Сафарбаков А.М., Лукьянов А.В., Пахомов С.В. Основы технической диагностики деталей и оборудования. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

1.5. Объекты диагноза

Для

построения

математических

моделей

объектов

диагноза

процессе

проектирования

создания

систем

диагноза

необходимо

знать

физические

свойства

характеристики

этих

объектов

получении

таких

знаний

важное

место

занимает

изучение

возмож

ных

физических

неисправностей

объекта

также

параметров

характери

зующих

исправное

все

неисправные

состояния

объекта

При

этом

полезна

классификация

объектов

по

принципу

их

действия

по

назначению

по

сложности

по

энергетическим

другим

признакам

Необходимо

также

классифицировать

неисправности

по

их

видам

(

например

на

производст

венные

эксплуатационные

на

катастрофические

постепенные

опреде

лять

вероятности

или

частности

анализировать

причины

их

возникновения

разрабатывать

методы

определения

признаков

неисправностей

Рабо

ты

по

исследованию

параметров

объектов

включают

себя

разработку

ме

тодов

задания

допусков

определения

контрольных

соотношений

между

отдельными

параметрами

изучение

вопросов

точности

измерения

параметров

при

диагнозе

определение

законов

изменения

параметров

во

времени

Для

построения

оптимальных

алгоритмов

диагноза

большое

значение

имеет

организация

сбора

обработки

статистических

данных

особенно

по

вероятностям

возникновения

неисправностей

по

затратам

(

времени

энер

гии

материальных

или

денежных

средств

на

отыскание

неисправно

стей

их

устранение

Отметим

что

статистические

данные

важны

не

только

для

оптимизации

алгоритмов

диагноза

но

также

для

эффективного

реше

ния

задач

технической

прогностики

технической

генетики

Объектами диагноза

могут

быть

любые

технические

изделия

устрой

ства

или

системы

относительно

которых

имеет

смысл

ставить

решать

зада

чи

проверки

их

исправности

работоспособности

правильности

функциониро

вания

или

задачи

поиска

неисправностей

Последствия

любых

явлений

или

действий

которые

переводят

объект

некоторое

неисправное

состояние

называются

физическими неисправно-

стями

объекта

Объект

может

состоять

из

компонент

–

функционально

или

конструк

тивно

выделенных

частей

Тогда

совокупность

компонент

объекта

связей

между

компонентами

(

внутренних

связей

)

связей

объекта

внешней

сре

дой

(

внешних

связей

)

называют структурой

объекта

Понятия

исправного

неисправного

состояний

также

физической

неисправности

применимы

компонентам

объекта

его

внутренним

внешним

связям

Взаимодействие

объекта

внешней

средой

осуществляется

через

его

основные

дополнительные

входы

выходы

Сигналы

на

входах

выхо

дах

объекта

характеризуются

параметрами

тех

физических

величин

по

мощью

которых

передаются

указанные

сигналы

Это

–

входные

выходные

параметры

объекта

Часто

возникает

необходимость

рассматривать

внут-

ренние

параметры

объекта

такие

параметры

которые

не

являются

его

входными

или

выходными

Например

необходимо

замерить

сопротив

ление

резистора

снять

напряжение

на

трансформаторе

Последовательности

(

или

частном

случае

совокупности

)

возможных

значений

входных

параметров

образуют

множество

возможных

воздействий

на

объект

Аналогично

множество

ответов

объекта

определяется

последова

тельностью

(

или

частном

случае

совокупностью

)

значений

его

выходных

параметров

Таким

образом

воздействие

на

объект

(

ответ

объекта

)

характеризует

ся

составом

входов

(

выходов

)

теми

моментами

времени

которые

посту

пают

заданные

(

измеряются

получаемые

)

значения

параметров

на

этих

входах

(

выходах

Последовательность

(

совокупность

)

значений

указанных

парамет

ров

можно

называть

значением воздействия

(

ответа

Элементарная проверка

представляет

собой

некоторый

физический

эксперимент

над

объектом

определяется

значением

воздействия

подавае

мого

или

поступающего

на

объект

также

ответом

объекта

на

это

воздей

ствие

Значение

ответа

объекта

является

результатом

элементарной

провер

ки

Ясно

что

объект

находящийся

разных

технических

состояниях

может

выдать

разные

результаты

одной

той

же

элементарной

проверки

Понятие

элементарной

проверки

применимо

также

отдельным

компонентам

объекта

этом

случае

естественно

предполагается

доступность

входов

выходов

компонент

что

может

потребовать

организации

дополнительных

входов

выходов

объекта

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ, ЗАДАЧИ И

АЛГОРИТМЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

2.1. Математические модели объектов диагноза

Формализация

методов

построения

алгоритмов

диагноза

некоторого

объекта

предполагает

наличие

формального

описания

объекта

его

поведе

ния

исправном

неисправных

состояниях

Такое

формальное

описание

(

аналитической

табличной

векторной

графической

или

других

формах

)

бу

дем

называть

математической моделью объекта диагноза

Математическая

модель

объекта

диагноза

может

быть

задана

явном

или

неявном

виде

Явная

модель

объекта

диагноза

представляет

собой

совокупность

формальных

описаний

исправного

объекта

всех

(

точнее

каждой

из

рас

сматриваемых

)

его

неисправных

модификаций

Для

удобства

обработки

все

указанные

описания

желательно

иметь

одной

той

же

форме

Неявная

модель

объекта

диагноза

содержит

какое

либо

одно

формальное

описание

объекта

математические

модели

его

физических

неисправностей

правила

получения

по

этим

данным

всех

других

интересующих

нас

описаний

Чаще

всего

заданной

является

математическая

модель

исправного

объекта

по

ко

торой

можно

построить

модели

его

неисправных

модификаций

Общие

требования

моделям

исправного

объекта

его

неисправных

модификаций

также

моделям

неисправностей

состоят

том

что

они

должны

требуемой

точностью

описывать

представляемые

ими

объекты

их

неисправности

неявных

моделях

объектов

диагноза

модели

неис

правностей

кроме

того

должны

удовлетворять

требованию

удобства

их

со

пряжения

имеющимся

описанием

объекта

тем

самым

обеспечить

доста

точно

простые

правила

получения

других

описаний

объекта

Исправный

или

неисправный

объект

может

быть

представлен

как

дина

мическая

система

состояние

которой

каждый

момент

времени

определя

ется

значениями

входных

внутренних

выходных

координат

(

параметров

Частным

является

случай

когда

состояние

объекта

не

зависит

от

времени

Обратим

внимание

на

то

что

термин

«состояние объекта»

(

как

ди

намической

системы

обозначающий

совокупность

значений

параметров

объекта

определенный

момент

времени

не

следует

смешивать

термином

«техническое состояние объекта»

обозначающим

наличие

или

отсутствие

неисправности

объекте

Объекты

диагноза

разделим

на

классы

Объекты

все

координаты

ко

торых

могут

принимать

значения

из

континуальных

множеств

значений

отнесем

классу

непрерывных объектов

классу

дискретных объектов

причислим

объекты

диагноза

значения

всех

координат

которых

задаются

на

конечных

множествах

время

отсчитывается

дискретно

Если

значения

части

координат

объекта

заданы

на

континуальных

значения

других

–

на

конечных

множествах

то

объект

является

гибридным

Объекты

будем

называть

комбинационными,

или

объектами

без па-

мяти

если

значения

их

выходных

координат

однозначно

определяются

только

значениями

их

входных

координат

Последовательностными

или

объектами

с памятью

являются

объекты

которых

наблюдается

зависи

мость

значений

их

выходных

координат

не

только

от

значений

входных

ко

ординат

но

от

времени

Приведем

примеры

простых

объектов

разных

классов

резистивная

электрическая

сеть

–

непрерывный

объект

без

памяти

аналоговая

система

регулирования

обратными

связями

–

непрерывный

объект

памятью

диод

ный

дешифратор

двоичных

сигналов

–

дискретный

комбинационный

объект

двоичный

счетчик

–

дискретный

объект

памятью

аналого

цифровой

преобра

зователь

–

гибридный

объект

Часто

входные

внутренние

координаты

объекта

называют

входны-

ми

соответственно

внутренними переменными

выходные

координа

ты

–

выходными функциями

Мы

также

будем

пользоваться

этими

назва

ниями

Заметим

что

входные

переменные

выходные

функции

могут

быть

сопоставлены

как

основным

так

дополнительным

входам

соот

ветственно

выводам

объекта

Обозначим

символом

X n

мерный

вектор

компонентами

которого

являются

значения

входных

переменных

, x

, …, x

Аналогично

явля

ется

мерным

вектором

значений

внутренних

переменных

...

–

мерным

вектором

значений

выходных

функций

, z

, …, z

Запись

(

)

tYXZ

НАЧ

(2.1)

будем

рассматривать

как

некоторую

аналитическую

векторную

графиче

скую

табличную

или

другую

форму

представления

системы

передаточных

функций

исправного

объекта

диагноза

отражающих

зависимость

реали

зуемых

объектом

выходных

функций

от

его

входных

переменных

от

начального

значения

нач

внутренних

переменных

от

времени

Система

(2.1)

является

математической моделью исправного объекта.

Выделим

для

рассмотрения

конечное

множество

возможных

неис

правностей

объекта

Принято

различать

одиночные

кратные

неисправно

сти

Под

одиночной

понимается

неисправность

принимаемая

качестве

элементарной

такой

которая

не

может

быть

представлена

(

или

не

подлежит

представлению

)

совокупностью

нескольких

других

более

мел

ких

неисправностей

Кратная

неисправность

является

совокупностью

одновременно

существующих

двух

или

большего

числа

одиночных

неис

правностей

Символом

будем

обозначать

множество

всех

рассматривае

мых

(

не

обязательно

всех

возможных

)

одиночных

кратных

неисправно

стей

объекта

символом

–

множество

его

одиночных

неисправностей

Очевидно

∈

Будем

говорить

что

при

наличии

объекте

неисправно

сти

∈

Si ,...,2,1

или ,

∈

Oi ,...,2,1

он находится в

неисправном состоянии или является

неисправным.

Объект

диагноза, находящийся в

-неисправном состоянии, реализует

систему передаточных функций

),,( tYXZ

НАЧ

= , (2.2)

представленных в той же форме, что и передаточные функции (2.1). Заме-

тим, что начальное значение

нач

внутренних переменных i-неисправного

объекта может не совпадать с их начальным значением Y

нач

в исправном

объекте. Система (2.2) для фиксированного i

является

математической

моделью i-неисправного объекта.

Система (2.1) и совокупность систем (2.2) для всех

∈

образуют яв-

ную модель объекта диагноза. Будем такую модель обозначать записью

{

}

),(

ψψ

Часто, как отмечалось выше, в явном виде задается только модель

исправного объекта, т.е. зависимость (2.1), а поведение объекта в i-

неисправных состояниях представляется косвенно через множество S воз-

можных неисправностей. В этом случае неявную модель объекта диагноза

образуют: зависимость (2.1), множество S возможных неисправностей объ-

екта (представленных их математическими моделями) и, наконец, способ

вычисления зависимостей (2.2) по зависимости (2.1) для любой неисправ-

ности s

. Такую неявную модель объекта диагноза будем обозначать запи-

сью ),,(

ψψψ

→ .

Если математические модели неисправностей известны для всех

∈

то преобразованием

→

можно получить все зависимости

(2.2) и тем самым от модели

),,(

ψψψ

→

перейти к явной модели

{

}

),(

ψψ

Если же математические модели некоторых или даже всех неис-

правностей из множества

неизвестны, то зависимости (2.2) могут быть

получены в результате физического эксперимента непосредственно над

объектом диагноза при наличии

в нем соответствующих неисправностей.

Модификацией этого подхода является использование при эксперименте

не самого объекта, а некоторой его физической модели.

Основным понятием, используемым при решении задач построения

и реализации алгоритмов диагноза, является элементарная проверка объек-

та. Рассмотрим вопросы задания моделей объектов диагноза в терминах

элементарных проверок объекта и их результатов.

Обозначим символом

множество всех допустимых элементарных

проверок

j ,...,2,1

объекта, т.е. таких его проверок, которые физи-

чески осуществимы в конкретных условиях проведения процесса диагноза.

Каждая элементарная проверка, по определению, характеризуется значени-

ем воздействия, подаваемого (поступающего) на объект при реализации

элементарной проверки, и ответом объекта на это воздействие. Значение

воздействия в элементарной проверке

∈

определяется составом

входных переменных и последовательностью во времени

их значений

также начальным значением

iнач

внутренних переменных. Ответ объекта в

элементарной проверке

характеризуется составом

{

}

контрольных

точек и значением (результатом элементарной проверки)

R ,

зависящим от

технического состояния объекта (отсутствие индекса

соответствует ис-

правному объекту).

Таким образом, результат

элементарной проверки представляется

в общем случае последовательностью

{

}

- мерных векторов и является

функцией значения

воздействия:

{

}

),(

γαψ

= .

Вместо

этой

записи

условимся

применять

более

короткую

- )(

πψ

для

исправного

объекта

, (2.3)

- )(

πψ

для

неисправных

объектов

. (2.4)

Описанию

фактического

поведения

объекта

соответствует

запись

)(

πψ

= . (2.5)

Связь между моделями типа (2.1), (2.2) и типа (2.3), (2.4) заключает-

ся в том, что последние могут быть получены путем подстановки в правые

части (2.1) и (2.2) значений

,, Y

нач

, t

(для каждой элементарной провер-

ки

∈

) и последующего вычисления значений тех компонент векто-

ров

, которые сопоставлены контрольным точкам из множеств

{

}

Явную модель объекта диагноза, когда зависимости (2.1 – 2.5) зада-

ны для всех

∈

, будем обозначать, как и прежде, записью

{

}

),(

ψψ

Неявная модель объекта диагноза в данном случае предполагает заданны-

ми мо

дель

исправного

объекта

множество

неисправностей

также

множество

допустимых

элементарных

проверок

поэтому

представляется

записью

),,,(

ПS

ψψψ

 →

2.2. Функциональные схемы систем тестового и

функционального диагнозов

Рассмотрим теперь более детально функциональные схемы систем

тестового и функционального диагнозов.

Будем считать, что алгоритм диагноза, реализуемый в той или иной

системе диагноза, задан и содержит множество П

∈

элементарных про-

верок.

Функциональная схема системы тестового диагноза показана на

рис.2.1. По командам блока управления (БУ), хранящего алгоритм диагно-

за, источник воздействий (ИВ) вырабатывает воздействия

элементарных

проверок П

∈

и в соответствии с алгоритмом диагноза в определенной

последовательности подает их через устройство связи (УС) на объект диаг-

ноза (ОД), а также, возможно, на физическую модель (ФМ) объекта. В об-

щем случае устройство связи (УС) может коммутировать каналы связи по

сигналам блока управления.

Если, например, система (рис.2.1) решает задачу проверки исправно-

сти объекта, то реализация физической модели сводится к представлению

функции

)(

(2.6)

для всех П

∈

. Для этого случая на рис.2.1 рядом с выходом физической

модели указано множество сигналов

{

}

R .

При поиске неисправностей объекта возможны разные варианты ор-

ганизации процесса тестового диагноза. Если до реализации процесса не-

известно, исправен объект или неисправен, то в физической модели долж-

ны быть представлены как зависимость (2.6), так и зависимости:

)(

πψ

(2.7)

для всех Ss

∈

и всех П

∈

, т.е. множество выходных сигналов физиче-

ской модели образуют множества

{

}

R и

{

}

R .

Рис.2.1. Функциональная схема системы тестового диагноза

Часто процесс тестового диагноза организуют в два этапа: сначала

реализуют алгоритм проверки исправности объекта и только в случае по-

лучения результата проверки «объект неисправен» переходят к реализации

БУ

ИВ

ФМ

ИУ

БРР

УС

ОД

{

}

{

}

СД

Результаты

диагноза

алгоритма поиска неисправностей. При наличии предварительной инфор-

мации о том, что объект неисправен, для решения задачи поиска неисправ-

ностей достаточно, чтобы физическая модель реализовала только зависи-

мости (2.7), т.е. выдавала множество сигналов

{

}

R .

Таким образом, физическая модель объекта выдает информацию о

возможных технических состояниях объекта в виде возможных результатов

R ,

R элементарных проверок из множества П

Эта информация поступает

в блок расшифровки результатов (БРР).

Ответами объекта диагноза на воздействия

являются фактические

результаты

R элементарных проверок П

∈

. Эти результаты через уст-

ройство связи (УС) поступают на измерительное устройство (ИУ) и затем с

выхода последнего (в некоторой, возможно, преобразованной форме) – на

вход блока расшифровки результатов. Показанная на рис.2.1 пунктиром

обратная связь между блоком расшифровки результатов (БРР) и блоком

управления (БУ) выполняется тогда, когда реализуемый в системе алгоритм

диагноза представляет собой условную последовательность элементарных

проверок. В этом случае очередная элементарная проверка из множества П

назначается в зависимости от фактических результатов

R предшествую-

щих ей элементарных проверок.

В блоке расшифровки результатов производится сопоставление воз-

можных

{

}

R и

{

}

R и фактических

R результатов элементарных проверок,

назначаются очередные элементарные проверки и формируются результаты

диагноза.

Функциональная схема системы функционального диагноза показана

на рис.2.2.

Характерной особенностью таких систем, как уже отмечалось, явля-

ется отсутствие в средствах диагноза источника (тестовых) воздействий. На-

помним, что теперь объект в процессе диагноза применяется по своему на-

значению или находится в режиме имитации такого применения: воздейст-

вия

являются рабочими и поступают на основные входы объекта.

С объекта снимаются, во–первых, сигналы управления (на рис.2.2

они обозначены символом y

) средствами диагноза и, во–вторых, сигналы

R ответов объекта на воздействия

. Сигналы y

– нужны тогда, когда

имеется необходимость управления физической моделью (ФМ) и блоком

управления (БУ) в зависимости от режима работы объекта. Блок управления

по сигналам y

, а также, возможно, по сигналам обратной связи от блока рас-

шифровки результатов (БРР) осуществляет коммутацию каналов в устрой-

стве связи (УС). Если на систему функционального диагноза возложены

также функции защиты объекта, то (БРР) выдает команды на управление

объектом.

Рис.2.2. Функциональная схема системы функционального диагноза

Как и в системах тестового диагноза, блок расшифровки результатов

(БРР) производит сопоставление фактических результатов

R элементарных

проверок с возможными результатами

{

}

R и

{

}

R , выдаваемыми физиче-

ской моделью. Когда система решает задачу проверки правильности функ-

ционирования объекта, достаточно, чтобы физическая модель хранила и вы-

давала только множество

{

}

R результатов. При поиске неисправностей не-

обходимо знание также результатов

{

}

R .

Примером систем функционального диагноза являются широко рас-

пространенные системы централизованного контроля, в которых о техни-

ческом состоянии объекта судят по результатам сравнения фактических

значений параметров объекта с их верхними и нижними допустимыми зна-

чениями. В этом случае физической моделью объекта диагноза является

аппаратура хранения и выдачи указанных допустимых значений контроли-

руемых параметров.

В заключение отметим, что здесь были рассмотрены в определенном

смысле общие условия проведения процессов диагноза. Не всегда в прак-

тике требуется или возможно проведение диагноза с глубиной до каждой

одной неисправности Ss

∈

объекта (например, часто нет необходимости

различать неисправности одной и той же сменной компоненты объекта).

Иногда полезно обеспечить возможность формировать результаты тесто-

вого диагноза по ходу процесса и тем самым прекращать его, не дожидаясь

реализации всех элементарных проверок из множества П.

БУ

ФМ

ИУ

БРР

УС

ОД

{

}

{

}

Основные

входы

Основные

выходы

Результаты

диагноза

СД

В системах функционального диагноза не всегда можно конструк-

тивно четко отделить аппаратуру, принадлежащую объекту диагноза, от

аппаратуры средств диагноза. Более того, встроенные средства функцио-

нального диагноза могут использоваться для целей тестового диагноза, а

структура функционирующего объекта диагноза может отличаться от его

структуры при тестовом диагнозе.

Представленные на рис. 2.1 и 2.2 функциональные схемы систем ди-

агноза могут претерпеть те или иные изменения в зависимости от того, ка-

кими являются эти системы – автоматическими, автоматизированными или

ручными, какие применяются в них средства диагноза – универсальные

(управляемые по сменной программе) или специализированные, про-

граммные или аппаратурные и т.п.

2.3. Таблица функций неисправностей

Совокупность функций (2.3) и (2.4)

{

}

),(

ψψ

можно представить в

табличной форме.

Обозначим множество технических состояний объекта символом

Пусть

∈

обозначает его исправное состояние, а Ee

∈

– его i - неис-

правное состояние. Каждому i-му неисправному состоянию соответствует

неисправность

s из множества

, и наоборот.

Таблица 2.1

…

||s

…

|| s

…

||П

Построим прямоугольную таблицу, в строках которой поставим эле-

ментарные проверки

из множества П, а в столбцах – технические со-

стояния

из множества Е, или что тоже , функции

{

}

),(

ψψ

,...,2,1

реализуемые объектом, находящимся в исправном

или

-неисправном

состоянии. Значение индекса

i=0

относится к столбцу исправного со-

стояния

. На пресечении столбцов

и строк

таблицы проставим ре-

зультат

элементарной проверки

объекта, находящегося в техниче-

ском состоянии

. Множество всех результатов

, П

,...,2,1

;