close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Efimov 057B2171E8

код для вставкиСкачать
Федеральное агенТство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
А. А. Ефимов, С. Ю. Мельников
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ И
ДИАГНОСТИКИ
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
Часть 1
Текст лекций
Санкт-Петербург
2007
УДК 621.3
ББК 31.2
Е 91
Рецензенты:
кафедра электротехники и прецизионных электромеханических систем
Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики;
доктор технических наук, профессор кафедры электротехники
и электрооборудования Санкт-Петербургского государственного
морского технического университета Б. Ф. Дмитриев
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве текста лекций
Е 91
Ефимов А. А., Мельников С. Ю.
Проектирование средств контроля и диагностики электромеханических систем: текст лекций/А. А. Ефимов, С. Ю. Мельников. – СПб.: ГУАП, 2007. (Ч. 1) 94 с.: ил.
ISBN� 978-5-8088-0311-4
������������������
Изложены этапы проектирования динамических систем, представлены основные понятия и определения технической диагностики, формулируются цели и задачи контроля, диагностики и прогнозирования технического состояния динамических систем и их
элементов, описываются задачи, выполняемые системами контроля
и диагностики. Рассмотрено математическое представление электромеханических систем и их составных элементов как объектов
технического диагностирования, приводятся примеры построения
функциональных и логических моделей, ориентированных графов
причинно-следственных связей, таблиц истинности и функций неисправностей тиристорного электропривода постоянного тока, системы импульсно-фазового управления и силовых частей вентильных преобразователей, как объектов диагностирования различных
классов.
Текст лекций предназначен для студентов, обучающихся по специальности 200102 «Приборы и методы контроля качества и диагностики».
УДК 621.3
ББК 31.2
ISBN� 978-5-8088-0311-4
�����������������
© ГУАП, 2007
© А. А. Ефимов,
С. Ю. Мельников, 2007
Содержание
Список используемых сокращений........................................ 4
Введение............................................................................ 5
1. Этапы проектирования динамических систем......................10
2. Введение в диагностику динамических систем.....................17
2.1. Основные понятия и определения................................17
2.2. Цели и задачи контроля, диагностирования и прогнозирования технического состояния электромеханических
систем...........................................................................20
2.3. Классификация технических средств диагностирования электромеханических систем......................................28
2.4. Технические требования к средствам диагностирования электромеханических систем......................................34
2.5. Принципы организации систем технического диагностирования электромеханических систем...........................37
2.6. Принципы реализации систем технического диагностирования электромеханических систем..........................41
3. Электромеханическая система как объект технического
диагностирования...............................................................47
3.1. Абстрактная математическая модель и классификация
объектов диагностирования..............................................47
3.2. Примеры промышленных электромеханических систем как объектов диагностирования.................................50
3.3. Функциональная и логическая модели систем импульсно-фазового управления тиристорных преобразователей.....55
3.4. Диагностические модели силовых схем тиристорных
преобразователей............................................................63
3.5. Диагностическая модель тиристорного электропривода
постоянного тока с системой подчиненного регулирования...77
3.6. Таблица функций неисправностей объектов диагностирования....................................................................81
3.7. Непрерывный контроль работы тиристорного электропривода постоянного тока с использованием метода алгебраических инвариантов......................................................84
Библиографический список..................................................93
Список используемых сокращений
АСКД
АЦП
БД
ДС
ЕСКД
НИР
НТД
ОД
ОК
ОП
САУ
СД
СИФУ
СТД
ТЗ
ТП
ТФН
УБСР
ЧПУ
ЭМС
ЭП
– автоматическая система контроля и диагностики
– аналого-цифровой преобразователь
– блок диагностирования
– динамическая система
– единая система конструкторской документации
– научно-исследовательская работа
– нормативно-техническая документация
– объект диагностирования
– объект контроля
– объект прогнозирования
– система автоматического управления
– средства диагностирования
– система импульсно-фазового управления
– система технического диагностирования
– техническое задание
– тиристорный преобразователь
– таблица функций неисправностей
– унифицированная блочная система регулирования
– числовое программное управление
– электромеханическая система
– электропривод
ВВЕДЕНИЕ
Динамические системы за долгий путь своего развития – от
центробежных регуляторов паровых машин до современных комплексных систем автоматического управления (САУ) подвижными
объектами – проникли во все области техники и стали определяющими при создании многих современных технических систем и
устройств. Технические требования к качеству и надежности сложных технических систем, составляющих класс динамических систем управления, таких как бортовые навигационные комплексы,
системы управления авиационно-космическими объектами, автоматизированные электроприводы и устройства силовой электроники, постоянно возрастают, что обуславливает постоянно увеличивающийся интерес разработчиков и эксплуатационщиков динамических систем к вопросам их технического диагностирования.
Действительно, несмотря на постоянное увеличение надежности элементной базы САУ, непрерывное возрастание объема выполняемых функций и связанный с этим рост сложности оборудования
являются главными причинами появления отказов в различных
устройствах динамических систем. Сокращение времени поиска
дефектов и устранения их последствий может быть достигнуто путем разработки и внедрения в эксплуатационную практику методов
и средств контроля, диагностики и прогнозирования технического
состояния динамических систем.
Электромеханические системы (ЭМС), содержащие в своем составе устройства силовой электроники (дискретные, нелинейные,
многомерные и многосвязные объекты САУ), электромеханические преобразователи энергии – двигатели постоянного и переменного тока, являющиеся нелинейными, многомерными объектами
управления, механические элементы (передаточные и рабочие
механизмы), а также, как правило, микропроцессорные системы
управления, представляют собой чрезвычайно сложные объекты
технического диагностирования. Аналоговый и дискретный принципы работы, разнообразие функциональных, схемных и конструктивных решений элементов и блоков, входящих в состав электромеханических систем, требуют от специалистов, отвечающих
за техническое состояние ЭМС (конструкторов, разработчиков, сотрудников служб эксплуатации) фундаментальных теоретических
знаний и практических навыков в общих вопросах диагностирования динамических систем.
Диагностирование электромеханических систем (ЭМС) как процесс определения их технических состояний включает решение
трех задач:
1. Изучение
��������������������������������������������������������
ЭМС как объектов технического диагностирования.
2. Построение
���������������������������������������
алгоритмов диагностирования.
3. Разработка
����������������������������������������
средств диагностирования ЭМС.
Задача изучения ЭМС как объекта диагностирования связана с
исследованием функционирования исправного состояния электромеханической системы, выделением элементов ЭМС и связей между
ними, анализом возможных их технических состояний, определением параметров, характеризующих техническое состояние ЭМС,
пределов, характера изменения и технических возможностей их
контроля, оценкой степени детализации возможных мест, видов,
причин и частоты проявления дефектов ЭМС (глубины диагностирования), сбором данных о затратах, связанных с осуществлением
элементарных проверок.
Для решения перечисленных задач требуются экспериментальные исследования процедур диагностирования конкретных образцов ЭМС. Указанный фактор является наиболее уязвимым в области диагностирования, так как в технической литературе основное
внимание, как правило, уделяется вопросам разработки промышленных электроприводов и систем электроснабжения, результаты
же их экспериментального исследования и особенно исследования
возможных технических состояний отдельных элементов и всей
электромеханической системы отражены слабо.
Стремление к теоретическому обобщению процесса диагностирования ЭМС при ограниченной информации об ее техническом
состоянии предопределяет широкое использование формального
описания ЭМС (в аналитической, табличной, векторной или другой
форме), т. е. математической модели диагностирования ЭМС.
Наиболее распространенные способы математического описания ЭМС, используемые при их разработке и исследовании (дифференциальные и разностные уравнения, передаточные функции и
структурные схемы), оказываются зачастую недостаточными при
их диагностировании, поскольку в явной форме не отражают процесс появления дефектов и их влияния на техническое состояние
ЭМС. Необходимы такие математические модели, которые наилучшим образом учитывали бы все стороны явлений, характерных для
электромеханических систем как объектов диагностирования. При
этом в первую очередь требуются модели диагностирования отдельных элементов ЭМС, без которых глубина диагностирования будет явно недостаточной – электрических двигателей постоянного и
переменного тока, силовых полупроводниковых преобразователей,
операционных усилителей и регуляторов, микроконтроллеров и
функциональных преобразователей.
Представление ЭМС и их отдельных элементов математическими моделями диагностирования в сочетании с экспериментальными исследованиями является наиболее важнейшим и ответственным этапом процесса диагностирования.
Задача построения алгоритмов диагностирования ЭМС связана с разработкой методов определения и оптимизации алгоритмов
поиска дефектов в системах электропривода и электроснабжения
с учетом показателей надежности их элементов, временных, материальных и других затрат на реализацию алгоритмов.
Проблемы, возникающие при математическом описании объекта и разработке на его основе алгоритмов диагностирования объекта, тесно взаимосвязаны. Так для комбинационных объектов диагностирования, представленных в простой форме логических высказываний, имеют место практически доступные и эффективные
методы поиска дефектов [1]. Для описания последовательностных
объектов привлекаются более сложные математические модели, в
соответствии с чем существенно затрудняется и разработка алгоритмов диагностирования таких объектов. Как и при построении
математических моделей объекта, отсутствие достоверных данных
по ряду показателей надежности и затрат на реализацию алгоритмов диагностирования для большинства элементов систем электропривода и электроснабжения делает применение теоретически
обоснованных алгоритмов весьма спорным и небезупречным.
В результате применительно к вентильному электроприводу создалась противоречивая картина. С одной стороны, широкая известность математического аппарата, используемого при разработке
оптимальных алгоритмов диагностирования электромеханических систем [2,3,4], с другой – отсутствие конкретных алгоритмов
диагностирования для большинства основных элементов и систем
управления электроприводами, в частности вентильных преобразователей, регуляторов, датчиков, систем подчиненного регулирования электроприводов. Сложившееся положение существенно
ограничит решение задач диагностирования электропривода при
переходе на микропроцессорное управление.
Многообразие функций, которые должны выполнять устройства диагностирования (измерение контрольных сигналов, анализ
их допустимых уровней, вынесение решений о техническом состоянии объекта, выдача информации о результатах диагностирования
и т. п.), в совокупности с широким классом совместно работающих
непрерывных и дискретных объектов диагностирования электропривода создают большие трудности при разработке и технической
реализации средств диагностирования. Указанная проблема усу
губляется и тем, что конструктивные решения, принятые для схем
управления электроприводами, как правило, мало учитывают потребности их диагностирования, часто затрудняя доступ к наиболее
информационным сигналам управления.
В этих условиях остро стоит вопрос о степени унификации, аппаратурном или программном способе реализации средств диагностирования, а также путях их сочленения с объектом диагностирования.
Теоретические основы диагностирования технических объектов, одним из наиболее распространенных типов которых являются динамические системы, довольно широко представлены в отечественной литературе [2,5,6,7,8]. Прикладная же направленность
технического диагностирования и в особенности применительно к
элементам и системам управления ЭМС отражена в литературе в
меньшей степени. Особенно это относится к учебно-методическим
изданиям, необходимых для обучения студентов по специальностям “Приборы и методы контроля качества и диагностики”, “Управление и информатика в технических системах”, “Промышленная электроника”, “Электромеханика”. Основой данного издания
явился одноименный курс лекций, читаемый авторами на кафедре
электротехники и технической диагностики Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.
Разд. 1 посвящен описанию этапов проектирования динамических систем. Приводится детальное описание работ, проводимых
на каждом из этапов, дается перечень необходимой технической
документации, представляемой проектировщиками на каждом из
этапов. В соответствии с ГОСТ 20417 – 98 представлены общие положения о порядке разработки систем диагностирования, а также
требования к объектам и средствам диагностирования, обеспечивающие их соответствие при работе в составе системы диагностирования.
В разд. 2 приведены вводные сведения по технической диагностике динамических систем. Представлены основные понятия и
определения, формулируются цели контроля, диагностики и прогнозирования технического состояния динамических систем и их
элементов, описываются задачи, выполняемые автоматическими
системами контроля и диагностики (АСКД), проводится классификация систем технического диагностирования.
Разд. 3 посвящен математическому представлению электромеханических систем и их составных элементов как объектов технического диагностирования. В нем рассмотрены примеры построения
функциональных и логических моделей, ориентированных графов
причинно-следственных связей, таблиц функций неисправностей,
истинности и чувствительностей передаточных функций тиристорного электропривода постоянного тока на элементах УБСР, системы импульсно-фазового управления (СИФУ) и силовых частей
вентильных преобразователей, как объектов диагностирования
различных классов.
1. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Техническая диагностика динамических систем представляет
собой активно развивающееся научное направление. Интерес к ней
постоянно увеличивается в связи с возрастающими требованиями
к качеству и надежности сложных технических систем, таких как
бортовые навигационные комплексы, системы управления авиационно-космическими объектами, регулируемые автоматизированные электроприводы и т. д., все они относятся к классу динамических систем. Процесс проектирования любых технических
устройств и систем, в том числе динамических систем (ДС) реализуется по этапам. Обычно эти этапы проектирования задаются ГОСТом Российской Федерации, конкретизируются для определенной
отрасли промышленности соответствующим ОСТом и уточняются на каждом конкретном предприятии в стандарте предприятия
(СТП), учитывающем те или иные особенности, специфику и традиции предприятия.
Общепринятыми являются следующие этапы проектирования:
1. Разработка
����������������������������������������������������
и согласование технического задания (ТЗ).
2. Техническое
������������������������
предложение.
3. Эскизный
����������������
проект.
4. Рабочий
������������������������������������������������
проект с изготовлением опытных образцов.
5. Испытания.
����������
На каждом этапе проектирования проводится соответствующая
работа по разработке необходимых технических решений и их сопоставлению с критериями и ограничениями, определяемыми целями проектирования и возможностями проектной организации.
С методологической точки зрения процесс проектирования можно
представить в виде сходящейся конусообразной спирали (рис 1.1),
число витков которой соответствует числу перечисленных этапов
проектирования [9].
Каждый виток такой спирали соответствует определенному этапу проектирования, на каждом из которых обязательно осуществляется процесс уточнения и конкретизации критериев и ограничений, сформулированных в ТЗ. По мере продвижения к окончательному проекту спираль закручивается, уменьшаясь в размерах,
что соответствует тому факту, что по мере разработки происходит
исключение из рассмотрения всех негодных, побочных и малозначащих проектных решений. В результате при переходе на следующий этап проектирования (виток спирали) в рассмотрении остаются только те проектные решения, которые, будучи воплощены в
техническую документацию, и составят окончательный результат
10
Приближение
к цели, критериям
проектирования
Испытания
Изготовление
опытных образцов
Рабочее
проектирование
Эскизный
проект
Согласование
ТЗ
Техническое
предложение
Стоимость
Стабильность
Надежность
Динамическая
ошибка
Статическая
ошибка
Готовность
Габариты
Запас
устойчивости
Вес
Начало, исходные данные
Рис. 1.1. Представление процесса проектирования
проектирования. Диаметр каждого витка этой условной спирали
сужается, отражая характерную черту процесса проектирования –
продвижение от широкой, расплывчатой, неопределенной во многих деталях начальной итерации проекта к конкретному завершенному в технической документации и опытном образце окончательному проекту.
Рассмотрим последовательно содержание каждого из этапов
проектирования.
Этап разработки и согласования технического задания обычно реализуется во взаимодействии предприятия – «Заказчика» и
предприятия – «Исполнителя», которое непосредственно осуществляет процесс проектирования в ходе выполнения научно-исследовательской работы (НИР). «Заказчик», естественно, стремится
получить от «Исполнителя», все, что он хотел бы воплотить в про11
екте. «Исполнитель» исходит из конкретных возможностей своего
предприятия по кадровому составу, ресурсов (материальных и технических), научного и технического задела, опыта аналогичных
разработок и т. д.
В любом случае идейная основа технического задания на НИР
исходит от «Заказчика», который должен сформулировать одну
из важнейших составных частей ТЗ, а именно: требования к техническим характеристикам проектируемого (разрабатываемого)
устройства. Предварительный вариант ТЗ разрабатывается «Исполнителем» и утверждается с «Заказчиком». При этом «Исполнитель» в результате предварительных расчетов и оценок должен
обязательно убедить «Заказчика» в существовании решения задачи проектирования, что соответствует на спирали, представленной
на рис. 1.1, возможности достижения вершины конуса (сходимости спирали проектирования к проекту при заданных условиях и
ограничениях).
В результате проведенных на этом этапе необходимых работ
«Исполнителем» формулируется текст ТЗ как официальный документ, который выполняется по ГОСТ 15101- 95 и утверждается
«Исполнителем» и «Заказчиком». В соответствии с этим ГОСТом
оно должно включать в себя следующие обязательные разделы:
1. Наименование
�������������������������������������������������������
изделия, цель и задачи НИР, область применения.
2. Основание
�����������������������������
для выполнения НИР.
3. Требования
�����������������������������������������
к техническим характеристикам.
4. Условия
���������������������
эксплуатации.
5. ���������������������������������������������������������
Экономические показатели – затраты на проектирование, источники финансирования.
6. Условия
���������������������
производства.
7. Порядок
����������������������������������������
испытаний и ввода в эксплуатацию
8. Сроки
��������������������������������������
проектирования (выполнения НИР).
Кроме этих основных разделов «Заказчик» НИР с учетом специфики и особенности выполнения НИР может включать в ТЗ различные, добавочные этапы и разделы, а также по согласованию с
«Исполнителем» уточнять содержание отдельных этапов и разделов.
Техническое задание на проектируемую динамическую систему
в целом порождает множество так называемых частных ТЗ на её
отдельные устройства и элементы, в частности на средства её диагностирования. Эти ТЗ согласовываются между подразделениями
предприятия «Исполнителя», и процесс согласования уже частного ТЗ повторяется, но на более низком уровне.
12
Этап технического предложения предназначен для исследования и разработки принципов построения динамических систем,
решение вопросов выбора готовых или разработки новых её устройств, определения путей и способов проектирования. На этом
этапе формируются функциональная и структурная схемы ДС,
осуществляются предварительные расчеты и оценки, что на спирали проектирования (рис. 1.1) эквивалентно прохождению второго
витка спирали с уточнением и проверкой всех ранее установленных критериев и ограничений. Для проверки возможности выполнения тех или иных устройств ДС применяются: анализ прототипов, их математическое моделирование и испытание физических
макетов. Осуществляются предварительные конструкторские и
технологические проработки по стыковке отдельных устройств. В
случае необходимости разработки недостающих устройств разрабатываются частные ТЗ на эти устройства. Этап завершается защитой
аванпроекта – предварительного проекта, который, развивая ТЗ,
предопределяет переход к следующему этапу проектирования. Он
содержит не только задание, условия и ограничения, но и предварительные данные по будущей системе, а именно, варианты структурных и функциональных схем всей системы и её устройств, необходимые расчеты точности, массы и габаритов, предложения по
конструкторским и технологическим решениям.
Этап эскизного проектирования начинается с данных, зафиксированных в аванпроекте (входные данные), и заканчивается разработкой принципиальной схемы ДС и её устройств (выходные данные).
Именно принципиальные схемы, выбранные и детально обоснованные из имеющихся в наличии, разработанные, при условии
отсутствия готовых, проверенные математическим моделированием, испытаниями на макетах, служат основой для разработки конструкторской и технологической документации по изготовлению
ДС и её устройств в заводских условиях. Принципиальные схемы
являются неотъемлемой частью проекта, что качественно отличает
этот этап от предыдущих.
На этапе эскизного проектирования осуществляется декомпозиция (разбиение) системы на устройства, а устройств на блоки и
элементы. Вновь уточняются все критерии, условия и ограничения, которые все более конкретизируются. Документация, выпускаемая на этом этапе, за исключением принципиальных схем, называется эскизной. Она носит временный характер и служит для
изготовления отдельных экспериментальных макетов и образцов
устройств. Такая документация содержит эскизы конструкций,
13
технологических карт, монтажных схем, условий технической
эксплуатации, предварительное программное обеспечение микроЭВМ и микроконтроллеров, применяемых в составе ДС, программы проведения лабораторных стендовых испытаний. По эскизной
документации на опытном производстве изготавливаются макеты
проектируемых устройств. Макеты устройств объединяются в итоговую систему, которую подвергают стендовым испытаниям.
