Введение к работе
Актуальность. Диагностирование технических объектов и систем необходимо для обеспечения требуемого уровня их эксплуатационных характеристик и, как следствие, для улучивши их экономических показателей (например, снижения затрат на обеспечение требуемого качества технологического процесса, бесперебойной работы механизмов и систем и т.п.). Именно экономическая составляющая определяет возможность и эффективность внедрения тех или иных диагностических методов в производство. Последние десятилетия характеризуются бурным развитием различных направлений диагностики технических устройств и систем, каждое из таких направлений ориентировано на определенный класс объектов с использованием соответствующих приемов и методов решения диагностических задач.
Возможность применения математических методов при ре-тении диагностических задач определяется характером используемой диагностической модели проверяемого устройства или системы, которая отражает доступный уровень детализации в описании диагностического объекта. Чем "богаче" математическая модель объекта, тем более тонкие вопросы диагностирования доступім для рассмотрения, однако пх раз-репение кокет потребовать существенно больших затрат. Если упорядочить методы диагностирования по необходимой степени детализации математической модели объекта, то предчетом последующего рассмотрения' будет верхний уровень в такой иерархии - аналитические методы диагностирования, требующие задания математической модели объекта в виде совокупности дифференциальных или конечно-разностных уравнений. Класс технических объектов я систем, допускающих математические модели такого вида довольно представительный, он содержит Есевозмодные.системы управления (СУ), различные исполнительные устройства, электронные схемы и т.п. Методы диагностирования подобных объектов разрабатывается ука несколько десятилетий и описаны в многочисленных статьях, обзорах и книгах. Большой зклад в развитие аналитических методов диагностирования внесли как советские уче-
ные (М.Б.Игнатьев, Л.А.Мироновский, А.В.Латышев, А.Н.Жира-бок и др.), так и зарубежные (Р.Кларк, П.Франк, Д.Хим-мельблау, А.Виллеки и др.).
Несмотря на долгую предысторию развития аналитических методов диагностирования динамических систем (ДС) некоторые диагностические задачи не потеряли актуальности и настоятельно требуют своего решения. Одной из таких задач является поиск неисправностей в ДС в условиях, когда имеются ограничения на число точек съема информации о поведении ДС, а сама ДС обладает сложной структурой, причем характер информационных процессов в ДС усложнен наличием неустранимых нелинейных эффектов. Подобная ситуация характерна практически для любой современной СУ.
Для решения такого типа задач в диссертации предложен оригинальный подход с использованием процедур прямого и обратного пересчета внешних наблюдаемых сигналов проверяемого устройства и показано, в каких случаях этот подход является более предпочтительным по сравнению с известными методами диагностирования. Разработка и реализация данного подхода и составляет круг исследований, представленных в настоящей диссертации, об актуальности которых говорят сделанные выше замечания.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с координационным планом научных исследований АН СССР по комплексной проблеме "Кибернетика" на 1985-1990 г.г. по темам "Разработка принципов, методов и алгоритмов управления перспективными летательными аппаратами и технических средств их реализации" (№ гос.регистрации 01.8.90 088647) и "Разработка и исследование методов, принципов и а~?орит-ыов построения адаптивных, робастных систем управления для перспективных летательных аппаратов" (№ гос.регистрации 01.8.90 088667), а также по плану научных работ Института проблем управления РАН по темам: 501-91 "Компоненты САПР интеллектуальных систем управления", 327-91 "Разработка и исследование методов робастного диагностирования сложных динамических систем", 380-92 "Разработка основ теории и методологии диагностического обеспечения для современных систем управления".
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ, методологии и алгоритмов диагностирования сложных структурированных ДС по накопленной информации, полученные результаты должны быть использованы при создании диагностического обеспечения для таких систем.
Методы исследования. В диссертации использовались методы линейной алгебры, теории управления, системного анализа. Отладка процедур диагностирования осуществлялась путем их машинного моделирования.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
разработанный в диссертации подход к диагностированию дискретных ДС по накопленной информации эффективен при диагностировании сложных ДС, заданных структурными схемами с нелинейными, нестационарными и логическими элементами;
введенное в диссертации циклическое представление дискретных линейных систем, получаемое из исходного описания ДС заменой оператора сдвига матрицей циклического сдвига на конечном интервале наблюдения позволяет предложить новые процедуры деконволюцин в стационарных и нестационарных системах и системах с неопределенностью, отличающиеся от аналогичных процедур деконволюции в рамках калыановского или винерозского подходов;
задачи контроля и диагностирования ДС по накопленной и прореженной информации допускают, решение с использованием сукм значений сигналов, накапливаемых на интервало проверки ДС.
Обоснованность и достоверность научных положений, еы-водов и рекомендаций подтверждается:
использованием утверждений, строго доказанных иетодяки линейной алгебры, теории управления и системного анализа;
многочисленными модельными экспериментами на ЦШ;
результатами стендовых испытаний.
Научная новизна результатов исследований состоит в следующем: I. Разработанный в диссертации подход к диагностированию
ДС базируется на использовании процедур прямого и обратного пересчета внешних наблюдаемых сигналов проверяемой ДС к внутренним точкам ее структурной схемы. Такой пересчет делает возможным диагностирование по накопленной информации сложных ДС с нелинейными, нестационарными и логическими элементами и позволяет достигать глубины диагностирования большей, нежели в известных методах диагностирования ДС. ..
2. При решении задачи контроля ДС в рамках этого подхода
не требуется знание "эталонного" поведения исгтоавной
дс.
-
Разработанные на базе циклического представления процедуры обратного пересчета сигналов (деконволюции) не требуют введения обратного времени и отличаются вычислительной простотой.
-
Циклическое представление ДС дало возможность предложить весьма простые достаточные условия робастной устойчивости многомерных стационарных ДС с неопределенностью, процедуру контроля таких систем, а такие процедуру уменьшения исходной неопределенности ДС по ее вход-выходным реализациям.
-
В терминах сумм значений сигналов, накапливаемых на интервале проверки ДС, сформулирована и решена задача контроля и диагностирования ДС по прореженной информации о ее поведении.
Таким образом, в работе заложены основы теории и методологии диагностирования сложных структурированных ДС по накопленной (и прореженной) информации в режиме их нормального функционирования.
Практическая ценность. Результаты диссертационной работы позволяют научно обоснованно решать такие важные в практическом плане задачи как диагностирование различных СУ (в частности, для бортовых СУ предложенные в диссертационной работе процедуры позволяют проводить диагностирование "на борту" с использованием текущей потактной информации и "на земле" с использованием телеметрической (прореженной) информации), а также всевозможных динамических
объектов с учетом реально существующих в них нелинейностей. Предложенные в диссертационной работе процедуры восстановления входных сигналов (особенно для нестационарных систем с неопределенностью) могут найти широкое применение при решении задач обратной фильтрации в различных областях (геология, медицина и т.д.).
Реализация результатов работы. Прикладным результатом диссертационной работы явилось создание алгоритмического и программного обеспечения для диагностирования дискретных ДС. Практическую проверку разработанное диагностическое обеспечение прошло в рамках совместных работ по диагностированию систем управления летательных аппаратов и систем управления технологическими процессами. Результаты диссертационной работы были использованы в Летно-испытательном институте (г.Москва) при контроле алгоритмов посадки воздушно-космического самолета "Буран", в межрегиональном ВЦ при Саратовском государственном университете им.Н.Г.Чернышевского, в Саратовском филиале Института машиноведения им.А.Благонравова, в ВВИА им.Н.Е.Жуковского, о чем говорят соответствующие акты о внедрении.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на международных и всесоюзных симпозиумах, конференциях и семинарах. Среди них: 11-й конгресс JSAK (Таллинн, 1990), 3-й, 5-й и 7-й симпозиумы ИМЕКО (Москва, 1983; Йена, 1986; Хельсинки, 1990), международные конференции "Моделирование систем-83" (Прага, 1983), "Системы, нечувствительные к отказам и диагностика" (Прага, 1986), "Техническая диагностика-89" (Прага, 1989), 8-е, 10-е и 11-е Всесоюзные совещания по проблемам управления (Таллинн, I960; Алма-Ата, 1986; Ташкент, 1989), 5-е, 6-е и 7-е Всесоюзные совещания по технической диагностике (Суздаль, 1982; Ростов-на-Дону, 1987; Саратов, 1990), 5-е Всесоюзное совещание по управлению многосвязными системами (Тбилиси, 1984), X симпозиум по проблеме избыточности з информационных системах (Ленинград, 1989), а также выступления на 1-й и 2-й Всесоюзных школах семинарах "Техническая диагностика динамических систем" (Рыбачье, 1990; Севастополь, 1991).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 30 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 227 стр., в том числе: 178 стр. машинописного текста, 36 рис., 17 таблиц, а также.список ли-тературн, включающий 105 наименований.
