Разработка алгоритмов диагностирования мехатронных систем

Последние десятилетия характеризуются резким расширением так называемой техносферы, интенсивным внедрением разнообразных технических систем во все аспекты жизни и деятельности человека. Косвенным подтверждением этому может служить появление научных дисциплин, занимающихся изучением техносферы, выявление законов развития технических систем, появление терминов «жизненный цикл», «поколение» и др. Такая «экспансия» неизбежно сопровождается повышением ответственности выполняемых функций и ростом цены отказа. Это приводит к ужесточению требований, предъявляемых к надежности, безопасности и отказоустойчивости современных технических систем, поскольку в случае их неправильного функционирования возможны значительные материальные и человеческие потери.

Обеспечить эти требования можно традиционными методами, т. е. за счет совершенствования технологии изготовления и повышения надежности составляющих элементов. Человеческая практика, однако, доказала, что среди множества достаточно надежных элементов, входящих в состав сложных схем, как правило, находится «слабое звено», недостаточная надежность которого сказывается на надежности всей системы. Особенно часто такое «звено» встречается в системах, эксплуатируемых в тяжелых условиях: при высоких и низких температурах, значительных механических нагрузках, при действии агрессивных сред и т. д. Также не следует забывать о человеческом факторе, который нередко становился причиной возникновения экстремальных условий эксплуатации. В связи с этим возникает задача обеспечения устойчивости технических систем к возможным отказам элементов, которые порождаются действием как объективных, так и субъективных факторов.

Это привело к тому, что в 70-х годах на стыке теории надежности и теории автоматического управления появилась самостоятельная дисциплина, названная технической диагностикой. Стандартизованным является следующее ее определение: техническая диагностика — это область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов [1]. Методы и средства технической диагностики требуются, в первую очередь, для обнаружения дефектов и определения их места появления с целью предотвращения нежелательных последствий.

В зависимости от режима диагностирования различают тестовое и функциональное диагностирование. В первом случае на вход объекта диагностирования (ОД) подаются тестовые сигналы. Проверка осуществляется в специальных контрольных режимах, которые выбираются таким образом, чтобы обеспечить полноту контроля. Во многих случаях, однако, требуется обеспечить функциональное диагностирование (ФД) технических систем. При этом, в отличие от тестового диагностирования, решаются задачи оперативного (т.е. в реальном масштабе времени) обнаружения и определения места возникновения (локализации) дефектов, что особенно важно для объектов, работающих в условиях полной или частичной автономности: необитаемых подводных аппаратов, искусственных спутников, роботов и пр.

Указанные задачи достаточно полно решены для цифровых устройств (в частности, методами контроля по четности и построение самопроверяемых схем) [15] и объектов, описываемых линейными динамическими моделями (в частности, на основе наблюдателей состояния и соотношений паритета) [14, 10], что связано с возможностью использования хорошо разработанных разделов математики (булевой алгебры, теории матриц и т. д.).

Однако при реализации линейных методов ФД возникает ряд трудностей, главной из которых является проблема погрешностей моделирования, поскольку реальные технические системы в большей или меньшей степени нелинейны. Существенно нелинейными можно считать системы, при работе которых имеют место такие физические явления, как, например, вязкое и сухое трение, люфт, гистерезис, что связано с необходимостью использования при их описании кусочно-линейных и недифференцируемых функций типа sign. К указанным техническим системам, в первую очередь, относятся мехатронные системы (т.е. системы, в состав которых входят как механические так и электронные функциональные блоки): роботы, подвижные объекты и пр.

Радикальный путь решения проблемы погрешностей моделирования состоит в переходе от линейных моделей к нелинейным, однако, методы диагностирования таких систем разработаны недостаточно хорошорешения получены для некоторых частных случаев (билинейных [47], полилинейных [19, 31] и некоторых других), либо используют сложный математический аппарат (например, алгебру функций [3, 4]), затрудняющий их применение на практике.

Помимо этого для многих технических систем процесс их функционирования сопровождается действием дестабилизирующих факторов (т.е. неконтролируемых воздействий и помех), что при диагностировании может привести к принятию неправильных решений, например, к увеличению вероятности ложной тревоги. Следовательно, имеется необходимость различать эффекты, вызываемые дестабилизирующими факторами, с одной стороны, и дефектами в системе, с другой. Хорошо известна так называемая концепция робастности процедур диагностирования, согласно которой необходимо обеспечить нечувствительность или низкую чувствительность процедуры диагностирования к дестабилизирующим факторам и, одновременно, достаточную чувствительность к дефектам. В рамках данной концепции разработано большое количество методов диагностирования: на основе увеличения отношения «сигнал/шум» [26], сингулярного разложения матриц [18, 36], использования специальных пороговых устройств [21,40,22].

Таким образом, проблема состоит в разработке достаточно простых методов ФД (с точки зрения их реализации), которые были бы применимы для технических систем (в первую очередь, для мехатронных систем), описываемых нелинейными динамическими моделями, в условиях воздействия на них дестабилизирующих факторов.

В связи со сказанным цель диссертационной работы состоит в разработке алгоритмов диагностирования мехатронных систем, описываемых нелинейными динамическими моделями, в состав которых входят кусочно-линейные функции, и построении средств ФД для осуществления проверки правильности функционирования таких систем с целью своевременного обнаружения и локализации возникающих в них дефектов.

Исходя из поставленной цели, в работе были выделены следующие основные задачи.

1. Разработать процедуры синтеза наблюдателей, на основе которых можно решать задачи обнаружения и локализации дефектов в мехатронных системах, описываемых динамическими моделями, в состав которых входят недифференцируемые нелинейные функции, описывающие такие явления, как люфт, зона нечувствительности, гистерезис, насыщение и пр.

2. Разработать алгоритм построения соотношений паритета, направленный на решение задач обнаружения и локализации дефектов в мехатронных системах, описываемых нелинейными динамическими моделями.

3. Разработать робастные процедуры диагностирования с учетом действия дестабилизирующих факторов — неконтролируемых воздействий и помех — с целью минимизации влияния этих факторов на результат диагностирования.

4. Разработать метод построения пороговых устройств для принятия решений о месте, времени и виде возникновения дефектов.

Научные результаты, полученные при решении этих задач, выдвигаются диссертантом на защиту. Эти результаты и их новизна детально обсуждаются в соответствующих разделах диссертации.

Новизна полученных результатов подтверждена публикациями в журналах и сборниках и докладами на конференциях различного уровня. Практическая ценность результатов диссертации заключается в разработке новых алгоритмов ФД нелинейных технических систем, а также разработке робастных процедур диагностирования систем, описываемых нелинейными моделями, при их работе в условиях действия дестабилизирующих факторов. На основе полученных алгоритмов разработаны модели устройств, которые позволяют решить задачи обнаружения и локализации дефектов для робота-манипулятора «Универсал-5».

Основные результаты диссертации были представлены и обсуждены на следующих симпозиумах, конференциях и конгрессах: 8-й симпозиум DAAAM (Дубровник, Хорватия, 1997), конференции «Молодежь и научно-технический прогресс» (Владивосток, 1998, 1999) — балтийская конференция (Таллинн, Эстония, 2000) — конференции «Вологдинские чтения» (Владивосток, 1999, 2000) — европейская конференция по теории управления (Порто, Португалия, 2001) — конференция «Океан 97» (Галифакс, Канада, 1997), конференция по мехатронике (Комо, Италия, 2001), 15-й конгресс ИФАК (Барселона, Испания, 2002).

По материалам диссертации опубликованы 14 печатных работ.

Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения и списка литературы.

6.6. Выводы по разделу.

В шестом разделе на основе разработанных в диссертации нелинейных алгоритмов диагностирования решаются задачи обнаружения и локализации дефектов в роботе-манипуляторе «Универсал-5». Получены следующие основные результаты.

1. На основе исходной модели робота-манипулятора «Универсал-5» получена его модель в матричном виде, необходимом для применения линейного логико-динамического подхода.

2. Построен наблюдатель, чувствительный ко всем требуемым дефектам. Это подтверждено результатами моделирования с использованием пакета MATLAB.

3. На основе линейного логико-динамического подхода получены два варианта устройства диагностирования, решающие задачу локализации требуемых дефектов, что подтверждено результатами моделирования. Показаны преимущества и недостатки каждого из полученных устройств.

Заключение

.

Одним из важнейших аспектов эксплуатации технических систем является задача их диагностирования для своевременного обнаружения и локализации возникающих в них дефектов с целью предотвращения аварийных ситуаций, а также материальных и человеческих потерь. Такое диагностирование обычно производится в условиях действия различных дестабилизирующих факторов — неконтролируемых воздействий, помех, ошибок моделирования. Одним из способов эффективного решения этой задачи является разработка новых методов функционального диагностирования на основе нелинейных моделей, которыми описываются технические системы. Использование предложенного в настоящей работе линейного логико-динамического подхода позволяет решать задачи функционального диагностирования для технических систем, описываемых нелинейными динамическими моделями. При решении указанных задач в диссертации были получены следующие научно-технические результаты.

1. Предложен линейный логико-динамический подход, в рамках которого разработаны алгоритмы диагностирования на основе методов наблюдателей и соотношений паритета. Эти алгоритмы позволяют решать задачи обнаружения и локализации заданного класса дефектов в нелинейных мехатронных системах, используя для этого линейные методы диагностирования.

2. На основе сингулярного разложения матриц разработана робаст-ная процедура диагностирования. С ее помощью можно осуществлять синтез наблюдателей, обладающих минимальной чувствительностью к помехам, неконтролируемым воздействиям и погрешностям моделирования.

3. Предложен метод построения пороговых устройств. С его помощью можно принимать решения о месте и времени возникновения заданного класса дефектов.

4. На основе разработанных в работе алгоритмов для робота-манипулятора «Универсал-5» получены варианты устройств диагностирования, которые позволяют решать задачи обнаружения и локализации заданного класса дефектов.

Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы.

1. Разработанный в диссертации линейный логико-динамический подход позволяет с использованием простых процедур решать задачи обнаружения и локализации дефектов для технических систем, модели которых содержат типичные нелинейности (sign, sin, log). Главное его достоинство состоит в том, что в своей основе он является линейным и легко может быть реализован средствами математических пакетов, таких как, например, MathCAD и MATLAB. По сравнению с известными алгоритмами разработанные процедуры позволяют в 1.5−2 раза сократить сроки разработки и отладки средств диагностирования.

2. Разработанные в рамках линейного логико-динамического подхода алгоритмы (на основе наблюдателей и на основе соотношений паритета) хорошо дополняют друг друга — если решение нельзя найти с помощью линейных логико-динамических наблюдателей, то необходимо использовать алгоритм на основе логико-линейных соотношений паритета, и наоборот.

3. Предложенный способ обеспечения устойчивости позволяет уменьшить влияние дестабилизирующих факторов и устранить рассогласование начальных состояний наблюдателей и объекта диагностированияпри этом, однако, уменьшается чувствительность к появлению дефектов.

4. Использование возможностей активных методов борьбы с дестабилизирующими факторами привело к разработке робастной процедуры диагностирования. Применение этой процедуры позволяет на 20 — 30% повысить достоверность его результатов диагностирования.