CC BY
133
Панкин А.М. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ МЕТОДОЛОГИИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ НЕПРЕРЫВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Построение методологии диагностирования технических объектов связано с решением ряда вопросов, которые предлагается рассматривать в следующем порядке:
Введение полной и единой терминологии в части понятий и определений технической диагностики, имеющей общее значение для всех классов технических объектов.
Определение структурных параметров (характеристик) непрерывного объекта и параметров (характеристик) процесса, в котором этот объект принимает то или иное участие. Создание математической модели контролируемого объекта.
Определение величин, называемых диагностическими признаками (ДП), и величин, представляющих рабочие функции объекта.
Выбор метода или методов диагностирования, необходимых для определения полного набора ДП объекта.
Создание диагностической модели объекта, позволяющей определить связь между непосредственно измеряемыми в процессе диагностирования величинами и косвенно определяемыми диагностическими признаками.
Определение интервалов допустимых значений ДП (с использованием математической модели объекта) и интервалов неопределенностей (погрешностей), которые имеют установленные в пункте 3 ДП в момент проведения диагностических измерений.
Решение задачи КТС и постановка диагноза о техническом состоянии объекта.
Переход к другим задачам диагностики (в случае их постановки) и определение методов их решения.
Реализация подобной последовательности действий позволяет создать диагностическое программное обеспечение, представляющее в наше время неотъемлемую часть технических средств диагностирования (ТСД) современных систем диагностирования (СД). В противном случае вся процедура диагностирования сводится к проведению допускового контроля ряда измеряемых параметров с не очень определенными значениями границ их допустимых значений, выход за которые должен переводить контролируемый объект в неработоспособное состояние.
Вопрос терминологии был уже рассмотрен в работе [1].
Определение структурных параметров объекта и параметров процессов
В первую очередь необходимо определиться с уровнем детализации контролируемого объекта. Современные изделия, системы, механизмы (объекты диагностирования) могут включать сотни и тысячи более мелких частей (элементов), которые нет необходимости отдельно отображать на структурной схеме объекта. Это, связано хотя бы с тем, что нет реальной возможности описать и оценить возможные связи, как между отдельными элементами, так и между этими элементами и внешней средой, в которой находится и функционирует ОД. Описание возможных связей между большим количеством элементов объекта значительно бы усложнило его математическую модель и затруднило ее использование в практических задачах диагностики. Поэтому идут по пути некоторого укрупнения отдельных частей объекта и переходу к оптимальному количеству его структур, которые ранее были определены как структурные единицы (СЕ) объекта диагностирования. Напомним, что при этом структура отдельной СЕ в дальнейшем рассмотрении процессов в ОД больше не фигурирует, а сама СЕ представляется неким "черным ящиком", с каким-то количеством "входов" и "выходов", между которыми имеются установленные связи. Такие связи описываются в виде коэффициентов передачи или в виде передаточных характеристик. Собственно такое укрупнение постоянно принимается к рассмотрению в реальной жизни. В, частности, в электротехнике или электронике, такие параметры как сопротивление, индуктивность или емкость отдельных частей электрической цепи вводятся без рассмотрения реальных конфигураций и свойств отдельных составляющих этих частей. В электронике укрупнение может быть рассмотрено на уровне отдельных диодов, триодов, других электронных компонент, для которых известны зависимости между током и напряжением, или на более высоком уровне. Главное, чтобы при таком укрупнении структурной единицы ОД, в глубь ее не ушли отдельные функции объекта, которые необходимо контролировать на предмет соответствия их требованиям техдокументации на этот объект. В пределе весь ОД может представлять как одну СЕ, детальная структура, которой не рассматривается, а указанные связи рассматриваются при построении математической модели этого объекта.
После определения вида структурной схемы параметры получившихся структурных единиц следует признать в качестве структурных параметров ОД.
Далее рассмотрим параметры (характеристики) процессов, в которых тот или иной объект может участвовать. Вначале следует отметить, что при диагностировании объект может функционировать в двух основных режимах: рабочем и тестовом. В некоторых случаях может быть создан смешанный режим.
При тестовом диагностировании на рабочий вход (входы) ОД подаются специальные воздействия от внешнего источника энергии - генератора тестовых сигналов. Как частный случай можно рассмотреть нулевое воздействие, когда на рабочие и другие возможные входы объекта не поступает ни рабочих, ни тестовых сигналов. И в этом случае объект может быть вовлечен в процесс диагностирования, если с помощью средств измерений будут определяться структурные параметры объекта, отнесенные к числу его диагностических признаков. При этом параметры процесса (переменные состояния, если ОД - электрическая цепь) и рабочие функции объекта будут иметь нулевые значения.
Следует разобраться, в чем различие между параметрами процесса (переменными состояния) и рабочими функциями объекта. По-видимому, целью создания какого-либо объекта является решение ряда задач (одной задачи) при котором выполняется или же не выполняется какое-либо действие. Под действием можно понимать, например, создание магнитного поля, электрического поля, выделение тепла и ряд других функций, которые можно рассматривать, как окончательные (рабочие, решающие одну из задач ОД, определенную в его техдокументации) или как промежуточные. Так, например, создание магнитного поля в катушке намагничивания, может рассматриваться как промежуточный результат, необходимый для перемещения сердечника, который при этом разрывает или замыкает какую-нибудь цепь системы управления другим объектом. Тогда в качестве рабочей функции ОД следует рассматривать процесс должного перемещения сердечника катушки намагничивания, который в каких - либо ситуациях может перестать перемещаться, например, по причине дефекта в самом сердечнике или при разрыве соединительной связи, необходимой для этого перемещения. Таким образом, мы приходим к выводу, что в математической модели ОД в этом случае должны быть представлены не только параметры процессов в электрической цепи объекта (переменные состояния), но и параметры механического процесса перемещения сердечника. Функция получения магнитного поля катушки при этом начинает играть промежуточную роль, тем не менее, необходимую для выполнения итоговой рабочей функции.
В результате данного рассмотрения могут быть сделаны некоторые выводы относительно роли в технической диагностике параметров (характеристик) процесса, в котором принимает участие контролируемый объект:
Характеристики диагностического процесса (промежуточные или рабочие функции) следует представлять как динамические зависимости (зависимость какой-либо величины от времени). Если эта характеристика вырождается в параметр процесса (напряжение или ток в элементе цепи постоянного тока), то это - постоянная величина, представляемая на графике прямой линией, параллельной оси времени процесса.
Характеристика (параметр) диагностического процесса может претендовать на роль диагностического признака контролируемого объекта, если одновременно с ней известна другая характеристика (параметр) процесса, позволяющая вместе с первой идентифицировать параметр структурного элемента объекта, отнесенный к числу диагностических признаков этого объекта.
Примером такого параметра является величина тока, протекающего через элемент, если одновременно с ней контролируется величина напряжения на данном элементе на предмет ее соответствия номинальному значению. Такой параметр процесса может рассматриваться как косвенный диагностический признак объекта. Или же на основе знания обоих параметров процесса может быть вычислен структурный параметр объекта, который в этом случае выступает в роли прямого диагностического признака объекта. В случае нелинейного резистивного элемента в качестве такого прямого диагностического признака обычно рассматривается вольтамперная характеристика этого элемента, при построении которой по осям координатной системы откладываются соответствующие величины обоих параметров процесса (тока и напряжения).
3. Из предыдущего заключения следует достаточно важный вывод, который можно сформулировать, например, в таком виде: прямые диагностические признаки электрических цепей получаются на основе измеренных параметров процессов (переменных состояния) в этой цепи или какой-то ее части. Иначе их не определить. Если объектом диагностирования является объект неэлектрической природы, то в качестве параметров процесса при определении прямых диагностических признаков могут выступать
параметры процесса измерения или параметры других процессов, связанных с объектом диагностирования.
И еще один вывод: уровень детализации структуры объекта диагностирования приводит к тому, какие величины следует понимать под структурными параметрами объекта и, следовательно, его диагно-
стическими признаками. Одновременно с переопределением вида структурных единиц объекта может измениться и суть рассматриваемых процессов, в которых эти новые СЕ принимают участие, и которые будут определять новые структурные параметры объекта и, соответственно, новые ДП. Например, переход с макроуровня на микроуровень привел бы к уходу от величины сопротивления, в качестве ДП рассматриваемого объема вещества, к новым параметрам проводимости отдельных микроструктур этого вещества и к иным процессам, описывающим перемещение заряженных частиц в глубине рассматриваемого вещества, возможно даже на атомно-молекулярном уровне. И в этом случае возникнет та же задача: необходимо определить параметры новых процессов, для последующего определения новых структурных параметров вещества (ДП), изменение которых вызовет изменение свойств вещества, приводящее к изменению рабочих функций объекта, в которых данное вещество принимает участие.
Итак, резюмируя сказанное, сделаем окончательный вывод: параметры (характеристики) процессов
не следует рассматривать в качестве ДП контролируемого объекта, особенно в качестве прямых ДП, поскольку они не отражают реальное техническое состояние ОД и, таким образом, не дают информацию о его работоспособности и тем более о запасе работоспособности объекта, который определяется текущими значениями прямых ДП. Иногда параметры (характеристики) процесса могут выступать в роли косвенных ДП при определенных условиях, заключающихся в том, что одновременно с рассматриваемым параметром процесса контролируется и другой (другие) параметр данного процесса и есть подтверждение о номинальном значении этого другого параметра.
И последнее, что хотелось бы отметить по вопросу структурных параметров объекта: возможно параметры процессов на самом минимальном уровне детализации структуры вещества (уровень элементарных частиц и атомов) и могут претендовать на роль ДП состояния рассматриваемого вещества. Дело в том, что основным процессом на таком уровне можно считать процесс движения указанных частиц в некоторых полях (электрическом, ядерном). При этом понятие структурного параметра утрачивается. Но, как отмечалось выше, вопрос диагностирования крупных объектов на таком уровне детализации весьма проблематичен и, скорее всего, нецелесообразен по причине сложности модели и невозможности измерений ряда микропараметров.
Определение диагностических признаков и рабочих функций объекта. После того, как на приемлемом уровне детализации была построена структурная схема диагностируемого объекта и определены параметры получившихся структурных единиц (структурные параметры) часть из них может претендовать на роль диагностических признаков и, таким образом, отвечать за изменение технического состояния объекта при его эксплуатации. Что следует понимать под приемлемым уровнем? Как было уже сказано, не следует увлекаться и дробить объект на излишне мелкие части, поскольку в случае ремонта проще и дешевле целиком заменить отдельные блоки, а не их элементы. Это нижняя граница уровня детализации при диагностировании объекта.
С другой стороны параметры структурных единиц должны как можно проще отражать суть физических процессов в этих СЕ. Тогда при измерении параметров процессов проще и понятней на основе известных законов выполнить идентификацию структурных параметров и, следовательно, ДП объекта. Вопрос достаточности информации для идентификации полного набора ДП для объектов в виде электрических цепей должен быть дополнительно исследован. При недостаточном объеме измерительной информации по переменным состояния (токи и напряжения ветвей цепи) для объектов в виде электрических цепей следует укрупнять элементы такой цепи и переходить возможно к структурам в виде многополюсников. Однако, понятно, что параметры этих структур, превращаясь в характеристики многополюсников, в значительной степени усложняются. И это усложнение приводит к значительным трудностям при определении их допусковых границ и отслеживании изменений таких характеристик в процессе эксплуатации контролируемого объекта.
В этой работе рассматриваются вопросы методологии широкого класса технических объектов, в которых могут иметь место не только электрические процессы. Поэтому в качестве верхней границы уровня детализации структурной схемы объекта будем рассматривать такую схему, когда параметры ее элементов будут иметь простой физический смысл. Конечно при необходимом для их идентификации объеме измерительной информации. Тогда отпадет необходимость объединения в одну СЕ, например, резистивного и индуктивного элементов характеристика которой значительно усложнится даже при постоянных значениях Е и Ь.
Следующим моментом, на котором следует остановится в данном рассмотрении, является вопрос о рабочих функциях контролируемого объекта. Что под ними понимать? Выше уже отмечалось, что это величины, связанные с параметрами процесса, в котором участвует объект. Если в качестве такой функции рассматривается электрическая мощность, снимаемая с резистивного элемента цепи, то она определяется как произведение двух параметров процесса (переменных состояния цепи): тока и напряжения, Если рабочая функция представляет энергию снимаемую или выделяемую в данном элементе цепи, то к двум сомножителям добавится третий - время, или же эта функция будет представлять интеграл от указанного произведения по времени, если сомножители не являются в течение процесса постоянными величинами. Как видно, количество и спектр возможных рабочих функций достаточно широк и нет необходимости заниматься их перечислением, тем более, что с добавлением новых объектов этот список будет неограниченно возрастать. Поэтому предлагается к определению числа и вида рабочих функций переходить не ранее чем будет определен сам ОД, тем более что реализация самой процедуры диагностирования требует и значительного количества средств и достаточного объема знаний по этому направлению.
Однако, даже при представлении процесса диагностирования в общем виде следует рассмотреть еще один класс функций, которые можно было бы охарактеризовать как функции безопасности ОД. О чем идет речь. Дело в том, что в ряде объектов возможного диагностирования существуют такие элементы (структурные единицы), с которыми выполнение рабочих функций объекта непосредственно не связано. В то же время, при нарушении штатных режимов функционирования объекта, на этих элементах могут быть реализованы функции, которые не только выведут объект из работоспособного состояния, но и приведут к тяжелым последствиям, Например, если в контролируемом объекте есть участок электрической цепи, состоящий из двух параллельно соединенных резисторов, и на одном из них произошел разрыв, то через другой резистор пойдет ток большей величины, который может и не оказать заметного влияния на выполнение объектом своей рабочей функции. Однако, выделение дополнительного тепла в оставшемся резистивном элементе при отсутствии условий дополнительного теплоотвода может привести к заметному изменению его параметра или даже расплавления, после чего весь ОД перейдет в неработоспособное состояние. Или другой пример. Изменение толщины стенок трубопровода или состояние сварного шва на стыке может не оказывать никакого влияния на рабочие параметры перемещаемого вещества (параметры процесса) и на выполнение объектом своих рабочих функций, Однако, если в результате идущих процессов произойдет дальнейшая разгерметизация трубопровода, то это приведет к аварийной обстановке со всеми вытекающими последствиями. Понятно, что после этого трубопровод нельзя считать находящимся в работоспособном состоянии. Подводя итог проведенному рассмотрению, сделаем следующий вывод: при диагностировании помимо контроля рабочих функций объекта следует
контролировать ряд функций, отнесенных к числу функций безопасности.
Справедливости ради следует заметить, что в последнем примере с трубопроводом функция безопасности вырождается в структурный параметр объекта, который можно контролировать как еще один диагностический признак, например, по критериям допускового контроля. Другими словами, в функциях безопасности может иметь место сочетание величин, связанных с параметрами процесса и структурных параметров (диагностических) признаков. Это еще раз говорит о тесной связи этих величин в процессе диагностирования технических объектов.
После того, как при заданном уровне детализации, определены основной набор структурных параметров объекта и набор его рабочих функций, необходимо из числа структурных параметров объекта выделить те, которые в процессе эксплуатации ОД следует рассматривать как диагностические признаки объекта. Дело в том, что не все полученные структурные параметры объекта будут в равной или достаточно высокой степени влиять на выполнение объектом своих рабочих функций. Если со стороны каких-то структурных параметров влияние на каждую из выделенного набора рабочую функцию оценивается как незначительное, то такие структурные параметры объекта не включаются в число его диагностических признаков. Для оценки степени влияния необходимо иметь математическую модель объекта на данном уровне детализации его структуры. Это следует постараться получить, во-первых. Во-вторых, необходимо иметь какую-то априорную информацию о возможных диапазонах изменения разных структурных параметров ОД в процессе его нормальной эксплуатации. С помощью математической модели объекта получается матрица коэффициентов чувствительности рабочих функций объекта к его структурным параметрам. После умножения этой матрицы на вектор-столбец максимально возможных отклонений структурных параметров объекта (модели объекта) , такая оценка получается в виде вектор-столбца возможных отклонений рабочих функций от своих номинальных значений в течение отработки заданного конструктором ресурса изделия (объекта). По этой информации часть структурных параметров исключаются из дальнейшего рассмотрения. Уменьшение числа параметров, отнесенных к разряду диагностических признаков (ДП), позволяет упростить задачу контроля объекта и идентификации оставшихся параметров, в более сильной степени влияющих на техническое состояние ОД. Вместе с тем, если величина возможного изменения хотя бы одной рабочей функции по какому-нибудь одному параметру превышает величину, требуемую для сохранения работоспособности объекта, то этот параметр обязательно должен попасть в число ДП.
Выбор метода диагностирования для определения диагностических признаков объекта. Под методом диагностирования понимается совокупность приемов и способов, позволяющих дать объективное заключение о техническом состоянии ОД [2] . По-видимому, такое определение следует отнести к методам решения только 1 - й задачи технической диагностики - контролю технического состояния (КТС). Что же касается 2 - й задачи - поиска дефекта, то в этом случае нужно считать, что техническое состояние уже определено: оно либо работоспособное, либо неработоспособное. Метод решения такой задачи направлен исключительно на поиск дефектной структурной единицы ОД, которая и вызвала дефект -резкую потерю запаса работоспособности контролируемого объекта. В отношении 3 - й задачи - прогнозирования остаточного ресурса - может быть сказано то же самое: техническое состояние на мо-
менты проведения контроля объекта было уже определено как работоспособное, о чем и должно было быть сообщено в диагнозе. Метод решения такой задачи направлен на создание эффективного алгоритма аппроксимации диагностических признаков ОД, который позволил бы путем решения задачи экстраполяции этих величин, оценить с минимальной погрешностью время выхода объекта на предельное состояние по самой малонадежной структурной единице.
Таким образом, в этом разделе речь будет идти о методах диагностирования при решении задачи КТС, которая связывается с определением величин ДП объекта в моменты времени выполнения контроля,
а, точнее сказать, проведения диагностических измерений. Последнее уточнение представляется достаточно важным, так как в литературе, где идет речь о процедуре диагностирования, не всегда упоминается, что без проведения тех или иных измерений диагностирование вообще невозможно. А процедура измерений невозможна без внесения каких-либо погрешностей или неопределенностей в значения измеряемых величин.
Поэтому прежде чем заняться вопросом нахождения величин, уже определенных для конкретного объекта в качестве диагностических признаков, нужно установить наличие имеющихся средств измерений, которые в технической диагностике определяются как технические средства диагностирования (ТСД).
Следующим моментом на пути выбора метода диагностирования данного объекта является выяснение, в каком режиме функционирования объекта (рабочем или тестовом) возможно получение необходимой измерительной информации. Таким образом, устанавливается, каким будет метод диагностирования: рабочим или тестовым. В зависимости от выбранного метода определяется состав непосредственно измеряемых величин, точность и объем предполагаемых измерений. Хорошо бы в процессе диагностических измерений получить непосредственно измеренные значения всех диагностических признаков. Тогда метод диагностирования мог бы закончиться на итоговой процедуре допускового контроля, после которой можно было бы поставить диагноз о техническом состоянии объекта в данный момент времени.
Однако, такое маловероятно. Причин две:
Диагностирование, как правило, выполняется для ОД, для которых одновременно с основным объектом не проектировалась система его диагностирования. Поэтому в объекте отсутствует необходимое количество входов для подключения измерительной аппаратуры. Кроме этого, не всегда имеется возможность диагностировать объект в тестовом режиме, который повышает разнообразие диагностической информации, необходимое для идентификации большего числа диагностических признаков.
Даже если система диагностирования (СД) создана и подключена к основному объекту, в ней предусмотреть возможность непосредственного измерения всех ДП объекта практически невозможно, поскольку для этого потребуется значительное усложнение основного объекта, что понижает его надежность.
Поэтому идут по пути косвенного измерения (определения) ряда диагностических признаков контролируемого объекта. И это должно найти отражение в разработке методики идентификации косвенно определяемых ДП объекта, включающей оценку погрешности их определения. Такая методика составляет часть разрабатываемого метода диагностирования объекта. При ее создании используется диагностическая модель объекта.
При отсутствии диагностической модели объекта, диагностирование может выполняться в урезанном объеме по некоторым показателям, которые называются косвенными или внешними признаками. Они характеризуют в какой-то степени процесс функционирования контролируемого объекта и являются производными от параметров этого процесса. Выше говорилось о рабочих функциях объекта, которые также являются производными от параметров процесса. Переходя от количественных оценок к каким-то качественным критериям можно по степени качества выпускаемой продукции получить некоторое представление о техническом состоянии оборудования, выпускающего эту продукцию (объекте диагностирования). Точно также поступают при использовании для целей диагностирования таких внешних признаков как степень нагрева отдельных частей контролируемого оборудования или при наличии в объекте трущихся частей по степени их износа. К подобному типу косвенных признаков следует отнести и измеряемые с помощью вибродатчиков, так называемые, виброаккустические параметры. Все эти признаки можно обнаружить при рабочем режиме функционирования ОД. Как уже отмечалось, единичные параметры процесса, в котором участвует объект, не могут быть его диагностическими признаками, отвечающими за техническое состояние. И для того, чтобы при подобных измерениях выйти на оценку хотя бы одного ДП, нужно в этом процессе измерять и другие его параметры. Да и в этом случае оценка технического состояния объекта будет, в достаточной мере, поверхностной без знания диагностической модели ОД. При этом предполагается, что объектом выполняются его рабочие функции, в противном случае диагноз однозначен: «неработоспособен» Все же указанные внешние или косвенные признаки могут быть полезны при решении следующей задачи: они позволяют характеризовать ранее введенные функции безопасности и в случае приближения последних к предельному значению сигнализировать о наступлении преда-варийной ситуации. На это, по крайней мере, нацелен ряд нормативных документов по вибродиагностике, в которых указываются допустимые значения для вибропараметров.
Итак, мы рассмотрели некоторые вопросы рабочего диагностирования, при котором на вход объекта должны поступать (и контролироваться) нормальные рабочие воздействия и он должен функционировать в нормальных условиях, определенных техдокументацией на объект. Под нормальными условиями следует понимать такое воздействие внешних факторов (температура, давление, вибрации, влажность, радиация и т.д.), которое не приведет к существенным изменениям в структурных параметрах объекта.
Рассматривая методы рабочего диагностирования, необходимо понимать существенную разницу между методами, в которых используется диагностическая модель объекта, и теми, в которых ее по разным причинам нет.
В методах тестового диагностирования на вход объекта должны подаваться специальные воздействия (тестовые сигналы). При этом снимается вопрос о выполнении рабочих функций объекта. Поскольку выполнение этих функций является критерием работоспособности объекта, то что-то должно их заменить в случае тестового диагностирования. По-видимому, это должны быть величины, опять таки связанные с параметрами процесса, которые должны изменяться при изменении структурных параметров объекта и, тем самым, отражать изменение его технического состояния. Итак, мы приходим к еще одной категории функций, которые являются производными от параметров диагностического процесса. По аналогии с ранее введенными рабочими функциями и функциями безопасности назовем их функциями контроля . Необходимо заметить, что поскольку параметры процесса (переменные состояния в электротехнике) сами являются функциями от времени диагностического процесса, то и все введенные функции также представляют временные функции. В технической диагностике при рассмотрении тестового диагностирования некоторые функции контроля называют реакцией объекта на входное воздействие. Если представить рабочее функционирование объекта, как частный случай функционирования при тестовых воздействиях, то можно при рассмотрении общих методов диагностирования принять в качестве основных контролируемых величин именно эти функции контроля, В простейшем варианте они представляют параметры рабочего или тестового процесса. В частности, при рассмотрении объектов в виде электрических цепей, можно в качестве функций контроля выбрать величины мощности или энергии поглощаемой или выделяемой на структурных элементах ОД. При этом может контролироваться изменение компонентов энергетического баланса объекта при отработке этим объектом части своего ресурса.
С учетом вышеизложенного материала рассмотрим некоторые методы контроля технического состояния объектов [2].
1. Метод, основанный на контроле совокупности диагностических параметров.
Этот метод является наиболее эффективным методом контроля работоспособности и запаса работоспособности объекта, если известен полный набор параметров или характеристик, отнесенных к разряду диагностических признаков данного объекта. При этом должны быть известны допустимые пределы изменения их значений.
При проведении контроля объекта измеряется или вычисляется на основе выполненных диагностических измерений каждый из диагностических параметров, и полученные величины сравниваются с допустимыми значениями.
Если в качестве диагностических признаков выступают не параметры, а характеристики объекта, то полученные при КТС диагностические характеристики сравниваются с соответствующими номинальными характеристиками. Номинальные характеристики задаются конструктором изделия или должны быть определены ранее для работоспособного состояния объекта в начале отработки им своего ресурса. Сравнение рабочих и номинальных характеристик может проводиться по нескольким критериям [3], после чего, также как и по результатам сравнения диагностических признаков, ставится диагноз о работоспособности или неработоспособности ОД.
2. Метод, основанный на контроле обобщенного диагностического признака.
Суть метода состоит в том, что в результате анализа диагностической модели предполагается найти параметр, который характеризует состояние ОД и зависит от других ДП, Смысл такого подхода понятен: попытаться уменьшить количество контролируемых параметров. Реализовать этот подход можно введением более укрупненных СЕ в структурной схеме объекта. Еще один вариант введения обобщенного ДП, связан с использованием в качестве диагностического признака функции контроля со всеми вытекающими последствиями, о которых сообщалось выше,
Такой метод, как и любой другой, предполагающий операцию свертки, несет неполную информацию о техническом состоянии объекта. Он может быть использован для тех режимов работы объекта, когда полнота информации о техническом состоянии всех СЕ объекта не требуется. В пределе такой метод ассоциирует с вариантом такого объединения СЕ, когда весь объект сведен к только одной структурной единице, При этом контролируются входные воздействия и выходные сигналы. Что происходит с отдельными элементами внутри объекта неизвестно, поскольку весь объект представляется как «черный ящик».
3. Метод, основанный на оценивании частотных характеристик.
В этом методе на вход объекта подается тестовое воздействие в виде синусоидального сигнала с фиксированной амплитудой, частота которого имеет ряд значений:
Для каждой частоты входного тестового сигнала с фиксированной амплитудой определяется амплитуда и фаза выходного сигнала в одном из контролируемых выходов объекта. По полученным для всех частот данным строятся амплитудно-частотная (АЧХ) и фазо-частотная характеристики (ФЧХ). Далее АЧХ и ФЧХ сравниваются с границами области допустимых значений при интегральном оценивании этих характеристик.
В случае объекта в виде электрической цепи в этом методе фактически определяется изменение индуктивно-емкостных (т. е. структурных) параметров этой цепи.
При использовании метода для других объектов на основе измерений вибропараметров, делаются попытки на основе каких-то нечетких критериев оценивать структурное состояние отдельных частей контролируемого изделия. В частности контролируется состояние подшипников скольжения роторного оборудования. В целом можно предположить, что этот метод для контроля основных диагностических признаков объектов еще не разработан и поэтому не применяется. Одним из важных вопросов, с которым следует разобраться в дальнейшем, представляется вопрос об источнике виброколебаний (собственные или вынужденные колабания) и о виде ДП изделия, контролируемого с помощью данного метода.
4. Метод, основанный на оценивании временных характеристик.
Предыдущий метод можно рассматривать как частный случай данного, когда на вход объекта подается периодическое входное воздействие с одной постоянной частотой (рабочий режим) или же с дискретным изменением частоты входного воздействия в некотором интервале (тестовый режим функционирования объекта). После каждого изменения частоты в течении некоторого временного интервала с элемента объекта или же с его основного выхода снимается какая-то временная характеристика, которая может использоваться в диагностических целях. Диагностическим признаком такую характеристику назвать нельзя, поскольку в соответствии в вышеизложенным она может классифицироваться только как параметр процесса (переменная состояния объекта). И для определения с ее помощью диагностического признака объекта необходимо иметь, по крайней мере, еще одну временную характеристику объекта, полученную в том же временном интервале. Тогда на основе этих временных характеристик может быть получен один диагностический признак объекта в виде диагностической характеристики (статической) его структурного элемента. Примером может служить вольтамперная характеристика нелинейного резистивного элемента, если в качестве ОД рассматривается электрическая цепь. И никакая отдельная временная зависимость напряжения или тока через этот элемент не дает представления о его техническом состоянии.
В качестве частного случая получения временной (переходной) характеристики объекта или элемента следует рассматривать подачу на вход диагностируемого объекта входного воздействия в виде ступенчатого импульса щ-1(/) (система включения источника напряжения). На выходе оценивается реак-
ция в виде переходной функции (зависимости какой-то величины от времени). Именно такой динамический режим исследуемой цепи позволяет оценить величины параметров ее индуктивно-емкостных структурных элементов. Как известно, в статическом режиме (на постоянном токе) эти величины не определяются, поскольку представляются в виде короткого замыкания или разрыва. Если в этом случае рассматривать переходную характеристику, как косвенный диагностический признак (при наличии второй контролируемой величины в виде постоянного напряжения и ), то при оценивании формы такой характеристики возможны два случая:
1) Интегральное оценивание по всей характеристике на основе критериев сравнения с аналогичной реперной характеристикой.
2) Контроль отдельных показателей временной зависимости, определяющих ее характерную форму, для которых заданы интервалы допустимых значений (для работоспособного состояния элемента или объекта).
Конечно, в этом случае следует дать более строгое определение косвенного диагностического признака объекта на уровне ГОСТов по технической диагностике, что в настоящее время отсутствует.
5. Метод сравнения реакции ОД и эквивалентной модели.
Данный метод предполагается использовать при диагностировании сложных технических объектов. В соответствии с названием при использовании этого метода должна быть построена эквивалентная модель (ЭМ) диагностируемого объекта. Такая модель может быть представлена в виде физической модели или математической модели (эквивалентным описанием на некотором языке объекта в виде формул, связывающих входные и выходные величины).
При диагностировании на вход объекта и его эквивалентной модели подаются одинаковые воздействия, представляющие некоторую функцию входного сигнала от времени. Далее выполняется сравнение выходных реакций ОМ и ЭМ. По результату расхождения этих величин 5 делается заключение о работоспособности ОД.
При адекватном описании с помощью данной модели работоспособного ОД 0 .
Основным преимуществом данного метода является получение возможности отработки на ЭМ ряда возможных дефектов без причинения ущерба реальному ОД. В то же время в процедуре подготовки к диагностированию для определения полного набора диагностических признаков и так предполагается построение математической модели ОД, соответствующего уровня. Эту модель и можно рассматривать в качестве ЭМ. Поэтому данный подход не представляет никакой новой информации в свете ранее изложенного материала.
6. Метод избыточных переменных.
Данный метод можно рассматривать как некоторую модификацию метода эквивалентной модели. Суть
его состоит в том, что кроме основных выходных сигналов объекта = {У\^У2г>---г>Уп) Рассматриваются
дополнительные сигналы У2 = {уп+\->Уп+2->---->Уп+к) ' участвующие вместе с основными сигналами в формировании показателя ¿>=1^+1^, таким образом, чтобы 5 был близок к нулю, если техническое состояние объекта мало изменяется и он продолжает сохранять свою работоспособность. Следует отметить, что введение дополнительно измеряемых величин (избыточных переменных) повышает чувствительность ряда диагностических признаков к непосредственно измеряемым величинам (параметрам процесса). Однако вовлечение в диагностическую модель объекта большего количества экспериментально определяемых величин повышает погрешность идентификации некоторых ДП.
По-видимому, все же следует измерять или косвенно определять минимальное количество тех параметров процесса, которое позволяет идентифицировать полный набор введенных в модель диагностических признаков объекта. Выбор же метода диагностирования должен способствовать уменьшению погрешности определения (неопределенности) этих признаков, конечно же, если такой выбор имеется. В случае, если объем измерительной информации недостаточен для идентификации всех ДП объекта, можно при диагностировании идти двумя путями:
1. Идентифицировать часть ДП и контролировать только часть рабочих функций объекта, непосредственно связанных с этими ДП.
2. Ввести обобщенный ДП, представляющий некоторую комбинацию первоначально рассмотренных диагностических признаков объекта, и в дальнейшем контролировать именно этот ДП. Платой за отсутствие необходимой измерительной информации в этом случае может быть:
- сложность в установлении для нового ДП диапазона допустимых значений, при попадании в который этого признака, объект сохраняет работоспособность по всем, связанным с обобщенным ДП, рабочим функциям;
- возможны ситуации, когда при нахождении обобщенного ДП, в указанном интервале допустимых значений, параметры, связанных с ним структурных элементов, начнут дрейфовать за пределы установленных допусков и тем самым вызовут недопустимое изменение функций безопасности объекта, оставшихся на прежнем уровне детализации его структурной схемы.
Диагностическая модель объекта. Создание диагностической модели объекта, преследует цель: определить связь между непосредственно измеряемыми в процессе диагностирования величинами (параметрами процесса) и косвенно определяемыми (с помощью такой модели) диагностическими признаками. Для построения диагностической модели используется исходная математическая модель (ММ), в которой исключается часть связей, включающих параметры объекта и параметры процессов с участием ОД (рабочих и тестовых). Таким образом, может быть уменьшено количество уравнений в первоначальной ММ объекта. При этом не должен быть исключен ни один из ДП объекта, а также контролируемых (измеряемых) параметров процесса. Далее, после трансформации промежуточной ММ путем реализации численных процедур и перехода, например, от дифференциальных уравнений, к алгебраическим уравнениям, получается 1-й вариант диагностической модели (ДМ) . В этой ДМ количество получившихся алгебраических уравнений должно соответствовать количеству определяемых диагностических признаков объекта. Желательно, чтобы на этом процедура получения ДМ не закончилась и была бы доведена до выражений, определяющих зависимость каждого из ДП объекта от измеряемых параметров процесса и других величин, К числу таких величин следует отнести и структурные параметры ОД, не отнесенные к числу ДП. При этом на основе записанного в явном виде выражения для ДП появляется возможность для оценки погрешности определения этих ДП в зависимости от погрешности непосредственно измеряемых при диагностировании величин. Если при проведении диагностирования имеется возможность непосредственного измерения части ДП, то они вместе с измеряемыми параметрами процесса используются для идентификации оставшихся непосредственно не измеряемых ДП.
Таким образом, основное назначение построения диагностической модели ОД состоит в получении аналитической зависимости между определяемыми ДП объекта и известными величинами, в том числе и измеряемыми в процессе диагностирования, а также оценки погрешности идентификации этих диагностических признаков.
Определение интервалов допустимых значений диагностических признаков. Определение интервалов допустимых значений ДП диагностируемого объекта представляет не простую задачу, связанную с решением целого комплекса вопросов, о которых говорилось выше. В первую очередь, это конечно определение самого набора диагностических признаков, соответствующих определенному уровню детализации структуры диагностируемого объекта. Далее должен быть определен состав рабочих функций объекта и, если необходимо функций безопасности. Для этих величин (зависимостей) должны быть установлены диапазоны (области) их возможного изменения, при нахождении в которых объект считается работоспособным или, другими словами, функционирующим в штатном режиме. Соответственно, выход за границы этих диапазонов (областей) рассматривается как переход объекта в неработоспособное состояние, даже если в момент проведения контроля технического состояния объект продолжает выполнять свои рабочие функции.
Диапазоны возможных для работоспособного состояния значений рабочих функций должны быть определены конструктором конкретного изделия (объекта) . То же самое следует сказать и о функциях (параметрах) безопасности. Иначе объект не должен быть принят к эксплуатации.
После определения набора ДП объекта и установления необходимого списка функций эти величины связываются между собой с помощью математической модели, описывающей процессы, происходящие в объекте на основе фундаментальных законов природы. Эта математическая модель (ММ) объекта и является основой для определения возможных диапазонов изменения тех структурных параметров объекта,
которые отнесены к разряду его диагностических признаков. Другими словами, по заданным допускам на рабочие функции необходимо определить допуска на диагностические признаки. После этого уменьшить их, если будет установлено (также на основе ММ) некоторое превышение заданных допусков на функции безопасности.
При строгом математическом подходе к решению задачи определения допусков на ДП, несложно установить, что в ряде случаев решение такой задачи будет неоднозначным. Как и при решении других обратных задач (прямая задача: нахождение по заданным величинам структурных параметров и входных воздействий величин параметров процесса - переменных состояния) нахождение такого решения может быть усложнено. Весь вопрос в том, насколько это усложнение необходимо в данном случае. Данную ситуацию можно упростить, если рассмотреть следующие обстоятельства:
- границы интервалов допустимых значений рабочих функций определяются конструктором с некоторым коэффициентом запасом в сторону ужесточения требований, т. е. уменьшения длин этих интервалов;
- математическая модель объекта может иметь некоторую неадекватность по отношению к реальному
ОД;
- вероятность одновременного выхода нескольких ДП на предельные значения не следует высоко оценивать, поскольку параметры структурных единиц объекта в большинстве случаев являются независимыми величинами (свойство простейшего потока отказов).
Перечисленные факторы дают основания отказаться от поиска строгих математических решений экстремальной задачи и пойти по пути поиска приближенных значений границ для интервалов допустимых значений ДП. Оценки таких значений предлагается получить путем вариантных расчетов прямой задачи при варьировании значений всех ДП от номинальных величин в сторону возрастания или убывания. После нахождения всех предельных значений, полученные оценки могут быть ужесточены в части времени приближения ОД к предельному состоянию по отдельным ДП.
Решение задач технической диагностики. Решение задачи КТС объекта, включая постановку диагноза о техническом состоянии ОД, может быть получено с помощью системы диагностирования (СД), которую при нормальном подходе к решению задач технической диагностики необходимо начинать проектировать одновременно с основным объектом. В этом случае с помощью такой системы на этапе эксплуатации ОД может быть получен максимум измерительной информации, необходимой для оценки технического состояния объекта в текущий момент времени и решения других задач технической диагностики. Оценка показателей диагностирования (степени работоспособности, остаточного ресурса объекта и др.) при этом может быть получена с максимальной доверительной вероятностью. Если на этапе проектирования основного объекта такая система не была предусмотрена, а задача КТС и другие задачи поставлены после начала эксплуатации контролируемого объекта, то для их решения необходимо последовательное выполнение следующих операций:
1. Определение объекта диагностирования (ОД) и получение необходимой технической информации о его структуре и режимах функционирования;
2. Определение используемых измерительных средств и возможных выходов объекта для подключения этих средств (контрольных точек объекта);
3. Последовательное решение задач, определенных в пунктах 1-6 представленной методологии технической диагностики.
4. Для восстанавливаемых объектов, в случае диагноза о неработоспособном состоянии объекта в момент проведения контроля, может быть решена задача поиска дефектного элемента (элементов) и после выполнения требуемых ремонтных работ такой объект возвращается в работоспособное состояние. Предварительно должен быть выбран метод и разработан алгоритм решения задачи поиска дефекта для контролируемого объекта.
5. Для работоспособного в момент проведения КТС объекта может быть решена задача прогнозирования остаточного ресурса. Для решения такой задачи используется вся измерительная информация, полученная в моменты проведения всех КТС данного объекта. Предварительно должен быть выбран метод и разработан алгоритм решения этой задачи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Панкин А.М., О терминологии технической диагностики // Тр. междунар. симпоз. "Надежность и качество ". Пенза. 25.05-30.05.2009. Пенза, 2009. Т.2. С. 6-7.
2. Калявин В.П., Панкин А.М. Основы теории надёжности и технической диагностики элементов и систем ЯЭУ. СПб., Изд-во Санкт-Петербургского гос. политехнического ун-та, 2007, 213 с.
