RU2568392C2

RU2568392C2 - Device for control over system redundant with majority elements

Info

Publication number: RU2568392C2
Application number: RU2013155815/08A
Authority: RU
Inventors: Андрей Михайлович Агеев; Галина Николаевна Акиньшина; Михаил Федорович Волобуев; Михаил Александрович Замыслов; Александр Михайлович Мальцев; Сергей Борисович Михайленко; Иван Александрович Кучеренко
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2015-11-20
Also published as: RU2013155815A

Abstract

FIELD: aircraft engineering.

SUBSTANCE: invention relates to modern aircraft flight navigation complexes and their hardware and is intended for generation of aircraft control signals backed up by ACS and radio automatics major elements. Control element backed up by major elements of said systems comprises working element, two comparators, three subtractors, three comparators and three electronic switches. Besides, it incorporates three channels for detection of faulty element with delay line, subtractor, differentiator link and trigger, all being connected in series. Note here that input of every delay line is connected to second inputs of appropriate subtractors. Note that input of the first delay line is connected to working element output while second delay line input is connected to first comparator output and third delay line input is connected to second comparator output. Outputs of trigger are connected to fourth, fifth and sixth inputs of subtractors.

EFFECT: higher reliability.

4 dwg

Description

Изобретение относится к современным пилотажно-навигационным комплексам (ПНК) летательных аппаратов (ЛА) и их бортовой радиоэлектронной аппаратуре и предназначено в основном для формирования сигналов управления резервированными с выбором среднего арифметического значения выходных параметров резервируемых элементов системами.The invention relates to modern flight control and navigation systems (PNC) of aircraft (LA) and their avionics, and is intended mainly for generating control signals redundant with the choice of the arithmetic mean of the output parameters of the reserved elements systems.

Системы автоматического управления ЛА, состоящие из радиотехнических и нерадиотехнических средств различного функционального назначения (автопилотов, средств радиоуправления, инерциальной навигации и др.), составляют основу современных ПНК ЛА. 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 сохранение их работоспособности.Automatic control systems of aircraft, consisting of radio and non-radio equipment of various functional purposes (autopilots, radio controls, inertial navigation, etc.), form the basis of modern aircraft PNK. One of the most promising ways to increase the functioning efficiency and reliability of the components of such PNAs is to reserve their most important elements. At the same time, effective management of the operation of such redundant systems requires both real-time information on the failures of their elements and a corresponding change in the structure of the systems (reconfiguration) aimed at maintaining their operability.

Поэтому управление конфигурацией резервированных систем, направленное на восстановление их работоспособности при отказах элементов, является одной из важных задач подсистем управления, контроля и восстановления работоспособности в системах автоматического управления и ПНК любых типов летательных аппаратов.Therefore, configuration management of redundant systems, aimed at restoring their operability in the event of component failures, is one of the important tasks of the control, monitoring and recovery subsystems in automatic control systems and PNCs of any type of aircraft.

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.Failure detection and the formation of redundant system control commands aimed at restoring its performance, possibly based on the use of elements of both analog and digital technology, as well as when they are used together. Currently, analog and digital microcircuits are most often used in equipment failure detectors.

Известно устройство управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой, 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 $ε : | X - X_{i} | = | Z_{i} | < ε$

, где ε - произвольная положительная величина (абсолютное значение порога сравнения).A device for controlling a system redundant with the help of majority elements is known, based on the principle of majority logic (the principle of majority choice). This principle is widely used to detect failures in redundancy systems consisting of a work item and several comparison items playing the role of backup items by sampling from a set. In this case, the state of the working system is compared with the state of a number of the same systems. A sign of the reliability of the working system is the coincidence of its state with the state of most systems [G.A. Shevtsov, E.M. Sheremet. Logical redundancy. - L .: Publishing house of the Lviv University, 1973, p. 43-44]. It is believed that the states of the working and i-th comparison systems are the same if the difference in their output parameters is less

ε : | X - X_{i} | = | Z_{i} | < ε

, where ε is an arbitrary positive value (the absolute value of the comparison threshold).

Основным недостатком такого устройства управления резервированной системой является 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.The main disadvantage of such a redundant system control device is the inability to connect a serviceable element to the load in case of failure of the other two elements, which does not allow to fully implement the principle of redundancy by replacement and reduces the reliability of the system.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой, основанное на принципе мажоритарной логики, с повышенной эффективностью функционирования, обусловленной возможностью обнаружения факта отказа системы и подключения к нагрузке одного из работоспособных элементов (Патент №2451995 от 27.05.2012 г.). Устройство управления такой резервированной системой содержит рабочий элемент (РЭ), два элемента сравнения (ЭС), три вычитающих устройства (ВУ), три компаратора (К), три электронных ключа (ЭК), причем выход РЭ подключен ко второму входу первого ВУ, первому входу второго ВУ и первому входу первого ЭК, выходы которых подсоединены 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, 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, входы БУ соединены с соответствующими выходами компараторов, а первый, второй и третий выходы БУ подключены ко вторым входам первого, второго и третьего ЭК соответственно, а также содержит четвертый, пятый и шестой компараторы К, четвертый ЭК, три логических элемента НЕ и логический элемент И, причем ко входам четвертого, пятого и шестого компараторов подключены выходы РЭ, первого и второго ЭС соответственно, а выходы четвертого, пятого и шестого К подключены соответственно к первому, второму и третьему входам четвертого ЭК, выходы которого соединены с четвертым, пятым и шестым входом БУ соответственно, выходы первого, второго и третьего компараторов соединены соответственно со входами первого, второго и третьего элементов НЕ, выходы которых подключены соответственно к первому, второму и третьему входам логического элемента И, выход которого соединен с четвертым входом четвертого ЭК. В вычитающих устройствах и первых трех компараторах, являющихся элементами мажоритарной логики (МЛ), осуществляется сравнение сигналов РЭ, первого и второго ЭС и при отказе одного из этих элементов БУ подключает через соответствующий ЭК к выходу один из исправных элементов. При отказе двух элементов на выходах первого, второго и третьего К будут сигналы низкого уровня, которые инвертируются в элементах НЕ и подаются на элемент И, подсоединяющий через четвертый ЭК четвертый, пятый и шестой входы БУ к выходам соответствующих К, которые определяют исправный элемент, то есть на выходе которого имеется сигнал, превышающий порог компаратора, и БУ подключает данный элемент через соответствующий ЭК на выход системы, то есть обеспечивается работоспособность системы даже при отказе двух элементов.The closest in technical essence and the achieved effect is a control system of a system redundant with the help of majority elements, based on the principle of majority logic, with increased efficiency of operation, due to the possibility of detecting a system failure and connecting one of the operable elements to the load (Patent No. 2451995 from 27.05. 2012). The control device of such a redundant system contains a working element (RE), two comparison elements (ES), three subtractive devices (WU), three comparators (K), three electronic keys (EC), and the output of the RE is connected to the second input of the first WU, the first the input of the second VU and the first input of the first EC, the outputs of which are connected to the inputs of the first, second comparators K and the output of the system, respectively, the output of the first ES is connected to the first input of the first VU, as well as to the first input of the third VU and the first input of the second EC, the outputs of which are connectedto the input of the third comparator and the output of the first EC, respectively, the output of the second ES is connected to the second inputs of the second and third VU and the input of the third EC, the output of which is connected to the output of the second EC, and the inputs of the RE and two ES are connected together and are the input of the system, the inputs of the control unit are connected with the corresponding outputs of the comparators, and the first, second and third outputs of the control unit are connected to the second inputs of the first, second and third EC, respectively, and also contains the fourth, fifth and sixth comparators K, the fourth EC, three logical elements NOT and logs And, with the outputs of the first, second and second ES connected to the inputs of the fourth, fifth and sixth comparators, respectively, and the outputs of the fourth, fifth and sixth K connected to the first, second and third inputs of the fourth EC, the outputs of which are connected to the fourth, fifth and the sixth input of the control unit, respectively, the outputs of the first, second, and third comparators are connected respectively to the inputs of the first, second, and third elements NOT, the outputs of which are connected respectively to the first, second, and third inputs e element And, the output of which is connected to the fourth input of the fourth EC. In subtracting devices and the first three comparators, which are elements of majority logic (ML), the signals of the RE, the first and second ES are compared, and if one of these elements fails, the control unit connects one of the operational elements to the output through the corresponding EC. If two elements fail, the outputs of the first, second, and third K will have low-level signals that are inverted in the NOT elements and are fed to the AND element, which connects the fourth, fifth, and sixth inputs of the control unit to the outputs of the corresponding K, which determine the operational element, through the fourth EC there is a signal at the output of which exceeds the threshold of the comparator, and the control unit connects this element through the corresponding EC to the system output, that is, the system is operable even if two elements fail.

Однако недостатком такого устройства управления является невозможность эффективного функционирования системы при отказе двух из трех резервируемых элементов в случае, если сигналы на выходе элементов являются знакопеременными или изменяются периодически от максимального значения до значения, близкого к 0, так как компаратор канала обнаружения исправного элемента будет периодически выключаться и соответственно приводить к отказу всей системы, а также возникновении ситуации, когда в двух элементах произошел одинаковый отказ и в соответствии с мажоритарной логикой неисправным будет считаться исправный элемент, а исправными - отказавшие элементы, при этом на выходе логического элемента И будет отсутствовать сигнал высокого уровня и БУ через ЭК подключит к выходу системы один из неисправных элементов (РЭ или ЭС).However, the disadvantage of such a control device is the impossibility of the effective functioning of the system in case of failure of two of the three redundant elements in the event that the signals at the output of the elements are alternating or change periodically from the maximum value to a value close to 0, since the comparator of the detection channel of the operational element will periodically turn off and, accordingly, lead to a failure of the entire system, as well as to a situation where the same failure occurs in two elements and, accordingly, etstvii with majority logic will be considered defective non-defective element, and operable - failed elements, the output of the AND gate will be no high signal through EC and BU connected to the output of the system one of the defective elements (RE or ES).

Технической задачей настоящего изобретения является повышение эффективности функционирования резервированной с помощью мажоритарных элементов системы за счет повышения вероятности безотказной системы путем обнаружения факта отказа резервируемых элементов РЭ, ЭС системы и подключения к нагрузке одного из работоспособных элементов вне зависимости от того, постоянный или знакопеременный сигнал на их выходе, а также возникновения ситуации, когда в двух резервируемых элементах произошел одинаковый отказ, то есть обеспечение работоспособности системы при отказе одного/двух элементов путем использования в устройстве новых каналов обнаружения отказавшего элемента и управления.The technical task of the present invention is to increase the efficiency of functioning of a redundant system using the majority of the system elements by increasing the likelihood of a trouble-free system by detecting the failure of the redundant elements of the RE, ES system and connecting one of the operable elements to the load, regardless of whether the signal is constant or alternating at their output , as well as the occurrence of a situation where the same failure occurred in two redundant elements, that is, ensuring work the integrity of the system in case of failure of one / two elements by using new channels of detection of the failed element and control in the device.

Поставленная задача решается за счет того, что в известное устройство управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой, содержащее рабочий элемент (РЭ), два элемента сравнения (ЭС), три вычитающих устройства (ВУ), три компаратора (К), три электронных ключа (ЭК), причем выход РЭ подключен ко 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, 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, входы БУ соединены с соответствующими выходами компараторов, а первый, второй и третий выходы БУ подключены ко вторым входам первого, второго и третьего ЭК соответственно, дополнительно введены три канала обнаружения отказавшего элемента (ООЭ), каждый содержащий последовательно соединенные линию задержки (ЛЗ), ВУ, дифференцирующее звено (ДЗ) и триггер (Тр), причем вход каждой ЛЗ подсоединен ко вторым входам соответствующих ВУ, при этом вход первой ЛЗ подключен к выходу РЭ, вход второй ЛЗ - к выходу первого ЭС, вход третьей ЛЗ - к выходу второго ЭС, а выходы Тр подсоединены соответственно к четвертому, пятому и шестому входам БУ.The problem is solved due to the fact that in the known control device, redundant with the help of majority elements, the system contains a working element (RE), two comparison elements (ES), three subtractive devices (WU), three comparators (K), three electronic keys ( EC), and the output of the RE connected to the second input of the first IU, the first input of the second IU and the first input of the first EC, the outputs of which are connected to the inputs of the first, second comparators K and the output of the system, respectively, the output of the first ES is connected to the first input of the first IU, and t moreover, to the first input of the third VU and the first input of the second EC, the outputs of which are connected to the input of the third comparator and the output of the first EC, respectively, the output of the second ES is connected to the second inputs of the second and third VU and the input of the third EC, the output of which is connected to the output of the second EC, the inputs of the RE and two ES are connected together and are the input of the system, the inputs of the control unit are connected to the corresponding outputs of the comparators, and the first, second and third outputs of the control unit are connected to the second inputs of the first, second and third EC, respectively, Three channels of detection of a failed element (OOE) are given, each containing a serially connected delay line (LZ), a slave, a differentiating link (LZ) and a trigger (Tr), the input of each LZ connected to the second inputs of the corresponding LU, while the input of the first LZ is connected to the output of the RE, the input of the second LZ to the output of the first ES, the input of the third LZ to the output of the second ES, and the outputs Tr are connected respectively to the fourth, fifth and sixth inputs of the control unit.

