Моделирование отказов механических систем на базе информационных технологий Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Широкова. О.Н., Лебедев В.Б., Епишин И.Г.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТКАЗОВ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Современные методы моделирования отказов механических систем, использующие информационный подход, ориентированы, в основном, на моделирование физических процессов, происходящих в элементах системы, и процессов развития событий, порождающих отказы, которые обусловлены структурой системы. В основу моделей положены классические представления о механизмах возникновения отказов с точки зрения теории надежности. Информационные технологии используются, как правило, на основе традиционных представлений о роли средств вычислительной техники (СВТ) при решении задач подобного рода, в частности, преобладает использование СВТ как суперкалькулятора для решения задач теории вероятностей, математической статистики, теории прогнозирования и т.д., при этом выполняются достаточно сложные и громоздкие формульные вычисления. В некоторых случаях СВТ используются для поддержания и управления структурами баз данных, предназначенных для информационного обеспечения процедур решения указанных задач. Однако такая концепция применения информационных технологий для решения задач моделирования отказов в настоящее время обнаруживает ряд недостатков, которые обусловлены, прежде всего, опережающими темпами развития средств вычислительной техники и информационных технологий. Достигнутые в настоящее время характеристики производительности оборудования и эффективности программного обеспечения СВТ позволяют по-новому формулировать некоторые задачи моделирования отказов механических систем и получать качественно новые результаты, что в конечном итоге позволяет повысить адекватность моделирования отказов и надежность систем.

К недостаткам традиционного подхода можно отнести:

- отсутствие возможности оперативно изменять условия моделирования, в частности, структуру моделей;

- отсутствие эффективного учета «человеческого фактора» как одной из возможных причин возникновения отказа;

-отсутствие возможностей эффективно интегрироваться в корпоративную информационную систему предприятия (КИС).

Предлагается развитие традиционного информационного подхода к моделированию отказов механических систем, основные положения которого заключаются в следующем:

- структура системы имеет иерархическое многоуровневое представление;

- существуют концептуальный, функциональный и информационный уровни представления элементов структуры;

- модель системы является динамической синхронной моделью (вариант такой модели — конечный автомат);

- структура модели является локально нечеткой, то есть. содержит как детерминированные, так и нечеткие элементы;

- структура модели содержит недетерминированные элементы, заданные в виде параметрических статистических моделей;

- для моделирования используются визуальные методы, ориентированные на применение объектноориентированного подхода в программировании.

Рассмотрим отдельные аспекты предложенного подхода на примере. На рисунке 1 представлен фрагмент графа причинно-следственных связей (ГПСС) возникновения дефекта детали "Шаровая пробка" в модели отказов механического изделия «Шаровой кран».

Для моделирования использовалась среда пакета MatLab 6.1. В качестве инструментальных средств моделирования применялись компоненты имитационного моделирования Simulink, нечеткой логики Fuzzy Logic Toolbox, событийного моделирования Stateflow и статистической обработки данных Statistics Toolbox. Указанные компоненты позволяют решить большинство задач моделирования отказов механических систем в среде MatLab 6.1.

На рисунке 2 представлена модель механизма возникновения отказа механического изделия «Шаровой кран» (смотри рисунок 1), выполненная в среде MatLab 6.1. На рисунке 3 и рисунке 4 показаны диаграмма и ее увеличенный фрагмент для модели Stateflow возникновения дефекта детали "Шаровая пробка".

Блоки Simulink «Материалы», «Инструмент», «Токарь», «Нечеткий переход» на диаграмме (рисунок 2) представляют стандартные иерархические Simulink-модели нечеткой логики, реализующие индивидуально настраиваемую на объект (параметрически и структурно) модель Мамдани (E.N. Mamdani) для нечетких систем управления. Обращение к блоку «Нечеткий переход» осуществляется из Stateflow-машины через общую рабочую область памяти Workspace. На рисунках 5 и 6 показаны примеры представления реализаций функций нечеткого управления для блока «Материалы».

Данный подход к моделированию используется на предприятии ОАО НПП «Химмаш-Старт» при решении задач обеспечения надежности изделий на этапах их жизненного цикла.

Но- мер слоя Изделие: шаровой кран Деталь: Шаровая пробка Описание вершин ГПСС

8 8.3 Недопустимые отклонения формы и размеров пробки, несоответствие сферичности (отказ)

9 9.1 Несоответствие заготовки 9.2 Несоответствие инструмента 9.3 Несоответствие закрепления заготовки 9.4 Несоответствие режимов обработки

10 10.1 Дефекты инструмента 10.2 Износ инструмента 10.3 Ошибка в установке режимов 10.4 Разладка станка

11 11.1 Несоответствие материалов 11.2 Инструментальное хозяйство 11.3 Токарь

Рисунок 1

- Пример представления механизма возникновения отказа с помощью ГПСС

File Edit View Simulation Format Tools Help

Workspace

Рисунок 2 - Модель механизма возникновения отказа механического изделия "Шаровой кран"

шза

File Edit Simulation View Jools Add Help

a' E S X Ча Є а ф И ► И • | ш ® #4 © to

I Ready

J Stateflow [chart] Fuzzj»_Shai/Дефект шаровой пробки 1

Рисунок 3

- Диаграмма модели Stateflow возникновения дефекта детали "Шаровая пробка"

Рисунок 4 - Фрагмент диаграммы модели Stateflow

File Edit View Options

Рисунок 5 - Пример представления реализации нечеткого управления для блока "Материалы"

Рисунок 6 - Пример представления реализации функции нечеткого управления для блока "Материалы"