Математическая энциклопедия - надежность и контроль управляющих

СИСТЕМ, проблемы надежности управляющих систем,одно из направлений теории управляющих систем, к-рое изучает управляющие системы, подверженные помехам.

Пусть нек-рый класс управляющих систем (у. с.) и пусть имеется источник помех, или источник неисправностей, к-рый, воздействуя на у. с. ,. переводит ее в у. с. из нек-рого класса Если допустить, что источник помех может также сохранять у. с. неизменной, напр.

Пусть каждая у. с. из вполне определяется своей схемой , тогда воздействие источника помех сводится к воздействию на ее схему . Источник неисправностей преобразует схему, что может проявляться: а) путем нарушения работы элементов, т.e. изменением элементов; б) путем изменения соединений элементов и т. п. В результате действия источника неисправностей исходная схема,у. с.переходит в "неисправные" состояния определяющие соответственно у. с.Пусть этим схемам соответствуют функции наз. также функциями неисправностей (здесь характеризует функционирование у. с.). Обычно источник неисправностей дополнительно характеризуется либо распределением вероятностей ошибок, либо ограничениями невозможное число элементарных неисправностей.

Проблемы надежности рассматриваются в основном для трех классов у. с: схем из функциональных элементов, контактных схем и автоматов.

Пусть класс схем из функциональных элементов, принадлежащих данному базису Б, где и . В случае, если источник неисправностей воздействует только на элементы схемы, то он преобразует элементы из в элементы с таким же числом входов, как и , но, быть может, с иным функционированием, а элементы из оставляет неизменными. Таким образом, состоит из ненадежных, а из надежных элементов. В этом Случае источник можно характеризовать вероятностями выхода из строя соответственно элементов . Напр.,состоит из инверторов, конъюнкторов. и дизъюнкторов, а из элементов голосования, реализующих соответственно функции и При этом можно положить, что вероятность выхода из строя элементов из .

В случае, когда класс контактных схем, рассматривают источник неисправностей, к-рый в качестве элементарных неисправностей дает либо короткое замыкание контакта, либо разрыв контакта. При этом дополнительно предполагают, что для контактных схем, реализующих функции от ппеременных, возможно не более элементарных повреждений.

В проблематике Н. и к. у. с. можно выделить три направления.

I. Построение надежных схем из ненадежных элементов. Это направление развито для двух классов у. с.: контактных схем и схем из функциональных элементов. В случае схем из функциональных элементов схема характеризуется нек-рой вероятностью ртех случаев, когда она функционирует неправильно. Здесь рассматривают два основных вопроса.

1) Какими свойствами должен обладать базис Б, чтобы для любой булевой функции и любого можно было построить схему , реализующую и такую, что вероятность рсе неправильной работы была бы меньше , т. е. каждая булева функция допускала бы сколь угодно надежную реализацию.

Установлено, что существуют базисы, в к-рых для любой функции возможна сколь угодно надежная реализация. Примером такого базиса является базис Б (см. выше):состоит из инверторов, конъюнкторов и дизъюнкторов с вероятностью ошибки состоит нз абсолютно надежного элемента голосования. Найдены необходимые и достаточные условия на базис при к-рых возможно построение сколь угодно надежных схем для всех булевых функций.

2) Построение метода синтеза минимальных (или в том или ином смысле близких к минимальным) схем, реализующих булевы функции, ненадежность к-рых не превосходит заданной величины . Оказывается (напр., для предыдущего базиса с ), что можно построить метод синтеза схем, к-рый для большинства булевых функций и данного дает асимптотически (по п)минимальные схемы. В частности, для функции Шеннона выражающей ' минимальное число элементов из Б (см. пример выше), достаточное для реализации любой булевой функции от ппеременных с ненадежностью, не большей , получена асимптотика

II. Построение самокорректирующихся схем. Это направление наиболее полно изучено для двух классов у. с.контактных схем и схем из функциональных элементов. Здесь источник неисправностей характеризуется ограничениями на число элементарных повреждений. Считается, что в пределах рассмотрений дальнейших изменений в схеме не происходит. Схема , реализующая функцию , наз. самокорректирующейся относительно данного источника неисправностей, если Другими словами, самокорректирующаяся схема функционирует правильно, несмотря на воздействие источника неис

правностей. Напр., контактная схема на рис. 1, реализующая функцию является самокорректирующейся относительно источника, вызывающего не более одного разрыва контакта. Основными задачами этого направления являются: 1) выяснение условий, при к-рых существуют самокорректирующиеся схемы, и 2) разработка методов синтеза минимальных (или в том или ином смысле близких к минимальным) самокорректирующихся схем. Ниже показано решение этих задач на примере контактных схем с источником неисправностей, вызывающим не более замыканий и разрывов.

Оказывается, что для любой булевой функции можно построить самокорректирующуюся относительно этого источника неисправностей схему. Для этого достаточно взять любую контактную схему , реализующую , и в ней каждый контакт заменить на подсхему, состоящую из последовательно соединенных одинаковых блоков, каждый из к-рых является параллельным соединением экземпляров данного контакта . Такую схему наз. тривиальной самокорректирующейся схемой. Построенная самокорректирующаяся схема будет в раз сложнее исходной. Предыдущий пример (рис. 1) показывает, что существуют и нетривиальные самокорректирующиеся схемы.

Задача построения самокорректирующихся схем специальная задача синтеза у. с. с дополнительными требованиями. Главный результат здесь состоит в том, что для большинс-тва булевых функций можно построить самокорректирующуюся схему (относительно нек-рого класса источников), сложность к-рой асимптотически (при ) равна сложности минимальной схемы, реализующей f без требования самокоррекции. Здесь показано, что при нек-рых ограничениях на порядок роста имеет место следующая асимптотика для функции Шеннона

III. Контроль управляющих систем. Это направление наиболее полно изучено для трех классов у. с: контактных схем, схем из функциональных элементов и автоматов. Рассмотрение проблем контроля у. с. предполагает: 1) наличие источника неисправностей, к-рый, совершив воздействие на у. с, в течение нек-рого промежутка удерживает неисправное состояние исходной у. с. и не производит других повреждений; 2) задание цели контроля. Последняя определяется как распознавание нек-рого свойства данной у. с. Напр., выяснение, является ли данная у. с. исправной или нет (задача о проверке), или, в случае, если у. с. неисправна, нахождение неисправности (задача о диагностике); 3) фиксацию средств контроля. Контроль может происходить либо без вмешательства в схему, либо допускается возможность вмешательства. Напр., замена элементов на эталонные, перестановка однотипных блоков, использование дополнительных контрольных точек в схеме и т. п. Средства контроля включают в себя также процедуру получения информации о контролируемом объекте. Ими являются эксперименты, к-рые делятся на безусловные и условные. В безусловных экспериментах последовательности, подаваемые на вход контролирующего устройства, определяются заранее и не зависят от последовательности на его выходе. В условных экспериментах каждый последующий символ входной последовательности может выбираться в зависимости от символов, появившихся на выходе в предшествующие моменты времени.

Совокупность экспериментов, позволяющая распознать данное свойство, наз. тестом. Так как обычно существует много различных тестов, распознающих требуемое свойство, то на множестве тестов вводят меру сложности и ищут тест, имеющий минимальную сложность. Основная задача состоит здесь в том, чтобы для каждого свойства уметь строить минимальные или близкие к ним тесты. Эта задача является частью более общей проблемы построения компактных алгоритмов распознавания тех или иных свойств.