Управление системой при отказе одного или двух из элементов (РЭ или ЭС) производится следующим образом. Вычитающие устройства и первые три компаратора, являющиеся элементами мажоритарной логики, сравнивают выходные параметры различных пар элементов РЭ-ЭС и определяют те пары, выходные параметры которых одинаковы (разность выходных параметров не выше заданной величины ε). Если выходные параметры элементов РЭ-ЭС незначительно отличаются друг от друга, то на выходе компаратора, связанного через ВУ с этими элементами, будет сигнал высокого уровня (логическая единица), а в противном случае (выходные параметры элементов отличаются) - низкого уровня (логический ноль). В каждом канале ООЭ определяется отказ элемента путем сравнения в ВУ задержанного в ЛЗ и незадержанного сигнала с выхода элемента, дифференцирования разностного сигнала в ДЗ и срабатывания Тр, если сигнал на выходе ДЗ превысит его порог (произошел отказ). На входах БУ в зависимости от различных ситуаций (все элементы РЭ и ЭС исправны, отказал один из элементов или отказали два элемента) будут соответствующие сигналы, являющиеся для него кодом. Блок управления, являющийся дешифратором, подключает исправный элемент через ЭК на выход. Отказ системы наступает при выходе из строя всех элементов РЭ и ЭС.System management in case of failure of one or two of the elements (RE or ES) is as follows. Subtracting devices and the first three comparators, which are elements of majority logic, compare the output parameters of various pairs of RE-ES elements and determine those pairs whose output parameters are the same (the difference in output parameters is not higher than a given value of ε). If the output parameters of RE-ES elements are slightly different from each other, then at the output of the comparator connected through these devices with these elements, there will be a high-level signal (logical unit), otherwise (output parameters of the elements differ) - low (logical zero) ) In each channel of the OOE, the element failure is determined by comparing the delayed in the LZ and the uncontrolled signal from the element output in the control unit, differentiating the difference signal in the DZ and Tr triggering if the signal at the DZ output exceeds its threshold (a failure occurred). Depending on various situations (all elements of RE and ES are operational, one of the elements has failed or two elements have failed), the corresponding signals will be the code for it at the inputs of the control unit. The control unit, which is the decoder, connects the operational element through the EC to the output. The failure of the system occurs when all elements of the RE and ES fail.

Техническое решение обладает новым свойством, заключающимся в повышенной эффективностью функционирования при отказе двух из трех резервируемых элементов вне зависимости от того, являются сигналы на выходе элементов постоянными или знакопеременными, а также возникновения ситуации, когда в двух из трех элементов РЭ-ЭС произошел одинаковый отказ и элементы мажоритарной логики не в состоянии определить исправный элемент.The technical solution has a new property, which consists in increased efficiency of operation in case of failure of two of the three redundant elements, regardless of whether the signals at the output of the elements are constant or alternating, as well as when a situation occurs in two of the three elements of RE-ES and elements of majority logic are not able to determine a serviceable element.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой. На фиг.2 приведена таблица истинности, содержащая качественные и количественные (булевые) значения параметров элементов, принимаемых в процессе функционирования устройства управления. На фиг.3 приведена временная диаграмма функционирования канала обнаружения отказавшего элемента устройства управления. На фиг.4 приведены результаты расчетов в виде зависимостей вероятностей безотказной работы резервированных систем прототипа Р_бп и предлагаемого устройства Р_бз от значений вероятности безотказной работы элементов р.Figure 1 presents a structural diagram of a control device redundant using majority elements of the system. Figure 2 shows the truth table containing the qualitative and quantitative (Boolean) values of the parameters of the elements taken in the process of functioning of the control device. Figure 3 shows a timing diagram of the operation of the detection channel of a failed element of the control device. Figure 4 shows the results of calculations in the form of dependencies of the probabilities of failure-free operation of the redundant prototype systems Р _бп and the proposed device Р _бз from the values of the probability of failure-free operation of elements p.

Устройство управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой (фиг.1) содержит рабочий элемент РЭ1, два элемента сравнения ЭС2.1 и ЭС2.2, шесть вычитающих устройств ВУЗ. 1-ВУ3.6, три компаратора К4.1-К4.3, три электронных ключа ЭК5.1-ЭК5.3, блок управления БУ6, три линии задержки Л37.1-Л37.3, три дифференцирующих звена Д38.1-Д38.3, три триггера Тр9.1-Тр9.3, причем выходы РЭ1, ЭС2.1 и ЭС2.2, входы которых соединены и являются входом устройства, через электронные ключи ЭК5.1-5.3, управляемые БУ6, подключаются на выход системы, последовательно соединены ВУ3.1 и К4.1, ВУ3.2 и К4.2, В3.3 и К4.3, при этом вход В3.1 подключен к выходам РЭ1 и ЭС2.1, вход В3.2 - к выходам РЭ и ЭС2.2, вход В3.3 - к выходам ЭС2.1 и ЭС2.2, а выходы К4.1-К4.3 подсоединены к соответствующим входам БУ6, i=1…3 канала обнаружения отказавшего элемента (ООЭ), каждый содержащий последовательно соединенные линию задержки ЛЗ7.i, вычитающее устройство ВУ4.i+3, дифференцирующее звено ДЗ8.i и триггер Тр9.i, причем вход ЛЗ7.1 подсоединен к второму входу ВУ3.4 и выходу РЭ1, вход ЛЗ7.2 - к второму входу ВУ3.5 и выходу ЭС2.1, вход ЛЗ7.3 - к второму входу ВУ3.6 и выходу ЭС2.1, а выходы Тр9.1-Тр9.3 подсоединены соответственно к четвертому, пятому и шестому входам БУ6, причем ВУЗ. 1-ВУ3.6 выполнены в виде типового сумматора на интегральной микросхеме (ИМС) прецизионного операционного усилителя 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.: и л. - (Массовая радиобиблиотека; вып.1143), с.50-53], компараторы К4.1-К4.3 выполнены 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], электронные ключи ЭК5.1-ЭК5.3 выполнены в виде электронных реле 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], блок управления БУ6 выполнен в виде дешифратора на ИМС типа К155ИД1 [Горбунов В.Л. и др. Справочное пособие по микропроцессорам и микроЭВМ. - М.: Высшая школа, 1988, с.36, 46], линии задержки ЛЗ7.1-ЛЗ7.3 выполнены в виде дискретно-аналоговых линий задержки на интегральной схеме типа КР1016БР1 [Воробьев Е.П., Сенин К.В. Интегральные микросхемы производства СССР и их зарубежные аналоги: Справочник. - М.: Радио и связь, 1990. - 352 с.: ил., с.178], дифференцирующие звенья Д39.1-Д39.3 выполнены на операционном усилителе типа 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], триггеры Тр9.1-Тр9.3 выполнены на ИМС К155ТЛ1 или К554СА2 [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].The control device of a redundant system using the majority elements (Fig. 1) contains a working element RE1, two comparison elements ES2.1 and ES2.2, six subtracting devices of a university. 1-VU3.6, three comparators K4.1-K4.3, three electronic keys EK5.1-EK5.3, control unit BU6, three delay lines L37.1-L37.3, three differentiating links D38.1-D38 .3, three triggers Tr9.1-Tr9.3, and the outputs RE1, ES2.1 and ES2.2, the inputs of which are connected and are the input of the device, are connected to the system output through electronic keys EC5.1-5.3 controlled by BU6, VU3.1 and K4.1, VU3.2 and K4.2, V3.3 and K4.3 are connected in series, with the input of B3.1 connected to the outputs of RE1 and ES2.1, the input of V3.2 to the outputs of RE and ES2.2, input B3.3 - to the outputs ES2.1 and ES2.2, and the outputs K4.1-K4.3 are connected to the corresponding inputs U6, i = 1 ... 3 channels for detecting a failed element (OOE), each containing a series-connected delay line LZ7.i, a subtracting device VU4.i + 3, a differentiating link DZ8.i and a trigger Tr9.i, and the input LZ7.1 is connected to the second VU3.4 input and output RE1, LZ7.2 input - to the second VU3.5 input and ES2.1 output, LZ7.3 input - to the second VU3.6 input and ES2.1 output, and outputs Tr9.1- Tr9.3 are connected respectively to the fourth, fifth and sixth inputs of BU6, and the university. 1-VU3.6 are designed as a typical adder on an integrated microcircuit (IC) of the KM551UD1A precision operational amplifier [Veniaminov VN, Lebedev ON, Miroshnichenko AI Chips and their application: Ref. allowance. - 3rd ed. reslave. and additional - M.: Radio and communications, 1989, 240 pp.: and l. - (Mass radio library; issue 1114), pp. 50-53], the comparators K4.1-K4.3 are made on the IC K155TL1 or K554CA2 according to the scheme of the Schmitt trigger or comparator, respectively [Veniaminov V.N., Lebedev O.N. , Miroshnichenko A.I. Chips and their application: Ref. allowance. - 3rd ed. reslave. and add. - M.: Radio and Communications, 1989, 240 pp., Ill. - (Mass radio library; issue 1114), pp. 56-57, 122], electronic switches EK5.1-EK5.3 are made in the form of electronic relays based on the electronic switch microcircuit 435KN2 [Veniaminov V.N., Lebedev O.N. ., Miroshnichenko A.I. Chips and their application: Ref. allowance. - 3rd ed. reslave. and add. - M.: Radio and Communications, 1989, 240 pp., Ill. - (Mass radio library; issue 1114), p. 68], the control unit BU6 is made in the form of a decoder on an IC type K155ID1 [Gorbunov V.L. and other Reference manual on microprocessors and microcomputers. - M .: Higher school, 1988, p. 36, 46], delay lines LZ7.1-LZ7.3 are made in the form of discrete-analog delay lines on an integrated circuit of the type KR1016BR1 [Vorobev EP, Senin K.V. Integrated circuits manufactured in the USSR and their foreign counterparts: Reference. - M .: Radio and communications, 1990. - 352 p.: Ill., P.178], differentiating units D39.1-D39.3 are made on an operational amplifier of the type KM551UD1A [Veniaminov V.N., Lebedev O.N. , Miroshnichenko A.I. Chips and their application: Ref. allowance. - 3rd ed. reslave. and add. - M.: Radio and Communications, 1989, 240 pp., Ill. - (Mass radio library; issue 1114), pp. 50-53], Tr9.1-Tr9.3 triggers are made on the IMS K155TL1 or K554CA2 [Veniaminov V.N., Lebedev O.N., Miroshnichenko A.I. Chips and their application: Ref. allowance. - 3rd ed. reslave. and add. - M.: Radio and Communications, 1989, 240 pp.: Ill. - (Mass Radio Library; vol. 1143), pp. 56-57, 122].

