МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ РЕКОНФИГУРИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ

Шестопалов Михаил Юрьевич

проректор по научной работе, канд. техн. наук, доцент каф. АПУ, СПбГЭТУ, г. Санкт-Петербург

E-mail: Shestopalov08@mail.ru

THE METHOD OF TECHNICAL OBJECTS SYSTEMS RECONFIGURATION CONSTRUCTION

Shestopalov Mikhail

Vice Rector for Science and Research of Saint-Petersburg Electrotechnical University “LETI”

АННОТАЦИЯ

Осуществляется системный подход к проектированию отказоустойчивых систем управления на основе построения систем реконфигурирования. Рассматривается два основных подхода к построению отказоустойчивых (толерантных) систем в зависимости от глубины диагностирования: первый — с идентификацией «в целом» моделей объекта диагностирования; второй — с локализацией и идентификацией неисправностей. Описываются основные этапы методики синтеза при выборе «внешнего» по отношению к системе подхода.

ABSTRACT

Is carried out a systematic approach to fault-tolerant control systems based on systems reconfiguration building design. Are observed two main approaches to the construction of fault-tolerant (tolerant) systems, depending on the depth of diagnosis: the first — with “global” diagnostics object model identification, the second — with faults localization and identification. Are described the main stages of synthesis method, in the case of the “external” system approach choice.

Ключевые слова: реконфигурирование систем, отказоустойчивые системы управления, глубина диагностирования.

Keywords: systems reconfiguration, fault-tolerant control systems, depth of diagnosis, faults localization, synthesis method.

Введение. Проектирование отказоустойчивых систем управления представляет собой сложную научно-техническую проблему, связанную с необходимостью комплексного решения как задачи диагностики состояния технологических систем и объектов, так и собственно обеспечения отказоустойчивости управления, и должно основываться на едином, системном подходе [1]. Особенность системного подхода состоит в том, что система вообще исследуется как единый организм с учетом связей между различными элементами и внешних связей с другими системами, а управление как процесс, обеспечивающей требуемое поведение системы.

Построение систем реконфигурирования предполагает два основных подхода к построению отказоустойчивых (толерантных) систем в зависимости от глубины диагностирования [2]:

1.  с идентификацией «в целом» моделей объекта диагностирования (ОД);

2.  с локализацией и идентификацией неисправностей.

Первый, «внешний» подход, не требует локализации неисправного компонента, а второй подход, связанный с рассмотрением систем с раскрытой структурой, можно считать «внутренними». Для него характерен больший объем информации о неисправности, что, в принципе, должно найти отражение в качестве процессов перестройки.

Первый подход основан на концепции, в соответствии с которой ОД — неисправная система управления в целом — интерпретируется как технический объект, потерявший качественные показатели процессов, например, часть запаса устойчивости или даже ставший неустойчивым. Здесь нет необходимости в локализации неисправности — достаточно иметь результат текущей идентификации, свидетельствующий о неудовлетворительности динамики системы.

Задача обеспечения толерантности решается внешними по отношению к ОД средствами — путем охвата «нового» ОД обратными связями. Известно, что обратные связи являются единственным средством изменения собственной динамики объекта. Существенно, что при этом задача решается на базе традиционных моделей и методов классической и современной теории управления. При первом подходе глубина диагностирования «нулевая», что и определяет необходимость коррекции системы в целом. Иллюстрация первого подхода к обеспечению толерантности приведена на рис. 1, а.

                         а)                                  б)                                       в)

Рисунок 1. Иллюстрация подходов к разработке толерантных систем

Реализация первого подхода, кроме проблем диагностики, требует решения ряда задач по формированию структур информационных связей (топологии) и синтезу алгоритмов обработки текущей информации в реальном времени. К ним относятся:

1.  выбор точек измерения — выходов, обеспечивающих наблюдаемость подлежащего изменению состояния ОД;

2.  выбор входов, обеспечивающих управляемость, т. е. точек ввода воздействий;

3.  синтез алгоритмов коррекции динамики и/или режима функционирования системы.

