Оптимизация характеристик стенда для испытаний комплексов бортового оборудования гражданских самолетов

В представленной работе рассмотрена проблема оптимального построения стендов разработчика для испытаний комплексов бортового оборудования (КБО) гражданских самолетов.

В процессе выполнения разработки любого КБО необходимо провести испытания первого опытного образца КБО для оценки его соответствия техническому заданию (ТЗ) -основному техническому документу, определяющему перечень требований к разрабатываемому комплексу. Каждый вид испытаний, которому должен быть подвергнут первый опытный образец КБО (приемо-сдаточные испытания (ПСИ), предварительные испытания (ПИ), государственные испытания (ГИ)), должен подтвердить соответствие опытного образца КБО требованиям ТЗ и его готовность к следующему виду испытаний, а по окончании испытаний — к серийному производству.

Для проведения указанных видов испытаний опытного образца КБО на предприятии разработчике КБО должен быть разработан и изготовлен испытательный стенд, обеспечивающий проверку соответствия КБО требованиям ТЗ. Кроме того, данный стенд может служить основой стенда серийного завода, проводящего испытания при серийном выпуске КБО.

В настоящее время нет единого подхода к построению стендов, в основном, в части использования взаимодействующего с КБО оборудования (реальные системы, аппаратные имитаторы, статические модели систем, динамические модели систем на базе компьютеров). Отсутствие единого подхода к решению данной проблемы отрицательно сказывается на процессе отладки и приводит к использованию неоправданно большого количества финансовых и временных ресурсов, снижению качества отладки.

Таким образом, существует настоятельная необходимость в понимании оптимального построения стендов для испытаний КБО и использовании его в практических целях.

Целью настоящей работы как раз и является совершенствование методов отработки КБО гражданских самолетов на стенде в направлении выработки единого подхода к решению данной задачи, а именно:

1. Выработка критерия для оценки эффективности структур испытательного стенда.

2. Выработка методики, по которой может быть произведена оценка различных структур испытательного стенда и их сравнение.

3. Выработка методики, позволяющей оптимизировать структуру стенда.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Разработка критерия эффективности выбора структуры стенда;

2. Анализ критерия эффективности, рассмотрение направлений по его оптимизации;

3. Разработка алгоритмов оптимизации критерия эффективности;

4. Разработка программы вычисления критерия эффективности;

5. Реализация на базе критерия эффективности единых оптимальных принципов построения стендов отработки КБО гражданских самолетов.

В работе рассмотрены вопросы разработки векторных критериев и их оптимизации, использован математический аппарат теории вероятности, в том числе, вычисление интегралов от двумерной плотности нормального распределения с помощью функций Оуэна, алгебры матриц и векторов, аппарат теории принятия решений.

Научная новизна исследований заключается в том, что в процессе их проведения впервые было выполнено:

1. Выбран векторный критерий, позволяющий оценивать степень оптимальности структуры стенда для испытаний КВСС, включающий 3 компоненты:

• суммарные затраты на создание стенда для испытаний КВСС (материальное и программное обеспечение, документация), проведение испытаний на стенде и в натурных условиях, устранение замечаний по результатам испытаний (к аппаратуре, программному обеспечению и конструкторской документации).

• достоверность проведения испытаний на стенде, т. е. полная вероятность получения «правильного» результата проверки КВСС на стенде.

• надёжность функционирования испытуемого объекта (КВСС) и средств контроля (стендовое оборудование, включающее материальное и программное обеспечение).

2. Разработаны алгоритмы оптимизации характеристик испытательного стенда:

• оптимальный — предусматривающий декомпозицию программы испытаний на отдельные фрагменты, оценку каждого из фрагментов по 3-м компонентам с учётом весовых коэффициентов, расчёт критерия эффективности для данной структуры стенда, изменения структуры стенда с расчётом значений критерия эффективности для каждой структуры и выбор оптимальной структуры с максимальным значением критерия эффективности.

• квазиоптимальный, отличающийся от оптимального самостоятельным анализом каждой компоненты критерия, начиная со стоимостной, и переходом к анализу следующих компонент с использованием структуры стенда минимальной стоимости.

3. Разработана методика оптимизации параметров испытательного стенда, позволяющая оценивать эффективность любых структур стенда на соответствие критерию эффективности, сравнивать их и оптимизировать структуру стенда.

4. Разработаны алгоритмы моделирования информации спутниковой навигационной системы СН-3301 (статическая модель) и курсового гироскопа ГА-8 (статическая и динамическая модели), адекватность которых работе реальных систем подтверждена анализом результатов моделирования в среде MATLAB 5.2. с использованием пакета SIMULINK.

Научные положения, выводы и рекомендации, представленные в диссертационной работе, строго аргументированы, их достоверность является установленным фактом. Достоверность полученных результатов обеспечивается строгостью постановки математических и технических задач, подтверждается корректным использованием теории и возможностью контроля математических выкладок на каждом этапе решения задач.

Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:

1. Разработана блок-схема программы вычисления критерия эффективности.

2. Произведена оценка 4-х вариантов структур испытательного стенда, их сравнение и квазиоптимизация структуры стенда.

3. Предложены единые принципы построения стенда для отработки КБО гражданских самолётов, что позволяет оптимизировать проведение испытаний с сохранением необходимых по ТЗ объемов проверок.

Результаты диссертационной работы внедрены и использованы в ФГУП «Санкт-Петербургское ОКБ «Электроавтоматика» при разработке стендов для испытаний КБО гражданских самолетов АН-74ТК-300, ТУ-334, С-80, а также используются в учебном процессе в Санкт-Петербургском ГУ ИТМО по направлению 652 300 «Системы управления движением и навигация» .

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXIII научно-технической конференции памяти Н. Н. Острякова (Санкт-Петербург, 2002 г.), и XXXIII научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского ГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2004г).

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Диссертационная работа состоит из списка обозначений, введения, 8 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём работы — 154 страницы, при этом, основная часть работы изложена на 138 страницах, приложения — на 16 страницах. Работа содержит 38 рисунков и 59 таблиц. Список использованной литературы включает 59 наименований.

8.5. Выводы.

В главе 8 проведён анализ программно-моделирующего обеспечения испытаний на стенде. При этом рассмотрены следующие вопросы:

1. Определены типы матеиатических моделей реальных систем:

• Упрощённая статическая модель,.

• Статическая модель,.

• Статическая полунатурная модель,.

• Динамическая модель, отличающиеся использованием или неиспользованием алгоритма работы реальной системы в условиях стенда, наличием или отсутствием погрешностей в виде случайной составляющей либо реальных погрешностей системы в условиях стенда.

2. В рамках единого подхода по замене реального оборудования, используемого при испытаниях на стенде в качестве систем-датчиков для КВСС, математическими моделями, реализуемыми на ПК, рассмотрены факторы, которые необходимо учитывать при проведении подобной замены и выработана методика программного обеспечения испытаний.

3. Выработаны рекомендации по программному обеспечению испытаний применительно к перспективному стенду.

4. В качестве примера проведена разработка алгоритмов моделирования информации спутниковой навигационной системы СН-3301 и курсового гироскопа ГА-8, для проверки которых выполнено моделирование в среде MATLAB 5.2. с использованием пакета SIMULINK.

5. По результатам анализа графиков погрешностей моделей указанных систем сделано заключение об адекватности разработанных алгоритмов работе реальных систем и возможности их использования в качестве моделей при испытаниях КВСС на стенде.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей диссертационной работе рассмотрен вопрос оптимизации характеристик стенда для испытаний КБО гражданских самолётов.

В главе 1 рассмотрен обзор истории и современного состояния стендовой отработки КБО. Приведено назначение и состав бортовых комплексов различного назначения, примеры цифровых КБО разработки ОКБ «Электроавтоматика». Далее рассмотрены различные КБО, начиная от больших комплексов, включающих все системы-датчики и проверяемых посистемно автономно с помощью КПА, а на стенде с использованием реальных систем-датчиков, до сегодняшнего состояния «ядра» КБО, системы которого проверяются автономно встроенными средствами контроля, а стендовые систем-датчиков испытания производятся с использованием математических моделей, реализованных на компьютере.

В главе 2 проанализирован порядок разработки КБО, регламентируемый директивными документами (ГОСТ, ОСТ, СТП), а также стандартное ТЗ на его разработку. Далее рассмотрены виды испытаний, которым должен быть подвергнут опытный образец КВСС в процессе его проверки на соответствие требованиям ТЗ и подробно рассмотрена технология проведения стендовых и натурных испытаний. Сформулированы и проанализированы фрагменты стендовых и натурных испытаний КВСС, представляющие собой неповторяющийся перечень работ с комплексом.

