КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

ВІЙСЬКОВИЙ ІНСТИТУТ

КАТІН Павло Юрійович

УДК 681.518.5

МЕТОДИКА КОНТРОЛЮ ТЕХНІЧНОГО СТАНУ

АНАЛОГОВИХ ПРИСТРОЇВ РАДІОЕЛЕКТРОННИХ ЗАСОБІВ ОЗБРОЄННЯ З ВИКОРИСТАННЯМ УЗАГАЛЬНЕНОЇ КОНТРОЛЬНОЇ ТОЧКИ

Спеціальність 20.02.14 – озброєння і військова техніка

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ-2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Військовому інституті Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор Жердєв Микола Костянтинович, Військовий інститут Київського національного університету імені Тараса Шевченка, професор кафедри бойового застосування і експлуатації (радіоелектронного озброєння).

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Креденцер Борис Петрович, провідний науковий співробітник Військового інституту телекомунікацій та інформатизації Національного технічного університету України “КПІ”;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Тарашкевич Станіслав Степанович старший науковий співробітник науково-дослідного відділу №32 Наукового центру зв’язку та інформатизації ЗС України.

Провідна установа Національний науково-дослідний центр оборонних технологій і воєнної безпеки України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 18 ” березня 2005 р. о 14 год. 00 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради К .001.40 Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 03680, Київ-680, просп. Глушкова, 2 корп. 8.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, Київ-33, вул. Володимирська 58, зал 12.

Автореферат розісланий “ 18 ” лютого 2005 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Міхно О.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним із найважливіших напрямків наукової роботи в Збройних Силах України є модернізація радіоелектронних засобів озброєння (РЕЗО), військової техніки і вдосконалення системи їх обслуговування і ремонту. Це забезпечує покращення бойових і експлуатаційних характеристик озброєння при невеликих фінансових витратах і за мінімальний термін.

Досвід експлуатації озброєння і військової техніки у Збройних Силах України виявив низку суттєвих недоліків системи обслуговування і ремонту РЕЗО. Одним з них є недостатня якість діагностичного забезпечення аналогових пристроїв на об’єктах РЕЗО безпосередньо на місцях дислокації. Внутрішні засоби технічного діагностування (ЗТД) об’єктів РЕЗО, в більшості випадків, не здатні забезпечити глибину діагностування до одного аналогового типового елементу заміни (ТЕЗ), внаслідок цього необґрунтовано збільшуються матеріальні та часові витрати на відновлення РЕЗО, зменшується коефіцієнт готовності і збільшується середній час відновлення.

Одним із способів вдосконалення діагностичного забезпечення аналогових пристроїв є обладнання кожного об’єкту РЕЗО уніфікованим, відносно простим, автоматизованим пристроєм для контролю технічного стану (ПКТС), який дозволив би швидко виділити непрацездатні аналогові ТЕЗ з групи підозрюваних (12-20 одиниць), що виявлена вбудованими ЗТД. Наявність таких ПКТС дозволить удосконалити діагностичне забезпечення аналогових пристроїв РЕЗО, а саме досягнути глибини діагностування до одного аналогового ТЕЗ безпосередньо на місцях дислокації РЕЗО та усунути недоліки її системи обслуговування і ремонту.

Аналоговим пристроям сучасних об’єктів РЕЗО притаманна низка особливостей, до яких, зокрема, відносяться: наявність зовнішнього логічного управління; випадковий характер діагностичних параметрів (ДП); збільшення щільності монтажу електрорадіокомпонентів (ЕРК) на друкованих монтажних платах, яка досягає до 100 контактів на 1 кв.см. Для контролю технічного стану (ТС) таких об’єктів діагностування (ОД) використовується внутрішньосхемне тестування, функціональне тестування, периферійне сканування, методи параметричної ідентифікації і довідників несправностей. Перелічені існуючі методи обумовлюють високу вартість ЗТД, великі матеріальні і часові витрати на етапі розробки ЗТД і на етапі експлуатації. Отже, відомі методи і методики практично не придатні для побудови ПКТС.

Таким чином, дисертаційна робота спрямована на розробку нових методів і методик контролю ТС аналогових пристроїв, які дозволять розробити ПКТС для визначення працездатності аналогових ТЕЗ безпосередньо на місцях дислокації РЕЗО і усунути недоліки, притаманні системи обслуговування і ремонту РЕЗО. Актуальними напрямками досліджень є розробка нових діагностичних моделей аналогових ОД, зменшення кількості контрольних точок (КТ) і ДП.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основними керівними документами, які визначили напрямок наукових досліджень, є: Закон України “Про наукову і науково-технічну діяльність” від 13.12.1991 р. № 1977-ХII, Закон України “Про основи державної політики у сфері науки і науково-технічної діяльності” від 01.12.98 р. № XIV, Концепція наукової роботи у Збройних Силах України, введена в дію наказом Міністра оборони України від 07.05.97 р. № , Положення про наукову і науково-технічну діяльність у Збройних Силах України, введене в дію наказом Міністра оборони України від 04.04.2000 р. № . В цих документах підкреслюється необхідність зосередження тем науково-дослідних робіт на вдосконаленні процесів ремонту, модернізації наявного озброєння і військової техніки. Робота виконана відповідно до плану науково-дослідної роботи “Діагностика” (№0101Г002251), що проводилася у Військовому інституті Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Мета і задачі дослідження. Мета досліджень, проведених в дисертаційній роботі, полягає у вдосконаленні системи обслуговування і ремонту РЕЗО, зменшенні часу і вартості контролю ТС аналогових пристроїв при відновленні РЕЗО безпосередньо на місцях дислокації. Це здійснюється шляхом покращення діагностичного забезпечення аналогових пристроїв.

Для досягнення цієї мети у дисертації вирішується наукова задача – розробка методики контролю ТС аналогових пристроїв РЕЗО на основі методу узагальненої контрольної точки (УКТ).

Об'єктом дослідження є лінійні аналогові пристрої РЕЗО (субблоки, ТЕЗ) з елементами зовнішнього логічного управління, далі за текстом – аналогові пристрої.

Предмет дослідження – процес контролю ТС аналогових пристроїв з метою визначення їх працездатності на етапі військової експлуатації безпосередньо на місці дислокації РЕЗО.

Для розв’язання сформульованої наукової задачі доцільно розділити її на складові частини, які визначають окремі задачі дослідження:

1) аналіз структури аналогових пристроїв РЕЗО;

2) побудова функціонально-статистичної моделі аналогових пристроїв на основі проведеного аналізу;

3) розробка методу отримання діагностичної інформації (ДІ), який дозволяє зменшити кількість КТ і створює умови для покращення показників якості контролю ТС аналогових ОД безпосередньо на місці дислокації РЕЗО;

4) експериментальна перевірка отриманих результатів і розробка методики контролю ТС аналогових пристроїв з використанням УКТ;

5) розробка технічних рішень, спрямованих на практичну реалізацію ПКТС з метою визначення працездатності аналогових ТЕЗ безпосередьно на місці дислокації.

Методи досліджень. Для вирішення цих завдань використані методи аналізу електронних схем (при побудові аналітичної моделі), методи математичної статистики (при побудові аналітичної моделі та обробці результатів експериментальних досліджень), методи технічної діагностики (при побудові моделі).

Наукова новизна отриманих результатів. Новими науковими результатами, які отримані в дисертаційній роботі, є:

1. Функціонально-статистична модель (ФСМ) аналогового пристрою, яка є формалізованим описом ОД на функціональному рівні. Модель розроблена вперше. Новизна наукового результату полягає в новій постановці задачі при формалізації аналогових пристроїв, кількість режимів роботи яких перевищує кількість ЕРК або функціональних елементів, які при контролі ТС розглядаються окремо, та її вирішенні методом імітаційного моделювання. На відміну від відомих діагностичних моделей, в ФСМ джерелом потенційних відмов є ОД в одному з режимів роботи. Це дозволяє здійснювати контроль ТС багаторежимних аналогових ОД високого ступеню інтеграції.

2. Метод узагальненої КТ для отримання ДІ при контролі ТС аналогових пристроїв. Фізична основа методу полягає у використанні в якості ДП постійної та змінної складових струму в шині живлення, що відрізняє цей метод від відомих і визначає його новизну. Метод дозволяє контролювати ТС складних аналогових пристроїв на етапі експлуатації, які містять багато функціональних елементів, і дає можливість зменшити кількість КТ і діагностичних параметрів.

3. Нова методика контролю ТС аналогових пристроїв безпосередньо на місці дислокації РЕЗО, в основі якої лежать запропоновані автором моделі лінійних аналогових пристроїв і метод УКТ. На відміну від відомих, розроблена методика дозволяє врахувати випадковий характер ДП при контролі ТС, перевіряти умови прояву і транспортування ознак дефектів в узагальнену КТ на схемотехнічному рівні з урахуванням виробничих допусків на промислові ЕРК.

Практичне значення отриманих результатів. На основі отриманих наукових результатів розроблені технічні рішення, які дозволяють розробити ПКТС для визначення працездатності аналогових ТЕЗ безпосередньо на місці дислокації РЕЗО. Наявність такого пристрою дає можливість локалізувати несправний ТЕЗ у групі, де підозрюється несправність, яка виявлена вбудованими ЗТД. Це дозволяє усунути виявлені недоліки, які притаманні існуючій системі обслуговування та ремонту, зменшити середній час і вартість контролю ТС аналогових пристроїв при відновленні РЕЗО безпосередньо на місцях її дислокації. Побудова ФСМ здійснюється за допомогою систем автоматичного проектування (САПР), а саме, систем моделювання аналогово-цифрових електронних пристроїв методом імітаційного моделювання. Це дозволяє зменшити матеріальні й часові витрати.

Результати досліджень упроваджені в холдинговій компанії “Укрспецтехніка” у дослідно-конструкторській роботі “Альфан”, де особисто автором розроблена ФСМ для контролю ТС аналогових пристроїв. Основні наукові і практичні результати досліджень реалізовані в НДР “Діагностика” (№ 0101U002251), яка виконувалась у Військовому інституті Київського національного університету імені Тараса Шевченка при побудові програм перевірки ТЕЗ радіоелектронної техніки 4-го покоління (акт реалізації № 228 від 5.11.2004). Результати досліджень упроваджені у навчальний процес Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка (акт реалізації № 229 від 5.11.2004).