В общем случае единственная обратная связь не способна корректировать все множество неисправных систем. Тогда решается задача декомпозиции/децентрализации системы, которая заключается в оптимальном разбиении множества потенциально неисправных систем на группы, для каждой из которых создается своя подсистема коррекции.

Второй подход к построению систем обеспечивает толерантность к локализованным неисправностям внутренними средствами — путем подстройки подсистем или компонентов, переключения или удаления существующих связей. Это требует локализации и идентификации неисправной подсистемы или компонента.

Решение зависит от глубины диагностирования. Если неисправность локализована с точностью до подсистемы, то корректируется неисправная подсистема, а не система в целом. Такая ситуация характерна, например, для измерительных или исполнительных подсистем, построенных по принципу обратной связи. Их неисправность может заключаться в потере качества или даже устойчивости. Естественно, что меры по ослаблению влияния неисправности, принимаемые в непосредственной близости к источнику, окажутся более быстродействующими, потребуют меньших энергетических затрат, не нарушат ограничений на переменные по сравнению с мерами по коррекции системы в целом. При этом процедуры синтеза толерантных систем, разработанные для первого подхода, сохранятся, хотя их реализация станет проще. На рис. 1, б приведена иллюстрация второго подхода к обеспечению толерантности в случае, когда локализована неисправная подсистема, но не конкретизирован неисправный компонент.

Если удается локализовать неисправный компонент, т. е. подсистему нулевого причинно-следственного уровня, то может быть принято решение:

·     о замене неисправного компонента резервным;

·  о подстройке существующего компонента с близкими функциями с целью уменьшения последствий выключения неисправного.

Рис. 1, в иллюстрирует действия по ослаблению неисправности в виде потери связи между компонентами. Связь дублируется, в противном случае должен быть организован обходной путь передачи информации. К задачам второго подхода к обеспечению толерантности относятся:

· упорядочение неисправностей компонентов и связей по степени их влияния на процессы в основной системе;

· оценка степени взаимозаменяемости компонентов и связей;

· синтез алгоритмов подстройки параметров, изменения структур операторов компонентов или реконфигурирования топологии неисправной системы.

Далее предлагается методика обеспечения толерантности технических объектов, реализующая первый подход.

Методика синтеза, если выбран «внешний» по отношению к системе подход, складывается из следующих основных этапов:

1.Анализ влияния среды как источника неисправностей и обоснование необходимости в мерах по обеспечению толерантности системы управления.

2.Выбор одного из двух подходов, «внешнего» или «внутреннего», к построению системы супервизорного уровня управления.

3.Топологический синтез корректирующего контура.

4.Структурный синтез устройства коррекции.

5.Компьютерная имитация неисправностей и анализ переходных процессов, вызванных неисправностью и реконфигурированием системы.

6.Параметрический синтез реконфигурируемой системы по критерию «максимального быстродействия» — минимизации времени от момента обнаружения и локализации неисправности до практического завершения перестройки при учете ограничений на структуру и параметры звеньев коррекции.

7.Компьютерная имитация системы и анализ переходных процессов с целью проверки выполнения ограничений на переменные состояния и управляющие воздействия.

8.Если не выполнены ограничения на переменные, то следует уточнить модель и повторить оптимизацию параметров.

9.Если не выполнены ограничения на длительность переходных процессов, то следует вернуться к этапам топологического и структурно-параметрического синтеза. Возможно, в соответствии с принципом эволюционного синтеза требуется усложнение топологии путем введения очередных контуров коррекции.

10.Если усложнение системы не приводит к удовлетворительному результату, то необходимо пересмотреть этапы формирования системы технической диагностики с целью ускорения процессов выявления и локализации неисправности.

Супервизорный уровень управления, автоматически реконфигурирующего ОД с целью обеспечения толерантности к неисправностям, проектируется для функционирования в одном из двух режимов: on-line или off-line.

Список литературы:

1.Алексеев А.А., Кораблев Ю.А., Шестопалов М.Ю. Методы управления и диагностики в технических системах с применением нечеткой логики. — СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». — 2008. — 188 с.

2.Имаев Д.Х., Шестопалов М.Ю. Системы, толерантные к неисправностям — инновационное направление в управлении сложными процессами // Инновации. —2012. — № 7 (165). — С. 109—112.