Таким образом, заявленное устройство управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой обеспечивает ее эффективное функционирование при отказе двух из трех резервируемых элементов вне зависимости от того, являются сигналы на выходе элементов постоянными или знакопеременными, а также возникновения ситуации, когда в двух из трех элементов РЭ-ЭС произошел одинаковый отказ и элементы мажоритарной логики не в состоянии правильно определить исправный элемент.Thus, the claimed control device of a redundant system using majority elements ensures its effective operation in case of failure of two of the three redundant elements, regardless of whether the signals at the output of the elements are constant or alternating, as well as when a situation arises when in two of the three elements The ES has the same failure and the elements of the majority logic are not able to correctly determine the serviceable element.

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 управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой. 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 управления резервированной системой, которые изложены в формуле изобретения. Поэтому заявленное изобретение соответствует критерию «новизна».The analysis of the prior art, including a search by patent and scientific and technical sources of information and identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allowed us to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all the essential features of the proposed control device redundant using majority elements system. The selection from the list of identified analogues of the prototype, as the closest in the set of essential features of the analogue, allowed to identify the set of essential in relation to the formulated technical result of the features in the claimed control device redundant system, which are set forth in the claims. Therefore, the claimed invention meets the criterion of "novelty."

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень» проведен поиск и анализ известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с признаками предлагаемого устройства управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем. Заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:To verify compliance of the claimed invention with the criterion of "inventive step", a search and analysis of known technical solutions was carried out in order to identify signs that match the features of the proposed control device redundant with the help of majority elements of the system. The search results showed that the claimed invention does not follow explicitly from the prior art determined by the applicant. The claimed invention does not provide for the following transformations:

дополнение известного средства каким-либо известным блоком, присоединяемым к нему по известным правилам, для достижения технического результата;supplementing the known means with any known unit attached to it according to known rules to achieve a technical result;

замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата;replacing any part of the known means with another known part to achieve a technical result;

увеличение однотипных элементов для достижения сформулированного технического результата;the increase in the same type of elements to achieve the formulated technical result;

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.the creation of a tool consisting of known parts, the choice of which and the connection between them is carried out according to known rules, and the technical result achieved in this case is due only to the known properties of the parts of this tool and the relationships between them.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «Изобретательский уровень».Therefore, the claimed invention meets the criterion of "Inventive step".

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.The proposed technical solution meets the criterion of "industrial applicability", since the combination of characteristics characterizing it provides the possibility of its existence, performance and reproducibility, since well-known materials and equipment can be used to implement the claimed technical solution.