Параллельно проводятся необходимые расчеты и моделирование отдельных устройств системы, составляются алгоритмы работы микроЭВМ и микропроцессоров, решаются задачи анализа
и синтеза регуляторов в системе, оптимизация её параметров. В
дальнейшем проводятся конструкторские расчеты устройств системы на прочность, жесткость, составляются и отлаживаются программы для микроЭВМ и микроконтроллеров, рассчитывается
надежность, проводится детальное технико-экономическое обоснование проекта. Эскизный проект выпускается в виде нескольких
книг текстовой и эскизной конструкторской документации. По
результатам эскизного проекта вносятся изменения и уточнения
в ТЗ, проводится оценка «заказчиком» правильности выполнения
процесса проектирования и возможности достижения цели проектирования, соответствия этой цели принятых при проектировании
принципов и технических решений.
Этап рабочего проектирования предназначен для разработки
полного комплекта технической документации, необходимой и
достаточной для изготовления проектируемой системы и её устройств на заводе. Начало этого «витка» процесса проектирования
отсчитывается от результатов, зафиксированных в эскизном проекте (принципиальных схем), а заканчивается этот этап электрическими, кинематическими, монтажными схемами, конструкторскими чертежами общего вида и деталей, спецификациями комплектующих изделий и материалов, программной документацией
для микроЭВМ и микроконтроллеров (блок-схемы алгоритмов и
программ, листинги, описание программ, инструкции программиста и др.), технологической документацией (технологические и
маршрутные карты). В соответствии с требованиями ЕСКД в рабочем проекте должны быть следующие обязательные документы [9]:
1. Чертежи деталей. 2. Сборочный чертеж. 3. Теоретический чертеж. 4. Габаритный чертеж. 5. Монтажный чертеж. 6. Схема.
7. Спецификации. 8. Ведомость спецификаций. 9. Ведомость согласования документов. 10. Ведомость паспортов изделий. 11. Ведомость согласования применения покупных изделий. 12. Ведомость
держателей подлинников. 13. Технические условия. 14. Програм14
ма и методика испытаний. 15. Таблицы результатов испытаний.
16. Конструкторские расчеты. 17. Документы на прочие расчеты.
18. Патентный формуляр. 19. Условия эксплуатации. 20. Документы на ремонтные работы. 21. Карта технического уровня и качества
продукции.
По ЕСТД технологическая документация на проектируемую
систему содержит 14 документов, один из которых графический
(карта эскизов), а среди основных текстовых следует выделить:
1.Маршрутная карта. 2. Ведомость деталей сборочных единиц.
3. Типовой технологический процесс. 4. Карта технологического
процесса. 5. Операционная карта.
В процессе рабочего проектирования по конструкторской и технологической документации изготавливаются опытные образцы
системы и её устройств.
Этап испытаний является неотъемлемой частью процесса проектирования. Испытания прототипов и отдельных макетов начинаются уже на первых стадиях проектирования, а испытаниями
опытных образцов завершается процесс проектирования.
Различают следующие типы испытаний:
– стендовые лабораторные, проводимые на этапах технического
предложения и эскизного проектирования;
– заводские (межведомственные);
– натурные.
При лабораторных испытаниях на отдельные макеты устройств
и всей системы задаются завышенные возмущения по отношению
к требованиям ТЗ. Это делается для того, чтобы выявить уже на
ранних этапах проектирования непригодные проектные решения и
убедиться в правильности принципиальных проектных решений.
По результатам лабораторных испытаний оформляются протоколы, которые включают в отчеты по аванпроекту, эскизному проекту и в техническую документацию проекта в целом.
Заводские испытания проводятся после изготовления опытных
образцов. Эти испытания осуществляются на заводе и предназначены для проверки функционирования динамической системы и
всех её характеристик после сборки и стыковки устройств системы в заводских условиях. Аналогичные испытания проводятся
по каждому из устройств системы. Такие испытания, называемые
также межведомственными, служат для выявления работоспособности проектируемой системы в целом, установления соответствия
требованиям ТЗ стыковочных характеристик различных устройств
системы, локализации мест неисправностей и т. д. Протоколы заводских испытаний входят в техническую документацию проекта.
15
Завершают этот этап натурные испытания всей системы. Поскольку при всех перечисленных видах испытаний зачастую не удается воспроизвести реальную обстановку эксплуатации динамической системы (полет летательного аппарата, работу системы электроснабжения в условиях конкретной городской сети и т. д.), то во
время натурных испытаний, проводимых специальной комиссией
с участием «Заказчика» и государственной приемки, спроектированная система работает в тех же условиях и на тех же объектах,
для которых она проектируется. Протоколы результатов натурных
испытаний являются одним из основных документов выполненного проекта.
16
2. ВВЕДЕНИЕ В ДИАГНОСТИКУ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
2.1. Основные понятия и определения
Термин “диагностика” происходит от греческого слова “диагнозис”, что означает распознавание или определение. Под технической диагностикой понимается наука об определении состояния
технической системы, в частности динамической системы управления, примером которой может быть система автоматического управления, электронная или электромеханическая система, а также
система автоматизированного электропривода или система электроснабжения. Диагностика технических систем базируется на понятиях и определениях, установленных рядом государственных
стандартов (ГОСТ) Российской Федерации. По ГОСТ 20911-95 [10]
техническая диагностика – отрасль знаний, исследующая техническое состояние объектов диагностирования и проявления технических состояний, разрабатывающая методы их определения, а
также принципы построения и организации использования систем
технического диагностирования (СТД).
Техническое диагностирование динамической (электромеханической) системы представляет собой процесс определения её технического состояния и локализацию дефектов.
Результатом диагностирования является заключение о техническом состоянии ЭМС с указанием места, вида и причины дефекта
(дефектов).
Под объектом диагностирования (ОД) понимается динамическая система или её часть – устройство, блок или элемент, техническое состояние которых подлежит определению.
Техническое состояние – совокупность свойств объекта (динамической системы), подверженных изменению в процессе производства, эксплуатации и хранения, характеризуемых в определенный момент времени признаками (параметрами), установленными
технической документацией на этот объект.
Признаками технического состояния могут быть определенные
области значений качественных и количественных характеристик
свойств объекта.
В зависимости от фактических значений признаков видами технического состояния объектов диагностирования являются:
– исправность (неисправность);
– работоспособность (неработоспособность);
– правильное функционирование (неправильное функционирование).
17
Неисправность, неработоспособность и неправильное функционирование вызваны появлением каких-либо дефектов в объекте
диагностирования. Диагностирование, целью которого является
определение места и при необходимости вида и причины дефекта
объекта есть поиск дефекта.
Поиск дефектов осуществляется при помощи тех или иных технических средств диагностирования (СД), путем различного рода
экспериментов над ОД. Классификация используемых на практике
СД будет в дальнейшем представлена в подразд. 2.3.
Исправность – состояние ОД (динамической системы), при котором он (она) соответствует всем требованиям, установленным
нормативно-технической документацией (НТД). Если хотя бы одно
из требований нормативно-технической документации на ОД не
выполняется – объект неисправен. Диагностирование при контроле исправности ОД есть проверка исправности объекта. Динамическая система считается исправной, если в ней нет ни одного дефекта.
Проверка исправности требует проведения полного комплекса испытаний для оценки технического состояния объекта диагностирования и поэтому наиболее сложна.
Работоспособность – состояние ОД, при котором он способен
выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров в пределах, установленных НТД. При этом неосновные
параметры (характеристики) могут не соответствовать требованиям НТД (наличие коррозии, нарушение окраски и т. д.). Понятие
“работоспособность” уже, чем понятие “исправность”. Допускается наличие дефектов, не приводящих к потере основных функций ОД (динамической системы). Работоспособный объект может
быть неисправным, однако его повреждения при этом не настолько
существенны, чтобы препятствовать нормальному его функционированию (т. е. выполнению заданных функций). Например, резервированный объект может быть работоспособным, несмотря на
наличие неисправности в резервных компонентах или связях. Следовательно, работоспособный объект может быть неисправным, но
исправный объект всегда работоспособен. Диагностирование при
контроле работоспособности объекта есть проверка работоспособности. Проверка работоспособности также достаточно трудоемка,
поскольку предполагает анализ правильности выполнения всех заданных функций во всех режимах работы ОД.
Неработоспособность – состояние, при котором значение хотя
бы одного параметра, определяющего способность ОД (динамической системы) выполнять заданные функции не соответствует требованиям НТД.
18
Переход ОД из работоспособного в неработоспособное состояние
в заданных условиях применения называется отказом.
По характеру возникновения отказы делятся на:
– внезапные отказы, характеризующиеся скачкообразным изменением параметров объекта с выходом этих параметров за пределы, установленные техническими требованиями;
– постепенные отказы, характеризующиеся постепенным выходом параметров объекта за пределы, установленные техническими требованиями;
– сбой – это самоустраняющийся отказ, приводящий к кратковременному нарушению работоспособности.
Если ОД содержит в своем составе ЭВМ, то сбой может привести
к полной потере информации, содержащейся в ЭВМ, и тогда самовосстановление аппаратуры после сбоя уже не приведет к восстановлению работоспособности всей системы. При этом сбой перерастет во внезапный отказ.
При одном и том же существующем техническом состоянии ОД
может быть работоспособным для одних условий применения и неработоспособным для других. Например, авиационный двигатель
после перехода в неработоспособное состояние на самолете может
оказаться работоспособным в качестве источника механической
или тепловой энергии в установках наземного применения (в других условиях применения или использования). Каждый объект может в общем случае находиться в одном из многих работоспособных
и неработоспособных состояний. Однако в дальнейшем считаем, что
ОД обладает только одним работоспособным состоянием, т. е. различные сочетания значений неосновных параметров, которые не
соответствуют требованиям НТД, можно объединить в одну группу.
Число же неработоспособных состояний ОД (динамической системы) определяется числом возможных отказов элементов и их групп
(сочетаний) и зависит от принимаемой подробности контроля.
Правильное функционирование – состояние объекта, при котором он способен выполнять в текущий момент времени предписанные ему алгоритмы функционирования со значениями параметров,
соответствующими установленным требованиям. Объект может находиться в таком неработоспособном состоянии, что он правильно
функционирует в одних режимах работы и неправильно в других,
т. е. в правильно функционирующем объекте могут быть неисправности, которые не позволяют ему правильно работать в других режимах работы. Так неисправность промежуточного реле времени в
контакторных панелях управления электроприводами не изменит
правильности функционирования электродвигателя на данной ско19
рости, но вызовет неисправность электропривода при повторных
пусковых режимах. Таким образом, можно утверждать, что работоспособный объект всегда правильно функционирует во всех режимах работы. Диагностирование при контроле правильного функционирования объекта есть проверка функционирования. Проверка правильности функционирования требует меньших затрат.
Обычно она выполняется в рабочих режимах работы и оценивает
работу ОД в данный момент реального времени при конкретном рабочем входном сигнале. При этом возможно наличие дефектов, не
проявляющихся в данном режиме или при данном входном сигнале (такие дефекты будут обнаружены, как только они приведут к
неправильному функционированию ОД). Достоинством проверки
правильности функционирования является оперативность получения информации о переходе ОД в неисправное состояние, недостатком – невысокая полнота контроля.
Некоторый минимальный (не подлежащий расчленению в дальнейших конкретных условиях) эксперимент над ОД, характеризующийся определенным рабочим или тестовым воздействием, поступающим или подаваемым на объект, а также составом признаков
(параметров), образующих ответ объекта на соответствующее воздействие, представляет собой элементарную проверку. Конкретные значения признаков (параметров), получаемые при диагностировании, являются результатами элементарных проверок или
значениями ответов объекта.
Совокупность элементарных проверок, последовательность (или
последовательности) их реализации и правила анализа результатов
реализуемых элементарных проверок представляют собой алгоритм диагностирования.
Для выявления технического состояния ОД используются специальные методы и технические средства контроля, диагностики и
прогнозирования.
2.2. Цели и задачи контроля, диагностирования и
прогнозирования технического состояния
электромеханических систем
Оценка технического состояния объектов (динамических систем) может преследовать цели контроля, диагностики и прогнозирования технического состояния соответствующих объектов (устройств, блоков и элементов, входящих в их состав) [11].
Под контролем технического состояния понимается определение вида технического состояния объекта контроля.
20
Всякий объект, состояние которого подвергается контролю, называется объектом контроля (ОК).
Под диагностированием понимается анализ полученных при
контроле данных о виде технического состояния объекта с целью
локализации (определения места и вида) дефекта (дефектов) и определения их причин.
Таким образом, объекты контроля и их составные части, техническое состояние которых подлежат определению при уже известном виде состояния, в котором они находятся с целью локализации
дефектов, называются объектами диагностирования (ОД).
Следовательно, путем диагностирования определяются принятые к рассмотрению конкретные состояния из известных видов
технических состояний объектов. Например, если путем контроля работоспособности 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. В то же время объект
контроля в определенных условиях может и не быть объектом диагностирования. Так, например, при отказе той или иной системы
самолета в полете требуется ее выключить и перейти на резервное
оборудование, не занимаясь вопросами диагностирования, т. е. поиском отказавшего элемента, блока, узла системы. Как правило,
техническое диагностирование осуществляется на земле по результатам контроля и регистрации параметров, зафиксированных в полете.
Под прогнозированием технического состояния понимается определение технического состояния объекта контроля на предстоящий интервал времени (другими словами прогноз – это предвидение).
Объекты, техническое состояние которых прогнозируется на
определенный интервал времени, называются объектами прогнозирования (ОП).
Взаимосвязь процессов контроля, операций диагностирования
и прогнозирования технического состояния ЭМС представлена на
рис. 2.1.
Цель контроля заключается в оценке только вида технического
состояния исследуемой системы (объекта); т. е. другими словами
контроль технического состояния заключается в обнаружении (выявлении) исправности, неисправности, работоспособности, неработоспособности, правильности или неправильности функционирования объекта (ЭМС).
21
Прогнози рование
Диагностика
X
Y
Объект
контроля
Y*
Измерение
контроли руемых параметров
Определение вида
технического состояния (ТС)
Выдача
информации о ТС
Новое ТС через время T,
либо время Тх в течение
которого ТС = const
Место, вид
и причина
дефекта
Исправен/
неисправен
работоспособен/
неработоспособен
правильное/
неправильное
функционирование
Управление контролем
Рис. 2.1. Структура схемы контроля, диагностирования и прогнозирования технического состояния ЭМС: Y – вектор контролируемых характеристик ЭМС; Y�
* – результат измерения вектора
Y� средствами контроля; Х – вектор входных сигналов
Задачи контроля ЭМС заключаются в следующем:
– измерение контролируемых параметров ЭМС;
– анализ полученных данных с целью распознавания вида технического состояния ЭМС;
– управление процессом контроля;
– выдача информации о виде технического состояния ЭМС.
Цель диагностирования заключается в своевременной оценке
технического состояния ЭМС (динамической системы) – работоспособности или неработоспособности и в обнаружении причин нарушения работоспособности, т. е. цель диагностирования заключается в распознавании вида технического состояния и локализации
места отказа.
Цель диагностирования ЭМС, определяющая процесс определения её технического состояния с необходимостью локализации
отказов, предопределяет при её реализации решение следующих
задач диагностирования:
– изучение ЭМС как объекта технического диагностирования,
формирование диагностической модели;
22
– анализ диагностируемости;
– выбор диагностируемых параметров;
– выбор метода диагностирования и построение алгоритмов диагностирования;
– разработка (проектирование) средств диагностирования;
– проведение необходимых измерений и обработка полученной
информации;
– получение результатов диагностирования.
Задача изучения ЭМС как объекта диагностирования связана с
исследованием функционирования исправного состояния ЭМС, выделением элементов ЭМС и связей между ними, анализом возможных их технических состояний, определение параметров, характеризующих техническое состояние ЭМС, пределов, характера изменения и технической возможности их контроля, оценкой степени
детализации возможных мест, видов, причин и частоты появления
дефектов (глубины диагностирования), сбором данных о затратах,
связанных с осуществлением элементарных проверок.
Для решения перечисленных задач требуются экспериментальные исследования и анализ процедур диагностирования конкретных промышленных систем электропривода и электроснабжения.
Указанный фактор является наиболее уязвимым в области диагностирования, так как в технической литературе основное внимание,
как правило, уделяется вопросам разработки ЭМС, результаты же
их экспериментального исследования и особенно исследования возможных технических состояний отдельных элементов и всей ЭМС
отражены слабо.
Стремление к теоретическому обобщению процесса диагностирования ЭМС при ограниченной информации о её техническом
состоянии предопределяет широкое использование формального
описания ЭМС (в аналитической, табличной, векторной иди другой
форме), т. е. её математической модели. Таким образом, представление ЭМС и её отдельных элементов математической моделью диагностирования в сочетании с анализом основных режимов работы и
особенностей функционирования, является начальным и важнейшим этапом в решении задач диагностирования ЭМС. Чем полнее
математическая модель ЭМС, тем более тонкие вопросы диагностирования доступны для рассмотрения, тем больше достижимая глубина поиска дефектов.
Глубиной поиска дефекта называется степень детализации при
техническом диагностировании, указывающая, до какой составной части объекта определяется место дефекта.
23
Можно выделить следующую последовательность типовых математических моделей, расположенных по мере их усложнения [12]:
– графические и логические модели;
– модели в виде конечных автоматов и сетей Петри;
– линейные динамические модели;
– нелинейные динамические модели.
Графические и логические модели получили наибольшее распространение на практике в силу своей простоты и наглядности.
Они хорошо отражают цепочки причинно-следственных связей
между явлениями и позволяют формализовать процедуру поиска
дефектов. В то же время они имеют очевидные недостатки (допусковый характер контроля, необходимости исключения контуров
обратных связей, установки большого числа датчиков и др.), накладывающие ограничения на область их применения.
В тех случаях, когда возможности логических моделей не позволяют обеспечить заданных требований по качеству диагностирования (чувствительность контроля, глубина поиска дефектов и
т. п.), следует переходить к более содержательным моделям, таким
как конечные автоматы, сети Петри, статические и динамические
аналитические модели, полнее отражающим свойства, поведение
проверяемого объекта и характер дефектов. Таким образом, диагностическая модель ЭМС – это математическая модель объекта,
учитывающая возможные источники дефектов и погрешностей
(модель объекта плюс модель дефектов). Выбор той или иной модели дефектов производится с учетом конкретных особенностей объекта и опыта его эксплуатации. При этом реальные погрешности и
дефекты обычно отображаются в модели опосредованно в виде дополнительных входных сигналов или в виде изменения некоторых
параметров, например, коэффициентов уравнений. В курсе лекций
основное внимание будет уделено наиболее простым и отработанным графическим и логическим математическим моделям.
Следующая задача диагностирования ЭМС связана с использованием построенной диагностической модели для анализа диагностируемости, т. е. для выявления множества ненаблюдаемых дефектов, классов эквивалентных и неразличимых дефектов, оценки
чувствительности диагностирования. При этом речь идет потенциальных характеристиках диагностируемости, без привязки к конкретному методу контроля или набору диагностических признаков.
На следующем этапе реализации цели диагностирования решается задача выбора диагностических признаков. Под диагностическими признаками понимаются характеристики ЭМС, используемые для определения её технического состояния. К ним относятся,
24
во-первых, характеристики и параметры объекта, определяемые
целью исследований, и, во-вторых, переменные и параметры, подлежащие прямому экспериментальному измерению. В технической диагностике эти параметры называются прямыми и косвенными диагностическими признаками.
Выбор совокупности непосредственно измеряемых диагностических параметров представляет собой ответственный этап, от которого во многом зависит качество, точность и эффективность всего эксперимента. Требования, которым должны удовлетворять диагностирующие параметры, формулируются в виде принципа “трех И” [12]:
измеримость, информативность, инвариантность.
Измеримость параметра означает, что он должен допускать возможность непосредственного измерения с помощью соответствующего датчика (скорости, температуры, давления и т. д.). Информативность параметра означает, что он должен нести существенную
информацию о дефектах и допускать возможность количественного определения их характеристик. Инвариантность параметров означает, что он должен иметь малую (в идеале – нулевую) чувствительность к шумам и помехам.
К сожалению, одновременное выполнение перечисленных требований на практике не всегда возможно. Если диагностические
параметры одновременно не удовлетворяют перечисленным принципам, то необходимо удовлетворять в первую очередь требования измеримости, а в отношении двух других требований идти на
разумный компромисс.
Четвертая по списку задача диагностирования связана с выбором метода диагностирования и построением алгоритмов диагностирования. Традиционно в технической диагностике различают тестовое и функциональное диагностирование.
Тестовое техническое диагностирование – диагностирование,
при котором на объект от системы контроля (диагностики) подаются специальные тестовые воздействия. В этом случае объект обычно не используется по прямому назначения, а работает только в целях его диагностики. Однако если тестовые воздействия не мешают
нормальному рабочему функционированию объекта, то тестовое
диагностирование может применяться и в процессе его функционирования. Поскольку источником тестовых воздействий является система контроля, то состав и последовательность воздействий
можно выбрать из условий максимальной эффективности контроля. Каждое очередное воздействие при диагностировании назначается в зависимости от ответов объекта на предыдущие воздействия.
Тестовые воздействия подаются как на основные входы объекта,
25
необходимые для применения его по назначению, так и на дополнительные входы, организованные специально для целей диагностирования. Аналогично ответы объекта снимаются как с основных,
так и с дополнительных выходов. Выходы объекта называются
контрольными точками.
Функциональное техническое диагностирование осуществляется в процессе непосредственного использования объекта диагностирования по назначению, когда на него поступают только рабочие
воздействия, предусмотренные алгоритмом функционирования
объекта. В некоторых случаях рабочие воздействия могут одновременно подаваться и на средство диагностирования. Функциональное диагностирование обеспечивает возможность немедленного реагирования системы контроля и управления объектом на нарушение
правильности функционирования, переключения режимов работы
объекта, отключения отказавших элементов и т. д. В результате повышается эффективность диагностирования. Недостатком данного
вида диагностирования является то, что рабочие воздействия не
могут выбираться из условий оптимальности процесса диагностирования и не всегда обеспечивается необходимая его глубина.
Отдельное тестовое или рабочее воздействие на объект и снимаемый с него ответ называются элементарной проверкой объекта.
При одном тестовом воздействии одновременно могут контролироваться несколько контрольных точек, т. е. фиксироваться несколько ответов объекта. В этом случае число элементарных проверок
определяется числом контролируемых ответов.
Тест диагностирования – есть определенная совокупность тестовых воздействий и последовательность их выполнения, обеспечивающая диагностирование.
Тест, предназначенный для проверки работоспособности объекта, является проверяющим тестом; тест, обеспечивающий поиск
места отказа, называется тестом поиска отказа, или различающим тестом.
Алгоритмом диагностирования называется совокупность элементарных проверок, последовательность (последовательности) их
реализации и правила анализа результатов реализуемых элементарных проверок.
Задача построения алгоритмов диагностирования ЭМС связана
с разработкой методов определения и оптимизации алгоритмов поиска дефектов с учетом показателей надежности элементов ЭМС,
временных, материальных и других затрат на реализацию алгоритмов.
26
Проблемы, возникающие при математическом описании ЭМС
и разработке на его основе алгоритмов диагностирования объекта
тесно взаимосвязаны [1]. Как и при построении математических
моделей ЭМС, отсутствие достоверных данных по ряду показателей
надежности и затрат на реализацию алгоритмов диагностирования
для большинства элементов ЭМС делает применение теоретически
обоснованных в литературе алгоритмов [5,13,14] весьма спорным
и небезупречным. В результате применительно к автоматизированному электроприводу, являющемуся наиболее массовым примером ЭМС, создалась противоречивая картина. С одной стороны,
широкая известность математического аппарата, используемого
при разработке оптимальных алгоритмов диагностирования ЭМС
[2,3,4,8], с другой – отсутствие конкретных алгоритмов для большинства основных элементов и систем управления электроприводами, в частности, устройств силовой электроники (управляемых выпрямителей, автономных инверторов напряжения и тока,
полупроводниковых преобразователей частоты), регуляторов,
датчиков, систем автоматического регулирования электроприводов. Вместе с тем, имеющиеся теоретические работы по системам
технического диагностирования динамических систем [12] не доведены до практической реализации развитых в них алгоритмов
применительно к конкретным ЭМС. Многообразие функций, которые должны выполнять средства диагностирования (измерение
контрольных сигналов, анализ их допустимых уровней, вынесение
решений о техническом состоянии объекта, выдача информации о
результатах диагностирования и т. п.), в совокупности с широким
классом совместно работающих непрерывных и дискретных, нелинейных многомерных и многосвязных объектов диагностирования
в составе ЭМС создают существенные трудности, как при построении алгоритмов их диагностирования, так и при синтезе (разработке) и практической реализации автоматических систем контроля и
диагностики (АСКД). Указанная проблема усугубляется и тем, что
конструктивные решения, принятые для большинства схем управления ЭМС, как правило, мало учитывают потребности их диагностирования, часто затрудняя доступ к наиболее информационным
сигналам управления. В этих условиях весьма актуальны задачи
унификации при аппаратурном или программном способе реализации средств диагностирования, а также путях их интеграции в
разрабатываемые ЭМС.
Последние из перечисленных задач диагностирования относятся к непосредственному проведению измерений, их математической (в том числе статистической) обработке и формированию окон27
чательного результата. Цель обработки косвенных диагностических признаков состоит в отбраковке недостоверных результатов,
фильтрации помех, пересчете данных прямых измерений в результат и оценке погрешности. Итогом является получение результата
диагностирования (информация о характеристиках дефекта, либо
принятие решения об отнесении объекта к одному из неисправных
состояний). Одновременно оценивается достоверность полученного
диагноза, например, путем указания вероятностей ошибок первого
и второго рода (вероятностей ложного обнаружения и пропуска дефекта).
Далее по результатам диагностирования может приниматься решение о реконфигурации ЭМС либо изменении режима её работы,
ремонте или замене неисправного блока и т. п. Однако эти мероприятия уже выходят за рамки технической диагностики и относятся
к сфере обеспечения работоспособности, надежности, живучести и
безопасности динамических систем.
Цель прогнозирования заключается в определении технического состояния объекта контроля на предстоящий интервал времени,
а также определение интервала времени, в течение которого объект
контроля сохранит данное, зафиксированное техническое состояние.
Достижение поставленной цели связано с решением следующих
задач:
– разработка методов прогнозирования работоспособного состояния на заданный период времени работы объекта;
– разработка методов определения упреждающих допусков на
выходные параметры из условий прогнозирования безотказной работы объекта;
– прогнозирование межпрофилактических периодов для объекта контроля и определение упреждающих допусков на контролируемые параметры.
Прогнозирование технического состояния ЭМС является отдельным, самостоятельным и чрезвычайно важным этапом определения её состояния и в данном курсе лекций не рассматривается.
2.3. Классификация технических средств диагностирования
электромеханических систем
Техническое диагностирование осуществляется путем измерения и контроля количественных значений параметров ЭМС и, возможно, качественных значений признаков, анализа и обработки
результатов их измерения и контроля, а также путем управления
28
объектами в соответствии с алгоритмом диагностирования. Большое разнообразие объектов и задач технического диагностирования привело к тому, что в настоящее время используются средства
диагностирования (СД) самых различных принципов построения
и назначения. Все эти средства отличаются способами технической реализации, конструктивным исполнением и расположением
относительно объекта диагностирования, степенью автоматизации и универсальности, принципами воздействия на объект диагностирования, формой обработки и представления информации
о состояния объекта, режимами работы и рядом других признаков
[1,2,5,6,8,11]. По реализуемой цели технические средства диагностирования делятся на три типа:
– контролирующие;
– собственно диагностирующие;
– прогнозирующие.
Контролирующие средства позволяют оценить только работоспособность объекта диагностирования (электромеханической системы). Это самый простой вид задач, решаемый АСКД.
Диагностирующие средства позволяют сделать заключение не
только о работоспособности объекта (электромеханической системы), но и локализовать дефект, т. е. указать на отказавшее устройство, блок или элемент. При этом глубина диагностирования
зависит от степени детализации объекта диагностирования на отдельные устройства, блоки, элементы и полноты применяемой диагностической модели.
Средства прогнозирующей диагностики позволяют сделать
оценку технического состояния исследуемого объекта (электромеханической системы) в будущие моменты времени на основании
тенденций изменения контролируемых параметров.
Классификация технических средств диагностирования по
выше указанным квалификационным признакам представлена на
рис. 2.2.
По способу технической реализации СД делятся на:
– аппаратные;
– программные;
– программно-аппаратные.
К аппаратным средствам диагностирования относят различные
устройства: приборы, пульты, стенды, специальные вычислительные машины.
Программные средства диагностирования представляют собой
программы, записанные на каком-то носителе (магнитной ленте,
диске, CD�������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������
-������������������������������������������������������
ROM���������������������������������������������������
, во флэш-памяти и т. д.), которые определяют алго29
Аппаратные
По способу
технической
реализации
Программные
Программно-аппаратные
СРЕДСТВА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ
По расположению
относительно
объекта
диагностирования
По степени
универсальности
применения
Внешние
Встроенные
Специализированные
Универсальные
Ручные
По степени
автоматизации
сбора
информации
Автоматизированные
Автоматические
Аналоговые
По форме
обработки и
представления
информации
Цифровые
Аналого-цифровые
По степени
воздействия
на объект
диагностирования
Активные
Пассивные
Рис. 2.2. Классификация технических средств диагностирования
ритм диагностирования соответствующего объекта. Они применимы для объектов, работающих по заранее заданным программам,
например, программируемых контроллеров, микропроцессорных
систем управления, управляющих ЭВМ.
Программы могут обеспечить техническое диагностирование
объекта в процессе использования его по прямому назначению (рабочие программы) либо при кратковременном прерывании функционирования объекта (специальные, испытательные программы).
30
Программные средства в сочетании с аппаратурными образуют
программно-аппаратные средства диагностирования, позволяющие решать задачи самодиагностирования объекта.
По расположению относительно объекта диагностирования
средства диагностирования разделяются на:
– внешние;
– встроенные.
В случае внешнего средства диагностирования оно выполняется отдельно от конструкции объекта диагностирования и подключается к нему лишь в процессе диагностирования. При этом связь
средств с объектом диагностирования осуществляется через специальные линии связи (интерфейсы). В ЭМС простейшими примерами внешних аппаратурных средств могут быть комбинированные
приборы для измерения в цепях постоянного и переменного тока,
тестеры логического состояния (логические анализаторы), сигнатурные анализаторы, электронно-лучевые и цифровые осциллографы, переносные измерительные комплексы и т. д. Они обычно
используются, когда в схемах управления ЭМС не предусмотрены
встроенные средства диагностирования либо их оказывается недостаточно для диагностирования с требуемой глубиной.
Встроенные средства диагностирования являются составной
частью объекта диагностирования, образуя единую систему технического диагностирования (СТД), под которой понимается совокупность средств и объекта диагностирования, а при необходимости и исполнителей, взаимодействующих с объектом диагностирования по правилам, установленным соответствующей нормативно-технической документацией. Вся обработка диагностической
информации в этом случае осуществляется в СТД.
Примером встроенных аппаратурных средств могут быть электроизмерительные приборы (тока, напряжения, мощности, частоты
и т. д.), устройства индикации технического состояния элементов
(реле, светоизлучающие диоды, неоновые лампы и т. п.), устройства контроля изоляции и другие, встроенные в схемы управления
электроприводами часто с целью воздействия результатов диагностирования на работу систем управления. Например, в комплектном тиристорном электроприводе КТЭ 100/200 к числу встроенных
средств диагностирования можно отнести ячейки контроля питания и управляющих импульсов системы импульсно-фазового управления (СИФУ) тиристорного преобразователя (ТП), выходные
сигналы которых в зависимости от технического состояния элементов СИФУ могут запретить или разрешить формирование импульсов управления тиристоров, расположенных в силовой схеме ТП.
31
По степени универсальности применения средства диагностирования бывают:
– специализированными;
– универсальными.
Специализированные СД предназначены для диагностирования
объектов одного типа (однотипных объектов), причем перечень контролируемых параметров и алгоритмов диагностирования жестко задан и не может изменяться.
Универсальные СД предполагают возможность оценивания технического состояния различных объектов с различными конструктивными исполнениями и функциональными назначениями. Они
позволяют измерять большее число параметров и предполагают
применение гибких алгоритмов.
Примером внешних специализированных средств диагностирования являются устройства, широко используемые заводамиизготовителями на стадиях технического контроля для проверки
монтажных соединений, исправности печатных плат, работоспособности отдельных ячеек, блоков или шкафов комплектных электроприводов.
В число встроенных специализированных средств диагностирования могут входить специально разработанные вычислительные
устройства с жестко запрограммированными алгоритмами диагностирования конкретной электромеханической системы.
Универсальные средства диагностирования технически более
сложны. Они включают в себя, как правило, серийные микроЭВМ
с гибкими устройствами управления и программирования, микропроцессорные комплекты и микроконтроллеры.
По степени автоматизации технические средства диагностирования могут быть:
– ручные;
– автоматизированные;
– автоматические.
Применение ручных средств, например тестеров аналоговых
или логических сигналов, требует участия человека-оператора как
в подключении средств к объекту диагностирования, так в принятии решений о его техническом состоянии. Использование ручных
средств дает низкую производительность и недостаточную объективность диагностирования. Как правило, ручные средства выполняются специализированными.
Автоматизированные средства, например сигнатурные или логические анализаторы, требуют частичного участия оператора для
их подключения к объекту и выбора режима диагностирования.
32
Основная же процедура диагностирования, включая выдачу информации о техническом состоянии объекта, осуществляется автоматически.
Автоматические средства (микропроцессорные комплекты,
микро- и миниЭВМ) решают задачи без вмешательства человека.
Автоматизированные и автоматические средства диагностирования могут быть как специализированными, так и универсальными. Они обладают высокими быстродействием и достоверностью
диагностирования.
В зависимости от форм обработки и представления информации
технические средства диагностирования могут быть разделены на:
– аналоговые;
– цифровые;
– аналого-цифровые.
Данный квалификационный признак, кроме формы сигналов
предопределяет и тип используемого оборудования.
В тех случаях, когда диагностика осуществляется по небольшому количеству параметров, представляющих собой непрерывные
функции времени и для их обработки используются простые алгоритмы, возможно применение аналоговых средств диагностирования. Их отличает высокое быстродействие и надежность. Точность
их работы сравнительно невысокая.
Если в средстве диагностики используется микроконтроллер
или микроЭВМ, то её связь с датчиками, выходные сигналы которых являются, как правило, непрерывными функциями времени,
осуществляется посредством аналого-цифрового преобразователя
(АЦП). Такие средства диагностирования относятся к классу аналого-цифровых.
К чисто цифровым средствам диагностирования можно отнести
либо системы с цифровыми сигналами, поступающими от датчиков
непосредственно в микроконтроллер (микроЭВМ), либо средства
диагностирования самого микроконтроллера (микроЭВМ).
По степени воздействия на объект технические средства диагностирования могут быть двух типов:
– активными;
– пассивными.
Активные средства диагностирования воздействуют на объект,
посылая в него сигнал, вызывающий реакцию объекта, которая затем и анализируется. Возмущающие сигналы могут быть импульсными, ступенчатыми, гармоническими и др.
Пассивные средства выполняют лишь измерения, обработку и
оценку сигналов, характеризующих состояние объекта.
33
Из всего многообразия средств диагностирования электромеханических систем наибольшее применение в настоящее время находят аппаратурные средства для определения работоспособности и
неисправности отдельных элементов или локальных систем управления электроприводами. Программные и программно-аппаратные
средства диагностирования получают в настоящее время широкое
внедрение по мере распространения микропроцессорных систем
управления электроприводами и системами электроснабжения.
Большие перспективы разработчики автоматических систем контроля и диагностики связывают с нейрокомпьютерами и искусственными нейронными сетями, работы по которым активно ведутся
в последнее время.
2.4. Технические требования к средствам диагностирования
электромеханических систем
При проектировании и эксплуатации технических средств диагностирования ЭМС различного класса чаще всего необходимо учитывать следующие показатели [1]:
– номинальные и допустимые значения входных и выходных
сигналов (токов, напряжений, мощности);
– требуемые статическая и динамическая точность их измерения;
– число диагностируемых сигналов, определяющее глубину диагностирования;
– достоверность и быстродействие диагностирования;
– техническая и метрологическая надежность;
– способ связи с объектом диагностирования;
– форма представления результатов диагностирования.
Перечисленные показатели взаимосвязаны и должны быть надлежащим образом согласованы между собой. Рассмотрим основные
из них.
В электромеханических системах приходится контролировать
аналоговые и дискретные сигналы с весьма широким диапазоном
их номинальных значений. Так, выходные сигналы элементов управления и информационно-измерительных устройств находятся
на уровне 0…±5 В по напряжению и 0…±10 мА по току, силовой
части ЭМС на уровне 0…±10000 В и 0…10000 А.
Исходя из требований унификации и ограничения дополнительной
нагрузки со стороны средств диагностирования на элементы ЭМС, целесообразно принять входные токи средств диагностирования в пределах не более ±1 мА, а входные напряжения – не более ±5 В.
34
Выходные сигналы средств диагностирования, технически реализованных, как правило, на тех же элементах вычислительной
техники, что и системы управления ЭМС, должны совпадать по
уровню с выходными сигналами элементов управления ЭМС. Это
дает возможность при необходимости непосредственно управлять
электромеханической системой в функции результатов её диагностирования.
В зависимости от формы передачи информации (аналоговой
или дискретной), статических или динамических характеристик
элементов и системы управления ЭМС технические средства диагностирования могут иметь погрешность измерения, удовлетворяющую ряду ±5; ±2,5; ±1% при полосе равномерного пропускания
100…10000 Гц.
Высокий уровень электромагнитных и технологических помех
в схемах ЭМС, связанный со спецификой работы дискретных ее силовых элементов (силовых полупроводниковых преобразователей,
генераторов высокочастотных колебаний, управляемых выпрямителей и автономных инверторов, работающих в импульсно-модуляционных режимах с высокой частотой переключения силовых
ключей и т. п.) и естественными колебаниями технологических
параметров (например, натяжения и толщины прокатываемого
металла, давления на него прокатных валков и т. п.) предъявляют
высокие требования к помехозащищенности и помехоустойчивости средств диагностирования. Так, при диагностировании электроприводов прокатных станов средства диагностирования должны
сохранять свою работоспособность в условиях электростатических
полей напряженностью до 1000 В/м и магнитостатических полей
напряженностью до 300 А/м в диапазоне частот 10…2000 Гц [1].
Практика проектирования технических средств автоматизации
технологических процессов показывает [15], что при использовании аппаратурных средств диагностирования и соблюдении иерархического принципа выделения дефекта, начиная с диагностирования отдельных функциональных элементов, ячеек, блоков и
заканчивая шкафами, агрегатами и системами управления электроприводами, достаточное число контролируемых диагностических параметров для каждого из них должно быть не более 32…64.
Дальнейший рост числа контролируемых диагностических параметров неоправданно усложняет техническую реализацию средств
диагностирования и может сказаться на увеличении длительности
диагностирования.
Для программных средств диагностирования количество контролируемых параметров определяется емкостью носителя инфор35
мации и при современном уровне развития микроЭВМ и микроконтроллеров и их устройств памяти может быть практически неограниченным.
Достоверность средств диагностирования – свойство обеспечивать соответствие результата диагностирования истинному состоянию объекта – зависит от набора или числа контролируемых
параметров (глубины диагностирования), периода проверки и её
длительности, помехоустойчивости и т. п. Достоверность диагностирования снижается при увеличении длительности периода проверки из-за возможных дефектов объекта за время между проверками. В зависимости от требуемой точности оценки диагностических параметров объекта (оценки исправности, работоспособности
или правильности функционирования) период проверки отдельных
элементов ЭМС может колебаться в широких пределах: от 10-4 секунд при диагностировании неисправности импульсных элементов
(счетчиков, генераторов высокочастотных колебаний, систем импульсно-фазового управления силовых полупроводниковых преобразователей) до 105 секунд при диагностировании работоспособности инерционных систем управления технологическими объектами
и процессами.
Факторы, влияющие на период проверки, определяют целесообразную их длительность. Допустимыми можно считать длительности проверок в пределах 0,1…0,5 периода проверки при диагностировании неисправности импульсных элементов и 10-2 … 10-3 периода проверки при диагностировании работоспособности систем
управления технологическими объектами и процессами.
Быстродействие диагностирования растет по мере снижения
числа контролируемых параметров, выбора из их состава наиболее информативных, применения встроенных средств диагностирования, а также использования программных диагностирующих
средств.
Надежность средств диагностирования, особенно встроенных, по крайней мере, не должна быть меньше уровня надежности элементов и системы управления ЭМС, а также не должна снижать их надежность в процессе диагностирования. В частности,
неисправность средств диагностирования не должна сказываться
на работоспособности объекта. Высокая надежность средств диагностирования может быть обеспечена за счет использования в них
высоконадежных комплектующих элементов и деталей, выбором
схемных и технических решений построения систем, устойчивых
к различным дестабилизирующим факторам, применением резервных устройств, использования самоконтроля и т. п.
36
К техническим средствам диагностирования могут предъявляться высокие требования и по метрологической надежности,
особенно при оценке работоспособности и прогнозирования технического состояния объекта. По отношению к средствам выделения
неисправностей объекта, когда они выражены в логической форме,
метрологические требования могут быть существенно снижены,
поскольку пороговые значения логических сигналов 1 и 0, как правило, различаются заметно.
Для аппаратурных средств диагностирования следует отметить
недопустимость при диагностируемости каких-либо переключений
и разрывов в схемах управления, так как это может нарушить безопасность функционирования объекта и проведения диагностирования.
Способ связи с объектом диагностирования актуален только для внешних средств диагностирования. Для них особо следует отметить необходимость гальванического разделения силовых
электрических цепей объекта и средств диагностирования. Данное
требование диктуется не только условиями надежности работы
низковольтной измерительной цепи средств диагностирования, но
и условиями электробезопасности диагностирования устройств с
высоким (до 1000 В) напряжением. При этом сопротивление изоляции между гальванически развязанными силовыми и информационными цепями должно находиться в пределах 30…40 Мом [1].
Результаты диагностирования должны быть представлены
в удобной для их анализа форме. Обычно это – индикация в виде
световой сигнализации (лампочки, светоизлучающие диоды, табло
со световой информацией, цифровые индикаторы, дисплеи) или в
форме документированной записи (на бумажной или магнитной
ленте, жестком или гибком диске, ��������������������������
CD������������������������
-�����������������������
ROM��������������������
е, интегральных микросхемах постоянных запоминающих устройств).
2.5. Принципы организации систем технического
диагностирования электромеханических систем
Система технического диагностирования (СТД) представляет
собой совокупность средств и объекта диагностирования, а при необходимости и исполнителей, осуществляющих диагностирование
по правилам, установленным соответствующей нормативно-технической документацией.
Системы технического диагностирования имеют различные
принципы построения и организации, которые и определяют их
классификационные признаки (рис. 2.3.).
37
Проверка исправности
По цели
диагностирования
Проверка работоспособности
ПР ИНЦИПЫ О РГАНИЗ АЦИИ С РЕ ДС Т В Д ИАГНО СТ ИРОВ АНИЯ
Проверка правильности
функционирования
Одноуровневые
централизованные
По иерархии
диагностирования
Одноуровневые
децентрализованные
Многоуровневые
По глубине
диагностирования
По воздействию
на объект
диагностирования
По времени
диагностирования
По типу поведения
информационных
сигналов
Локальные
Общие
Тестовые
Функциональные
Периодические
Непрерывные
Детерминированные
Случайные
Статические
По режимам работы
Динамические
Последовательные
По виду приема
и обработки
информации
Параллельные
Последовательнопараллельные
Рис. 2.3. Классификация принципов организации систем технического
диагностирования
В зависимости от целей диагностирования СТД могут предназначаться для проверки:
– исправности;
– работоспособности;
– правильности функционирования.
38
По иерархии диагностирования СТД могут быть:
– одноуровневыми централизованными;
– одноуровневыми децентрализованными;
– многоуровневыми.
Одноуровневые централизованные СТД имеют единый пункт
диагностирования, связанный с объектом, и применяются в основном для диагностирования относительно несложных устройств управления и ЭМС.
Большинство промышленных ЭМС имеют сложную систему
управления, отдельные части которой могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга. Кроме того, в составе технологической установки может быть большое число разнообразных
систем электропривода различных типов и конструктивных исполнений. В этом случае при одноуровневой централизованной СТД
резко возрастают цепи связи (коммуникации), затраты на её реализацию и эксплуатацию. Центральный пункт диагностирования
получится громоздким. Более целесообразной при этом становится
одноуровневая децентрализованная СТД, имеющая в своем составе
несколько самостоятельных пунктов диагностирования одного и
того же объекта (технологической линии).
Однако с помощью одноуровневых СТД не всегда можно оптимально решать задачи диагностирования более сложных многодвигательных электроприводов, например прокатных станов. Здесь
целесообразно переходить к многоуровневым системам диагностирования, когда отдельные электроприводы диагностируются децентрализовано, а затем результаты поступают на следующие по
иерархии пункты диагностирования, где и принимаются окончательные решения.
По глубине диагностирования СТД разделяются на:
– локальные;
– общие.
Локальные системы решают задачи диагностирования лишь отдельных элементов или устройств ЭМС, общие – всех элементов и
устройств без исключения на заданном уровне глубины диагностирования.
По степени воздействия на объект СТД делятся на:
– тестовые;
– функциональные.
Для тестовых систем диагностирование выполняется при подаче
на объект специальных тестовых воздействий, например, в форме
импульсных, ступенчатых, линейно изменяющихся, гармонических и других сигналов. Указанные воздействия могут подаваться
39
на объект, как в периоды его рабочего функционирования, так и
в периоды, когда объект не используется по прямому назначению,
например при наладке или ревизии объекта. В первом случае тестовые воздействия не должны мешать нормальной работе объекта.
Для систем функционального диагностирования процесс диагностирования осуществляется во время функционирования или
имитации функционирования объекта, на который поступают
только рабочие воздействия.
По времени диагностирования различаются:
– периодические;
– непрерывные.
В первом случае диагностирование выполняется через определенные интервалы времени. В непрерывных СТД диагностирование осуществляется постоянно в процессе работы объекта.
По типу поведения информационных сигналов СТД могут
быть:
– детерминированными;
– случайными.
При детерминированном диагностировании каждому множеству
допустимых реакций системы однозначно ставится в соответствие
вполне определенное множество допустимых состояний объекта
диагностирования, и результат диагностирования считается вполне
определенным.
При случайном диагностировании с каждой реакцией системы
связана стохастическая матрица, в соответствии с условными вероятностями которой принимаются определенные окончательные
решения о состоянии объекта диагностирования (с определенной
степенью вероятности).
По режимам работы СТД могут быть:
– статическими;
– динамическими.
В первом случае оценка состояния объекта производится после
завершения в нем переходных процессов, а во втором – на основании анализа характера протекания переходных процессов. Примером статической является система диагностирования непрерывной
системы управления электроприводом по статическим коэффициентам передачи или амплитудно-фазовым частотным её характеристикам. В качестве примера динамической может быть система
диагностирования той же самой непрерывной системы управления
электроприводом по характеру изменения её переходной характеристики при заданном входном воздействии.
40
По виду приема и обработки информации о состоянии объекта
СТД могут разделяться на:
– последовательные;
– параллельные;
– параллельно-последовательные.
Последовательные СТД осуществляют последовательный сбор
и обработку информации о техническом состоянии отдельных элементов и устройств ЭМС. Параллельные СТД производят сбор и обработку информации одновременно для всех элементов и устройств
ЭМС. Параллельно-последовательные СТД диагностируют часть
элементов и устройств параллельно, часть – последовательно.
2.6. Принципы реализации систем технического
диагностирования электромеханических систем
Анализ существующих методов диагностирования позволяет
выявить три фундаментальных принципа, показанных на рис. 2.4,
которые могут быть положены в качестве основных при реализации конкретных систем диагностирования. Первый из них опирается на теорию инвариантов, второй – на применение моделей, третий – на введение и использование аналитической избыточности
[12]. Рассмотрим их более подробно.
Первый принцип требует знания инвариантов объекта диагностирования. Наиболее полное и законченное развитие теории инвариантов получила в классической математике, где инвариантом
называется все то, что остается неизменным при некоторых преобразованиях математических объектов.
ПРИНЦИПЫ РЕАЛИЗАЦИИ
СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО
ДИАГНОСТИРОВАНИЯ
ИНВАРИАНТЫ
Параметрические
МОДЕЛИ
Сигнальные
Дублирование
Наблюдатели
АНАЛИТИЧЕСКАЯ
ИЗБЫТОЧНОСТЬ
Естественная
Искусственная
Редуцированные
Рис. 2.4. Принципы реализации систем технического диагностирова41
Например, длина вектора инвариантна к ортогональному преобразованию системы координат, собственные числа матриц инвариантны к преобразованиям подобия и т. п. В современной теории
систем управления инвариантами называют характеристики динамических систем, остающиеся неизменными при определенных
преобразованиях этих систем. Например, передаточные нули системы инвариантны по отношению к введению в систему обратных
связей, инвариантные показатели управляемости и наблюдаемости
не меняются при введении обратных связей по переменным состояния и произвольных линейных преобразованиях входов, выходов
и переменных состояния. Знание этих и других инвариантов динамических систем существенно облегчает решение задач анализа и
синтеза систем управления, а также решение диагностических задач при реализации конкретных средств диагностирования. При
этом осуществляется выявление некоторых характеристик объектов, остающихся неизменными при его нормальном функционировании и изменяющихся при проявлении дефектов. Далее эти характеристики (инварианты) используются в качестве прямых или
косвенных диагностических признаков.
Они могут быть двух типов – параметрические инварианты и
сигнальные или алгебраические инварианты.
Основная трудность при диагностике по параметрическим инвариантам связана с со сложностью измерения реальных значений
параметров, тогда как их номинальные значения зачастую бывают
известны априорно. При диагностике по сигнальным инвариантам
главная проблема заключается в необходимости непрерывного определения теоретических значений выходных сигналов исходя из
известных текущих значений входных сигналов.
Для определения реальных значений параметрических инвариантов системы управления можно использовать результаты одного
из разделов современной теории автоматического управления – теории идентификации. Основная задача идентификации состоит в
получении или уточнении математического описания объекта по
измерениям его входных и выходных сигналов. В самой общей постановке – это задача получения математического описания «черного ящика», когда априорная информация об объекте полностью
отсутствует. В более типичной для теории идентификации постановке объект представляет собой «серый ящик», когда, например,
требуется определить коэффициенты дифференциального уравнения, тип и порядок которого известны.
В технической диагностике мы обычно имеем дело с «белым
ящиком», когда математическое описание исправного объекта
42
считается полностью известным и требуется оценить отклонение
одного или нескольких параметров от их номинальных значений.
Для решения этой задачи можно в принципе использовать любой
из известных методов идентификации. Однако целесообразно по
возможности упрощать применяемые методы с учетом того обстоятельства, что идентифицируемый объект в исправном состоянии
представляется «белым ящиком».
Для диагностики по сигнальным (алгебраическим) инвариантам привлекать теорию идентификации не требуется. Диагностика
осуществляется путем проверки некоторых алгебраических соотношений (контрольных условий), которым должны удовлетворять
выходные сигналы объекта при отсутствии дефектов.
Второй принцип реализации систем диагностирования опирается на использование моделей проверяемого объекта. Он является
одним из центральных в технической диагностике и лежит в основе
многих методов контроля и диагностики. С наибольшей очевидностью он проявляется в таких хорошо известных методах как контроль на основе дублирования и резервирования, представляющих
собой частные случаи контроля с помощью моделей, подключаемых параллельно объекту. К достоинствам этих методов относится
их универсальность и наглядность. Принцип контроля с помощью
эталонной модели ясен из рис. 2.5.
В простейшем случае дублирования в качестве модели выступает второй экземпляр объекта (эталон), на который задаются те же
входные сигналы X. Контроль производится сравнением выходов
основного и дублирующего объектов в соответствии с векторным
контрольным условием D = Y – Z = 0, которое должно выполняться
непрерывно в процессе функционирования объекта. Методы дублирования и резервирования получили широкое распространение в
различных областях техники. Главный недостаток этих методов –
большие затраты на диагностирование, связанные со значительной
X
Объект
Y
—
Модель-эталон
∆
Z
Рис. 2.5. Принцип диагностики с помощью эталонной модели
43
аппаратурной избыточностью (удвоение, а иногда и утроение аппаратуры).
Для уменьшения аппаратурной избыточности можно в качестве
модели-эталона использовать не дубликат объекта, а его математическую модель. Последняя обычно реализуется в виде компьютерной модели. При этом в зависимости от требований к полноте
и достоверности контроля может использоваться широкий спектр
моделей, начиная от простых, но грубых логических моделей и моделей на основании сетей Петри и кончая значительно более точными и полными динамическими моделями (как линейными, так
и нелинейными).
Размерность динамической модели может совпадать с размерностью объекта, или быть меньше её. В последнем случае говорят
об упрощенной или редуцированной модели.
Ряд методов контроля электромеханических систем основан на
использовании так называемых наблюдателей состояния. В теории
оптимального управления и фильтрации этим термином объединяют фильтры Кальмана, наблюдатели Люенбергера и другие устройства, предназначенные для оценки вектора состояния линейных динамических систем. В общем случае наблюдатель состояния строится на основе модели объекта (рис. 2.6), подключенной параллельно
объекту и охваченной дополнительной обратной связью по сигналу
невязки D. Матричный коэффициент обратной связи К выбирается таким образом, чтобы сигнал Z как можно точнее (например, в
смысле среднеквадратичного критерия) совпадал с сигналом Y.
Очевидно, что имея такого наблюдателя и следя за величиной
сигнала D, можно осуществить непрерывный контроль правильности функционирования системы. При отсутствии дефектов и шумов
сигнал D будет близок к нулю, выход его за некоторые допустимые
пределы свидетельствует о появлении дефектов.
X
Объект
К
Y
∆
Z
Модель
Рис. 2.6. Структура наблюдателя состояния
44
—
В ряде методов контроль осуществляется анализом статистических свойств невязки D, например, оценок её математического
ожидания и дисперсии. Если в качестве наблюдателя применяется фильтр Калмана, то при отсутствии дефектов сигнал D должен
представлять собой «белый» шум. Поэтому для контроля можно
использовать анализ его автокорреляционной функции, ковариационной матрицы и других характеристик [12].
Третий принцип контроля, отображенный на рис. 2.4, связан с
использованием аналитической избыточности. Согласно этому принципу диагностирование динамической системы осуществляется
на основе проверки аналитических зависимостей, существующих
между измеряемыми входами и выходами системы. Точные зависимости (их называют контрольными условиями, соотношениями
паритета, контрольными уравнениями) могут связывать сигналы,
относящиеся к одному и тому же моменту времени – тогда говорят
об алгебраических инвариантах, либо к разным моментам – тогда
говорят о динамических инвариантах или временной избыточности. Из других видов избыточности следует отметить [12] геометрическую, которая отражает наличие кинематических соотношений
между переменными механических систем; структурную (возникает при наличии избыточного числа измерительных датчиков
или при резервировании с дробной кратностью); информационную
(учитывает наличие априорной информации либо коррелированность измеряемых сигналов).
Частным случаем аналитической избыточности является прямая
или естественная избыточность [12]. Она выражается в том, что выходные сигналы y1… yn проверяемого объекта могут удовлетворять
известному алгебраическому соотношению вида F(y1… yn) = c, которое выполняется независимо от значений входных сигналов. Тогда
такое инвариантное соотношение можно использовать при диагностировании в качестве контрольного условия. При этом схема контроля будет содержать только функциональный преобразователь F и
компаратор.
Если естественная избыточность отсутствует, то для получения
инвариантных соотношений применяют введение искусственной
избыточности. Существует несколько регулярных методов введения
избыточности в динамические системы. Одним из первых и наиболее хорошо разработанных методов является метод избыточных
переменных [12]. Его суть поясняет рис. 2.7. Согласно этому методу
исходная совокупность переменных y1… yn дополняется избыточной
переменной z таким образом, чтобы расширенная совокупность переменных удовлетворяла заданному контрольному условию типа
45
D = y + y2 + ... + y n + z = 0.
Введение нескольких избыточных переменных позволяет получить несколько контрольных условий.
X
Объект
Y1
…
…
Yn
Σ
+
Схема
контроля
∆
Z
Рис. 2.7. Контроль по методу избыточных переменных
Проведенный обзор показывает, что три выделенных принципа – использование инвариантов, применение моделей и введение
избыточности играют центральную роль в технической диагностике. Важно отметить, что они являются не изолированными, а выступают в тесном взаимодействии, образуя единую триаду (рис. 2.4).
Действительно, организация контроля всегда сопровождается
введением и использованием аппаратурной, временной или информационной избыточности, которая представляет собой плату за
возможность получения информации о дефектах, возникающих в
системе. Во многих методах эта избыточность выступает в виде той
или иной модели, используемой для получения контрольных соотношений, инвариантных входным сигналам, либо для вычисления
значений диагностических признаков, которыми опять же служат
те или иные инварианты (сигнальные или параметрические).
Представляется, что перечисленные принципы могут служить
методологической основой, позволяющей с единых позиций рассматривать и исследовать типовые диагностические задачи. В частности, классическая теория инвариантов может оказать помощь
при выборе измеряемых параметров объекта, анализе их взаимосвязи и информативности, оценке точности полученного результата, при описании и систематизации различных диагностических
методов. Ключом к её успешному применению служит знание полных наборов инвариантов в конкретной прикладной области, что
требует глубокого изучения исследуемого класса объектов – электромеханических систем.
46
3. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КАК ОБЪЕКТ
ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ
3.1. Абстрактная математическая модель
и классификация объектов диагностирования
Особенностью электромеханических систем (ЭМС) как объектов технического диагностирования является тесная взаимосвязь
электрических, электромеханических, а также механических устройств и элементов, входящих в их состав, отличающихся функциональным назначением и принципом действия. При описании их
технического состояния логично применять такие математические
модели, которые бы наилучшим образом соответствовали поиску
дефекта в данном устройстве (дифференциальные, разностные, логические уравнения, функциональные, структурные схемы, ориентированные графы, конечные автоматы и т. п.). Однако необходимость сопряжения между собой разнородных математических
моделей вынуждает пользоваться более общими математическими
описаниями электромеханических систем как объектов диагностирования. К числу таких описаний можно отнести представление
ЭМС абстрактной динамической системой, процесс функционирования которой состоит в изменении состояния системы под воздействием внешних и внутренних причин.
Математическая модель подобной системы может быть определена как взаимосвязь переменных [1]:
(T, X, Z, S, S0, F�
*, F, L�
*, L), (3.1)
где Т – множество моментов времени t; X, Z���
– множества входных x
и выходных z сигналов системы; S���
– множество состояний ��s�������
систе������
мы; S0 – замкнутая область состояний системы, ограничивающая
возможные перемещения S в процессе функционирования системы; F���
*(Т, X, S��
) =�
��
Sc*, F���
(Т, X, S�����
)=�
Sс – операторы переходов, отражающие изменения состояния системы под действием внутренних
и внешних возмущений; L���
*(Т, X, S�
) =�
Zс*, L��
(Т, X, S�
) = Zс – операторы выходов, описывающие формирование выходного сигнала
под действием внутренних и внешних возмущений. Индекс * принадлежит операторам, учитывающим действие внутренних возмущений.
Отметим, что термин «состояние системы» (как динамической
системы) обозначает здесь совокупность параметров, отражающих
в определенный момент времени наиболее существенные стороны
поведения системы. Он не должен смешиваться с термином «тех47
ническое состояние», характеризующим наличие или отсутствие
дефекта в системе.
Достоинством представленной модели ЭМС является высокий
уровень ее абстракции и соответственно универсальности. В зависимости от характерных особенностей множеств входных X� и
выходных Z сигналов, конкретных состояний S и области их ограничения S0, свойств операторов F�
*, F, L�
*, L� электромеханическая
система как объект диагностирования может быть разделена на определенные классы с общими свойствами, позволяющими выбрать
наиболее эффективный метод исследования объектов данного класса.
Объекты диагностирования называют непрерывными, если состояния S, входные X� и выходные Z� сигналы объекта имеют непрерывное множество значений во времени Т. Операторы F�
*, F, L�
*, L�
непрерывных объектов описываются дифференциальными уравнениями. К непрерывным объектам диагностирования ЭМС можно
отнести, например, аналоговые операционные усилители и функциональные преобразователи, электродвигатели постоянного и переменного тока.
Объекты диагностирования называют дискретными, если состояния S, входные X� и выходные Z сигналы объекта имеют конечное множество значений, а время Т их изменения отсчитывается
дискретно. Операторы F�
*, F, L�
*, L� дискретных объектов описываются разностными уравнениями. Примером дискретных объектов
диагностирования ЭМС могут быть цифровые преобразователи и
вычислительные устройства, логические элементы, импульсные
датчики.
Объекты диагностирования называют гибридными, если часть
состояния S, входных X� и выходных Z сигналов объекта имеют
непрерывное множество значений во времени, а другая часть – конечное множество в дискретные моменты времени. Операторы F�
*,
F, L�
*, L� гибридных объектов диагностирования описываются совокупностью дифференциальных и разностных уравнений. К гибридным объектам диагностирования ЭМС можно отнести аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, силовые полупроводниковые преобразователи переменного тока в постоянный и
постоянного тока в переменный.
Объекты диагностирования называют комбинационными или
объектами без памяти, если значения их выходных Z сигналов однозначно определяются только значениями их входных X� сигналов
вне зависимости от последовательности их появления. Простейшими примерами комбинационных объектов являются резистивная
48
электрическая сеть (непрерывный объект) и диодный дешифратор
двоичных сигналов (дискретный объект).
Объекты диагностирования называют последовательностными
или объектами с памятью, если значения их выходных Z сигналов
зависят не только от входных X� сигналов, но и от последовательности их появления. Так, аналоговая система регулирования электропривода с обратными связями представляет собой непрерывный
объект с памятью, а тиристор, двоичный счетчик – дискретные
объекты с памятью.
Характер соответствия состояний S модели диагностирования
(3.1) области S0 позволяет разделить объекты диагностирования на
правильно и неправильно функционирующие, работоспособные и
неработоспособные, исправные и неисправные.
Для определения класса технических состояний, к которому
относится наблюдаемое состояние объекта диагностирования, необходимо задать соответствующие граничные условия и проверить
выполнимость этих условий по каждой переменной состояния.
Если область S0 выбрать таким образом, чтобы все точки внутри
нее соответствовали исправным (работоспособным, правильно функционирующим) состояниям объекта, а точки вне ее – неисправным (неработоспособным, неправильно функционирующим), то
попадание точки S на границу области S0 можно квалифицировать
как появление дефекта в объекте. Это событие можно выявить,
контролируя сигналы Z на выходе объекта и оценивая попадание
множества значений zi� каждого i -го сигнала в интервалы
ziн ≤ zi ≤ ziв,
где ziн, ziв – множества нижних и верхних допустимых значений zi�
сигналов объекта.
При формировании входных сигналов объекта диагностирования возможно выделение не одной общей, а нескольких S0i i-х
областей ограничения состояний объекта в зависимости от числа
распознаваемых его технических состояний или от требуемой глубины диагностирования объекта. В этом случае текущее состояние
объекта и его составных частей будет оцениваться путем измерения
выходных сигналов zi в выбранных контрольных точках и сравнения их с допустимыми значениями на границах соответствующих
областей S0i.
Для распознавания технического состояния объекта диагностирования принято пользоваться набором классов технических состояний
Е ={Ei}, i=0,1,2,..., N,
(3.2)
49
где Ei – подмножество технических состояний объекта, характеризующих совокупность возможных его состояний si с указанием соответствующих граничных условий (областей s0i) и выполнимости
этих условий по всем переменным состояниям si; класс Е0 (при i = 0)
соответствует исправному (работоспособному, правильно функционирующему) состоянию объекта диагностирования, а класс Ei (при
i = 0) – его неисправному (неработоспособному, неправильно функционирующему) состоянию, вызванному появлением дефекта в i-й
составной части объекта.
Представление ЭМС абстрактной математической моделью (3.1)
хотя универсально и позволяет объединить в себе все возможные
классы технических состояний, однако, для решения практических задач диагностирования слишком обще и неконкретно. В рамках рассмотренной модели удобнее отдельно анализировать каждый класс состояний конкретных устройств и их функциональных
сочетаний, входящих в сложную электромеханическую систему.
3.2. Примеры промышленных электромеханических систем
как объектов диагностирования
Представление об ЭМС как объектах диагностирования наиболее
наглядно можно показать на примерах промышленных элементов,
устройств и систем управления электроприводом (ЭП) постоянного
тока.
Система импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем. Одним из основных звеньев автоматизированного
электропривода является тиристорный преобразователь (ТП), в котором управление тиристорами осуществляется с помощью систем
импульсно-фазового управления (СИФУ). На рис. 3.1 представлена
функциональная схема СИФУ ТП комплектного электропривода
серии КТЭ 100/220 [1]. В составе СИФУ ТП рассматриваются следующие ячейки и блоки:
И1 – источник питания элементов СИФУ постоянными напряжениями ±27 В и + 13.5 В;
И2 – источник питания элементов СИФУ стабилизированным
постоянным напряжением ± 15 В;
ИЗ – источник питания элементов СИФУ стабилизированным
постоянным напряжением + 5 В;
Тр – блок трансформаторов для формирования опорных синусоидальных напряжений, синхронных с напряжением питания ТП;
Ф – ячейка фильтров для фильтрации опорных синусоидальных
напряжений от высокочастотных составляющих напряжения питающей сети;
50
51
ÄÊ
ÄÀ
Òð
È1
U р.с
-27Â
ÐÓ
Ô
Uô
-15Â
O2
O1
ti
+27Â
+15Â
0
È2 0
U р.т
U0
Á
È3
ÂÓ
Ó
a1
+5Â
a2
ÎÓ
ßÑ
Uó
Uîï
ÔÓ
-27Â
+27Â
0
U12
U2
U1
ÓÈ
ÃÐ
Ó È12
ÓÈ2
Ó È1
Рис. 3.1. Функциональная схема СИФУ тиристорного преобразователя комплектного электропривода серии
КТЭ 100/220
U к.т
U а.т
UT
UC
+13.5Â
У – операционные усилители для согласования по уровню синусоидальных опорных напряжений (Uф с выхода фильтров с входными опорными сигналами Uo�п ячейки каналов фазового управления
ФУ;
ВУ – входной усилитель для согласования по мощности сигналов управления ТП со стороны регулятора тока Uр.т системы ЭП с
сигналами управления ячеек СИФУ; в зависимости от блокирующего сигнала Б на его входе усилитель ограничивает уровень своего
выходного напряжения;
ОУ – операционный усилитель для ограничения предельных
минимального a1 и максимального a2 углов управления ТП. Конструктивно элементы У, ВУ и ОУ выполнены на общей плате ячейки
согласования ЯС;
ФУ – ячейка каналов фазового управления для формирования
импульсов управления тиристорами ТП, синхронных с опорными
напряжениями Uoп и сдвинутыми по отношению к ним на угол,
пропорциональный сигналу управления Uy в зависимости от сигналов ti (бестоковой паузы) и О1, О2 (отключения управляющих
импульсов) ячейка обеспечивает также запрет подачи импульсов
управления на тиристоры реверсивных групп ТП;
УИ – ячейки усилителей импульсов для формирования требуемой мощности и длительности импульсов управления тиристорами
ТП;
ГР – система гальванической развязки импульсов управления
ТП для потенциального разделения силовых цепей ТП и цепей
СИФУ;
ДА, ДК – блоки датчиков состояния тиристоров соответственно
анодной и катодной групп ТП;
РУ – ячейка раздельного управления комплектами реверсивного ТП.
Взаимодействие между ячейками и блоками СИФУ отражено
направленными по стрелке линиями взаимосвязи, характеризующими поступление соответствующих сигналов с выхода одного устройства на вход другого. Входными сигналами СИФУ как объекта
диагностирования являются:
Uc – трехфазное напряжение питания источника постоянного
напряжения И1;
Uт – трехфазное напряжение питания блока Тр;
Uр.т – напряжение управления ТП, поступающее с выхода регулятора тока схемы управления электроприводом;
U0 – начальное напряжение управления СИФУ ТП, выходное
напряжение ЭП при отсутствии Up.т;
52
a1, a2 – напряжения, определяющие предельное изменение соответственно минимального и максимального углов управления
тиристоров ТП;
Uа.т, U
�к.т – напряжения между анодом и катодом тиристоров соответственно анодной и катодной групп ТП, определяющие состояния проводимости тиристоров;
Up.c – выходное напряжение регулятора скорости схемы управления ЭП, определяющее желаемое направление выходного тока
ТП (работу соответствующих тиристорных мостов ТП).
Выходными сигналами СИФУ являются управляющие импульсы УИ1…. УИ12 тиристорами ТП.
С точки зрения классификации СИФУ как объект диагностирования является гибридным объектом, включающим в себя как
аналоговые (Ф, У, ВУ, ОУ и т. п.), так и дискретные (ДА, ДК, РУ,
ФУ и т. п.) устройства. Поскольку в составе СИФУ не отражены обратные связи, хотя они и могут иметь место внутри ячеек и блоков
СИФУ, представленная схема СИФУ отражает комбинационный
объект диагностирования.
Система подчиненного регулирования тиристорного электропривода постоянного тока. Принципиальная схема системы подчиненного регулирования электропривода постоянного тока с ТП
дана на рис. 3.2. Электродвигатель постоянного тока М получает
питание от реверсивного ТП, в составе которого выделены два реверсивных комплекта TS и их СИФУ. TS и СИФУ через соответствующие автоматические выключатели QF3 и QF2 получают питание от разделительного трансформатора Т, первичная сторона которого подключена к высоковольтному напряжению Uc.
Силовые цепи ТП показаны в однолинейном изображении. Обмотка возбуждения двигателя ОВМ подключена к сети постоянного напряжения UB.
Напряжение на выходе ТП регулируется изменением напряжения Uy на входе СИФУ, которое снимается с выхода регулятора
тока, реализованного на базе операционного усилителя У2, резисторов R�
4, R�
5, R6 и конденсатора С2. Регулятор тока внутреннего
контура регулирования тока якоря выполнен пропорциональноинтегральным (ПИ-регулятор). На входе его суммируются сигналы с выхода регулятора скорости (на базе усилителя У1, резисторов
R�
1, R2, R�
3 и конденсатора С1) и с выхода датчика тока якоря ДТ,
подключенного к шунту RS в цепи якоря двигателя.
Регулятор скорости внешнего контура регулирования скорости
двигателя выполнен ПИ-регулятором. На входе регулятора скорости суммируются сигналы с выхода датчика интенсивности ЗИ и с
53
54
GB1
QF1
ÊÊ
Uï
GB2
Uê
ÇÈ
R2
R1
Uaò
R3
ÄÍ
Ó1
CT
ÁÎ
R5
R4
R7
ÄÒ
Ó2
R6
R8
Uy
C2
BV
QF2
Uâ
Ì
RS
OBM
TS
QF3
ÒÏ
Ò
Uc
Рис. 3.2. Принципиальная схема системы подчиненного регулирования электропривода постоянного тока
Î
+
-
ÑÈ Ô Ó
выхода датчика напряжения ДН, подключенного к тахогенератору
BV через делитель напряжения на резисторах R7, R�
8.
Для ограничения максимума тока якоря (создания отсечки по
току) выход регулятора скорости ограничен с помощью блока ограничения БО. Установка отсечки по току якоря определяется изменением напряжения Uот на выходе БО. Необходимая скорость двигателя и ее направление задаются напряжением UK на входе ЗИ,
которое поступает с выхода командоконтроллера KK, управляемого сигналом оператора О.
Питание элементов УБСР осуществляется от источников GB1,
GB2, подключенных через автоматический выключатель Q��
F1 к переменному напряжению Uп.
Систему электропривода с подчиненным регулированием переменных состояния на аналоговых элементах УБСР можно рассматривать как непрерывный последовательностный объект диагностирования. При этом ТП тоже считаем непрерывным объектом диагностирования, у которого выходной сигнал (гладкая составляющая выходного напряжения ТП) имеет непрерывную зависимость
от входного сигнала (сигнала управления Uy ТП).
3.3. Функциональная и логическая модели систем
импульсно-фазового управления
тиристорных преобразователей
Математические модели объектов диагностирования строятся
на основании принципиальных, структурных, функциональных
или логических схем исправных объектов.
Принципиальные электрические схемы являются основными
и наиболее полно отражающими принцип работы объекта и взаимосвязь его составных элементов. Однако построение математических моделей объектов по их принципиальным схемам часто оказывается весьма громоздким из-за большого числа элементов схемы и
сложности их функциональных взаимосвязей между собой. Определение текущих значений входных и выходных координат и технических состояний всех элементов может потребовать проведения
такого числа их измерений с последующей обработкой, что исчезнет возможность получения результатов диагностирования объекта в реальном масштабе времени. К тому же и не все элементы принципиальной схемы могут представлять особый интерес с позиций
их диагностирования, например резисторы, дроссели, имеющие
высокие показатели надежности.
При всей своей сложности принципиальная электрическая схема
объекта диагностирования представляет собой определенным обра55
зом составленное сочетание элементарных электрических цепей и
функциональных узлов, в заданной последовательности выполняющих ряд типовых операций: измерение, усиление, размножение,
передачу или блокировку сигналов, их сравнение или преобразование и т. п. Поэтому объект диагностирования целесообразно представлять в виде структурных или функциональных схем. Здесь могут быть выделены не только основные функциональные элементы
объекта и пути передачи воздействий между ними, но и отражены
конструктивные решения реального объекта, позволяющие решать
вопросы практической реализации его диагностирования.
Один и тот же объект диагностирования может быть представлен различными (сложными или более простыми) функциональными связями. При этом следует учитывать такие показатели, как
глубина поиска дефекта, характеризующая степень детализации
места, причины и вида дефекта, удобство и возможность измерения
входных и выходных сигналов компонент, конструктивные соображения и т. п.
Функциональная модель объекта диагностирования относится к числу наиболее распространенных моделей, охватывающих
широкий класс реальных технических систем. При построении
этой модели объект диагностирования подразделяют на некоторое
число взаимосвязанных элементов, которые обладают свойствами
пребывания по крайней мере в двух состояниях (исправном и неисправном) и реагирования в исправном состоянии на воздействия со
стороны других элементов.
Функциональная модель объекта диагностирования строится
при следующих допущениях [1]:
1) каждый функциональный элемент модели может иметь конечное множество входных сигналов и только один выходной сигнал;
2) для каждого функционального элемента модели известны
функциональные зависимости между входными и выходными сигналами, а также их допустимые значения;
3) внешние входные сигналы функционального элемента всегда
принимают только допустимые значения;
4) линии связи между функциональными элементами модели
абсолютно надежны и должны соответствовать направленной взаимосвязи элементов принципиальной электрической или функциональной схемы объекта диагностирования;
5) если выходной сигнал k-го функционального элемента является входным для i-го элемента, то допустимые значения этих сигналов совпадают;
56
6) при выходе за пределы допустимых значения хотя бы одного
из входных сигналов на выходе функционального элемента появляется недопустимый сигнал;
7) функциональный элемент модели считается дефектным (неисправным, неработоспособным, неправильно функционирующим), если при допустимых входных сигналах на выходе элемента
появляется недопустимый сигнал.
Допустимыми считаются сигналы, все параметры которых принадлежат области их допустимых значений. Если же значение хотя
бы одного из указанных параметров выходит за область его допустимых значений, то сигналы считаются недопустимыми.
Реальные объекты диагностирования ЭМС зачастую не удовлетворяют перечисленным условиям для непосредственного построения функциональной модели диагностирования по их принципиальным или функциональным схемам. Среди элементов ЭМС
немало таких, которые имеют несколько входных и выходных сигналов, характеризуемых различными физическими параметрами
или функциональными связями. Например, тиристорные преобразователи частоты, выходной сигнал которых может оцениваться
амплитудой и частотой основной и высокочастотных гармоник выходного напряжения или тока, неоднозначно зависимых от входных сигналов управления преобразователем.
Могут иметь место и несогласованность областей допустимых
значений входных и выходных сигналов отдельных или функционально связанных между собой элементов ЭМС, когда недопустимые входные (или выходные) сигналы одного элемента не приводят
к недопустимым выходным сигналам этого же (или другого) элемента. Так, дефект ПИ-регулятора на основе операционного усилителя постоянного тока, сопровождающийся появлением (недопустимого в данном случае) нулевого выходного напряжения при
наличии входного сигнала управления регулятора (например, изза обрыва входной цепи или короткого замыкания цепи обратной
связи регулятора) не вызовет появления недопустимого сигнала на
входе последующего элемента системы управления.
Подобное несоответствие между реальными свойствами объекта
и условиями, накладываемыми при построении его функциональной модели диагностирования, предопределило два направления в
решении указанных противоречий.
Первое направление связано с игнорированием различий физических параметров и функциональных зависимостей входных и
выходных сигналов элементов модели объекта. Выходной сигнал
элемента при этом принимается единственным и характеризущим
57
какие-то общие (гипотетические) зависимости по отношению к
входным сигналам. Так, для тиристорного преобразователя частоты выходным сигналом можно считать один сигнал, объединяющий в себе область всех возможных и допустимых значений амплитуды, частоты, гармонического состава выходного напряжения
и тока. При выходе за область допустимого значения любого из параметров, характеризующих общий выходной сигнал (например,
амплитуды, частоты и т. п.), последний будет считаться недопустимым.
Второе направление связано с разделением физических параметров входных и выходных сигналов и их функциональных взаимосвязей. При этом функциональный элемент объекта диагностирования представляется совокупностью определенным образом
связанных между собой элементарных функциональных элементов, входные и выходные сигналы которых характеризуются одинаковыми параметрами и одной функциональной связью. Применительно к тиристорному преобразователю частоты такой подход к
построению его функциональной модели соответствует разбиению
преобразователя, например, на два функциональных элемента.
Выход одного из них характеризуется лишь амплитудой, а выход
другого – частотой выходного напряжения, однозначно связанных
с соответствующими входными сигналами управления преобразователем.
Несогласованностью областей допустимых значений выходных
и входных сигналов элементов, весьма существенной при реализации устройств поиска дефекта в объекте, на первых этапах построения функциональной модели пренебрегают, считая области допусков согласованными. При необходимости более строгого учета
согласованности областей допустимых значений сигналов приходится увеличивать глубину диагностирования функциональных
элементов вплоть до оценки состояний входящих в их состав резисторов, конденсаторов, диодов и подобных элементов и определения
областей их допустимых взаимодействий.
В соответствии со схемой (рис. 3.1) и перечисленными допущениями (1...7), введенными при построении функциональной модели объекта диагностирования, на рис. 3.3 представлена функциональная модель СИФУ ТП, входящего в состав электропривода постоянного тока серии КТЭ 100/220. Здесь каждый функциональный
элемент обозначен прямоугольником с некоторым количеством
входящих стрелок (входных сигналов) и одной выходящей стрелкой (выходным сигналом). Многопроводные системы напряжений
(цепи питания Uc, Uт, ± 27 В и т. д.), объединенные одной функ58
59
Upc
ÐÓ
13
ÄÊ
14 Uo
UpT
ÄÀ
12
Ô
5
4
Òð
È2
È1
2
a2
ÎÓ
ÂÓ
a1
11
10
Ó
6
È3
3
7
ÔÓ
Рис. 3.3. Функциональная модель СИФУ тиристорного преобразователя
U KT
UaT
UT
Uc
1
ÓÈ
8
ÃÐ
9
ÓÈ
цией, представлены на рис. 3.3 в однолинейном изображении. На
входы элементов И1, Тр, ДА, ДК, ВУ, РУ и ОУ поданы внешние воздействия Uс, Uт, Ua��
.т, Uк.т, Uр.т, U0, Up.c, a1 и a2. Предполагается,
что эти воздействия находятся в области допустимых значений.
Внутренним сигналам соответствуют связи между элементами.
При исправном состоянии объекта диагностирования эти сигналы
также лежат в области допустимых значений.
Логическая модель объекта диагностирования. В большинстве
случаев нет необходимости строго следить за выполнением функциональных зависимостей между входными и выходными сигналами объекта. Достаточно лишь сделать заключение о техническом
состоянии объекта по результатам значений его входных и выходных сигналов вида «в допуске – вне допуска».
Обозначим логическое высказывание «входной (или выходной)
сигнал не выходит за множество допустимых его значений» символом 1, а высказывание «входной (или выходной) сигнал выходит за
множество допустимых его значений» символом 0. Если перебрать
все возможные сочетания значений входных сигналов исправного
функционального элемента и определить для каждого такого сочетания значения его выходных сигналов, то каждому сочетанию
входных переменных в символах 1, 0 будут соответствовать одно
из двух значений выхода: 1 или 0. При указанных условиях совокупность операторов L�
*, L, F�
*, F� уравнения (3.1) будет отражать
булеву функцию условий работы объекта диагностирования.
Для получения логической модели объекта каждый его функциональный элемент заменяется логическим блоком, имеющим один
вывод и существенные для данного выхода входы. Построение логической модели производится непосредственно по функциональным или принципиальным схемам объекта диагностирования. В
частном случае, когда функциональные элементы представлены
элементами с одним выходным сигналом, логическая модель может совпадать с функциональной моделью объекта диагностирования.
При разбиении объекта диагностирования на функциональные
элементы могут возникнуть практические трудности, связанные,
например, с тем, что неизвестны или весьма сложны точные функциональные зависимости между сигналами объекта. Известно
лишь, что одни из них как-то влияют на другие или зависят от других. Такого рода взаимосвязи могут трактоваться как причинноследственные, охватывающие также и строгие, формальные зависимости между сигналами, событиями или явлениями. Графически
причинно-следственные связи отражают в виде ориентированного
60
графа, вершины которого представляют сигналы, события или явления, а дуги – причинно-следственные связи между соответствующими вершинами. Направление соответствует перемещению от
причины к следствию. Как ориентированный граф может быть
представлена и логическая модель. Вершины графа будут являться
элементами (блоками) логической модели, а также ее входными и
выходными сигналами, дуги – связью между элементами (блоками) и внешними входными и выходными сигналами.
На рис. 3.4 представлена в виде ориентированного графа логическая модель СИФУ ТП, построенная в соответствии с её функциональной моделью, приведенной на рис. 3.3. Входные и выходные
сигналы объекта диагностирования представлены вершинами с
символами хi и zi, где i – индекс элемента логической модели, на
вход (с выхода) которого поступают (выходят) сигналы. Элементы
объекта представлены вершинами с индексами i, соответствующими номерам элементов на функциональной модели рис. 3.3.
Входные внешние сигналы x1, x4, x10, x′10, x11, x′11, x12, x13, x14
на рис. 3.4 соответствуют сигналам Uс, Uт, Up.т, U0, a1, a2, Uа.т, Uк.т,
Uр.с на рис. 3.3. Внешний выходной сигнал z9 (рис. 3.4) соответствует совокупности управляющих импульсов УИ СИФУ ТП (рис.3.3).
Предположим, что каждый i-й элемент объекта диагностирования
выполняет лишь один алгоритм функционирования, а минимальная
z1
x1
1
2
õ4
4 z4
5
3
z2
z5
z2
õ 10
6
z1
z6
7
z7
8
z8
9
z9
z 11
10
11
z 10
õ'10
õ 12
12
z 12
z 13
õ 13
14
z 14
x 11
x'11
13
õ 14
Рис. 3.4. Логическая модель СИФУ тиристорного преобразователя
61
форма функции условия его работы Фi состоит из одного члена конъюнкции внешних и внутренних переменных, т. е. имеет вид
Фi=(Fi * Li) ^ xi1 ^ xi2 ^... ^�� xik,
(3.3)
где Fi, Li – операторы переходов и выходов в зависимости (3.1);
* – знак взаимодействия операторов; хik – k входных сигналов i-го
элемента.
Тогда фактическое значение выходного сигнала zi i�-го элемента
логической модели будет зависеть от значения функции Фi, отражающей в данном случае булеву функцию условий работы i-го элемента и его технического состояния Еi (3.2).
В табл. 3.1 перечислены возможные наборы значений двоичных
переменных Фi и Еi и соответствующие им значения выходного сигнала:
Фi = 1, если функция условий работы i-го элемента является конъюнкцией его входных сигналов, все значения которых допустимы (т. е. равны единице);
Фi = 0, если функция условий работы i-го элемента является конъюнкцией его входных сигналов, не все значения которых допустимы;
Еi =1, если i-й элемент является исправным (работоспособным,
правильно функционирующим);
Ei = 0, если i�-й элемент неисправен (неработоспособен, неправильно функционирует).
Таблица 3.1 Возможные наборы переменных Фi и E
�i
Фi
Ei
zi
Фi
Ei
zi
1
0
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
При исправном i-м элементе (первые две строки табл. 3.1) выходной сигнал zi элемента повторяет значение функции Фi. Если
же элемент неисправен (неработоспособен, неправильно функционирует), то выход zi� недопустим независимо от значения Фi (две
последние строки табл. 3.1). Из табл. 3.1 следует, что формально zi
является конъюнкцией переменных Фi и Ei:
zi =
���
Фi� ^ E
�i.
(3.4)
Физический смысл (3.4) в том, что лишь при всех допустимых
входах в исправном состоянии элемента его выход zi будет допустим. Если N элементов логической модели исправны (работоспособны, правильно функционирующие), т. е. если конъюнкция равна 1, то и весь объект диагностирования исправен (работоспособен,
правильно функционирует).
62
3.4. Диагностические модели силовых схем
тиристорных преобразователей
Как это было отмечено, силовая схема тиристорного преобразователя как объекта технического диагностирования может быть
представлена в качестве дискретного последовательностного объекта, математической моделью которого является структурный конечный автомат. Функциональная схема структурного автомата с
разбиением его на комбинационную часть и память приведена на
рис. 3.5 [5,7,14]. Автомат имеет входной Xj={х1, х2,..., хп} и выходной Zj = {z1, z2,..., zk} наборы внешних сигналов, i входов памяти,
на которых реализуются функции возбуждения w1, w2, …, wl, а также т выходов памяти, которым соответствуют внутренние переменные y1, y2, …, ym.
В соответствии с представленной схемой функциональные зависимости конечного автомата имеют следующий вид:
для всех i = 1,2, …, k
Zi,n = fzi(Xn, Yn); (3.5)
для всех j = 1,2,…, m
Yj,n+1 = fyi(Xn, Yn); (3.6)
для всех q� �
= 1,2,…, l
wq,n = f�wq(�
Xn, Yn); (3.7)
В (3.5) – (3.7) Xn = {x1,n, x2,n, …, xn,n} – внешний входной сигнал
настоящего (текущего) такта времени; Yn ={у1,n, у2,n,..., ym,n} – внутренняя переменная текущего такта времени, а индекс n + 1 отражает состояния переменных для следующего такта времени.
Задание автоматами зависимостей (3.5) – (3.7) соответствует
перечислению всех возможных пар входной сигнал – состояние и
x1
x2
xn
y1
z1
z2
y2
Комбинационная
часть
ym
ωl
ω2
zК
ω1
Память
Рис. 3.5. Функциональная схема структурного конечного автомата
63
составлению для них выходных сигналов и состояний. Указанное
задание автомата может быть представлено в табличной, графической или матричной форме.
Рассмотрим в качестве примера построение математической модели тиристора как дискретного объекта диагностирования с памятью. Приступая к построению модели тиристора, прежде всего,
необходимо полностью определить те свойства тиристора, которые
данная модель должна отражать.
Общие условия работы тиристора как отдельно взятого полупроводникового элемента могут быть сформулированы следующим образом [1]:
1) включение тиристора происходит только при наличии положительного по отношению к катоду потенциала на аноде тиристора
и отпирающего импульса управления (необходимого уровня и длительности) на управляющем электроде тиристора;
2) выключение тиристора происходит при уменьшении тока,
протекающего через тиристор до значения, меньшего тока удержания.
Представим тиристор как дискретное устройство с памятью
(рис. 3.6), имеющее два внешних входа х1, х2, внешний выход z1,
один вход памяти w1 и внутреннюю переменную у1.
Представленным переменным соответствуют:
х1 – напряжение на аноде тиристора, равное логической 1 при
положительном и логическому 0 при отрицательном по отношению
к катоду потенциале;
х2 – отпирающий импульс управления на управляющем переходе, равный 1 при наличии и 0 – при отсутствии импульса;
z1 – ток, протекающий через тиристор, равный 1, если ток через
тиристор больше тока удержания, и 0, если меньше тока удержания;
Тиристор
x1
Комбинационная
часть
x2
y1
Рис. 3.6. Модель тиристора
64
Память
z1
ω1
w1 – функция возбуждения, принятая равной току протекания
через тиристор, т. е. w1 = z
�1.
у1– проводимость перехода анод – катод тиристора, равная 1, если
проводимость перехода равна бесконечности, и 0, если равна нулю.
Пользуясь моделью тиристора (рис. 3.6) и общими условиями его
работы, можно составить таблицу истинности тиристора как дискретного объекта диагностирования. Значениями независимых переменных табл. 3.2 будут значения входных переменных х1, х2, а также внутренней переменной у1,n в моменты времени n, а значениями
функций – значения внутренней переменной у1,n+1 в момент времени n + 1 и значения выходной функции z1,n в момент времени n.
Заполнение табл. 3.2 истинности тиристора осуществляется по
строкам для различных комбинаций независимых переменных.
Так, для строки 1 при отсутствии положительного потенциала напряжения на аноде тиристора (х1 = 0), отсутствии управляющего
импульса на тиристоре (х2 = 0) и при отсутствии проводимости тиристора (у1,n = 0) ток через тиристор будет менее тока удержания
(у1,n = 0), а соответственно и функция возбуждения w1= z
�1 и проводимость тиристора в следующем такте n + 1 будут w1 = y
�1,n+1 = 0.
Таблица 3.2. Таблица истинности тиристора
№ п��
/�
п
x1
x2
у1,n
y1,n+1
z1
1
2
3
4
5
6
7
8
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
1
1
1
Для строки 6 табл. 3.2 при наличии положительного потенциала напряжения на аноде тиристора (х1 = 1), отсутствии управляющего импульса на тиристоре (х2 = 0) и при условии проводимости
тиристора (�
y1,n = 1) ток через тиристор будет более тока удержания
(�
z1 = 1), а соответственно и функция возбуждения w1 = z1 и проводимость тиристора в момент времени n + 1 будут w1 = y1,n+1 = 1.
От таблицы истинности тиристора нетрудно перейти к представлению тиристора математической формой в виде булевых функций. Так, выходная функция имеет следующую дизъюнктивную
нормальную форму:
z,n = (xΛx 2Λy,n ) ∨ (x ∧ x 2 ∧ y,n ) ∨ (x ∧ x 2 ∧ y,n ) =
= (y,n ∨ x 2 ) ∧ x.
(3.8)
65
Учитывая, что значения выходной функции z1 и внутренней переменной y1,n для рассматриваемой модели тиристора совпадают по
логическим высказываниям, т. е. при z = , y,n = , z = 0, y,n = 0,
то соотношение (3.8) может быть представлено в виде
z,n = (z ∨ x 2 ) ∧ x,
или с учетом текущего n и последующего n + 1 тактов времени как
z,n+ = (z,n ∨ x 2 )∧ x.
Соответствующая логическая сеть с обратными связями, являющаяся структурной моделью тиристора, представлена на рис. 3.7.
Кроме табличного и структурного способов задания конечного автомата последний может быть представлен направленным графом переходов как комбинацией вершин и соединяющих их ребер графа.
Вершины отождествляются с состояниями автомата. Если сигнал хi вызывает переход автомата из состояния qi в состояние qk
с выходным сигналом z, то на графе этому сигналу соответствует
обозначенная через хi стрелка, соединяющая вершину, соответствующую состоянию qi, с вершиной, соответствующей состоянию
qk. Такое изображение автомата представляет собой диаграмму переходов.
На рис. 3.8 приведена диаграмма переходов тиристора с двумя
его возможными состояниями z1 = 0 и z1 = 1, двумя входными сигналами х1, х2 и одним выходным сигналом z1. Над стрелками графа
обозначены входные наборы х1, x2, вызывающие переход тиристора из одного состояния в другое.
Логические модели управляемых тиристорных
преобразователей.
Тиристорный преобразователь, включающий в себя силовую
схему, нагрузку, устройства управления и защиты с аналоговым
Тиристор
x1
x2
&
z1
1
00,01,10
11
z1 = 0
11,10
z1 = 1
00,01
Рис. 3.7. Логическая сеть тиристора
66
Рис. 3.8. Диаграмма переходов тиристора
и дискретным преобразованием информационных сигналов, относится к числу наиболее сложных гибридных объектов диагностирования тиристорного электропривода. Решать проблему диагностирования подобных объектов невозможно без их математических
моделей, адекватно отображающих функционирование объектов
и удобных для алгоритмизации поиска дефектов. Выходным элементом ТП является его силовая схема в совокупности с нагрузкой,
и потому первоочередной задачей при диагностировании ТП является разработка диагностической модели именно силовой схемы
ТП. Поскольку функционирование силовой схемы ТП зависит от
числа фаз источника питания, схем включения тиристоров, схем
соединения обмоток силового трансформатора и вида нагрузки (активная, активно-индуктивная, с противоЭДС) целесообразно иметь
математические модели для различных силовых схем ТП.
Логическая модель силовой схемы однофазного однополупериодного выпрямителя. Поскольку любая m-фазная схема выпрямления ТП может быть представлена определенной совокупностью
m-однофазных однополупериодных схем выпрямления, то целесообразно и математическую модель силовой схемы любого ТП строить на базе математической модели силовой схемы однофазной однополупериодной схемы выпрямления. На рис. 3.9 представлена
силовая схема однофазного однополупериодною ТП при его работе
на последовательно включенные активную Rн индуктивную Lн и
противоЭДС нагрузки (например, на двигатель постоянного тока
независимого возбуждения). Тиристорный преобразователь питается от трансформатора Т с напряжениями U1, U2 на первичной и
вторичной обмотках. Тиристор V� управляется импульсом тока iy.
Временные диаграммы напряжений и токов на соответствующих
элементах ТП представлены на рис 3.10.
~U1
T
V iу
U2
Rн
UR
UV
iн
+
Lн
М
EL
Uн
EД
+
Рис. 3.9. Принципиальная схема силовой части однофазного однополупериодного ТП
67
Рис. 3.10.Диаграммы напряжений, токов и логических переменных силовой части однофазного однополупериодного ТП
68
Общие условия работы однофазного однополупериодного ТП могут быть сформулированы следующим образом:
1. Включение тиристора V� происходит:
при наличии положительного по отношению к катоду потенциала на аноде тиристора, т. е. при
U2m ��i� (wt + n 0 ) − U H > DU V ,
где U H = i� V R H + LH
(3.9)
di�V
+ EД – напряжение на нагрузке ТП; w = 2pf –
dt
частота питающей ТП сети; n0 – угол открывания тиристора V, отсчитываемый от начала положительной на аноде тиристора V синусоиды
напряжения U2; DUV – прямое падение напряжения на тиристоре V
при токе удержания iуд тиристора;
при наличии тока iy амплитуды и длительности, обеспечивающих к моменту окончания тока iу достижение прямого анодного
тока iV тиристора выше тока удержания, т. е. при
i� V =
U2m ��i� (wt + n 0 ) − DU V − LH
RH
di�V
− EД
dt
≥ i� уд. (3.10)
2. Выключение тиристора происходит при снижении прямого
анодного тока iV ниже тока удержания, т. е. при
iV < iуд
(3.11)
3. Напряжение UH на выходе ТП имеет место в течение всего времени протекания тока iV через тиристор V (при открытом состоянии
тиристора) при условии, что
U2m ��i� (wt + n 0 ) − DU V − LН
i� уд
di�V
− EД
dt
> R Н > 0.
(3.12)
Если условия работы силовой схемы ТП выразить на языке булевой алгебры, перейдя к логическим зависимостям между напряжениями и токами ТП, то можно получить логическую модель силовой схемы ТП и на ее основе модель диагностическую.
В соответствии с условиями (3.9) – (3.12) и временными диаграммами мгновенных значений напряжений и токов ТП на рис.
3.10 представлены также и временные диаграммы логических состояний, характеризующих режимы работы силовой схемы ТП:
x1 = 1 – характеризует положительный потенциал на аноде тиристора V в течение временных интервалов 2kp ... (2k + 1) p, k = 0,
1, 2,..., n, т. е. при U2m ��i� wt > DU V ≈ 0;
69
x1 = 0 – соответствует отрицательному потенциалу на аноде тиристора V в течение интервалов времени (2k + ��
1�)p ... 2(k + ��
1�)p, k = 0,
1, 2,..., n, т. е. при U2m ��i� wt ≤ DU V ;
х2 = 1 – характеризует ток iу амплитудой и длительностью, обеспечивающих к моменту окончания iy достижение прямого анодного тока тиристора iV > iуд;
х2 = 0 – характеризует отсутствие тока iy;
z1 = 1 – характеризует прямой ток iV� ≥ iуд, протекающий через
тиристор V в интервалах времени nK... (2k + 1)π, k =0, 1, 2,..., n;
z1 = 0 – соответствует отсутствию прямого тока iV < iуд через тиристор V в интервалах времени (2k + 1)π... nK, k = 0, 1, 2,..., n;
z2 = 1 – характеризует падение напряжения UR на активном сопротивлении RН нагрузки ТП при протекании тока i�V;
z2 = 0 – соответствует отсутствию падения напряжения UR на активном сопротивлении RН;
z3 = 1 – характеризует ЭДС самоиндукции в индуктивности LH�
при изменении тока iН в нагрузке ТП в интервале времени nK1…ϑK2,
di�
k = 0, 1, 2,…, n, где E L = − LH H < 0 (на рис. 3.10 показана полярdt
ность EL для z3 = 1);
z3 = 0 – характеризует ЭДС самоиндукции при условии
di�
E L = − LН Н ≥ 0;
dt
z4 = 1 – характеризует противоЭДС двигателя при условии ЕД ≠ 0;
z4 = 0 – характеризует отсутствие противоЭДС двигателя, т. е.
при ЕД = 0;
z5 = 1 – характеризует результирующее напряжение UH на выходе ТП при условии
di�
U Н = i� Н R Н + LН Н + EД ≠ 0;
dt
z5 = 0 – характеризует отсутствие напряжения UH на выходе ТП,
т. е. при UH = 0.
Поскольку падение напряжения UR на активном сопротивлении
RH нагрузки ТП и ЭДС самоиндукции ЕL в индуктивности LH могут
иметь место лишь при условиях
di�
U2m ��i�(wt + n 0 ) − DU V − EД − LН Н
dt > R > 0;
Н
i� уд
(3.13)
70
LН ≠ 0;
di�Н
≠ 0,
dt
то целесообразно дополнительно ввести логические переменные:
х3 – характеризующую активное сопротивление RH нагрузки и
равную логической 1, если соблюдается условие (3.13) и логическому 0, если это условие не соблюдается;
x4 – характеризующую индуктивность цепи нагрузки ТП и равную 1 при LН ≠ 0, и 0 – при LН = 0;
x5 – характеризующую изменение тока нагрузки iН во времени и
равную 1, если diН/��
dt < 0, и 0 –�����
������
при diН/��
dt ≥ 0.
При работе ТП на противоЭДС ЕД двигателя включение тиристора V при подаче управляющего импульса тока iу и отсутствии тока
iН в нагрузке возможно лишь при условии
U2m ��i�(wt + n 0 ) − EД > DU V . (3.14)
Указанное событие можно представить логической переменной
х6, равной 1, если условие (3.14) имеет место, и 0, если условие не
соблюдается (рис. 3.10).
Анализируя диаграммы логических состояний, характеризующих режим работы ТП (рис. 3.10), представляем логическую модель силовой схемы ТП в виде логической сети на рис. 3.11 или математическим выражением алгебры логики
z� = (z ∧ x 3 ) ∨ (x 4 ∧ x� ) ∨ z4, z2 = z ∧ x 3, z3 = x 4 ∧ x�,
z,n+ = (x 2 ∨ z,n ) ∧ [(x ∧ x 6 ) ∨ (x 4 ∧ x� ) ].
Логическая модель силовых схем однофазных двухполупериодных выпрямителей. На рис. 3.12, 3.13 представлены принципиальные схемы однофазного двухполупериодного ТП со средней точкой
и однофазного мостового ТП при работе на последовательно включенные активно-индуктивную и противоЭДС двигателя нагрузки.
1
x2
x1
x6
x4
x5
&
1
&
&
z3
z1
x3
&
z2
1
z5
z4
Рис. 3.11.Логическая часть силовой схемы однофазного однополупериодного ТП
71
T
V1
i у1
UV1
iV1
U21
iн
~ U1
U22
Uk
Rн
UR
EL
EД
Lн
М
Uн
UV2
V2
iV2
i у2
Рис. 3.12.Принципиальная схема силовой части однофазного двухполупериодного ТП со средней точкой
~U1
T
i у1
iV1
i V3
U2
i V4
iу4
V1
V4
V3
V2
iу3
Rн
UR
i V2
iу2
Lн
М
EL
Uн
EД
iн
Рис. 3.13.Принципиальная схема силовой части однофазного мостового
ТП
На рис. 3.14, а–з и 3.15, а–з в соответствии с обозначениями
мгновенных значений токов и напряжений в силовых схемах ТП
(см. рис. 3.12, 3.13) приведены их временные диаграммы, а также
диаграммы логических состояний, характеризующих режимы работы ТП.
Дополнительно к логическим переменным, принятым для однофазной однополупериодной схемы выпрямления, введена переменная хк, характеризующая коммутационный процесс токов
в тиристорах ТП и равная логической 1, если имеет место коммутация с одного тиристора на другой, и логическому 0 – при отсутствии коммутации тока в тиристорах. Сигналом коммутационного
72
U21, U22, x1, z4, Eд
x1 = 1
а)
U21
U22
π
U2 - Eд , x6 , x' 6
0
в)
ν' 0
2π
x6 = 1
ν'1
г)
ωt
U2 - Eд
x 22 = 1
i V2
ν0
i V1, iV2, z11 , z12
д)
ν0
EL , z3
ν3
ν2 ν12
ν3
EL
ωt
ωt
z3 = 1
ωt
z3 = 0
xK = 1
xK = 1
UK
ж)
ν2
i V2
ν01
UK, xK
0
x22 = 0
z 12 = 1
ν1 ν02
0
е)
x 21 = 1
x 21 = 0
ν1
z11 = 1
iV1
0
ωt
3π
x' 6 = 1
i у1, iу2, x 21, x22
iV1
0
z4 = 1
x1 = 0
0
б)
Eд
xK = 0
ν0
ν1
UV1, UV2 , zн
ν02
ν2 ν12
ωt
z 11 = 1
z12 = 1
UV1
0
з)
π
2π
3π
UV2
ωt
z5 = 1
Uн, z5
0
Uн
π
z5 = 0 2π
3π
ωt
Рис. 3.14.Диаграммы напряжений, токов и логических переменных силовой схемы однофазного двухполупериодного ТП со средней точкой
73
а)
U2, x 1, z 4
x1 = 1
U2
Eд
x1 = 0
0
б)
z4 = 1
π
2π
U2 - Eд , x6 , x' 6
x6 = 1
ωt
3π
x' 6 = 1
0
U2 - Eд
в)
iу1 , iу3, x 21, x23
x21 = 1
iу1
0
г)
0
д)
x23 = 1
i у3
ν0
i у2, iу4, x22, x24
x22 = 1
i у2
ν1
ν0
iV1, i V2, z11, z12
iV3, i V4, z13, z14
x 24 = 1
iу4
ν1
z11 = z12 = 1
0
ν
EL, z30
0
ж)
ν2
ν3
ωt
ωt
ν2 ν12
ν3
ωt
z3 = 1
ν01
ν02
UK, x K xK = 1
UK
z3 = 0
ωt
xK = 1
xK = 0
0
з)
ν3
i V3, iV4
ν1 ν02
EL
ν2
z 13 = z 14 =1
iV1, i V2
е)
ωt
-U2 - Eд
ωt
Uн, z5
z5 = 1
0
Uн
π
ν0
2π
z5 = 0 3π
ωt
Рис. 3.15.Диаграммы напряжений, токов и логических переменных силовой схемы однофазного мостового ТП
74
процесса может быть напряжение UK между анодами тиристоров,
равное нулю в момент коммутации соответствующих тиристоров
(рис. 3.14).
Переменная х′6 характеризует положительный потенциал на
анодах тиристоров V1, V2 (см. рис. 3.14,б) и V3,V4 (рис. 3.15,б) при
условии
U2m ��i�(wt + n ) − EД > DU V – для рис. 3.14,б;
U2m ��i�(wt + n + p) − EД > DU V – для рис. 3.15,б. (3.15)
При соблюдении условий (3.15) переменная х′6 = 1, а при несоблюдении х′6 = 0.
На рис. 3.16 приведена логическая сеть, характеризующая режим работы силовой схемы однофазной двухполупериодной схемы
ТП со средней точкой. Поскольку ток нагрузки iН ТП равен сумме
токов iV1, iV2 тиристоров V1, V2, указанное событие отражено в логической сети рис. 3.16 введением логического суммирования сигналов z11, z12, характеризующих ток в тиристорах ТП.
В течение коммутационного процесса, т. е. при хK = 1, тиристоры V1 и V2 сохраняют свое открытое состояние, что отражено
логической переменной z K = x K ∧ z ∧ z2, поступающей на звено
логического суммирования модели i-го тиристора, выходная переменная которого zai – характеризует положительный потенциал на
аноде i-го тиристора. Отсутствие напряжения UH нагрузки ТП при
1
x21
x1
&
V1
&
1
z11
x6
xk
1
x′6
zk
&
x22
x4
&
x3
1
1
&
1
z2
1
&
z5
z4
&
z12
1
V2
&
z3
x5
Рис. 3.16.Логическая сеть силовой схемы однофазного двухполупериодного ТП со средней точкой
75
коммутации тиристоров (рис. 3.14, з) отражено в логической сети
введением звена логического произведения, выходная переменная
которого
z� = (z2 ∨ z3 ∨ z4 ) ∧ x K.
Математические выражения алгебры логики, характеризующие
режим работы ТП (см. рис. 3.14), могут быть представлены как
z� =
{ (z ∨ z2 )∧ x3  ∨ (x4 ∧ x� )∨ z4}∧ xk ∧ z ∧ z2;
z,n+ = (z,n ∨ x 2 )∧ (x ∧ x 6 )∨ (x 4 ∧ x� )∨ (z,n ∧ z2,n ∧ x k ) ;
(
)
z2,n+ = (z2,n ∨ x 22 )∧  x ∧ x′6 ∨ (x 4 ∧ x� )∨ (z,n ∧ z2,n ∧ x k ) .


На рис. 3.17 приведена логическая сеть, характеризующая режим работы силовой схемы однофазной мостовой схемы ТП. Поскольку ток нагрузки ТП равен сумме токов iV1= �iV2, iV3 = �iV4 тиристоров V1, V2, V3, V4 (см. рис. 3.15, д), указанное событие отражено
x21
x22
0
&
1
V1
1
&
0
0
x6
x1
&
&
z 11
&
zk1
z 01
1
&
z 12
1
1
x4
x5
xk
&
z3
&
1
x3
z4
&
z5
V2
1
1
1
1
&
x′6
&
x 23
x 24
&
V3
&
zk2
z 13
&
1
1
&
z02
z 14
V4
Рис. 3.17.Логическая сеть силовой схемы однофазного мостового ТП
76
в логической сети рис. 3.17 введением логического суммирования
сигналов z01, z02 равных z0 = z ∧ z2; z 02 = z3 ∧ z4, и характеризующих токи iV1, iV2 и i�V3, iV4, последовательно протекающие через
соответствующие тиристоры V1, V2 и V3, V4.
Поскольку тиристоры V1, V2 и V3, V4 могут открываться лишь
при одновременной подаче управляющих импульсов тока iу1, iу2
для тиристоров V1, V2 и импульсов тока iу3, iу4 для тиристоров V3,
V4, это событие отражено в логической сети (рис. 3.17) введением
логического произведения сигналов х21, х22 и х23, x24. Коммутационный процесс в ТП характеризуется введением в логическую сеть
сигнала хK = 1 (см. рис. 3.15, ж).
Математические выражения алгебры логики, характеризующие
режим работы однофазной мостовой схемы ТП, могут быть представлены как
z� = { [(z ∧ z2 ) ∨ (z3 ∧ z4 ) ]∧ x 3 ∨ (x 4 ∧ x� ) ∨ z4 }∧ x k;
z,n+ = (x 2 ∧ x 22 ) ∨ z,n  ∧ (x ∧ x 6 ) ∨ (x 4 ∧ x� ) ∨ (z,n ∧ z3,n ∧ x k )  ;
z2,n+ = (x 2 ∧ x 22 ) ∨ z2,n  ∧ (x ∧ x 6 ) ∨ (x 4 ∧ x� ) ∨ (z2,n ∧ z4,n ∧ x k )  ;
z3,n+ = (x 23 ∧ x 24 ) ∨ z3,n  ∧ (x ∧ x′6 ) ∨ (x 4 ∧ x� ) ∨ (z,n ∧ z3,n ∧ x k )  ;
z4,n+ = (x 23 ∧ x 24 ) ∨ z4,n  ∧ (x ∧ x′6 ) ∨ (x 4 ∧ x� ) ∨ (z2,n ∧ z4,n ∧ x k )  .
3.5. Диагностическая модель тиристорного электропривода
постоянного тока с системой подчиненного регулирования
В соответствие с принципиальной схемой электропривода, показанной на рис. 3.2, строится функциональная схема электропривода. На рис. 3.18 представлена функциональная схема электропривода. Здесь функциональные элементы GB�
1, GB�
2, KK, ЗИ, Т,
БО, BV обозначены в соответствие с элементами принципиальной
схемы. Элементы РС и РТ определяют собой регулятор скорости
и тока, в состав которых вошли усилитель У1, резисторы R1, R3,
конденсатор С1 и усилитель У2, резисторы R4, R6, конденсатор С2.
В состав элемента ДН наряду с датчиком напряжения включены
резисторы R2, R7, R8, а в состав элемента ДТ совместно с датчиком
тока резистор �
R5 и шунт RS. Реверсивные комплекты преобразователя и их СИФУ объединены в один элемент ТП. Описание СИФУ
приведено в подразд. 3.3. Применительно к электродвигателю М
в функциональной модели рис. 3.18 использован принцип разделения физических параметров входных и выходных сигналов объ77
екта диагностирования и разделения их функциональных взаимосвязей. Входными сигналами двигателя постоянного тока приняты
напряжения якоря Uтп, обмотки возбуждения Uв и нагрузки на
валу двигателя – статический момент Мс. Выходные сигналы двигателя – ток якоря Iя и частота вращения nд двигателя.
Функциональная связь между указанными сигналами может
быть отражена аналогично структурным схемам двигателя постоянного тока независимого возбуждения совокупностью элементов,
соответствующих электрическим цепям возбуждения двигателя
(ВД), якоря двигателя (ЯД), вращающимся массам я коря двигателя (МД) и наличию ЭДС вращения двигателя (ЭД):
ВД – характеризует функциональную связь между напряжением питания обмотки возбуждения Uв и потоком возбуждения двигателя, зависимость между ними определяется нелинейным дифференциальным уравнением;
ЯД – характеризует функциональную взаимосвязь между током
якоря Iя, напряжением Uтп на выходе ТП и противоЭДС Ед двигателя, связь между ними определяется линейным дифференциальным уравнением;
МД – характеризует функциональную взаимосвязь между частотой вращения nд, током якорной цепи Iя, потоком возбуждения
Фд и статическим моментом Мс на валу двигателя, связь между
ними имеет интегральный характер;
ЭД – характеризует функциональную связь между частотой вращения nд, потоком возбуждения Фд противоЭДС Ед двигателя, которая определяется как функция перемножения сигналов Фд и nд.
Функциональная модель двигателя постоянного тока независимого возбуждения выделена на рис. 3.18 штриховой линией.
0 – сигнал воздействия (включения, отключения, изменения положения рукоятки КК) на командоконтроллер КК со стороны оператора;
Uтп – сигнал изменения уровня ограничения тока якоря двигателя;
Uc – напряжение питания первичной стороны силового трансформатора ТП.
Для получения логической модели тиристорного электропривода каждый его функциональный элемент заменяется логическим
блоком, имеющим один вывод и существенные для данного выхода входы. Построение логической модели производится непосредственно по функциональной или принципиальной схемам объекта
диагностирования.
78
79
ÇÈ
U ÄÑ
4
2
ÊÊ
ÁÎ
3
GB1
U0
ÄÍ
29
ÑÐ U ð ñ
5
Uc
BV
28
26
GB2
27
Uð Ò
ÄÒ
PT
7
T
6
B1
UêÒ
Ua Ò
UÒ
Uc
ÄÊ
25
ÄÀ
24
Òð
11
È1
8
Upc
Рис. 3.18.Функциональная схема электропривода
0
B1
1
ÐÓ
23 U 0
Ô
12
È2
9
ÂÓ
a1
22
Ó
13
È3
10
a2
21
ÎÓ
ÔÓ
14
ÓÈ
15
ÓÈ
ÐÃ
16
30
TS
ÅÄ
UÒ Ï
ÒÏ
ÝÄ
19
ßÄ
17
Iÿ
ÔÄ
Ìñ
Ì
ÂÄ
20
ÌÄ
18
ÏÄ
UÂ
80
Рис. 3.19.Логическая модель тиристорного электропривода
В соответствии с функциональной моделью на рис.3.19 в виде
ориентированного графа представлена логическая модель тиристорного электропривода. Входные внешние сигналы x1, x2, x3, x6,
x24, x25, x23, x21, x′21, x20, x18, x22, x26 на рис. 3.19 отражают сигналы B1, 0, U0, Uc, Uа.т, Uк.т, Up.c, α1, α2, Uв, Mc, U0, B1. Внешний
выход сигнала z18 соответствует частоте двигателя nд.
3.6. Таблица функций неисправностей объектов
диагностирования
Представим множество всех исправных e0 и неисправных ei, i� =
= 1,2,..., N, состояний объекта диагностирования символом Е, а символом П – множество всех элементарных их проверок πj, j = 1,2,..., п.
Тогда прямоугольная таблица (табл. 3.3), строкам которой соответствуют элементарные проверки πj, столбцам – технические состояния
еi элементов объекта, а клеткам j, i, находящимся на пересечении
строк πj и строк еi, соответствуют результаты R
�ij проверок, будет представлять собой матрицу или таблицу функций неисправностей (ТФН)
объекта диагностирования [1].
Таблица функций неисправностей полностью задает поведение
объекта диагностирования в исправном (столбец e0) и всех возможных неисправных (остальные столбцы) состояниях; ТФН наглядна и
удобна для построения и реализации алгоритмов диагностирования.
Таблица 3.3.Таблица функций неисправностей объекта диагностирования
Е
R
П
ео
e1
e2
...
еi
…
еn
π1
R1
R11
R21
...
Ri1
...
RN1
π2
R2
R12
R22
...
Ri2
...
RN2
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
πj
Ri
R1i
R2i
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
πn
Rn
R1n
R2n
.
.
.
...
Rij
.
.
.
...
.
.
.
...
Rin
RNi
.
.
.
...
RNn
Отметим два основных свойства ТФН: свойство обнаружения
любой неисправности, т. е. для любой неисправности е ∈ Е найдёт81
ся хотя бы одна элементарная проверка πi ∈ П такая, что Rj ≠ Rij, а
также свойство различения всех неисправностей, т. е. для каждой
пары неисправностей), т. е. еi, ek ∈ E, i ≠ k, найдется хотя бы одна
элементарная проверка πi ∈ П такая, что Rj ≠ Rij.
Наличие у множества Π свойства обнаружения неисправностей
эквивалентно тому, что столбец e0 ТФН отличается от каждого из
отдельных ее столбцов еi, ��i� = 1, … N, а наличие свойства различения
тому, что все столбцы таблицы, представляющие неисправные состояния, попарно различны.
Общее число возможных состояний объекта диагностирования
при его разделении на N функциональных (или логических) элементов и двухальтернативном исходе (исправен, неисправен) составляет
2N–1. Определить и учесть такое большое число состояний весьма
трудно даже для простых объектов диагностирования. Поэтому в инженерной практике предполагают, что в объекте диагностирования
возможен дефект лишь одного функционального элемента. Данное
предложение вытекает естественным образом из пуассоновского характера потока отказов элементов систем регулирования. При указанных допущениях число возможных неисправных состояний объекта диагностировании резко сокращается и становится равным N.
Рассмотрим процедуру построения ТФН на примере логической
модели СИФУ ТП (см. рис. 3.4). При одиночных неисправностях
элементов модели множество Е технических состоянии объекта
диагностирования (число столбцов ТФН) на 1 больше числа логических элементов, т. е. равно 15. Неисправные состояния объекта
обозначены символами еi в соответствии с неисправностью i-го элемента, а исправное состояние – символом ео. Множество П возможных элементарных проверок (число строк ТФН) соответствует числу логических элементов.
Заполнение ТФН осуществлялось в соответствии с решениями
логических уравнений (3.3) и (3.4) для каждого элемента логической модели СИФУ (см. рис. 3.4):
z = e ∧ x; z2 = e2 ∧ z; z3 = e3 ∧ z ∧ z2;
82


z4 = e 4 ∧ x 4; z� = e� ∧ z4 ∧ z2; z6 = e6 ∧ z� ∧ z2; 
z7 = e7 ∧ z2 ∧ z3 ∧ z6 ∧ z ∧ z4; z� = e � ∧ z7 ∧ z;

z9 = e 9 ∧ z�; z0 = e0 ∧ x0 ∧ x′0 ∧ z2 ∧ z4;


z = e ∧ x ∧ x′ ∧ z0 ∧ z2;


z2 = e2 ∧ x2 ∧ z2; z3 = e3 ∧ x3 ∧ z2;

z4 = e4 ∧ x4 ∧ z2 ∧ z2 ∧ z3.
 (3.16)
Таблица 3.4. Таблица функций неисправностей СИФУ
Е
R
П
e0 e1 e2 e3 e4 e5 e6
e7
e8 e9 e10 e11 e12 e13 e14
Z1
1 0
1
1 1 1 1
1
1
1
1
1
1
1
1
Z2
1 0
0
1 1 1 1
1
1
1
1
1
1
1
1
Z3
1 0
0
0 1 1 1
1
1
1
1
1
1
1
1
Z4
1 1
1
1 0 1 1
1
1
1
1
1
1
1
1
Z5
1 0
0
1 0 0 1
1
1
1
1
1
1
1
1
Z6
1 0
0
1 0 0 0
1
1
1
1
1
0
0
0
Z7
1 0
0
0 0 0 0
0
1
1
0
0
0
0
0
Z8
1 0
0
0 0 0 0
0
0
1
0
0
0
0
0
Z9
1 0
0
0 0 0 0
0
0
0
0
0
0
0
0
Z10
1 0
0
1 1 1 1
1
1
1
0
1
0
0
0
Z11
1 0
0
1 1 1 1
1
1
1
0
0
0
0
0
Z12
1 0
0
1 1 1 1
1
1
1
1
1
0
1
1
Z13
1 0
0
1 1 1 1
1
1
1
1
1
1
0
1
Z14
1 0
0
1 1 1 1
1
1
1
1
1
0
0
0
Столбцы таблицы соответствуют техническому состоянию i-го
элемента. Подставляя в уравнение (3.16) соответствующие значения ei и входных сигналов вычисляют zj. Так, первый столбец таблицы, соответствующий исправному состоянию объекта, вычисляется при условии, что ei=1 для всех �i=1,2, …, N и поэтому все zj=1.
