СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ АППАРАТУРЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

Аппаратура диагностирования технического состояния АС, реа­лизующая изложенные выше методы, представляет по структуре устройство распознавания (рис. 2.7).

Реализации обобщенного параметра У(t), подлежащие распо­знаванию, подаются на входное устройство, которое служит для согласования выхода объекта контроля с входными цепями функ­ционального нелинейного преобразователя. Согласующее устрой­ство представляет собой канал линейного усиления сигнала с от­крытым и (или) закрытым входами, с переменным коэффициентом усиления и большим входным сопротивлением. Так как амплитуд­но-частотная характеристика политрона имеет полосу эффективно­го преобразования 0—3 кГц на уровне 0,7, согласующее устройство должно выполняться как усилитель постоянного тока с соответст­вующей полосой пропускания. Выход сигнала за зону функциональ­ных пластин вызывает существенные искажения в результатах ана­лиза. Для того чтобы исключить это, необходимо ввести операцию двухстороннего ограничения по амплитуде, конкретные схемы ко­торого могут быть выбраны с учетом конструктивных особенностей устройства,

К выходу согласующего устройства подключена схема анализа. Она выполняет две задачи: управляемое нелинейное преобразова­ние исследуемого сигнала и накопление его отличий от образцово­го. Нелинейным функциональным преобразователем служит поли­трон. На его функциональные пластины с блока установки опера­тора преобразования подается знакопеременная последователь­ность напряжений вида (2.8). Этот блок может быть выполнен с ручным управлением и полностью автоматическим. В последнем случае операторы преобразования и программа их ввода хранятся в любых удобных носителях информации. Суть работы блока уста­новки оператора преобразования сводится в конечном счете к воз­можности подключить каждую пару функциональных пластин не­зависимо друг от друга к источникам напряжения +10 В, —10 В и «земле». В рассматриваемом устройстве лучше использовать сим­метричное питание, при котором на одну пластину пары подается

Рис. 2,7. Структурная схема устройства распознавания 64

напряжение +10 В, на другую —10 В или, наоборот, «земля» при необходимости подается сразу на обе пластины.

І Іслинєйньїй функциональный преобразователь на базе поли — фона осуществляет выделение признаков, обеспечивающих распо — іпанапне технического состояния объекта контроля, следующим об­ратом. Реализации ОП используются в качестве развертывающего но горизонтали напряжения. В этом случае каждому выбранному шнчепию напряжения реализации соответствует положение элек — I ровного луча трубки между конкретной парой функциональных пластин. