автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Синтез контролепригодных объектов по технико-экономическим показателям

7 „ У V - '} ""' 6 / 1 » У

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

УДК 681.004 На правах

рукописи

Сидорова Елена Владимировна

СИНТЕЗ КОНТРОЛЕПРИГОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ПО ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИМ ПОКАЗАТЕЛЯМ

Специальность 05.13. 01. Управление в технических системах

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

д.т.н., профессор, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации Сагу нов В. И.

Н. Новгород 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Вв е д е н и е..............................................................................................4

1. Обзор существующих методов обеспечения контролепригодности и

диагностирования непрерывных объектов..............................................9

2. Эквивалентность дефектов и ее разрешение...........................................29

2.1 Классы эквивалентности на множестве дефектов...........................30

2.2 Получение минимального множества контрольных точек для локализации однократных дефектов...............................................36

2.3 Получение минимального множества дополнительных контрольных точек для локализации многократных дефектов.............................46

2.4 Локализация дефекта произвольной кратности ................................55

2.5 Выводы.................................................................................................57

3. Синтез контролепригодных объектов по экономическим показателям .58

3.1 Математическая модель стоимости системы в зависимости от глубины диагностирования................................................................................59

3.2 Связь глубины диагностирования с общими затратами на разработку, производство и эксплуатацию систем................................................68

3.3 Минимизация суммарных затрат на заданном числе точек контроля ..............................................................................................................77

3.4 Минимизация суммарных затрат при ограничении на стоимость реализации точек контроля.................................................................81

3.5 Минимизация множеств точек контроля, обеспечивающих заданное значение суммарных затрат................................................................84

3.6 Выводы..............................................................................................87

4. Практическая реализация результатов работы....................................88

4.1 Краткая характеристика системы..................................................88

4.2 Описание работы системы.............................................................92

4.3 Выбор диагностических параметров для обеспечения различимости дефектов СННГТБ............................................................................96

4.4 Выводы............................................................................................103

5. Заключение.............................................................................................105

6. Список литературы.................................................................................107

Приложение 1..........................................................................................122

Приложение 2..........................................................................................131

Приложение 3..........................................................................................173

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что область применения сложных систем все более расширяется. Создание и использование все большего количества технических объектов, выполняющих ответственные функции, выдвигают серьезную проблему обеспечения на стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации показателей, характеризующих способность объекта выполнять заданные функции. Особая роль в этом принадлежит технической диагностике, т.к. техническое состояние систем может эффективно определяться только по результатам технического диагностирования.

Однако непрерывный рост сложности технических устройств приводит к необходимости создания новых подходов к решению задач контроля и диагностики, дальнейшей разработке математического аппарата, автоматизации создания диагностического обеспечения, эффективность которого зависит от контролепригодности технических средств [1]. Направленное преобразование структуры объекта диагностирования на стадии проектирования позволяет не только повысить показатели надежности, но и сократить затраты на обслуживание и ремонт при его эксплуатации.

При рассмотрении проблемы контролепригодности следует в известной мере различать случаи, когда максимальная различимость дефектов является жизненно необходимым требованием к изделиям, несоблюдение которого недопустимо, и случаи, когда одноразличимость дефектов нужна и желательна, хотя это требование не является абсолютным.

Если в первом случае контролепригодность может быть обеспечена любой ценой, то во втором случае, естественно, напрашиваются различные варианты решения, обеспечивающие достижение определенной степени контролепригодности при определенных затратах, и при этом должно быть выбрано такое решение, чтобы оно было экономически выгодно.

Таким образом, вопросы улучшения контролепригодности становятся не только технической, но и экономической задачей, и именно экономическая сторона дела оказывает на решение проблемы надежности все более сильное влияние.

Настоящая работа посвящена вопросам определения экономической целесообразности улучшения контролепригодности, а также синтеза контролепригодных объектов по технико - экономическим показателям.

Цель работы. Исследование влияния глубины диагностирования на экономические показатели технических объектов, разработка и программная реализация эффективных алгоритмов различимости одиночных

и кратных дефектов, алгоритмов выбора минимальных совокупностей диагностических параметров, обеспечивающих заданное или минимальное значение затрат на разработку, производство и эксплуатацию при наличии различных ограничений.

Методы исследования. Приведенные в работе методы исследования базируются на использовании аппарата теории графов, теории множеств, теории надежности сложных систем, а также численных методов и оптимизационного метода ветвей и границ. Эффективность математических моделей и достоверность полученных аналитически основных результатов проверена моделированием на ЭВМ.

Научная новизна работы. Основные научные результаты работы заключаются в следующем:

1. Предложен метод определения классов эквивалентных дефектов по вспомогательной бинарной матрице Б, строящейся на основе анализа матрицы смежности графа, представляющего логическую модель объекта диагностирования.

2. Разработан алгоритм обеспечения различимости одиночных дефектов, основанный на анализе матрицы смежности, что, по сравнению с известными алгоритмами, позволило значительно упростить процедуру выбора минимального множества диагностических параметров, сократить объем памяти и время счета на ЭВМ .

3. Разработан алгоритм выбора минимального множества дополнительных диагностируемых параметров для обеспечения одноразличимости кратных дефектов.

4. Предложена математическая модель стоимости системы, учитывающая влияние глубины диагностирования. Установлена связь стоимости отказа системы, стоимости эксплуатации системы и суммарных затрат на разработку, производство и эксплуатацию систем с глубиной диагностирования. Проведена оптимизация глубины диагностирования по критерию минимума суммарных затрат на разработку, производство и эксплуатацию системы.

5. Разработан алгоритм определения экономической целесообразности улучшения контролепригодности конкретной восстанавливаемой системы.

6. Предложена постановка и разработаны алгоритмы решения следующих задач синтеза контролепригодных объектов: минимизация суммарных затрат на заданном числе точек контроля; минимизация суммарных затрат при ограничении на стоимость реализации точек контроля; минимизация множеств точек контроля, обеспечивающих заданное значение суммарных затрат.

Практическая ценность работы. Разработанные в диссертации методы обеспечения контролепригодности путем назначения диагностических признаков и синтеза контролепригодных систем предназначены для широкого класса систем. Практическая ценность работы заключается в том, что с помощью предложенных методов возможно целенаправленно осуществлять обеспечение контролепригодности и осуществлять синтез контролепригодных систем на стадии проектирования, с наперед заданными технико -экономическими показателями.

Применение разработанных математических моделей и алгоритмов для синтеза контролепригодных систем позволяет снизить материальные затраты, связанные с их эксплуатацией и хранением. Все процедуры обеспечения контролепригодности и синтеза контролепригодных систем могут оуществляться с помощью разработанного и отлаженного пакета прикладных программ.

Реализация результатов работы. Разработанные математические модели, методы и алгоритмы обеспечения контролепригодности реализованы в АООТ "АСУ Нижегороднефтепродукт" г.Н.Новгород, ТОО "Элстон" г.Н.Новгород, в учебном процессе НГТУ.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научном семинаре кафедры "Информатики и систем управления" Нижегородского государственного технического университета (1996-98г.), на ежегодных научных конференциях факультета радиоэлектроники и технической кибернетики Нижегородского государственного технического университета (1996-98г.), на третьей Международной конференции "Математика, компьютер, образование", г. Дубна, 1996г, на четвертой Международной конференции "Математика, компьютер, образование", г. Пущино, 1997г.

Основные положения выносимые на защиту.

¡.Математическая модель стоимости системы, учитывающая влияние глубины диагностирования.

2. Алгоритм определения целесообразности улучшения контролепригодности системы.

3.Метод определения классов эквивалентных дефектов по вспомогательной матрице F, строящейся на основе анализа матрицы смежности графа, представляющего логическую модель объекта диагностирования.

4.Алгоритм выбора минимальной совокупности диагностических параметров для поиска одиночных дефектов.

5. Алгоритм выбора минимальной совокупности диагностических параметров для поиска кратных дефектов.

6.Алгоритмы обеспечения требуемого уровня экономических показателей объекта за счет изменения глубины диагностирования при различных видах ограничений.

7.Разработанный пакет прикладных программ, обеспечивающий автоматизацию синтеза контролепригодного объекта.

Публикации. Автором по материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 5 глав, включая введение и заключение, и 3 приложений, содержит 175 страниц машинописного текста, из них 121 страниц основного текста, иллюстрирована 11 рисунками. Библиографический указатель содержит 151 наименование.

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОНТРОЛЕПРИГОДНОСТИ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ НЕПРЕРЫВНЫХ ОБЪЕКТОВ

Современные технические объекты представляют собой сложные и многофункциональные устройства и системы. В связи с этим, на первый план выдвигается проблема повышения их надежности. Одним из мероприятий, обеспечивающим поддержание надежности объекта на заданном уровне, является проверка его технического состояния на стадии эксплуатации. При этом эффективность работ в значительной мере зависит от степени приспособленности конструкции объекта к контролю и техническому диагностированию, т. е. его контролепригодности [1], а также применяемых методов и средств технической диагностики. Таким образом, при проектировании новых объектов, а также доработке уже функционирующих технических устройств, решение задачи обеспечения контролепригодности неразрывно связано с решением задачи разработки эффективных алгоритмов диагностирования данных объектов.

