Рациональное управление работоспособностью автономных летательных аппаратов. Часть 1

Представлено основні положення раціонального керування, яке базується на принципі керування за діагнозом. Запропоновано декомпозицію проблеми раціонального керування на ряд основних завдань та описано можливі способи вирішення задач діагностики щодо формування машинних процедур оперативного діагнозу...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Проблемы управления и информатики
Date:	2017
Main Author:	Кулик, А.С.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2017
Subjects:	Управление физическими объектами и техническими системами
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/208513
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Рациональное управление работоспособностью автономных летательных аппаратов. Часть 1 / А.С. Кулик // Проблемы управления и информатики. — 2017. — № 3. — С. 25-39. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859945535447760896
author	Кулик, А.С.
author_facet	Кулик, А.С.
citation_txt	Рациональное управление работоспособностью автономных летательных аппаратов. Часть 1 / А.С. Кулик // Проблемы управления и информатики. — 2017. — № 3. — С. 25-39. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Проблемы управления и информатики
description	Представлено основні положення раціонального керування, яке базується на принципі керування за діагнозом. Запропоновано декомпозицію проблеми раціонального керування на ряд основних завдань та описано можливі способи вирішення задач діагностики щодо формування машинних процедур оперативного діагнозу. Наведено ілюстраційні приклади. The main issues of rational control based on the control by diagnosis principle are presented. Decomposition of the rational control problem into few particular fundamental problems is proposed; and possible solutions of diagnostic problems associated with forming machine-based procedures of operative diagnosing are described. Demonstration examples are presented.
first_indexed	2025-12-07T16:14:01Z
format	Article
fulltext	© А.С. КУЛИК, 2017 Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 3 25 УПРАВЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ И ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ УДК 519.876.2:62–50(047) А.С. Кулик РАЦИОНАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТЬЮ АВТОНОМНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ. Часть 1 Введение В настоящее время наблюдается возрастающее негативное влияние технос- феры на процессы в биосфере. Это обусловило появление в области аэрокосмиче- ской техники тенденции роста потребительских требований к долговременному и безаварийному функционированию автономных летательных аппаратов, решаю- щих задачи мониторинга, ретрансляции, транспортировки грузов и ряд других. Новые потребительские требования входят в противоречие с априорными и апостериорными неопределенностями условий функционирования летательных аппаратов как объектов автоматического управления. Неопределенность условий связана с необходимостью учета неконтролируемого влияния на процессы функ- ционирования летательных аппаратов различного рода возмущений, разнообраз- ных шумов, а также неизбежных сбоев, поломок, неисправности, в общем, отка- зов. Все эти воздействия, по сути, дестабилизирующие работоспособность авто- номных летательных аппаратов, представляют собой неопределенные события. Накопленный арсенал принципов, моделей и методов в классе адаптивных систем управления позволяет в значительной мере конструктивно разрешить час- тично это противоречие с использованием ряда правдоподобных гипотез об усло- виях функционирования [1–7]. Попытки использования известных инструмента- льных средств для более полного разрешения этого противоречия приводят к нео- бходимости поиска новых подходов к управлению автономными летательными аппаратами при неопределенности полного множества неизбежных дестабилизи- рующих воздействий на всех этапах жизненного цикла. Одним из продуктивных представляется подход, базирующийся на адаптации посредством диагностирования причин дестабилизации объектов автоматическо- го управления и восстановления их работоспособности по диагнозу [8]. Совершенствование функций диагностирования и восстановления работо- способности объектов автоматического управления возможно посредством использования инструментальных средств знание-ориентированных систем продукционного типа [9, 10]. Продукционные знание-ориентированные средства позволяют конструктивно совершенствовать функции диагностирования и вос- становления в течение всего жизненного цикла летательных аппаратов по- средством новых экспериментальных и экспертных знаний о появляющихся 26 ISSN 0572-2691 дестабилизирующих воздействиях, т.е. обеспечивать эффективный процесс обу- чения в целях рационального повышения качества функционирования автономных летательных аппаратов. В статье представлены результаты исследований по разработке подхода к фор- мированию рационального управления работоспособностью автономных летате- льных аппаратов. 1. Основные положения рационального управления 1. Событийная неопределенность дестабилизирующих воздействий на ав- тономные летательные аппараты порождает множество неработоспособных состояний и обуславливает необходимость рационального управления работо- способностью. 2. Рациональное управление работоспособностью автономных летательных аппаратов формируется на единой методологической основе обеспечения работо- способности на всех этапах жизненного цикла. 3. Рациональное управление формируется в результате разумного сочетания аналитических средств, макетных и стендовых экспериментальных исследований, текущих опытных данных, интуиции и здравого смысла разработчиков. 4. Рациональное управление работоспособностью возможно только на основе знания причин нештатных ситуаций, т.е. дестабилизирующих воздействий. Де- стабилизирующие воздействия не могут быть непосредственно измерены. Ко- свенные измерения их последствий приводят к необходимости решения обратных задач — диагностических. Поэтому рациональное управление базируется на диагнозе устранимых причин однократных дестабилизирующих воздействий, т.е. на принципе управления по диагнозу. 5. Множество возможных состояний объекта рационального управления, порож- даемых дестабилизирующими воздействиями ,,1, qiDid  обуславливает необхо- димость формирования множества избыточных ресурсов R, позволяющих восста- навливать работоспособность. Поэтому рациональное управление базируется на со- бытийном выборе и продуктивном использовании избыточных ресурсов. 6. Сложность, многосвязность, многомерность, гетерогенность и уникаль- ность современных и перспективных автономных летательных аппаратов приво- дят к декомпозиции проблемы рационального управления на три последовательно взаимосвязанные задачи: а) рациональное управление работоспособностью блока при- водов (БП); б) рациональное управление работоспособностью блока дат- чиков (БД); в) рациональное управление работоспособностью летательного аппарата (ЛА). Такой подход порождает, на- пример, применительно к задаче угловой ориентации и стабилизации ЛА блок-схему, представленную на рис. 1. id1 ˆ )(t 1D )( 0kTup 2D 3D БП ЛА БД БВР БДП БДП БУП БДД БВИ )( 0kTu )(tm id2 ˆ id3 ˆ )( 0kTuU Рис. 1 Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 3 27 В блок-схеме отражен следующий принцип действия системы угловой ориентации и стабилизации ЛА. В БП вырабатывается векторный управляю- щий момент )(tm на ЛА. Виды дестабилизирующих воздействий 1D нару- шают работоспособность БП. В блоке диагностирования приводов (БДП) ре- шается задача выявления конкретной причины нарушения работоспособно- сти id1 ˆ по сигналам с БП: )( 0kTuP и управления ),( 0kTuU т.е. формирования диагноза, служащего управляющим воздействием для блока восстановления работоспособности (БВР). В этом блоке выбирается избыточ- ное средство из множества имеющихся ,PR выполняется его подключение для парирования нештатной ситуации, вызванной видом дестабилизации ,ˆ 1id и восстановление работоспособности БП. БД преобразовывает вектор )(t углового положения ЛА в соответствующий вектор цифровых измерений ).( 0kTu При появлении в БД любого вида дестаби- лизирующего воздействия 33 ˆ Dd i  в блоке диагностирования датчиков (БДД) фо- рмируется диагноз в форме оценок признаков вида .3 ˆ id На основании этого диагноза в блоке восстановления измерений (БВИ) выбирается избыточное средс- тво из множества имеющихся в БД DR , затем выполняется его подключение и восстановление искаженных измерений. ЛА преобразовывает вектор управляющих моментов ),(tm соответствующе изменяя угловое положение относительно центра масс ),(t и при любом виде де- стабилизации 22 ˆ Dd i  в блоке диагностирования подсистемы (БДП), при условии работоспособности БП и БД, происходит обнаружение, локализация и идентифи- кация, т.е. формируется полный диагноз id2 ˆ . По результатам диагностирования в блоке управления подсистемой (БУП) производится выбор из множества LAR имеющихся избыточных средств, соответствующего диагнозу id2 ˆ , и формируется вектор управляющего воздействия ),( 0kTuU обеспечивающий выполнение функцио- нальной программы требуемой угловой ориентации и стабилизации ЛА. 7. Рациональное управление объектами БП, ЛА и БД, подверженными со- бытийно неопределенной дестабилизации, базируется на автоматизации слабо формализованных интеллектуальных процедур глубокого диагностирования и ги- бкого восстановления работоспособности в реальном масштабе времени. Поэтому рациональное управление — это искусство возможного интеллектуа- льного управления. 2. Особенности объектов рационального управления Под объектом рационального управления (ОРУ) понимается конструктивно законченная часть объекта автоматического управления, выполняющая опреде- ленные целевые функции и обладающая свойствами, позволяющими осуществ- лять диагностирование работоспособности с заданной глубиной и восстановление работоспособности с помощью избыточных средств. На блок-схеме (рис. 1) пред- ставлено три таких объекта — БП, ЛА и БД. Окончательный функциональный и конструктивный облик ОРУ получаем в результате решения задач управления объектом автоматического управления, 28 ISSN 0572-2691 а также задач диагностического и восстановительного обеспечения. Другими словами, в процессе решения этих задач осуществляется структурное и пара- метрическое проектирование облика ОРУ. Для диагностирования и восстановления работоспособности каждый блок должен быть оснащен избыточными средствами. Так, для БП это может быть избыточная конструкция агрегатов, размещенных в пространстве по неколлинеа- рным осям по схемам «куб», «пирамида» и др. Для БД это могут быть избыточ- ные структуры с использованием как коллинеарно расположенных разнотипных датчиков и функционально связанных результатами измерений, например датчи- ки углов и угловых скоростей, так и неколлинеарно расположенных датчиков в блоке. Для ЛА это — избыточные структурные элементы, например, для самолетов это — секционированные аэродинамические управляющие поверхности. Избыто- чными функциональными средствами для ОРУ могут быть встроенные функцио- нальные элементы параметрической подстройки, коммутационные элементы, обе- спечивающие перераспределение питающих энергий и сигнальных цепей, сигна- льные контрольные точки, доступные измерению внутренних сигналов для глубокого диагностирования видов дестабилизирующих воздействий. В номинальном режиме функционирования преобразовательные свойства каждого ОРУ описываются нелинейными дифференциальными уравнениями с пере- менными коэффициентами. На этапе эскизного проектирования системы автома- тического управления автономными ЛА можно использовать математические мо- дели, полученные в результате линеаризации в  -окрестности выбранной рабочей точки. Эти модели могут быть представлены в дискретном пространстве состоя- ний, позволяющем наиболее полно отразить необходимые и достаточные свойства ОРУ, используемые для решения задач анализа и синтеза рационального управления. В общем виде такая линейная математическая модель описывается следующей сис- темой уравнений:     ,)0(;)()()( )()(])1[( 000 000 =xxk+NukT=CxkTy ;kT+BukT=AxTk+x (1) где )( 0kTx — вектор состояния ОРУ, ;)( 0 nXkTx  )( 0kTu — вектор воздействий, rUkTu )( 0 ; )( 0kTy — вектор измеряемых переменных, mYkTy )( 0 ; A, B, С и N — матрицы коэффициентов; k — номер дискрет, Kk ; 0T — период квантования. Математические модели ОРУ должны удовлетворять калмановским критери- ям полной управляемости и полной наблюдаемости в номинальном режиме функ- ционирования. Для того чтобы в ОРУ выявить вид дестабилизации ,Ddi  требуется опре- деленное количество доступных измерений, а также соответствующий характер входных воздействий для однозначного диагностирования причины наруше- ния работоспособности. 3. Диагностическое обеспечение объектов рационального управления Функциональное назначение блоков диагностирования БДП, БДД и БДО (рис. 1) заключается в формировании диагнозов ii dd 21 ˆ,ˆ и .ˆ 3id Разработка диагностиче- ского обеспечения ОРУ }БДЛА,БП,{ связана с решением комплекса основных задач, представленных на рис. 2. Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 3 29 Параметризация прямых признаков дестабилизирующих воздействий В ы ч и сл ен и е п р я м ы х п р и зн ак о в к л ас со в Формирование диагностических моделей Формализация знаний о признаках дестабилизации Формирование дихотомического дерева В ы ч и сл ен и е п р я м ы х п р и зн ак о в л о к ал и за ц и и В ы ч и сл ен и е п р я м ы х п р и зн ак о в о б н ар у ж ен и я Рис. 2 Рассмотрим на примере обобщенного ОРУ представленные задачи диагнос- тического обеспечения и способы их решения. 3.1. Параметризация прямых признаков дестабилизации. На этапе эскиз- ного проектирования ОРУ, исходя из условий его жизненного цикла, форми- руется множество дестабилизирующих воздействий (D), которые могут повлиять на значения всех параметров, характеризующих способность выполнять за- данные функции, соответствующие требованиям технического задания, т.е. на работоспособность. Для конструктивной параметризации прямых признаков дестабилизации ну- жно определиться с глубиной диагностирования ОРУ. При решении практических задач глубокого диагностирования и гибкого восстановления работоспособности формирование множества D превращается в актуальную задачу нахождения компромисса между мощностями множества D и множества избыточных ресур- сов R, используемых для восстановления работоспособности ОРУ. Формализо- вать эту задачу нахождения наилучшего соответствия RDQ  пока не удается по ряду причин, обусловленных многообразием и неопределенностью дестабили- зирующих воздействий. Практический подход к решению этой задачи заключае- тся в итерационном нахождении компромисса в условиях реальных технико- экономических ограничений. После сформированного таким образом множества D по иерархическому принципу выбираются прямые признаки дестабилизирующих воздействий и выполняется их параметризация. Дестабилизирующее воздействие рассматривается как неопределенное событие, обусловленное неопределенностью момента его появления, неопределенностью 30 ISSN 0572-2691 места его возникновения, принадлежности к классу и конкретному виду. Для фо- рмирования диагностических моделей ОРУ необходимо ввести параметры, харак- теризующие такие свойства дестабилизирующих воздействий, как их наличие, принадлежность к месту их проявления и соответствие классам, а также описывающие виды. Вид дестабилизирующего воздействия — это конкретное его проявление в функциональном элементе, которое можно охарактеризовать числовыми значени- ями параметров математической модели. Например, для датчика угла — положи- тельный дрейф нуля величиной 0,1о. Класс дестабилизирующих воздействий — это подмножество их видов ,DiD  которое влияет на работоспособность одного функционального элемента и может описываться одним параметром. Место дестабилизации — это конструктивно законченная часть ОРУ, в которой произошла дестабилизация, характеризующаяся одним параметром. Предлагается иерархическая схема параметризации, которую условно можно отобразить следующей цепочкой: ,NMKV PPPPD  (2) где q idPV 1}{ — множество числовых параметров, характеризующих лингвисти- ческое описание видов дестабилизирующих воздействий ;id   1}{ i KP — мно- жество параметров классов дестабилизации; s i MP 1}{ — множество параметров мест дестабилизации;  1}{ i NP  — множество параметров, характеризующих наличие дестабилизации. При параметризации используются разнотипные измерительные шкалы [11]. Параметризация видов дестабилизации и классов — взаимосвязанные процедуры, так как класс формируется из подмножества видов, покрываемых одним параметром, а виды параметризуются в шкале наименований посредством интервализации пара- метра класса исходя из возможности последующего парирования видов с помо- щью планируемых избыточных средств. 3.2. Формирование диагностических моделей. Диагностические модели — это математические модели, отражающие однозначную связь косвенных призна- ков дестабилизации с прямыми. Для обобщенного ОРУ, описываемого в номина- льном режиме моделью (1), модель возмущенного движения представим такой системой уравнений: ,~)0(~);()(~)()(~ );()()(~)(])1([~ 000 000 xxNkTxCkTy kTuBkTxATkx iii iiii   (3) где )(~ 0kTxi — вектор возмущенного состояния ОРУ, ; ~ )(~ 0 nXkTx  )(~ 0kTyi — вектор измерений возмущенного движения, ; ~ )(~ 0 mYkTy  )(),(),( iii CBA  и )( iN  — матрицы, зависящие от параметра ,i  ,1i , характеризующего дестабилизи- рующее воздействие вида ,id }.,,{, iiiii Dd  Для получения дополнительного движения ОРУ, обусловленного деста- билизирующим воздействием ,id характеризуемым параметром ,i вычтем из системы уравнений (3) систему уравнений номинального движения (1) и в ре- зультате получим Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 3 31 ,)0();()()()()(~)()( );()()()()(~)()1( 0iiiiii iiii xxkNukuNkCxkxCky kBukuBkAxkxAkx   (4) где ).()(~)();()(~)( tykykykxkxkx iiii  Для упрощения выкладок пара- метр 0T опущен. Разложив в ряд Тейлора зависимости матриц системы (3) от параметра i и ограничившись первыми двумя членами ряда в силу предположения о малости изменения параметра, так как ,2 ii  получим, что ,)(;)(;)(;)( iiiiiiiiiiii NNNCCCBBBAAA  (5) где iiii NC ,B ,A и — матрицы функций чувствительности по параметру .i После соответствующих преобразований системы уравнений (4) и упрощений, связанных с малостью сомножителей ),(λ kxii получим .=)0(;λ])(+)([+)(=)( ;λ])(+)([+)(=)1+( 0iiiiiii iiiii xxkuNkxCkxCky kuBkxAkxAkx   (6) Если вместо системы уравнений (1) использовать модели номинального дви- жения в форме наблюдателей Люенбергера или статических моделей, можно по- лучить диагностические модели, которые будут отличаться степенью инвариант- ности к начальным условиям и динамикой. В соответствии с принципом последовательного снятия неопределенности формирование полного диагноза ОРУ связано с последовательным решением трех основных задач как обратных. Первая — это обнаружение дестабилизации, вторая — локализация, т.е. поиск места дестабилизации, и третья — установление класса дестабилизации. Диагностические модели используются для формирования алгоритмов полу- чения оценок прямых признаков дестабилизации с помощью косвенных. Другими словами, диагностические модели необходимы для решения обратных задач. Для анализа возможности установить по косвенным признакам )(Δ kyi наличие прямых признаков iΔ используются критерии диагностируемости [12]. Диагнос- тируемость — это свойство уравнений (6), характеризующее возможность одно- значного определения прямого признака каждого дестабилизирующего воз- действия из множества D по косвенным признакам в течение конечного времени. Критерий структурной диагностируемости. Для структурной диагностиру- емости ОРУ необходимо и достаточно, чтобы матрицы ,1,=,=          i NC ΒΑ L ii ii i (7) были линейно независимы во всех попарных сочетаниях. Критерий сигнальной диагностируемости. Структурно диагностиру- емый ОРУ * iL будет сигнально диагностируем тогда и только тогда, когда век- торы 1,=,)(* ikvLi , линейно независимы во всех попарных сочетаниях. Здесь ])()([=)(T kukxkv . Использование критериев диагностируемости позволяет при проектиро- вании ОРУ сформировать такую его структуру и выбрать такие режимы функ- 32 ISSN 0572-2691 ционирования, которые обеспечивают с помощью диагностических моделей, описываемых системой уравнений (6), решение задач обнаружения, локализации и идентификации однократных дестабилизирующих воздействий. 3.3. Вычисление прямых признаков классов. Задача вычисления прямых признаков классов заключается в формировании алгоритмов вычисления значе- ний iα из уравнений диагностических моделей, описывающих классы дестаби- лизации в следующем виде: .μ1,=,=)0(;α])(+)([+)(=)( ;α])(+)([+)(=)1( 0 ixxkuNkxCkxCky kuΒkxAkxAkx iii к i к ii к i i к i к ii к i   (8) Здесь матрицы с индексом «к» описывают динамические свойства элементарного фрагмента, полученного в результате декомпозиции ОРУ при построении диагно- стических моделей; μ — количество классов дестабилизации. В представленной системе уравнений, алгебраических по сути, неизвестным параметром будет .αi Из всех уравнений системы (8) выбирается самое простое по структуре уравнение, из которого формируется алгоритм получения значений )(α ki для ряда тактов ква- нтования, .1,= mk Далее по схеме получения среднеарифметического значения )(α 1 =ˆ 1= k m α i m k i   (9) получается оценка прямого признака i-го класса дестабилизирующих воздействий. Более точную оценку прямого признака iα̂ можно получить с помощью па- кетных или рекуррентных алгоритмов среднеквадратичного оценивания. Пример 1. Для усилителя мощности, используемого в спутниковой системе управления двигателями-маховиками, диагностическая модель для решения зада- чи вычисления прямого признака класса может быть представлена уравнением )(=)( kuкku UUME  , (10) где )(kuE — отклонение напряжения, поступающего на якорную обмотку элек- тродвигателя постоянного тока; )(ˆ kкUM — прямой признак класса дестабили- зации; )(kuU — входное напряжение усилителя. Для получения оценочного зна- чения неизвестного отклонения можно воспользоваться алгоритмом )( )( 1= 1 ˆ = iu ium im к U E UM    (11) в режиме пакетной обработки или рекуррентным алгоритмом ])()(Δ)([)()()1( ˆγ+ˆ=ˆ kukkukkk UUMEUMUM ккк  , (12) где )(γ k — коэффициент коррекции. 3.4. Вычисление прямых признаков локализации. Задача вычисления прямых признаков локализации состоит в формировании алгоритмов вычисления значений признаков i исходя из уравнений, связывающих прямые и косвенные признаки для конструктивно законченных частей объектов диагностики. Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 3 33 Диагностические модели для локализации дестабилизирующих воздействий описываются в общем виде следующими уравнениями: .,1;)0(;])()([)()( ;])()([)()1( 0 sixxkuNkxCkxCky kuBkxAkxAkx iii м i м ii м i i м i м ii м i   (13) Здесь матрицы с индексом «м» описывают динамические свойства мест локали- зации — конструктивно законченных частей ОРУ, сформированных в результате построения иерархии диагностических моделей; s — число мест локализации де- стабилизации. Прямой признак места дестабилизации i входит в каждое урав- нение представленной системы алгебраических уравнений. Разрешение этой сис- темы относительно признака i известными методами приводит к громоздким вычислительным алгоритмам, требующим больших ресурсов, что существенно снижает оперативность диагноза. Поэтому из всех уравнений системы (13) выбира- ется одно наиболее простое по структуре и разрешается относительно признака i . Сформированный алгоритм при многократном использовании позволяет получить ряд значений ).(ki Для получения оценки i ˆ можно применять алгоритмы среднеарифметического или среднеквадратичного усреднения. Пример 2. Рассмотрим функциональную схему объекта автоматического управления двигателями-маховиками системы ориентации и стабилизации косми- ческого аппарата (рис. 3). УМ )(t )(tuU )(t )(tuE )(tuTG ЭД М ТГ Рис. 3 В схеме используются следующие функциональные элементы: усилитель мощности (УМ), электродвигатель (ЭД), маховик (М) и тахогенератор (ТГ). Связи описаны переменными, соответствующими физическим величинам. В номина- льном режиме функциональные элементы описываются элементарными пере- даточными функциями в форме усилительных и инерционного звеньев, полу- ченными в результате линеаризации реальных характеристик, без учета второ- степенных факторов. Диагностическая модель УМ для задачи локализации соответствует уравне- нию (10) из примера 1. Диагностические модели для последующих функциональ- ных элементов с прямыми признаками 1 для ЭД и TGк для ТГ, удовлетво- ряющие критериям диагностируемости, описываются следующими уравнениями:         );()( ;)(~)()1()1( 1 00 1 kku k T T k T T k TGTG EDED к (14)         ),()( );()()1()1( 00 kкku ku T кT k T T k к TGTG E ED EDTG ED (15) 34 ISSN 0572-2691 Здесь EDT — постоянная времени ЭД; )(~ k — дискретное значение угловой скорости дестабилизированного ЭД; TGк — коэффициент преобразования ТГ; EDк — коэффициент преобразования ЭД. Оценочное значение прямого признака ЭД можно получить с помощью при- ведения системы (14) к уравнению вида , )( )(1)1()( 0 0 1 kuT T ku T T kuk TG ED TG ED TG                  (16) используя среднеарифметическое усреднение ).( 1ˆ 1 1 1 i m m i    (17) Оценочное значение признака ТГ можно получить посредством приведения системы уравнений (15) к следующему виду: . )( )(1)1()( 0 0 kuT T ku T T kuk EED ED TG ED TGTG к к                  (18) Тогда с помощью процедуры среднеарифметического усреднения .Δ 1 ˆΔ )( 1 iк m к TG m i TG   (19) Полученные оценки TGк̂иˆ 1  содержат информацию о знаке и величине дестабилизации в ЭД и ТГ. 3.5. Вычисление прямых признаков обнаружения. Задача вычисления прямых признаков обнаружения заключается в формировании алгоритмов вычис- ления значений признаков .i Исходными для формирования этих алгоритмов служат диагностические модели для функциональных блоков БП, ЛА и БД, от- ражающие связь косвенных признаков дестабилизации )(kyi с прямыми i в такой форме: .,1;)0(;])()([)()( ;])()([)()1(   ixxkuNkxCkxCky kuBkxAkxAkx ioiiiiii iiiii NNN NNN (20) Здесь матрицы с индексом «N» описывают динамические свойства функциональ- ных блоков объекта автоматического управления;  — число параметров ,i ха- рактеризующих наличие дестабилизирующих воздействий, влияющих на работо- способность функционального блока. В общем случае из системы алгебраических уравнений (20) выбирается для каждого прямого признака i одно, наиболее простое с точки зрения разрешения относительного искомого признака. Получен- ное уравнение используется для получения оценки .ˆ i Пример 3. Рассмотрим особенности формирования алгоритмов обнаружения дестабилизации в одном канале управления двигателями-маховиками, представ- ленном функциональной схемой (рис. 3). Введем два параметра ,21  и характе- ризующих влияние дестабилизирующих воздействий в переходном и установив- шемся режимах соответственно. Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 3 35 Диагностическая модель для переходного режима будет иметь такой вид: ).()( ;)(~)(1)1( 1 00 kku k T T k T T k TGTG EDED к           (21) Диагностическая модель, отражающая наличие дестабилизации в установив- шемся режиме, описывается следующим уравнением: .)Δ()(Δ1)1(Δ 2 00          ku T T ku T T ku U ED TGEDUM TG ED TG ккк (22) Величина прямого признака 1 вычисляется таким образом: . )(~)(1)1( 0 0 1 kuT T ku T T ku TG ED TG ED TG                  (23) Для получения более точных величин признака можно использовать многок- ратный просчет и среднеарифметическое усреднение. Для полного прямого 2 справедливо следующее выражение: . )( )(1)1( 0 0 2 kuкккT T ku T T ku UTGEDUM ED TG ED TG                  (24) Оценку признака 2̂ можно получить с помощью описанных ранее методов усреднения. 3.6. Формализация знаний о признаках дестабилизации. Формализация априорных и апостериорных знаний о признаках дестабилизирующих воз- действий заключается в таком их машинном представлении, чтобы, оперируя ими, можно было получить в реальном масштабе времени полный диагноз нешта- тной ситуации, вызванной конкретным дестабилизирующим воздействием. С помощью диагностических моделей (8), (13) и (20) на этапе эскизного про- ектирования систем рационального управления формируются, как было описано ранее, алгоритмы вычисления оценок прямых признаков дестабилизации. Следо- вательно, в процессе последующего диагностирования можно получать оценки на основании априорных знаний о дестабилизирующих воздействиях. На последую- щих этапах жизненного цикла блоков и, в целом, систем рационального управле- ния ЛА будут проявляться новые дестабилизирующие воздействия, существенно влияющие на работоспособность, а значит, и на безопасность полетов ЛА. Такие новые проявления дестабилизации, по сути, будут представлять апостериорные знания о нештатных ситуациях, вызванных не известными ранее дестабилизи- рующими воздействиями. Для повышения качества рационального управления необходимо использовать эти новые знания посредством механизмов адап- тации. Целесообразно, чтобы априорные и апостериорные знания формализова- лись с помощью одних и тех же инструментальных средств. Известно несколько методов формализации знаний в теории искусственного интеллекта. Наиболее эффективным для задач диагностики, как показывает опыт использования экспертных систем, представляется метод формализации с помо- щью продукций или моделирование, основанное на правилах, позволяющих пред- ставить знания в виде предложения типа «если …, то …» [13]. Для формализации набора продукций используем двузначные предикатные уравнения общего вида       ,если,0 ;если,1 )(2 x x xSz (25) где  — числовое множество. 36 ISSN 0572-2691 Более детальные двузначные предикатные уравнения имеют следующий вид:                   .если,0 ;если,1 ;если,0 ;если,1 )( ;если,0 ;если,1 )( 213 22 21 bxиax bxa zzz bx bx xbSz ax ax axSz (26) Здесь a и b — постоянные числа и b > a;  — символ конъюнкции. При формализации априорных и апостериорных знаний о дестабилизирую- щих воздействиях исходим из следующего. 1. Дестабилизирующие воздействия представляют собой неопределенные со- бытия по времени появления, месту локализации, по классу и виду проявления. 2. Знание о конкретном виде можно получить на основании информации о нали- чии в объекте диагностики дестабилизации, о месте локализации и о классе де- стабилизирующего воздействия. 3. Дестабилизирующие воздействия — это воздействия, которые изменяют статические и динамические характеристики объекта диагностики. Поэтому лю- бые отклонения от номинальных этих характеристик представляют собой виды дестабилизации. 4. Априорные знания о параметрах дестабилизирующих воздействий будут не полными. Поэтому в процессе всего жизненного цикла систем рационального управления при появлении новых дестабилизирующих воздействий необходимо формировать о них новые апостериорные знания, дополняющие априорные. 5. Для компьютерной реализации знаний, как априорных, так и апостери- орных, наиболее эффективной формой их формализации служат двузначные пре- дикатные уравнения. Рассмотрим особенности формализации знаний о признаках дестабилизации на примере. Пример 4. Для полученных в предыдущих примерах оценок прямых призна- ков дестабилизации электромаховичного привода формализуем знания. Знания об обнаружении дестабилизации представим с помощью булевых приз- наков с использованием оценок прямых признаков 21 ˆиˆ  следующим образом: .)ˆ( )ˆ( 2221121  SSz (27) Здесь 1 и 2 — пороговые значения оценок признаков. Знания о локализации УМ формализуются с помощью такой предикатной конструкции: ),ˆ( 322  UMкSz (28) где 3 — пороговое значение оценки признака .ˆUMк Знания о локализации ЭД формализуются с помощью следующего предикат- ного уравнения: ,)ˆ( 4123  Sz (29) а для локализации дестабилизации в ТГ используется такое уравнение: ),ˆ( 524  TGкSz (30) где 4 и 5 — допустимые изменения оценок признаков. Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 3 37 Формализуем знания о двух видах дестабилизации УМ: компенсируемое уменьшение коэффициента усиления ( 1d ) и некомпенсируемое уменьшение коэффициента усиления ( 2d ) можно осуществить с помощью таких предикатов: )ˆ( 625 UMкSz  и ),ˆ( 626  UMкSz (31) 6 — граничное значение между видами дестабилизации УМ. Подобным образом формализуются знания о видах дестабилизации в функцио- нальных элементах ЭД и ТГ. Так, для ЭД сформируем предикаты для 3d (компенси- руемое) и 4d (некомпенсируемое), тогда )ˆ( 1727  Sz и ),ˆ( 7128  Sz (32) где 7 — граничное значение между видами дестабилизации ЭД. Для трех видов дестабилизации ТГ 765 и, ddd сформируем такие предикаты: ),ˆ( 829 TGкSz  .)ˆ(};)()ˆ({ 1021198210 ˆ  TGTGTG кSzкSz к (33) Здесь 98,  — граничные значения видов дестабилизации ТГ. Появляющиеся новые знания о дестабилизации в электромаховичном приводе будут формализовываться аналогичным образом с помощью описан- ных двузначных предикатных уравнений. 3.7. Формирование дихотомического дерева. Задача формирования дихо- томического дерева заключается в систематизации предикатных знаний в соо- тветствии с принципом последовательного снятия неопределенности дестабили- зирующих воздействий. Булева форма представления знаний о признаках дестабилизации позволяет сформировать древовидную дихотомическую структуру быстрого поиска вида де- стабилизирующего воздействия [14]. Дихотомическое дерево — это иерархическая структура данных, в которой каждый узел имеет значение и ссылки на левого или правого потомка. Узел, нахо- дящийся на самой вершине, называется корнем. Узлы, не имеющие потомков, именуются листьями. Бинарное дерево является рекурсивной структурой, поскольку каждая его ветвь — бинарное дерево и, следовательно, каждый его узел — корень дерева. Организация данных с помощью бинарных деревьев часто позволяет значительно сократить время поиска нужного элемента. Поиск элемента в линейных структу- рах данных обычно осуществляется путем последовательного перебора всех эле- ментов данной структуры. Поиск по дереву не требует перебора всех элементов, поэтому занимает значительно меньше времени. Для оперативности поиска бинарные деревья балансируют по различным критериям, что позволяет сформировать структуру дерева, удовлетворяющую требованиям быстродействия процессов диагностирования [12]. С помощью полученных предикатных уравнений о знаниях прямых признаков дестабилизирующих воздействий можно построить опорное дерево поиска диагноза. На последующих этапах жизненного цикла опорное дерево дополняется новыми вет- вями из листьев неопределенности ситуаций, возникших при локализации, определе- нии класса и установлении конкретного вида дестабилизирующего воздействия. Пример 5. Сформируем дихотомическое дерево поиска диагноза для элект- ромаховичного привода с использованием знаний о прямых признаках в форме двузначных предикатных уравнений (27)–(33). Дерево начинается с корневого предиката ,1z с помощью которого устанавливается факт работоспособности или 38 ISSN 0572-2691 неработоспособности привода, другими словами, обнаруживается наличие деста- билизации в приводе. Если ,01 z то это свидетельствует об отсутствии дестаби- лизации в приводе, т.е. его работоспособности — .0d При наличии дестабилизации в приводе ,11 z и тогда начинается локализация дестабилизированного функ- ционального элемента с помощью предикатов .и, 432 zzz Если ,0432  zzz значит, недостаточно априорных знаний для локализации обнаруженной дестаби- лизации, о чем свидетельствует лист Ld дихотомического дерева поиска диагноза в электромаховичном приводе (рис. 4). 1d ТГ ЭД УМ 1z 2d UMd 3d 4d EDd 5d 6d 7d TGd Ld 0d 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2z 5z 6z 7z 3z 4z 9z 10z 11z 8z Рис. 4 Если предикат ,12 z тогда начинается поиск диагноза в УМ и с помощью предикатов 5z и 6z устанавливаются виды дестабилизации 1d и .2d При 06 z получаем информацию о необходимости привлечения апостериорных знаний о дестабилизирующем воздействии в УМ — . UM d Виды дестабилизирующих воз- действий ЭД 43, dd и ED d диагностируются с помощью предикатов 7z и .8z Причем лист дерева ED d свидетельствует о недостатке априорных знаний о теку- щей дестабилизации работоспособности ЭД. Диагноз о видах дестабилизирую- щих воздействий 765, dиdd в ТГ формируется с помощью предикатов .и, 11109 zzz При 011 z вытекает диагноз , TG d что свидетельствует о неизвест- ном виде дестабилизирующего воздействия. Заключение Использование предложенного подхода к повышению качества и эффективности долговременного функционирования автономных ЛА базируется на принципе управления по диагнозу. Представленные в статье основные задачи, диагностические модели и методы формирования диагноза — это лишь первые шаги в проблематике рационального управления, отражающие принципиальную возможность форма- лизации такого вида интеллектуальной деятельности, как диагностирование рабо- тоспособности систем управления в реальном масштабе времени. При этом испо- льзуются простейшие математические модели, описывающие процессы дестаби- лизации в системах управления автономными ЛА. Это — лианеризованные математические модели и соответствующие инструментальные средства ли- нейных преобразований. Процессы влияния дестабилизирующих воздействий на ра- ботоспособность систем управления автономными ЛА значительно сложнее ли- нейных представлений, и поэтому требуются последующие шаги по совершенство- ванию как модельных представлений, так и средств формирования диагностических процедур и их оптимизации. Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 3 39 А.С. Кулiк РАЦІОНАЛЬНЕ КЕРУВАННЯ ПРАЦЕЗДАТНІСТЮ АВТОНОМНИХ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ. Частина 1 Представлено основні положення раціонального керування, яке базується на принципі керування за діагнозом. Запропоновано декомпозицію проблеми раціо- нального керування на ряд основних завдань та описано можливі способи вирішення задач діагностики щодо формування машинних процедур оператив- ного діагнозу. Наведено ілюстраційні приклади. A.S. Kulik RATIONAL CONTROL OF THE OPERABILITY OF AUTONOMOUS AIRCRAFTS. Part 1 The main issues of rational control based on the control by diagnosis principle are presented. Decomposition of the rational control problem into few particular fundamental problems is proposed; and possible solutions of diagnostic problems associated with forming machine-based procedures of operative diagnosing are described. Demonstration examples are presented. 1. Цыпкин Я.З. Адаптация и обучение в автоматических системах. — М. : Наука, 1968. — 400 с. 2. Beard R. Failure accommodation in linear systems through self-reorganization: Ph.D Thesis. — MIT, Cambridge, 1971. — 364 p. 3. Петров Б.Н., Рутковский В.Ю., Земляков С.Д. Адаптивное координатно-параметрическое управление нестационарными объектами. — М. : Наука, 1980. — 244 с. 4. Саридис Дж. Самоорганизующиеся стохастические системы управления. — М. : Наука, 1980. — 400 с. 5. Фрадков А.Л. Адаптивное управление в сложных системах: беспоисковые методы. — М. : Наука, 1990. — 296 с. 6. Кунцевич В.М. Управление в условиях неопределенности: гарантированные результаты в задачах управления и идентификации. — Київ : Наук. думка, 2006. — 261 с. 7. Житецкий Л.С., Скурихин В.И. Адаптивные системы управления с параметрическими и непараметрическими неопределенностями. — Київ : Наук. думка, 2010. — 301 с. 8. Кулик А.С. Элементы теории рационального управления объектами. — Харьков: Нац. аэро- косм. ун-т им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», 2016. — 255 с. 9. Kulik A.S. Control system fault-toleration ensuring via self-organization // Proc. of Second Inter- national Conference «Intelligent System Engineering», Hamburg, 1994. — P. 461–466. 10. Васильев С.Н., Жерлов А.К., Федосов Е.А., Федунов Б.Е. Интеллектное управление динами- ческими системами. — М. : Физико-математическая литература, 2000. — 352 с. 11. Перегудов Ф.И. Введение в системный анализ: учеб. пособие для вузов. — М. : Высш. шк., 1989. — 367 с. 12. Кулик А.С. Сигнально-параметрическое диагностирование систем управления // Бизнес- Информ. — Харьков : Гос. аэрокосм. ун-т. «ХАИ», 2000. — 260 с. 13. Рассел С., Норвиг П. Искусственный интеллект: Современный подход, 2-е изд. — М. : Из- дательский дом «Вильямс», 2007. — 1410 с. 14. Грэхем Р., Кнут Д., Паташник О. Конкретная математика. Основание информатики. — М. : Мир, 1998. — 703 с. Получено 20.02.2017 http://library.univer.kharkov.ua/OpacUnicode/index.php?url=/auteurs/view/233498/source:default http://library.univer.kharkov.ua/OpacUnicode/index.php?url=/auteurs/view/279036/source:default
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-208513
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0572-2691
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T16:14:01Z
publishDate	2017
publisher	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
record_format	dspace
spelling	Кулик, А.С. 2025-10-31T18:57:20Z 2017 Рациональное управление работоспособностью автономных летательных аппаратов. Часть 1 / А.С. Кулик // Проблемы управления и информатики. — 2017. — № 3. — С. 25-39. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0572-2691 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/208513 519.876.2:62–50(047) 10.1615/JAutomatInfScien.v49.i5.10 Представлено основні положення раціонального керування, яке базується на принципі керування за діагнозом. Запропоновано декомпозицію проблеми раціонального керування на ряд основних завдань та описано можливі способи вирішення задач діагностики щодо формування машинних процедур оперативного діагнозу. Наведено ілюстраційні приклади. The main issues of rational control based on the control by diagnosis principle are presented. Decomposition of the rational control problem into few particular fundamental problems is proposed; and possible solutions of diagnostic problems associated with forming machine-based procedures of operative diagnosing are described. Demonstration examples are presented. ru Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України Проблемы управления и информатики Управление физическими объектами и техническими системами Рациональное управление работоспособностью автономных летательных аппаратов. Часть 1 Раціональне керування працездатністю автономних літальних апаратів. Частина 1 Rational control of the operability of autonomous aircrafts. Part 1 Article published earlier
spellingShingle	Рациональное управление работоспособностью автономных летательных аппаратов. Часть 1 Кулик, А.С. Управление физическими объектами и техническими системами
title	Рациональное управление работоспособностью автономных летательных аппаратов. Часть 1
title_alt	Раціональне керування працездатністю автономних літальних апаратів. Частина 1 Rational control of the operability of autonomous aircrafts. Part 1
title_full	Рациональное управление работоспособностью автономных летательных аппаратов. Часть 1
title_fullStr	Рациональное управление работоспособностью автономных летательных аппаратов. Часть 1
title_full_unstemmed	Рациональное управление работоспособностью автономных летательных аппаратов. Часть 1
title_short	Рациональное управление работоспособностью автономных летательных аппаратов. Часть 1
title_sort	рациональное управление работоспособностью автономных летательных аппаратов. часть 1
topic	Управление физическими объектами и техническими системами
topic_facet	Управление физическими объектами и техническими системами
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/208513
work_keys_str_mv	AT kulikas racionalʹnoeupravlenierabotosposobnostʹûavtonomnyhletatelʹnyhapparatovčastʹ1 AT kulikas racíonalʹnekeruvannâpracezdatnístûavtonomnihlítalʹnihaparatívčastina1 AT kulikas rationalcontroloftheoperabilityofautonomousaircraftspart1

Рациональное управление работоспособностью автономных летательных аппаратов. Часть 1

Institution

Similar Items