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. У спільних публікаціях здобувачу належать такі наукові результати: в] – загальна структура ПКТС, в якому в якості ДІ використовується струм в колі живлення ОД; у] – непараметричний алгоритм побудови ФСМ аналогових пристроїв РЕЗО; у] – методика контролю ТС аналогових пристроїв з елементами зовнішнього логічного управління, параметричний алгоритм побудови ФСМ, основні елементи методики перевірки прояву і транспортування ознак дефектів в УКТ; в [6] – ідея побудови діагностичної моделі аналогового ОД з елементами зовнішнього логічного управління. Ідеї співавторів в дисертації не використовувалися.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати дисертації доповідалися і обговорювалися на другій науково-технічній конференції ВІТІ НТУУ “КПІ” “Пріоритетні напрямки розвитку телекомунікаційних систем та мереж спеціального призначення”, 2004 р., на науково-практичному семінарі ВІТІ НТУУ “КПІ” “Сучасні системи зв'язку і АСУВ та їх подальший розвиток. Напрями удосконалення підготовки фахівців для військ зв'язку в умовах реформування Збройних Сил України”, 2002 р., на науково-практичної конференції, присвяченій 70-річчю створення кафедри військової підготовки в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка, яка проходила у Військовому інституті Київського національного університету імені Тараса Шевченка в 2003 р., а також на розширеному засіданні кафедри бойового застосування і експлуатації (радіоелектронного озброєння) Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Публікації. Основні наукові результати дисертаційної роботи опубліковані автором у шести статтях у фахових виданнях, які входять до переліку ВАК України, у тез доповіді та впроваджені у дослідно-конструкторській та науково-дослідній роботах.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків і списку використаних джерел. Загальний обсяг складає 161 сторінку машинописного тексту, з яких 15 сторінок займають додатки, 9 сторінок – ілюстрації, 4 сторінки займають таблиці і 8 сторінок складає список використаних джерел, що містить 93 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обґрунтування актуальності теми, мету і задачі дослідження, наукову новизну і практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі проведений аналіз методів і систем для контролю ТС аналогових пристроїв РЕЗО на етапі експлуатації, в результаті якого виявлені недоліки діагностичного забезпечення аналогових пристроїв безпосередньо на місці дислокації РЕЗО, які знижують ефективність системи обслуговування і ремонту РЕЗО, призводять до зменшення коефіцієнту готовності і збільшенню середнього часу відновлення. Недоліки, в основному, зумовлені двома причинами: недостатньою глибиною діагностування аналогових ТЕЗ вбудованими ЗТД (від 3 до 12 ТЕЗ) і відсутністю ПКТС аналогових пристроїв на об’єкті РЕЗО. Це приводить до зменшення ефективності системи обслуговування і ремонту РЕЗО, яка містить три рівні.

На першому рівні контроль ТС аналогових ТЕЗ виконується обслугою безпосередньо на місці дислокації РЕЗО за допомогою вбудованих ЗТД і вимірювальних приладів. На другому (майстерні військових частин) і третьому рівнях (майстерні з’єднань, сервісні центри заводів-виробників) здійснюється перевірка працездатності, пошук дефектів та усунення несправностей аналогових ТЕЗ ремонтною бригадою з використанням спеціальних приладів в умовах майстерні.

Недостатня глибина діагностування примушує застосовувати агрегатні методи усунення несправностей. Тобто, на першому рівні замінюють і відправляють у ремонт групу ТЕЗ, в якій підозрюють несправність. Відправка здійснюється на другий або третій рівень. У середньому, в групі налічується від 5 до 10 ТЕЗ, а досвід показує, що звичайно несправними в групі є один, рідше два ТЕЗ. Другий і третій рівень звичайно віддалений від місць дислокації РЕЗО на відстань до десятків кілометрів. Внаслідок цього необґрунтовано збільшуються матеріальні і часові витрати на доставку групи ТЕЗ до місць контролю ТС і ремонту.

Отже, необхідно розробити ПКТС, який дозволяє виділити в групі ТЕЗ, яка виявлена вбудованими ЗТД і в якій підозрюється несправність, дійсно непрацездатні ТЕЗ. У цьому випадку на другий або третій рівень відправляються тільки непрацездатні ТЕЗ, що дозволяє вдосконалити систему обслуговування і ремонту, збільшити коефіцієнт готовності і зменшити середній час відновлення. Рішення цього завдання ускладнюється тому, що існуючі методи і засоби для контролю ТС аналогових пристроїв РЕЗО на місці їх дислокації, в основному, недостатньо ефективні, реалізовані на базі інженерно-інтуїтивних методів.

Ускладнення будови аналогових пристроїв РЕЗО суттєво знижує ефективність цих методів. Найбільш впливовими причинами, які знижують ефективність відомих методів контролю ТС аналогових пристроїв РЕЗО, є: наявність в аналогових пристроях РЕЗО елементів для здійснення зовнішнього логічного управління, збільшення кількості режимів роботи аналогових ОД, щільності монтажу, кількості ДП і контрольних точок. Це робить неприйнятним застосування відомих методів для розробки ПКТС.

Виходячи з цього, у першому розділі дисертації поставлені актуальні задачі дослідження, які спрямовані на пошук і розробку нових методів і методик для автоматизації контролю ТС з метою розробки ПКТС для визначення працездатності аналогових ТЕЗ безпосередньо на місці дислокації РЕЗО.

