1.1.2 Типы возмущений и нарушений в работе системы «тк – ус». Структурные нарушения

В теории автоматического управления традиционно рассматриваются внешние возмущения (силовые воздействия ветра и волнения, изменения нагрузки) , выводящие систему (в нашем случае АТК как совокупность ТК и УС) из положения «равновесия». В монографии [Волик и К] такие возмущения названы координатными. При этом рассматриваются «традиционные» задачи анализа и компенсации таких возмущений и обеспечения устойчивости замкнутой системы с применением классических методов теории устойчивости.

Другим типом возмущений являются параметрические как следствие изменения в процессе эксплуатации теплофизических параметров в объектах тепло- и ядерной энергетики и химии, старения и износа в механических, электромеханических, гидромеханических, электронных и в других типах устройств и механизмов. Такие возмущения могут приводить к качественному изменению процессов в системе, вплоть до потери устойчивости. Для компенсации таких возмущений разработано большое число принципов и методов построения адаптивных, самонастраивающихся и приспосабливающихся систем, развита по крайней мере для линейных систем теория так называемой робастной устойчивости и качества с учетом различных видов параметрической неопределенности (интервальной, аффинной, полилинейной, полиномиальной). Для систем с неопределенностью, у которых параметры могут изменяться во времени сколь угодно быстро, предложены принципы организации новых типов обратных связей. Кроме традиционной координатной предложены координатно-операторные, операторные и операторно-координатные обратной связи (см. кн. Емельянова С.В. и Коровина С.К. «Новые типы обратной связи. Управление при неопределенности» – М.: Наука, Физматлит, 1997, 352 с.).

Принципиально «новым» для теории управления и слабо изученным в ней типом возмущений представляются структурные возмущения, приводящие к нежелательным изменениям структуры АТК (как структуры ТК, так и УС). Структурные возмущения можно разделяют на внутренние и внешние.

Внутренние структурные возмущения являются следствием «естественной» ненадежности компонентов технической структуры АТК (элементов и/или физических линий связей между ними). Такие возмущения носят случайный характер и в теории надежности их называют отказами – нарушением работоспособности соответствующих компонент.

Внешние структурные возмущения являются следствием внешних, как правило, разрушающих воздействий (ВРВ - пожары, затопления, запаривание, ударные сотрясения и т.п.), не предусмотренных для нормальных условий эксплуатации и использовании АТК по назначению. Анализ работоспособности АТК в условиях существенной неопределенности о месте, масштабе и времени проявления ВРВ, принципы и методы ее обеспечения исследуются в теории живучести.

Мы опускаем здесь рассмотрение других типов возмущений, в частности так называемых сингулярных возмущений, которые подлежат рассмотрению в рамках теории автоматического регулирования при развитии и разработке корректных методов синтеза оптимальных алгоритмов регулирования (стабилизации) с учетом безусловного обеспечения «грубости» (по А.А. Андронову и Л.С. Понтрягину).

1.1.3 Качество структурной организации управляющей системы

Качество структурной организации управляющей системы проявляется при всех рассмотренных выше видах возмущений. При этом существенное влияние на качество структурной организации УС оказывают, прежде всего, структурные возмущения, подавление которых приводит к необходимости введения и реализации в УС дополнительно к традиционному регулированию новых видов управления и контуров структурного управления, а именно – аварийной защиты и блокировок, противоаварийного управления, управления различными видами избыточности (управление резервами), реконфигурации структуры АТК в целом. Термины и определения отмеченных видов управления приведены в ГОСТ 19176-85.

Оценка качества структурной организации УС также как и традиционный анализ устойчивости в теории автоматического регулирования требует анализа поведения системы «АТК – УС» рассматриваемой как единое целое При координатных и всех видах параметрических возмущениях, а также при структурных возмущениях в оценке качества структурной организации системы важнейшую и определяющую роль играет прежде всего сохранение свойства устойчивости функционирования в традиционном для теории управления понимании. Потеря устойчивости системы означает по терминологии, принятой в теории надежности, событием «отказ» системы с переходом ее в состояние неработоспособности. Существует тесная и объективная связь изучаемых в теории управления свойств и понятий параметрической устойчивости системы с таким понятием в теории надежности, как «постепенный отказ» [….]. Согласно терминологическому ГОСТ 27.002-89 «Постепенный отказ – отказ (читай «потеря устойчивости»), возникший в результате постепенного изменения одного или нескольких параметров объекта (системы)». И это, естественно, эквивалентно «параметрическому отказу» или потерей «параметрической устойчивости», в том числе проявлению явления, известному в теории динамических систем под названием «бифуркации» - качественного изменения поведения системы, в том числе потери устойчивости.

В теории надежности закреплено понятие и термин «внезапный отказ», что в соответствии с государственными стандартами означает «отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров системы». Примерами таких событий являются, в частности, скачкообразное изменение проводимости элемента – короткое замыкание или обрыв в электрической цепи, разрыв или «закупоривание» трубопровода рабочей среды и т.п.

Таким образом, при рассмотрении качества структурной организации системы «АТК – УС» при всех видах возмущений, в том числе и при структурных (из-за внутренних или внешних причин) возмущениях центральной задачей является анализ и обеспечение устойчивости системы. В связи с этим мы рассмотрим понятие «отказоустойчивости», то есть свойства системы сохранять устойчивость при структурных возмущениях, по крайней мере при отказах элементов, являющихся следствием их «естественной» ненадежности (старения, износа). Отметим, что аналогичное понятия для цифровых систем было введено А. Авиженисом «fault-tolerant» - буквально «терпимость к отказам». Однако в русском переводе его первой статьи оно прозвучало как «отказоустойчивость». Этот термин получило широкое распространение и оказался сильно «перегруженным». Мы считаем логичным закрепить этот термин в тесной связи с пониманием устойчивости динамических систем в «ляпуновском» смысле для структурных возмущений, приводящих к «деформации» или деградации структуры системы при отказах и повреждениях элементов.

В литературе известно не много работ, посвященных анализу динамической устойчивости систем при отказах. Отметим здесь лишь работы американского ученого Д. Шильяка ( ) работавшему по проблеме сохранения устойчивости больших энергообъединений и получившему, хотя и громоздкие, но необходимые и достаточные условия сохранения устойчивости линейной многосвязной системы при любых единичных отказах связей между подсистемами [….]. Отмеченное свойство он назвал термином «connective stability». В русском переводе этот термин стало звучать как «коннективная устойчивость» или «устойчивость к связыванию». Результаты подробно рассмотрены А.А. Вороновым в книге «Введение в динамику сложных управляемых систем». – М.: Наука, 1985. (см. […], глава 8).

Рассмотренные свойства устойчивости и сохранение работоспособности (или сохранение рабочего состояния» АТК при различных видах возмущений, а также показатели качества протекания процессов в АТК в динамике будем относить к классу «мгновенных». Обеспечение работоспособности АТК при отказах элементов достигается введением различных видов избыточности, в частности введение структурного резервирования. Однако при длительной эксплуатации неизбежно истощение резервов, и накопление отказов сверх критических значений приводит к потере работоспособности (устойчивости) АТК. Требования сохранение работоспособности на длительном интервале эксплуатации АТК с обеспечение максимально возможного срока службы привело в середине прошлого века к интенсивному развитию нового направления научной мысли – теории надежности (см. книги Барлоу и …, Гнеденко…, Половко…, Рябинина, Дружинина, Ушакова, Черкесова). Состояние теории и установившаяся в теории надежности терминология обстоятельно отражены в […….., ].

Под надежностью по образному определению академика А.И. Берга «…надежность – это качество, развернутое во времени и обращенное в будущее». Надежность названа академиком В.А. Трапезниковым «проблемой № 1, без решения которой невозможна комплексная автоматизация современных технологических процессов и производств» […].

Одним из определяющих свойств надежности является свойство «безотказности». «Безотказность – это свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки» [….]. Свойство безотказности одно из определяющих качество структурной организации АТК свойств на интервале времени. Уровень безотказности оценивается совокупностью «интервальных» показателей – вероятность безотказной работы на заданном интервале, среднее или гамма -процентная наработка до отказа или на отказ (для восстанавливаемых систем).

Если для анализа всех видов устойчивости и оценки «мгновенных» показателей динамических свойств, в том числе отказоустойчивости, базовой моделью является математическая модель динамики физических процессов в АТК, то для оценки показателей надежности, являющихся «интервальными» потребовались математические модели совершенно иной «природы» - логические модели, ….., вероятносные…, модели различных типов случайных процессов (Марк.., полу…, …).

Таким образом, при проектировании современных структурно-сложных АТК неизбежно использование моделей различной природы – моделей физических процессов, моделей деградации структуры АТК, вероятностных моделей, моделей для оценки технико-экономических показателей … (Трап, Волик,…). То есть необходимо широко использовать идеологию «системного моделирования», впервые введенную под таким наименованием академиком Л.В. Канторовичем […].

Рисунок Х -

Качество структурной организации УС - совокупность свойств системы управления техническими средствами корабля, обуславливающих её способность обеспечивать безаварийное функционирование технических средств и управление ими с возможным снижением показателей качества функционирования системы управления при нарушениях в ее работе.

Качество структурной организации УС проявляется прежде всего при структурных нарушениях (отказах элементов и разрушениях множества элементов и связей).

Составляющими качества структурной организации УС являются две группы системных свойств и критериев (показателей) качества

В основу разработанной методологии выбора технических решений по структурной организации УС положена следующая иерархическая система критериев [4,5]:

А. Детерминированные критерии структурной устойчивости, подлежащие безусловному выполнению (без учета затрат каких-либо ресурсов), в т.ч. критерии "абсолютной" безопасности (отказобезопасности) УС при любых внезапных одиночных нарушениях в ее работе, критерии живучести УС при частичных повреждениях аппаратуры и кабелей при реализации любого единичного аварийного воздействия внешней среды.

Введенные критерии должны оцениваться и выполняться не статистически ( по вероятности или в среднем для множества систем ), а детерминированно для каждой конкретной системы, и подтверждаться не ресурсными испытаниями, а путем прямого моделирования обьекта с имитацией отказов заданной кратности.

Дополнительными критериями в этой группе являются критерии отказоустойчивости (например, критерий единичного отказа в атомной энергетике), кратность которых устанавливается с учетом выделяемых ресурсов.

Б. Вероятностные критерии и показатели функциональной эффективности и системной надежности УС в целом, а также:

* вероятностные (условные и абсолютные) показатели риска нарушения условий безопасности ( например, ядерной),

* потерь от ненадежности и общих затрат на создание и эксплуатацию системы.

Важно, что в таких показателях органически увязываются характеристики разнородных свойств комплекса "ЯЭУ+УС" (динамические, надежностные, характеристики системы технического обслуживания). При этом выбор рациональных вариантов из множества альтернативных осуществляется по критерию Парето в осях типа "эффективность - полные затраты" либо "эффективность - безопасность (риск)".

В. Критерии многоуровневой оптимизации типа " эффективность - затраты", обеспечивающие решение задачи оптимального распределения ограниченного ресурса между системами двух соподчиненных рангов.

Г. Критерии типа "время создания - затраты живого труда", обеспечивающие корректную увязку требований к СУ ЯЭУ с состоянием техники автоматизации, возможностей проектных организаций и заводов-изготовителей аппаратуры.

Д. Критерии государственные, отражающие интересы государства, его научно-техническую политику и обеспечивающие занятость населения, потенциал научных, инженерно-технических работников и производственного персонала.

Определяющими структурную организацию СУ ЯЭУ являются критерии групп А и Б, предполагающие проведение анализа и количественных оценок детерминированных и вероятностных показателей безопасности, показателей живучести и эффективности УС, а также системных показателей надежности через результаты функционирования обьекта.

Для выполнения такого анализа используются модели различной природы и назначения [8,9]: имитационные модели динамики физических процессов, структурные модели в форме систем логических уравнений.

Для расчета вероятностных показателей разработаны модели и программы для ПЭВМ на базе логико-вероятностных методов, моделей марковских процессов с доходами, ускоренного статистического моделирования [8,9].

ее комплексные (интегральные) свойства надежность, безопасность и живучесть, отказоустойчивость и отказобезопасность.

1. Критерии и показатели качества структурной организации УС

   1. Система детерминированных (мгновенных) и вероятностных (интервальных) показателей.

   2. Мгновенные детерминированные показатели качества при координатных, параметрических и структурных возмущениях (устойчивость, отказоустойчивость, отказобезопасность)

   3. Интервальные вероятностные показатели оценки надежности и безопасности системы «ТК – УС» как единого целого

Так же как и в классической теории автоматического управления, при анализе и оценке надежности, безопасности и живучести, а тем более отказоустойчивости и отказобезопасности необходимо рассматривать совокупность «ТК – УС» как единое целое. Отмеченные свойства являются, по существу, развитем Надежность, безопасность, отказоустойчивость и живучесть АТК в целом.

составляющие ее комплексные (интегральные) свойства, проявляющиеся при структурных нарушениях (отказах элементов и разрушениях множества элементов и связей).

Надежность, безопасность, отказоустойчивость и живучесть АТК в целом.

2. Специфические особенности многоагрегатных технических комплексов как объектов управления (17 особенностей) и типовые функции управления

3. Укрупненная функциональная структура управляющей системы многоагрегатных АТК с выделением контуров структурного управления

   1. Контуры автоматического регулирования (координатного и параметрического управления)

   2. Контуры структурного управления

      1. Локальная аварийная защита и блокировки

      2. Контуры противоаварийного управления – локализации аварий (предотвращение зависимых отказов)

      3. Контуры управления резервами

      4. Контур выработки управляющих решений по реконфигурации структуры АТК при заранее непредсказуемых комбинациях отказов компонентов

      5. Контуры технического обслуживания и ремонта (ТО и Р)