УСТРОЙСТВО ВОССТАНОВЛЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СИСТЕМЫ, РЕЗЕРВИРОВАННОЙ С ПОМОЩЬЮ МАЖОРИТАРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2013 года по МПК G06F11/18 

Изобретение относится к современным пилотажно-навигационным комплексам (ПНК) летательных аппаратов и их бортовой аппаратуре и предназначается в основном для восстановления работоспособности систем радиоавтоматики и автоматического управления, резервированных с помощью мажоритарных элементов путем формирования сигналов управления элементами резервированных систем.

Одним из наиболее перспективных путей повышения эффективности функционирования и надежности составных частей таких ПНК является резервирование их наиболее важных элементов. При этом для эффективного управления работой таких резервированных систем требуется как информация об отказах их элементов, получаемая в реальном масштабе времени, так и соответствующее изменение структуры систем (реконфигурация), направленное на восстановление их работоспособности.

Поэтому использование эффективных путей восстановления резервированных систем, основанных на изменении их конфигурации, направленной на восстановление работоспособности систем при отказах элементов и устройств, реализующих эти способы, являются важными задачами подсистем управления, контроля и восстановления работоспособности в системах автоматического управления и ПНК любых типов летательных аппаратов.

Обнаружение отказов и формирование команд управления резервированной системой, направленных на восстановление ее работоспособности возможно на основе применения элементов как аналоговой, так и цифровой техники, а также и при их совместном использовании. В настоящее время наиболее часто в обнаружителях отказов аппаратуры применяются аналоговые и цифровые микросхемы.

Известно устройство восстановления работоспособности системы резервированной с помощью мажоритарных элементов, основанное на принципе мажоритарной логики (принципе выбора по большинству). Этот принцип широко используется для обнаружения отказов в системах резервирования, состоящих из рабочего элемента и нескольких элементов сравнения, играющих роль резервных элементов, путем выборки из множества. В этом случае состояние рабочей системы сравнивается с состоянием ряда таких же систем. Признаком безотказности рабочей системы является совпадение ее состояния с состоянием большинства систем [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. - Л.: Издательство Львовского университета, 1973, с.43-44]. Считается, что состояния рабочей и i-й системы сравнения одинаковы, если разность их выходных параметров меньше ε:

$$\left|X-X_1\right|=\left|\stackrel{\circ }{X}-{\stackrel{\circ }{X}}_i\right|=\left|Z_i\right|<\epsilon ,$$

- где ε - произвольная положительная величина (абсолютное значение порога сравнения).

Для конкретности и простоты изложения рассмотрим резервированную с помощью мажоритарных элементов систему минимальной кратности, в которой еще может быть реализовано мажоритарное резервирование, состоящую из одного рабочего и двух резервных элементов (элементов сравнения). Устройство восстановления работоспособности такой резервированной системы содержит [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. - Л.: Издательство Львовского университета, 1973, с.21, 60-61] рабочий элемент (РЭ), два элемента сравнения (ЭС), три вычитающих устройства (ВУ), три компаратора (К), блок управления (БУ), три электронных ключа (ЭК), причем выход РЭ подключен к второму входу первого ВУ, первому входу второго ВУ и первому входу первого ЭК, выходы которых соединены к входам первого, второго компараторов К и выходом системы соответственно, выход первого ЭС подключен к первому входу первого ВУ, а также к первому входу третьего ВУ и первому входу второго ЭК, выходы которых подключены к входу третьего компаратора и выходу первого ЭК соответственно, а выход третьего компаратора соединен с третьим входом БУ, выход второго ЭС соединен со вторыми входами второго и третьего ВУ и входом третьего ЭК, выход которого соединен с выходом второго ЭК, причем входы РЭ и двух ЭС соединены вместе и являются входом системы, а первый, второй и третий выходы БУ подключены ко вторым входам первого, второго и третьего ЭК соответственно. Вычитающие устройства, компараторы, блок управления и электронные ключи представляют собой мажоритарный элемент. Вычитающие устройства и компараторы сравнивают выходные параметры различных пар РЭ-ЭС и определяют те пары, выходные параметры которых одинаковы (разность выходных параметров не выше заданной величины s). Блок управления и электронные ключи выбирают из этих пар один из элементов и подключают его сигнал к выходу системы. При отказе одного элемента системы (РЭ или ЭС) сигналы на выходе двух связанных с ним компараторов будут отсутствовать, а в блок управления поступит сигнал с компаратора, не связанного с отказавшим элементом. В соответствии с этим сигналом БУ сформирует сигнал управления на один из электронных ключей для, подключения одного из исправных элементов к нагрузке. Отказ системы наступает при выходе из строя каких-либо двух резервных элементов.

Таким образом, приведенное устройство восстановления работоспособности резервированной системы обеспечивает сигнал на выходе системы при совпадении сигналов двух из трех резервируемых элементов, то есть при оказе какого-либо одного элемента.

Основными недостатками такого устройства являются невозможность подключения к нагрузке исправного элемента в случае отказа двух других элементов, что не позволяет в полной мере реализовать принцип резервирования замещением и снижает надежность системы и практически полный выход из строя в этих условиях самого мажоритарного элемента.

Наиболее близким, по технической сущности и достигаемому эффекту, является устройство восстановления работоспособности системы резервированной с помощью мажоритарных элементов, содержащее блок управления (БУ), к первому, второму и третьему входам которого подключены выходы первого, второго и третьего компараторов (К) соответственно, а к первому, второму и третьему выходам подключены соответственно первые входы первого, второго и третьего электронных ключей (ЭК), ко вторым входам которых подсоединены первые входы первого и второго вычитающего устройства (ВУ), вторые входы первого и третьего ВУ, второй вход второго ВУ и первый вход третьего ВУ соответственно, причем к выходу каждого ВУ подключен соответствующий К, при этом входы рабочего элемента (РЭ) и двух элементов сравнения (ЭС) (резервных элементов) соединены вместе и являются входом устройства, а выходы трех ЭК, соединенные вместе, являются выходом устройства. Вычитающие устройства и компараторы сравнивают выходные параметры различных пар РЭ-ЭС и определяют те пары, выходные параметры которых одинаковы (разность выходных параметров не выше заданной величины е). Блок управления и электронные ключи выбирают из этих пар один из элементов и подключают его сигнал к выходу системы. При отказе одного элемента системы (РЭ или ЭС) сигналы на выходе двух связанных с ним компараторов будут отсутствовать, а в блок управления поступит сигнал с компаратора, не связанного с отказавшим элементом. В соответствии с этим сигналом БУ сформирует сигнал управления на один из электронных ключей для, подключения одного из исправных элементов к нагрузке. Отказ системы наступает при выходе из строя каких-либо двух резервных элементов [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. - Л.: Издательство Львовского университета, 1973, с.60-61].

Однако недостатком такого устройства восстановления является повышенная вероятность отказа резервированной системы про сравнению с типовой схемой резервирования замещением из-за невозможности подключения к нагрузке исправного элемента в случае отказа двух других элементов, что снижает надежность системы, а также отказ в этих условиях самого мажоритарного элемента. Для устранения этого недостатка требуется создание фактически нового технического устройства восстановления резервированной системой, способного распознавать указанную выше ситуацию и восстанавливать работоспособность как мажоритарного элемента, так и системы в целом.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение эффективности функционирования резервированной с помощью мажоритарных элементов системы за счет обнаружения факта отказа системы и последовательного подключения к резервируемому и резервным элементам (РЭ и ЭС) дополнительного элемента сравнения, восстанавливающего при подключении к работоспособному элементу работоспособность мажоритарного элемента, и формирующего в нагрузке выходной сигнал, то есть обеспечение работоспособности системы даже при отказе двух элементов, путем использования в устройстве новых каналов обнаружения отказа системы, поиска исправного элемента и средств коммутации работоспособных элементов в мажоритарном органе.

Поставленная задача решается за счет того, что в известное устройство восстановления работоспособности системы резервированной с помощью мажоритарных элементов, содержащее БУ, к первому, второму и третьему входам которого подключены выходы первого, второго и третьего компараторов соответственно, а к первому, второму и третьему выходам подключены соответственно первые входы первого, второго и третьего ЭК, ко вторым входам которых подсоединены первые входы первого и второго ВУ, вторые входы первого и третьего ВУ, второй вход второго ВУ и первый вход третьего ВУ соответственно, причем к выходу каждого ВУ подключен соответствующий К, при этом входы рабочего элемента и двух элементов сравнения (резервных элементов) соединены вместе и являются входом устройства, а выходы трех ЭК, соединенные вместе, являются выходом устройства, дополнительно введены третий ЭС, три ЭК, два логических элемента ИЛИ, три логических элемента НЕ, переключатель электронных ключей (ПЭК), четыре логический элемента И и три триггера, причем к первым входам четвертого, пятого и шестого ЭК подсоединены РЭ, первый ЭС и второй ЭС соответственно, причем вторые входы этих ЭК соединены с выходом третьего ЭС, вход которого подключен к входу РЭ, причем выходы первого, второго и третьего К соединены с входом первого логического элемента НЕ и первым входом первого логического элемента ИЛИ, с входом второго логического элемента НЕ и вторым входом первого логического элемента ИЛИ, с входом третьего логического элемента НЕ и третьим входом первого логического элемента ИЛИ соответственно, при этом выходы первого, второго и третьего логических элементов НЕ соединены соответственно с первым входом второго логического элемента ИЛИ и первым входом первого логического элемента И, вторым входом второго логического элемента ИЛИ и вторым входом первого логического элемента И, третьим входом второго логического элемента ИЛИ и третьим входом первого логического элемента И, выход которого соединен с первым входом ПЭК, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с третьим входом четвертого ЭК, первым входом второго логического элемента И и выходом первого триггера, с третьим входом пятого ЭК, первым входом третьего логического элемента И и выходом второго триггера, и с третьим входом шестого ЭК, первым входом четвертого логического элемента И и выходом третьего триггера, причем выход первого логического элемента ИЛИ соединен с вторыми входами второго, третьего и четвертого логических элементов И, а выход второго логического элемента ИЛИ соединен с вторыми входами первого, второго и третьего триггеров, первые входы которых соединены с выходами второго, третьего и четвертого логического элемента И соответственно.

Управление системой при отказе одного из элементов (РЭ или ЭС) производится следующим образом. В исходном состоянии электронные ключи 3.4-3.6 замкнуты, что соответствует коммутации их первых входов с выходами ЭК. Вычитающие устройства 4.1-4.3 и компараторы 5.1-5.3 сравнивают выходные параметры различных пар РЭ-ЭС и определяют те пары, выходные параметры которых одинаковы (разность выходных параметров не выше заданной величины ε). БУ и электронные ключи 3.1-3.3 выбирают из этих пар один из элементов и подключают его сигнал к выходу системы. При отказе одного элемента системы (РЭ или ЭС) сигналы на выходе двух связанных с ним компараторов будут отсутствовать (имеют низкий уровень), а в БУ поступит сигнал высокого уровня (логической единицы) с компаратора, не связанного с отказавшим элементом. В соответствии с этим сигналом БУ сформирует сигнал управления на один из электронных ключей 3.1-3.3 для, подключения одного из исправных элементов к нагрузке. Сигнал высокого уровня с компаратора, не связанного с отказавшим элементом поступает также на один из логических элементов НЕ 8.1-8.3, где инвертируется и подается на один из входов логического элемента И 10.1, с выхода которого сигнал низкого уровня подается на первый управляющий вход переключателя ЭК 9, запрещая его работу. Отказ системы наступает при выходе из строя каких-либо двух резервных элементов.

Формирование сигналов управления восстановлением системы при отказах двух элементов (ЭС и РЭ или двух ЭС) производится с использованием сигналов с выхода компараторов 5.1-5.3, ЭК 3.1-3.6, БУ 6, логических элементов ИЛИ 7.1-7.2, логических элементов НЕ 8.1-8.3, переключателя ЭК 9, логических элементов И 10.1-10.4 и триггеров 11.1-11.3.В случае отказа любых двух элементов в резервированной системе на выходах компараторов 5.1-5.3 сигналы будут иметь низкий уровень и после их поступления на вход БУ 6 он снимет управляющие сигналы с электронных ключей ЭК 3.1-3.3, которые отключат все элементы (РЭ 1, ЭС 2.1, 2.2) от нагрузки, что в прототипе привело бы к полному отказу системы. Однако, одновременно сигналы низкого уровня с выходов компараторов 5.1-5.3 поступают на входы логических элементов НЕ 8.1-8.3, с выходов которых снимаются сигналы высокого уровня и подаются соответственно на первый, второй и третий входы логического элемента И 10.1 и логического элемента ИЛИ 7.2. С поступлением сигнала высокого уровня с логического элемента И 10.1 на вход переключателя ЭК 9, последний формирует последовательно во времени три прямоугольных импульса высокого уровня сдвинутых по фазе на 120 градусов, подаваемых на третий управляющий вход ЭК 3.4, 3.5 и 3.6 соответственно. На этих ЭК во время действия сигнала высокого уровня первые входы отключаются от выходов, а с выходом соединяются вторые входы, то есть последовательно во времени дополнительный ЭС 2.3 подключается вместо РЭ1, ЭС 2.1 и ЭС 2.2. При подключении вместо одного из отказавших элементов (любого) появляется пара исправных элементов и выходе одного из компараторов 5.1-5.3 появится сигнал высокого уровня, который после инвертирования соответствующим элементом НЕ 8.1-8.3 поступит на вход элемента И 10.1, выходной сигнал которого прекратит формирование переключателем ЭК 9 очередного импульса, при этом текущий импульс ПЭК 9 поступает на первый вход одного из логических элементов И 10.2-10.4, на второй вход которого будет подан сигнал высокого уровня с выхода одного из компараторов 5.1-5.3, прошедший через логический элемент ИЛИ 7.1, сигнал высокого уровня с выхода одного из этих логических элементов И 10.2-10.4 подается на запускающий вход соответствующего триггера 11.1-11.3, который формирует сигнал высокого уровня, фиксирующий состояние одного из электронных ключей 3.4-3.6, подключившего дополнительный элемент ЭС 2.3 вместо отказавшего, причем это состояние сохраняется вплоть до момента отказа другого элемента, после чего на выходе соответствующего компаратора появится сигнал низкого уровня, который изменится соответствующим логическим элементом НЕ 8.1-8.3 на высокий уровень и создаст на выходе логического элемента ИЛИ 7.2 сигнал высокого уровня, который поступит на второй вход соответствующего триггера 11.1-11.3 и вернет его в исходное состояние с низким уровнем, при этом фиксирующий сигнал с ЭК, подключившего ранее дополнительный элемент ЭС 2.3 вместо вышедшего из строя элемента будет снят.

Таким образом, обеспечивается восстановление работоспособности резервированной с помощью мажоритарных элементов системы даже при отказе двух элементов.

Техническое решение обладает новыми свойствами:

- многофункциональностью, выражающейся в способности обнаруживать

отказы как одного, так и двух элементов резервированной с помощью мажоритарных элементов системы;

- повышенной эффективностью функционирования резервированной с помощью мажоритарных элементов системы, обусловленной возможностью обнаружения факта отказа системы и подключения к нагрузке сигнала одного из двух работоспособных элементов (восстановление работоспособности как мажоритарного органа, так и системы в целом);

При этом идентификация неисправного элемента позволяет использовать устройство не только в интересах реконфигурации структуры системы для восстановления ее работоспособности, но и в целях сокращения времени восстановления работоспособности отказавших элементов за счет уменьшения временных затрат на поиск неисправностей.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства восстановления работоспособности системы резервированной с помощью мажоритарных элементов. На фиг.2 приведена таблица истинности, содержащая качественные и количественные (булевые) значения параметров элементов, принимаемых в процессе функционирования устройства управления. На фиг.3 приведены результаты оценки вероятностных характеристик предложенного устройства управления резервированной системой.

Устройство восстановления работоспособности системы резервированной с помощью мажоритарных элементов (фиг.1) содержит рабочий элемент РЭ 1, два элемента сравнения (резервных элемента) ЭС 2.1-2.2, коммутируемый дополнительный ЭС 2.3, шесть электронных ключей ЭК 3.1-3.6, выполненных в виде электронных реле с соответствующим числом нормально-разомкнутых (замкнутых) контактов на основе микросхемы электронного коммутатора 435КН2 [Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ. пособие. - 3-е изд. перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1989, 240 с: ил.-(Массовая радиобиблиотека; вып.1143), с.68], три вычитающих устройства ВУ 4.1, 4.2, 4,3, выполненных в виде типового сумматора на интегральной микросхеме (ИМС) прецизионного операционного усилителя (ОУ) КМ551УД1А [Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ, пособие. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989, 240 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; вып.1143), с.50-53], три компаратора К 5.1-5.3, выполненных на ИМС К155ТЛ1 или К554СА2 по схеме триггера Шмитта или компаратора соответственно [Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ, пособие. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989, 240 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; вып.1143), с.56-57,122], блок управления БУ 6, два логических элемента ИЛИ 7.1-7.2, три логических элемента НЕ (отрицания) 8.1- 8.3, выполненные в виде типовых инверторов на цифровых ИМС, например, ИМС К155ЛН1, переключатель электронных ключей 9, выполненный в виде электронного переключателя трех ЭК на тринисторах КУ107 Б и логических элементах ИЛИ-НЕ, позволяющих реализовать эффект последовательного во времени изменения состояния ключей 3.4-3.6 [Нечаев И.А. Конструкции на логических элементах цифровых микросхем. - М.: радио и связь. 1992. - 120 с.: ил. - (массовая радиобиблиотека; Вып.1172), с.109-111],четыре логических элемента И 10.1-10.4, выполненных на типовых цифровых ИМС, например, ИМС К155ЛИ5 [Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1988. - с.27, 40, - [(Массовая радиобиблиотека. Вып.1111)], три триггера 11.1-11.3, представляющих собой асинхронные RS-триггеры, например на ИМС типа К561ТР2 [Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ, пособие. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989, 240 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; вып.1143), с.117-123] причем к первому, второму и третьему входам БУ 6 подключены выходы первого, второго и третьего компараторов 5.1-5.3 соответственно, а к первому, второму и третьему выходам БУ 6 подключены соответственно первые входы первого, второго и третьего ЭК 3.1, 3.2 и 3.3, ко вторым входам которых подсоединены первые входы первого и второго ВУ 4.1 и 4.2, вторые входы первого и третьего ВУ 4.1 и 4.3, второй вход второго ВУ 4.2 и первый вход третьего ВУ 4.3 соответственно, причем к выходу каждого ВУ подключен соответствующий К, при этом входы рабочего элемента 1 и двух элементов сравнения (резервных элементов) 2.1 и 2.2 соединены вместе и являются входом устройства, а выходы трех ЭК, 3.1-3.3 соединенные вместе, являются выходом устройства, причем к первым входам четвертого, пятого и шестого ЭК 3.4. 3.5 и 3.6 подсоединены РЭ 1, первый ЭС 2.1 и второй ЭС 2.2 соответственно, причем вторые входы этих ЭК 3.4-3.6 соединены с выходом третьего ЭС 2.3, вход которого подключен к входу РЭ 1, причем выходы первого, второго и третьего К 5.1, 5.2 и 5.3 соединены с входом первого логического элемента НЕ 8.1 и первым входом первого логического элемента ИЛИ 7.1, с входом второго логического элемента НЕ 8.2 и вторым входом первого логического элемента ИЛИ 7.1, с входом третьего логического элемента НЕ 8.3 и третьим входом первого логического элемента ИЛИ 7.1 соответственно, при этом выходы первого, второго и третьего логических элементов НЕ 8.1-8.3 соединены соответственно с первым входом второго логического элемента ИЛИ 7.2 и первым входом первого логического элемента И 10.1, вторым входом второго логического элемента ИЛИ 7.2 и вторым входом первого логического элемента И 10.1, третьим входом второго логического элемента ИЛИ 7.2 и третьим входом первого логического элемента И 10.1, выход которого соединен с первым входом ПЭК 9, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с третьим входом четвертого ЭК 3.4, первым входом второго логического элемента И 10.2 и выходом первого триггера 11.1, с третьим входом пятого ЭК 3.5, первым входом третьего логического элемента И 10.3 и выходом второго триггера 11.2, и с третьим входом шестого ЭК 3.6, первым входом четвертого логического элемента И 10.4 и выходом третьего триггера 11.3, причем выход первого логического элемента ИЛИ 7.1 соединен с вторыми входами второго, третьего и четвертого логических элементов И 10.2, 10.3 и 10.4, а выход второго логического элемента ИЛИ 7.2 соединен с вторыми входами первого, второго и третьего триггеров 11.1, 11.2 и 11.3, первые входы которых соединены с выходами второго, третьего и четвертого логического элемента И 10.2, 10.3 и 10.4 соответственно.

Таким образом, заявленное устройство восстановления работоспособности системы резервированной с помощью мажоритарных элементов обеспечивает ее эффективное функционирование при одновременном отказе двух элементов за счет использования для обнаружения факта такого отказа дополнительного элемента сравнения и формирования сигналов на замещение этим элементом одного из вышедших из строя, что позволяет восстановить работоспособность, как мажоритарного элемента, так и резервированной системы в целом, а также свести к минимуму время поиска и устранения неисправностей в резервированной системе.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам предлагаемого устройства восстановления работоспособности системы резервированной с помощью мажоритарных элементов. Выбор из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к сформулированному техническому результату признаков в заявленном устройстве восстановления работоспособности системы резервированной с помощью мажоритарных элементов, которые изложены в формуле изобретения. Поэтому заявленное изобретение соответствует критерию «новизна».

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень» проведен поиск и анализ известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с признаками предлагаемого устройства восстановления работоспособности системы резервированной с помощью мажоритарных элементов. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем. Заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:

дополнение известного средства каким-либо известным блоком, присоединяемым к нему по известным правилам, для достижения технического результата;

замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата;

увеличение однотипных элементов для достижения сформулированного технического результата;

создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между ними осуществлен по известным правилам, а достигнутый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связями между ними.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «Изобретательский уровень».

Предлагаемое техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», так как совокупность характеризующих его признаков обеспечивает возможность его существования, работоспособность и воспроизводимость, так как для реализации заявляемого технического решения могут быть использованы известные материалы и оборудование.

Рассмотрим работу устройства восстановления работоспособности системы резервированной с помощью мажоритарных элементов. Для понимания существа работы устройства достаточно подробно рассмотреть функционирование резервированной системы при отказе любых двух элементов, например, РЭ 1 и ЭС 2.1, и так далее. Наиболее наглядно и компактно процесс функционирования предложенного устройства восстановления работоспособности системы резервированной с помощью мажоритарных элементов может быть представлен таблицей истинности состояний элементов устройства. Поэтому на фиг.2 приведена таблица истинности, содержащая качественные и количественные (булевые) значения параметров элементов, принимаемых в процессе функционирования устройства восстановления. Рабочий элемент 1 и элементы сравнения 2.1, 2.2 и 2.3 работают одновременно (так называемый нагруженный резерв). Сигнал с выхода РЭ 1 подается одновременно на входы ВУ 4.1 и 4.2, на другие входы которых поступают сигналы с ЭС 2.1 и 2.2 соответственно. Сигнал с выхода ЭС 2.2 подается на вход ВУ 4.3, на второй вход которого поступает также сигнал с ЭС 2.1. Сигнал с дополнительного ЭС 2.3 подается на вторые входы ЭК 3.4, 3.5 и 3.6 соответственно, которые в исходном состоянии отключены от выхода этих ЭК (в выходу ЭК подключены первые входы (ЭК 3.4-3.6 замкнуты по первым входам, и разомкнуты по вторым). В случае отказа двух элементов в резервированной системе, например РЭ 1 и ЭС 2.1 (состояния О на фиг.2), сигналы на выходах ВУ 4.1-4.3 будут превышать допустимые значения порогов s, поэтому на выходах компараторов 5.1-5.3 сигналы будут иметь низкий уровень и после их поступления на входы 1-3 БУ 6 он должен был бы снять управляющие сигналы с электронных ключей ЭК 3.1-3.3 (состояние Р), которые отключили бы все элементы (РЭ, ЭС 2.1, 2.2) от нагрузки, что в прототипе привело бы к полному отказу системы. Однако, одновременно с поступлением сигналов с выходов компараторов 5.1. 5.2 и 5.3 на входы БУ 6, они поступают на входы логических элементов НЕ 8.1, 8.2 и 8.3 соответственно. Эти логические элементы НЕ совместно с логическим элементом И 10.1 представляют собой устройство обнаружения отказа системы резервированной с помощью мажоритарных элементов. При обнаружении отказа системы сигналом высокого уровня с выхода логического элемента И 10.1 запускается ПЭК 9, формирующий последовательно во времени три прямоугольных импульса высокого уровня сдвинутых по фазе на 120 градусов, поступающих последовательно на управляющие входы ЭК 3.4, 3.5 и 3.6 и на первые входы соответствующих элементов И 10.2-10.4 устройства коммутации дополнительного, рабочего и резервных элементов, причем при поступлении переключающего импульса на вход любого ЭК происходит подключение дополнительного элемента сравнения 2.3 вместо соответствующего рабочего элемента 1 или элемента сравнения 2.1, 2.2, если дополнительный элемент 2.3 включился вместо одного из отказавших элементов, то на выходе одного из компараторов 5.1-5.3 появится сигнал высокого уровня, который после инвертирования соответствующим элементом НЕ 8.1-8.3 поступит на вход элемента И 10.1, выходной сигнал которого прекратит формирование ПЭК 9 очередного импульса, при этом текущий импульс переключателя поступит на первый вход одного из элементов И 10.2-10.4, на второй вход которого будет подан сигнал высокого уровня с выхода соответствующего компаратора, прошедший через элемент ИЛИ 7.1, сигнал высокого уровня с выхода этого элемента И подается на запускающий вход соответствующего триггера, который формирует сигнал высокого уровня, фиксирующий состояние электронного ключа, подключившего дополнительный элемент 2.3 вместо отказавшего, причем это состояние сохраняется вплоть до момента отказ следующего элемента, после чего на выходе соответствующего компаратора появится сигнал низкого уровня, который изменится соответствующим элементом НЕ на высокий уровень и создаст на выходе элемента ИЛИ 7.2 сигнал высокого уровня, который поступит на второй вход соответствующего триггера и вернет его в исходное состояние с низким уровнем, при этом фиксирующий сигнал с ЭК, подключившего ранее дополнительный элемент сравнения 2.3 вместо отказавшего элемента будет снят.

Для исследования вероятностных характеристик предлагаемого устройства восстановления работоспособности резервированной системы на основе структурной схемы (фиг.1) были проведены расчеты по оценке вероятности его безотказной работы, а также аналогичной характеристики прототипа. При этом вероятности безотказной работы определялись по следующим формулам [Г.А.Шевцов, Е.М.Шеремет. Логическое резервирование. - Л.: Издательство Львовского университета, 1973, с.60-61], полученным в предположении, что все элементы равнонадежны:

для прототипа $${Р}_{бп}=3\cdot p^2-2\cdot p^3,\left(1\right)$$

для заявленного устройства $${Р}_{бз}={р}^3+3\cdot {р}^2\cdot \left(1-р\right)+3\cdot р\cdot {\left(1-р\right)}^2,\left(2\right)$$

где р - вероятность безотказной работы элемента.

Результаты расчетов в виде зависимостей вероятностей безотказной работы резервированных систем Р1 (прототип) и Р2 (предложенное устройство) от значений вероятности безотказной работы элементов р приведены на фиг.3.

Анализ полученных результатов показывает, что предлагаемое техническое решение позволяет в 1.75-1.11 раза повысить вероятность безотказной работы резервированной системы по сравнению с прототипом при значениях вероятностей безотказной работы элементов равных соответственно 0.5-0.8 за счет обнаружения и подключения к оставшемуся работоспособным элементу дополнительного элемента сравнения и восстановления таким образом работоспособности мажоритарного органа. Заявленное устройство может быть использовано не только для восстановления работоспособности резервированной с помощью мажоритарных элементов системы, но и для выявления отказавших элементов. При этом следует ожидать сокращения времени восстановления работоспособности отказавшего элемента за счет снижения временных затрат на его поиск и отключение от системы.

Изложенные сведения свидетельствуют о возможности выполнения при реализации заявленного устройства восстановления работоспособности системы резервированной с помощью мажоритарных элементов следующей совокупности условий:

предлагаемое устройство восстановления работоспособности системы резервированной с помощью мажоритарных элементов при его реализации позволит обеспечил» повышение эффекшвносш функционирования резервированной системы за счет обнаружения факта отказа системы и подключения к одному из работоспособных элементов дополнительного элемента сравнения (резервного элемента), обеспечивающего восстановление мажоритарного элемента, то есть обеспечения работоспособности системы даже при отказе двух элементов, приводящих в выходу прототипа из строя, при одновременном сокращении времени выявления и устранения неисправностей в резервированной системе;

показана возможность реализации на практике заявленного устройства восстановления работоспособности системы резервированной с помощью мажоритарных элементов в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

предлагаемое устройство восстановления работоспособности системы резервированной с помощью мажоритарных элементов при его разработке способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Изобретение относится к современным пилотажно-навигационным комплексам летательных аппаратов и их бортовой аппаратуре и может быть использовано для восстановления работоспособности систем радиоавтоматики и автоматического управления, резервированных с помощью мажоритарных элементов путем формирования сигналов управления элементами резервированных систем. Техническим результатом является повышение надежности устройства. Устройство содержит рабочий элемент, два элемента сравнения (резервных элемента), коммутируемый дополнительный элемент сравнения, шесть электронных ключей, три вычитающих устройства, три компаратора, блок управления, два логических элемента ИЛИ, три логических элемента НЕ, переключатель электронных ключей, четыре логических элемента И, три триггера. 3 ил.

Устройство восстановления работоспособности системы, резервированной с помощью мажоритарных элементов, содержащее блок управления (БУ), к первому, второму и третьему входам которого подключены выходы первого, второго и третьего компараторов (К) соответственно, а к первому, второму и третьему выходам подключены соответственно первые входы первого, второго и третьего электронных ключей (ЭК), ко вторым входам которых подсоединены первые входы первого и второго вычитающего устройства (ВУ), вторые входы первого и третьего ВУ, второй вход второго ВУ и первый вход третьего ВУ соответственно, причем к выходу каждого ВУ подключен соответствующий К, при этом входы рабочего элемента (РЭ) и двух элементов сравнения (ЭС) (резервных элементов) соединены вместе и являются входом устройства, а выходы трех ЭК, соединенные вместе, являются выходом устройства, отличающееся тем, что в него дополнительно введены третий ЭС, три ЭК, два логических элемента ИЛИ, три логических элемента НЕ, переключатель электронных ключей (ПЭК), четыре логических элемента И и три триггера, причем к первым входам четвертого, пятого и шестого ЭК подсоединены РЭ, первый ЭС и второй ЭС соответственно, причем вторые входы этих ЭК соединены с выходом третьего ЭС, вход которого подключен к входу РЭ, причем выходы первого, второго и третьего К соединены с входом первого логического элемента НЕ и первым входом первого логического элемента ИЛИ, с входом второго логического элемента НЕ и вторым входом первого логического элемента ИЛИ, с входом третьего логического элемента НЕ и третьим входом первого логического элемента ИЛИ соответственно, при этом выходы первого, второго и третьего логических элементов НЕ соединены соответственно с первым входом второго логического элемента ИЛИ и первым входом первого логического элемента И, вторым входом второго логического элемента ИЛИ и вторым входом первого логического элемента И, третьим входом второго логического элемента ИЛИ и третьим входом первого логического элемента И, выход которого соединен с первым входом ПЭК, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с третьим входом четвертого ЭК, первым входом второго логического элемента И и выходом первого триггера, с третьим входом пятого ЭК, первым входом третьего логического элемента И и выходом второго триггера, и с третьим входом шестого ЭК, первым входом четвертого логического элемента И и выходом третьего триггера, причем выход первого логического элемента ИЛИ соединен с вторыми входами второго, третьего и четвертого логических элементов И, а выход второго логического элемента ИЛИ соединен с вторыми входами первого, второго и третьего триггеров, первые входы которых соединены с выходами второго, третьего и четвертого логического элемента И соответственно.