Цілі та задачі технічної діагностики та систем контролю технічного стану ПС.

 

Цілі та задачі технічної діагностики та систем контролю технічного стану ПС.

 

1.                Основні напрямки технічної діагностики.

Визначення. Термін «діагностика» виходить від грецького слова «діагнозіс», що означає розпізнавання, визначення.

У процесі діагностування визначається діагноз, тобто стан технічної системи (технічна діагностика).

Технічною діагностикою називається наука про розпізнавання стану технічної системи.

Цілі технічної діагностики. Технічна діагностика вивчає методи отримання і оцінки діагностичної інформації, діагностичні моделі і алгоритми прийняття рішень. Метою технічної діагностики є підвищення надійності і ресурсу технічних систем.

Як відомо, найбільш важливим показником надійності є відсутність відмов під час функціонування (роботи) технічної системи. Наприклад, відмова авіаційного двигуна в польоті може призвести до тяжких наслідків.

Технічна діагностика завдяки ранньому виявленню дефектів і несправностей  дозволяє усунити подібні відмови в процесі технічного обслуговування, що підвищує надійність і ефективність експлуатації, а також дає можливість експлуатації технічних систем за технічним станом.

На практиці ресурс таких систем визначається  по найбільш «слабким» екземплярам виробів. За технічним станом кожний екземпляр експлуатується до граничного стану у відповідності з рекомендаціями системи технічної діагностики. Експлуатація за технічним станом може принести економію, еквівалентну вартості 30% загального парку повітряних суден.

Основні задачі технічної діагностики. Основною задачею технічної діагностики є розпізнавання стану технічної системи в умовах обмеженої інформації.

Аналіз стану проводиться в умовах експлуатації, під час якої отримання інформації край обмежено. Часто не є можливим по інформації що маємо зробити однозначне заключення про технічний стан системи і приходиться використовувати статистичні методи.

Теоретичним фундаментом для вирішення основної задачі технічної діагностики слід вважати загальну теорію розпізнавання образів. Ця теорія, важлива складова розділу технічної кібернетики, займається розпізнаванням образів любої природи. Технічна діагностика вивчає алгоритми розпізнавання образів складних технічних систем (зокрема, літальний апарат), які зазвичай можуть розглядатися як задачі класифікації.

Алгоритми розпізнавання в технічній діагностиці частково базуються на діагностичних моделях, які встановлюють зв’язок між станом технічної системи  та їх відображенням у просторі діагностичних ознак (сигналів). Важливою частиною проблеми розпізнавання образів є правила прийняття рішення (вирішальне правило).

Вирішення діагностичної задачі (віднесення виробу до справного чи несправного стану) завжди пов’язано з ризиками помилкової тривоги (помилка першого роду) або пропуску цілі (помилка другого роду. Для прийняття обгрунтованого рішення доцільно залучати методи теорії статистичних рішень.

Вирішення задач технічної діагностики завжди пов’язано з прогнозуванням  надійності на найближчий період експлуатації (до наступного технічного огляду). Рішення повинні грунтуватися на моделях відмов, які вивчаються в теорії надійності.

Другим важливим напрямом технічної діагностики є теорія контролепридатності. Контролепридатністю називається властивість виробу забезпечити достовірну оцінку його технічного стану і раннє виявлення несправностей та відмов. Контролепридатність створюється конструкцією виробу і прийнятою системою технічної діагностики.

Суттєвою задачею теорії контролепридатності є вивчення засобів і методів отримання діагностичної інформації. В складних технічних системах використовується автоматизований контроль стану, яким передбачається обробка діагностичної інформації і формування управляючих сигналів. Дуже важливі задачі  теорії контролепридатності пов’язані з розробкою алгоритмів пошуку несправностей, розробкою діагностичних тестів, мінімізації процесу встановлення діагнозу.

Структура технічної діагностики. Структура характеризується двома взаємопов’язаними напрямами: теорією розпізнавання і теорією контролепридатності. Теорія розпізнавання включає розділи, які пов’язані з побудовою алгоритмів розпізнавання, вирішальних правил і діагностичних моделей. Теорія контролепридатності – розробку засобів і методів отримання діагностичної інформації, автоматизованого контролю та пошуку несправностей. Технічну діагностику слід розглядати як розділ загальної теорії надійності (Слайд 2).

2.                Постановка задач технічної діагностики.

Стан системи описується сукупністю (множиною) визначальних її параметрів (ознак). Множина визначальних параметрів може бути може бути різною, в першу чергу, у зв’язку з самою задачею розпізнавання.

