5.2. Функциональные элементы объекта контроля
Как правило, контролируемый объект может быть расчленен на функциональные элементы большей или меньшей сложности. При этом функциональные элементы могут быть, в свою очередь, расчленены на более простые и т.д. Пределом такого расчленения можно считать функциональные элементы, которые определяют точность диагностирования, т.е. место, где случился отказ.
Обычно первичные функциональные элементы, а тем более сложные, представляют собой самостоятельные устройства, обеспечивающее решение некоторых частных задач. Например, как правило, в радиоэлектронных и вычислительных устройствах они имеют один или несколько выходов с действующими на них выходными сигналами. Это могут быть электрические, магнитные, световые или звуковые сигналы, механические перемещения, тепловые реакции и т.д. В дальнейшем для простоты будем принимать, что первичный функциональный элемент всегда имеет только один выходной сигнал с контролируемым на единственном выходе параметром. Функциональные элементы, для которых данное условие не выполняется, могут быть расчленены так, чтобы оно выполнялось.
Выходной сигнал любого функционального элемента зависит от его внутреннего состояния и внешних воздействий, если таковые есть. Можно выделить следующие основные группы, на которые разделяется все многообразие различных функциональных элементов:
Функциональные элементы, вход и выход которых связан функциональной зависимостью вида
zвых = f (x1, x2,.... xk; a1, a2,...... an),
где zвых - параметр выходного сигнала;
х1, х2, .... хk - параметры выходных сигналов на k входах;
a1, a2, ....an - параметры, характеризующие внутреннее состояние функционального элемента.
2. Функциональные элементы, связь входа и выхода которых определяется функционалом
zвых
=
(x1,x2,
... xk;
t; a1,a2,
... an)
dt,
где t -время работы, а остальные обозначения имеют прежний смысл.
3. Функциональные элементы, связь каждого входа и выхода которых определяется оператором
z вых i(р)= K (p)xi (p); i=1,2 ... k
4. Функциональные элементы, выход которых определяется только их внутренним состоянием из-за отсутствия входных сигналов.
Если для функциональных элементов 1-й и 2-й групп зафиксировать значения входных сигналов, т.е. считать их всегда имеющими номинальное значение, то выходной параметр (значение выхода) функционального элемента будет характеризовать его внутреннее состояние.
Функциональный элемент может быть исправным или отказавшим. В том случае, когда функциональный элемент находится в исправном состоянии, то он работоспособен, т.е. может выполнять функции, для которых он предназначен. Исправному состоянию в идеальных условиях соответствует некоторое фиксированное номинальное значение выходного параметра. В реальных условиях при небольших отклонениях выходного параметр от номинального значения функциональный элемент еще не теряет свою работоспособность. Только после выхода параметра за пределы некоторого поля допустимых значений (поля допуска) наступает отказ. Поэтому исправному состоянию функционального элемента в реальных условиях соответствует нахождение выходного параметра в поле допуска, а выход за его пределы должен рассматриваться как отказ.
Аналогичные соображения справедливы и для объектов 4-й группы, поскольку отсутствующие входные сигналы можно рассматривать как входные сигналы с нулевыми номинальными значениями.
Изменение состояния функционального элемента 3-й группы определяется его передаточной функцией K(p). При этом ее структура определяет качественную сторону вопроса, а основные параметры характеризуют количественные изменения, происходящие в функциональном элементе. Установив для него условие работоспособности, можно определить допустимые пределы изменения параметров передаточной функции. Таким образом, функциональные элементы 3-й группы можно считать исправными, если при известной структуре передаточной функции ее основные параметры находятся в пределах поля допуска.
Аналогично при решении задачи контроля работоспособности может быть задан и объект в целом, поскольку его можно рассматривать как крупный функциональный элемент. Однако при этом существует и некоторая специфика: задаваемая для любого функционального элемента совокупность параметров обязательно должна быть полной. Это означает, что любой отказ, представляющий собой недопустимое изменение какого-либо из его внутренних параметров, обязательно вызывает выход за предела поля допуска по крайней мере одного выходного параметра из этой совокупности. Для объекта в целом наряду с заданием полной совокупности параметров возможны случаи, когда либо указывается неполная совокупность параметров, по которой можно осуществить только частичный контроль работоспособности, либо заданная совокупность параметров является избыточной. Эти случаи имеют место тогда, когда для контроля работоспособности объекта в целом предполагается использовать совокупность взаимосвязанных выходных параметров, отобранную по каким-либо соображениям (конструктивным, экономическим, эксплуатационным).
Для
решения задачи диагностирования объекта
(т.е. для определения места и вида отказа
с точностью до первичного функционального
элемента) недостаточно задать объект
в целом, как было рассмотрено выше.
В
этом случае необходимо:
полностью задать каждый первичный функциональный элемент объекта;
конкретизировать функциональные связи между первичными функциональными элементами;
установить перечень тех одиночных и одновременных отказов, которые должны локализоваться (определяться) в процессе диагностирования.
Первый из этих пунктов уже рассматривался выше, а второй сводится к заданию функциональной схемы объекта диагностирования. Поэтому подробнее рассмотрим только третий пункт.
В процессе работы объекта в данный момент времени может отказать какой-либо один первичный элемент (одиночный отказ), либо два и более элементов (одновременные отказы). Одиночные отказы происходят значительно чаще одновременных. Учитывая это, на практике при установлении перечня отказов, подлежащих выявлению, часто ограничиваются только одиночными отказами. Например, при контроле четности числа «1» в одной строчке на перфоленте в системах числового программного управления однозначно выявляются (контролируются) все одиночные отказы (в данном случае под отказом понимается либо появление ложной «1» вместо «0», либо ложного «0» вместо «1»). При этом двойные отказы не выявляются.
Задать перечень одиночных отказов можно, построив для объекта таблицу или матрицу его одиночных неисправностей. Рассмотрим пример построения такой матрицы для объекта, функциональная схема которого приведена на рис. 5.1. В схеме число первичных функциональных элементов равно 8.
Выход любого первичного элемента этой схемы будет иметь номинальный сигнал с параметрами в пределах поля допуска, если подан нормальный входной сигнал и сам функциональный элемент исправен. Обозначим такое состояние выхода как «1». Противоположное состояние, когда выходной параметр какого-либо функционального элемента выходит за пределы поля допуска, обозначим как «0». Тогда из рисунка видно, что при отказе, например, элемента Э1, зависящие от него выходы z1-z5 должны быть помечены нулями, а остальные - единицами. Таким образом, в таблице состояний схемы рис.5.1 первая строка должна содержать комбинацию 00000111. Остальные строки таблицы могут быть заполнены аналогично.
Таблица 5.1 и есть матрица одиночных отказов объекта, представленного на рис.5.1. Она действительно задает полный перечень одиночных отказов и по ней всегда можно выявить какой первичный элемент отказал, т.е. решить задачу диагностирования.
Если предполагается, что в схеме возможно появление двойных отказов, т.е. одновременный отказ двух элементов, то таблицу необходимо дополнить строками, число которых равно числу сочетаний из m по 2, где m - число функциональных элементов (в данном примере m=2). Существенное увеличение числа строк таблицы усложняет процесс диагностирования, а вероятность двойных, тройных и т.д. отказов значительно меньше, чем вероятность появления одиночных отказов, поэтому на практике обычно ограничиваются диагностированием одиночных отказов.
Таблица 5.1
Номер функционального элемента |
Номер выхода |
|||||||
|
z1 |
z2 |
z3 |
z4 |
z5 |
z6 |
z7 |
z8 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
2 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
3 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
4 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
5 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
6 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
7 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
8 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |