Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева

Институт радиоэлектроники и телекоммуникаций

Кафедра Конструирования и производства микроэлектронной аппаратуры

Зиатдинова Я.Ф., Толок В.И.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА

АВИАЦИОННОГО РАДИОЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Курс лекций

Казань, 2009

1

Лекция № 1.

Тема 1. ВВЕДЕНИЕ.

1.1. Предмет курса.

Усложнение РЭО и тенденция к повышению уровня автоматизации систем управления воздушным движением выдвигают проблему оптимальной организации технической эксплуатации авиационного и радиоэлектронного оборудования (АиРЭО). Например, знание технического состояния объекта в любой момент времени позволяет оператору оптимизировать и увеличить эффективность эксплуатации объектов. Знание характера изменения состояния объекта и момента изменения его состояния позволяет ускорить ремонт и, тем самым, повысить величины параметров эксплуатационной надежности. Состояние и изменение характера состояния объекта оказывает влияние при принятии решения, повышая уверенность оператора в правильности диагностирования.

Известно, что создание АиРЭО связано с решением вопросов, основные из которых – повышение функциональной сложности РЭО, его комплексирование и микроминиатюризация, использование цифровых методов передачи, приема и обработки информации и т.п.

Термин «диагностика» происходит от греческого слова «диагнозис» что означает распознавание, определение. В процессе диагностики устанавливается диагноз, т.е. определяется состояние АиРЭО (объекта).

Технической диагностикой (ТД) называют науку о распознавании состояния технической системы, а процесс распознавания технического состояния носит название технического диагностирования. Этот процесс реализуется в системе технического обслуживания (СТО), которая содержит:

средства диагностирования, объект диагностирования, исполнителя (оператора), владеющего навыками диагностирования, методы диагностирования, регламентированные в нормативно-

технической документации.Таким образом, ТД изучает методы получения и оценки диагностической

информации, диагностические модели и алгоритмы принятия решений с целью повышения эксплуатационной надежности и ресурса технических систем, т.е. является одним из условий обеспечения качества функционального применения объекта. В отличие от теории надежности, которая исследует методы расчета средне–вероятностных статистических показателей объекта, ТД занимается изучением его действительного состояния. Однако в целях определения действительного состояния не исключена возможность использования

2

математического аппарата теории вероятности. Как известно, наиболее важным показателем надежности является отсутствие отказов во время функционирования (работы) проектируемой технической системы. Отказ в объекте, например, в радиоэлектронной системе посадки «Ось-1» в полетных условиях (в работе под нагрузкой) может привести к тяжелым последствиям.

ТД, благодаря раннему обнаружению предпосылок к появлению дефектов и неисправностей, позволяет устранить отказы путем их устранения в процессе технического обслуживания, что повышает надежность и эффективность эксплуатации, а также дает возможность проведения эксплуатации систем ответственного назначения по состоянию. В практике ресурс таких систем определяется по наиболее «слабым» экземплярам изделий. При эксплуатации по состоянию каждый экземпляр эксплуатируется до предельного состояния в соответствии с рекомендациями результатов технической диагностики. В процессе поиска неисправностей рекомендуется использовать параметры расчетной надежности, знания которых позволяют ускорить поиск и локализацию места отказа. Эксплуатация по техническому состоянию может дать экономический эффект, эквивалентный 30% стоимости общего парка машин.

1.2. Основные задачи технической диагностики.

ТД решает обширный круг задач, многие из которых являются смежными с задачами других научных дисциплин. Основной задачей ТД является распознавание состояния технической системы в условиях ограниченной информации. Теоретическим фундаментом для её решения является теория распознавания образов. ТД изучает алгоритмы распознавания применительно к задачам диагностики, которые рассматриваются как задачи классификации. Алгоритмы распознавания в ТД частично основываются на диагностических моделях, устанавливающих связь между состояниями технической системы и их отображением в пространстве диагностических параметров (сигналов). Важной частью проблемы распознавания являются правила принятия решений (решающие правила).

Решение диагностической задачи (отнесение объекта к исправному или неисправному состоянию) связано с риском ложной тревоги или пропуска цели. Для принятия обоснованного решения целесообразно привлекать методы статистических решений, разработанные впервые в радиолокации.

Решение задач ТД всегда связано с прогнозированием надежности на ближайший период эксплуатации (до следующего технического осмотра / регламентных работ). Решения должны основываться на диагностических моделях и соответствующих им алгоритмах.

3

Другим важным направлением ТД является теория контролепригодности. Под контролепригодностью понимается свойство технического объекта обеспечить достоверную оценку его технического состояния и раннее обнаружение неисправностей и отказов. Решение задач теории контролепригодности связано с разработкой алгоритмов поиска неисправностей, разработкой диагностических тестов, минимизацией процесса отыскания отказов.

Таким образом, решение задач технической диагностики сводится:1. К анализу объекта и выбору метода проверок с целью определения

действительного состояния;2. К разработке систем контроля параметров, обеспечивающих проведение

выбранных проверок с учетом требований к технической эксплуатации объекта.

1.3. Структура технической диагностики.

На рис.1.1 показана структура ТД. Она характеризуется взаимосвязанными направлениями: теорией распознавания и теорией контролепригодности. Теория распознавания содержит темы, связанные со статистическими методами распознавания (определение вероятностей состояния РЭО на основе Марковских процессов и изменения состояний в процессе эксплуатации, построение алгоритмов диагностирования и др.), со статистическими решающими правилами и моделированием систем технического диагностирования. Теория контролепргодности РЭО в процессе эксплуатации включает темы по разработке средств и методов получения диагностической информации (выбор допусков на диагностические параметры, поиска места отказа и прогнозирование состояния); по показателям диагностирования и контроля; по принципам построения систем технического диагностирования; по автоматизированному контролю и поиску места отказа / неисправностей.

Рис.1.1. 1.4. Структура авиационно-транспортной системы.

4

Техническая диагностика

Теория распознавания Теория контролепригодности

Алгоритм распознава-нияобразов

Правила решения

Диагности-ческие модели

Диагности-ческая ин-формация

Контроль состояния

Поиск неисправ-ностей

Обеспечение безопасности и регулярности полетов воздушных судов (ВС) гражданской авиации является доминирующим показателем качества функционирования всей авиационно-транспортной системы (АТС) страны. Как показано на рис.1.2, АТС может быть разделена на ряд взаимосвязанных и взаимопроникающих самостоятельных подсистем, каждая из которых будет являться частью другой структуры, содержащей свойственные только ей функциональные связи и протекающие процессы. Одним из основных признаков такой системы является наличие в ней обменных информационных потоков с последующей выработкой на основании обработки и анализа последних управляющих воздействий (решений).

Рис.1.2

В АТС и во входящих в неё эксплуатационных подсистемах основными информационными датчиками является бортовое и наземное РЭО. Контроль состояния, проводимый в конечные интервалы времени, позволяет повысить уровень надежности авиационно-транспортной системы.

1.5. Задачи инженерно-авиационной службы (ИАС) по совершенство-ванию технического обслуживания авиационной техники (СТО АТ).

Решение задач по повышению безопасности и регулярности полета связано с совершенствованием системы технического обслуживания авиационной техники.

Стратегия технического обслуживания (ТО) по состоянию с контролем параметра отдельных изделий, обуславливается требованиями, выполнение которых может быть достигнуто в процессе эксплуатации и промышленного производства.

К числу требований относятся:1. Сохранение уровня безопасности полетов;2. Наличие признаков, прогнозирующих уровень работоспособности;3. Возможность обнаружения и индикации отказов;4. Наличие соответствующих средств и методов контроля;

5

Авиационно-транспортная система

Летняя эксплуатация Управление воздушным движением

Коммерческая эксплуатация

Аэродромная эксплуатация

Техническая эксплуатация

5. Высокая степень технологичности при ТО и ремонте с заданными средствами;

6. Возможность быстрого восстановления отказавшего изделия РЭО;7. Сохранение уровня регулярности полетов;8. Экономическая эффективность.

При выполнении этих требований, основными требованиями остаются абсолютная безопасность полета и максимальная эффективность использования авиационной техники (АТ).

Выполнение всех требований является сложной задачей, т.к. АиРЭО является многофункциональным комплексом, с наличием множества внешних связей, с применением цифровых методов обработки информации и высоким уровнем автоматизированного управления.

Многообразие бортового и наземного АиРЭО обуславливает требование к уровню эксплуатации и ТО, а также к совершенствованию подготовки специалистов в области ТЭ.

Внедрение прогрессивных стратегий ТО по состоянию (ТОС) связано с решением ряда комплекса задач:

1. Решение задач прогноза ТО на стадии эксплуатации по предварительным проектировочным расчетам показателей надежности и апостериорным данным диагностики и контроля.

2. Разработка и внедрение эффективных средств ТД на стадиях исследования, проектирования и эксплуатации оборудования, обеспечивающих стратегию ТОС.

3. Внедрение мероприятий по метрологическому обеспечению ТЭ.4. Создание системы оценок качества эксплуатации и ТО.5. Выработка доверия специалиста ИАС к прогрессивным методам

ТОС, к оценкам и прогнозам технического состояния (ТС).

Для решения этих задач радиоинженер должен знать:1. Основные типы бортового и наземного АиРЭО, его характеристики,

принцип работы;2. Условия и особенности функционального применения;3. Структуру, стратегию, виды и методы технического обслуживания и

ремонта (ТОиР), ТД и контроля (ТДиК), эксплуатационно-техническую документацию и ГОСТы по ТД;

4. Правила проведения ТОиР, особенности контроля и метрологическую обеспеченность.

Радиоинженер должен уметь:1. Выбирать оптимальную совокупность параметров для определения ТС;

6

2. Моделировать изделия как объект ТОиР;3. Составлять и оптимизировать алгоритм поиска ТО, проводить

проверку на соответствие нормам технических параметров;4. Осуществлять поиск мест отказа и восстанавливать работоспособность;5. Прогнозировать ТС по статистическим данным и результатам

диагностирования;6. Рассчитывать технико-экономическую эффективность решений в области

ТОиР.

№1.Укажите неправильный ответ.Задачами технического диагностирования являются:а) анализ объекта диагностирования; б) выбор метода проверки технического состояния; в) построение технических средств проверок технического состояния; г) использование технических средств с учетом требований по технической эксплуатации объекта; д) сбор априорных и апостериорных статических данных.

№2. Укажите два правильных ответа.Какими теориями характеризуется структура технической диагностики:а) теория распознавания; б) теория вероятностей; в) теория контролепригодности;г) теория надежности.

№3. Укажите два правильных ответа.Основными требованиями стратегии инженерно-авиационной службы по совершенствованию обслуживания АиРЭО являются:а) сохранение уровня безопасности полета; б) обнаружение и индикация отказа; в) быстрое восстановление отказавшего изделия АиРЭО; г) наличие соответствующих средств и методов контроля; д) максимальная эффективность использования авиационной техники.

№4. Укажите один правильный ответ.Основными информационными датчиками авиационно-транспортной системы эксплуатации и обслуживания являются:а) системы управления воздушным движением;б) только наземные РЭО; в) только бортовые РЭО;

7

г) бортовые и наземные РЭО; д) диспетчерские РЭО.

№5. Укажите два правильных ответа.Техническая диагностика изучает:а) методы получения и оценки диагностической информации; б) методы расчета средне–вероятностных статистических показателей объекта; в) диагностические модели и алгоритмы принятия решений с целью повышения эксплуатационной надежности и ресурса технических систем.

№6. Укажите неправильный ответ. Основными задачами контролепригодности являются:а) разработка алгоритмов поиска неисправностей; б) разработка диагностических тестов; в) прогнозирование надежности на ближайший период эксплуатации; г)минимизация процесса установления отказов.

Лекция №2

Тема 2. СОСТОЯНИЯ АиРЭО И ИХ ИЗМЕНЕНИЯВ ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

2.1. Жизненный цикл АиРЭО. Техническая эксплуатация как этап жизненного цикла АиРЭО и её составляющие.

Изменение в АиРЭО происходит постоянно и во множестве форм. Крайними и противоположными формами является развитие (создание, усложнение, увеличение информационной емкости) и деградация (износ, разрушение, возрастание неопределенностей).

Все эти изменения, начиная с момента ее создания или возникновения и оканчивая ее полным разрушением (утилизацией), образует так называемый жизненный цикл АиРЭО. Этот цикл содержит следующие стадии: Исследование и проектирование; Изготовление и испытание; Эксплуатация; Утилизация.

Эксплуатация содержит следующие этапы: транспортирование, хранение, функциональное использование, техническое обслуживание и ремонт (ТОиР). ТОиР в качестве одной из операций включает техническую диагностику (ТД). В процессе ТД осуществляется определение технического состояния с определением точного (при необходимости с указанием) места, вида и причин дефекта.

8

Техническое обслуживание (ТО) включает в себя следующие этапы: диагностирование и контроль, монтаж, регулирование, восстановление, ожидание.

2.2. Свойства объекта диагностирования и его показатели качества.

Свойства, обеспечивающие пригодность объекта диагностирования удовлетворять определенным потребностям в соответствии с её назначением, определяют качество объекта. Качество объекта реализуется через показатели качества и эффективности. Показателем качества является количественная характеристика одного или нескольких свойств АиРЭО, составляющих его качество. Показателем эффективности использования АиРЭО является количественная характеристика степени достижения полезных результатов при использовании АиРЭО в конкретной эксплуатационной ситуации с учетом эксплуатационных затрат.

Показатели качества могут быть единичными и комплексными. Единичные показатели характеризуют одно свойство изделия. Например, единичным показателем является наработка радиоприемного устройства на отказ. Соответственно, этот показатель количественно характеризует безотказность приемника. Комплексные показатели определяют совместно нескольких простых свойств или одно сложное свойство системы. Таким показателем является коэффициент технического использования устройства:

kТИ=Т0/(Т0 +в +то),где: Т0 – средняя наработка на один отказ, в – среднее время восстановления, то – средняя продолжительность технического обслуживания.

Очевидно, что коэффициент kТИ зависит от безотказности, восстанавливаемости и трудоемкости технического обслуживания.

Совокупность параметров работоспособности (СП) может быть представлена n–мерным вектором П(n), область допустимых значений которого В(n). Тогда условие работоспособного состояния выглядит как П(n) В . Для выполнения этого условия каждый из параметров, принадлежащих совокупности П(n)=(u1,…ui …un), должен находиться в пределах uiн<ui<uiв, где uiн и uiв -допустимые соответственно верхние и нижние значения i-го параметра.

Параметры АиРЭО подразделяются на четыре группы: параметры функционального использования (ПФИ) – Пф(n1); технические параметры (ТП) – Пт(n2); параметры технической эксплуатации (ПТЭ) – Пэ(n3) и системные параметры (СП).

ПФИ характеризуют АиРЭО с точки зрения их потребительской сущности. ТП определяются инженерными решениями, реализуемыми на

9

стадиях исследования, проектирования и изготовления. Их количественные значения влияют на ПФИ на стадии эксплуатации. ПТЭ характеризуют АиРЭО как объект технической эксплуатации (технического обслуживания или ремонта). СП представляют АиРЭО как большую техническую систему.

Таким образом, жизненный цикл (ЖЦ) АиРЭО представляется упорядоченной совокупностью взаимосвязанных процессов и подобен сложной технической системе с включением элементов организации и управления. Общим для систем и процессов эксплуатации является постоянный переход АиРЭО из одного состояния в другое в течение жизненного цикла. При этом, переход из одного состояния в другое является следствием предусмотренного управления состоянием либо случайным процессом, который подчиняется стохастическим закономерностям. Объективным фактором изменения состояния являются значения измеряемых параметров. Определение состояния системы путем получения информации о значениях её параметров является неотъемлемой частью ЖЦ любого АиРЭО и основой его эффективного функционального использования. При этом параметры системы являются основными показателями качества её работы.

Несмотря на перечисленное многообразие параметров, характеризующих большинство АиРЭО, в ТД используется единая обобщенная структура и определенная совокупность параметров – ПФИ, ТП, ПТЭ.

ПФИ определяют функциональное назначение системы (например, пропускная способность АиРЭО). К ТП относят диапазон радиоволн, чувствительность, полоса пропускания радиоприемника и т.д. К ПТЭ относят параметры надежности (безотказность, долговечность, сохраняемость, ремонтопригодность и их взаимосвязи, т.е. показатели качества, которые определяют внутрисистемные и внешние связи).

2.3. Условия работы АиРЭО.

В процессе эксплуатации на АиРЭО действуют внешние и внутренние деградационные процессы, Д(t), стремящиеся перевести АиРЭО в предотказное cocтояние, Sп.o.(t). Таким образом, можно записать условие перехода: Д(t)>S(t)>Sп.о.(t).

На стадии жизненного цикла АиРЭО в процессе его технической ксплуатации (ТЭ) воздействуют три фактора: 1 – деградационный, 2 – поддержки на заданном уровне функционирования и 3 – восстановления. Средства диагностирования и контроля (СрД и К) активно используются при анализе второго и третьего из вышеперечисленных факторов, а в ряде случаев (особенно это касается современных систем АиРЭО) для определения глубины первого фактора. В процессе изготовления (при приемке) и эксплуатации АиРЭО подвергается различным внешним воздействиям, результатом которых

10

являются деградационные факторы, ухудшающие параметры, что приводит, в конце концов, к отказу аппаратуры, т.е. к выходу одного или нескольких параметров за пределы допуска или полное прекращение функционирования. Под воздействием внешних и внутренних деградационных факторов меняется ТС системы, S(t). По совокупности отрицательные внешние воздействия можно разделить на две группы: климатические и механические. Под воздействием процессов износа и влияния внешних климатических и механических факторов возникают отклонения параметров от нормы.

Другими словами, деградационные процессы, действующие на радиоэлектронную систему (АиРЭО), переводят систему в состояние, предопределяющее её для технического обслуживания. При техническом обслуживании система также меняет свои состояния под воздействием управляющих восстанавливающих процессов, среди которых определяющее значение имеет процесс технического диагностирования, т.е. процесс определения технического состояния системы.

Итак, переход системы из исправного, Sи(t), и работоспособного состояния, Sр(t), под воздействием деградационных процессов в предотказовое состояние, Sп.о.(t), можно представить в виде записи: Д(t)→Sр(t)→Sп.о.(t).

В случае, если степень воздействия технического обслуживания, Yт.о.(t), пропорциональна степени деградационного процесса, то система переходит в работоспособное (исправное) состояние, т.е. Yт.о.(t)=k[Sр.(t) – Sп.о.(t)].

Следовательно, прежде чем воздействовать на систему (АиРЭО), необходимо знать её состояние, либо предполагать, в каком состоянии она находиться.

2.4 Термины и определения в технической диагностике.

Если в системе имеется хотя бы один параметр, не соответствующий значению установленному в нормативно – технической документации (НТД) или близкий к этому состоянию, то система переходит из исправного состояния (ИС) в неисправное состояние (НеИС).

ИС будем называть состояние, при котором параметры системы соответствуют всем требованиям НТД.

НеИС – состояние, при котором имеется несоответствие хотя бы одному из требований НТД.

Любое несоответствие изделия или его элемента установленным требованиям называется дефектом. Термин «дефект» связан с термином «неисправность», но не является его синонимом, т.к. в НеИС изделия могут иметь несколько дефектов.

Дефекты различаются на:- явные (для выявления, которых в НТД предусматриваются

соответствующие правила, методы и средства);11

- скрытые (для выявления, которых соответствующие правила, методы и средства не предусмотрены);

- значительные (влияющие на эффективность использования АиРЭО);- критические (использование изделия по назначению не возможно или

нецелесообразно);- устранимые (устранение которых технически возможно и экономически

целесообразно).Сложность электронного оборудования, многообразие функций и режимов

его работы и т.п. приводят к появлению еще большего разнообразия дефектов и их проявлений.

Ситуационные воздействия внешних факторов влияют на появление дефекта.

Изменения температуры окружающей среды, могут вызвать изменение параметров элементов РЭС, например, уменьшение коэффициента усиления транзистора; увеличение проводимости утечки; увеличение внутренних механических напряжений, которые могут вызвать коробление материалов конструкции и т.п.

Возрастание влажности и осадков стимулирует деградационные процессы, вызывая пробои и пережоги в элементах.

При механических воздействиях (вибрации, перепад высот и т.д.) происходит возбуждение механических (резонансных) колебаний в элементах, которые, в свою очередь повышают уровень шума, что приводит к снижению чувствительности приемника и дальности действия РЛС.

Элементы электронного оборудования, в которых проявляются деградационные процессы можно разделить на две группы:

1) Элементы и устройства, в которых процесс функционального использования (ФИ) не требует «расходования» материала в течение всей стадии эксплуатации. При этом деградационные процессы износа не проявляются (или слабо проявляются). К таким элементам относятся диоды, интегральные схемы, транзисторы, резисторы, некоторые емкостные элементы и др.

2) Элементы, ФИ которых связано с «расходованием» материала. Это ЭВП, лампы бегущей волны, ЭЛТ, электромагнитные приборы и др.

Тенденция развития и совершенствования электронного оборудования связана с элементами первой группы. Однако, элементы второй группы должны так же оставаться в центре внимания при эксплуатации РЭС, т.к. они составляют значительную часть АиРЭО.

В процессе эксплуатации деградационные процессы приводят к деформации элементов. В результате совокупный параметр, который может

12

характеризоваться вектором Пф(t), изменяется во времени. Так как Пф(t) – переменный параметр ФИ, то и состояние S(t) будет переменной величиной.

Если параметры выходят из множества своих допустимых значений, например Пф(t) Пф.н или Пф(t) Пф.в, то считается, что система будет не соответствовать параметру, допускающего её к эксплуатации: Пф(t) Пф.доп , т.е. система становится неработоспособной.

По рис. 2.1: «ИСС» – исправное состояние; «РСС» – работоспособное состояние, при котором значение всех

параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствует требованиям НТД;

«НеРСС» – состояние, при котором хотя бы одно значение параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям НТД. В «НеРСС» система может функционировать;

«ФС» – функционирующее состояние; «НеФС» – не функционирующее состояние.

Рис.2.1

На рис.2.1 представлен обобщенный процесс изменения состояния системы под влиянием деградационных процессов.

Однако для сложных элементов систематический процесс восстановления отказавшего изделия обходится дорого. Проиллюстрируем это следующей таблицей:

Таблица 1

13

ИСС

РСС

ФС, НеРСС

Восстановление

Отказ РемонтНеФС

Элементное оборудование

Относительная мера экономического ущерба из-за отказа интегральной схемы (в относительных ед.)

Замена детали

Замена платы

Перепроверка и ремонт

Натуральные испытания, ремонт и повторные испытания

Аппаратура широкого индустриального пользования

1 2.5 2.5 25

Аппаратура промышленного значения

2 12.5 22,5 207

Аэрокосмическая аппаратура

7.5 7.5 150 106

Из таблицы видно, что лучше не доводить оборудование до отказа, и следует принимать профилактические меры по поддержанию работоспособности оборудования путем проведения операций по ТО, в частности по ТД.

Таким образом, процесс технического диагностирования можно представить как процесс получения информации о техническом состоянии радиоэлектронной системы с целью управления этим состоянием и поддержанием системы в работоспособном состоянии.

1.Укажите правильный ответ.Какой из следующих коэффициентов характеризует показатель качества объекта диагностирования:а) коэффициент технического использования, Кти = Т0 /(Т0 + τв + τтв ); б) коэффициент взаимозаменяемости, Квз = Wдм /( Wдм + Wп); в) коэффициент легкосъёмности, Кл = Wдм /Wп.

2. Составьте правильные утверждения из предложенных частей:а) Жизненный цикл АРЭОб) Эксплуатация АРЭОв) Техническое обслуживание

1). это-хранение, транспортирование, функциональное использование, техническое обслуживание и ремонт;

2). это- диагностирование и ремонт, монтаж, регулировка, восстановление и ожидание;

14

3). это-исследование, проектирование, изготовление и испытание, эксплуатация и утилизация.

3. Укажите два правильных ответа.Показатели качества могут быть:а) единичными; б) простыми; в) сложными; г) комплексными.

4. Назовите три фактора, воздействующие на АиРЭО на стадии жизненного цикла в процессе ТЭ:а) деградационный; б) разрушающий; в) поддержки на заданном уровне функционирования; г) восстановления. *

5. Укажите неправильные ответы.Какое из перечисленных технических состояний АиРЭО наиболее общее:а) функционирующее состояние; б) работоспособное состояние; в) исправное состояние.

6.Исправным состоянием объекта является:а) состояние, при котором допускается несоответствие параметров системы одному из требований нормативно-технической документации; б) состояние, при котором параметры системы соответствуют всем требованиям нормативно-технической документации.

7.Укажите правильный ответ.Термин «дефект» - техническое состояние объекта, при котором:а) выявлено несоответствие всем требованиям НТД;б) выявлено несоответствие хотя бы одного из требований НТД;в) выявлена неисправность;г) выявлен отказ.

13. Установите, какие из дефектов образуют группу понятий наиболее близко связанных между собой для определения состояния объекта:а) явные; *б) скрытые; *в) незначительные;г) значительные;* д) критические; *

15

е) устранимые. *

Лекция №3

Тема 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТЕЙ СОСТОЯНИЯ АиРЭО НА ОСНОВЕ МАРКОВСКИХ ПРОЦЕССОВ.

3.1. Резервирование как Марковский процесс.

Простым способом резервирования является параллельная работа n – элементов в системе. В этом случае отказ системы наступает при отказе последнего элемента, причем наибольшая эффективность подобного резервирования проявляется на уровне элементной базы (резистор, интегральная схема и т.п.).

Для невосстанавливаемой системы в качестве показателя надежности принимается вероятность безотказной работы как основного, так и резервного элемента. Предполагается, что вероятность отказа любого из них оценивается интенсивностью отказа.

Процесс резервирования усложняется в случае холодного резервирования, либо когда резервный элемент находится в состоянии облегченного резервирования. Это вызвано тем, что в состоянии готовности к включению при холодном резервировании отказ резервного элемента до его включения в работу не может наступить, а при облегченном режиме интенсивность отказа резервного элемента до включения ниже, чем при включении. Таким образом, решение задачи резервирования сводится к анализу процесса замещения отказавших основных элементов во времени.

Для упрощения рассмотрения примем, что процесс резервирования можно отнести к Марковскому процессу, предполагая, что любой не Марковский процесс можно свести к Марковскому, например путем увеличения числа технических состояний системы. Причем сама система из одного состояния в другое переходит мгновенно при поступлении отказа, а резервный элемент включается также мгновенно.

При этом переключатель резервирования является постоянно функционирующим элементом, который имеет Пуассоновское распределение отказов.

Подобные допущения справедливы как для систем без восстановления отказавших элементов, так и для систем с их восстановлением, т.к. надежность системы без восстановления отказавших элементов в предельном случае стремится к 0 (когда система выходит из строя), а надежность системы с

16

восстановлением отказавших элементов будет характеризоваться динамическим равновесием потоков отказов и восстановлений.

Для случая, когда в системе имеет место 1 основной элемент и (n-1) не функционирующих элементов, что соответствует случаю холодного резервирования, найдем надежность всей системы.

Обозначим через функцию вероятностей надежность i – ого элемента через p(i), где i=1,2…n, т.е. имеет место дискретное распределение появления случайного отказа.

Допустим, что основной элемент, проработав некоторое время τ, выходит из строя, и на его место включается 1-й резервный элемент, который, проработав случайное время τ2 , также выходит из строя, и на его место включается следующий элемент, и т.д., и, наконец, последний элемент, проработав время τn , выходит из строя, а с ним выходит из строя и вся система. Вероятность того, что за случайное время τ элемент откажет, будет характеризовать ненадежность системы:

F(τ)=1–p(τ)Плотность распределения отказов работы системы f(τ) будет определяться

производной функции распределения отказов.

;

При определении надежности системы часто используют не плотность распределения вероятности безотказной работы, а интенсивность отказов т.е. плотность отказов, которая характеризуется отношением ожидаемой частоты появления отказов к ожидаемому числу работоспособных элементов:

.

Если принять интенсивность отказов постоянной величиной во времени, т.е. λ(τ) = λ, то получим, что при экспоненциальном законе распределения отказа, выражение для определения надежности всей системы определятся как:

Здесь: Λi – интенсивность отказов рабочего элемента, Λ(τ) – условная вероятность, т.е. Λ(τ)= λi*τ.

Тогда плотность распределения отказов будет равна:;

ненадежность системы определяется равенством:;

а надежность всей системы оценивается приближенным выражением:

17

.

Для случая, когда система находится в облегченном режиме

функционирования резервных элементов, допускают, что система содержит 1

основной и (n-1) резервных элементов, надежности которых одинаковы, а

надежность основных, т.е. рабочих элементов не зависит от времени

пребывания их в нерабочем состоянии. Тогда надежность всей системы

определятся выражением: ;

где: Λ – интенсивность отказов рабочего элемента,

λ – интенсивность отказа в облегченном режиме.

Графически система с холодным резервированием, когда элемент А

замещается элементом В с помощью переключателя S представлена на рис.

3.1.

Рис. 3.1

В зависимости от того, какой из этих 3-х элементов отказал, система может находиться в одном из шести состояний:A B S – отказы элементов.λа λb λs – плотности вероятности интенсивности отказов.

Как видно из графа, система может быть работоспособна в 3-х состояниях, а остальные состояния приводят к отказам, из которых система может выйти только путем восстановления ее работоспособности. Для случая безотказности переключателя резервирования (λs =0) надежность системы определятся суммой надежностей рабочих состояний ее элементов:

P=p1+p2=(1+λτ) e-λτ.

3.2. Система с облегченным режимом.

Пусть основной элемент А при отказе заменяется резервным элементом В, причем интенсивность отказов работающего элемента равна λ, а интенсивность

18

ASB ASB ASB ASB

ASBASB

λs

λs

λs

λa

λbλa

отказов резервного элемента до его включения λ0 (λ0<λ). Граф этого состояния системы показан на рис 3.2.

λ

λ λ

λ

Рис. 3.2

Уравнения Колмогорова для такой системы имеют вид:

,

– ,

– .

Решая эту систему при начальных условиях: , , имеем:

,

, ,

,

Надежность системы определяется как сумма надежностей её рабочих

состояний, т.е.

При стремящемйся к нулю этот результат определяется выражением:

P=p1+p2=(1+λτ) e-λτ,

т.е. совпадает со случаем холодного резервирования при абсолютно надежном переключении переключателя S.

19

АВ

АВ

АВ

АВ

3.3. Восстанавливаемые системы.

В литературе рассмотрены разнообразные задачи, относящиеся к восстанавливаемым системам, они имеют много общего с замкнутыми системами массового обслуживания, причем интенсивность восстановления, , как и интенсивность обслуживания обычно принимается постоянной, а поток отказов рассматривается как входящий поток.

Например, восстанавливаемая система состоит из двух параллельно работающих устройств. Система может находиться в трех состояниях:

1) оба устройства работают;2) одно устройство работает, другое ремонтируется;3) оба устройства ремонтируются (отказ системы).

Граф системы показан на рис. 3.3а,

2λ λ 2λ λ

1

μ 2μ μ

а) б)

Рис. 3.3

а система дифференциальных уравнений имеет вид:

,

,

.

При нулевых начальных условиях:

.

Находим следующее решение:

.

20

1 2 3 1 2 3

Готовность системы определяется вероятностью того, что система в некоторый момент времени находится в рабочем состоянии. Для рассматриваемого примера такими состояниями являются 1 и 2, поэтому:

.

В стационарном режиме (при стремящемся к бесконечности) готовность означает долю времени, в течение которого система готова к действию, и называется коэффициентом готовности.Для нашего примера

.

Коэффициент готовности можно определить решением системы алгебраических уравнений (одно из них лишнее):

0;

совместно с нормировочным условием: .

Надежность восстанавливаемой системы, т.е. вероятность отсутствия отказа в течение интервала времени , определяется при условии, что система не возвращается из состояния отказа в рабочее состояние. Иначе говоря, учитываются лишь те процессы восстановления, которые не нарушают функционирования системы, рис.3.3б. Дифференциальные уравнения для определения функции надежности принимают вид:

, , .

Решив эти уравнения, найдем функцию надежности как сумму надежностей системы в состояниях 1 и 2, т.е. .

1.Укажите один правильный ответ.Для невосстанавливаемой системы в качестве показателя надежности принимается: а) вероятность безотказной работы как основного, так и резервного элемента; б) вероятность безотказной работы резервного элемента; в) вероятность безотказной работы либо основного, либо резервного элемента; г) вероятность отказа как основного, так и резервного элемента.

2. Выберите верное утверждение.21

Готовность системы А(τ) это: а) вероятность того, что система в некоторый момент времени τ находится в рабочем состоянии; б) вероятность того, что система в некоторый момент времени τ готова к работе;в) вероятность того, что система в некоторый момент времени τ находится в исправном состоянии.

3.Укажите правильный ответ.Доля времени, в течение которого система готова к действию называется:а) готовностью;б) коэффициентом готовности; в) временем готовности.

Лекция 4

Тема 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТЕЙ СОСТОЯНИЯ АиРЭО НА ОСНОВЕ МАРКОВСКИХ ПРОЦЕССОВ (продолжение)

3.4. Метод прогнозирования Марковских процессов.

Метод прогнозирования Марковских процессов сводится к решению задач прогнозирования изменения функции плотности распределения контрольного параметра в соответствующий момент времени. Эта функция может иметь различные виды, и все они поддаются аппроксимации. Например, случайное прогнозирование изменения функции плотности вероятности от соответствующего контрольного параметра системы в момент времени t в графическом представлении имеет вид, показанный на рис. 3.4.

22

t1

t

ξ*

t2 t3

ξ

fξ(t1) fξ(t2)fξ(t3)

ft1(ξ) ft2(ξ) ft3(ξ)

P(t3)P(t2)P(t1)

Рис.3.4По рис.3.4 ξ* – допустимое предельное значение контролируемого

параметра; ξ – контролируемый параметр.ft(ξ) – плотность распределения вероятности совокупного параметра

диагностируемого объекта в соответствующие моменты времени.P(t) – вероятность безотказной работы в соответствующий момент

времени.fξ (t) – плотность распределения времени в безотказной работы во

временном интервале.В инженерной практике ft(ξ) подчиняется нормальному закону.

Необходимость прогнозирования плотности распределения времени безотказной работы для любого момента времени возникает в случае, когда требуется определить комплексные характеристики параметров надежности объекта в начальный период его эксплуатации и при отсутствии отказов.

Если закон распределения значений контролируемого параметра ξ(t) в любой момент времени t в будущем зависит только от значения параметра в данный момент времени и не зависит от того, какие значения параметров были в прошлом, то можно составить прогноз на основе известного в теории вероятности метода прогнозирования Марковских процессов.

Математически запись этого условия может быть представлена в следующим образом: если в любой момент времени

t1 ≤ t2 ≤ … ≤ tn-1 ≤ tn , тогда функция распределения плотности вероятности будет иметь вид:

f(ξn/( ξ1… ξn))=f(ξn, ξn-1).Законы распределения плотности вероятности для Марковского процесса

могут быть выражены через двумерный закон распределения, т.е. течение случайного процесса будет определено двумерным законом распределения для любого начального и конечного значения времени t и τ.

В частности, для граничных и начальных условий, которые накладываются на Марковский процесс, условная плотность вероятности определятся через: f(t, ξ, τ, η), где η – контролируемый параметр в конечной точке наблюдения. Эта условная плотность вероятности представляется уравнениями Колмогорова двух видов:

1) для случая, когда условная плотность вероятности распределяется как функция первоначального состояния, т.е. от параметра t и ξ. В этом случае плотность распределения вероятности определятся уравнением первого вида.

23

Причем коэффициент a и b – неслучайные функции времени текущих параметров. Часто эти коэффициенты связывают со скоростью изменения параметра.

2) когда плотность вероятности имеет такие же значения и рассматривается как функция от конечных состояний параметров τ и ξ в этом случае плотность распределения вероятности имеет аналогичный вид:

Коэффициенты a и b – неслучайные функции времени будущих параметров.

Для Марковского процесса задача прогнозирования сводится к задаче вероятностного прогнозирования, а именно когда известна случайная функция времени f(t) и первоначальное значение контролируемого параметра. В этот момент функция f(t) будет иметь значение для конечного значения η который в течении интервала времени от t до τ не будет превышать значение установленного предела ξ*.

При решении этой задач частные случаи могут быть разными. Например, для решения дифференциальных уравнений в частных производных 1-го или 2-го вида надо задать граничные и начальные условия от пространственной координаты ξ и η.

Начальное условие может быть таким как время t, а контролируемый параметр ξ > 0, тогда функция f(ξ ,t) при t = 0 будет равна заданной функцией, т.е.: .

Граничное условие устраняет значение функции для любого момента времени на границе дополнительной области изменения параметра ξ и η.

Граничное условие для функции f(ξ, t) будет иметь ограниченное значение, а именно если время t > 0, то при каждом значении ξ функция будет стремится к нулю для всех значений времени.

Для любого t: f (∞,t) = 0, либо .

Решение удается получить для случая, когда удается осуществить разделение переменных для случайных функций a(t,ξ), b(t,η). Это случай представляет наиболее практический интерес. Полученное решение через плотность распределения вероятности безотказной работы для момента времени τ в будущем позволяет вычислить искомую вероятность сохранения работоспособного состояния диагностируемого объекта с помощью выражения:

Ft(ξ)=p(ξ(t)< ξ*).

или интегральной функцией распределения:Ft(ξ)==∫f(ξ)dξ.

24

Таким образом, искомая вероятность сохранения работоспособного состояния диагностируемого объекта равна:

p(ξ(t)< ξ*) = f(ξ)dξ.

Следовательно, задача сводится к прогнозированию работоспособного состояния путем интегрирования плотности распределения вероятности искомого процесса. Другими словами, зная интегральную функцию плотности распределения контролируемого параметра ξ(t), можно определить плотность распределения вероятности безотказной работы на любом интервале значений случайной величины ξ..

Это позволяет по прогнозируемому изменению состояния функции f(t) для любого момента времени в границах изменения контролируемого параметра от ξ…η в виде Ft(ξ) определить вероятность отказа всей системы, т.е. прогнозировать ее состояние в будущем.

3.5. Модели процессов изменения состояний АиРЭО.

В процессе жизненного цикла АиРЭО переходит из одного состояния в другое: исправное, диагностирование исправного состояния, диагностирование работоспособного состояния, вновь работоспособное и так далее. Любой из этих переходов является сложным процессом. Наиболее близко к реальной модели процесса перехода может быть представлена модель в виде Марковского процесса. Марковский процесс характеризуется случайными дискретными состояниями и временами. Этот процесс носит название Марковской цепи. Наиболее удобной моделью описания состояния АиРЭО как ОбТД является Марковский процесс с дискретными состояниями и непрерывным временем. Такой процесс называется квазинепрерывной Марковской цепью.

Характеристикой вероятностного перехода из состояния Si в состояние Sj

является плотность вероятности перехода i,j, которая может быть постоянной, в случае однородного процесса, или переменной. То есть xi,j = сonst либо xi,j = i,j(t) = var. Плотность вероятности i,j будет иметь смысл интенсивности отказа, если состояния Si и Sj являются событиями Пуассоновского характера, то есть ординарными (без последствий) и совершаются с постоянной интенсивностью (и иногда с потоком отказов). Таким образом, потоком вероятности перехода из состояния Si в Sj называется величина [i,j Pi(t)], определяющаяся произведением потока отказа Pi(t) на вероятность совершения события i,j.Модель в виде графа Марковского процесса, имеющую конечное число событий Si в Sj с вероятностью совершения каждого события P1(t),..., Pn(t) показана в виде графа состояний Марковского процесса на рис.3.5.

25

S1

S2

S4

S3 S5

23

12

35

5434

14

31

41

Рис. 3.5.Здесь n=5 –это число состояний.

Для любого времени t сумма вероятностей любого события будет равна единице:

Для нахождения вероятности события в любой момент времени необходимо решить систему дифференциальных уравнений:

Эта обобщенная система уравнений составляется (для графа на рис.3.1) при выполнении следующих правил: производная вероятности любого состояния равна сумме всех потоков вероятностей, идущих из другого состояния (j) в данное i-ое состояние за вычетом суммы всех потоков вероятностей, идущих из данного состояния (i) в другое (j) и имеет вид:

Для решения этой системы задаемся начальными условиями:P1(0), P2(0),…,P5(0) = Pi(0); Pi(0) = 1.

Чем больше число состояний, тем больше порядок системы уравнений, тем сложнее её решение (решение находиться на основе преобразования Лапласа).

Поскольку ТД реализуется в РЭО долговременного пользования (не менее чем 25 лет) и процессы изменения состояния также продолжительны, то для упрощения модели принимаются случаи предельного режима, т.е. рассматривается поведение модели в бесконечном интервале времени (t).

Поток событий принимается простым, со стационарным Пуассоновским распределением (поток вероятности i,j = const), для которого существует предельная вероятность перехода состояния:

Pi = Lim t Pi(t).

26

Значения этих вероятностей не зависят от того, в каком состоянии находится система в начальный момент времени.

Таким образом, можно считать, что в рассматриваемой модели имеет место стационарный режим, при котором моделируемое изделие переходит из одного состояния в другое с постоянной вероятностью состояния.

Для вычисления предельной вероятности, в предположении, Pi(t)=0 система превращается в систему алгебраических линейных уравнений. Эта система строится по следующим правилам (для рассматриваемого графа): для каждого состояния S суммарный выходной поток вероятности должен быть равен сумме входящих потоков вероятностей и имеет вид:

P1(12 + 14) = 31P3 + 41P4,P223 = 12P1,P3(12 + 34 + 35) = 23P2,P441 = 14P1 + 34P3 + 54P5,P554 = 35P3 ,P1 + P2 + P3 + P4 + P5 = 1.

Решение этой системы уравнений проще решения систем дифференциальных уравнений (сложность вычислений возникает при n>5).

Марковская цепь может быть представлена также в матричной форме, элементы которой также носят случайный характер:

Здесь Pi,j – это вероятность перехода из состояния Si в состояние Sj.Траектория изменения технического состояния АиРЭО в Марковском представлении может быть представлена диаграммой на рис.3.6:

Рис.3.6

Из рис. 3.6 видно, что если система находиться в состоянии Si, то в какой-то момент времени оно перейдет в состояние Sj или другое Sm. Пробыв в

27

S

S1

S0

S2

t

состоянии Si(k) временного k, вероятность перехода в состояние Sj будет определяться вероятностью пребывания системы РЭО в интервале k:

Таким образом, если , где U – это объединение событий, то может быть определена величина вероятности перехода из состояния Si в Sj:

Формула справедлива для случая отсутствия возврата системы в исходное состояние. Устройство, перед тем как перейти и Si Sj, пребывает в состоянии Si в случайном числе временного интервала (i,j). Вероятность пребывания в состоянии Si для этого случая будет определяться формулой:

Такое представление вероятности пребывания системы выполняется в случае, когда состояние можно описать по экспоненциальному закону, что не всегда возможно и целесообразно.

1. Укажите правильный ответ. Метод прогнозирования Марковских процессов решает:а) задачу прогнозирования изменения функции плотности распределения отказов контрольного параметра в соответствующий момент времени;б) задачу прогнозирования изменения функции плотности распределения контрольного параметра в соответствующий момент времени.

2. Укажите правильный ответ.Модель описания состояния АиРЭО как объекта ТД - квазинепрерывная Марковская цепь это:а) Марковский процесс с дискретными состояниями и конечным временем;б) Марковский процесс с дискретными состояниями и непрерывным временем.

3.Выражение искомой вероятности сохранения работоспособного состояния объекта в точке, соответствующей моменту времени t имеет вид:

а)

б)

в)

28

Лекция № 5

Тема 4. СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ.

4.1. Задачи технического диагностирования АиРЭО.

Задачами технического диагностирования является выявление в процессе технического обслуживания АиРЭО всех деградационных факторов, Д(t), и организация устранения их воздействий на исправное состояние РЭО. Под устранением воздействий представляется управление Y(t), суть которого состоит в организации логического перехода:

Y(t)>Sп.o(t)>S(t).Здесь Sп.o(t)-это поле предотказного состояния, S(t)-это поле технических

состояний.В общем виде любой объект АиРЭО может быть представлен полем

состояний S(t) (матрицей состояний Sij), а также совокупностью выходных сигналов U(t). Поле сигналов является векторным и в нем заключена информация о техническом состоянии S(t), следовательно, информационное поле это – I(S). Оно существует объективно и объективно отражается в совокупностях выходных сигналов, представляемых сигнальным информационным полем– I(U). Информационное поле отражает поле информации I(S) с определенной погрешностью. С помощью СрД и К реализуется решение о техническом состоянии АиРЭО, S*(t). Процесс диагностирования и контроля осуществляется на основе непрерывного или периодического контроля при переходе АиРЭО из состояния S(t) в состояние S(t+t).

Алгоритм процесса диагностики и контроля описывается информационной цепью перехода следующего вида:

S1>I(S1)>I(U1)>I*(U1)>I(S1*)>Iv(S1*)>S2.

4.2. Понятия и определения технического диагностирования.

Совокупность подверженных изменениям свойств объекта, которые характеризуются в определенный момент времени признаками, регламентированными в технической документацией, носит название технического состояния объекта.

Видами технического состояния является состояние исправности и неисправности, работоспособности и неработоспособности, функционирования. Процесс определения технического состояния называется техническим диагностированием. Определение вида технического состояния с определенной точностью – это контроль технического состояния (ТС).

29

Вид ТС должен соответствовать техническим и эксплуатационным документам. При одном и том же объективно существующем техническом состоянии объект диагностирования может быть работоспособным при одних условиях эксплуатации и неработоспособным при других. Например, снятый с борта самолета радиоприемник, как неработоспособный, может быть использован как работоспособный, но в учебных целях. Поэтому виды свойств объекта, включаемые в нормативно-техническую документацию должна содержать диагностические параметры, достаточные для диагностирования в условиях эксплуатации (для проверки исправного состояния, его правильного функционирования и поиска дефекта с заданной точностью).

Техническое диагностирование реализуется измерением количественных значений параметров, анализом и обработкой результатов измерений и управлением РЭС согласно указаниям алгоритма диагностирования.

Поскольку для контроля и прогнозирования необходимо знание фактического состояния изделия (объекта), то средства контроля и прогнозирования должны включать в своем составе элементы диагностирования их технического состояния.

Под контролем также понимается множество других понятийных значений, включая их организационно-технические аспекты. Например, многогранно понятие контроля на всех этапах жизненного цикла РЭО применительно к авиапредприятию. Поэтому в литературе понятие контроль ТС объекта иногда подменяется понятием технического диагностирования, несмотря на то, что контроль содержит диагностику ТС.

Например, в ГОСТ 20417 - 75 «Техническая диагностика. Общие требования к объектам диагностирования». В этом ГОСТе представлен объем работ, который необходимо выполнить для получения полной характеристики изделия АиРЭО, как объекта диагностирования: проверка работоспособности, функционирования и исправности; поиска дефекта и места отказа.

В ГОСТ 20911-75 «Техническая диагностика. Термины и определения» термин «контроль» заменен термином «поиск места отказа» (или «поиск места дефекта»).

4.3. Классификация систем технического диагностирования.

Техническое диагностирование выполняется системой технического диагностирования (СТД). Составляющими СТД являются:

- объект ТД (ОбТД), т.е. изделие или его составная часть, ТС которой подлежит определению;

- средство ТД. Это совокупность измерительных приборов, средств коммутации и сопряжение с ОбТД.

30

- устройства управления, генераторы стимулирующих и имитирующих сигналов.

Реальная структура системы диагностирования включает ряд дополнительных устройств СТД – это совокупность средств и объекта технического диагностирования, при необходимости, и исполнителя, которая подготовлена к диагностированию и с помощью которой осуществляется диагностирование по правилам, установленным в документации.

СТД могут быть различны по своему назначению, структуре, месту установки, составу, конструкции и схемотехническому решению. Они могут быть классифицированы по различным признакам: от области назначения до степени охвата технического диагностирования; от состава технических средств до уровня автоматизации ОбТД.

Система технического диагностирования работает в соответствии с алгоритмом технического диагностирования, который представляет собой совокупность предписаний о проведении диагностирования.

Условие проведения ТД определяет режим ТД и контроля. Под условием понимают состав диагностических параметров, их предельное допустимое наименьшее и наибольшее предотказовое значение, периодичность диагностирования изделия и эксплуатации.

Функциональное состояние РЭО характеризуется в конкретный момент времени совокупностью определенных диагностических признаков, которые в свою очередь зависят от количественных и качественных характеристик элементов радиоаппаратуры. Диагностический параметр (признак)– это параметр АиРЭО, используемый в предписываемом порядке для определения функционального состояния. Общее число состояний АиРЭО определяется числом состояний функциональных элементов и числом их связей.

По степени охвата СТД могут быть общими и локальными.Общие СТД – это те, в процессе выполнения которых решаются все

поставленные задачи диагноза.Локальные СТД – это те, в процессе выполнения которых решается одна

или несколько задач определения технического состояния объекта диагностирования в текущий момент времени.

По характеру взаимодействия ОбТД и средств ТД СТД подразделяются на:1) Система с функциональным определением ТС в данный момент времени.

В этой системе решение задач диагноза осуществляется в процессе функционирования объекта по своему назначению.

2) Система с тестовым определением ТС в данный момент времени. В этой системе задача диагноза решается в специальном режиме работы объекта, путем подачи на объект тестовых сигналов.

По используемым средствам ТД СТД подразделяются на:1) Система с универсальными средствами ТД и контроля (например, ЭВМ);

31

2) Система со специализированными средствами (стенды, имитаторы, специализированные ЦВМ);

3) Система с внешними средствами, в которых средства ТД и ОбТД разделены конструктивно друг от друга;

4) Система со встроенными средствами, в которых ОбТД и средства ТД конструктивно представляют собой одно изделие.

По степени автоматизации системы диагностирования подразделяются на:1) Автоматические СТД, в которых получение информации о ТС ОбТД

осуществляется без участия оператора.2) Автоматизированные СТД, где получение и обработка информации о

ТС ОбТД осуществляется с частичным участием оператора.3) Неавтоматизированные (ручные), где все выполняется человеком-

оператором.Аналогичная классификация имеет место и для средств технического

диагностирования: автоматические, автоматизированные и ручные.Системы технического диагностирования применительно к ОбТД должны

предупреждать: постепенные отказы, выявлять неявные отказы; осуществлять поиск неисправных узлов (блоков, сборочных единиц т.п.) и локализовать место отказа.

Процесс ТД содержит три составляющие: генезис, диагноз, прогноз.Под генезисом понимают процесс определения технического состояния

объекта с определенной точностью на заданном в прошлом временном интервале.

Диагноз – это процесс определения технического состояния ОбТД в данный момент времени.

Прогноз – это процесс определения технического состояния ОбТД в будущем на конечном временном интервале с заданной достоверностью.

В соответствии этой классификации «Техническая диагностика» как область науки и техники содержит три раздела:

1) Техническая генетика2) Техническая диагностика3) Техническая прогностикаТакое деление имеет место, когда процесс прогнозирования технического

состояния предполагается осуществлять раздельно. В инженерной практике все три составляющие объединяются в единое целое и представляют в динамике изменение технического состояния функционирующей радиоэлектронной системы.

4.4. Структура системы технического диагностирования АиРЭО.

32

Развернутая структура системы технического диагностирования (ТД) представлена на рис. 4.1.

Функциональными элементами системы технического диагностирования являются:1– датчики сигналов; 2– линии связи; 3– коммутаторы; 4– преобразователи; 5– измерительный прибор; 6– элементы индикации; 7– дискриминатор (устройство сравнения); 8– поле допусков; 9– индикатор вида технического состояния (документирующее или запоминающее устройства); 10– управляющее устройство; 11– стимулирующее устройство; 12– прогнозирующее устройство.

Рис.4.1. Структура СТД

В этой системе центральное место отводится ОбТД и СрТД и контроля.Функциональное разделение при техническом диагностировании

поступившего в эксплуатацию ОбТД подобной структурой ТД, в процессе анализа работоспособности, выполняется в системном единстве ОбТД и СТД.

Например, процесс преобразования выходного сигнала может быть выполнен как в ОбТД, так и с помощью средств диагностирования СТД.

Первой операцией диагностирования является вывод сигналов, параметры которых определяют состояние системы, с помощью датчиков информации и линий связи в средствах СТД.

Главной подсистемой средства ТД является измерительное устройство (т.к. обеспечивает точность диагностирования). Устройства коммутации и преобразования расширяют диапазон и количество видов параметров сигнала РЭС. На выходе измерительного устройства формируется и отображается информация о ТС объекта. Основным элементом такой обработки является

33

Объект

ТД

1

1

1

2

2

2 3 4 5 6

8 12

3

11 710 9

операция сравнения представленной информации с полем допусков для вынесения решения о виде ТС диагностируемого РЭС.

После принятия решения дополнительно осуществляются две операции: операция управления качеством изделия; операция стимулирования. Прогнозирующее устройство позволяет определить состояние объекта в будущем, путем обработки информации о текущем и прошлом состояниях системы.

В результате процесса диагностирования и контроля выносится решение о виде ТС: работоспособен ОбТД или неработоспособен ОбТД. Ошибки диагностирования могут быть допущены в основном из-за неработоспособности средства диагностирования и большой погрешности измерений в процессе диагностирования.

Помимо ошибок, возникающих в контуре структуры СТД, большое значение имеет метод, принятый для оценки работоспособности, т.е. совокупность выбранных диагностических параметров. Совокупность параметров должна быть такой, чтобы любой отказ либо предотказаное состояние приводили к уходу хотя бы одного параметра за пределы допуска.

Рассматриваемая система СТД предназначена в основном для определения текущего состояния ОбТД, Если обнаружен отказ или предотказаное состояние, то они устраняются, если в системе обнаружен, например, неисправность типа «дрейф коэффициента усиления», которая приведет к отказу в течение последующего временного интервала, необходимо использовать методы прогнозирования.

1. Дайте определение технического состояния объекта:а) совокупность неизменных свойств объекта, которые характеризуются в определенный момент времени признаками, установленными технической документацией; б) совокупность, подверженных изменениям, свойств объекта, которые характеризуются в определенный момент времени признаками, установленными технической документацией.

2. Выберите правильное утверждение.Техническое диагностирование это:а) процесс определения причин возникновения отказа;б) процесс определения технического состояния объекта с определенной точностью;в) процесс определения технического состояния объекта; г) процесс определения функционирования объекта.

3.Составляющими системы технического диагностирования являются:34

а) алгоритм ТД; б) объект ТД; в) условие ТД; г) средство ТД; д) устройства управления, генераторы стимулирующих и имитирующих сигналов.

4. Совокупность предписаний о проведении технического диагностирования называется:а) организацией технического диагностирования;б) алгоритмом технического диагностирования; в) порядком технического диагностирования;г) режимом проведения технического диагностирования.

5. Условиями проведения технического диагностирования являются:а) состав диагностических параметров;б) предельное допустимое наименьшее и наибольшее предотказовое значение диагностических параметров;в) приспособленность объекта к проведению технического диагностирования;г) периодичность диагностирования изделия и эксплуатации.

6.Системы технического диагностирования классифицируются по следующим признакам:а) по степени охвата;б) по характеру взаимодействия объекта ТД и средств ТД;в) по используемым средствам ТД;г) по функциональному состоянию;д) по степени автоматизации.

Лекция № 6

Тема 5. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

5.1. Диагностические модели (ДМ) и их классификация

Диагностические модели представляют собой формализованные описания объектов и процессов диагностирования, которые лежат в основе построения алгоритмов диагностирования РЭО. ДМ могут задаваться в явном или неявном виде и тесно связаны как со структурой РЭО, так и принципами представления взаимосвязей между состояниями ОД.Структурная, функциональная и принципиальная схемы РЭО сами по себе являются его моделями. На их основании, при возможности, могут быть

35

получены все интересующие нас диагностические параметры, хотя зачастую это является исключительно сложной задачей.

В процессе проведения эксплуатации РЭО задача диагностирования состоит в установлении взаимосвязей параметров, что является основой синтеза моделей диагностических систем. При этом моделируется объект технической диагностики (ОбТД), который может быть представлен в виде конкретного изделия и процесса изменения технических состояний (ТС), а также управления этими состояниями.

Под моделью объекта будем понимать такую формализованную сущность, например, множество параметров и их взаимосвязей, которое характеризует какие-либо определённые свойства. Характер свойства может быть представлен в наглядной форме. ДМ - это модель объектов и процессов диагностирования, т.е. их формализованные описания, которые являются исходными для определения и реализации алгоритма диагностирования. ДМ может быть представлен в виде явной и неявной модели.

Явная модель – это совокупность формальных описаний исправного и работоспособного состояния объекта, всех его неисправностей и неработоспособного состояния.

Неявные модели ОбТД представляют какие-либо формальные описания объекта, математической модели его физической неисправности, а также правило получения по этим данным всех других описаний, характеризующих другие состояния. Обычно задается математическая модель исправного ОбТД, по которой может быть построена модель неисправных состояний. АРЭО как объект является функционально разнообразным и конструктивно сложным оборудованием, также сложным, по количеству решаемых задач (системно сложным). Эти обстоятельства учитываются при моделировании и классификации моделей.

ДМ условно можно разделить на группы: непрерывные модели, которые представляют объект и

происходящие в нем процессы в реальном течении времени; дискретные модели, которые определяют состояние ОбТД в

дискретные значения времени без учета характера состояний в интервале между дискретами. Эти модели представлены в виде конечно-разностных уравнений и используются для описания цифровых и импульсных устройств;

гибридные модели, которые описывают состояния реальных объектов, т.е. модели как непрерывного, так и дискретного действия;

специальные модели, которые характеризуют большую группу моделей, построение которых определяется спецификой объекта.

Диагностическим обеспечением всех этих моделей является функциональные модели, модели характеристик и информационные потоки.

36

По методам представления взаимосвязей между состояниями объекта диагностирования, его элементами и параметрами выходного сигнала, методы построения моделей делятся на:

-аналитические;-графоаналитические;-информационные;

Аналитические методы моделирования позволяют решать задачи оптимизации и получать соотношения между состоянием объекта, ДП и показателями качества в аналитическом виде. К методам построения аналитической модели относятся: метод малого параметра (асимптотические методы), функции чувствительности, аналитическое описание процесса прохождения сигнала, уравнение, связывающее параметр функционального использования (ПФИ), технический параметр (ТП) и т.д.

Графоаналитический метод отображает диаграмму прохождения сигналов в виде карт процесса в аналогах объекта, позволяющей вскрывать неочевидные, но важные для решения диагностических задач связи и степень влияния. Как правило, это теоретико-множественное описание объекта на основе теории множеств и теории графов.

Информационные методы моделирования позволяют формально описать систему и процессы ТД в виде информационных потоков.

5.2. Аналитические модели

Такими моделями являются функции, описывающие взаимосвязь внешних измеряемых параметров и внутренних параметров элементов РЭО вида

Uвых=Ф[A(t),Uвх(t)].Одним из распространенных описаний РЭО является передаточная

функция в операторной форме вида [1]:

К(р)= , (5.1)

которая имеет d вещественных yi и 2f комплексных полюсов. Переходная характеристика такого устройства представляется уравнением:

, (5.2)

которое является суммой колебательных и апериодических составляющих общим числом l = f + d.

37

Для аналитического решения используют упрощенную функцию K1(p), являющуюся ДМ:

Кl(р)= , (5.3)

Решение данного уравнения находят, вычисляя по известным соотно-

шениям коэффициенты ai и bi .Может быть использована функция чувствительности [4], с помощью

которой вычисляются допуски на изменение параметров и правила их регулировки.

Чувствительность характеристик цепи Y=Y(j1, j2, ...jn) определяется по формуле:

Si = , (5.4)

Отклонение параметров цепи при

(5.5)

Относительная чувствительность цепи Y( ) к изменению параметра на величину определяется выражением :

, (5.6)

при этом величина относительного отклонения

(5.7)

Для широкого класса РЭО, описываемого дифференциальными уравнениями, диагностическая модель может быть представлена в следующей форме

, (5.8)

где X – n-мерный вектор,

X = ,

38

L – оператор перевода системы из состояния в состояние:

L = , (5.9)

где l — коэффициенты преобразования, R(t) — n-мерный вектор

R (t)

Если X характеризует исходное состояние, то справедливо, что преоб-разованный оператор

Xпр = LX.

5.3. Графоаналитические модели

В случае описания объекта системой линейных алгебраических урав-нений эту систему можно представить в виде функции – диаграммы прохож-дения сигналов [2].

Не вдаваясь в физическую сущность переменных и связей в ОД, можно получить диагностическое обеспечение объекта.

Для построения диаграммы прохождения каждой переменной xi строим узел. Переменная (сигнал) равна сумме входящих сигналов, а каждый из них — произведению оператора входящей ветви на переменную (сигнал) узла, из которого ветвь выходит, то есть

, (5.10)

где Тik – оператор ветви, выходящей из i-ro узла и входящей в k-й узел. Если объект описывается системой уравнений ,

то в этом случае диаграмма прохода сигнала будет иметь вид:

39

X0X1

X2

X3

X0 X1 X2 X3

T01T12

T11=T31

T32

T23T12T01

T31

T32

1

Если структура РЭО задана полностью и для нее определены области значения входных и выходных параметров для всех блоков, то для диагностирования такой системы используется функционально-диагностическая модель (ФДМ) которая строится по правилам, изложенным в :

количество блоков функционально - диагностической модели должно быть увеличено в сравнении с исходной функциональной моделью,

при этом должно выполняться условие: если хотя бы один входящий блок находится вне допуска, то и выходящий сигнал также будет находиться вне допуска, и этот блок будет считаться неработоспособным,

наличие разделения сигнала соответствует тому, что вход следующего блока по сигналу также будет разделен, и на основе таких разделений формируется функционально – диагностическая модель.

Параметрический выход такой функциональной схемы за счет появившегося блока будет соответствовать работоспособному блоку исправному или не работоспособному состоянию.

40

Для этой модели ориентированный граф строится по функциональной схеме, дуги которого снабжены стрелками. Такими графами можно построить любой функциональный узел. Ориентированный граф G (X,V) где X(x1,x2,xn) – состояние переменных (узлы). V(v1,v2,vn) – сигналы проверки. С термином графа связан термин отображения т.е. граф по этому рисунку имеет отображение следующего вида. Гx1={x2,x3}; Гx2={x4,x5};

Гx3={x5}; Гx4={x5}; Гx5={x0};Применение изображения функции схемы в виде ориентированного графа

позволяет представить любую схему РЭА, как и любой граф, в виде матрицы.

Матрица смежности графа G, состоящего из n вершин,— это квадратичная матрица A= с n строками и n столбцами; ее общий элемент аij=1, когда между вершинами xi и xj есть связь и аij =0, когда вершины xi и xj — не соединены дугами. Для графа матрица смежности определяется выражением

(5.11)

Одним из видов графо-аналитических моделей является таблица неисправности, которая строится на основе функции диагностической модели. Причем номер столбца соответствует номеру вида технического состояния объекта диагностирования, а номер строки будет соответствовать элементарной проверке ui для каждого блока (u – соответствует напряжению).

При составлении таблицы логическим путем следует оценить результат проверки. Если результат проверки “+”, то в элемент таблице на пересечении ij заносится 1, если нет, то 0.

В [1] в качестве примера приведены типовая схема тракта синхронизации РЛС (рис. 5.1.а), ее ФДМ (рис. 5.1.б), ориентированный граф (5.1.в). Из

41

5

42

1

3

Uвх Uвх Z1Z1 Z2 Z2Z3 Z3

Z1 Z4

1 12 23 3

44 5

Функциональная модель Функционально – диагностическая модель

сопоставления схемы и ФДМ следует, что модель отличается тем, что все ее элементы имеют по одному выходу, а тракты обратной связи разомкнуты. Матрица состояний (рис. 5.1.г) построена по следующему принципу: Sp — строка, соответствующая работоспособному состоянию; S1 — строка, соответствующая состоянию, в котором отказал первый блок ФДМ, S2 — состояние отказа 2-го блока ФДМ и т.д.

Столбцы u1, u2,... un соответствуют проверкам состояния блока 1, блока 2,... блока п. Элемент матрицы вида Аij соответствует результатам проверки на выходе j-гo блока ФДМ в случае когда схема находится в i- м состоянии.

U1 U2 U3

U8.1

Uвх

U8.2

U5.1 U7

U4

U5.2 U6

a)

42

Сх1

Прд2

ГПТ7

ГЛИН6

ГПИ5

ГМ4

ВТ8

ВВ3

б)

в)Проверка U на выходе блока i

Состояния РЭО

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10

43

1 2 3 8 10

4 5 9 6 7

1 2 3 8 10

7

65

94

1

23

5

4

6

7

8

U1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1

U2 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1

U3 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1

U4 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1

U5 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1

U6 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1

U7 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1

U8 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0

U9 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1

U10 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0

г)

Рис.5.1. Структурная схема РЛС и ее модели:а — структурная схема передающего и индикаторного тракта РЛС; б — ФДМ передающего и индикаторного тракта; в — ориентированный граф ФДМ; г — матрица состояний.

Сх — синхронизатор; ПРД—передатчик; ВВ— высоковольтный выпрямитель; ВТ - вращающийся трансформатор; ГМ— генератор меток; ГПИ — генератор прямоугольных импульсов; ГЛИН — генератор линейно-изменяющегося напряжения; ГПТ — генератор пилообразного тока.

Из сопоставления схемы и функциональной модели следует, что модель отличается тем, что все ее элементы имеют по одному выходу, а тракты обратной связи разомкнуты. Матрица состояний построена по принципу, что состояние работоспособности соответствует столбцу Si , а столбец S1

соответствует состоянию, в котором отказал первый блок. А U1 и U2

соответствует элементарным проверкам состояний блока 1 и 2.Элементы матрицы вида Аij соответствуют результатам проверки на выходе

j – блока функционально – диагностической модели в случае, когда схема находится в i – ом состоянии. В случае, когда строка матрицы состоит из нулей, она соответствует отображению всех вершин в эту вершину.

44

Лекция № 7

Тема 5. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

5.4. Информационная диагностическая модель

Преимущество этой модели заключается в единстве математического аппарата. Математический аппарат в теории информации представляет:

объект диагностирования (ОД) в виде датчика; измерительные приборы в виде преобразователей; информацию со средств индикации как процесс снятия

неопределённости по определению работоспособного состояния или ПМО (поиска места отказа).

С информационной точки зрения ОД — датчик ДП, имеющий среднеквадратическое значение погрешности . Измерительный прибор СТД характеризуется погрешностью и полосой пропускания W. Количество информации, полученной при диагностировании:

I=WT log2

С учетом того, что >> , количество информации: Функционирование СТД ограничено во времени возможностью отказа. Ее

среднее время безотказной работы в течение периода Т:

T1=T0 (l-p), (5.12)

где То=1/ — средняя наработка на отказ, –параметр потока отказов, р=exр(- t) — вероятность безотказной работы.

При возможности отказа СТД время его работы сокращается, что адекватно уменьшению информации о состоянии ОД. Информационные потери определяются следующим соотношением:

I=I-I1=2W .

При работе СТД с погрешностью .Приравнивая выражения I1= I2 и учитывая, что потери информации в

СТД с эквивалентной погрешностью , равны I2=I-I2=2WT log2 ( ), получаем

log2( )= ,

откуда определяется величина

45

Если вероятность отказа на временном интервале Т достаточно мала, то

Р=exp(- T) 1- + (5.13)

Из полученных выражений для погрешности явствует взаимосвязь между погрешностью прибора , среднеквадратичным значением параметра , безотказностью , временем функционирования системы Т.

Неопределенность состояния объекта S характеризуется выражениемдля энтропии

H (S) = при p= l/N (5.14)

Уменьшение энтропии H(S) в процессе проведения контроля характеризует прирост информации о состоянии РЭО. Представляемая информация является максимальной:

I(Uk,S)= H (S)- H (Uk,S) Imax

Поскольку конечной целью управления состоянием является его изменениеот величины Ро до величины P1, а возможности, то есть уровень управляемости определяется информацией, то СТД можно представить источником некоторого информационного напряжения [1]

H=H -H =-log (P /Po).

Если известны зависимости выходной величины сигнала объекта от различных воздействий, то в качестве ДМ можно рассматривать зависимость выходной переменной объекта от входной, представленной в виде

,

где — функция выходных переменных; — вектор входных переменных; F(

) — усредненная входная функция ОД; Z( ) — вероятностная функция, учитывающая производственный разброс.

Непосредственный вид функции может быть установлен с помощью методов теории планирования эксперимента и представляет собой поли-номиальные уравнения. Коэффициенты полиномов определяются методами регрессионного анализа.

46

Рис. 5.2. Выходная функция ОД

Рис. 5.3. Значения функции отклика

Алгоритм действий при построении модели следующий:

1) подготавливается исходная информация об объекте в виде зависимостей, представленных на рис. 5.2.;

2) выбираются границы изменения факторов X1,X2, ,Xn;

3) выбирают центр плана , , ;

47

4) выбираются единицы варьирования , , , ; 5) составляется матрица планирования эксперимента (Табл. 5.1) типа N=2

+2n+1

Таблица 5.1.

Матрица планирования эксперимента

N x x y

1 - a - a y

2 + a

- a y

3 - a + a y

6) по семейству графических зависимостей (рис. 5.3.) определяются значения функций отклика у для всех сочетаний уровней в матрице планирования изменений факторов х;

7) вычисляются коэффициенты в уравнении регрессии вида

y = b0 + (5.15)

с помощью следующих соотношений [2]:

b = ;

, ;

b = , i < j, ;

48

bij= ;

b = , i < j<k , = ;

b = ,

где x , x , x берутся из матрицы планирования и могут принимать значения±а, ±с, ±d, 0; значения у также берутся из этой матрицы.

8) проверяется точность аппроксимации исходных графических зави-симостей параметров

Однако это выражение справедливо только для случая, когда в СТД имеет место один отказ, т.е. существует только один путь решения задачи.

Если имеется n- различных путей отказов, то задача эта усложняется.

ЛЕКЦИЯ № 8

Тема 6. ВЫБОР ДИАГНОСТИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ.

ТС характеризуется совокупностью признаков, которые, в свою очередь, зависят от качественных и количественных характеристик элементов диагностируемого объекта. Эти элементы в РЭО взаимосвязаны и взаимозависимы, что определяет состояние объекта. Общие состояния диагностируемого объекта будет определяться числом состояний функциональных элементов и количеством их связей. С другой стороны, диагностирование объекта осуществляется в СТД, а это, в свою очередь, означает, что целый ряд параметров системы и объекта трудно отделить друг от друга. Параметры РЭО, как объекта ТД, можно условно разделить на группы, которые характеризуют: потребности РЭО в ТД, диагностируемость РЭО, конструктивную приспособленность РЭО к диагностированию и контролю. Потребность в ТД определяется стратегиями ТОиР. Стратегия устанавливается ГОСТ 24212 - 80 и ОСТ 54 - 003 - 025 - 089 (действует с 1 ноября 1990г.). В этом ГОСТе под стратегиями ремонта понимаются стратегия

49

ремонта по наработке и стратегия ремонта по ТС. Например, стратегия ремонта по ТС предполагает стратегию ремонта, согласно которой перечень операций определяется по результатам диагностирования изделия в момент начала ремонта, а также по данным о надежности этого изделия и однотипных изделий. Показателями объекта является Тд - периодичность проведения диагностирования, д - среднее время диагностирования, как функция наработки д = f (T0).

Диагностируемость характеризуется совокупностью параметров, их допусков и производных, определяющих ТС объекта. Основным показателем диагностирования является совокупность параметров для контроля работоспособности. Количественно этот показатель может быть определен множеством электрических параметров и коэффициентом полноты проверки работоспособности:

Кп.п=fc/о,

где fc - суммарный параметр потока отказов составных частей объекта; о - суммарный параметр потока отказов всех составных частей объекта.

Если эти параметры известны, то:

Кп.п=nfc/nо,

где nfс - число диагностируемых параметров; nо - число параметров ТС, использование которых обеспечивает

методическую достоверность проверки. Поиск мест отказа в процессе диагностирования характеризуется глубиной поиска дефекта, которую задают указанием составных частей объекта диагностирования или какого то его участка с точностью, определяющих место дефекта.

Количественно глубина поиска дефекта определяется:

Кг.п=F/R,

где F - число составных частей объекта на принятом уровне деления, с точностью с которой определяется место дефекта;

R - общее число составных частей объекта, с точностью, которая требуется для определения места дефекта.

Определение места дефекта или отказа и РС могут характеризоваться такими показателями: L - длина теста диагностирования. Определяется числом элементарных тестовых воздействий. Рij - вероятность ошибки диагностирования.

Под видом ij понимается вероятность наступления 2-х событий. Ошибка диагностирования находится в ТС i, а результат диагностирования считается находящимся в состоянии j.

50

D - вероятность правильного диагностирования. Это полная вероятность того, что система диагностирования определяет то ТС, в котором действительно находится ОбТД. Приспосабливаемость РЭО к проведению ТДиК характеризуется свойством контролепригодности, а количественно определяется показателями диагностирования и контролепригодности. Под параметром Тд будем понимать среднюю оперативную продолжительность диагностирования. д - среднюю оперативную трудоемкость диагностирования. Сд - средняя оперативная стоимость диагностирования. Ку.с - параметр, определяющий степень унификации устройства сопряжения со средствами диагностирования:

Ку.с=Ny/Nо,

Ny - число унифицированных устройств; Nо - общее число устройств сопряжения.

Ку.п - коэффициент унификации параметров сигналов объекта:

Ку.п=у/о,

у - число унифицированных диагностических параметров; о - общее число параметров.

Кт.д - параметр, характеризующий трудоемкость подготовки изделия к диагностированию:

Кт.д=(Wд-Wв)/Wвс,

где Wд=Wо-Wв, Wд - средняя трудоемкость подготовки к диагностированию; Wв - средняя трудоемкость подготовки изделия к диагностированию;

Wо - основная трудоемкость диагностирования; Wвс - средняя трудоемкость всех изделий диагностирования.

Ки.с - коэффициент использования специализированных средств диагностирования:

Ки.с=(Gcд-Gссд)/Gсд,

Gcд - объем серийных средств диагностирования;Gссд - объем специализированных средств диагностирования.

Полная методика расчета показателей диагностирования приводится в ГОСТ 23564-79, состав и формулы для расчета показателей контролепригодности объектов диагностирования в ГОСТ 23564 -79, а также в ГОСТ 24029-00, где указаны категории контролепригодности объектов диагностирования. В этом ГОСТе устанавливаются 19 категорий, к одной из

51

вх

которых должен быть отнесен объект. Там же излагается методика выполнения этой работы. Принятие решения о состоянии РЭО и отнесения его к одному из видов (РС или НеРС) может быть выполнено только в процессе измерения и сопоставления с нормами совокупности параметров, т.е. диагностических параметров, характеризующих это состояние. Диагностический параметр ДП - это параметр (признак) ОбТД, используемый в установленном порядке для определения ТС объекта. Для каждого изделия РЭО может быть указано множество параметров, характеризующих его ТС. Большинство ДП, по своему назначению, могут иметь двойственную природу, т.е. быть одновременно диагностическими и техническими. Эти параметры поддаются непосредственному измерению и для них проще всего установить нормы и допуски, выход за пределы которых характеризует отказ РЭО. Характеристикой отказа РЭО является выход за пределы допуска одного ДП. Решение о работоспособности состояния сложного РЭО принимается на основе измерения совокупности ДП, причем эта совокупность тем больше, чем сложнее устройство. Совокупность ДП должна характеризоваться и определять полноту контроля, возможность поиска дефекта и оптимизацию алгоритмов поиска; а также возможность прогнозирования отказа и чувствительность к изменению состояний отдельных устройств по ходу течения деградационных процессов. Другой важной особенностью выбора совокупности ДП является то, что, как правило, в сложном РЭО выходные технические параметры, которые могут характеризовать работоспособность и ТС, стабилизируются путем применения обратных связей (АРУ, МАРУ, ВАРУ и т.д.). Чувствительность при применении обратной связи уменьшается, т.е. уменьшается степень отражения ТС РЭО.

Структурная схема 3-х каскадного усилителя с АРУ:

Суммарный коэффициент - 60 Нижний предел - 70 Верхний предел - 50

52

1 3 2

АРУ

вых

Коэффициент усиления одного каскада, к примеру, 4 единицы. В определенный момент времени все коэффициенты будут равны 4. Т.е. суммарный коэффициент будет равен 64, т.е. система находится в работоспособном состоянии.

Произошло уменьшение коэффициента усиления усилителя 2.В результате работы АРУ коэффициент усиления 1 и 3 каскадов будет

равен 4,5, при этом суммарный равен 50,6; и хотя он находится на нижнем пределе, усилитель следует признать работоспособным.

Однако, на самом деле, в системе не только имеет место отказ одного из каскадов РЭО, но и два других каскада работают в максимально напряженных режимах, что способствует развитию в них деградационных процессов.

Т.е. главной характеристикой совокупности или одного ДП должна быть чувствительность к изменению состояния РЭО, происходящих под воздействием деградационных процессов. Таким образом, процесс выбора совокупности ДП можно разделить на следующие этапы: 1)Определение ТС S(t); 2)Выбор совокупности ДП U(S)=U[U(S1),...,U(Sn)] по заданным значениям коэффициента полноты проверки, который стремиться к максимальному значению и к максимальному изменению совокупности ДП в зависимости от ТС объекта; 3)Минимизация совокупности ДП; 4)Синтез рациональных алгоритмов проверки работоспособности и поиска мест дефекта 5)Установление рациональных допусков на нормы технических параметров (НТП).

Лекция № 9

Тема 7. ПОИСК МЕСТА ОТКАЗА В СИСТЕМАХ РЭО

В общем случае задача определения поиска места отказа (ПМО) может рассматриваться как ряд частных взаимосвязанных задач:

а) фиксация отказа;б) локализация отказа;в) восстановление отказавшего элемента (узла);г) контроль параметров сменной единицы;д) контроль на НТО РЭО после установления восстановленного элемента

(узла);е) установка РЭО;ж) проведение работ согласно регламенту ТО.Собственно задача ПМО формулируется следующим образом: найти

определенную последовательность выполнения логических и измерительных 53

операций, которые установят, в каком Si из множества S состояний находится РЭО в кратчайшие или заданные сроки при минимальных затратах.

Одним из наиболее простейших методов является метод определения отказов по характерным признакам, использующий специальные таблицы, содержащие информацию о возможных отказах и сопутствующих им признаков и проявлений.

7.1. Метод поиска места отказа путем поэлементной проверки

Метод используется тогда, когда об изделии РЭО имеется минимальная информация. При этом проверяется работоспособность каждого из m элементов последовательно. Среднее число элементов

mср=(m+1)/2. (7.1)

Среднее время проверок tcp=tm(m+l)/2. Часто для РЭО алгоритм ПМО, реализующий данный метод, выглядит как проверка работоспособности узлов (элементов) РЭО по принципу «с выхода на вход».

7.2.Метод поиска отказа по критерию «время-безотказность»

На основании анализа статистического материала по надежности функционирования РЭО формируют алгоритм ПМО. Если проверенный элемент оказывается работоспособным (исправным), то приступают к проверке следующего. Если известны вероятности отказов Qi(0) всех диагностируемых блоков РЭО, а также — среднее время диагностирования каждого блока в процессе ПМО, то математическое ожидание времени ПМО для произвольной последовательности проверок имеет вид

= Q (0) + Q (0) ( + )+...+Q (0)( + + + ), (7.2)

если изменить программу проверок, переставив, например, местами первую и вторую, то

= Q (0) + Q (0) ( + )+ +Q (0) ( + + + )

– = Q (0) – Q (0)

Если { Q (0) / }>{ Q (0) / },то первая программа эффективней второй, то есть < . Отсюда получаем принцип построения алгоритма ПМО: для каждого узла находим отношение { Qi(0)/ }и строим алгоритм по правилу

54

> > >... >

7.3.Метод ветвей и границ

Программе диагностирования может соответствовать бинарное дерево проверок G(Пк, U, S, V), где S — множество висячих вершин в дереве; Пк —множество внутренних вершин; V — множество дуг дерева.Средняя стоимость диагностирования

С(В)= , (7.3)

где S Si— множество подлежащих диагностированию состояний РЭО по программе, представленной деревом В В с начальной вершиной .

Для ОД задается матрица состояний, содержащая проверок, каждая из которых может включаться в программу диагностирования. Программа может начинаться с любой проверки Ui(i = ). Эта проверка будет соответствовать корням дерева В и называется фиксированной. Проверка Ui разбивает S на два несовместимых подмножества Si1 и Si2, которые соответствуют отрицательным и положительным результатам контроля. Значения средних стоимостей проверок С(Вi0) и С(Вi1) неизвестны, поэтому искомые решения заменяются нижними границами CM(Si0) и CM(Si1). Будем иметь

СМ(Ui,S)=Ci +CM(Si0) +CM(Sii), (7.4)

где CM(U ,S) — нижняя граница средней стоимости диагностики, начинающейся с фиксированной программы Ui.

Для первого шага алгоритма выбирается та, которая имеет наименьшую нижнюю границу.

На втором шаге для каждого множества S и S и множества различных пар для фиксированных проверок (Uj для Si0 и U для Si1) вновь определяется нижняя граница по формулам

СМ(Uj,Si0)=Cj +CM(Sj00) +CM(Sj01);

СМ(U1,Si1)=C1 +CM(S1i0) +CM(S1ii),

где индексы 00, 01, 10 и 11 соответственно означают разбиения So = S00 S01

и S1=S10 S11. Нижняя граница средней стоимости программы диагностирования 55

CM(Ui, Uj, U1, S) для фиксированных проверок, выбранных на первых двух шагах алгоритма, определяется выражением

CM{Ui,Uj,U1, S )=Ci + CM(UjSi0)+CM(U1Si), (7.5)

Далее процедура проходит аналогично. Если средняя нижняя стои-мость проверок превышает нижнюю границу стоимости любой из возмож-ных программ первого и последующего шагов алгоритма, то процесс пов-торяется до тех пор пока не будет получено оптимальное решение. На рис.7.1 представлено дерево решений для возможной задачи оптимизации про-граммы методом ветвей и границ.

Рис. 7.1. Дерево ПМО методом ветвей и границ.7.4. Метод половинных разбиений

Для РЭО, имеющего последовательную (или приближающуюся к ней) структуру дня ПМО, широко используется метод половинных разбиений (рис.

56

7.2).

Рис 7.2. Метод половинных разбиений

В схеме анализируемого РЭУ с учётом или без учета вероятности отказа, производится проверка состояния оборудования в средней точке (средний узел, блок), после чего в зависимости от результата проверяется правая или левая часть схемы.

7.5.Оптимизация алгоритма ПМО на основе информационного подхода

Применение метода базируется на двух принципах:– система технической диагностики и контроля — информационная

система;– в каждой проверке целевая функция отображает информацию о возмож-

ном (из поля S) состоянии РЭО.Поскольку отказ не локализован, то очевидно, что в каждой проверке

может быть заложена информация о том, где возник отказ с вероятностью Q(Si). Каждая проверка Ui контролирует одну или несколько возможных точек, сумма вероятностей которых

Q = , (7.6)

средняя энтропия имеет смысл глубины наших знаний о состоянии контролируемого узла (элемента, блока) РЭО и при i- й проверке H(S/Ui) определяется соотношением

H

B i- й проверке заложена информация

57

I =H(S) – H = – . (7.7)

Максимум информации о состоянии ОД содержит проверку, для которой величина

= 0 = –

Откуда Q =0.5.Поэтому ПМО должен начинаться с точки ФДМ, для которой имеет место

соотношение

(7.8)

Откуда следует следующее правило построения алгоритма ПМО на основе информационного подхода. По ФДМ РЭО строится матрица состояний (состояние Sj — столбцы, проверки Uj — строки). Под каждым значением Sj

указывается его численная нормированная величина Sj(O);.

Для каждой строки Ui вычисляется функция предпочтения

Wj = { Q (0)<< 1j >> Qj(0)<< 0j >>}, (7.9)где Q (0)<< 1 >> — количество единиц в строке, умноженное на

соответствующее вероятности состояний; Q (0)<< 0j >>— количество нулей в той же строке.

В качестве первой проверки выбирается та, для которой величина функции предпочтения Wj , то есть минимальна.

Далее проверки продолжаются по двум равноинформативным ветвям. Для результата Ui(Wmin)=1>> строится новая матрица, в которую попадают состояния Sij соответствующие единице; для этой матрицы также вычисляется значение функции предпочтения

Wk= (7.10)и далее процедура повторяется до получения однозначного ответа по каждому элементу ветви.

Для результата проверки Ui(Wmin)=<<0>> также строятся соответствующая матрица, в которой принимают участие состояния Sij с результатом проверки равным «нулю». Для всех строк этой матрицы также вычисляется функция предпочтения по соотношению (7.10) и следующая проверка выбирается по Wmin.

В показана матрица состояний и ее разветвление при ПМО в схеме тракта синхронизации РЛС (см. рис. 5.1), представленные на рис. 7.3.

58

При необходимости данный алгоритм может быть построен с учетом стоимости диагностирования.

Функция предпочтения при учете стоимости Ci следующий вид:

Wic= (7.11)

а процедура построения алгоритма ПМО остается одной и той же.

Рис. 7.3. Синтез алгоритма ПМО на базе информационной модели

Лекция № 10

Тема 8. ВЫБОР ДОПУСКОВ НА ДИАГНОСТИРУЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Суждение о характере функционального состояния РЭС, РЭУ иди элемента схемы РЭУ выносится только после того, как зафиксирован выход ДП за пределы допуска U >U; U>U .

Большинство РЭС ГА характеризуются такими параметрами, которые должны находиться в пределах своих допустимых значений. Допуски на

59

параметры РЭС (ДП) подразделяются на производственные , эксплуатационные и ремонтные .

Производственный допуск устанавливается техническими условиями |или нормативно-техническими документами.

Эксплуатационные допуски устанавливаются системой эксплуатационно-технической документации, а также технологическими указаниями по выполнению регламентных работ на образцах РЭО. Границы эксплуатационных допусков зачастую превосходят значения v , а число регламентируемых параметров меньше, чем при производстве РЭО.

Ремонтные допуски определяются в ремонтной документации или в производственно-технологической документации.

Установление допусков взаимосвязано с требованиями, предъявляемыми к тактическим характеристикам использования РЭО, а также с вопросами выбора точностных характеристик СТД.

В свою очередь ДП, на которые устанавливаются допуски, могут быть разделены на две группы: П и П . К группе П

относятся ДП, которые одновременно являются показателями функционального использования и могут быть непосредственно измерены. Допуски на эти ДП устанавливаются исходя из целевого назначения РЭО.

К группе П относятся такие показатели, которые также определяют параметры функционального использования, но их значения являются функцией внутренних параметров Ui=F(a ,..., а ). При этом анализ точностных значений Ui производится только через параметры F.

Допуски на параметры первой группы устанавливаются исходя из соображений тактических или технологических возможностей производства РЭС, и в значительной степени определяются требованиями иерархически старших систем — самолетовождения или УВД.

Остановимся на ДП второй группы.Если функциональная зависимость U от параметров F известна и известны

характеристики разброса F(a ,...a ,..,а ), то поле рассеяния U определяется в соответствии с [1] следующим выражением:

LU = , (8.1)

где = F(a ,..,a )/ a — частная производная ДП при номинальных значениях аi=аi0; L=aв-aн /2— половина поля рассеяния; ав и ан — наибольшее и наименьшее значения параметра а соответственно; Кi — коэффициент относительного рассеивания; К= ; — СКО; — относительное СКО для «эталонного» распределения (зачастую считают, что =1/3, что соответствует нормальному распределению и правилу ±3 , то есть L=3 ).

Координата середины поля рассеивания параметра U относительноего номинального значения Uo определяется выражением

60

YU , (8.2)

где = ; m — математическое ожидание параметра U —середина поля рассеивания; U =(U +U )/2.

Приведенные соотношения верны при следующих ограничениях: па-раметры ai независимы, а их законы распределения и количество i = таковы, что U оказывается распределенным по гауссовскому закону. Отклонения значений U являются множественными функциями значений a . Коэффициенты влияния остаются постоянными в пределах поля рассеивания L .

В действительности, если U=f(a ,...,а ), то его предельная величина от-клонения ( )пр=d или

( )np= + +... , где — относительные ошибки аргументов; — коэффициенты, являющиеся показателями различных аргументов.Если ошибки аргументов известны, то есть составляющие da /a , то можно

найти предельную ошибку.Для исключения неопределенности обычно принимают = = ... =

=( U)np/n, откуда относительная ошибка аргумента

(8.3)

Лекция № 11.

Тема 9. ПОКАЗАТЕЛИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ.

Понятие "показатель диагностирования" относится к комплексной характеристике, характеризующей основные параметры системы диагностирования и контроля. Основной физической характеристикой системы диагностики о функциональном состоянии РЭО является достоверность информации, отражающая степень доверия пользователя к полученным результатам. Достоверность контроля определяется: точностью измерения ДП, глубиной и полнотой контроля, безотказностью и помехозащищенностью СрД и К, закономерностями ДП и допусков на них; методикой измерения ДП, способами документирования и представления информации, условиями и местом проведения диагностирования, а также условиями, устанавливаемыми нормативной документацией на НТП.

Состояние РЭО характеризуется параметром (t), который является случайной величиной с плотностью распределения W( ). ОД считается

61

работоспособным, если параметр (t) находится в пределах поля допуска, имеющего соответствующие нижнюю и верхнюю границу и , то есть <(t)< .

Очевидно, что априорные вероятности пребывания ОД в состоянии работоспособности и отказа соответственно равны:

Р(Н) = P(H) = + .

9.1.Показатели диагностирования

При диагностировании РЭС возможна вероятность совместного нас-тупления двух событий: ОД находятся в техническом состоянии i, а в результате диагностирования ему присваивается нахождение в состоянии j. Эта вероятность называется вероятностью ошибки диагностирования вида (i,j) и определяется по формуле [I]:

Р =P = , (9.1)

где к — число состояний СрД и К; P — априорная вероятность нахождения ОД в состоянии i; Р — априорная вероятность нахождения СрД и К в состоянии 1; P — условная вероятность того, что результат диагностирования ОД признан находящимся в состоянии 1 при условии, что он находится в состоянии i, а СрД и К — в состоянии 1; Р — условная вероятность получения результата; "ОД в состоянии j" при условии, что СрД и К в состоянии 1.

Р —условная вероятность нахождения ОД в состоянии i при условии, что получен результат "ОД в состоянии j ", а СрД и К — в состоянии 1.

Очевидно, что если i=j, то мы имеем дело с вероятностью правильного определения функционального состояния i ОД.

Если известны статистические характеристики испытаний СДК, товероятность ошибки определяется по формуле

P , (9.2)

где N — общее число испытаний СДК; — число испытаний, при ко-торых система диагностирования зафиксировала состояние j; вероятности P и Р определяются методами теории надежности.

Если состояние РЭС определяется совокупностью m независимых ДП и СрД и К различает 2 состояний ОД, то

62

P = , (9.3)

где f — функция, значение которой зависит от конкретной ситуации: 1.Если в состоянии i и j ОД параметр v находиться в допуске и СрД и К в

состоянии , то f =P ,где Pv — априорная вероятность нахождения ДП в поле допуска; — вероятность совместного наступления двух событий: ДП — в

поле допуска, а считается вне поля допуска при условии, что СрД и К находится в состоянии

2. Если в состоянии i ОД параметр v находится в допуске, а в состоянии j параметр вне поля допуска при условии, что СрД и К в состоянии 1, то f =

3.Если в состоянии i ОД параметр v находится вне поля допуска, а всостоянии j – параметр v — в поле допуска при условии, что СрД и К всостоянии 1, то f = ,

где — вероятность наступления двух событий; ДП v находится вне поля допуска, а его считают находящимся в поле допуска при условии, что СрД и К — в состоянии 1.

4.Если в состоянии i и j ОД параметр v находится вне поля допускапри условии, что СрД и К в состоянии 1, то f =1-P - .

Для системы диагностики и контроля, предназначенной для проверки работоспособности по альтернативному признаку, то есть при двух состояниях(m=2), следует устанавливать индексацию:

i=1(j=1) —работоспособное состояние;i=2 (j=2)—неработоспособное состояние.Тогда вероятность ошибки диагностирования вида (1,2) P является

вероятностью совместного наступления двух событий: ОД находятся в ра-ботоспособном состоянии, а по результатам контроля считается находящимся в неработоспособном состоянии, вероятность вида (2,1) P — вероятность совместного наступления двух событий ОД — в неработоспособном состоянии считается находящимся в работоспособном (ошибки I-го и II-го рода).Вероятности ошибок диагностирования

P =P ; (9.4)

P =P , (9.5)

где составляющие определяются соотношениями (9.1) и указанной ранее индексацией.

63

В случае определения состояния РЭС совокупностью m независимых ДП (v= ) вероятности ошибок (9.4) и (9.5) принимают вид:

P = , (9.6)

P = . (9.7)

В [1] отмечается, что СрД и К можно представить в виде одного из трех состояний: =1,3; =1 — работоспособное при правильной индексации; =2 — неработоспособное при индексации "ОД работоспособен", =3 — неработоспособное при индексации "ОД неработоспособен". С учетом этого вероятности ошибок диагностирования

P = ,

P =P .

Если пренебречь отказами СрД и К, то есть считать P =P =P =0, то соотношение для ошибок диагностирования имеет вид

P = ;

P = .

Апостериорные вероятности ошибок диагностирования вида (i, j) вычисляют по формулам:

P =P ; P =P ; P =P

Вероятность правильного диагностирования

D= (9.8)

С учетом возможных ситуаций, когда проверяются только работос-пособность РЭС (при определении Sp совокупностью m параметров) и учета трех состояний СрД и К выражения для вероятности правильного диаг-ностирования принимают соответственно следующий вид:

D= ; (9.9)

64

D=P (9.10)

Из (9.10) следует, что при Р =1 полная вероятность правильного ди-агностирования равна

D=P (9.11)

Таким образом, выражение (9.11) определяет то функциональное состояние РЭС, в котором она как ОД действительно находится.

Математическое ожидание оперативной, продолжительности, однократного диагностирования является средней оперативной продолжительностью и определяется по формуле

= , (9.12)

где — средняя оперативная продолжительность ОД в состоянии i; — оперативная продолжительность ОД в состоянии i при условии, что СрД и К в состоянии . В состав входят как продолжительность выполнения вспомогательных операций, так и основных операций.

При расчете этого показателя по статистическим данным испытаний РЭС оценочная формула принимает вид:

, (9.13)

где — средняя оперативная продолжительность диагностирования ОД в состояния i при g-м испытании.Аналогично определяется средняя стоимость диагностирования

Cд= , (9.14)

где ci — средняя стоимость диагностирования объекта в состоянии i.Средняя трудоёмкость диагностирования

VД= , (9.15)

a пo статистическим данным эксплуатации (испытаний)

VД= . (9.16)

В табл. 9.1 приведены ситуационные модели состояний ОД и СрД и К [1].

Табл. 9.1Ситуация состояний объекта и средств диагностирования

Состояния ОД

Состояния СрД и К

Решение о состоянии

ОД

Ситуация Комментарий

65

P P P Правильное диагностирование

–

P P Ошибка 1-го рода Большие погрешности

P P – СрД и К всегда показывает Р

P P P Ошибка 1-го рода СрД и К всегда показывает Р

P P Правильное диагностирование

–

P P Ошибка 2-го рода Большие погрешности

– СрД и К всегда показывает Р

Ошибка 2-го рода СрД и К всегда показывает

Лекция 12

Тема 10. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ РЭО

Прогнозирование технического состояния РЭО означает предсказание его будущего состояния на основе изучения и учета тех факторов, от которых оно зависит и которые ему предшествуют.

В процессе эксплуатации прогнозирование позволяет с определенной степенью точности найти: время наступления предстоящего отказа, узлы аппаратуры, в которых наиболее вероятно появление отказа, характер и число отказов в будущем.

Дополнительная информация о состоянии РЭС, например, о производных совокупности ДП Up (U1, U2,... ,Un), U (U1,U2,... ,Un) по времени, о тенденциях в изменении ДП за наблюдаемый интервал, позволяет выявить более глубокие закономерности, чем используемые в теории надежности законы распределения времени наработки между отказами.

Количественный прогноз состояния РЭО зачастую позволяет определить стратегию ТЭ. Однако в силу случайного характера процессов, протекающих в РЭС, и случайного характера условий функционирования, прогноз подчиняется случайным закономерностям. Необходимо отметить, что практически всегда прогнозирующие оценки имеют детерминированную и случайную состав-ляющие, что и определяет совокупность ДП в будущем:

U(t +Tnp)=Uдет(t+Tnp)+Ucл(t+Tnp), Результаты прогнозирования позволяют:–определять периодичность диагностирования;– проводить предупредительные замены исправных элементов;

66

– определять и обосновывать объемы ЗИП;– оптимизировать (корректировать) алгоритмы ПМО;– организовывать рациональные режимы хранения ЗИП;– совершенствовать стратегии ТО;– правильно планировать выпуск изделий РЭО и СрДиК.В общем виде алгоритм прогнозирования технического состояния может

быть представлен в виде следующей последовательности операций:– определение предшествующего состояния РЭС: S(t-Tн), где Тн — интервал

наблюдения;– определение прошлого состояния РЭС: S(t-Tиз), где Тиз — интервал

изучения; Тиз>>Тн;– техническое диагностирование и контроль в данный момент времени to -

S(t);– обработка результатов по данным S(t-Tиз), S(t-Tн), S(t0) и определение

закономерности изменения состояния. (Отметим, что современные вы-числительные средства позволяют в кратчайшие сроки по полученным данным выработать конкретные рекомендации по ТО конкретных РЭС);

– прогнозирующий расчет и определение S(t+Тnр).Иногда, прогнозирование называют прогнозирующим контролем.При существующем многообразии подходов и методов осуществления

прогнозирования, предопределяемых физическими процессами изменения состояния элементов, узлов и блоков РЭС, можно указать основные принципы получения результатов прогноза, которые будут объединять целые группы возможных методов прогнозирования:

1) результат прогноза получают в той же размерности, что и контро-лируемые параметры, то есть прогнозирование изменения состояния ОД (ДП) имеет своей целью получить величину контролируемого параметра, характеризующего временное изменение процесса;

2) результат прогноза определяется как вероятность выхода(невыхода) характеристик контролируемого процесса за определенные пределы;

3) в результате прогноза контролируемый процесс (ОД) может быть отнесен к тому или иному классу заранее охарактеризованных процессов (параметров функционального использования ОД — РЭС ГА) по критерию работоспособности или долговечности.

