Исследование динамики системы управления техническим состоянием оборудования

Аннотация

В. А. Резников, Е. М. Сорокина Исследование динамики системы управления техническим состоянием оборудования. Предложено рассматривать систему управления техническим состоянием как систему автоматического управления. Сформирована структура службы технического обслуживания и ремонта как управляющей подсистемы.

Постановка задачи

Эффективность использования оборудования по назначению оценивается с помо- щью соответствующих объективных или субъективных показателей (называемых пока- зателями эффективности [1]), которые наблюдаются либо непосредственно персоналом, либо специальными техническими средствами. Дефекты, возникающие в оборудовании в процессе его эксплуатации, приводят к изменениям параметров работоспособности и, как следствие, к отклонениям показателей эффективности от значений, установлен- ных нормативно-технической документацией. В зависимости от величины указанных отклонений фиксируются отказ объекта или его предаварийное (предотказное) техниче- ское состояние, и тем самым определяются работы по устранению уже свершившихся отказов или различные профилактические обслуживания и ремонты, направленные на предотвращение появления отказов при использовании оборудования по назначению. Все эти работы осуществляет служба технического обслуживания и ремонта (служба ТОР). Причем как в первом, так и во втором случаях задача службы ТОР фактически заключается в устранении указанных отклонений, то есть в «возврате» показателей эффективности в пределы установленных на них допусков.

Следовательно, служба ТОР может рассматриваться как система управления техническим состоянием оборудования (СУТС), задача которой, по определению [2], заключается в стабилизации множества параметров работоспособности на уровне, пре- дусмотренном нормативно-технической документацией, в течение всего периода исполь- зования оборудования по назначению за счет целенаправленных действий человека (группы людей) и орудий труда, то есть путем управления. Причем особенность этой системы управления заключается в том, что здесь управляемыми переменными явля- ются внутрисистемные свойства машин и механизмов, поддержание которых на требуе- мом уровне обеспечивает эффективное использование оборудования по назначению.

В то же время, рассматривая оборудование как динамическую систему (динамиче- ский объект управления), в работе [3] указывается, что при отказах переход объекта из одного технического состояния в другое сопровождается переходным процессом, длительность которого зависит от вида нарушения и динамических свойств объекта. Понятно, что динамический характер носит и процесс восстановления работоспособ- ности. Тем самым имеются основания для исследования системы управления техни- ческим состоянием оборудования, как системы стабилизации, с помощью методов, принятых в теории автоматического управления.

Цель работы.

В данной работе основное внимание уделено формированию струк- турных схем системы управления техническим состоянием оборудования как системы автоматической стабилизации показателей эффективности на заданном уровне.

Структура объекта технического обслуживания

В соответствии с принятым подходом будем полагать, что объект технического обслуживания в общем случае описывается передаточной функцией вида:

где Yт(s) – выходная (управляемая) технологическая переменная объекта; Uт(s) – управляющее воздействие, предусмотренное технологией работы объекта.

Дефектами объекта, по определению [4], являются выходы его собственных (струк- турных) параметров за пределы установленных на них допусков. В рамках модели (1) это означает изменения коэффициентов b0, ..., bm и a0, ..., an. При известном характере изменения управляющего воздействия Uт(s) указанные изменения коэффициентов мо- дели (1), естественно, обусловят изменения как самой выходной переменной Yт(s), так и её характеристик (например, показателей качества переходного процесса), то есть, в конечном итоге, показателей эффективности использования объекта по назначению.

В то же время известно, что динамический объект, описываемый передаточной функцией общего вида (1), можно представить в виде соответствующей структурной схемы. Например, пусть некоторый объект описывается передаточной функцией

В результате проведения необходимых преобразований получим, что данный объект можно представить в виде структурной схемы, показанной на рис. 1. Такое струк- турное представление математической модели (2) позволяет считать, что в восста- навливаемом объекте параметры а0, а1, а2 и а3 «отображают» соответствующие функционально-конструктивные элементы А-0, А-1, А-2 и А-3. В таком случае выход значений указанных параметров за пределы установленных на них допусков (то есть дефект) можно отождествлять с отказом соответствующего функционально-конструк- тивного элемента. Например, изменения параметра а3 можно сформулировать в виде следующего дефекта: «Отказ элемента А-3».

Такое структурное представление объекта технического обслуживания (объекта управления, объекта стабилизации технического состояния) дает возможность провести дальнейшие преобразования, заключающиеся в следующем.

Каждый i-й параметр объекта (1) записывается в виде:

где |a_i – номинальное значение i-го параметра (работоспособное состояние эле- мента A-i); |a_i(t) i a~ – изменения i-го параметра, обусловленные отказами элемента A-i.

Это, в свою очередь, позволяет представить объект управления, в котором имеют место одиночные дефекты, в виде структурной схемы, показанной на рис. 2, |W`<sub>o</sub>(s) и |W`_o(s) – передаточные функции объекта при номинальных значениях параметров.

Отметим также, что такие структурные представления объекта управления поз- воляют исследовать системы управления техническим состоянием объектов любой сложности, если под таковой понимать структурную сложность, которая определяется порядком передаточной функции [5].

Структура управляющего устройства

Из анализа объекта технического обслуживания следует, что с точки зрения управления его можно рассматривать как динамический объект с параметрическим возмущением. В работе [6] указывается, что при параметрических возмущениях и существенных ограничениях амплитудного и временного характера, наложенных на управляющее воздействие, наиболее эффективным способом стабилизации является целенаправленное изменение этих же или других параметров объекта. Другими сло- вами, управление в таких случаях должно также носить параметрический характер. Обычно под параметрическим управлением понимают адаптивное управление [7], при котором целенаправленному изменению подвергаются параметры базового управляю- щего устройства. В данном же случае целенаправленному параметрическому воздей- ствию (то есть параметрическому управлению) подвергается непосредственно объект, что предопределяет соответствующую структурную схему системы стабилизации при отказе i-го элемента (рис. 3).

Каждый отдельный объект с параметрическими возмущениями можно предста- вить как множество объектов. Например, если объект описывается моделью (1), то при m = 0 имеем N = (0, 1, ..., n) объектов, структурные схемы которых имеют вид, пока- занный на рис. 2. В то же время принцип адаптации, по сути, заключается в том, что в результате самонастройки параметров базового регулятора формируется множество неадаптивных регуляторов, каждый из которых предназначен для стабилизации пока- зателей качества «своего» i-го объекта (рис. 3).

С другой стороны, службу ТОР, как некоторое организационно-структурное под- разделение предприятия, можно представить в таком упрощенном виде: руководи- тель + ремонтный персонал. Задача руководителя заключается в определении техниче- ского состояния объекта и направлении «соответствующего» ремонтника на устранение причины изменения технического состояния. Задача же каждого ремонтника заклю- чается в непосредственном устранении причины изменения технического состояния объекта. Следовательно, на языке понятий, принятых в теории автоматического управ- ления, службу ТОР можно рассматривать как управляющее устройство, состоящее из логического блока (руководитель) и множества регуляторов (ремонтники), то есть как управляющее устройство, сформированное по принципу структурной адаптации [8] и имеющее структуру, показанную на рис. 4, где обозначено: ЛБ – логический блок; S(t) – множество входных переменных, содержащих информацию о техническом сос- тоянии объекта управления; 1 – идентификатор, предназначенный для определения причины отказа объекта (идентификации отказавшего элемента объекта); 2 – блок принятия решений; 3 – модификатор, вырабатывающий сигнал управления блоком переключения БП; Рk – k-й регулятор; uik(t) – управление техническим состоянием i-го элемента объекта, формируемый k-м регулятором.

Необходимо отметить, что в большинстве практических случаев мощность мно- жества K меньше мощности множества N. Более того, на практике служба ТОР осу- ществляет управление техническим состоянием не одного, а нескольких объектов, и потому указанное соотношение между мощностями множеств K и N проявляется еще в большей степени. Однако при этом следует учитывать способность человека адап- тироваться как к динамике объекта, так и к виду воспринимаемых им входных сиг- налов [9]. Следовательно, службу ТОР в рамках принятых в теории автоматического управления понятий и определений можно рассматривать как управляющее устройство, состоящее из множества адаптивных регуляторов.

Выводы

Соответствующие нормативные документы определяют в качестве основной за- дачи функционирования службы ТОР задачу управления техническим состоянием оборудования, а точнее, задачу стабилизации параметров технического состояния на заданном (требуемом) уровне. Это, а также динамичность процессов потери и восста- новления работоспособности оборудования, создает предпосылки для исследования

СУТС с помощью методов, принятых в теории автоматического управления. Предложенные в данной работе структурные схемы СУТС как системы автомати- ческого управления дают возможность анализировать характер и степень влияния опыта, квалификации и т.п. ремонтного персонала на эффективность технического обслужи- вания, используя для этого известные методы анализа устойчивости и показателей качества САУ. Такой аспект исследования позволит, по нашему мнению, получить результаты, способствующие повышению эффективности функционирования совре- менных служб технического обслуживания и ремонта оборудования.

Список использованной литературы

1.Надежность и эффективность в технике : справочник : в 10 кн. Кн. 8: Эксплуатация и ремонт / под ред. В. И. Кузнецова и Е. Ю. Барзиловича. – М.: Машиностроение, 1990. – 320 с.
2.ГОСТ 18322-78. Система технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения.
3.Скляревич А. Н. Линейные системы с возможными нарушениями / Скляревич А. Н. – М.: Наука, 1975. – 352 с.
4.ДСТУ 2389-94. Техническое диагностирование и контроль технического состояния. Термины и опре- деления.
5.Солодовников В. В. Принцип сложности в теории управления / Солодовников В. В., Бирюков В. Ф., Тумаркин В. И. – М.: Наука, 1977. – 344 с.
6.Фролов К. В. Уменьшение амплитуды колебаний резонансных систем путем управляемого изменения параметров / К. В. Фролов // Машиноведение. – 1965. – № 3. – С. 25-30.
7.Александров А. Г. Оптимальные и адаптивные системы / Александров А. Г. – М. : Высшая школа, 1989. – 263 с.
8.Шульце К. П. Инженерный анализ адаптивных систем / К. П. Шульце, К. Ю. Ребер. – М.: Мир, 1992. – 280 с.
9.Зараковский Г. М. Закономерности функционирования эргатических систем / Г. М. Зараковский, В. В. Павлов. – М.: Радио и связь, 1987. – 232 с.