Глава 3 посвящена разработке критерия эффективности выбора структуры стенда для испытаний КВСС и его оптимизации. Рассмотрены цели, решаемые задачи и структуры стандартных стендов, предложен векторный критерий эффективности, учитывающий суммарные затраты S (n), достоверность результатов стендовых испытаний D (n) и надёжность результатов стендовых испытаний Q (n). Сделан вывод о возможности оптимизации критерия эффективности, разработаны алгоритмы (оптимальный и квазиоптимальный), а также блок-схемы программ вычисления значений критерия эффективности для произвольной и квазиоптимальной структур стенда.

В главе 4 рассмотрена 1-ая компонента критерия эффективности — суммарные затраты S (n). Оценены затраты на создание стенда, проведение испытаний и устранение замечаний по результатам испытаний на примере 4-х структур стенда.

Построена кривая S (n), где в качестве аргумента п принято отношение количсество фрагментов испытаний, выполняемых с помощью ПО стенда, к общему количеству фрагментов. Наиболее экономичным является вариант структуры стенда, базирующийся на использовании статических математических моделей взаимодействующих с КВСС систем.

В главе 5 рассмотрена 2-ая компонента критерия эффективности — достоверность проведения испытаний на стенде D (n). Проанализированы фрагменты стендовых и натурных испытаний КВСС, призведён расчёт интегралов с использованием функций Лапласа и Оуэна, призведён расчёт ошибок 1 и 2 рода. Далее оценены достоверности проведения испытаний для 4-х рассматриваемых структур стенда и построена кривая D (n). Наиболее достоверным является вариант структуры стенда, базирующийся на использовании реальных взаимодействующих с КВСС систем и их аппаратных имитаторов.

В главе 6 рассмотрена 3-ья компонента критерия эффективности — надёжность проведения испытаний на стенде Q (n). Рассчитана надёжность испытуемого объекта, которым является КВСС, и надёжность средств контроля, к которым относится оборудование стенда, различное для 4-х вариантов его структуры. Построена кривая Q (n). Наиболее надёжным является вариант структуры стенда, базирующийся на использовании статических математических моделей взаимодействующих с КВСС систем.

В главе 7 производится сравнение 4-х рассматриваемых вариантов структуры стенда с помощью выбранного критерия R (n) = {S (n), D (n), Q (n)}, производится расчёт значений критерия эффективности для каждой из структур стенда. По результатам расчёта определён квазиоптимальный вариант, базирующийся на использовании статических математических моделей взаимодействующих с КВСС систем. Дано геометрическое представление критерия эффективности для рассматриваемых структур стенда. Расчитана степень отклонения эффективности каждого из 3-х вариантов структуры стенда от квазиоптимального. По результатам расчёта квазиоптимальный вариант структуры стенда эффективнее, наименее эффективного варианта структуры, базирующегося на использовании реальных систем и их аппаратных имитаторов, в 1,45 раза.

Глава 8 рассматривает программно-моделирующее обеспечение испытаний на стенде и методику программного обеспечения испытаний. Рассмотрены типы математических моделей реальных систем, выработана методика по программному обеспечению испытаний применительно к перспективному стенду. Проведена разработка алгоритма моделирования информации спутниковой навигационной системы СН-3301 и курсового гироскопа ГА-8 в среде MATLAB 5.2. с использованием пакета SIMULINK.

Проведён анализ графиков погрешностей моделей указанных систем, по результатам которого сделано заключение об адекватности разработанных алгоритмов работе реальных систем и возможности их использования в качестве моделей при испытаниях КВСС на стенде.

Таким образом, основными результатами настоящей работы являются:

1. Разработка критерия эффективности структур стенда для испытаний КВСС.

2. Разработка методики, позволяющей производить по данному критерию оценку эффективности структур любых стендов, сравнивать их между собой.

3. Разработка методики, позволяющей оптимизировать структуру стенда в соответствии с данным критерием.

4. Выработка единых принципов построения стендов для испытаний КБО гражданских самолётов на соответствие ТЗ.