У другому розділі побудована ФСМ аналогових ОД для контролю ТС і розроблено новий метод отримання ДІ – метод УКТ.

Об’єктом діагностування є електронна схема, яка зібрана на одній друкованій платі. Розглядається клас аналогових пристроїв, що складаються з логічної, лінійної частин та вихідних каскадів (підсилювачів потужності). Логічна частина призначена для управління лінійною частиною ОД (для зміни частотних характеристик, коефіцієнта підсилення та ін.). Логічна частина не містить елементів пам’яті і керується зовнішнім сигналом Шk, де k=1, 2, 3, …, nr, де nr – кількість режимів роботи. Лінійну частину ОД можна розглядати як лінійну динамічну систему з зосередженими параметрами. До пристроїв такого класу належать аналогові ТЕЗ (субблоки) РЕЗО та певний клас аналогових підсилювачів потужності – комерційних інтегральних мікросхем.

При побудові відомих діагностичних моделей аналогових пристроїв, як правило, виконується умова nf >nr, де nf – кількість функціональних елементів або ЕРК в об’єкті діагностування. Тобто, в відомих діагностичних моделях джерелом потенційних відмов є функціональні елементи, дискретні чи інтегральні ЕРК, елементи системи захисту в одному режимі роботи. Як показав аналіз, сьогодні наявним є клас аналогових пристроїв, для яких виконується умова nf<nr, тобто, в цих ОД кількість режимів роботи перевищує кількість функціональних елементів або ЕРК. Тому запропоновано інший спосіб формалізації ОД – функціонально-статистичну модель. При новій постановці задачі діагностична модель розглядається як сукупність логічно зв'язаних режимів роботи, а потенційним джерелом відмов є ОД у цілому в одному з режимів роботи. Оскільки реакція зразкового, працездатного ОД на тестовий вплив на множині КТ є випадковою величиною, введено поняття статистичної елементарної перевірки (ЕП) Оkо. Вона включає в себе таку послідовність дій: на логічну частину подається сигнал Шk, який встановлює ОД у певний режим роботи, на лінійну частину подається тестовий вплив Xі, вимірюються діагностичні параметри ОД, обробляються результати вимірювань. За результатами обробки приймається рішення про його належність до класу працездатних ОД ske (позитивний результат ЕП Оkо = 1) або до класу непрацездатних ОД (негативний результат ЕП Оkо = 0).

Вищевикладене дозволяє представити діагностичну модель багаторежимного ОД у вигляді орієнтованого графа G(Оkо, Г). Кожній вершині ФСМ у вигляді графа G відповідає статистична ЕП Оkо, яка має одне з двох несумісних рішень (Оkо = 1 або Оkо = 0). Кожній дузі графа G відповідає перехід від однієї ЕП до іншої.

Досвід моделювання різних аналогових ОД свідчить про можливість упорядкування вершин G. Це здійснюється відповідно до частоти використання режимів роботи ОД у загальній структурі РЕЗО. Приклад побудови графа G показаний на рис. 1. Для визначення послідовності проведення ЕП на основі G будується дерево повного перебору шляхів у кінцеві вершини графа G, тобто новий граф G?(Оkо, Г), де Г – ребра, які з'єднують відповідні вершини. Приклад побудови графа G? показаний на рис. 2. Для розглянутого випадку по вихідному графу G побудовано дерево повного перебору шляхів з вершини О1о у вершину О6о і з вершини О1о у вершину О7о. Для побудови алгоритму діагностування в графі G необхідно обрати маршрути у кінцеві вершини (О6о і О7о), які дозволять мінімізувати цільову функцію і містять усі вершини графа по одному разу. Приклад показаний на рис. у вигляді пунктирних ліній. Декомпозиція дерева маршрутів на одновершинні підграфи дозволяє побудувати алгоритм контролю ТС у вигляді послідовності ЕП.

Для реалізації ЕП Оkо необхідно отримати математичний опис ДП однотипних ОД зразкового класу ske в режимі роботи, який відповідає сигналу Шk на вході логічної системи. Зразковий клас характеризується одномірною або багатомірною функцією розподілу ДП Fek(y). На відміну від відомих методів, рішення цієї задачі здійснюється без використання результатів вимірювання ДП по вибірці працездатних ОД. Для цього у ході імітаційного моделювання у процесі багаторазових статистичних експериментів (метод Монте-Карло) з використанням САПР електронних пристроїв отримують багатомірну вибірку у вигляді матриці. Елементами її рядків – yij є результати розрахунків ДП при однократному i-му статистичному випробуванні, j=1, , , … np, np – загальна кількість контрольованих ДП (розмірність вибірки). Кількість рядків визначається кількістю статистичних випробувань i=1, , , … m3, де m3 – кількість статистичних випробувань. Ця вибірка будується для однотипних ОД в одному режимі роботи для тестового впливу Хi на множині КТ Кt. Прчому кількість статистичних випробувань значно більше кількості ДП.

Для отримання статистичного опису класу ske працездатних ОД у вигляді функції розподілу з використанням багатомірної вибірки розроблені параметричний і непараметричний алгоритми.

