Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние теории и практики технического обслуживания, контроля и диагностики токораспределительных систем воздушных судов .
1.1. Техническое обслуживание и электрифицированных систем как научно-техническая проблема 16
1.2. Состояние теории технической диагностики СЭС 23
1.3. Математические модели объектов контроля 27
1.4. Состояние теории и практики построения программ контроля технического состояния систем электроснабжения 33
1.5. Современное состояние диагностики токораспределительных сетей летательных аппаратов. Цели и задачи работы 43
Глава 2. Разработка обобщенной модели бортовой коммуникационной сети воздушных судов как объекта контроля
2.1. Классификация элементов структуры бортовой коммуникационной сети воздушного судна 45
2.2. Методы и модели представления бортовых коммуникационных систем 52
2.3. Разработка метода и алгоритмы анализа модели коммуникационной системы как объекта контроля 57
2.3.1. Модель бортовой коммуникационной распределительной сети, описываемой ориентированным графом 57
2.3.2. Модель и алгоритм анализа на базе неориентированного графа 69
2.4. Построение диагностических тестов 75
Глава 3. Разработка конечно-автоматной модели процесса контроля сложной коммуникационной системы ВС
3.1. Физическая модель неисправностей токораспределительных сетей 81
3.2. Виды дефектов 83
3.3. Синтез диагностических тестов для конечных автоматов 85
3.3.1. Конечный автомат, как модель токораспределительной системы 85
3.3.2. Поиск неисправности в токораспределительной системе 89
3.4. Эксперименты над конечными автоматами 91
3.4.1. Поиск неисправности в ТРС 91
3.4.2. Условные эксперименты 95
3.4.3. Алгоритм построения диагностического теста перебором Всех неисправных моделей токораспределительной сети 97
3.4.4. Построение условного диагностического теста при компактном задании области неисправности 98
3.4.5. Сокращение нд-автомата по множеству входо-выходных последовательностей 98
3.4.6. Метод построения диагностического теста для компактного представления области неисправности 100
3.5. Графовая модель процесса контроля работоспособности систем ОК-САК 103
3.6. Система "ОК- САК" 107
Глава 4. Разработка автоматизированной микропроцессорной системы оценки состояния токораспределительной системы ВС
4.1. ЛСА 112
4.2. Сетевая структура 114
4.3. Протоколы высокого уровня 119
4.4.1. CANopen 120
4.4.2. DeviceNet 122
4.5. Реализация системы контроля 124
4.6. Достоверность результатов контроля 138
5. Выводы о проделанной работе 142
Список использованной литературы 144
- Состояние теории и практики построения программ контроля технического состояния систем электроснабжения
- Разработка метода и алгоритмы анализа модели коммуникационной системы как объекта контроля
- Синтез диагностических тестов для конечных автоматов
- Метод построения диагностического теста для компактного представления области неисправности
Введение к работе
Безопасность полетов в гражданской и военной авиации определяется большим числом факторов, в том числе состоянием систем и оборудования воздушных судов (ВС), которые имеют высокий уровень электрификации, как следствие, существенно зависящих от систем электроснабжения (СЭС), включающих каналы первичного генерирования, вторичные и аварийные СЭС, системы распределения электрической энергии, обеспечивающие непрерывное снабжение систем бортового оборудования электроэнергией требуемого качества в течение полета.
Исключительная роль СЭС в обеспечении безопасности полетов обусловила широкое применение диагностических операций, объем которых постоянно увеличивается в связи со старением оборудования этих систем, как по трудоемкости, так и в стоимостном выражении. Одним из наиболее трудоемких видов работ является процесс контроля состояния токораспределительных систем, содержащих большое количество различных автоматов. Особую сложность представляет контроль работоспособности устройств распределения (УР) и защиты (УЗ), а также электрических связей и большого количества коммутационных устройств. В этих условиях определяющими проблемами при проведении технического обслуживания (ТО) становится, проблема повышения достоверности оценки состояния агрегатов, электрических цепей и системы в целом, а также повышение экономических показателей средств ТО, решение которой связано с созданием новых методов и средств диагностики и измерения физических параметров. При этом состояние СЭС существенно связано с состоянием отдельных подсистем и их компонент, являющихся объектами контроля.
Анализ проблемы технического обслуживания по состоянию в работе рассматривается как комплексная проблема обеспечения эффективной экс-
6 плуатации ВС, интегрирующая для решения этой проблемы такие области знаний как управление, контроль, надежность.
Управление в рамках рассматриваемой проблемы понимается как осуществление целенаправленных управляющих воздействий на управляемый объект. Контроль - как обязательная часть любого процесса управления - заключается в получении и обработке информации о состоянии управляемого объекта с целью обнаружения событий, определяющих управляющие воздействия.
Обеспечению безопасности эффективной эксплуатации авиационной техники (AT) уделяется самое серьезное внимание, как в практической деятельности ГА, так и в авиационной науке. Важных научных результатов в исследованиях, посвященных обеспечению безопасности и повышению эффективности СЭС ВС, добились Л.Г. Тотиашвили, М.Л.Галлай, А.И.Прокофьев, В.Г.Супрун, А.Д.Миронов, Р.В.Сакач, С.Л.Белогородский, В.Г.Ципенко, В.П.Усков, Н.А.Столяров, М.С.Кубланов, Б.В.Зубков, А.В.Гребенкин, И.Е.Бурдун, О.Ю.Алашеев, В.И.Егоров, В.А.Пономаренко, В.Е.Чепига и многие другие ученые.
Вопросы исследования работоспособности сложных динамических систем, в том числе с точки зрения исследования эффективности их функционирования, рассмотрены в работах Гнеденко Б.В., Глазунова Л.П., Горского Л.К., Доценко Б.И., Дружинина Г.А., Зайнашева Н.К., Коптева А.Н., Мозгалевского А.В., Проникова А.С., Савина С.К., Солодова А.В., Смирнова А.Н. и других ученых.
Вместе с тем, в настоящее время практически отсутствует глубоко проработанная система технической эксплуатации СЭС по состоянию.
Вопросы, рассматриваемые в диссертационной работе, позволяют сформулировать на основе предложенных формальных методов методику оценки состояния СЭС ВС и на основе разработанной сетевой структуры микропроцессорной автоматизированной системы контроля авионики МАСКА
осуществить их эффективную эксплуатацию. Конечной целью решения проблемы эффективной эксплуатации ВС является создание системы технического обслуживания, обеспечивающей высокой качество его функционирования как транспортного средства при наименьших затратах.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является разработка средств автоматической оценки технического состояния токораспределительных сетей (ТРС) для повышения достоверности контроля при техническом обслуживании и ремонте воздушных судов.
Для достижения поставленной цели в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:
разработка математической модели токораспределительной системы воздушного судна. Создание алгоритмов структурного анализа с целью определения разъемов для подключения подсистемы коммутации системы автоматического контроля (САК).
разработка формальной модели элементов токораспределительной системы воздушного судна для построения рационального набора тестов диагностики коммуникационной системы;
разработка алгоритмов контроля и поиска отказавшего элемента в коммуникационной системе при минимальном числе расстыковок на борту воздушного судна;
разработка алгоритмов автоматизированного анализа объектов контроля для формирования стыковочных карт "ОК-САК";
разработка структуры диагностического комплекса, коммуникационной подсистемы и локальной сети "МАСКА";
Методы исследования. В работе использованы методы, основанные на применении теории графов, теории конечных автоматов и представлении объектов контроля (прикладная диагностика).
авиакомпании "Волга-Днепр", отвечающих требованиям к технологическим процессам оценки технического состояния контролируемых систем при ТОиР. На защиту выносятся:
1. Абстрактная модель представления ОК на основе теории графов.
Методика определения точек подключения к ОК.
Модель ОК на базе конечно-автоматного представления.
Алгоритмы поиска неисправной компоненты коммуникационной сети
Методика построения контролирующих тестов для токораспределительной сети.
Структурная схема системы автоматического контроля. Практическая значимость исследований заключается в разработке и
внедрении в авиакомпании «Волга-Днепр» системного подхода к методам и средствам технического обслуживания на базе разрабатываемой универсальной Микропроцессорной автоматической системы контроля авионики (МАСКА), позволяющей в 10 раз повысить как производительность труда на контрольных операциях, так и достоверность контроля за счет исключения человеческого фактора.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, а также научные и практические результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на XII Всероссийском научно-техническом семинаре по управлению движением и навигации летательных аппаратов, Самара, 2005 г., на семинарах по теме технического обслуживания.
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 10 печатных работах.
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, приложений. Работа содержит 151 страниц текста, список литературы включает 103 наименования.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации и определяется цель исследований. Основываясь на анализе современного состояния технологии и эффективности технического обслуживания токораспределительной системы воздушных судов, формулируются задачи исследований. Излагается краткое содержание диссертации, описывается последовательность выполненных исследований и приводятся полученные результаты.
В первой главе «Обслуживание ПНК и электрифицированных систем, как научно-техническая проблема» производится анализ токораспределительной системы современных воздушных судов и существующих методов и средств контроля ее технического состояния, который показал их низкую' эффективность, при увеличивающихся показателях времени проверок и трудоемкости, а также архаичность применения существующими технических средств при современном уровне развития техники и невозможность решения ими ряда задач.
Статистика отказов системы электроснабжения, показывает, что доля отказов элементов систем распределения от общего числа отказов системы электроснабжения составляет 40-50%. При этом, на сегодняшний день, основное внимание существующего технологического процесса технического обслуживания токораспределительной сети уделяется внешнему осмотру, а контроль качества монтажа и функционирования бортовых электросборок и токораспределительной системы не производится. Большое количество неравномерных и нерегулярных проверок, выполняемых вручную человеком, приводит к значительному числу погрешностей.
Актуальной проблемой является разработка моделей, методов и средств систем контроля, решение которой связано с новыми теоретико-методическими и технологическими подходами, созданием на их основе научно-практического направления совершенствования процессов обслуживания по состоянию.
Объект исследования. Объектом исследования являются процессы оценки технического состояния токораспределительных систем воздушных судов при ТОиР.
Предметом исследования являются вопросы теории и практики построения систем контроля технического состояния токораспределительных систем воздушных судов при ТОиР.
Научная новизна диссертационной работы заключается в:
разработке абстрактной графовой модели представления объектов контроля, которая позволяет снизить размерность задачи математического описания объекта контроля;
решении задачи определения минимального числа необходимых стимуляторов и пассивных интеллектуальных заглушек и выбора точек подключения их к объекту контроля;
- моделировании работы многотактных устройств объекта контроля на базе
конечно-автоматного представления;
составлении эффективных алгоритмов контроля и поиска отказавшего элемента в объекте контроля при минимальном числе расстыковок на борту воздушного судна.
разработке структуры системы автоматического контроля, описания поведения системы САК-ОК и определении требований к ее технической реализации;
Достоверность результатов исследований. Математические модели, методы и алгоритмы, разработанные автором, основаны на реальных данных эксплуатации самолета Ан-124-100, проверены практикой и внедрены в авиакомпании "Волга-Днепр".
Все полученные результаты исследований основаны на практических работах автора по разработке и апробации отдельных подсистем системы контроля для реальных токораспределительных систем самолета Ан-124-100 в
11 С целью решения обозначенной проблемы проведен анализ состояния теории технической диагностики системы электроснабжения и различных математических методов применительно к целям построения диагностических тестов. В результате анализа выяснилось, что большинство из существующих методов моделирования, таких как:
метод тестирования с применением таблицы функций неисправностей;
метод тестирования, использующий Д-алгоритм;
метод построения дерева отказов;
диагностическая модель, использующая полюсные графы;
метод, использующий алгоритм максимально-изоморфного пересечения
графов;
метод, использующий Т-модель объекта диагностики;
система моделирования, описанная и разработанная Сешу, получившая
название Последовательный анализатор; и ряд других неэффективны, или даже труднореализуемы, при решении задач большой размерности, а распределительные коробки, электрощитки могут иметь до нескольких сотен электрических контактов для подключения внешних цепей.
Проведенный анализ проблем существующих технологий технического обслуживания и математических моделей позволил определить цели и задачи диссертационной работы.
Во второй главе «Разработка обобщенной модели для анализа бортовой коммуникационной сети воздушных судов как объекта контроля» решена проблема снижения размерности задачи анализа ОК, разбиением электрических схем электротехнического оборудования на конструктивно законченные части путем перехода от электрических схем РЭА к графам.
Вопрос формального представления элементов токораспределительной сети достигается построением графа всей токораспределительной сети и
декомпозицией её на отдельные части на основе критериев разбиения, обеспечивающих достаточную степень детализации. Т.е. при решении этой вопроса каждая вершина графа может быть развернута в новый граф, описывающий структуру и взаимосвязь элементов физического объекта токораспределительной сети, таких как: жгуты, электрощитки, распределительные коробки и т.д.
Введено понятие абстрактного графа, задающего электрический объект. Бортовая коммуникационная распределительная сеть описана ориентированным абстрактным графом, каждой вершине которого сопоставлен реальный элемент конкретного объекта, представленный узлом связей. Дуге абстрактного графа объекта сопоставлены реальные электрические связи между элементами объекта.
В связи с тем, что основную работу при проведении технического обслуживания с контролем состояния токораспределительной системы предполагается возложить на ЭВМ, рассмотрены методы описания объекта контроля на основе теоретико-графового представления.
Следующая задача - оптимизации коммутационной подсистемы решается во второй главе на примере токораспределительной сети самолета Ан-124-100 с целью получения ответа на вопрос - каково наименьшее количество активный устройств (стимуляторов) и пассивных интеллектуальных заглушек, необходимых для проверки участка сети при наименьшем числе расстыковок на борту ЛА? Решение этой задачи получено путем построения матрицы достижимостей на базе представления объекта контроля ориентированным графом. Предложен алгоритм построения матрицы достижимостей графа ОК.
Для объектов контроля, представляющих собой однотактные устройства, рассмотрен вариант, когда объект электротехнического оборудования наиболее целесообразно описать неориентированным графом. Приведен алгоритм
анализа объекта контроля и определения минимального числа интеллектуальных заглушек на базе неориентированного графа.
Предложены алгоритмы для решения задач диагностики, позволяющие определять место возникновения дефекта в рассматриваемом участке токораспределительной сети. В заключение главы сформулирована задача рационального представления объекта контроля в виде конечного автомата, позволяющая решать вопросы контроля и диагностики на базе теории эксперимента с конечными автоматами.
В третьей главе «Разработка математической модели процесса контроля сложной коммуникационной системы ВС» объект контроля рассмотрен с позиции конечно-автоматного представления для решения задач контроля многотактных устройств и их комплексов.
С целью решения этой задачи функционирование распределительных устройств описано в рамках конечно-автоматного представления, т.е. определены начальное состояние и вход/выходные алфавиты. Функция же переходов, рассматриваемых автоматов, полностью определяется технической документацией.
Построение тестов для токораспределительной сети, как дискретной системы, поведение которой описано автоматом, требует анализа автомата, как в исправном, так и в неисправном состоянии. В результате анализа статистики отказов системы электроснабжения самолета Ан-124-100, полученной в авиакомпании "Волга-Днепр" за период с 1995 по 2006 год, выяснилось, что наибольшее число отказов связано с отказами коммутационной аппаратуры, обрывами проводов вторичной распределительной сети и нарушение изоляции. Рассмотрена физическая модель возникновения указанных неисправностей.
Под неисправностью в автомате предполагаются неисправности на выходе или на переходах, т.е. превращение эталонного автомата в автомат с другими функциями переходов или выходов. Проведенный анализ характерных
дефектов токораспределительной сети позволил сформировать конечное множество - область неисправности, в один из автоматов которой, преобразуется эталонный автомат при возникновении дефекта.
Решение задачи построения тестов и поиска неисправности в токораспределительной системе базируется на основных положениях теории экспериментов над автоматами. Рассмотрен ряд алгоритмов построения диагностических тестов, а также возможность сокращения тестовых последовательностей путем применения условных тестов.
Алгоритмы поиска неисправности в токораспределительной сети предложено записывать в виде граф-схемы или матричной схемы алгоритма, что позволит эффективно реализовывать их в ЭВМ.
Предложена структурная схема построения технической системы, реализующей функции контроля и диагностики распределительной сети. Система автоматического контроля и объект контроля образуют систему из трех узлов, образующих замкнутый контур, поведение которых описано конечными автоматами - "Объект контроля - Блок формирования входных слов - Конечный распознаватель".
В четвертой главе «Теоретические основы построения систем оценки состояния токораспределительной системы ВС» решается задача построения технической системы, реализующей функции контроля и диагностики состояния с оценкой функционирования токораспределительной сети ЛА.
Составлен алгоритм работы разрабатываемой схемы контроля, который вместе с предложенной структурой диагностического комплекса и особенностями объекта контроля выдвинул ряд требований к технической реализации. Сформулированные требования определили систему автоматического контроля, как гибкую распределенную систему с «интеллектуальным управлением», объединенную в локальную сеть и
позволяющую производить подачу стимулирующих воздействий и контроль выдаваемых сигналов без съема блоков с ЛА.
Анализ существующих интерфейсов, с учетом предъявляемых требований, позволил осуществить выбор протокола для организации локальной сети. Предложено осуществлять управление и обмен информацией между управляющей ЭВМ и коммутационными устройствами по CAN-интерфейсу. Решаемым задачам по функциональным возможностям наиболее соответствуют такие протоколы верхнего уровня как — CANopen и DeviceNet.
Определен состав и функциональное назначение основных блоков разрабатываемой системы МАСКА.
В заключительной части работы представлены основные результаты и выводы, полученные в ходе диссертационных исследований.
Состояние теории и практики построения программ контроля технического состояния систем электроснабжения
Разработка теории, методов и алгоритмов диагностических тестов для сложных объектов представляет важнейшую проблему технической диагностики. Одна из возможностей сокращения затрат на проверку и ее упрощение состоит в оптимизации программ контроля. Оптимизация программ, контроля — это определение наилучшего состава отдельных проверок и наилучшей последовательности их реализации.
Ставится задача построения алгоритма диагностирования сложных систем. Проведем анализ различных математических методов применительно к целям построения диагностических тестов.
Использование для систем высокой сложности метода тестирования с применением таблицы функций неисправностей проблематично в силу большой трудоемкости построения этих таблиц.
Таблицу функций неисправностей можно определить, как прямоугольную таблицу, строки которой соответствуют отдельным проверкам, использующимся для построения программ контроля, а столбцы -неисправному и каждому из неисправных состояний объекта контроля. На пересечении і-й строки и j-ro столбца в таблице функций неисправностей указано значение ответа і-й отдельной проверки, когда объект контроля находится в j-м состоянии. По таблице функций неисправностей можно построить выражение вида П2 (логическое произведение логических сумм) как для задачи контроля работоспособности, так и для задач локализации неисправностей при разной глубине идентификации состояний объекта контроля.. Преобразование формы ПЕ к виду П дает тупиковые совокупности отдельных проверок, т.е. неизбыточные безусловные программы контроля. Из этих совокупностей можно выбрать те совокупности, которые удовлетворяют экстремуму заданной целевой функции оптимизации, например, минимальные по числу отдельных проверок.
Форму П можно трактовать как алгебраическое представление так называемой таблицы покрытий, введенной Квайном в связи с решением задач минимизации булевых функций. Преобразование формы ЕЕ в форму ЕП есть метод получение точных решений (минимальных покрытий). Известен ряд методов обработки таблицы покрытий, дающих приближенные решения (минимизированные покрытия или программа контроля).
Метод таблиц функций неисправностей является общим методом, пригодным для любых объектов и для любых неисправностей. Однако построение, обработка и хранение таблиц функций неисправностей требует значительных объемов вычислений и памяти, что делает невозможным применение метода таблиц функций неисправностей для задач большой размерности.
Существует метод тестирования, использующий Д-алгоритм, впервые предложенный в работе [8]. Это метод активизации многомерных путей, использующий математический аппарат кубических комплексов Рота. Он применим для комбинационных схем, задающихся с помощью таблиц истинности. Кроме того, при осуществлении Д-алгоритма Рота происходит построение таблиц неисправностей, что при большой сложности диагностируемой системы практически неосуществимо. Подобным недостатком обладает и метод построения дерева отказов.
Само по себе дерево отказов является удобной моделью не только для тестового, но и для функционального диагностирования. На его основе можно легко построить тестирующий автомат (например, при микропрограммной генерации тестов [10]), для которого разработано достаточное количество алгоритмов функционирования. Процедура построения дерева отказов для сложных систем достаточно трудоемка.
Другая диагностическая модель использует полюсные графы, описываемые матрицей W (матрицей характеристик компонентов любой природы). Сущность метода заключается в решении уравнения Wx = Q, где х — вектор реакций исследуемого объекта, a Q — задающие воздействия. При решении этого уравнения определяются свойства элементов и их групп, участвующих в формировании той или иной реакции объекта, что позволяет оценить систему по тому или иному критерию (например, по надежности). При этом наборы х и Q предлагается определять экспериментально, что. неприменимо для сложных систем в силу значительных затрат как на проектирование тестов, так и на время их функционирования (даже в случае, когда время тестирования не ограничено временными рамками проекта, расходуются ресурсы диагностируемого объекта).
Еще одним методом диагностирования объектов, описываемых с помощью графа, является метод, использующий алгоритм МИПГ (максимально-изоморфного пересечения графов). Использование в качестве модели системы графа облегчает ее алгоритмическую обработку. Несмотря на алгоритмическую простоту такого метода, в конечном итоге, он сводится к методу дублирования и сравнения, при котором предполагается наличие эталонной схемы, т. е. "работоспособного" графа [16,50]. Этот метод успешно применяется при автоматизации контроля в САПР БИС; в случае же, если диагностируемая система рассматривается не только с точки зрения топологии, метод малоприменим. Но даже при решении задач диагностирования БИС не удается обойтись тестированием только топологии.
В основе еще одного подхода лежит так называемая Т-модель объекта диагностики (ОД). В общем случае ОД дискретного типа со множеством входов Х={Х(}, i=l,..,n, выходов Y={yj}, j=l,...,m, множеством моделируемых неисправностей H={h/J, к=1,...,р и его Т-модель можно представить обобщенными структурами:
Разработка метода и алгоритмы анализа модели коммуникационной системы как объекта контроля
Если рассматривать элементы Pi объекта электротехнического оборудования как вершины некоторого графа G , а связи Lt: , между элементами как дуги, соединяющие вершины, то можно прийти к понятию абстрактного графа, задающего электрический объект.
Под абстрактным графом объекта М будем понимать некоторую конечную совокупность вершин, которым сопоставляются элементы (реле, контакторы, резисторы, диоды, транзисторы и другие элементы, входящие в состав объекта или же целые блоки, такие как распределительные устройства), и сопоставленную этим вершинам совокупность дуг, некоторым образом характеризующих связи между элементами объекта. Следовательно, вершинам, абстрактного графа объектов электротехнического оборудования могут быть приписаны в принципе любые качественные и количественные характеристики, а дугам - характеристики электрических проводников, благодаря чему абстрактный граф объекта может рассматриваться как наиболее общая модель любого бортового устройства электротехнического оборудования. Рассмотрим некоторые существенные для практики свойства абстрактного графа объекта. 1. Абстрактный граф объекта - ориентированный граф, что позволяет адекватно отображать конкретный объект, который включает конечное множество элементов и связей между ними. 2. Любую вершину абстрактного графа объекта можно развернуть в новый граф, являющийся частью этого графа. Это позволит детализировать модель объекта в зависимости от решаемой задачи и создавать системы моделей, отображающих структуру объекта с различной степенью полноты. 3. Каждую связную часть абстрактного графа объекта можно свернуть до вершины, что соответствует естественному стремлению использовать для конкретных задач лишь адекватную часть имеющейся информации. Это свойство так же, как и предыдущее, позволяет использовать для различных этапов исследования моделей разной абстрактности. 4. Дуги абстрактного графа объекта могут быть определены как одиночные электрические проводники или как жгуты проводников. 5. Абстрактный граф объекта можно представить в виде совокупности графов, каждый из которых отображает конкретную подструктуру объекта [26,36,40,63,67].
Дадим интерпретацию бортового электротехнического устройства М в терминах абстрактных графовых представлений. Каждой вершине абстрактного графа объекта сопоставим реальный элемент конкретного объекта, представленный узлом связей, т.е. он отражает только факт контактирования связей без отражения внутренних границ элемента. Дуге абстрактного графа объекта сопоставим реальные электрические связи между элементами объекта. При этом будем говорить о контакте связей через элементы объекта и рассматривать структуру связности объекта без детализации связей между этими элементами, т.е. связь, показанная на графе конкретного объекта может быть как отдельным электрическим проводником, так и жгутом электрических проводников. Используя общую модель объекта электротехнического оборудования летательных аппаратов, и интерпретацию ее элементов, построим математическую модель реального объекта М. Объекты электротехнического оборудования имеют сложную структуру взаимодействующих элементов. Прежде всего, необходимо найти связи элементов и осуществить переход к упрощенной структуре, отличающейся от структуры реального объекта. Упрощение структуры достигается идеализацией элементов и связей между ними. Для того, чтобы отображение в целом было адекватным, необходим синтез - обобщение всех выделенных элементарных взаимодействий элементов объекта с достаточной степенью приближения к действительности, заданной принципиальной схемой объекта.
Определим множество My состоящее из конечного числа реальных компонент, где каждая компонента соответствует либо реальному элементу Р(, либо электрической связи Lj. Связь является важным критерием связности и сложности объекта. Таким образом, элементами Р{ (i=l,2,...,n) множества М являются вершины графа Pt =(рц,..., рпі) .ще pni обозначает реальный элемент (реле, контактор, транзистор и т.д.), а связями Lj множества М являются дуги графа Lj =(1 и,.. Л „и) где lmi обозначает либо единичный электрический проводник, либо жгут проводников. Если некоторая дуга /, идет из вершины pt в вершину ру, то ей соответствует упорядоченная пара (pit pj, что интерпретируется в реальном объекте М как направление прохождения сигнала от элемента/?, к элементу pj.
Используем в качестве примера участок токораспределительной сети 208/115В 400 Гц (от источников до потребителей) на примере самолета АН-124 и проведем его анализ. На основании принципиальных схем токораспределительной системы Ан-124, руководствуясь вышеизложенными принципами, был составлен обобщенный граф G (рис. 4). Для наибольшей адекватности рассматриваемой модели реальному объекту учтены как цепи токораспределительной сети 208/115В 400 Гц, так и сети постоянного тока 27В, необходимой для запитки реле и распределительных устройств.
На следующем этапе необходимо проанализировать полученный граф для решения задачи определения мест установки активных и пассивных устройств коммутации для обеспечения возможности проверки всех цепей, а также выбор оптимального алгоритма диагностирования. С этой целью удобно построить матрицу достижимостей графа G и определить тот минимум узлов, которые обеспечат решение поставленной задачи. При этом необходимо сделать некоторые замечания: а) Не осуществляется проверка цепей от генераторов до ЦРУ и от шин питания потребителей до самих потребителей. Таким образом, пути от узлов обозначенных пунктиром до РУ обозначают входные цепи самих распределительных устройств и, соответственно, обнаружение дефекта на этих линиях будет свидетельствовать о неисправности в самих РУ. Аналогично рассматриваются все узлы потребителей и их цепи питания.