Рассмотрим основные результаты, полученные в области разработки диагностируемых моделей объектов непрерывного действия за последнее время.

Оптимальные решения задач технической диагностики сложных объектов могут быть получены только в результате анализа множества N состояний, в которых эти объекты могут находится в период эксплуатации. В связи с этим требуются специальные методы для теоретического анализа множества возможных состояний сложных технических объектов. Подобные методы основываются на исследовании аналитических описаний или графоаналитических представлений основных свойств технических объектов как

объектов диагностирования, которые могут быть названы их диагностическими моделями. Непрерывные объекты при решении задач диагностирования можно представить аналитической моделью - адекватным формульным описанием объекта в виде совокупности функциональных соотношений, дифференциальных или передаточных функций [5-24]. Аналитические модели широко используются для описания объектов электрического, электромеханического или пневмогидравлического типа. При этом неисправности объекта моделируются как недопустимые изменения значений параметров диагностирования. В работе [6] система автоматического управления описывается системой дифференциальных уравнений, при этом в качестве количественной характеристики работоспособности принимается точность работы системы в переходном и установившемся режимах. Алгоритм поиска дефекта строится на основе вероятностных методов оценки надежности системы с учетом специфики ее структуры, а также надежности составляющих ее компонент.

Недостатком метода является отсутствие достаточных статистических данных об отказах элементов и отсутствия априорных данных относительно характера влияния тех или иных дефектов на свойства- системы в целом.

В работах [ 5, 7,- 11] в качестве модели объекта используются передаточные функции его компонент. Определение неисправной компоненты [8-10] производится на основе анализа степени деформации выходных сигналов (отклонению их от допустимых значений). При этом считается, что неисправность возникает только в одной компоненте и изменяет передаточную функцию этой компоненты, объект остается устойчивым и наблюдаемым.

Сложность данных методов обеспечения различимости дефектов заключается в вычислении коэффициентов передаточной функции неисправного объекта, определении передаточных коэффициентов компонент, а также необходимости введения заданных возмущений передаточных

функций тех или иных компонент, что в практическом плане не всегда может быть допущено по эксплуатационным или конструктивным причинам.

Последний недостаток устранен в работе [10] , где решение задачи поиска дефектов осуществляется путем введения в объект контрольных точек. Множество контрольных точек определяется мин. покрытием таблицы, строки которой соответствуют практически реализуемым контрольным точкам, столбцы - парам возможных ситуаций в объекте, на пересечении ь ой строки и ] - го столбца стоит 1, если I- я контрольная точка различает] - ю ситуацию, и 0 - в противном случае.

В работах [12- 16] оценивать состояние объекта предлагается методом сравнения реакции его модели с реакциями эталонной модели на одинаковые воздействия. Метод обычно используется при функциональном диагностировании позволяет путем сравнения переходной характеристики объекта с переходной характеристикой эталонной модели определить отклонение прямых показателей по отклонению переходных характеристик [16] или определить отклонение параметров по рассогласованию частотных характеристик объекта и модели [14, 15]. Однако применение данного метода ограничено, так как не всегда, особенно в условиях эксплуатации располагают эталонной моделью. В работе [17] предлагается вместо эталонной модели использовать другой объект, подлежащий диагностированию, в том числе и неисправный. В случае существования аналогичных дефектов одновременно в обоих объектах они не обнаруживаются. Для устранения этого недостатка предлагается увеличить число диагностируемых объектов, А решение о том какой объект считать на каждом шаге поиска эталонным, принимать с помощью мажоритарной функции. Однако на практике не всегда имеется достаточное количество объектов одного типа. Оценка параметров элементов объекта проводится по результатам контроля его внешних характеристик. Соответствие между выходными и входными сигналами объекта задается оператором, составленным по структуре объекта, характеризующемся

последовательностью математических операций и определяемыми параметрами объекта. При этом если изменение параметра некоторого элемента не отражается в измеряемых внешних характеристиках , то этот элемент не может быть идентифицирован (обладает нулевой чувствительностью).

В работах [23-24] рассматривается задача индивидуального прогнозирования изменений параметров и параметрической надежности контролируемых технических объектов. Предлагается методика прогнозирования, позволяющая получать стабильные результаты при ограниченности и недостаточной достоверности исходной информации.

В реальном объекте широкий класс деф