МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Санкт-Петербургский
Государственный университет аэрокосмического приборостроения
Ю.П. Иванов, В.Г. Никитин, В.Ю. Чернов
КОНТРОЛЬ И ДИАГНОСТИКА
ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
КОМПЛЕКСОВ
Учебное пособие
Санкт- Петербург
2002
УДК 529.735.083
ББК
И
Иванов Ю.П., Никитин В.Г., Чернов В.Ю.
И Контроль и диагностика измерительно-вычислительных комплексов: Учеб. пособие /СПбГУАП. СПб., 2002. 120 с. ISBN
Изложены основные понятия, задачи, методы и способы контроля и диагностики технического состояния измерительно- вычислительных комплексов (ИВК) летательных аппаратов. Описаны обобщенная структура и основные характеристики систем контроля, основные показатели достоверности контроля и ее составляющие, а также выбор допусков на параметры контроля и методы принятия решений в процессе контроля. Рассмотрены методы, аппаратные и программные средства контроля цифровых ИВК с помощью систем встроенного контроля и диагностики.
Предназначено для студентов специальности 190300 «Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы», изучающих дисциплину «Контроль и диагностика измерительно-вычислительных комплексов», а также аналогичных курсов специальности 131000 «Техническая эксплуатация авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов» и магистров по направлению 5515 «Приборостроение».
Резензенты:
Кафедра процессов управления Балтийского государственного университета;
кандидат технических наук доцент С.Г. Кучерков
Утверждено
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
ã Санкт-Петербургский
государственный университет
аэрокосмического приборостроения,
2002
ã Ю.П. Иванов, В.Г. Никитин,
В.Ю. Чернов, 2002
Введение
Эффективность использования летательных аппаратов (ЛА) определяется главным образом безопасностью полётов, их регулярностью, себестоимостью перевозок, вероятностью выполнения поставленных целей. Указанные свойства ЛА во многом зависят от таких факторов, как надёжность и правильность их эксплуатации. В свою очередь, надёжность техники в процессе эксплуатации, регулярность полётов, себестоимость перевозок и вероятность выполнения поставленных задач в значительной степени зависят от качества технического обслуживания, производительности труда технического персонала и от своевременности обнаружения отказов [1-5]. Современные измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) являются объектами с высокой степенью интеграции, комплексирования, функционального резервирования и включают в себя системы с аналоговой и цифровой обработкой первичной измерительной информации, а также специализированные многопроцессорные вычислители.
Несмотря на систематическое увеличение надёжности элементной базы систем, все же непрерывное возрастание объёма и сложности ИВК является одной из причин появления отказов в его системах. Поэтому повышение надёжности и сокращения длительности простоев бортового оборудования может быть достигнуто увеличением достоверности, а также быстрым определения состояния ИВК, поиском места и своевременным устранением отказов. Эта проблема может быть решена путём исследований, разработки и внедрения в эксплуатацию прогрессивных методов и средств контроля и диагностики технического состояния ИВК[6-9].
Актуальной является задача автоматизации процессов контроля и диагностики путём использования новых информационных технологий и вычислительных средств, создание встроенных средств контроля измерительно-вычислительных комплексов (ИВК) ЛА. В учебном пособии рассмотрены основные понятия, принципы и задачи контроля, обобщенная структура, основные характеристики и свойства систем контроля. В пособии значительное место уделено вопросу достоверности контроля ее составляющим, принятию оптимальных решений о состоянии объекта контроля. Приведены основные определения задач диагностики, рассмотрены методы и алгоритмы поиска отказа. Значительное место уделено методам и средствам контроля и диагностики цифровых ИВК, позволяющими осуществлять контроль на земле и в полете. Разработчик измерительно-вычислительных комплексов должен иметь необходимые знания и навыки проектирования встроенных и внешних средств контроля и диагностики. Такие знания нужны и специалистам, которые занимаются эксплуатацией ИВК и средств контроля и диагностики. Учебное пособие написано на основе материалов соответствующих курсов лекций, которые на протяжении ряда лет читались студентам Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.
Данное учебное пособие предназначено для студентов обучающихся по специальностям 190300 «Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы», 131000 «Техническая эксплуатация авиационных электросистем пилотажно-навигационных комплексов», а также магистров по направлению 5515 «Приборостроение» при изучении соответствующих курсов.
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ПРИНЦИПЫ И ЗАДАЧИ КОНТРОЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Основные понятия и задачи контроля
В процессе эксплуатации ИВК на ЛА их технические характеристики могут меняться, что может приводить к отказам авиационной техники, оценка состояния бортового оборудования путем контроля позволяет уменьшить вероятность появления таких отказов[2]. Основные понятия, термины и определения по контролю устанавливаются государственными и отраслевыми стандартами ГОСТ 20911-75, ГОСТ 19919-74, ГОСТ16504-81, ГОСТ 19838-82 [10-14] рассматриваются в данной главе.
