Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ПРОБЛЕМЕ ДИАГНОСТИРОВ А-
НИЯ НЕПРЕРЫВНЫХ САУ И КОНКРЕТИЗАЦИЯ ЗАДАЧ
ИССЛЕДОВАНИЯ 16
1.1. Анализ существующих методов диагностирования
непрерывных САУ 16
-
Методы диагностирования САУ, основанные на использовании функциональных и логических диагностических моделей ОД 16
-
Методы диагностирования САУ, основанные на использовании аналитических диагностических моделей ОД 19
-
Особенности САУ как объектов диагностирования 24
-
Анализ применимости методов теории чувствительности для диагностирования САУ 27
-
Конкретизация цели и задач исследования 37
2. АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ СТРУКТУРНО-
ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ САУ 41
-
Анализ возможностей использования частотных характеристик для оценки технического состояния САУ 41
-
Требования к диагностической модели и общие принципы ее построения 46
-
Исходные предпосылки и основные допущения 46
-
Общие принципы построения ДМ 48
2.3. Анализ топологии объекта диагностирования 53
-
Алгоритм поиска путей в орграфе ОД 54
-
Алгоритм поиска контуров орграфа ОД 57
2.3.3 Определение касания контуров и путей в ДМ ОД 58
-
Определение множества контролируемых параметров 59
-
Формализация вычисления функций чувствительности частотных характеристик с использованием информации о топологии ОД 65
-
Требования к алгоритмам вычисления функций чувствительности частотных характеристик САУ с учетом специфики процессов поиска дефектов 65
-
Формализация вычисления функций чувствительности амплитудных частотных характеристик ОД при ограничениях на топологию ОД 69
-
Формализация вычисления функций чувствительности
частотных характеристик без ограничений на топологию ОД 73
Выводы .79
СТРУКТУРНО-ТОПОЛОГИЧЕСКИЙ МЕТОД АНАЛИЗА
КОНТРОЛЕПРИГОДНОСТИ САУ ПРИ ДИАГНОСТИРОВАНИИ В
ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ 81
-
Общие положения и постановка задачи 81
-
Контролепригодность объекта при поиске кратных параметрических дефектов по частотным характеристикам 82
-
Контролепригодность объекта при поиске одиночных параметрических дефектов по частотным характеристикам 96
-
Контролепригодность объекта при поиске одиночных структурных дефектов по частотным характеристикам 107
-
Контролепригодность объекта при поиске кратных
структурных дефектов по частотным характеристикам 125
Выводы 129
ПОСТРОЕНИЕ И АНАЛИЗ СТРУКТУРНО-МАТРИЧНЫХ
ДИАГНОСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ САУ 131
-
Структурно-матричная диагностическая модель 131
-
Векторная интерпретация диагностических признаков одиночных дефектов 137
-
Диагностический признак одиночного параметрического дефекта 137
-
Диагностический признак одиночного структурного дефекта 139
-
Условный алгоритм поиска одиночных структурных дефектов по частотным характеристикам 142
-
Нормированные диагностические признаки одиночных дефектов 150
-
Количественные характеристики различимости одиночных дефектов 156
-
Параметрические дефекты 158
-
Структурные дефекты 161
-
Диагностические признаки и количественные характеристики различимости одиночного топологического дефекта 163
-
Априорные и апостериорные характеристики различимости
одиночных дефектов 166
Выводы 172
СТРУКТУРНЫЕ МЕТОДЫ ПОИСКА ДЕФЕКТОВ ВО
ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ 174
5.1. Метод поиска одиночных структурных дефектов по
временным характеристикам 174
5.2. Метод и алгоритм поиска одиночных дефектов по временным
характеристикам с использованием преобразований Лапласа 198
-
Основные положения метода 198
-
Построение диагностической модели чувствительности ....210
-
Применение метода преобразований Лапласа при рабочем диагностировании 215
-
Количественные характеристики различимости одиночных структурных дефектов 217
-
Контроль динамического элемента в составе системы управления 218
-
Диагностические признаки и количественные характеристики различимости одиночных параметрических и топологических дефектов 225
-
Диагностирование с использованием модели чувствительности в области оригиналов 226
-
Диагностирование с использованием модели чувствительности
в области оценок изображений 229
Выводы 232
ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ .... 234
6.1. Программная реализация алгоритмов диагностирования ... 234
-
Возможности программного комплекса 234
-
Структура программного комплекса 236
-
Формирование входных т
6.2. Экспериментальные исследования алгоритмов
диагностирования 243
-
Результаты исследования алгоритмов диагностирования в частотной области 243
-
Результаты исследования алгоритмов диагностирования во
временной области 270
Выводы 287
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 290
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 293
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 314
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 317
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 322
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 336
Введение к работе
Актуальность проблемы. Интенсивное внедрение разнообразных технических систем, в частности систем автоматического управления, во все сферы жизни и деятельности человека характеризуется рядом особенностей, в числе которых - повышение ответственности выполняемых системой функций и рост цены ее отказа. Это обуславливает необходимость обеспечения таких качественных показателей функционирования систем управления, как надежность, безопасность, отказоустойчивость. В этой связи возрастает роль средств контроля и диагностирования систем управления.
Важное место в общей проблеме разработки высокоэффективных методов, алгоритмов и средств диагностирования непрерывных систем управления занимают задачи разработки методов поиска дефектов и построения и анализа диагностических моделей. Перспективным направлением здесь является использование структурных методов, которые делают акцент на структурных особенностях, общих для различных видов объектов диагностирования (ОД). Для адекватного описания проявления некоторых дефектов часто требуется изменять структуру динамической модели одного или нескольких блоков ОД, что может приводить к ошибкам диагностирования при решении задачи классификации технического состояния по диагностическим признакам в виде параметров модели неизменной структуры. Для устранения этого источника ошибок целесообразно исключить этап параметрической классификации из процесса определения технического состояния и строить диагностические признаки по блочному (структурному) принципу. В этом случае техническому состоянию каждого блока ОД ставится в соответствие величина одного диагностического признака и этап классификации технических состояний в параметрическом пространстве фиксированной размерности заменяется процедурой анализа значений диагностических признаков блоков. При этом становится возможным диагностирование в условиях изменения структуры моделей блоков (и размерности параметрического пространства). Структурный подход позволяет формализовать процессы построения диагностических моделей линейных и нелинейных ОД и их анализа с целью определения различимости возможных в системе дефектов, назначения необходимого количества и расположения контрольных точек для обеспечения требуемого уровня контролепригодности. Анализ состояния вопроса по данной проблеме показывает, что перечисленные выше задачи решаются раздельно для временной и частотной областей анализа, для линейных и нелинейных ОД.
Цель работы состоит в решении научной проблемы разработки структурных методов и алгоритмов построения и анализа диагностических моделей и поиска дефектов непрерывных систем управления во временной и частотной областях.
Методы исследований. В диссертации использованы методы высшей и линейной алгебры, теории графов, методы теории управления, системного анализа и чувствительности систем управления. Проверка и исследование характеристик алгоритмов диагностирования осуществлялась путем их машинного моделирования.
Научная новизна результатов исследования состоит в следующем.
1. Разработана формализованная процедура построения и анализа диагностической модели САУ при диагностировании во временной и частотной областях, основанная на структурных методах теории чувствительности, позволяющая производить анализ различимости и поиск одиночных и кратных структурных и параметрических дефектов.
Разработаны и исследованы методы поиска одиночных дефектов с глубиной до структурной единицы во временной и частотной областях, учитывающие специфику влияния конкретных конструктивных дефектов на изменение динамических характеристик объекта диагностирования. Показана применимость метода поиска дефектов по временным характеристикам для диагностирования нелинейных систем. Диагностические признаки одиночных структурных дефектов являются безразмерными нормированными величинами, лежащими в диапазоне [О, 1], что позволяет производить сравнительный анализ условий и результатов диагностирования различных объектов. Алгоритм поиска одиночных структурных дефектов позволяет при той же результирующей глубине поиска дефектов понизить размерность решаемой задачи до числа контролируемых динамических элементов.
Разработан структурно-топологический метод анализа контролепригодности непрерывных САУ, основанный на использовании структурных методов теории чувствительности. Метод позволяет определять наличие эквивалентных дефектов, назначать контрольные точки для достижения заданной глубины поиска дефектов. Введено понятие допустимого на множестве контрольных точек преобразования диагностической модели, которое позволяет проводить анализ контролепригодности объекта и выбор контрольных точек при поиске кратных параметрических дефектов, используя правила эквивалентных преобразований структурных схем.
Предложены количественные характеристики различимости пары одиночных параметрических, структурных и топологических дефектов при диагностировании во временной или частотной области.
Применение нормированных характеристик различимости, принимающих значения в диапазоне [0, 1], позволяет интерпретировать степень различимости дефектов в терминах полной различимости, частичной различимости или полной эквивалентности. Введено понятие априорной различимости дефектов, позволяющее проводить предварительный анализ диагностической модели.
Выявлены условия эквивалентности одиночных дефектов при поиске их по частотным или временным характеристикам и разработана методика назначения контрольных точек для устранения классов эквивалентных дефектов.
Разработан и исследован адаптивный алгоритм поиска одиночных дефектов, позволяющий повысить достоверность диагностирования в условиях наличия погрешностей измерения динамических характеристик и неадекватности диагностической модели. В адаптивном алгоритме диагностирования реализована адаптация по величине нормы отклонения динамических характеристик и по уровню различимости дефектов.
Разработан структурно-матричный метод построения и анализа диагностической модели САУ, позволяющий формализовать получение структурной модели чувствительности и осуществить ее упрощение для целей диагностирования.
Сформулированы принципы построения диагностической модели чувствительности для поиска одиночных структурных дефектов с использованием интегральных преобразований сигналов объекта, позволяющие упростить полную модель чувствительности. Диагностическая модель чувствительности является эквивалентной в отношении величин диагностических признаков структурных дефектов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием положений, доказанных методами высшей и линейной алгебры, теории управления и системного анализа, теории графов, теории чувствительности, а также результатами вычислительных экспериментов с помощью разработанных программных средств.
Практическая ценность и внедрение результатов работы.
Разработанные алгоритмы поиска одиночных структурных дефектов позволяют при сохранении результирующей глубины поиска дефектов понизить размерность решаемой задачи до числа контролируемых динамических элементов и используют нормированные диагностические признаки, позволяющие производить сравнительный анализ условий и результатов диагностирования объектов. Адаптивный алгоритм поиска одиночных дефектов позволяет повысить достоверность диагностирования в условиях наличия погрешностей динамических характеристик и неадекватности диагностической модели.
В работе разработана формализованная процедура построения и анализа диагностической модели САУ, основанная на структурно-топологическом и структурно-матричном описаниях. Методика автоматизированного формирования диагностической модели легла в основу разработанного программного обеспечения, предназначенного для построения и исследования свойств диагностических моделей линейных и нелинейных непрерывных систем управления. Достоверность теоретических положений диссертации, методов расчета, эффективность алгоритмов расчета и качество разработанного программного обеспечения подтверждены результатами их длительного практического использования на промышленных предприятиях, в учебном процессе и научных исследованиях ряда вузов.
3. Предложенные количественные характеристики различимости одиночных параметрических, структурных, топологических дефектов и введенное понятие их априорной различимости позволяет проводить предварительный анализ контролепригодности объекта, определять условия диагностирования, обеспечивающие необходимую глубину поиска дефектов и достоверность диагностирования.
Проводимые исследования включались в основные направления научно-исследовательских работ Хабаровского государственного технического университета в 1983 - 2000 годах.
Прикладным результатом диссертационной работы явилось создание алгоритмического и программного обеспечения для отладки диагностического обеспечения непрерывных систем управления.
Практическая ценность полученных результатов подтверждается их использованием при решении ряда практических задач, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора: результаты госбюджетной НИР "Разработка и исследование машинных методов контроля и диагностирования непрерывных систем автоматического управления в динамических режимах"(№ гос. per. 0198.0004129) внедрены в ОАО энергетики и электрификации "Хабаровскэнерго" путем использования разработанных программных средств для оптимизации процессов контроля и диагностирования автоматизированных систем управления и контроля потребления электроэнергии; в ОАО "Хабаровский нефтеперерабатывающий завод" для настройки, контроля и диагностирования автоматизированных систем управления технологическим процессом на установках ПВ-1 (прямотрубная печь для подогрева нефтепродуктов), АГФУ (установка по производству бытового газа).
Новизна и значимость технических решений подтверждается патентами и публикациями в научных изданиях.
Отдельные результаты исследований используются в учебном процессе Хабаровского государственного технического университета и Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета в дисциплинах "Теория управления" и "Моделирование систем управления", в курсовом и дипломном проектировании специальности 210100 "Управление и информатика в технических системах".
На защиту выносятся:
Метод и алгоритмы поиска одиночных структурных дефектов непрерывных САУ, основанный на использовании чувствительности частотных характеристик объекта к изменению частотных характеристик отдельных структурных единиц.
Метод и алгоритм поиска одиночных структурных дефектов непрерывных САУ, основанный на использовании структурных функций чувствительности выходных сигналов объекта диагностирования.
Адаптивный алгоритм поиска одиночных структурных дефектов с адалтацией по величине нормы отклонения динамических характеристик и уровню различимости дефектов.
Метод поиска одиночных дефектов непрерывных САУ, заключающийся в применении интегральных преобразований выходных сигналов объекта диагностирования и сигналов модели структурной чувствительности.
Алгоритмы поиска одиночных структурных и параметрических дефектов на основе интегральных преобразований выходных сигналов объекта диагностирования и сигналов модели структурной чувствительности.
Структурно-топологический метод анализа контролепригодности непрерывных САУ при поиске одиночных и кратных дефектов по частотным характеристикам.
Структурно-матричный метод построения и анализа диагностической модели непрерывных САУ.
Необходимые и достаточные условия различимости одиночных и кратных структурных, параметрических и топологических дефектов и количественных характеристики различимости одиночных дефектов при диагностировании во временной и частотной областях.
Принципы построения диагностической модели чувствительности для поиска одиночных структурных дефектов.
Формализованная процедура построения и анализа диагностической модели САУ при диагностировании по частотным характеристикам.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены и обсуждены на следующих конференциях, совещаниях и симпозиумах: научно-техническая конференция "Техническая диагностика станков и машин" (Хабаровск, 1982), IX Всесоюзное совещание по проблемам управления (Ереван, 1983), 3-я дальневосточная научно- техническая конференция "Проблемы развития и совершенствования методов проектирования, производства и эксплуатации радиоэлектронных приборов" (Владивосток, 1984), научно-техническая конференция "Опыт применения автоматических станочных систем" (Хабаровск, 1988), 3-й российско-китайский симпозиум "Современные проблемы научно- технического прогресса дальневосточного региона" (Хабаровск, 1993), IV Дальневосточная научно-практическая конференция "Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов промышленных предприятий" (Комсомольск-на-Амуре, 1995), межвузовская научно-методическая конференция "Наука и учебный процесс" (Владивосток, 1996), IV международная конференция "Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов ИКАП - 97" (Барнаул, 1997), 5-й российско-китайский симпозиум "Проблемы научно-технического прогресса в дальневосточном регионе" (Хабаровск, 1997), региональная научно-техническая конференция "Научное и научно-техническое обеспечение экономического и социального развития дальневосточного региона" (Хабаровск, 1998), международная научно-практическая конференция "Информационные технологии на железнодорожном транспорте" (Хабаровск, 1998), 6-й международный симпозиум "Актуальные проблемы научно-технического прогресса в дальневосточном регионе" (Харбин, 2000), международная научная конференция "Математические методы в технике и технологиях" (Санкт-Петербург, 2000).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 53 печатных работы, в том числе монография и два учебных пособия.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы и приложений. Она изложена на 355 стр. машинописного текста (основное содержание составляет 292 стр.), включая 81 рисунок, список литературы из 188 наименований и приложения на 42 стр.
