Контроль функционирования технических систем со сложной структурой Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

House - 1996. - 460.

7. Hellier C. Handbook of Nondestructive Evaluation, Second Edition / New York USA - 2013. - 594.

8. Hyun P.W., Seung K.B., Hoon S. Understanding a time reversal process in Lamb wave propagation // Wave Motion - 2009. - №46. - P. 451-467.

9. Kazys R. Tumsys, O. Pagodinas, D.A new ultrasonic technique for detection and location of defects in three-layer plastic pipes with a reinforced internal layer // Ultrasound - 2008. - №63 - P. 18-27.

10. Torres-Arredondo M.A. Tibaduiza, D. McGugan, M. et al Multivariate data-driven modelling and pattern recognition for damage detection and identification for acoustic emission and acousto-ultrasonics // Smart Materials and Structures - 2013. - №22. - P. 1-10.

компьютерное моделирование графических моделей

Шацкий Н.В., Шацкий В.Н., Шацкий М.Н.

контроль функционирования технических систем со сложной структурой

Современные технические системы состоят из большого числа комплектующих элементов и имеют достаточно сложную структуру. В связи с этим возникает сложная задача контроля технического состояния системы, способности ее выполнять те или иные функции. Задача быстрого обнаружения и поиска неисправностей и отказов является одной из важнейших в комплексе проблем по обеспечению высокой готовности и ремонтопригодности технических систем [1]. Так, обеспечение требуемого качества функционирования системы, зачастую оказывается проще достичь, уменьшив время восстановления, существенную часть которого составляет именно время обнаружения и поиска отказавшего элемента, чем увеличив время безотказной работы. Таким образом, возникает задача построения алгоритма контроля, обеспечивающего минимальное время поиска отказавшего элемента. Особое место среди технических систем при решении этой задачи занимают системы с квазиизбыточностью. Это особенность объясняется возможностью перераспределения функций между исправными элементами при отказе одного из них.

Существуют различные способы построения алгоритма контроля: способ последовательного функционального анализа, способ половинного разбиения, способ «время-вероятность», способ на основе информационного критерия (энтропийный

подход) и т.д. [1]. Но получаемые при этом алгоритмы проверки элементов технических систем имеют один существенный недостаток: при организации контроля не учитывается вес каждого элемента в определяющую характеристику системы.

Целью статьи является обеспечение требуемого качества функционирования технических систем в период эксплуатации за счет уменьшения времени поиска неисправностей с максимальными весами в определяющей характеристике объекта контроля.

Для достижения цели рассмотрим в качестве объекта контроля (ОК) техническую систему, состоящую из п элементов (п = 1, N . В задачах обнаружения и поиска отказов элементом называется часть ОК (блок, модуль, компонент), достаточная с точки зрения необходимой детализации информации о месте отказа.

Обозначим через 1= 1(Г,О функционал, характеризующий качество функционирования системы (коэффициент готовности, вероятность выполнения задачи, стоимостные показатели и т.д.). Этот функционал зависит от характеристик надежности системы ^д^ЛА)), складывающихся из надежностных свойств элементов, в частности вероятности отказов дЛ и числа реализации

событий Л(А1) , где (1= 1,1) - число возможных состояний (А) системы, и

от функции Ох,х,.--,хк,...,хк), определяющей влияние хк параметров элементов на показатель (функцию) качества функционирования системы. Функция

О(х1,х2,...,хк,...,хК) должна отражать с достаточной степенью точности все физические процессы, происходящие в ОК. Таким образом, функционал О) можно представить в виде совокупности вкладов элементов ОК в рассматриваемый показатель качества системы:

N

= 0)

п=1

где Вп - функция, характеризующая надежность функционирования п-го

элемента в системе, а Оп(х1,. ,хк) - функциональная зависимость, отража-ю-щая вклад -го элемента в рассматриваемый показатель (функцию) качества ОК. Необходимо отметить, что при изменении показателя качества изменится и вклад (вес) элемента в него.

Если учесть, что время поиска п-ой неисправности равно tn, а система контроля последовательно может определить сразу только один отказ, то функционал, характеризующий качество работы ОК при отказе п-го элемента в период эксплуатации, можно записать в виде

/п) (^ О) = О) - Т{')6я(Гяг Оп) (2)

где - период контроля системы до n-го элемента tn = t0 + t1 +...+ tn_1 Функционал (2) определяет интегральное снижение эффек-тивности функционирования системы при отказе. Таким образом, критерий (вектор предпочтения), характеризующий последовательность контроля элементов технической системы, должен учитывать не только время поиска неисправности в n-ом канале t, но и вклад данного элемента в снижение эффективности функционирования ОК. Для

системы, при контроле элементов которой выполняется условие tn = t, вектор предпочтения может быть записан в виде

W(r) = max( 8r) (3)

reN V '

Значениями вектора W является числа от 1 до N, определяющие порядок, в котором осуществляется контроль каналов системы. При этом первым контролируется канал с номером r ,для которого величина 8r является максимальной, следующим проверяется канал с номером r2 , в котором 8r - вторая по величине

и т. д. Последним проверяется канал с номером rN , для которого 8 минимально. Т.е. разработанный алгоритм обеспечивает минимальное время существования отказов элементов с наибольшими весами в определяющей характеристике ОК.

Следует отметить, что в отдельных случаях возможны ограничения на объем проверяемых элементов. Например, определение последовательности контроля

до момента, пока max( 8r) будет меньше определенной величины G, значение

reN V ' _

которой задается техническими требованиями или техническим заданием заказчика на проектируемую систему. Таким образом использование дополнительных ограничений (не в ущерб основной решаемой задачи) позволит еще более сократить время контроля технической системы уже за счет уменьшения выборки проверяемых элементов.

Ярко выраженной технической системой с квазиизбыточностью является антенная решетка (АР) [2]. В АР чаще всего используется фазовое сканирование, осуществляемое с помощью дискретных фазовращателей [3]. Статистическая теория антенн и практика эксплуатации АР выделяют в качестве самых критичных с позиции обеспечения надежности системы рассеянные отказы, которые приводят к постепенному изменению характеристик антенны. Причинами рассеянных отказов являются неисправности устройств управления фазой, т.е. фазовращатели. Поэтому реализацию предлагаемого подхода к решению задачи обеспечения требуемого качества функционирования технической системы в процессе эксплуатации рассмотрим на примере АР с фазовым сканированием, функционирующей в системе радиосвязи. В качестве функции качества системы возьмем отношение

сигнал/помеха , который определяется формой диаграммы направленности (ДН) по мощности АР .

Итак, рассмотрим девятиэлементную линейную АР с четырехсекционны-

ми бинарными фазовращателями (К= 4) в канале каждого излучателя антенной системы.

Геометрия задачи и отчет угла в показаны на рис.1, Ду= 0,5А ( А- рабочая длина волны АР)/

Найденные в [4-6] соотношения позволяют представить функционал (1) в

виде

I(F,G = |F(0)| un(6)\ (4)

n=1

где |F0(O)| - диаграмма направленности по мощности линейной АР без

отказов: О - угол сканирования антенной решетки; An = А - (l - A) cos(nfn/2 ),

{а = 0.08, a £,п = [n-(^/2)]ф] - амплитуда в т-ом канале; un(0) = cos(O) - ДН

отдельного излучателя антенны; &2п = 52,4 q(l - q)3 - дисперсия отказов бинарных четырехсекционных фазовращателей, найденная в [4-6]; q- вероятность выхода из строя канала линейной антенной решетки.

Вычислительный эксперимент реализован в математическом пакете Mathlab. Результаты расчетов представлены в виде графических зависимостей на рис.2-рис.5.

На рис.2 показаны гистограммы коэффициентов ранжирования каналов линейной АР, полученные для функционала (4) при вероятности выхода из строя канала . Как видно по гистограммам, максимальный вес при обеспечении в период эксплуатации требуемого ОСШ в АР имеет ее центральный пятый элемент, а, соответственно, минимальный - крайние излучатели антенны. В таблице 1 приведены значения функционала качества по апертуре.

Таблица 1

Рисунок 2 Рисунок 3

Координата Координата Координата Координата

по п по по п по W

1 0.313 1 0.96

2 0.6 2 0.9375

3 0.8125 3 0.9375

4 0.9375 4 0.8125

5 0.96 5 0.8125

6 0.9375 6 0.6

7 0.8125 7 0.6

8 0.6 8 0.313

9 0.313 9 0.313

Используя вектор предпочтения IV (рис.3), осуществляется ранжирование

1п - коэффициентов, по которому строится алгоритм контроля каналов АР. А, именно, первым при обеспечении ОСШ проверяется 5 (центральный) канал линейной решетки; затем контроль организуется попарно от центрального: вторыми - 4 и 6 54

каналы, третьими - 3 и 7 и т.д. до 1 и 9 каналов. АЙ0„.10\ раз

I II 111 IV

I 9 1N 11 36 шаг

контроля

Рис,+

t'I[11>Kí.LHIyptJWHH ÚÜffiSOID Излучения Л1' t ÓIKEL'JJMH при KQKTpcoit no разрабйинномy uinnpirTtiy (¡фнввк 1) и но лщч üD-cmi^ncBDuy eui горнтму (кривая 2)

На рис.4 показан рост относительного значения Q (выражение (2)) при проведении контроля с помощью разработанного алгоритма (кривая красного цвета) и при использовании строчно-столбцевого способа контроля, который применяется для проверки элементов АР в настоящее время (кривая зеленого цвета). В таблице 2 представлены суммарный вклад ранжируемых элементов управления в ОСШ антенны.

Таблица 2

Кривая 1 Кривая 2

Координата по "шагу контроля" Координата по " 5вт,10-5" Координата по "шагу контроля" Координата по " semio "5"

1 6.6 1 6.6

9 1.65 2 5.5

18 0.5 3 4.1

27 0.1 4 2.2

36 0 5 0

Рмс.5

Увеличен 1 не ОСШ (0> при восстановлении параметров

элементов управ: 1сння шшейной ЛР с отказами ирт-г контроле гю разработанному алгоритму (кривая I) по строчно-столбцовому в." орнгму (кривая 2)

Анализ зависимостей на рис.4 показывает, что требуемый уровень бокового излучения при контроле разработанным способом (кривая 1) достигается в два раза быстрее, чем при контроле строчно-столбцевым способом (кривая 2). Необходимо отметить, что для простоты кривые 2, показанные на рис.4 и рис.5, аппроксимированы ломанной кривой, хотя имеют ступенчатую структуру. Первый период контроля (I) в рассматриваемой АР характеризуется проверкой старших (первых) секций фазовращателей с наибольшим дискретом, (II) - вторых секций и т.д. Данный выигрыш весьма ценен для систем радиолокации специального назначения, где требуется оперативное восстановление характеристик системы, но и важен для систем радиосвязи, особенно при необходимости формирования одного или нескольких нулей в направлениях естественных и искусственно поставленных помех. Вид кривых, представленных на рис.5, показывает, что увеличение ОСШ на 5,6аА при строчно-столбцевом контроле достигается на 27 шаге, а при контроле с помощью разработанного алгоритма - на 12 шаге, т.е. в 2 раза быстрее.

Предлагаемый способ организации контроля элементов технической системы с квазиизбыточностью позволяет обеспечить требуемое качество функционирования объекта в процессе эксплуатации за счет уменьшения времени обнаружения неисправностей, которые имеют больший вес в определяющую характеристику системы. Положительный эффект достигается за счет сокращения времени существования в системе отказов, вносящих наибольший вклад в интегральное снижение эффективности функционирования объекта контроля. Использование дополнительных ограничений, накладываемых на критерий определения после-

до-вательности контроля, позволяет сократить время диагностирования технической системы, но уже за счет уменьшения выборки проверяемых элементов.

Рассмотренный пример обеспечения требуемого качества функционирования технической системы с квазиизбыточностью для девятиэлементной антенной решетки с четырехсекционными элементами управления подтвердил правильность предлагаемого подхода. При этом качество функционирования АР системы радиосистемы с отказами, определяемое через ОСШ или уровень бокового излучения, достигает требуемого уровня почти в два раза быстрее при контроле по предлагаемому варианту проверки элементов, чем при контроле по используемому в настоящее время строчно-столбцевому алгоритму.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кудрицкий В.Д., Синица М.А., Чинаев П.И. Автоматизация контроля радиоэлектронной аппаратуры / Под ред. Чинаева П.И. - М.: Сов. Радио, 1977. - 256с.

2. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных решеток: Учебное пособие для ВУЗов/Под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1994. - 592с.

3. Самойленко В.И., Шишов Ю.А. Управление фазированными антенными решетками. - М.: Радио и связь, 1983. - 240 с.

4. Шацкий Н.В., Головань С.А., Шацкий В.Н. Система управления техни-че-ским состоянием малоэлементных фазированных антенных решеток на основе модели антенной решетки при наличии ошибок реализации фазы в ее каналах. // Научно-техническом и прикладном журнале «Известия ЮФУ Технические науки». Вып. № 1 (150), 2014 г. - Стр. 19- 28.

5. Шацкий Н.В. Принцип построения алгоритма поиска неисправностей в антенной решетке с оценкой его эффективности // Исследовано в России, 38. -Стр.499-507, 2000.

6. Шацкий Н.В., Мищенко С.Е. Метод матричного синтеза антенной решетки с векторной диаграммой направленности // Журнал «Антенны» - № 8. - 2014 г. - Стр.20-25.