10.1.Аналитическое прогнозирование

Рассмотрим задачу прогнозирования, подходя к ней с позиций сфор-мулированного выше первого направления. Пусть контролируемый процесс, характеризующий состояние РЭО — ОД представлен в виде многомерной векторной функции (t) = { (t), (t),..., (t)} наблюдаемый дискретно или непрерывно в период времени от to=0 до tn области T1 , вследствие чего известны значения згой функции (t0), (t1),..., (ti),... (tn) соответственно в

67

моменты времени t0, t1,..., ti,... tn T1. Необходимо по известным значениям (ti) определить величины этой функции (tn+1),..., (tn+j),... (tn+m) в моменты времени tn+1,..., tn+j,... tn+m T2, где Т2— область будущих моментов времени. Задача может решаться как для каждой координаты вектора S(t), так и для самого вектора (рис.10.1).

Рис. 10.1. Прогнозирование процесса (t)

Очевидно, что подобная постановка задачи справедлива в случае, если(t0),..., (tn) определяют значения (tn+1), , (tn+m), иными словами процесс

инерционен во времени и все изменения, происшедшие в прошлом, накапливаются, то есть существует явная необходимость диагностического процесса.

Наиболее приемлемым случаем решения поставленной задачи безусловно является описание изменения функции (t) каким-либо аналитическим выражением.

При этом чаще всего используют приемы численного анализа. Известно, что задача интерполирования заключается в нахождении значений функции (t)

для промежуточных значений аргумента ti<t<ti+1, i= , где ti — дискретные значения аргумента, при которых функция (t) известна. При этом вместо функции (t) оперируют с функцией Y(t), достаточно простой для вычисления, которая в заданных точках to,t1,...,tn принимает значения (t0), (t1),..., (ti), (tn):

Y(ti)= (10.1)

68

Функцию Y(ti) называют интерполирующей и отыскивают в виде алгебраического многочлена, получая при этом на небольших временных интервалах достаточно хорошие приближения.

Задачу экстраполирования, заключающуюся в отыскании значений функции (t) вне области известных значений аргумента T1, ti T1, формулируем следующим образом.

По данным значениям t и необходимо найти многочлен Y(t) степени n, удовлетворяющий условию (10.1) и неравенству

< j = , (10.2)

где (tn+j) — неизвестные значения функции (t) в области Т2:— заданные величины (погрешности).

В общем случае многочлены имеют вид

Y(t) = , (10.3)

где =f — неизвестные коэффициенты; (t) — функция простейшего вида от текущего значения аргумента t. Коэффициенты в (10.3) определяются из условия метода наименьших квадратов:

= min.

В качестве экстраполяционных полиномов могут быть использованы интерполяционные полиномы, которые претерпели определенную модифика-цию :

полином Лагранжа

Yл(t)= , (10.4)

где Lj — коэффициенты Лагранжа:

Li= / , (10.5)

значения которых табулированы [9];

Формула Ньютона

69

Yн(t) = (tn) + N1 + N2 + N3 +…, (10.6)

где Nk — табулированные коэффициенты разложения Ньютона [9]:

Nk= ,

— конечные разности k-ro порядка; ряд Тейлора

Y (t)= (tn) + (tn) + (tn) +... + (tn) , (10.7)

где (tn)— k-я производная в точке tn; = m /k! — коэффициенты ряда Тейлора, для которых составлены

таблицы [9].

Лекция 13

Тема 10. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ РЭО

10.2. Вероятностное прогнозирование

При определении вероятности выхода (невыхода) контролируемого процесса за установленные значения поля допуска задача прогнозирования может быть сформулирована следующим образом:

Пусть получены значения параметров v, v = в моменты времени ti, i= и в каждом временном сечении состояние объекта полностью

характеризуется функцией распределения Fi( ). По известным значениям v(ti), (ti), Fi( ), ti{t0, tn] необходимо вычислить вероятность сохранения работоспособности ОД:

Fn+j( )=P = d ,

где * — допустимое значение функции (t); fi(t ) — плотность распределения значений (t) во времени сечении t в области для значений tn+j, j= (рис. 2.5) с математическим ожиданием mg(t) и дисперсии .

70

Рис. 10.2. Вероятностное прогнозирование

Значение параметров РЭО под воздействием множества факторов, влияние которых можно характеризовать как влияние внешних возмущений, изменяются случайным образом. В тех случаях, когда "случайность" в поведении параметров велика, прибегают к вероятностной оценке средств совокупности параметров, изменяющихся во времени.

Совокупность параметров представляется, таким образом, совокупностью случайных величин и, следовательно, необходимо знание закона распределения:

Fi( )=P

Зная функцию Fi( ) контролируемого параметра (t), можно определить вероятность попадания значений функции на любой интервал оси . Целью вероятностного попадания является определение вероятности выхода (невыхода) параметра за допустимый предел *, или, иными словами, вероятности отказа ОД.

Распределение значений контролируемого параметра РЭС в точке, соответствующей моменту t, определяется плотностью вероятности f1( ) =F ( ), а искомую вероятность, можно определить в виде:

P = . (10.8)

Практически чаще всего используется нормальное распределение

f1( )= , (10.9)

71

где mt( ) и ( ) — математическое ожидание и дисперсия параметров в сечении t.

Статистическое значение m( ) и ( ) вычисляются с помощью следующих выражений:

m( )= ;

( )= ,

где рi— вероятность, соответствующая появлению значения параметров .

10.3.Статистическая классификация

Статистическая классификация как третье направление прогнозирования предусматривает отнесение диагностируемого процесса объекта к одному из классов и допускает следующую формулировку задачи в рамках теории распознавания образов.

Пусть в момент to получены значения параметров контролируемого процесса 1, 2 , , V, , k , характеризующие функцию о. Необходимо по совокупности полученных параметров { V}, v = , координат вектора принять решение о принадлежности процесса к тому или иному классу R ,

, где R могут быть параметрическими: = , = , или временными; = 0...Т, = Т....2Т, и др. (рис. 10.3). Здесь , ,..., , [Т, 2Т|,... — выбранные интервалы в поле допуска и на временной оси.

72

Рис. 10.3. Статистическая классификация ОК

Множество и размер классов определяются специфическими особенностями ОД; они объединяют РЭС, характеризующиеся идентичностью показателей состояния, совокупностью свойств и т.д.

73

На рисунке показана схема распознавания (СР) (классификации) и схема обучения (СО), первая из которых предназначена для принятия логического решения, которое выдаётся на выходе схемы и соответствует определённой выходной информации о работоспособности ОД, а вторая изменяет параметры СР в соответствии с отношением между совокупностью параметров, поданных на вход схемы, и решениями, которые желательно при этом получить.

Пусть необходимо классифицировать объекты на два класса (R и R ), когда на вход модели поступает совокупность параметров объекта или, иначе, вектор состояния ОД на выходе СР образуется = , принадлежащий R или R .

Желаемый выходной вектор, соответствующий , задаётся извне «обучающим фактором» и обозначается = . СО изменяет параметры распознавания таким образом, чтобы совпадал с Z максимальное число раз.

Этот процесс именуют априорным опытом модели, которой можно выразить двумя совместными вероятностями:

Р =Р( )Р ;

P , 0 (10.10)

Где l= ;P — вероятность появления ;

Р —совместная вероятность появления и Zl

P(Zl =R )/ — условная вероятность появления Zl , если наблюдается объект, которому соответствует .

Согласно (2.24), входному вектору на выходе схемы распознавания будет соответствовать ситуация с вероятностью ошибки P( ,Zl R ).

Минимум ошибки распознавания для каждого объекта прогнозирования будет иметь вид

Y R ,если <0;Y R ,если <0,

где = P( ,Zl R )- P( ,Zl R .

В случае =0 принимают решение Zl или отказываются от рас-познавания.

Требование минимума ошибки распознавания или минимума среднего риска W(q, ) при некоторых предложениях приводит к выражению, именуемому отношением правдоподобия (ОПП):

(10.11)

74

где f( /R )— условная плотность распределения вероятности того, что относится к R ;q1,2 —априорная вероятность классов R .

Если известно выражение для f( /R ), то решающее правило определить несложно.

Величина W(q, ) определяется как математическое ожидание функции потерь (средний риск):

W(q, )= ,

где d — решение, соответствующее принадлежности объема к классу R , принимаемое из общего числа возможных решений D={do, d1,..., dm}; do — решение, означающее отказ от классификации; (di, R ) = — весовая функция (функция потерь), представляющая собой потери, вызванные тем, что принято решение di, в то время когда истинно d ( > > ,i ).

В заключение отметим, что инженерная реализация методов прогно-зирования отличается большим разнообразием математических способов, из которых укажем следующие:

1. Аналитическое прогнозирование: градиентный метод, метод Бокса-Вильсона, метод обобщенного параметра, метод прогнозирования с адаптацией.

2. Вероятностное прогнозирование: метод статистического градиента*прогнозирование известных функций распределения, прогнозирование неизвестных функций распределения, прогнозирование неапроксимируемых функций распределения, прогнозирование характеристик надежности, прогнозирование марковских процессов, прогнозирование многоэкстремальных процессов.

3. Статистическая классификация: метод статистических решений, метод потенциальных функций, детерминированные методы, вероятностныеметоды, дискриминантный анализ.

Лекция № 14

Тема 11. ПОКАЗАТЕЛИ КОНТРОЛЕПРИГОДНОСТИ

Контролепригодность РЭО или ОД оценивается полнотой диагностирования, глубиной контроля возникшей неисправности, затратами времени, труда и средств.

Рассмотрим наиболее важные показатели контролепригодности: 1. Показатели, характеризующие полноту диагностирования: • коэффициент полноты проверки

КП.П.= , (11.1)

75

где — соответственно коэффициент важности и коэффициент безотказности i-ro ДП; m, М — соответственно число оцениваемых и общее число ДП.Этот показатель в основном определяет методическую достоверность

диагностирования.• коэффициент глубины поиска дефекта

КГ.П= , (11.2)

где — число дефектов кратности, не большей i, определяемых однозначно; — число возможных дефектов в ОД кратности, не большей i.

Иногда глубину поиска дефекта определяют в виде

КГ.П=W/R, (11.3)

представляющим собой отношение числа W структурных единиц ОД, с то-чностью до которых обнаруживается дефект, к общему числу R структурных элементов, на которое подразделяется ОД. Расчет КГ.П обычаю ведут по ФДМ или по матрице состояний.

• среднее число структурных единиц ОД, с точностью до которых определяется место возникновения дефицита

N= , (11.4)

где qi— вероятность возникновения i-ro дефицита, ri — число дефицитов, не различаемых с i-м дефицитом; n– число возможных дефектов.

2.Показатли, характеризующие прямые затраты на диагностирование объекта:

• среднее время диагностирования (контроля) определяется по формуле (9.12);

длина теста диагностированияL=N, (11.5)

где N — число элементарных проверок.

• относительная трудоемкость диагностирования блока Sдi=1-τдi/τд,где τдi —время диагностирования i-ro блока ОД;

• коэффициент трудоёмкости подготовки к диагностированию

Кт.д = (Sд – Sn )/Sд,

76

где Sд —средняя оперативная трудоемкость диагностирования, Sn — средняя трудоемкость подготовки к диагностированию.

• производительность диагностирования (коэффициент использования времени)

КВ.Р.= ,11.6)

где ti — среднее время, затрачиваемое на i-ю проверку; tвр.i — среднее время, затрачиваемое на вспомогательные операции при i- й проверке; n и m — соответственно общее и реализуемое количество проверок (измерений).

3. Вспомогательные операции, характеризующие организацию про-цесса диагностирования:

• коэффициент механизации диагностирования

, (11.7)

где и — соответственно временные затраты на частично и полностью механизированное диагностирование;

• коэффициент автоматизации диагностирования

, (11.8)

где — время диагностирования автоматизированным СТД; — время подготовки ОД при использовании автоматизированных СТД.

Лекция № 15

Тема 12. РАСЧЁТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

Аналитический расчет показателей диагностирования позволяет определить вероятности пребывания РЭС в соответствующих состояниях и вероятности принятых гипотез.

12.1. Ошибки в тракте диагностирования

В ходе реального процесса контроля параметров РЭО, как следствие воздействия многих факторов, вместо величины ξе(t) получаем величину ξ(t) = ξe(t)+ ξп(t).

В результате необходима замена допусковой области и принятие решений по критерию ξв > ξ(t) > ξн. Возможности принятия решений в процессе технической диагностики и контроля можно рассматривать как следующие гипотезы:

77

НII — истинное и измеренное значение параметра ξс в пределах допуска ξа < ξс < ξв; ξа < ξ < ξв;

Н10 — истинное значение параметра в пределах допуска, а измеренное — вне допуска ξ > ξв, ξ < ξа;

H01 — истинное значение параметра вне допуска ξс > ξв и ξс < ξн, а измеренное — в пределах допуска;

Н00 — истинное и измеренное значения параметров вне пределов допуска.Гипотезы Н11 и Ноо представляют верные, а гипотезы Н10 и H01 —

ошибочные решения, причем первые могут быть непосредственно использованы как критерий достоверности, а вторые как мера недостоверности

D = Р(Н11) + P(H00) = 1 - Р(Н10) – Р(Н01) (12.1)

Очевидно, что ситуации ОД — работоспособен (неработоспособен) определяются соотношениями

DP = Р(Н11)/[P(H11) + Р(Н01)], (12.2)

Dнр = Р(Н00)/[P(H00) + Р(Н10)] (12.3)

Для вычисления вероятностей Р(Нij) ситуации (рис. 12.1) :a) P1( ) — показатель качества ниже области допуска; б) Р2( ) — в допуске; в) Рз( ) — выше допуска.

При диагностировании контролируется показатель качества функци-онирования РЭС (параметр РЭС, ДП) (t), который должен находиться в допустимых пределах (в поле допуска) .

78

Рис. 12.1. Вычисление показателей ОбТД:Считая, что систематические погрешности отсутствуют, а плотности

распределения ДП — W1( ) и плотность распределения погрешностей W2( ) независимы, получаем три ситуации:

ОД признается неработоспособным, так как < ; ОД признается работоспособным; ОД признается неработоспособным, так как .

Соответственно имеем

(12.4)

Учитывая, что ,

соотношения для расчета вероятностей гипотез будут иметь вид:

Р(H11)= (12.5)

79

Р(H00)=

(12.6)

P(H10)= (12.7)

P(H01)= (12.8)

Еще раз отметим, что ошибки определения параметра в процессе контроля при гипотезах Н10 и H01 называются ошибками 1-го и 2-го ряда соответственно.

12.2 Аналитический и графоаналитический расчет показателей диагностирования.

Если считать, что W( ) и ( ) распределены нормально, то искомые значения вероятностей и — ошибок определения состояния v-гo параметра 1-го и 2-го рода для определения P1,2 и Р2,1 могут быть представлены в виде:

Pv=2Ф0( )— для ДП с двусторонним допуском;

Pv=0,5+Ф( ) — для ДП с односторонним допуском;

где Ф( )= — нормированная функция Лапласа;

(12.9)

(12.10)

где Xv, Zv — нормированные величины, которые определяются значением допуска, среднеквадратической погрешностью измерения ДП , средним значением ДП, СКО ДП .

Эти нормированные величины вычисляют по следующим выражениям: (ДР с двусторонним допуском);

80

(ДП с односторонним допуском).где = М ;Zv=Графический метод расчета ошибок диагностирования проиллюстрируем с

помощью номограмм, приведенных в |9] (рис. 12.2, 12.4). Координатами для построения номограмм являются , , d( ) и h( ).

Рис. 12.2. Номограмма функции Ри.з. = + = f ( ) при распределении значений ДО и погрешностей средств измерения

по законам равной вероятностиПо оси ординат откладывается значение вероятности неверного

заключения Рн.з. = , по оси абсцисс — относительная параметрическая пог-решность измерения .

81

Рис. 12.3. Номограмма расчета функции вероятности ошибки1-го рода f ( ) при нормальном распределении значений ДП

и погрешностей СрД и К.

На рис. 12.2... 12.4 использованы следующие обозначения:h= ,— СКО ДП; d= — среднеквадратическая погрешность измерительного прибора; W = 1/2h — плотность распределения параметра; W(p) = l/2d — плотность распределения погрешности средств; — относительная параметрическая погрешность измерения.

82

Рис. 12.4. Номограмма функции вероятности ошибки 2-го рода= f ( ) при нормальном распределении ДП

и погрешности измерения.

Для симметричных законов распределения и условия вероятность РН.З. при односторонних допусках численно равна половине

ранее вычислительной вероятности при двустороннем допуске: РН.З.Н. = 0,5 РН.З. = РН.З.В. Очевидно, что в этом случае расчеты можно проводить по приведенной номограмме, но вместо величины следует использовать величины

, Если , то следует вместо использовать величины

и ; где .

При этом нормированный допуск для нижней и верхней границ оп-ределяют по формулам:

;

;

В качестве ограничений для приведенных соотношений служат равенства:; .

Лекция № 16

83

Тема 13. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

Эффективность — комплексное свойство процесса использования данной системы по назначению, в нужный момент времени с определенным результатом.

Эффективность и качество систем оценивают совокупностью соответствующих показателей, подразделяющихся на единичные, интегральные и комплексные.

Примером последних является вероятность правильного диагностирования СТД, определяемая соотношением

D=1-

В работах [1,2,10] подробно рассматриваются показатели эффективности диагностирования и методы оценки эффективности диагностирования при проведении профилактических работ по техническому обслуживанию РЭС, анализе методических и инструментальных погрешностей, определении риска использования объектов и др.

Остановимся на вероятности правильной оценки состояния ОД и расчета коэффициента качества и эффективности.

Для обобщенной оценки эффективности Э. диагностирования служит критерий вероятности правильности диагноза. При этом объект описывается множеством А диагностических показателей аi, а его состояние определяется сравнением ДП с их номинальными значениями. На практике из-за ряда затруднений реализация метода диагностирования состояние ОД оценивается по ограниченной совокупности В показателей, причем, так как B А, то достоверность диагностирования снижается.

Зависимость вероятности правильной оценки состояния ОД от показателей ai можно представить в виде "иерархической структуры" (рис. 13.1).

84

Рис.13.1. Возможный вариант "иерархического дерева" для оценкивероятности правильного диагностирования в зависимости от ai

На уровне I находится показатель Э — вероятность правильной оценки ОД.На уровне II расположены показатели, характеризующие отдельные

элементы, участвующие в процессе диагностирования: надежность технических средств диагностирования D1, достоверность диагностирования D2, надежность действий технического состава Dз.

Третий уровень включает коэффициент готовности P1, вероятность безотказной работы P2, показатель адекватности модели ОД Pз, вероятность работоспособности оператора в момент to P6, показатель полноты диагностирования P4, инструментальную достоверность P5 , показатель работоспособности оператора Р7.

На уровне IV размещены параметры СТД — Yi.Вышеперечисленные показатели "дерева" определяются с помощью

зависимости

Xj = ,

где X — показатели v-гo уровня, число которых равно nv, j = ; — номер иерархического уровня;

G — группы непересекающихся показателей -гo уровня, число которых равно mv, i= , f — функция cвязи между показателями разных уровней, которые определяют переход от непересекающихся групп Q показателей -гo уровня к показателям х -го уровня.

Для определения вероятности правильной оценки состояния ОД необходимо знать:

85

количество и информативность ДП; величину СКО ДП от математического ожидания и погрешности

измерения ДП; величину изменений ДП; коэффициент готовности и вероятность безопасной работы

технических средств за время диагностирования; количество обнаруживаемых и необнаруживаемых дефектов в ОД.

Эффективность операций диагностирования и контроля в общем виде можно представить разностью [1 ]:

КЗ(t)= Э = Э(t/tД) - Э(t); t>tg .

где Э(t/tД) — эффективность ОД при условии, что в момент tД проведено его диагностирование и техническое обслуживание;

Э(t)—эффективность ОД при условии, что не проводилось ТО. Нормированный показатель эффективности использования СТД

KЗ = (Э(t-tД)-Э(t))/Э(t), 0<КЗ<1.

Анализ результата применения СТД можно использовать в двух вариантах: для изменения безопасности изделия РЭС путем проведения работ

ТО по данным диагностирования; для определения временного интервала , в течение которого РЭС

сохранит свою работоспособность с заданной вероятностью РРД.Если представить Э(t) = Эo(t) • P(t), где Эo(t) — эффективность идеальной в

надежностном смысле функционирования РЭС, a P(t) — вероятность безотказной работы, выступающая как мера снижения эффективности, то коэффициент эффективности использования

КЗ= ,

определяется через показатели безотказности, а сам эффект от использования СДК выражается повышением безотказности РЭС.

В [1] показана прямая связь между диагностированием безотказности и эффективностью РЭС.

Если по результатам проведения диагностики и контроля необходимо определить время остатка работоспособного состояния системы ТР (то есть реализовать прогнозирующий контроль), то следует принять решающее правило: Tp> , где — заданное время сохранения Sp. Поскольку такая оценка всегда сопровождается погрешностями, то практически < ТР, что и является физической основой ошибок прогноза сохраняемости 1-го и 2-го рода:

( ) = Р { Тr*<= / Тр> }, (13.1)

86

( ) = Р { Tr*> / Tp<= }. (13.2)

Условная функция распределения остатка времени работоспособности

P0(t-tД) = P{ ТР <(t -tД)/T0>tД = [F(t) - F(tД)]/ , где F(t) = Р|ТP<1} — функция распределения времени сохранения работоспособности состояния,

Q= — априорная вероятность поступления на диагностирование неработоспособных объектов и 1-Q = 1-F(tД) — работоспособных объектов,

откуда априорная вероятность P(t) безотказной работы поступившего объекта P(t) =(1-Q)F0(t), где F0(t) — условная функция безотказности ОД.

Если считать, что вероятность безотказной работы ОД в течение интервала при условии идеального диагностирования равна 1 и tД=0, то

КЭ( ) = PД( ) - R( ) / , (13.3)

где РД( ) — апостериорная безотказность за интервал времени .

В табл. 13.1, взятой из [1], приведены данные для определения эффек-тивности диагностирования с точки зрения достоверности предсказания интервала сохранения работоспособного состояния.

Для расчета эффективности по табл. 13.1 необходимо использовать следующие выражения:

Кп.0 = ; Кп. = ,где

;

;

;

W0(t)=-dF0(t)/dt,где W{ ) — плотность вероятности значений распределения параметра .Такой характеристикой эффективности СТД является коэффициент

технического использования РЭС при наличии диагностирования и отсутствия такового или повышении коэффициента Кт н. при внедрении СТД.

Таблица 13.1 Параметры определения эффективности диагностирования.

87

Вид контроля

Pk(t) f(t) λ(t) T Pk(τ) Эk

Без контроля

(1-Q)F0(t) Qδ(t)+ (1-Q)f0(t) λ0(t) (1-Q)T0 (1-Q)F0(τ) 0

Идеальный(Кп.о.=0)

F0(t) f0(t) λ0(t) T0 F0(τ) QF′(τ)

Реальный(Кп.о≠0)

(1-Q)F0(t)1-Q(1-Kпо)

QKп.о.δ(t)(1-Q)f0(t)1-Q(1-Kп.о.)

λ0(t) (1-Q)T0

1-Q(1-Kп.о.)1-(1-Q)F0(τ)

Идеальный ПК

(Кп.о.=0)(Кп.τ.=0)

1, t≤τ

F0(t) } t>τF0(τ)

0, t≤τ

f0(τ) } t>τF0(τ)

0, t≤τ

λ0(t), t>τ

1

Лекция 17Тема14. СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ И КОНТРОЛЯ

Процесс технического диагностирования включает в себя измерительные, контрольные и логические операции, выполняемые оператором и техническими средствами с целью определения действительного состояния ОД. При этом процесс диагностирования можно рассматривать (рис. 4.1) как сбор информации (И) о состоянии ОД и ее преобразование в преобразователе (ПИ) с дальнейшим документированием и анализом (ДА). Результаты оценки (Р) затем используются для принятия решения (ПР) о выполнении последующих операций или дальнейшем функциональном использовании РЭО. Не исключается возможность воздействия (B1, B2) с целью уточнения диагноза или управления им в процессе диагностирования, что и определяет наличие обратных связей на рис. 14.1.

Рис. 14.1. Схема диагностирования

88

Средства технической диагностики и контроля относятся к категории информационно-измерительных систем (ИИС). Эти устройства своими па-раметрами по существу определяют все выходные показатели РЭС как ОД. СрД и К являются составной частью СТД, определяют эксплуатационно-технические характеристики этих систем.

Являясь неотъемлемой частью СТД, средства определяют контролепригодность РЭС, которая является свойством изделия, характеризующим его приспособленность к проведению контроля и диагностики заданными средствами.

Собственно СрД и К являются достаточно сложными РЭУ со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Не останавливаясь на принципах классифицирования средств диагностики и контроля, приведем возможную структуру классификаций СрД и К (рис. 14.2), приведенную в [1].

89

Рис. 14.2. Классификация Срд и К

Основными параметрами СрД и К следует считать: точность измерения параметров РЭС, количественно определяемая погрешностью измерений ( ), точность воспроизведения имитируемых сигналов, информационная производительность, инструментальная достоверность, разрешающая способность, степень автоматизации.

Точность средств измерений можно оценить мерой точности = 1/ , где — среднеквадратическая погрешность.

В общем случае= ,

90

где — среднеквадратические погрешности преобразователей, нормализаторов, коммутаторов, измерительного прибора соответственно, j= п, н, к, и.п.

Производительность СрД и К может задаваться оперативной продолжительностью диагностирования или количеством объектов РЭС, диагностируемых за заданный временной интервал Т

NД=T/ .

14.1. Средства контроля

При проведении диагностирования и контроля РЭС используются следующие средства:

1. Измерительные приборы общего назначения.2. Встроенные средства диагностики и контроля.3. Имитаторы сигналов РЭС.4 Стенды для регулировки и испытания РЭО.5. Автоматизированные средства диагностики и контроля.В работах [1,9,10, 11] подробно рассматриваются вопросы структуры,

особенностей функционирования и применения конкретных приборов, принадлежащих к перечисленным классам и используемых в отраслевых предприятиях. Эти приборы достаточно подробно изучаются в предшествующих курсах, а поэтому более подробно рассмотрим последний, 5-й класс, так как он представляет наибольший интерес ввиду особенностей современных и перспективных РЭС ГА, широко использующих цифровую элементную базу и комплексирование информации.

14.2. Автоматизация средств контроля технического состояния РЭО

Стратегия ТЭ РЭО по состоянию предполагает накопление с помощью средств контроля и обработку текущей информации в целях постоянного обеспечения обслуживающего персонала рекомендациями о принятии необходимых мер по обеспечению заданного уровня функционирования системы. Создание таких СрД и К стало возможным благодаря широкому развитию и использованию микропроцессорной техники на основе интегральной технологии.

Требование к аппаратуре контроля и диагностики определяются следующими факторами:

сложностью современных РЭС; такие ОД требуют более полных и детальных проверок, что связано с необходимостью увеличения в СТД

91

контрольных точек или разработки новых методов контроля и диагностики; временными ограничениями на интервал проверки; при создании

алгоритмов МПО, обработки информации и аппаратуры контроля и диагностики сложной системы важным фактором является время выполнения этих процедур обслуживания, требования к которому зависят от стадий жизненного цикла (см. § 1.1.);

полнотой контроля; требование к полноте контроля (количество и глубина проверок зависят от стадий разработки и эксплуатации РЭО и должны учитываться в каждом конкретном случае);

надежностью системы контроля и диагностики; временем восстановления системы; этот фактор зависит от стратегии

эксплуатации оборудования, места проведения восстановительных и (или) ремонтных работ, количества запасных элементов и квалификации обслуживающего персонала;

окружающей среды, определяющей конструкцию аппаратуры контроля и диагностики системы;

экономической целесообразностью аппаратуры контроля и диагностики; этот фактор определяет структуру и состав СрД и К.

Выполнить поставленные требования возможно только при применении в аппаратуре контроля и диагностики современных средств вычислительной техники.

В зависимости от характера решаемых задач, в автоматизированных средствах контроля и диагностики современных РЭС используется соответствующая вычислительная техника, которая на современном уровне ра-звития позволяет обеспечить требования к автоматизированным средствам диагностики и контроля по универсальности, адаптации к различных системам РЭО (и не только РЭО), обнаружения места отказа с точностью до сменного функционального элемента системы, выдаче в результате анализа данных контроля и диагностики необходимых рекомендаций по техническому обслуживанию.

Современные автоматизированные СрД и К по характеру взаимодействия о РЭО делятся на активные и пассивные.

Активные автоматизированные СрД и К (тестовые средства) в соответствии с алгоритмом тестовой программы формируют стимулирующие сигналы, подаваемые на проверяемую систему с целью получения от нее ответной информации согласно задачам диагностики и контроля. Тестовые сигналы могут подаваться на РЭС как в процессе ее функционирования, так и в моменты времени использования системы не по назначению .

В пассивных автоматизированных СрД и К (средства функционального контроля и диагностики) отсутствуют тестовые сигналы (стимулирующие воздействия). Эти средства регистрируют информацию о состоянии Si РЭО в процессе его функционирования.

92

Типовая структура автоматизированных средств функционального контроля и диагностики технического состояния РЭС, состоящей из сменных блоков Б1, Б2,…, Бn, представлена на рис. 14.3.

Рис. 14.3. Структура функционального контроля и диагностики непрерывной системы

Каждый сменный блок (Бn) содержит встроенные средства контроля и диагностики (ВСКn). Контролируемые параметры сменного блока поступают непрерывно или по запросу на общие средства диагностики и контроля (ОСКД). Для непрерывной системы ВСК задают предельные допустимые значения контролируемых параметров и сравнивают их с измеренными значениями. ВСК дискретной системы представляют собой встроенные средства диагностики и контроля, в качестве которых в современных и перспективных системах бортового и наземного РЭО ГА наиболее часто используются микропроцессоры и микроконтроллеры. ОСКД современных дискретных систем выполняются на базе микро – и миниЭВМ, которые связываются с ОД с помощью специальных устройств связи и обеспечивают выдачу информации на терминальный пульт управления оператора (ТПУО).

В зависимости от характера взаимодействия между РЭС и СрД и К различают два типа устройств связи: без обратной связи по воздействию — в пассивных средствах контроля (рис. 14.4а); с обратной связью по воздействию – в активных средствах контроля (рис. 14.46).

93

В устройствах измерительной части без обратной связи стимулирующее воздействие на РЭС остается в процессе контроля неизменным или изменяется независимо от информации о состоянии системы. В устройстве измерительной части с обратной связью тестовые воздействия, состоят из воздействий, которые не зависят от информации о системе, и воздействий, зависимых от информации о состоянии системы.

14.4. Структура автоматизированных СрД и К: а) - пассивных; б) - активных;К - коммутатор; ФУС - формирователь унифицированных сигналов;АЦП — аналоговоцифровой преобразователь;ФВ — формирователь воздействий;ПИ — панель индикации;ПМ — пишущая машинка;АЦПУ — алфавитно-цифровое печатающее устройство;НМД — накопитель на магнитном диске;УУ — устройство управления;АЛУ — алфавитно-логическое устройство.

Автоматизированные (автоматические) средства диагностики и контроля на микропроцессорах позволяют удовлетворить требования в отношении универсальности, надежности и т. д. Многопроцессорные Ср Д и К обладают

94

высокой производительностью, универсальностью и легко адаптируемы к различным видам оборудования.

Линии сигналов, используемых в каналах общего пользования в ав-томатизированных комплексах диагностирования и контроля, носят название "шина".

Возможная структура комплекса автоматизированной СТД, в которой межприборные интерфейсные связи организованы по схеме "звезды", изображена на рис. 14.5. Измерительные приборы, подключаемые к ОД, работают в режиме автоматических измерений. Центральным интерфейсом является цифровой коммутатор (К). С выхода цифрового измерительного прибора код измерений ДП Ui поступает на один из выходов К. Момент достоверности кода на выходе от ЦИП. Коммутатор поочередно подключает ЦИП, принимает от них код ЗП и передает этот код в аппаратуру обработки и управления (АОУ). Каждый ЦИП через время Ti (интервал измерений) обновляет информационный код на выходе. При m контролируемых параметров ДП полный цикл одного измерения

tизм= ,

где tобр— время обработки информации.

Динамическая погрешность измерения по каждому из параметров определяется с учетом скорости изменения параметра dU/dt по формуле

95

Рис. 14.5. Структура многоканальной автоматизированной СТД

Период минимальной смены информации от самого быстродействующего прибора, определяющий время ввода, вычисляется исходя из соотношения

Tвв= ,

где rk— время сквозной передачи одного хода информации в коммутаторе, то есть его быстродействие; m — количество каналов;p=(p1+p2+...+pm); pi — вероятность сбоя в i-м канале.

Соответственно tизь.доп. может быть определено из соотношения:

dUдоп=tизм.доп.

96