Синтез диагностических тестов для конечных автоматов
В большинстве практических случаев поиск неисправности требует выполнения целого комплекса операций и больших затрат времени. При этом необходимо установить определенную последовательность выполнения логических и измерительных операций, которая обеспечивала бы локализацию неисправности, т. е. установление, в каком именно из множества состояний находится объект, в кратчайшие сроки. Принцип диагностирования, основанный на построении матрицы достижимостей, рассмотренный в предыдущей главе, удобен для диагностирования некоторого участка сети -проверки функционирования многотактных устройств и состояния жгутовых соединений, но не позволяет определить оптимальный алгоритм поиска места возникновения отказа.
Алгоритм представляет собой совокупность преобразований и логических условий, действующих в определенном порядке. Алгоритмы поиска неисправности в объекте отличаются принципами, положенными в основу определения последовательности выполнения проверок.
Для примера, изображенного на рис. 2.5, участок распределительной сети, рассмотренный в примере второй главы представлен "черным ящиком", т.е конечным автоматом изменяющим свое внутреннее состояние (перераспределение электроэнергии между потребителями в зависимости от комбинации работающих источников) [61,62,88]. Сигналы от имитируемых источников напряжения будут являться входным алфавитом, а напряжения, выдаваемые потребителям - выходным алфавитом. Начальным состоянием является положение реле распределительных устройств при отсутствии напряжения от всех источников (рис. 3.3).
Конечным автоматом, моделирующим токораспределительную сеть, будем называть пятёрку A=(SyX,Y,T,so), где -непустое конечное множество состояний с выделенным начальным состоянием SQ, X - непустое множество входных символов, называемое входным алфавитом, Y - непустое множество выходных символов, называемое выходным алфавитом, связанное с выходом токораспределительной сети, TczXxSxSxY -отношение поведения. Будем далее рассматривать только полностью определенные автоматы, т.е. для каждой пары (x,s)eXxS существует, по крайней мере, одна пара (у, s ) е YxS такая, что {х,8У,у)єТ [21,66].
Поскольку автомат используем для описания поведения токораспределительной сети, которая преобразует последовательности в одном (входном) алфавите X в последовательности в другом (выходном) алфавите Y. Входо-выходной последовательностью автомата A={S X,Y,T,SQ) назовём конечную последовательность {х\,у\), ..., (х/с,ук), такую, что существуют состояния si, ...,SkCo свойством (xi, Sj.\, sityb)sT, для всех /=0 ,..., к
При чтении очередного входного символа состояние автомата меняется, причем новое его состояние зависит только от входного символа и текущего состояния. Такое изменение состояния называется переходом. Может оказаться, что новое состояние совпадает со старым.
Работу автомата можно описать математически с помощью функции 8, называемой функцией переходов. По текущему состоянию sTeK и текущему входному символу х она дает новое состояние автомата sH0B- Символически эта зависимость описывается так:
Для каждого конечного автомата существует бесконечное число других конечных автоматов, которые распознают то же множество цепочек. Для каждой задачи распознавания существует единственный автомат, свойства которого полностью соответствуют нашим представлениям об автомате, «имеющем простейшее определение» и «требующем минимальных затрат памяти при реализации». Минимальный автомат для заданной проблемы распознавания является результатом приведения (или редукции) более громоздких автоматов, решающих ту же задачу.
Автомат A={S,X,Y,T,so) является детерминированным, если для любой пары (x,s) eXxS существует не более одной пары (y,s ) eYxS такой, что {x,s,s ,y)eT. В детерминированном автомате A={SJC,Y,T,s0) обычно используют две функции вместо отношения переходов: функцию переходов 8\ SxX- S, и функцию выходов Я: SxX- Y.
Функция выходов автомата естественным образом расширяется на входные последовательности: A(SyX\,... ) =у\,...уь если существуют состояния = 2,..., +1 такие, что A(SjjCj)=Oj и 8(SjyXJ)=Sj+\ для всеху-1,...,&.
Если рассматривать конечный автомат с общих позиций, число возможных входных историй бесконечно (счетно), даже если различных элементов входной информации у автомата конечное число (как в конечном функциональном преобразователе). На один и тот же входной сигнал конечный автомат может реагировать по-разному, в зависимости от того, в каком состоянии он находится в данный момент. В рассматриваемом примере это означает, что при подаче напряжения от одного из генераторов РУ сработают по-разному, в зависимости о того какие генераторы уже были подключены к сети.
Текущее состояние автомата представляет все то, что автомат знает о прошлом с точки зрения его будущего поведения — реакций на последующие входы. Эта история в концентрированном виде определена текущим состоянием, и все будущее поведение автомата, как реакция его на последующие входные сигналы, определено именно текущим состоянием, но не тем, как автомат пришел в него.
Внутреннее состояние автомата также меняется. Моменты срабатывания (такты) определяются либо принудительно тактирующими синхросигналами, либо асинхронно, наступлением внешнего события — прихода сигнала от имитируемого генератора.
Метод построения диагностического теста для компактного представления области неисправности
Пусть дан автомат А0, описывающий поведение эталонной системы, проверяющий тест ПТ, проверяемый автомат В из области неисправности; реакции проверяемого автомата на ПТ и недетерминированный автомат, множество детерминированных автоматов которого есть область неисправности
Алгоритм 3. построения диагностического теста: Вход: Эталонный автомат А0, нд-автомат А, множество детерминированных подавтоматов которого есть область неисправности, проверяемый автомат В, который является подавтоматом автомата Л. Выход: Идентификатор автомата В.
Шаг 1. Строим проверяющий тест ПТ для эталонного автомата Аб относительно множества детерминированных подавтоматов автомата А. Определяем множество реакций проверяемого автомата на последовательности из ПТ. Если реакции совпадают с эталонными, то проверяемый автомат эквивалентен эталонному, т.е. является исправным. В противном случае обозначаем через V полученное множество входо-выходных последовательностей.
Шаг 2. Сокращаем нд-автомат по алгоритму 2. Если после сокращения получили детерминированный автомат, то данный автомат и есть проверяемый автомат, по которому и определяем неисправные переходы. В противном случае, принимаем А: = Ап где - Аг автомат, полученный после применения алгоритма 2.
Шаг 3. Выписываем все детерминированные подавтоматы полученного нд-автомата и строим ДТ перебором оставшихся автоматов (алгоритм 1). Алгоритм заканчивает работу, когда в оставшейся области останутся только попарно эквивалентные автоматы.
Для примера, на рис. 3.3 входные последовательности должны обеспечивать проверку входных цепей всех распределительных устройств, к которым производится подключение, а также обеспечить коммутацию всех реле. В этой связи, можно сократить входные последовательности от всех возможных комбинаций работающих генераторов, до количества, удовлетворяющего указанному выше условию. Построение условных тестов мало оправдано, поскольку для отыскания возможной неисправности достаточно одного контролирующего безусловного теста, который приостановится, как только дефект будет локализован. При этом анализ выходных последовательностей, сразу позволяет определить - какому автомату из заданного класса неисправностей соответствует данный автомат.
Все возможные автоматы из рассматриваемого класса неисправностей, т.е. места возникновения дефекта, можно найти путем анализа рассматриваемого графа, а точнее матрицы достижимостей, поскольку конкретный дефект (обрыв, перепутывание или ложная перемычка) определяется из анализа слова, пришедшего на вход каждого потребителя.
Для всех узлов, входящих в рассматриваемый конечный автомат определим полустепени исхода (ПИ) и захода (ПЗ). Возможны 4 случая: 1. ПЗ = 1, ПИ = 1, этот случай соответствует жгуту проводников, например левая и правая шины САУ. Обнаружение дефекта на выходе такого узла означает что дефект возник непосредственно в жгуте. 2. ПЗ = 1, ПИ = п, такой узел соответствует распределительному устройству, например РУ208/115В 400Гц. Возможны два варианта а) проявление дефекта, только у одного из потребителей соответствует о наиболее вероятном месте его возникновения в соответствующем жгуте, б) при проявлении дефекта сразу у всех потребителей необходимо рассмотреть входящий путь - если питание других потребителей от узла с номером т-1 нормально - дефект распределительного устройства (или его входной цепи). 3. ПЗ = п, ПИ = 1, примером может послужить РУ погрузочных устройств. Необходимо подать питание от каждого из узлов, являющихся источниками для данного РУ. а) Если дефект проявляется при подаче напряжения от любого источник - причина в РУ или выходном жгуте, б) если дефект проявился при подаче напряжения только одного из источников - дефект в соответствующем входном жгуте (при условии что питание других потребителей от узла с номером т-1 осуществляется нормально) 4. ПЗ = п, ПИ = п, такой узел также будет соответствовать распределительному устройству, например ЦРУ и РУвсу 208/115В. Этот случай является комбинацией двух предыдущих, а соответственно и логика выявления дефекта будет аналогична. При этом напряжения подаются последовательно от каждого из входящих узлов, а РУ рассматривается как в пункте 2.
