Построение функционально-логической модели

Любая техническая система для технической диагностики их состояния может быть расчленена на функциональные элементы. При этом функциональные элементы большей сложности могут, в свою очередь, расчленяться на более простые и т.д. Пределом такого расчленения являются первичные функциональные элементы, которые определяют точность локализации места отказа.

Обычно первичные функциональные элементы представляют собой самостоятельные устройства, обеспечивающие решение некоторых частных задач. Как правило, такие элементы имеют один или несколько выходов с действующими на них выходными сигналами. В качестве выходных сигналов могут рассматриваться сигналы различной природы, например, электрические, магнитные, звуковые, механические перемещения, тепловые реакции и т.п. Для простоты принято предполагать, что первичный функциональный элемент имеет только один выходной сигнал с контролируемым параметром. Функциональный элемент, для которого такое условие не выполняется, может быть расчленен на более мелкие элементы.

Выходной сигнал любого функционального элемента зависит от его внутреннего состояния и внешних воздействий. Если для функционального элемента зафиксировать значение входных сигналов, т.е. считать их всегда имеющими номинальные значения, то выходной сигнал будет характеризовать его внутренне состояние. Исправному состоянию в идеальных условиях соответствует некоторое фиксированное значение выходного сигнала. В реальных условиях, при небольших отклонениях выходного параметра от номинального значения, функциональный элемент не теряет своей работоспособности. Поэтому работоспособному состоянию функционального элемента в реальных условиях соответствует нахождение выходного параметра в поле допуска, а выход за его пределы рассматривается как отказ.

Решение задач выбора параметров для осуществления контроля работоспособности объекта или технической диагностики его состояния требует введения других рационально выбранных форм представления объектов контроля. Одной из наиболее распространенных форм представления объектов контроля является его функционально-логическая модель.

Функционально-логическая модель объекта контроля отличается от обычной функциональной схемы, прежде всего выбором функциональных элементов. Если в функциональной схеме первичные функциональные элементы выбираются исходя из удобства описания процессов функционирования системы, то первичные функциональные элементы модели при осуществлении технической диагностики ее состояния определяются заданной точностью локализации неисправностей. Последняя зависит от способа ремонта объекта контроля и может быть определена с учетом конструктивных и экономических соображений.

Выбранный в процессе моделирования функциональный элемент может непосредственно использоваться в качестве первичного функционального элемента модели только в случае, когда он имеет только один выходной сигнал. В противном случае необходимо дальнейшее расчленение блока, в процессе которого выделяются части, определяющие значение каждого из выходных сигналов. Каждая такая часть функционального элемента используется в качестве первичного функционального элемента модели.

Каждый первичный функциональный элемент модели может находиться в одном из двух возможных состояний:

· работоспособном;

· неработоспособном.

В состоянии работоспособности элемент отвечает требуемой реакцией на допустимую совокупность воздействия. В состоянии неработоспособности реакция элемента выходит за пределы допустимой. Отказы элементов возникают независимо.

Предполагается, что функционально-логическая модель объекта контроля отвечает следующим свойствам:

1. Каждый блок может иметь только один выход, который может быть соединен с любым количеством входов других блоков. Число входов блока неограниченно. Если имеются блоки, у которых контролируется более одного выхода, то такие блоки необходимо разбить на несколько блоков по числу контролируемых выходов и у каждого блока оставить только те входы, которые формируют данный выход. Другим способом разбиения на блоки с одним выходом является формальное объединение нескольких выходов в один совместной их проверкой.

2. Выходы различных блоков не могут быть объединены.

3. Для каждого блока известны допустимые значения выходного и входных сигналов, а также способ их контроля.

4. Функциональный элемент считается неисправным, если при допустимых входных сигналах он выдает выходной сигнал, находящийся за пределами допустимых значений.

5. Недопустимое значение хотя бы одного входного сигнала приводит к появлению недопустимого сигнала на выходе данного блока.

6. Если выходной сигнал некоторого функционального блока является входным для другого блока, то допустимые значения этих сигналов совпадают.

7. Цепи связи между функциональными блоками считаются абсолютно надежными. Если цепь связи ненадежна, то она заменяется отдельным функциональным блоком.