 

Задачі технічної діагностики

1 клас – розпізнавання технічного стану об’єкту експлуатації в даний момент часу (оперативні задачі (задачі генезису)):

·        визначення виду технічного стану об’єкту експлуатації;

·        пошук місця виникнення відмов (несправностей) з необхідною точністю;

·        визначення причини виникнення відмов (несправностей);

·        інформування пілотів в польоті і на землі про зміну технічного стану повітряного судна.

2 клас – прогнозування (передбачення) технічного стану об’єкту експлуатації в майбутньому (довготривалі задачі):

·        накопичення статистичної інформації, для узагальнення досвіду;

·        діагностування повітряного судна;

·        оцінка технічного стану повітряного судна та прийняття рішення щодо його подальшої експлуатації;

·         розробка пропозицій для удосконалення авіаційної техніки, систем

контролю і технічного обслуговування.

 

Розпізнавання стану системи – віднесення стану системи до одного з можливих класів (діагнозів).  Число діагнозів (класів, типових тестів, еталонів) залежить від особливостей задачі і цілей дослідження.

Часто вимагається провести вибір одного з двох діагнозів (диференційна діагностика або дихотомія); наприклад, «справний стан» або «несправний стан». В інших випадках необхідно більш детально охарактеризувати несправний стан; наприклад, підвищення зношування в парах тертя, збільшення вібрації лопаток і т.п. В більшості задач технічної діагностики діагнози (класи) встановлюються заздалегідь, і в цих умовах задачу розпізнавання часто називають задачею класифікації.

Сукупність послідовних дій у процесі розпізнавання  називається алгоритмом розпізнавання. Суттєвою частиною процесу розпізнавання є вибір параметрів, що описують стан системи. Вони повинні бути достатньо інформативними, щоб при обраному числі діагнозів процес розділення (розпізнавання) міг бути здійсненим.

Математична постановка задачі. В задачах діагностики стан системи часто описується за допомогою комплексу ознак

 

K = (k₁,  k₂, … k_j, … k_υ),

 

де k_j – ознака, що має m_j розрядів.

Нехай, наприклад, ознака k_j представляє собою трьох розрядну ознаку (m =3), що характеризує величину тиску гідрорідини у гідросистемі: знижений, нормальний, підвищений.

<200

200 – 220

220˃

Кожний розряд (інтервал) ознаки позначається k_is , наприклад підвищений тиск рідини в гідросистемі k_i3 . Фактично стан, що спостерігається відповідає повній реалізації ознаки і позначається верхнім індексом ^* . Наприклад, при підвищеному тиску реалізація ознаки k^*_j = k_i3 .

В загальному випадку кожний екземпляр системи відповідає деякій реалізації комплексу ознак:

 

K^* = (k*₁,  k*₂, … k*_j, … k*_υ).

 

В багатьох алгоритмах розпізнавання зручно характеризувати систему параметрами x_j що утворюють υ –мірний вектор або точку у υ –мірному просторі:

 

Х = ( х₁,  х₂, … х_j, … х_υ).

 

З попереднього зрозуміло, що принципових відмінностей при описі системи  за допомогою ознак або параметрів немає, і в подальшому дудуть використовуватися обидва виду опису.

Як визначалося, в задачах технічної діагностики можливі стани системи (діагнози) вважаються відомими.

Існують два основних підходи  до задачі розпізнавання – ймовірнісний і детермінований. Постановка задачі при ймовірнісних методах розпізнавання наступна. Є система, яка знаходиться в одному з n випадкових станів D_i . Відома сукупність ознак (параметрів), кожний з яких з визначеною ймовірністю характеризує стан системи. Необхідно побудувати вирішальне правило, за допомогою якого фактична (експлуатаційна) сукупність ознак була би віднесена до одного з можливих станів (діагнозів). Бажано також оцінити вірогідність  прийнятого рішення і ступеня ризику помилкового рішення.

При детермінованих методах розпізнавання зручно формулювати задачу в геометричній постановці. Якщо система характеризується υ –мірним вектором Х, то кожний стан  системи представляє точку у υ –мірному просторі параметрів (ознак). Припускається, що діагноз D_i відповідає деякій області  простору ознак, що розглядається. Потрібно знайти вирішальне правило, у відповідності до якого отриманий вектор Х^* (об’єкт, що діагностується) буде віднесений до певної області діагнозу. Таким чином, задача зводиться до розділення простору ознак на області діагнозів.

При детермінованому підході області діагнозів, зазвичай, вважаються «областями, що не перетинаються», тобто ймовірність одного діагнозу (область до якої попадає точка) дорівнює одиниці, ймовірність інших дорівнює нулю. Подібним чином припускається, що і кожна ознака або зустрічається при даному діагнозі або відсутня.

Ймовірнісний і детермінований підходи не мають принципової різниці. Більш загальними є ймовірнісні методи, але вони часто потребують і значно більшого об’єму попередньої інформації. Детерміновані підходи більш кратко описують суттєві сторони процесу розпізнавання, менше залежать від надлишкової, малоцінної інформації.

Для об’єктів, стан яких може бути визначений за допомогою параметрів або певних ознак непрацездатності, нагляд за якими надає можливість відслідковувати появу несправності та її розвиток, з математичної точки зору задача діагностування полягає в оцінці  абсолютного (1) або відносного відхилення фактичного (х_ф) значення параметра (експлуатаційного на даний момент часу) від базового (х_б) з подальшим порівнянням цих відхилень з допусками на них [Δх], [δх].

 

Δх = | х_б - х_ф |,                                                                                    (1)

 

δх = | х_б - х_ф | / х_б.                                                                                                                            (2)

 

За базові (еталонні) значення можуть служити формулярні значення параметру або такі значення, які отримані в процесі експлуатації і достовірно характеризують працездатний та справний стан об’єкту, або отримані на основі математичної моделі робочого процесу об’єкту.

Якщо розраховані значення відхилень перевищують або дорівнюють  граничним (допустимим) значенням, тобто Δх ≥ [Δх] і δх ≥ [δх], то об’єкт вважається непрацездатним або несправним. Така оцінка технічного стану може бути здійснена  для простих в конструктивному відношенні об’єктів, які виконують одну основну функцію. Кількість діагнозів в таких об’єктах незначна. Для складних, багатофункціональних об’єктів такій підхід себе не виправдовує у зв’язку з тим, що їх стан здебільшого описується комплексом (Х) ознак (параметрів х_і):

 

Х = (х₁; х₂ ;  х₃; _… х_і ).                                                                            (3)

 

В такому випадку критерій Х технічного стану об’єкту розраховується за формулою, яка включає всі параметри, які можуть бути виміряні в процесі експлуатації або під час його випробувань:

         ___________________

Х = √  х²₁+ х²₂ +  х²₃+ _… + х²_і .                                                               (4)

 

При цьому задача полягає у визначенні такого значення критерію Х_k , при якому розраховане за виразом (4) значення Х буде менше за Х_k , що свідчить про справний стан об’єкту. В іншому випадку об’єкт має несправний стан.

При застосуванні ймовірнісних методів діагностування, коли немає можливості відслідкувати поведінку параметра з появою та розвитком несправності, ставиться задача розрахунку ймовірності виникнення діагнозів при умові появи комплексу ознак  Q(D_i \X_k) і об’єкт відноситься до діагнозу D_i у якого найбільша апостеріорна ймовірність виникнення в порівнянні з іншими діагнозами D_i . Тобто

 

Х_k ϵ D_i , якщо Q(D_i \X_k) ˃ Q(D_j \X_k),                                                     (5)

(і = 1, 2, 3, … n),

 

де ϵ - символ, який означає належність до сукупності D_i ; j – кількість можливих діагнозів.

Умова прийняття рішення та віднесення об’єкту до певного діагнозу D_j при наявності комплексу ознак X_k може бути спрощена, якщо ввести граничне значення ймовірності діагнозу  (Q_гр) та записати нерівність:

 

Q(D_i \X_k) ≥ Q_{гр .}                                                                                         (6)

 

В такому випадку об’єкт має діагноз D_i , якщо ймовірність його появи не менше Q_гр . Якщо Q(D_i \X_k) ˂ Q_гр , рішення про діагноз не приймається і необхідна додаткова інформація.

При вирішенні зворотних задач технічної діагностики, в процесі яких визначається номенклатура ознак або параметрів, необхідно розраховувати ймовірність появи комплексу ознак Q(К_j\D_i ) при умові, що певні діагнози D_i відомі заздалегідь. Якщо

 

Q(К_j \D_i ) ˃ Q(K_k \D_j ).                                                                                 (7)

то для визначення діагнозу D_i слід використовувати комплекс К_j.

Для визначення переліку діагностичних параметрів або ознак часто використовується метод, який базується на положеннях теорії інформації. Метод враховує, що під час контролю сукупності параметрів може бути отримана кількісна оцінка інформації відносно діагнозів об’єкту і передбачає вибір із їх сукупності таких параметрів, які надають найбільшу інформацію і які слід контролювати для локалізації певних відмов або несправностей. Головна умрва при цьому полягає в наявності стохастичного зв’язку між параметрами (система А) та технічними станами об’єкту (система D-діагнози).