Об одном варианте решения технического диагностирования радиоэлектронных средств Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 681.518.5 ББК 32.817

ОБ ОДНОМ ВАРИАНТЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Дубов А. В.1, Капранов А. П.2, Сускин В. В.3, Шевченко В. Ф.4

(Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рязанский государственный радиотехнический университет», Рязань)

Предложены принципы построения системы технического диагностирования радиоэлектронных устройств, включающей в себя базу данных, методы абстрактного анализа, моделирования поведения исследуемого устройства и распознавания образов сигналов с использованием преобразования Фурье.

Ключевые слова: техническая диагностика, анализ, радиоэлектронные устройства, функциональные элементы.

1. Введение

Современные средства вычислительной техники и программного обеспечения дают возможность применять интеллектуальные системы поддержки принятия решений, методы абстрактного и модельного описания и исследования, а также алгоритмы распознавания образов, для целей автоматизации процесса принятия диагностических решений. Использование таких подходов позволяет решить ряд проблем, возникающих

1 Антон Владимирович Дубов, аспирант, ([email protected]).

2 Александр Павлович Капранов, аспирант, ([email protected]).

3 Виктор Васильевич Сускин, доктор технических наук, профессор, заместитель заведующего кафедрой.

4 Виктор Федорович Шевченко, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой.

при автоматизации диагностирования, преодоление которых традиционными средствами было затруднительно в силу объективных и субъективных факторов. К таким задачам относится определение электрорадиоэлемента, явившегося причиной отказа вышедшего из строя аналогового устройства.

Для цифровых схем описано много алгоритмов построения диагностических последовательностей. Это в первую очередь связано с относительно легкой формализацией и описанием функционирования логических элементов с использованием понятий булевой алгебры. Для аналоговой же техники описание ее функционирования несут системы дифференциальных уравнений, решение которых гораздо сложнее. К тому же более сложной становится интерпретация полученных результатов: значения сигналов здесь являются непрерывными и протяженными во времени. Поэтому решению вопросов автоматизации диагностики аналоговых приборов уделяется гораздо меньшее внимание, хотя их доля в реальных устройствах велика.

Особенностью существующих решений является применение ручных способов диагностики отказов аналоговой техники, когда эксперт с использованием функциональных и электрических схем с нанесенными эпюрами сигналов в контрольных точках, прослеживая прохождение сигнала, делает заключение о неисправном элементе. Такой подход требует присутствия высококвалифицированного специалиста в месте ремонта, наличия большого объема технической документации, которая часто плохо структурирована и представлена в неудобной для транспортировки форме, и значительного времени на процесс диагностики. Применение автоматизации в процессе диагностирования служит для снижения трудоемкости и времени выдвижения гипотезы о возникшей неисправности и повышения вероятности верного нахождения неисправного элемента.

В данной работе предлагается вариант построения системы технического диагностирования радиоэлектронных устройств (СТДРУ), сочетающий в себе указанные выше составляющие интеллектуальных систем, подходы системного анализа и теории принятия решений, с целью снижения трудоемкости и повышения вероятности нахождения неисправного элемента.

2. Основные подходы к построению СТДРУ

Наиболее перспективным вариантом построения систем диагностирования (СД) уже существующих устройств является программно-аппаратный способ [4]. При его реализации (рис. 1) данные с диагностируемого устройства (ДУ) поступают через шину данных (ШД) на адаптер (А), который преобразует их в информацию, поступающую в персональный компьютер (ПК) по стандартному интерфейсу (СИ), например, USB или LPT, для дальнейшей алгоритмической обработки.

Рис. 1. Программно-аппаратный вариант реализации систем диагностирования

Как показано в [2], для решения вопросов автоматизации процесса технического диагностирования аналоговых устройств с применением СТДРУ наиболее подходит математическое мысленное детерминированное и стохастическое моделирование, использующее имитационные модели схем электрических принципиальных и элементов электроники (этап моделирования). Но в связи с большими размерами большинства реальных устройств для ускорения процесса диагностирования целесообразно как можно более сокращать схему электрическую принципиальную устройства, подлежащую моделированию, за счет ее декомпозиции. Поэтому, как отмечается в [5], любое ДУ, для возможности диагностики его технического состояния, должно быть разбиваемо на понятные в описании функциональные элементы (ФЭ) большей или меньшей сложности. При этом ФЭ большей сложности могут, в свою очередь, расчленяться на более простые и т.д. Обычно ФЭ представляют собой самостоятельные устройства, обеспечивающие решение некоторых

частных задач. Рассмотрение ДУ как связанных между собой ФЭ осуществляется на этапе абстрактного исследования.

В литературе по вопросам диагностики [1, 3] широкое внимание уделяется такому режиму локализации неисправностей как параллельный (или комбинационный) поиск, существенным недостатком которого является необходимость контроля всех задействованных выходов ФЭ. К тому же ФЭ здесь задается как блок, имеющий в общем виде несколько входов и один выход, что при выделении в реальных устройствах бывает недостаточно: приходится модель реального ФЭ задавать несколькими блоками по количеству выходов.

В данной работе предлагается представлять ФЭ как модель, имеющую в общем виде несколько входов и несколько выходов, а описываемый алгоритм позволяет в подавляющем большинстве случаев осуществлять контроль не всей совокупности выходов ФЭ.

2.1. ОПИСАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ

АБСТРАКТНОЙ МОДЕЛИ ДУ

В предлагаемом варианте построения СТДРУ і-й ФЭ представляется в виде ориентированного графа причинноследственных связей ЕЕі(Жі , 0і ), где Жі - множество вершин граф ЕЕі, а ()ЕЕ - отображение ЖЕЕ в ЖЕЕ.

Для ФЭ граф причинно-следственных связей устанавливает влияние какого-либо сигнала на входе ФЭ на формирование какого-либо сигнала на выходе ФЭ. Таким образом, «причина» -сигнал на входе ФЭ, а «следствие» - его влияние на формирование сигнала на выходе ФЭ. В ФЭ всякая причинно-следственная связь реализуется в виде электрических соединений, но с их рассмотрением в виде «путей» распространения сигналов (ориентированных связей, имеющих направление).

Множество вершин графа і-го ФЭ определим как ЖЕЕ=[Хі, Уг], где Хі={х 1,х2 , ..., хгп} - совокупность входов ЕЕ; Уі ={у 1 , у 2 , ... , у т } - совокупность выходов ¥Еі.

Матрица влияний входов і-го ФЭ на его выходы (Аг) будет иметь следующий вид:

у1

1,

если сигнал входа х! влияет

где а\ = \

на формирование сигнала на выходе у1.;

0,

если сигнал входа х! не влияет

на формирование сигнала на выходе у1.

ДУ, состоящее из N ФЭ, задается в виде ориентированного графа ВЩ^и, 0°и), где 1У°и- множество вершин графа диагностируемого устройства; 0°и- отображение №°и в №°и.

Множество вершин графа ДУ определим как ^и = {Х0, ^'Е, 70}, где Х0 ={х(°, х° ,... , х0 } - совокупность входов ДУ; ЖЕЕ={ЖЕЕ, Ж2Е, ...,М^хЕ} - совокупность вершин функциональных элементов, составляющих устройство;

70 = {у і0 , у 2 , ... , у Р0 ] - совокупность выходов ДУ.

На основании вышесказанного определим матрицу логических связей устройства как квадратную матрицу смежности В, состоящую из подматриц:

Х0

Х0

/°

В=

Ж[Е

ЖЕЕ

ж[Е

Сі

Ж?Е

С2

ЖЕЕ

\

С

N

0

/

Здесь на главной диагонали находятся матрицы смежностей соответствующих ФЭ (Сь Сы), за исключением нулевых матриц влияния входов и выходов ДУ на самих себя. На месте «•••» находятся подматрицы влияния соответственно входов и выходов ДУ и ФЭ друг на друга.

0

Данное описание предполагает, что связи между разными ФЭ в ДУ всегда исправны. Если есть необходимость в проверке связей между ФЭ на отказ, то их необходимо задавать как отдельные ФЭ.

Весом вершины 5 е по выходу к е Г0 будем называть число У8к, характеризующее значимость проверки вершины 5 при отказе устройства по выходу к.