Рассмотрим работу устройства управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой. Для понимания существа работы устройства достаточно подробно рассмотреть функционирование резервированной системы при отказе любых двух элементов. Наиболее наглядно и компактно процесс функционирования предложенного устройства управления 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 управления. Рабочий элемент РЭ1 и элементы сравнения ЭС2.1 и ЭС2.2 работают одновременно (так называемый нагруженный резерв). Рассмотрим случай отказа двух элементов в резервированной системе, например РЭ1 и ЭС2.1 (состояния О на фиг.2), которому соответствуют 6 и 9 состояния системы. Состояние 6 возникает при одинаковых отказах элементов (разность сигналов РЭ1 и ЭС2.1 не превышает допустимый порог ε). На выходе компаратора К4.1 и, соответственно, на первом входе БУ6 будет сигнал высокого уровня, а на выходах К4.2, К4.3 и входах 2,3 БУ6 - сигналы низкого уровня, что при отсутствии каналов ООЭ в устройстве управления может привести к неправильному срабатыванию БУ6, так как комбинация сигналов на входах 1-3 БУ, соответствующая данному состоянию, также соответствует состоянию 3. При различных отказах РЭ1 и ЭС2.1 (разность сигналов РЭ1 и ЭС2.1 превышают допустимый порог ε), что соответствует состоянию 9, на выходах всех К4.1-К4.3 будут сигналы низкого уровня. Для правильного определения отказавшего элемента в устройство управления вместо элементов обнаружения исправного элемента, используемого в прототипе, включены каналы обнаружения отказавшего элемента, временная диаграмма функционирования которых приведена на фиг.3. На фиг.3 представлен случай обнаружения отказа элемента, например РЭ, в первом канале ООЭ. В качестве выходного сигнала элемента X(t) (фиг.3а) использована синусоида и рассмотрен наихудший случай отказа элемента во время перехода синусоиды через О (t≈12). На фиг.3б) показан сигнал X(t-t_з) на выходе линии задержки ЛЗ7.1, на фиг.3в) - сигнал X_ВУ1(t) на выходе вычитающего устройства ВУ4.4, на фиг.3г) - сигнал X_ДЗ1(t) на выходе дифференцирующего звена ДЗ8.1, на фиг.3д) - сигнал XТр₁(t) на выходе триггера Тр9.1. Из зависимостей видно, что канал ООЭ правильно обнаруживает отказ элемента даже при наихудшем случае. На входах БУ6 в зависимости от различных ситуаций (все элементы РЭ, ЭС исправны, отказал один из элементов или отказали два элемента) будут сигналы, являющиеся для него кодом, и блок управления подключает исправный элемент через электронные ключи ЭК5.1-ЭК5.3 на выход системы. На фиг.3е) приведены зависимости определения исправного элемента блоком управления БУ6 предлагаемого устройства управления резервированной системой (сплошная линия) и прототипа (штриховая линия), из которых следует, что предлагаемое устройство управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой обеспечивает ее эффективное функционирование при отказе двух из трех резервируемых элементов вне зависимости от того, являются сигналы на выходе элементов постоянными или знакопеременными, и возникновения ситуации, когда в двух из трех элементов РЭ-ЭС произошел одинаковый отказ и элементы мажоритарной логики не в состоянии правильно определить исправный элемент. Отказ системы наступает при отказе всех РЭ, ЭС.Consider the operation of the control device redundant with the help of majority elements of the system. To understand the essence of the operation of the device, it is sufficient to consider in detail the functioning of the redundant system in case of failure of any two elements. The most visual and compact process of functioning of the proposed control device can be represented by a truth table of the state of the elements of the device. Therefore, figure 2 shows the truth table containing the qualitative and quantitative (Boolean) values of the parameters of the elements taken in the process of functioning of the control device. The working element RE1 and the comparison elements ES2.1 and ES2.2 work simultaneously (the so-called loaded reserve). Consider the case of failure of two elements in a redundant system, for example RE1 and ES2.1 (state O in figure 2), which correspond to 6 and 9 state of the system. State 6 occurs with identical element failures (the difference between the RE1 and ES2.1 signals does not exceed the permissible threshold ε). At the output of the comparator K4.1 and, accordingly, at the first input of BU6 there will be a high level signal, and at outputs K4.2, K4.3 and inputs 2,3 of BU6 there will be low level signals, which in the absence of OOE channels in the control device can to BU6 malfunction, since the combination of signals at inputs 1-3 of the BU corresponding to this state also corresponds to state 3. For various failures of RE1 and ES2.1 (the difference between the signals of RE1 and ES2.1 exceeds the permissible threshold ε), which corresponds to the state 9, the outputs of all K4.1-K4.3 will be low level signals. To correctly identify the failed element in the control device, instead of the detection elements of the operational element used in the prototype, the detection channels of the failed element are included, the timing diagram of which is shown in Fig.3. Figure 3 presents the case of failure detection of an element, for example RE, in the first channel of the OOE. As the output signal of the element X (t) (Fig. 3a), a sinusoid is used and the worst case of element failure during the transition of the sinusoid through O (t≈12) is considered. Fig.3b) shows the signal X (tt _h ) at the output of the delay line LZ7.1, Fig.3c) shows the signal X _VU1 (t) at the output of the subtractor VU4.4, Fig.3d) shows the signal X _DZ1 ( t) at the output of the differentiating link DZ8.1, Fig.3d) - signal XТр ₁ (t) at the output of the trigger Tr9.1. It can be seen from the dependencies that the OEE channel correctly detects an element failure even in the worst case. Depending on various situations, at the inputs of БУ6 (all elements of RE, ES are operational, one of the elements has failed or two elements have failed) there will be signals that are a code for it, and the control unit connects the serviceable element through electronic keys EC5.1-EC5.3 to system output. Figure 3e) shows the dependences of determining a working element by the control unit BU6 of the proposed redundant system control device (solid line) and the prototype (dashed line), from which it follows that the proposed control device redundant with the help of majority elements ensures its effective functioning in case of failure of two of the three reserved elements, regardless of whether the signals at the output of the elements are constant or alternating, and the situation when ear of three elements ER-ES took the same failure and the elements of the majoritarian logic is not able to identify the defective item correctly. The failure of the system occurs with the failure of all RE, ES.

Для исследования вероятностных характеристик предлагаемого устройства управления резервированной системой на основе структурной схемы (фиг.1) были проведены расчеты по оценке вероятности его безотказной работы, а также аналогичной характеристики прототипа для случая, когда сигналы на выходе резервируемых элементов являются знакопеременными, а также при одинаковом отказе двух резервируемых элементов и невозможности в элементах мажоритарной логики правильно определить исправный резервируемый элемент РЭ, ЭС. 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:To study the probabilistic characteristics of the proposed redundant system control device based on the structural diagram (Fig. 1), calculations were performed to assess the probability of its failure-free operation, as well as a similar prototype characteristic for the case when the output signals of the reserved elements are alternating, as well as for the same failure two redundant elements and the impossibility in the elements of majority logic to correctly determine a working redundant element of electronic equipment. In this case, the probability of failure-free operation was determined by the following formulas [G.A. Shevtsov, E.M. Sheremet. Logical redundancy. - L .: Publishing house of the Lviv University, 1973, p.60-61], obtained under the assumption that all elements are equally reliable:

где р - вероятность безотказной работы элемента.where p is the probability of failure of the element.

Результаты расчетов в виде зависимостей вероятностей безотказной работы резервированных систем Р_бп и P_бз от значений вероятности безотказной работы элементов р приведены на фиг.4.The calculation results in the form of dependences of the probabilities of failure-free operation of the redundant systems P _bp and P _bz on the values of the probability of failure-free operation of the elements p are shown in FIG.

Анализ полученных результатов показывает, что предлагаемое техническое решение позволяет в 1,73-1,14 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 своевременного обнаружения отказавшего элемента и подключения к нагрузке оставшегося работоспособным элемента мажоритарного органа.An analysis of the results shows that the proposed technical solution allows 1.73-1.14 times to increase the probability of failure-free operation of the redundant system compared to the prototype with the values of the probability of failure-free operation of elements equal to 0.5-0.8, respectively, due to timely detection a failed element and connecting to the load the remaining functional element of the majority organ.

Изложенные сведения свидетельствуют о возможности выполнения при реализации заявленного устройства управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой следующей совокупности условий:The above information indicates the possibility of the implementation of the claimed control device redundant with the help of majority elements of the system of the following set of conditions:

предлагаемое устройство управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой при его реализации позволит обеспечить повышение эффективности функционирования при отказе двух из трех резервируемых элементов вне зависимости от того, являются сигналы на выходе элементов постоянными или знакопеременными, и/или возникновения ситуации, когда в двух из трех элементов РЭ-ЭС произошел одинаковый отказ за счет обнаружения факта отказа элемента системы и подключения к нагрузке одного из работоспособных элементов;the proposed control device of a redundant system using majority elements during its implementation will allow to increase the efficiency of operation in case of failure of two of the three redundant elements, regardless of whether the signals at the output of the elements are constant or alternating, and / or a situation occurs when in two of the three elements RE-ES the same failure occurred due to the discovery of the fact of a failure of a system element and the connection to the load of one of the workable elements;

показана возможность реализации на практике заявленного устройства управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;the possibility of realizing the claimed control device of the system redundant with the help of majority elements in the form described in the claims using the means and methods described in the application or known prior to the priority date is shown;

предлагаемое устройство управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой при его разработке способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.the proposed control device redundant with the help of majority elements by the system during its development is able to ensure the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Claims

A control device for a redundant system using majority elements containing a working element (RE), two comparison elements (ES), three subtracting devices (WU), three comparators (K), three electronic keys (EC), and the output of the RE is connected to the second input the first slave, the first input of the second slave and the first input of the first EC, the outputs of which are connected to the inputs of the first, second comparators K and the outputs of the system, respectively, the output of the first ES is connected to the first input of the first slave, as well as to the first input of the third slave and the first input of the second EC , the outputs of which are connected to the input of the third comparator and the output of the first EC, respectively, the output of the second ES is connected to the second inputs of the second and third VU and the input of the third EC, the output of which is connected to the output of the second EC, and the inputs of the RE and two ES are connected together and are the input of the system, the inputs of the control unit are connected to the corresponding outputs of the comparators, and the first, second and third outputs of the control unit are connected to the second inputs of the first, second and third EC, respectively, characterized in that three channels of detection of the failed element are introduced into it entent (OOE), each containing serially connected delay line (LZ), VU, differentiating link (DZ) and trigger (Tr), and the input of each LZ is connected to the second inputs of the corresponding VU, while the input of the first LZ is connected to the output of the RE, input the second LZ - to the output of the first ES, the input of the third LZ - to the output of the second ES, and the outputs Tr are connected respectively to the fourth, fifth and sixth inputs of the control unit.