Глава VII
АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
7. 1. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ
Бурное развитие техники, повышение степени автоматизации процессов управления, повышение роли и стоимости решаемых задач привели к созданию сложных многофункциональных авто матических систем. Современная двигательная установка вклю чает большое количество агрегатов, системы запуска и выключе ния, системы регулирования параметров, в которых происходят разнообразные процессы (тепловые, механические, электриче ские и др.), п является но существу сложной многофункциональ ной автоматической системой.
Сложные системы требуют нового подхода к их эксплуата ции и, в частности, к решению задач эксплуатационно-техниче ского контроля.
Необходимость нового подхода диктуется значительным уве личением объема информации, характеризующей состояние си стемы, скорости протекания рабочих процессов, которые превос ходят человеческие возможности контроля работоспособности системы. Новый подход к решению задач эксплуатационно-тех нического контроля в первую очередь сказывается па методах выполнения контроля, требует разработки новых систем, которые обеспечивают объективный контроль состояний объектов без вмешательства человека, т. е. автоматический контроль.
Условимся называть систему, которая подвергается автомати ческому контролю, объектом контроля пли просто объектом.
Автоматический контроль — это выполнение без участия че ловека операций по определению работоспособности, обнаруже нию неисправностей, распознаванию отказов п прогнозированию изменения состояния контролируемого объекта.
Для решения задач автоматического контроля создаются специальные автоматические системы контроля.
Автоматические системы контроля основаны на предположе нии, что объекты являются детерминированными, т. е. каждому состоянию объекта соответствуют вполне определенные его внешние проявления и, наоборот, каждому диагностическому сигналу соответствует вполне определенное техническое состоя ние объекта.
В зависимости от решаемых задач автоматические системы контроля можно классифицировать по их назначению.
I. Системы контроля работоспособности
Работоспособность — это такое состояние объекта, при кото ром он соответствует всем требованиям, установленным в отно-
шенин основных параметров. Система контроля работоспособ ности устанавливает факт работоспособности или потери се объ ектом. Контроль работоспособности объекта принципиально можно осуществить разными методами.
1. По состоянию элементов. Состояние отдельных элементов определяют в результате комплекта измерении параметров, ха рактеризующих работу элементов, п анализа результатов этих измерении.
2. По реакции объекта на рабочие пли специальные сигна лы. На вход объекта подаются сигналы, и состояние его опре деляется по степени отклонения статических и динамических ха рактеристик в период контроля от номиналов.
Статические характеристики объекта могут быть получены при введении на вход его специальных контрольных сигналов.
Динамические характеристики (временные и частотные), оп ределяются в контрольном режиме по реакции объекта на сти мулирующие сигналы или в рабочем режиме статистическими методами. В качестве стимулирующих сигналов могут быть вы браны ступенчатые или импульсные входные воздействия, по которым определяются временные характеристики, и гармониче ские сигналы, по которым определяют частотные характери стики.
2. Системы обнаружения неисправностей.
При обнаружении неисправностей решается задача выявле ния причин потери работоспособности системы. Все методы об наружения неисправностей можно разделить на три группы: методы индикации, методы поиска неисправностей и методы аку стической диагностики.
При |
применении м е т о д о в и н д и к |
а ц и и в контролируе |
мом объекте размещается определенное |
количество |
датчиков, |
которые |
обеспечивают индикацию неисправности в |
случае ее |
возникновения. Датчики могут конструктивно включаться в кон тролируемый объект пли в систему контроля. В первом случае
датчики |
являются встроенными, |
во втором — невстроенными. |
Иногда |
применяются датчики, |
которые выполняют рабочие |
функции в контролируемом объекте, такие датчики называются м о д у л я м и и н д п к а ц н н и ей с п р а в н о е т е й.
В м е т о д е п о и с к а неисправности обнаруживаются в процессе выполнения ряда контрольных операций, осуществляе мых по разработанной стратагеме. Стратегия поиска основывает ся на известных статистических характеристиках элементов или на данных анализа структуры контролируемого объекта. Стати стические данные позволяют составить стратагему поиска по сте пени надежности контролируемых элементов объектов, по мак симуму получения информации. Анализ структуры объекта мо жет быть выполнен на основе исследования методами матема тической статистики или методами инженерно-логического
анализа с учетом особенностей конструкции и условий эксплуа
тации.
При а куст, , чес ком м е т о д е о состоянии объекта мож но судить по характеристикам шума, создаваемого работающей системой. Для этого производится спектральный анализ шума и определяются автокорреляционные функции. По характеристи кам корреляционной функции можно определить состояние систе мы [1].
3. Система распознавания отказов (системы распознавания образов)
Перечисленные выше системы фиксируют только определен ное явление (работоспособность, неисправность), по не опре деляют количественные их характеристики.
В некоторых, особенно сложных п ответственных объектах, работающих в специфических условиях при отсутствии опера тора, установить факт работоспособности или отказа не явля ется решением задачи. Например, в ходе отработки объектов первостепенной важности задачей является установление при чин потери работоспособности и отказов. Это необходимо для определения мероприятий организационного пли конструктивно го характера по устранению причин потери работоспособности и повышению надежности объектов.
Для решения указанной задачи применяются системы распо знавания образов, которые должны обладать следующими воз можностями:
—большим числом воспринимаемых параметров внешнего воздействия;
—широким диапазоном изменения параметров;
—способностью системы адаптироваться к условиям приме нения и самонастраиваться.
Автоматическая система распознавания отказов должна включать: входное устройство, воспринимающее всю совокуп ность параметров рабочего процесса; устройство принятия реше ния, которое сравнивает текущую ситуацию с ранее фиксиро ванной и принимает решение о наличии того или иного явления; обучающее устройство, управляющее перенастройкой распозна ющей системы.
Система распознавания образов решает следующую задачу: по результатам ограниченного числа измерений параметров объ
екта необходимо принять о п т и м а л ь н о е решение о принад лежности его состояния к тому или иному классу общей сово купности состояний.
4.Системы прогнозирования состояний объектов
Сцелью предупреждения потерн работоспособности объекта можно по результатам контроля прогнозировать изменения его
состояния, т. е. предсказать характер изменения работоспособно сти в будущем. Методы прогнозирования рассмотрены в п. 6.2.
5.Системы аварийной защиты
Втом случае когда, кроме прогнозирования состояния объ екта, необходимо воздействовать на пего при возникновении аварийного состояния с целью прекращения работы или пере вода на безопасный режим, применяются специальные системы, называемые системами аварийной защиты. Таким образом, си стемы аварийной защиты представляют собой совокупность
систем прогнозирования с исполнительными устройствами, воз действующими на объект при возникновении в нем аварийных состояний.
В качестве примера подобной системы может быть рассмот рена система «оперативного управления полетом» (ОУП), пред ложенная для повышения надежности работы ракеты-носителя
«Сатурн-VI» [9].
Система ОУП в течение всего периода активного полета, т. е. полета с работающими двигателями, непрерывно измеряет пара метры, определяющие правильность функционирования систем, сравнивает их с запрограммированными значениями этих пара метров. Когда разница между запрограммированными и фак тическими значениями параметров может привести к невыпол нению задачи, ОУП вмешивается в работу систем.
Система ОУП имеет датчики и преобразователи для опреде ления текущих значений параметров и запоминающее устройст во, в котором заложены данные о том, какие значения должны иметь параметры для нормального функционирования системы.
В результате сравнения программы с текущим состоянием вырабатывается корректирующее воздействие на систему с це лью предупреждения возможных катастрофических последствий отказов.
Программа работы ОУП составлена на базе подробного ана лиза возможных неисправностей системы. В результате анали зов отказов составлены перечни признаков, которыми сопровож дается отказ или по которым можно установить предстоящее наступление отказа, т. е. симптомы его наступления.
Перечни признаков имеют вид матриц. Матрицы составля ются в два этапа: матрицы отказов — симптомов и матрицы сим птомов — показаний чувствительных элементов, которыми эти симптомы могут быть замечены. В заключение составляется ито говая матрица отказов-показаний чувствительных элементов. Каждой строке итоговой матрицы соответствует определенное корректирующее воздействие. Это воздействие планируется зара нее, и команда на его выполнение подается вычислительным устройством.
Такие матрицы составлены для всех систем ракеты «Са турн-V».
В качестве примера приведем итоговую матрицу для системы гидравлического привода поворотом камер двигателя.
Система гидравлического привода состоит из главного гидро насоса, связанного с турбонасосным агрегатом двигателя, акку мулятора-резервуара, двух рулевых машин, клапанов, фильтров, дросселей и других элементов.
Итоговая матрица отказов-показаний чувствительных элемен тов приведена в табл. 7. 1.
Рис. 7. I. Схема системы контроля
Показания чувствительных элементов даны в относительных
величинах: л'=0 |
соответствует |
нейтральному |
положению; |
л '= + 1 и х = —I |
соответствуют обоим крайним положениям. |
На матрице показаны также |
корректирующие |
воздействия, |
которые заключаются либо в блокировке рулевых машин в ней тральном положении, или в том положении, в котором они бы ли в момент отказа, либо в режиме ожидания, когда давление в гидросистеме уменьшится до определенной величины.
Аналогичные матрицы и программы корректирующих воздей ствий разработаны и для других систем ракеты «Сатурн-V».
Все рассмотренные системы автоматического контроля, не смотря па различие в назначении, имеют много общего.
Обобщенная структурная схема системы контроля показана
на рис. 7. 1. |
|
Информация о состоянии объекта в виде сигналов у, (/ = |
1, |
2,..., т) передается в систему контроля. Система получения |
и |
обработки информации, структура которой зависит от назначе ния системы контроля, обрабатывает полученную информацию и вырабатывает решение в виде сигналов управления X;.
Сигналы управления преобразуются исполнительной систе мой в управляющие воздействия, которые воздействуют на объ ект в случае применения систем защиты или поступают опера тору для принятия решения о состоянии объекта.
Все системы контроля являются информационными система ми, работе которых присущи ошибки. Так как системы контроля в своем составе имеют датчики параметров, усилительно-преоб-
разовательпые и решающие устройства, цепи управления, то источниками ошибок работы являются: точность алгоритма кон троля, структурная надежность, точность настройки п быстро
действие системы.
Как известно, всем системам контроля присущи два вида ошибок.
1. О ш и б к и I р о д а . Система контроля не определяет ава рийного состояния объекта. В теории надежности такие ошибки называются риском заказчика, когда объект, у которого потеря на работоспособность, принимается как работоспособный.
2. О ш и б к и II рода . Система контроля формирует лож ный управляющий сигнал и работоспособный объект признается неработоспособным (риск поставщика).
Указанные ошибки контроля являются следствием следую щих причин:
—ограниченная точность контроля параметров рабочего процесса из-за ошибок работы датчиков системы;
—ненадежность системы контроля как технического устройства;
—конечное быстродействие системы контроля;
—ошибки в выборе параметров контроля.
В последующем рассмотрим перечисленные ошибки контро ля и методы их уменьшения.
7.2. СООТНОШЕНИЯ ДЛЯ ДВУМЕРНЫХ ПЛОТНОСТЕЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ
Для анализа точности работы системы контроля очень часто приходится определять вероятность сочетаний нескольких зави симых величин. В этом случае многие вероятностные задачи сводятся к определению вероятности вида
Р = Вер( . . . ViCUiCWi), |
(7.1) |
где i— 1,2,...,«; |
|
|
Vi, щ, Wi — случайные величины. |
величинами: |
Введем новые соотношения между случайными |
•Сi—Vi |
Llj, Zj+i—Hi Wi. |
|
Тогда уравнение (7. 1) перепишется так: |
|
Р = Вер(21< 0 , |
z2< 0,. . ., 2„<0). |
(7. 2) |
При нормальном законе распределения случайных величин,, они полностью определяются следующими статистическими ха рактеристиками:
математическими ожиданиями mv., т.и , mw.\ среднеквадратическимп отклонениями av., о„ зю.; коэффициентами корреляции Qv.tt.,
Перечисленные характеристики позволяют определить:
mz.= mv.— ти.; mZ[+1= |
ти.— т а .; |
О2 =а2 _ 32 . а2 = а 2 |
_ а2 . |
|
|
И; |
W;’ |
Q v j w f v f w . |
Q u t w f u f w i |
|
Qv.u.av. aui - |
Pz.Z.I| |
/+1 |
I |
°z °z |
|
°z °z |
zi |
|
zi zi+1 |
Вероятность, выраженная в форме (7.2), определяется сле дующим образом:
Ооо
р = f • • •11 f ?(*i, г2,... |
</za,..., d za, |
(7. 3) |
-00 |
— оо |
|
|
где cp(Z|, z2, ..., z„)—ЛЛмерная функция распределения случай
ных величин |
|
|
в явном виде неизвестно, |
поэтому |
Решение интеграла (7.3) |
применяются различные приближенные методы. |
в явном виде. |
Решение двухмерных |
интегралов существует |
Пусть известны плотности распределений |
z t и z2. Тогда |
вероят |
ность выполнения условия z i> 0 |
и z2> 0 |
определяется |
зависи |
мостью |
|
|
|
|
|
|
|
P = |
Bep(z1> 0 , |
z 2 > 0 |
) = F ( / i 1, Л2, qZiZi), |
(7.4) |
где F(/ilt Л2, Qz1z2) = 0,5[4 )(// . 1) - j - ® ( / 7 2) ] T{hu— |
— |
a 2) - | - 0 , 5 , |
если //•!<( О и //2<( 0 пли Л1_> 0 |
и Л2> 0 , |
|
|
и Z7(//•!, Л2, Qz,za) = |
0,5 [Ф(//.1)-|-Ф(Л2)] — Г(/гх, a j — 7’(Л3, а3), |
если Л: ^>0 и //2<^0 или ^ < 0 |
и Л2)>0; |
|
|
|
Л,- = |
‘7 . |
Ц1~ |
Qztz, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ло -- |
«I |
02:122 |
|
/io |
|
|
|
|
v 1 - e i z , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
hi |
/2 \ |
|
|
|
|
|
|
{'1 |
|
|
|
|
|
|
Ф(/г,.)=^ exp ^ — —j Л — функция Лапласа; |
|
|
T [kh |
|
^ exp |
/if -(1-Л-2) |
d x |
|
|
|
|
1+ д-2 |
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
— функция Оуэна.
Функции Ф(Л,-) и Т (hi, at) представлены в таблицах [33].
Приближенно интеграл (7.4) можно определить, если вос пользоваться следующими свойствами функции F (h1, !и, Cz.zJ:
al F (//L, Л2, qZiZj)— монотонна относительно б) если Qzjz. = б, то F(hj,/i2) = Рг• Р2,
где |
Р ^ О . б + Ф ^ ) |
н P.2= 0 ,5 -f Ф(//3); |
|
в) если £>,,*,= 1, то F (//j, h2, П== РШ|п, |
где |
Ршы^пНщР!, Р2); |
|
Г) если |
= — 1, то F ( / l v |
—1)= 0 |
при Pi-LPoC 1, И F (hlt Л2, — 1)= Р 2 — Px-f 1 при Pi + P2]>0.
Используя отмеченные свойства, функцию/7(h1, Л2, QZlz.) мож но аппроксимировать степенной зависимостью и получить при ближенные выражения для интеграла вероятности (7. 4) Р* как функции коэффициента корреляции.
Результаты аппроксимации вероятностей (7.4) представлены в табл. 7. 2.
Условия
аппроксимации
Pi > 0,5; |
Р* > 0,5 |
Р,-Р2 |
» 0,8 |
Р| < 0,5, |
Р.) <0,5 |
Pi + Р о > 1 |
Pi < 0,5; |
Р2> |
0,5 |
Ро + |
Р] < |
1 |
Приближенная формула
( l - P 2 ) [ ( P i - 0 ,5 ) o ; iZs+
-f-0 , 5 Q , f - „ ] - т - Р 1 P l!
( 1 — Q, - l'1
(1 -P i)-— Г г ^ - + Я 1+ Р а - 1 ID
Z L [(1 _ 2P ,)(i_ QziZ!)4+
+(16P2- 1 ) ( I - qZiZj)]
1,35(1—P2) [(1-2Р,)3 X
Х/ 1 - е г,га4-(1,26Р,-0,2б)Х x (i — eZlZ2)]-rPi+P2—i
1.35P, [(2P2—1) \f 1 |
- 0 г л + |
+ ( i - i ,2 6 P ,) ( i |
+ e ,iZj)] |
Пределы
0 < Q< |
1 |
- 1 |
< |
Q |
< |
0 |
V о |
/ C |
V |
_ |
V — 1 |
/ С |
V |
o |
0 |
< |
e < |
1 |
—1 |
< Q < 0 |
o |
< |
e < |
i |
—l < e < о
о< e < l
—1 < Q< 0
Таблица 7.7
Ошибка
P—P* °P- P
0,005
—0,005
—0,005
0,005
—0,005- 0,005-
—0,0,3- 0,0,3-
—0,03
0,03
7.3.ОШИБКИ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ
7.3. 1. Ошибки контроля по одному параметру
Система контроля проверяет работоспособность объекта по одному параметру. Условие работоспособности объекта по од ному параметру можно записать в виде
|
|
|
|
|
У— У< О, |
|
где |
у — контролируемый параметр, |
параметра из |
|
У — допустимое значение |
контролируемого |
|
условия работоспособности. |
|
Условие (7. 5) |
можно в общем случае трактовать следующим |
образом: |
У— несущая |
способность (прочность) |
конструкции, |
у — нагрузка; |
когда нагрузка |
|
|
меньше |
несущей |
способности, |
|
|
то |
объект |
работоспособен. |
|
|
Если |
нагрузка, |
действующая |
|
|
на конструкцию, |
превысит не |
|
|
сущую способность, то прои |
|
|
зойдет потеря |
работоспособно |
|
|
сти. |
|
|
|
|
|
|
|
Ввиду того что как на на |
|
|
грузку, так п на несущую спо |
Рис. 7.2. Законы |
распределения |
собность |
в |
процессе |
работы |
воздействует |
много случайных |
|
|
факторов, они в общем случае являются случайными функциями, имеющими своп законы распределения ср(у) и ср(У).
Работоспособность объекта контролируется путем измерения параметра рабочего процесса у датчиком контроля. Показания
датчиков также являются случайными величинами и |
имеют |
функцию распределения ср (D). |
и cp(D) |
В общем случае законы распределения ср(у), ср(У) |
могут располагаться так, как показано на рис. 7. 2. |
|
Датчик системы контроля настраивается на величину mD та |
ким образом, чтобы |
при выполнении условия tnD— «гг > 0 си |
стема фиксировала потерю работоспособности объекта. |
|
В результате разных сочетаний законов распределения cp(yj, |
<р (У) и ср(D) система |
контроля может сформировать либо лож |
ный сигнал, либо не обнаружит потери работоспособности. |
Рассмотрим события, которые могут наступить в процессе |
контроля. |
|
|
А событие, когда |
у<сУ— объект работоспособен; |
|
.4 событие, когда |
у > У — объект потерял работоспособность; |
Л0 событие, когда y > D \
Ло событие, когда y<D; HDсобытие, когда У <П и
Но — событие, когда Y>D.
