СПОСОБ РАЗРАБОТКИ И ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ И МОБИЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК G05B23/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для проектирования, тестирования и диагностики блоков автоматического регулирования и контроля для систем автоматического управления сложными техническими объектами, например, газотурбинными двигателями.

Известен способ (RU №2265236) диагностики сложных радиоэлектронных устройств, заключающийся в том, что для каждой совокупности входных тестовых сигналов формируют предварительно соответствующие им сигналы отклика для промежуточных точек контролируемого устройства. Полученные сигналы отклика на выходах изделия сравнивают с параметрами эталонных сигналов отклика и определяют степень их соответствия, при выявлении несовпадений определяют неисправную ветвь функциональной схемы и повторяют диагностику состояния путем перебора всех сформированных комбинаций входных сигналов, после чего переходят к диагностике мест неисправности. Указанный способ предназначен для тестирования устройств с целью выявления неисправностей и не может быть использован для диагностики проектируемых устройств.

Известны (RU №2300795) устройство и способ контроля управляющей программы вычислителя, заключающийся в том, что вектор управляющих воздействий, сформированный модифицированной программой, подают на информационную модель объекта управления, которая в качестве своих первоначальных состояний предъявляет модифицированной управляющей программе векторы состояний, взятые из базы тестовых примеров, отличающийся тем, что при этом продолжают управление объектом немодифицированной программой, защиту объекта управления от воздействия возможных программных ошибок обеспечивают благодаря использованию информационной модели объекта управления, реализованной в виде искусственной нейронной сети, обеспечивают автоматическую генерацию тестовых примеров на основе обучающей выборки для нейронной сети для тестирования модифицированной управляющей программы, задают процесс тестирования, при котором определяют значения параметров, адекватно описывающих состояние объекта управления, и по результату вычисления комплексного показателя эффективности принимают решение о постановке модифицированной управляющей программы на выполнение для управления объектом. Указанные устройство и способ не предназначены для тестирования устройств автоматического управления сложными техническими объектами в режиме реального времени.

Известен стенд (RU 2308749) для испытаний электронных агрегатов системы автоматического управления и контроля газотурбинного двигателя (ГТД), содержащий электронный регулятор, блок управления и индикации, блок дискретных команд, блок диагностики, блок нормализации аналоговых сигналов, блок моделей датчиков, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, блок моделей (имитаторы) исполнительных механизмов, блок имитации бортсети. Недостатком стенда является ограниченное количество измерительных каналов и наличие возможности только статического моделирования режимов работы двигателя.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является стенд для испытаний электронных агрегатов системы автоматического управления и контроля газотурбинного двигателя (RU 187791), содержащий электронный регулятор, имитаторы исполнительных механизмов, отличающийся тем, что дополнительно включает программно-аппаратный имитатор двигательной установки, содержащий математическую модель двигателя, имитаторы датчиков, блок имитации разрывов, с обеспечением работы в режиме реального времени, при этом для каждого типа выходных сигналов имитаторов датчиков и входных управляющих сигналов имитаторов исполнительных механизмов применены индивидуальные цифровые модули, с возможностью обратной связи между электронным регулятором и программно-аппаратным имитатором двигательной установки.

Недостатком прототипа является отсутствие аппаратно-программных средств, обеспечивающих оперативное создание разнообразных тестов для проверки систем автоматического управления (САУ), разработанных для разных ГТД, как при проектировании, так и при эксплуатации САУ. Кроме того, габариты прототипа не позволяют использовать его для диагностики дефектов САУ в процессе их эксплуатации, непосредственно на летательном аппарате.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа и устройства, обеспечивающих тестирование блоков автоматического регулирования и контроля (БАРК) технического объекта на этапе их проектирования с целью проверки их характеристик на соответствие техническим требованиям до начала проведений испытаний на стенде с реальным объектом, при проведении всех видов испытаний САУ технического объекта, а также для поиска дефектов САУ в процессе их эксплуатации.

Техническим результатом является повышение качества и надежности САУ за счет достижения высокой степени подобия с реальной работой технического объекта, а также повышение технологичности процессов проектирования, тестирования и эксплуатации блоков автоматического регулирования и контроля за счет сокращения сроков проектирования и испытаний САУ технического объекта, а также обеспечение поиска дефектов САУ в процессе их эксплуатации.

