ГЛАВА.2. Анализ работоспособности непрерывных объектов

Введение…………………………………………………………..

ГЛАВА 1. Объекты технической диагностики и их математические модели………………………………………………

1.1. Понятие диагностической модели и их классификация…

1.2. Диагностические модели аналоговых электронных средств….

1.3. Диагностические модели дискретных объектов…..………

1.4. Диагностические функциональные логические модели ….…

ГЛАВА 2. Анализ работоспособности непрерывных объектов…

2.1. Условия работоспособности объекта…………………….

2.2. Выбор совокупности показателей для оценки работоспособности объекта……….……………………..………….

2.3. Определение работоспособности сложного объекта…………

2.4. Методы определения работоспособности объекта…………..

ГЛАВА 3. Диагностика неисправностей непрерывных объектов

3.1. Признаки наличия неисправности в объекте………………

3.2. Поиск неисправностей, базирующийся на использовании параметров надёжности..…………………………………………..

3.3. Метод ветвей и границ.……………………………………….

3.4. Методы, базирующиеся на построении таблицы покрытий…..

3.4.1. Построение таблицы покрытий……………………………….

3.4.2. Построение оптимального теста с использованием функций предпочтения………………………………………………………..

3.4.3. Получение тестов путём булевых преобразований таблицы покрытий.

3.4.4. Метод ветвей и границ с использованием таблицы покрытий………………………………………………………………

Ведение

Непрерывное усложнение технических объектов, среди которых все более важное место занимают разнообразные электронные средства и системы, остро ставит проблему рациональной организации их эксплуатации. При этом все более важная роль отводится определению состояния эксплуатируемого объекта (или только что изготовленного нового объекта), которое под воздействием внутренних или внешних факторов (для эксплуатируемых объектов) или каких-либо производственных дефектов (для вновь изготовленных объектов) может изменяться. Знание этих изменений позволяет избежать аварийных ситуаций, с наименьшими затратами поддерживать объект в работоспособном состоянии, вовремя проводить ремонты и профилактические работы, а в случаях выхода объекта из строя – сокращать время и затраты на поиск неисправностей и их устранение.

Всеми вопросами, связанными с определением состояния технических объектов, локализацией неисправностей и дефектов в них, изучением характера изменений, происходящих в состоянии технических объектов при их эксплуатации занимается техническая диагностика.

Таким образом, техническая диагностика – есть область научно-технических знаний, сущность которой составляют теория, методы и средства определения состояний технических объектов, обнаружения и локализации их неисправностей и дефектов.

Техническая диагностика тесно граничит с теорией надежности, поскольку ее целью является повышение надежности эксплуатации сложных технических объектов. Однако, в отличии от теории надежности, которая занимается изучением и использованием средневероятных, статистических показателей, характеризующих надежность технических объектов при их серийном производстве, техническая диагностика занимается изучением методов, определяющих действительное состояние конкретных технических объектов.

Чтобы определить действительное состояние технического объекта необходимо, с одной стороны, установить, что и каким способом следует проверить в этом объекте, а с другой стороны, решить, какие средства для этого потребуются. Эти две стороны проблемы делят все задачи технической диагностики на две группы:

1) анализ объекта и выбор методов проверок с целью установления его действительного состояния;

2) построение технических средств для осуществления проверок и использование этих средств с учетом условий эксплуатации объектов различного назначения.

В основе методов технической диагностики лежит предположение, что диагностируемый технический объект может находиться в конечном множестве N состояний, которое может быть разделено на два подмножества N₁ и N₂.

Подмножество N₁ включает в себя все состояния, которые позволяют объекту нормально выполнять возложенные на него функции, т.е. N₁ включает в себя все состояния работоспособности объекта. Между собой они различаются лишь запасом работоспособности, который характеризуется приближением состояния объекта к предельно допустимому. Переход из одного состояния в другое в подмножестве N₁ определяется возникновением в объекте некоторых неисправностей, которые, однако, не приводят к потере работоспособности всего объекта.

Подмножество N₂ включает в себя все состояния, соответствующие возникновению в объекте таких неисправностей, которые приводят к потере работоспособности объекта.

Такая классификация состояний объекта позволяет разделить процесс диагностирования на два этапа.

На первом этапе устанавливают принадлежность объекта по состоянию к подмножеству N₁ или N₂. Этот этап может быть назван определением работоспособности объекта. Иногда даже не требуется определять в каком именно конкретном состоянии из подмножества N₁ находится объект. Однако знание этого конкретного состояния весьма полезно, т.к. позволяет определить запас работоспособности объекта, а следовательно с определенной вероятность предсказать момент перехода состояния объекта в подмножество N₂ и тем самым осуществить прогнозирование состояния объекта. Правда при этом необходимо знать влияние условий эксплуатации и их влияние на состояние объекта, а также возможность контроля показателей, характеризующих и условия эксплуатации, и изменения состояния объекта с течением времени.

На втором этапе определяют, в каком именно состоянии из подмножества N₂ находится проверяемый объект. Очевидно, что необходимость во втором этапе наступает лишь тогда, когда в результате первого этапа диагностирования было выявлено, что объект находится в неработоспособном состоянии (одном из состояний подмножества N₂). Этот этап может быть назван обнаружением и локализацией возникшей неисправности. Глубина диагностирования (степень локализации возникшей неисправности) должна быть согласована со степенью ремонтопригодности объекта (до типового элемента замены или отдельного компонента в электронных системах, например).

Состояния технического объекта можно определять, контролируя его параметры и характеристики или оценивая качество выполнения им рабочих функций. Под параметром объекта понимается физическая или математическая величина, характеризующая состояние всего объекта или его отдельного элемента. Характеристика объекта представляет собой зависимость одного параметра от другого или от времени.

Процесс определения действительного состояния объекта состоит из некоторой последовательности действий оператора и технических средств диагностирования, которая определяется программой и алгоритмами диагностирования.

Алгоритм диагностирования представляет собой совокупность операций, выполняемых в определенной последовательности с целью решения конкретной диагностической задачи.

Программой диагностирования является определенная во времени последовательность операций или алгоритмов по установлению действительного состояния объекта и характера его изменения.

В общем случае в процессе диагностирования участвуют диагностируемый объект, технические средства диагностирования и оператор. при этом необходима определенная организация взаимодействия объекта и средств диагностирования, т.е. система диагностики, которая в общем случае включает в себя и оператора.

Решение задач технической диагностики целесообразно начинать еще на стадии проектирования самого объекта. Основной задачей при этом является разработка диагностической модели объекта. Анализ этой модели позволяет сформулировать условия работоспособности объекта, определить признаки неисправностей и выбрать ограниченное множество параметров, показателей и характеристик, которые следует контролировать для установления действительного состояния объекта как непосредственно после его изготовления, так и в процессе эксплуатации. Одновременно следует решить вопрос о возможности и целесообразности прогнозирования изменений состояний объекта. При этом необходимо заранее позаботиться о контролепригодности объекта, т.е. принять такие конструктивные и схемные решения, которые облегчали бы контроль всех тех параметров, показателей и характеристик, по которым можно установить действительное состояние объекта.

Далее необходимо выбрать наиболее подходящие методы определения работоспособности объекта и принципы поиска возникшей неисправности. При выборе методов диагностирования необходимо учитывать возможности их технической реализации и условия эксплуатации объекта. Именно на этом этапе следует определить какие встроенные и внешние средства должны использоваться при диагностировании. Встроенные средства диагностирования, как аппаратные, так и программные составляют неотъемлемую часть самого объекта. Если же должны применяться и внешние средства, то на этом этапе должно составляться частное техническое задание (ЧТЗ) на их проектирование. Желаемая степень автоматизации процесса диагностирования определяется исходя из условий эксплуатации объекта и допустимых затрат и времени, и материальных средств на проведение процесса диагностирования.

На заключительном этапе проектирования системы диагностирования определяются критерии эффективности диагностики и методы их расчета. Наличие таких критериев позволяет ставить задачу оптимизации разрабатываемой системы диагностики.

Таким образом, в процессе проектирования системы диагностики технических объектов должны решаться следующие основные задачи:

1. Построение диагностической модели объекта.

2. Синтез диагностических алгоритмов и программ.

3. Разработка технических средств диагностики (встроенных и/или внешних).

4. Определение критериев эффективности диагностирования.

5. Оптимизация разрабатываемой системы диагностирования в соответствии с принятыми критериями эффективности.

Как всегда при проектировании сложных систем, эти задачи тесно взаимосвязаны и поэтому не может быть четких границ между различными этапами проектирования, посвященными решению указанных основных задач. Очень часто решения, принимаемые на последующих этапах, заставляют пересматривать ранее принятые решения. Например, решая задачу оптимизации системы диагностики, часто приходится пересматривать ранее принятые алгоритмы и программы диагностирования и вносить изменения в используемые технические средства.

Целью настоящей дисциплины является ознакомление с теоретическими и практическими вопросами технической диагностики и основными методами решения перечисленных выше задач.

Следует заметить, что техническая диагностика охватывает лишь часть задач, связанных с определением состояния технического объекта. Рассматривая эти задачи в целом, можно выделить три их типа.

К первому типу относятся задачи определения технического состояния, в котором находится объект в настоящий момент. Это и есть задачи технической диагностики.

Задачи второго типа – предсказание технического состояния, в котором окажется объект в некоторый будущий момент времени. Это задачи технического прогнозирования. Они очень важны для определения ресурса дорогостоящих и ответственных объектов, для которых переход в неисправное состояние может сопровождаться катастрофическими последствиями, причем среднестатистические методы определения ресурса, используемые в теории надежности здесь неприемлемы либо в силу уникальности данного технического объекта, из-за чего ресурсные испытания просто физически не могут быть проведены, либо вследствие высокой ответственности при эксплуатации данного объекта. В этом случае мы должны быть уверены, что именно данный объект, с учетом его индивидуальных особенностей и имеющейся к данному моменту степени износа не выйдет из строя в течение какого-то определенного срока, так как в случае преждевременного выхода его из строя последствия могут быть катастрофические, а преждевременная замена будет слишком дорого стоить.

К третьему типу относятся задачи определения технического состояния, в котором находился объект в некоторый момент времени в прошлом. Поэтому их можно назвать задачами технического генеза. Тогда область деятельности, занимающаяся этими задачами должна называться технической генетикой, хотя такое название еще не является общепризнанным. Однако сами задачи такого типа возникают довольно часто в связи с расследованием аварий технических объектов и выяснением их причин. При этом именно вследствие аварии состояние объекта, соответствующее моменту аварии, не сохранилось и его надо восстанавливать путем определения наиболее вероятных предысторий, приведших к наблюдаемому состоянию объекта. Для облегчения решения подобных задач сложные объекты, аварии которых могут привести к катастрофическим последствиям, снабжаются так называемыми “черными ящиками” – автоматическими регистраторами наиболее важных параметров объекта, которые тщательно защищены от всех возможных повреждений при аварии. В частности, такими устройствами снабжаются все пассажирские самолеты и некоторые другие транспортные средства. Хотя все три типа задач имеют целью определение технического состояния объекта, но методы решения задач разных типов различны. Наиболее специфичны задачи третьего типа и поэтому в дисциплине “техническая диагностика” их вообще не рассматривают. Что же касается задач технического прогнозирования, то они тесно связаны с задачами технической диагностики, поскольку их суть также сводится к разделению всех возможных состояний на два подмножества N₁ и N₂ и различению состояний внутри подмножества N₁, которые отличаются друг от друга “запасом работоспособности”. А уже дальше начинается специфика этих задач, состоящая в том, чтобы учитывая условия эксплуатации определить к какому моменту в будущем этот имеющийся на данный момент запас работоспособности будет выработан. Поэтому связь технической диагностики с техническим прогнозированием более тесная и задачи технического прогнозирования часто затрагиваются в технической диагностике.

Все указанные задачи так или иначе связаны с оценкой качества технических объектов, а именно их надёжностных показателей. Поэтому необходимо рассмотреть связи технической диагностики с теорией надёжности, которая изучает надёжностные показатели технических объектов и способы их оценки, показать их взаимоотношения и то место, которое занимает техническая диагностика в ряду дисциплин, связанных с оценкой и управлением качества продукции.

Среди показателей качества продукции (а любой технический объект можно рассматривать как продукцию) важное место занимают показатели надёжности: безотказность, долговечность, сохраняемость и ремонтопригодность. Наличие явных или скрытых дефектов, появление которых возможно на любой стадии жизненного цикла изделия и, особенно, на стадиях производства и эксплуатации, снижает реальные значения показателей надёжности. Широкая междисциплинарная область научных знаний и практической деятельности называемая управлением качества охватывает все аспекты, относящиеся к проблеме качества продукции. Среди этих дисциплин изучением показателей надёжности, методов их оценки как экспериментальных, так и расчётных занимается теория надёжности. В основе теории надёжности лежат вероятностные методы и именно поэтому они непригодны для оценки показателей надёжности какого-то конкретного изделия и может дать лишь усреднённые оценки для всего класса подобных изделий, учитывающие среднестатистические условия их производства и эксплуатации. При этом теория надёжности не затрагивает изучение дефектов и является первопричиной ненадёжности изделий. Классификацией, описанием дефектов и причин их появления занимается дефектология. Естественно, что физические характеристики дефектов и причины их появления специфичны для каждого вида продукции и зависят от используемых технологий при их производстве и условий эксплуатации. Поэтому дефектологии как единой науки не существует. Каждая отрасль производства вынуждена самостоятельно развивать основы дефектологии для своей продукции. Но поскольку целью производства является выпуск бездефектной продукции, то помимо дефектологии необходимо проводить поиск новых технологий, новых материалов, новых физических принципов работы выпускаемых изделий и других мер, направленных на предотвращение появления дефектов как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации изделий. Всё это составляет физический аспект проблемы надёжности изделий.

Помимо физического можно выделить аппаратурный, информационный и диагностический аспекты этой проблемы.

Аппаратурный аспект охватывает принципы и методы организации и использования аппаратурной (материальной) избыточности, направленной на повышение надёжности функционирования изделия даже в условиях появления дефектов в его элементах. Здесь рассматриваются методы аппаратурного резервирования (дублирование наиболее ответственных и нагруженных частей, распределённое резервирование и т. п.), которые позволяют при выходе из строя отдельных элементов изделия заменять их резервными, соответственно перестраивая структурные связи между элементами.

Информационный аспект надёжности включает в себя принципы и методы получения и использования избыточной информации, поступающей на объект, а также передаваемой, хранимой, перерабатываемой и выдаваемой объектом. Отсюда ясно, что информационный аспект применим прежде всего к информационным системам, к числу которых в той или иной мере можно отнести большинство электронных средств. Особенно он характерен для таких систем, в состав которых входят ЭВМ и другие вычислительные средства. Сюда же относят системы связи, системы автоматического управления и многие другие, включая сюда сами ЭВМ и информационно-измерительные системы.

Среди методов повышения надёжности, относящихся к информационному аспекту можно отметить применение избыточных кодов при передаче и хранении дискретной информации, повторение во времени операций передачи и обработки информации, применение нечувствительных к случайным сбоям алгоритмов управления и обработки информации и др.

Однако в рамках всех трёх указанных аспектов (а точнее методов или направлений) повышение надёжности объектов возникает проблема обнаружения и локализации дефектов. В рамках физического аспекта это необходимо для предотвращения неправильного функционирования объекта (ибо это может привести к серьёзным последствиям), а также для проведения ремонтных работ. В рамках аппаратурного аспекта для подключения резервных элементов вместо вышедших из строя и соответствующей реконфигурации структуры системы необходимо прежде всего локализовать дефект, то есть обнаружить дефектный элемент и определить сам факт неправильной работы системы. Аналогично и при информационном аспекте прежде всего нужно установить сам факт неправильного выполнения той или иной информационной операции, а потом уже предпринимать те или иные меры по исправлению ситуации (в частности, повторное выполнение той же операции). Таким образом, во всех случаях необходимо своевременно обнаружить и осуществлять локализацию дефектов как в выпускаемых, так и в уже эксплуатируемых механических объектах. Это и составляет диагностический аспект проблемы повышения надежности изделий. В рамках этого аспекта должны решаться задачи определения действительного состояния объекта, то есть организация проверки правильности функционирования объекта, а также задачи поиска и локализации дефектов, возникающих в объектах и в процессе их производства, и при их эксплуатации.

Все указанные аспекты проблемы повышения надежности тесно взаимосвязаны и преследуют общую цель – повышение надежности функционирования объектов. Поэтому необходим системный подход к их решению. Следовательно, диагностическое обеспечение, как и другие составные части этой проблемы должно разрабатываться еще на стадии проектирования сложных технических объектов. При этом диагностическое обеспечение должно обеспечивать полноту обнаружения дефектов заданных классов и должную глубину их поиска (детальности их локализации).

Идеальная полнота обнаружения всех возможных дефектов в большинстве сложных объектов недостижима. И ограничениями здесь часто всего выступают ограничения материальных и временных затрат на диагностику. Однако бесконтрольная неполнота обнаружения дефектов в системах диагностики ответственных объектов недопустима, поскольку может привести к очень серьёзным последствиям. Поэтому в тех случаях, когда не удаётся применить формализованные методы построения алгоритмов диагностирования, гарантирующих достижение необходимой полноты обнаружения дефектов, необходимо использовать существующие формальные методы проверки степени полноты обнаружения дефектов, что позволит при эксплуатации предпринять специальные меры, компенсирующие неполноту применяемой системы диагностики. Одним из наиболее эффективных методов проверки степени полноты обнаружения дефектов принятой системой диагностики является имитационное моделирование работы системы диагностики совместно с объектом на ЭВМ.

Для реализации диагностического обеспечения при проектировании объекта, как правило, требуется ввести дополнительную аппаратурную и информационную избыточность, не говоря уже о дополнительных затратах на разработку. Но эти затраты начнут окупаться немедленно уже в процессе изготовления изделия и его наладке и приведут к существенному снижению эксплуатационных затрат уже у потребителя.

Главными показателями качества системы диагностирования являются гарантируемые ей степень полноты обнаружения дефектов и глубина их поиска (локализации). В качестве ограничений выступают затраты на разработку и реализации системы диагностики, включая сюда и временные затраты. Наличие совершенной системы диагностики существенно повышает показатели надёжности объекта. Однако установить количественные связи между требуемыми значениями показателей надёжности и требованиями к глубине и степени полноты проектируемой системы диагностики в настоящее время не представляется возможным. Поэтому приходится согласовывать показатели надёжности проектируемого объекта и характеристики их систем диагностирования путём итеративного рассмотрения ряда вариантов. А это возможно лишь при наличии систем моделирования надёжности объектов на ЭВМ, которые включают в себя и моделирование систем диагностирования.

Как уже было сказано выше системы диагностирования должны разрабатываться для сложных и ответственных объектов самого различного назначения и различной физической природы. Ведущее место среди таких систем занимают разнообразные электронные средства. Поэтому проектирование любых электронных средств и, в особенности сложных и ответственных электронных систем должно обязательно включать и проектирование систем их диагностики.

ГЛАВА.2. Анализ работоспособности непрерывных объектов

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: