RU2451995C1

RU2451995C1 - Device for controlling majority decision element-backed up system

Info

Publication number: RU2451995C1
Application number: RU2011126463/08A
Authority: RU
Inventors: Галина Николаевна Акиньшина (RU); Галина Николаевна Акиньшина; Михаил Федорович Волобуев (RU); Михаил Федорович Волобуев; Михаил Александрович Замыслов (RU); Михаил Александрович Замыслов; Сергей Борисович Михайленко (RU); Сергей Борисович Михайленко; Сергей Владимирович Орлов (RU); Сергей Владимирович Орлов
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2012-05-27

Abstract

FIELD: information technology.

SUBSTANCE: control device has a working element, two comparing elements, three subtractors, six comparators, four electronic switches, a control unit, three digital inverters and an AND element.

EFFECT: high efficiency of operation owing to high probability of fail-safe operation by using novel failure detection channels, selection of a working element and means of connection of elements.

3 dwg

Description

Изобретение относится к современным пилотажно-навигационным комплексам (ПНК) летательных аппаратов и их бортовой радиоэлектронной аппаратуре и предназначается в основном для формирования сигналов управления резервированными с помощью мажоритарных элементов системами радиоавтоматики и системами автоматического управления летательными аппаратами.The invention relates to modern flight control and navigation systems (PNC) of aircraft and their avionics, and is intended mainly for generating control signals for redundant radio systems and automatic control systems for aircraft that are reserved by major elements.

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 information on the failures of their elements obtained in real time 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 functionality is possible through 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, еслиA 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 considered that the states of the working and i-th comparison systems are the same if

разность их выходных параметров меньше

the difference in their output parameters is less

где ε - произвольная положительная величина (абсолютное значение порога сравнения).where ε is an arbitrary positive value (the absolute value of the comparison threshold).

Для конкретности и простоты изложения рассмотрим резервированную с помощью мажоритарных элементов систему минимальной кратности, в которой еще может быть реализовано мажоритарное резервирование, состоящую из одного рабочего и двух резервных элементов (элементов сравнения). Устройство управления такой резервированной системой содержит [Г.А.Шевцов, Е.М.Шеремет. Логическое резервирование. - Л.: Издательство Львовского университета, 1973, с.21, 60-61] рабочий элемент (РЭ), два элемента сравнения (ЭС), три вычитающих устройства (ВУ), три компаратора (К), три электронных ключа (ЭК), причем выход РЭ подключен к второму входу первого ВУ, первому входу второго ВУ и первому входу первого ЭК, выходы которых присоединены к входам первого, второго компараторов К и выходу 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, а выход третьего компаратора соединен с третьим входом БУ, 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, а первый, второй и третий выходы БУ подключены к вторым входам первого, второго и третьего ЭК соответственно. Вычитающие устройства, компараторы, блок управления и электронные ключи представляют собой мажоритарный элемент. Вычитающие устройства и компараторы сравнивают выходные параметры различных пар РЭ-ЭС и определяют те пары, выходные параметры которых одинаковы (разность выходных параметров не выше заданной величины ε). Блок управления и электронные ключи выбирают из этих пар один из элементов и подключают его сигнал к выходу системы. При отказе одного элемента системы (РЭ или ЭС) сигналы на выходе двух связанных с ним компараторов будут отсутствовать, а в блок управления поступит сигнал с компаратора, не связанного с отказавшим элементом. В соответствии с этим сигналом БУ сформирует сигнал управления на один из электронных ключей для подключения одного из исправных элементов к нагрузке. Отказ системы наступает при выходе из строя каких-либо двух резервных элементов.For concreteness and simplicity of presentation, we consider a system of minimum multiplicity redundant with the help of majority elements, in which majority redundancy consisting of one working and two reserve elements (comparison elements) can still be implemented. The control device of such a redundant system contains [G.A.Shevtsov, E.M.Sheremet. Logical redundancy. - L .: Publishing house of Lviv University, 1973, p.21, 60-61] work item (ER), two comparison elements (ES), three subtractive devices (WU), three comparators (K), three electronic keys (EC) moreover, the output of the RE is 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 system output, respectively, the output of the first ES is connected to the first input of the first IU, as well as to the first the input of the third WU and the first input of the second EC, the outputs of which are connected to the input t its comparator and the output of the first EC, respectively, and the output of the third comparator is connected to the third input of the control unit, the output of the second ES is connected to the second inputs of the second and third control devices 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, 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. Subtractors, comparators, a control unit and electronic keys are a majority element. Subtracting devices and comparators compare the output parameters of various RE-ES pairs and determine those pairs whose output parameters are the same (the difference in output parameters is not higher than a given value of ε). The control unit and electronic keys select one of the elements from these pairs and connect its signal to the system output. If one element of the system (OM or ES) fails, there will be no signals at the output of two comparators connected to it, and a signal from a comparator that is not connected with the failed element will arrive at the control unit. In accordance with this signal, the control unit will generate a control signal to one of the electronic keys for connecting one of the serviceable elements to the load. A system failure occurs when any two backup elements fail.