Поставленная задача и технический результат достигается за счет того, что предлагается мобильный стенд для испытания блоков автоматического управления и контроля техническим объектом, содержащий электронный регулятор, имитаторы исполнительных механизмов с цифровыми модулями, программно-аппаратный имитатор работы сложного технического объекта с математической моделью, имитаторы датчиков, блок имитации разрывов и коротких замыканий линий связи с обеспечением работы в режиме реального времени, отличающийся тем, что стенд выполнен в конструктиве хост-компьютер с модулем подключения интерфейсной части, выполняющего функции супервизора всех процессов, включает блок с программным обеспечением, формирующим и запускающим программные тесты, информационно-диагностический комплекс (ИДК), который сохраняет и визуализирует данные о реакции САУ технического объекта на тестовые воздействия, и интерфейсную часть в виде блока гетерогенных модулей на базе DSP-микроконтроллеров, VLIW-микроконтроллеров, программируемых систем на кристалле - SoC и программируемых логических интегральных схем - ПЛИС, который формирует аналоговые и дискретные сигналы, имитирующие работу технического объекта, а также способ разработки и испытания САУ технического объекта, включающий разработку математической модели технического объекта, разработку тестовых сигналов и испытание блоков автоматического регулирования и контроля системы автоматического управления технического объекта отличающийся тем, что разработка модели и тестовых сигналов для испытания блоков автоматического регулирования и контроля осуществляется с использованием инструментов модельно-ориентированного проектирования программного обеспечения типа МАТЛАБ, причем при разработке тестовых сигналов осуществляется их разделение на программно генерируемые сигналы тестирования САУ, и сигналы интерфейсной части блока гетерогенных модулей, которые генерируют аппаратно при помощи DSP-микроконтроллеров, VLIW-микроконтроллеров, программируемых систем на кристалле - SoC и программируемых логических интегральных схем - ПЛИС, тестовые сигналы воздействуют на САУ технического объекта одновременно и параллельно, в том числе в режиме реального времени, обеспечивая высокую степень подобия с реальной работой технического объекта.

Сущность предложенной группы изобретений (на примере стенда для САУ ГТД с использованием инструментов модельно-ориентированного проектирования (МОП) пакета МАТЛАБ) поясняется чертежом.

Фиг. 1 – структурная схема мобильного стенда для разработки и тестирования САУ технического объекта, где

1 - хост компьютер,

2 - блок с программным обеспечением, формирующим и запускающим программные тесты,

3 - информационно-диагностический комплекс,

4 - блок гетерогенных модулей, имитирующих работу технического объекта в реальном времени,

5 - модуль подключения интерфейсной части.

Выполнение стенда мобильным, в конструктиве хост-компьютер с модулем подключения интерфейсной части позволяет использовать его как при проектировании контуров управления техническим объектом (например, ГТД - при разработке моделей ГТД) на рабочем месте инженера-проектировщика, так и при проведении всех видов испытаний от лабораторных - при проектировании конкретного БАРК и стендовых, включая испытания на стендах сторонних организаций, до испытания прямо на бортах самолетов и вертолетов - для проверки правильности работы БАРК в любых режимах любой сложности.

Инструменты модельно-ориентированного проектирования программного обеспечения МАТЛАБ обеспечивают:

- разделение всех создаваемых тестов на две группы, при котором часть тестов САУ ГТД создается и запускается на ПК оператора-тестировщика, а часть тестов за счет технологии модельно-ориентированного проектирования (МОП) пакета МАТЛАБ создается модульной вычислительной системой интерфейсной части стенда, позволяет формировать для САУ ГТД весь поток физических воздействий в реальном времени для решения проблемы одновременного и параллельного воздействия на САУ ГТД, большим количеством сложных аналоговых физических периодических сигналов, в том числе в режиме реального времени, которые необходимо иметь с очень высокими метрологическими характеристиками (высокой точностью, высокой стабильностью и большим диапазоном), тем самым достигая высокой степени подобия с реальной работой ГТД;

- безопасную предварительную «виртуальную» проверку самих новых тестов, при их разработке для снижения рисков повреждения САУ ГТД или самих ГТД, при работе в условиях ошибочных тестов.

Таким образом, использование современных инструментов и технологии МОП типа пакета МАТЛАБ позволяет, несмотря на математическую сложность моделей технических объектов (например, ГТД), быстро создавать множество разнообразных тестов для проверки разных САУ для разных технических объектов (например, разных ГТД). Модульность аппаратного и программного обеспечения, перенос основной алгоритмической и программной сложности на пакет типа МАТЛАБ с готовым набором инструментария, позволяющие быстро создавать тесты любой сложности для проверки САУ технических объектов, например разных ГТД, и предоставляющие возможность предварительной «виртуальной отладки тестов» для повышения безопасности тестирования позволяет повысить технологичность процессов проектирования и испытания БАРК и снизить себестоимость разработки САУ технических объектов (например, разных ГТД).

Заявленная группа изобретений относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована для проектирования, тестирования и диагностики блоков автоматического регулирования и контроля для систем автоматического управления сложными техническими объектами, например газотурбинными двигателями. Техническим результатом является повышение технологичности процессов проектирования и тестирования блоков автоматического регулирования и контроля, а также повышение качества и надежности САУ за счет поиска, выявления дефектов и предотвращения ошибок в работе САУ. Мобильный стенд для испытания блоков автоматического управления и контроля сложным техническим объектом содержит электронный регулятор, имитаторы исполнительных механизмов с цифровыми модулями, программно-аппаратный имитатор работы сложного технического объекта с математической моделью, имитаторы датчиков, блок имитации разрывов и коротких замыканий линий связи с обеспечением работы в режиме реального времени, при этом стенд выполнен в конструктиве хост-компьютер с модулем подключения интерфейсной части, который выполняет функции супервизора всех процессов, включает блок со специальным программным обеспечением, формирующим и запускающим программные тесты, информационно-диагностическим комплексом (ИДК), сохраняющим и визуализирующим данные о реакции САУ сложного технического объекта на тестовые воздействия, и интерфейсную часть в виде блока гетерогенных модулей на базе DSP-микроконтроллеров, VLIW-микроконтроллеров, программируемых систем на кристалле - SoC и программируемых логических интегральных схем – ПЛИС. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Мобильный стенд для тестирования электронной системы управления техническими объектами, содержащий электронный регулятор, имитаторы исполнительных механизмов с цифровыми модулями, программно-аппаратный имитатор работы сложного технического объекта, имитаторы датчиков, блок имитации разрывов и коротких замыканий линий связи с обеспечением работы в режиме реального времени, отличающийся тем, что стенд выполнен в конструктиве хост-компьютер с модулем подключения интерфейсной части, который выполняет функции супервизора всех процессов и включает блок с программным обеспечением, формирующим и запускающим программно генерируемые тестовые сигналы, информационно-диагностический комплекс, сохраняющий и визуализирующий данные о реакции САУ технического объекта на тестовые сигналы, и интерфейсную часть в виде блока гетерогенных модулей на базе DSP-микроконтроллеров, VLIW-микроконтроллеров, программируемых систем на кристалле - SoC и программируемых логических интегральных схем - ПЛИС, формирующую аналоговые и дискретные сигналы, имитирующие работу технического объекта.

2. Способ разработки и испытания системы автоматического управления техническими объектами, включающий разработку математической модели технического объекта, разработку тестовых сигналов и испытание блоков автоматического регулирования и контроля системы автоматического управления технического объекта, отличающийся тем, что разработка тестовых сигналов для испытания блоков автоматического регулирования и контроля осуществляется с использованием устройства по п. 1 и инструментов модельно-ориентированного проектирования типа пакета МАТЛАБ, причем при разработке тестовых сигналов осуществляется их разделение на программно генерируемые сигналы тестирования, и сигналы интерфейсной части блока гетерогенных модулей, которые генерируются аппаратно при помощи DSP-микроконтроллеров, VLIW-микроконтроллеров, программируемых систем на кристалле - SoC и программируемых логических интегральных схем - ПЛИС, тестовые сигналы воздействуют на САУ сложного технического объекта одновременно и параллельно, в том числе в режиме реального времени, обеспечивая высокую степень подобия с реальной работой сложного технического объекта.