Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Применение метода исключения варьируемого параметра при решении задач диагностирования

Портнягин Н. Н., Пюкке Г. А.,

1.1. Методология технического диагностирования

В большинстве случаев любое СЭУ можно представить как совокупность взаимосвязанных структурных единиц, а отдельные узлы как возможные полюсы съема информации с целью проведения диагностирования. При такой постановке задачи разрешающим пределом диагностирования является структурная единица, и поиск дефекта может производиться только с точностью до структурной единицы.

Структурными единицами могут быть как отдельные резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, так и многополюсные компоненты: транзисторы, микросхемы и т. п. Это могут быть усилители, регуляторы-преобразователи, приемники электрической энергии, фрагменты схем и т. д.

Для целей диагностирования любое ЭСА можно представить как многополюсную систему .

Одна часть входов системы обычно представляется p-мерным вектором параметров комплектующих элементов x, которую можно условно разделить на множество пассивных элементов и множество активных элементов. Оба полученных множества можно разделить на множество определяющих элементов (элементы, изменение параметров которых существенно влияет на изменение выходных параметров устройств) и множество неопределяющих элементов.

Другая часть входов может быть представлена μ-мерным вектором входных воздействий z. Этот вектор представляет собой совокупность управляющих воздействий на СЭУ, каждое из которых характеризуется своими параметрами.

Кроме того, на СЭУ действует χ-мерный вектор возмущающих воздействий f, который определяется условиями эксплуатации СЭУ. На выходе устройства наблюдается m-мерный вектор выходных параметров y.

Связь входов и выходов СЭУ представляется уравнением:

y = W(x, z, f), где W – оператор связи.

Под условием работоспособности понимается совокупность неравенств:

y_j min ≤ y_j (x) ≤ y_j max,  (1.1.)

где y_j(x) – функция работоспособности; y_{j max}, y_{j min} – наибольшее 
и наименьшее значения j-го параметра.

Выходными являются параметры, имеющие определенный физический смысл (постоянная времени, коэффициент усиления и т. д.), а также параметры, отражающие определенное режимное воздействие на устройство.

В том случае, если выходные параметры включают в себя несколько показателей качества в виде функционалов, ограничения на их предельные значения устанавливаются на основе опыта проектирования и эксплуатации или в результате использования метода экспертных оценок.

Определяются весовые коэффициенты для каждого показателя, позволяющие ранжировать показатели качества по степени важности. На основании полученных значений весовых коэффициентов показатели разделяют на группы. В каждой группе показатели имеют одинаковый весовой коэффициентμ_α, который определяется как среднее арифметическое весовых коэффициентов показателей, составляющих группу.

Как правило, для учета степени важности каждого показателя качества при диагностировании ЭСА производят нормирование по группе, имеющей наименьший весовой коэффициент μ_β, и определяют новые пределы ограничений на отдельные показатели:

(φ_{j min} ≤ φ_j ≤ φ_{j max}) μ_β / μ_α, при j = 1, …, L,

где L – количество показателей качества в виде функционалов.

Неравенство (1.1) определяет область работоспособности 
D устройства в пространстве выходных параметров. Область D имеет форму m-мерного гиперпараллелепипеда, однако она с нескольких сторон может быть незамкнутой, т. к. отдельные выходные параметры могут иметь только односторонние ограничения.

Ограничения на входные параметры устройства

(X_i – X_i min) (X_i max – X_i) ≥ 0, при i = 1, …, n,

следуют из области работоспособности устройства D.

Каждое j-е неравенство

[Y_j (X) – Y_{j min}][Y_{j max} – Y_j(X)] ≥ 0, при j = 1, …, m,

в n-мерном пространстве X определяет область Мj. Область представляет собой множество значений входных параметров, при которых удовлетворяется система неравенств (1.1).

Ограничения на входные параметры устройства определяют область P {X_{i min} ≤ X_i ≤ X_{i max}}. Здесь X_{i min}, X_{i max} – соответственно наименьшее и наибольшее рабочие значения i-го входного параметра. Область Р имеет форму гиперпараллелепипеда размерностью n.

Пересечение областей Р и М в пространстве входных параметров определяет область работоспособности G.

К работе судовых ЭСА предъявляются различные противоречивые требования. В состав ЭСА входят устройства, которые отличает большое схемное разнообразие. Изменчивые и тяжелые условия эксплуатации приводят к дрейфу входных параметров. Например, отклонения от среднего значения сопротивления резисторов доходят до 60 %, емкости – до 80 %, коэффициента усиления по току и обратного тока коллектора транзистора – до 100 %.

Изменчивые условия эксплуатации судового электрооборудования, широкое использование для построения ЭСА полупроводниковых элементов и микросхем, имеющих повышенные скорости изменения своих параметров, а также автономность работы ЭСА выдвигают задачу обеспечения периодического контроля работоспособности и поиска возникших дефектов как одну из главных.

Методология технической диагностики основана на следующих исходных положениях:

1. Допущение о том, что ОД может находиться в конечном множестве состояний S.

2. Состояние ОД под воздействием внешних факторов и вследствие внутренних необратимых процессов постоянно изменяется.

3. Во множестве S может быть выделено два непересекающихся подмножества S1 и S2, где S1 – подмножество работоспособных состояний; S2 – подмножество неработоспособных состояний.

4. Решение задач оценки состояния ОД сводится к анализу подмножеств S1 и S2.

5. В процессе диагностирования участвуют в общем случае ОД, техническое средство диагностирования и человек-оператор.

6. Возникший дефект приводит к тому, что ОД из одного состояния переходит в другое состояние (необязательно неработоспособное), т. е. работоспособный ОД может иметь дефект, так же как и неработоспособный. Следовательно, заключение о том, что ОД работоспособен, не означает, что в нем дефекты отсутствуют. С другой стороны, если ОД неработоспособен, то в нем обязательно имеется дефект.

Процесс диагностирования предусматривает наличие обоснованной методики и заданных алгоритмов диагностирования, т. е. совокупности предписаний о выполнении определенных действий в процессе диагностирования 
[17-19].

При диагностировании могут решаться следующие основные задачи:

Z1 – контроль технического состояния (КТС);

Z2 – поиск дефектов (ПД);

Z3 – прогнозирование технического состояния (ПТС).

Какие из этих задач решаются, зависит от условий выполнения процесса диагностирования и особенностей судового оборудования. Контроль технического состояния предполагает проверку соответствия значений диагностических признаков ОД требованиям технической документации и, как правило, производится при диагностировании объектов любого назначения.

В том случае, когда ОД утратил работоспособность или запас работоспособности значительно снизился, при диагностировании может решаться задача поиска дефектов. Целесообразность ее решения  определяется возможностью восстановления ОД, т.е. при достаточно высокой ремонтопригодности ОД.

При решении задачи ПТС изучается характер изменения диагностических параметров под влиянием внешних и внутренних воздействий и на основе сформировавшихся тенденций предсказывается значение параметров в будущий момент времени.

Наиболее распространенными сочетаниями задач, решаемых в процессе диагностирования, являются Z1 и Z2; Z1 и Z3; Z2 и Z3.

При построении системы диагностирования необходимо решить задачу организации взаимодействия элементов, участвующих в процессе диагностирования. Постановка этой задачи и пути ее реализации подробно описаны в работах [28, 31, 36–38, 53, 71], где для решения задач организации выбирается критерий, который характеризует связь основных показателей элементов (объект, техническое средство, оператор) с показателями процессов использования и диагностирования объекта.

Такой критерий представляет собой функцию К = К (П1, П2, П3, И, Д), где П1, П2, П3 – показатели-векторы ОД, ТСД и оператора; И – показатель-вектор, характеризующий организацию использования объекта; Д – показатель-вектор, характеризующий организацию процесса диагностирования объекта. Показатели-векторы П1, П2, П3 включают показатели, характеризующие безотказность, ремонтопригодность элементов системы диагностирования.

Каждую из задач можно решать различными методами, причем любой метод для своей реализации предъявляет определенные требования к ОД. Каждый метод решения задачи диагностирования характеризуется двумя совокупностями величин, значениями показателей диагностирования и значениями показателей, характеризующих ОД.

Для каждой задачи диагностирования характерны свои показатели. Так, при определении работоспособности необходимо учитывать вид объекта, наличие неконтролируемых случайных возмущений, количество диагностических признаков, наличие контроля, возможность тестового воздействия, избыточность.

При поиске возникшего дефекта рассматривают тип ОД, тип схемы, число выходов, число элементов, избыточность схемы, степень резервирования, приспособленность к диагностированию, объем априорной информации о надежности элементной базы.

При решении задач прогнозирования изменения состояния ОД учитывают тип модели процесса изменения состояния, вид модели, показатель, характеризующий время, надежность объекта.

В работе [39] составлены таблицы методов решения задач диагностирования, которые объединены в библиотеку методов диагностирования, где показатели диагностирования и показатели ОД условно охарактеризованы численными значениями.

При таком подходе методы решения основных задач диагностирования выбирают из библиотеки методов в результате полного перебора по главному показателю и с помощью метода последовательных уступок.

Недостатком такого подхода будет трудность определения величины уступки. Чаще всего ее находят методами экспертных оценок.

На основе алгоритмов диагностирования, получаемых при разработке диагностического обеспечения с учетом требований, сформулированных при решении задач организации систем диагностирования, строят алгоритмы процесса диагностирования.

При построении этих алгоритмов руководствуются базовыми алгоритмами решения основных задач диагностирования. Базовые алгоритмы представляют собой обобщенную последовательность действий, характерную для решения конкретной задачи диагностирования. Базовые алгоритмы строят на основе анализа возможных вариантов решения основных задач диагностирования и описывают на алгоритмических языках в виде логических, матричных и графических схем.