Таким образом, приведенное устройство управления резервированной системой обеспечивает сигнал на выходе системы при совпадении сигналов двух из трех резервируемых элементов.Thus, the control device of the redundant system provides a signal at the output of the system when the signals of two of the three redundant elements coincide.

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, содержащее рабочий элемент (РЭ), два элемента сравнения (ЭС), три вычитающих устройства (ВУ), три компаратора (К), три электронных ключа (ЭК), причем выход РЭ подключен к второму входу первого ВУ, первому входу второго ВУ и первому входу первого ЭК, выходы которых присоединены к входам первого, второго компараторов К и выходу 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, а выход третьего компаратора соединен с третьим входом БУ, 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, а первый, второй и третий выходы БУ подключены к вторым входам первого, второго и третьего ЭК соответственно. Вычитающие устройства и компараторы сравнивают выходные параметры различных пар РЭ-ЭС и определяют те пары, выходные параметры которых одинаковы (разность выходных параметров не выше заданной величины ε). Блок управления и электронные ключи выбирают из этих пар один из элементов и подключают его сигнал к выходу системы. При отказе одного элемента системы (РЭ или ЭС) сигналы на выходе двух связанных с ним компараторов будут отсутствовать, а в блок управления поступит сигнал с компаратора, не связанного с отказавшим элементом. В соответствии с этим сигналом БУ сформирует сигнал управления на один из электронных ключей для подключения одного из исправных элементов к нагрузке. Отказ системы наступает при выходе из строя каких-либо двух резервных элементов [Г.А.Шевцов, Е.М.Шеремет. Логическое резервирование. - Л.: Издательство Львовского университета, 1973, с.60-61].The closest in technical essence and the achieved effect is a control device redundant with the help of majority elements system 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 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 system output, respectively, the output of the first ES is connected to the first input at the first VU, as well as at 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, and the output of the third comparator is connected to the third input of the control unit, the output of the second ES is connected to the second inputs of the second and third WU 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 connected together and are the input of the system, 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. Subtracting devices and comparators compare the output parameters of various RE-ES pairs and determine those pairs whose output parameters are the same (the difference in output parameters is not higher than a given value of ε). The control unit and electronic keys select one of the elements from these pairs and connect its signal to the system output. If one element of the system (OM or ES) fails, there will be no signals at the output of two comparators connected to it, and a signal from a comparator that is not connected with the failed element will arrive at the control unit. In accordance with this signal, the control unit will generate a control signal to one of the electronic keys for connecting one of the serviceable elements to the load. A system failure occurs when any two backup elements fail [G.A.Shevtsov, E.M.Sheremet. Logical redundancy. - L .: Publishing house of the Lviv University, 1973, S. 60-61].

Однако недостатком такого устройства управления является повышенная вероятность отказа резервированной системы по сравнению с типовой схемой резервирования замещением из-за невозможности подключения к нагрузке исправного элемента в случае отказа двух других элементов, что снижает надежность системы. Для устранения этого недостатка требуется создание фактически нового технического устройства управления резервированной системой, способного распознавать указанную выше ситуацию и подключать к нагрузке исправный элемент.However, the disadvantage of such a control device is the increased likelihood of a failure of the redundant system compared to the typical redundancy backup scheme due to the inability to connect a serviceable element to the load in case of failure of two other elements, which reduces the reliability of the system. To eliminate this drawback, it is necessary to create a virtually new technical device for controlling the redundant system, capable of recognizing the above situation and connecting a serviceable element to the load.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение эффективности функционирования резервированной с помощью мажоритарных элементов системы за счет повышения вероятности безотказной работы ее путем обнаружения факта отказа системы и подключения к нагрузке одного из работоспособных элементов, то есть обеспечение работоспособности системы даже при отказе двух элементов, путем использования в устройстве новых каналов обнаружения отказа системы, выбора исправного элемента и средств коммутации элементов.The technical task of the present invention is to increase the efficiency of functioning of a system redundant with the help of majority elements by increasing the probability of its failure-free operation by detecting the fact of a system failure and connecting one of the workable elements to the load, that is, ensuring the system is operational even when two elements fail, by using it in the device new channels for detecting system failure, selecting a serviceable element and means for switching elements.

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 к второму входу первого ВУ, первому входу второго ВУ и первому входу первого ЭК, выходы которых присоединены 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, а выход третьего компаратора соединен с третьим входом БУ, 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, а первый, второй и третий выходы БУ подключены к вторым входам первого, второго и третьего ЭК соответственно, дополнительно введены три компаратора К, четвертый ЭК, три логических элемента НЕ и логический элемент И, причем к 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.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 system output, respectively, the output of the first ES is connected to the first input of the first IU, and also 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, and the output of the third comparator is connected to the third input of the control unit, 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 connected together and are the input of the system, 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, there are three comparators K, a fourth EC, three logic elements NOT and a logical element AND, with the outputs of the first, second and second ES respectively connected to the inputs of the fourth, fifth and sixth comparators, and the outputs of the fourth, fifth and sixth K connected respectively to the first, second and the third inputs of the fourth EC, the outputs of which are connected to the fourth, fifth and sixth inputs 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 are connected respectively to the first, second and third inputs of the AND gate, the output of which is connected to the fourth input of the fourth EC.

Управление системой при отказе одного из элементов (РЭ или ЭС) производится следующим образом. Вычитающие устройства 3.1-3.3 и компараторы 4.1-4.3 сравнивают выходные параметры различных пар РЭ-ЭС и определяют те пары, выходные параметры которых одинаковы (разность выходных параметров не выше заданной величины ε). БУ и электронные ключи 5.1-5.3 выбирают из этих пар один из элементов и подключают его сигнал к выходу системы. При отказе одного элемента системы (РЭ или ЭС) сигналы на выходе двух связанных с ним компараторов будут отсутствовать (имеют низкий уровень), а в БУ поступит сигнал высокого уровня (логической единицы) с компаратора, не связанного с отказавшим элементом. В соответствии с этим сигналом БУ сформирует сигнал управления на один из электронных ключей 5.1-5.3 для подключения одного из исправных элементов к нагрузке. Отказ системы наступает при выходе из строя каких-либо двух резервных элементов.System management in case of failure of one of the elements (RE or ES) is as follows. Subtractors 3.1-3.3 and comparators 4.1-4.3 compare the output parameters of various pairs of RE-ES and determine those pairs whose output parameters are the same (the difference of the output parameters is not higher than a given value ε). Control units and electronic keys 5.1-5.3 select one of the elements from these pairs and connect its signal to the system output. In case of failure of one element of the system (RE or ES), the signals at the output of the two comparators associated with it will be absent (have a low level), and the control unit will receive a high level signal (logical unit) from the comparator that is not associated with the failed element. In accordance with this signal, the control unit will generate a control signal to one of the electronic keys 5.1-5.3 to connect one of the serviceable elements to the load. A system failure occurs when any two backup elements fail.

Формирование сигналов управления при отказах двух элементов (ЭС и РЭ или двух ЭС) производится с использованием сигналов с выхода компараторов 4.1-4.6, ЭК 5.1-5.4, БУ 6 и логических элементов НЕ 7.1-7.3. В случае отказа любых двух элементов в резервированной системе на выходах компараторов 4.1-4.3 сигналы будут иметь низкий уровень и после их поступления на вход БУ 6 он снимет управляющие сигналы с электронных ключей ЭК 5.1-5.3, которые отключат все элементы (РЭ, ЭС 2.1, 2.2) от нагрузки, что в прототипе привело бы к полному отказу системы. Однако одновременно с поступлением сигналов с выходов РЭ1, ЭС 2.1, 2.2 на входы вычитающих устройств 3.1-3.3 они поступают на входы компараторов К 4.4-4.6 соответственно. Если произошел отказ элементов, то при превышении значением параметра РЭ или ЭС пределов допустимого отклонения Δ (допустимого предела отклонения выходного параметра Х от математического ожидания m_x, при котором считается, что элемент работает безотказно) на выходе соответствующего компаратора формируется сигнал низкого уровня, а при исправном элементе - сигнал высокого уровня (скачок напряжения единичной амплитуды), которые поступают на соответствующие входы четвертого ЭК 5.4. Эти входы коммутируются с соответствующими входами БУ 6 (четвертым, пятым и шестым) при поступлении на управляющий вход ЭК 5.4 сигнала высокого уровня с выхода логического элемента И 8. Логический элемент И 8 выполняет роль обнаружителя отказа мажоритарного элемента и формирует управляющий сигнал при сигналах низкого уровня на выходах компараторов 4.1-4.3, которые инвертируются (преобразуются в сигналы высокого уровня) элементам НЕ 7.1-7.3 и подаются на входы элемента И 8. При этом сигнал высокого уровня, поступивший на один из входов ЭК 5.4 (первый, второй или третий), передается на соответствующий вход БУ 6 (четвертый, пятый или шестой) и подается на управляющий вход соответствующего ЭК 5.1-5.3, который коммутирует (соединяет) исправный элемент с нагрузкой. Таким образом обеспечивается работоспособность резервированной с помощью мажоритарных элементов системы даже при отказе двух элементов.The formation of control signals in case of failures of two elements (ES and RE or two ES) is carried out using signals from the output of comparators 4.1-4.6, EC 5.1-5.4, BU 6 and logical elements NOT 7.1-7.3. In case of failure of any two elements in the redundant system at the outputs of comparators 4.1-4.3, the signals will have a low level and after they arrive at the input of BU 6, it will remove control signals from electronic keys EC 5.1-5.3, which will turn off all elements (RE, ES 2.1, 2.2) from the load, which in the prototype would lead to a complete failure of the system. However, simultaneously with the arrival of signals from the outputs of RE1, ES 2.1, 2.2 to the inputs of subtracting devices 3.1-3.3, they arrive at the inputs of the comparators K 4.4-4.6, respectively. If the elements failed, then when the value of the RE or ES parameter exceeds the limits of the permissible deviation Δ (permissible limit of the deviation of the output parameter X from the mathematical expectation m _x , at which the element is considered to work faultlessly), a low level signal is generated at the output of the corresponding comparator, and when serviceable element - a high-level signal (voltage jump of unit amplitude), which are supplied to the corresponding inputs of the fourth EC 5.4. These inputs are switched with the corresponding inputs of control unit 6 (fourth, fifth and sixth) when a high-level signal is output to the control input of EC 5.4 from the output of the And 8 logic element. The And 8 logic element acts as a failure detector of the majority element and generates a control signal for low-level signals at the outputs of comparators 4.1-4.3, which are inverted (converted into high-level signals) to elements NOT 7.1-7.3 and fed to the inputs of element 8. At the same time, a high-level signal received at one of the inputs of EC 5.4 (the first, Torah or third) is transmitted to the corresponding input ECU 6 (the fourth, fifth or sixth) and fed to the control input of the respective EC 5.1-5.3 who commutes (connects) defective element to the load. This ensures the performance of a redundant system with the help of majority elements, even if two elements fail.

Техническое решение обладает новыми свойствами:The technical solution has new properties:

- многофункциональностью, выражающейся в способности обнаруживать отказы как одного, так и двух элементов резервированной с помощью мажоритарных элементов системы;- multifunctionality, expressed in the ability to detect failures of both one and two elements of a redundant system using the majority elements of the system;

- повышенной эффективностью функционирования резервированной с помощью мажоритарных элементов системы, обусловленной возможностью обнаружения факта отказа системы и подключения к нагрузке одного из работоспособных элементов;- increased efficiency of functioning of a system redundant with the help of majority elements, due to the possibility of detecting a fact of system failure and connecting one of the operable elements to the load;

- возможностью применения в широкой номенклатуре резервированных систем за счет выбора и установки соответствующих предельных границ (порогов) допустимого изменения параметров РЭ.- the possibility of using redundant systems in a wide range of systems due to the selection and installation of appropriate limit boundaries (thresholds) for permissible changes in the parameters of RE.

При этом идентификация работоспособного элемента позволяет использовать устройство не только в интересах реконфигурации структуры системы, но и в целях сокращения времени восстановления работоспособности отказавших элементов за счет уменьшения временных затрат на поиск неисправностей.Moreover, the identification of a workable element allows you to use the device not only in the interests of reconfiguring the system structure, but also in order to reduce the recovery time of failed elements by reducing the time spent on troubleshooting.

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 приведены результаты оценки вероятностных характеристик предложенного устройства управления резервированной системой.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 received during the operation of the control device. Figure 3 shows the results of the assessment of the probability characteristics of the proposed control device of the redundant system.

Устройство управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой (фиг.1) содержит рабочий элемент РЭ 1, два элемента сравнения (резервных элемента) ЭС 2.1 и 2.2, три вычитающих устройства ВУ 3.1, .2, 3.3, выполненных в виде типового сумматора на интегральной микросхеме (ИМС) прецизионного операционного усилителя (ОУ) 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], шесть компараторов К 4.1 - 4.6, выполненных 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], четыре электронных ключа ЭК 5.1- 5.4, выполненных в виде электронных реле с соответствующим числом нормально-разомкнутых (замкнутых) контактов 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 БУ 6, три логических элемента НЕ (отрицания) 7.1-7.3, выполненные в виде типовых инверторов на цифровых ИМС, например ИМС К155ЛН1, логический элемент И 8, выполненный на типовой цифровой ИМС, например ИМС К155ЛИ5 [Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1988. - С.27, 40, - [(Массовая радиобиблиотека. Вып.1111)], причем выход РЭ 1 подключен к второму входу первого ВУ 3.1, первому входу второго ВУ 3.2 и первому входу первого ЭК 5.1, выходы которых присоединены к входам первого 4.1, второго компараторов К 4.2 и выходу системы соответственно, выход первого ЭС 2.1 подключен к первому входу первого ВУ 3.1, а также к первому входу третьего ВУ 3.3 и первому входу второго ЭК 5.2, выходы которых подключены к входу третьего компаратора 4.3 и выходу первого ЭК 5.1 соответственно, а выход третьего компаратора соединен с третьим входом БУ 6, выход второго ЭС 2.2 соединен со вторыми входами второго и третьего ВУ 3.2, 3.3 и входом третьего ЭК 5.3, выход которого соединен с выходом второго ЭК 5.2, причем входы РЭ 1 и двух ЭС 2.1 и 2.2 соединены вместе и являются входом системы, а первый, второй и третий выходы БУ 6 подключены к вторым входам первого, второго и третьего ЭК 5.1, 5.2, 5.3, причем к входам четвертого, пятого и шестого компараторов4.4, 4.5, 4.6 подключены выходы РЭ 1, первого и второго ЭС 2.1, 2.2 соответственно, а выходы четвертого, пятого и шестого К 4.4, 4.5, 4.6 подключены соответственно к первому, второму и третьему входам четвертого ЭК 5.4, выходы которого соединены с четвертым, пятым и шестым входом БУ 6 соответственно, выходы первого, второго и третьего компараторов 4.1, 4.2, 4.3 соединены соответственно со входами первого, второго и третьего элементов НЕ 7.1, 7.2, 7.3, выходы которых подключены соответственно к первому, второму и третьему входам логического элемента И 8, выход которого соединен с четвертым входом четвертого ЭК 5.4.The control device of a redundant system using the majority elements (Fig. 1) contains a working element RE 1, two comparison elements (backup elements) ES 2.1 and 2.2, three subtracting devices VU 3.1, .2, 3.3, made in the form of a typical adder on an integrated circuit (IMS) of the precision operational amplifier (op amp) KM551UD1A [Veniaminov V.N., Lebedev O.N., Miroshnichenko A.I. Microcircuits and their application: Handbook. - 3rd ed. reslave. and add. - M.: Radio and Communications, 1989, 240 pp., Ill. - (Mass radio library; issue 1114), pp. 50-53], six comparators K 4.1 - 4.6, executed 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. Microcircuits and their application: Handbook. - 3rd ed. reslave. and add. - M.: Radio and Communications, 1989, 240 pp., Ill. - (Mass radio library; issue 1114), p.56-57, 122], four electronic keys EC 5.1-5.4, made in the form of electronic relays with the corresponding number of normally open (closed) contacts based on the electronic switch chip 435KN2 [Veniaminov V.N., Lebedev O.N., Miroshnichenko A.I. Chips and their application: Reference, manual. - 3rd ed. reslave. and add. - M.: Radio and Communications, 1989, 240 pp., Ill. - (Mass radio library; issue 1114), p. 68], control unit BU 6, three logical elements NOT (negatives) 7.1-7.3, made in the form of typical inverters on digital ICs, for example IC K155LN1, logic element I 8, made on a typical digital IC, for example IC K155LI5 [Shilo V.L. Popular Digital Chips: A Guide. - Chelyabinsk: Metallurgy, Chelyabinsk branch, 1988. - P.27, 40, - [(Mass radio library. Issue 1111)], and the output of RE 1 is connected to the second input of the first VU 3.1, the first input of the second VU 3.2 and the first input of the first EC 5.1, the outputs of which are connected to the inputs of the first 4.1, second comparators K 4.2 and the system output, respectively, the output of the first ES 2.1 is connected to the first input of the first VU 3.1, as well as to the first input of the third WU 3.3 and the first input of the second EC 5.2, the outputs of which are connected to the input of the third comparator 4.3 and the output of the first EC 5.1, respectively, and the output d of the third comparator is connected to the third input of the control unit 6, the output of the second ES 2.2 is connected to the second inputs of the second and third control devices 3.2, 3.3 and the input of the third EC 5.3, the output of which is connected to the output of the second EC 5.2, and the inputs of RE 1 and two ES 2.1 and 2.2 connected together and are the input of the system, and the first, second and third outputs of the control unit 6 are connected to the second inputs of the first, second and third EC 5.1, 5.2, 5.3, and the outputs of the RE are connected to the inputs of the fourth, fifth and sixth comparators 4.4, 4.5, 4.6 1, the first and second ES 2.1, 2.2, respectively, and the outputs of the fourth, fifth and sixth To 4.4, 4.5, 4.6 are connected respectively to the first, second and third inputs of the fourth EC 5.4, the outputs of which are connected to the fourth, fifth and sixth inputs of the control unit 6, respectively, the outputs of the first, second and third comparators 4.1, 4.2, 4.3 are connected respectively to the inputs of the first , the second and third elements are NOT 7.1, 7.2, 7.3, the outputs of which are connected respectively to the first, second and third inputs of the logical element And 8, the output of which is connected to the fourth input of the fourth EC 5.4.

Таким образом, заявленное устройство управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системой обеспечивает ее эффективное функционирование при одновременном отказе двух элементов за счет обнаружения факта такого отказа и формирования сигналов на подключение к нагрузке оставшегося работоспособного элемента, что позволяет свести к минимуму время поиска и устранения неисправностей в резервированной системе.Thus, the claimed control device of a redundant system using majority elements ensures its effective operation while two elements fail at the same time by detecting the fact of such a failure and generating signals to connect the remaining workable element to the load, which minimizes the time for troubleshooting and redundancy system.

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 в резервированной системе. 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 the identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allowed 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 system elements in a redundant system. The selection from the list of identified analogues of the prototype as the closest in terms of the combination of essential features of the analogue made it possible to identify the set of features essential to the formulated technical result in the claimed redundant system control device, 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 the 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 relationship between them is carried out according to well-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 системы. Для понимания существа работы устройства достаточно подробно рассмотреть функционирование резервированной системы при отказе любых двух элементов, например РЭ 1 и ЭС 2.1, и так далее. Наиболее наглядно и компактно процесс функционирования предложенного устройства управления резервированной системой 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 1 и элементы сравнения 2.1 и 2.2 работают одновременно (так называемый нагруженный резерв). Сигнал с выхода РЭ 1 подается одновременно на входы ВУ 3.1 и 3.2, на другие входы которых поступают сигналы с ЭС 2.1 и 2.2 соответственно, а также на входы компараторов К 4.4 и 4.5. Сигнал с выхода ЭС 2.2 падается на вход ВУ 3.3, на второй вход которого поступает также сигнал с ЭС 2.1. В случае отказа двух элементов в резервированной системе, например РЭ 1 и ЭС 2.1 (состояния О на фиг.2) сигналы на выходах ВУ 3.1-3.3 будут превышать допустимые значения порогов ε, поэтому на выходах компараторов 4.1-4.3 сигналы будут иметь низкий уровень и после их поступления на входы 1-3 БУ 6 он должен был бы снять управляющие сигналы с электронных ключей ЭК 5.1-5.3 (состояние Р), которые отключили бы все элементы (РЭ, ЭС 2.1, 2.2) от нагрузки, что в прототипе привело бы к полному отказу системы. Однако одновременно с поступлением сигналов с выходов РЭ1, ЭС 2.1, 2.2 на входы вычитающих устройств 3.1-3.3 они поступают на входы компараторов К 4.4-4.6 соответственно. Если произошел отказ элементов, то при превышении значением параметра РЭ 1 и ЭС 2.1 пределов допустимого отклонения Δ (допустимого предела отклонения выходного параметра Х от математического ожидания m_x, при котором считается, что элемент работает безотказно) на выходе соответствующих компараторов К 4.4 и 4.5 формируется сигнал низкого уровня, а при исправном элементе ЭС 2.2 - на выходе К 4.6 сигнал высокого уровня (скачок напряжения единичной амплитуды), которые поступают на соответствующие входы четвертого ЭК 5.4. Эти входы коммутируются с соответствующими входами БУ 6 (четвертым, пятым и шестым) при поступлении на управляющий вход ЭК 5.4 сигнала высокого уровня с выхода логического элемента И 8 (состояние 1). Логический элемент И 8 выполняет роль обнаружителя отказа мажоритарного элемента и формирует управляющий сигнал при сигналах низкого уровня на выходах компараторов 4.1-4.3, которые инвертируются (преобразуются в сигналы высокого уровня) элементам НЕ 7.1-7.3 и подаются на входы элемента И 8. При этом сигнал высокого уровня, поступивший на один из входов ЭК 5.4 (первый, второй или третий), передается при отказе РЭ1 и ЭС 2.1 на шестой вход БУ 6 (состояние 1), с третьего выхода которого снимается сигнал высокого уровня и подается на второй (управляющий) вход ЭК 5.3 (состояние 1), который коммутирует (соединяет) исправный элемент ЭС 2.2 с нагрузкой. Таким образом обеспечивается работоспособность резервированной с помощью мажоритарных элементов системы даже при отказе двух элементов РЭ 1 и ЭС 2.1. Аналогичные процессы, как видно из таблицы на фиг.2, будут протекать в системе управления и при отказах РЭ1 и ЭС 2.2 или ЭС 2.1 и ЭС 2.2., однако при этом сигналы высокого уровня будут формироваться на выходах К 4.5 и 4.4 и на управляющих входах ЭК 5.2 и 5.1, что приведет к подключению к нагрузке исправных элементов ЭС 2.1 и РЭ 1 соответственно.Consider the operation of a redundant control device using the 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, for example, RE 1 and ES 2.1, and so on. Most clearly and compactly, the functioning process of the proposed redundant system control device can be represented by the truth table of the state of the device elements. 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. Work item 1 and comparison items 2.1 and 2.2 work simultaneously (the so-called loaded reserve). The signal from the output of RE 1 is fed simultaneously to the inputs of the VU 3.1 and 3.2, the other inputs of which receive signals from ES 2.1 and 2.2, respectively, as well as to the inputs of the comparators K 4.4 and 4.5. The signal from the output of ES 2.2 is incident on the input of VU 3.3, the second input of which also receives a signal from ES 2.1. In the event of a failure of two elements in a redundant system, for example, RE 1 and ES 2.1 (state О in Fig. 2), the signals at the outputs of the VU 3.1-3.3 will exceed the permissible thresholds ε, therefore, the signals at the outputs of the comparators 4.1-4.3 will have a low level and after they arrived at inputs 1-3 of BU 6, it would have to remove control signals from electronic keys EC 5.1-5.3 (state P), which would disconnect all elements (RE, ES 2.1, 2.2) from the load, which in the prototype would lead to complete system failure. However, simultaneously with the receipt of signals from the outputs of RE1, ES 2.1, 2.2 to the inputs of subtracting devices 3.1-3.3, they arrive at the inputs of the comparators K 4.4-4.6, respectively. If the elements failed, then when the value of the parameter RE 1 and ES 2.1 exceeds the permissible deviation Δ (the permissible deviation of the output parameter X from the mathematical expectation m _x at which the element is considered to work faultlessly), the output of the corresponding comparators K 4.4 and 4.5 is formed a low level signal, and with a working element of ES 2.2 - at the output of K 4.6 a high level signal (voltage jump of unit amplitude), which are fed to the corresponding inputs of the fourth EC 5.4. These inputs are switched with the corresponding inputs of the control unit 6 (fourth, fifth and sixth) when a high level signal is output to the control input of EC 5.4 from the output of AND 8 (state 1). The AND 8 logic element acts as a failure detector of the majority element and generates a control signal for low-level signals at the outputs of comparators 4.1-4.3, which are inverted (converted to high-level signals) to HE 7.1-7.3 elements and fed to the inputs of And 8. In this case, the signal high level, received at one of the inputs of EC 5.4 (first, second or third), is transmitted in case of failure of RE1 and ES 2.1 to the sixth input of control unit 6 (state 1), from the third output of which a high level signal is removed and fed to the second (control) entrance EC 5.3 (state 1), which commutes (connects) a working element of ES 2.2 with the load. This ensures the operability of a redundant system with the help of majority elements even if two elements of RE 1 and ES 2.1 fail. Similar processes, as can be seen from the table in figure 2, will occur in the control system and in case of failures RE1 and ES 2.2 or ES 2.1 and ES 2.2., However, high-level signals will be generated at outputs K 4.5 and 4.4 and at the control inputs EC 5.2 and 5.1, which will lead to the connection to the load of serviceable elements of ES 2.1 and RE 1, respectively.

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. 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 likelihood characteristics of the proposed control system of the redundant system based on the structural diagram (Fig. 1), calculations were carried out to assess the probability of its failure-free operation, as well as a similar characteristic of the prototype. 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:

для прототипа

for prototype

для заявленного устройства

for the claimed device

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 Р_бз от значений вероятности безотказной работы элементов р приведены на фиг.3.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. 3.

Анализ полученных результатов показывает, что предлагаемое техническое решение позволяет в 1.73-1.14 раза повысить вероятность беотказной работы резервированной системы по сравнению с прототипом при значениях вероятностей безотказной работы элементов, равных соответственно 0.5-0.8, за счет обнаружения и подключения к нагрузке оставшегося работоспособным элемента мажоритарного органа. Заявленное устройство может быть использовано не только для восстановления работоспособности резервированной с помощью мажоритарных элементов системы, но и для выявления всех отказавших элементов. При этом следует ожидать сокращения времени восстановления работоспособности отказавшего элемента за счет снижения временных затрат на поиск неисправностей.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 when the values of the probabilities of failure-free operation of elements equal to 0.5-0.8, respectively, by detecting and connecting to the load the majority element that remains operational . The claimed device can be used not only to restore the functionality of a redundant system with the help of majority elements, but also to identify all failed elements. In this case, one should expect a reduction in the recovery time of the failed element due to a decrease in the time spent on troubleshooting.

Изложенные сведения свидетельствуют о возможности выполнения при реализации заявленного устройства управления резервированной с помощью мажоритарных элементов системы следующей совокупности условий:The above information indicates the possibility, when implementing the claimed control device, of redundant using the 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 резервированной с помощью мажоритарных элементов системы за счет повышения вероятности безотказной работы ее путем обнаружения факта отказа системы и подключения к нагрузке одного из работоспособных элементов, то есть обеспечения работоспособности системы даже при отказе двух элементов, приводящих в выходу из строя прототипа, при одновременном сокращении времени выявления и устранения неисправностей в резервированной системе;the proposed control device of a redundant system with the help of majority elements during its implementation will allow to increase the efficiency of functioning of the redundant system with the help of majority elements by increasing the probability of its failure-free operation by detecting the fact of a system failure and connecting one of the operable elements to the load, that is, ensuring the system’s operability even in case of failure of two elements leading to the failure of the prototype, while reducing time Meni identify and troubleshoot a redundant system;

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, and the output of the third comparator is connected to the third input of the control unit, the output of the second ES is connected to the second inputs of the second and third control devices and the input of the third EC, the output of which is connected to the output of the second EC, and the inputs of RE and two ES are connected together and are the input of the system, 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 comparators K, the fourth EC, three logic their element is NOT and logical element AND, and the outputs of the RE, the first and second ES are connected to the inputs of the fourth, fifth and sixth comparators, respectively, and the outputs of the fourth, fifth and sixth K are connected respectively to the first, second and third inputs of the fourth EC, the outputs of which are connected with the fourth, fifth and 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 t the third inputs of the logical element AND, the output of which is connected to the fourth input of the fourth EC.