Объекты контроля, подвергающиеся проверке в реальных условиях, не всегда удовлетворяют перечисленным свойствам. Например, некоторые блоки могут иметь такие выходы, при которых недопустимые значения входных сигналов не приводят к недопустимым значениям выходного сигнала или может иметь место несогласованность полей допуска, когда не выполняется шестое свойство. Такие особенности при построении математической модели объекта контроля, как правило, не учитываются. Кроме того, отказы отдельных блоков, не влекущие за собой отказ объекта контроля (т.е. не приводящие к выходу за допустимые значения хотя бы одного выходного сигнала объекта контроля), считаются несущественными и не рассматриваются.

Пример функционально-логической модели объекта контроля, состоящего из шести элементов, приведен на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Пример функционально-логической модели объекта контроля

На рис. 1.1. обозначено:

Xi – внешние входы объекта контроля;

Qk – функциональные блоки модели;

Zk – внутренние выходы блоков объекта контроля;

Ys – внешние выходы объекта контроля.

Пример построения функционально-логической модели

Рассмотрим построение функционально-логической модели на примере. Пусть объектом контроля будет трехкаскадный усилитель, собранный на микромодулях. Функциональная схема такого устройства представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Функциональная схема трехкаскадного усилителя

Для построения функционально-логической модели усилителя необходимо:

1) полностью задать каждый первичный функциональный элемент;

2) конкретизировать функциональные связи между элементами модели;

3) установить перечень отказов, которые должны локализоваться в процессе контроля.

При задании первичных функциональных элементов рационально:

· изображенные на схеме резисторы и конденсаторы, размещенные вне модулей, сгруппировать в отдельные функциональные элементы объекта, т.к. конденсаторы С1, С4, резистор обратной связи R1, фильтры цепей смещения R2С2 и R3С3 являются самостоятельными элементами, которые могут быть заменены при ремонте. Поэтому каждый из перечисленных элементов изображаются на модели в виде отдельного функционального элемента;

· каждый микромодуль ВУ-07 задать в виде отдельного функционального элемента. Это объясняется тем, что микромодуль ВУ-07 имеет только один выход и при ремонте в случае отказа заменяется полностью, т.к. является неразборным;

· микромодуль ЭП-17, имеющий два выхода, расчленить на два функциональных элемента, имеющих по одному выходу. Для этого необходимо рассмотреть принципиальную схему данного микромодуля (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Принципиальная схема микромодуля ЭП-17

Из принципиальной схемы (рис. 1.3.) видно, что выходы 3 и 10 соединяются между собой через развязывающий фильтр R5С3. Изобразив данный фильтр в виде отдельного функционального блока, получим возможность представить микромодуль ЭП-17 состоящим из двух функциональных элементов, каждый из которых обладает только одним выходом. Кроме того, имеется возможность контроля выходного сигнала каждого функционального блока.

Реальные связи на схеме функциональной модели заменены идеальными в том смысле, что они не отказывают и не создают задержек и помех.

Учитывая все вышесказанное, получена функционально-логическая модель, изображенная на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Функционально-логическая модель усилителя

Для того чтобы соотнести функциональный элемент модели и реальные элементы схемы объекта контроля составляется таблица соответствия элементов и сигналов модели (табл. 1.1).

Таблица 1.1.

Таблица соответствия элементов модели

Элемент модели	Описание элемента
X1	питание -12 В
X2	вход усилителя
X3	питание +12 В
Y1	выход усилителя
Q1	конденсатор С1
Q2, Q3	два микромодуля ВУ-07
Q4, Q5	микромодуль ЭП-17
Q6	конденсатор С4
Q7	фильтр цепи смещения R2С2
Q8	фильтр цепи смещения R3С3
Q9	резистор обратной связи R1

Следующим шагом описания объекта контроля является установление перечня отказов, которые должны локализоваться в процессе контроля.

В процессе работы объекта в данный момент времени может отказать как один из первичных функциональных элементов, так и два или более одновременно. Отказ любого, но только одного, первичного элемента называется одиночным отказом. Все остальные возможные сочетания отказов различных функциональных элементов называются одновременными отказами.

Одиночные отказы происходят чаще одновременных, т.к. вероятность одновременного наступления двух и более событий меньше вероятности наступления каждого отдельного события. Учитывая это обстоятельство, при установлении перечня отказов, подлежащих локализации, часто ограничиваются только одиночными отказами.

Задать перечень возможных отказов можно, построив для объекта таблицу его возможных состояний.