Второй столбец определяется из условия, что �e1=0 (неисправен первый элемент), а ei=1, i=1,2, …, N� (исправны остальные элементы).
При этом из уравнений (3.16) получим:
z1 = 0, так как e�1 = 0;
z2 = 0, так как z1 = 0;
z3 = 0, так как z1 = 0;
z4 = 1, так как e�4 = 1 и x4 = 1;
83
z5 = 0, так как z2 = 0;
z6 = 0, так как z2 = 0;
z7 = 0, так как z2 = 0;
z8 = 0, так как z1 = 0;
z9 = 0, так как z8 = 0;
z10 = 0, так как z2 = 0;
z11 = 0, так как z2 = 0;
z12 = 0, так как z2 = 0;
z13 = 0, так как z2 = 0;
z14 = 0, так как z2 = 0.
Аналогично заполняются остальные столбцы таблицы. Табл. 3.4
позволяет обнаружить дефект любого i-го элемента логической модели СИФУ, поскольку все столбцы ei, i = 1,2, …, N� таблицы отличаются от столбца e0, а также различить (выделить) дефект любого элемента, так как все столбцы таблицы, соответствующие исправным
состояниям элементов, попарно различны.
Отметим, что представление непрерывного комбинационного
объекта диагностирования, к которому относится рассматриваемая СИФУ, моделями: функциональной, логической или в форме
ТФН, позволяет не делать различий в решении задач определения
правильности функционирования, работоспособности и исправности объекта. Разграничение вида технического состояния объекта
определяется лишь наложением соответствующих ограничений на
область допустимых значений входных и выходных сигналов объекта диагностирования.
3.7. Непрерывный контроль работы
тиристорного электропривода постоянного тока
с использованием метода алгебраических инвариантов
Одной из задач диагностирования электромеханических систем
является проверка правильности их функционирования. Как правило, она должна выполняться непосредственно в процессе работы
системы без использования специальных тестовых режимов и, тем
более, без размыкания обратных связей, что обычно применяется
в случае диагностики по логическим моделям ЭМС, содержащим
цепи обратной связи.
Решение данной задачи связано с организацией непрерывного
контроля функционирования ЭМС, как объекта диагностирования, в качестве которого на рис. 3.20 представлена схема электропривода (ЭП).
84
Y0
Y* n
ЭЛЕКТРОПРИВОД
Y* 1
. . .
Y*n–1
БЛОК ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ
Y1
. . .
Yn–1
Yn
ЭТАЛОННАЯ МОДЕЛЬ
Рис. 3.20. Структура диагностирования ЭП с БПР
Структура ЭП содержит n� блоков, которые имеют доступные для
измерения выходные сигналы y1, y2, …. yn. Считаем, что ЭП функционирует правильно, если отклонения выходных сигналов от расчетных номинальных значений не превосходят допусков:
Dyi� ≤ εi�, i� = ,n.
(3.17)
Расчетные значения выходных сигналов блоков ЭП входных
сигналов обычно определяются в процессе проектирования ЭМС.
Для этого используют математические модели блоков, с помощью
которых можно организовать непрерывный контроль. Наиболее
просто это достигается с помощью полной математической модели,
выходные сигналы которой y1, y2, …. yn должны быть сопоставлены
с выходными сигналами y1*, y2*, …. yn* реальной системы:
Dyi� = yi� − yi�* ≤ ε, i� =,n.
Если неравенства выполняются, то ЭП функционирует правильно, в противном случае – неправильно.
Схема непрерывного контроля с помощью эталонной модели
(ЭМ) показана на рис. 3.20, на которой также представлен блок
принятия решения (БПР), осуществляющий процесс сопоставления и проверки неравенства (3.17).
Диагностирование по схеме рис. 3.20 позволяет не только установить факт неправильного функционирования ЭП, но и определить
конкретные неисправные блоки в его составе. Локализация дефектов на уровне блоков требует сложных технических устройств диагностирования, в которых ЭМ и БПР обычно реализуются на ЭВМ.
85
Для оперативного диагностирования, когда необходимо установить только сам факт неправильного функционирования ЭП, средство диагностирования по схеме (рис. 3.20) оказывается излишне
сложным. Практическая реализация средств диагностирования
существенно упрощается при реализации метода алгебраических
инвариантов, идея которого изложена в [12]. Рассмотрим данный
метод применительно к созданию системы диагностирования ЭП.
Пусть математическая модель ЭП представлена в полиномиальной форме:
Ai� ( p)yi� − Bi� ( p)
n
∑ υ i�j yi� = 0,i� = ,n, (3.18)
j =0
где Ai(p) – полином относительно оператора p�������
= d���
����
/��
dt, степень которого r1; Bi(��������������������������
p�������������������������
) – полином относительно p, степень которого не превосходит ri; υtj – коэффициент структуры, принимающий одно из трех
значений: 0, 1, –1.
Полагаем, что описание (3.18) приведено к правильной, минимальной форме. Это обеспечивает получение экономичного в технической реализации алгебраического инварианта, который при любых значениях входного сигнала y0 сохраняет нулевое значение.
Требуемый алгебраический инвариант Δ = 0 можно построить
следующим образом. Пусть r = max�
����(r1), а mi� ( p), i� = ,n – совокупность полиномов, степени которых не превосходят r – r�i, где
i� = ,n.
Тогда уравнение алгебраического инварианта принимает вид
( p + γ)D =
n


mi� ( p)  A i� ( p)yi� − Bi� ( p) × ϑ i�j y j  = 0,
i� =
j =0


n
∑
∑
где γ – коэффициент собственной динамики инварианта Δ.
В более простой и удобной для реализации форме это уравнение
имеет вид
( p + γ)D =
r
∑ p i�li� (y0, ..., yn ) = 0, i� =
(3.19)
где li – линейная комбинация переменных y0, y1, y2, …. yn..
Схема диагностирования с помощью блока, реализующего выражение (3.19), представлена на рис. 3.21.
Блок диагностирования (БД) построен на r� интеграторах (ИНТ)
и r���
+ 1 сумматорах (Σ), практическая реализация которых может
быть выполнена на аналоговых или цифровых интегральных схемах, либо с помощью микроконтроллеров.
86
y0
ЭП
y*1
. . .
y*n–1
y*n
БД
Σ
1
ИНТ 1
Σ
γ
ИНТ γ
Σ
γ+1
Δ
Рис. 3.21.Структурная схема диагностирования ЭП с БД
Любое отклонение от расчетного режима, определяемого математической моделью, вызывает отклонение от нуля инварианта Δ.
Поэтому условием правильного функционирования ЭП служит выполнение неравенства
D ≤ ε, (3.20)
где ε – допуск на инвариант, обусловленный допусковыми отклонениями работы блоков ЭП от расчетного режима, вызванными технологическими и эксплуатационными факторами.
Таким образом, с помощью r� интеграторов и r���
+ 1 сумматоров
может осуществляться непрерывный контроль за правильностью
функционирования ЭП, при этом по неравенству (3.20) можно судить об уровне отклонения реального режима от контрольного.
При практической реализации БД особо важными являются два
вопроса:
1. Как
�������������������������������������������������������
влияют на результаты диагностирования начальные условия ЭП?
2. Каким
������������������������������������������������������
образом возможно уменьшить количество используемых для диагностирования выходных сигналов блоков ЭП?
Дело в том, что установка начальных условий на интеграторах
БД требует дополнительной информации о состоянии ЭП, а уменьшение числа используемых выходных сигналов непосредственным
образом влияет на количество и типы датчиков, подключаемых к
контролируемому ЭП.
Расчет начальных условий интеграторов БД в условиях эксплуатации ЭП в ряде случаев затруднителен. Для упрощения работы
с БД воспользуемся устойчивой его динамикой, определяемой коэффициентом γ. Это позволяет принять начальные условия всех
87
интеграторов БД за нулевые. Тогда в начальный момент диагностирования из-за возможной несогласованности начальных условий
блоков ЭП и интеграторов, входящих в состав БД, как правило,
произойдет нарушение неравенства (3.20). При правильно выбранном значении коэффициента γ сигнал Δ достаточно быстро устремляется к нулю. Это говорит о правильном последующем функционировании БД.
Ответ на второй вопрос о возможности уменьшения числа контролируемых переменных ЭП для диагностирования зависит от
схемы конкретного ЭП и связан с выбором полиномов mi� ( p), i� = ,n.
Особых ограничений, за исключением степени, для их выбора нет.
Это позволяет уменьшить число переменных, используемых в диагностировании, без ухудшения качества диагностирования. Пусть
yk – выходной сигнал блока ЭП, измерение которого невозможно
или нецелесообразно из-за отсутствия или сложности датчика. Этот
сигнал является входным сигналом следующего по направлению
распространения сигнала l�-го блока. Тогда условием исключения
сигнала yk из диагностирования служит равенство
mk ( p) A k ( p) − ml ( p)Bl ( p) = 0.
Особо следует остановиться на возможности исключении из диагностирования входного сигнала y0. Если это необходимо по причине затруднительного доступа к задающему сигналу y0, то следует
воспользоваться уравнением блока рассогласования ЭП:
y = y 0 − ϑ i�j y j ,
∑
j
которое может быть преобразовано к виду y 0 = y +
∑ ϑi�j y j, на осноj
вании которого вместо сигнала y0 можно воспользоваться совокупностью сигналов правой части представленного выражения.
Рассмотрим пример организации непрерывного контроля ЭП
подачи суппорта металлорежущего станка с числовым программным управлением (ЧПУ). Структурная схема ЭП представлена
на рис. 3.22, где обозначено: W
�РС(p) – передаточная функция (ПФ)
регулятора скорости; W
�РТ(p) – ПФ регулятора тока; W
�ТП(p) – ПФ
тиристорного преобразователя; �
WД(p) – ПФ двигателя постоянного
тока с управлением по якорной цепи; W
�МП(p) – ПФ механизма подачи; КДТ – коэффициент передачи датчика тока якоря двигателя;
КДС – коэффициент передачи датчика скорости двигателя; КДП –
коэффициент передачи датчика положения суппорта.
С контрольных точек ЭП на БД подаются сигналы: Uу – напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя ЧПУ (управля88
Uу
ЧПУ
UPT
UPC
WPC(p)
UДП
WPТ(p)
UДC
ωД
UТП
WТП (p)
UДТ
WД(p)
КДТ
VМП
WМП(p)МП
IЯ
КДС
Uу
UДП
UPC
UДC
UPТ
КДП
p
UДТ UТП
∆
БД
Рис. 3.22.Структурная схема ЭП подачи станка с ЧПУ
ющее воздействие ЭП); UРС и UРТ – напряжения на выходе РС и РТ;
UТП – напряжение на выходе тиристорного преобразователя; UДТ,
UДС, UДП – напряжения на выходе соответствующих датчиков ДТ, ДС
и ДП.
Поскольку ЭП представляется линейной математической моделью, то передаточные функции его динамических звеньев представляются в виде:
регулятор скорости:
U P� ( p)
T p +
WРС ( p) =
= K РС РС
;
(3.21)
U y ( p) − U ДС ( p)
TРС p
регулятор
тока:
U PТ ( p)
T p +
WРТ ( p) =
= K РТ РТ
;
(3.22)
U РС ( p) − U ДТ ( p)
TРТ p
тиристорный преобразователь:
U ( p)
WТП ( p) = ТП
= K ТП;
(3.23)
U РТ ( p)
звено
тока электродвигателя:
W / Д ( p) =
I Я ( p) U ДТ ( p)/ K ДТ / R Я
=
=
;
U ТП ( p)
U ТП ( p)
TЯ p + (3.24)
звено механической части электродвигателя:
W // Д ( p) =
w Д ( p)
I Я ( p)
=
U ДС ( p)/ K ДС
U ДТ ( p)/ K ДТ
=
С
;
Jp
(3.25)
89
механизм подачи и датчик положения:
U ДП ( p)
t ⋅K
W / ДП ( p) =
= i� Р В ДП ; U ДС ( p)/ K ДС
2pp
(3.26)
где
KРС, ТРС, KРТ, ТРТ, KТП, KДС, KДТ, KДП – передаточные коэф
фициенты и постоянные времени соответствующих динамических
звеньев; RЯ, ТЯ, – активное сопротивление и постоянная времени
якорной цепи электродвигателя; J, C, IЯ – момент инерции якоря,
конструктивная постоянная электродвигателя и его ток; iр – коэффициент передачи редуктора; tB – шаг ходового винта-гайки, входящего в состав механизма подачи; МСТ – статический момент сопротивления механизма подачи.
Для диагностики ЭП в целом необходимо иметь МСТ = const������
�����������
, что
выполняется при холостом ходе, что на практике соответствует условию отсутствия обработки детали. В процессе резания момент нагрузки на валу электродвигателя изменяется. Если закон известен,
то это может быть учтено при диагностике. Если закон неизвестен,
в реальных условиях звено механической части электродвигателя
невозможно диагностировать.
Преобразуем передаточные функции динамических звеньев ЭП
(3.21)…(3.26), представив их в полиномиальной форме:
– для регулятора скорости:
 K РСTP�U У ( p) − TP�U P� ( p) − K P�TP� × U ДС ( p)  p +
+ K P�U У ( p) − K P�U Д� ( p) = 0;
– для регулятора тока:
 K РTTPTU P� ( p) − TPTU PT ( p) − K PTTPT × U ДT ( p)  p +
+ K PTU P� ( p) − K PTU ДТ ( p) = 0;
90
(3.27)
– для тиристорного преобразователя:
K TПU PT ( p) − U TП ( p) = 0; – для звена тока электродвигателя:
R ЯТ ЯU ДТ ( p) p − K ДТU ТП ( p) + R ЯU ДТ ( p) = 0; (3.28)
(3.29)
(3.30)
для звена механического движения электродвигателя:
K ДТ JU ДС ( p) p − K ДССU ДТ ( p) = 0; (3.31)
– для механизма подачи с датчиком положения:
2pK ДСU ДП ( p) p − i� PtВ K ДПU ДС ( p) = 0. (3.32)
Складывая левые и правые части представленных выражений
(3.27) – (3.32), соответственно, получим:
p[β U У ( p) + β 2U РС ( р) + β 3U РТ ( р) +
+β 4U ДС ( р) + β �U ДТ ( р) + β 6U ДП ( р)] +
+a U У ( р) + a 2U РС ( р) + a 3U РТ ( р) +
+a 4U ТП ( р) + a �U ДС ( р) + a 6U ДТ ( р) = 0,
где использованы следующие обозначения:
β = K РСTРС; β 2 = −TРС + K РТTРТ;
(3.33)
β 3 = −TРT; β 4 = − K P�TРС + K ДТ J;
β � = R ЯTЯ − K РТTРТ ; β 6 = 2pK ДС;
a = K P�; a 2 = K PT; a 3 = K ТП; a 4 = − − K ДТ;
a � = − K P� + i�РtВ K ДП; a 6 = R Я − K ДСС − K РТ.
Записываем уравнение алгебраического инварианта. Для этого
предварительно делим левую и правую части уравнения (3.33) на р,
а в правую часть вводим алгебраический инвариант Δ с коэффициентом собственной динамики γ, который обратно пропорционален
постоянной времени инварианта:
β U У ( p) + β 2U РС ( р) + β 3U РТ ( р) +
+β 4U ДС ( р) + β �U ДТ ( р) + β 6U ДП ( р) +
+[a U У ( р) + a 2U РС ( р) + a 3U РТ ( р) +
= D( p + γ).
(3.34)
p
Введение оператора (p���
+ γ) обеспечивает устойчивый апериодический переходный процесс изменения величины инварианта.
Схемотехническая реализация уравнения алгебраического инварианта (3.34) в аналоговом варианте представлена на рис. 3.23.
Отрицательные значения передаточных коэффициентов операционных усилителей обеспечиваются соответствующими инвертирующими усилителями, для простоты не представленными на
схеме.
В том случае, если диагностирование ЭП ведется в пусковом режиме работы электродвигателя, на интеграторе БД необходимо задавать нулевые начальные условия.
+a 4U ТП ( р) + a �U ДС ( р) + a 6U ДТ ( р)]
91
–β1
Uу
α1
–β2
UРС
α2
–β3
UРТ
α3
–β4
UДС
α5
–β5
UДТ
α6
UДП
UТП
–β6
α4
–γ
1
1
2
∆
Рис. 3.23.Структура блока диагностирования ЭП подачи
Таким образом, техническая реализация БД для ЭП подачи
станка с ЧПУ, содержит всего один интегратор, один сумматор,
каждый из которых должен иметь по семь входов и семь инвертирующих усилителей.
92
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Осипов О. И., Усынин Ю. С. Техническая диагностика автоматизированных электроприводов. М.: Энергоатомиздат, 1991. 160 с.
2. Мозгалевский А. В., Гаскаров Д. В. Техническая диагностика
(Непрерывные объекты). М.: Высш. шк., 1975. 207 с.
3. Глазунов Л. П., Смирнов А. Н. Проектирование технических
средств диагностирования. Л.: Энергоатомиздат, 1982. 168 с.
4. Дмитриев А. К. Распознавание отказов системах электроавтоматики. Л.: Энергоатомиздат, 1983. 104 с.
5. Основы технической диагностики (Модели объектов, методы
и алгоритмы диагноза) / Под ред. П. П. Пархоменко. М.: Энергия,
1976. 464 с.
6. Основы технической диагностики (Оптимизация алгоритмов
диагностирования, аппаратурные средства) / Под ред. П. П. Пархоменко. М.: Энергия, 1981. 320 с.
7. Введение в техническую диагностику / Г. Ф. Верзаков,
Н. В. Киншт, В. И. Рабинович, Л. С. Тимонен. М.: Энергия, 1968.
224 с.
8. Автоматический поиск неисправностей / Г. В. Мозгалевский,
Д. В. Гаскаров, Л. П. Глазунов, В. Д. Ерастов. Л.: Машиностроение.
1967. 264с.
9. Сольницев Р. И. Автоматизация проектирования систем автоматического управления: Учеб. для вузов по спец. «Автоматика и
управ. в техн. системах». М.: Высш. шк., 1991. 335 с.
10. ГОСТ 20911-95. Техническая диагностика: Основные термины и определения.
11. Диагностирование и прогнозирование технического состояния авиационного оборудования: Учеб. пособие для вузов гражд.
авиации / В. Г. Воробьев, В. В. Глухов, Ю. В. Козлов и др.; под ред.
И. М. Синдеева. М.: Транспорт, 1984. 191 с.
12. Мироновский Л. А. Функциональное диагностирование динамических систем: Науч. изд. СПб.: Изд-во МГУ-ГРИФ, 1998. 256 с.
13. Кудрицкий В. Д., Синица Н. А., Чинаев П. И. Автоматизация
контроля радиоэлектронной аппаратуры. М.: Сов. радио, 1977. 256 с.
14. Казначеев В. И. Диагностика неисправностей цифровых автоматов. М.: Сов. радио, 1975. 256 с.
15. Клюев А. С., Глазов Б. В., Дубровский А. Х. Проектирование
систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие/под ред. А. С. Клюева. М.: Энергия, 1980. 512 с.
16. Атанов В. А., Бритов Г. С. Непрерывный контроль электроприводов // Электротехника. 1991. № 4. С. 55 – 58.
93
Учебное издание
Ефимов Александр Андреевич
Мельников Сергей Юрьевич
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ И
ДИАГНОСТИКИ
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
Часть 1
Текст лекций
Редактор В. П. Зуева
Верстальщик С. Б. Мацапура
Сдано в набор 01. 12. 07. Подписано к печати 24. 01. 08.
Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ л. 5,8.
Уч.-изд. л. 5,9. Тираж 100 экз. Заказ № .
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
94
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
15
Размер файла
960 Кб
Теги
efimov, 057b2171e8
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа