Проектирование систем технической диагностики

При проектировании систем технической диагностики выполняется следующих этапов:

1. 1.1 Научно исследовательская разработка, которая состоит из этапов: обзор литературы, обобщение данных.
   1. Теоретическая разработка проблемы. Методология испытания. Разработка математической модели.
   2. Заключительный этап. Разработка задания на опытно-конструктивной разработки.
2. Опытно-конструктивная разработка. Содержит:
   2.1 Технические предложения.
   2.2 Эскизный проект.
   2.3 Рабочий документ опытного образца
3. Серийное производство.

Если не рассматриваются новые теоретические идеи, то первый этап может не выполняться или выполняться в неполном объеме.

Подготовка к серийному производству

При подготовке к серийному производству разрабатывается не только конструкторская, но и техническая документация. На всех этапов разработки технического изделия. Предполагается диагностика отдельных узлов и /или изделие в целом, а также испытание изделия в целом. При этом синтезируется критерий, которая должна удовлетворять критерию и строится модель критерия.
Способы моделирования различны.

Одним из способов моделирования, которое используется – это имитационное моделирование.

Имитационное моделирование

Задание: необходимо спроектировать компьютерную диагностическую систему. Объектом диагностики является технический объект, с которого снимается N показателей.

Пример: паровой котел и необходимо им управлять. Показатели: давление, температура и есть система, которая поддерживает эти параметры.

Так как эти N показатели являются исходными сигналами для системы управления этими объектами. То реакция системы на управления этих сигналов выглядит следующим образом:

1. Зона нечувствительности
2. Зона управления
3. Зона аварийной остановке
4. Авария системы

Рис 1 - Структурная схема диагностической системы

В регистре формируется телеметрический кадр. Коммутатор последовательно опрашивает датчики.  Кадр может содержать как одно показание с одного датчика. А может содержать сразу все значения с каждого датчика. Данные попадают в канал связи 1, в котором могут происходит ошибки. Мажоритарное управление разрешает следующему кадру, когда ошибка либо обнаружена, либо исправлена. При мажоритарном управлении может принимать следующие решения:

1. Повторно передать этот кадр.
2. Дать команду на передачу нового кадра.

Безошибочные кадр сбрасывается в буфер1. Вычислительный модуль в свободный цикл читает данные из буфера1 и в случае необходимости формирует управляющий кадр.

Если в телеметрическом кадре были все параметры. Тогда формируется управляющий кадр также с данными для каждого из параметров. При этом 0 - означает отсутствие управления, а 1 – необходимо управление, 2 – необходимо аварийное отключение. В управляющем кадре должна быть величина управляющего воздействия.

Если телеметрический кадр содержит данные об одном показателе, тогда кадр формируется в случае необходимости управляющего воздействия. При этом должен быть адрес, того датчика, с которого получили параметр. Если кадр содержим аварийное управляющее воздействие, тогда он минует буфер.

Считаются, что сигналы случайные.

Имитационная модель – это программа, которая в масштабе модельного времени имитирует работу системе, происходящей в реальной системе.

Расчеты ведутся в масштабе машинного времени. Модель является событийной, то есть в модели генерируются события и рассчитывается реакция на каждое событие. В основном модель описывается взаимодействием двух таблиц, это:

• Таблица состояний, в которой динамически изменяется и содержит столько строк, сколько моделей.
• Таблица событий, которая динамически изменяется и хранятся предполагаемые события в будущем модельном времени.

Тип события: что, где, когда
Что, где: Номер модуля и события.
Когда: в будущем, когда это событие должно наступить.
Первые 2 параметра явные и определены.

Время может быть как детерминировано, так и случайно. Большинство событий, связанные с надежностными характеристиками, поэтому будет считать, что они подчиняются экспоненциальному закону.

Время можно подсчитать по след. формуле, где n – это случайное число от 0 до 1, а  – это количество событий в единицу времени. В нулевой момент времени генерируется подмножество начальных событий, которая определяется нулевым состоянием системы.

Кроме тех объектов, которые нарисованы в схеме, модулями являются еще и все кадры, которые находятся в данной системе. Поэтому таблица состояний имеет разную длину.

Кроме событий, которые связанны с нормальной работой системы, формируются и события связанные в заданных модулях.

Порядок построения имитационной модели:

1. Система разбивается на модули. Все модули номеруются.
2. Из логики работы системы перечисляются и кодируются все классы модулей.
3. Задается начальное состояние всех модулей. Формируется начальная таблица модулей.
4. Перечисляются и кодируются все типы событий. (Графы переходов, где вершина – это состояния модулей, а дуги – это события. )
5. Используя начальное состояние модулей, генерируются все возможные типы событий, которые разрешены из этих состояний.
6. Таблица событий упорядочивается по возрастанию.
   Шесть пунктов – это подготовительный этап.
7. Из списка событий выбирается очередное событие, модельное время скачком меняется и достигает времени текущего события. И рассчитывается реакция системы на это событие.
8. Моделирование выполняется до лимитированного момента времени. Или до изменения состояния всей системы.

Так как результаты моделирования будут случайными ( время событий, случайная величина ), то для получения устойчивых статистических средних оценок, имитационную модель необходимо рассчитать многократно с усреднением результатов. Иногда можно вместо многократных расчетов можно выполнить длительную реализацию. Реакцией системы на каждое событие может быть:

во-первых, изменение состояние модуля, где произошло событие.
Во-вторых, Изменение состояния связанного модуля ( последствия данного события ),
В-третьих, изменение состояние всей системы.
В-четвертых, генерация новых событий, которые стали возможны при изменении состояния i модуля.

Во время имитационного моделирования формируется протокол, в котором отмечается: сколько времени и в каком состоянии находится каждый модуль. А дальше по протоколу рассчитываются значения среднестатистических расчетов.

Примеры состояний: первый класс – это:

• Датчики: возможные значения (температура).
• Коммутатор: подключен.
• Регистр: хранит кадр или пустой.
• Канал связи: свободен, передает кадр, ошибка,
• Мажоритарное управление: свободен, передача успешна, передача неуспешна.
• Буфер: свободен, занят ( 1 байт, 3 байта, .. хранит 2 кадра и так далее).
• Вычислительный модуль: модуль свободен, модуль занят, сбой модуля.
• Исполнительный орган: свободен, управляет.
• Обратный канал связи: где он находится.

Типы событий:

• Датчики: изменение уровня на одну единицу.
• Коммутатор: переключение на следующий датчик.
• Регистр: чтение данных, отправить кадр, но у канала связи для перехода из состояния 0 в состояние 1, должно быть событие начала передачи, так как начала передачи канала и передача регистра в канал – это одно и тоже событие, то достаточно генерировать одно событие.
• И так далее.

• Канал связи: свободен, передает кадр, ошибка,
• Мажоритарное управление: свободен, передача успешна, передача неуспешна.
• Буфер: свободен, занят ( 1 байт, 3 байта, .. хранит 2 кадра и так далее).
• Вычислительный модуль: модуль свободен, модуль занят, сбой модуля.
• Исполнительный орган: свободен, управляет.
• Обратный канал связи: где он находится.

T = 0
Tg1 = 1
Tg2 = 1
Tk1 = 0,1
Tош(кс) = 5
Tош(вм) = 7
Сортируем эти события:
Tk1 = 0,1
Tg2 = 1
Tg1 = 1
Tош(кс) = 5
Tош(вм) = 7
Изменение события:
T = 0,1
Tg2 =0,9
Tg1 = 1,9
Tош(кс) = 4,9
Tош(вм) = 6,9
Tk2 = 0,2
Tp2 = 0,1
Изменение события:
Tp2 = 0,1
Tk2 = 0,2
Tg2 =0,9
Tg1 = 1,9
Tош(кс) = 4,9
Tош(вм) = 6,9
Тогда:
T = 0,1 + 0,1 = 0,2
Tk2 = 0,1
Tg2 = 0,8
Tg1 = 1,8
Tош(кс) = 4,8
Tош(вм) = 6,8
Tkc1 = 0,05
Tkc2 = 0,06
Tkc3 = 0,04