автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Исследование надежности технических систем с диагностикой

Содержание.

Ведение.

1 Обзор существующих методов исследования контролепригодности.

2 Исследование и оптимизация показателей надежности для различных структур систем диагностирования.

2.1 Основные понятия и определения теории контролепригодности.

2.1.1 Построение логической модели объекта и возможности анализа его контролепригодности.

2.1.2 Количественные характеристики глубины диагностирования.

2.1.3 Описание случайных процессов.

2.2 Коэффициент готовности ТС с СД для различных вариантов размещения составляющих компонент СД.

2.2.1 Общий подход к построению модели для ТС с СД.

2.2.2 Коэффициент готовности с полностью встроенной системой диагностирования.

2.2.3 Коэффициент готовности объекта с встроенными в ТС датчиками.

2.2.4 Коэффициент готовности объекта с встроенными в ТС датчиками и коммутаторами.

2.2.5 Коэффициент готовности объекта с внешней СД.

2.3 Анализ зависимости коэффициента готовности от параметров объекта ТС с СД.

2.4 Выводы.

3 Оптимизация алгоритмов различимости и поиска дефектов в ТС с СД.

3.1 Разрешение эквивалентности дефектов объекта диагностирования.

3.2 Минимизация числа точек съема диагностической информации.

3.3 Поиск дефектов.

3.4 Выводы.

4 Экспериментальная часть.

4.1 Разработка блок-схемы электронного измерительного блока.

4.2 Выбор способа сопряжения измерительного блока с ЭВМ.

4.3 Разработка измерительного блока.

4.3.1 Структурная схема измерительного блока.

4.3.2 Принципиальная схема измерительного блока.

4.4 Разработка программы обмена с ПЭВМ и программ для измерения.

4.5 Эмулятор ПЗУ.

4.6 Практическая реализация.

4.7 Выводы.

Актуальность проблемы. Современные технические системы и устройства отличаются высокой степенью сложности. Одновременно с возрастанием сложности увеличивается и ответственность, выполняемых ими функций. Это выдвигает на первый план задачу повышения их надежности и бесперебойности в работе. Решение данной проблемы невозможно без автоматизации процедур технического диагностирования, проверок правильности функционирования и поиска неисправности.

Большинство технических систем относится к классу восстанавливаемых систем. Надежность их может быть повышена не только путем использования более современных и надежных элементов и узлов, но и так же путем сокращения времени, затрачиваемого на поиск и устранение дефекта. Данный вопрос не может быть решен без соответствующей приспособленности этих систем к техническому диагностированию.

Свойство, характеризующее приспособленность объекта к техническому диагностированию, позволяющее с минимальными затратами достоверно определить его состояние, называется контролепригодностью.

Изделия, для которых решен вопррс контролепригодности, имеют более высокие показатели надежности, такие как, коэффициент готовности и время восстановления. При этом, реализуется более быстрая локализация возникших дефектов, что позволяет добиваться приведения объекта в работоспособное состояние за короткие промежутки времени. Очевидно, что чем сложнее изделие, тем важнее для него проблема контролепригодности. Здесь важен так же и экономический показатель т. к. значительно уменьшаются затраты на ремонт.

Большое внимание в исследованиях российских и зарубежных ученых уделяется вопросам разработки моделей и алгоритмов технического диагностирования объектов. Фундаментальные теоретические и практические вопросы технической диагностики изложены в работах П.П. Пархоменко, А.В. Мозгалевского, Е.С. Согомоняна, В.И. Сагунова, Л.П. Глазунова, С. Рамомурти и других. Однако большинство работ посвящено диагностике дискретных объектов. Вопросы диагностики непрерывных систем изложены в работах А.В. Мозгалевского, Е.С. Согомоняна, В.И. Сагунова.

Создание высоконадежной техники ставит вопросы дальнейшей разработки методов и средств технического контроля и поиска дефектов, учитывающих специфику создаваемых систем. Так, вопросы исследования надежности технических систем (ТС), оборудованных системами диагностирования (СД), исследованы еще слабо. Никак не затрагивался ранее, но является актуальным, анализ влияния глубины диагностирования на общую надежность ТС и СД с учетом различных вариантов размещения СД. Так же недостаточно исследованы вопросы влияния на надежность параметров самих ТС и СД и оптимизации этих параметров. Не менее актуальной является проблема упрощения процедуры поиска эквивалентных и кратных дефектов в ТС.

Рассматриваемые в диссертации методы и алгоритмы являются частью решения общей проблемы обеспечения контролепригодности.

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка методов и алгоритмов для оценки надежности различных структур технических систем с диагностикой, отличающихся степенью вложенности СД, исследование влияния параметров системы ТС с СД на ее надежность, решение вопросов минимизации количества контрольных точек для поиска дефектов, практическая реализация устройства для системы диагностирования широкого круга технических объектов.

Методы исследования. В диссертационной работе для теоретических исследований применялись методы теории графов, теории множеств и исследования операций, методы математического моделирования, численные методы. Расчеты и проверка аналитических результатов выполнялись с помощью математических технологий пакета Mathcad.

Объекты исследования. Технические системы различного назначения с системой диагностирования.

Научная новизна работы диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработан математический аппарат (обобщенная модель, методика и алгоритм) для анализа надежности технических систем с различными типами диагностики и определена ее связь с глубиной диагностирования.

2. Исследованы различные варианта взаимного расположения ТС и СД, отличающихся конструктивной реализацией и степенью вложенности СД:

- встроенная система диагностирования,

- ТС со встроенными датчиками системы диагностирования,

- ТС со встроенными датчиками и коммутаторами,

- внешняя система диагностирования.

3. Разработан алгоритм сравнительного анализа этих вариантов в целях получения наибольшего коэффициента готовности.

4. Произведен анализ зависимости коэффициента готовности от различных параметров технической системы и параметров системы диагностирования для получения условий обеспечения максимальной надежности. Обоснованы полученные результаты.

5. Разработан алгоритм поиска оптимального значения глубины диагностирования для получения максимального значения коэффициента готовности и обосновано влияние параметров объекта на это значение оптимальной глубины диагностирования.

6. Предложен упрощенный метод разрешения эквивалентности одно и многократных дефектов в ТС с СД с использованием укороченной матрицы связей. Показано, что обеспечение одноразличимости дефектов не является оптимальным для получения наибольшей надежности.

Практическая значимость работы. Разработанные в диссертации методы и алгоритмы предназначены для повышения надежности технических систем. Практическая ценность работы заключается в том, что с помощью разработанных методов и алгоритмов возможно исследование различных вариантов диагностических систем и их сравнение с целью повышения коэффициента готовности объекта. Созданный пакет программ позволяет производить все необходимые для этого вычисления. В работе приведено большое количество графиков, которыми удобно пользоваться для оценки надежности конкретных объектов и оптимизации параметров диагностирования. Разработан универсальный микропроцессорный блок для реализации процесса диагностирования, который позволяет контролировать работу технических систем путем съема аналоговой информации с большого числа датчиков, расположенных в выделенных контрольных точках.

Реализация результатов работы. Разработанные методы и алгоритмы повышения надежности и контролепригодности технических систем и микропроцессорный диагностический блок применены на газоперекачивающей станции предприятия "Волготрансгаз", в учебном процессе Нижегородского Государственного Технического Университета в виде фрагмента лекций по курсу "Микропроцессорные вычислительные системы" и в виде лабораторного стенда по курсу "Датчики и измерительные системы" для специальности "Автоматизированные системы обработки информации и управления" в НГТУ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на двух Всероссийских научных конференциях факультета информационных систем и технологий Нижегородского Технического Университета (2001-2002гг.), на

Всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии в науке проектировании и производстве" (2001г.), на ежегодных научных конференциях факультета информационных систем и технологий НГТУ (1997г., 1998г.,2000г.).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, из них 2 статьи и 8 тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения , списка литературы и трех приложений. Общий объем работы составляет 151 печатную страницу, включает 29 рисунков, 6 таблиц, списка литературы из 177 наименований и приложений на 22 страницах.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1.В результате анализа было выяснено, что расчеты надежности ТС с СД без учета вложенности в ТС составляющих элементов СД могут приводить к неоднозначным и ошибочным выводам.

2.Предложена обобщенная математическая модель для различных структур ТС с СД, позволяющая оценивать их надежность.

3.Показано, что оптимальная степень вложенности СД в ТС зависит от параметров СД и ТС.

4.Предложен алгоритм и конкретные формулы для расчета коэффициента готовности для различных структур ТС с СД.

5.Разработаны инженерные методы определения оптимальных значений глубины диагностирования, при которых достигается максимальный коэффициент готовности. Исследована зависимость коэффициента готовности от различных параметров системы таких как интенсивность отказов, интенсивность контроля ТС и системы диагностирования, времени поиска и устранения неисправности и др.

6.Разработан механизм разрешения эквивалентности дефектов и механизм минимизации числа контрольных точек для обеспечения требуемой различимости дефектов в технических системах с диагностикой, с использованием укороченной матрицы связей. Предложен алгоритм поиска кратных дефектов. Показано, что обеспечение одноразличимости дефектов не является оптимальным для получения наибольшей надежности.

7. Разработан универсальный микропроцессорный диагностический блок для съема аналоговой информации с датчиков, расположенных в контрольных точках, накопления и передачи ее на ПЭВМ для дальнейшей обработки. Универсальность этого блока заключается в возможности адаптировать его к любой исследуемой ТС путем простого обновления программы.

8.Разработанные методы и алгоритмы повышения надежности и контролепригодности технических систем и микропроцессорный диагностический блок применены на газоперекачивающей станции предприятия "Волготрансгаз". Получен акт внедрения.

9.Получен акт внедрения в учебном процессе Нижегородского Государственного Технического Университета в виде фрагмента лекций по курсу "Микропроцессорные вычислительные системы" и в виде лабораторного стенда по курсу "Датчики и измерительные системы".

1. ГОСТ 18831-73. Технологичность конструкции. Термины и определения.- Введ. 28.05.73-12 с.

2. ГОСТ 20417- 75. Техническая диагностика. Общие положения о порядке разработки систем диагностирования.- Введен. 01. 07. 76.

3. ГОСТ 20911- 75. Техническая диагностика. Основные термины и определения.- Введ. 01.07.76.- 12с.

4. Мозгалевский А. В., Гаскаров Д. В. Техническая диагностика. -М.: Высшая школа, 1975.

5. Мозгалевский А.В., Гаскаров Д.В., Глазунов Л.П., Ерастов В.Д. Автоматический поиск неисправностей.-Л.: Машиностроение, 1967- 264 с.

6. Шумский А.Е. Поиск дефектов в нелинейных динамических системах в условиях параметрической неопределенности моделей./ Электрон, моделир.- 1994.- 16, №3, с. 66-71.

7. Глазунов Л.П., Мозгалевский А.В. Особенности анализа диагностических процедур сложных систем автоматического управления. В сб.: Техническая диагностика.- М : Наука, 1972, е., с. 147-151.

8. Парамонова Г.Г. Поиск неисправных компонент в линейных динамических системах. Автоматика и телемеханика, 1985, № 6.с. 143.- 148.

9. Корнушенко Е. К. Поиск неисправных компонент в линейных системах , заданных структурными схемами. I Автоматика и телемеханика, 1985, № 3. с 110

10. Корноушенко Е.К. Поиск неисправных компонент в линейных системах, заданных структурными схемами. II. Автоматика и телемеханика, 1985, № 4. с. 110- 117.

11. Латышев А. В. Метод диагностирования непрерывных систем. / Электрон, моделир., 1987, 9, № 2 , 52-56.

12. Дубровский С.В., Мозгалевский А.В. Контроль работоспособности САУ с помощью эквивалентной модели.- Изв. Ленинградского электротехнического ин-та, 1971, в. 93, ч. 11,с.96-98.

13. Мозгалевский А.В., Волынский В.М., Гаскаров Д.В. Техническая диагностика судовой автоматики. Л.: Судостроение, 1972. - 223с.

14. Сагунов В.И., Шамин В.Б. О точном методе определения отклонений параметров линейных САУ// Испытания и контроль качества машин и приборов / Сб. трудов Горьковского филиала ВНИИНМАШ, 1972, вып 13. с 102- 104.

15. Сагунов В.И., Шамин В.Б. Об одном способе диагностирования непрерывных динамических систем.- В сб.: Вопросы технической диагностики.- Таганрог: ТРТИ, вып. 10, с. 179- 181.

16. Кизуб В.А., Никифоров С.Н., Смирнова Л.И. Поиск дефектов методом сравнения с неисправным объектом//Изв. Ленинградского электротехнического ин-та, 1976, вып. 207.

17. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. М.: Мир, 1975.- 682с.

18. Салиев Б.П. Параметрическая идентификация радиоэлектронных цепей //Проблема повышения качества и эффективности производства радиоэлектронной радиоаппаратуры. М., 1979. с 58-80.

19. Латышев А.В. Определение неисправной подсистемы в непрерывном объекте // Техническая диагностика электронных схем. Киев, 1982. с. 88

20. Пащенко Ф.Ф., Чернышев К.Р. Алгоритм рекуррентной идентификации нелинейных моделей в задачах диагностики динамических систем.- Сб.тр./ РАН. Ин-т пробл. упр.- 1993, №2, с. 3550.

21. Гуляев В. А., Костанди Г. Г., Мозгалевский А. В., Шалобанов С. В. Поиск дефектов в линейных динамических объектах с использованием машинных методов.-Киев, 1983.

22. Латышев А.В. Применение методов идентификации для диагностирования непрерывных объектов. Автоматика и телемеханика, 1984, № 12. с. 118-123.

23. Абрамов О. В. , Климченко В.В. Прогнозирование надежности и состояния контролируемых объектов при ограниченности исходной информации./ Идентиф., прогнозир. и упр. в тех. системах. Владивосток, 1986, с.3-18.

24. Кулик А.С. Диагностируемость линейных непрерывных систем./ Автом. и телемех., 1987, № 6, с.148-155.

25. Абрамов О. В. , Розенбаум А. Н. Прогнозирование состояния технических систем- М, Наука, 1990.

26. Стратегии диагнастического вывода. / Diagnostik reasoning strategies for means- end models/ Larson Jan Eric // Automatika. 1994. - 30, № 5.- c. 775- 787.- Англ.

27. Гаскаров Д.В. Основные положения принципа параллельного прогнозирования.- Сб. тезисов докладов науч.-техн. конф. "ТРАНСКОМ-94"., С.Петербург, гос. ун-т вод. коммуникаций.- СПб.-1994, с. 73.

28. Богатырев Л.Л. Методы диагностики технических систем в условиях нечеткости информации / Изв. вузов. Электромех.- 1995, №1-2. 130-131

29. Чаппов Р. П., Боков А. С., Никитин Г. А. Об одном алгоритме распознавания постепенных отказов САР // Тезисы докладов III Всесоюзного совещания по технической диагностике. М., 1975. с.220-222.

30. Диагностическая модель с применением полюсных графов.- В сб.: Вопросы технической диагностики. Ростов на Дону: Рост, инж-строит. инт, 1981, с. 38-41.

31. Аузинь П.К., Осис Я.Я. Минимизация числа точек съема диагностической информации, основанная на алгебраическом анализе структуры граф-модели сложного объекта.- В сб.: Кибернетика и диагностика.-Рига : Зинатне, 1969, вып. 3, с.33- 42

32. Осис Я.Я. Распознавание неисправностей сложных объектов диагностики с использованием теории размытых множеств.-В сб.: Кибернетика и диагностика .- Рига: Зинатне, 1968, вып. 2, с. 13 17

33. Борисов А. Н. , Осис Я. Я. Поиск наибольшей разделимости размытых множеств. В сб. : Кибернетика и диагностика. - Рига: Зинатне, 1969, вып. 3, с. 79 - 88.

34. Борисов А.Н., Осис Я.Я. Методика оценки функций принадлежности элементов размытого множества. В сб.: Кибернетика и диагностика.- Рига : Зинатне, 1970, вып. 4 , с. 125 134.

35. Багрецов С.А. Применение методов размытой классификации в диагностике сложных систем./ Изв. вузов. Приборостроение.- 1995.-38, №9-10.- с. 72-76.

36. Dexter A.L. Fuzze model based fault diagnosis./ IEE Proc. Contr. Theory & Appl.- 1995.-142,№6- c. 545-550.- Англ.

37. Осис Я.Я., Маркович З.П. Граф-модель тормозной системы автомобилей.- В сб. : Кибернетика и диагностика.- Рига: Звайгэне, вып. 1, с.11- 21.

38. Осис Я. Я. Определение понятия "сложный" объект диагностики.-В сб. Кибернетика и диагностика.- Рига: Зинатне, 1968, вып. 2, с.5- 12.

39. Маркович 3. П., Осис Я. Я. Порядок составления граф-модели сложного объекта технической диагностики. В сб. : Кибернетика и диагностика.- Рига: Зинатне, 1968, вып. 2, с. 19- 32 .

40. Маркович 3. П. Использование граф-модели для решения задач технической диагностики.- В сб. Кибернетика и диагностика. Рига: Зинатне, 1968, вып. 2, с. 49- 62.

41. Осис Я. Я. Математическое описание функционирования сложных систем.- В сб. : Кибернетика и диагностика.- Рига: Зинатне, 1970, вып. 4, с. 7- 14.

42. Гольтраф В. А. Диагностический контроль нелинейных объектов, состоящих из взаимосвязанных структурных элементов // Техническая диагностика. М., 1972. с. 89- 91.

43. Mebmuller В. Ein Verfahren zur Fehlerlocalisirung mit Graphen in analogen elektronischen System." Nachrichtentechn.- Electron", 1978, p. 110113.

44. Грундепенькис Я. А., Тентерис Я. К. Автоматизация построения топологической модели сложной системы для решения задач диагностики.- Гибридные вычислительные машины и комплексы. Киев, 1980, №3. С. 88- 93.

45. Горалов О.И. Поиск дефектов в сложных технических системах методами анализа диагностических графов. Вычисление дефектных компонент и межкомпонентных связей/ Автомат, и телемех. 1989. - № 9. - 148- 159.

46. Кулик Г.И., Пашковский Г. С., Юрченко К. А. Оценка параметров надежности системы по графу отказов/ Надежн. и контр, качества. 1990.-№3 10-13.

47. Общий графоаналитический алгоритм в задаче диагностики неисправностей./ Qian Daqun, Zhang Zhongjun // Inf. and. Contr.- 1989.- 18, № 6 . 1-4.- Кит., рез. англ.

48. Заугаров В. Декомпозиционный метод представления объектов диагностирования моделями обобщенных альтернативных графов./ Тр. Таллин, техн. ун- та. 1990.- № 708.- 98- 102.

49. Глухов А. Д. Диагнозоспособность, функция связности и спектр графа./ Электр, модел. 1995- 17 № 2, 92- 94.

50. Маркович 3. П. Предварительный выбор эффективных диагностических параметров на базе топологической модели объекта.- В сб. : Техническая Диагностика.- М :. : Наука, 1972, с.123-127.

51. Маркович 3. П. Оценка некоторых методов определения параметров контроля и диагностики.- В сб. : Кибернетика и диагностика.- Рига: Зинатне, 1969, вып. 3, с.7 17.

52. Осис Я .Я. Минимизация числа точек контроля.- В сб. Автоматическое управление .- Рига: Зинатне, 1967, с. 175- 179.

53. Маркович 3. П. Предварительное определение диагностических параметров.- В сб. Кибернетика и диагностика.- Рига: Зинатне, 1969, вып. 3, с. 19- 32.

54. Осис Я. Я., Маркович 3. П. Алгоритм предварительного выбора эффективных диагностических параметров.- В сб.: Кибернетика и диагностика.- Рига: Зинатне, 1070, вып. 4, с. 77- 91.

55. Аузинь П. К. , Осис Я. Я. Минимизация числа точек съема диагностической информации, основанная на алгебраическом анализе структуры сложного объекта.// Кибернетика и диагностика.- Рига, 1969, вып. 3. С. 33-42.

