Новый метод диагностирования электропривода Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

М.П.Дунаев

Новый метод диагностирования электропривода

Наладка электропривода (ЭП), сущность которой заключается в доведении выходных параметров ЭП до паспортных значений, может рассматриваться как совокупность частных задач, в число которых обычно включают диагностирование ЭП. В настоящее время можно выделить два подхода к диагностированию.

Первый подход отражает методы классической технической диагностики (ТА), основанной на математических моделях объектов и специальных алгоритмах диагностирования [1, 2, 3]. Второй подход связан с развитием методов искусственного интеллекта и использованием экспертных систем, основанных на знаниях [4, 5].

Каждый из перечисленных подходов имеет свои сильные и слабые стороны. Так, например, классическая ТД предполагает предварительное глубокое изучение объекта диагностики (ОД), в процессе которого составляется в том или ином виде его математическое описание (математическая модель). В конечном итоге, опираясь на модель ОД и используя различные алгоритмы поиска дефектов, удается гарантированно определить (локализовать) неисправность. Однако подробное изучение каждого конкретного ОД требует значительных затрат времени и сил; к тому же при разработке математических моделей обычно делается ряд допущений, неотвратимо отдаляющих модель от реального объекта.

С другой стороны, применение технологии экспертных систем (ЭС) позволяет напрямую, без упрощений, использовать эмпирические знания и эвристические методы специалистов-экспертов, что приводит к значительному сокращению времени поиска неисправностей в ОД, К сожалению, диагностические ЭС, как правило, не отличаются глубиной знаний и не дают полной гарантии нахождения дефекта.

В связи с этим представляется перспективным на основе этих двух подходов создание нового диагностического метода, основанного на использовании экспертных систем с привлечением математического аппарата ТД, Рассмотрим новый метод на примере создания базы знаний (БЗ) ЭС для наладки управляемого выпрямителя (УВ), в основу которой положена функциональная модель (схема) УВ.

На первом этапе создания БЗ при разработке функциональной модели УВ применим традиционный диагностический подход и первоначально учтем следующие известные допущения [3]:

1. Каждый функциональный элемент (ФЭ) модели может иметь конечное множество входных сигналов и только один выходной сигнал.

2. Для каждого ФЭ модели известны функциональные зависимости между входными и выходным сигналами, а также их допустимые значения.

3. Внешние входные сигналы ФЭ всегда принимают только допустимые значения.

4. Линии связи между ФЭ модели абсолютно надежны.

5. Если выходной сигнал одного ФЭ является входным для другого ФЭ, то допустимые значения этих сигналов совпадают.

6. При выходе за пределы допустимых значений хотя бы одного из входных сигналов на выходе ФЭ появляется недопустимый сигнал.

7. ФЭ считается неисправным, если при допустимых входных сигналах на выходе ФЭ появляется недопустимый сигнал.

Функциональная схема (модель) УВ показана на рис. 1, где обозначено: ВА - вводной автоматический выключатель, СТ - силовой трансформатор, СС - силовая схема преобразователя, Н - нагрузка преобразователя, БП - блок питания системы управления (СУ), ИСН - источник синхронизирующего напряжения, ГПН ~ генератор периодического напряжения, УО - управляющий орган, К - компаратор, УФ - усилитель-формирователь импульсов управления, ГР -устройство гальванической развязки, ~11с - напряжение питающей сети переменного тока, 11вх - входное напряжение силовой схемы преобразователя, иаЬ1Х - выходное напряжение преобразователя, 1н - ток нагрузки, и^ - выходное напряжение блока питания, иу- выходное напряжение управляющего органа, 113 - задающее напряжение.

Для решения задачи диагностирования объекта обычно достаточно сделать заключение по результатам оценки входных и выходных сигналов типа «в норме - не в норме» (в пределах паспортных значений или нет). В этом случае ОД можно представить логической моделью в виде ориентированного графа. На рис. 2 показана логическая модель УВ, построенная в соответствии с функциональной схемой (см. рис. 1).

Входные внешние сигналы УВ представлены вершинами с символами Х|. Выходные внешние и внутренние сигналы УВ представлены дугами с символами 1\, где \ - индекс элемента логической модели. Элементы УВ представлены вершинами с индексами ¡, соответствующими номерам элементов на схеме рис, 1.

~ис

иВх

Цвых

1

ВА

т

ст

н

иБП

сс ¿А ГР

т

из 1к

УФ

£_*

БП

1

УО —►

1С

иен

Ж

гпн

1н

Рис. 1

Входные внешние сигналы Хь Х2 соответствуют сигналам ис, из на рис. 1. Внешний выходной сигнал (рис. 2) соответствует выходному сигналу |н (см, рис. 1).

Заметим, что любая элементарная проверка ОД требует определенных затрат (времени, материалов и т.д.}, необходимых для измерения и анализа результатов. Эти затраты могут быть выражены понятием цены элементарной проверки С$), Цены могут быть одинаковы для всех элементарных проверок или отличаться в зависимости от условий и задач оптимизации алгоритмов диагностирования.

Каждому техническому состоянию е, ОД соответствует некое число р(е-|), отражающее вес (значимость) данного технического состояния среди других технических состояний [1]. Как и в случае с ценами элементарных проверок, веса технических состояний могут быть одинаковыми или разными. Вероятность, с которой ОД может находиться в неком техническом состоянии:

0< р(е1)<1, е. е Е*

Рис. 2

I Р(е.) = 1, / = 1

где ¡= 1(2,...Ы - число технических состояний ОД, Е - множество всех технических состояний ОД.

Обозначим сумму цен элементарных проверок, входящих в алгоритм диагностирования, как Сро, Е), Тогда средние затраты на определение одного состояния ОД могут быть найдены как

СРо, Е}= I СРо, е* р(еО, (1)

где 10 - первая элементарная проверка алгоритма диагностирования.

Выражение (1) позволяет определить качество любого алгоритма диагностирования при различных ценах элементарных проверок и весах технических состояний ОД [3]. Рассмотрим основные методы реализации элементарных проверок.

Метод половинного деления

Этот метод имеет несколько модификаций. Остановимся на некоторых из них.

Метод половинного деления при равных вероятностях технических состояний р(е,)=Ш, где N - общее число функциональных элементов ОД с равными ценами элементарных проверок, предполагает начать контроль ОД с элемента, проверка которого дает наибольшую информацию о состоянии ОД, Неопределенность состояния ОД до его проверки оценивается энтропией [3]:

Н =-1Ж)1о8,/Ке,.) = 1о8 N.

0 ?=1 2 ^

Отсюда следует, что первой необходимо выполнить ту элементарную проверку 1К, при которой Н(1^=Но/2 при исправном (1) и неисправном (0) состоянии к-го элемента, т.е. проверку, которая разбивает функциональную модель ОД пополам. Каждая следующая проверка также должна делить пополам остающиеся функциональные блоки и т.д. На рис.3 представлен граф алгоритма диагностирования УВ по методу половинного деления при равновероятностных состояниях элементов, построенный по рис.2. Кружками с цифрами внутри обозначены элементарные проверки Ъ{ (¡=1, 2..М), цифрами 1 и 0 - результаты проверок блоков (исправен - неисправен), прямоугольниками - итоги диагностирования (цифра внутри прямоугольника означает номер неисправного блока). Первой выполняется проверка В зависимости от исходов промежуточных проверок длина алгоритма может составлять от 3 до 4 шагов. Средние затраты на определение одного состояния ОД для этого метода по выражению (1) составят С(2о,Е)=0,2677.

/,3ц'1

10 3

7 6

V V

11

Рис. 3

Метод половинного деления с неравными вероятностями технических состояний р(е$ и равными ценами элементарных проверок предполагает, что первым контролируемым элементом выбирают тот, элементарная проверка которого делит ОД на части, вероятности состояния которых близки к 0,5, т.к. Н(2У будет максимальна, если модуль величины (р* - 0,5} минимален. Такое деление продолжается до тех пор, пока не будет найдена причина неисправности (в данном случае - конкретный функциональный блок). Граф алгоритма диагностирования УВ по методу половинного деления

с учетом вероятности состояния его элементов показан на рис. 4. Вероятности состояний элементов УВ р(е1) приведены в таблице.

Первой выполняется проверка 19. В зависимости от исходов промежуточных проверок длина алгоритма может составлять от 3 до 4 шагов. Средние затраты на определение одного состояния ОД для этого метода по выражению (1) составят С(го,Е)=0)2532,

Метод половинного деления при равных вероятностях технических состояний элементов и с учетом цен их элементарных проверок проиллюстрирован графом алгоритма диагностирования УВ (рис. 5). В качестве цены элементарной проверки взято время реализации проверки. Первой выполняется проверка а не 19, как в двух предыдущих алгоритмах, т.к. учитывается время доступа к выходному сигналу 1А.

Общее суммарное время реализации всех проверок в УВ

В зависимости от исходов промежуточных проверок длина алгоритма может составлять от 3 до 4 шагов. Время реализации проверки для элементов УВ Це] указано в таблице, Средние затраты на определение одного состояния ОД для этого метода по выражению (1) составят Сро,Е)=0,27.

/ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Р(еИ 0,01 0,04 0,31 од 0,14 0,01 0,16 0,1 0,07 0,02 0,04

Не,) 0,05 0,05 0,02 0,1 0,07 0,06 0,15 0,15 0,15 0,05 0,15

0,2 0,8 15,5 2,0 2,0 0,17 1,06 0,67 0,43 0,4 0,33

Времявероятностный метод диагностирования

Этот метод используется при различных вероятностях технических состояний р(е,) и разных ценах их элементарных проверок (в данном случае времени реализации проверки 1(еЛ Последовательность проверок по времявероятностно-му методу устанавливается в порядке уменьшения соотношения р{еЦ/ 1(е), Граф алгоритма диагностирования по вре-мявероятностному методу показан на рис.6. Соотношения р(еЦ/ Щ) для элементов УВ указаны в таблице.

Первой выполняется проверка обладающая наибольшим соотношением р(еЩ 1(еЦ, затем 15 и т.д. Длина алгоритма диагностирования составляет от 1 до 7 шагов. Средние затраты на определение одного состояния ОД для этого метода по выражению (1) составят СрО)Е)=0,1969.

Анализ рассмотренных выше алгоритмов диагностирования по критерию средних затрат (1) показал, что предпочтительным из них является времявероятностный метод (рис. 6).

Рис. 6

На втором этапе создания БЗ для наладки УВ необходимо знания о функциональной модели УВ оформить в виде правил

I (л С .)=> Я, / = 1 1

I (V С .) => В

I = 1 к (3)

где С,- - условия выполнения действия Ок.

На третьем этапе создания БЗ знания о функциональной модели УВ требуется дополнить практическими знаниями специалистов по наладке (экспертов). Эти знания также записываются в виде правил (3), На данном этапе происходит окончательное структурирование БЗ ЭС с учетом выбранного диагностического метода.

Обобщенная логическая модель наладки УВ может быть представлена в виде логической матрицы

0=[лй+ УО] => 0, (4)

где О - логическая матрица модели наладки; лО - конъюнктивная логическая матрица вида

А Q

С„(Л

с2,с/)

С,2 С/) с22(./)

с

1(М) О")

2(М)

Сисл '

С2(М)(Л

C(jfc-i)iO') ........ ^(A-DCZ-D О') C(k-I)iü)

Cklu) < Q2(7) ....... C/f(M)(;) Сй(у) .

D - матрица-столбец экспертных оценок вида

D

А

zx

Д

л—1

А

v Q _ дизъюнктивная логическая матрица вида

vß =

Сп(7) С12(у) ......... Q(M)O') Q/O')

QlO') 0>2 (Л ........ С2(/-1) (Л с2(м)(Л

^(A-i)iO') ................Ü)

QiO') Q2(y) :...... cÄ(M)(y)

C(k-l)iU)

сшЦ)

в которых Ckiß) -независимые (задаваемые) логические переменные; j - фиксированное значение логической переменой, /' с [ОД] ; Dk - частные экспертные оценки .

Анализ модели (4) показывает, что учет в ней практических знаний наладки позволил:

1, Уменьшить число допущений, принятых при разработке функциональной модели (рис,2), с семи до четырех за счет исключения допущений 1, 3 и 4.

2, Увеличить глубину поиска неисправностей в УВ вплоть до отдельных элементов принципиальной схемы (тиристоры, обмотки трансформаторов и т.п.).

Модель наладки УВ (4) стала базой знаний для соответствующей экспертной системы.

Библиографический список

1. Основы технической диагностики / Под ред, П.П.Пархоменко. - М.: Энергия, 1976, - 464 с.

2. Мозгалевский A.B., Гаскаров Д.В, Техническая диагностика, - М,: Высшая школа, 1975, - 207 с.

3. Осипов О.И., Усынин Ю.С. Техническая диагностика автоматизированных электроприводов, - М,: Энергоатомиздат, 1991, - 160 с,

4. П.Джексон. Введение в экспертные системы,: Пер, с англ. - М.: Вильяме, 2001, - 624 с.

5. Гаврилова Т.А.,Хорошевский В,Ф,Базы знаний интеллектуальных систем. - СПб: Питер, 2000, - 384 с,

Д.Д.Ешенко

Структурная модель контура регулирования давления в топочной камере котла

Эффективность сгорания топлива оказывает большое влияние на общий КПД парогенератора, Количество подаваемого воздуха и отходящих газов изменяется в широких пределах в зависимости от вида, состава, влажности, теплотворной способности топлива и нагрузки котла, В связи с этим, существует необходимость регулировать дымососом разряжение в топочной камере котла.

Поток газа при сгорании топлива попадает в топку, далее через газоходы поступает во всас дымососа, который транспортирует газ в окружающую среду.

Для получения математической модели принимаем упрощающие предположения о том, что аккумулирующая емкость топки и газоходов рассматривается в одном объеме, а сопротивления по длине газоходов и поверхностей на-