Техническое состояние – совокупность подверженных изменению в процессе производства или эксплуатации свойств объекта, характеризуемая в определённый момент времени признаками, установленными технической документацией на этот объект. Признаками технического состояния могут быть области значений качественных и количественных характеристик свойств объекта. В зависимости от фактических значений признаков видами технического состояния являются: исправность, работоспособность, неисправность, неработоспособность, правильное функционирование, неправильное функционирование.
Исправность - состояние, при котором объект соответствует всем требованиям, установленной нормативно-технической документацией.
Неисправность - состояние, при котором объект не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической документации.
Работоспособность - состояние, при котором объект способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных выходных основных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией. При этом остальные характеристики объекта могут не соответствовать требованиям (наличие коррозии, нарушение лакокрасочного покрытия и т.д.). Следовательно, работоспособный объект может быть неисправным. Исправный объект – всегда работоспособен.
Неработоспособность - состояние, при котором значение хотя бы одного заданного параметра, определяющего способность объекта выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической документации. Переход изделия из работоспособного в неработоспособное состояние в заданных условиях применения называется отказом. При одном и том же существующем техническом состоянии объект может быть работоспособным для одних условий применения и неработоспособным для других. Каждый объект в общем случае может находиться в одном из многих работоспособных и неработоспособных состояний. Однако при дальнейшем изложении целесообразно считать, что объект обладает только одним работоспособным состоянием. Число неработоспособных состояний объекта определяется числом возможных отказов элементов и их групп (сочетаний).
Правильное функционирование означает, что применяемый по назначению объект в текущий момент времени выполняет предписанный алгоритм функционирования. Объект может находиться в таком неработоспособном состоянии, при которых он правильно функционирует в одних режимах работы и неправильно в других. Работоспособный объект правильно функционирует во всех режимах работы. Для выявления технического состояния объектов используются специальные методы и технические средства контроля. Под контролем технического состояния понимается процесс определения вида технического состояния объекта. В общем случае контроль технического состояния объекта есть совокупность операций по проверке работоспособности, локализации и прогнозированию отказов объекта. Составные элементы контроля являются измерение и оценка контролируемых параметров объекта, обработка полученных данных с целью распознавания вида состояния и места отказа с заданной подробностью (глубиной), управление процессом контроля.
Исследование методов обработки полученных при контроле состояния объекта данных с целью распознавания вида состояния и места отказа является предметом научной дисциплины “техническая диагностика ”. Степень детализации при техническом диагностировании, указывающая, до какой составной части объекта определяется место отказа, называется глубиной поиска дефекта.
Процесс оценки состояния объекта контроля является довольно сложной задачей. Особенно он сложен при косвенных методах измерения, когда значение искомого параметра определяется не непосредственным измерением, а вычисляется по результатам измерений каких-то других параметров. Примерами могут служить процессы определения значений коэффициентов усиления, коэффициентов передаточных функций и других. В общем случае определение характеристик динамических систем является одной из задач, решаемой идентификацией. Под идентификацией понимается процедура построения оптимальной математической модели объекта по реализациям его входных и выходных сигналов.
Всякий объект, состояние которого подвергается проверке, называется объектом контроля. Неисправные объекты контроля, требующие определения места и причины отказа, называются объектами диагностирования. Следовательно, путём диагностирования определяются принятые к распознаванию конкретные состояния из известного класса технических состояний объектов. Например, если путём контроля состояния определено, что объект неработоспособен, то диагностирование обеспечивает поиск места отказа с заданной подробностью. Объект диагностирования всегда есть и объект контроля, поскольку техническое диагностирование является составной, но не всегда обязательной частью контроля. Объект контроля в определённых условиях может не быть в то же время и объектом диагностирования. Так в полёте экипаж контролирует работоспособность бортовых систем. При отказе той или иной системы требуется, как правило, её выключить и использовать резервное оборудование, не занимаясь вопросами диагностирования, т.е. поиском отказавшего элемента в системе. Техническое диагностирование часто осуществляется на земле по результатам контроля и регистрации параметров в полёте.
При контроле объектов производятся измерения и оценка определённых выходных и дополнительных (внутренних) параметров. Параметрами могут могут быть следующие физические величины: напряжение, ток, частота тока и импульсов, электрическое сопротивление, температура, давление, перемещение, скорость движения и т.д. Области значений проверяемых параметров или их функций, называются допусками на контролируемые параметры.
Определение технического состояния объекта контроля на предстоящий интервал времени называется прогнозированием технического состояния. Целью прогнозирования может быть также определение интервала времени, в течение которого сохранится состояние объекта, соответствующее данному времени.
Концепция контроля, т.е. система взглядов, идей и принципов, определяющих общую методологию контроля, во многом зависит от задач контроля. Основными задачами контроля приборного оборудования летательного аппарата являются: получение информации о фактическом состоянии объекта контроля; принятие решение о годности или негодности конкретной системы для выполнения определённых функций; в случае если принимается решение о негодности контролируемой системы, то осуществляется диагностика неисправностей до сменного блока; на основании результатов диагностики решается задача-принятие решений или о замене отказавшего блока, или о необходимости регулировки, или отправке в ремонт, или списании устройства; получение исходных данных для анализа влияния условий эксплуатации, конструкции, схемных решений и технологии производства на качество функционирование объектов.
Информационная модель процесса контроля
Конечной целью процесса контроля является выбор соответствующего решения принимаемого относительно дальнейшего использования контролируемого объекта. К таким возможно принимаемым решениям или мерам можно отнести следующие решения:
1. использовать контролируемый объект по назначению в допустимых технической документацией условиях;
2. признать проверяемое устройство неисправным и отправить в ремонт;
3. осуществить подстройку или регулировку объекта;
4. заменить отказавший блок исправным, находившимся в “горячем” или “холодном резерве;
5. использовать неисправный, но с пониженной работоспособностью объект в более благоприятных условиях или для других целей;
6. списать объект в связи с истечением срока службы или моральным старением его.
Таким образом, система контроля как система принятия решения, в общем случае, является многоальтернативной. Принимаемые решения могут сооответствовать идеальным случаям zТ=0,1,..., k, когда отсутствуют ошибки решения, и реальным случаям z=0,1,..., k, полученным по результатам измерения, когда возможны ошибки при принятии решений. Каждому идеальному принимаемому решению zТ= i, i=0,1,..., k соответствует область возможных состояний gi или показателей качества объекта F(X), где X Î W, а W -заданная область возможных значений вектора X. Априори обычно задаются вероятности pi нахождения в соответствующих заданных областях gi или плотность вероятности значений h(x) вектора X. При этом области gi являются непересекающимися, т.е 
, i,j=1,…,k и попадание в одну из указанных областей вектора X является достоверным событием 
. Совокупность показателей качества объекта определяет способность устройства выполнять свои функции и характеризуется векторным или скалярным величинами, связанными функциональными или операторными преобразованиями с вектором состояния X. Очень часто качество объекта характеризуется скалярным показателем, определяющим наиболее важное свойство объекта контроля, таким, например, как точность, надёжность или помехозащищённость системы. Каждому реальному принимаемому решению z=j соответствует область оценок 
возможных состояний 
, где 
, i,j=1,…,k, 
, 
, или оценок показателей качества объекта 
, j=0,1,...,k. Оценка вектора состояния объекта определяется по результатам измерений Y вектора контролируемых параметров S, который функционально связан с векторами состояния X, и погрешностей измерения H
Y=j(S,H). (1.1)
Будем предполагать, что известна условная плотность распределения f(y/x), характеризующая ошибки измерений. Обычно результаты измерений подвергаются предварительной обработке с целью получения оценок 
вектора контролируемых сигналов S. Предварительная обработка информации включает в себя оптимальную по выбранному критерию R фильтрацию сигналов Y, а также их дискретизацию и квантование для согласования аналоговых с дискретными устройствами. Этапы преобразования сигналов в процессе контроля можно представить в виде следующей информационной модели, представленной на рис.1.1:
r1T r1
R
rT r
zT=i h(x) S=q(x) Y=j(S,H) 
z=j
pi f(y/x)
Рис.1.1 Информационная модель процесса контроля
Вектор контролируемых сигналов S функционально связан с текущим вектором состояния X S=q(x), а векторы оценок состояния и контролируемых параметров связаны обратным функционалом . Оптимальная оценка по выбранному критерию R, которым, в частности, может быть средний квадрат ошибки оценки, связана с вектором результатов измерений Y с помощью следующего функционального преобразования .
Идеальные правила решения rТ и r1Т определяют законы отображения соответственно пространств состояний и функционалов качества в скалярное пространство решений WТ, содержащее k+1 чисел, и, в общем случае, характеризуются соответствующими условными плотностями вероятностей mТ(i/x) и m1Т(i/F). Каждому i-му решению, i=0,1,…,k, соответствует или область состояний Gi пространства W значений вектора состояний X или область G1i пространства W1 значений вектора показателей качества F(X).
Реальные правила решения r и r1 обычно определяют оптимальные законы отображения соответственно пространств оценок состояний и функционалов качества в скалярное пространство решений W, содержащее k+1 чисел, и, в общем случае, также характеризуются соответствующими условными плотностями вероятностей 
и 
. Каждому j-му решению, j=0,1,…,k, соответствует или область состояний Gj пространства W значений вектора оценок состояний или область G1j пространства W1 значений вектора оценок показателей качества 
. Оптимальный выбор принимаемых решений j о состоянии объекта контроля по результатам полученных случайных оценок векторов состояния или показателей качества производится по критериям, используемым в теории статистических решений, из которых наиболее часто выбираются критерии В.А. Котельникова или Неймана-Пирсона. Сущность оптимального правила решения сводится к оптимальному разбиению пространств W или W1 на k+1 оптимальных областей возможных значений соответственно векторов 
или 
.