56. Новый метод анализа с использованием нечетких деревьев неисправностей / Misra Krishna В., Weder Gunter G. // Microelectron. and Rel.- 1989. 29, № 2 195- 126 - Англ.

57. Деревья отказов и неполные покрытия./Dugan Joanne Becht.// IEEE Trans. Rel. 1989. 38, № 2. - 177-185.- Англ.

58. Рекурсивная система с базой правил для автоматического построения деревьев неисправностей/ Kummamoto Hiromitsu, Yamashina Hajime, Sakamoto Isamu // Trans. Soc. Instrym/ and Contr. Eng. 26, № 3 - 344- 351 -Яп.

59. Карибский B.B., Пархоменко П. П., Согомонян Е. С. Техническая диагностика объектов контроля. М.: Энергия, 1967. - 78с.

60. Карибский В.В., Пархоменко П.П., Согомонян Е.С., Халчев В.Ф. Основы технической диагностики.- М.: 1976.- 464 с.

61. Пархоменко П.П. Основные задачи технической диагностики // Техническая диагностика. М., 1972. с. 7- 22.

62. Закревский А.Д., Островский В.И. Оптимизация поиска кратчайшего покрытия // Проблема синтеза цифровых автоматов. М., 1967. с. 84- 95.

63. Кисе В.А., Осис Я.Я. Исследование алгоритмов нахождения квазиоптимального покрытия множеств.- В сб.: Кибернетика и диагностика.- Рига: Зинатне, 1972, вып. 5, с. 197- 204.

64. Сакович JI.H., Рыжаков В.А. Автоматизация разработки условных алгоритмов диагностирования минимальной формы./ Киев. воен. ин-т упр. и связи.- Киев.- 1995.- 26 с.

65. Jai S.S. Generation of all Hamiltanian circuits, path and centers and of a graph, and related problems. IEEE, vol. CT- 14,№ 1, p.79-81

66. Ramamorthy C.V. Anqalysis of Graphs by Connectivity Cjsideratioons.- J. assoc. Compiin. Mach., 1968, v. 13, p. 211- 222.

67. Гаркавенко С. И. Об одном методе устранения контуров в графе, представляющем сложную систему// Динамика систем. Горький, 1976, вып 9. с. 116- 124.

68. Харари Ф. Теория графов. М.: Мир, 1973 - 300с.

69. Ramamoorthy С. V. A structural theory of machine liagnosis.-Proc. of Spring Joint Computer Conferense , 1967,№ 30, p. 743- 756.

70. Mayeda J.W.,Ramamoorthy C.V. Distinguishability Criteria in oriented graphs and their application on Computer Diagnosis.-IEEE

71. Ramamoorthy C.V.,Chang L.C. System segmentation for the parallel diagnosis of computers .- IEEE Transactions on computers .- ISSS Transactions jn Computers, 1971, vol. C-20,№ 3, p.261- 270.

72. Ramamoorthy C.V. Connectivity considerations of graphs representing discrete sequential systems.- IEEE Transactions on Eltctronic Computers, 1965, vol. EC.-14, № 5, p. 724- 727 .

73. Nakano H., Nakanishi Y. Jnternal Test Terminalos for Sistem diagnosis. -Trans, of Jap., 1971, c- 54, № 11, p. 1042- 1050.

74. Nakano H., Nakanishi Y. Procedure of Determinirg Test Terminalos for Sistem diagnosis. Trans, of Jnst. Electronics and Commun. Eng. of Jap., 1971, c- 54, №8, p. 744- 750.

75. Nakano H., Nakanishi Y. Necessary and Sufficient Conditions for f -Distinguishability on Sistem Diagnosis. Trans, of Jnst. Electronics and Commun. Eng. of Jap, 1972, D- 55, № 11, p. 654- 659.

76. Toida Shunici. A graph model for fault diagnosis.- Digital system, V -VI, №4, 1982.

77. Добрынин В.Ю, Мясникова Г.И, Соложенцев Е.Д. Автоматизация процесса моделирования объектов диагностирования. // Ин-т прбл. машиновед. РАН.- 1994.- №104.- с. 3-16.