Портнягин Н.Н., Пюкке Г.А. Теория и методы диагностики судовых электрических средств автоматизации

Подождите немного. Документ загружается.

показатель, характеризующий время, надежность объекта.

В работе [31] составлены таблицы методов решения задач ди-

агностирования, которые объединены в библиотеку методов ди-

агностирования, где показатели диагностирования и показатели

ОД условно охарактеризованы численными значениями.

При таком подходе методы решения основных задач диагно-

стирования выбирают из библиотеки методов в результате полно-

го перебора по главному показателю и с помощью метода после-

довательных ус

тупок.

Недостатком такого подхода будет трудность определения вели-

чины 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 диаг-

ностирования, строят алгоритмы процесса диагностирования.

При построении этих алгоритмов ру

ководствуются базовыми

алгоритмами решения основных задач диагностирования. Базо-

вые алгоритмы представляют собой обобщенную последователь-

ность действий, характерную для решения конкретной задачи ди-

агностирования. Базовые алгоритмы строят на основе анализа

возможных вариантов решения основных задач диагностирования

и описывают на алгоритмических языках в виде логических, мат-

ричных и графических схем.

1.2. Х

арактеристика судовых электрических средств

автоматизации как объекта диагностирования

Наиболее существенными особенностями ЭСА как объекта

диагностирования являются следующие:

1. Многоэлементный, многосвязный, сложный, с наличием

замкнутых контуров обратных связей и большого количества па-

раметров, объект. Для организации диагностирования такого объ-

екта обычно требуется сложная система или значительное время.

2. Непрерывные с точки зрения описания во вре

мени проте-

кающих в них процессов ЭСА в ряде случаев являются динамиче-

скими системами, поэтому при диагностировании необходимо

учитывать и использовать их динамические характеристики.

3. Гибридный характер ОД, включающий элементы как не-

прерывного, так и дискретного характера преобразования сигна-

ла, что определяет различный подход при решении задач диагно-

стирования. В ЭСА построенных по дискретному принципу, ин-

формация обрабатывается в соответствии с правилами арифмети-

ки или формальной логики, что требует использования подобных

же принципов при построении алгоритмов диагностирования.

Оборудование непрерывного принципа действия преобразует фи-

зические величины в соответствии с заложенными непрерывными

отношениям

и, поэтому диагностирование подобного оборудова-

ния должно предусматривать имитацию в той или иной степени

этих отношений.

4. Наличие в ЭСА элементов, построенных по различным фи-

зическим принципам действия, что затрудняет получение универ-

сальных решений.

5. Случайно-периодический характер использования, т. к.

ЭСА работают периодически в длительном режиме.

6. Различный уровень надежности ЭСА и их э

лементов за-

трудняет организацию процесса диагностирования и создает не-

обходимость диагностирования в специальном режиме при поис-

ке дефектов и в рабочем режиме при проверке состояния, для

чего используются методы тестового и функционального диагно-

стирования. Только совместное использование тестового и функ-

ционального диагностирования может обеспечить требуемую

глубину и малое врем

я поиска дефектов с малыми затратами.

7. Для большинства элементов ЭСА, кроме дефектов типа

«пробой» и «обрыв», возможны частичные отклонения парамет-

ров, асимметрия идентичных параметров и другие весьма разно-

образные нарушения.

8. В ряде случаев для определения работоспособности ЭСА

требуется подача управляющих сигналов, удовлетворяющих оп-

ределенным требованиям. Поэтому очень важно при диагно

сти-

ровании ЭСА обеспечить контроль присутствия и правильности

управляющих сигналов.

9. Судовые ЭСА питаются от общей судовой сети и считают-

ся элементами нагрузки судовой электроэнергетической системы.

Поэтому при разработке методов и средств диагностирования не-

обходимо учитывать искажения напряжения, помехи и отсюда –

возможность искаженного диагноза.

10. ЭСА, как правило, – восстанавливаемый объект, так как

в процес

се эксплуатации при отказе в нем отдельных элементов

они подлежат замене. В настоящее время ЭСА имеют блочное

строение, поэтому существует возможность замены какого-

нибудь блока при его отказе. В этом случае при решении задачи

поиска дефектов сначала производится поиск с точностью до

блока, после чего производится поиск дефектов в блоке.

11. Для построения многих элементов ЭСА в настоящее вре-

мя применяются инт

егральные операционные усилители (ОУ).

Для успешного решения задачи диагностирования ЭСА необхо-

димо наличие общих методик диагностирования устройств, по-

строенных на интегральных ОУ.

12. На современных судах используются управляющие мик-

роЭВМ и ПЭВМ, которые могут быть использованы для решения

задач диагностирования. Разработанные методы и средства диаг-

ностирования ЭСА должны иметь реализацию на имеющихся на

су

дне ЭВМ.

13. Большое разнообразие условий диагностирования ЭСА во

многом определяет место расположения ОД. Место расположе-

ния ОД сказывается на объеме и характере технического средства

диагностирования (ТСД), а в ряде случаев может повлиять на вы-

бор задач и глубину диагностирования.

От времени, необходимого для диагностирования, существенно

зависит степень автомат

изации диагностирования, а программа ди-

агностирования может предусматривать переход от последователь-

ного к параллельному выполнению алгоритмов или операций.

14. Ограниченные возможности восстановления ЭСА в судо-

вых условиях из-за недостаточного количества и невысокой ква-

лификации обслуживающего персонала и ограниченного объема

запасных деталей. Этим объясняется тот факт, что в условиях

эксплуатации диагности

рование сводится к определению степени

работоспособности. Задачу поиска возникшего дефекта решают,

как правило, на базе во время ремонта судна. Эти и другие при-

чины требуют соответствующей автоматизации процесса диагно-

стирования судовых ЭСА.

Указанные особенности ЭСА как объекта диагностирования

должны учитываться при проектировании систем диагностирова-

ния, что позволит создать приспособленные к диагностированию,

пригодные дл

я ремонта ЭСА, правильно организовать эксплуата-

цию и использование оборудования и обеспечить поддержание

уровня его надежности.

В соответствии с изложенными особенностями судовых ЭСА

как объекта диагностирования далее рассматриваются основные

методы технического диагностирования на базе анализа разветв-

ленных электрических цепей[1, 11, 21, 49, 86, 93].

1.3. Методы технического диагностирования

Методы диагностирования делят на три группы:

1. Методы проверки работоспособности ОД.

2. Методы поиска дефектов ОД.

3. Методы прогнозирования технического состояния ОД.

Методы диагностирования сведены в соответству

ющие биб-

лиотеки, градированы по решаемым задачам и широко представ-

лены в работах [2, 12, 13, 23, 31, 42, 43, 53, 64, 73], там же приве-

дена формализованная процедура выбора метода

диагностирования для соответствующего ОД. Классификацию

методов диагностирования также можно проводить по степени

воздействия на ОД (функциональные и тестовые), по режимам

работы (статический, динамический), по виду диагностических

параметров (показатели качества, к

оэффициенты передаточных

функций), по используемому математическому аппарату (теория

идентификации, чувствительности, распознавания образов).

Диагностические модели и методы их анализа приведены

в работах [2, 12, 13, 19, 20, 22, 23, 28, 31, 32, 35, 36, 40, 42–45, 53,

54, 62, 63].

1.3.1. Методы поиска дефектов

Как правило, простои судовых технических средств, связаны

с необходимостью поиска и устранения дефектов, возникающих

в процессе эксплуатации судового оборудования. Большая часть

времени, затрачиваемая обслуживающим персоналом на вос

ста-

новление судового электрооборудования, и ЭСА в частности,

расходуется на поиск дефектов. Поэтому важно выбрать методы

и программы поиска дефекта, при которых обеспечиваются ми-

нимальные затраты на диагностирование.

Программа поиска дефекта зависит от принятого метода. На

практике применяются формальные методы поиска дефекта, та-

кие как метод последовательных поэлементных проверок, мето

последовательных групповых проверок, комбинационный метод,

а также логический, при котором не задаются жесткие программы

поиска дефекта [53–55].

Поиск дефекта методом последовательных поэлементных

проверок осуществляется посредством контроля функциональных

элементов системы по одному и по определенной программе.

Программу поиска дефекта оптимизируют по критерию миними-

зации среднего времени поиска дефекта, исходя из известных

значений среднего врем

ени проверки элементов и вероятности

отказов системы за счет отказа любого из

n-элементов.

При оптимизации программы диагностирования выбирают

различные критерии, по которым устанавливают оптимальные

программы последовательностей. Программу поиска дефекта

можно оптимизировать из условия минимума средних затрат на

поиск дефекта с учетом стоимости проверки каждого элемента.

Достоинством метода поэлементных проверок является не-

высокая цена разработки диагностического обеспечения и приме-

нимость при диагностировании любых функциональных схе

систем, неработоспособных элементов, а недостатком – относи-

тельно большое число проверок, в том числе и при оптимальных

программах поиска дефекта, так как при поиске отказавшего эле-

мента последовательно проверяются все предшествующие ему

в программе элементы в отдельности.

Используя метод последовательных групповых проверок, как

правило, сначала с помощью одной проверки можно у

становить,

что где-то в какой-то группе элементов есть дефект. Группы эле-

ментов выделяют, исходя из конструктивных особенностей ОД.

Поиск дефекта начинают с определения группы элементов, в ко-

торой имеется дефект, а затем делением этой группы на подгруп-

пы выявляют дефектный элемент.

Оптимальная программа поиска дефекта определяет нужную

контрольную точку, в которой следу

ет начинать проверку групп

и устанавливает последовательность дальнейшей разбивки на

подгруппы групп с дефектным элементом.

Способ разделения элементов на подгруппы при поиске дефектов

устанавливается на основе равенства информации, получаемой при

проверке каждой из двух подгрупп. Данный способ деления элемен-

тов системы на группы известен как способ половинной вероятности,

при котором контроль

ную точку проверки каждый раз выбирают из

условия разделения схемы с отказавшим элементом на две группы

с одинаковой вероятностью безотказной работы [53, 55, 56].

Известен комбинационный метод поиска дефектов, основан-

ный на анализе измеренного множества параметров, выбор ми-

нимальной совокупности которых зависит от используемой диаг-

ностической модели и заданной глубины поиска дефекта.

Суть минимизации основывается на том, что для диагности-

ческой модели ОД, с уч

етом функциональной связи элементов,

для решения задачи поиска дефектов, могут контролироваться

выходные параметры не всех функциональных элементов ОД.

Сокращение контролируемых параметров достигается путем

учета связей между элементами ОД. Выбор контролируемых па-

раметров производят на основании анализа функциональной схе-

мы ОД, затем строится таблица, в которой каждая строка опр

еде-

ляет двоичный код технического состояния ОД при отказе

соответствующего одного элемента, а различные столбцы соот-

ветствуют различным проверкам.

Для сокращения количества контролируемых параметров,

при поиске одиночных дефектов, на основе полученной таблицы

строят другую таблицу, в которую, при том же числе строк, вой-

дут столбцы с отобранными параметрами, каждый из которых

соответству

ет выходу элемента без разветвления, и столбцы, ко-

торые в совокупности с имеющимися обеспечивают различи-

мость всех одиночных дефектов в ОД.

Последовательность проверок значения не имеет, поскольку

для поиска дефекта контролируют в любом порядке полную со-

вокупность определяющих параметров, устанавливают парамет-

ры, находящиеся вне допустимых пределов, и по кодовому числу

определяют дефектный э

лемент.

Комбинационный метод эффективен при высокой степени

взаимосвязи отдельных элементов. В определенных пределах ме-

тод позволяет производить поиск кратных дефектов. При этом

двоичные коды соответствующих строк таблицы функций нера-

ботоспособности логически поразрядно умножаются. Получае-

мый при этом код для одновременно отказавших двух взаимоза-

висимых функциональных элементов системы будет совпадать

с кодом одного из этих элементо

в.

После устранения дефекта в этом элементе обнаруживается

второй дефектный элемент. При этом получаемый код может

совпадать с кодом одного из этих элементов, а в отдельных слу-

чаях может быть ошибочным, тогда дефектный элемент может

быть обнаружен только при усложнении структуры дешифратора.

Если в ОД имеются обратные связи, то при поиске дефекта

комбинационным методом цепи обратных связей либо разрыва-

ются, либо объединяют элементы с обратной связью в одну СЕ.

Комбинацио

нный метод используют для поиска неработоспособ-

ного функционального блока.

Рассмотренные выше формальные методы поиска дефекта

позволяют разрабатывать оптимальные программы поиска, для

реализации которых не требуется высокая квалификация обслу-

живающего персонала и с помощью которых процесс поиска мо-

жет быть автоматизирован, что позволяет при использовании

микропроцессорной техники в судовых сист

емах автоматизиро-

ванного управления и контроля сократить время поиска дефекта

примерно в десять раз.

Вместе с тем формальные методы имеют и недостатки, обу-

словленные, прежде всего, практической невозможностью учета

множества дефектов, которые могут появиться в процессе экс-

плуатации ЭСА, а следовательно, невозможностью построения

диагностических моделей, в полной мере отражающих реальные

дефекты. Кр

оме того, имеются трудности с получением исходной

информации о показателях надежности элементов.

Существуют неформальные логические методы поиска дефек-

та, при которых не задаются жесткие программы поиска дефекта

и для оптимизации процесса поиска учитывается дополнительная

информация, получаемая при выполнении проверок. Поиск дефек-

та ведется путем проверки выдвинутых при анализе проявлений

дефекта гип

отез о возможных причинах дефекта. В процессе про-

верок выдвигаются уточняющие гипотезы о причине дефекта, ко-

торые также проверяются, и так далее до обнаружения дефекта.

Логический метод не исключает одновременного применения

формальных методов на отдельных этапах поиска дефекта. Поиск

дефекта логическим методом требует более высокой квалификации

обслуживающего персонала и затрудняет автоматизацию процесс

поиска, так как при этом необходимо проводить анализ информа-

ции о признаках дефекта в целях ограничения области поиска.

При анализе диагностической модели ОД, как правило, раз-

рабатываются алгоритмы поиска дефектов. При этом задается

глубина поиска дефекта и ОД представляется множеством из чис-

ла

N взаимосвязанных СЕ. Базой для построения алгоритмов по-

иска дефектов обычно являются функциональные схемы ОД. При

построении алгоритмов поиска дефектов стараются выбрать та-

кую последовательность проверок, которая позволит найти де-

фект с наименьшими затратами.

Так, один из известных методов поиска дефектов предполага-

ет выполнение алгоритма последовательного поиска дефекта,

представляющего собой совокупность проверок, каждая из кот

о-

рых делит пространство состояний на две части (включающая

и не включающая искомое состояние).

В результате выполнения последовательности проверок по-

иск приводит к определенному состоянию, соответствующему

обнаружению неработоспособной СЕ. Последовательность вы-

полнения проверок при поиске дефекта представляется в виде

графа, где вершинами являются проверки, а ветви указывают на-

правление перехода в за

висимости от результата проверки, ко-

нечные вершины – суть обнаруживаемые дефекты [68, 70, 71, 74].

Недостатками такого подхода является регистрация только

одиночных дефектов, а также необходимость увеличения количе-

ства полюсов съема информации с ОД при росте размерности ди-

агностируемой электрической цепи.

Строить алгоритм поиска дефектов можно на основе извест-

ных свойств надежности, таких ка

к безотказность q

и ремонто-

пригодность

пi

, а также по отношению τ

пi

/ q

. Для построения та-

ких алгоритмов необходимо знать величины

и τ

пi

для каждой

СЕ объекта диагностирования.

Последовательность выполнения таких проверок строится на

основании известных значений вероятности отказа

структур-

ных единиц и по правилу: проверку начинать со структурной

единицы, на поиск дефекта которой затрачивается наименьшее

время. При этом вводятся следующие допущения: отказы СЕ не-

зависимы, одновременно отказывает только одна структурная

единица.

В этом случае алгоритм поиска может быть последователь-

ным. Для его реализации СЕ объекта, для которых задана вероят-

ность отказа

, упорядочиваются по величине и последовательно

выполняются проверки, начиная со структурной единицы, харак-

теризуемой наибольшей величиной

и заканчивая структурной

единицей, характеризуемой наименьшей. Если в качестве крите-

рия выбрать время, затрачиваемое на обнаружение дефекта

пi

, то,

зная значения

пi

для каждой структурной единицы, можно распо-

ложить их в ряд в порядке возрастания

пi

и построить алгоритм

поиска [53].

Следует отметить, что наряду с достоинствами такого подхо-

да введение допущений по независимости и неодновременности

отказов различных СЕ существенно ограничивает область приме-

нения метода в реальных условиях.

Представляет большой интерес метод, базирующийся на

предположении равной вероятности отказов всех последователь-

но соединенных СЕ и условии образования полной группы собы-

тий отказов всех СЕ. Это информац

ионный метод (

= q

= …

= q

= 1/n, где n – количество возможных состояний ОД). Пред-

полагается, что каждая проверка имеет два исхода: 0 и 1, а со-

стояние ОД перед началом поиска характеризуется максимальной

энтропией. Тогда каждая очередная проверка

будет давать оп-

ределенное количество информации о состоянии ОД и понижать

энтропию.

При построении алгоритма первой выбирается проверка, не-

сущая максимум информации. Второй выбирается проверка, ко-

торая обладает наибольшей условной информацией относительно

состояния, характеризуемого значением энтропии после проведе-

ния проверки, и т. д. Процедура заканчивается тогда, когда ус-

ловная энтропия становится равной нул

ю.

Недостаток информационного метода заключается в том, что

он может быть использован для ОД, схема которого обязательно

сводится к последовательному соединению элементов, вероятно-

сти отказов которых обязательно равны.

1.3.2. Методы диагностирования, основанные

на использовании функциональных и логических

моделей объекта диагностирования

Функциональная диагностическая модель может быть ис-

пользована при диагностировании р

азветвленных электрических

цепей высокой размерности при структурном подходе к анализу

топологии диагностируемой цепи, при представлении ОД в виде

совокупности СЕ, имеющих самостоятельное конструктивное

оформление [58, 67].

Функциональные диагностические модели отражают сово-

купность операций, выполняемых оборудованием и его отдель-

ными частями при функционировании. В качестве функциональ-

ной диагностической модели могут рассматриваться схемы связей

между отдельными СЕ, диаграммы прохождения сигналов или

алгоритмы функционирования.

Для построения функциональной модели ОД задаются мно-

жеством попарно различных состояний

S: S = {S

}, где i = 1, …, n,

множеством попарно различных проверок

П = {π

}, j = 1, …, m

и множеством результатов проверок

А = {а

С функциональной моделью сходна логическая модель. Она

является более простой и удобной моделью, используемой для

диагностирования объектов непрерывного действия. Эта модель

используется для объектов, имеющих четко выраженные функ-

циональные блоки.

При построении логической модели каждый из параметров

входного и выходного сигналов отдельного блока представляется

отдельным входом. Вследствие этого некоторые связи диагности-

ру

емой структуры окажутся «расщепленными», каждый блок

функциональной схемы заменится несколькими блоками, имею-

щими по одному входу и несколько существенных для данного

входа выходов [68].

В частном случае логическая модель может совпадать

с функциональной. Для построения функциональной и логиче-

ской моделей ЭСА целесообразно рассматривать их функцио-

нальную схему, когда каждый функциональный элемент ЭСА яв-

ляет

ся элементом функциональной или несколькими элементами

логической зависимости от количества выходов.

При построении функциональной диагностической модели

принимаются следующие предположения:

1. Все функциональные элементы исследуемого ОД пред-

ставляются в модели совокупностью функционально связанных

между собой логических блоков.

2. У каждого логического блока может быть только один вы-

ход и неограниченное количество вхо

дов.

3. Каждый функциональный элемент может находиться в од-

ном из двух несовместных состояний: работоспособен или нерабо-

тоспособен. Реакция работоспособного элемента считается допус-

тимой. Предполагается также, что допустимая реакция любого

элемента имеет место только в том случае, если все входные воз-

действия, приложенные к этому элементу, являются допустимыми.

4. Каждому состоянию ОД соответствует отказ только одного

элемента (либо отказы отсутствуют).

Каждое возможное состояние ОД, состоящего из

N-элементов, можно определить N-мерным вектором состояний S,

ν-я компонента которого равна единице, если сигнал на выходе

ν-го элемента удовлетворяет требованиям (ν-й элемент работо-

способен, воздействие, приложенное к

ν-му элементу, является

допустимым), и равна нулю в противоположном случае.

Для диагностики системы задаются также все возможные

проверки, которые будут выполняться для определения того или

иного состояния системы. Каждая проверка может иметь два ис-

хода: положительный, обозначаемый единицей, если реакция

контролируемого элемента допустима, и отрицательный, обозна-

чаемый нулем, если реакция этого элемент

а недопустима. Все

проверки считаются равноценными.

Для диагностирования реальной системы в каждом конкрет-

ном случае задается множество проверок

П = {π

}; i = 1, …, m.

Каждая проверка позволяет установить, какому исходу этой про-

верки (положительному или отрицательному) принадлежит под-

множество состояний, состоящее из

k-элементов.

На основе логического анализа функциональной модели

строится таблица состояний, в которой число столбцов соответст-

вует числу основных диагностических признаков (числу прове-

рок). Каждая строка таблицы – это результаты проверок опреде-

ленного состояния.

Таблицы состояний, получаемые в результате анализа функ-

циональной модели системы, обладают рядом свойств:

1. При наличии в системе обратных свя

зей в таблице появля-

ются тождественные строки и столбцы, свидетельствующие о на-

рушении однозначности соответствия между состояниями ОД

и совокупности различных численных значений системы прове-

рок. Такие состояния называют неразличимыми, а проверки экви-

валентными.

Проверку, которая в таблице состояний представлена одними

единицами или одними нулями, называют неразличающей про-

веркой и исключают из рассмотрени

я. Для исключения неразли-

чающих состояний необходимо ввести в таблицу дополнительные

проверки или изменить структуру ОД, оборвав обратные связи

системы. Тогда заданное множество проверок позволит одно-

значно определить любое состояние ОД.

2. Если в ОД предполагается наличие отказа одного и только

одного элемента системы, то ОД можно представить в виде ори-

ентированного графа. В этом слу

чае множество возможных со-

стояний ОД будет эквивалентно множеству его элементов.

После анализа модели и составления таблицы состояний вы-

бирается решаемая задача диагностирования. Если выбирается

задача определения работоспособности, то для ее решения отби-

рается своя совокупность проверок

пр

, если выбирается задача

поиска возникшего дефекта, то для ее решения выбирается тоже

своя совокупность проверок

пд

Для выбора совокупности оцениваемых прямых диагностиче-

ских параметров, при решении задачи определения работоспо-

собности попарно сравнивают результаты проверок (строки таб-

лицы состояний). Первая строка (вектор проверок,

соответствующий работоспособному состоянию ОД) сравнивает-

ся с последующими строками. Результаты сравнения заносят в

таблицу, в которой в каждой строке стоит единица или нуль. Нуль

– если проверка да

ла одинаковые результаты, и единица – если

проверка дала разные результаты.

Производя анализ полученной таблицы, исключают строки не-

различимых состояний и составляют алгоритм проверки работо-

способности

, т. е. определяют сколько и какие проверки необ-

ходимо выполнить, чтобы определить работоспособность ОД. Для

этого отбирают из всех проверок только те, которые позволяют

установить, что объект находится в работоспособном состоянии.

Для решения задач поиска дефекта определяют совокупность

пд

для этого попарно сравнивают результаты проверок всех состояний

и составляют таблицы. Количество вариантов попарного сравнения

определяют комбинаторно через число сочетаний

, где к – коли-

чество неработоспособных состояний. После удаления строк не-

различимых состояний определяют минимальное количество про-

верок, однозначно идентифицирующих дефект. Для этого

выбирают такое количество проверок, чтобы в каждой строке бы-

ла, по крайней мере, хотя бы одна единица (тогда отобранные про-

верки будут различать все сочетания состояний).

Рассмотренные виды моделей применяются при реализации

допусковых методов технического диагностирования. Примене-

ние допусковых методов не всегда эффективно, т. к. необходимо

согласовать допуски на выходные сигналы одних составных час-

тей с системой допусков на входные сигналы других составных

частей, непосредственно связанных с первыми.

Кроме того, использование функциональных и логических мо-

делей не по

зволяет различать дефекты блоков, охваченных обрат-

ной связью, т. к. появление недопустимой реакции на выходе лю-

бого блока контура обратной связи приводит к появлению

недопустимых реакций на выходах всех остальных блоков, входя-

щих в этот контур. Поэтому реакции всех блоков, охваченных об-

ратной связью, всегда имеют одно и то же з

начение. Это обстоя-

тельство приводит к необходимости разрывать обратные связи

в ОД, что не всегда является возможным. Решение такого рода

задач требует привлечение более сложных математических моде-

лей, описывающих объект более точно, чем модели логического

типа. Поэтому для решения задачи поиска дефекта в ЭСА, как пра-

вило, сначала рассматривается диагностическая модель л

огическо-

го типа, а затем, при необходимости, привлекаются более сложные

аналитические модели для отдельных частей и блоков ЭСА.

1.3.3. Методы диагностирования, основанные

на использовании аналитических диагностических моделей

Аналитическая модель ОД в общем случае может быть запи-

сана в виде:

Y = А

где X – вектор входных воздействий, Y – вектор реакций ОД,

А – оператор преобразования.

Структура и параметры оператора

А отражают показатели ка-

чества работы ОД. При этом задачи проверки работоспособности

и поиска дефектов решаются проверкой соответствия действи-

тельного оператора

А заданному А

[61, 69].

Операторы

А и А

должны определяться при фиксированном

значении характеристик входных воздействий, т. е. в одном ре-

жиме работы ОД [30, 31, 75]. В частности, работоспособность

ЭСА можно проверить по его реакции на единичную ступенча-

тую функцию т. е. по переходной характеристике [38, 72]. В рабо-

тах [19, 38, 72, 102, 103] описываются методы и средства для кон-

троля работоспособности ОД по показателям качества переход-

ной характеристики.

Методы и устройства получения частотных характеристик

для решения задач диагностирования, применимые для ЭСА,

описаны в работах [71, 72, 112, 117].

В случае невозможности организации требуемых режимов

работы ОД, обойти эти тру

дности можно применением подхода,

предусматривающего формулировку условий работоспособности

непосредственно на множестве диагностических параметров

[12, 77]. Эта задача может решаться методами теории чувстви-

тельности [39, 56, 116], методом малого параметра и другими.

Недостатком этого подхода является приближенное задание

области работоспособности в виде прямоугольного параллелепи-

педа, что приводит к ошибкам контроля. Для перечисленных вы-

ше случаев проверки работоспособности необходима подача на

ОД специ

ального тестового воздействия [24, 25, 51, 57, 117].

При проверке работоспособности в процессе функциониро-

вания ОД можно использовать метод, заключающийся в сравне-

нии выходных реакций ОД и его эталонной модели, включенной

параллельно с ОД [67, 103, 104]. Достоинство этого метода состо-

ит в том, что он позволяет решать задачу проверки работоспособ-

ности динамического зве

на, являющегося частью сложного ОД,

при отсутствии доступа к входу и выходу этого звена [104].

Другой метод проверки работоспособности в процессе функ-

ционирования ОД состоит во введении избыточности в исходную

систему [14]. Недостатком этих методов следует считать отсутст-

вие информации о степени отклонения показателей качества пе-

реходного процесса, устойчивости ОД, поскольку применяется

специальное задани

е условия работоспособности.

Поиск дефектов в ЭСА может строится в виде последова-

тельности контрольных операций с определением параметров,

характеризующих состояния отдельных блоков, элементов ЭСА

и дальнейшем сравнением их с допустимыми значениями. При

этом план поиска может основываться на известных статических

характеристиках элементов ЭСА [51], на информационной оценке

процесса диагностирования [65] или на основе ана

лиза структур-

ных особенностей ОД [27]. Недостатками этого метода являются

неполнота диагноза, значительное суммарное время поиска за

счет последовательной процедуры измерений, необходимость

большого числа тестовых воздействий и разрыв связей между

элементами.

Поиск дефектов в динамическом режиме позволяет осущест-

влять методы, использующие алгоритм распознавания образов

[76]. При этом распознавание состояний ОД может производить-

ся либо в пространстве выходных сигналов ОД [115], либо в про-

странст

ве параметров модели ОД [76].

Для решения задачи методом распознавания образов необхо-

димо определить совокупность диагностических параметров

{ξ

}; j = 1, …, k и построить образы отказавших блоков или СЕ,

для которых требуется определить дефект. Для этого сначала

формируется таблица неработоспособных состояний путем физи-

ческого или математического моделирования с учетом заданной

глубины поиска дефекта.

В диагностической модели могут использоваться дифферен-

циальные и алгебраические уравнения. После введения дефекта

в каждую СЕ, приводящего к ее отказу и отказу ОД измеряются

значения параметров с помощью датчиков, ус

тановленных в со-

ответствующих контрольных точках.

Результаты эксперимента сводятся в таблицу, число строк ко-

торой равно числу возможных дефектов в ОД

S = {S

}, где

i = 1, …, n, а число столбцов множеству значений измеряемых

параметров

{ξ

}. На пересечении i-го столбца и j-й строки запи-

сывается значение параметра

при отказе i-й СЕ, т. е. состоя-

ния объекта

. Из рассматриваемой совокупности параметров

{ξ

} выделяют наиболее информативные, доступные измерению,

однозначно соответствующие тому или иному отказу.

Совокупность диагностических параметров можно выбрать,

воспользовавшись принципом разрешающей способности пара-

метров:

= {ξ

∈ {ξ

} / │ξ

– ξ

αj

│> ξ

пор

где j = i, …, (n–1), α = (i + 1) … n, ξ

пор

– значение порога чувстви-

тельности

пор

технического средства диагностирования.

Для выбранной совокупности диагностических параметров

имеется ряд чисел

. Совокупность этих чисел геометрически

интерпретируют как точку в многомерном пространстве диагно-

стических параметров. В результате в пространстве параметров

появятся множества точек, характеризующих состояние ОД с со-

ответствующими отказавшими СЕ. Распознавание дефекта в этом

случае сводится к определению расстояния между точкой, соот-

ветствующей текущему состоянию ОД и всеми точками соответ-

ствующими неработоспособным состояниям. В результате проце-

ду

ры распознавания осуществляется поиск дефекта СЕ,

приведшему к отказу ОД [115].

Основным недостатком метода распознавания образов являет-

ся недостаточно высокая гарантия выполнения однозначности

идентификации дефекта в силу того, что области работоспособно-

сти могут оказаться довольно обширными, а вероятность наложе-

ние двух или нескольких областей может быть достаточно высока.

Существует метод поиска дефекто

в, основанный на анализе

чувствительностей функций передачи к изменениям параметров

СЕ объекта диагностирования. В реальном ОД величина функции

передачи зависит от структуры ОД и величин параметров его СЕ.

Все изменения, происходящие в ОД, приводят к изменению соот-

ветствующих функций передачи. В связи с этим различная чувст-

вительность функций передачи находится как ст

епень их измене-

ния при варьировании какого-либо параметра.

Количественная оценка чувствительности дается через частные

производные от функции передачи по изменяющемуся параметру:

∂

где T

– функция передачи от i-го полюса к j-му полюсу, r

– из-

меняющиеся параметры.

Сравнивая чувствительности, можно упорядочить диагности-

ческие параметры по их влиянию на изменение состояния ОД, что

составит алгоритм поиска дефекта. Обнаружить возникшие де-

фекты можно с помощью как рабочих, так и специальных тесто-

вых сигналов.

Для поиска дефектов в линейных ОД используются методы,

развитые в теории идентификации [92, 116]. Специфика диагно-

стирования при этом зак

лючается в том, что известными должны

быть структурные и топологические особенности ОД, а определе-

нию подлежат только величины передаточных функций отдель-

ных СЕ. Задача построения алгоритмов ПД при этом решается

либо через определение коэффициентов передачи всего ОД

с дальнейшей локализацией дефектов через известные уравнения

связи между коэффициентами и параметрами отдельных СЕ

[104], либо через непосредственное определение значений пара-

метров, характеризующих техническое состояние отдельных СЕ

с помощью алгоритмов идентификации. При определенной

структуре ОД, его модели и известных номинальных значениях

параметров его СЕ решение зад

ачи ПД может быть сведено к ре-

шению обратной задачи теории чувствительности [92].

Недостатком первого подхода является необходимость реше-

ния системы нелинейных алгебраических уравнений относитель-

но искомых параметров СЕ. При реализации второго метода воз-

никают неудобства, заключающиеся в сложности получения

функций чувствительности динамических характеристик к изме-

нению параметров, характеризующих состояние ОД. Пр

ичем

с увеличением глубины поиска дефекта или сложности структуры

ОД эти неудобства возрастают. Тем не менее, применение теории

чувствительности при разработке алгоритмов диагностирования

принципиально позволяет едиными методами решать задачи про-

верки работоспособности [26], поиска дефектов [77] и выбора

контрольных точек в ОД [67].

Поиск дефекта или определение состояния, в котором находится

ОД, выполняется по алгоритму, включающему оп

ределенную сово-

купность проверок. Основополагающим принципом, которым руко-

водствуются при построении алгоритма ПД, является принцип ми-

нимальных затрат – программных, временных и аппаратных.

Если не касаться методов индикации, то все возможные ме-

тоды поиска дефектов в судовых ЭСА можно разделить на мето-

ды, алгоритм поиска дефекта которых основывается на из

вестных

статистических характеристиках элементов, и методы, основан-

ные на данных анализа структуры ОД.

Наличие статистических данных позволяет построить алго-

ритм поиска по степени надежности контролируемых элементов,

по максимальному получению информации для каждой после-

дующей операции, а также на базе использования метода ветвей

и границ. Анализ структуры ОД может быть выполнен на основе

использован

ия дифференциальных и алгебраических уравнений,

описывающих ОД, передаточных функций контролируемой сис-

темы или методами инженерно-логического анализа [65].

Общим недостатком всех методов, построенных на использо-

вании статистических данных, является то, что они учитывают не

важность блоков и действительное состояние системы, а вероят-

ностные величины, получаемые в результате анализа и обработки

информации о подобных или сходных системах, т. е. статистиче-

ские методы поиска, которые могут быть использованы только

при наличии достоверны

х статистических данных [14].

Стремление повысить эксплуатационную надежность систе-

мы вызывает необходимость подвергать маршруты поиска непре-

рывной корректировке при изменении показателей системы, что

несколько снижает ценность результатов, полученных таким пу-

тем. Поэтому необходимо разумно сочетать статистические веро-

ятностные методы поиска дефекта с методами, основывающими-

ся на анализе структуры системы, которые позволяют разделить

систему на блоки или группы блоков и элементов.

К методам, основанным на анализ

е структуры системы с ис-

пользованием статистических данных о безотказности элементов,

относится метод, основанный на анализе функциональной моде-

ли. Анализ функциональной модели позволяет определить мини-

мальную совокупность проверок

{π

}, которая обеспечит решение

всех диагностических задач [73, 75, 78].

При поиске дефекта, как уже отмечалось ранее, составляют

таблицу состояний на основе функциональной схемы, булеву

матрицу, а затем определяют минимальное число проверок, вы-

полнение которых позволит различить любое состояние [58, 75].

Полученные данные о структуре ОД могут быть использова-

ны для решения задачи ПД методом ветвей и границ, бази

рую-

щемся на анализе таблицы состояний и позволяющем получить

программу поиска с минимальными затратами. При этом стои-

мость реализации заданной последовательности проверок

Н оп-

ределяется выражением:

),P(C)Н(С

∑∑

где С

– стоимость i-й проверки, не зависящая от порядка выпол-

нения проверок,

– вероятность того, что система будет нахо-

диться в состоянии

, h – число внутренних вершин бинарного

дерева

H (π

∪ S, V), соответствующего программе поиска, а S и

V – соответственно количество висячих вершин и дуг в дереве.

Неопределенность в выборе первоначальной проверки позво-

ляет расположить любую проверку

(l = 1, …, m) в корневой

вершине и предположить, что поиск начинается именно с этой

проверки. Проверка

разбивает множество состояний S на два

непустых подмножества

и S

, которые соответствуют двум

возможным результатам проверки. Но т. к. последовательность

выполнения последующих проверок неизвестна, то искомые ре-

шения заменяют их нижними границами

СМ(S

) и СМ(S

Стоимость поиска, начинающегося с выбранной проверки

определяется соотношением:

CМ(π

S) = C

∑

++ ),S(CM)S(CMP

где С

– стоимость выполнения проверки π

. Из множества m про-

верок выбирают ту проверку, для которой нижняя граница наи-

меньшая. Затем определяют нижние границы для каждого из

подмножеств

и S

, выделенных на первом этапе:

СМ(π

, S

) и СМ(π

, S

где π

и π

– фиксированные проверки на втором этапе. Средняя

стоимость поиска при выбранных проверках на первом и втором

этапах определяется соотношением:

∑

++= ).S,(CM)S,(CMPC)S,,,(CM

tft0gfl

πππππ

Поступая в дальнейшем таким же образом, можно построить

программу поиска в виде дерева решений.

1.3.4. Экспериментальные методы разработки

диагностического обеспечения

В процессе эксплуатации судовых ЭСА, а также на стадии их

проектирования для целей диагностирования и разработки ЭСА

очень эффективным может оказаться применение эксперимен-

тального метода граничных испытаний [58, 63], суть которого

заключается в имитации отказов аппаратуры путем искусственно-

го изменения до определенных границ параметров элементов.

Выбирается выходной параметр системы, представляющий

монотонную функцию от входных параметров. Доп

устимое изме-

нение входного параметра определяется в зависимости от одного

из параметров устройства, который называется параметром гра-

ничных испытаний [93]. Такое исследование позволяет устано-

вить область, в пределах которой система работает безотказно.

Методика проведения граничных испытаний состоит в сле-

дующем: сначала устанавливаются номинальные значения вход-

ного параметра и параметра граничного испытания, далее с по-

мощью вариации параметра граничных и

спытаний, при

различных значениях входного параметра, находится граница об-

ласти работоспособности, за пределами которой выходной пара-

метр выходит за допустимые пределы. Положение рабочей точки

по отношению к границе области работоспособности будет ха-

рактеризовать реакцию ОД на изменение параметра исследуемого

элемента.

В процессе эксплуатации аппаратуры происходит дрейф ра

бо-

чей точки вследствие старения элементов и изменения их парамет-

ров из-за воздействия внешних и внутренних факторов. Тогда при-

ближение рабочей точки к границе области работоспособности

влечет за собой понижение надежности аппаратуры. Поэтому по-

ложение рабочей точки должно быть выбрано, исходя из условий

надежности, и определяться суммой трех допусков: производст-

венно

го, температурного и допуска на старение. При равновероят-

ном направлении дрейфа параметров рабочая точка должна распо-

лагаться в центре области безотказной работы.

В процессе эксплуатации граничный контроль позволяет вы-

явить элементы, параметры которых приближаются к предельно-

му значению, т. е. определить запас надежности аппаратуры. Для

этого необходимо иметь графики граничных и

спытаний аппара-

туры, снятые до начала ее эксплуатации. Граничный контроль

может проводиться во время профилактических проверок, что

позволяет свести к минимуму простои аппаратуры.

При диагностировании ЭСА, представленных в соответствии

с принятой глубиной поиска дефекта совокупностью СЕ, может

быть использован метод матричных преобразований, основанный

на сравнении матрицы узловых проводимостей, полученной экс-

периментально на моме

нт проведения диагностического экспе-

римента, с исходной матрицей.

Теоретическим обоснованием справедливости таких расчетов

служит положение о возможности построения матрицы узловых