Логической оценкой 0$ вершины 5 е по выходу к е Г0 будем называть булеву переменную, причем

!1, если вершина 5 является вершиной, приводящей к нормальной работе выхода к;

0, если вершина 5 является вершиной, приводящей к отказу на выходе к.

Функция Е5. условия необходимости проверки выхода 5 элемента ЕЕ^ представляет собой дизъюнкцию логических

* **

оценок по этому выходу ФЭ выходов ДУ 05 ,...,05 , по кото* **

рым имеется отказ, и всех выходов ДУ с оценками 05 ,...,05 , у которых значение выхода лежит в рамках допуска. А именно:

" = (о[ + ... +оГ ) + О + ... +0к *).

Пусть все входы и выходы ДУ доступны для наблюдений и измерений. Тогда, описав таким образом модель ДУ, можно определить последовательность проверки функциональных элементов для устройств без обратных связей, используя следующий эвристический алгоритм взвешивания:

0. Присваиваем всем весам VГ значение 0.

1. Отмечаем строку в матрице В, соответствующую исследуемому выходу из множества^.

2. Вспомогательной переменной М присваиваем значение 1.

3. Выбираем столбцы в матрице В, одноименные последним отмеченным строкам, и присваиваем их весам Vk значение М.

4. Отмечаем все строки, значения матрицы В которых в выбранных столбцах равны «1».

5. У величиваем значение М на 1.

6. Если есть отмеченные строки из множеств Х0 и (или) ^"Е, то переходим к п. 3. Если таковых нет, то переходим к п. 7.

7. Конец выполнения алгоритма.

Проведем взвешивание по вышеописанному алгоритму для выходов ДУ, по которым имеется отказ. Присвоим логическим оценкам О/, для которых Ук > 0 , логический «0», указывающий на то, что в отмеченных вершинах возможен отказ. Аналогично проведем исследование для выходов ДУ, для которых значение выхода лежит в рамках допуска. Присвоим оценкам О/, для которых У/ >0, логическую «1», указывающую на то, что в отмеченных вершинах отказа нет.

Вычислив значения функции ^ для всех выходов ФЭ определяем необходимость проверки того или иного выхода. Если ^ = 1, то при формировании сигнала хотя бы одного из выводов ДУ выходзвыдал штатный отклик, а, следовательно, не нуждается в проверке. Если же значение ^ = 0, то выход з требует проверки. Это позволяет сузить совокупность выходов ФЭ, подлежащих проверке. Причем их рассмотрение следует производить, начиная с элементов с максимальным значением У8.

Рассмотрим реализацию вышеописанной модели и алгоритма на примере устройства суммирования и выдачи сигналов специальной формы (его модель приведена на рис. 2).

Рис. 2. Модель описания устройства суммирования и выдачи сигналов специальной формы

Данное устройство может быть функционально разбито на следующие ФЭ: источник питания, усилитель ограничитель и сумматор. Соответствующие им логические модели, аналитические зависимости, графы причинно-следственных связей и характеризующие их матрицы смежности приведены на рис. 3.

Рис. 3. Описание ФЭ

Граф причинно-следственных связей устройства приведен на рис. 4.

По графу, представленному на рис. 4, строим матрицу смежности В исследуемого устройства (рис. 5).

Опишем в качестве примера работу алгоритма взвешивания для выхода у 10 ДУ. Отмечаем строку у 10 в матрице В. М = 1.

у0

Выбираем столбец у0. =1. Отмечаем строку уУ . М = 2. Выби-

3 У? 3 3 3

раем столбец у1. =2. Отмечаем строки х1, х2, х$ . М = 3.

Рис. 4. Граф причинно-следственных связей ДУ

1 18 ^ 8 | 8 6 6 6 4 7 7 7 4 6 6 6 6 6 6 5 5 5 5 5 5 5 5 5 4 4 4 3 3 3 3 3 3 2 2 3 3 3 3 2 1 1 1

г 0 Х2 г 0 *3 *1 У,1 У 2 Уз1 *1 г 2 Х2 г 2 *3 УЇ V 3 х 1 г 3 2 г3 X 3 г 3 X 4 Ух3 у? X 1 X 2 *3 V 4 X 4 УІ У? У? Уз

/° 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

г 0 х2 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

г 0 *3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0

*1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Уі 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

У 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0

Уз 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0

V2 *1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

*2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

X? 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Уі 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0

г3 х 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0

В = X 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0

г3 *3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

х* 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0

у1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0

У г 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0

хі4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0

V 4 *2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0

V* 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0

ХІ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0

У* 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

У°г 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

У 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Уз \0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Рис. 5. Матрица смежности ДУ

Выбираем столбцы х У , х\ , хз3 . УУ\ =3, Уу1 =3, УУ\ =3. Отмечаем

х1 х2 х3

V

строки у1 , у30 , у2. М = 4. Выбираем столбцы уУ , у30 , у20. У 20 =4,

V0 V0

У 00 =4, У 00 =4. Отмечаем строки х 2 , х2, хУ, х о1 . М = 5. Выбираем

у3 у2

столбцы х у , х2 , х32 , х V . Уу =5, Уу =5, Уу =5, УУ0 =5. Отмечаем

хо х2 х3 хо

строки х20, У31 , у2°, ху . М = 6. Выбираем столбцы х®, У31 , У21 , х о0 .

Уу =6, Уу1 =6, Уу =6, УУ0 =6. Отмечаем строку х 11 . М = 7. Выби-

х2 У3 У2 х1

уо

раем столбец х 11 . У 1 =7. Отмечаем строку х У . М = 8. Выбираем

х1

У0

столбец х 1У . У У =8. М = 9. Конец выполнения алгоритма.

х1

Результат выполнения алгоритма взвешивания для устройства суммирования и выдачи сигналов специальной формы по каждому из выходов приведен над его матрицей смежности В. Здесь каждая строка содержит веса У для соответствующей вершины графа ДУ.

Так, если отказ произошел по выходу Уу , а по выходам у® и у3У - штатные отклики, то функции условия необходимости

проверки выходов элементов будут иметь значения

уо

^ =о У2 =0,

у1 у1

^ =0 У0 + І0 У+0 У3 ) =0+(1+1)=1,

у2 У2 V у2 у2)

РЛ =0у + Н+0л ) =0+(|+1)='-

У +оУ ) =0+(1+1)=1,

уо

=0 У2 +

у1 У1

у0

=0 У1 =1,

У1 У31

Еуз =0 У =0,

У2 У32

уо

^У4 =0 У3 =1. у1 у?

Так как Vy2 =4, а Vy3¡ =2, то неисправность надо искать сна-

У\ У 2

чала в формировании выхода y ¿ , а затем y23 .

Таким образом, на этапе абстрактного исследования производится сужение области рассмотрения выходов ФЭ и определяется порядок проведения проверок выходов ФЭ из числа предположительно отказавших: формируется жесткая программа последовательного поиска неисправностей, которая подразумевает в подавляющем большинстве случаев контроль только части выходов функциональных элементов реального устройства. В данное число предположительно отказавших выходов ФЭ попадают как все одиночные, так и всевозможные комбинации одновременных отказов.

2.2. РЕАЛИЗАЦИЯ АНАЛИТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ФЭ

Для обеспечения действия автоматизированного интерактивного алгоритма поиска неисправности методом моделирования поведения устройства, находящегося в исправном и неисправном состояниях, необходимо, задавая возможные варианты неисправностей ЭРЭ, производить моделирование электрической схемы ФЭ, получать расчетные выходные характеристики сигналов и по результатам сравнения их с откликами реального устройства делать либо вывод о штатном режиме работы, либо предположение о выходе из строя того или иного элемента схемы. Большинство программных продуктов на российском рынке позволяют делать лишь некоторые из перечисленных выше шагов. Micro-Cap позволяет моделировать схему, но не имеет возможности алгоритмического изменения параметров схемы и выдачи логических выводов. В свою очередь, многие пакеты текстового программирования позволяют реализовывать процессы задания условий и обработки результатов измерений, но при этом в них не предусмотрены функции моделирования поведения устройств.

Все необходимые функции - интерактивное задание параметров моделей ЭРЭ и входных сигналов, моделирование поведения электрической схемы ФЭ - могут быть выполнены в пакете MATLAB. Имеющийся внутренний язык программирования позволяет интерактивно задавать изменения параметров

элементов схемы. Прикладная программа Simulink с библиотекой блоков SmPowerSystems позволяют провести моделирование исследуемой схемы. Библиотека SmPowerSystems достаточно обширна. В том случае, если все же нужного блока в библиотеке нет, пользователь имеет возможность создать свой собственный блок как с помощью уже имеющихся в библиотеке блоков, реализуя возможности Simulink по созданию подсистем, так и на основе блоков основной библиотеки Simulink и управляемых источников тока или напряжения.

Для возможности проведения моделирования схема электрическая принципиальная анализируемого устройства должна быть задана в среде Simulink в виде структуры, приведенной на рис. 6.

Рис. 6.Реализация общей модели ФЭ в Simulink

На рис. 6 сопротивление резистора Rn соответствует входному сопротивлению измерительного устройства.

Сама схема электрическая принципиальная задается в виде подсистемы ^Б), в которой в свою очередь подсистемами могут задаваться модели сложных составных элементов, а также сами модели функционирования ЭРЭ (рис. 7, 8).

Схожесть сигналов проверяется программными средствами при помощи алгоритмов на основании заложенных критериев оценки. Для повышения чувствительности, а, следовательно, и точности сравнения, используется переход из временной области рассмотрения сигналов в частотную область (получение

спектров сигналов, используя дискретное преобразование Фурье) и дальнейшее определение эквивалентности спектров исследуемых сигналов с помощью вычисления критериев схожести.

Рис. 7. Пример реализации модели функционирования резистора

Рис. 8.Реализация аналитической модели ФЭ в Simulink

3. Заключение

В данной статье рассматривается один из вариантов решения технического диагностирования радиоэлектронных устройств. Предлагается описание базы данных ФЭ, которая совмещает в себе абстрактную модель, аналитическую модель и модели диагностируемых неисправностей ЭРЭ. Благодаря такому описанию ФЭ достигается его высокая унификация при применении в любом месте схемы ДУ. Разработанные алгоритмы абстрактного исследования ДУ, подходы к моделированию поведения исследуемого ФЭ и поиска неисправных компонентов позволяют формализовать и автоматизировать процесс диагностики аналоговых приборов, сделать его более достоверным, полным и мобильным без временных задержек принятия решений даже низко квалифицированным специалистом.

Работа выполнена в рамках договора с ОАО Завод «Красное знамя», г. Рязань. Применение методов и подходов, приведенных в статье, позволило снизить трудоемкость поиска неисправности на 30% и повысить достоверность нахождения неисправного компонента на 25% по сравнению с ранее использованными на предприятии вариантами выявления отказа.

Литература

1. ВЕРЗАКОВ Г.Ф. и др. Введение в техническую диагностику. - М.:«Энергия», 1968.

2. ДУБОВ А.В. Автоматизация технического диагностирования аналоговых устройств// Молодой ученый. - 2010. -№5. - С. 47-51.

3. Основы технической диагностики. Кн. I. Модели объектов, методы и алгоритмы диагноза / Под ред. П.П. Пархоменко.- М.:«Энергия», 1976. - 464 с.

4. СЕРДАКОВ А.С. Автоматический контроль и техническая диагностика. - Киев: «Техшка», 1971. - 244 с.

5. СУСКИН ВВ., ДУБОВ А.В., КАПРАНОВ А.П. Обзор современных средств автоматизации поиска неисправностей в электронных устройствах // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2010. - №2. - С. 54-59.

ON A SOLUTION OF RADIO-ELECTRONIC DEVICES TECHNICAL DIAGNOSTICS PROBLEM

Anton Dubov, the post-graduate student, ([email protected]). Alexander Kapranov, the post-graduate student, ([email protected]).

Victor Suskin, Dr.Sci.Tech., the professor, the assistant manager-chair.

Victor Shevchenko, Dr.Sci.Tech., the professor, the managing chair.

Abstract: Principles are suggested for design of the system for radio-electronic devices technical diagnostics. The system includes the database, the methods of: abstract analysis, device functioning simulation, and Fourier-transformation-based signals recognition.

Keywords: technical diagnostics, analysis, radio-electronic devices, functional elements.

Статья представлена к публикации членом редакционной коллегии М. Ф. Караваем