Сутність параметричного алгоритму полягає в оцінці по вибірці параметрів щільності розподілу випадкових величин – f еk(y), яка відповідає –Fеk(y). При цьому функціональна форма Fеk(y) вважається відомою. Найбільш частий випадок, коли ДП працездатного ОД розподілені за законом Гауса. В цьому випадку по вибірці знаходиться оцінка математичного сподівання і дисперсії ( коварційної матриці в багатомірному випадку). Побудова з використанням отриманих оцінок функції щільності розподілу Гауса дозволяє отримати математичну модель Fеk(y).

Непараметричний алгоритм використовується у випадку, коли функція розподілу Fеk(y) невідома. Алгоритм заснований на операторній оцінці щільності розподілу по вибірці .

При збільшенні кількості ДП отримати математичну модель у вигляді функції розподілу не завжди раціонально. Рішення цієї задачі можна здійснити шляхом побудови для кожного з ДП моделі у вигляді рівняння регресії.

Перелічені моделі дають можливість побудувати довірчі інтервали для кожного ДП лінійної частини ОД в режимі роботи, який відповідає сигналу Шk. Це необхідно для реалізації ЕП Оiо.

Отримані алгоритми дозволяють побудувати ФСМ. Порядок її побудови складається з таких етапів:

1) декомпозиція принципової схеми ОД на блоки, кожному з яких відповідає лінійна частина ОД в режимі роботи, що визначається сигналом Шk;

2) побудова функціональної схеми кожного з виділених блоків, визначення її КТ і вибір ДП;

3) розробка тестової послідовності (ТП) для контролю лінійної частини в певному режимі роботи, який відповідає сигналу Шk;

4) визначення статистичних характеристик промислових допусків на параметри ЕРК у вибірці працездатних ОД;

5) формулювання ЕП Оiо для кожного з режимів роботи;

6) побудова в процесі імітаційного моделювання матриці і визначення по ній параметрів для реалізації ЕП Оiо;

7) побудова графа G з використанням отриманих результатів;

8) подальша побудова по графу G дерева повного перебору G';

9) виділення шляхів, які включають всі кінцеві вершини графа G та інші вершини по одному разу;

10) декомпозиція дерева шляхів на одновершинні підграфи і побудова алгоритму контролю ТС у вигляді послідовності ЕП Оiо.

Практична побудова ФСМ передбачає перебір режимів роботи ОД і, як наслідок, значне збільшення числа контрольних точок і ДП. Для їх зменшення у розділі розроблений новий метод отримання ДІ, оснований на фізичному явищі зміни електричних характеристик у колі живлення за умови наявності дефектного ЕРК аналогового пристрою. Ці зміни зумовлюють відхилення від номінальних значень постійної складової струму I0 і змінної складової струму I у колі живлення вихідних підсилювачів потужності аналогового ОД. Параметри I0 і I практично некорельовані (коефіцієнт кореляції 0,1). Отже, вони містять найбільшу інформацію про технічний стан ОД.

В лінійному режимі, коли значення напруг живлення знаходяться у межах робочого діапазону, струм у колі живлення працездатного i-го функціонального елемента визначається виразом

I= I0 + I струм у колі живлення аналогового пристрою, який містить nf функціональних елементів, визначається виразом

,

де nf – кількість функціональних елементів.

Контроль IУ передбачає можливість отримання ДІ про технічний стан ОД. Одним із способів практичної реалізації методу є включення контрольного резистора (шунта) у розрив корпусної шини і оцінки на ньому напруги в якості ДП. В такий спосіб формується узагальнена КТ. Величина контрольного резистора повинна забезпечувати такі вимоги: корисний сигнал по амплітуді повинен перевищувати у 3 рази середньоквадратичне значення шуму в ОКТ, величина контрольного опору має бути не більше (0,1?0,05) величини диференціального опору ОД.

Діагностичні параметри на виході ОД і в узагальненій КТ мають лінійний зв’язок. Це зумовлено тим, що основну частину у змінній складовій струму в колі живлення ОД вносить I вихідного каскаду (підсилювача потужності), який працює з номінальним навантаженням. Отже, контроль IУ передбачає можливість отримання ДІ про кожний вихід ОД, а отримання діагностичної інформації в УКТ робить можливим здійснювати контроль ТС аналогового ОД цілком при наявності декількох виходів.

Для експериментальної перевірки лінійного статистичного зв’язку сигналу на виході ОД і в узагальненій КТ, а також для перевірки адекватності імітаційного моделювання були проведені експериментальні дослідження. В якості експериментальних ОД використані заздалегідь працездатні функціональні елементи на базі аналогових інтегральних мікросхем різних серій.

Експерименти проводилися на стенді, принцип роботи якого такий: на вхід ОД подається тестовий вплив, амплітуда якого максимальна і не перевищує вхідну напругу обмеження. В розрив корпусної шини ОД включений контрольний резистор. Параметри напруги на ньому є діагностичними параметрами в УКТ. В якості тестового впливу використаний прямокутний імпульс, тривалість якого залежить від частотних характеристик ОД.

У ході експерименту в УКТ і на виході ОД контролю підлягали такі ДП: середній час установлення напруги, час запізнювання і максимальне значення амплітуди в УКТ. Результати вимірів однойменних ДП однотипних ОД згруповані у вибірки відповідно заводу-виробнику і партії випуску інтегральних мікросхем. Кількість функціональних елементів у вибірці – 35. При дослідженнях однойменних ДП у вибірці однотипних ОД вимірювання здійснювались з однаковою точністю і без змін діапазонів вимірювальних приладів.

Первісна обробка результатів експерименту включала в себе знаходження оцінки математичного очікування (емпіричного середнього) й емпіричної дисперсії. Перевірка відповідності емпіричного закону розподілу закону Гауса у вибірках здійснювалася за двома критеріями: критерієм Колмогорова і W-критерієм Шапіро-Уїлка. Перевірка за рівнем значущості 10% показала відповідність емпіричного закону розподілу у вибірках закону Гауса для всіх партій функціональних елементів.

Далі вирішувалось основне завдання експериментального дослідження, тобто, здійснювалась перевірка лінійної статистичної залежності однойменних діагностичних параметрів в УКТ і на штатному виході в однотипних ОД. Відповідність емпіричного закону в вибірках закону Гауса дозволяє використати для цього кореляцію Пірсона. Вимірювання діагностичних параметрів в УКТ і на виході виконувалися одночасно (використовувався двопроменевий осцилограф). Наявність кореляційного зв'язку сигналів в УКТ і на виході ОД перевірялася за допомогою критерію Стьюдента. В результаті досліджень виявлений кореляційний зв'язок (коефіцієнт кореляції дорівнює 0,9-0,95) між однойменними ДП у однотипних об’єктів діагностування в УКТ і на штатному виході. При цьому аналоговий пристрій працював при підключеному номінальному навантаженні. При відключенні навантаження вихідного підсилювача потужності ОД чисельне значення коефіцієнта кореляції значно зменшується. Таким чином, теоретичні висновки про наявність зв’язку однойменних ДП в узагальненій КТ і на виході ОД підтверджуються результатами експериментальних досліджень.

При проведенні експериментів і обробці експериментальних даних найбільше часу потрібно на отримання результатів вимірювання ДП. Обчислення статистичних оцінок, перевірка результатів за критеріями математичної статистики (без урахування часу на введення інформації) потребують не більше 7-10 хвилин з використанням персонального комп’ютера.

У третьому розділі розроблена методика контролю ТС на основі методу УКТ, яка дозволяє автоматизувати контроль ТС аналогових пристроїв РЕЗО на етапі експлуатації безпосередньо на місці їх дислокації.

Однією з її складових частин є нова методика для перевірки умов транспортування ознак дефекту в узагальнену КТ на схемотехнічному рівні з урахуванням виробничих допусків на промислові ЕРК. Її сутність полягає в порівнянні оцінок математичного сподівання двох вибірок: вибірки ДП {Аао}, розрахованої методом імітаційного моделювання з використанням методу Монте-Карло для працездатного ОД, та аналогічної вибірки {Ааі}, яка отримана для однотипного ОД, в якому змодельований i-ий дефект ЕРК. Отже, розглядається два ТС однотипних ОД: ао – працездатний стан та і-ті непрацездатні стані – аi. Імітаційне моделювання здійснювалося за допомогою системи моделювання аналогово-цифрових електронних пристроїв Мultisim (Interactive Image Technology L.t.d.). При перевірці умов транспортування дефекту в УКТ використані принципові схеми типових функціональних елементів аналогових пристроїв РЕЗО.

Для моделювання несправних станів аi в принципову схему ОД вносилися зміни, які відповідають типовим дефектами аналогових ЕРК. При розрахунках забезпечувалися такі параметри моделювання: абсолютна помилка розрахунку струму 10-12А, абсолютна помилка розрахунку напруги 10-12В, припустима відносна помилка розрахунку напруги і струму 0,001.

На першому етапі розраховувалися вибірки {Аао}, {Ааі}, причому розрахунки ДП проводилися для виходу ОД і для узагальненої КТ. За критерієм Колмогорова перевірялась відповідність емпіричного закону розподілу у вибірках закону Гауса. Результати перевірок показали відповідність всіх вибірок закону Гауса.

На другому етапі перевірялося виконання умов транспортування ознак дефекту в УКТ. Для цього сформульовані дві гіпотези: Нj0 – про рівність середнього значення у вибірках {Аао} і {Ааі}, тобто дефект не транспортується в узагальнену КТ; Нj1 – про нерівність середнього значення у вибірках {Аао} і {Ааі}, тобто ознаки дефекту виявляються в узагальненій КТ. Однаковий обсяг вибірок {Аао} і {Ааі} і відповідність емпіричного закону в вибірках {Аао} і {Ааі} закону Гауса дозволяють використати для перевірки гіпотез Нj0 і Нj1 t-критерій Стьюдента (для рівних або нерівних дисперсій). Перевірка гіпотез Нj0 і Нj1 з рівнем значущості 5% показала, що типові дефекти аналогових ОД, які виявляються на виході ОД, також виявляються і в УКТ. Отже, виробничі допуски параметрів ЕРК не впливають на процес виявлення дефекту в УКТ.

Для принципових схем, аналогічних по складності з типовими аналоговими функціональними елементами РЕЗО, середній час розрахунку вибірки ДП обсягом вище 500 елементів і не більше 1500 елементів складає від 0,5 до 5 хвилин. Таким чином, розроблена методика придатна для практичного застосування.

На основі методу УКТ і функціонально-статистичної моделі була розроблена методика контролю ТС аналогових пристроїв РЕЗО. В авторефераті методика подається стисло та передбачає два основних етапи.

Перший етап виконується при проектуванні апаратної та програмної частин ЗТД і складається у вигляді послідовності, яка представлена далі.

1. Визначається рівень розподілу принципової схеми ОД на блоки, кожному з яких відповідає допустимий режим роботи.

2. За допомогою системи моделювання аналогово-цифрових електронних пристроїв розраховуються нулі і полюса комплексної передаточної функції лінійної частини аналогового ОД відносно його виходів і узагальненої КТ. Отримані результати дозволяють побудувати функціональні схеми лінійної частини ОД в кожному з режимів роботи.

3. Розробляється ТП для контролю лінійної частини для кожного з режимів; при побудові ТП використана відома методика конструювання ТП лінійних аналогових ОД.

4. На етапі виробництва визначаються промислові допуски на параметри ЕРК і їх закон розподілу.

Результати досліджень другого розділу показали, що реакція ОД на тестову послідовність у вибірці працездатних ОД є випадковою величиною. Одна з причин випадковості ДП, яка не усувається, зумовлена виробничими допусками на параметри ЕРК. Отже, реакція на ТП у вибірці працездатних ОД є випадковим процесом.

Для спрощення задачі контролю технічного стану ОД необхідно зафіксувати чисельні значення реакції ОД в моменти ti. Це дає можливість вирішити дві задачі: розглядати в якості ДП не випадкові процеси, а випадкові величини (числені значення реакції на ТП в моменти часу ti); з використанням систем моделювання аналогово-цифрових електронних пристроїв побудувати ФСМ. При виборі ti необхідно обрати ту ділянку вихідної реакції ОД Y(ti), де сигнал в УКТ має найбільшу чутливість до зміни параметрів ЕРК в межах допустимих допусків. Для визначення ti була проведена низка статистичних випробувань. Аналіз їх результатів показав, що найбільшу чутливість реакція ОД на промислові допуски ЕРК має в межах точок екстремуму реакції ОД на тестове діяння. При дослідженні впливу допусків параметрів ЕРК на реакцію ОД передбачалося, що параметри ЕРК розподілені за законом Гауса.

Подальші кроки першого етапу методики полягають у розробці функціонально-статистичної моделі ОД (послідовність побудови викладена в другому розділі) і побудові алгоритму контролю ТС.

Другий етап методики реалізується при контролі ТС аналогових ОД з метою визначення їх працездатності у вигляді послідовності, яка представлена далі.

1. Відповідно до алгоритму на входи аналогового пристрою подається логічне керуюче діяння Шk, яке встановлює ОД у певний стан.

2. Здійснюється вимірювання постійної та змінної струму в шині живлення і перевірка відповідності ДП допускам з використанням ФСМ.

3. У випадку, якщо kо = 1, далі виконується наступна ЕП відповідно до алгоритму, послідовність якого визначена за допомогою ФСМ.

4. Контроль припиняється після першого несприятливого результату ЕП або після закінчення алгоритму діагностування.

Таким чином, на основі отриманих наукових результатів розроблена нова методика контролю ТС аналогових пристроїв. Алгоритм прийняття рішення про технічний стан ОД є порівняно простим. Метод отримання ДІ передбачає невелику кількість КТ, математичні розрахунки при контролі ТС зводяться до простих арифметично-логічних обчислень. Це дозволяє використати розроблену методику для побудови ПКТС для контролю працездатності аналогових ТЕЗ безпосередньо на місцях дислокації РЕЗО.

В четвертому розділі розроблені технічні рішення для практичної реалізації методики контролю ТС аналогових пристроїв РЕЗО. На основі результатів досліджень у другому і третьому розділах була розроблена структурна схема ПКТС, який призначено для визначення працездатності аналогових ТЕЗ безпосередньо на місці дислокації (рис. 3).

Порядок роботи схеми. З пам'яті управляючої частини викликається формуляр, який відповідає певному типу аналогового ТЕЗ. Згідно з формуляром здійснюється установка у вихідний стан усіх елементів ПКТС. Через локальну шину контроллера на вхідний мультіплексор подається команда підключення відповідних контактів ТЕЗ до пристрою формування тестового впливу ПКТС, шин живлення ОД до джерела живлення ПКТС, виходів ТЕЗ

до відповідних навантажень. Далі з блоку управління на відповідні входи ТЕЗ подається логічний керуючий вплив Шk, і здійснюється перша елементарна перевірка ?kо. При реалізації ЕП по команді з блоку управління починається генерація ТП лінійної частини ОД. Реакція на ТП лінійної частині отримується в УКТ, здійснюється її дискретизація і перетворення в цифрову форму.

Рис.3. Структурна схема ПКТС для перевірки працездатності аналогових ТЕЗ.

Перетворена ДІ надходить в управляючу частину ОД, де здійснюється порівняння ДП з еталонним значенням, отриманим на першому етапі методики. У випадку несприятливого результату хоча б однієї ЕП видається рішення про непрацездатність ТЕЗ, в іншому випадку приймається рішення про працездатність ОД.

У розділі проведений техніко-економічний аналіз доцільності розробки ПКТС для перевірки працездатності аналогових ТЕЗ безпосередньо на місці дислокації РЕЗО, який підтвердив доцільність його розробки і впровадження.

