 Штепсельные 13 5 0,0625 1,38 разъемы Всего 287 80 § 2.2. ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ И ЕЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Эксплуатация авиационной техники и ее надежность. Про- цесс эксплуатации авиационной техники не следует рассматри- вать как непрерывный процесс. Обычно выполнение полетов и заданных боевых функций чередуется с простоем авиационной техники, который образуется вследствие двух причин: — бездействия исправной авиационной техники ввиду отсут- ствия необходимости ее применения или наличия причин и усло- вий, препятствующих производству полетов. В результате обра- зуется так называемый конъюнктурный простой; — проведения мероприятий, связанных с профилактикой и текущим ремонтом, в результате чего образуется вынужденный простой. Таким образом, текущее календарное время эксплуатации авиационной техники складывается из трех компонент: ta = it + ^вп + 4п , (2.15)’ где fa — суммарное время наработки технического устройства в течение определенного календарного времени экс- плуатации ta\ /вп — суммарное время вынужденного простоя за это же время эксплуатации; /кп — суммарное время конъюнктурного простоя. 32
Время вынужденного простоя летательного аппарата, взятое за некоторое календарное время эксплуатации, выражается суммой: 2-вп ~ "I" ^нпл ) (2.16) где tnn — плановое время вынужденного простоя, которое обра- зуется вследствие проведения регламентированных эксплуата- ционных работ, таких, как подготовка к полетам, регламентные и профилактические работы, доработки и т. д. Эта величина вполне определенная и практически пропорциональна времени наработки технических устройств; /нпл — неплановое время вынужденного простоя, которое оп- ределяется временем восстановления отказавших технических устройств и простоем авиационной техники вследствие ожидания ремонта. Эта величина случайная и определяется суммарным временем , образующимся в связи с восстановлением отка- завшей в процессе работы авиационной техники в течение опре- деленного календарного времени эксплуатации. Критерием эксплуатационной надежности авиационной техни- ки является коэффициент эксплуатационной готовности, который представляет собой отношение полного времени наработки в те- чение определенного срока эксплуатации к сумме полных времен наработки и вынужденного простоя, взятых за этот же срок эксплуатации. Кэг = --^— . (2.17) ‘S + ‘ИП Коэффициент эксплуатационной готовности является крите- рием, характеризующим основное тактическое качество авиаци- онной техники, — готовность ее к применению. Его величина за- висит не только от надежности и восстанавливаемости, а также от эксплуатационного совершенства; характеризующегося сте- пенью ее приспособленности к проведению регламентных работ и подготовке к полетам. Ввиду того, что плановое время вынужденного простоя прак- тически не является случайной величиной и величина его отно- шения к времени наработки не зависит от количества возникаю- щих отказов авиационной техники, то в качестве количественной характеристики эксплуатационной ' надежности применяется коэффициент готовности технического устройства =---------, (2.18) выражающий собой вероятность того, что система в любой мо- мент времени находится в исправном состоянии. 3. Румянцев Е. А. и др. 33
Поскольку ^2 р — ) Т'рем > h = п ( h ) Тыо, где Тыо и Трем —средние'времена наработки между отказами и восстановления технических устройств, то равенство (2.18) мо- жет быть выражено в виде: В данном выражении 4,- определяется посредством коли- чественных характеристик долговечности технических устройств (Ты0) и их восстанавливаемости (Тоеи). Согласно (2.5), выражение (2.19) может быть представлено в виде: или, наконец, при /->оо, когда, согласно (2.13), 7\,0 Т,п, по- лучим Кг =-------------• (2.21) Т 4- Т v ‘ m Г 1 рем Пример 2.2. Среднегодовой налет самолетов равен 450 часам. За это время каждый самолет подвергается регламентным работам в течение десяти суток. В среднем 60 часов приходится на текущий ремонт, подготовка к каждому часу полета занимает 1 чае. 30 минут. Определить коэффициент го- товности, коэффициент эксплуатационной готовности и степень использования самолетов для полетов в течение года ft, + ts реа 450 450 4- 60 0,885; 24-365 24-365 Восстанавливаемость. Восстанавливаемые технические уст- ройства, по мере появления в них отказов, подвергаются ремон- ту, а затем после восстановления снова включаются в работу. Такого рода процесс протекает периодически. Следователь- но, эксплуатация восстанавливаемых технических устройств включает в себя две главные составные части: рабочий процесс и процесс -восстановления отказавших технических устройств. Процесс восстановления технических устройств сводится к отысканию причин отказов, т. е. к определению места и харак- 34
тера неисправности, вызвавшей отказ, а затем к устранению этой неисправности. , Любая неисправность в общем случае вносит >в эксплуата- цию элемент случайности. Величины времени, затрачиваемого на отыскание и устранение неисправности, а также стоимость вос- становления технических устройств являются случайными вели- чинами, поскольку характер неисправности может быть каким угодно произвольным. Основными показателями количественной оценки эксплуата- ционной надежности технических устройств являются характери- стики восстанавливаемости. Восстанавливаемость — свойство конструктивной приспособленности технических устройств к выявлению, устра- нению и предупреждению в них неисправностей. Численной мерой восстанавливаемости является вероятность восстановления, под которой понимается вероятность того, что за определенный интервал времени и в заданных условиях ремон- та неисправное техническое устройство будет восстановлено. WpeJ = вер (/0 < /рем), (2.22) где д0 — фактическое время восстановления; /рем — текущее время процесса восстановления. Другими словами, U (/рем) представляет собой вероятность то- го, что заданная величина текущего времени процесса ремонта ./РеМ больше, чем фактическая величина времени восстановле- ния /о- Статистическая вероятность восстановления неисправных тех- нических устройств выражается следующим равенством: 111 (Сем) = (2.23) 7^0 где ^(/рем) - число восстановленных -неисправных технических устройств; п0 — число взятых под наблюдение неисправных тех- нических устройств, подлежащих ремонту. Аналогично количественным характеристикам надежности применяются характеристики, оценивающие восстанавливае- мость: плотность вероятности восстановления, интенсивность восстановления и среднее время восстановления. Статистическая плотность вероятности восстановления -где Д£рем i — i-тый отрезок времени ремонта; Д/нг — число технических устройств, восстановленных в течение i-того отрезка времени. 3* 35
Аналогично для непрерывной функции 1 tZ/7Z(£peM) ?(^рем)— „ '‘'О и<,рем Статистическая интенсивность восстановления &nit ti kt "'ml “‘•рем I (2.25) (2.26). где nmi — среднее количество неисправных технических уст- ройств, находящихся в течение f-того отрезка времени в ожида- нии ремонта. Для непрерывной функции 1 ^И(^рем) ^(^рем) ^рем (2.27} где и(/рем)— число неисправных технических устройств в задан- ный момент ^реы, подлежащих восстановлению. Статистическое среднее время восстановления 2 *рем 'р ____ ________ рем — п и для непрерывной функции рем J ^рем Т (^рем)^^рем • 0 (2.28) (2.29) По аналогии с (1.25); (1.32); (1.28) и (1.23) также можно до- казать справедливость следующих равенств: ? (^рем) [1 (^рем)] Iх Дрем)> (2.30) t U (^рем) = J <р (W ; (2.31) J ^рем <%м)=1-е° ; Т'рем = J Е1 — U (^рем)] <^рем • О (2.32) (2.33) Восстановление авиационной техники путем замены отказав- ших устройств на исправные. В условиях эксплуатации авиаци- онной техники, при наличии некоторого оборотного фонда за- пасного технического имущества, оперативность восстановления неисправной авиационной техники может быть значительно по- 36
вьгшена путем замены отказавших агрегатов, блоков и уст- ройств на исправные. В этом случае время восстановления авиационной техники сильно сокращается до величины, равной времени замены отка- завшего технического устройства. Поэтому на практике значи- тельная часть отказов авиационной техники устраняется путем .замены неисправных устройств или узлов на исправные. Лишь некоторая часть из них может быть устранена путем проведения ремонтных работ непосредственно на летательном аппарате. Замена неисправных агрегатов на исправные производится главным образом в процессе проведения регламентных работ и профилактического ремонта. Суммарное время, затраченное на ремонт и замену неисправ- ной авиационной техники вследствие появления п отказов, опре- деляется следующим выражением: Я SZP3= [n-n3(U] ^рем + М^пИз, (2.34) где Грел — среднее время вынужденного простоя, необходимое для обнаружения неисправности и восстановления неисправной авиационной техники путем ее ремонта в условиях эксплуатации; Г3 — среднее время вынужденного простоя, необходимое на обнаружение неисправности и замену неисправ- ных блоков на исправные; п — общее число отказов авиационной техники; я3 (7П) — количество отказов, устраненных и предупрежден- ных в течение времени профилактики ta путем за- мены неисправных устройств на иопра-вные. Среднее время вынужденного простоя, необходимое на вос- становление неисправной авиационной техники частично путем замены на исправную, а частично путем ремонта, равно: [«-«зО Грем+ пМ)Т3 / р3 . (2.35) /ь Тогда при восстановлении неисправной авиационной техни- ки путем частичной замены ее на исправную выигрыш в сокра- щении времени вынужденного простоя по отношению к аналогич- ной величине, взятой для авиационной техники, восстанавливае- мой только путем ремонта, выразится формулой р _ 7"рем_______________11 Л>ем_______ /О QR\ °рз „ г м мт 1 „ и \ т ’ lz-0D/ 7р з [ «з (А1)] ^рем «з (U Г3 Если вероятность восстановления системы путем ремонта t Ц,(/) = 1-е 7рем (2.37) 37
и .вероятность восстановления системы как путем ремонта, так и замены неисправных технических устройств на исправные Ц>з(Ч = 1-е 7₽3, то путем простого преобразования получим 1-Ц>(0 учитывая (2.36), имеем 1-г/р(0 _____Р 4 ’ __ е рем 1-t/psW (2.38) (2.39) (2.40) Откуда В„з = 1 + in 1 . (2.41) t 1~Ц>з(0 Среднее время восстановления авиационной техники путем замены 'неисправных технических устройств на исправные, со- гласно (2.36), будет выражаться формулой 'д(1 — Вр3) Д3 Вр3 Т 1 рем (2.42) + 1 Пример 2.3. Среднее время восстановления авиационной техники по- средством ремонта отказавшей аппаратуры в условиях эксплуатации равно 40 часам. Однако таких отказов, которые вызывают необходимость производ- ства ремонта, всего б°/о от общего числа отказов п. Все остальные отказы устраняются путем замены неисправных технических устройств блоков или элементов на исправные. Вероятность восстановления авиационной, техники в течение 10 часов равняется 0,9. Определить, какой получается выигрыш во времени восстанов- ления неисправной авиационной техники путем замены блоков и частичного ремонта по отношению к восстановлению авиационной техники только посред- ством ремонта, и определить величину среднего времени восстановления авиа- ционной техники путем замены. Вероятность восстановления авиационной техники посредством ремонта по истечении 10 часов ___ю Л/р(10)=1 —е 40 = 1 - 0,9753 = 0,0247. Согласно (2.41), получим выигрыш во времени восстановления, равный величине: D 1 , 40 . 1 - 0,0247 Q й_ BD3 = 1 + •— In---------------- 9,8б. Р 10 < — 1-0,9 38
Пользуясь формулой (2.42), находим среднее время устранения отказов путем замены т = 1 3 - 1 0?95 ’ 1 - 9,85 9,85 + 1 40 = 2 часа. Количественная оценка эксплуатационной надежности. При определении надежности таких восстанавливаемых технических устройств, как различные сложные системы автоматического управления, электронно-вычислительные машины, требуется учи- тывать вынужденный простой этих устройств, появляющийся при отыскании и устранении неисправностей. Кроме того, надо учитывать, что восстанавливаемые устрой- ства в любой заданный момент начала отсчета времени могут находиться в одном из двух состояний: исправном и неисправ- ном, причем время неисправного состояния технических уст- ройств определяется временем устранения их неисправности. Исправное состояние восстанавливаемого устройства в тече- ние заданного периода рабочего времени i & определяется следующими двумя необходимыми условиями: — наличием исправного состояния в любой данный момент времени t, принятый за начало отсчета; — непоявлением отказа в полуинтервале времени t -н &, т. е. исключая момент t. Количественной мерой эксплуатационной надежности являет- ся функция эксплуатационной надежности или вероятность ис- правного состояния технического устройства в течение всего за- данного периода рабочего времени t &: Л(9)=Л(^)Р(&). (2.43) Оно выражается произведением вероятности исправного со- стояния технического устройства в любой произвольно выбран- ный момент времени t < принятый за начало отсчета времени работы ро(О> и вероятности непоявления отказа технического устройства в течение заданного рабочего времени t -ь '4, обозна- чаемой р (й ). Первый сомножитель выражения (2.43) равен: . (2.44) где /V — некоторое постоянное количество восстанавливаемых технических устройств, находящихся под наблюде- нием; N (/) — количество восстанавливаемых технических устройств, находящихся в данный момент t в исправном состоя- нии. 39
Аналогично вероятность неисправного состояния технического устройства в любой данный момент t выражается следующим равенством: <7oW = ^, (2.45) где п(t) — количество неисправных технических устройств’ на- ходящихся в данный момент t в стадии восстановления. Очевидно, что А (П+ <7о(О = 1- (2.46) Средняя эксплуатационная статистическая плотность вероят- ности .отказов, характеризующая рост количества неисправных технических устройств в единицу времени с учетом восстановле- ния технических устройств, ранее отказавших в работе, равна: (2.47) N dt где cZn0 (zf) = dn (t) — dm (/); (2.48) dn(t) — число отказов, возникших в технических устройствах за интервал времени dt; dm(t) — число восстановленных технических устройств неисправных за этот же интервал времени dt. Таким образом, 1 dn,(t) 1 cfrn(t) N dt N dt ’ или __ 1 dn(t) N(t) 1 din(t) n(t) ” A/(i) dt N ii (0 ~dt XF Из (1.19), (2.27) и (2.50) получим ®(0 = ЧО/М*)-Р-(П9о(<). Так как Q _ ______ dpa (0 dt то выражение (2.51) примет вид: = - k (t)p0 (t) + И (О <70 (t). из числа (2.49) (2.50) (2.51) (2.52) (2.53) 40
В результате замены </©(£) из (2.46) получим следующее дифференциальное уравнение: at (2.54) Его решение имеет вид: A(/) = e-H’'W + HWld/ [ J и (/) еИчп + НОВи dt + C ] . (2.55) При постоянных значениях Аир. /?0(^) = е- ep.+rt<4- с (2.56) При вычислении постоянной интегрирования С можно исхо- дить из двух 'предположений: или, что в момент начала эксплуа- тации техническое устройство исправно, т. е. ро(О) — 1, или, на- оборот, что оно в начальный момент заведомо неисправно, т. е. До(О)=О. При/?о(0) = 1 + Н тогда aoW=441+—е~(Х+11И A -f- }i L |1 при А(0) = 0; С2 = -^-; А + р. Pio (О = Г1 - — е-(Х+р') ‘ А + Р L и (2.57) (2.58) (2.59) (2.60) Графики изменения /?ю(0 и p2o(t) представлены на рис. 2.1. При увеличении t эти величины довольно скоро асимптоти- чески приближаются к'Постоянной величине —!— . X -Г р Для того, чтобы оценить, в каких случаях можно считать р0 — const; необходимо выяснить, при 'каких условиях производ- ная от ро(О будет иметь величину, близкую к нулю. Например, для функции (2.56) dpio(t) dt = — X g” (Ь+р«) t , (2.61) 41
Приравняем эту величину некоторому весьма малому числу s 1, позволяющему пренебречь изменением 'величины ро(О при дальнейшем увеличении до некоторого значения tc, : е = X е- tCt (2.62) или In — ‘с. - - ГТ? <мз> Рис. 2.1. Характеристика вероятности исправного со- стояния Ро(О Таким образом, по истечении времени, равного tC1, можно практически считать pw ~ const. Аналогично можно найти время £<?„> мри котором можно практически считать р<м const. In — А-ЙТ (2-64> Если допустить, что H = (2.65) * tn * рем то, согласно (2.21), 42
Таким образом, заменив первый сомножитель в (2.58) и (2.60) коэффициентом готовности, получим Ао(0 = Кг 1 2l e-(>.+ii) t . и J (2.67). Ао(О = А'г[1 -е-О+и-Н]. (2,68). Практически обычно рассматривают установившийся процесс- и считают, что ^о=7Гг. (2.69) Вероятность безотказной работы в течение полуинтервала времени 0-:Т, являющаяся вторым сомножителем правой части выражения (2.43), равна: ___t p(t) = e~rm. (2.70) Тогда из (2.69) и (2.43) получим t pAf)-Krp{t)^K^ (2.71) или —р— е-?< (2.72) О законе распределения времени восстановления. В предыду- щих выводах для восстанавливаемости был принят, как и для вероятности появления отказа, экспоненциальный закон рас- пределения (2.37). Однако такое допущение является лишь грубым приближе- нием к действительности. Обычно на восстановление неисправ- ного технического устройства требуется время, которое во вся- ком случае не меньше некоторой определенной величины. Ввиду этого экспоненциальное распределение времени вос- становления нельзя признать удовлетворяющим этому условию. Согласно экспоненциальному закону распределения, значитель- ная доля случаев восстановления характеризуется весьма крат- ким временем восстановления. Однако следует иметь в виду, что практически персонал, обслуживающий авиационную техни- ку, не в состоянии почти мгновенно приступить без затраты не- которого времени, связанного с подготовительными операциями,, к восстановлению очередного неисправного технического уст- ройства. Таким образом, возникает необходимость внесения корректива в те жесткие ограничения, которые вытекают из-, экспоненциального закона распределения. 4$
В этом отношении наиболее приемлемым является разновид- ность гамма-распределения: I 7 У I / I 7? —1 — _Д_—--- / / \ \ Рем / . у Т ф /рем) = ^рем £ ₽ем ) (2.73) предложенная Эрлангом. Функция ?(^Рем) представляет собой плотность распределения суммы некоторого числа пу — независимых отказов восстанав- ливаемых технических устройств, распределенных по экспонен- циальному закону, причем отказавшие технические устройства подвергаются ремонту со средним временем восстановления Графики плотности распределения Эрланга и экспоненци- ального распределения представлены на рис. 2.2. 1 — экспоненциальное распределение, 2 — распределение Эрланга Как показали результаты обработки статистических данных, распределение плотности вероятности времени восстановле- ния и (/рем) может быть представлено распределением Эрланга, если принять п., — 2, т. е. 21 рем 4 <Р /рем) = ^Рем е Р6М • (2-74) ' рем Соответственно вероятность восстановления определяется сле- дующим выражением: , 2^ Г / г» у \ Рем рем / 2Z \ “ —- и /реы) = f <₽ /рем) dt^ = 1 - 1 - е г₽ем. (2.75) od \ ‘ рем / •ПрИ ^рем Трем ^(Т'рем) = 1 — (1 + 2) е-2 = 0,594. 44
Практически это означает, что из 100 технических устройств,, ремонтируемых и одинаковых условиях, за .время, равное средне- му времени восстановления, приблизительно 60 штук окажутся отремонтированными, а 40 останутся еще невосстановленными.. Интенсивность восстановления, согласно (2.30), (2.74) и (2.75), выражается равенством 4 /рем е гр™ И (/рем) 2/ \ ^рем \ ----- е т / 1 рем / 2^рем Т 7рем (2.76) или 4 ^рем Р(/рем) у, * рем \2 рем v ^,*'рем/ (2.77) Полная вероятность выполнения заданных функций. В том случае, когда X и р являются величинами одного порядка, наи- более точные результаты при определении количественных ха- рактеристик эксплуатационной надежности можно получить, применяя закон полной вероятности сложного события. Полная вероятность выполнения заданной функции равна сумме произведений вероятностей частных событий на вероят- ности существующих гипотез Рф(/. /рем) = /<г/’(/)+ (1 -KT)U(tpen)p(t- /реи). (2.78) J m I 1 рем ____t_ p(t) = e Tm В данном случае предполагается, что существует только два состояния: рабочее и восстанавливаемое. Время простоя по Дру- гим причинам здесь не учитывается. Т,„ — вероятность исправного со- стояния технического уст- ройства; — вероятность безотказной ра- боты в течение времени t; — вероятность неисправного состояния технических уст- ройств; l-/< —-------- Лп+Т’рем 2/рем \ ' рем/ — вероятность восстановления неисправного технического, устройства за время /рем; 45.
_1 fpeu p (t — 7рем) = e 7'« — вероятность безотказной ра- боты технического устройст- ва за оставшееся от ремонта время t — ^рем, достаточное для выполнения заданной функции. Подставляя эти значения в (2.78), получим следующее вы- ражение: рф (t, ^Рем) =---—-----е Т>п 4------Т^-'- X Г 4J ' 1 рем/ —, | гр гр . гр ' Х * m । * рем * m г * рем _ рем Т е ™ (2.79) Пример 2.4. Найти для t — 40 час и ZpeM = ’ 0 час полную вероятность выполнения заданных функций технического устройства, среднее время появ- ления отказа которого равно Тт = 100 час, а среднее время восстановления Трем = 20 час, и сравнить ее с величиной функции эксплуатационной надеж- ности. Согласно (2.79), можно написать Рф(40; 10) = 100 100 + 20 40 — 100 е 20 100 + 20 + /1 + TL°V^ L \ 20 / = 0,833 0,6703 + 0,1667 [ 1 — 2 • 0,3679] 0,7408 = 0,603; 40 100 = 0,559. Рэ 100 4- 20 При 7рем и Тт^ 7’рсм разница между р3 и небольшая, поэтому с достаточной степенью точности можно1 ограничиться формулой (2.71). Применение формулы (2.79) целесообразно, когда Тт и 7’рем, а также I и 7рем имеют один порядок. Количественные характеристики профилактики. Одним из эффективных мероприятий по обеспечению эксплуатационной на- дежности является профилактика. В процессе проведения мер профилактики осуществляется проверка состояния авиационной техники, проводятся меры по защите составных элементов технических устройств от воздейст- вия различных факторов и по предохранению от ‘износа состав- ных деталей, устраняются обнаруженные недостатки и неисправ- ности. Таким образом, основная цель профилактики заключается в предупреждении потенциальных отказов, обнаружении и устра- 46
нении неисправностей. Применяют критерий «эффективность профилактики», который оценивается отношением количества -отказов, выявленных и предупрежденных в процессе проведения контрольных проверок и профилактики, к полному числу всех -отказов, зарегистрированных в процессе эксплуатации авиацион- ной техники. tj =---(2.80) ^пр Н- ^раб где ппр — количество отказов, предупрежденных в процессе профилактики; ^раб — количество отказов, возникших в процессе примене- ния технических устройств по их прямому назначе- нию. В связи с этим, в условиях эксплуатации следует учитывать, произошел ли отказ авиационной техники в полете, со всеми вы- текающими из этого аварийными последствиями, или отказ об- наружен в процессе профилактических проверок авиационной техники, чем предупреждена возможность появления аварийной ситуации в полете, т. е. чем больше процент неисправностей, выявленных в процессе проведения профилактики, тем выше ее эффективность. Величина относительных трудозатрат на проведение профи- лактики технических устройств оценивается «нормой профилак- тики» *нп=^> (2-81) где тпр — трудозатраты на профилактику; t — время наработки технического устройства. Таким образом, норма профилактики представляет трудоза- траты на профилактику технического устройства, приходящиеся на единицу времени его наработки. § 2.3. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАДЕЖНОСТИ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ В ПРОЦЕССЕ ХРАНЕНИЯ Эксплуатация авиационной техники характеризуется чередо- ванием кратковременных периодов ее функционирования и до- вольно длительных периодов бездействия, когда технические устройства на летательных аппаратах находятся в выключен- ном состоянии. Исправное состояние авиационной техники и ее готовность к последующему выполнению своих рабочих функций в значитель- ной степени зависят от режима хранения во время ее периоди- ческого бездействия. 47
Таким образом, понятие «хранение» авиационной техники включает в себя не только ее сбережение в периоды между вы- пуском с завода и началом ее эксплуатации ,в авиационных ча- стях или хранение ее на складах и хранилищах, но также и со- держание ее на самолетных стоянках, на аэродромах, в процес- се эксплуатации, в промежутках времени ее бездействия между последующими полетами. Основные характеристики надежности при хранении. Основ- ной целью хранения авиационной техники является содержание бездействующей авиационной техники в исправном состоянии. Основной численной мерой сохранности является вероятность того, что за определенный интервал времени и в заданных ус- ловиях хранения исправность технического устройства не нару- шится, или, говоря другими словами, отказ не произойдет 5(У = вер(^>^), (2.82) где /х — время хранения; ti — время появления неисправности в условиях хранения. Статистическая вероятность исправного состояния при хра- нении выражается формулой, аналогичной вероятности безотказ- ной работы: S* (2.83) где n(tx)— число технических устройств, пришедших в неис- правное состояние в процессе хранения; Wo — общее число. однотипных технических устройств, находящихся на хранении с момента tx = 0. К числу количественных характеристик сохранности отно- сятся: — статистическая плотность вероятности появления неисправ- ности при хранении где Д/гхz — число неисправных устройств в t-том интервале времени хранения,’ Д^х i — t-тый интервал времени хранения; — интенсивность появления неисправности при хранении 1« A/zx i Axz = -------— , где Nxi — среднее число исправных технических устройств, на- холящихся на хранении в течение интервала времени хранения Д^х z. Величина интенсивности появления неисправности авиаци- онной техники в условиях хранения обычно на два-три порядка 48
меньше интенсивности отказов, возникающих .во время функцио- нирования. Однако величина интенсивности возникновения не- исправности при хранении зависит от режима хранения. Среднее время исправного 'состояния технических устройств при хранении n0 24, Т"-Дг’ <2ае> где — время появления неисправности /-того технического устройства. § 2.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО, МЕЖРЕМОНТНОГО И ГАРАНТИЙНОГО РЕСУРСА АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ Под техническим (назначенным) ресурсом понимается допустимый срок службы или время наработки авиа- ционной техники, в течение которых обеспечивается ее надеж- ная работа при соблюдении установленных правил ее эксплуата- ции. Наиболее высокая надежность авиационной техники может быть обеспечена в период нормальной эксплуатации, т. е. в те- чение времени, когда устанавливается постоянная интенсивность отказов. Авиационная техника, выработавшая установленный технический ресурс, направляется в капитальный ремонт или списывается с эксплуатации. Допустимый срок службы, или наработка авиационной ’тех- ники после очередного капитального ремонта называется м е ж- ремонтным ресурсом. В расход ресурса самолета засчи- тывается только его работа в воздухе. Для авиационного обору- дования ресурс учитывается по величине его фактической нара- ботки в воздухе или по налету самолета. - , На практике технические устройства чаще всего изымаются с эксплуатации не потому, что они становятся полностью не- пригодными к использованию, а вследствие того,'что у них из- расходован весь технический ресурс, или вследствие' так назы- ваемого «морального износа». Величина технического ресурса определяется рабочим време- нем, в течение которого плотность вероятности отказов находит- ся в пределах допустимой величины. Поэтому технический ре- сурс выбирается таким, чтобы он находился в пределах време- ни, соответствующих периоду II классической характеристики распределения отказов (см. рис. 1.2,Г). .Для определения границ времени нормальной эксплуатации необходимо знать значение абсцисс Д кривой распределения отказов. Абсцисса характеризуется тем, что при всех О' вполне допустимо пренебречь влиянием закона.Пуассона.,на "ве- личину ординатчеривой. . .. ,.i; г.) 4. ’Румянцев Е. А. и др.
Известно, что подчиненная распределению Пуассона случай- ная величина /-принимает только целые значения: 0, 1, 2 ... с вероятностью, равной т‘ —т Ш = (2.87) где Тта— математическое ожидание времени безотказной рабо- ты в течение периода приработки I. Значением /а(/) распреде- ления Пуассона можно пренебречь, когда эта величина равна 0,05 или меньше. Величина для fa (/) = 0,05 определяется из следующего выражения: J'S —^^о,О5е~г™- ' (2.88) В качестве Тша в первом приближении .берется номер разря- да, которому соответствует максимальное значение fait). Значение /], характеризующее период приработки для каж- дого значения Тта от 1 до 9, приведено в табл. 2.2, для которой Тта определяются по максимуму первой части кривой и округ- ляются до целого числа; значения определяются по. формуле (2.88) и округляются в сторону большего целого числа. ром допустимо пренебречь влиянием нормального закона рас- пределения на величину ординат характеристики. Для определения абсциссы кривой распределения следует найти моду -ЛД для III периода кривой и абсциссы точек кри- вой, для которых Ж)=Ж) = ^Ч (2.89) и тогда /п = МО - (tb - Q. (2.90) Выраженная формулой (2.90), величина характеризует •абсциссу точки кривой распределения частоты отказов, для ко- торой допустимо пренебречь .влиянием нормального закона, вы- ражающего распределение частоты отказов технических уст- ройств вследствие износа и старения. Диапазон /ц — t\ и являет- ся периодом нормальной эксплуатации II с Д s= const. 50
При 'наилучшем решении задачи интервал tx -ч- tn должен быть несколько больше установленного ресурса самолета или двигателя, на которых применяется данное техническое устрой- ство. Среднее значение от /б (0 в интервале Лопределяется формулой 1 (2.91) Технический (назначенный) ресурс определяет установлен- ный в ВВС срок службы авиационной техники, исходя из экс- плуатационной целесообразности. Каждое изделие авиационной техники имеет установленный авиационной промышленностью, согласно техническим требова- ниям, гарантийный ресурс (гарантийный срок службы). Гаран- тийный ресурс авиационной техники определяется периодом юридической ответственности изготовителя, за надежность вы- пущенной продукции в течение определенного' времени эксплуа- тации и оговаривается техническими условиями к договору на ее поставку. Возможны случаи, когда гарантийный срок службы и техни- ческий ресурс авиационной техники по величине совпадают. Гарантийный ресурс, как правило, характеризуется двумя по- казателями: гарантийным временем наработки в часах и гаран- тийным временем хранения в годах. Критерием выбора гарантийного срока службы является га- рантийная вероятность безотказной работы Рт- Эта величина обычно задается техническими условиями на проектирование авиационной техники. Чтобы определить гарантийное время наработки следует исходить из известной формулы / ___г Рг'= е Тт . (2.92) Тогда tr=~Tm^ = ivTm, (2.93) 1g е ТДе (2.94) Ige Гарантийное время хранения определяется по аналогичной формуле (2.95) где Тх — среднее время исправного состояния технического устройства при хранении; 4 г — гарантийное время хранения. 4*
'Г \ ‘ Глава Ш РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ § 3.1. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ НА НАЧАЛЬНОМ ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Выяснение ожидаемой надежности проектируемых систем осуществляется расчетным способом. Расчеты надежности про- изводятся на всех этапах проектирования. Во время эскизного проектирования производится ориенти- ровочное выяснение надежности вновь создаваемых систем для сравнения их с заданными в технических условиях величинами.. При недостаточной надежности проектируемых систем про- изводятся расчеты с целью обеспечения требуемой надежности.. На завершающем этапе проектирования систем производят- ся подробные проверочные расчеты надежности с учетом влия- ния различных факторов. Особенно важнььм является выяснение уровней надежности авиационной техники, которыми оцениваются ‘безопасность по- лета летательного аппарата или его 'боевая способность. В этом случае расчет сводится к выяснению вероятности таких отказов, авиационной техники, вследствие которых возникает аварийная ситуация в полете или которые сопровождаются утратой ее спо- собности выполнять боевые функции. Для определения характеристик надежности, обладающих функциональной зависимостью от времени, например, вероятно- сти безотказной работы, в качестве исходной величины времени наработки обычно выбирают время одного полета самолета, а при операции, сопровождающейся серией последующих выле- тов, — суммарное время полетов самолета в течение операции. Надежность систем, в том числе и самолетных, определяется прежде всего надежностью составных элементов, их количест- вом и структурой самой системы. К числу простейших структур относится одиночная си- стема (рис. 3.1) или, как его иногда именуют, «основное» соединение элементов, при котором отказ одного элемента влечет за собой отказ всей системы. Понятие «соединение» в структурных схемах надежности от- личается от аналогичного понятия в электрических схемах и 52
изображает не фактическое соединение, а лишь условную связь. Например, пробой одного из-группы параллельно включенных конденсаторов влечет отказ всей группы, что соответствует оди- ночной системе элементов, и, следовательно, структурная схема надежности параллельно включенных конденсаторов изобра- жается в виде .последовательной цепочки элементов (рис. 3.1). Рис. 3.1. Схема модели одиночной системы Если считать первичные повреждения элементов независимы- ми событиями, то вероятность безотказной работы одиночной системы Ро может быть выражена на основании теоремы умно- жения вероятностей следующей формулой: N PO=P1P2---PN=T\P{, (3.1) 7 = 1 где Pj(j — 1, 2,... <N) — вероятности безотказной работы от- дельных элементов системы, состоящей из W элементов. При .наличии равенства надежности некоторых элементов си- стемы Ро = П/7/> (3-2) где Nj — количество равнонадежных элементов /-того типа. Для случая, когда все элементы системы равнонадежны, PO-PN- (3.3) Очевидно, что надежность одиночной системы будет тем ниже, чем больше в ее составе элементов (рис. 3.2), и что вероятность безотказной работы одиночной системы ниже вероятности без- отказной работы самого ненадежного элемента системы. Согласно выражению (1,28), пользуясь (3.1), (3.2) и (3.3), .можно соответственно написать и -N f Р0 = е 0 (3.4) (3.5) (3.6) 53
Таким образом, для расчета надежности систем по формулам (3.4) — (3.6) необходимо располагать законами распределения интенсивностей отказов элементов во времени или эксперимен- тальными кривыми X (Z). Рис. 3.2. Кривые зависимости вероятно- сти безотказной работы системы от чи- сла и вероятности безотказной работы составных элементов системы При Х(^) = .const формулы (3.4), (3.5) и (3.6) будут иметь вид соответственно w /~1 (3.7) = е (3.8) и Ро = e~NU. (3.9) Величина интенсивности отказов одиночной системы определяет- ся суммой интенсивностей отказов составных элементов N Ао= f Nj\ 7=1 или Л0=Л/Х (3.10) (3.11) (3.12) 54
и среднее время безотказной работы одиночной системы п - 4- - -4- --А- Ola» >1 . Приближенный расчет надежности одиночной системы по среднегрупповым интенсивностям отказов элементов. Такого ро- да расчет надежности производится главным образом на на- чальном этапе проектирования авиационной техники с целью выяснения ориентировочной величины основных параметров на- дежности разрабатываемого устройства. Исходными данными для расчета надежности одиночной си- стемы являются: — .количество элементов каждого типа, входящих в проекти- руемую систему Nj; — 'интенсивности отказов составных элементов системы X,-, Расчет надежности по ореднегрупповым интенсивностям от- казов элементов выполняется в следующей последовательности: — Выясняются все типы элементов, входящих в проектируе- мую систему, и их количество. — Из справочных таблиц с данными об интенсивностях от- казов отдельных типов элементов выписываются значения интен- сивностей отказов элементов каждой группы Ху. Ввиду того, что исходные данные X для расчета надежности системы характеризуются значительным разбросом, то при ори- ентировочных расчетах надежности одиночных систем или вы- бираются среднетабличные значения, или используются край- ние значения интенсивности отказов элементов, а по ним опре- деляются минимальные и максимальные цифры характеристик надежности систем. — Все элементы проектируемой системы разбиваются на не- сколько групп с одинаковыми внутригрупповыми интенсивно- стями отказов и производится ориентировочный подсчет коли- чества элементов в каждой группе Nj. — Вычисляются произведения МД., характеризующие ин- тенсивность отказов соответствующей группы элементов. — Рассчитывается результирующая интенсивность отказов одиночной системы путем сложения суммарных интенсивностей отказов всех групп, входящих в одиночную систему элементов: (3.14) 7=1 где k — число групп элементов в системе. 55
—Определяется среднее время безотказной работы одиноч- ной системы (315> Ло — Вычисляется вероятность безотказной работы системы со- гласно формуле: ; ; , _ (3.16) ' Пример, 3.1. Рассчитать по средним значениям интенсивностей отка- зов элементов ориентировочную величину среднего времени безотказной ра- боты и вероятность безотказной работы проектируемой самолетной системы автоматического управления воздухозаборником, если известно, что заданный срок службы находится в пределах 100 часов. - По электрической схеме эскизного проекта системы выясняются типы элементов, входящих в проектируемую систему, и их количество Nj. Данные об интенсивностях отказов элементов различных типов сведены в табл. П. 2. По этим данным вычисляется суммарная интенсивность отказов каждой группы элементов Nj Т а б л и ц а 3.1 . № п/п Наименование элементов NJ ?v-.io—в ' Njlj-lO-s 1 Генератор с постоянными магнитами 1 5 5 * 2 Трансформаторы 2 2 4 3 Дроссели 3 0,09 0,27 . 4 Сопротивления проволочные 13 0,19 2,47 5 Подстроечные сопротивления 5 0,9 4,5 6 Потенциометры 2 15 30 7 Германиевые диоды 8 0,38 3,04 8 Германиевые триоды 4 1,9 7,6 9 Конденсаторы. 2 0,04 0,08 ... 10 Поляризованное реле 2 1.6 3,2 11 Л4-реле 1 1,15 1,15 12 Реле различные 10 0,8 8,0 13 Соленоидные механизмы 4 0,55 2,2 .• 14 Штепсельные разъемы 9 0,7 6,3 15 Концевые выключатели 3 0,26 0,78 системы равна сумме интенсив- Результирующая интенсивность отказов ностей отказов всех составных элементов 15 Ло= = 78,59-10-0. 7=1 Среднее время безотказной работы т = 1 ° Ло 78,59- Ю-8 12700 час. Вероятность безотказной работы системы управления воздухозаборником Ро (100) = ё-78*59 • 10““ 100 = 0,992. 56
Расчет систем с переменной структурой. Расчет надежности систем, у которых составные элементы работают неодинаковое время, отличается тем, что весь процесс работы такой системы рассматривается состоящим из отдельных тактов, соответствую- щих отдельным рабочим состояниям системы. Для каждого так- та составляется своя функциональная схема, содержащая все работающие в течение данного такта элементы. После этого по порядку рассчитываются надежности для каждого такта рабо- чего процесса системы или, что то же самое, соответствующей структуры системы. Вероятность появления отказа системы за полный цикл ра- боты Z Q = (3.17) z=-i где z — полное число тактов за весь рабочий цикл системы. Статистическая плотность вероятности отказов i-той структу- ры системы Д.= А. (3.18) Интенсивность отказов i-той структуры системы - k (3-19) - . А1 где Ху- интенсивность отказов j-того элемента i-той структуры системы. . Подставляя в (3.17) выражения (3.18) и (3.19), получим . .. . 11. z - • .Q = S^e Al У).,., (3.20) ’ ‘ ? i Вероятность безотказной работы в течение L полных циклов работы системы выразится формулой z 2 P=l-lSAf;e A1 £Ху. (3.21) t-i j=i Расчет надежности при произвольном распределении времени безотказной работы. Если кривые распределения отказов и ин- тенсивности отказов не подчиняются известным законам рас- пределения, то расчет надежности может быть выполнен гра- фоаналитическим способом. Он основан на вычислении площа- ди под кривой интенсивности или распределения отказов иссле- 57
дуемого технического устройства на заданном интервале време- ни с последующим расчетом вероятности безотказной работы по формуле (3.5). В качестве исходных данных необходимо располагать экспе- риментально полученными характеристиками различных элемен- тов X(/) и f(t). Зная количество однотипных элементов в системе по группам и пользуясь формулой (3.11), строят кривую интенсивности от- каза системы (фиг. 3.3). Р и с. 3.3. Характеристики интенсивности отказов системы и элементов, имеющих произвольное рас- пределение времени безотказной работы Метод графоаналитического расчета надежности заключается в следующем: располагая величиной полного срока службы или другим определяющим интервалом времени, отсекаем площадь, расположенную под кривой Л (/) и находящуюся левее отметки на 'оси абсцисс, соответствующей времени t\, для которого необ- ходимо произвести расчет надежности. Эта площадь планиметрируется или ее величина определяет- ся путем подсчета клеток на миллиметровой бумаге Яд (f) = ct сь. а (г!), (3,22) где ct — цена клетки по оси времени t; сд — цена клетки по оси интенсивности отказов Л; а — количество квадратных миллиметров в искомой пло- щади. Затем по формуле (1.28) производится расчет вероятности безотказной работы -JA(/)rf< P(t) = e о =е А . (3.23) 58
В том случае, если вероятность безотказной работы является- заданной и требуется определить время безотказной работы, ТО' следует по известной величине P(t) вычислить значение инте- грала Aft)di = - 1пР(0 (3.24)' о и затем но графику Л(0 определить такое t, при котором пло- щадь под кривой равнялась бы вычисленному интегралу. Аналогично можно производить расчет по 'кривым f (Г), имею- щим произвольный характер, в этом случае вероятность безот- казной работы элементов вычисляется по формуле t Pft)=i- ^f(t)dt (3.25)- о или (3.26)> P(t)=l-sf(t), t где sf—планиметрированная площадь ^f(t)dt. о Тогда вероятность безотказной работы одиночной системы,, состоящей из k групп, содержащих однотипные элементы по N}- штук каждого типа, будет равна: 7-1 (3.27)= При расчете вышеизложенным методом не требуется знать, аналитические выражения закона распределения и параметры этого закона, а необходимо располагать графиками распределе- ния. § 3.2. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ С УЧЕТОМ ПОСТЕПЕННЫХ ОТКАЗОВ Расчет надежности с учетом износа и старения элементов.. Функция плотности распределения износовых отказов представ- ляет собой функцию нормального закона распределения (1.16). Таким образом, вероятность зов выражается формулой непоявления такого рода отка- ft-T ' тп 2</ dt Рп(0 = 0,5ф1ф Рп(/) =-----4= I е " = Ф*(:_ ~п 1 (3.28). оп j/2it J \ °п / — оО ИЛИ I'm п On V“2 где Тт п — математическое ожидание; (3.29)s 59»
% — стандартное отклонение времени появления посте- пенных отказов; X _ у2 Л- Ф*(л) =—-— Се 2 dy\ Ф(х)=—^rfe_y,rfy. V 2rt J У К J — оо о —- функции Лапласа. Таблицы их значений можно найти в И, [3]. Пользуясь формулами (1.24), (1.16) и (3.28), найдем выра- жение для интенсивности постепенных отказов элементов. (t-т „)2 _ 4 т п' 2<га е " (3.30) опУ 2к Ф*(-—Ik” \ °п Вероятность непоявления постепенных отказов системы, со- стоящих из k групп различных типов элементов. (3.31) гдё А/) — количество элементов /-того типа. В общем случае .надежность' авиационной техники зависит как от наличия постепенных, так и внезапных отказов, т. е. k - ‘ Y Nji. k г / t—T \lw; P(i)==PB^t)Pn(t') = & M П Ф*(----------------. (3.32) '=1L \ ап/ /1 Расчет надежности с учетом изменения определяющих параметров. Пара- метры системы, по значению которых можно судить об исправном или не- исправном состоянии системы, называются определяющими. Отклонение величины определяющих параметров за пределы допустимых вначений характеризует факт появления постепенного отказа. Вероятность непоявления постепенных отказов понимается как вероятность сохранения значений определяющего параметра х в пределах установленных допусков: £min Хо т О И £шах — Xq т -ф S, (3.33) тде х0 т — среднее начальное значение определяющего параметра; о — допустимое отклонение параметра от хо т . При заданных режиме и условиях работы эта вероятность в общем виде .выражается интегральной функцией Jmax Р (£tnln < X < Uax) = J /п (*) dx. (3.34) ^min €0
Распределение определяющего параметра х подчиняется нормальному за- колу. Тогда можно написать (3.35> ИЛИ Р (Emin < X < Emax) - Ф* -М -Ф*( ---М . (3.36> \ a I \ а I \ X / \ X ! Для случая, когда для определяющего параметра устанавливается только один предел критического значения, Р и с. 3.4. Изменение плотности распределения определяю- щего параметра в течение времени эксплуатации элементов С увеличением времени эксплуатации авиационной техники нормальное распределение определяющего параметра, как правило, становится более по- логим (рис. 3.4). Таким образом, параметры хт и av являются функциями времени, при- чем практически линейными функциями, т. е. хт (О хо т i ^х (3.38)> где kx — угловой коэффициент изменения параметра хт (/). 61>
Стандартное отклонение определяющего параметра является линейно воз- растающей функцией времени, т. е. 0л- (^) — ° О х "Ь (3.39) тде ka —угловой коэффициент изменения <зЛ. (/). Коэффициенты kx и ka могут быть определены заранее на основании •опытных данных. Подставляя значения (3.38), (3.39) в' (3.36), получим формулу вероят- ности непоявления постепенных отказов, выраженную через значения опреде- ляющего параметра Ф* ( ^max - Xonl + kxt\ _ / Smin -^о т + \ % х / \ 0О х 4“ а для (3.37) ф* / Smax -^о т + \ SO х + k. i (3.40) (3.41) § 3.3. ВЛИЯНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ И ИХ УЧЕТ ПРИ РАСЧЕТЕ НАДЕЖНОСТИ Влияние окруж-ающей среды характеризуется воздействием таких физических факторов, как: ' температурные изменения, влажность, давление, солнечная радиация, осадки, обледенение, .ветер, наличие песка, пыли, вредных паров и примесей в атмос- фере, радиоактивность, влияние электромагнитных излучений и т. д. ' Влияние на надежность режимов работы характеризуется воздействием механических , перегрузок, вибрации, ударных нагрузок, механического трения, явлениями, связанными с кана- лизацией и коммутацией электрической энергии, нагревом, об- разованием электромагнитного поля и излучения,, электроэро- зией. Значительное количество .неисправностей в аппаратуре воз- никает при переходных процессах, связанных с ее включением и выключением. Именно в этом случае при резких изменениях ра- бочих режимов наблюдаются электрические перенапряжения, толчки токов, механические перегрузки. При проведении расчетов надежности системы на заключи- тельном этапе их проектирования следует учитывать, что дол- говечность технических устройств в значительной степени зави- сит от режима работы устройств и интенсивности воздействия внешних физических факторов. При работе в недогруженном режиме или при слабом воздей- ствии окружающей среды долговечность любого технического •62
устройства всегда будет больше, чем при перегрузке или при более высокой интенсивности воздействия физических факторов (рис. 3.5). Р и с. 3.5. Изменение интенсивности отказов во времени: 1 — при номинальном режиме; 2 — при пе- регрузке Таким образом, интенсивность отказов каждого составного элемента системы изменяется в зависимости от величины, харак- теризующей рабочий режим элемента, от температуры и других факторов: где ау- —. относительный коэффициент интенсивности отказов данного элемента, зависящий от величины парамет- ра воздействующего фактора; Хоу — интенсивность отказов для номинального режима ра- боты элемента в стандартных условиях, т. е. для 15^С и 760 мм рт. ст. Так, например, для реле величина коэффициента ау- сильно зависит от рабочего режима (рис. 3.6). Величина относительного коэффициента интенсивности отка- зов полупроводниковых диодов (рис. 3.7) сильно зависит от тем- пературы и электрической нагрузки. Подобные характеристики дают возможность с достаточной степенью точности учесть при расчете надежности технических устройств влияние условий применения и режим работы боль- шинства элементов. Метод расчета надежности с учетом режимов работы элемен- тов и воздействия внешних физических факторов состоит в том, что в расчетных формулах при определении общей интенсивности отказов технических устройств вместо ’среднегрупповых интен- сивностей отказов ХОу для номинального режима и стандартных условий подставляются значения интенсивности отказов, зави- сящие от реальных условий и действительного режима работы. 63
Расчет общей интенсивности отказов системы >в данном слу- чае производится по формуле k >1 где Nj — число элементов /-того типа; k — число типов элементов в системе. Рис. 3.6. Зависимость коэффи- циента ’ интенсивности отказов реле от отношения рабочего тока в контактах к номиналь- ному значению Рис. 3.7. Зависимость коэффициента интенсивности отказов для полупро- водниковых диодов от температуры окружающей среды и электрической нагрузки Среднее время наработки на один отказ г = JL = —1---------- ♦н д k I-1, и вероятность безотказной работы системы за время t - i « • х Р(/) = е >=i Расчет надежности с учетом влияния на ее характеристики физических факторов обычно проводится в следующем порядке. Производится разделение систем на отдельные элементы, при этом предполагается, что в .процессе технического расчета при проектирований систем определены или заданы режимы и усло- вия работы системы. На основании установленных расчетом или заданных величин параметров, воздействующих физических факторов для каждой группы однотипных элементов, по графи- кам или формулам определяются коэффициенты интенсивности 64
отказов оу для соответствующих режимов работы и внешних условий. Затем по таблицам определяются величины интенсив- ности отказов ХОу для номинального режима работы и стан- дартных условий. Рассчитывается интенсивность отказов для заданных внеш- них условий и режима работы \ — a.j Хоу. Определяется интенсивность отказов блоков или системы в целом путем суммирования интенсивности отказов входящих в них элементов. Рассчитываются величина среднего времени безотказной ра- боты Тт и вероятность безотказной работы системы Рс. 5, Румянцев Е. А. и др.
Глава IV СПОСОБЫ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ § 4.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ Одним из основных методов повышения надежности являет- ся резервирование. Принцип резервирования заключается в том, что в систему вводятся дополнительные .(резервные) уст- ройства (элементы, блоки), являющиеся избыточными по отно- шению к минимальной функциональной структуре системы, не- обходимой и достаточной для выполнения заданных функций. Минимальную .функциональную структуру системы иногда называют основным соединением элементов или основной систе- мой. Совокупность основного элемента и его резервирующих эле- ментов называется резервированной системой. Основной характеристикой резервирования является его кратность, т. е. отношение числа резервирующих элементов к чис- лу резервируемых (минимально-функционально необходимых). Кратность резервирования определяется соотношением где п — общее число элементов резервированной системы; h .— число элементов основной системы; п—h — число резервных элементов в резервной группе. Если h = 1, то считают, что резервирование выполнено с це- лой кратностью, если /г)>1, то с дробной кратностью. (Кратность резервирования следует записывать в виде простой дроби без сокращения, ибо при /О>1 одно и то же т может получаться при различных п и h). В зависимости от схемы включения резервных элементов (ре- зервной системы) принято различать: общее и раздельное ре- зервирование. При общем резервировании минимальная функциональная структура системы резервируется полностью. Общее резервирование может выполняться связанным, когда резервные элементы (резервная система) объединены с основной 66
системой общими входными или выходными устройствами (рис. 4.1,а), или автономным, когда имеется несколько идентич- ных, полностью независимых 'систем, предназначенных для вы- полнения одной и той же функции (рис. 4.1,6). В этом случае каждая из взаимно резервирующих автономных систем имеет свой вход и выход, а иногда и независимые источники питания. Рис. 4.1. Схема общего резервирования Р и с. 4.2. Схема раздельного резервирования При раздельном резервировании резервируются отдельные, а иногда и все элементы минимальной функциональной струк- туры системы (рис. 4.2). На летательных аппаратах широкое применение находит так- же так называемое функциональное резервирование, когда резервирующие системы основаны на различных принципах дей- ствия. Одна из этих систем обычно называется основной, а ос- тальные — аварийными. Примером функционального резервирования являются систе- мы гидравлического привода шасси |(основная система) и пнев- матического привода шасси (аварийная система), авиагоризонт и дублер авиагоризонта типа ДАГ и др. Если резервирующие элементы работают в одинаковом (по нагрузке) режиме с резервируемыми, то такой резерв называют 5* 67
нагруженным. При этом интенсивность отказов резервных и ре- зервируемых элементов одинакова, а ресурс резервных элемен- тов расходуется с момента включения в работу всей резервируе- мой системы. Примером такого рода резерва является парал- лельная работа самолетных генераторов, механизмы повышен- ной надежности и др. Если до момента отказа основных элементов резервирующие элементы работают в режиме, отличающемся от режима рабо- ты, связанного с выполнением заданных функций, и лишь после отказа основных элементов включаются на рабочий режим, то такой резерв называют резервом с облегченным режимом рабо- ты или «дежурным» резервом. Примером такого резерва являет- ся работа подкачивающих топливных насосов в дежурном ре- жиме в самолетных системах автоматического управления по- рядком выработки топлива. Естественно, что интенсивность от- казов при работе элемента в дежурном режиме меньше, чем в рабочем. Ненагруженный резерв включается только в момент отказа резервируемой системы. Интенсивность отказов ненагруженного. резерва практически близка к нулю, а ресурс расходуется толь- ко после включения его в работу. Самолетная система центра- лизованного питания потребителей переменного тока стабильной частоты, включающая два однотипных преобразователя (основ- ной и резервный), может служить иллюстрацией резервирован- ной системы с ненагруженным резервом. По способу включения резервных элементов резервирован- ные системы разделяют на системы с постоянным резервирова- нием и системы с резервированием замещением. Применение метода постоянного резервирования предпола- гает для всех резервных элементов использование нагруженно- го резерва, при резервировании замещением резервные элементы могут находиться в любом из указанных выше режимов. При резервировании замещением резервированная система всегда содержит индикационно-переключающие устройства, слу- жащие для индикации состояния отдельных элементов (систем),, исключения отказавших и замены их исправными (автоматиче- ски или вручную). Резервированные системы с постоянным резервированием в свою очередь можно разделить на системы с постоянным пас- сивным резервированием, в которых резервные элементы вклю- чены совместно с основными на все время работы, и при отка- зах ни основные, ни резервные элементы не отключаются; и си- стемы с постоянным активным резервированием, при отказах элементов которых происходит отключение отказавших элемен- тов. Понятие «резервирование замещением» применимо как к вос- станавливаемым, тай и к невосстанавливаемым системам. 68
Эффективность способов резервирования характеризуется ве- личиной (42> где Qo(0 — вероятность отказа минимальной функциональной структуры системы; Q₽(0 — 'вероятность отказа резервированной системы. § 4.2. ПОСТОЯННОЕ ПАССИВНОЕ РЕЗЕРВИРОВАНИЕ Постоянное пассивное резервирование применяется для по- вышения безотказности работы отдельных простейших участков схем, состоящих, как правило, из однотипных элементов (сопро- тивлений, конденсаторов, полупроводниковых диодов, элементов солнечных .батарей и т. и.). В общем случае для таких устройств основными типами отказов являются обрыв и короткое замыка- ние. В зависимости от типа преобладающих отказов электриче- ские схемы при пассивном резервировании различаются между собой. Так, при резервировании элементов, отказывающих вслед- ствие обрыва, применяется параллельное электрическое соеди- нение элементов, а для повышения безотказности участков схем, состоящих из элементов, отказывающих вследствие коротких замыканий, — последовательное электрическое соединение их. При определении количественных характеристик надежности электрических схем соединений элементов необходимо различать отказы, возникающие из-за обрыва цепей, и отказы, обуслов- ленные короткими замыканиями. Оценку вероятности безотказной работы схем при парал- лельном или последовательном электрическом соединении эле- ментов для каждого из типов отказов можно проводить по (формулам, 'приведенным в табл. 4.1. ! Анализ 'надежности, как правило, проводится на основе так (называемых структурных схем надежности, которые по существу ‘являются логическими схемами, отображающими взаимодейст- вие элементов системы в смысле надежности. ' Взаимосвязь электрических схем соединений элементов и ^структурных схем надежности с учетом вида отказов элементов (представлена в табл. 4.1. i При резервировании с целой кратностью считается, что отказ (резервированной системы' имеет место только при отказе всех ’элементов, входящих в систему, соединенных в смысле надеж- ности параллельно. ’ Таким образом, не учитывается влияние изменений в харак- теристиках резервированной системы при отказах ее отдельных элементов. ' ! Полагая, что отказы являются событиями случайными и не- зависимыми, выражение для вероятности отказа резервирован- 69
о Таблица 4.1 Электрическое соедине- Отказы типа обрыва с вероятностью Ро Отказы типа коротких замыканий с вероятностью Рк ние элементов расчетная формула структурная схема надежности расчетная формула структурная схема надежности
ной системы Qp (t), состоящей из т 1 параллельно, в смысле надежности, соединенных элементов, получается на основе фор- мулы умножения вероятностей т QP(0=n^)> (4.3) /=0 где qj{t)— вероятности появления отказов отдельных элемен- тов; т — дратность резервирования. Вероятность безотказной работы такой системы выражается формулой т т PpW=i-Q₽(0=i - П ^(^) = 1-П[1-^(0]. (4.4) у-о ;=о Допущение, что резервированная система с постоянным пас- сивным резервом может выполнять свои функции при сохране- нии работоспособности хотя бы одного из т-|-1 параллельно соединенных в смысле надежности элементов, практически вы- полняется редко. Это допущение справедливо главным образом для всякого рода контактных схем. Для участков схем, режим работы которых и параметры изменяются при отказах элемен- тов, это допущение неправомерно. Примером таких схем могут служить резервированные си- стемы, состоящие из параллельно соединенных элементов сол- нечных батарей, диодов, сопротивлений и др. Безотказность этих систем с постоянным резервированием определяется, исходя из требований безотказной работы не ме- нее чем h элементов, из общего числа их п, т. е. исходя из крат- ности дробного резервирования т—~ (п— h): h. Считая, что структурная схема надежности состоит из п сое- диненных в смысле надежности параллельно равнонадежных элементов, выражение для вероятности безотказной работы си- стемы можно написать следующим образом: j=0 где Ci -----—-----. " 7! («-/)! Так, например, если для исправной работы системы доста- точно трех элементов из пяти, то 2 Л V) = 2 Cip"-i(t) qi{t) =р* (£) + 5р* (t) q (/) + Юр” (/) q* J-0 (4.5) (4.6) 71
Соотношения (4.3) и (4.4) справедливы и для случая общего резервирования, когда каждый «элемент» является в свою оче- редь системой, состоящей из г последовательно, в смысле на- дежности, соединенных элементов, вероятность безотказной ра- боты каждого из которых характеризуется величиной Так как вероятность безотказной работы любой / из тЦ-1 систем (4.7) то <7^)=1-ПаД0; /=1 т QPW=n 7=0 1- Па, (О /=1 (4.8) т Рр(0=1-П 7=0 1 - П^(0 1=1 (4.9) Допустим, что интенсивности отказов являются величинами постоянными. Тогда />р(/) = 1 _ (1 _ e-M)m+if (4.10) где Хо = X, — интенсивность отказов любой из т-|-1 одина- i=i ковых систем. Среднее время безотказной работы резервированной системы = j>p(/)^= J[1 -(1 - e-x°/)'”+1] dt = о о ' 2 3 1 (4.И) 'о а интенсивность отказов резервированной системы , ... -^р'(^) Х0(от+1)е-х»'(1.л 1О. Pp(t) 1 - (1-e-x»9"l+1 ’ 4’12 Сопоставляя построенные по выражениям (4.10) и (4.12) за- висимости Др(Х0/) и Хс(Х0О для резервированных и нерезерви- рованных систем (рис. 4.3 и рис. 4.4), можно заметить, что наи- больший эффект общее пассивное резервирование дает в обла- сти малых значений X0Z. Зависимости Рр(Х0£) в области боль- ших значений Хо t близки к экспоненте и приближаются к функ- ции вероятности безотказной работы нерезервированной систе- 72
мы, ибо интенсивность отказов ХС(ХО/) в этой области прибли- жается к интенсивности отказов Хо нерезервированной системы. Рис. 4.3. Зависимости вероятности безотказной рабо- ты системы при различных кратностях общего резерви- рования Рис. 4.4. Зависимости интенсивности отказов системы от времени при различных кратностях общего резервирования Кратность резервирования т, необходимую для достижения путем общего пассивного резервирования заданной надежности /р(/) в определенный момент времени t при заданной надежно- сти минимально функциональной структуры системы Ру, можно найти из выражения (4.4) 1g [1-^(0] ! lg[l-^)] (4.13) 73
Если элементы, соединенные на структурной схеме надеж- ности последовательно, равнонадежны, то 1-1 а /%₽(*) = П - X(0]m+1. (4.14) Эффективность общего резервирования Р 1-РгЮ °Р . [1-^(0]"г+1 2 (4.15) Для анализа эффективности метода раздельного пассивного резервирования допустим, что ,в минимальной функциональной системе, состоящей из г, в смысле надежности, последовательно соединенных элементов, резервируется каждый из этих элемен- тов i = 1, 2,..., г с кратностью резервирования т1 (рис. 4.5). Р и с. 4.5. Структурная схема надежности при раздельном пассивном резервировании Выражение для вероятности безотказной работы резервиро- ванной системы составляется по следующим соотношениям. Вероятность отказа i-того столбца, включающего иден- тичных элементов, тогда QMO= П[1~ РИ (/)], (4.16) 7=0 Р/Ю = 1-П(1-А7т (4.17) 7=0 Вероятность безотказной работы г столбцов, т. е. резервиро- ванной системы, 73pW=ri7’z(Z)=ri [1-П(1 -P^t) 1=1 1 = 1 L 7=0 (4-18) 74
При равнонадежных элементах рz,(0 = p{t)i а hzz = т (/= 1, 2, . . г): Ррр(О = [1-(1 -ЛОТ'- (4.19). Необходимая для достижения заданной надежности резерви- рованной системы Ррр(^) кратность резервирования т опреде- ляется согласно формуле (4.17) 1 или ибо _ 1g(1 ] lg [1 - _Jg[l-^ppffl~] J lg[l-pe(0~] 1 -p{t)= 1 . (4.20). (4.21), Эффективность раздельного резервирования R Qo(O =_______________1 -Р(У_________ pp Qp(/) -p (4.22)' Для сопоставления способов общего и раздельного пассив- ного резервирования предположим, что минимальная функцио- нальная структура системы .состоит из г равнонадежных эле- ментов и что кратность резервирования в обоих случаях рав- на т. Составим отношение, полагая, что p(t) ~ р, = #рр = (i-iou ~РгГ /?ор 1 - [1 - (1 - • Так как р = 1 — q, то [1-(1-^-и 1 - (1 - 7m+1)r При^<1, что практически всегда имеет место, 1 —u.q и, следовательно, (1-1+^)"г+1 _г>„ 1—1 4-r^+i Таким образом, при равном количестве элементов ность раздельного резервирования в гт раз больше, чем общего» резервирования. (4.23)' (4.24), (1-7)“ — (4.25). эффектив- 75>
Оценку выигрыша в весе при раздельном резервировании по сравнению с общим резервированием можно получить, допустив, что требуется создать равнонадежные группы из равнонадеж- ных элементов, но с разными кратностями резервирования, т. е. = Ррр=Р- Тогда Р= 1 — [1 -Х]'”о+1= [1 - (1 (4-26) шли о+ ig(i-r) ’ .а т И ig(i-PT) т0 +1 — lg(l— Р) Используя разложение в ряд и ограничиваясь первым членом разложения 1g (1 —х) — х, получим р тй + 1 ~ ; Рг 1 Р~ тр 4- 1 ~ . Р Вес резервной группы при общем резервировании равен: GOp= (^0+ .а при раздельном ОРР= (m₽+ 1) rg, ггде g — вес одного элемента. Тогда г-1 Сор тге0 + 1 ~ Р г Р Ср р «гр -1 -1 Рг~г рг ’ шбо г 1. (4.27) Из выражения (4.27) следует, что чём большее значение ве- роятности безотказной работы резервированной’системы Р не- обходимо достигнуть, тем, при прочих равных условиях, система с общим резервированием будет иметь больший вес по сравне- нию с системой при раздельном резервировании. Необходимо также отметить, что чем меньше значение ®ер'О- ятностй безотказной работы элемента р, тем эффективнее с точ- жи зрения минимума веса оказывается раздельное резервирова- ние. ‘76
§ 4.3. ОСОБЕННОСТИ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ Некоторые элементы электрических систем, как это было указано выше, могут отказывать как в результате обрыва, так и в результате короткого замыкания. В этом случае при приме- нении параллельного или последовательного электрических сое- динений вероятность безотказной работы схемы увеличивается: при одном типе отказов и уменьшается при другом. Для повышения вероятности безотказной работы схем, со- держащих элементы, отказы которых могут быть двух типов,, применяют смешанные способы электрического соединения эле- ментов: параллельно-последовательное и последовательно-па- раллельное (рис. 4.6,а и б). Р и с. 4.6. Параллельно-последовательное . (а) и последовательно- параллельное (б) соединения Когда .в элементе возможно возникновение двух типов отка- зов, то справедливо соотношение Р + 7к + Ча = 1 > (4.28)- где р — вероятность безотказной работы элемента; qK и q0 — вероятности отказа вследствие короткого замыка- ния и обрыва. Если для повышения вероятности функционирования системы элемент заменяется т однородными элементами, то, вне зави- симости от схемы их соединения, сумма вероятностей всех ком- бинаций различных состояний элементов также составляет пол- ную группу событий: (Р + qK + q0}m = 1 (4.29). или Рт + Р”1-1 (<7к + ?о) + + (<7к + 7о)'" = 1 • (4.30) Выражение (4.30) называют каноническим уравнением резер- вированной системы элементов. Отдельные члены разложения левой части равенства опре- деляют вероятности различных комбинаций состояний т элемен- тов схемы. Показатели степеней при р, qK и q0 равны соответственно числу исправных элементов в системе, числу отказавших вслед- 77
ствие короткого замыкания и числу элементов, отказавших вследствие обрыва. Значение Скт определяет число таких ком- бинаций. Для того, чтобы получить из канонического уравнения выра- жение для вероятности безотказной работы резервированной системы, необходимо отобрать из уравнения (4.30) только те члены, которые характеризуют отказы элементов системы, не приводящие к отказу всей системы. Для примера рассмотрим минимальную функциональную схему, изображенную на рис. 4.7,а, резервированную группой .элементов, подсоединенных, как показано на рис. 4.7,6. а) 6) Р и с. 4.7. Минимальное функциональное соединение (а) и его резервное соедине- ние^} Каноническое уравнение для этого случая имеет вид: (Р + Яо + ?к)4 =Pi + 4/?3 q0 + 4р3 qK + dp2q2 + 12 д2 q0 qK + + 6р2 qK2 + 4pq03 + 12р<7о2 qK + \2pq0 q2 + 4pq3 + (qo + qK? = 1. (4.31) Анализируя выражение (4.31), можно заметить, что комби- нации состояний элементов, вероятности которых определяются членами: (<7о + <7к)4; 4/?7к3; fyq0\ исключают возможность построения минимальной функциональ- ной схемы. Комбинации состояний элементов, выражаемые членами: 12/?7о7к2; 6/?27к!; Sp'q*, (4.32) :не полностью исключают возможность построения минимальной функциональной схемы. Так, например, член 12рq0 ср? объединяет вероятности состоя- ний системы с тремя отказавшими элементами: один — вследст- вие обрыва, два — 'короткого замыкания. При этом только ком- бинации четырех отказов (рис. 4.8, 1—4) приводят к отказу всей системы, в остальных восьми комбинациях состояний элементов (рис. 4.8, 5—8), схема будет работать. 78
Таким образом, из группы членов (4.32) выделяют подгруп- пу: 8pq0 qK2; 4pq0 qK2; 4p2 qK2; 2p2 q02, (4.33) которая характеризует вероятности комбинаций состояний эле- ментов, обеспечивающих построение минимальной функционалы . Рис. 4.8. Состояния резервной группы Подгруппа членов (4.33) и члены канонического уравнения: р*; 4р3 q0; 4р3 qK\ Wp2qoqK определяют вероятность безотказной работы резервированной системы элементов при двух типах отказов: jDp = /’t + 4/’3(?o+ ?к) + 12р270?к + 4/^2 <71(8 + 2/?2 <7О2+ + 8pq0 q2 + 4pq2 qK . Таким способом можно вести расчет вероятности безотказной работы схем при любом способе соединения элементов. При расчетах вероятности безотказной работы последова- тельно-параллельных и параллельно-последовательных схем сое- динений, учитывая, что вероятности отказа элементов q0 и qK значительно меньше единицы, для приближенного вычисления можно пользоваться формулами, приведенными в табл. 4.1. При этом допускается, что вероятность обрыва элемента рав- на нулю (qQ — 0), когда рассматривается безотказность рабо- ты системы при. коротком замыкании, и что вероятность корот- кого замыкания равна нулю (qK — 0), когда рассматривается безотказность при обрыве элементов. Общее значение вероятности безотказной работы соединения при этом равно: Р =-Р Р 1 р 1 о ‘ к • Анализ схем соединений показывает, что если q0 <( qK, то по- следовательно-параллельное соединение позволяет достичь боль- 79
ших значений вероятности безотказной работы резервированной системы. При обратном соотношении (у0 > qK) эффективнее парал- лельно-последовательное соединение. Таким образом, вероятность безотказной работы резервиро- ванной системы зависит не только от значений q0 и qK, но и от схемы ^соединения элементов. При синтезе схем соединения резервированных систем сле- дует учитывать, что, кроме указанных схем соединения, возмож- но использование и иных схем, например, схем соединения ти- на сетки (рис. 4.9). Рис. 4.9. Структурная схема надежности типа сетки Значение вероятности безотказной работы этой схемы зави- сит от длины п и ширины т «сетки». Значение вероятности безотказной работы соединений тина «сетки» определяется на основе канонического уравнения. При постоянном резервировании по схеме «сетки» с нечетными значе- ниями длины и ширины сетки удается создать резервированные системы с равными значениями вероятностей безотказной рабо- ты по каждому из типов отказов (РО = РК)- § 4.4. РЕЗЕРВИРОВАНИЕ СПОСОБОМ ЗАМЕЩЕНИЯ При резервировании способом последовательного замещения Система содержит индикационно-переключающие устройства, ко- торые влияют на общую надежность —Г~д Рис. 4.10. Структурная схема резервирования замещением системы. Рассмотрим резервированную си- стему, состоящую из одного рабочего (Л) и одного резервного (В) элемен- тов (рис. 4.10). При отказе элемента А переключающее устройство Пл от- ключает его, а переключающее устрой- ство Пв включает элемент В в систе- му. 80
Вероятность безотказной работы основной системы Ро (/) оп- ределяется произведением’ вероятностей безотказной работы pA(t) элемента А и вероятностью безотказной работы переклю- чателя рПл(^): Po(t)=PA(t)PnA(t)- Соответственно - • Р1(0=Рв(ДрПВ(/р Резервированная система будет .выполнять свои функции при следующих возможных событиях, вероятности которых равны: • Ро (0 — основная система в течение времени t работает без- отказно. Pi/о (t) — основная система отказала в случайный момент вре- мени т, а резервная система, будучи исправной в течение време- ни х, остается исправной и в течение времени (t — xj. Тогда вероятность безотказной работы резервированной си- стемы РР(0 = ЛД)+Р1/о(0- Значение определяется выражением t Р1/0 (/) = J Л (t, т) /0 (т) Л, о . . где /о (т) — частота отказов основной системы; Pt (t, т) — вероятность безотказной работы резервной систе- мы в течение времени t при условии, что основ- ная система отказала в момент времени т Pi(t> = — ’)• Таким образом, t Рр (I) = Ро (£) + J Pi (Z, т)/0 (т) Л. (4.34) о Рассмотрим способы определения надежности резервирован- ной системы при различных режимах работы резерва и при экспоненциальном законе изменения надежности основной и ре- зервной систем. При горячем резерве интенсивности отказов Хо основной и резервной систем Xj одинаковы Хо = Xj = Хл -ф Хпа = ^в + ХПв • Тогда P0(t) = e~\P- /о('с) = хо е-х"'1; б. Румянцев Е. А. и др. 81
Pt(t, т) = е х°^ ’) е_хот == е—; t ’ Рр (/) = е—?о ‘ + J е~х»1 Хо е-х°т dx = о -i ’ = e~x°z4- e-x»z \ е-^ dx = e~x°z [2— е—х°у]. (4.35) о : Выражение (4.35) для случая горячего режима работы ре- зерва может быть получено и из более простых соображений, Вероятность отказа резервированной системы равна произ- ведению вероятностей отказов основной и резервной систем QP (t) = Qo (t) = 4(1-- e-x« '). Тогда PpW= l-Qp(0 = e-xo42-e-xo']. Если число резервных систем равно т, то /—т Pp(O = i-nQfW. i=0 При .ненагруженном режиме работы резервной системы счи- тают, что интенсивность отказов ее до момента включения в ра- боту, т. е. до момента отказа основной системы, Xj = 0 при t < х. После отказа основной системы, т. е. при t > х, = Хо. В этом случае: P0(/)=le-V; /о W е-х°т; P4(t, = (*-•'). Подставляя полученные соотношения в формулу (4.34), найдем i Pp(t) = e-x»z -f- J Хо е“х°т е-х"(/_т) dx — [i 4- хо £]. о : При наличии нескольких резервных систем выражение для вероятности функционирования резервированной системы мож- но получить путем многократного использования формулы (4,34). ? При т — 1 Р„1=1 (/) = Ро (/) + J /0 (т) Р, (t, X) dx = (1 4- хо t) e-V. О При tn = 2 Рт=2 (t) = Рт=л (Р + //М=1 W Р1V, dx. (Г 8'2
Так как /«=i Р) = ~ -dP-^- = - А [ 1 + М е.-хо V t е-’о S dt dt а ТО' Р2р, т) = е^о(^), Продолжая аналогичные вычисления, при кратности резерви- рования т, получают ^и=т(О = е-’^£ ’ г=о г! Сравнение зависимостей РС(ХО/), приведенных на рис. 4.11 для постоянно включенного резерва (пунктирные кривые) и ре- зервирования замещения, позволяет заметить, что резервирова- Рис. 4.11. Зависимости от времени веро- ятности безотказной работы системы при различной кратности резервирования заме- щением ние замещением приводит к значительно большему повышению надежности. Этот выигрыш будет тем больше, чем больше Хо t т. е. чем менее надежна основная система. В облегченном режиме работы резервной системы интенсив- ность отказов резервных систем до включения в работу мень- ше, чем интенсивность отказов Хо работающей системы, так как они не включены на нагрузку и находятся только в подготов- ленном состоянии. , . , 6* дз
Для этого случая при расчетах также используется соотно- шение (4.34), но при этом Ро(0 = e-x°f; /(0 = Xoe-x»S т) = Тогда при т — 1 ' t Pm=i (t) = е~’°' + р'О е-ХсТ е~хо dz = где (4.37), Интегрируя (4.36) с учетом (4.37), получим (1 — e~Xi z)2 P,n=2 (t) = е-’-о 41 + р (1 - е-’ч 9 + ± Ml + 21 Проводя аналогичные пошаговые расчеты, можно установить^ что при m-кратном резервировании Естественно, что облегчение режимов работы резервных си- стем приводит к увеличению надежности резервированной си- стемы но сравнению со случаем, когда резерв работает в нагру- женном режиме. Переключающие устройства могут оказывать существенное- влияние на надежность систем, резервированных способом за- мещения. В общем случае режим работы переключателей, естественно,, не совпадает с режимам самих элементов, однако анализ надеж- ности группы резерва при учете этого 'Обстоятельства становит- ся чрезмерно громоздким. Поэтому допустим, что интенсивность, 84
отказов переключателей не зависит от момента подключения резервной системы в работу. Рассмотрим случай нагруженного резерва резервированной системы, изображенной на рис. 4.12. Рис. 4.12. Структурная схема резервирования методом замещения Вероятность отказа Л-той группы основного соединения nk Qok 1 i = 1 П Pokl ' ;=i Вероятность отказа /г-той группы резервирующих элементов Qk — k 1 - рп П poki i=i mk Вероятность отказа й-той резервированной группы, состоя- щей из основного соединения и группы резервирующих элемен- тов, Qpk Qok Qk k 1 - П Pokl i=l nk 1 — Рп П Pokl Вероятность безотказной работы P-той резервированной груп- пы PPk-l - * 1 — П РоМ 1=1 nk 1 Рп И Ром Вероятность безотказной работы г г f Г Рр = П Ppk = П 1 — 1 - П Ром г резервированных mk nk 1 - Рп П Ром групп /г=1 /г = 1 I L При общем резервировании, когда 71 "I ^общ Р 1 1 П Pol n W 1 — Рп ПРо/ • (4.38) (4.39) 85
nk При раздельном резервировании, когда П Ром == ^о/;> а г—п, ^рР=П{1-(1-/Эой)[1-Л/Эо/гП}- Й=1 (4.40) .Этот вариант резервирования ,не предполагает отключение от общей группы неисправных основных соединений эл&менто'в и поэтому переключающих устройств не предусмотрено. Tai? как на практике часто возникает необходимость локали- зовать место неисправности и в основной системе, то переклю- чающие устройства включают не только в резервных соедине- ниях элементов, но и в основном резервируемом соединении. При этом формулы (4,3'8), (4,39) и (4.40) приобретают вид: / п \»«+1 Робщ р ~ 1 I 1 Рп П Poi I \ 1=1 / ^раздр = П [1—(1 -РпРок.)'Л+1]- А=1 Сопоставим способы общего и раздельного резервирования замещением при равном числе равнонадежных элементов в ре- зервированных системах, тогда ^общр 1 0 рлр")т+1; ^разДр=[1-(1-РпР)т+Т. Так как p = i - = 1 — ?п > то Л>бЩр '=1 -[1 -(1-<?„)(!- <7)”]m+1~i - (<7п + «<7)т+1; /’раздр = {1 - [1 - (1 - <7п)(1 - <7)Г+1}"~ 1 - я (<7п + <7)'и+1. Раздельное резервирование способом замещения эффектив- нее общего резервирования, если р >> р ‘разд р ^общр ч т. е. если (qa + nq)m+1 > 11 (7П + q)m+i, 86
<7п + nq>nm+1 (7„+ q\, УпХ 1 • rtm+1-l (4.41) Применять раздельное резервирование для случаев, когда условие (4.41) не выполняется, нецелесообразно. § 4.5. РЕЗЕРВИРОВАНИЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ При решении задачи повышения надежности авиационного оборудования иногда 'практически невозможно применить методы резервирования, изложенные в §§ 4.2—4.4. Это прежде всего от- носится к случаям, когда возникает необходимость повысить на- дежность датчиков информации о режимах работы отдельных систем, о режимах полета и т. и., для которых недопустимо как прекращение выдачи информации, так и выдача ложных команд; к системам передачи электрической энергии (электрическим се- тям), короткие замыкания -в одной из параллельных ветвей ко- торых приводят к отказу всей линии передачи, к случаям резер- вирования систем автоматического управления и др. Повышение вероятности безотказной работы таких устройств при наличии возможности возникновения двух типов отказов достигается применением параллельного соединения функцио- нальных устройств, подключае- мых в работу через логическую схему. Логическая схема на ос- новании информации, получае- мой от резервных устройств, формирует выходной сигнал на исполнительное устройство. Пример избирательной схе- мы, обеспечивающей выходной сигнал при совпадении сигна- лов от двух резервных систем из трех, приведен на рис. 4.13. В общем случае действие ре- зервированной системы с логи- Р и с. 4.13. Избирательная схема ческим устройством характеризуется следующими параметрами: 1. Вероятностью отсутствия сигнала на выходе логического устройства вследствие отказов резервных устройств типа обры- ва цепей. При наличии сигнала на входе системы, т. е. так на- зываемой вероятностью пропуска сигнала: Рпс. 2. Вероятностью появления сигнала на входе логического устройства, вследствие отказов резервных устройств типа корот- 87
ких замыканий, при отсутствии сигнала на входе системы, т. е. так называемой вероятностью ложной тревоги: Р„г. Оба вида ошибок оцениваются по критерию идеального на- блюдателя: ^ош = Р М -Рпс+ Р (Хвх) • Рл т, (4.42) где Р (%вХ) — вероятность появления сигнала на входе; Р(х№) — вероятность отсутствия сигнала на выходе. Если в резервируемом и в каждом из резервных датчиков возможно появление двух видов отказов, т. е. если их состояния характеризуются следующей таблицей несовместимых состоя- ний: ^ВХ Л-ВЫХ Исправна Обрыв Короткое замыкание 1 1 0 1 0 0 0 1 при этом Р + Qo + <7к — 1, то для повышения достоверности результатов измерений рацио- нально использовать п однотипных датчиков и устройство логи- ческой обработки их показаний, обладающее некоторым «поро- гом срабатывания» — s. При s — 1 имеет место дизъюнктивная схема обработки) результатов измерений (схема «ИЛИ»), при s — п — конъюнктивная (схема «И»), а при s<ji — так назы- ваемая мажоритарная схема (логичеокое устройство принимает решение пр иналичии на входе s сигналов). Обычно п + 1 s ------, 2 т. е. решение принимается при большинстве в один «голос». Для любого s Р^= S д' (1-9о)"Ч ^т=2С'д'(1-?кГ/. i=s Тогда RW*)=P(*BX) S С' ?'(1-д0)'г-г + /;(хвх) У] С'д' (1-дк)л-\ /=л+1— s Z=s 88
Практически при-заданных п и соотношений ? возни- кает задача определения sonT, при котором IF0IU минимальна. Значение sonT можно найти по формуле [17] Р (^вх) Яо _ р (ЛГВХ) 1 • Qк _______*7о *7к____ (1 -?0)(1 - q&} + 1 - в; (4.43) 0<е< 1. Выражение (4.43) справедливо только при условии, что _____Qo Qk____ < | (1 — 9о)(1 - <7и) которое является условием существования экстремума. Оптимальное значение порога мажорирования sonT зависит от соотношения qK/q0 и р(хт). Некоторые зависимости Рп с *=/(Р) и Рлт = /(fi) показаны на рис. 4.14. р г/?с ^7 — б'пс \s = 1 л = 3; Р=0,5 \ / 5=2 г \s‘ -2 —- •—. —— ч । Н 1 1 8 1 J ~~~2 - — - — . _____, ZZT • 1 — — О 12 3 4 5 6 7 9 Рис. 4.14. Зависимости Рп с = f (Р) и Рл т = f (р) § 4.6. ЗАДАЧИ СИНТЕЗА НАДЕЖНЫХ СИСТЕМ При разработке технических устройств необходимо не только обеспечить заданные показатели надежности, но и произвести это наиболее рациональным способом. Для самолетного оборудования одним из наиболее важных требований является требование минимального веса. Естествен- 89
но, что повышение надежности систем путем резервирований ве- дет к увеличению веса и, следовательно, необходимо при про- ектировании систем .решать задачи оптимального резервирова- ния, т. е. задачи распределения резерва, при котором обеспечи- вается минимальный вес системы. : Аналогичные задачи возникают и в тех случаях, когда фак- тором, ограничивающим повышение надежности, является стои- мость системы. При этом необходимо обеспечить заданную на- дежность так, чтобы стоимость системы была минимальной. На практике возникают и обратные задачи, когда при задан- ном /весе или стоимости системы требуется обеспечить макси- мальную надежность. В качестве критерия оценки надежности, который при реше- нии задач оптимизируется, для невосстанавливаемых систем обычно принимается вероятность безотказной работы за время /о, а для восстанавливаемых — коэффициент готовности kr. Вышеперечисленные задачи относятся к задачам синтеза, оп- тимальных надежных схем. Перечень задач, возникающих при проектировании невосстанавливаемых систем, можно предста- вить в виде табл. 4.2. Таблица 4.2 Задачи син- ’ теза Заданные параметры Оптимизируемые параметры Прямые Вероятность безотказной ра- боты — Рс (б Вес системы — (Ос}шт Стоимость системы — { Сс }min Вес и стоимость системы — {GcJtnin И {Gc}min Обратные Вес системы — Gc Стоимость системы — Сс Вес и стоимость системы — Gc и Сс Вероятность безотказной ра- боты — {бс(б}тах Для решения этих задач используются методы вариационно- го исчисления, .методы линейного и динамического программиро- вания. Методы динамического программирования целесообразно ис- пользовать при наличии нескольких ограничений: по весу, стои- мости, габаритам и др. При синтезе сложных систем решение задач проводится на ЭЦВМ, в простейших случаях можно получить решение расче- тами вручную. Ниже рассматривается решение задачи оптимизации для не- которых, наиболее практически важных частных случаев. 90
§ 4.7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО КОЛИЧЕСТВА РЕЗЕРВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ЗАДАННОМ ЗНАЧЕНИИ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ Вероятность безотказной работы минимально-функциональ- ной структуры системы, состоящей из п последовательных эле- ментов, имеющих функции надежности pi, рг, •. , рп и веса gi„ gz,..., gn , определяется выражением п ро = П Pl, i=1 а общий вес системы °0 = S gf 1=1 Путем поэлементного резервирования такой системы можно' увеличить ее надежность до заданного значения Pz. В связи с- этам возникает задача так распределить резервные элементы в системе, чтобы при увеличении ее функции надежности от Ро до Рс вес полученной системы был минимально возможным. Для этого к каждому элементу одиночной системы добавляет- ся некоторое число таких же элементов, так что кратности резер- вирования элементов соответственно равны: mi, тг, ..., тп. Функция надежности t-той группы, полученной после добав- ления резервных элементов, выражается посредством равенства: 7^=1 где Д = 1 - Pi • Надежность вновь полученной системы । < Рс=П /Дг=П(1-<7Д+ Ь (4-44)1 t=i <-1 а вес 1)&- (4-45)' 1=1 Для того, чтобы определить минимальный вес системы, об- ладающей надежностью Рс, необходимо решить вариационную» задачу, уравнение (4.44), определяя распределение . Введем вспомогательную переменную а (0 < а < 1) со- гласно уравнению Дг. = 1 - q"lt+1= Pj . (4.46)> 91
1Из (4.44) следует, что 'Согласно (4.46), (4.47) а вес системы Решение этой вариационной задачи проведем методом мно- жителя Лагранжа. Составим функцию вида п «„) = £ ^^-^-^-g. + pfP^-P], (4.48) тде P — множитель Лагранжа, а ар а2, • .а„ — варьируемые .значения. Так как ^(ai’ Яп) =--------• -с'1П Рс + рРсIn Рс, (4.49) daz In qt 1 — Р j то, приравнивая (4.49) нулю, получают ti уравнений вида: 1П^ 1-Р/ РРС = О, (4.50) а с учетом, что п Ц- 1 уравнение относительно /гф-1 неизвестных аь . .., ал и р. Используя разложение в ряд In х а (*-1)2 2%2 :и ограничиваясь первым членом разложения, ибо значение Рс' близко к единице, из (4.50) получают а. 1 — p“z 1пРс'^-А-^£. (4.51) Р-.1 •92
Тогда из (4.51) и (4.50) следует, что ------------1------рРс = О, In <7/ a; In/3, Si 1 1 Так как 10 ai ~ In qt Рс In Рс (4.52> п 1 n Рс In Рс ;=1 In qt Подставляя (4.53) в (4.52), находим gi In q{ аг -------—----- . I п к (4.53), (4.54). /=i Интересующее нас распределение резервных элементов по. группам и общий минимальный ,вес получим из (4.47) и (4.45) с учетом (4.54). Так же решается и задача распределения элементов по груп- пам при оптимизации по стоимости. Для решения обратной задачи, т. е. для случая, когда тре- буется при заданном весе системы так распределить резервные элементы, чтобы вероятность безотказной работы достигала, максимально возможной .величины, составляется функция вида:. п * i„ri_ d“/i Ж> In qt -1 Проводя решение методом, аналогичным вышеизложенному,, можно найти оптимальное значение взаимно резервирующих элементов любой группы по следующему отношению: Ос ! 1 От/ +1 = ——— 2^ где Ос — заданный вес системы. (4.56)» 93;
Вероятность безотказной работы системы, резервированной таким способом, .может быть вычислена по формуле .(4.44). При использовании для резервирования .различных участков разных способов резервирования (нагруженного резерва, резер- ва, работающего в облегченном режиме, ненагруженного резер- ва) .найти оптимальное количество .резервных элементов мето- дами вариационного исчисления затруднительно. Для таких случаев это решение целесообразнее находить методом поша- говой оптимизации*. Метод пошаговой оптимизации состоит в следующем: 1. Рассчитывается табл. 4.3, в графах которой для каждого .г-того участка резервирования системы при различных кратно- стях резервирования т, проставляются значения .т}- = 1,2,... Значения Pt (т./) определяются в соответствии со способом резервирования по формулам §§ 4.2, 4.3, 4.4. Таблица 4.3 Кратность резервиро- вания mj Участки резервирования Р2 (;иу ) рп {mj) 0 Л(0) Л(0) РМ I М(1) Л(1) PnW 2 М(2) ^(2) Рп$) mj Д1 ('«у) Р2 {т}\ основании данных табл. 4.3 и известных весовых пока- 2. На зателей элементов £,• составляется табл. 4.4 значений: Pt (trij + 1) — Pt (mj) W^mj) = о , / 7 для всех i при различных значениях (4.57) Таблица 4.4 Г1 (m7) (mj) 0 1 UM1) UZ2(1) ИД(1) 2 Wi (2) W2 (2) 1^(2) mj MZi {mj) IF2(m7) ид (mj) * Основы метода изложены в книге Б. Козлова, И. Ушакова. «Спра- вочник по расчету надежности». Советское радио, 1966. 94
.3. Все значения W tfnij) таблицы 4.4 перенумеровываются в порядке убывания величины: WtV, U7<2), ... ' 4. Проводится пошаговая оптимизация. На первом шаге: а) выбирается максимальная из величин ИД1)— П7(1) ; б) по таблице 4.4 отыскивается соответствующая величина ЛИ); в) вычисляется значение pm /j-QI р(о) ' Л(0) где Н(<|) = П (0) — начальное значение вероятности безотказ- ной работы .системы; г) вычисляется GO)=Go+g,., где Go — начальный вес системы. На втором шаге выбирается IE (2) — максимальная среди ос- тавшихся И7/г(1) для k Р I или IFZ(2);, затем выполняются опе- рации б, в, г, как и на первом шаге. Процесс прекращается на таком шаге N, когда для первой задачи оптимального резервирования выполняется условие Р"-1 < Ртр < Р”. Если решается обратная задача, то проверяется выполнение условия GN < GTp < GN" . В качестве иллюстрации метода пошаговой оптимизации рас- смотрим пример. Система состоит из элементов, характеристики надежности которых приведены на рис. 4.15. 9i ° ? 9г" 2 9з= 1 9ч^ р = 0,9 р = 0,9 р = 0,9 р-0,9 Рис. 4.15. Структурная схема надежности , Для повышения надежности на различных участках приме- няются различные способы резервирования. Требуется определить оптимальный резерв для заданного зна- чения вероятности безотказной работы системы PQ — 0,97. 95
Составляем таблицу 4.5, проводя расчет Pt для первого и третьего участков по формуле РД/п,)-!-^1, а для второго и четвертого P/(/n7)=e-,v V t)k Таблица 4.5 nij Pi W I = I I =- 2 z = 3 I = 4 0 1 2 3 4 5 0,9000 0,9900 0,9999 0,9000 0,9953 0,9998 0,9000 0,9900 0,9999 0,9000 0,9953 0,9998 По данным таблицы 4.5 составляем таблицу 4.6 для значе- ний Wt(ntj), рассчитанных по формуле (4.57), и проводим пере- нумерацию значений Таблица 4.6 О 1 2 3 0,005 № 4 * * 0,05 № 3 0,100 0,0005 № 9 0,002 № 7 0,009 — — 0,001 № 1 0,100 № 2 № 5 0>004 № 6 № 8 Окончательные результаты расчета приведены в таблице 4.7, на основе которых определяем для заданного значения Рс иско- мые значения для каждого участка, соответствующие мини- муму веса системы 96
Таблица 4.7 Номер шага N Число резервных элементов на участках на N-м шаге Ре Ge г = 1 z = 2 Z = 3 i = 4 0 0 0 0 0 0,66 6 1 0 0 I 0 0,72 7 2 0 0 1 1 0,79 8 3 0 1 1 1 0,86 10 4 1 1 1 1 0,95 12 5 1 1 2 1 0,97 13 Таким образом, nil = 1; тг = 1; т3 = 2; т* = 1; а G = 13 при Рс=?0,97. 7. Румянцев Е. А. и др.
Глава V ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ И СИСТЕМ § 6.1. ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПРИМЕНЯЮЩИЕСЯ ПРИ СТАТИСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ НАДЕЖНОСТИ Наработка. Определяющим параметром долговечности техни- ческих устройств является наработка, под которой понимается продолжительность работы технического устройства. Основной мерой, оценивающей продолжительность работы, является время наработки в часах, т. е. время, в течение, которого техническое устройство выполняет свои рабочие функции. Время наработки не следует смешивать с временем эксплуатации, т. е. с кален- дарным временем, в течение которого техническое устройство находится на эксплуатации. У некоторых технических устройств мерой оценки продол- жительности работы являются другие показатели, например, продолжительность работы электрических аккумуляторных бата- рей измеряется числом разрядно-зарядных циклов, самолетных агрегатов дистанционного управления — числом перекладок, контакторов и реле — числом включений и выключений и т. д. Таким образом, ,все основные характеристики надежности, являющиеся функциями времени наработки, могут быть исполь- зованы и при решении задач надежности, когда определяющие параметры имеют другую размерность. В этом случае под t следует подразумевать любой вид нара- ботки, а под Тт — математическое ожидание появления отка- за, оценивающееся любой из возможных размерностей. При оценке надежности системы или самолета в целом по характеристикам надежности отдельных составных элементов авиационной техники, имеющих разную размерность наработки, необходимо, чтобы количественные показатели определяющих параметров были приведены к одинаковой размерности для всех элементов системы или самолета в целом. Если для какого-ни- будь элемента или устройства, входящего в систему, размерность определяющих параметров надежности равна величине ag, а для системы в целом равна А, то коэффициент приведения оп-ре- 98
деляющих параметров элементов к размерности соответствую- щих параметров системы выразится в виде отношения (5-1) Таким образом, чтобы привести характеристики наработки элементов, имеющих размерность «§», к размерности времени, их следует умножить на коэффициент приведения, например, Tm(4ac)^=agTmg-, (5.2) = (5-3) Суммарное время наработки. При проведении статистических исследований надежности и эксплуатационных расчетов в каче- стве определяющего параметра применяется случайная величи- на — суммарное время наработки технических устройств, взя- тых под наблюдение в течение некоторого времени эксплуатации этих технических устройств. No h = (5.4) 7-1 где — время наработки /-того технического устройства. Для непрерывно работающих невосстанавливаемых техниче- ских устройств можно написать п- 1 Е + (N0-n+V)tn, (5.5) ;=i где — время наработки /-того отказавшего технического уст- ройства; tn — время, соответствующее п -случаям отказа технических устройств. Практически для вычисления суммарного времени наработки весь испытательный период рабочего -времени разбивается на разряды, соответствующие равным отрезкам времени АЛ Если Д/гг — число отказов в течение i-того отрезка рабочего времени, то суммарное время наработки всех функционирующих в процессе эксплуатации невосстанавливаемых технических уст- ройств может'быть выражено следующей формулой: ./в = [А/о — п. (^)] t + 0,5 Д/ Дл/j + 1,5 Д£ Д/г2 +... + (А—0,5) &£ knk, где 0,5 Д/; 1,5Д/; .. .(k — 0,5) Д/ — времена наработки отказав- ших устройств; k — полное число разрядов. 7* 99
Учитывая, что k я (t) ~ Д/Zj 4~ A/z2 ”h • • * 4“ “ У i =1 И д/ = — k получим 1 к /V - — £(£ + 0,5 - i) Lnt * z=i (5.6> Для восстанавливаемых технических устройств суммарное время наработки равно: N k ^ = Ш<- (5.7> J-1/=1 где tjt — время наработки /-того технического устройства в те- чение z-того отрезка испытательного времени. Среднее время наработки является основной количественной: характеристикой долговечности. Среднее время наработки технических устройств измеряется: математическим ожиданием суммарного времени их наработки с начала эксплуатации до заданного момента времени эксплуа- тации. Среднее статистическое время наработки в границах задан- ного времени эксплуатации есть отношение суммарного времени наработки однотипных технических устройств за этот период вре- мени эксплуатации к общему числу данных технических уст- ройств Т=—. (5.8)> N Среднее время наработки на один отказ. На практике в ка- чество. критерия надежности часто применяется среднее время' наработки на один отказ. Эта величина оценивается отношением- суммарного времени наработки однотипных технических уст- ройств за заданное время эксплуатации к числу устройств, пре- кративших в течение этого же времени работу ввиду их отказа. Величина среднего статистического времени наработки на: один отказ определяется отношением Тн/0 = — . (5.9)» п 10Q
§ 5.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ Характеристики надежности элементов кай вероятностные оценки могут быть получены или путем использования статисти- ческих данных по результатам эксплуатации технических уст- ройств, или путем проведения специальных испытаний. Основой .для экспериментального определения надежности авиационной техники в процессе эксплуатации являются статистические дан- ные об отказах. Для сбора сведений об отказах применяются специальные формы учета, например, П. 5. Достоинством метода получения статистических сведений о фактической надежности технических устройств в процессе их эксплуатации являются реальные условия и режимы работы, обеспечивающие возможность получения наиболее точной инфор- мации. Недостатком этого метода является несвоевременное получе- ние необходимой информации, так как характеристики надеж- ности становятся известными только после накопления опыта эксплуатации. При всех достоинствах способа получения информации пу- тем проведения специальных испытаний он не всегда является экономически целесообразным из-за необходимости проведения длительных и дорогостоящих экспериментов. Применение ускоренных испытаний элементов и систем, при которых подвергающиеся испытаниям устройства работают в режиме повышенных нагрузок, позволяет в значительной степе- ни сократить время проведения испытаний и отчасти сократить объем выборки для испытаний. Для экспериментального определения статистических харак- теристик надежности могут применяться несколько способов пла- нирования испытаний (см. табл. 5.1). Т а б л и ц а 5.1 Номер спо- соба Производит- ся ли заме- на элементов Отмечают- ся ли мо- менты от- казов Что планируется на Что определяется в процессе испытаний испытаниях 1 Нет Да Испытания ведутся до отказа всех уст- ройств.. Суммарная нара- ботка. 2 Нет Да Число отказов при n<W. Суммарная нара- ботка. 3 Нет Нет Длительность ис- пытаний. Число отказов. 4 Да Да Число отказов. Длительность испы- таний. 5 Да Да Длительность испы- таний. Число отказов. 101
Первые три способа характеризуются фиксированным на- чальным объемом выборки без применения замены отказавших устройств. В случае проведения испытаний до отказа всех элементов вы- борочной совокупности (способ первый) имеется возможность, получить полное распределение времени появления отказов, од- нако при определении статистических характеристик надежности следует иметь в виду, что различные по своей природе отказы имеют различные законы .распределения. Внезапные отказы име- ют экспоненциальное распределение, а износовые — нормальное распределение. Кроме того, средняя наработка на один внезап- ный отказ Ттв имеет, как правило, значительно большую вели- чину, чем средняя наработка на один постепенный отказ Тта. Определить статистическую величину ТтВ можно лишь на более раннем этапе, а Ттп — на более позднем, т. е. когда вероят- ность появления износовых отказов становится доминирующим фактором с точки зрения надежности и численно подавляет ве- роятность появления внезапных отказов (рис. 5.1). Рис. 5.1. Кривые вероятности безотказной работы: Р3 (/) — при действии внезапных эксплуата- ционных отказов; Ра (t) — при действии из- носовых отказов; P(t) — при одновременном действии внезапных и износовых отказов Рассматриваемый способ позволяет определить интенсивность отказов технических устройств и другие характеристики надеж- ности. При проведении испытаний до отказа лишь некоторого опре- деленного количества элементов выборки (способ второй) имеет- ся возможность значительно сократить продолжительность ис- пытаний и вместе с этим исключить 'влияние износа и старения на надежность элементов, но следует иметь в виду, что при этом достоверность оценки надежности несколько понижается^ В данном случае на испытание ставится также No элементов,, 102
но испытания заканчиваются в момент, когда отказывают ров- но n<ZNo элементов. Доказано [24], [25], что если No элементов подвергнуть ис- пытаниям способом «без замены» и п из них откажут в моменты времени t2; ... отсчитываемые от начала испытания, а ис- пытания прекратятся к моменту времени tn наступления /г-го отказа, так что Na-—п элементов еще ,не откажут к концу испы- тания, то оценка максимального правдоподобия средней нара- ботки на один отказ выражается формулой п — 1 + (N — П + 1) tn = , (5.10) где числитель представляет собой суммарную наработку всех испытываемых элементов. Способ постоянного объема выборки на протяжении всех ис- пытаний. Элементы, отказавшие в процессе испытаний или экс- плуатации, немедленно заменяются новыми — из той же гене- ральной совокупности. Следовательно, если п элементов отобра- ны для испытания, общее число элементов, проходящих испы- тание, все время остается равным N. Если испытания прекра- щаются по истечении времени t после начала испытания при на- ступлении га-го отказа, суммарная наработка для N элементов равна Nt, а оценка средней наработки элементов на отказ в этом случае равна: 7*= — , (5.11) п где N — постоянное число однотипных элементов, проходящих испытание. Этот вид испытаний не позволяет, за исключением экспонен- циального закона 'распределения, определить непосредственно по первичным статистическим данным вид закона распределе- ния. Такой способ и формула (5.11) широко применяются при оценке надежности элементов в процессе эксплуатации авиа- ционной техники, тем более, что >в этом случае имеют место главным образом эксплуатационные внезапные отказы и в зна- чительно меньшем количестве износовые отказы. Определение размера выборки при испытании на надеж- ность. При ограниченном объеме испытаний возрастает величи- на риска неправильного решения в приемке или браковке техни- ческих устройств, проверяемых на надежность. Величина риска — это убыток, выраженный в стоимости. Чтобы увеличить информацию и тем самым уменьшить вероят- ность ошибки, можно увеличить объем выборки или число и вре- мя испытаний, на основании которых принимается решение. Од- 103
нако испытания обладают сами по себе большой стоимостью, причем пропорциональной величине выборки числа и времени ис- пытаний. Для определения оптимального размера выборки NB следует задаться предполагаемым значением математического ожида- ния интенсивности отказов генеральной совокупности эле- ментов. В качестве ХЯ1 может быть принята известная средняя интенсивность отказов аналогичных элементов. Таким образом, в качестве исходной формулы для определе- ния величины NB может быть принято выражение = (5-12) NBt где пт — математическое ожидание количества отказов в вы- борке 2VB за время t. Вероятность того, что за время t во время испытания выбор- ки произойдет не более п отказов, т. е. вер (гаи < п), где — фактическое количество отказов, полученных при испы- таниях выборки NB за время t, является вероятностью несовме- стимых событий, представляющих собой совокупность одновре- менно существующих вероятностей непоявления отказов вообще или появления одного отказа, или двух, или трех и т. д. до п включительно. Такая вероятность представляет собой сумму вероятностей этих несовместимых событий и, согласно закону Пуассона, мо- жет быть выражена формулой / 11 /2.2 Цп \ вер (гаи < га) = + ...+ е""-». (5.13) Подставляя сюда выражение пт из (5.12), т.е. (5.14) лолучим ’ п вер (гаи < га) = 1. (5.15) 7=0 •Вероятность того, что число отказов выборки будет не меньше «-)—1, определяется по формуле .вер (гаи > га + 1) = 1 — вер(гаи < га). (5.16) Для определения размера выборки при заданных значениях Хт и t следует исходить из наиболее приемлемого числа и до- статочной по величине- вероятности вер (гаи п\ тогда по графи- 104
ку (рис. 5.2), соотавлевному на основании формул (5.13) и (5.14), можно найти 'величину пт, а затем и количество устройств выборочной совокупности Рис.-5.2. Вспомогательный график для определения разме- ра выборки при испытании на надежность Пример 5.1. Необходимо провести испытание на надежность новых •самолетных генераторов постоянного тока. Согласно условиям, испытание производится в течение 100 часов. Желательно, чтобы в течение этого време- ни произошло более трех отказов с достоверностью вер (пи > п) = 0,95. Ориентировочное значение математического ожидания интенсивности отказов выбираем из справочных таблиц для аналогичных генераторов постоянного тока X = 3 10 Математическое ожидание количества отказов находим по графику рис. 5.2 пт = 6. Размер выборки генераторов для испытания опре- деляем по формуле (5.17) 7VB = ------------— = 200 шт. 100-3-10 * . § 5.3. УСКОРЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ НА НАДЕЖНОСТЬ Ускоренные испытания технических устройств на надежность проводятся в рабочем режиме с повышенными нагрузками и представляют собой разновидность метода физического модели- рования. Для экспоненциального .закона вероятность безотказной ра- боты равна: р (/) == е Ч Г05
TRep(f) и — являются безразмерными величинами. Тт Если- безразмерные коэффициенты модели и реального про- цесса равны, то в этом случае метод физического моделирова- ния для опыта применим. В данном случае где /у и Тту — временные характеристики надежности при ус- коренных испытаниях. Аналогично можно написать Р Д) = Р (.(у)- Согласно (5.18), /=-^у, (5.19) у Т где ----= k — коэффициент подобия. В данном случае коэффициент подобия выражает собой ве- личину часов работы технических устройств в условиях нормаль- ной эксплуатации, соответствующую одному часу ускоренных испытаний. Для элементов авиационного оборудования и электронной автоматики вероятность безотказной работы является функцией комплексной нагрузки Z п .времени работы t p = $(Z,t). (5.20) Комплексная нагрузка включает в себя различные частные нагрузки, влияющие на величину интенсивности отказов, напри- мер Z~g(U, /, (5.21) где U — электрическое напряжение; I — ток нагрузки; t? — температура окружающей среды. Аналогично времени комплексная нагрузка может быть вы- ражена в виде 'безразмерного коэффициента и тогда равен- ство (5.20) может бытывыражено в виде Р = Ф1(«, т). (5.22) Аналогично для ускоренных испытаний Ру = Ф1(£у> ’у)’ (5.23) где = Ву; т = ту; р = р 106
Эти равенства и служат критерием соответствия параметров-- при ускоренных испытаниях и .в реальных условиях эксплуата- ции. Чем больше коэффициент подобия, тем больше сокращается срок проведения испытаний, однако надо учитывать, что при весьма больших значениях коэффициента подобия может быть нарушено соответствие-между функциями р и ру . Между коэффициентами подобия по среднему времени без- отказной работы и -по комплексной нагрузке существует опреде- ленная функциональная зависимость = Zy). (5.24)- * т у Вид функции h (Z, Zy) зависит от рода элемента, его кон- струкций, комплекса воздействующих .на него нагрузок и дру- гих факторов. Данные коэффициентов подобия при разных коэффициентах перегрузки при ускоренных испытаниях представлены >в табл. 5.2.. Таблица 5.2 Коэффициент ^\>нагрузки Элементы 1 1,3 1,7 2 Сопротивления 2,2 3,8 5 7,5 Конденсаторы 3 8,2 27 67 Германиевые диоды 27 45 89 134 Для экспоненциального закона распределения среднее время; безотказной работы при ускоренных испытаниях равно: Tmy=Ntiy, (5.25). где — время появления первого отказа при ускоренных испы- таниях. Очевидно, что чем больше число N, тем достовернее ста- нет-величина Тту. На основании (5.24) и Д5.25) определяется среднее время без- отказной работы для реальных условий Tm=kTTmy = kTNtly. (5.26). Согласно (1.3) и (3.13), можно написать Q*(zfy)=l-[p*(7y)]", (5.27)= где Q*(ty) — статистическая вероятность отказа, полученная; при ускоренном испытании N технических уст- ройств; ЮГ
желае- (5.29) (5.30) p*(ty) — статистическая вероятность безотказной работы одного технического устройства, которая, соглас- но (5.27), может быть определена по формуле 1 p*(*y)==[l-Q*(/y)f (5.28) Если вместо Q*(/y) подставить верхний доверительный предел, соответствующий заданному времени tH, то в этом случае р* (tH) будет выражать с заданной доверительной достоверностью фак- тическую вероятность безотказной работы устройства. Количество технических устройств, необходимое для прове- дения ускоренных испытаний на .надежность с учетом .мой точности эксперимента, определяется .из уравнения lg[l-Q(/y)] •а время ускоренных испытаний определяется отношением t Т / _. ‘•н__J m Н J /Зу TVkj' :где Т,па — минимально допустимое среднее время безотказной работы. § 5,4. МЕТОД СТАТИСТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ Цифровые электронные вычислительные машины с пристав- :кой — датчиком случайных чисел применяются для статистиче- ского моделирования задач по оценке надежности. Принципиальная особенность этого метода состоит в том, что влияние различных случайных факторов в процессе опыта учи- тывается не расчетным, а игровым способом. При статистиче- ском моделировании в качестве универсального механизма слу- чайного выбора используется совокупность случайных чисел, равномерно распределенных в интервале 0 -н1, которые выра- батываются датчиком случайных чисел. В ЭВМ этот процесс сводится к выбору случайной величины -X и последовательной проверке условия А-1 (5.31) 1=0 1=0 до тех пор, пока это случайное число не будет удовлетворять этому условию. Например, три наличии независимых событий Aij. Д2;'А3 и М4,’составляющих группу, вероятности которых pv = 0.1, р2 = = 0,3, р3 = 0,2 и pt = 0,4, датчиком случайных чисел выдается 108
случайное число Xj ~ 0,48. При 'последовательной проверке ус- ловия (5.31) до тех пор, пока оно не выполнятся, получим: 0,48 0,1 — событие Л1 не происходит; 0,48 0,4 — событие А2 происходит; 0,4 0,48 0,6 — событие Д3 произошло. Затем аналогично производится последовательная проверка- очередного случайного числа ^+1и т. д. При многократном про- ведении последовательных проверок, частота попадания случай- ных чисел на определенный отрезок интервала 0-4-1 постепенно- приближается к соответствующим вероятностям. Если мы располагаем совокупностью распределенных в ин- тервале 0 н-1 случайных величин yh то каждой из них соответ- ствует определенное для данного вида функции Е(х) =• yt чис- ло xt, значение которого .находится обратным преобразованием (т. е. то значение аргумента X, для которого F(x) — у). Отсюда следует, что процесс -получения последовательности: случайных чисел xt с заданным законом распределения F(x) -сводится к решению относительно х: уравнения F(x)=j f{x)dx = yl, (5.32)- — сю Например, если требуется реализовать случайную величи- ну t, распределенную по экспоненциальному закону с парамет- ром X, т. е. F (Z) = 1 - e-w, то на основании (5.32) получим 1 — e~w = q, тогда, очевидно, *1 =---^-ln(l-?z), А здесь q-L — последовательность случайных чисел, распределен- ных в интервала 0-4-1, вырабатываемых датчиком случайных чисел. Результаты моделирования представляют собой статистиче- ские средние значения величин, фиксируемые в качестве иско- мых параметров, т. е. (5.33} К i-i где — численное, значение искомого параметра в i-той реа- лизации; R — число реализаций алгоритма. 109
В соответствии с известными предельными теоремами теории вероятностей среднее значение стремится к действительному ожиданию случайной величины при неограниченном возрастании числа испытаний. Вследствие ограниченного числа испытаний значение иско- мого параметра в известной степени будет случайным, т. е. вме- сто точного параметра .мы получим его приближенное значение, называемое оценкой, имеющее лишь ограниченную точность. Абсолютное значение максимального отклонения 6 — tg. Ст J где /а= ]/2 Ф-1 (а) есть величина средних квадратических откло- нений ат для нормального закона распределения, которую нуж- но отложить вправо и влево от центра рассеивания, чтобы веро- ятность попадания в полученный участок была равна а. Значе- ния табулированы [12]. Ф-1(«) — функция, обратная функ- ции Лапласа, т. е. такое значение аргумента, для которого функ- ция Лапласа равна trj. Применение универсальных ЭВА1 позволяет осуществить ис- следование самых разнообразных систем и при этом имитировать реальные условия эксплуатации. Однако подготовительная ра- бота (формализация, составление алгоритмов, программирова- ние) требует весьма значительных трудозатрат. В связи с этим большое значение имеет разработка стандартных подпрограмм и алгоритмов для решения типовых задач надежности. Основной характеристикой, необходимой для последующих расчетов, является вероятность пребывания системы в опреде- ленном состоянии Pi(t] для заданного интервала времени t, при котором она способна нормально функционировать. В системах с избыточностью таких состояний может быть большое количество. Для определения конкретных состояний си- стемы на учет берутся все элементы системы, каждый из кото- рых может находиться в одном из двух состояний: исправен — 'неисправен. В результате предварительного анализа процесса функцио- нирования устанавливается число рассматриваемых состояний, при которых система способна функционировать, при этом ма- ловероятные комбинации обычно исключаются. Решение задачи оценки надежности методом статистического моделирования, системы сводится к следующему. Заданный интервал времени разбивается на равные проме- жутки № ~ — и для каждого М определяется состояние каж- k дого элемента системы в соответствии с принятыми законами распределения времени безотказной работы. Эта информация используется для определения рабочих со- стояний системы, соответствующих данному моменту времени.’ ПО
Предполагая, что состояния системы пронумерованы в по- рядке убывания показателей надежности, фиксируем состояние с наименьшим номером, т. е. выбирается состояние системы с наилучшей по надежности комбинацией исправных элементов. Аналогично повторяем этот процесс для следующего состоя- ния и т. д. Многократное повторение этого процесса для каждо- го Д/ позволяет получить оценку для вероятности исправного j-того состояния Pj(t) в момент времени Л В результате анализа процесса функционирования системы из множества различных N состояний выделяется только г со- стояний, удовлетворяющих требованиям нормального функцио- нирования системы, и определяется вероятность безотказной ра- боты системы в течение времени t: PAt) = T>Pj^- (5.34) /=! Алгоритм рассмотренной задачи представлен на рис. 5.3. Рис. 5.3. Структурная схема алгоритма оценки надежности системы методом статистического моделирования Назначение основных операторов ясно из блок-схемы. Опе- ратор 3 путем сравнения случайных чисел xt с величиной веро- ятности Pi (Д/) для каждого элемента определяет его состояние. Оператор 5 проверяет, все ли N элементов просмотрены, и, если 111
i — k (т. e. определено состояние всех элементов), то произво- дится операция с наилучшей комбинацией элементов (опера- тор 6) и фиксация номера в памяти. После проверок на -заданное время t3 и заданное число ре- ализаций R3 цикл повторяется и процесс вычисления прекра- щается.
Глава VI ОБРАБОТКА СТАТИСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ ПО ОПЫТУ ЭКСПЛУАТАЦИЙ АВИАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ § 6.1. ТОЧНОСТЬ СТАТИСТИЧЕСКИХ ОЦЕНОК НАДЕЖНОСТИ Определение показателей надежности устройств авиационно- го оборудования в практических задачах приходится произво- дить на основе далеко не полного статистического материала. Это объясняется тем, что как число однотипных технических устройств, находящихся ,в эксплуатации или поставленных на специальные испытания их надежности, так и время наблюде- ния за ними являются величинами ограниченными. Поэтому все статистические показатели надежности следует рассматривать как величины приближенные. Они отличаются от своих точных (вероятностных) значений. Более того, любые значения того или иного статистического показателя надежности, вычисленные по данным эксплуатации, являются величинами случайными. Если, например, в нескольких авиационных частях одновременно и в одинаковых условиях эксплуатируются однотипные самолеты, то статистические показатели надежности одних и тех же устройств оборудования самолетов ib различных частях окажутся неодина- ковыми и будут представлять собой случайные-величины. Приближенное, случайное значение показателя надежности, рассчитанное по данным эксплуатации, принято называть оцен- кой этого показателя. Она тем лучше приближается к точному значению, чем большее число устройств данного типа находится в эксплуатации и взято под наблюдение. При небольшом числе устройств и малом времени наблюдения разница между оцен- кой и точным значением показателя может оказаться значи- тельной, что приведет к ошибкам и неправильным выводам. Таким образом, при обработке статистических данных важнд, с'одной стороны, выбрать такую оценку, чтобы даже при сравни- тельно небольшом объеме этих данных ошибка от замены точ- ного значения показателя надежности его оценкой была бы по возможности малой. С другой стороны, необходимо установить, с какой степенью уверенности можно ожидать, что эта ошибка не выйдет за известные пределы. При этом следует иметь в ви- 8. Румянцев Е. А. и др. 113
ду, что само точное значение показателя надежности нам по су- ществу неизвестно. Во многих случаях бывает известен закон распределения случайных событий отказа (или событий восстановления), но неизвестны его параметры. Тогда в качестве показателей надеж- ности определяются оценки этих параметров, например, интен- сивности потока отказов, плотности потока восстановления и т. п. Обозначим а* оценку для некоторого показателя надежно- сти а. Закон распределения оценки а*, как величины случайной, зависит от закона распределения исследуемых событий отказов (восстановлений), в-частности, от самого неизвестного показа- теля (параметра) а, а также от числа опытов и. Оценка а* называется состоятельной, если при увели- чении числа опытов п она сходится ,по вероятности к показате- лю а. Свойству состоятельности удовлетворяет, например, ис- пользуемая в теории надежности оценка среднего времени без- отказной работы, подсчитываемая как среднее арифметическое значение времени безотказной работы устройств: т п ' ‘ Действительно, согласно закону больших чисел, при увели- чении п величина Тт сходится по вероятности к Тт. - Оценка а* называется несмещенной, если она удовлет- воряет условию, гарантирующему отсутствие систематических ошибок в сторону завышения или занижения: М [а*] = а. Легко видеть, что оценка Тт является несмещенной, так как п Ътт Можно показать, что все основные статистические оценки надеж- ности, в том числе такие, как статистическая вероятность отказа q*, частота восстановления ?* и другие, являются состоятель- ными и несмещенными. Оценка, обладающая по сравнению с другими наименьшей дисперсией, т. е. удовлетворяющая условию D [а*] = min, называется эффективной. В частности, оценка Т% , подсчи- танная для этапа старения и износа технических устройств, где отказы подчиняются нормальному закону, будет также и эффек- тивной. 114
Оценка а* характеризует неизвестный параметр а одним чи- слом и поэтому называется «точечной». .В. том случае, когда рна получена на основе малого числа опытов, особое значение при- обретает вопрос о точности этой оценки, так как в ряде случаев при ее применении .могут быть допущены серьезные ошибки. Для характеристики точности оценок используют известные из математической статистики понятия доверительных интерва- лов и доверительных вероятностей. Существо этих понятий сво- дится к следующему. Потребуем, чтобы с некоторой достаточно большой вероятностью р (например, порядка 0,9; 0,95) откло- нение точного показателя от его оценки не превосходило,, вели- чины е, т. е. потребуем 'выполнения следующего условия: Р(- г <а- а* <е) = р. ' (6.1) Тогда практически возможные ошибки от замены а на а* будут Т е. Большие по абсолютной величине ошибки могут появиться лишь с малой вероятностью а = 1 — р. Перепишем (6.1) в другом виде: Р(а* —в<а<а* + в) = р. (6.2) Равенство (6.2) означает, что с вероятностью р неизвестное значение показателя а попадет в интервал , ограниченный значениями а* — е; а*-ре: /р = (й* — е; а* + е). Вероятность р называют доверительной вероят- но с т ь ю, интервал /р — доверительным интервалом, а его границы а* — в и а* 4- в — доверительными грани- цами, ' , . . .. Таким образом, если по опыту эксплуатации некоторого огра- ниченного числа технических устройств рассчитана оценка а* показателя надежности, а затем из условий выполнения равенств -(6.1) или (6.2) найдено значение при заданной р, то по опыт- ным данным можно утверждать, что с доверительной вероят- ностью Р точное значение неизвестного показателя надежности а .заключено между доверительными границами а* — е й а*-f-в, т. е. находится внутри интервала /р. Очевидно, что с увеличе- нием количества наблюдаемых в эксплуатации технических уст- ройств (т. е. увеличением числа опытов) при той же доверитель- ной вероятности р доверительный интервал /р будет сужаться, .а доверительные границы й* — е; й*+е — сближаться. Точность оценок при этом повышается. Перейдем к вопросу расчета в и /р. Если бы закон распре- деления случайной: оценки а* был известен (а — величина не- случайная), то задача нахождения в и /р решалась бы про- сто: достаточно было бы при заданной р найти такое значение s, которое удовлетворяет уравнению (6.1), а затем рассчитать /р. •8* 115
Так, например, при симметричной функции плотности распре- деления f(x) ошибки х = а — а* уравнение для отыскания е будет иметь следующий вид: 2 /(х) dx = р. о При несимметричном распределении а* обычно требуют, что- бы вероятности попадания а в диапазон значений слева и спра- ва от доверительного интервала были одинаковы и составляли | ______ D — =-----Тогда уравнение (6.2) можно представить двумя 2 2 уравнениями вида: Р(«<а!) = у; Р(а2<а)= ~ , (6.3) где а1 — а* —а; й2=а*-|-е есть соответственно нижняя и верхняя границы доверительного интервала. Можно взять также другую пару уравнений: о at P(a<Za^ = —\ Р (а < <х>) = 1 — — . Однако затруднение состоит в том, что закон распределения оценки а*, как уже упоминалось, зависит от закона распределе- ния событий отказов и, следовательно, от его неизвестных па- раметров, в том числе параметра |(или показателя) а. Чтобы обойти это затруднение, применяют приближенный способ, со- стоящий в том, что в получаемых на основе (6.2) аналитических выражениях для /р неизвестные параметры а заменяют их точеч- ными оценками а*. Такой способ приемлем лишь при достаточ- но большом статистическом материале, когда число исследуемых на надежность устройств составляет 30—40 и более. Точные методы расчета доверительных интервалов предпола- гают, что обязательно известен вид закона распределения слу- чайных событий отказов (например, вид закона распределения времени безотказной работы, времени восстановления и т.п.), а параметры его, разумеется, неизвестны. Чтобы обойти трудность,, связанную с тем, что точные значения параметров (и других по- казателей надежности) .неизвестны, применяют специальный врием, состоящий в том, что в неравенствах вида (6.1), (6.2) переходят от случайной величины а* к некоторой функции от а*, но такой, что закон ее распределения не зависит от неизвест- ного параметра а, а зависит только от числа опытов п и от вида- закона распределения событий отказов (событий восстановле- ния). 116
Как показано ,в .главах I—III, законы распределения для со- бытий отказов и восстановлений устройств авиационного обору- дования в настоящее (время хорошо изучены, чго открывает воз- можности применения точных методов расчета доверительных интервалов в практических задачах. § 6.2. РАСЧЕТ ДОВЕРИТЕЛЬНЫХ ИНТЕРВАЛОВ ПО СТАТИСТИЧЕСКИМ ОЦЕНКАМ НАДЕЖНОСТИ НЕВОССТАНАВЛИВАЕМЫХ УСТРОЙСТВ Известно, что поток отказов авиационных устройств в про- цессе эксплуатации может быть описан простейшим пуассонов- ским потоком. В соответствии с законом Пуассона вероятность того, что за суммарное время наработки произойдет .ровно k отказов, / \k IJ2LI = Тт> <6’4) \ * т / ™ • где Тт — среднее время безотказной работы, пт = — ма- Тт 1 тематическое ожидание числа отказов за время 6 Д =-------- — Тт плотность потока отказов. Пусть известно, что в процессе эксплуатации достаточно большого количества однотипных устройств произошло ровно п отказов за время й . Это время й является величиной случай- ной. В другом аналогичном опыте отказ ровно п устройств -мо- жет произойти за другое время. Это означает, что случайными будут точечные оценки для среднего времени безотказной рабо- 'Т’.у. , j. ты 1 т = --, плотности потока отказов л*= —, математическо- п го ожидания числа отказов за фиксированный промежуток вре- мени Пт . Требуется по результатам данного опыта эксплуата- ции, когда ровно п отказов произошло за время № , найти дове- рительные интервалы для среднего времени безотказной работы, вероятности безотказной работы и других показателей надеж- ности устройства. В § 6.1 указывалось, что для определения доверительных ин- тервалов необходимо установить закон распределения* оценок, тэ < tz tt, В нашем случае удобно взять оценку —, так как пт = — яв- '^'т Т'т ляется параметром распределения Пуассона. 117
В соответствии с (6.4) вероятность появления за время fa* не менее п отказов будет равна: k=0 (6.5) Выражение (6.5) представляет собой не что иное, как инте- тральную функцию распределения оценки -----. Дифференци- руя (6.5) по ——, получим функцию плотности распределения Т т fa оценки ----: («- О1- (6.6) Т е . Эта функция зависит как от п, так и от неизвестного нам 2/s (точного)'параметра Тт> Введя новую переменную х2 =---------> преобразуем (6.6) к функции, зависящей только от п и не зави- сящей от параметра Тт: 7? [ \ (у 2\/z 1_2 (6.7) Функция (6.7) отвечает известному из теории вероятностей так называемому х2 распределению с 2/г степенями свободы. Кривая х2 распределения приведена на рис. 6.1. Теперь определение доверительных интервалов при заданной доверительной вероятности Р не представляет особых трудно- стей. Вероятность попадания случайной величины х2 в область 2 2 значении, меньших, чем х, где Xi_5_— нижняя граница до- 2 2 118
верительного интервала (рис. 6.1), должна быть равна — =-----» Соотношение (6.8) является уравнением, решение которого 2 дает нижнюю доверительную границу Вероятность попадания случайной величины у2 в область значений, меньших, чем у2а, где у2а — верхняя граница довери- ~2 Т тельного интервала, должна быть равна 1-т. е. 2 х3«_ ^(х2<УЛ)=Г2/(х2)^2=1 - — (6.9) Это соотношение является уравнением, решение которого дает верхнюю доверительную границу х2а • V Таким образом, с вероятностью р у2 у2 у2 Л. а Л Л а ~ V 7 В литературе по математической статистике решения уравне- ний (6.8) , (6.9) о1носительно у2 а и у2а для различных п и а 1 — Т Т сводятся в таблицы. Они приведены в П. 3. Так как по принятому выше обозначению---= у2, то дове- ет 119
и рительные границы для среднего времени безотказной работы 'г * 2i* 1 т будут соответственно равны — У- а 2 чение Тт с доверительной вероятностью т (ЧП ЧП доверительном интервале ---- I X « X к Х Т 1 - '2 4ti —5---, а точное зна- Т « ’"Т Р будет заключено в , т. е. ЧП ' 2tl -^2~<Т’П<—2------- • (6-10) Ла Л а Т “ Т _ t Имея в виду, что P(t) = е Г'«, с учетом (6.10) можно полу- чить доверительный интервал для вероятности безотказной ра- боты устройства в течение времени t: где ; т ЧП т _ ЧП '1~ 72 ’ '2— 2 Л а Л а V “Т Так как X = —, то нетрудно найти доверительный интервал I'm для интенсивности отказов: _L<x<_L. Л Л Аналогично находят двухсторонние доверительные интер- валы для других показателей надежности. На практике иногда достаточно знать лишь нижний предел одностороннего доверительного интервала. О.н находится из ус- ловий удовлетворения требования: вероятность того, что точное 4t* значение Тт -меньше —должна быть не больше заданной Ха вероятности а. Отсюда следуе! 9/х- (6.11) Ла Значения х« при известном п также берутся из таблиц (П.З). При расчете односторонних и двухсторонних доверительных интервалов находит применение несколько видоизмененный 120
сравнительно с рассмотренным способ. Представим неравенства (6.10), (6.11) в следующем виде: \n<Tm<Z2T*-, (6.12) Гт>80П, (6.13) а где Тт = — — среднестатистическое время безотказной рабо- п ты (оценка, полученная из опыта эксплуатации). Тогда . 2/г. 2п „ 2п °1 ~ ; °2 ~ ~у2 ! °0 — А а А а Ла Значения коэффициентов ны в таблицы П. 4. -82> °о Для различных п сведе- П ример 6.1. Суммарный налет самолетов авиационной части состав- ляет 5000 часов; за это полетное время произошло 14 отказов в системах ав- томатической выработки топлива на самолете. Оценить с достоверностью Р = = 0,9 доверительные границы для среднего времени безотказной работы этих систем. Имеем /J = 5000 час, п = 14, ~ = 0,05. По табл. П. 3 находим у2 =16 оз- Л-0,95 U|3’ й05=41>3- Таким образом, „ 2-5000 Г, =----------242 час-, 41,3 2-5000 с1. —---------= 614 час, 16,93 242 < Тт < 614. т. е. можно утверждать с доверительной вероятностью 0,9, что среднее время безотказной работы систем больше, чем 242 часа, но меньше, чем 614 часов. Аналогично можно определить односторонний доверительный интервал: , О7П -Г 2-5000 . А. = 3/,9; Тт >----------ss 264 час, лод . т 3? g т.-е. с достоверностью 0,9 величина Тт не меньше, чем 264 часа. Пример 6.2. В три авиационные части поступили в эксплуатацию са- молеты с новыми бортовыми ЭВМ. По опыту их применения получены сле- дующие статистические данные: Часть № Число отказов ЭВМ Наработка ЭВМ (в часах) 1 5 700 2 3 550 3 6 1000 Установить с доверительной вероятностью 0,9, соответствует ли факти- ческое среднее время безотказной работы ЭВМ оговоренному техническими условиями значению Тту = 100 часов. 121
. Имеем з tl = X tt = 700 + 550 + 1000 = 2250 час; i -1 71 = 5 + 3 + 6=14; а = 0,1. Среднестатистическое время безотказной работы 7^ = — = 160 час. п По таблице П. 4 По (6.13) односторонний доверительный интервал 7"И1< 0,75-160 = 120 час. Таким образом, Тт > 7'Гу и с вероятностью 0,9 можно утверждать, чт» надежность ЭВМ удовлетворяет заданным требованиям. Пример 6.3. Суммарный налет самолетов авиационного подразделения в течение некоторого времени составил 2000 часов. За это полетное время за- регистрировано 10 отказов астроориентаторов. Определить с Р = 0,9 двух- сторонний доверительный интервал для полетного времени к исходу кото- рого вероятность безотказной работы астроориентаторов была бы равна -Тзад (/„) = 0,95. По экспоненциальному закону распределения времени появления отказов Отсюда имеем Лад (*п) = е Т,п . 'Г m~, 1 In ------- Р зад Подставляя это соотношение в неравенство (6.10), получим 2/£ 1п —1 _________ a “2 2Й зад In—— р ___1 зад у2 >-Т (6.14) п = 10; Д = 31,4; 2 Произведя подстановку всех величин в Из условий задачи следует: По таблицам П. 3 находим: = 2000wzc; — = 0,05. 2 =1о-9- 2 (6.14), после вычислений получим 6,2 час < tn < 18 час, т. е. с вероятностью 0,9 к концу полетного времени от 6 до 18 часов астро- ориентаторы будут работать безотказно с вероятностью 0,95. 122
Выше был рассмотрен случай, когда поток отказов является простейшим пуассоновским потоком. При этом предполагалось,, что в эксплуатации находится достаточно большое число одно- типных устройств. В практике обработки статистических данных: важное значение имеет другой случай, когда на испытаниях или в эксплуатации имеется сравнительно небольшое число п одно- типных устройств (например, 5, 10, 15), а о вероятности их без- отказной работы судят по статистической оценке — частоте- т событий безотказной работы р* = или частоте отказов. q* — 1 — р*, где п—т —- число отказавших устройств. Оценка р* является состоятельной, а также несмещенной,, так как математическое ожидание М(р*) равно р. Дисперсия величины р* равна: Д(^*) = ££; q^-\~p. П Можно показать, что эта дисперсия является минимально- возможной, т. е. оценку р* для р следует считать эффективной.. Очевидно, что в рассматриваемом случае, когда число уст- ройств 11 в опыте ограничено, закон распределения оценки — ча- стоты р* — отвечает биномиальному распределению: вероят- ность того, что ровно т устройств из п будут работать безот- казно, Рп, п = С„рт qn~m. (6.15)- Между тем р* есть не что иное, как отношение числа безот- казно проработавших устройств к числу поступивших в эксплуа- тацию. Исходя из биномиального распределения оценки р*, будем: искать доверительные интервалы для точного, но неизвестного- значения вероятности безотказной работы устройства р. Пусть установлено из опыта, что за время t работало безот- казно k из п устройств, а п—k — отказало. Тогда точечная: k оценка р'- = — . Найдем такое значение вероятности безотказной работы уст- ройства pz, при котором вероятность безотказной работы k и Me- tz , е. с вероятностью — оценки р* не превышали бы — ). Такое значение рг с учетом. (6.15) может быть найдено из следующего уравнения: k S с“рГ(1-р2Ги = ^-. (б.1б> т-0 128: нее устройств из п равнялась бы — (т
Найдем далее такое значение вероятности безотказной рабо- ты устройства pi, при котором'вероятность безотказной работы k и более устройств из п также равнялась бы — : S С?/>Г(1-ЙГ = 1. (6.17) m-k 2 Нетрудно видеть, что рг и р{ есть доверительные границы для р, так как с вероятностью $ =1—а при pi<Cp<ZP2 статисти- ческая частота событий безотказной работы по опытным данным 'будет укладываться'в тот же интервал /р (рр, р2). Таким образом, Pl<P < Рг ’ тдр pi и рг есть решения уравнений (6.16), (6.17). В табл. 6.1 приводятся значения доверительных границ рх и ,р2 Для различных п при р — 0,9. Таблица 6.1 Р* п = 5 п= 10 11 — 15 п = 25 Pi Рг Pi Рг Pi Рг Р1 Рг 0,8 0,43 0,97 0,56 0,96 0,61 0,93 0,67 0,90 0,9 0,54 0,99 0,68 0,99 0,72 0,98 0,78 0,97 1,0 0,69 1,00 0,83 1,00 0,89 1,00 0,93 1,00 Пример 6.4. На испытания в течение 500 часов были поставлены 10 ге- нераторов переменного тока новой конструкции. В процессе испытаний отка- зал один генератор. Найти при ₽ = 0,9 доверительные границы для вероят- ности безотказной работы в течение 500 часов и интенсивности отказов гене- ратора. Из опыта р* — 0,9, п = 10; по табл. 6.1 находим pi = 0,68, р-2 = 0,99. Значит, 0,68<д<0,99. Так как то с доверительной вероятностью 0,9 интенсивность отказов будет заключена ж пределах 0,2 10 -* < X < 7,8 -10~4. 124
§ 6.3. ОЦЕНКА ДОВЕРИТЕЛЬНЫХ ИНТЕРВАЛОВ ПО СТАТИСТИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ВОССТАНАВ Л И ВАЕМОСТИ Оценка среднего времени восстановления. Плотность распре- деления времени восстановления неисправных технических устройств, как уже было показано раньше (§ 2.2), подчиняется, закону Эрланга. Учитывая, что среднее статистическое время восстановления t N /рем ~ (6.18> формулу (2.73) можно /(7'Р*ем)=^- * рем представить в следующем *виде: 1 ( 2пТ*м \2«-1 - ------ ----— е (2« —1)!\ Треи I 2пТ « рем Т рем (6.19). Применяя вывод, аналогичный рассмотренному в § 6.2, получим,, что доверительный интервал для оценки Тр(;ы выразится нера- венством N 4t N ремЗ рем 2 у2 ‘ рем <- Ла Л а Т ~ Т (6.20> Подобно (6.21), доверительные интервалы для среднего вре- мени 'восстановления могут быть выражены неравенством: 11 /рем <7 * рем Тг 'рем > (6.21> где '11 = 72— И Т2 = Л а V 4п X2 1 - - (6.22)- Пользуясь табличными данными хг, имеем возможность рас- считать значения у и представить их ,в виде графиков зависимо- сти от величины п и достоверности а. Доверительные интервалы для коэффициента готовности. Го- товность авиационной техники в значительной степени зависит от ее надежности и восстанавливаемости и это свойство опре- деляется коэффициентом готовности Т Кт =----------- Т Т 1 т> 1 рем Оценка величины коэффициента готовности авиационной тех- ники, находящейся в эксплуатации, на основании статистиче- ских данных производится путем предварительного определения 125
'средней статистической величины коэффициента готовности /<г* как исходной величины для вычисления двух доверительных гра- ниц и Кг для искомой величины фактической готовности: К* = ----T,il , (6.24) Т* I т* 4 ' 1 т * рем где предполагается, что Тт и Т$еа уже известны. Задаваясь .величиной вероятности Р того, что искомая вели- чина фактической готовности попадает в некоторый интервал ют К* — е до К* + е, где е — величина, характеризующая рассеяние Кг, можно записать Р (Кг* -в<КГ< КГ* + е) = р. (6.25) Величина е характеризует точность оценки, а величина Р — достоверность того, что КГ попадает в границы интервала Кт* - е и Кт* + е. Распределение оценки средних значений случайных величин независимо от характера их распределения подчиняется нор- мальному закону, и <в этом случае вероятность попадания иско- мой величины Кг в интервал с радиусом е с центром в точке КГ* выражается формулой Р (К* - е < Кг< К*+е) = & е (6.26) е g — функция Лапласа величины -----— ; <W=) где Ф 1°(/Сг*) J ° (К*) — стандартное отклонение величины К*. Корнем уравнения (6.27) является число е (6.28) Зная z и <з(Кг*), можно определить величину е: е = за (/</), (6.29) удовлетворяющую выражению (6.26). Табулированная величина z = /(₽) представлена в табл. 6.2 Таблица 6.2 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 Z 1,150 1,284 1,440 1,645 1,960 2,054 2,170 2,326 2,576 126
Величина <з(АГг*) вычисляется по формуле стандартного от- клонения для произвольной функции /дК*\2 / дК* V °2 =& °2 (°2 (6-30) \дТт/ \О1реы / Учитывая равенство (6.23), подставляем его значение в 1(6.30), которое затем дифференцируем, тогда J'*2 У’»2 °W)= V а2(Г?“’)- <6-31 > V ш “Г L рем; V1 ш -г * рем/ откуда 0(кр.) = /<г»2й11/ + ^И=>. (6.32) j m ' i in * рем Стандартные отклонения а (Тт ) и а (Трем) находятся, исхо- дя из следующих соображений. Пусть имеется п независимых случайных величин времени появления отказов t\, 12,..., 7„.Их среднее статистическое значе- ние г*=—(Л+ ^2+ ... + /„)• п Из теории вероятностей известно, что математическое ожида- ние суммы случайных величин равно сумме математических ожиданий, а так как в данном случае 7И(^)==Л1(^2) = ... = 7И(/„)==Л4(/), (6.33) то Л4(П)=~(6.34) и Аналогично получим °2(П) = 4о2(^ + 4°г^- Так как а2(Л) = </%) = ...-о2 то а2(^) = 4-Л<,2(0 = /г2 Или о(Г )==-1^ V и 4-...+-1о2(/я). (6.35) п2 (6.36) = . (6.37) п L- , (6.38) 127
аналогично находим (6.39) Можно показать, что а(/) = Тт, а 3(^ = 2ф-, (6.40) и,следовательно, ,(П)-^иМ7'И = ^. (6.41) Подставляя эти значения в (6.32), получим — + — = \ — (6.42) п 2п V 2п г ? Пример 6.9. На основании статистических данных, полученных для п = 10 отказов авиационной техники, произвести с достоверностью 90% эксплуатационную оценку величины коэффициента готовности, если известно, что среднестатистическое время между отказами Г* = 100 час, а средне- статистическое время восстановления неисправной авиационной техники Трем = К) ЧИС. Среднестатистическое значение коэффициента готовности /<* =-------192----==0,91. 100 4- 10 Критериальный коэффициент для [1 = 0,9 (см. табл. 6.2), г = 1,645 О (Мг*) « 1/ — 0,912 — = 0,034. V 2-10 100 Находим доверительные границы: М) = 0,91 —0,034-1,645 = 0,854. М2 = 0,91 + 0,034-1,645 = 0,966. Следовательно, можно утверждать с вероятностью 0,9, что коэффициент готовности авиационной техники больше, чем 0,854, и меньше 0,966.
Глава VII ' ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ АВИАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ § 7.1. МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПО ДАННЫМ ПЕРИОДИЧЕСКОГО контроля ОБОРУДОВАНИЯ .Техническое прогнозирование основывается на предсказании состояния авиационного оборудования на последующий период эксплуатации по статистическим данным и результатам контро- ля его технического состояния за прошедший период эксплуата- ции. Для практических целей наибольшее значение имеет прог- нозирование отказов, позволяющее проводить заблаговременные ремонтно-профилактические работы и замену тех устройств, ко- торые по прогнозу могут отказать в полете. В настоящее время методика прогнозирования разрабаты- вается главным образом применительно к постепенным отказам. Однако между постепенными и внезапными отказами нет глубо- кой границы. Всякому скачкообразному изменению состояния физической системы |(внезапный отказ) предшествует накопле- ние постепенных изменений. С расширением области контроля состояния число так называемых внезапных отказов будет сокра- щаться, а сфера применения методов прогнозирования — рас- ширяться. • Из опыта эксплуатации известно, что для многих элементов и агрегатов авиационного оборудования основную часть состав- ляют постепенные отказы, обусловленные старением и износом и выражающиеся в постепенном изменении и выходе определяю- щих параметров за допустимые пределы. Так, например, интен- сивность постепенных отказов полупроводниковых и электрова- куумных приборов (прошедших предварительную тренировку) в 2—4 раза превышает интенсивность внезапных отказов. Для электродвигателей постепенные отказы составляют 40—6О°/о от всех отказов.' Примерно такие же соотношения имеют место для механических конструкций. Математические основы прогнозирования включают в себя аппарат численного анализа (теория экстраполяции, а. также применяемые при обработке экспериментальных данных способы наименьших квадратов, приближения функций многочленами, 9. Румянцев Е. А. и др.
рядами и др.) и аппарат теории случайных функций. Примене- ние тех или иных математических методов определяется имею- щимися априорными и экспериментальными сведениями о про- цессах изменения состояния прогнозируемого объекта. При ис- пользовании данных периодического контроля технического со- стояния оборудования расчеты по прогнозированию могут вы- полняться вручную или с применением вычислителей автомати- ческих систем контроля. Задача прогнозирования формулируется следующим образом. Пусть контролируемый параметр объекта представляет собой функцию x(t), которая в течение периода Т\ эксплуатации при- нимала в моменты контроля to', t\, • ., ta значения: x(to); x{ti), Необходимо по известным значениям x(tn); x(n^)... . .. x(t0) функции x(i) в моменты времени tn—i\ ... t0 в прош- лом (ta-k € Л, k = 0,1,..., п) предсказать значения %(£«+m), tn = 1, 2,... для моментов времени tn + i, t,l + 2 . . . tn + т в будущем,причем tnJs.m^T2 (рис. 7.1). Если Д7' — временной Рис. 7.1. к постановке задачи прогнозиро- вания при монотонном изменении опреде- ляющего параметра шаг контроля, то т^Т=Тпр — период прогноза. x(t) назы- вают прогнозируемым параметром. В общем случае для слож- ных блоков и систем он является, как правило, обобщающим параметром x(f) = f(a; b; с;..., t), где а; b; с;.... — парамет- ры входящих в систему элементов и блоков. Практика показывает, что для некоторых технических, уст- ройств изменение параметров их состояния во времени имеет монотонный характер, а прогнозируемая функция не имеет экст- ремумов (например, коэффициент усиления магнитных усили- телей с внешней обратной связью по току, полупроводниковых и ламповых усилительных схем). Для прогнозирования в этих случаях удобно применять методы численного анализа. Одним из них является метод, основанный на использовании интерпо- ляционных полиномов для решения задач экстраполяции. 130
Как известно, задача интерполирования заключается в на- хождении значений функции x(t) для промежуточных значений аргумента tt < t < /z+1, где 4 = 0, 1, 2,..., п — дискретные значения аргумента, при которых функция x(t) известна. При этом оперируют вместо функции х(1) некоторой функцией F(i), которая в заданных точках to', , t„ принимает значения x(t0); x(ti);х (i„), т. е. F(tt) = x(ti)', 4 = 0; 1; ... /г. (7.1) Интерполирующая функция F(t) обычно отыскивается в виде алгебраического полинома. Задача экстраполирования формулируется так: пр данным значениям x(t0); x(/i);..., x(tn) найти многочлен F(t) степе- ни п, удовлетворяющий как условиям (7.1), таки следующим условиям: х (^л+1) F (^л+1) < I si 15 х(^я+г) F (^п+г) < I е21! (7.2) где ех; е2; ... гт — заданные величины, a x(tn+m) — искомые (прогнозируемые) значения функции x(t). В этом случае поли- ном называют экстраполяционным. Его и применяют для прогно- зирования. В качестве F(t) могут быть использованы полиномы, рассчи- танные по интерполяционной формуле Лагранжа F(t) = ху ) + (*-W-A) •• • + (^1 ^о) (^1 ^2) • • • (Л ?п) I *0) ^1) • • • ^л-1) х \ (7,3) Легко проверить, что при любых дискретных t < tn значения F(t) их(/) совпадают. Применительно к задаче прогнозирования формула (7.3) при- нимает вид: п\ п П' + (7.4) •9* 131
Lt = (— I)"-1----------Ц------- Cln — коэффициенты Лагран- (тфп- i)ti\ жа, не зависящие от зна- чения функций x(i); Ш п+т-------п — количество шагов прогно- зирования (тДТ — пери- од прогноза); п -ф 1 — число точек (контроля функции x(t), равное чи- слу известных значений этой функции. Коэффициенты Лагранжа рассчитываются и сводятся в таб- лицы [28]. При п = 3 и различных т коэффициенты Lt имеют значения, приведенные в табл. 7.1. Т а б л и ц а 7.1 Li 1 2 3 4 5 io —1 —4 —10 —20 —35 71 4 15 36 70 120 Ла —6 —20 —45 —84 —140 7з 4 10 20 35 56 Таким образом, прогнозируемая, например, на два шага по четырем проконтролированным ранее 'значениям параметра x(t) величина параметра будетравна: Л(^з + 2ДТ) = —4х(^0)+ 15х(^) - 20х(/2)+ 10x(/s). В качестве F(f) .могут 'быть использованы также полиномы,, определяемые по так называемой второй интерполяционной фор- муле Ньютона Д2 г F (t) = Хп + М-1 (t - t„) + (t - t„) (t - tn^ ф . . . Д/i v* (^- Ф)> (7.5> n\ где д*„-1 К-2 *n - -v-i; д2 ^-2 = 1 - д*„-2; 1 Хп—2> Д2-’Сл-3 = ^хп—2 ^Хн—З’ Дх0 — %! — л0; Д2 хй = Д%! — Дх0; Д* = Д*-1 — А*'1 ; 132
причем значения t берутся >в прогнозируемой области. Имея в виду, что ==т— .число шагов прогнозирова- ния, можно (7.5) преобразовать ic другому виду: „... , . . т(т + 1) .. = + ---------- Д’л„_2 + ... и свести значения коэффициентов Л/) при ^хп_^ № хп_2... в таблицы. При п = 3 и различных т они имеют следующие зна- чения (табл. 7.2): Таблица 7.2 х. т м\ ! 2 3 4 5 Ni 1 2 3 4 5 № 1 3 6 10 15 № 1 4 10 20 35 Тогда, например, при т = 3 прогнозируемое значение парамет- ра будет равно: F (/3 + 3 АТ) = хп +- 3 Ьхп_х + 6 Д2х„_2 + 10 Д3 . Существуют способы оценки точности прогнозирования по ос- таточным членам формул Лагранжа и Ньютона. Практика при- менения соотношений вида (7.3), (7.5) для целей прогнозирова- ния показывает, что ошибки не превышают 10—ISVo, если число шагов прогнозирования невелико |(один — три), а число преды- дущих точек контроля достаточно велико. Для прогнозирования могут использоваться также экстра- поляционные многочлены, вычисленные по .методу наименьших -квадратов, разложения функции x(f) в ряды, а также эмпириче- ские формулы. Если по результатам прогноза на заданный период ожидает- ся выход параметра за предельно допустимое значение (см. рис. 7.1), то принимается решение о снятии технического устройства с эксплуатации и замене его. В большинстве, сложных систем авиационного оборудования определяющие параметры зависят от многочисленных связей между отдельными элементами и параметрами их состояния, ко- торые являются случайными. Влияние большого количества эле- ментов на состояние системы приводит к тому, что прогнозируе- мый параметр х(£) приближается к случайному процессу с ма- лым временем корреляции. Тогда значения параметра в каждый 133
момент контроля to; tt; tz;... , t,t бу рут: случайными величинами. Как правило, изменение параметра x(t) для сложных уст- ройств представляет собой стационарный случайный процесс или процесс, приводимый к стационарному х (0 = Xi(t) + %2(О, где Xi(t) — Стационарная случайная, а Хг(0 — неслучайная функция времени. Задача прогнозирования в этих случаях решается методами линейной экстраполяции случайной функции с использованием корреляционного анализа, причем статистические характеристи- ки x(t') вычисляются по данным контроля. Математически за- дача формулируется так: по известным дискретным значениям случайной функции л(£,;_й), k = 0, 1, 2,.. ., п—1, tn_t £ Тг не- обходимо предсказать (экстраполировать) значения этой функ- ции л(/„+,„), tn = 1, 2,... tn+m^T2 для последующего интерва- ла времени. При линейной экстраполяции . прогнозирующая функция F U„+m) образуется как линейная комбинация настоя- щего и прошлого значений случайных величин х ”s akx(tn_k). (7.6) k = 0 Чтобы обеспечить наименьшие погрешности прогнозирования, на (7.6) накладывается условие минимума среднего квадрата ошибки М ( | х - "е ak X (tn_k) |2 | = a2m . (7.7) I A’=o J Здесь x (tn+n^ — действительное, a F — прогнозируемое на tn шагов значение функции x(t) в будущий момент време- ни tn+m • Средний квадрат ошибки экстраполяции а2т легко выра- жается через корреляционную функцию /?Л. (т) процесса x(t). Действительно, выполнив в (7.7) операции возведения в квадрат модуля разности и определения математического ожидания, по- лучим (°) “ 2 S ак Rx [(А + от) Д7'] + + "£ (7.8) s-о ото где, как и ранее, ДГ — шаг прогнозирования по времени U„+m= = tH + in^T; t„.k=tn-k^T). 134
Значения коэффициентов ац, а2;..., ап, при которых средний квадрат ошибки будет наименьшим [т. е. условие (7.7) будет соблюдаться], находятся из системы уравнений да2 «-1 ^=-/?х[(й + т)ДТ]+ S а;/?Л.[(й-/)ДГ] = 0. (7.9) к 1=0 Из (7.9) следует ak Rx [k + т) AT] = ak atRx [(A - /) ДГ]. й=0 й=0 l—о Теперь (7.8) можно записать в другом виде: л —1 4^ а, ... ап^ = Rx(0) - £ akRx\(k + m) ДТ]. (7.10) k=0 Если «о; «i; есть решение системы уравнений (7.9), то экстраполяционная формула (7.6), позволяющая прогнозиро- вать значения параметра, примет следующий вид: F (^п+т) ~ -«прогн (Jn+tn) = X (tn) -|- X (/zl_j) "Т Tl—j X (^j)- (7.H) При этом обеспечивается минимум среднего квадрата ошибки прогнозирования, а сама ошибка при необходимости может быть подсчитана по (7.10). Если случайный процесс изменения параметра x(t) имеет корреляционную функцию экспоненциального вида R_r(vAT) = e-“l’*r|; v = 0, 1, 2... то, проведя соответствующие выкладки по формулам (7.9), (7.10), получим следующее выражение для среднего квадрата ошибки прогнозирования на т шагов: oL = 7?^(0)(l ~е-2а,пЛГ). (7.12) Соответственно прогнозируемое значение параметра в момент 4+« будет равно: -«проги= (^“7"Р > (а0 = е-к7пр; =а2= .. . = ап_} — 0); при наличии неслучайной составляющей xz(t) «прогн ~ [«1 ’ -«2 е пр + (^„) , где Тпр = тАТ — время прогноза. Отсюда -следует, что для прогнозирования значения стацио- нарной случайной функции с экспоненциальной корреляционной функцией достаточно знать одно значение этой функции в по- следний момент контроля 135
Если по условиям эксплуатации технического устройства за- дается допустимое значение ошибки прогноза а2доп, то пр (7.12), •принимая с?хп = доп, можно определить период прогноза Т 1 пр 2а (7.13) и потребную периодичность (шаг) контроля / о2 In 1--^°2. ДГ =--Ц—— 2ат (7.14) где дисперсия ал2 = Rx (0) > а2 доп; Определив время корреляции т0 из условия ЯЛ.(0)е-иЫ=0,057?Л.(0)> получим / а2 1 _ I , л- доп "olnll---- Д7’=------_________ 2m In 0,05 / а2 111 Х дс T°lnV 77 7,,р= 2 In 0,05 (7.15) Таким образом, как период прогноза, так и шаг контроля пара- метра при заданной достоверности прогноза полностью опреде- ляются временем корреляции т0 случайного процесса измене- ния параметра. Шаг контроля должен быть тем меньше, чем меньше время корреляции, то же относится и к периоду прогно- за. Из (7.12) следует, что ошибка прогнозирования снижается с уменьшением периода прогноза. Высказанные в связи с формулами (7.13)—.(7.15) соображе- ния важны потому, что на практике далеко не всегда бывают из- вестны корреляционные функции Rx (т). Их обычно получают путем обработки данных контроля по приближенной формуле S х(^)х^1+чу, v = 0, 1, 2... (7.16) ;=1 Очевидно, что чем больше точек контроля, тем точнее будет определена Rx(t). При этом особое значение имеет правильный выбор шага Д7’ (7.15). От неточного знания корреляционной функции ошибки прогнозирования возрастают. Рассчитанный по (7.16) график Rx(y) обычно аппроксими- руется некоторой аналитической функцией. При этом, помимо 136
экспоненциальных, иногда используют корреляционные функции экспоненциально-колебательного вида: /?Л. (т) =/? (0) е~аГ| cos шт или в дискретной форме /?x(vA7’) = /?(0)e 2 — cos —v АГ, (7.17) а где (а = — подбирается при аппроксимации. ш При корреляционной функции вида (7.17) по изложенной вы- ше методике можно получить следующее выражение для прог- нозирующей функции: ^прогн (^л+/л) = -^2 (^л+m^ “1" [^1 (^л) -^2 (^л)1 4” + «2 кЛ^л-1)— -М*л-1)] + • • • +«л[х1(Л)-^г(г£1)]. Значения коэффициентов ас, ас, .. для шага контроля АГ = = 0,2 т0 сведены в табл. 7.3. Таблица 7.3 \aJ а1 г?2 а3 аб "о а7 0,1 0,94 —0,08 —0,063 —0,049 —0,039 —0,030 —0,024 0,2 0,85 —0,10 —0,078 -0,061 —0,048 —0,037 —0,029 0,4 0,83 -0,13 —0,098 —0,075 —0,057 —0,043 —0,032 0,8 0,73 —0,12 —0,080 —0,054 —0,036 —0,024 —0,016 1,0 0,71 —0,06 —0,039 —0,024 —0,015 —0,009 —0,006 Коэффициенты по абсолютной величине быстро убывают, и в практических расчетах прогнозируемых значений параметра ока- зывается достаточно двух-трех последних замеров. Графики ошибок 'прогнозирования приведены на рис. 7.2. Прогнозирование на большое число шагов целесообразно для 137
процессов с малыми р. При больших р-> 1 и малом шаге конт- роля ДТ можно добиться приемлемой ошибки при прогнозиро- вании на один шаг. Рис. 7.2. Зависимость относи- тельной ошибки прогнозирова- ния от периода прогноза и па- раметра р. § 7.2. СТАТИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ Эти методы охватывают задачи прогнозирования времени комплектной замены элементов или агрегатов одного типа, ра- ботающих в ‘примерно одинаковых условиях, и связаны, таким образом, с прогнозированием срока службы этих'элементов и агрегатов. Методы основываются на вычислении статистических характеристик надежности. Для периода нормальной эксплуатации интенсивность отка- зов Х2 — величина постоянная, для периода старения и износа интенсивность отказов можно аппроксимировать линейной функ- цией хз = х2 + ^1): ^>^1. где 1\ —длительность периода нормальной эксплуатации. Тогда вероятность безотказной работы можно определить по соотношению - j a2+al)dt _lXs+T ) 'и A(0 = e 0 =Рве где — расход ресурса надежности в период нормаль- ной эксплуатации; ти = £ — t1 — длительность периода эксплуатации в процессе старения и износа. Если потребовать, чтобы ри не превосходила заданной веро- ятности безотказной работы p3W то из уравнения ра = /?зад мож- 138
но найти искомое выражение для момента .комплектной замены, элементов (агрегатов): X / X 2 9 ^сл = ^ + ’и; ----2-+]/ Л---------ОпРзад - 1ПРО). (7.18} а I а. а. Величины Х2 и а рассчитываются по статистическим данным в результате наблюдений за работой группы элементов в процес- се эксплуатации или статистических испытаний. Таким образом,, моменту замены должна предшествовать большая .работа по уче- ту и обработке материалов об отказах элементов. В практике технической эксплуатации авиационного обору- дования важной является задача прогнозирования в следующей постановке. По опыту эксплуатации многих технических уст- ройств одного типа известны статистические характеристики процесса изменения некоторого определяющего параметра x(t) во времени (с учетом старения и износа). Например, изменение- параметра представляет собой нестационарный случайный про- цесс л(/) = л0 + «^, (7.19) где Хо, « — независимые случайные величины, каждая из кото- рых подчиняется нормальному закону и имеет средние значения тх и та, дисперсии оЛ.2, аа2 соответственно. Известно далее предельно допустимое значение параметра Хд0П,при достижении которого техническое устройство непригодно' к дальнейшей эксплуатации. Устройство подвергается профилак- тическим работам, после проведения которых значения пара- метра x(t) становятся известными. Пусть в момент tk проведена профилактическая работа и параметр имеет значение X (tk). Тре- буется указать период Тпр до последующей профилактики, в те- чение которого с заданной достоверностью параметр x(t) не превзойдет Хдоп-Или в другой постановке: период между профи- лактическими работами установлен и равен Тпр, требуется ука‘ зать то значение x(tk) = хпр, при котором за время Тпр пара- метр x(t) с заданной достоверностью не превзойдет значенияхдоп. Таким образом, если х (^) < хпр , то Р (h + Т'пр) •^доп ] “° пр I где Д1р — достоверность прогноза, т. е. вероятность того, что- устройство, признанное исправным в данный момент времени, не выйдет из строя до 'очередной профилактики. Имея в виду, что (7.19) представляет собой так называемую веерную функцию, для плотности вероятности /пр будем иметь. ;пр)= где Длг = хдоп — хпр. (Здесь х заменено на Л'доп, тх на хпр, а- рассеяние Хо не учитывается, т. е. аЛ.2 = 0). 139»
Достоверность прогноза в течение заданного периода Твр оп- ределится из выражения Рпр = Ax 2а3 f а пр ^пр • После подстановки зования получим 1 ' Pnp=^- ® 1 ——-------е J v 2w /пр Др Дх--та/пр и =------;---, интегрирования и преобра- ^пр Ах - та Тп \ /та ------т---L +ф — °а * пр / \°а Обозначив /?*р = Рпр---® 2 Хдоп ' ХПр Т = ' доп —„ 2/??р <за + Ш, (7.20) Таким образом, если заданы достоверность прогноза рпр и период между профилактиками Т„р, то можно указать уровень прогноза хпр. Если во время профилактики окажется, что х (/fe) > > хпр, то техническое устройство снимается с эксплуатации. Достоинством такого метода прогнозирования является воз- можность достижения высокой достоверности прогноза без зна- чительного сокращения срока службы технического устройства. Если выбрано х„р, то можно по (7.20) назначить период между профилактиками Тпр. При этом, однако, нужно иметь в виду, что, стремясь в интересах снижения трудозатрат увеличивать Твр, еледует по (7.20) увеличивать уровень хпр, а это е учетом (7.19) приводит в свою очередь ,к назначению меньшего срока службы технического устройства, т. е. к более частой комплектной за- мене технических устройств. По экономическим соображениям это может оказаться неприемлемым. § 7.3. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ Усложнение авиационного оборудования, а следовательно, и увеличение количества применяемых в нем элементов исключа- ют возможность индивидуального прогнозирования каждого эле- мента оборудования. Для прогнозирования назначается мини- мум наиболее ‘ответственных элементов, агрегатов или систем с наибольшей эффективностью прогнозирования п смысле повы- шения боеготовности, снижения количества отказов в воздухе и -повышения безопасности полетов. 140
Для оценки эффективности прогнозирования определенной группы технических устройств используется коэффициент повы- шения готовности авиационного оборудования Кт пр Ап Г- > т где Кг Пр ==--5—— .коэффициент готовности с прогнозирова- ли + Твп нием отказов; Т Кт —----------коэффициент готовности без прогнози- т+тв рования отказов; Т; Тп — средняя наработка на один отказ обору- дования соответственно без .прогнозиро- вания и с прогнозированием отказов; Гв; Т'вп — среднее время восстановления .оборудо- вания без прогнозирования и с прогно- зированием отказов. Пусть оборудование состоит из М групп технических уст- ройств по М; К2;..., устройств в каждой группе, причем К групп (W,; N2;.., Nk) из М прогнозируются по постепенным отказам. Общее число технических устройств равно: N = N[ -|- -j- Ni Л//г 4- .. + К • Средняя наработка на один отказ по всем М группам без; прогнозирования найдется из выражения (7.21 > где tLj — наработка на отказ j-того технического устройства- L-той группы; nL— общее количество отказов технических устройств; Л-той группы; 11 — общее количество отказов оборудования. Средняя наработка на один отказ с прогнозированием К групп технических устройств определяется следующим соотно- шением: п 1 Г «а "к ПМ — 2 hi + X + • + X hj + • • + X + n b-i /=i j-i ni* n* nk H- Pnp 1 X ^в1/ "Ф Pnp 2 X “(••• H- Рпр к X ^Bkf I • (7.22)' где Pnp — достоверность прогноза; n* — число постепенных отказов в s-ой группе из К про- гнозируемых; fBSj —время восстановления. 141
'С учетом (7.1) преобразуем (7.22) к другому виду: Л,= Т+ ^'>sqspnps TBS, Л' = 1 где ^ = — — удельный вес отказов за счет элементов s-ой п прогнозируемой группы; fl * qs = —~ — отношение постепенных отказов к их общему пз количеству в данной группе; п* $ X sj TBs=}—±~*— — среднее время восстановления технических уст- ns ройств с постепенными отказами s-ой группы. Приняв обозначение Д Тв s — '>s Тв s — Твs, будем иметь к ТВ^Т+ s qspnPs^TBs. (7.23) s=l 'Соответственно среднее время простоя оборудования при прогно- зировании К. групп будет равно: ТВВ=ТВ-^ qspBfs^TBs. (7.24) .S-1 Таким образом, коэффициент повышения готовности составит величину, равную к S QsPn^s Д^В Тп(Т + 7(ТП + При выводе этого соотношения предполагалось, что время на замену технического устройства, признанного по прогнозу непри- годным, мало и принималось t3 = 0. Если считать, что t.t =/-(), то (7.25) преобразуется к виду S QsPnp S (Д^в л Д Та Л.) Km = 1 + —----------------------------. (7.26) Из анализа (7.25), (7.26) следует, что прогнозирование позволя- ет существенно повысить 'коэффициент готовности оборудования, причем прогнозирование особенно эффективно для тех групп тех- нических устройств, которые имеют относительно высокий про- 142
цент постепенных отказов, а доля среднего времени их восста- новления ДГВЛ. достаточно велика. Решение задач прогнозирования, отличающихся известной сложностью обработки данных периодического контроля и ста- тистических данных по опыту эксплуатации, требует широкого применения систем автоматического контроля и бортовых систем регистрации полетных данных с соответствующей аппаратурой обработки информации, реализующей вычислительные алгорит- мы прогнозирования.
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ АВИАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ Глава VIII ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ § 8.1. ОБОРУДОВАНИЕ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА КАК ОБЪЕКТ КОНТРОЛЯ Техническая диагностика — это научная дисциплина, иссле- дующая формы проявления отказов в технических устройствах, разрабатывающая методы их обнаружения и принципы кон- струирования диагностических систем. Особое значение техническая диагностика приобретает в свя- зи с разработкой систем автоматического контроля, являясь тео- ретическим фундаментом, на основе которого могут быть созда- ны оптимальные системы контроля, в наибольшей степени отве- чающие требованиям эксплуатации. Предметом исследования технической диагностики являются технические устройства — объекты контроля. Объектом контроля будем называть техническое устройство (систему), информацию о состоянии которого необходимо иметь в процессе эксплуатации. Система в общем случае рассматривается состоящей из от-< дельных частей — элементов, соединенных между собой опреде- ленным образом. Под словом «элемент», как и в теории надеж- ности, подразумевается не только неразложимая часть системы, но и любое устройство, надежность которого изучается незави- симо от надежности составляющих его частей. Качества элемента характеризуются параметрами элементов т. е. реакциями их на определенные входные сигналы. В простейших системах элементами могут являться детали (лампы, конденсаторы, реле). В более сложных — узлы и блоки /электронные усилители, синхронные детекторы, гироскопы и т. п.). Если анализируется сложный комплекс систем, то за эле- менты принимают отдельные системы. * I — параметр, j — элемент. 144
В совокупности одинаковых систем значения параметров оди- наковых элементов каждой данной системы всегда несколько отличаются от заранее предопределенных эталонных (номиналь- ных) величин вследствие допусков производства, старения и из- носа, неоднородности изменения их при воздействии внешних факторов и т. п. Следовательно, параметры элементов системы являются слу- чайными величинами, если рассматривать весь класс этих си- стем. При анализе свойств объекта контроля возможны два под- хода к оценке значений параметров элементов {оу7}: 1. Учитываются только дискретные значения параметра aJh что соответствует учету только так называемых внезапных отка- зов элементов. При этом, как правило, рассматриваются два значения пара- метра, соответствующие двум состояниям элемента: значение •параметра a}i, когда оно находится в допуске, т. е. работоспособ- ное состояние 'элемента (это значение мы обозначаем «,-<), и значение параметра а}4, когда оно находится вне поля допуска (его мы обозначаем а;(), соответствующее неисправному состоя- нию элемента. Когда внезапные отказы могут проявляться как в виде ко- роткого замыкания, так и в виде обрыва цепи, следует учитывать три возможных значения ау7 а,2, aj3. В общем случае число возможных дискретных значений па- раметра dji может быть сколь угодно велико, но счетно. 2. Учитывается непрерывность изменения параметра что соответствует учету как внезапных, так и постепенных отказов. При этом число возможных состояний элемента бесконечно ве- лико. Система состоит, как было уже указано, из отдельных эле- ментов, и, следовательно, в каждый данный момент времени со- стояние системы С определяется значениями ряда независимых величин — параметрами элементов {«,,}: С=Ж)]- (8.1) Если параметры элементов могут принимать лишь некоторое число дискретных значений, то число N возможных состояний системы, состоящей из п элементов, не может превысить п где kji — число дискретных значений- параметра /-того элемента,- Если параметры элементов изменяются непрерывно, то чис- ло возможных состояний системы будет бесконечно велико. 10. Румянцев Е. А. и др. 145
Таким образом, в обоих случаях можно говорить о множест- ве* {С} состояний объекта. В первом случае множество состояний конечное, во втором — бесконечное. Ограничимся рассмотрением объектов, число сог стояний которого конечно. Методы технической диагностики для объектов, число состояний которых бесконечно, в настоящее вре- мя еще находятся в стадии разработки. Любое техническое устройство предназначено для выполне- ния определенных функций и характеризуется определенными качествами. В соответствии со значениями мер качеств {yt} все возможные состояния технических устройств разделяют на три группы: 1, Исправные состояния. Состояния, при которых техническое устройство соответствует всем требованиям, установленным как в отношении его основных качеств, так и в отношении второсте- пенных, т. ,е. не влияющих на выполнение заданных функций. 2. Работоспособные состояния. Состояния технического уст- ройства, при которых оно в данный момент времени соответст- вует всем требованиям, установленным в отношении его основ- ных качеств. 3. Неисправные состояния. Состояния технического устройст- ва, при которых оно в данный момент времени не соответствует хотя бы одному требованию, установленному в отношении его основных качеств, и, следовательно, не выполняет заданные функ- ции или одну из заданных функций. При рассмотрении задач технической диагностики в настоя- щее время вряд ли целесообразно ставить вопрос о необходимо- сти разграничения исправного состояния и работоспособного, ибо контроль качеств, не влияющих на выполнение заданных функций, сильно усложнил бы систему контроля. Таким образом, можно рассматривать лишь две группы со- стояний: группу работоспособных и группу неисправных состоя- ний, т. е. множество всех состояний данного технического уст- ройства можно разбить на два подмножества; подмножество состояний работоспособных Ср и подмножество состояний не- исправных Ср. При этом, очевидно, СрсС и Ср с: С. Постановка любых задач технической диагностики правомер- на лишь в том случае, если определено понятие состояний систе- мы и указаны признаки, их разграничивающие. * Под «множеством» понимается любое объединение в одно целое Af вполне различаемых объектов т из нашего восприятия или мысли (которые называются «элементами» Af). МС>
§ 8.2. ОПИСАНИЕ СОСТОЯНИЙ СИСТЕМ С ДИСКРЕТНОЙ СТРУКТУРОЙ А. Описание состояний объекта методами алгебры логики Достаточно общее описание состояний'системы с дискретной структурой может быть составлено на основе методов -математи- ческой логики: булевой алгебры или й-значной логики. Описание составляется из ряда элементарных высказываний, полагая при этом, что они удовлетворяют закону исключенного третьего и закону противоречия, т. е. каждое высказывание или истинно или ложно и не может быть одновременно и истинно и -ЛОЖНО'. В булевой алгебре всякое высказывание обозначается каким- либо символом. Содержание высказываний учитывается только при 'введении их буквенного обозначения и в дальнейшем в рас- смотрение принимается не содержание его, а только истинность или ложность, которые соответственно обозначают 1 или 0. Общее описание состояния системы, составленное из ряда элементарных высказываний на основе обычных операций алгеб- ры логики, называется формулой. Каждая формула определяет некоторую функцию, аргумен- тами которой являются переменные элементарные заключения: /[«в а2, ..., а„]. (8.2) Будем называть функцию (8.2) функцией состояния объек- та, а дь п2,.. -, ап — параметрами элементов объекта. Все -возможные состояния объекта с параметрами элементов <fli, а2, • • • , ап характеризуются функцией /(йц . .., ап], задан- ной или в канонической форме, или таблицей, а каждое возмож- ное Сг состояние характеризуется значением / [flj, .. . ап\ на t-том наборе . По способу соединения элементов системы разделяют на си- стемы с последовательным, в смысле надежности, соединением элементов '(отказ любого элемента приводит к отказу всей си- стемы), системы с параллельным соединением элементов (от- каз системы наступает тогда, когда отказывают все элементы, входящие в систему) и системы со смешанным соединением эле- ментов. При последовательном- соединении элементов работоспособ- ное состояние определяется функцией , (8.3) .а неисправные состояния — Ср = A ai = У (8.4) а о* 147
Число неисправных состояний равно: 2" — 1, работоспособ- ное состояние одно. При параллельном соединении элементов неисправное со- стояние Cp = /\az, (8.5)> а работоспособное — Ср = у0(. . (8.6> Число работоспособных состояний 2" —1, а неработоспособ- ное — одно. В случае смешанного соединения систему, состоящую из эле- ментов, можно разбить на ряд групп элементов. Для каждой группы элементов должно быть известно, приводит к отказу си- стемы отказ всех элементов этой группы иди нет. Группа эле- ментов, при отказе которой имеет место и отказ системы, назы- вается «группой отказа». «Группа отказа» является минимальной, если никакая ее подгруппа уже не является «группой отказа». (Минимальная группа может состоять и из одного элемента). Если Ai, А2,..., Ат — все минимальные «группы отказа»,, а Ак — событие, заключающееся в том, что группа Ak не отка- зала, то пг C^/\At. (8.7). Группы элементов Ak и At называются пересекающимися, если они имеют общие элементы. Так, если группа Ak включает элемент (04 С Ak} и группа At также включает этот элемент щ («1 € Аг), то Ak и At пересекаются (Ak П At). Так, например, если А{ = ar V а2 V я3 и А2 — aiV то- Ai и А2 пересекаются (/Ij Q A2j. Работоспособное состояние этих групп определяется выраже- нием Ср = Д Я2 = (о! V а2 V а3) Л (at V а^ — а^а,, \/ а3а^ Вместо вышеприведенных формул для изображения состоя- ний системы можно использовать таблицу состояний (8.1). Изо- бражение при этом получается нагляднее. Качество функционирования системы оценивается при задан- ных внешних и управляющих воздействиях некоторой заданной совокупностью критериев качества, которые принято называть, параметрами системы или признаками работоспособного состоя- ния — yi,...., ут. Для систем с дискретной структурой с независимыми (в. смысле отказов) элементами взаимосвязь параметров элементов 148
или параметров групп элементов, объединенных в «группы отка- за», с признаками работоспособного состояния задается также уравнениями алгебры логики. Таблица 8.1 Номера состояний 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 12 13 14 15 16 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 2 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 3 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 ct 4 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 <и 2 5 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 то ТО 9 1 1 1 1 1 0 . 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 К 7 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 8 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 Ss й 5 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 о 6 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 о 7 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 к 8 1 1 I 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 то S3 то 9 1 1. 1 1 1 0 1 0 0 г 0 1 1 0 0 1 к 10 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 11 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 12 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 13 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 14 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 Признаки состояния являются логическими функциями па- раметров элементов, т. е. Vi = >![«!, .... а„]; у2 = у2[а2, .... а„] ... (8.8) и т. д., которые также могут быть заданы либо формулами, либо табл. 8.1. 149
В общем случае, как это указано в табл. 8.2, следует разли- чать четыре варианта взаимосвязи признаков состояния с па- раметрами «групп отказа» или элементов. Таблица 8.2 Взаимосвязь групп эле- ментов (групп отказов) Взаимосвязь признаков работоспособности Вид взаимосвязи Непересекающиеся группы: Л], Ад, • . Ап (Hi = «ц A аЛд, Ад = «215 As — Язь A± = «41) Непересекающиеся признаки: У1. У 2, • ; Ут У1 = Ai, уд = Ад Л А3, Уз = А4 /\ А6 Пересекающиеся признаки: У1> Уз Ут У1 “ Лр у2 = /ЦаДзАЛц’) Уз = Лд Л Д4 ! Пересекающиеся группы: Al, Ад, .. ., An (Ai = «и Л «125 Л2 = «л Л «21> А3 = «315 = «31 Л Я41) Непересекающиеся признаки: У1. •. Ут У1 = At; уд = Ад Д Уз = Л4 Пересекающиеся признаки: У1, • • ; Ут У1 = Ay, Уд = Ai/\Ag/\Ag, Уз = Hi Л А3 При описании состояний системы методами математической логики не учитываются вероятности отказов как элементов си- стемы, так и «групп отказов». В таблице состояний на равных правах представлены как наиболее вероятные состояния системы, так и состояния, (В ко- торых практически система никогда не находится (состояния С большим числом отказавших элементов). Учет очень большого числа состояний затрудняет анализ обо- рудования жак объектов контроля и препятствует использованию результатов. : Вследствие этого практически обычно учитывают не все со- стояния, а лишь те, которые встречаются наиболее часто (с од- ним или двумя отказами). Б. Описание состояний объекта методами теории вероятностей Для того, чтобы дополнить таблицы состояний данными, ха- рактеризующими вероятности состояний Р (СД необходимо,, располагая значениями вероятностей (безотказной работы эле- ментов Pia-i), произвести расчеты по формулам, устанавливаю- щим соответствие логических операций с вычислением вероятно- стей событий. г 150
Если вероятности событий обозначить Р(А), Р(В) и т. д., то . Р[А УВ] = Р[Д] +Р[£]Д5]; Р [Л А 5] = Р [Л].р [5], или Р[А А 5] =-Р[ЛрР [£/Д], Р[Д] = 1—Р[Д]. (8.9) При этом основное допущение состоит в том, что двум экви- валентным заключениям приписывается одна и та же вероят- ность. Применяя правила (8.9), легко определить вероятности соот- ветствующих состояний, если известны р (ар. п Так, если С„= А сь, (=1 то Р(Ср) = гЬ(лг); Р(Ср) = 1 - flp(«J; 1 1 ' ’ ‘ п _ - если Ср=Да(, то Р(.Ср) = 1 — П [1 —(az)] ; Р (Ср) = П [1—/?(«,)]. Вероятность работоспособного состояния системы с Пересе* кающимися группами элементов определяется по формуле р [Ср-] == 1 - S P(Ak) + S Р MftA А) - V P(Ak/\ At/\ As) + ... k k<J k<l<s ... + (-l)mP(Z1A^2A...AAffl). В качестве объективной характеристики неопределенности со- стояния системы для наблюдателя до начала процесса контроля можно принять энтропию системы ^[C] = -S^(C/)10g2P(Cf), (8.10) (-0 где N — число возможных состояний системы. Если п Р[Ср]=П^Ы, /=1 ТО* • # [С] = - Е Р [Cz] log Р [CJ = - S Р («/) logр («,-) + 1 _ _ j + p(a])\ogp(aj). (8.11) Информацию о состоянии объекта получают в процессе конт- роля, проводя проверки объекта, т. е. осуществляя, как это было указано выше, измерения некоторых признаков состояния У\> уъ, * Основание логарифма в дальнейшем везде принимается равным 2. 151
Количество информации, которое содержит признак состоя- ния относительно одного состояния системы (частная инфор- мация о состоянии Ср, определяется выражением , Р^Ш Iyi^cj 1ое p[Cf] • Количество информации, которое содержит признак состоя- ния относительно множества состояний (частная информация о множестве состояний): Л_с = Я[С] -Я[СШ где//[С/_у;]— усредненное значение энтропии при условии опре- деления признака yt . Каждую проверку я;, т. е. процесс измерения каждого при- знака состояния _уг, можно характеризовать рядом показателей, к числу которых прежде всего относятся: — время, необходимое для осуществления измерения дан- ного признака с заданной точностью (это время включает как время, необходимое для возбуждения объекта до заданного ре- жима работы, так и время, необходимое собственно для самого измерения значения у,-); gi — дополнительный вес устанавливаемого на объект обо- рудования, необходимый для съема, преобразования и нормали- зации _у(-; S{ стоимость этого дополнительного оборудования. Все эти показатели по существу определяют «стоимость» по- лучения информации. К числу стоимостных показателей можно отнести и количество двоичных разрядов >в памяти машины, предназначенных для за- поминания значения признака, измеренного с заданной точностью mt = log где е% —допустимая ошибка измерений. Как правило, при разработке системы контроля учитывается лишь один из факторов, однако условно можно оценивать стои- мость получения информации о состоянии объекта при измере- нии yt и усредненной величиной стоимости: /. = а х. + b gt + dSi, где а, b и d — весовые коэффициенты, значения которых выби- раются в зависимости от того, какой из факторов играет боль- шую роль. 152
§ 8.3. КОНТРОЛЬ РАБОТОСПОСОБНОСТИ .Процесс контроля работоспособности имеет целью устано- вить, к какому нз подмножеств множества состояний С — под- множеству работоспособных состояний Ср или подмножеству неисправных состояний Ср — относится состояние Сг, в кото- ром находится данный объект. '' - Для этого необходимо произвести измерение ряда признаков состояния. Процесс контроля работоспособности продолжается либо до выявления первой неисправности, либо до тех пор, пока в системе не останется непроверенных элементов. Множество состояний {С} характеризуется множеством при- знаков {у} = Y. Назовем достаточным подмножеством признаков Yi такое подмножество Ki £ Y множества признаков, которое позволяет выявить наличие любого отказавшего элемента, т. е. подмноже- ство признаков является достаточным только в том случае, если после измерения всех признаков этого подмножества в системе не окажется непроверенных элементов. ‘ Таким образом, первой задачей синтеза алгоритма (програм- мы) контроля работоспособности является задача выделения из множества признаков достаточных подмножеств их. В силу того, что состояние, ,в котором находится данный конкретный объект, является событием случайным, то и результа- ты измерений признаков состояния имеют случайный характер. Это означает, что и число признаков, необходимых для отнесе- ния состояния данного объекта к подмножеству неисправных со- стояний, является также случайной величиной. .. Так как определение каждого признака yt связано с затра- той некоторого фиксированного времени то общие затраты времени, связанные с выявлением неисправного состояния, яв- ляются случайной величиной. Допустим, что значение признака t/i = О указывает на нали- чие неисправности. Тогда математическое ожидание времени, затрачиваемого на установление, к какому из подмножеств отно- сится данный объект, равно: T=M[t] = {p(p1 = 0)-t1+p(j/1=1, у2 = 0)(т1 + Т2) + ... • • • + (?1 — 1 > 3'2 — h • У П-1 ~ Ь Тп = 0) (Т1 + • • + тл)} + + Р(л = 1> •••>?„= Шэ + + (8.12) Сумма членов этого выражения, стоящая в фигурных скоб- ках, зависит от порядка определения приказов, и, следователь- но, можно ставить вопрос о нахождении упорядоченной после- довательности признаков состояния данного их подмножества с целью определения минимального .значения /Дл , если измере- ние признаков осуществляется последовательно. 153
Таким образом, каждое достаточное подмножество характе- ризуется значениями веса его элементов: G — стоимости 5 = 2 s; и минимального среднего времени контроля Tmin- - Со- поставляя достаточные подмножества по заданному критерию, можно определить и оптимальное в некотором смысле достаточ- ное подмножество признаков состояния. - Выбор критерия оценки достаточного подмножества приз- наков, используемого для контроля работоспособности, зависит от требований, предъявляемых к системе автоматического конт- роля, и характеристик контролепригодности объекта. Если свойства объекта таковы, что допускается одновремен- ное измерение признаков подмножества, то в качестве основно- го критерия оценки можно принять вес встроенных датчиков (или вес контрольно-поверочной аппаратуры, необходимой для измерения этих признаков) или максимальное время измерения признаков подмножества. ' - В этом случае упорядочения признаков внутри подмножества не требуется. Если свойства объекта допускают лишь последовательное из- мерение признаков, то критерием оценки достаточного подмно- жества признаков может являться или вес встроенных датчиков, или вес контрольно-поверочной аппаратуры, или минимальное среднее время контроля. В общем случае выделение оптимального подмножества при- знаков непосредственно из множества их -может быть осущест- влено только путем перебора. .Непосредственно из данного множества признаков можно выделить только некоторое, близкое к оптимальному, подмно- жество признаков, но оценить при этом, насколько полученное решение близко к оптимальному (без перебора всех вариантов), нельзя. Приближенное решение задачи проводится методом наиско- рейшего спуска, на основе таблицы состояний вида табл. 8.3. В качестве ведущей функции при отборе признаков прини- мается или количество информации, которое содержит признак У} относительно работоспособного состояния V^log^1 , (8.13). если стоимость информации не учитывается, или «цена» полу- чаемой информации ' ср Ъ = ——- • (8.14). В обоих случаях в качестве первого признака выбирается Признак у}. , ДЛЯ которого {/у _С }шах или hjmax . 154
Таблица 8.3. Признаки Состояния объекта ср 1 2 3 4 5 6 7 8 состояний yj Р [С/1 0,8 0,05 0,01 0,01 0,05 0,01 0,01 0,05 0,01 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 2 1 1 0 0 1 0 1 0 1 3 1 0 1 1 0 1. 0 1 0 4 1 0 1 1 1 1 0 0 0 5 1 1 1 0 0 1 1 0 1 6 1 0 1 1 0 1 1 0 1 Так как ГСр] Р L У/ J Р[Ср]Р[у7/Ср] Р[Ср]Р ЬМСР] л-р [Ср] Р[уу|Ср] ____________(8.IS). P(C,]P(^|Cp] + S[Cp| [1-Р(Л|Ср] то, полагая, что погрешности измерений отсутствуют, т. е. по- лагая, что Р [уу | Ср] = 1, получаем г , 1 1у. С = log ----------—----------1. = 1 ” Р[Ср] + Р[Ср]{1 - Р[у,-|Ср] = log-------_ 1 l-^[Cp]P[yJCp] или /у.. Ср = log------------------. (8.16). l-SP[Cz]PLvy|CJ 1 Это означает, что ведущая функция вида (8.13) может быть, заменена ведущей функцией вида*: £исг]/> 1 21 с. (8.17) шах * Р 1У/|С/] может принимать значение либо 1, либо 0, ибо погрешности из- мерений не учитываются. 155-
Таким образом, первый признак выбирается в соответствии с максимальным значением суммы (8.17). Второй признак выбирается по значению Jyk I yj - ср = log •--------—------Цу—-------------------. 1 - S Р [Сг] Р [У,| CJ - £ Р [С,] Р [уJ yj | Q ] 1 । (8.18) Дальнейшая процедура выбора признаков представлена на рис. 8.1 и 'пояснений не требует. Отбор признаков заканчивается, когда программа контроля ТП, включающая набор признаков yi,.........ут, содержит ко- .личестео информации j'n^c = log-----------• (8.19) Р[Ср] Л Аналогично проводится отбор признаков .и по «цене» полу- чения информации. В большинстве случаев на практике используется только часть признаков достаточного набора. При этом, естественно, возникает необходимость оценить возможности избранного ме- тода контроля и используемых измерительных средств с точки зрения правильности отображения реального состояния объекта контроля. В качестве такого критерия используется достоверность оцен- ки состояния объекта системой контроля. Достоверность оценки состояния объекта зависит как от из- убранного метода (глубины) контроля, так и от качества изме- рительных устройств и средств обработки получаемой информа- ции. В общем случае, если до начала процесса .контроля контро- -лируемый объект с вероятностью Р [Ср] находится в состоянии Ср, соответствующем работоспособному состоянию, то после осуществления некоторой программы контроля П;, в результате ^проведения которой получена информация у*, апостериорная вероятность состояния Ср выражается формулой: Ср о * Р [СР] {Р [Л I ср] р [у,*| У/] + Р [У, I Ср] Р 1Уг* 1У;]} р [СрН Р [ Л-1 СрИ [yz* | yz] + р [л|Ср_]Р [yz* I J7.]j + + Р [Ср] {Р [yd Ср] Р [Л*|yz] + Р [yz| Ср] Р [yz*IЛ1} (8.20) где Р [Ср] — вероятность работоспособного состояния; Р [Ср] — вероятность неисправного состояния; /->[yz[Cp]— вероятность появления комплекса признаков у/ при условии, что объект контроля находится в 456
Ср 7 2 3 4 5 6 7 8 н 0,8 0,05 0,0/ 0,0/ 0,05 0,0/ 0,0/ 0,05 0,0/ TP[Ci]p[yj/CL] / 1 1 1 / 0 0 / 7 0 0,13 2 1 7 0 0 7 D 7 О / 0,/2 3 / 0 7 / 0 / 0 / О 0,08 4 1 0 7 / 7 / 0 0 0 0,08 5 7 7 7 0 0 7 7 О 7 0,09 6 7 0 7 7 0 7 7 0 7 0,15 7 4 7 2 3 5 6 8 1Р[Сг]Р[^.] 0,05 0,05 0,05 0,0/ 0,01 0,01 0,01 0,01 (а) 7 2 3 4 5 0 0 0 7 7 0 1 / 7 7 7 0 1 1 О 1 0 0 1 1 7 1 7 7 0 0 7 1 0 1 0 О 1 0 0,02 0,03 0,02 0,02 0,1 2 3 5 6 8 ХР[Сг]р[^^.] Ci. 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 © 7 0 О 0 7 1 1 О 0 0,01 О 0 0,02 4 5 О 1 О / 0,02 О Рис. 8.1. Процедура выбора признаков для контроля работоспо- собности 157
работоспособном состоянии без учета погреш- ностей измерений; Р [У/1 £р] — вероятность появления комплекса признаков у при условии, что объект контроля находится в неисправном состоянии без учета погрешностей •измерений; Р [Л I Ср] = 1 - Р [yz | Ср]; Р [уг | Ср] = 1 - Р [yz | Ср] Д[уг*|5’/] и Р [yz* |yz] — вероятности отсутствия искаже- ний комплексов признаков yz или yz за счет 'погрешностей из- мерений; Р (У/* I-Уг] и Р [Л* IУ/] — вероятности искажения комплек- сов признаков за счет погрешностей измерений (Р [yz* |yz] — •ошибка первого рода; Р [yz* | yz] — ошибка второго рода). Погрешности измерения и ошибочные оценки, обусловленные сбоями и отказами измерительных устройств и устройств обра- ботки информации, учитываются значениями ^°[У/*|У/]> • • • • • • ^[У,* ]>’«]• Методические погрешности, обусловленные выбором про- граммы. контроля П, связаны с величинами [у J Ср] и ^[Л|СР]. Значение Р [Ср ] yz*] = d является мерой достоверности оценки работоспособного состояния Ср объекта контроля. Если не учитывать ошибки измерений, Toyz = yz*, а . Р [Ср] Р [yz | Ср] •P[Cp]^[yz|Cp] + P[Cp]P[yz|Cp] (8.21) характеризует достоверность оценки, обусловленную методом контроля и априорными значениями вероятностей работоспособ- ного Р [Ср] и неисправного Р [Ср] состояний. Для того, чтобы характеризовать только сам метод контроля (избранную программу его), вводится понятие — достоверность метода контроля (глубина контроля) где ам — характеризует методические погрешности данного ме- тода контроля (данной программы контроля) при оп- ределении работоспособного состояния. 158
§ 8.4. МЕТОДЫ ПОИСКА НЕИСПРАВНОСТЕЙ Если в результате .контроля работоспособности установлено, что объект контроля не удовлетворяет заданным требованиям, то возникает необходимость поиска неисправности. Опыт эксплуатации сложных систем показывает, что время поиска неисправности'существенно больше времени устранения ее. Собственно поэтому такое большое внимание уделяется раз- работке методов поиска неисправностей, на основе которых можно вручную (применяя различную контрольно-измеритель- ную аппаратуру) или автоматически в наиболее короткий срок определить неисправный элемент системы. Очевидно, что наличие неисправности в системе проявляется в-изменении признаков состояния (параметров системы). Измерения параметров системы, или, как их .принято назы- вать, — проверки, и анализ результатов их позволяют устано- вить неисправность. Заранее составленная последовательность проверок с указа- нием моментов анализа результатов их называется программой поиска. Анализ результатов проверок в процессе поиска может про- изводиться: — после проведения каждой проверки; — после проведения нескольких проверок; — после осуществления всей программы поиска, состоящей из ряда проверок, необходимых для определения неисправ- ности любого из элементов системы. Если последовательность проверок в программе поиска не за- висит от результатов измерений, то такая программа поиска на- зывается жесткой. Если очередная проверка выбирается в соответствии с ре- зультатом проверки, проведенной ранее, то такая программа по- иска называется гибкой. Методы поиска неисправностей разделяют на последователь- ный метод поиска и на комбинационный метод поиска. Последовательный .метод поиска состоит в последовательном обследовании элементов системы по жесткой программе поиска. Под комбинационным методом поиска подразумевается поиск по жесткой или гибкой программе, при котором одновременно обследуются группы элементов. Заключение о неисправности от- дельного элемента можно составить только на основе результа- тов анализа комбинации измеренных признаков. При последовательном поиске и при комбинационном поиске с гибкой программой, вследствие различия времен поиска раз- личных неисправностей, вероятности появления которых различ- ны, критерием оценки оптимальности программы поиска являет- ся математическое ожидание времени поиска. 159
Для сопоставления комбинационных методов поиска с жест- кой программой можно использовать как время, необходимое для реализации программы поиска, так и просто числа прове- рок, введенных для отыскания неисправных элементов, или веса 'встроенных датчиков, необходимых для отыскания неисправно- стей по данной программе. Метод последовательного поиска. Элементы системы прове- ряются по одному в определенной заранее заданной последова- тельности. Если проверенный элемент оказывается исправным,, то приступают к проверке следующего элемента, если неисправ-., ным, то поиск прекращается и объект восстанавливается. Оптимальную программу последовательного поиска можно составить на основе следующих рассуждений. Предположим, что имеется система, состоящая из п элемен- тов, один из которых неисправен. Вероятности отказов элементов qt (i = 1, 2,..., п). Время,, необходимое для проверки состояния i-того элемента, Выберем произвольную последовательность поиска неисправ- ного элемента, например, в соответствии с нумерацией элементов; (программа Щ). Математическое ожидание времени поиска при этой про- грамме Мп, (т)= <7i Tj + q2(x1 + т2) 4- . . . qn (tj ф- тд). Переменим порядок проверок (например, и к2), тогда для второй программы поиска: Мп3 (*) = q2 т2 + qx (^ + т2) + ... (tj + -с2 + . .. т„), Мп, (т) — Л'!п, (т) = -tj — qt х2. Очевидно, что программа Hj эффективнее программы П2, ес- ли Мп, (т) — Мп, (t)<0, т. е. если < 71Л1 • Таким образом, упорядочив проверки в соответствии с отно- шением _£1> 12 > _ >Чп_ Т2 получим программу, при осуществлении которой математическое ожидание времени поиска минимально. (Рассмотренный метод поиска иногда называют поиском по принципу «время—вероятность»), 160
Комбинированный поиск, с гибкой программой. Программу комбинированного поиска неисправностей удобно изображать в виде так называемых деревьев (рис. 8.2). Вершины дерева пред- ставляют различные возможные состояния системы и изобра- жаются квадратами. Программа поиска изображается ломаной, которая начинает- ся с самой нижней вершины дерева (.корень дерева). Каждая проверка изображается кружочком и приводит к перемещению из данной вершины в какую-нибудь из примыкающих верхних вершин. При проверке возможны два исхода: — неисправность не обнаружена — этому исходу соответ- ствуют левые ветви; — неисправность обнаружена — правые ветви. Обозначения состояний системы, состоящей из /V элементов, составляются из N знаков '(по одному для каждого элемента): 1 — соответствует исправному состоянию элемента, 0 — неис- правному. Аналогично составляются обозначения проверок системы: 1 — означает, что данный элемент охвачен проверкой; 0 — что состояние его не контролируется. Если допустить, что одновременно может быть исправлен только один элемент, то обозначение нового состояния с учетом исхода поиска формируется на основе логической формулы Cf+1 = “Ь '“7+ 1 Г1+1 СI те/4-1 rl+l I 11. Румянцев Е. А. и др. 161
где Ct — обозначение предыдущего состояния; irz+1 — обозначение проверки по поиску .неисправности; rz+1 — исход проверки (1 — если неисправность обнаруже- на, 0 — если не обнаружена). Так, например, если CL = 00001111; «/+1 = 11000000; rz+I = 11111111, то Cz= 11110000 Ci= 11Ц0000 ^+1 = 00111111 */+!= 11000000 rl+1 = 11111111 ri+l = 00000000 Cz Ww = 00110000 CZKZ+1 rz+1= 00000000 Cz+1 = 00001111 + 00110000 = 00111111. Если неисправность не обнаружена, т. е. rz+1 = 00000000, то для этого же случая — С{= 11110000 С[ = 11110000 п/+1= 00111111 TCZ+1 = 11000000 rl+1 = 00000000 rz+1= 11111111 Ct Ц-+1 rz+1 = 00000000 Cz rcz+1 rz+1 = 11000000 Cz+1 = 00001111 + 11000000 = 11001111. В общем случае сложную систему можно представить со- стоящей из ряда блоков, которые >в свою очередь состоят из эле- ментов. Поиск неисправностей в такой системе лучше произво- дить .в два этапа: сначала среди блоков системы, а затем среди элементов неисправного блока. Естественно, что поиск неисправности на каждом этапе бу- дет иметь свои особенности и производиться с помощью раз- личной контрольно-измерительной аппаратуры. Однако, несмот- ря на это, имеется возможность указать общие методы поиска неисправностей — общие правила установления последователь- ности действий при поиске и оценке их эффективности. Для составления алгоритма поиска неисправностей, близкого к оптимальному, можно пользоваться методами теории инфор- мации. Применение их позволяет значительно снизить число про- верок, необходимых для определения неисправного элемента. При составлении программы поиска в качестве ведущей функции могут быть использованы: 1. Количество информации, содержащееся в проверке. Программа начинается с проверки, несущей наибольшее ко- личество информации. Следующая проверка выбирается с уче- том результата предыдущей проверки, также исходя из наи- большего количества информации. 162
2. «Цена» информации, характеризуемая отношением коли- чества информации к «стоимости» ее получения. Поиск начинается с проверки, для которой «цена» информа- ции оказывается наименьшей. Рассмотрим составление программы поиска неисправностей, исходя из максимального количества информации в проверке. Программа поиска неисправностей в системе составляется, исходя из следующих допущений: — известно, что система неисправна; — в системе имеет место только одна неисправность; — известны априорные вероятности неисправностей элемен- тов (блоков) системы. Неопределенность состояния системы С, в которой осуществ- ляется поиск неисправности, до начала процесса поиска харак- теризуется ее энтропией Я[С]. Так как система может быть неисправной вследствие отказа только одного какого-либо й-того элемента из общего числа их N с условной вероятностью отказа qk, то Л'[С] = — Е N Ё 1- ы Значения qk определяются на основе статистических данных о надежности элементов (блоков) системы. Процесс поиска неисправностей определяется программой П, состоящей не более чем из п проверок (i = 1, 2,..., п). Каждая проверка априори содержит некоторое количе- ство информации 4.относительно состояния системы С 1^с = Н[С}-Н[С\т^ где Н [С | тг] — средняя условная энтропия состояния системы С при условии осуществления проверки . Если при проверке контролируется m элементов (блоков), сумма вероятностей отказов которых то i-Q,. И N q- + (i-QI-7)ET^-iog m+l 1 ^z 41* 163
Тогда V с = - {Q.z log Q«. + (1 - Q..) log (1 - Q,.)}. Поиск неисправности в системе следует начинать с провер- ки несущей наибольшее количество информации. Легко определить проверку rcz, при которой Л -с макси- мально. dh.^c ---= _ {log Q 4-ioge — log (1 - Q. ) - log e}; dCL - 1 log Q.. — log(l — С\) = 0; Qk.= — , 1 2 т. е. проверка kz, соответствующая проверке т элементов, сум- m 1 ма вероятностей отказов которых У q} = —, несет наибольшее количество информации. y-i 2 Следовательно, программу поиска необходимо начинать с проверки kz, сумма вероятностей отказов проверяемых элемен- тов для которой .близка к Г/2. При комбинированном поиске с гибкой программой следую- щая проверка выбирается, исходя из результата проверки тч. Если при 'проверке зафиксировано, что неисправен какой-ли- бо из элементов 1,...., т = 1), то следующая проверка вы- бирается по таблице, содержащей только т элементов по макси- муму количества информации: Ла.С|Г_1 = /7[С)г;=1]-Я[С|кй]. Если rt = 0, то по таблице, содержащей элементы с номера- ми m-j-l, , N, найдем Zn^C|r. = o = //[C|rz = O]-/7[C]Kz]. В качестве примера рассмотрим систему, состоящую из ше- сти блоков, взаимосвязь которых изображена на рис. 8.3. М Р и с. 8.3. Прияципиальная схема системы 164
Известны вероятности отказов блоков: 34 = 0,05; 72 = 0,1; <73 = 0,15; — qb = 0,25; <7G = O,2. Поиск неисправности можно производить путем осуществле- ния проверок, перечень которых указан в табл. 8.4. Входные и выходные сигналы обозначены буквами А, В.......Н. Таблица 8.4 № опы- тов Выход- ной сигнал Элементы схемы Входной сигнал S 4 k 1 2 3 4 5 6 1 В 1 0 0 0 0 0 А 0,05 2 С 0 1 0 0 0 0 В 0,1 3 D 0 0 1 0 0 0 В 0,15 4 F 0 0 0 1 0 0 D 0,25 5 G 0 0 0 0 1 0 F 0,25 6 Н 0 0 0 0 0 1 DG 0,2 7 С 1 1 0 0 0 0 А 0,15 8 D 1 0 1 0 0 0 А 0,2 9 Е 1 0 1 1 0 0 А 0,45 10 Е 0 0 1 1 1 0 ' В 0,4 11 Н 1 0 1 0 1 1 AF 0,65 12 Н 0 0 1 0 1 1 BF 0,6 ; 13 Н 0 0 0 0 1 1 DF 0,55 . 14 Н 1 0 1 0 0 1 GA 0,4 15 И 0 0 1 0 0 1 GB 0,4 Образование алгоритма поиска неисправностей показано на рис. 8.4, а соответствующее ему дерево: поиска неисправностей — на рис. 8.5. Выбор проверок по максимуму количества информации при- водит при равных значениях вероятностей отказов блоков к по- иску неисправностей по методу половинного деления. Если дана система, состоящая из N последовательно соеди- ненных блоков (рис. 8.6), и вероятности отказов их одинаковы 1 и равны q = —, то энтропия системы = ~log-^- = log2V. 1G5
I 2 3 4 5 6 О R=O ' &=0 • R=O r- 5 2 6 I О 6 7 1! 12 13 14 15 о о О о о о I О 1 / / 166 2 3 4 5 6 7 8 о о о о о I о о о о О О о о о о о о о О I о о о о о о о о о о о о о о о о о о Г“£_ ю II 12 13 14 IS <256 / ООО г 1 0 О 3 ООО 4 ООО S 0 1 0 6 0 0 1 7 1 О О 8 ООО 10 ООО fl О / / 12 О t 1 13 0 < г /4 О О 1 IS О 0 ! J 0,32 0,68 0.32 0.68 О, 68 0,68 0.68 0,68 i О I I О О о о о I о о о о о о о I 1 о / о о о о о О о / ! О О I 1 -^-.8 3 / 0 0,18 / О / ' 0 0,45 0,37 0.18 f О / О 0.82 0,82 0,82 О, 37 0,37 8-1 8-1 -Ь_ О,В5 О, ! О. 15 0,85 0,25 0,2 0,15 0,2 0,45 0,4 0,65 0,6 0.55 0,4 0,4 R~O 1 3 4 ч 1 1 0 0 О.И г О о О 1 0 3 в t 0 0,33 4 в О / 0,56 5 О О О } 0 6 0 0 О t 0 7 7 0 О 0,1! 1 / 1 О 0.4b /О 0 1 1 0,89 н ! ! О 0, 06 >2 О 1 О О. 33 13 0 0 О 1 О /4 / ! о 0,00 15 О / 0 0,33 1 13 Sq. 1 / О 0,25 7 1 0 0,25 10 0 1 0. 75 12 О 1 0. 75 15 [О/ 0.75 Рис. 8.4. Образование алгоритма поиска неисправностей
При осуществлении проверки количество информации / //г . т , L т\. /, - т -Т710ё —+ 1 !°g N N \ NI \ N. при условии, что проверяется т блоков из N. Рис. 8.5. Дерево поиска / 2 3 т-1 т т-И т<-2 N~3 N~2 N-l N Р и с. 8.6. Принципиальная схема системы ., , т 1 Ма?;симум Д. - с соответствует — = —, поэтому первая проверка сводится к подаче сигнала на вход и измерению реак- ции в середине схемы системы. При этом In. с = 1. Выбирая каждую следующую проверку так, чтобы Ас, -* С 1-пэ С/сГа ------1п3 С/%1 тс, ==== * • === 1 ) 167
найдем, что необходимое количество проверок не превысит A>logM т. е. 2*>ДГ, где k — целое число. Практически подобная программа поиска может быть реа- лизована на основе релейной схемы (рис. 8.7). /// НО 10/ 100 ОН 010 00/ иии Рис. 8.7. Электрическая схема для поиска неисправностей Неисправность фиксируется на световом табло кодом. Число проверок в программе поиска при составлении алго- ритма, исходя из количества информации, оказывается значи- тельно меньше, чем при последовательных проверках элементов, особенно при большом числе элементов. При последовательных проверках математическое ожидание числа проверок в программе ЛШ)= ± U + 2 + • + ('V-П] = • N 2 Использование при составлении алгоритма поиска неисправ- ностей критерия, основанного только на значении количества информации, не позволяет учесть весьма важного для эксплуа- тации фактора — «стоимости» получения информации. При составлении алгоритма поиска по «цене» информации в качестве первой проверки выбирается проверка те,-, для которой значение максимально. В остальном методика построения алгоритма поиска по «це- не» информации не отличается от методики построения алгорит- ма по количеству информации, но, естественно, сами алгоритмы поиска отличаются друг от друга. 168
Практически критерии, основанные на использовании поня- тия «цена» информации, целесообразно применять при состав- лении инструкций по поиску неисправностей в сложных 'Систе- мах. Оптимальность всей программы поиска оценивается по кри- терию 1 где Tk — суммарная стоимость всех проверок, необходимых для отыскания k-ro элемента, предусмотренных дан- ным алгоритмом поиска. Комбинированный поиск с жесткой программой используется обычно при поиске неисправностей при помощи системы автома- тического контроля. Это объясняется тем, что при жесткой программе поиска об- щее число различных проверок в программе, а следовательно, и число различных измеряемых величин оказывается меньше, чем при поиске с гибкой программой, хотя время поиска при жесткой программе может оказаться и больше, чем при гибкой. Основой для составления жесткой программы поиска яв- ляется таблица неисправных состояний. Если возникает необхо- димость объединения программы контроля работоспособности с программой поиска неисправностей, то таблица включает и ра- ботоспособное состояние системы. В этом случае рассматривается наиболее общая задача тех- нической диагностики — контроль состояния. Синтез алгоритма контроля состояния системы сводится к вы- бору минимального количества проверок, в общем случае с неко- торой вероятностью определяющей каждое из возможных со- стояний, т. е. к своеобразному синтезу 'Минимальной логической схемы с несколькими выходами. Общая идея отыскания минимальной формы схемы со многи- ми выходами сводится к тому, чтобы максимально использовать выражения (или их части), описывающие работу схемы по од- ним выходам, для построения выражений, описывающих работу схемы по другим выходам. Наиболее распространенным способом отыскания минималь- ных форм для логических цепей со многими выходами является способ упрощения с помощью диаграмм Вейча, однако примене- ние его возможно только в случае равновероятных состояний. Ниже приводится простой метод, основанный на использова- нии теории информации и дающий возможность установить число проверок, достаточное для определения всех состояний системы, заданных таблицей. Метод дает решение, близкое к абсолютной минимальной форме. 169
С точки зрения теории информации задача отбора проверок, определяющих состояние системы, может быть сформулирована следующим образом: Система С = {С;} (i — 1, 2,..., N) может принимать одно i из N возможных состояний с вероятностью pit где Pi=p{C^t N У Pi = 1, заданных таблицей. 1 Неопределенность состояния системы С характеризуется энт- ропией ^[С] = - S/’/lOgP;. 1 Для того, чтобы установить, .в каком i-том состоянии из /V возможных находится объект, необходимо провести некоторую программу проверок П (л(, п2, ... кт), состоящую в определе- нии не более чем т признаков состояния уг, ..ут. Каждый признак состояния yk содержит некоторую инфор- мацию /у с относительно состояний объекта С: Д^с = Я[С]-Я[С|Л], где ^[С|_уй]— средняя условная энтропия системы при условии определения .признака yk, а Н [С | у J = р \yk =\}Hyk = i[C\+p\ yk = 0] НУк = о [С]; HVk = ! [С] = - f. р [Cz\yk = 1] logр [Cz| yk = 1]; i = l ^ft = o [£]= — £ [cz |J/* = о] log[cz |уА = о]. i = l Минимизация схемы co многими выходами для контроля со- стояния состоит в таком выборе признаков состояния (прове- рок), являющихся составляющими сложной программы, чтобы количество их было минимальным, т. е. чтобы ‘каждый признак содержал максимально возможное количество информации от- носительно состояния объекта. Следовательно, выбор признаков должен начинаться с приз- нака yk, несущего максимальное количество информации Iyk . с = и [С] - И [С |Л] = {Iyk . с }тах. После выбора признака yk система будет обладать энтропи- ей характеризующей некоторое новое неопределенное состояние системы, в которое перейдет для наблюдения объект контроля. 170
Следующий признак выбирается на основании того же кри- терия, что и первый, но исходя из состояния объекта, характери- зуемого энтропией, Н[С|_уй1. Тогда Лгр-й-с = Я[С|у,]-Я[С|Л, уг]- где 1 1 ^[С|у/г. У/] = 1 S p[yi=j\yk=m\ Hyl = jiyk = m[C], 7=0 m-о N Hyt = j\yk = m [C] = - 2 P [СДу^т, yt=j\ iogp [C\yk^m, yr=J]. <=i Полное количество информации, которое содержит данная со- вокупность признаков (уп . .yk)y полученная в результате про- граммы' пров'ерок П == {kj, . ,Tzk], относительно системы С; Л-»с = Л-, -» с + /Уз । Л с + • • • + Iyk' yL, уг.. - с • Процесс отбора признаков состояния продолжается до тех пор, пока Н [С |Ур . . yfe] не станет равной нулю, т. е, /п_»с = Я[С|. При этом состояние объекта определяется однозначно. Рассмотрим пример. Система С = {Q} (i = 1, 2,..., N) может принимать одно из У воз- можных состояний, заданных табл. 8.5. Полагая, что все N состояний объекта, составляющих полную сумму со- бытий, равновероятны, получим ЩС] = - Е A1ogPz = logN, 1 так как |W. Имеются только два возможных исхода при определении признака № ‘-Ук = 1 и у1 = 0 с вероятностями р (у/г) и р (у/г). Тогда н [С IУJ = Р [Л] Нук [С] + р [у J Hyk [С], (8.23) Wy^fC] и Ну^ [С] — энтропия объекта после определения признака со- стояния ук. Полагая, что при определении значения ук вероятность появления ошиб- ки равна нулю, получим т , -. N — т —; р =----------- N N где т — число 1 в соответствующей А-той строке (табл. 8.5). 171’
Из (8.23) следует urpi 1 • т 1 । N—m , . Н[с IУ kJ = — log т + —------- log TV, .-a r Г m . m , N — m t N — я Zy>c = — — log— + —-—log-----------— A TV /V N Количество информации, которое содержит второй признак, например, yt относительно состояний объекта С при условии, что первый признак yk определен, будет равно: /уг1^-.с =//[C|yJ-//[C|yft, yz], где Н[С I Ук, Nil = Р — НУ11 yk [С] + р — Hyt I yk [С] + .Ук! L3'ZiJ г- , - , N — m, — /я, Р !Ш1 ---- а Hyt | yk [С] = log /Пр- Hyt । yk [С] = log (от — от,); #j-zpft[C] = logOT2; Ну^-уь [C] = log (AZ — m — m2), где пц и m2 — число единиц в t-ii строке соответственно для т 'единиц и N — т нулей /г-той строки. Тогда т, , т, , т — т, , т — т с =----— log — Н-------— log ——— N т N N AZ , //4о , ГПа /V — JTI — lilt) . LN — т — Н------- log-------------1---------------—2- log------------- N N — m N N — m Для таблицы состояний (табл. 8.5) энтропия объекта//[С] = -= log8 = 3. Значения количества информаций /, которые со- держат признаки состояния относительно состояния объекта, приведены в табл. 8.5. (Для упрощения в табл. 8.5 признаки со- стояния и сами состояния обозначены только цифрами). В качестве первого признака выбирается признак у5. ’172
Таблица 8.5 1 2 3 4 5 6 7 8 ] ‘ 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0,55 2 1 0 1 1 1 1 0 1 0,81 3 1 0 0 0 1 1 1 1 0,94 4 1 0 0 0 0 0 1 1 0,94 5 1 0 0 0 0 1 1 1 1 _ 9 .1 1 0 0 1 0 0 0 0,94 7 0 1 1 0 0 0 1 1 1 8 1 1 1 1 0 0 0 0 1 9 0 0 0 1 0 1 0 0 0,81 1 6 7 8 2 3 4 5 I 5 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0,405 2 1 1 0 1 0 1 1 1 0,81 3 1 1 1 1 0 0 0 1 0,405 4 1 0 1 1 1 0 0 0 0,405 6 1 0 0 0 1 0 0 1 0,905 7 0 0 1 1 1 1 0 0 1 8 1 0 0 0 1 1 1 0 0,81 9 0 1 0 0 0 0 1 0 0,81 7 8 1 6 2 3 4 5 I 7 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0,25 2 0 1 1 1 0 0 1 1 0,25 3 1 1 1 1 0 0 0 1 0,25 4 1 1 1 0 0 0 0 0 0,25 6 0 0 1 0 1 0 0 1 I 8 0 0 1 0 1 1 1 0 0,5 9 0 0 0 1 0 0 1 0 0,5 7 8 1 6 9 3 4 5 I 6 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 2 0 1 0.12 3 | 1 1 0 7 8 2 0 1 173
Выбирая из вновь образовавшейся таблицы снова признак, ••содержащий относительно вновь образовавшихся состояний си- стемы наибольшее количество информации, найдем, что в каче- стве следующего признака необходимо принять у7. Дальнейший ход решения пояснений не требует. Следует заметить, что если в таблицах имеются признаки, не содержащие информации 1'у с = 0 относительно данного со- стояния, то учитывать их при дальнейшем рассмотрении не имеет -смысла. Если признаки содержат одинаковое количество информации -относительно состояния объекта, то следует выбирать лишь один из них (это соответствует логической операции «ИЛИ»), Рис. 8.8. Логическая схема контроля Таким образом, в результате расчета находим минимальное число признаков, необходимых для определения каждого из воз- можных состояний. В соответствии с данными табл. 8.5 можно составить логическую схему контроля состояния объекта, изо- браженную для рассматриваемого случая на рис. 8.8. 174
§ 8.5. ПРИМЕНЕНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРИ КОНТРОЛЕ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМ Логические модели составляются на основе функциональных схем систем, представляющих собой совокупность связанных между собой блоков. При разбиении системы на блоки учиты- ваются особенности конструктивного исполнения, сменность бло- ков, удобство измерения выходных параметров и другие эксплуа- тационные особенности. Каждый блок Bj может иметь в общем случае т входов и п выходов (рис. 8.9,а). К входам относятся внешние управляющие сигналы, в том числе тест-сигналы для контроля состояния хи, JC2i • .. xkl\ сигналы с выходов других блоков системы _у1Р _у2/.. уи; Рис. 8.9. Модель блока входы, обеспечивающие питание блока электрической и механи- ческой энергией мп, u2i... uri.К категории входных следует отне- сти также воздействия, характеризующие внешние условия функ- ционирования блока (температура и давление окружающей сре- ды, уровень вибраций и т. п.), Vu; И2.; ... Vtt. При составлении логической модели по функциональной схеме каждый блок представляется п блоками Qn; Q;3; . . . Q/H, каждый из которых имеет один выход у1} и S} входов, сущест- венных для выхода Уу (рис. 8.9,6). При этом все связи между входами и выходами в логической модели сохраняются такими же, как и в функциональной схеме. Обозначим логическое высказывание «значение входа допу- стимо» символом входа x4i (или соответственно yv.t\ VE/). Тогда символы входов можно считать логическими переменны- ми, принимающими значения 1, если соответствующие им входы находятся в допуске, и значения 0 — в противном случае. На- зовем логическую функцию ~ XU 'Х21 • • Xkl 'Уи У21 • • • У W UU ll2i • • lLrl Уц ^21 ’ • • Vtl — Sj, 175
являющуюся конъюнкцией Sj входных переменных, функцией, условий работы блока по выходуу^. Очевидно, что при Ftj <= 1 все входы блока в допуске, при F = О — хотя бы один из них не находится в пределах своего допуска. Аналогично символы выходов 'можно считать логическими выходными функциями, принимающими значение 1, если выход- ной параметр (сигнал) в допуске, и значение 0, если выходной, параметр не в допуске. Если составить логическое высказывание «блок QZj- исправен» и обозначить его символом 1, то у у можно рассматривать как конъюнкцию переменных Fi} и Q/jf: Эта формула означает, что выход блока Qy будет в до- пуске только в том случае, когда все его входы в допуске (Fу=1)' и блок Qy исправен (Qy = l). Очевидно, что контролируемый блок в целом исправен, ес- ли истинным является логическое высказывание вида Уп-Уя ••• Уц •• • У1П-1-У1п> т. е. в допуске находятся все его выходные параметры. Перейдем к методике оценки работоспособности и поиска не- исправности в системе, состоящей из нескольких блоков. Рас- смотрение проведем на примере логической модели системы, изо- браженной на рис. 8.10 [29]. При этом будем полагать, что все внешние входы блоков (x,z; Vzi) являются правильными, т. е. .не превышают заданных допусков. Рис. 8.10. Логическая модель системы Найдем минимальную совокупность выходных параметров, контроль которых позволяет вынести суждение об исправности всей системы. Для этого составим квадратную матрицу (табл. 8.7), число столбцов и строк которой определяется числом блоков логической модели, равным числу выходных парамет- ров yi, у2, ...,У5. Заполнение таблицы проведем, руководствуясь следующими правилами. Допустим, что параметр ух в допуске (что отмечено 176
знаком (х) в первой клетке первой -строки), тогда при правиль- ных внешних входах, как следует из модели рис. 8.10, обяза- тельно находятся в допуске также параметры уз и уз. Действи- тельно, z/j = 1 при Ch =' 1 и уз — 1. В (свою очередь уз =- 1 при Q5 = 1 и уз = 1, а уз = 1 при Q3 = 1. Таким образом, контроль параметра yi с 'исходом у{ — 1 (в допуске) позволяет утвер- ждать, что исправны блоки Qi, Q3> Qs, а их выходы z/i; у3; уз —• в допуске. В табл. 8.7 проставим знаки (х) в третьей и пятой клетках первой строки. Допустим далее, что выход у% в допуске. Рассуждая таким же образом, заполним вторую строку, проста- вив в соответствии с моделью рис. 8.10 знаки (х) в первой, вто- рой, третьей и пятой клетках. Аналогично заполним остальные строки матрицы (табл. 8.7). Из рассмотрения матрицы (табл. 8.7) следует, что положи- тельный исход контроля выхода одного из .блоков позволяет заключить об исправности не только этого, но и нескольких других блоков. Можно найти наименьший набор выходов, конт- роль которых позволит сделать заключение об исправности всех блоков, т. е. системы в целом. Определение минимального числа выходов по матрице (8.7) сводится к выбору минимальной со- вокупности таких строк, чтобы в каждом столбце имелся хотя бы один знак (х), принадлежащий этим строкам. В нашем при- мере минимальная .совокупность включает в себя строки уг и у4- Таким образом, .контроль работоспособности системы с логиче- ской моделью рис. 8.10 целесообразно' осуществлять по выходам у2 и z/4, подавая в систему допустимые -входы Xi; х2; х3; х4; xs. Контроль г/г и у4 достаточен для оценки -работоспособности всей -системы. Как видно из рассмотренного примера, в простейших случа- ях отыскание минимальной совокупности строк легко выпол- нить путем простого просмотра таблицы. В более сложных слу- чаях приходится применять известные из алгебры логики мето- ды получения частных минимальных форм при минимизации булевых функций. Перейдем к задаче определения минимального набора вы- ходных параметров блоков, достаточного для поиска неисправ- ности любого из блоков системы. Для этого составим квадратную матрицу (табл. 8.8), в которой по -вертикали записываются раз- личные состояния системы, связанные с отказом того или иного блока, а по горизонтали — значения выходов блоков при этих состояниях. Заполнение таблицы производится следующим образом. До- пустим, что имеет место отказ 'блока Qi, тогда будут не в допу- ске выходные параметры 'блоков Q2 и Q<, т. е. у\ = г/2 = У± — 0. Работа блоков Q3 и Qs не зависит ют -состояния блока Qi, поэто- му следует принять уз = 1, уз — 1. Затем, -высказывая гипотезу об отказе блока Q2, заполним вторую строку таблицы: ух = у3 — = 1/4 = Уз = 1; Уз = 0 и т. д. 12. Румянцев Е. А. и др. 177
Из табл. 8.8 следует, что состояния отказов блоков Qg и Qr, не различаются по выходным параметрам ...., yg. Это объяс- няется тем, что логическими методами не представляется воз- можным выявить отказы блоков, образующих замкнутую систе- му с обратной связью. Можно установить неисправность систе- мы, но нельзя указать, из-за отказа ‘какого именно блока система оказалась неисправной. В нашем случае по модели рис. 8.10 не- трудно видеть, что блоки Q3 и Qg образуют замкнутую систему. Поиск неисправностей в замкнутых системах производится спе- циальными методами, один из которых предполагает размыка- ние системы. Объединим состояния отказов блоков Qg и Qg в одно состоя- ние и составим табл. 8.9. Таблица 8.9 >1 Уг >3 y< У& Si — отказ Qi 0 0 1 0 1 Sz — отказ Qs 1 0 1 1 1 Ss — отказ Q3 V QB 0 0 0 0 0 Si — отказ Qi 1 1 1 0 1 Выпишем далее .совокупности выходов, позволяющие попарно отличать состояние Si от других состояний S2, S3, S4; Si Sa — yi V y4; Si Ss _v3 V y6; Si S'.| у । V У 2 • 178
Логическое произведение этих совокупностей <У1 V У4)-(У8 V У6) • (л V у2) =У1 Уз V У1 Уз V У2У3 У4 V у2у4 Уз дает все возможные наборы выходных параметров, по которым можно отличить состояние 5j от всех других. Минимальными являются наборы и у$ или у\ и уъ. Выпишем теперь из табл. 8.9 совокупности выходов, отличаю- щие попарно все состояния друг от друга: •^1 ~ У1 V У^1 $2 — У1 V Уз V У4 V Уб! 51*^3 Уз V у у, У2 Vy4; у, Vy2; 5354-У1 x/л Vy3VyB. Логическое произведение этих шести совокупностей (У 1 VУ*) • (Уз VУб) • (у 1 V у2) • <У1 V Уз V у4 V Уб) • (у2 VУ4) X X (У! Vy2Vy3VyB) даст наборы выходных параметров, позволяющие различать все состояния друг от друга. Минимальными из них по составу бу- дут следующие наборы: У1У2у3; У1У2ув; УО'зУУ У1У4у6; у2у3у4; у2у4ув. Для поиска неисправного блока можно взять любой из этих наборов, так как все они содержат по три параметра. Для получения минимального набора параметров, позволяю- щего производить как контроль работоспособности, так и поиск неисправности, необходимо взять логическое произведение вида У2 У4 • (У1 V УJ' (Уs V У6) • (У1V Уг) • (У 1 V Уз V У4 V Ув) X (Уз VyJ’fyi V У2 V Уз V у5) ==У2У4Уз V У2У4УВ- В этом произведении, помимо тех .же шести совокупностей, «фигурирует совокупность параметров у2 и yt, которые, как это было показано выше, являются достаточными для различения работоспособного состояния от всех других. По результатам ум- ножения имеем следующие минимальные наборы для контроля состояния системы: ytiyy?, или уууууа. Выбрав, например, учуууз, составим таблицу — карту конт- роля системы (табл. 8.10). Если, например, по результатам контроля оказалось, что па- раметры у2 и z/4 не в допуске, а параметр у& — в допуске, то это означает, что отказал блок (Д. Подобные карты контроля составляются заранее и выдают- ся в качестве руководства для оценки состояния различных си- стем механикам по авиационному оборудованию. . . . 12* 179
Одна из возможных блок-схем автомата .контроля системы изображена на рис. 8.11, где D — датчики выходных парамет- ров, отобранных для контроля после 'минимизации, К — устрой- Таблица 8.10 Признаки Состояние — Уа У4 Уб So — сист. исправна 1 I 0 1 Si — отказ Qi 0 1 S2 — отказ Q? 0 I 0 1 Sa — отказ Qg V Q3 0 0 S< — отказ Qj 1 0 1 Рис. 8.11. Принципиальная схема автомата контроля ства сравнения измеренных значений параметров с их допусти- мыми значениями (компараторы), НЕ, И — логические элемен- ты. Автомат работает так, что по включению соответствующей лампочки однозначно устанавливается неисправный блок или делается заключение об исправности системы. Автомат может быть дополнен специальной схемой различе- ния отказов блоков Q3 и Qs друг от друга, однако при этом потребуется размыкание одной из связей между ними. 180
§ 8.6. ВЫБОР ТОЧНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ При выборе точности измерительных средств, предназначен- ных для контроля состояния объекта, следует учитывать общую погрешность измерений, которая складывается из ошибок, при- сущих схеме измерения, ошибок, вызванных условиями настрой- ки и измерений, и погрешностей самого измерительного прибора. В общем случае погрешности измерений разделяют на систе- матические и случайные. Систематические погрешности метода измерений легко мож- но исключить путем введения необходимых поправок. Случайные погрешности оцениваются методами теории вероятностей. При рассмотрении группы однотипных измерительных уст- ройств, используемых для контроля состояния множества одно- типных объектов, под случайными погрешностями подразумева- ются случайно-систематические ошибки, т. е. ошибки, являющие- ся систематическими для конкретного измерительного устрой- ства и конкретных условий измерений и имеющие случайный ха- рактер для группы измерительных устройств. Случайные ошиб- ки, вызванные вариацией показаний прибора, оказывают относи- тельно малое влияние на результаты, ибо при необходимости можно осуществить два-три измерения. Погрешности измерений приводят к ошибкам в оценке состоя- ния объекта: часть объектов будет ошибочно забракована, часть — ошибочно признана годными. Для того, чтобы количественно оценить вероятность появле- ния ошибочной оценки, необходимо знать законы распределения контролируемого параметра и погрешностей измерительных уст- ройств. Для случайных погрешностей измерительных устройств, как показывают многочисленные исследования, может быть принят нормальный закон распределения. Контролируемые параметры .могут подчиняться различным законам распределения, однако в большинстве случаев, вслед- ствие влияния ла отклонения параметров большого числа фак- торов, на основе центральной предельной теоремы можно при- нять, что они также распределены по нормальному закону. Когда законы распределения контролируемых параметров и погрешностей измерений известны, то задача о влиянии погреш- ностей измерения на правильность оценки состояния объекта может быть решена следующим образом. Допустим, что fi(yi) — плотность вероятности контролируе- мого параметра у; а а и b — его предельные допустимые значе- ния; fz(z) — плотность вероятности погрешности измерений (рис. 8.12), тогда 6 Р (У) = 1 -Р (J) = J/i (J) dy. а 181
Вероятность события, .состоящего в том, что при нахождении параметра в пределах допуска результат измерения у* также будет находиться в пределах допуска, Ь Ь—у Р (У* А Д'] = J/i (>) [ f Л (г) dz ] dy. а . а—у • Вероятность события, состоящего в трм, что при нахождении Рис. 8.12. Плотности вероят- ности контролируемого пара- метра и погрешностей измере- ния параметра в пределах допуска, результат измерения будет ука- зывать на выход параметра за пределы допуска, Ь а—у оо Р [У* л у] = J/1 (у) [ У /2(г) dz + у /2 (z) dz} dy. а —со Ь—у Вероятность события, состоящего в том, что параметр и ре- зультат измерения будут находиться за пределами допуска, а Ь—у Р [у* Лу 1 = У /1 (у) р - У Л (г) dz ] dy + —со а—у оо Ь—у + У/1(У)р“ у/2(г)^г]А'- Ь а—у Вероятность события, состоящего в том, что параметр будет находиться за пределами допуска, а результат измерения — в допуске, а Ь—у со Ь—у Р [У* А у] = У /1 (у) [ У /1 (г) dz} dy 4- у Л (у) [ у /2 (г) rfzj dy. — оо а—у Ь а —у 182
При /1 (у) =-----7=- exp [- (у - т )2 / 2ау2]; 5,/2* А (г) =----7=- ехр [— г2/2аг2] ог]/2к значенияр [у* Л у]; р [у*/\ y]j р[у* ЛуГ, Р [у* Л у>1 зависящие от соотношения ореднеквадратических отклонений ,ог / <зу ==.аэ Рис. 8.13. Зависимость условных вероятностей от относительного среднеквадратического отклонения а и относительного поля допуска Р и соотношение 8/оу = Р (т. е. от относительного поля допуска) находят численным методом [8] (рис. 8.13), используя таблицы функций Лапласа. 183
Для выбора точности измерений должно быть задано Д 3/Оу= ₽ и Д(у). Так как достоверность системы контроля: d,--------PJTM_________ „„ р [у* Л и + р [у* Л И то, задаваясь значением можно найти отношение Ф = Р 1Т*Лт] = dj р[У*/\У] [1-^]’ а по графику (рис. 8.14) найти а —ог/ауи, следовательно, пре- дельную допустимую погрешность измерительного устройства Д = За2. Рис. 8.14. График функции a —
Глава IX НЕАВТОМАТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО контроля СОСТОЯНИЯ АВИАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ § 9.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ НЕАВТОМАТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ Для контроля состояния авиационного оборудования при различных -видах подготовок, регламентных и ремонтных рабо- тах широко используются .разнообразные неавтоматические сред- ства инструментального контроля. Неавтоматические средства инструментального контроля обычно называют контрольно-изме- рительной аппаратурой (КИА). Большинство КИА являются эталонными измерительными устройствами, с показаниями которых сравниваются значения измеряемых величин объектов контроля. Однако параметры са- мих измерительных устройств в процессе эксплуатации не оста- ются постоянными вследствие старения и износа элементов и уз- лов КИА, окисления контактов, притупления кернов осей и т. п. Поэтому возникает необходимость в систематической проверке самой КИА на соответствие установленному классу точности и правильность функционирования. Проверки КИА производятся в специализированных учреж- дениях или лабораториях, оснащенных образцовыми мерами и измерительными приборами. Деятельность подобных учреждений координируется и на- правляется Комитетом стандартов, мер и измерительных прибо- ров при Совете Министров СССР. Учреждения и лаборатории ВВС относятся к так называемому ведомственному надзору за КИА. Проверки КИА подразделяются на государственные, обяза- тельные и периодические. Государственной проверке подвергаются только те образцо- вые меры и измерительные приборы, которые не могут быть проверены® учреждениях ведомственного надзора. Обязательные проверки КИА осуществляются ведомственны- ми учреждениями и лабораториями. 185
После выполнения государственных и обязательных проверок на КИА накладывается .клеймо или выдается свидетельство. Сроки проведения государственных и обязательных проверок зависят от типа КИА, но не должны превышать два года. Периодические проверки выполняются в период между обя- зательными проверками, но ,не реже одного раза ев год. Резуль- таты периодических проверок и даты их выполнения записыва- ются в паспорта КИА. Сроки проверки КИА планируются и контролируются инже- нером части по авиационному оборудованию. В зависимости от назначения и .конструктивного исполнения вся КИА подразделяется на: — КИА общего применения; — КИА группового применения; — КИА индивидуального применения; — КИА комплексного применения. — КИА общего применения предназначена для не- посредственного измерения определенных физических величин (параметров). Наиболее часто такими величинами в авиацион- ном оборудовании являются: — напряжение постоянного и переменного тока U; — сила тока I; — электрическое сопротивление R; — частота f; — разрежение (статическое давление) Рст; — динамическое давление Рл; — давление жидкостей и газов. КИА группового применения включает в себя средства, с помощью которых осуществляется инструменталь- ный контроль групп устройств и приборов, основанных на одном и том же принципе действия или предназначенных для измере- ния одной и той же физической величины. Как правило, КИА группового применения имеют генераторы сигналов (датчики физических величин) и измерительные уст- ройства (рис. 9.1). Генераторы сигналов воспроизводят физиче- скую величину, которая или измеряется объектом контроля, или под действием которой он выполняет определенные функции. КИА группового применения используется при контроле со- стояния следующих типов авиационного оборудования: — генераторов постоянного и переменного тока; — регуляторов напряжения; — преобразователей постоянного тока в переменный; — защитной и коммутационной аппаратуры; — дистанционных электрических тахометров; — термометров; — тахометров; — измерителей расхода топлива; — агрегатов и устройств кислородного оборудования. - 186
к ИА индивидуального применения по структур- ной схеме аналогична КИА группового применения (см. рис. 9.1),. Отличие состоит в том, что с помощью КИА индивидуального' применения можно производить инструментальный контроль, только одного типа (или даже только одной модификации) авиа- Рис. 9.1. Принципиальные схемы подключения измеритель- ных устройств к объектам контроля: ОК — объект контроля, ИП; — измерительный прибор, ГС— генератор сигналов; ЭО — эталонный объект ционного оборудования. Подобная КИА проектируется с учетомг особенностей конструкций и электрических схем конкретных, объектов контроля. Для подключения этой КИА в большинстве- случаев используются рабочие электрические разъемы контро- лируемых агрегатов и блоков. Поэтому любая модернизация объектов контроля приводит к необходимости модернизации ш КИА. - С помощью КИА индивидуального применения осуществляет- ся инструментальный контроль таких агрегатов и систем авиаци- онного оборудования, как: — автопилотов; — демпферов; — навигационных вычислительных устройств; , - —= курсовых и пилотажно-навигационных систем; — авиагоризонтов; . — систем измерения и выработки топлива; — панелей запуска и устройств управления режимами рабо- ты авиадвигателей; — аэрофотоаппаратов и т. д. КИА комплексного применения предназначена для инструментального контроля нескольких (различных.по на- значению и принципу действия) приборов, агрегатов и систем, или даже всего комплекса авиационного оборудования данного- типа летательного аппарата. Конструктивно подобная КИА выполняется в виде отдельных комплексных установок, комплексных испытательных стендов. (КИС) и универсальных полевых лабораторий (УПЛ). 18Г
К КИА, используемой для инструментальных проверок авиа- ционного оборудования, предъявляются следующие основные тактико-технические требования: 1. Обеспечивать точность измерения и надежность (в смыс- ле безотказности КИА) по крайней мере на два порядка выше соответствующих характеристик объектов контроля. 2. Определять с высокой достоверностью состояние объектов (контроля, а результаты контроля представлять в простой и на- глядной форме, ,не требующей сложного анализа и высокой ква- лификации оператора. 3. Иметь простую и удобную в эксплуатации конструкцию, обеспечивающую безопасность в обращении и минимум трудоза- трат на процессы контроля. 4. Обеспечивать проверку? с помощью одной установки (при- бора) возможно большего числа агрегатов или систем. 5. Иметь (минимальные вес и габариты. Кроме перечисленных общих требований, к каждому (конкрет- ному типу КИА могут предъявляться специальные требования, •определяющие условия эксплуатации, допустимые величины по- грешностей измерения и т. и. Так, иногда указывается, что' при перебазировании КИА на автомашинах по проселочным доро- гам при тряске она должна выдерживать ускорения до 4 g. Для хранения некоторых типов КИА (особенно высокого класса точности) требуются сухие, вентилируемые помещения с температурой Т =. ф- 15 + 10°С. Допустимые изменения напряжений и частот источников электроэнергии для абсолютного большинства'КИА не должны превышать величин: U_ = 27 ± 2,7 в; U~ = 36 ± 2 в; f= 400 ± 8 гц. § 9.2. ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ ОЦЕНКА КИА ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ В КИА общего применения наибольшую часть составляют электрические измерительные приборы и недистанционные мано- метры. Они могут использоваться как отдельные приборы или входить в состав КИА группового, индивидуального и комплекс- ного применения. В таблице 9.1 приведены характеристики некоторой типовой КИА общего применения, используемой при инструментальных проверках авиационного оборудования. Применение многочисленных отдельных измерительных при- боров и устройств создает ряд неудобств в эксплуатации: — требуются дополнительные помещения для хранения и эксплуатации КИА; — возникают проблемы перебазирования КИА; — увеличиваются трудозатраты и время на подготовку авиа- ционного оборудования. 188
Для инструментального контроля авиационного оборудова- ния целесообразно 'использовать комбинированные измеритель- ные устройства. Они имеют несколько шкал, комплект шунтов и приспособлений, что позволяет одним устройством (прибором) измерять ряд физических величин (U, I, R и т. д) в широком диапазоне их изменения. В процессе эксплуатации необходимо тщательно следить за- состоянием КИА и строго выдерживать сроки обязательной и пе- риодической проверок. Таблица 9.1 1 Xs п/п. 1 Наименование и тип прибора Измеряе- мая величи- на Класс точно- сти Пределы измере- ния Примечание 1 Тестер Ц-56 R 1,0 0—3 kQ J_ J~ 1,0] 1,5/ 0—60 ма; 0—6 а; Допустимое изменение частоты U- . 1,01 1,5] 0-60 в; 0—600 в; /=50—1000 гц. 2 Амперметр 334315/40 J~ 0,5 0—10 а; 0—50 а; / = 50—400 гц 3 Амперметр М24 J- 1,0 0—100 ма; 0—100 а 4 Амперметр Э421 2,5 0—300 ма; / = 50 гц; /=180-550 гц. 5 Амперметр М4200 ' J- 2,5 0—10 а; 7=20 ±5°С 6 Вольтметр М24-4 U- 1,0 0—50 в; 7=20±5°С 7 Вольтметр М4200 U_ 2,5 0—30 в; 8 Вольтметр лам- повый МВЛ-2М u_ 2,5 0—10 мв; 0—300 в; 9 Вольтметр Д566 u~ 0,5 0—50 в; /= 180—550 гц 10 Вольтамперметр J~, U_ 2,5 100—0—100 ма; 50—0—50 в; 11 Мегометр М-1101 М Сопротив- ление изо- ляции 1,0 0—1000 мгом; ДС/пит = ЮО в 12 Микроомметр М-246 Перех. сопротив- ление 2,5 0—100 мком; от 100 мком до 1000 Мом; Т = 20±5°С 189»
§ 9.3. ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ ОЦЕНКА КИА ГРУППОВОГО ПРИМЕНЕНИЯ По конструктивному применению КИА группового примене- ния подразделяется на испытательные стенды, стационарные установки и переносные установки. КИА для проверки электрооборудования. Авиационные гене- раторы постоянного и переменного тока и стартер-генераторы проверяются на испытательных стендах. Стенды имеют привод <с регулируемой скоростью вращения, с которым сочленяется че- рез редуктор проверяемый генератор. Использование подобных стендов позволяет оценивать со- стояние авиационных генераторов как по отдельным парамет- рам (И, I, f и др.), так и по основным характеристикам: — холостого хода Е = ср (/в); — внешней U = <р (/); — регулировочной 4 = ® (4, где Е — э. д. с. генератора; I — ток нагрузки; 1В — ток возбуждения генератора. В состав стенда входят также система охлаждения '(воздуш- ная, жидкостная или смешанная), коммутационная и защитная аппаратура, измерительные приборы. Электрические нагрузки генераторов создаются с помощью реостатов, емкостей и индуктивностей. На рис. 9.2 показана структурная схема стенда для проверки генераторов постоянного тока. Подобные стенды позволяют про- Р и с. 9.2. Схема стенда для испытания генераторов постоянного тока: 1 — устройство регулирования скорости вращения привода генератора; 2 — привод ге- нератора; 3 — редуктор; 4 — датчик тахометра; 5 — тахометр; 6 — муфта сцепления; 7, 8 — регулятор и привод устройства охлаждения, А, Б — подача воздуха и охлаж- дающей жидкости; 9 — измеритель расхода охлаждающей смеси; , ... , В — включатели генератора и нагрузки изводить всесторонние испытания генераторов, а также проверки и регулировки всех 'остальных устройств энергосистемы (регу- ляторов напряжений, дифференциально-минимальных реле, 19й
трансформаторов устойчивости, автоматов защиты от перенапря- жений и т. д.). Как недостаток, следует отметить их громоздкость, сравни- тельно большой вес (1—2 т) и значительную потребляемую мощ- ность. Так, для питания привода генератора типа ГСР-СТ-12ВТ требуется электрическая мощность около 50 кет. Кроме того, если в качестве привода используются электродвигатели про- мышленного типа с малой скоростью вращения, то в стендах приходится применять сложные редукторы. Стенды для проверки генераторов применяются в войсковых ремонтных мастерских и в авиаремонтных предприятиях. Инструментальная проверка преобразователей постоянного тока в переменный производится также на стендах. Электриче- ские схемы таких стендов аналогичны схемам включения преоб- разователей на летательных аппаратах. Дополнительными явля- ются лишь устройства и измерительные приборы, позволяющие регулировать напряжение питания, электрическую нагрузку и измерять ряд параметров преобразователей. В таблице 9.2 приведены электрические параметры некоторых авиационных преобразователей, контролируемые с помощью стендов. Таблица 9.2 Тип преобра- зователя Контролируемые параметры Примечание потреб- ляемый ток, /-1«1 перемен- ное на- пряже- ние U- [в] перемен- ный ток, [«] частота, f [гч] темпера- тура коллек- тора, г°с ПО-4500 <280 115+4 <39,1 393—416 75 Напряжение ПО-1500 < 104 115+4 <13 390—416 75 питания преобразо- ПО-750А < 56 115+3,5 <6,5 380—420 75 вателей ПТ-1000Ц <60,5 36± 1,8 < 16,1 397—403 60 всех типов U_ = 24,3— ПТ-600 <43 36+1,8 < 9,6 392—408 60 —29,7 в Проверка угольных регуляторов напряжения осуществляется на переносных установках типа ППУР-42 и У-351. Динамические и статические свойства генераторов в этих ус- тановках имитируются с помощью магнитных усилителей. Одним из основных недостатков установки ППУР-42 является •малая точность измерения на всем диапазоне возможных изме- нений тока'возбуждения генератора. Для сравнения точностных характеристик установок ППУР-42, У-351 и угольного регулятора напряжения типа РУГ-82 на рис. 9.3 приведены кривые изменения их относитель- ных погрешностей Axnp в зависимости от тока возбуждения ге- 191
нератора 4- Анализ кривых на рис. 9.3 показывает, что по точ- ностным характеристикам установка У-351 является более со- вершенной, чем установка ППУР-42. Проверки дифференциально-минимальных реле (ДМР) всех типов выполняются с помощью стационарной установки типа ПУ-ДМР. Известно, что для определения момента срабатывания ДМР' в зависимости от величины обратного тока требуются достаточ- но мощные источники электро- Рис. 9.3. Кривые изменения отно- сительных погрешностей устано- вок ППУР-42, У-351 и регулятора РУГ-82 энергии и соответствующие на- грузки. В установке ПУ-ДМР предусмотрена возможность опре- деления момента отключения ДМР по величине обратного тока, протекающего не по последова- тельной, а по шунтовой обмотке поляризованного реле. Проверки генераторов, преоб- разователей, регуляторов напря- жения, ДМР производятся в ос- новном в лабораторных условиях, ню связано со____значительными трудозатратами (главным обра- зом на демонтажно-монтажные работы). Например, для провер- ки ДМР на установке ПУ-ДМР требуются трудозатраты около 0,4 чел.-часа, а на демонтажно- монтажные работы ДМР—1—3 чел.-часа. Трудозатраты на процессы инструментального контроля элек- трооборудования (равно как и других видов авиационного обо- рудования) можно существенно уменьшить за счет: — обеспечения при конструировании удобных подходов к ос- новным агрегатами блокам; — применения креплений агрегатов и блоков, позволяющих с минимальными трудозатратами производить их съем и уста- новку; — 'более широкого внедрения контрольных разъемов и встро- енных элементов контроля; — совершенствования методов контроля и конструкции са- мой КИА. КИА для проверки приборного оборудования. Инструмен- тальная проверка группы мембранно-анероидных приборов осу- ществляется с помощью установок типа УМА-1, УМАП, КПУ-3 (КПУ-5) и установок повышенной точности. Указанные установ- ки позволяют создавать давление (Дд) и разрежение (/?ст) воз- духа. Для этих целей они имеют вакуум-насосные агрегаты (ге- нераторы сигналов). Конструктивно установка УМА-1 выполнена в виде стойки 192
(рис. 9.4), в верхней части которой размещены барокамера объемом 21,8 дм? и пульт управления, а ,в нижней — вакуум-на- сосный агрегат. Переносная установка УМАП смонтирована в двух металли- ческих ящиках чемоданного типа. В одном из них размещен ва- куум-насосный агрегат с электроприводом от сети постоянного тока, и в другом — четыре контроль- ных прибора: ВД-25К, КУС-2500К, ВАР-300К и М-2.5К. Контрольные приборы по конст- рукции аналогичны применяемым на летательных аппаратах. Для повы- шения точности отсчета они имеют только увеличенную шкалу (диа- метром 120 мм вместо 80 мм у обыч- ных приборов). На рис. 9.5 изображены кривые Р и с. 9.4. Внешний вид установки УМА-1 со снятым кожухом: 1 — барокамера; 2 — пульт управления; 3, 4 — баллоны вакуума и давления; 5 — компрессор; 6 — электродви- гатель; 7 — вакуум-насос; 8 — пневмоэлектросхема ус- тановки Р и с. 9.5. Кривые изменения относительных погрешностей ВД-28, КУС-2500 и установок УМА-1 и УМАП изменения относительных погрешностей высотомеров типа ВД-28 и указателей скорости типа КУС-2500. Там же показаны кривые изменения относительных погрешностей измерительных приборов установок УМА-1 и УМАП. Из анализа кривых видно, что установка УМА-1 имеет точностную характеристику лучше, чем установка УМАП. Практически с помощью установки УМАП можно определить лишь работоспособность группы мембранно-анероидных приборов. В установках повышенной точности имеется несколько чувст- вительных элементов, каждый из которых работает только ® оп- ределенном диапазоне давлений и разрежений. Кроме того, уменьшены механические нагрузки на чувствительные элементы 13. Румянцев Е. А. и др. 193
за счет применения следящих систем. Один из возможных вари- антов подобной следящей системы показан на рис. 9.6. Следящая система установки выполнена таким образом, что при равенстве воздушных .зазоров в сердечниках магнитопрово- дов 8j = В2 на входе усилителя У напряжение равно нулю, так как Ui—U2 = 0. При изменении статического давления дсг за Р и с. 9.6. Следящая система установки по- вышенной точности счет деформации коробки А перемещается сердечник Сь Это приводит к появлению неравенства о2 ф о,. На входе усилителя У появляется сигнал U—1Д=Ь 0, фаза которого- зависит от на- правления перемещения сердечника Сь Под действием усиленно- го сигнала электродвигатель Д с помощью кулачка К переместит •сердечник С2 в положение, когда = 82. Одновременно с ку- лачком перемещается стрелка указателя высоты Ук . Установки повышенной точности (УКАМП и др.) применяют- ся при проверке как отдельных мембранно-анероидных прибо- ров, так и централизованных устройств измерения барометриче- ской высоты и воздушной скорости полета. Характеристики одной из таких установок ‘повышенной точ- ности приведены в табл. 9.3. Таблица 9.3 Измеряемая величина В ММ. рт. ст. Допустимая абс. погреш- ность в ям. рт. ст. Статическое давление Диапазоны измерения 815—580; 580—170; 170—8; Динамическое давление Диапазоны измерения 0—200; 200—1400. ±0,25—0,70 ±0,25—2,5 194
Значительную группу авиационных приборов составляют тер- моэлектрические термометры и термометры сопротивления. Основным методом проверки термометров является метод замещения датчика или указателя соответствующим эталоном. Примером установки для проверки термометров .может служить установка УПТ-1М. Она имеет милливольтметр класса точности 1,0 с несколькими пределами измерения и сменными шкалами, регулировочные потенциометры и калибровочные сопротивления. Как недостаток установки УПТ-1М следует отметить тот •факт, что в ряде случаев она не обеспечивает требуемой точности измерения. Так, указатель темпе- ратуры выходящих газов ТВГ-11 имеет в диапазоне 55—95% изме- ряемой величины меньшую от- носительную погрешность, чем •сама установка УПТ-1М (рис. 9.7). Этот же недостаток, хотя и в меньшей степени, обнаруживается и при проверке термометров типа ТСТ-29. Рис. 9.7. Кривые изменения относительных погрешностей ТВГ-11, УПТ-11М и ТСТ-29 Проверка группы авиационных тахометров осуществляется с помощью стационарной установки КТУ-1М. К авиационным тахометрам предъявляются высокие требо- вания к точности измерения скорости вращения роторов и валов авиадвигателей: на всем диапазоне измерения величина абсо- лютной погрешности не должна превышать значения +0,5%. В установке КТУ-1М в качестве эталонного тахометра при- меняется мостовая балансирующая схема с нульиндикатором. Это обеспечивает измерение скорости вращения с погрешностью, не превышающей +0,3% ее абсолютного значения. Установка КТУ-1М позволяет проверять комплекты тахометров лишь в ла- бораторных условиях. Использование установки КТУ-1М непо- средственно на стоянке затруднено по причине значительного веса (около 40 кг) и необходимости питания электропривода пе- ременным напряжением 220/380 в. Для проверки измерителей мгновенного и суммирующего расходов топлива используется установка типа УПР-4. Она со- стоит из гидравлического агрегата и измерительного пульта со счетчиками. Проверка расходомеров производится путем прока- чивания через их датчики определенного объема топлива. Этот объем измеряется одновременно контролируемым и эталонным расходомерами. Разность между показаниями указателей расхо- домеров принимается равной абсолютной погрешности измере- ния. Применение керосина и бензина в установке УПР-4 создает 195
ряд трудностей при ее эксплуатации (предохранение топлива от загрязнения и периодическая его замена, противопожарная бе- зопасность) . Установка УПР-6 вместо гидравлического агрегата имеет (вентилятор с приводом от электродвигателя постоянного тока. Вентилятор прогоняет воздух через датчик расходомера и тем самым раскручивает его турбинку. Оценить погрешность изме- рения таким способам весьма затруднительно. Проверка группы манометров производится .с помощью уста- новок ГУПМ и ЭУПМ. ГУПМ представляет собой гидравличе- ский агрегат, .предназначенный для создания давлений жидкости до 250 кг/см2. Совместно с эталонным манометром он служит для проверки датчиков манометров гидросистем. Установка ЭУПМ обеспечивает проверку указателей электрических дистан- ционных .манометров типа ЭДМУ и ЭМ и используется .в ком- плекте с ГУПМ. В табл. 9.4 приведены ориентировочные данные по трудозат- ратам на процессы контроля отдельных типов авиационного обо- рудования с помощью КИА группового применения. Таблица 9.4 № п/п Наименование выполняемых работ Используемая КИА Средние трудо- затраты в чел-ча- сах 1 Проверка группы мембранно- анероидных приборов (ВД, КУС, М, ВАР) УМАП, УКАМП 2,5 2 Проверка комплекта тахомет- ра типа ИТЭ-2 КТУ-1М 1,2 3 Проверка термометра типа 2ТВГ УПТ-1М 1 f 4 Проверка группы манометров 2M-T50, МВ-250, 2М-40, МГ-250 ГУПМ 1,& 5 Проверка группы преобразо- вателей ПО-750, ПТ-500Ц, ПТ-70Ц Установка для проверки преобра- зователей 3,1 Примечание. В табл. 9.4 не учтено время на демонтажно-монтажные- работы проверяемых агрегатов, которое неодинаково для различных типоа летательных аппаратов. Кислородное оборудование проверяется с помощью устано- вок КУ-6, КУ-8, КУ-5 и КУ-7. Установки КУ-6 и КУ-8 являются переносными и предназначены для проверки масок, шлангов,, кислородных приборов, редукторов, компенсирующей одежды не- посредственно на борту ЛА. Установки обеспечивают проверку: герметичности, гидравли- ческого сопротивления, настройки регуляторов и клапанов. 196
В -качестве основных элементов в установках используются: — мановакуумметр, позволяющий измерять давление газовой смеси в пределах О1—2000 мм вод. ст. -и разрежение в пределах Ю—1500 мм. -вод. ст.; — реометр (дифференциальный манометр), предназначенный для измерения расхода кислорода в пределах 0,1—100 л/мин. Процентное содержание кислорода в газовой смеси, подавае- мой легочными автоматами, с помощью установок КУ-6 и КУ-8 определить нельзя. Стационарные установки КУ-5 и КУ-7 предназначены для проверки комплектов кислородного оборудования с имитацией условий вы-сотного полета. Для этих целей в установке, например, КУ-5 имеется баро- камера емкостью 77 л и вакуум-насосный агрегат, с помощью которого можно создавать избыточное давление и разрежение в пределах 0—2000 мм. вод. ст. Установки КУ-5 и КУ-7 позволяют измерять процентное со- держание кислорода в газовой смеси, высоту включения и вы- ключения непрерывной подачи, величины подач кислорода ле- гочным автоматом в наземных и высотных условиях. Инструментальная проверка кислородного оборудования в условиях лаборатории .и непосредственно на ЛА требует значи- тельных трудозатрат. Для сравнения можно указать, что трудо- затраты на комплексный осмотр -одного комплекта ККО состав- ляют в -среднем 0,7 чел.-часа, а на 100-часовыерегламентпыера- .боты этого же комплекта —около 10 чел.-часов. § 9.4. ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ ОЦЕНКА КИА ИНДИВИДУАЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ КИА индивидуального применения, в зависимости от объектов контроля, может содержать различное количество* отдельных установок и пультов. Наиболее характерной в этом отношении является КИА для проверки некоторых автопилотов. В качестве примера в табл. 9.7 приведен перечень основных установок и пультов, применяемых для проверки автопилотов типа АП-6Е. Многочисленность пультов и установок является следствием того, что КИА индивидуального применения разрабатывается к уже готовым объектам контроля. Образно выражаясь, КИА «приспосабливалась» для выполнения процессов контроля -опре- деленных типов авиационного оборудования. В настоящее время авиационное оборудование исследуется как -объект контроля на этапе проектирования. Это позволяет заранее предусматривать -в конструкциях блоков и агрегатов встроенные элементы контроля и контрольные .разъемы. Так, во многих агрегатах .и блоках авиационного оборудования контро- лируются: 197
— напряжение -питания постоянным и переменным током; — величины потребляемых токов; — частота; — коэффициенты усиления; — порядок чередования фаз и т. д. Т а б л и ц а 9.7 № п/п. Наименование контролируемого агрегата или блока автопилота Тип установки или пульта 1 Центральная гировертикаль Пульт проверки ЦГВ, поворот- ная установка 2 Корректор высоты Пульт КВ-11 3 Гирополукомпас (курсовая систе- Пульт ГКП-52АП, блок связи с ма типа КС) КС, поворотная установка 4 Рулевые машины Установка РПМ-53 5 Усилитель рулевых машин Пульт УРМ 6 Блок демпфирующих гироскопов Пульты БД Г или ДГ, поворот- ная установка 7 Пульт управления Установка ПУ АП-6Е 8 Стабилизатор прицела Пульт СП При наличии контрольных (и соответственно однотипных)- разъемов перечисленные параметры можно проверять в любых устройствах с по,мощью одной универсальной установки. Наглядным примером использования встроенных элементов, контроля и контрольных разъемов может служить установка. ППА-1. Она применяется при проверках автопилота типа КАП на работоспособность без демонтажа электрожгутов. С помощью установки ППА-1, подключенной к -бортовому контрольному разъему, можно -подавать в схему автопилота тес- товые электрические сигналы. Тестовые сигналы имитируют из- менение углов крена 7, угловой скорости у. На рис. 9.8 изображена одна из возможных принципиальных схем устройства для имитации изменения сигнала у при конт- роле работоспособности КАП на земле. Схема работает следующим образом. Нажатие переключа- теля 271 влево вызывает срабатывание -реле Через замкнув- шиеся контакты Р12 от выпрямительного моста Ву в обмотку уп- равления мапн-итного усилителя (МУ) подается тестовой сигнал определенного знака. Срабатывание реле Р% приводит к измене- нию знака тестового сигнала на обратный. Усиленный сигнал поступает в электродвигатель рулевого» агрегата »(РАУ). Вместе -со штоком РАУ перемещается ползу- нок I потенциометра обратной связи (ПОС РАУ). На,правде* 198
нйе движения штока РАУ (соответственно и ползунка I) зависит от знака тестового сигнала, что контролируется с помощью ин- дикаторной лампы Л1. Рис. 9.8. Схема контроля работоспособности КАП Потенциал сетки Лх относительно катода определяется поло- жением ползунка I на ПОС РАУ. Автопилот считается исправ- ным, если при включении реле сектор лампы Л{ сужается (ползунок I перемещается вверх от среднего положения), а при включении Рч — расширяется (ползунок I перемещается вниз от среднего положения). Имитация изменения угла у осуществляется с помощью схе- мы, показанной на рис. 9.9. Закорачивание фаз сельсинной пере- дачи переключателем 772 приводит к изменению направления Р и с. 9.9. Схема имитации изменения угла крена результирующего потока .в 'сельсине-приемнике (СП) фазочув- ствительного выпрямителя (ФЧВ). Под действием выпрямлен- ного сигнала U = у, который усиливается магнитным и релей- ным усилителями, также происходит перемещение штока РАУ. На подобном же принципе построена проверка работоспособ- ности авиагоризонта АГД-1 (рис. 9.10). 199
. Контрольный пульт АГД-1 имеет сельсин-приемник СП2, ро- тор которого .можно поворачивать с помощью рукоятки РП. Это позволяет подавать тестовые сигналы определенной фазы в уси- литель У следящей рамки 1 и тем самым вызывать ее поворот (искусственное создание крена с углам т). При поворотах сле- дящей рамки 1 на углы f >+30° на внутреннюю рамку 3 гиро- вертикали накладывается момент и гироскоп начинает прецес- сировать в плоскости угла тангажа. Рис. 9.10. Схема подключения контрольного пульта к АГД-1 Контрольные пульты (для проверки работоспособности демп- феров, 'курсовых систем), аналогичные описанным выше, весьма удобны в эксплуатации и позволяют одному специалисту с не- значительными трудозатратами в периоды подготовок авиатех- ники к полетам проверять работоспособность сложных систем. Состояние сложных систем авиационного оборудования, та- ких, как курсовых, пилотажно-навигационных, измерения и вы- работки топлива и т. п., определяется по большому числу конт- ролируемых параметров. Например, при проверке комплекта курсовой системы КСИ с помощью установки УП КСИ прихо- дится измерять около 20 параметров, что требует трудозатрат около 3,2 чел.-часа. 200
§ 9.5. ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ ОЦЕНКА КИА КОМПЛЕКСНОГО ПРИМЕНЕНИЯ Комплексные испытательные стенды (КИС) выполняются в виде специализированных тележек, на которых смонтирована наиболее часто используемая КИА. Необходимость в КИС возникает .в тех случаях, когда для выполнения работ непосредственно на летательном аппарате тре- буется несколько установок и измерительных приборов (провер- ка оборудования после выполнения регламентных и ремонтных работ, проведение 'комплексных осмотров, поиск неисправно- стей) . На рис. 9.11 показан внешний вид КИС, предназначенного для проверок авиационного оборудования одного из типов само- лета. С помощью этого КИС можно производить инструменталь- ную проверку: — мембранно-анероидных приборов; — авиагоризонта (типа АГД-1); — курсовой системы (типа КСИ); — электрической системы управления воздухозаборником (ЭСУВ); — автопилота (типа АП-28). Рис. 9.11. Внешний вид комплексного испытательного стенда В состав КИС входят установки УМАП, ППУ-АРУ, КП-АГД, КП-КСИ, ППД-3, ПА-28, а также измерительные приборы и шлейфовые осциллографы (типа К-12-22). Для измерения потребляемых токов (до 150 а) и записи ди- намических параметров в комплекте КИС имеются переходные электрожгуты. 201
По сравнению с отдельными установками и приборами КИС обладают рядом преимуществ: — создаются более благоприятные условия для специалистовг производящих проверки (удобное размещение приборов и ус- тановок, наличие необходимого инструмента, удлинительных жгутов, предусмотрена защита от непогоды и т. д.); — КИС можно легко транспортировать в условиях аэродро- ма вручную или как прицеп к любой автомашине. Основными недостатками КИС, 'как и любых других неав- томатических средств контроля, являются: — большие трудозатраты и время на процессы контроля; — необходимость выполнения значительного объема демон- тажно-монтажных работ (только для целей контроля), что мо- жет влиять также и на снижение надежности авиационного оборудования. КИС, предназначенные для контроля состояния авиационно- го оборудования, силовой установки, систем и агрегатов пла- нера и т. д., могут устанавливаться в кузове специализирован- ной автомашины. В этом случае поверочные пульты КИС монти- руются в один пульт внутри кузова автомобиля. В задней части пультов имеются контейнеры с кабелями и шлангами, намотанными на катушки. Через люки в борту авто- машины с помощью этих шлангов и кабелей проверочные пуль- ты соединяются с летательным аппаратом (объектом контроля). Пульты КИС могут использоваться и как отдельные прове- рочные установки вне кузова автомашины. Установка КИС на автомашины существенно увеличивает их мобильность, а. соответственно и боеготовность летательных аппаратов. Кроме того, двигатель автомашины может быть ис- пользован в качестве привода генератора постоянного тока, что особенно важно при подготовках авиационной техники на поле- вых аэродромах. Так, применение в качестве привода генератора СТГ-18ТБ двигателя автомашины ЗИЛ-157 позволяет осуществ- лять поверки оборудования с нагрузкой до 300 а длительно и до 1500 а кратковременно (до 5 сек). Скорость вращения двигателя автомашины при этом регулируется, как и у обычных АПА (электромагнитный регулятор управляет дополнительной дрос- сельной заслонкой карбюратора). Параллельно с генератором включается аккумуляторная батарея типа 12АСА-145. Эти же источники электроэнергии могут применяться и для 'запуска си- ловых установок. Универсальные полевые лаборатории (УПЛ). Для выполне- ния регламентных работ и войскового ремонта авиационного оборудования могут применяться следующие УПЛ: — лаборатория электрооборудования (ПЛЭ); — лаборатория электронной автоматики (ЛЭА); — лаборатория приборного оборудования (ЛПУ); — лаборатория кислородного оборудования (ЛКУ). 202
Иногда в состав подвижных средств ТЭЧ ап и ВАРМ могут входить также УПЛ авиационного фото- и кинооборудования. Оборудование УПЛ монтируется в унифицированных блок- контейнерах, в которых размещается КИА, инструмент, расход- ные материалы, источники электроэнергии. По конструктивному наполнению блок-контейнеры аналогичны КИС. Применение .блок-контейнеров позволяет перебазировать обо- рудование УПЛ любыми видами транспорта, что повышает мо- бильность УПЛ и позволяет более эффективнее использовать ав- томашины. В каждой из УПЛ оборудуются несколько рабочих мест для производства проверок и войскового ремонта авиационного обо- рудования. Применение в УПЛ собственных источников электроэнергии обеспечивает автономность их работы.. Таблица 9.5 № п/п Наименование контролируемого оборудования Наименование КИА 1 Генераторы, старт ер-генераторы, электрические топливные насосы и двигатели типа МУ Стенд 6 СП 2 Преобразователи типа ПО, ПТ и МА Стенд 3 СП 3 Автоматы защиты от перенапряжений, ДМР панели запуска, коробки аэродромного питания, лампы—фары Пульт 4 ПП 4 Аппаратура систем зажигания авиадвигателей, коробки управления генераторами переменного тока Пульт 2 ПП 5 Электромеханизмы типа МП, МЗК и др. Пульт 1 СП Таблица 9.6 № п/п Наименование контролируемого оборудования Наименование КИА 1 Автоматическое навигационное устройство ти- па АНУ-1 КПА-14 2 Автопилот типа АП-28 ПА-28 3 Система автоматической выработки топлива СЭТС-260В УПА-260В 4 Система измерения топлива УПТЕ-2М 5 Астрономический компас типа ДАК-ДБ УПАК-ДБ 6 Пилотажно-навигационная система типа «Путь» УПП-6 7 Курсовая система типа КС-6 УПКС 20$
Не останавливаясь подробно на описании всех перечисленных УПЛ, рассмотрим кратко лишь состав оборудования двух лабо- раторий: электрооборудования и электронной автоматики. Примерный перечень КИА одной ив лабораторий электрообо- рудования приведен в табл. 9.5. Возможный вариант состава КИА лаборатории электронной автоматики перечислен в табл. 9.6, Кроме мастерских и лабораторий, в состав подвижных средств ТЭЧ ап и ВАРМ входит также и подвижный диспетчерский пункт (ПДП). Таким образом, производственная база УПЛ позволяет свое- временно и 'качественно выполнять все виды работ, предусмот- ренные едиными регламентами и технологиями обслуживания и войскового ремонта авиационного оборудования. В заключение настоящей главы необходимо отметить, что про- верки авиационного оборудования с помощью существующих неавтоматических средств контроля обладают рядом недостат- ков: 1. В эксплуатации находится большое количество различной серийной КИА. 2. Унификация КИА применяется лишь в исключительных случаях. 3. Большинство КИА имеет шкальные измерительные прибо- ры, что связано с возможным появлением погрешностей измере- ния за счет субъективных свойств оператора. 4. Время и трудозатраты на процессы контроля достаточно велики, что затрудняет своевременную подготовку авиационно- го оборудования к полету. 5. Для производства процессов контроля состояния авиаци- онного оборудования с применением КИА требуются специали- сты высокой квалификации.
Глава X АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ § 10.1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ В развитии авиационной техники -за последние годы можно отметить два важных направления. Одно из них связано с ав- томатизацией процессов управления и боевого применения само- лета, которая сопровождается усложнением и высокой степенью комплектирования различных видов оборудования и вооруже- ния. Другое направление характеризуется разработкой и внед- рением в практику эксплуатации комплексных средств инстру- ментального' контроля самолета и его оборудования, в том числе автоматических Систем контроля. Автоматизация и комплексирование различного оборудова- ния и вооружения обусловлены как расширением и усложнением круга решаемых боевых задач, так и необходимостью хотя бы- частично снять большое психо-физиологическое напряжение с экипажа в полете. Автоматизация контроля в свою очередь дик- туется необходимостью повышения достоверности и объектив- ности оценки технического -состояния самолета, а также -сокра- щения времени и трудозатрат -на подготовку его к полету. Она непосредственно направлена на повышение надежности и готов- ности авиационной техники. Отмеченные направления в развитии авиационной техники яв- ляются взаимосвязанными и -влияют друг на друга. При жестких требованиях по боеготовности и безопасности полета автомати- зация и комплектирование оборудования неизбежно влекут за собой автоматизацию процессов контроля его состояния на зем- ле и -в полете. Дело в том, -что увеличение -состава и усложнение оборудования сопровождаются, -как -правило-, некоторым сниже- нием его надежности, что требует -более частого и глубокого контроля состояния как отдельных систем, так и комплекса -обо- рудования -в целом. В этих условиях даже весьма -совершенные комплексы оборудования могут оказаться эксплуатационно не- пригодными без эффективных -средств контроля. При использо- вании обычных неавтоматических средств значительно увеличи- ваются как время подготовки -самолета к вылету, так и общие 205>
трудозатраты на содержание его в исправном состоянии. Реше- ние проблемы состоит в применении автоматических систем контроля с .построением на их базе прогрессивных, высокопроиз- водительных способов подготовки самолетов к полетам. Авто- матизация и ко.мпл0ксирование оборудования, установка на са- молетах бортовых ЦВМ создают известные к этому предпосылки. Автоматические системы контроля (АСК) позволяют в сжа- тые сроки, с относительно малыми затратами труда осуществить всестороннюю проверку самолета и его оборудования с получе- нием более полной и объективной информации о их состоянии. При этом не требуется съем и демонтаж агрегатов оборудования для его проверки. Особенно важно, что АСК позволяют в про- цессе .подготовки самолета проводить не только контроль рабо- тоспособности, но и автоматический поиск неисправностей (диагностический контроль), а при соответствующем конструк- тивном выполнении и автоматическое прогнозирование состоя- ния авиационной техники на предстоящий период эксплуатации. Автоматический контроль имеет также другую, не менее важ- ную область применения. Высокая степень насыщения современного летательного ап- парата сложными агрегатами, системами и комплексами обору- дования весьма затрудняет, а на некоторых ответственных эта- пах полета практически исключает возможность контроля за их функционированием со стороны экипажа. О трудности управ- ления и контроля в полете дает представление следующая таб- лица примерного количественного состава оборудования кабин современных самолетов: Приборы, устройства контроля и управления Истребители Бомбардировщики кабина летчика кабина штурмана Приборы 30—40 40—50 40—50 Световые сигнализато- 30—50 60—90 50—60 ры Тумблеры, кнопки, рео- 70—130 250—270 230—290 статы и т. п. Рычаги 20—30 10—20 20—40 Всего 150—250 350—400 350—450 В условиях отказов оборудования в полете отсутствие необ- ходимого контроля и своевременной реакции на отказ может создать предпосылки к летным происшествиям, привести к не- выполнению полетного задания или другим тяжелым послед- ствиям. Кроме того, современные самолеты имеют определенные .206
ограничения по той или иной группе координат движения (по скорости, высоте .полета, .перегрузке и т. л.), что вызывает не- обходимость их- контроля для предупреждения выхода на опас- ные режимы полета. Бор/побыв сдк лизооаннш Системы автоматического контроля и регистрации Специалй\ [Универ- Д6арий-\ рл зироВанжц сальные] ные [та Наземные САК орто&ые систе- мы регистрации Контроль технического состояния оборудования и параметров Допета. Управление надежностью и безопасностью 8 полете Ун ибер - сальные Казенно - бортовые САК Деиентра Централи ри:::з::::о: заданные Эксплуа- тационные Контроль техническая диагностика и прогно- зирование состояния оборудования при под- готовке к полету Технике с кая диагнос- тика и прогнозиро- вание по полетным данным. Эксплуатация по фактическому сос- таянию Рис. 10.1. Классификация автоматических систем контроля и регистрации Эта проблема находит свое разрешение в оснащении самоле- тов бортовыми автоматическими системами .контроля состояния оборудования и параметров полета. Подобные системы, разгру- жая экипаж от многих функций контроля и упрощая управление оборудованием, автоматически локализуют неисправности, вклю- чают резерв, анализируют координаты движения и выдают не- обходимые сигналы членам экипажа и на органы управления. Таким образом, с помощью бортовых АСК решается весьма важная задача повышения безопасности .полета и вероятности выполнения полетного задания. В качестве объективных средств контроля, помимо АСК, в настоящее время используются также бортовые системы реги- страции полетных данных. Классификация систем автоматического контроля и регистра- ции по назначению и месту размещения приведена на рис. 10.1. Там’же указаны и решаемые с их помощью основные эксплуата- ционные задачи. 207
Наземные автоматические системы контр о- л я применяются при подготовке летательных аппаратов к по- лету и служат для получения и автоматической обработки ин- формации о техническом состоянии летательного аппарата и его оборудования, включая проверку и оценку их работоспособности, поиск и указание неисправностей, прогнозирование состояния. По .составу контролируемого оборудования наземные системы автоматического контроля разделяют на универсальные и спе- циализированные. Универсальные системы приспособлены для контроля всего комплекса оборудования самолетов одного или нескольких типов. При разработке универсальных систем контроля в инте- ресах упрощения их конструкции и уменьшения времени прове- рок обычно ограничиваются контролем жизненно важных само- летных систем и агрегатов, от работоспособности которых непо- средственно зависят безопасность полета и эффективность боевого применения самолета. Специализированные системы предназначены для контроля оборудования только одного вида или для контроля отдельных комплексов оборудования, например, силовых уста- новок, комплексов автоматического управления и навигации, радиоэлектронных комплексов, вооружения и т. п. Бортовые автоматические системы контро- л я предназначены для контроля состояния оборудования и уп- равления им в полете, а также для контроля координат движе- ния самолета. Эти системы, автоматически формирующие и об- рабатывающие информацию о состоянии оборудования и координатах движения, по виду управления оборудованием раз- деляются на две группы. В первой из них результаты контроля в виде сигналов об отказах технических устройств и выходе на критический режим полета выдаются членам экипажа, которые принимают решение и управляют оборудованием, предотвращая неблагоприятные последствия. Такие системы называют авто- матизированными. Во второй группе те же операции уп- равления выполняются автоматически, например, путем автома- тического отключения отказавших и включения резервных устройств, автоматического изменения нагрузки, выдачи сигна- лов на органы управления самолетом и т. п. Такие системы на- зываются автоматическими. В них сигнализация летчику и другим членам экипажа носит вспомогательный характер. По принципу построения и объему решаемых задач .бортовые системы контроля классифицируют на децентрализованные и централизованные. Децентрализованные системы строятся по принципу раздельного (индивидуального) контроля технических устройств и некоторых групп координат движения самолета (параметров полета). Они не имеют единых, общих устройств обработки ре- зультатов контроля по летательному аппарату и его оборудова- 208
нию в целом и решают ограниченные, частные задачи. К децент- рализованным АСК относятся различные устройства встроенного контроля (УВД), блоки безопасности (ББ), блоки контроля (БК) (например, блок контроля силовой установки, блок безопасности САУ и т. .п.). К децентрализованным относятся также блоки ограничения (БО), .контролирующие основные параметры поле- та и выдающие сигналы летчику (и на органы управления) при выходе на критические режимы полета, «блоки подсказки лет- чику» |(БПЛ), в которых блоки ограничения дополняются блока* ми речевых команд (БРК), и другие устройства аналогичного принципа построения. Централизованные системы осуществляют автомати- ческий контроль технического состояния оборудования и пара- метров полета с обработкой всей информации о полетных дан- ных в едином устройстве, в качестве которого обычно исполь- зуется- цифровая вычислительная машина. Подобные системы с централизованной обработкой реализуют контроль и управление оборудованием ib условиях отказов и возникновения опасных ре- жимов полета по определенным алгоритмам, обеспечивающим наибольший уровень безопасности и вероятности выполнения за- дачи полета. При этом не исключается выдача рекомендаций летчику (например, через блок речевых команд), помогающих ему принять правильное решение в особых случаях полета. Если централизованная бортовая система приспособлена также для проведения контроля при наземной подготовке само- лета к вылету, то такую систему называют универсальной н а з е м н о-б о р т о в о й. Бортовые системы автоматического контроля различают так- же по признаку наличия долговременного запоминающего уст- ройства (ДЗУ), сохраняющего результаты контроля для после- дующего анализа на земле. Если АСК содержит ДЗУ, то она становится по существу комбинированной бортовой системой ав- томатического контроля и регистрации. Бортовые системы регистрации полетных данных (БСРПД) предназначены для автоматического полу- чения, накопления и хранения на борту объективной информации о полетных данных, включающих в себя параметры техническо- го состояния самолета и его оборудования, координаты движе- ния самолета, операции членов экипажа по управлению самоле- том, их переговоры между собой и землей, данные о внешних ус- ловиях полета и другие. В отличие от бортовых систем автоматического контроля системы регистрации являются устройствами пассивного типа. Они не формируют каких-либо команд или сигналов управле- ния и не выполняют активных функций контроля, а только ре- гистрируют и хранят в той или иной форме в устройствах памя- ти полетные данные. Обработка накопленной в БСРПД инфор*. 14. Румянцев Е. А. и др. 209
мадии и ее анализ проводятся на земле, после полета. Подробно Дти системы рассматриваются в гл. XI. ‘ Помимо классификации по назначению, автоматические си- стемы контроля различают по форме, в которой 'ведется обра- ботка информации, поступающей от объектов контроля: -— в аналоговых автоматических системах контроля инфор- мация обрабатывается в непрерывной форме; — в дискретных (цифровых) автоматических системах конт- роля информация от измерительных устройств, поступающая, как правило, в непрерывной форме, предварительно преобразует- ся в дискретную форму и затем обрабатывается также в дискрет- ной (цифровой) форме. Автоматические системы контроля характеризуются также способом оценки состояния оборудования. Системы с д опус ков ым контролем оценивают состояние объекта по принципу «годен — не годен», «больше — норма — меньше». При оценке «годен — не годен» устанавли- вается соответствие критерия качества объекта контроля х эта- лонному значению с учетом допустимых отклонений — «хн; Н- р хн. Если х„(1-а) <х<лн(1+₽), то система оценивает 'состояние объекта как «годен», если X > лн(1 -ф Р); х<хн(1—а), то — «не годен» (рис. 10.2). Хн X r.?.H 1 я» ; х Е— Допуск ----ч Меньше j_____Норма___j Больше Xmi.n X Xnjaz ' X -150 -100 -50 0 50 ЮО ,---1--1—d------,---,--- Хтса Хн Хтпах h--- Хд —4-— Хд I I И--Допуск-------] Р и с 10.2. Допусковая и количественная . оценка параметра 210
Если критерий качества объекта задан рядом параметров Xi, х2; • , хп, для каждого из которых установлен свой допуск, то АСК оценивает состояние объекта «не годен» при выходе за пре- делы поля допуска хотя бы одного из этих параметров. Следует указать, что оценка по принципу «годен — не годен» не позво- ляет производить регулировки объекта и прогнозировать его со- стояние. При оценке по принципу «больше — норма — меньше» уста- навливается соответствие измеряемого параметра х эталонному значению хи (с учетом поля допуска) с указанием знака откло- нения при выходе х из поля допуска. Указание.знака отклонения контролируемого параметра необходимо для тех объектов, ко- торые в процессе эксплуатации подвергаются регулировке и под- стройке. ---- - ----- — — . _ Системы с количественным контролем дают количественную оценку измеряемого параметра как в виде аб- солютного значения параметра, так и в относительных единицах отклонения от номинала в поле допуска (рис. 10.2). Измерение абсолютного значения параметра или оценка его некоторым относительным коэффициентом отклонения позволя- ет производить регулировку объекта_и прогнозировать его со- стояние на последующий период эксплуатации. Функциональные возможности АСК определяются тем, какой из видов контроля они выполняют: контроль работоспособности (допусковый, количественный), диагностирующий контроль (с поиском неисправности), контроль с прогнозированием. § 10.2. СОСТАВ И ПАРАМЕТРЫ КОНТРОЛИРУЕМОГО ОБОРУДОВАНИЯ При разработке автоматических систем контроля последова- тельно выбирается состав подлежащего контролю авиационного оборудования, устанавливаются состояния объектов контроля и их признаки, определяется на этой основе перечень контролируе- мых параметров. От того, насколько рационально выбран со- став контролируемых параметров, непосредственно зависит эф- фективность применения АСК и такие ее показатели, как вес и габариты, сложность конструкции и др. Методические основы выбора подлежащих контролю агрега- тов и систем оборудования являются общими для бортовых и наземных систем автоматического контроля. Некоторые особен- ности вытекают из назначения и последующей обработки данных контроля. Выбор состава контролируемого- оборудования произ- водится на основе накопленного опыта проектирования и экс- плуатации по объективным количественным критериям, которые позволяют оценить ,и сопоставить различные системы оборудова- ния с учетом их эксплуатационной надежности по степени влия- ния отказов в них на выполнение полета, отобрать для контро- 14* 211
ля наиболее ответственные и жизненно важные .системы и агре- гаты. При этом учитывается эффект от применения автомати- ческого контроля параметров по повышению безопасности поле- та и вероятности выполнения боевых и учебно-боевых 'задач, по •снижению трудозатрат и улучшению других эксплуатационных характеристик. При выборе количественных критериев исходят из доступных способов исследования летательного аппарата по этим показа- телям. К числу таких способов относятся: — статистическое моделирование полета на различных эта- пах с применением реального оборудования и аналого-цифровых моделирующих комплексов, полунатурные и натурные испыта- ния; — обработка и анализ имеющихся статистических данных по> отказам и неисправностям, летным происшествиям и предпо- сылкам к ним, данных по трудозатратам на техническое обслу- живание и т. п.; — экспертные оценки летательного аппарата и его оборудова- ния летным, инженерно-техническим составом и конструкторами.. Автоматическому контролю подвергаются в первую очередь так называемые аварийные параметры. Для отбора агрегатов и. систем, отказы которых в полете могут привести к аварийным последствиям, используют количественную оценку вероятности того, что летное .происшествие произойдет из-за отказа данной /-той системы самолетного оборудования Р(П,.)Р(ЛП/П,.) I Р(П7.)Р(ЛП/П,) ;=1 где /э(Пу)— вероятность отказа /-той си- стемы; Р (ЛП/Пу) — условная вероятность летного •происшествия при отказе /-той системы; 5 — общее число установленных на летательном аппарате си- стем оборудования; РТ(ЛП)= У, Р(Пу)Р (ЛП/Пу) — вероятность летного происше- j~i ствия по причинам, связанным: с отказами оборудования. Здесь А’(Пу) определяется надежностью /-той системы, кото- рая может быть рассчитана по известным методам с использо- ванием статистических данных по интенсивностям отказа. Вели- чина /-’(ЛП/Пу) зависит от тренированности летчика в пилоти- 10.1 : 212
контроля должна осуществлять Р и с. 10.3. Распределение причин летных происшествий ровании в особых случаях полета, от совершенства системы ин- формации экипажа об отказах, от внешних условий полета и других факторов. Значения Р (ЛП/Пр получают статистиче- ским моделированием с применением тренажеров, а также на основе статистики по летным происшествиям .и предпосылкам к ним. Приближенно можно считать Р(ЛП/П.,)^-----------, /Ддп “Ь ^плп где /илп— число летных (происшествий, твлп — число (предпосылок к ним из-за отказа /-той системы оборудования. Из (10.1) следует, что Е Р(Пу/ЛП)= 1, у-i т. е. все возможные причины летных происшествий, обусловлен- ные отказами систем оборудования, образуют полную группу со- бытий. Таким образом, по соотношению (10.1) можно распреде- лить все S систем по степени аварийности (последствий их отка- за и отобрать те из них, которые с наибольшей вероятностью мо- гут привести к летным происшествиям. Автоматическая система контроль технического со- стояния (как при наземной подготовке, так и в полете) такого числа и тех систем «оборудования, которым от- вечает заданный показатель т] («) = v Р(пулп), 7-1 где п — число отобранных для контроля систем, причем они нумеруются в порядке убывания величиныР(Пу/ЛП) (рис. 10.3). Если, например, л) = 0,9, то это означает, что автоматическому конт- ролю подвергаются те Nt устройств и систем оборудования, отказы которых с вероят- ностью 0,9 могут быть причинами летных происшествий. В качестве другого критерия для отбора подлежащего конт- ролю оборудования может быть взята вероятность невыполне- ния полетного задания из-за отказа /-той системы оборудования Р^ (НЗ) = Р (П7) Р(НЗ/Пу), (10.2) где /’(НЗ/Пу)— условная вероятность невыполнения задания из-за отказа /-той системы. 213
Этот критерий является более широким, чем (10.1), так как. он охватывает и те системы оборудования, отказы которых прак- тически не влияют на безопасность полета, но могут привести к невыполнению задания. Помимо этого, он учитывает отказы не- только в полете, но и на земле. Отказы на земле, требующие известных затрат времени на их устранение, могут привести к задержке вылета или невылету на задание. В формуле (10.2) это отражается множителем Р(НЗ/П7),под которым следует по- нимать также вероятность неустранения отказа за время, допу- стимое из условий выполнения задания (предполагается, что за. время от момента получения задания до приземления летатель- ного аппарата происходит только один отказ /-той системы). По аналогии с (10.1), можно принять Р(П7/НЗ) = -з---—---------(10.3> 2 Р (П7) Р (Н3/П7) 7-1 п S тЦ«) = 2Р(П7/Н3); РТ(НЗ) = Е Р(П7) Р (Н3/П7). j-\ 7=1 Применяя те же способы, по расчетным значениям функций Р(П7/НЗ); 'О определяют состав и элементы оборудования, под- лежащие контролю. Выигрыш от применения АСК оценивается по коэффициентам эффективности автоматического контроля РТ*(ЛП) Р/(НЗ) эф РТ(ЛП) ’ эф~ РТ(НЗ)’ где Рт(ЛП); РТ*(ЛП) отвечают вероятностям летных происшествий (или невыполнения задания) соответственно для летательных аппаратов с автоматическим контролем оборудования (в полете или при наземной подготовке) или без него. После назначения по критериям (10.1), (10.3) состава агре- гатов и 'систем оборудования, подлежащих автоматическому контролю, проводится детальное изучение их возможных состоя- ний, связанных с отказами, и определяется перечень контроли- руемых параметров. Отбор параметров производится на основе индивидуального анализа функциональных связей и особенно- стей конструктивного исполнения каждой системы оборудова- ния. При этом в интересах сокращения общего числа контроли- руемых параметров важно установить наиболее информативные обобщенные параметры. Однако большое разнообразие систем авиационного оборудования и необходимость индивидуального подхода к ним затрудняют разработку какой-либо общей мето- дики формирования обобщенных параметров. 214
При контроле динамических систем обычно выделяют стати- ческие и динамические параметры. Статические параметры отве- чают установившимся режимам в системах. Это, например, углы отклонения рулей ири заданных сигналах с гиродатчиков авто- пилота, величина перемещения 1конуса воздухозаборника .при оп- ределенных оборотах двигателя, напряжение аккумуляторной батареи при некоторой постоянной нагрузке и т. п. К динамиче- ским параметрам относятся, .например, интегральные .квадрати- ческие оценки переходных функций, время регулирования, пере- регулирование и т. п. Помимо этого, выделяют параметры конт- роля различных событий, например, событий срабатывания кон- тактора, открытия створок реактивного сопла, а применительно к полету — событий включения автопилота, поворота крана вы- пуска шасси, нажатия кнопки «пуск» снарядов и т. п. Выбор параметров для контроля существенно зависит от на- значения АСК и режимов работы оборудования. Так, в бортовых АСК отбираются преимущественно динамические параметры, так как оборудование .работает в полете в непрерывном динами- ческом режиме. В наземных АСК, где для воспроизведения дина- мических режимов необходимы специальные стимуляторы, воз- можности контроля динамических параметров ограничены, по- этому 'значительную часть составляют статические параметры. Отбор параметров считается законченным, если установлена минимальная их совокупность, достаточная для различения воз- можных состояний контролируемого оборудования (включая работоспособное и состояния 'отказов тех или иных элементов). При отыскании минимальной совокупности параметров исполь- зуются методы, основанные на построении логических моделей систем, информационные способы минимизации числа признаков и др. (см. гл. VIII). Состав или, как говорят, пространство контролируемых пара- метров определяет такую важную характеристику АСК, как объем контроля. Подробность контроля (до системы, блока, элемента) обычно характеризуется понятием глубины конт- роля. Последовательность контроля. Контроль параметра состоит в проверке его значения и сравнении с допустимыми пределами изменения. Каждой проверкой охватывается некоторая груцпа элементов или один элемент из всех контролируемых. По результатам одной проверки можно сделать заключение о состоянии определенной группы элементов, но ничего нельзя сказать о состоянии других элементов. Проверки называются п е- рес екающими.с я ^зависимыми), если они охватывают один или несколько одних и тех же элементов. Некоторая .выбранная последовательность проверок называется тестом. Для АСК, выполняющих контроль работоспособности и поиск неисправности, важно не только выбрать достаточную для раз- 215
личения возможных состояний совокупность проверок, но и упорядочить эти проверки согласно какому-либо правилу, т. е. выбрать наиболее рациональную последовательность проверок во времени. От назначенной последовательности проверок будет зависеть время поиска неисправности или время получения вы- вода об исправности объектов контроля, а также вес, стоимость и другие показатели АСК. Различают последовательный, параллельный и последователь- но-параллельный методы контроля, П|ри независимых провер- ках по последовательному методу они заранее упорядочиваются и выполняются одна за другой вплоть до получения результата об исправности контролируемого оборудования или установле- ния неисправного элемента. Упорядочение проверок обычно про- изводится по критерию минимума средних затрат на контроль V = min МLi [С’’''7], (10.4) г где CnU — стоимость /-той проверки k1} в некоторой i-той после- довательности; Lt— некоторый конечный номер выбранной i-той последо- вательности проверок; М — знак математического ожидания. Стоимость проверки можно оценить по формуле где ТI- — время проведения проверки; W ij — стоимость; Gtj— вес (и габариты) потребной аппаратуры (датчиков, нормализаторов, линий передачи информации и т. п.). Весовые коэффициенты bif\ dtj выбираются в зависимости от того, какой фактор играет большую роль в оценке стоимости проверки (ау + bl} + dtj = 1). Для упорядочения независимых проверок-по критерию (10.4) подбирают удобную целевую функцию. Так, при распределении проверок по максимальному приращению отношения апостери- орной вероятности работоспособного состояния оборудования к стоимости проверки, проводимой на каждом шаге контроля / Ь.Р*к \ ! ——— I , они упорядочиваются в ряд ' С- к 'шах ДР71 _ дрД С”1 С** -'" c*Lk При этом последовательность контроля работоспособностиока- зывается оптимальной по критерию (10.4), если число проверок Lk выбирается достаточным для заключения о работоспособ- 216
пости. Отыскание оптимальной последо1вательност,и контроля работоспособности и поиска неисправности при пересекающихся проверках существенно усложняется. В этом случае последова- тельность контроля становится условной в том смысле, что ре- шение о проведении .последующей проверки принимается по ре- зультатам предыдущей. Пусть проверяемое оборудование состоит из конечного мно- жества элементов й = {a>z; i = 1,2 . TV}. Элементы произвольно соединены между собой и имеют вероятности отказа qt; I = = 1, 2,..., N. Возможное число состояний отказов оборудования равно N, работоспособное состояние одно и имеет вероятность n S 4i = b i-0 Для контроля состояния имеется некоторое конечное множе- ство доступных проверок П = {л}. Каждая проверка к С П ох- ватывает некоторое подмножество элементов йи с: Q и имеет стоимость 0 < С" < оо. Подмножества элементов йтс, тг g П пере- секающиеся. Полагаем, что неисправным может быть только один элемент, а множества проверок П достаточно для отыс- кания любого неисправного элемента за конечное число шагов. Каждая проверка может иметь положительный или отрицатель- ный исход, причем проверки выполняются идеально, без ошибок. От исхода проверки зависят принимаемые решения. Требуется определить оптимальную упорядоченную совокуп- ность проверок И* ст П, при которой средние потери на поиск неисправности были бы минимальны. Как следует из постановки задачи, множество состояний контролируемого оборудования является конечным и включает в себя N-j-1 состояний. На каждом шаге .контроля получают информацию об одном или нескольких элементах оборудования и оно, таким образом, переходит в процессе контроля из одного состояния в другое. Это множество состояний можно представить.АТ-|-1-мерным век- тором состояний. Будем считать, что /г-тая компонента вектора равна 0, если /г-тый элемент уже проверен некоторой проверкой и оказался исправным, и равна 1, если /г-тый элемент еще не проверен и «подозрителен» на неисправность. Для каждого со- стояния можно назначить некоторую проверку из множества П, После проведения которой процесс контроля перейдет из состоя- ния xt в Xj. Таким образом, если 8 = {кл; r4k } есть некоторая произвольная упорядоченная последовательность проверок (стратегия контроля), то следует найти такую 8*, при которой ' б У* = min У8, 217
где V& — потери при контроле по Стратегии 8; V* — потери при контроле по оптимальной стратегии. 8*. Задачу определения оптимальной стратегии 8* можно было бы решать методом перебора всех возможных стратегий 8, од-* нако такой путь оказывается очень трудоемким, а при сложном контролируемом оборудовании и (большом числе проверок прак- тически нереализуемым. . I Заметим, что процесс контроля в сформулированной поста- новке является так называемым марковским процессом с погло- щением, так как переход контролируемого оборудования из со- стояния ху в состояние х}- зависит только от самого состояния лг и назначенной в этом состоянии проверки тс и не зависит от того, как оборудование попало в состояние xt. Кроме того, всякий контроль предполагает получение конечного ответа о действительном состоянии оборудования, т. е. процесс контроля должен всегда окончиться (поглотиться). Доказано, что при ко- нечных множествах состояний и проверок ’оптимальное управле- ние 8* однородным марковским подвесом существует и, та- ким образом, задача определения оптимальной последователь- ности проверок имеет решение. Один из способов нахождения решения основывается на при- менении теории динамического программирования. Соответст- вующие рекуррентные соотношения выводятся по принципу оп- тимальности, который в данном случае формулируется так: опти- мальная последовательность контроля обладает тем свойством, что каковы бы ни были предыдущие состояния и проверки, по- следующие проверки должны образовывать оптимальную после- довательность относительно состояния, являющегося результа- том применения предыдущих проверок. При этом рекуррентное соотношение имеет следующий вид: IA(zi) = mln [Q + P* — 1)], (10.5) i = 0, 1, 2, . . m; J= 1/2, . . ., m+ 1; «=1,2,..., где Vz(n) — полные ожидаемые потери за п последующих ша- гов контроля (до поглощения), если в данный мо- мент контролируемое оборудование находится в. состоянии xt и, начиная с («—1)-го шага, после- довательность проверок оптимальна; Vj(n—1) — полные ожидаемые потери за («—1) шаг, если оборудование находится в состоянии х}- и последо- вательность проверок в дальнейшем оптимальна; С? — стоимость проверки, применяемой в состоянии xt; — вероятность перехода оборудования из состояния xt в состояние Xj за счет проверки тс, подсчиты- ваемая по априорному распределению вероятно- стей отказов элементов оборудования; т — число переходных состояний в множестве Х/х0. 218 г
Решение задачи строится так, что вначале определяются по- тери при переходе системы в конечное 'Состояние хк, затем по- тери на предыдущем этапе и' т. д. Поэтому этот метод иногда: называют обратным рекуррентным методом. Алгоритм определения оптимальной последовательности про- верок по (10.5) может быть сформулирован путем построения направленного графа* состояний оборудования G = (X U) е начальной вершиной х0 (начальное состояние), конечной вер- шиной хк и дугами графа U. Для всех вершин -графа {%} в- соответствии с (10.5) поэтапно рассчитываются значения V* (п) при п — 1, 2,... Затем пути перехода из хг- в х., отвечающие- оптимальным потерям, помечаются на графе и им приписывается проверка X*- Наконец, выделяется оптимальный путь из х0 в хк и по проверкам, приписанным дугам этого пути, устанавливает- ся оптимальная стратегия контроля 8*= (тс0*, яД . . . irft*). Решение задачи определения оптимальной последовательно- сти проверок может быть найдено и другими, развитыми в на- стоящее время способами, например, с применением так назы- ваемого прямого рекуррентного или итерационного метода [50]. При параллельном контроле осуществляется одновременная проверка всех назначенных для контроля параметров. При та- ком контроле не возникает задачи упорядочения последователь- ности проверок. В основу параллельного контроля положен ком- бинационный способ поиска неисправности, когда анализ резуль- татов контроля и установление неисправного' элемента произ- водится после выполнения некоторой комбинации проверок.. В одном из вариантов параллельного контроля исходным мате- риалом служит матрица состояний, у которой столбцы соответ- ствуют всем возможным состояниям, а строки — признакам со- стояний (проверкам). В простейшем случае, когда признаки: принимают только два значения (0 и 1), матрица имеет следую- щий вид: X X X Xn~L Xv У1 1 О 0 1 0 Уч 1 1 0 0 0 Ут 1 0 0 0 1 * Основные правила построения графов излагаются в гл. XVI. 219»
Если число признаков является достаточным, то по результа- там измерения значений всех признаков делается однозначный вывод о том, в каком из состояний находится контролируемое оборудование. Параллельный метод контроля применяется в бортовых АСК, которые одновременно' контролируют в полете все отобранные параметры состояния оборудования и координаты движения ле- тательного аппарата. Один из возможных алгоритмов их функ- ционирования сводится к следующему. Каждый столбец матри- цы .можно рассматривать как m-разрядный цифровой двоичный код соответствующего состояния, которым может быть исправ- ное состояние или состояние отказа того или иного элемента обо- рудования. Табличные коды признаков состояний хранятся в па- мяти АСК ('Они могут обновляться в зависимости от режима-по- лета, выполняемого задания и т. п.). В устройстве сравнения АСК производится сопоставление кода измеренных в процессе контроля значений всех признаков с табличными кодами и по совпадению с одним из них автоматически устанавливается от- казавший элемент. Параллельный контроль может быть непрерывным, периоди- ческим .(в том числе циклическим) или разовым. В бортовых .АСК применяется -в основном непрерывный, а также цикличе- ский контроль. Период между циклами контроля обычно определяют, зада- ваясь некоторым риском. В наиболее простом случае риск оце- нивается по вероятности отказа оборудования в течение времени между двумя циклами контроля. С учетом экспоненциального закона распределения отказов у (/) == 1 — &-и .для среднего риска будем иметь 1 । Qcp = т (1 - е-») dt = 1 + . г Л 1 ь —XT X2 т 2 Взяв приближенно е = 1 — Х7’/г + ---------- , получим вы- 2 ражение для периода контроля 2 Qco k где величиной риска, как уже говорилось, задаются, а величину "интенсивности X отказов контролируемого оборудования берут по статистическим данным. Из изложенного следует, что важнейшими характеристиками АСК являются объем и глубина контроля, последовательность 220
и периодичность контроля, стоимость проведения проверок и эф- фективность автоматического контроля. Весьма 'важной характе- ристикой АСК служит также достоверность контроля (методика ее оценки рассматривалась в гл. VIII). АСК, 'предназначенные для проверок оборудования при про- ведении предварительной и предполетной подготовки авиацион- ной техники, обычно строятся по принципу последовательного или последовательно-параллельного контроля. Ниже приводятся: некоторые из параметров, которые, как правило', подлежат авто- матическому контролю при предполетной и предварительной;; подготовке. По самолетным системам и силовым установкам: — величины давления в основной и дублирующей гидроси- стемах; — величина давления воздуха (поддавливание) в топливных, баках; — суммарные люфты в проводке управления рулями и элеро- нами; — положение створок реактивного сопла при различных ре- жимах работы двигателя; - - температура газов в характерных точках двигателя; — обороты двигателя; — давление и температура масла в маслосистеме; — время приемистости двигателя ют малого газа до взлетных, оборотов и др. По электрооборудованию: — ЭДС каждого аккумулятора; — напряжение, аккумуляторной батареи под нагрузкой; — величина напряжения энергоузла постоянного тока; — величины напряжения и частоты переменного така; — изменение величины выхода конуса воздухозаборника в- зависимости от оборотов двигателя; — зависимость величины передаточного отношения и загруз- ки в автоматике от режимов полета и др. По приборному оборудованию: — передаточные числа автопилота в режиме демпфирования,, управления, стабилизации по всем каналам; — напряжение питания автопилота; — напряжение на сигнальной лампочке «готов» автопилота;. — напряжение питания авиагоризонта; — скорости восстановления гироузла авиагоризонта в каж- дом из четырех квадрантов; — напряжения питания и точность показаний курсовой си- стемы; — передаточные числа демпферов по всем каналам; — скорости изменения давления и разрежения в системах ПВД; 2211
— точности показаний: высотомера, указателя скорости, ва- риометра, указателя числа М, расходомера топлива и приборов контроля работы двигателя (в соответствии с создаваемым дав- лением или разрежением в системах ПВД и программой опро- бования двигателя); — сопротивление цепей электрообогревательных элементов основного и аварийного ПВД; — соответствие отклонения стрелки указателя поворота ими- тируемым разворотам самолета; ' — срабатывание концевых 'выключателей автопилота; — показания интегрирующих элементов навигационных уст- ройств при эталонных входных сигналах и др. § 10.3. АНАЛОГОВЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ Автоматическая система контроля, в которой обработка ин- формации ведется в непрерывной форме, состоит из следующих основных элементов (рис. 10.4): Р и с. 10.4. Структурная схема аналоговых АСК.: 1 — датчики-преобразователи; 2 — нормализаторы; 3 — коммутаторы; 4 — ге- нераторы входных сигналов; 5 — генераторы эталонных сигналов; 6 — срав- нивающие устройства; 7 — анализаторы ошибки; 8 — программирующие уст- ройства; 9 — устройства регистрации результатов контроля; 10 — линии свя- зи; 11 — устройства управления; 12 — источники питания; ОК — объект контроля 1. Первичных датчиков-преобразователей, предназначен- ных для непосредственного измерения контролируемых величин и преобразования их в электрические сигналы. 2. Нормализаторов, с помощью которых все преобразован- ные величины приводятся к некоторым, удобным для ввода в си- стему контроля, уровням. 3. Коммутаторов, предназначенных для коммутации сигналов от нормализаторов на линию связи объекта контроля с системой автоматического контроля или коммутации сигналов на вход контролируемых объектов. 222
4. Генераторов входных сигналов (иногда их называют сти- муляторами), генерирующих на входе контролируемых объек- тов различного вида возбуждающие сигналы. 5. Генераторов эталонных сигналов, воспроизводящих вели- чины, с которыми производится сопоставление результатов из- мерений. 6. Сравнивающих устройств (компараторов). 7. Анализаторов величин ошибки. 8. Программирующего устройства. 9. Устройств регистрации результатов контроля. 10. Линий связи. 11. Управляющих устройств. Первичные датчики-преобразователи, нормализаторы, неко- торая часть генераторов входных сигналов, часть коммутаторов и устройства уплотнения информации, предназначенные для со- кращения числа линий, соединяющих борт летательного аппа- рата с наземной частью, а также бортовые разъемы относятся к бортовой части системы автоматического контроля. Все остальные элементы, объединенные в одно конструктив- ное целое, образуют собственно саму систему автоматического контроля — специализированную информационную машину ана- логового типа, предназначенную для обработки и регистрации информации о состоянии объектов, решения ряда логических за- дач, производства ряда вычислений (среднеарифметических и среднеквадратических значений, поправок на температуру, дав- ление, нелинейность датчиков и т. п.). Ниже рассматриваются некоторые особенности элементов си- стем автоматического контроля. Часть этих элементов исполь- зуется только в системах аналогового типа, часть как в анало- говых, так и дискретных системах. Первичные датчики-преобразователи. С целью упрощения об- работки информации в системах автоматического контроля все контролируемые параметры, независимо от их физической сущ- ности, должны быть преобразованы в электрические величины: — напряжение (постоянного или переменного) токов; — напряжение в виде импульсов постоянной частоты; — импульсы напряжения переменной длительности, перемен- ной частоты и переменной амплитуды. Для этой цели используются датчики-преобразователи, в принципе аналогичные по конструкции датчикам, находящим ши- рокое распространение как в промышленности, так и в оборудо- вании самолетов для преобразования неэлектрических величин в электрические. Датчики являются одним из важнейших функциональных эле- ментов всякой системы контроля, и их свойства и характеристики во многом предопределяют характеристики систем автоматиче- ского контротя в целом. 223
Условия работы датчиков значительно отличаются от усло- вий работы остальной аппаратуры, ибо датчики находятся в не- посредственном контакте с контролируемым объектом, благода- ря чему они могут подвергаться воздействию агрессивных сред,, электромагнитных полей, 'вибраций и т. и. Ввиду специфических условий работы датчиков к ним, кро- ме общих требований, характерных для любых элементов АСК,, предъявляется также и ряд дополнительных требований. 1. Высокая точность показаний. 2. Высокая чувствительность ж изменению контролируемого' параметра. 3. Минимальное влияние датчика на характеристику объекта контроля (включая его надежность). 4. Быстродействие. 5. Высокая перегрузочная способность. В качестве примера датчиков АСК можно указать как на па- раметрические датчики типа: емкостные, индуктивные, потен- циометрические и т. п., так и на генераторные датчики типа: индукционные, термоэлектрические, пьезоэлектрические и т. п. Нормализаторы. Устройства, предназначенные для приведе- ния значения измеряемых величин к некоторому нормализован- ному уровню, называются нормализаторами, а параметры, зна- чения которых нормализованы, — приведенными параметрами.. Если значение измеряемой величины U, то нормализованное значение U»-kaU, kn— коэффициент нормализации. Нормализация проводится с целью унификации измеритель- ных устройств АСК и упрощения аппаратуры, предназначенной для преобразования непрерывных величин в дискретные (в АСК дискретного типа). При наличии нормализаторов эталонная величина для всех параметров, нормализованных к данному уровню, может быть, задана одним значением Uo, что значительно облегчает эталони- рование. Уровень нормализации характеризуется максимальным зна- чением Umax и максимальной погрешностью измерений в диапа- зоне изменения U от 0 до + Umax. Для получения необходимой точности измерений обычно в АСК используют несколько уровней нормализации. Так, напри- мер, для напряжения постоянного и переменного тока в качестве уровней нормализации могут быть приняты: 0 + 5 в, 0+10 в, 0 +20 в, 0+100 в. Выбор уровня нормализации производится по максималь- ному значению измеряемой величины. В качестве нормализаторов могут быть использованы дели- тели напряжения, трансформаторы напряжения и тока и т. щ 224
Нормализация измеряемых значений иногда производится и с преобразованием вида электрического сигнала. Так, например,' постоянное напряжение может нормализовываться к частоте им- пульсов. Коммутаторы. В процессе контроля состояния оборудования летательных аппаратов приходится проверять до нескольких со- тен параметров. Это накладывает особые требования на комму- тационные устройства, особенно если учитывать, что при ком- мутации не должны иметь места потери информации. Одним из основных требований, предъявляемых к коммута- торам, является точность коммутации, которую характеризуют погрешностью коэффициента передачи коммутатора g ^вх ^вых где UBX и UBbSX— соответственно сигнал на входе и выходе ком- мутатора. Второй основной характеристикой коммутатора является ско- рость коммутации, которую можно оценить количеством пере- ключений в единицу времени. Эта характеристика определяется динамическими свойствами элементов коммутатора. К числу специфических характеристик коммутаторов следует отнести также максимально допустимое число коммутируемых каналов Nmax. В настоящее время в качестве коммутаторов используются как электромеханические (контактные), так и электронные (бес- контактные) коммутаторы. К числу электромеханических коммутаторов относятся шаго- вые искатели и релейные переключатели, коммутация сигналов в которых производится путем замыкания и размыкания элек- тромеханических контактов. .При небольшом числе коммутируемых цепей шаговый иска- тель позволяет осуществить достаточно надежный съем инфор- мации. При числе цепей более 50 схема коммутации значительно усложняется, а наличие большого числа подвижных контактов снижает надежность системы. Релейные переключатели, особенно 'выполненные на гермети- зированных реле, обладают большей надежностью. ' Используя так называемые пирамидальные схемы (рис. 10,5), можно осуществлять коммутацию значительного числа цепей,, однако быстродействие таких коммутаторов относительно мало. Основным достоинством контактных коммутаторов, обеспе- чившим им широкое применение в АСК, является малое сопро- тивление замкнутых контактов и большое сопротивление разомк- нутых контактов, что позволяет обеспечить высокую,точность коммутации. 15. Румянцев Е. А. и др. 225'
-Наиболее существенными недостатками их являются малое быстродействие и относительно небольшая надежность, - ' В бесконтактных коммутаторах коммутация осуществляется путем изменения проводимости различных управляемых элемен- тов электрических цепей (электронных ламп, полупроводниковых диодов и триодов, фотосопротивлений, дросселей насыщения и т. ц.), а также с помощью электронного или ионного луча, маг- нитного потока и т. п. Р и с. 10.6. Диодная матрица. П — электронный переключа- тель • Бесконтактные коммутаторы обладают несомненными преи- муществами в отношении быстродействия и надежности по срав- нению с контактными, однако они не могут обеспечить такой точности коммутации. . Примером такого коммутатора может служить диодная мат- рица (рис. 10.6), основным элементом которой является одно- диодный ключ (рис. 10.7). В зависимости от полярности управляющего напряжения £7У (рис. 10.7,а) диод работает либо в режиме проводимости — ключ замкнут (точка А на рис. 10.7,5), либо в режиме отсечки — ключ разомкнут (точка Б). Для коммутируемого сигнала ключ можно рассматривать как переменное сопротивление, управляемое напряжением Uy и при- нимающее два значения: г3 и r.p = ].lgp. Однако для этого необходимо, чтобы напряжение Ue или ток /с источника сигнала не выводили рабочую точку характеристи- ки диода за пределы области А—Л2, когда ключ замкнут,, и Бг—Б2, когда ключ разомкнут, т. е. при нормальной работе клю- ча напряжение Ес обычно значительно меньше напряжения Z7y и величина выходного напряжения определяется в основном ве- личиной £7у, а не коммутируемым сигналом. 226
Коммутаторы такого рода более пригодны для коммутации уже 'Кодированных сигналов (преобразованных из непрерывной! (формы в дискретную). Для коммутации непрерывных величин необходимо устранить Рис. 10.7. Схема однодиод- ного ключа попадание управляющего напряжения на выход ключевой схемы, т. е. компен- сировать его. Такая компенсация осуществляется в четырехдиодной мостовой схеме, изображенной на рис. 10.8. Коммутацию входной шины обеспе- чивает управляющий триггер, по'дклю*. ченный к точкам 1—2. Когда управляющее напряжение имеет полярность, указанную на рис. 10.8, диоды Di—£)4 смещены в прово- дящем направлении и на сопротивле- нии нагрузки /?н появляется напря- жение /7ВЫХ, обусловленное только ис- точником коммутируемого сигнала (f/вх). При обратной полярности управ- ляющего сигнала диоды ££—закры- ты и напряжение Z7BbIX практически от- сутствует. Погрешности измерений в такой схеме в основном определяются раз- личием вольт-амперных характеристик диодов. Генераторы входных сигналов. Ос- новным назначением генераторов вход- ных сигналов является возбуждение / - 9 Рис. 10.8. Схема коммута- тора постоянного тока проверяемых систем в соответствии с командами, получаемыми <от программирующего устройства. Каждой командой задается масштаб и длительность испытательного сигнала. В большинстве случаев эти устройства представляют собой 15* 227
типовые генераторы электрических или иного вида сигналов, (импульсов напряжения определенной формы, переменного тока стабильной частоты и т. п.). Генератор электрических напряжений должен состоять из; двух частей: генератора постоянного напряжения (обеих поляр- ностей) и генератора переменного напряжения. Необходимо' иметь диапазон регулирования напряжения сигнал-генератор а от О до 100 в с 1000 дискретно устанавливаемыми значениями- Если требуется получить более мелкие ступени, то используется: диапазон 0—10 в. Генератор частоты должен вырабатывать сигнал с фиксиро- ванной частотой и амплитудой. Такой генератор может иметь диапазон частот от 10 гц до 10 Мгц с 1000 ступенями переклю- чения и диапазон амплитуд от 0,1 до 10 в с 10 ступенями. Генератор' низкочастотных колебаний должен обеспечивать подачу колебаний несущей частоты, модулированных низкочас- тотными сигналами, или непосредственно низкочастотные коле- бания с диапазоном частот 0,1—1 или 1—10 гц (с 10 ступенями; переключения и диапазоном напряжений 0—1 в или 0—10 в). Генератор предназначается для задания условий работы раз- личных приборов и сервомеханизмов управления, а также для снятия частотных характеристик систем автоматического регу- лирования и систем управления летательных аппаратов. Генератор временных интервалов предназначен для точного» определения времени срабатывания различных коммутационных: устройств и программных автоматов. Получая команды от программирующего устройства, генера- тор должен выдавать до N сигналов длительностью 10 жсе/с.. Диапазон интервалов времени от 0 до 10 минут. Вид генерируемых сигналов обусловлен принятым способом: возбуждения объектов. Кроме типовых генераторов электрических сигналов, при контроле авиационного оборудования часто 'приходится исполь- зовать ’Специальные генераторы. По существу они являются един- ственной специализированной частью АСК, требующей индиви- дуальной нодгонки к особенностям каждой проверяемой системы.. К числу таких генераторов относятся: генераторы давления, имитирующие изменение скоростного напора, изменение высоты, и т. п., генераторы, вынуждающие объекты совершать переме- щение, двигаться с заданной скоростью, ускорением и т. ц. Генератор давления имеет два 'независимых выходных кана- ла. Для проверки различных датчиков давления (измерителей высоты, скорости, числа М и т. п.) требуется создавать или ста- тическое или полное давление в диапазоне, имитирующем изме- нение высоты полета, скорости, числа М. Давления должны изменяться ступенями, количество которых. 10—100. Точность значений давления на каждой ступени 1°/о. 228.
Принципиальная схема генератора давления изображена на рис. 10.9. Вакуум-помпа 2 и насос 3, приводимые во вращение электри- ческим двигателем 1, создают в баллонах 4 и 5 соответственно ^пониженное и повышенное давление. Рис. 10.9. Принципиальная схема генератора дав- ления Перепуск сжатого и разреженного воздуха к контролируе- мому объекту осуществляется с помощью электромагнитных кра- нов 6 и 7, а в атмосферу — электромагнитными кранами 8 и 9. Чувствительные элементы 10 и 11 при достижении определен- ных значений давления и вакуума подключают к генератору со- ответствующие устройства. Так, например, на входе АРУ с по- мощью описанного генератора удается создавать входные сиг- налы, имитирующие изменения скорости V и высоты Н, подоб- ные изображенным на рис. 10.10. Р и с. 10.10. Программа изменения ско- рости V и высоты Н при контроле со- стояния АРУ При контроле гироскопических устройств и, в частности, ав- топилота, без съема .их с самолета возникает необходимость от- клонять ротор гироскопа, имитируя тем самым эволюции лета- тельного аппарата. _ ‘ В качестве генератора входных сигналов для этого использу- ются дополнительные обмотки, при протекании по которым тока создается момент, отклоняющий ротор гироскопа и создающий 229
единичное'Возмущение угла крена, тангажа и рыскания. Для этой же цели могут быть использованы электродвигатели ускоренной коррекции. Генератор входного сигнала, используемый при контроле 'со- стояния систем электроснабжения, представляет собой проста эталонное сопротивление нагрузки, включаемое контактором. В ряде случаев целесообразно для возбуждения контроли- руемых объектов использовать сигналы от объектов, уже уста- новленных на летательном аппарате. При контроле сложных автоматических систем в качестве ге- нераторов входного сигнала часто используются генераторы «бе- лого шума». К генераторам входных сигналов предъявляются особенно вы- сокие требования в отношении точности воспроизведения испы- тательных сигналов. В тех случаях, когда программирующее устройство выдает команду в виде кода, генераторы входных сигналов содержат преобразователь, преобразующий команду из дискретной формы в непрерывную, ибо большинство требуемых испытательных сиг- налов должно иметь непрерывную форму. Сравнивающие устройства осуществляют сопоставление ре- зультатов измерений с эталонными значениями. На выходе сравнивающего устройства образуется сигнал ошибки = U — U3, который поступает на анализатор зна- ка и величины ошибки. В АСК с обработкой информации в непрерывной форме срав- нивающие устройства одновременно выполняют функции и ана- лизатора ошибки. Простейшие структурные схемы сравнивающих устройств приведены на рис. 10.11. Основным элементом схем является реле напряжения, т. е. устройство, срабатывающее при строго определенном напряже- нии. В качестве реле устройств сравнения АСК используются ли- бо обычные электромеханические реле, либо элементы импульс- ной техники — полупроводниковые реле напряжения, следящие триггеры и т. п. Порог чувствительности подобных устройств в лучшем случае составляет несколько .милливольт. Напряжение срабатывания полупроводникового реле (рис. 10.12) определяется пороговым напряжением Un стабилитрона СД{. Сопротивление Д подбирается таким образом, чтобы при отсутствии входного сигнала триод 7\ находился в открытом со- стоянии (Z7BbIX = £к)- При входном сигнале выше порогового на- пряжения стабилитрона триод 7\ запирается и выходное напря- жение становится практически равным нулю. Если напряжение Z/вых сжимать с триода, то при открытом триоде £7„ых = 0, а при закрытом — Ек. 230
Увеличение крутизны релейной характеристики достигается использованием схемы, изображенной на рис. 10.13,а. При этом исключается влияние тока нагрузки на характеристики стабили- трона. Рис. 10.11. Сравнивающие устройства напряжений постоянного тока: а — принципиальная схема, б — характеристики В этой схеме одно реле фиксирует 'превышение измеряемой величиной Uх некоторого уровня U3 (1 — я), другое — Ua (1 + Р). Совокупность реле L/3(l—я); Ux^> Ua(1 + р) и логических ячеек «НЕ» и «И» дает возмож- ность получить сравнивающее устройство с оценкой изме- ряемой величины по принципу «годен — не годен». Измерение ширины зоны до- пусков (зоны «годен») осу- ществляется изменением соот- ношения между сопротивления- ми входного делителя напря- жения. Рис. 10.12. Полупроводниковое реле напряжения 231
> . На рис. 10.14 приведена схема моста для сравнения напря- : .женин постоянного тока Uхи Ua. В плечи моста включаются из- . меряемое Ux и эталонное Ua напряжения. Рис. 10.13. Сравнивающее устройство на полупроводни- ковых реле напряжения: а — принципиальная схема, б — характеристики Зона допусков, в которых значение U х свидетельствует об исправности объекта контроля +а), устанавливается выбором соотношений между R и Rq. а) 5) Рис. 10.14. Сравнивающее устройство напряжений постоян- . нрго тока: а — принципиальная схема; б — характеристики . ' 232
то Так как а ^-//?о-Д^ = О; £7э-/7?о-Д£72 = О; t7.v + Z73-Z(2/?o-|-/?) = O, Д и = + ~э , 2 сс л„ U3a + a)-Ux где Рис. 10.15. Сравниваю- щее устройство сопротив- лений При.Ux = £7Э(1 + а) С7Э(1 - а) и при Ux=Ua(l Д а) на* пряжения Д£Д и Д U2 меняют знак (рис. 10.14,6). Если t/8(l—а) < Z7X, то Д£71>0 и Д£/2>0. Таким образом, если после мостовой схемы сравнения вклю- чить фазочув-ствительный элемент (индикатор полярности), то юн будет осуществлять контроль на- пряжения Ux по принципу «годен—не годен». Аналогично строится схема для контроля сопротивлений (рис. 10.15). Для сравнения измеряемого пере- менного напряжения Ux с эталонным постоянным напряжением применяет- ся схема, приведенная на рис. 10.16. Использование в качестве эталонного напряжения постоянного тока целесо- образнее, чем напряжения переменно- го тока, .ибо в последнем случае необ- ходимо осуществлять компенсацию фазовых сдвигов. На делитель напряжения, собранный на сопротивлениях/? о R и Ro, подается постоянное напряжение Ug, равное удвоенному номинальному значению) амплитуды измеряемого синусоидаль- ного напряжения UH. Тогда, если постоянная времени -t = RiC^>T (где Т — пе- риод измеряемого напряжения), то на выходе -выпрямителей после фильтров Р^Сф получаются пиковые значения разностей . напряжений: Д^ = ^-^, bU2 = Ux-Ub. Когда Uх < Ua, то при Ux<^ Ub\ . к U2 = 0. 233
Так как д = Uх- Ux - £7И (1 - а), х 2R0 + R / а A U2 = Ux - ^^o + g) _ jj и ((+ ) 2/?о+^ то характеристики сравнивающего устройства имеют вид, пред- ставленный на рис. 10.18,6. Фазочувствительное устройство» включенное на выходе, оценивает измеряемое напряжение по принципу «годен — не годен». Рис. 10.16. Сравнивающее устройство напряжений переменного тока: а — принципиальная схема; б — характеристики Программирующее устройство. Контроль состояния оборудо- вания осуществляется по заранее установленной программе. В процессе контроля программирующее устройство должно вы- полнять следующие функции: 1. Подготовку в определенной последовательности объектов к контролю: включение источников питания, нагрузки и т. п. 234
2. Подключение к объекту контроля соответствующего гене- ратора’входных сигналов, измерительного устройства и эталона,. 3. Выбор необходимого эталонного значения и допуска на контролируемый параметр. 4. Синхронизацию операций и установление необходимых временных интервалов между проверками. 5. Подачу команд на начало контроля, считывание информа- ции и т. п. 6. Подачу команд на самоконтроль АСК- В простейших установках при небольшом числе контролируе- мых операций в качестве программирующего устройства исполь- зуются контактные устройства с моторным реле времени или ша- говые искатели с релаксационным генератором импульсов. Несмотря на простоту, подобные программирующие устрой- ства обладают малым быстродействием и относительно низкой надежностью. В АСК, предназначенных для контроля сложных комплексов,, целесообразно использовать программирующие устройства, про- грамма в которых записывается на перфорированной или маг- нитной лентах, магнитных барабанах и т. д. В качестве считывающих устройств могут применяться кон- тактные щетки, фотодиоды или магнитные головки. Наиболее удобным, с точки зрения максимального уплотне- ния записи, является кодирование программы двоичным кодом. После считывания программа поступает в дешифратор и ла ис- полнительные элементы. Наибольшим быстродействием обладают программирующие устройства, в которых программа заложена в памяти типа диод- ной матрицы или памяти на ферритах. Считывание осуществля- ется специальным обегающим распределительным устройством. Распределитель представляет собой схему, которая после- довательно возбуждает входные вертикальные шины програм- мирующей матрицы (рис. 10.17). Рис. 10.17. Принципиальная схема распределителя с двоичным триггерным счетчиком и дешифратором на диодах 235»
При этом каждому номеру команды, т. е. каждой 'вертикали матрицы, соответствует свой набор возбуждаемых горизонталей- (своя комбинация команд, посылаемых на исполнительные эле- менты) , Устройства регистрации результатов контроля предназначе- ны для представления результатов проведенного процесса конт- роля в виде, наиболее удобном для дальнейшего использования. Регистрирующие устройства по их назначению можно разде- лить на две основные группы: 1. Индицирующие устройства, предназначенные для кратко- временного хранения и выдачи информации о контролируемом объекте. Они 'воздействуют непосредственно на органы чувств человека. 2. Собственно регистрирующие устройства, фиксирующие по- рученную информацию на' некотором носителе и позволяющие многократную ее обработку. В системах автоматического контроля обычно используются оба вида регистрирующих устройств. Индицирующие устройства позволяют оператору следить за ходом прохождения основных этапов контроля, фиксировать сбои в программе контроля и возникновение аварийных ситуаций. Непосредственные результаты измерения параметров и оцен- ки их значений фиксируются регистрирующим устройством. По виду сигналов, несущих информацию, индицирующие уст- ройства можно подразделить на сигнализирующие индикаторы и ^знаковые индикаторы. Сигнализирующие индикаторы выполняются в виде световых или звуковых устройств. В световых сигнализирующих индикаторах наиболее часто ис- пользуются газоразрядные лампы, лампы накаливания или лю- минесцентные ячейки. К световым сигнализаторам можно отне- сти также блинк-еры и стрелочные указатели. В качестве звуковых индикаторов применяют электрические звонки или электродинамические акустические излучатели. Знаковые индикаторы обычно используют для представле- ния абсолютных значений контролируемых параметров, откло- иения их от номинальных значёний, а также для введения раз- личных команд оператору. Знаковые индикаторы выполняются на основе цифровых ин- дикаторных ламп типа декатронов или типа ИН-1 и ИН-2 (ин- дикаторов, тлеющего разряда). Индикаторы ИН-1 и ИН-2, разработанные и серийно выпус- каемые в Советском Союзе, характеризуются хорошей яркостью свечения при малой потребляемой мощности. Прибор представляет собой стеклянный баллон, наполненный- неоном, в котором заключены десять катодов, выполненных в форме цифр 0, 1, 2,...., 9 и двух сетчатых анодов. "236
При подаче напряжения между общим анодом и выбранным: катодом—цифрой в лампе возникает тлеющий разряд, кото- рый, покрывая катод отрицательным тлеющим свечением, дает яркое изображение соответствующей цифры. Управление цифровыми индикаторными приборами осуще- ствляется посредством реле или электронных коммутаторов. В качестве собственно регистраторов в большинстве случа- ев попользуются быстродействующие механические печатающие аппараты. Быстродействующий печатающий аппарат состоит из непре- рывно вращающегося барабана, на котором в несколько рядов-- расположен набор букв, цифр и знаков. При вращении такого- барабана в течение десятых миллисекунд мимо места печати на каждой колонке проходит полный набор печатаемых знаков.. С другой стороны ленты, напротив каждой колонки печати, име- ются отдельные молоточки, срабатывание которых управляется при помощи соленоидов. В соленоиды поступают импульсы пи- тающего напряжения, вырабатываемые электронной схемой: именно в те моменты, когда в данном ряду барабана, мимо ме- ста печати, проходит тот знак, который должен быть отпечатан. Механизм перемещения бумажной ленты, в котором имеется бы- стродействующая муфта сцепления и тормоз, продвигает бума- гу на одну строку во время промежутка между печатью. Скорость таких печатающих устройств составляет до 50 строк: в секунду. По ширине бумаги может располагаться до 100 зна- ков. В настоящее время механические способы печати результатов-- контроля еще удовлетворяют требованиям к регистрирующим устройствам, АСК,, однако увеличение скорости регистрации и повышение надежности устройств может быть достигнуто только- на основе новых принципов регистрации: светографического,, магнитографического, электрографического и др. В случае необходимости ввода информации, полученной в- процессе контроля, -в вычислительную или информационно- ло- гическую машины регистрация осуществляется на перфолентах,, магнитной ленте или проволоке, или бумажной ленте со специ- альным диэлектрическим покрытием. Системы автоматического контроля с обработкой информа- ции в непрерывной форме используются главным образом в ка- честве .специализированных систем контроля, предназначенных: для оценки состояния отдельных видов оборудования. При большом числе контролируемых параметров аналоговые системы оказываются менее надежными и, что, пожалуй, глав- ное, менее универсальными, чем АСК, сконструированные на ос- нове ЭЦВМ. Возможности решения логических в ад ач при поиске неисправ- ностей в объекте контроля в аналоговых АСК ограничены, а вве- дение переменных начальных условий, расчет характеристик и: 23Г
прогнозирование состояния вообще практически трудно осуще- ствимы. Собственно поэтому большинство известных АСК строятся на базе ЭЦВМ. § 10.4. ЦИФРОВЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ Основная особенность цифровых АСК состоит в том, что ин- формация о состоянии объектов контроля обрабатывается в них в дискретной форме с применением специализированных цифро- вых вычислительных машин. При количественном контроле параметра х проводится его измерение с некоторым шагом квантования по уровню зави- сящим от числа разрядов, используемых в машине при преобра- зовании аналоговых величин в дискретные и в последующей их обработке. Непрерывная величина параметра в нормальных ус- ловиях измеряется в пределах -’Cmax__-Vmin= При шаге кван- тования по уровню число дискретных значений этой вели- Хт чины составит т = —— . Величина параметра является случайной и имеет функцию плотности распределения f(x). Вероятность того, что контроли- руемый параметр будет иметь значение, заключенное между -^min Ч- i 8Л. и %т|п + (j 1) 8 v) равна: А’т11гНЦ Pi = P\(i 1)8^. <4 х • .xmjn i ох] = f „ f(x)dx-, i=\,2...ni. •’тЫ+С'-ЙЦ В единичном акте контроля параметра, снимающем неопреде- ленность его значения, будет получена информация, численно равная энтропии; т т I=~ lLpi^Pi==H\ S Pi = *- (Ю.6) i=l 1-1 Легко видеть, что количество информации тем больше, чем меньше шаг квантования по уровню 8Х. Действительно, с умень- шением 8Х возрастает т, а вероятности p-L попадания парамет- ра в более узкую зону (Z— 1) снижаются. Так как число т связано с разрядностью «А» цифрового двоичного кода простым соотношением т =2*, то отсюда следует, что с увеличением чис- ла разрядов информация при количественном контроле возра- стает. При допусковом контроле возможны два состояния: параметр в поле допуска (вероятность состояния р), параметр вне допу- 238
<екй (вероятность отказа q=^\— р). Информация при таком конт- роле будет наименьшей и равной /2 = —p logp - ?log?. (10.7) Очевидно, что при этом достаточно взять k 1. По (10.7) рассчитывается также информация при контроле событий, причем под р понимается, например, вероятность собы- тий срабатывания, включения, исполнения команды на бтклю- чение;органа управления и т. п. При контроле динамических процессов возможны два вари- анта. По первому из них контролируются такие величины, как время регулирования, перерегулирование, интегральная квад- ратичная оценка переходного процесса и т. п., т. е. некоторые конечные величины, которые в общем случае являются также случайными. Здесь возможен 'как- количественный, так и допус- ковый контроль, причем информация рассчитывается по тем же соотношениям вида (10.6), (10.7). Во втором варианте про- водится количественный контроль динамического процесса во времени. Известно, что в соответствии с теоремой Котельникова динамический процесс конечной длительности Т, имеющий огра- ниченный спектр частот F, определяется контролем п = ‘2FT его значений. Интервал квантования процесса по времени Д Т = 7 1 = — ------. Информация, получаемая при контроле п значений n2F дана'мич0ского'продессах(/),будетравна: I3 = nH=2FTH, (10.8) где Н определяется формулой (10.6), причем под Pt понимает- ся вероятность того, что при j-том измерении в момент J ДТ стационарная случайная функция x(f) примет значение (i 1) 8х <С х (£) хШ1П i ‘Соотношения (10.6), (10.8) выведены в предположении иде- ального процесса контроля без помех. В реальных системах дат- чики контролируемых параметров и устройства преобразования имеют собственные шумы и погрешности у Ft ). Поэтому (наблю- дается не параметр х, а некоторая величина z, которая при не- зависимости х и у может рассматриваться как сумма случай- ных величин z — х у. Тогда информация, получаемая при контроле параметра, уменьшится и составит величину 1 = Н(х) — Щх/г), (10.9) где H(x/z) — условная энтропия, представляющая собой взве- шенную соответствующими вероятностями сумму частных услов- ных энтропий Н (xjZj) m н (x/z) = S р (zy) Н (xlZj), 239
где Zj — один из возможных результатов контроля, р (zj)— его вероятность. Формула для вычисления Н (pcjZj) имеет вид: т Н (xlzj) = — S Р (Xi/zj iogp (Xflzj), >=i где p(xtjZj) — условная вероятность того, что х находится внут- ри i-того интервала значений параметра, если по результатам контроля известно, что z ’соответствует /-тому интервалу. Имея в виду известные из теории вероятностей соотношения Р (zflxt)p (xz) = р (x,IZj) р (гр: т 'ZPtZj/XilptXi), • i получим Н (х/z/) = -----log ъ, (10.10) 1 = 1 а для общей условной энтропии ^Р^/х^р^) <=1.7=1 Будем считать, что величина х имеет равномерное распреде- ление внутри области хшах— xmill = т а погрешности измере- ния и преобразования параметра распределены по нормальному закону, т. е. 1 1 = —г- : Ф (у) =Ф (z - х)= -==— е V т 8Л. у 2 л av При этом //г Н[х)= — V—log— = log т. т т 1=1 Для определения условной энтропии H(x/z) найдем закон рас- пределения композиции х и у + °° Ашах (г—Л')2 = Г f[x)^\z — х) dx = —f —L—е V dx-= J т°х J V2^ay “"°0 Лш1п 2/nJ mJ] ( * 240
По аналогии с (10.12) найдем композицию закона распределе- ния величины х в пределах одного интервала квантования с за- коном распределения погрешности у Л-_2г\ ф /2г \~1 ^У2°у/ \2]/2оу/]’ (10.13) где означает, что (г — 1) §Л. < х~ лт1п < i Ъх. Вероятности отдельных участков композиции (10.13), ограни- ченных интервалами 8Х, р [(J— 1)оЛ. < г<./од./л'г]= р (Zj/Xi), после замены переменных i,5-Sx — ]/ 2 а 0,5-8^-В z У2оу будут определяться выражением 1 ]/Тр Р (ZjlXi) = (7+1)-^= -j ~ V 2 УТ J Ф(ц) dv— J Ф (и) du (10.14) где Р= — — параметр, характеризующий датчик параметра ау и устройство преобразования с нормальной погрешностью и оп- ределяющий значение условной энтропии р (z^x^. По (10.11) <с учетом (10.14) можно рассчитать условную энт- ропию H(Xlz) и оценить потерю информации, обусловленную погрешностями устройств намерения и преобразования пара- метра. В практических расчетах [30] обычно юграничиваюдся так на- зываемой оценкой сверху энтропии Н{x!z)^>H(x/z) по формуле т Н (xjz) = - S Р Щх^ log Р (Zjlxt), I =1 где приближенно j°x У1 j* У/2 f - e~~V^-7=^-e~V^2^. (10.15) J и Z тс о у 2 тс О (У-1)8Л. График оценки H(x/z) приведен на рис. 10.18. Легко видеть, что потери информации уменьшаются с увеличением р, т. е. в системах контроля с малыми погрешностями измерения инфор- мация выше. 16. Румянцев Е. А. и др. 241
Соотношения вида (10.14), (10.15) позволяют выбрать при- емлемый шаг квантования по уровню из условий требуемой точности контроля, если известны характеристики погрешностей измерения. Цифровые автоматические системы .контроля состоят из двух основных частей: бортовой информационно-измерительной и ком- мутационной аппаратуры, которая стро- Р и с. 10.18. Зависимость оценки энтропии Щх/z) от параметра р кого) автоматического ится по тем же принципам, что и в анало- говых АСК, и цифровой управляющей вычислительной машины контроля (УВМК). Блок-схема УВМК изображе- на на рис. 10.19. В ее состав входят: пульт оператора и программное устрой- ство; специализированная ЭЦВМ, выпол- няющая функции управления контролем, количественной и логической обработки его результатов; устройства индикации и регистрации. Основным для АСК обычно является режим последовательного (пооперацион- контроля, хотя иногда предусматривают- ся и различные варианты ручного контроля. Рис. 10.19. Блок-схема управляющей вычислительной машины контроля цифровой АСК.: УУ — устройство управления; АЦП — аналого-цифровые преобразовате- ли; ОЗУ — оперативное запоминающее устройство; АУ — арифметическое устройство; АРК — анализатор результатов контроля; УСК — устройст- во самоконтроля; ИСК. — индикатор самоконтроля; УР, УИ — устройства регистрации и индикации При автоматическом контроле устройство управления (УУ) в соответствии с программой подключает через коммутатор выхо- ды датчиков контролируемых параметров к аналого-цифровым преобразователям (АЦП) типа «напряжение — код», «часто- 242
та—код» и др. При этом УУ регулирует режимы и диапазоны измерений в АЦП. Арифметическое устройство (АУ) производит сравнение кодов полученных с преобразователей величин с ко- дами номинала и поля допуска контролируемого параметра. Коды номинала и допуска поступают с программного устрой- ства (или ic пульта оператора через кнопочные регистры) и хра- нятся в оперативном запоминающем устройстве ОЗУ на время проведения данной операции. В некоторых случаях они хранят- ся непосредственно в УВМК в долговременных ЗУ. АУ обеспе- чивает количественную оценку параметра как по его физической величине, так и по относительному отклонению от номинала в поле допуска. Оно может содержать также вычислительное уст- ройство прогнозирования. В зависимости от исхода контроля по текущей операции по. сигналам анализатора результатов конт- роля (АРК) через УУ осуществляется индикация и регистра- ция результатов (в случае положительного результата) или пе- ревод УВМК в режим самоконтроля (по получении отрицатель- ного результата). Устройство самоконтроля (УСК) имеет тест- программы, позволяющие проверить исправность УВМК от вхо- дов АЦП до АРК, а также схемный контроль ПУ. В случае ис- правности УВМК выдается информация о неисправности объ- екта контроля и машина 'Переводится в другой режим работы, например, с остановом по отказу, когда время контроля по дан- ной операции устанавливается произвольно оператором и ис- пользуется им для настройки и регулировки. Соответствующие признаки перевода УВМК в другие режимы закладываются в программе для каждой операции. Рассмотрим принципы построения основных устройств УВМК. Аналого-цифровые преобразователи. В авиационных цифро- вых АСК необходимо, как правило, преобразовывать в цифровой код следующие величины: — напряжение .постоянного и переменного тока (0 ч- Ц„); — импульсное напряжение (0 -г- Ц„; -с > 5 мксек при скваж- ности <Ю0); — частоту синусоидальных колебаний (0,1 гц — 50 кгц)\ — частоту повторения импульсов (0,1 гц — 50 кгц); — длительности импульсов (10 мксек — 100 сек); — временные интервалы (10 мксек — 100 сек)- — активные сопротивления (0 ч- 1 ком). Величина нормализованного напряжения Un может быть раз- личной и составляет обычно 0,1; 1,0; 10; 100 в. Для активных со- противлений производится предварительное преобразование к постоянному напряжению. Точность преобразования аналоговых величин должна быть не хуже 0,1—О,5°/о, а время преобразования напряжений не бо- лее 3 ч- 5 мксек. 16* 243
Преимущественное распространение в АСК получили преоб- разователи, основанные на времяимпульсном преобразовании, принцип действия которого -можно уяснить на примере типичной блок-схемы преобразователя, изображенной на рис. 10.20. Ui Срс£нчоою-^ щее 'Jcmpoi/ cmfio f Гоператор flUH щее уст рос/" 2 стио 2. I Триггер- । -s® оентиль Ю—г— । Стоп Счетчик истдльсйо ООО, Сеневатор </лраВл9ющш, импулбсо/) { в устройство КВарце&ыи '^нератор С&рое Рис. 10.20. Принципиальная схема времяимпульсного преобразова- теля аналог — код Линейно-изменяющееся напряжение U\ подается на два сравнивающих устройства. Сравнивающее устройство 1 сраба- тывает, когда t/i достигает некоторого отличного от нуля уров- ня <70 и своим выходным импульсом (старт-импульсом) откры- вает триггер-вентиль. Сравнивающее устройство 2 срабатывает на уровне UO-^UX, генерируя стоп-импульс, закрывающий триггер- вентиль. Два сравнивающих устройства используются с целью исклю- чения погрешностей, обусловленных нелинейностью начального участка генератора линейных напряжений и изменением темпе- ратуры. Интервал времени tx между старт- и стоп-импульсами про- порционален входному напряжению Ux = ktx, где dt В течение времени tx импульсы эталонной частоты f, сформи- рованные из колебания кварцевого генератора, поступают через триггер-вентиль на счетчик импульсов (см. рис. 10.20). При этом tx=NT, где N — число импульсов, 'зарегистрированных счетчиком;: Т — период колебаний кварцевого генератора. 244
Тогда Р и с. 10.21. Принципиальная схема аналого-цифрового преобразователя, построенного по методу сравнения Ux=kNT. Погрешность времнимпульсного преобразователя в основном определяется погрешностью дискретности. Погрешности, обус- ловленные (нелинейностью пилообразного напряжения и неста- бильностью кварцевого генератора, не превышают 0,1%. Погрешность дискретности оценивается абсолютной величи- ной значения младшего разряда счетчика и может быть выра- жена формулой: е = do-16) Из (10.16) следует, что погрешность преобразования пропор- циональна периоду колебаний 'кварцевого генератора и обратно пропорциональна периоду пульсаций линейного генератора на- пряжений. Основной недостаток этого метода —сравнительно невысокая скорость преобразования (по- рядка сотен измерений в секун- ду) . К числу преимуществ вре-, мяимпульсного преобразова- ния относится простота схемы и отсутствие в схеме логиче- ских устройств. В УВМК применяют также аналого-цифровые преобразо- ватели, построенные помето- ду сравнения с обрат- ной связью (компенсационные преобразователи). Схема их включает <в себя прямой преобразователь «аналог—код» — АЦП, обратный .преобразователь «код—аналог» — ЦАП, устройство сравнения входного сигнала и сигнала обратной связи — «нуль- орган» (рис. 10.21). Схема работает так, что когда разность А и входной величины и величины обратной связи достигает зна- чения, соответствующего требуемой точности преобразования, на выходе отсчетного устройства АЦП устанавливается цифровой код, отвечающий входной величине. Устройство преобразовате- лей с обратной связью может отличаться выбранной схемой преобразования аналоговой величины в код (с использованием счетчика для выработки кода, с поразрядным кодированием и др.), а также схемой обратного преобразования (суммирование .аналоговых величин с учетом «веса» разрядов кода или сумми- рование единичных аналоговых величин, число которых соответ- ствует входному коду). Преобразователи с обратной связью являются универсальны- ми двухсторонними (Преобразователями. Высокая точность пре- образования от 0,05 до 0,1%, 'сравнимая с точностью преобразо- 245
Рис. 10.22. Схема аналого-цифрового преобразователя с обратной связью
вателей временного кодирования, сравнительно высокая ско- рость преобразования — 102-н- 104 измерений в секунду, возмож- ность использования в следящем режиме и построения схем на высоконадежных полупроводниковых элементах определяют их применение в системах автоматического контроля. Одна из схем преобразователя с обратной связью [28] изо- бражена на рис. 10.22. Схема осуществляет преобразование не- прерывных напряжений. в дискретную форму и включает в се- бя нуль-орган (ПТ17, nTiS, ПТ22), инвертор (ПТ19), генератор импульсов (ЛТ2о, ПТ 21), счетчик импульсов (Г1<- ТТ), преобра- зователь «код—напряжение» (ПТ12 — ПТц^. Нуль-орган выпол- нен по схеме несимметричного триггера и выполняет функцию сравнения двух напряжений: входного Вх{ и обратной связи Вх2. В исходном состоянии Вх[ заземлен через ключ ПТ22, открытый отрицательным напряжением смещения — ЯсМ. При этом инвер- тор открыт, а генератор импульсов ПТ20, ПТ21 заперт положи- тельным напряжением смещения. При снятии программным уст- ройством напряжения — Всы с ПТ22 контролируемое напряже- ние Вх\ подается на первый триод ПТ1& и открывает его, инвер- тор закрывается и генератор начинает генерировать импульсы, поступающие в счетчик Т\—Т5. В табл. 10.2 приведена схема работы счетчика импульсов при последовательном поступлении импульсов от ГИ. Кодированное двоичным кодом входное напряжение с выхода счетчика импульсов поступает в преобразователь «код—напря- жение», который выполнен по потенциальной схеме. Количество входов преобразователя равно числу двоичных разрядов кода (в данном случае пять). В исходном состоянии с коллекторов закрытых триодов триггеров Ti—ТБ счетчика на входы преобра- зователя поданы отрицательные напряжения, триоды открыты и делитель через триод ПТц заземлен. Напряжение на выходе преобразователя отсутствует. При поступлении в счетчик перво- го импульса ПТ1В закрывается и на выходе преобразователя по- явится напряжение. Последующие импульсы от ГИ будут изме-
пять величину этого напряжения, причем чем выше разряд кода, тем больше величина выходного напряжения. При равенстве напряжений Вхх и Вх2 на входах нуль-органа несимметричный триггер опрокидывается (открывается ПТ17 и закрывается ПТ18). Генерация импульсов ГИ прекращается. Число импульсов, по- ступивших в счетчик, соответствует величине контролируемого напряжения. Рис. 10.23. Схема аналого-цифрового преобразователя с поразряд- ным кодированием На рис. 10.23 приведена другая схема преобразователя с об- ратной связью, построенная по методу поразрядного кодирова- ния. Она состоит в данном случае из десяти ограничителей на- пряжения Огр-1—Огр-Ю, нуль-органа, выполненного по схеме блокинг-генёратора с обмотками положительной и отрицатель- ной обратной связи, усилителя Ус, регистра 1\—Тю, вентилей Bi—Вю и сдвигового регистра. К выходам Огр-1—Огр-10 под- ключаются эталонные сопротивления, величины которых про- порциональны разрядам регистров —Т[0. Они образуют дели- тель, с помощью которого устанавливаются уровни напряжений, соответствующие двоичному коду регистра 7\—Ti0: Сравниваю- щим элементом нуль-индикатор а являются диоды и Д-2- В за- висимости1 от величины отрицательных напряжений, поданных 248
-на их катоды, открывается тот или иной диод и включается об- мотка отрицательной или положительной обратной связи, что приводит либо к началу генерирования импульсов генератором, .либо к срыву генерации. Входами нуль-органа являются их и Usr. . Преобразование напряжения Их в двоичный код происходит следующим образом. На вход сдвигового регистра подаются им- пульсы. С приходом первого из них сдвиговый регистр откроет Код Счетчик Р и с. 10.24. Схема преобразования временных ин- тервалов в цифровой код вентиль Bi и переведет триггер Т\ во второе устойчивое состоя- ние, при этом положительное напряжение с триггера поступит в Огр-1. На выходе делителя, образованного Огр-1—Огр-Ю, по- явится отрицательное напряжение U3r. Если контролируемое напряжение их окажется меньше U31t то нуль-индикатор начнет генерировать импульсы. Первый его импульс после усиления в Ус через вентиль Bi поступит к триггеру 1\ и возвратит его в ис- ходное состояние. Записанная в старшем разряде регистра еди- ница сохранится. Если их > £7ЭТ, то нуль-индикатор не будет генерировать. Под воздействием второго импульса, поступившего на вход сдвигового регистра, откроется вентиль В2, закроется Bi, триггер Т2 перейдет во второе устойчивое состояние и цикл работы повторится. Так поразрядно осуществляется кодирова- ние напряжения их до тех пор, пока их не станет равным £7ЭТ. При достижении равенства этих напряжений в регистре 7\—Тщ формируется двоичный код, пропорциональный контролируемо- му напряжению их. 249
I Признак/ f -а ЛИЙ w 1=э— Счет- чик Выходной код Р и с. 10.25. Схема пре- образования частоты в код На рис. 10.24,а приведена блок-схема преобразователя вре» менных интервалов в код, построенного по методу последова- тельного счета импульсов тактового генератора. В момент прихода старт-импульса, соответствующего началу измеряемого 'временного интервала, триггер Т опрокидывается и через схему совпадения «И» импульсы с тактового генератора ГИ поступают на счетчик. Стоп-импульс, соответствующий кон- цу измеряемого временного интервала, возвращает триггер.?.в исходное состояние, и схема совпадения «И» прекращает про- пускать импульсы ГИ. Число импульсов, записанное в счетчике, соответствует измеряемому временно- му интервалу. По получении импульса считывания открываются вентили В и код счетчика передается для дальней- шей обработки. Точность преобразователей такого типа зависит от дискретности преобра- зователя, стабильности работы генера- тора импульсов ГИ и величины по- грешности Д tk, происхождение которой поясняется рис. 10.24,6. На графике кривая а —вход запускающе- го триггера, b — выход триггера, с. — .выход ГИ, d — вход счетчика импуль- сов. По такому же принципу наполнения временного интервала им- пульсами может быть преобразована в код любая аналоговая величина А, если она предварительно преобразуется в импульс длительностью х = А на входе элемента «И» (рис. 10.24,а). В рассмотренном ранее преобразователе постоянного напряже- ния в код (см. рис. 10.20) тоже имеет место предварительное преобразование напряжения во временной интервал. Схема преобразования частоты f в код показана на рис. 10.25. Цифровые вычислительные устройства. В бортовых устрой- ствах автоматического контроля децентрализованного типа, а также в некоторых специализированных наземных АСК находят применение устройства допусковой оценки, которые проектиру- ются специально для каждой системы контроля. Они включают в себя запоминающие устройства измеренных значений парамет- ров и допусков на них, а также сравнивающие устройства (ло- гические схемы). Для хранения измеренных значений и допусков на .параметр чаще всего используются счетчики и регистры. Первые применя- ются в основном в АСК с времяимпульсными преобразователями «аналог—код», счетчики которых с дополнительными схемами совпадения и служат для допусковой оценки. Использование регистров чаще всего имеет место в АСК с аналого-цифровыми преобразователями поразрядного кодирова- 250
ния. В устройствах допусковой- оценки в этих случаях опреде- ляющее значение имеют логические схемы, а сами устройства на- зывают устройствами последовательного действия (с поразряд- ным сравнением). В универсальных бортовых и наземных автоматических си- стемах контроля для количественной обработки результатов, измерений используются цифровые вычислители, строящиеся по тем же принципам, что и ЦВМ. В частности, для допусковой; оценки применяются арифметические устройства обычных схем, запоминающие устройства и схемы сравнения. При построении АСЦ на базе ЭЦВМ наряду с допусковой оценкой легко могут быть выполнены и некоторые другие операции по обработке ре- зультатов контроля (например, операции осреднения по ряду замеров параметра для повышения достоверности контроля).. Рис. 10.26. Схема арифметического устройства Структурная схема одного из возможных вариантов АУ, вклю- чающего п связанных циклическим займом одноразрядных вы- числительных схем с тремя входами каждая, показана на рис.. 25L
10.26,в. Структура и принцип построения одноразрядной вычис- .лительной схемы поясняются рис. 10.26,а и б соответственно. Значения контролируемых параметров поступают со счетчика импульсов аналого-цифрового преобразователя на входы ах —ап поразрядно. Эталонные значения с программного устройства или •ОЗУ подаются на Ь{ — Ьп также по разрядам. Вычислитель производит одновременное вычитание во всех разрядах чисел в двоичном коде, при этом на его выходе Ci—сп воспроизводится разность сравниваемых величин, сзн фиксирует знак разности. Одноразрядная вычислительная схема (рис. 10.26,а, б) вы- полняет операцию вычитания трех одноразрядных чисел, одно- временно поступающих на ее входы, и в соответствии с прави- лами вычитания двоичных чисел имеет три входам; bt-, два выхода с;; dt. При этом на входы п;; bt поступают значения вы- читаемых цифр данного разряда, а на вход d^ — значение, занимаемое из младшего разряда, только в том случае, если в младшем разряде происходит вычитание 0—1. Соответственно на выходах схемы фиксируется результат вычитания в данном разряде ct и значение сигнала займа для старшего разряда когда вычитающая схема выполняет операцию 0—1. Ниже, в табл. 10.3, приводятся все возможные комбинации сигналов на входах и выходах одноразрядной вычислительной схемы. Если задается только код номинального значения параметра, то результаты вычислений в АУ выдаются или непосредственно в виде отклонения параметра от номинала, или поступают в схе- му сравнения по принципу «годен — не годен» (рис. 10.27). В регистр Р\ вносится код, соответствующий контролируемому параметру. В другой регистр Р2 вводится код, соответствующий- эталонному значению. Устройство сравнения содержит схемы совпадения С, поразрядно сравнивающие занесенные в регистры JPi и Р2 коды. Выходы схем объединяются схемой «ИЛИ». В слу- -252
чае различия кодов схема сравнения выдает сигнал и таким об- разом оценит значение параметра по принципу «годен — не го- ден».- Если задается номинал и поле допуска, то объем вычислений увеличивается. Полученная в АУ разность между кодом номина- ла и кодом измеренной величины поступает в схему сравнения с- Описание нормы Рис. 10.27. Принципиальная схема сравнения по принципу «годен — не годен» кодами верхнего и нижнего допусков, в которой формируется' оценка по принципу «больше — норма — меньше». В цифровых машинах более совершенных АСК рассчитывается относительное- количественное отклонение параметра от номинала. Относительная оценка отклонения от номинала обычно фор- мируется в процентах от поля допуска по стандартной формуле обработки контролируемого параметра и = K|t • 100%, «д (10.17); где ми— измеренная величина параметра; ин — номинальная величина параметра; «д — допуск на этот параметр. Иногда относительные количественные оценки отклонениям получают в более грубых долях поля допуска с указанием, в ка- 253-
л<ой из зон поля допуска находится параметр. Например, ---«н ,100 = . Ид Ч\ % при а0« < 1 «и — «н| < «! w; «2 О/о при «! И sg | «и — Мн ] < а2 и\ «3 °/о при а2 и < | «и — ин| < а3 и; (10.18) и4 % при а3 и < | и„ — «н К а4 «; и5 % при а4 и < | «и — ан | , где константы ач -ь а4 имеют следующие значения: <й0 = 0; а, =; 0,125; а2 = 0,25; а3 => 0,5; а4 = 1. Тогда «1°/о = = 12,5%; м2«/о' = 25%; и3% = 5О«/о; н4% = 100%; «6%>Ю0%. Р и с. 10.28. Принципиальная схема сравнения по принципу «больше — норма — меньше» Структурная схема сравнения по принципу «больше —• нор- тиа — меньше» приведена на рис. 10.28. Из запоминающего уст- ройства коды значений нижнего А и верхнего В допустимых пределов измеряемой величины X поступают на схему вычитания В—А, образующую код поля допуска Е => В-—А. В другой схе- ме вычитания образуется код разности D •= X — А. Сравнение F — Е — D и D = X — А осуществляется логической схемой по следующим правилам: «Годен» «Не годен» «Больше» «Меньше» £>>0; Д>0 Д<0 £><0 Нетрудно видеть, что основу схем сравнения составляют АУ, выполняющие операции вычитания и определения знака разности. 254
Схемы сравнения с оценкой отклонения от номинала в долях поля допуска строятся по тем же принципам. Они несколько ус- ложняются, так как из устройств памяти необходимо снимать значения, отвечающие различным зонам (долям) поля допуска, и сравнивать их с разностью кодов контролируемого параметра сброса Р и с. 10.29. Принципиальная схема оперативного запоминающего устройства и номинала. Иногда для этих целей в АУ осуществляется не- сколько операций арифметического сдвига кода допуска в сторо- ну младших разрядов, чем достигаете^ «дробление» поля до- пуска на зоны. Такой способ может быть применен при оценке по формуле (10.18). Если допуск задан, например, восьмираз- рядным кодом, то «в АУ при помощи четырех операций арифме- тического сдвига кода допуска в сторону младших разрядов (что равносильно последовательному делению поля допуска пополам) определяется, в какой из четырех зон допуска (100, 50, 25, 12, 5%) находится значение параметра. Для хранения эталонных значений номинала и допуска, а также промежуточных данных вычислений в УВМК используются оперативные запоминающие устройства. Одна из возможных схем ОЗУ приведена на рис. 10.29,а. Каждому из п разрядов в двоичном коде соответствует одна ячейка памяти со схемой рис. 10.29,6. На логических элементах ИЛИг, ИЛИ2 строится триггер, запоминающий один разряд двоичного числа («0» или «1»), а на элементах НЕ; ИЛИ строится ключ, позволяющий сни- мать с триггера сигнал только в определенный момент времени. 255
Сигнал сброса, подаваемый на вХ[, приводит триггеры в «нуле- вое» положение. Для запоминания «1» на вхг подается импульс. На выходе ячейки памяти появится «1» только в том случае, ес- ли с программного устройства на вход инвертора поступит уп- равляющий сигнал УС. В качестве запоминающих устройств в УВМК используются также магнитные барабаны и ленты, схемы на магнитных сер- дечниках и другие. Устройство управления (УУ). Оно обеспечивает централизо- ванное управление всей аппаратурой АСК и осуществляет связь- с пультом оператора. УУ органически входит в специализиро- ванную ЦВМ, являющуюся основным звеном УВМК по обра- ботке результатов контроля и управления им. Программа, определяющая последовательность и 'содержание операций контроля, обычно записывается на перфоленте (маг- нитной ленте или в ДЗУ) в цифровом коде. В одном кадре, оп- ределяющем проверку одного параметра, имеется несколько мно- горазрядных регистров, из 'которых часть служит для записи числовой информации в цифровом коде (номинал, допуск), а другая часть — для записи кодов операций управления. Программа считывается и поступает во входные (командные) регистры УУ, которые и реализуют управление, посылая команд- ные импульсы в коммутаторы и распределители АСК, узлы син- хронизации и коммутации АЦП, в устройства местного управле- ния и другие. Все операции управления имеют свой код, отвечающий оп- ределенному признаку., Различают признаки режима работы («с остановом по отказу», «ждущий режим», «переход к ручной регулировке» и др.); признаки установки коммутаторов (номер первичного коммутатора, номер ‘канала в нем и др.); особые признаки параметра (аварийный, самоконтроля и др.); приз- наки аналога и диапазона (номер канала в коммутаторе вида параметра, аналог «и», диапазон и др.); признаки времени опе- раций (время выдержки до начала измерения, время контроля и др.); признаки вывода на печать и индикацию, а также приз- наки, отвечающие адресам кода номинала, измеренного пара- метра и др. Операции управления, связанные с вычислениями» не отличаются от .принятых в обычных ЦВМ. В устройствах вывода обработанной УВМК информации обычно предусматривают следующие виды индикации и регист- рации: — световую, которая дает представление о номере контроли- руемого параметра (номере операции), отклонении параметра от номинальной величины в относительном поле допуска, о го- товности аппаратуры контроля к действию, о результатах само- контроля УВМК и другую вспомогательную информацию; 256
— звуковые и световые, при помощи которых оператор может быть информировал об особо опасных режимах контролируемых систем или о необходимости выполнения различных операций-по регулировке, настройке, отключению объекта контроля и т. п.; — печать результатов контроля на бумажную ленту, в про- цессе которой может быть отражена разнообразная информация об измеренных параметрах. Знак ре- шения Кодиро- ванный № пара- метра Порядок числа Знак числа Количе- ств. оцен- ка пара- метра Особые обозна- чен. № системы — 101 — Стандартная обработка 001 + 080 Физическая величина 001 2 + 152 Аварийный параметр вне допуска — 002 -L 345 1 Критическое отклонение — 003 1 + 124 . 004 — 030 + . 004 0 + 217 Рис. 10.30. Пример записи результатов контроля Световая индикация реализуется ,в виде табло, транспаран- тов, сигнальных ламп и т. п. на стационарном и переносном пультах оператора. Звуковая сигнализация обычно выполняется с помощью блока речевых команд (БРК) на базе магнитофона с местным устройством управления и выборкой записи по сигна- лам, поступающим с устройства управления УВМК- Пример записи результатов контроля на ленте печатающего устройства изображен на рис. 10.30. В первой строке цифры —101 — означают кодовый номер контролируемой системы, далее идут- несколько строк с результатами контроля параметров этой системы. Во второй строке 001 — кодовый номер параметра, + 080 — отклонение от номинала, в сторону увеличения на 80°/о поля допуска,, в третьей строке: 001 — тот же параметр, 2 — вто- рой порядок числа; 15'2 — физическая величина, которая с уче- 17. Румянцев Е. А. и др. 257
том порядка должна читаться как 15,2. В четвертой строке — 002 + 345! знаком восклицания «!» подчеркивается, что откло- нение очень большое (345%). В пятой строке знак > указы- вает на критическое значение 1,24 физической 'величины парамет- ра. Возможны и другие формы печати результатов контроля, на- пример, с применением цветовой окраски аварийных и не укла- дывающихся в поле допуска параметров. Рассмотрим некоторые варианты построения управляющих цифровых машин в системах автоматического контроля различ- ного назначения. Рис. 10.31. Блок-схема управляющей вычислительной машины контроля на- земной АСК На рис. 10.31 изображена 'блок-схема УВМК наземной си- стемы автоматического контроля. Ввод программы контроля в машину производится с перфо- ленты при помощи фото считывающего механизма ФСМ и уст- ройства ввода, включающего в себя дешифратор и входные ре- гистры. Программа контроля составляется кооперационно, при этом отдельной операции контроля или управления соответствует 258
определенный кадр на перфоленте. Покадровый ввод программы осуществляется в старт-стопном режиме, внутри кадров — в не- прерывном режиме. На рис. 10.32 показано размещение информации в одном кадре, имеющем восемь разрядов и пятнадцать строк. В 3, 4, 10 и 14-й строках кадра записаны признаки, определяющие вид измеряемого параметра, диапазон измерения, а также приз- наки записи в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) из- меренного значения параметра. В 5 — 8-й строках записаны коды управления для подключения контролируемых цепей объекта к входам машины, в 9-й строке —„ код времени операции, в 11-й и 12-й строках — код или адрес номинала, в 13-й и 14-й строках — код допуска или адрес допуска, в 15-й строке — признак окон- чания считывания кадра. Запись информации в кадре осуществ- ляется в двоичном коде (двоичной единице соответствует про- бивка на перфоленте). Обычно в АСК реализуется 800—1000 операций контроля, что потребует такого же количества кадров. Для выборочного контроля предусматривается поиск необходимого кадра. Он ве- дется в режиме непрерывной работы ФСМ путем сравнения ко- да номера операции, содержащегося в счетчике номера опера- ции устройства управления (УУ), с кодом номера операции, за- писанного в кадре (см. рис. 10.31). После выбора кадра происходит считывание информации кадра во входные регистры, которые обеспечивают ее хранение на время проведения опера- ции. В конструкции УВМК предусмотрены последовательный ав- томатический контроль (с любого номера операции) с переходом к каждой последующей операции после получения положитель- ного результата контроля и окончания -времени операции (в кадре задается код времени операции) с остановом и без оста- нова по отказу объекта контроля, а также выборочный ручной контроль. В машине установлены аналого-цифровые преобразователи напряжения, частоты переменного тока и интервалов времени 1в параллельный десятиразрядный двоичный код. Соответственно с этим машина выполняет операции контроля с измерением на- пряжения постоянного тока (в кадре задается признак «и»), из- мерение интервалов времени (признаки «Т» и диапазона изме- рения времени), измерение частот (признак «/» и диапазона частоты), измерение числа импульсов (признаки <ф> и «71»). -По- мимо этого, выполняется измерение величин, заданных в виде параллельного кода непосредственно из АСК (признак «Код из АСК»), операции контроля события и приема сигналов результа- та контроля объекта от внешних устройств (признак «Управле- ние из АСК — измерение»). 17* 259
эе 2 г НОМЕР KflflPfl 3 РДЗРЕШ. ввода чи- сел с ГПО Нзмсо£чис АНАЛОГА Запись пярйметря q 5 Б п р и з н д к И Режим вы КОДА УПРЯЕЛЕН, Останов по ОТКАЗУ УПРЯВПЕНЯВ из САК измерен | Паск I РЕ Г. У РЕ Г. |ДЦПЧ^2 УПРАВЛЕНИЕ ЗАПИСЬЮ Намяло | Сброс . ЧЕТНОСТЬ 7 с ч и 8 Ы В Я 9 И Я ю н 12 13 is с р о к к д fl р д I ПОСЫЛКА КОДЛ УПРАВЛЕНИЯ 2 ПОСЫЛКА КОДА ОПРАВЛЕНИЯ 3 ПОСЫЛКА КОДА УПРАВЛЕНИЯ <4 ПОСЫЛКА КОДА УПРАВЛЕНИЯ КОД ВРЕМЕНИ ОПЕРАЦИИ I ВНД Гй АНАЛОГА Т I f lull» Адрес номинала 1 Код номинала АДРЕС ДОПУСКА Четность. код с яцпч-г Признак АДРЕСА НОИННЙЛО Признак адреса ДОПУСКА Четность Четность ЧЕТНОСТЬ Четность Четность ЧЕТНОСТЬ четность КОД ДОПУСКА ДИАПАЗОН ИЗМЕРЕНИЯ_____ Па /г/ fi Т ИЛЬ f Признак Тили f Т или f Остановка Псрсмод ПО РЕЗУД КОНТР. Четность Р и с. 10.32. Вариант размещения 260
I I 1 ее зг ЗЕ а а i >— 3£ Q И юЭ ЗйЙРЕЖЙ Й МОТД •) j .4 д'врожкЯ' (8 рязряд ) 5 шзрйжкя (3РАЗРЯД) | Бдвршш (^РАЗРЯД) 7 ДОРОЖИЛ (5 РАЗРЯД) 8 дорожил РАЗРЯД). { 8Q04URIJ - WHDdSHMQ ВЯЖОйОП KflflP Н=9 Признак „измерения йийпогп“ 1Р а ним выййчи кода ншчвления J „ОСТЙИЗКЙ по откязн" КОДЫ ЦЕПЕЙ ВНЕШНИХ ИСТРПЙСТВ ' потемнения датчиков к ПРЕОбРйЗОВЙТВЛК/ ДЦП-1 . Время операции „2 сек’ 1 Признак измерения ( НЙПРЯИЕНиЯ ,,11'' ) । код номииялн ? НАПРЯЖЕНИЯ „2,22с 1 f Нод дописки 0,125 1 J 1 Признак екоичпиия [ считывания кййрд. I г г=- 3 в © 8 © © © .6 © © 7 © © 8 © е 8 © © Ш © ф © 11 12 © 1 © । ® © е ® © 13 © ® © й в е © 15 © © информации в кадре перфоленты 261 I !
При измерении аналоговых величин они могут пересылать- ся в арифметическое устройство (АУ) для допуокового контроля (в кадре признак «изм. аналога» и исходная числовая информа- ция) или в регистры ОЗУ (признак «Запись параметра в I или II регистр»). Код номинала и код допуска вводятся либо с перфоленты (в кадре код номинала и допуска), либо с одного из кнопочных ре- гистров пульта 'оператора (в кадре «адрес номинала», «адрес до- пуска» и признак адреса соответствующего кнопочного регист- ра), либо с регистров ОЗУ (в кадре признак «адрес номинала» и признаки адреса I или II регистра оперативной памяти). На рис. 10.32 дан пример записи 'информации в кадре. Обработка результатов контроля в АУ осуществляется с оценкой отклонения параметра от номинала в процентах (12,5, 25, 50, 100%) по полю допуска. Измерение параметра проводит- ся троекратно. Результаты сравнения по трем замерам поступа- ют в анализатор результатов, где достоверная оценка устанавли- вается по двум совпадающим замерам из трех. В АУ проводится также измерение события (может принимать значения 1 или 0). В машине выполняется ряд операций управления. Выдается код управления (в кадре признак «режим выдачи кода управле- ния» и коды посылок управления). При этом для управления внешними устройствами (наземными и бортовыми коммутатора- ми, цепями подключения сигналов к входам преобразователей и т. д.) машина обеспечивает вывод по каналу управления че- тырех признаков управления и четырех последовательных по- сылок параллельного шестиразрядного двоичного кода управ- ления. Каждой из посылок кода соответствует один из четырех признаков (ом. рис. 10.32). Местное управление (МУ) осуществ- ляет внутренние переключения в УВЛ4К, в том числе пересылку кодов признаков управления, прекращение контроля в случае получения отрицательного ответа по операции контроля (в кадре признак «останов по отказу»), переход к следующей операции после получения сигнала «пуск» от внешних устройств, переход к режиму самоконтроля и др. Самоконтроль измерительного тракта УВМК является тесто- вым. В диодных матрицах памяти устройства самоконтроля (УСК) записаны исходные данные для самоконтроля (признаки измерения, коды управления, коды номиналов и допусков). По команде перехода на СК данные с матриц УСК пересылаются во входные регистры программного устройства (см. рис. 10.31). Машина снабжена устройством вывода на печать и печатаю- щим устройством, а также индикацией на пульте оператора ре- зультатов контроля на световом табло и транспарантах. УВМК рассмотренного типа отличаются невысоким быстро- действием (несколько тысяч простых операций в секунду), срав- нительно небольшим объемом оперативной памяти (порядка 50 — 100 двоичных знаков), возможностью довольно быстрой 262
смены программы. С их помощью можно выполнить большой объем операций контроля, однако заложенный в них принцип однопрограммного последовательного контроля параметров при- водит к тому, что время контроля самолета и его оборудования в процессе подготовки к полету может оказаться большим. Со- кращения времени можно достигнуть только за счет уменьшения числа контролируемых параметров. Помимо этого, автоматические системы контроля подобного типа не приспособлены для анализа полегных данных, получае- мых в бортовых системах регистрации параметров. Рис. 10.33. Блок-схема УВМК с параллельным вво- дом нескольких программ На рис. 10.33 изображена одна из возможных блок-схем бо- лее универсальной УВМК, входящей в состав наземной автома- тической системы контроля. Как и в предыдущей схеме, машина содержит йнформацион- но-упр являющую часть, куда относятся преобразователи анало- говых величин в цифровой двоичный код, устройство управления (УУ), пульт оператора (ПО), выходные устройства, и вычисли- тельную часть, содержащую арифметическое устройство, запо- минающее устройство эталонных значений (ЗУЭ) и управляющее устройство. Основные отличия состоят в том, что в машине пре- дусматривается асинхронное выполнение нескольких программ контроля одновременно, с параллельным вводом измерительной информации по нескольким независимым каналам и обработкой ее в одном вычислительном устройстве. Машина может прово- дить также обработку информации, записанной на магнитной ленте бортовых систем регистрации параметров (УВМЛ). Информационная и вычислительная части машины работают также асинхронно, чем при высоком 'быстродействии (порядка нескольких десятков тысяч операций сложения в секунду) мо- 263
Жет быть обеспечена большая производительность в обработке информации. Несколько программ контроля записывается в про- граммном .'запоминающем 'устройстве (ПЗУ) в блоках памяти (/j2). Для обеспечения асинхронной работы по многоканальному принципу необходимо оперативное запоминающее устройство с большим объемом памяти (блоки 51). Через ОЗУ осуществ- ляется связь между информационной и вычислительной частями /Машины по числовой информации. Рис. 10.34. Блок-схема бортовой автоматической системы контроля Так как УВМК позволяет проводить контроль состояния са- молета и его оборудования непосредственно в процессе.подготов- ки, самолета к вылету, а также по полетным данным, записанным на магнитной ленте, то целесообразно в интересах вторичной обработки и обобщения получаемой обширной контрольной ин- формации выводить ее на перфоленту (ВПЛ). Принципиально машины подобного типа могут быть исполь- зованы также для оценки качества пилотирования по парамет- рам управления самолетом, записанным в бортовой системе ре- гистрации. Централизованные бортовые автоматические системы конт- "роля обычно строятся так,, чтобы они обеспечивали проверку состояния агрегатов и систем самолета в объеме предваритель- ной и предполетной подготовки, а также циклический контроль И запись в полете особо важных параметров с выдачей экипажу необходимых данных об их изменении и визуальных или рече- вых рекомендаций для принятия мер по предотвращению аварий- ной Ситуации. ' УВМК таких систем строятся, как правило, по следующей схеме (рис. 10.34). Система коммутации, обеспечивающая под- ключение УВМК к точкам отбора сигналов контролируемого оборудования и подачу управляющих и стимулирующих сигна- 264
лов на объекты контроля, включает в себя ряд первичных ком- мутаторов (ПК), промежуточные распределительные коробки (РК) и центральный коммутатор-распределитель (ЦКР). Для управления коммутаторами используется .многораврядный парал- лельный двоичный код, из которого одна часть разрядов отво- дится на выбор точек контроля, а другая — на распределение •выходных цепей коммутации. В состав УВМК входят аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифровое вычислительное устройство (ЦВУ), устройст- во управления (УУ), блок запоминающих устройств (БЗУ), пульты операторов (обычно стационарный и выносной), а также устройства регистрации, индикации и воспроизводства визуаль- ных или речевых рекомендаций экипажу. Так как система контроля является бортовой, то программа контроля запоминается в установленном на самолете долговре- менном запоминающем устройстве БЗУ, обычно выполняемом на магнитных барабанах с большим объемом памяти (порядка 5—6 тысяч 18—20-разрядных слов). Заполнение магнит- ных барабанов производится с помощью аппаратуры ввода, включающей в себя наземные программные устройства со смен- ными перфолентами. При такой конструкции имеется широкая возможность варьировать программы как перед полетом, так и в полете, и назначать специальные программы для различных эта- пов полета. Не исключается также ввод отдельных команд опе- ратором с целью корректировки программы или выполнения только части ее. В наземных условиях программа может отли- чаться от полетной. На магнитных барабанах обычно реализуется и оперативное запоминающее устройство с достаточно большим объемом па- мяти. Цифровое вычислительное устройство УВМК рассматривае- мого типа с учетом обработки полетных данных строится высо- копроизводительным (пятнадцати—двадцатиразрядным с быст- родействием порядка нескольких десятков тысяч простых опе- раций в секунду). Обработка результатов контроля проводит- ся, как правило, по принципу количественной оценки с высокой точностью и реже с допусковой оценкой. Устройство управления УВМК проектируется по< асинхрон- ному принципу с разрядной сеткой команд порядка 15—20 раз- рядов, из которых часть используется для образования кодов операций, а другая часть является адресной. При этом преду- сматривается необходимая выдержка времени между моментом подключения контролируемого параметра и началом измерения, между выдачей стимулирующего сигнала и производством из- мерения и г. п. При наземном контроле для ручной регулировки и настройки контролируемых блоков оборудования необходимо’ иметь вынос- ной пульт управления, снабженный визуальной индикацией ре1- 2(55
зультатов контроля. При «ждущем» режиме последовательного автоматического контроля дальнейшие, операции будут автома- тически продолжаться при достижении положительного резуль- тата в ходе регулировки. Для расширения возможностей инди- видуального, выборочного контроля того или иного параметра целесообразно на основном пульте оператора иметь специальное наборное поле. Одна из важнейших особенностей бортовых АСК состоит в на- личии не только средств индикации и регистрации результатов контроля в полете, но и устройств воспроизведения визуальных или речевых рекомендаций (инструкций) экипажу по предотвра- щению аварийных ситуаций. Предусматривается каталог запи- санных, например, в блоке речевых команд инструкций, которые нумеруются по степени аварийности ситуации, возникающей из- за отказа контролируемого объекта. Выбор инструкции произво- дится по принципу приоритета с предпочтением инструкции со старшим номером, автоматически, по командам УВМК- § 10.5. МОДУЛИ ИНДИКАЦИИ НЕИСПРАВНОСТЕЙ Для непрерывного контроля состояния некоторых наиболее важных объектов используются так называемые модули инди- кации неисправностей (МИН), являющиеся неотъемлемой частью самого объекта (встроенной системой контроля). Р и с. 10.35. Модули индикации неисправностей Модули индикации неисправностей наиболее часто исполь- зуются для сигнализации об отказах системы автоматического управления летательным аппаратом, радиоэлектронного обору- дования и т. п. Индикация 'Отказов может осуществляться с помощью МИН двух типов: а) МИН последовательного типа (фиг. 10.35,а), включаемого на выходе объекта контроля; б) МИН параллельного типа (фиг. 10.35,6), включаемого между входом и выходом объекта. Основными элементами модулей индикации неисправностей являются: датчик контролируемой .величины, датчик эталонного 266
ее значения, устройство сравнения и индицирующее устройство.. Модули индикации неисправностей параллельного типа обыч- но включают еще упрощенную модель контролируемого объекта.. Датчики контролируемой величины и ее эталонного значения, и сравнивающее устройство, как правило, конструктивно объеди- нены. Примеры таких устройств описаны в § 10.3. При использовании МИН вероятность правильной и непра- вильной оценки неисправностей характеризуется табл. 10.4. Таблица 10.4 Индикация Реальное состояние «Годен» Ср «Не годен» Ср «Годен» G д [Ср| О] Жр| G] «Не годен» G Р [Ср | G] Р[Ср ( G] Вероятность, что система при получении сигнала «годен»- действительно годна, определяется по теореме гипотез Р Др. Q P[Cp]P[GIC0J_ Р[С0]Р [G{CP\ + Р [Cp]P[G\Cp\ ’ Вероятность правильности показаний при получении сигнала, «не годен» определяется формулой Р Р[Ср] P[G|Cp] _ P[Cp]P[G|Cp]+P[Cp]P[G | Ср] Ошибочные оценки имеют место с вероятностями P[Cp]P[G|Cp] Д[Ср!Р[С|Ср]+/ДСр] P[G|C’p] ’ P[Cp]P[G|Cp] Д[Ср]Д [G |Cp]+P[Cp]P[G|Cp] Для того, чтобы исключить ошибочность оценок, необходимо- свести к минимуму значения P[G|Cp] и P[G| Ср]. Практически схемы МИН конструируются таким образом, что- любая неисиравпость самого модуля фиксируется как-неисправ- ность объекта, т. е. Р [G | Ср] =0. При этом условии P[Cp|G] = l. 267/
Оценка «годен» всегда свидетельствует о работоспособности контролируемого объекта. _ _ Оценка «не годен» с вероятностью/3 [Ср | G] указывает на отказ объекта, а с вероятностью Р[Ср | G] — на отказ МИН. Определение возможной ошибки в этом случае осуществляет- ся посредством самоконтроля МИН. При конструировании МИН необходимо, чтобы его надеж- ность была значительно больше надежности контролируемого «объекта, т. е. РмИН (/) < Ро к (О- Тогда __ — р (1 _ р ) ргС | GJ =------------------------- Р ^mhh(1-^ok)+AK(1-^mhh) г, гГ I Ту 1 ^ок (1 ^мин) ₽ р (\—р }+р (1 — р )* ГМИН\* * QVLji1 ОК\Л' г МИН/ Например, при Рит = 0,98 и Рок == 0,8 Р[Ср |G] = 0,93; а Р [Ср | G]= 0,07.
Глава XI БОРТОВЫЕ СИСТЕМЫ РЕГИСТРАЦИИ ПОЛЕТНЫХ ДАННЫХ § 11.1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ РЕГИСТРАЦИИ Под системой регистрации полетных данных понимается со- вокупность технических устройств, предназначенных для накоп- ления, сохранения и анализа информации об условиях полета;, о техническом состоянии и качестве функционирования в полете летательного аппарата, его силовых установок -и оборудования;, о психофизиологическом состоянии и действиях экипажа по уп- равлению летательным аппаратом и другой полетной информа- ции. •Первоначально регистрация параметров в полете осуществ- лялась на этапе летных испытаний новых образцов, авиационной техники. .При этом было установлено, что запись полетных дан- ных дает ценную информацию для расследования летных проис- шествий, оценки действий экипажа и для других целей. В связи с этим регистрация параметров стала широко применяться не- только при испытаниях, но и при массовой эксплуатации лета- тельных аппаратов, а сами регистрирующие устройства в на- стоящее время быстро развиваются. Регистрирующее устройство может находиться как на борту летательного аппарата, так и на земле. В последнем случае для передачи подлежащих регистрации параметров на землю ис- пользуется телеметрическая аппаратура. Однако телеметриче- ским принципам регистрации свойственны определенные ограни- чения. Помимо этого, телеметрические системы являются устрой- ствами достаточно, дорогими и сложными. Поэтому при массовой: эксплуатации летательных аппаратов используются главным образом бортовые системы регистрации полетных данных. (БСРПД). При испытаниях новой техники применяются оба ви- да регистрации. Основная особенность БСРПД состоит в том, что в полете (на борту летательного аппарата) они только регистрируют раз- личные параметры, не осуществляя их анализа. Получаемая и. накапливаемая при этом информация сохраняется и анализи- 269>
руется после полета (поэтому бортовые системы регистрации зьногда называют пассивными бортовыми системами контроля). Наземные средства обработки информации БСРПД включа- ют в себя в общем случае устройства первичной обработки после каждого полета летательного аппарата и системы централизо- ванной (вторичной) обработки информации по многим летатель- ным аппаратам одного типа (рис. 11.1). Рис. 11.1. Классификация и назначение бортовых систем регистрации по- летных данных Одной из основных задач, которая решается на основе ис- пользо1вания БСРПД, является анализ причин и предупреждение .летных происшествий. Наряду с повышением объективности и сокращением времени расследования аварий и катастроф приме- нение систем регистрации обеспечивает значительное сокраще- ние числа летных происшествий с неустановленными причинами, что позволяет предупреждать подобные происшествия в после- дующих полетах и, таким образом, повысить безопасность поле- тов. Вторая задача, которая решается для каждого летательного аппарата, заключается в использовании получаемой с БСРПД информации для технической диагностики его бортовых систем и оборудования. Преимущество такой диагностики состоит в том, что она проводится по данным, полученным в естественных усло- 270
«виях работы оборудования ® полете. При этом могут быть обна- ружены так называемые «исчезающие» отказы, проявляющиеся только в условиях полета. Использование при диагностике ин- формации, полученной в полете, повышает достоверность и со- кращает время контроля летательного аппарата перед вылетом, а также обеспечивает решение такой важной задачи, как прогно- зирование его технического состояния. Третьей важной задачей, решаемой после каждого полета, является задача обучения летного состава и оценки его действий при выполнении полетного задания. Особенно полезны системы регистрации при отработке экипажами таких сложных этапов полета, как посадка, взлет и перехват воздушных или атака на- земных целей. В системах централизованной обработки, кроме анализа при- чин летных происшествий, разрабатываются предложения по со- вершенствованию авиационной техники и ее эксплуатации; по конструктивным доработкам; по изменению режимов работы и условий применения; по изменению техники пилотирования; по оптимизации, ресурсов, сроков и объемов профилактических и других работ не только с учетом времени наработки (налета), но и с учетом фактического состояния агрегатов и систем оборудо- вания летательного аппарата. Классификация БСРПД может быть выполнена по следую- щим основным признакам. 1. По назначению. а) Аварийные БСРПД. Основное назначение этих систем — накопление и сохранение информации, необходимой для рассле- дования летных происшествий. Число регистрируемых этими БСРПД параметров, как правило, невелико (от 2—4 до несколь- ких десятков). Системы этого типа снабжаются специальными устройствами защиты носителя информации от ударов, огня, во- ды и агрессивных жидкостейв случае катастрофы, а также сред- ствами обнаружения (радиомаяками и т. п.). б) Эксплуатационные БСРПД, накапливающие информацию для решения таких задач, как техническая диагностика, сбор статистических данных, оценка действий экипажа и др. Число регистрируемых этими системами параметров достигает несколь- ких сотен, а длительность записи в общем случае не меньше времени полета летательного аппарата на двойной радиус дей- ствия. Аварийная защита отсутствует. Из специальных требова- ний, предъявляемых к эксплуатационным БСРПД, следует от- метить такие, как возможность быстрой смены накопителя ин- формации (или съема информации с него) и требование скорости декодирования (восстановления), превышающей в десятки раз скорость записи. в) Комбинированные БСРПД, сочетающие функции аварий- ных и эксплуатационных- систем. Выполняются эти системы в 271
двух вариантах: с единым регистратором, обладающим доста- точно большой емкостью (от нескольких, десятков до нескольких сотен записываемых параметров) и защищенным от разрушаю- щих воздействий, или с двумя регистраторами, один из которых является аварийным (с защитой), а второй — эксплуатационным. г) Испытательные БСРПД, используемые на этапе летных испытаний. Характерная их особенность состоит в большом чис- ле регистрируемых параметров, которое в некоторых системах достигает нескольких тысяч. В таких системах обычно обеспе- чивается самоконтроль их технического состояния и возможность изменения частоты опроса и других характеристик в соответст- вии с требованиями программы летных испытаний. 2. По принципу записи информации. а) БСРПД с механическим принципом записи. Чаще всего этот принцип применяется в аварийных системах с небольшим числом регистрируемых параметров. Существенными недостатка- ми БСРПД с механическим 'принципом записи являются малая плотность и низкая точность записи, невозможность регистрации высокочастотных сигналов и большой вес аппаратуры. б) БСРПД с осциллографическим принципом записи. В этих системах, как и в обычных осциллографах, запись выполняется световым лучом на светочувствительной бумаге (фотобумаге): или пленке. По точности записи эти системы превосходят систе- мы с механической записью, однако плотность записи все же ос- тается низкой, в связи с чем вес таких систем быстро возрастает с увеличением числа записываемых параметров. в) БСРПД с магнитным принципом записи. Системы этого типа являются наиболее распространенными, так как они обеспе- чивают регистрацию большого числа параметров, высокую точ- ность и большую длительность записи при сравнительно неболь- ших весах и габаритах. В качестве магнитного носителя инфор- мации используется магнитная лента, которая отличается устой- чивостью к воздействию морской воды, самолетных топлив и обеспечивает запись по нескольким параллельным дорожкам. г) БСРПД с фотографическим принципом записи. Применяет- ся как наружное фотографирование'(со стороны хвостовой части самолета вперед), так и внутреннее (например, в кабине). На- ряду с определенными преимуществами этим системам присущи и серьезные недостатки (зависимость от освещенности и т. п.), в. связи с чем в настоящее время они находят ограниченное приме- нение. 3. По форме записи информации. а) БСРПД с аналоговой формой записи. К ним относятся почти все системы с механическим и осциллографическим прин- ципом записи, а также диктофоны и магнитофоны, в которых, применяется прямая запись переговоров на магнитный носитель.. Общий недостаток таких БСРПД — низкая точность регистра- ции параметров. 272
б)< БСРПД с дискретной формой записи. К этим системам, можно отнести и некоторые БСРПД с механическим и осцилло* графическим 'принципом записи, но главным образом — это си- стемы с .магнитным носителем. Основное преимущество этих си- стем состоит в высокой точности регистрации (особенно при ис- пользовании цифровой формы записи в двоичном коде). Недо- статочная наглядность результатов записи компенсируется тем, что дискретная (особенно цифровая) форма записи облегчает автоматизацию процесса восстановления и анализа записанной информации с помощью ЭЦВМ. § 11.2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ РЕГИСТРАЦИИ Выбор структуры и конструкции БСРПД определяется чис- лом подлежащих регистрации параметров, требованиями по точ- ности регистрации и воспроизведения данных, а также алгорит- мом и временем обработки информации БСРПД, вытекающим из назначения. Возможности и характеристики БСРПД в значи- тельной степени зависят от формы записи 'информации. БСРПД с аналоговой формой записи информации. Аналого- вая форма записи может быть реализована несколькими спосо- бами. Наиболее простой из них, механический способ, состоит в том, что подвижный элемент датчика перемещает пишущую или царапающую стрелку на ленте специальной бумаги, фольги или пленки. При записи нескольких параметров для каждого из них должен быть свой пишущий элемент. Временная развертка осуществляется перемещением ленты от часового или электро- привода. В приборах с часовым приводом лента размещается на одном барабане большого диаметра, который в зависимости от передаточного(числа редуктора может делать один оборот за время от 30 минут до 24 часов. Регистраторы с механическим способом записи иногда назы- вают самописцами. Они применяются для регистрации двух-трех параметров. В качестве примера можно указать на бароспидо- графы, например, типа К-2-717 (рис. 11.2), которые записывают воздушную скорость и высоту, и трехкомпонентные самописцы К-3-63, регистрирующие скорость, высоту и вертикальную пере- грузку, необходимые для восстановления внешней картины лет- ного происшествия. Самописцы имеют свои индивидуальные дат- чики V, Н и п. Для уменьшения температурных погрешностей они оборудуются электрообогревом и простейшей системой тер- морегулирования. Существенный недостаток регистраторов с механической за- писью состоит в том, что конструктивно невозможно располо- жить все пишущие элементы стрелок на одной линии, что за* трудаяет расшифровку записей, так как значения параметров, соответствующие-одному и тому же моменту времени, оказыва- 18, Румянцев Е. А. и др. 273
ются на разных поперечных сечениях ленты. Расшифровка тре- бует применения специальных тарировочных графиков и шаб- лонов и связана с большими затратами ручного труда. Рис. 11.2. Самописец К-2-717: / — бронированный стакан; 2 — наматывающая катушка; 3 — электродвигатель; 4 — сматывающая катушка; 5 — запись высоты; 6 — запись скорости; 7 — от- метка времени; 8 — электромагнит отметки времени Другой недостаток состоит в мало’м числе регистрируемых параметров. При необходимости записывать электрические ве- личины необходимо .предварительное их преобразование к меха- ническим перемещениям. Механические самописцы имеют невысокую точность записи. В приборах с записью острием на бумаге, фольге, пленке наи- большая доля погрешности обусловлена трением. Так, для упро- щенной кинематической схемы регистрации приборной скоро- сти (рис. 11.3) сила трения, приведенная к анероидной ко- робке, будет равна: а относительная ошибка записи Рис. 11.3. К оценке ошибок меха- а = J? нической записи р / где N — сила нормального давления; f —. коэффициент трения; F — сила, обусловленная действием разности динамического (Гдин) и статического (Рст) давлений. Ошибка пропорциональ- 274
на силе нормального давления стрелки на бумагу и передаточно- му отношению кинематической схемы и составляет в самопис- цах 2—4°/о. Более совершенным способом аналоговой регистрации яв- ляется оптическая запись с использованием многоканальных све- толучевых осциллографов. По сравнению с механической она имеет существенное преимущество в весогабаритных характери- стиках, так как исключаются элементы кинематической схемы записи. Число параметров, регистрируемых светолучевыми ос- циллографами, .может находиться ..в пределах 10 ч- 30. Все регистрируемые параметры преобразуются к электриче- ским величинам, обычно напряжениям постоянного тока, и нор- мализуются. Для нормализации напряжений применяются потен- циометрические делители напряжения и дополнительные сопро- тивления. Преобразование и нормализация осуществляются в устройствах согласования. Помимо непрерывных величин, за- писываются так называемые разовые команды (включение авто- пилота, открытие створок реактивного сопла и т. п.). Для быстрого различения записи отдельных каналов в оптиче- ских регистраторах применяют специальные отметчики линий за- писи или производят запись на цветной фотобумаге или пленке. В последнем случае перед каждым вибратором устанавливают соответствующий светофильтр. Отметки времени наносятся при помощи гелиевой лампы, включаемой импульсами тока, посту- пающими от электрочасов через специальный трансформатор. Гелиевая лампа дает вспышку и наносит узкую полосу по всей ширине ленты. Для фиксации разовых команд обычно вместо вибраторов используют лампы накаливания, которые при вклю- чении наносят на фотопленку продольную линию. Для сокра- щения запаса фотопленки скорости ее протяжки находятся обыч- но в пределах 1—2,5 мм/сек, а запас фотопленки составляет 6—12 м при ширине 35 мм. В целях снижения погрешностей блок вибраторов выполняет- ся в виде единой замкнутой магнитной системы, обеспечивающей -весьма высокую стабильность тарировочных характеристик виб- раторов. Одна из возможных конструктивных схем оптического регистратора приведена на рис. 11.4. Для снижения температур- ных погрешностей осциллографы обычно оборудуются системой электрообогрева и биметаллическим регулятором температуры. В настоящее время начинают применять осциллографы с за- писью ультрафиолетовым лучом. Такая запись не требует про- явления и сохраняется при дневном свете в течение 5—10 дней. При довольно высокой точности регистрации (не хуже 1%) оп- тические способы записи не лишены недостатков: сравнительно низкая плотность записи, относительно узкая полоса пропуска- ния осциллографических накопителей информации, позволяющая записывать с приемлемой точностью лишь медленно изменяю- 18* 275
щиеся сигналы с узким спектром частот (порядка 20—30 гц} > трудность автоматической обработки осциллограмм. В системах аварийной регистрации параметров типа САРПП обычно записываются высота, скорость полета, перегрузки, от* клонение органов управления самолетом, обороты двигателей и т. п., а также разовые команды — включение форсажа, вклю- чение максимала, нажатие боевой кнопки, включение автопилота, давление в силовой и бустерной гидросистемах и т. п. Рис. 11.4. Блок оптической записи: 1 — магнитный блок; 2 — вибратор; 3 — осветитель; 4 — от- метчик базовой линии; 5 — редуктор; 6 — двигатель; 7 — наматывающая катушка; 8 — сматывающая катушка; 9 — зеркало; 10 — цилиндрическая линза; 11 — оправа с линза- ми; 12 — блок светофильтров БСРПД с модуляцией и дискретной формой записи. В БСРПД этого типа почти исключительно применяются магнитные нако- пители информации. Известно, что непрерывный сигнал можно воспроизвести по- его дискретным значениям. При этом сигнал, спектр которого' заключен ,в полосе частот шириной 2F, полностью определяется значениями этого сигнала, измеряемыми через интервалы време- ни 1/2F. Исходя из этого, .на носителе магнитного типа вместо' непрерывной аналоговой .записи можно производить дискретную запись, что позволит существенно уплотнить записываемую ин- формацию за счет регистрации в одном канале большого числа параметров. Очень важное преимущество метода магнитной за- писи информации состоит также в том, что он обеспечивает при- менение электронной аппаратуры для проведения 'высокоскоро- стной автоматизированной обработки регистрируемой инфор- 276
мадии. Другое преимущество заключается в многократности использования носителя информации, что обеспечивает снижение затрат времени на подготовку БСРПД к очередному полету. "Регистрация многих параметров в одном канале носителя ин- формации требует применения коммутационной аппаратуры, обеспечивающей поочередное подсоединение к этому каналу на- пряжений от различных датчиков. В качестве 'коммутаторов мо- гут использоваться как электромеханические, так и электрон- ные устройства, принципы построения которых такие же, как и в 'системах автоматического контроля (см. § 3 гл. X). Частота опроса параметра при записи назначается из усло- вий неискаженного воопроизведения непрерывного сигнала и со- ставляет обычно 1—30 гц. При выборе методов модуляции учитываются как спектр сиг- налов датчиков, так и динамические свойства записывающей головки, нижний предел частоты для которой составляет пример- но 50 гц. Применение амплитудной модуляции (с использова- нием несущей частоты) связано с амплитудными искажениями, являющимися следствием неоднородности свойств магнитного носителя. Свободными от указанного недостатка являются такие методы модуляции, как частотная, фазовая, времяимпульоная и кодово-импульсная (цифровая), которые и получили преимуще- ственное распространение в БСРПД с магнитным носителем ин- формации. При частотной модуляции амплитуда модулирован- ного напряжения остается постоянной, а частота изменяется в соответствии с законом изменения сигнала ® = шо + х (/), где /гш — коэффициент пропорциональности; x(t) — регистри- руемый сигнал; <о0 — частота немодулированного напряжения (соответствует нулевому значению сигнала). Из выражения для <о следует, что погрешности в записи при частотной модуляции 'обусловлены как колебаниями несущей частоты ш0, так и непостоянством скорости протяжки магнитной ленты (что эквивалентно изменению со0). Для устранения этих погрешностей на дополнительной дорожке ленты записывается частота немодулированного напряжения, что позволяет при об- работке записи учесть ошибки от колебаний несущей частоты и скорости протяжки. Частотная модуляция в БСРПД обычно реализуется путем включения в колебательный контур реактивных элементов, со- противление которых изменяется под воздействием регистрируе- мого сигнала. Тем самым достигается изменение частоты собст- венных колебаний контура пропорционально сигналу. В качестве реактивных элементов, изменяющих индуктивное сопротивление контура, обычно применяются специальные реактивные лампы 277
или магнитные усилители, для изменения емкости используются вариконды. На рис. 11.5 представлена блок-'схема БСРПД с частотной модуляцией. Роль реактивного сопротивления выполняет лампа Л2, подключенная параллельно колебательному контуру, образо- ванному генераторной лампой JIi, индуктивностью L и ем- костью С. Коммутатор БСПРД состоит из трех секций, каждая Р ис. 11.5. Блок-схема магнитного регистратора с частотной модуляцией из которых содержит одинаковое число параллельно работающих (от общего шагового привода) коммутирующих элементов. Пер- вая секция коммутирует сигналы с датчиков |(таких секций мо- жет быть несколько); вторая секция коммутирует немодулиро- ванное напряжение несущей частоты, необходимое для компенса- ции ошибок при демодуляции; третья секция обеспечивает за- пись временных отметок в отдельном канале носителя. Шаговый привод коммутатора работает в старт-стопном режиме от так- товых импульсов стабилизированной частоты. Таким обравом, «опрос параметров» проводится через строго фиксированные про- межутки времени с постоянной частотой. (Заметим, что в более совершенных схемах БСПРД в интересах большего уплотнения информации реализуется различная частота опроса параметров в зависимости от частоты их изменения и даже варьируется ча- стота опроса одного параметра в зависимости от текущих его- значений). Модулированные по частоте сигналы после усиления поступают на записывающие головки ЗГ. 278
Блок-схема наземной аппаратуры декодирования и восста- новления информации БСРПД 'представлена на рис. 11.6. Сня- тая с БСПРД кассета Ki устанавливается в устройство воспроиз- водства (УВ). Сигналы датчиков, записанные на первой дорож- ке, снимаются головкой воспроизводства ГВг и после усиления в /7У, и демодуляции (Д1) поступают в корректор ошибок КО, в котором из демодулированных напряжений датчиков вычитает- ся демодулированный сигнал ошибки (из-за неравномерности Рис. 11.6. Схема декодирования и восстановления информации магнитных регистраторов с частотной модуляцией протяжки в БСПРД), который воспроизводится на второй до- рожке. Селектор С, управляемый сигналами электронного бло- ка управления (БУ), обеспечивает разнесение сигналов датчи- ков, записанных в одном канале БСПРД по отдельным каналам осциллоскопа (О), шлейфового осциллографа (ШО) или цифро- вого печатающего устройства (ЦП). На блок управления посту-, пают сигналы отметок времени с ГВз, записанные на третьей дорожке. При 'большом числе регистрируемых в БСПРД пара- метров в наземной аппаратуре проводится обработка в несколько приемов (по 20—30 параметров), ввиду ограниченных возмож- ностей осциллографов и печатающих устройств. Осциллоскопы используются для экспреос-анализа. Метод частотной модуляции применен в английской системе регистрации типа «Мидас», которая имеет коммутатор с восемью секциями (по 45 ламелей каждая) и с общим шаговым приво- дом. При этом шесть секций используются для коммутации сиг- налов с датчиков; одна — для коммутации несущей частоты и одна — для временных отметок. Несущая частота составляет 700 гц. Шаговый привод обеспечивает четыре времени цикла коммутации: 0,6; 1; Зм 6 секунд. В соответствии с длительностью 279
цикла коммутации скорость протяжки ленты составляет 25,4; 15,24; 5,08 и 2,54 мм/сек. Регистрация производится на магнитной Ленте шириной 12,7 мм. Запас ленты составляет 550' м, Общая ошибка записи и воспроизведения (без учета погрешности дат- чиков) — не более 1 %. Рис. 11.7. Блок-схема магнитной системы регистрации с времяимпульс- ной модуляцией В БСРПД с времяимпульсной модуляцией на- пряжения с датчиков преобразуются во временные интервалы так, что длительность интервала пропорциональна величине на- пряжения. Блок-схема одного из вариантов Б'СПРД с в'ремя- импульсной модуляцией приведена на рис. 11.7. Напряжения с датчиков регистрируемых параметров Дт— Дни подаются че- рез распределительное устройство на кодирующие ячейки КЯ1— КЯ12, представляющие собой ждущие ламповые мультивибрато- ры. Первая кодирующая ячейка КЯ1 запускается импульсом, полученным при дифференцировании заднего фронта прямо- угольного импульса кадрового мультивибратора КМ. В ячейке КЯ1 вырабатывается прямоугольный импульс с длительностью, пропорциональной мгновенному значению напряжения датчи- ка Д{. Задний фронт этого прямоугольного импульса тоже диффе- ренцируется и одновременно запускается ждущий мультивибра- тор второй кодирующей ячейки КЯ2, которая формирует пря- моугольный импульс с длительностью, пропорциональной напря- жению второго датчика Дг. Циклы запуска последующих коди- рующих ячеек аналогичны. Дифференцирование задних фронтов прямоугольных импуль- сов КМ и КЯ одновременно осуществляется также цепочками 280
ДЦ2 — ДЦИ, выходы которых поступают в смеситель, Таким образом, на выходе ДЦ\— ДЦ12 образуется последовательность коротких импульсов, расстояния между которыми (временные интервалы) пропорциональны напряжениям датчиков, причем эти временные интервалы последовательно отвечают напряже- ниям датчиков Дн1—Дн\2- Усиленные импульсы отрицательной полярности после формирования с помощью ждущего блокинг- генератора подаются на записывающую головку магнитного ре- гистратора (на 'схеме рис. 11.7 — контейнер с ЛПМ). Кодирую- щая ячейка КЯ13 служит для кодирования отметок времени, по- ступающих от электрочасов. Поскольку каждый последующий цикл срабатывания коди- рующих ячеек начинается после подачи очередного импульса от кадрового мультивибратора, то между концом работы последней кодирующей ячейки и началом работы первой имеется интервал времени, зависящий от величины напряжений, снимаемых с дат- чиков. За один цикл кодирования на магнитной ленте записы- вается один кадр, содержащий 15 импульсов и 13 временных ин- тервалов. Рис. 11.8. Формирование выходных им- пульсов при времяимпульсной модуляции На рис. 11.8 для примера покаеан процесс формирования вы- ходных импульсов, поступающих в записывающее устройство, для трех регистрируемых параметров: и{; и2; На графике а —• кривые изменения параметров во времени, б — импульсы кад- рового мультивибратора (по трем циклам кодирования); в, г, 281
д — широтно-импульсное преобразование каждого из трех на- пряжений; е — расположение выходных импульсов, следующих в устройство записи. Электрическая'схема времяимпульсного кодирования приведе- на на рис. 11.9. Кадровый мультивибратор выполнен на лампе Л}1 первая кодирующая ячейка (ждущий мультивибратор) — на лампе Л2, усилитель—на Л]5 и блок-инг-генератор—на ЛХ6. Диф- ференцирование осуществляется цепочками Т?8СБ; Ri2C6, Д1С1; R2C2... Диоды До- Д,2, ••• пропускают на сетку Л\5. лишь отрицательные импульсы. Сигнал с датчика подается на сетку Л2. Импульс с кадрового мультивибратора, поступая на левый анод Л2, закрывает правую половину Л2 на время, рав- ное времени перезарядки конденсатора С7, а оно пропорциональ- но напряжению, поданному на сетку левой половины Л2, т. е. напряжению датчика. Распределительное устройство ,(см. рис. 11.7) периодически отключает датчики от кодирующих ячеек и подключает вместо них на время 0,2—0,5 сек калибровочное напряжение, необходи- мое для последующего декодирования, и напряжения датчиков разовых команд Др1 — ДрК. При сохранении того же количества кодирующих ячеек уве- личение числа регистрируемых параметров может быть достиг- нуто путем введения .в БСПРД коммутатора, обеспечивающего периодическую смену групп параметров, подключаемых к ко- дирующему устройству. Блок-схема наземной аппаратуры декодирования изображена на рис. 11.10. Считанная головкой воспроизведения (в ЛПМ) се- рия импульсов после усиления поступает в генератор кадровых импульсов (ГКИ), формирующий кадровые импульсы по первым импульсам считанных кадров, и в распределительное устройство (РУ), которое состоит из счетной схемы (Т\—Г4) и диодной мат- рицы (ДМ). Счетная схема выполнена на триггерных ячейках с двумя устойчивыми состояниями. Установка ее в исходное по- ложение производится перед началом обработки каждого кадра кадровым импульсом ГКИ. Диодная матрица построена так, что напряжение выделяется на той питие, номер которой соответст- вует числу импульсов, подсчитанному в счетной схеме (напом- ним, что число импульсов в кадре без учета первого кадрового равно числу регистрируемых параметров, сумма k импульсов от- вечает й-тому параметру). Напряжение на шине в виде прямоугольного импульса выде- ляется только в промежутке между импульсами, так как после прихода очередного импульса счетчик устанавливается в новое положение. Выход РУ выполнен по типу телефонных гнезд, что дает возможность выбирать для дальнейших преобразований в аналоговую форму (ШИМ-AA'I) любые параметры. Запись отме- ток времени (ОБ) осуществляется по каналу временных отме- ток РУ. 282
Рдс. 11.9. Электрическая схема времяимпульсногр кодирования S8S
Времяимпульсная модуляция нашла применение >в отечест- венных магнитных регистраторах, простейший ив которых _МСРП-1'2 регистрирует 12 параметров и 12 разовых команд, имеет частоту опроса порядка 30 гц, точность не хуже 1 % и вы- полнен в варианте аварийного самописца. Рис. 11.10. Схема декодирования и восстановления информации магнитных регистраторов с времяимпульсной модуляцией Основным недостатком БСРПД с частотной и времяимпульс- ной модуляцией является трудность одновременной автоматиче- ской обработки и количественного анализа большого 'числа ре- гистрируемых параметров. При значительном числе записывае- мых параметров с учетом требования минимизации времени на восстановление .и анализ информации и особенно с учетом необ- ходимости количественного ее анализа эту обработку целесооб- разно реализовать с помощью ЭЦВМ. Наиболее удобной при этом формой модуляции является цифровая кодово-импульсная модуляция, которая к тому же обеспечивает и наибольшую точ- ность записи на носителе. В БСРПД с цифровой формой записи сигналы .датчиков параметров преобразуются в цифровой код. При этом возможна регистрация отдельных разрядов двоичных чисел как вдоль магнитной ленты (последовательная запись), так и попе- рек (параллельная запись). Для преобразования аналоговых величин в цифровую форму в БСРПД используются такие же, как и в системах автоматиче- ского контроля, преобразователи «аналог—код» (см. § 10.4, гл. X), а для подключения датчиков к преобразователям приме- няются преимущественно электронные коммутаторы типа диод- ных матриц (см. § 10.3, гл. X). Особенность состоит лишь в не- обходимости вывода и записи цифрового кода на магнитный но- ситель. 2284
На рис. 11.11 приведена схема коммутации и преобразова- ния сигналов датчиков в цифровой пятиразрядный код. В основу преобразования положен принцип поразрядного кодирования ПО' схеме сравнения (с обратной связью). Напряжение цэт на выхо- де кодирующей матрицы сопротивлений регулируется пятью уп- равляющими триггерами. Старшему разряду отвечает эталонное напряжение Е, следующему — Е/2 и т. д. При поступлении пер- Р и с. 11.11. Кодирующее устройство цифровых магнитных систем регистрации вого импульса с распределителя первый управляющий триггер ус- тановит на выходе матрицы «ат = Е. Если Е)>' их^ то на 'выходе нуль-органа появится напряжение, которое подается на схему «И» и закрывает схему «НЕ». Первый тактовый импульс через времят/2 после импульса распределителя через схему «И» опро- кидывает выходной триггер, подавая на схемы «И1».....«И4» напряжение. На выходном триггере в старшем разряде появится импульс «О». Второй импульс с распределителя через «Ир> опро- кинет первый управляющий триггер, снимая с выхода матрицы эталонное напряжение Е. Одновременно опрокидывается второй управляющий триггер и для сравнения 'в нуль-орган поступает - И9Т = Е/2. Если Е < ах, то на выходе нуль-органа напряжения не будет, схема «НЕ» открыта и задержанный на т/2 тактовый: импульс установит выходной триггер в положение, при котором с его выхода подается импульс «1» в старший разряд. На схемы-: «И1».... «И4» напряжение не подается. Второй импульс распре- делителя опрокинет второй управляющий триггер и к напряже* нию Е прибавится Е/2 и далее проводится сравнение. Е ' Всли Е -j- — <_ их, то на выходе в следующем разряде бу* 285-
дет «1», если Е -Д—> ил< г0 Тогда на следующем шаге Е/2 снимется, а добавится Е/4 и т. д. С выходного триггера код ре- гистрируемого параметра поступает (после усиления и формиро- вания) на записывающую головку ЗГ. Функциональная схема наземной аппаратуры обработки ин- формации цифровых БСРПД приведена на рис. 11.12. Бели принята последовательная запись, то после усиления (У) и фор- мирования (БФ) проводится преобразование последовательного кода в параллельный (ПК). Селектор С распределяет информа- Р и с. 11.12. Примерная структура устройств для наземной обработки информации цифровых систем регистрации цию по отдельным каналам. Управление селектором осуществ- ляется через блок управления (БУ) при помощи синхронизирую- щих импульсов, записанных на одной из дорожек. С выхода се- лектора информация поступает для анализа и количественной об- работки в специализированную ЭВМ, в преобразователь в деся- тичный код и на печатающее устройство. При необходимости мо- жет быть использован преобразователь «код—аналог» с после- дующей регистрацией информации — в шлейфовом осциллогра- фе пли индикацией в осциллоскопе. Системы с цифровым двоичным кодированием обладают наи- большей сравнительно с другими методами кодирования точ- ностью регистрации, причем эта точность повышается с увеличе- нием числа разрядов. Однако они имеют наименьшую плотность /записи. Если в БСРПД с частотной модуляцией плотность за- писи составляет около 30 значений параметров на одном санти- метре длины магнитной ленты, в БСПРД с времяимпульсной мо- дуляцией — 12—14 значений, то в цифровых системах регистра- ции с 15-разрядной записью — примерно 7—8 значений на один сантиметр длины. 286
Важным элементом БСПРД является записывающее устройст- во с носителем информации. В настоящее время как у нас, так и за рубежом в качестве магнитного носителя информации при- меняется магнитная лента различной ширины . (6,35; 12,7; 19,05; 25,4; 35мм)-. Пластмассовая основа ленты изготовляется из ацетилцеллюлозы или полихлорида. Наиболее термостойкой и прочной считается лента с основой из полиэфирной смолы. Та- кая лента имеет температуру размягчения 220°С, а удельное разрывное усилие —порядка 40 кг/жм2. С целью повышения термостойкости и прочности в качестве магнитного носителя в некоторых конструкциях применяют стальную проволоку с диа- метром 0,05—0,06 мм, однако на ней можно осуществить лишь одноканальную запись, в то время как на магнитной ленте число дорожек записи может быть большим. Перспективным материа- лом.для носителя информации магнитного типа считается тон- кая стальная лента, которая при высокой прочности и термостой- кости позволяет осуществить многоканальную запись. Записывающие магнитные головки конструктивно выполня- ются в виде единого узла с числом обмоток, равным числу доро- жек (каналов). Чаще всего используются головки с плоскими полюсными наконечниками, но большую плотность записи мож- но получить с помощью головок с остроконечными полюсными наконечниками. Ширина щели в сердечнике головки составляет около 20 микрон. Кассеты с магнитным носителем в целях сокращения объема и веса БСПРД располагают одну над другой. Запас магнитной .ленты в кассетах БСПРД колеблется в пределах от 100 до 1000 м и зависит от числа регистрируемых параметров, частоты опроса, плотности и длительности'записи, В зависимости от назначения БСРПД длительность записи может быть различной — от 30 минут до 50—300 часов. Соответ- ственно БСРПД может накапливать информацию за несколько полетов, за один полет или за фиксированный интервал времени в процессе одного полета. В последнем случае процесс записи организуется так, что при достижении с момента взлета установ- ленного времени записи (например, 30 минут) запись новой ин- формации производится на месте стираемой старой записи. Та- ким образом, всегда сохраняется информация за предшествую- щие данному моменту времени 30 минут полета. Такая цикличе- ская запись характерна для аварийных регистраторов и реали- зуется чаще всего по принципу реверсирования (например, вна- чале запись на первой дорожке, затем с реверсом — на второй дорожке, затем снова реверс и запись на первой дорожке со сти- ранием старой и т. д.). Рассмотрим способы защиты и спасения накопителей инфор- мации аварийных БСРПД и их размещение на летательном ап- парате. Применительно к задаче расследования причин летных происшествий необходимо, в случае аварии или катастрофы, за- 287
щитить накопитель информации от воздействия ударов, огня, во- ды и агрессивных жидкостей. На случай возможного погружения в воду необходимо обеспечить плавучесть и спасение блока с за- регистрированной Информацией. Решение этих задач достигается различными способами. В ряде конструкций блок с записанной информацией защищает- ся путем размещения его в шарообразном контейнере с двойны- ми стенками, пространство между которыми заполнено водой (рис. 11.13). Каждая из двух полусфер состоит из теплоизоля- ционной рубашки, представляющей собой полость, образован- ную двумя алюминиевыми колпаками различного диаметра и Рис. 11.13. Контейнер с лентопротяжным механизмом: J — пенопластовая облицовка; 2 — защитная оболочка из стеклотекстолита; 3 — теплоизоляци- онная рубашка с водой; 4 — верхняя кассета; 5 — нижняя кассета; 6 — штуцер подвода воз- духа; 7 — монтажное основание покрытую изнутри пенопластом и защитной оболочкой из стекло- текстолита. Внутренний колпак имеет ряд клапанов из легко- плавкого металла. Полусферы скрепляются специальным зам- ком. Такой контейнер обеспечивает защиту от действия огня (до 1000°С в течение 10 минут), жидкости и ударов до 200g; Кон- тейнер размещается на монтажном основании с помощью бол- тов, которые при ударе о землю или другое препятствие среза- ются и контейнер отделяется. В других БСРПД блок с носителем информации спасается путем катапультирования. Плавное снижение блока может обес- печиваться при помощи парашюта или авторотационного устрой- ства (рис. 11.14). Блок обеспечивается средствами плавучести, а для быстрого его обнаружения он оборудуется радио- и свето- маяками, окрашивается в оранжевый цвет. На случай привод- 288
нения блок снабжается запасом красящего вещества, которое со- здает на водной поверхности большое устойчивое яркое пятно. Катапультирование блока с носителем информации может про- изводиться по сигналам датчиков перегрузки, температуры или давления. Из условия наибольшей надежности сохранения аварийной информации регистратор обычно устанавливается в хвостовой части летательного аппарата, так как в случае катастрофы она в наименьшей степени подвержена разрушению. Рис. 11.14. Способы спасения аварийной ин- формации: РМ—радиомаяк; I4CM—импульсный све- томаяк; СОП— средство обеспечения пла- вучести; НИ — носитель информации Особенности эксплуатации аварийных систем регистрации по- летных данных состоят в следующем: — включение в работу 'бортовых средств регистрации являет- ся обязательным при выполнении каждого полета, начиная с мо- мента выруливания на старт и заканчивая заруливанием на сто- янку; — при неподготовленных бортовых средствах регистрации летательный аппарат считается неисправным; — защитные контейнеры накопителей информации пломби- руются перед полетом; ’ — в случае летных происшествий или предпосылок к ним за- прещается вскрытие контейнера с накопителем информации до прибытия назначенной для.этого комиссии; — съем и расшифровка информации после нормальных поле- тов в интересах обучения летного состава и улучшения процесса эксплуатации осуществляются по указанию командира и стар- шего инженера части. 19. Румянцев Е. А. и др. 289:
‘ ' § 11.3. РЕГИСТРИРУЕМЫЕ ПОЛЕТНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДЫ ИХ ОБРАБОТКИ ? • Количество и состав регистрируемых параметров определя- ются в основном назначением системы регистрации (аварийная, эксплуатационная или испытательная БСРПД), типом летатель- ного аппарата, на котором она устанавливается, а также тем, на- екалько оптимально осуществлен выбор этих параметров. Оптимизация состава и числа регистрируемых данных про- водится, как правило, на основе опыта эксплуатации, теорети- ческих, экспериментальных и летных исследований. Основные за- дачи, которые должны быть при этом решены, состоят в обеспе- чении заданных точности, скорости и достоверности восстанов- ления и анализа зарегистрированной информации при допусти- мых весогабаритных и других характеристиках бортовой и на- земной аппаратуры БСРПД. В общем случае.регистрируемые в полете данные можно раз-1 делить на следующие основные группы: 1. Параметры, характеризующие воздействие факторов внеш- ней среды. К ним относятся: температура наружного воздуха, мощность ионизирующей радиации, горизонтальная дальность видимости и т. п. Анализ этих параметров обеспечивает оценку условий полета. 2. Параметры, характеризующие пространственное положе- ние летательного аппарата. Это такие параметры, как: время, высота и скорость полета, отметки о прохождении ближнего и дальнего привода; отклонения от равносигнальной зоны курсово- го и глиссадного радиомаяков; углы сноса, к^рса, тангажа, кре- на, атаки; угловые скорости тангажа, крена, рысканья; перегруз- ки по трем осям; вертикальная скорость. Информация об этих данных является весьма важной при восстановлении внешней картины летного происшествия и при оценке правильности вы- полнения экипажем полетного задания. 3. Параметры, характеризующие действия экипажа в нор- мальных и аварийных ситуациях, К этим параметрам относятся положения органов управления рулями, триммерами, автопило- том, шасси, закрылками, двигателем, аварийными системами и т. п. Анализ этих параметров проводится в сочетании с парамет- рами второй группы. 4. Параметры, характеризующие состояние бортового обору- дования летательного аппарата. Прежде всего это параметры о состоянии систем управления летательным аппаратом, силовых установок, труппы пилотажно-навигационных приборов, аварий- ных и основных самолетных систем (топливных, гидросистем и др.). При этом регистрируются такие данные, как отклонения управляющих поверхностей, числа оборотов и крутящие моменты двигателей, давление в -гидросистеме, расход топлива, напряже- ния сети постоянного и переменного тока, сигналы об отказах ги- 299
ровертикалей, курсовых систем и т. п. Эта группа содержит обычно наибольшее число параметров, информация о которых необходима для расследования летных происшествий и техниче- ской диагностики бортовых систем летательного аппарата. 5. Параметры, характеризующие психофизиологическое со-, стояние членов экипажа: частота пульса, легочная вентиляция, энцефалограмма и др. 6. Служебные данные: дата полета, номер полета и самоле- та, самолетное время, внутрикабинные переговоры экипажа с землей. Регистрация и последующий анализ полетных данных предо- ставляют весьма ценные сведения для решения ряда эксплуата- ционных задач. Представляет интерес оценка количества информации, кото- рую может доставить регистрация случайного процесса измене- ния некоторого параметра состояния оборудования или коорди- наты движения в полете конечной длительности. Важным яв- ляется также определение .методов отбора тех полетных записей, которые с точки зрения технической диагностики несут наиболь- шее количество информации, и изыскание способов' уплотнения информации для последующей передачи на хранение или стати- стический анализ по многим реализациям записей. Заметим, что аналогичные задачи 'возникают при регистра- ции данных периодического контроля состояния авиационной техники на земле за некоторый промежуток времени эксплуата- ции, включающий в себя многие проверки состояния техники. Будем исходить из того, что регистрируемый параметр может принимать в полете непрерывные случайные значения х, причем априори известна функция плотности распределения этих зна- чений f(x). При дискретной записи имеет место квантование по уровню с шагом 8V и по времени с интервалом М. Если хП1ах— Amin представляет собой диапазон изменения параметра, то с учетом квантования по уровню число возможных дискретных значений параметра составит величину .... ____ ^-max -^min и С —— » 8. .причем вероятность t-того значения параметра №л-. p(xi) = P[(i- 1)8V< Дх <t8,]= j f (Ах) dx, (11.1) (t-i)8A. тде А х=л—л*т1п, t = 1, 2,..., m. События появления того или иного значения параметра обра- зуют полную группу /71 Ep(xz)=1. 1=1 19е 291
За ъремя Т записи параметра в полете с учетом интервала: Т квантования по времени регистрируется п — значений па- раметра. Регистрация параметра производится с помехами, не исклю- чены также различные отказы в системе регистрации. Поэтому зарегистрированное значение параметра у будет в общем случае не совпадать с истинным его значением х. Будем полагать, что> диапазон регистрации _ршах —ymin согласован с диапазоном из- менения параметра%тах—%min, так что множество У{г/1; Уг', ,ут} включает также т элементов, причем принимается правило: при. регистрации уг- делается заключение о том, что параметр имеет значение xt. Частная информация о некотором конкретном значении пара- метра X;, содержащаяся в единичном акте регистрации значе- ния yj в произвольный момент времени tK = k A t, будет равна: = log P<Xilyj) P(xi) где p(Xilyj) — апостериорная-вероятность, которая в отличие от идеальных процессов регистрации при j = i не равна единице.. Частная информация о множестве значений Х(хг, х2;..., хт\ содержащаяся в записи значения Ур составит величину Р (Xi/yj) log Р (Xt/yj) Р (xi) (И. 1> Пусть за полное время регистрации Т записанная дискрет- ная функцияут(О приняла гц раз значение г/i; п2 раз — значение- Уч‘, ... , птраз—значениеут. Тогда полная информация о пара- метре %(/), содержащаяся в записи дискретной функции yT(t} длиной Т, получится суммированием частных информаций (11.1): т Р (Xilyi) log —+ пг 2 Ptxjy^log Р Р р (Л;) т + • • пт У, р (xjyj log t (11 2> , P(xi) где n- 292
Преобразуем (ГГ-.2) к другому виду: т т 2j Р (xi/yJ 10S ’ f11 -3) Ml /=1 tlj где vy. = — - частота повторения значения у7- в данной записи параметра в течение времени Т. Как и следовало ожидать, количество информации о парамет- ре х(£), доставляемое одной реализацией записи, возрастает с увеличением длительности Т и уменьшением интервала кванто- вания по времени № (т. е. с повышением «частоты» опроса пара- метра), так как при этом увеличивается п. возрастает также с уменьшением шага квантования по уровню (т. е. с уве- личением разрядности при цифровой записи), так как при этом в '(П.З) возрастает число членов суммы т, а величина каждого из них становится большей в связи с уменьшением вероятностей /»(х(-). Информация возрастает также с уменьшением погрешно- стей регистрации. При р =1; р (Xilyfr+i = 0 .она становится максимальной. nj Заметим, что при значительном увеличении п частота = — в (Н.З) то вероятности стремится к p(yj)- Тогда средняя инфор- мация на один акт измерения и регистрации приводится к из- вестной из теории информации формуле полной (средней) ин- формации о системе А’, содержащейся в сообщении о том, в ка- ком состоянии находится система У: г т т г 7у^х V , . V / , ч, P(xilyj) 4p = -!L- = 2j Р log ———.(11.4) П р (Л;) у-1 г = 1 Однако при оценке информации по (11.4) любая запись с ко- нечной длительностью Т будет давать одно и то же количество информации I = п fcp- Между тем, представляется очевидным, что регистрация процесса конечной длительности, в котором про- изошли весьма редкие события появления маловероятных зна- чений х, должна доставлять больше информации сравнительно с регистрацией процессов, в которых имели место лишь события .•высоковероятной группы. Формула (И.З) обладает этим весьма важным свойством. Действительно, если параметр хв полете приобретал значения хь имеющие малую априорную вероятность p(xt), что отвечает, например, выходу параметра за поле допуска, исчезающему от- казу и т. п., то информация, подсчитанная по (11.3), будет в этом случае больше, чем для реализации записи «нормального» по- лета, в котором подобных событий не было. Это свойство дает 293
возможность при обработке записей после полетов отобрать для последующего детального анализа в интересах технической диа- гностики (или оценки качества пилотирования) те из них, в- которых имеет место существенное превышение Л»т-х сравни- тельно с «нормальными» ее величинами, а также решать задачи уплотнения -информации. Рассмотрим эти вопросы подробнее и попутно дадим другую трактовку оценки (11.3). Общее число возможных дискретных реализаций процесса хф/) длительностью Т составит величину k=mtl. (II.5) Вероятность некоторой р-ой реализации процесса, в которой Х[ повторяется «1р. раз, х2 — раз и т. д., будет равна: m Ру. = П Р (х2)П29- . . .р (л;„)""'р-, где Л1р. 4- Д2|1 + • • nmti. ~ п" Частная информация при идеальном без погрешностей наблю- дении этой реализации будет равна: ш m /fvtx = — log ГТ (^)"ip-= ti '>lv. l°g —7— • (!1 -6) i=l i=l Сопоставляя (11.3) при p{^ilyj)i^j = ^t P (xilVj)i=j 1 с со- отношением (11.6), нетрудно убедиться, что они одинаковы. Та- ким образом, (11.3) можно трактовать как частную информацию о процессе x(t), содержащуюся в одной записи конечной дли- тельности этого процесса с учетом -погрешностей регистрирую- щей системы. Отсюда следует также, что максимальное количество полной информации о процессе x(t) по всем возможным дискретным реализациям составит величину .. k Дпах = X Ру. lOgPp.’ ц=1 где pv.~- вероятность ц-ой реализации, р = 1, 2. . . к. Каждая :из --возможных k реализаций дискретного процесса лт(7) представляет собой комбинацию значений xt (t=l, 2,..., т)Л повторяющихся iiiv. раз|(/г.;р. = 1, 2,..., п). Вероятность любой из k комбинаций можно найти из соотношения ' [jO('Vi) + p(%2) +• ..-b/7(jc (11.7) 294
Распределим все возможные реализации в (11.7) в порядке возрастания вероятностей их появления. Так как (11.3) не учи- тывает порядка следования различных значений в реализации, то можно-выделить .группы равновероятных реализаций, в кото- рых частоты выпадения одних и тех же .значений одинаковы, а порядок следования значений различен. Нетрудно показать, что общее число таких групп составит величину ... = ' Пронумеруем от 1 до и расположим все группы реализа- ций в порядке возрастания априорных вероятностей входящих в них реализаций. При таком распределении информативность реализаций будет уменьшаться с увеличением номера от 1 до k*. Подсчет оценки (11.3) с помощью автоматических средств обработки записей систем регистрации и отнесение записанной реализации случайного процесса изменения параметра к той или иной группе (установление ее номера) не вызывают затрудне- ний. Считается число попаданий значений параметра в у-тый ин- ft. тервал (/ = 1, 2,..., т), рассчитываются величины v?. = > а затем проводится их суммирование, .при котором каждая ве- личина «взвешивается» с коэффициентом V i ом р Р(-П) 7=1 . Эти коэффициенты могут быть рассчитаны заранее с учетом априорных вероятностей р (х() и погрешностей регистрации. Рассчитанное таким образом'значение /ут^х сравнивается с величинами /И Y (X = 1, 2,'..., k*) / подсчитанными для всех возможных групп реализаций и пронумерованными указанным выше образом, и устанавливается номер исследуемой реализа- ции. Если по допуску на параметр или по другим соображениям назначена область «нормальных» реализаций и указано предель- нодопустимое /доп значение оценки (.11.3), которое позволяет от- нести соответствующую реализацию к той или иной области, то предварительный отбор записей сводится к тому, что все записи с номером, меньшим Хдоп, отправляются на детальный анализ с целью выявления отказов, разрегулировок и т. п. .. Уплотнение информации, доставляемой записью параметрам полете, для передачи на хранение или последующую статисти- ческую обработку по многим, летательным аппаратам в простей- шем-случае можно свести.к указанию номера реализации. -; При ’записи разовых-команд, а также.регистрации не полной кривой изменения параметра, а только событий выхода парамет-
ра за поле допуска, оценку количества информации можно полу- чить по той же формуле (11.3), если в ней принять т == 2, под p(xj) понимать вероятность выхода параметра из поля допус- ка, а .под р(х2) — .вероятность противоположного события. При регистрации многих независимых полетных данных в дискретной форме общая информация БСРПД подсчитывается путем суммирования количеств информации, которые несут за- писи отдельных полетных данных. Такие подсчеты, с учетом при- нятых форм записи, позволяют оценить информационную ем- кость БСРПД. Рис. 11.15. Схема автоматической обработки информации аварийных БСРПД Поиск неисправности, восстановление причины летного про- исшествия и решение других задач технической диагностики по зарегистрированным полетным данным обычно осуществляются с применением комбинационных методов. На основе предвари- тельных исследований каждой возможной причине летного про- исшествия (или отказу оборудования) ставится в соответствие вполне определенная комбинация значений различных призна- ков, сопутствующих этой причине летного происшествия. Если число причин равно N, то после анализа всех выявленных приз- наков отбирают минимальную, достаточную для их различения совокупность т признаков. Все эти признаки записываются в по- лете одновременно. Значению признака приписывается 1, если он должен наблю- даться при некоторой /-той причине летного происшествия, и 0 — если не должен проявляться. Таким образом, каждой причине летного происшествия будет отвечать своя особая кодовая дво- ичная комбинация значений признаков, включающая т разря- дов. Одна из возможных принципиальных схем наземного уст- ройства автоматической обработки информации бортовых систем регистрации приведена на рис. 11.15. Считываемая с носителя информации (например, с магнитной ленты) запись процесса из- менения в полете того или иного параметра поступает в схему 29.6
предварительной обработки, где она анализируется последова- тельно по времени. При этом устанавливается наличие призна- ков, отвечающих различным причинам летных происшествий, и производится формирование цифровых кодов признаков по всем .зарегистрированным полетным данным. Цифровой т-разрядный двоичный код признаков, полученных с системы регистрации, по- ступает далее в устройство сравнения, где он последовательно сравнивается с кодами признаков первой, затем второй и после- дующих возможных причин, хранящихся в долговременном за- поминающем устройстве (ДЗУ), При совпадении кодов фикси- руется номер причины, а затем по каталогу устанавливается са- ма причина летното происшествия. Достоверность восстановления причины летного происшест- вия по указанному способу будет зависеть от числа неучтенных возможных летных происшествий, а также от ошибок измерения, регистрации и обработки полетных данных. Так как в полетах могут встретиться новые, ранее не встречавшиеся ситуации, свя- занные с отказами, особыми внешними условиями, ошибками пилотирования и т. п., то основную роль в анализе полетных данных играет непосредственное исследование записей со сторо- ны инженеров-экспертов и других специалистов, в распоряже- ние которых предоставляются автоматические дешифрирующие устройства, графопостроители, осциллографы и другая вспомога- тельная аппаратура.
Глава XII АЭРОДРОМНЫЕ СРЕДСТВА ОБСЛУЖИВАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ §, 12.1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ АЭРОДРОМНЫХ СРЕДСТВ ОБСЛУЖИВАНИЯ Содержание современных летательных аппаратов в исправ- ном состоянии, а также быстрая и высококачественная подготов- ка их к полетам невозможны без применения большого количест- ва разнообразных устройств, механизмов и специальных машин,, с помощью которых механизируется и автоматизируется про- цесс технического обслуживания. Комплекс технических устройств и специальных машин,, предназначенный для наземного обслуживания летательных ап- паратов, называется аэродромными средствами обслуживания. Аэродромные средства обслуживания летательных аппаратов, являются одной из составных частей средств аэродромно-техни- ческого обеспечения. Второй составной частью средств аэродром- но-технического обеспечения являются специальные аэродромно- эксплуатационные машины и механизмы, которые применяются для подготовки, содержания и текущего ремонта аэродромов. Здесь, кроме механизмов и машин, заимствованных из народно- го хозяйства, применяются также вакуумно-уборочные машины,, роторные снегоочистители, тепловые и поливочные машины и другие специальные .механизмы и устройства. Третьей составной частью является специальная наземная техника, используемая авиационно-техническими и специаль- ными частями для обеспечения полетов и управления самолета- ми в воздухе. В зависимости от назначения аэродромные средства обслу- живания летательных аппаратов можно разделить на ряд основ- ных групп. 1. Средства заправки топливом, .маслом и другими жидкостя- ми. К ним относятся: топливозаправщики, маслозаправщики, оборудование систем централизованной заправки топливом, аг- регаты механизированной заправки различными жидкостями и др. 298
2. Средства обеспечения электроэнергией. 3. Средства обеспечения жидким и газообразным кислоро. до.м, газообразным азотом и другими газами. 4. Средства подогрева и охлаждения кабин, а также подо- грева силовой установки и других частей летательного аппарата.. 5. Грузоподъемные и транспортировочные средства,, тягачи- К ним относятся подъемные краны, лебедки, гидравлические и пневматические подъемники, автопогрузчики, транспортировоч- ные машины, буксировщики и другие виды автомобилей, прице- пов и тележек. 6. Установки для проверки самолетных гидравлических' си- стем и другие комбинированные установки. ; 7. Комплексы установок, предназначенные для выполнения демонтажных, монтажных, ремонтных и других работ на авиа- ционной технике, а также для осуществления контроля за со- стоянием и работоспособностью оборудования. 8. Средства доступа к высоко расположенным частям лета- тельных аппаратов. 9. Средства дегазации, дезинфекции и дезактивации. 10. Противопожарные средства. И. Вспомогательные машины и оборудование. Сюда относят- ся различные специальные машины, электропылесосы, смазко- цагнетатели, приспособления, применяемые при опробовании, двигателей, и другие устройства. Аэродромные средства обслуживания летательных аппара- тов, наряду со специфическими требованиями, которые предъяв- ляются к отдельным устройствам, должны удовлетворять общим; требованиям, основными из которых являются: 1. Высокая производительность. Выполнение этого требова- ния позволяет сократить все виды обслуживания авиационной техники. 2. Высокая проходимость, подвижность и маневренность. Это- достигается тем, что большинство аэродромных средств обслу- живания монтируется на автомобилях, имеющих повышенную- проходимость, прицепах или специальных тележках, позволяю- щих легко и быстро транспортировать их с одного рабочего ме- ста на другое. . 3. Надежность, простота и безопасность в эксплуатации, а: также безотказность в работе в любых условиях использования при минимальном числе обслуживающего персонала. 4. Универсальность как в смысле пригодности использования, для обслуживания различных типов летательных аппаратов, так. и в смысле многоцелевого назначения. В ряде случаев аэродром- ные средства располагаются на таких автомашинах, которые случае необходимости могут быть использованы для выполнения: других функций. • 5. Стабильность характеристик и точность выдаваемых пара- метров независимо от условий эксплуатации. ' 299»
Одной из основных характеристик средств обслуживания яв- ляется коэффициент использования h _ /раб л>и — , /раб 4" /всп тде /раб -- время работы средств обслуживания, обусловленное выполнением основных функций; /всп — время, затраченное на выполнение вспомогательных операций при выполнении устройством основных функций. Следует заметить, что значение вспомогательного времени оп- ределяется не только степенью совершенства средств обслужива- ния, но и эксплуатационной технологичностью летательного аппа- рата. Ниже рассматриваются только те аэродромные средства об- служивания, которые используются при технической эксплуата- ции авиационного оборудования. §, 12.2. АЭРОДРОМНЫЕ СРЕДСТВА СНАБЖЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЕЙ Аэродромные средства снабжения летательных аппара- тов электрической энергией предназначены для питания элек- трической энергией постоянного и переменного тока в процес- се технического обслуживания как бортовых систем и уст- ройств при их проверке, регулировке и настройке, так и аэро- дромных средств обслуживания. Кроме того, они обеспечивают запуск двигателей, имеющих электростартеры. Таким образом, аэродромные средства снабжения электро- энергией должны обладать достаточной мощностью, вырабаты- вать постоянный и переменный ток, напряжения и частота ко- торого должны соответствовать принятым в системах летатель- ных аппаратов и обеспечивать запуск двигателей различных типов. Аэродромные средства снабжения электроэнергией лета- тельных аппаратов подразделяются на аэродромные подвиж- ные электроагрегаты, на установки многоцелевого назначения и на централизованные системы электроснабжения. Аэродромные подвижные электроагрегаты (АПА) Наибольшее применение для обслуживания летательных аппаратов находят следующие подвижные электроагрегаты: АПА-2МП, АПА-ЗМП, АПА-4, АПА-2, АПА-35-2М и АПА-50. ‘Основные технические данные этих агрегатов приведены в табл. 12.1. Номинальное напряжение сети постоянного тока всех при- меняемых АПА 28,5 в. Во всех АПА электроагрегат смонтирован на шасси грузо- -300
301. Таблица 12.1 Тип установки Источники электроэнергии ' АПА-2МП АПА-ЗМП АПА-4 АПА-35-2М АПА-50 ЭГУ-3 (электроэнер- гетическая система) Генератор постоянно- го тока, шт. ПР-600 (1) ПР-600 (1) ПР-600Х2 (D. ПР-600Х2 (1) ГАО-36 (2) ГСР-18000Д (1) Номинальная мощ- ность, Квт i 17 17 34 34 50 18 Аккумулятор, шт. 12-А0-50 (4) 12-АСА-145 (6) 12-АСА-145 (2) 12-АСА-145 (3) 12-АСА-145 (2) 12-А0-50 (4) . Генератор -переменно- го тока, щт. . — — — — СГС-90/360 (1) СГО-ЗОУ (1) СГС-ЗОБ (1) СГО-12 (1) Номинальная мощ-, - несть, ква 50 30 30 12 Преобразователь ПО-4500 ПО-4500 Однофазная электрома- шинная система ПО-6000 ПТ-1500Ц — Номинальная мощ- ность, ква 4,5 4,5 4,6 6 1,5
«стоянного тока используются . Управление 1 о двигателем Рис. 12.1. Схема системы регулиро- вания напряжения генератора: 1 — двигатель внутреннего сгорания; 2 — карбюратор; 3 — электромагнитный регу- лятор «ого автомобиля, обладающего повышенной проходимостью. АПА-2МП и АПА-ЗМП имеют кузов грузового автомобиля. АПА-4 может использоваться в качестве тягача для буксиров- ки самолетов и аэродромных средств, расположенных на при- цепах и специальных тележках. В качестве основных источников электрической энергии по- нераторы промышленного типа и самолетные генераторы. Из генераторов промышленного типа применяются как одно- коллекторные генераторы ПР-600 и ГАО-36, так и двух- коллекторные —• ' ПР-600Х.2. Все они представляют собой машину закрытого, типа с ак- сиальной самовентиляцией, имеют смешанную систему воз- буждения и дополнительные полюсы. Вспомогательными источни- ками электрической энергии служат аккумуляторные бата- реи типа 12-АО-50 и 12-АСА-145. Источниками электрической энергии переменного тока яв- ляются электромащинные пре- образователи, а также трех- фазные и однофазные генера- торы. В АПА-2МП, АПА-ЗМП и АПА-4 генераторы постоянного тока приводятся во вращение от двигателя автомобиля через кар- данный вал и муфту переключения. В АПА-35-2М и АПА-50 привод генераторов производится от автономного дизельного двигателя, имеющего всережимный регулятор скорости враще- ния. Стабилизация напряжения генераторов постоянного тока АПА-2МП и АПА-ЗМП осуществляется электромагнитным регулятором 3 (рис. 12.1), подвижный якорь которого кинемати- чески связан с дроссельной заслонкой дополнительного пат- рубка приводного двигателя 1. Применение в регуляторе двух обмоток: обмотки напряжения IFH, подключенной на зажимы генератора, и токовой 1FT обеспечивает регулирование в функ- ции напряжения и тока нагрузки генератора.Несмотря на это, статические электромагнитные регуляторы при широком диапа- зоне изменения тока нагрузки не обеспечивают достаточно высо- кой точности стабилизации напряжения генератора и хорошего качества переходных процессов. 302
Лучшими характеристиками обладают системы, в которых производится стабилизация скорости вращения приводного дви- гателя с коррекцией по току нагрузки генератора. Постоянство напряжения достигается за счет смешанной системы возбужде- ния генератора, напряжение которого с изменением нагрузки в определенных пределах изменяется незначительно. Стабилизация скорости вращения приводного двигателя про- изводится электромагнитным регулятором, обмотка напряжения Жн. которого подключается на клеммы тахогенератора, кинема- тически связанного с якорем генератора, а токовая включе- на последовательно с нагрузкой генератора. Подобная схема стабилизации применена на АПА-4. . Напряжение генераторов постоянного тока АПА-35-2М и АПА-50 стабилизируется с помощью самолетных угольных ре- гуляторов РУГ-82 и РН-180 соответственно. В комплект коммутационной и защитной аппаратуры АПА входят в основном устройства, применяемые в самолетных элект- роэнергетических системах. Например, на АПА-50 включение ге- нераторов и защита их от обратной мощности производятся дифференциально-минимальными реле ДМР-800Д, которые ра- ботают совместно с автоматами защиты от перенапряжения АЗП-8М. Защита генераторов и аккумуляторных батарей от ко- ротких замыканий и перегрузок осуществляется тугоплавкими предохранителями. Источниками переменного однофазного тока напряжением 115 в и частоты 400 гц на АПА-2МП, АПА-ЗМП и АПА-35-2Л4 являются самолетные преобразователи типа ПО. На АПА-4 для получения однофазного переменного тока на- пряжением 115 в, частота которого может устанавливаться в диапазоне 400—900 гц, применяется двигатель-генераторная си- стема. В качестве двигателя используется самолетный генератор ГС-12Т, а генератором является самолетный генератор перемен- ного тока СГО-8, с возбуждением от сети постоянного тока. Си- стема работает в комплекте с регулятором частоты переменного тока, регулятором напряжения РН-400Б и с коробкой управле- ния и защиты КРЛ-31. Система переменного тока АПА-50 состоит из трех отдель- ных систем. Система трехфазного переменного тока напряжением 208 в я частоты 400 гц состоит из синхронного генератора СГС-90/360с возбуждением от возбудителя постоянного тока и комплекта пуско-регулирующей и защитной аппаратуры. Источником трехфазного переменного тока напряжением 36 в, частоты 400 гц является самолетный преобразователь ПТ-1500Ц. Система однофазного переменного тока частоты 400 гц имеет два выходных напряжения: 208 и 115 в. Она включает синхронный генератор СГО-ЗОУ с возбуждением от сети постоянного тока, комплект пуско-регулирующей и защитной аппаратуры и транс- 313
форматор Т-15, с помощью которого напряжение генератора 208 & понижается до 115 в. В; комплектах пуско-регулирующей и защитной аппаратуры систем переменного тока преимущественно используются устрой- ства, применяемые в аналогичных самолетных системах. Привод генераторов СГС-90/360 и СГО-ЗОУ так же, как и ге- нераторов ГАО-36, производится от раздаточной коробки авто- номного дизельного двигателя. Все рассматриваемые АПА обеспечивают запуск двигателей: летательных аппаратов как по схеме 24 в, так и по схеме 24—48 в. АПА-4, АПА-35-2М и АПА-50, кроме того, позволяют произво- дить запуск по схеме плавного повышения напряжения до 70 в. Режим 48 в получается в результате последовательного сое- динения либо генератора ПР-600 и аккумуляторных батарей (АПА-2МП и АПА-ЗМП), либо двух коллекторов генератора ПР-600Х2, как это имеет место на АПА-4 и АПА-35-2М, либо^ наконец, двух генераторов ГАО-36 на АПА-50. Запуск авиационных двигателей при плавном повышении напряжения от АПА-4 и АПА-35-2М производится при последо- вательном соединении коллекторов генератора ПР-600Х2 и от- ключенной системе регулирования напряжения. Питание борто- вых 'Потребителей постоянным током напряжения 24 а в про- цессе запуска осуществляется от аккумуляторных батарей АПА» Запуск с плавным повышением напряжения рассмотрим на при- мере АПА-35-2М (рис. '12.2). При включении выключателя Bi питание от аккумуляторных батарей БА1 и БА2 подается в схему запуска самолета через разъ- ем III, подготавливая ее и схему АПА для запуска. В обмотку возбуждения генератора IFB включаются сопротивления Ri и R^ суммарная величина которых больше критической, и гене- ратор не возбуждается при работающем приводном двигателе. ДМР-600AM в цепи первоцо коллектор а .и контактор 6/( не вклю- чены, а контакторы IK, ЗК. и 4/( включены. Обмотка реле ЗР за- шунтирована перемычкой между клеммами 1 и 2. При нажатии на кнопку запуска клеммы 3 и 5 оказываются под напряжением. При этом включаются контакторы в цепи СТГ и контактор 5К подает ic клемм II напряжение на СТГ (срабаты- вает реле 5Р, которое включает реле 4Р, подготавливает цепь включения 1Р, а также шунтирует сопротивления Ri и Rk). В ре- зультате интенсивного возбуждения напряжение щ ток плавно' возрастают (участок АД, рис. 12.3). При напряжении 6—8 в сра- батывает 2Р, включая сопротивления /?| и /Д в цепь воз- буждения генератора. Возбуждение при этом продолжается за счет сериесной обмотки IFC (участок БВ). При напряжении 19 в срабатывает реле 1Р и шунтирует Д2. При этом напряжение про- должает возрастать по нагрузочной характеристике генератора смешанного возбуждения (участок ВГ). 304
При окончании запуска снимается напряжение с клеммы 5 разъема III. Реле 5Р и 1Р, а также контактор 5 К отключаются и схема приходит в исходное состояние. После разрыва цепи кон- тактором 5К отключаются контакторы самолетной цепи. Рис. 12.2. Принципиальная схема запуска при плавном повышении напря- жения от АПА-35-2М При запуске авиационных двигателей от АПА-50 по схеме плавного повышения напряжения один генератор ГАО-36 обеспе- чивает питание бортовой сети постоянным током 28,5 в, а вто- рой — подключается к стартер-генератору запускаемого двига- теля. Регулирование отдаваемого тока генераторо>м в 'Процессе запуска осуществляется пуско-регулирующей коробкой ПРК, работающей совместно с регулятором постоянного тока РПТ. Пуско-регулирующая коробка включает в себя регулятор то- ка, регулятор напряжения, стабилизирующий трансформатор и коммутационную аппаратуру. Угольные столбики регулятора то- ка и регулятора напряжения включены в цепь обмотки возбуж- дения генератора. Регулятор постоянного тока подключается к управляющим обмоткам регулятора тока ПРК. Он имеет два выхода: один со- 20. Румянцев Е. А. и др. 305
Рис. 12.3. График измене- ния напряжения и тока при запуске с плавным повыше- нием напряжения ответствует настройке регулятора тока на ток генератора 250— 300 а, а второй — на 1200—1300 а. Весь процесс запуска можно разбить на три этапа. На первом весьма кратковременном этапе происходит ограничение тока ге- мератора величиной 250—300 а. Это необходимо для плавного выбора люфтов в кинематической свя- зи стартер-генератор а с турбокомпрес- сором двигателя. На втором этапе запуска отдавае- мый ток генератором поддерживается на уровне 1200—1300 а. При этом по мере увеличения скорости стартер-ге- нератора напряжение генератора воз- растает. Третий этап запуска начинается с момента достижения напряжения на генераторе величины 65 ф | в. Он характеризуется вступлением в рабо- ту регулятора напряжения ПРК, с по- мощью которого напряжение 65 ф | в поддерживается достоянным до конца запуска. По окончании запуска вся аппара- тура возвращается в исходное состоя- ние. Все аэродромные подвижные электроагрегаты имеют запас топлива на 5—6 часов непрерывной работы. Обслуживаются, как правило, одним человеком. Скорость передвижения по шос- се 40—60 км/час. Широкое применение в процессе обслуживания летательных аппаратов находят подвижные установки многоцелевого назна- чения. Одной из таких установок является электрогидропневмо- установка ЭГУ, включающая в себя три системы. Основные дан- ные электрической системы ЭГУ-3 приведены в таблице Г2.1. Гидравлическая система ЭГУ позволяет производить назем- ную подготовку устройств, включенных в гидравлическую си- стему летательного аппарат'а. Пневмосистема используется при проверке герметичности кабин летательных аппаратов, для ох- лаждения аппаратуры и других целей. Централизованные системы электроснабжения летательных аппаратов Централизованные системы электроснабжения летательных аппаратов позволяют не только сократить сроки подготовки, но и улучшить организацию и повысить качество обслуживания ле- тательных аппаратов. 306
Основным требованием, предъявляемым к централизованным системам электроснабжения, является возможность обслужива- ния, включая и запуск двигателей различных типов самолетов. Кроме того, оборудование системы не должно мешать обслужи- ванию самолетов и их передвижению на аэродроме. Централизо- ванные системы электроснабжения должны быть приспособле- ны к использованию в необходимых случаях аэродромных под- вижных электроагрегатов (АПА) в качестве источников элект- роэнергии. Рис. 12.4. Функциональная схема централизованной си- стемы электроснабжения: Л — источник электрической энергии постоянного тока; Б — источник электрической энергии переменного тока; В — пус- ко-регулирующая аппаратура; Г — аппаратура включения и защиты Централизованная система электроснабжения (рис. 12.4) включает в себя преобразовательную подстанцию 4 с источни- ками электрической энергии постоянного и переменного тока, ка- бельную сеть 3 и распределительные колонки 2 с комплектами кабелей 1 питания потребителей и штепсельных разъемов. В качестве основных источников электроэнергии постоянного пока напряжением 28,5 в применяются мотор-генер аторные уста- новки промышленного типа и 'статические преобразователи. Вспомогательными источниками являются аэродромные акку- муляторные батареи, которые в некоторых централизованных си- стемах используются для запуска авиационных двигателей по схеме 24—48 в. 20* 307
Источниками электроэнергии переменного однофазного ток® напряжением 115 в, частоты 400 гц являются или самолетные- преобразователи типа ПО или промышленные мотор-генератор- ные преобразователи. Имеются также преобразовательные под- станции, в которых, кроме источника однофазного переменного» тока 115 в 400 гц, имеется источник трехфазного переменного» птока напряжением 36 в или 208 в, частоты 400 гц. Питание преобразовательных подстанций производится трех- фазным промышленным током напряжения 380/220 в от аэро- дромных трансформаторных подстанций через колонку 5 аэро- дромного питания. Пуско-регулирующая аппаратура преобразовательных под- станций аналогична аппаратуре, применяемой на аэродромных: подвижных электроагрегатах. Включение преобразователей в- работу со стороны первичной цепи производится с помощью- промышленной аппаратуры. Широкое применение находят си- стемы дистанционного управления. Централизованные системы электроснабжения летательных: аппаратов подразделяются на стационарные и передвижные. Преобразовательные подстанции стационарных систем раз- мещаются в специально оборудованных помещениях. Имеется постоянно проложенная кабельная сеть, соединяющая как пре- образовательную подстанцию с колонкой аэродромного пита- ния, так и преобразовательную подстанцию с распределитель- ными колонками, которые также установлены стационарно. В передвижных централизованных системах электроснабже- ния преобразовательные подстанции, комплект кабельной сети с распределительными коробками, с помощью которых подклю- чаются потребители, размещаются преимущественно на одно- осных автомобильных прицепах. Как и в стационарных системах., преобразовательные подстанции питаются трехфазным перемен- ным током от аэродромных трансформаторных подстанций че- рез колонки аэродромного питания. Типовая передвижная преобразовательная подстанция обес- печивает питание потребителей постоянным током напряжением 28,5 в, запуск двигателей по схеме 24—48 в и по схеме плавного» повышения напряжения до 70 в. Кроме того, обеспечивает пита- ние потребителей переменным однофазным током напряжением: 115 в и трехфазным током напряжением 36 в, частоты 400 at/.. Основным источником постоянного тока является промыш- ленный мотор-генераторный преобразователь типа МГ-600Х2, со- стоящий из трехфазного асинхронного двигателя .и двухколлек- торного генератора постоянного тока. Дополнительным источник- ком постоянного тока напряжением 28,5 в служит выпрямитель- ный блок с силовым трансформатором. Он используется для пи- тания постоянным током аппаратуры преобразовательной под- станции и бортовой сети самолета при запуске его двигателей по» схеме плавного повышения напряжения. 308
В качестве источников переменного тока используются само- летные преобразователи ПО-6000 и ПТ-1000Ц. В комплект преобразовательной подстанции входят также распределительный щит, панель с зажимами и блоки пуско-ре- тулирующей аппаратуры, аналогичные АПА-35-2М. Комплект кабельной сети включает в себя силовые кабели, распределительные коробки и пульт управления с кабелем. Про- мышленностью выпускаются комплекты кабельной сети двух ви- дов: для обслуживания тяжелых самолетов и для обслужива- ния легких самолетов. В случае необходимости к рассматриваемой передвижной централизованной системе электроснабжения может придавать- ся передвижной преобразовательный агрегат переменного тока с соответствующим комплектом кабельной сети. Он позволяет «обеспечить питание переменным током «всевозможных самолет- ных потребителей и специальных объектов и установок. § 12.3. АККУМУЛЯТОРНО-ЗАРЯДНЫЕ СТАНЦИИ Выполнение всех основных работ по техническому обслужи- ванию авиационных аккумуляторов и их зарядка производятся на аккумуляторно-зарядных станциях (АЗС). Аккумуляторно-зарядные станции разделяются на стацио- нарные и передвижные, размещаемые на автомобилях или при- цепах. Как стационарные, так и передвижные АЗС состоят из источника электрической энергии постоянного тока и зарядно- распределительного устройства, которое в свою очередь включа- ет регулировочные реостаты, контрольно-измерительные прибо- ры и коммутационную аппаратуру. В качестве источника постоянного тока АЗС широко при- меняются выпрямительные устройства, подключаемые к сети переменного тока. Находят применение также генераторы по- стоянного тока с приводом или от трехфазного асинхронного двигателя, или от двигателя внутреннего сгорания. Основные данные селеновых выпрямительных устройств ти- па ВСА, применяемых для зарядки кислотных и щелочных ак- кумуляторов, приведены в табл. 12.2. Таблица 12.2 Наименование ВСА-5 ВСА-111 Напряжение сети переменного тока, в . 127—220 127—220 Потребляемая мощность, ква 2 2 Выпрямленное напряжение, в 0 -:-64 0-5-80 Выпрямленный ток, а 0-5-12 0 н-8 Регулирование напряжения . . . Ручное Ручное 309
Они включают понижающий трансформатор, набор селено- вых столбиков, регулирующую аппаратуру и контрольно-изме- рительные приборы. Регулирующая аппаратура позволяет в оп- ределенных пределах изменять выходное выпрямленное напря- жение. При размещении стационарной АЗС должно быть предусмот- рено помещение для выполнения работ по техническому обслу- живанию аккумуляторов, для размещения аппаратуры АЗС, а также для зарядки и хранения аккумуляторов. При этом также- надо иметь в виду, что необходимы отдельные помещения для кислотных и щелочных аккумуляторов. Само помещение долж- но быть чистым, сухим, хорошо вентилируемым и надежно за- щищенным от попадания пыли. Температура должна поддержи- ваться в пределах -|-5 -ь +30оС. Примером передвижной АЗС может служить АЗС-4А. Стан- ция состоит из двух бензоэлектрических агрегатов АЛ-6/3, за- рядно-распределительного щита, дисциллятора и вспомогатель- ных. устройств. Все оборудование смонтировано на одноосном автомобильном прицепе, оборудованном съемным металличе- ским каркасом с брезентовым верхом. Рис. 12.5. Принципиальная электрическая схема зарядной панели: 1 генератор; 2 — выключатель; 3 — амперметр; 4 — реле минимального тока; 5 — реостат (П — перемычка изменения диапазона тока); 6 — предохранитель; 7 — клем- мовая панель; 8 — клеммы коммутации панелей; 9 — розетка; 10 — освещение пане- ли; И — выключатель; 12 — вольтметр; 13 — реостат возбуждения генератора Бензоэлектрический агрегат состоит из четырехтактного дви- гателя Л-6/3 с регулятором скорости вращения и генератора по- стоянного тока смешанного возбуждения ПН-28,5. При номи- нальном напряжении 120 в генератор развивает мощность 3 кет.. Зарядно-распределительный щит служит для распределения электрической энергии станции по зарядным цепям аккумулято- ров и контроля за напряжением и током зарядных цепей. Щит состоит из двух одинаковых панелей. Они могут быть подключе- 310
ны параллельно к одному из агрегатов или раздельно к каждо- му агрегату. Каждая панель имеет три отдельные зарядные це- пи. Принципиальная электрическая схема одной зарядной пане- ли с подключенным генератором представлена на рис. 12.5. Схе- ма панелей зарядно-распределительного щита допускает различ- ные -варианты использования их и включения аккумуляторов на заряд и разряд. При заряде аккумуляторы включаются между верхней и средней клеммами, при разряде — между средней и нижней клеммами данной зарядной цепи. § 12.4. АЭРОДРОМНЫЕ СРЕДСТВА СНАБЖЕНИЯ САМОЛЕТОВ КИСЛОРОДОМ Зарядка самолетных систем и парашютных кислородных приборов газообразным кислородом обычно производится, от автомобильных кислородно-зарядных станций (АКЗС). Пара- шютные кислородные приборы можно также заряжать от аэро- дромных баллонов с помощью автономного кислородного комп- рессора. Заправка самолетов жидким кислородом производится от транспортных резервуаров жидкого кислорода (ТРЖК). Автомобильные кислородно-зарядные станции Имеющиеся в эксплуатации автомобильные кислородно-за- рядные станции АКЗС-40, АКЗС-60, АКЗС-75 и АКЗС-75М раз- личаются в основном ;овоей производительностью 40, 60, 75 мЧчас Рис. 12.6. Принципиальная схема АКЗС: 1 —- кислородные баллоны; 2 — компрессор; 3 — предохранительный клапан; 4 холодильник; 5 — влагоотделитель; 6 — осушитель; 7 — редуктор/ ; 8 — штуцер зарядки систем низкого давления (до> 30 кг/см'2); 9 — штуцеры зарядки систем высокого давления; 10 — шту- церы зарядки баллонов АКЗС соответственно. Все они содержат следующие основные агрега- ты и устройства (рис. 12.6): 311
— батарею 'аэродромных кислородных баллонов для хране- ния возимого запаса газообразного кислорода под максималь- ным давлением 150 кг!см2; — компрессор с приводом от двигателя автомобиля, на ко- тором смонтирована станция; — щит управления с измерительной аппаратурой и органами управления станцией; — устройства для охлаждения и осушения сжимаемого кис- лорода; — соединительные трубопроводы, раздаточные устройства для зарядки самолетных систем высокого и низкого давлений; зарядные устройства баллонов АКЗС. Основные данные АКЗС приведены в табл. 12.3. АКЗС-75М. отличается от АКЗС-75 более совершенной про- тивопожарной системой и, кроме того, АКЗС-75М смонтирована на новой модификации автомобиля ЗИЛ. Зарядка самолетных кислородных систем от АКЗС происхо- дит сначала перепуском кислорода, а затем нагнетания с помо- щью кислородного компрессора. Заполнение баллонов АКЗС кислородом производится через зарядное устройство. Таблица 12.3 Наименование АКЗС-40 АКЗС-60 АКЗС-75 Производительность, яР/час 40 60 75 Рабочее давление, кг/см2 Количество кислорода, 150 150 150 вмещающегося в баллоны, м3 90 24 112,5 Остаточное давление, кг/см2 20 20 20 Транспортные резервуары жидкого кислорода Транспортные резервуары жидкого кислорода (ТРЖК) при- меняются для заправки самолетных газификаторов жидким кис- лородом, для его транспортировки и хранения. По своему устройству ТРЖК представляет сосуд Дюара, со- стоящий из внутреннего металлического резервуара и внешнего кожуха. В крупных резервуарах с емкостью в несколыко сот или тысяч литров вакууммированное пространство заполняется мик- ропористым веществом, обладающим высокой теплоизоляцией. Для поддержания достаточно высокого вакуума применяются селикагелевые газопоглотители. 312
Все основное оборудование ТРЖК, включающее контроль- ные приборы, вентили, предохранительные и зарядные устрой- ства, монтируется на внешнем кожухе. Жидкий кислород из внутреннего резервуара по трубопрово- дам и зарядным шлангам подается в самолетную систему под давлением паров кислорода. Ускоренный подъем давления паров кислорода перед заправкой и поддержание его на определенном уровне в процессе заправки производятся системой, подъема давления; состоящей из испарителей и аппаратуры управления. Основные данные ТРЖК, наиболее широко применяемых при обслуживании самолетов, приведены в табл. 12.4. Т аб лица 12.4 Наименование ТРЖК-2У ТРЖК-4М Вес жидкого кислорода, вмещающегося 1250 350 в резервуар, кг Рабочее давление в резервуаре, кг/см2 2 2 Испаряемость кислорода при хранении, 0,7 0,385 кг/час ТРЖК-2У транспортируется на 'автомобилях и на самолетах. ТРЖК-4М устанавливается обычно на автомобиле ГАЗ-69. Для длительного хранения жидкого кислорода на аэродроме применяются аэродромные резервуары жидкого кислорода АРЖК-1 и ТРЖК-3. АРЖК-1 вмещает 6500 кг, а ТРЖК-3 — 8000 кг. Кислородно-добывающие станции Жидкий и газообразный кислород получается в кислородно- добывающих станциях путем сжатия атмосферного воздуха, глу- бокого охлаждения, сжижения и последующего разделения его на составные части кислород и азот. Очистка воздуха от угле- кислоты, воды и механических примесей осуществляется специ- альными фильтрами, декарбонизаторами и осушительными ба- тареями. Высокую производительность имеют железнодорожные кис- лородно-добывающие заводы-поезда (ЖКДЗ) и стационарные кислородно-азотные добывающие станции (СКДС), Широко применяются также автомобильные кислородно-азотные добы- вающие станции (АКДС) и автомобильные кислородно-добыва- ющие станции (АК). Автомобильная кислородно-азотная добывающая станция АКДС-ЗОА расположена на двух автомобилях. Третий автомо- 313
биль придается для перевозки запасного имущества и вспомо- гательного оборудования. Производительность станции по жид- кому кислороду и азоту при наполнении транспортных резервуа- ров составляет 29—30 кг/час, по газообразному кислороду и азоту при наполнении транспортных баллонов — 36 мЧчас. Дав- ление выдаваемого газообразного кислорода и азота составляет 230 кг/см\ Лучшие характеристики имеет станция АКДС-70М, в которой несколько упрощена технологическая схема блока разделения. Улучшено также качество выдаваемого кислорода и азота за счет более тщательной очистки. Давление выдаваемого газооб- разного кислорода и азота повышено до 400 кг/см2. Станция АК-12МД предназначена для получения только' жидкого и газообразного кислорода. Она размещается также- на двух автомобилях. Производительность ее по жидкому кис- лороду составляет 11—12 кг/час, а по газообразному — 8 м3/час.. Давление выдаваемого газообразного кислорода — 165 кг/сл2. Станции АКДС и АК полностью автономны. Они могут ра- ботать как от собственного двигателя внутреннего сгорания, так и от промышленной электросети с напряжением 220/380 в. Для газификации жидкого кислорода и наполнения газооб- разным кислородом баллонов имеются установки УГЖК-1 и УГЖК-1М. Установка состоит из следующих основных устройств: насоса жидкого кислорода с электроприводом, испарителя, раз- даточного устройства и контрольно-измерительных приборов. Производительность УГЖК-1М составляет 10 сорок-алитровых баллонов в час. Максимальное давление наполнения 165 кг/см?.
РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ . ИНЖЕНЕРНО-АВИАЦИОННАЯ СЛУЖБА Глава XIII ОРГАНИЗАЦИЯ ИНЖЕНЕРНО-АВИАЦИОННОЙ СЛУЖБЫ § 13.1. НАЗНАЧЕНИЕ ИНЖЕНЕРНО-АВИАЦИОННОЙ СЛУЖБЫ И ЕЕ ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ . Состояние авиационной техники в процессе ее эксплуатации зависит от качества инженерно-авиационного обеспечения дей- ствий авиационных частей. Инженерно-авиационное обеспечение действий авиации осу- ществляется инженерно-авиационной службой (ИАС), которая организует и направляет работу всего инженерно-технического состава авиационных частей. Главной задачей ИАС является обеспечение максимально-эф- фективного использования всех технических и л етно-тактических возможностей авиационной техники для решения поставленных задач при высокой готовности авиационной техники к ее приме- нению. Успешное решение этой задачи зависит от того, насколько- организационная структура ИАС и формы эксплуатации авиа- ционной техники соответствуют уровню развития авиационной техники и степени совершенства средств ее эксплуатации. Все остальные факторы имеют подчиненное значение и также в зна- чительной степени зависят от состояния и уровня развития авиа- ционной техники, и средств ее эксплуатации. Круг вопросов, которыми занимается инженерно-авиацион- ная служба, весьма велик. Основным содержанием деятельности инженерно-авиацион- ной'службы являются организация эксплуатации и ремонта авиа- ционной техники, включающих все мероприятия по контролю^ за состоянием авиационной техники, проведению анализа конст- руктивных и эксплуатационных недостатков авиационной техни- ки, разработку и проведение мероприятий по их устранению и. по поддержанию авиационной техники в постоянной готовности к применению и обеспечению ее высокой надежности. 315-
Не менее важной задачей ИАС является разработка и прове- дение в жизнь .мероприятий по обеспечению безаварийных поле- тов, но предупреждению летных происшествий. К функциональным обязанностям инженеров авиационных частей относятся: обучение летного и инженерно-технического состава основам авиационной техники, принципам ее устройст- ва, конструкции и методам эксплуатации, осуществление конт- роля за соблюдением личным составом авиационных частей пра- вил эксплуатации, обобщение и распространение передовых методов эксплуатации авиационной техники, организация сбере- жения авиационной техники и материально-технических средств, имеющихся в авиационных частях. Кроме вышеизложенного, инженерно-авиационная служба разрабатывает нормы времени работы на авиационной технике, руководит рационализаторской работой, проводит рекламацион- ную работу, осуществляет: планирование регламентных работ и доработок авиационной техники, расхода и восстановления ее ресурса, отхода в ремонт и ввода ее в строй, планирование всех сторон деятельности ИАС и ведение установленного для ИАС авиачастей учета и отчетности. В процессе подготовки авиационных частей к боевым дейст- •ствиям или учебно-боевым мероприятиям инженерно-авиацион- ная служба производит инженерно-оперативные и инженерно- штурманские расчеты, а также расчеты по обеспечению матери- альными средствами для эксплуатации и ремонта авиационной техники. ИАС авиационных частей в своей деятельности руководству- ется наставлением, определяющим все задачи ИАС, приказами .и указаниями вышестоящих должностных лиц, относящимися к деятельности ИАС и к эксплуатации и ремонту авиационной техники. § 13.2. ФОРМЫ ОРГАНИЗАЦИИ ИНЖЕНЕРНО-АВИАЦИОННОЙ СЛУЖБЫ Применение механизации и автоматизации трудоемких работ процесса эксплуатации авиационной техники и улучшение при- способленности летательных аппаратов к выполнению этих ра- "бот позволяют, несмотря на значительное усложнение авиацион- ной техники, сохранять и даже повысить готовность авиационной техники к применению без увеличения штатов обслуживающего ее инженерно-технического состава. В этом отношении немалое значение имеет правильный вы- бор формы организации инженерно-авиационной службы, соот- ветствующей уровню развития авиационной техники и средств •ее эксплуатации. Все формы организации инженерно-авиационной службы мо- жно разделить на три группы (рис. 13.1): :316
1) форму организации инженерно-авиационной службы^, включенной в состав авиационных частей; 2) форму организации автономной инженерно-авиационной: службы; 3) смешанную форму организации инженерно-авиационной-: службы. Положительной стороной формы организации ИАС, при ко- торой инженерно-технический персонал включен в состав авиа- ционных частей, является высокая личная ответственность инже- нерно-технического персонала за состояние и эксплуатацию са- молетов части и авиационной техники, применяющейся на них,, что обеспечивает более глубокое изучение и освоение данной конкретной авиационной техники и особенностей ее эксплуатации: личным составом ИАС. Все это способствует повышению каче- ства подготовки и эксплуатации авиационной техники, гаранти- рует от возможности выпуска в полет неисправных самолетов и: обеспечивает высокую степень готовности авиационной техники; к применению. Некоторым недостатком этой системы является наличие ®- авиационных частях большого количества специалистов, не вхо- дящих в боевой состав летных экипажей, что в военное время при быстром изменении боевой обстановки и при быстром пе- редвижении войск несколько замедляет темпы перебазирования, авиационных частей. 317'
Организация инженерно-авиационной службы, находящейся в составе авиационных частей, может быть осуществлена тремя способами: — : путем персонального закрепления обслуживающего техни- ческого состава за каждым отдельным самолетом; — частичным закреплением технического состава за отдель- ными самолётами; — групповым способом обслуживания без персонального за- крепления технического состава за самолетами. В период применения поршневых самолетов, у которых наи- более трудоемким объектом обслуживания являлись поршневые силовые установки, а все другие работы, проводимые в процес- се эксплуатации самолетов, имели незначительный удельный вес, получила широкое распространение форма организации ИАС с персональным закреплением всего обслуживающего техниче- ского состава за отдельными самолетами. В период применения самолетов с газотурбинными двигате- лями, силовые установки которых значительно проще и надеж- нее в эксплуатации, чем поршневые двигатели, объем работы по подготовке самолетов складывается главным образом из подго- товки весьма многочисленного и сложного самолетного обору- дования и не менее сложного авиационного вооружения. В этом случае закрепление всего технического состава за от- дельными самолетами оказалось неэффективным, так как это потребовало бы значительного увеличения штатов технического состава. В связи с этим нашла применение групповая система обслу- живания в сочетании с закреплением некоторой меньшей ча- сти технического персонала за отдельными самолетами. Таким образом, в данном случае основная часть техническо- го персонала сосредоточена в группах, обеспечивающих подго- товку авиационной техники к полетам, и в группах регламент- ных работ. В таких группах представлен технический персонал всех спе- циальностей, а также сосредоточены все технические средства эксплуатации и контрольно-измерительная аппаратура, необхо- димая для проверки состояния авиационной техники. Обычно все работы, связанные с подготовкой авиационной техники к полетам, производятся в масштабе авиационных под- разделений® группах обслуживания. Все трудоемкие работы, производимые в процессе эксплуата- ции (регламентные, профилактические, текущий ремонт) произ- водятся, как правило, в масштабе авиационных частей группа- ми регламентных работ. Технический персонал, закрепленный за отдельными самоле- тами, будучи освобожден от выполнения трудоемкой части ра- бот, а также от получения и доставки к самолету запчастей и расходных материалов, имеет возможность большую часть ра- 318
бочего времени использовать для контроля за качеством выпол- няемых работ другими должностными лицами технического со- става и для контроля состояния авиационной техники. Он несет всю полноту ответственности за состояние самолета и за выпуск <его в полет в соответствии с его заданием. - Такая система организации инженерно-авиационной службы обеспечивает работу без вынужденных простоев личного состава и технических средств эксплуатации, дает возможность более узко дифференцировать специализацию, обеспечивая тем самым высококвалифицированное обслуживание авиационной техники. Рациональное использование технического персонала позволяет сократить его численность до минимума и дает возможность ин- женеру в случае необходимости маневрировать силами и сред- ствами инженерно-авиационной службы авиационной части. Групповая система обслуживания без персонального за- крепления технического состава за отдельными самолетами рас- пространения не 'получила. Однако в связи с дальнейшим раз- витием авиационной техники, применением средств автоматиза- ции контроля состояния авиационной техники и других эксплуа- тационных работ технический состав, закрепленный за отдель- ными самолетами, будет освобожден от своих основных функ- ций и утратит свое значение. В этом случае может оказаться целесообразным перевести обслуживание авиационной техники на чисто .групповую систему. Форма организации автономной инженерно-авиационной слу- жбы состоит в том, что инженерно-технический персонал в авиа- ционных частях полностью отсутствует, а обслуживание авиа- ционной техники осуществляется инженерно-техническим персо- налом, закрепленным за аэродромом базирования. В этом случае инженерный и технический персонал аэродро- ма обеспечивает эксплуатацию самолетов авиационных частей, которые базируются на данном аэродроме. При такой форме ор- ганизации командование авиационных частей освобождается от многих функций, связанных с наличием многочисленного техни- ческого состава, в связи с чем оперативность и маневренность летных частей несколько повышаются. Однако ввиду того, что в военное время при быстром передвижении войск авиационные части на данном аэродроме базирования долго не задерживают- ся и часто сменяются, технический состав аэродрома должен обеспечивать эксплуатацию разнообразных типов самолетов. От этого качество обслуживания -и контроля состояния авиационной техники снижается, что ведет к увеличению аварийности. Подчинение инженерно-авиационной службы, закрепленной за аэродромом базирования, имеет три разновидности: —- самостоятельные авиационно-технические части; — подчинение ИАС аэродромов частям аэродромного обслу- живания; 319
— подчинение группы технического персонала комендатурам: аэродрома. Такие группы используются главным образом нд. транзитных аэродромах для обеспечения перелетов. Во вторую мировую войну в ВВС некоторых воюющих стран? автономная система организации ИАС применялась. Однако ока- залось, что эффективность этой системы из-за низкого качест- ва обслуживания ввиду обезлички