Отже, мета дослідження досягнута, а практичне використання результатів досліджень дозволить розробити ПКТС для визначення працездатності аналогових ТЕЗ, застосування якого допоможе удосконалити систему обслуговування і ремонту РЕЗО.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене нове вирішення актуальної наукової задачі, яка полягає в розробці методики контролю ТС аналогових пристроїв РЕЗО з використанням узагальненої КТ.

При проведенні досліджень отримані такі нові наукові результати:–

функціонально-статистична модель аналогового пристрою, яка є формалізованим описом ОД на функціональному рівні для контролю його ТС. Модель призначена для побудови алгоритму перевірки працездатності аналогових пристроїв РЕЗО і визначення допусків на ДП. На відміну від відомих, вона дозволяє контролювати ТС аналогових пристроїв, кількість режимів роботи в яких перевищує кількість ЕРК або функціональних вузлів, які при контролі ТС розглядаються окремо. Побудова моделі здійснюється методом імітаційного моделювання в процесі багаторазових статистичних випробувань, що дозволяє зменшити витрати в процесі проектування ЗТД. Модель є основою для розробки методики контролю ТС аналогових пристроїв з використанням методу узагальненої КТ;–

метод узагальненої КТ, який призначено для отримання ДІ при контролі ТС аналогових пристроїв з метою визначення їх працездатності. Новизна методу визначається його фізичною основою і полягає в тому, що в якості ДП використані постійна та змінна складові струму в шині живлення. Новий метод дозволяє зменшити кількість КТ і діагностичних параметрів для контролю ТС аналогових ОД (субблоків, ТЕЗ) на етапі експлуатації РЕЗО безпосередньо на місці їх дислокації. Експеріментальні дослідження показали достовірність основних положень методу;–

методика контролю ТС аналогових пристроїв, в основі якої лежать запропоновані автором моделі лінійних аналогових пристроїв, метод УКТ. На відміну від відомих, розроблена методика дозволяє врахувати випадковий характер параметрів ЕРК при контролі ТС. Однією з її складових частин є нова методика для перевірки умов транспортування ознак дефекту в узагальнену КТ на схемотехнічному рівні з урахуванням виробничих допусків на промислові ЕРК. Проведені дослідження перевірки умов транспортування ознак дефектів в узагальнену КТ, в процесі яких виявлено, що типові дефекти, які виявляються на виході ОД, також виявляються і в УКТ.

Наукове значення роботи полягає в тому, що застосовано на практиці імітаційне моделювання у процесі багаторазових статистичних іспитів (метод Монте-Карло) з подальшю статистичню обробкою результатів для розробки діагностичних моделей і перевірки умов транспортування дефекту в КТ. Отримані наукові результати дозволяють вирішити важливу задачу технічної діагностики – зменшити час і вартість контролю ТС аналогових пристроїв РЕЗО.

З використанням отриманих наукових результатів розроблена структурна схема ПКТС аналогових ТЕЗ безпосередньо на місці дислокації РЕЗО. Використання пристрою, що розробляється, дозволяє вирішити важливі практичні задачі: усунути недолікі, притаманні системі обслуговування і ремонту РЕЗО, зменшити час і вартість контролю ТС аналогових пристроїв РЕЗО при їх відновленні безпосередньо на місцях дислокації, збільшити коефіціент готовності.

Результати аналізу елементної бази і техніко-економічного аналізу підтвердили доцільність розробки і впровадження ПКТС для контролю працездатності аналогових ТЕЗ. Робота проводилася відповідно до плану наукової роботи Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка та плану науково-дослідної роботи “Діагностика”, яка виконувалась у Військовому інституті Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Отже, розроблена в дисертації методика контролю ТС аналогових пристроїв РЕЗО є результатом вирішення сформульованої наукової задачі і дозволяє досягнути мету дослідження.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ

ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Катін П.Ю. Функціонально-статистична модель аналогового пристрою // Зб. наук. пр. ВІТІ НТУУ “КПІ”. Вип. № 1. – К.: ВІТІ НТУУ “КПІ”, 2004. – С. 49-62.

2. Катін П.Ю. Метод отримання діагностичних параметрів для контролю працездатності аналогових типових елементів заміни // Зб. наук. пр. ВІТІ НТУУ “КПІ”. Вип. № 6. – К.: ВІТІ НТУУ “КПІ”, 2003. – С. 44-54.

3. Вишнівський В.В., Гахович С.В., Катін П.Ю., Круценко В.В. Пристрій для діагностування цифрових ТЕЗ з використанням параметрів енергодинамічного процесу // Вісник КНУ. Сер. Військові науки. Вип. № 6. – К.: КНУ ім. Т.Шевченка, 2003. – С. 70-74.

4. Жердєв М.К., Жиров Г.Б,. Катін П.Ю., Рєзніков М.І. Непараметричний алгоритм для побудови функціонально-статистичної моделі аналогового об’єкту діагностування // Зб. наук. пр. ВІТІ НТУУ “КПІ”. Вип. № 4. – К.: ВІТІ НТУУ “КПІ”, 2004. – С. 48-56.

5. Жердєв М.К., Жиров Г.Б., Катін П.Ю. Методика контролю технічного стану аналогових пристроїв з елементами зовнішнього логічного управління // Зб. наук. пр. ВІТІ НТУУ “КПІ”. Вип. № 3. – К.: ВІТІ НТУУ “КПІ”, 2004. – С. 22-32.

6.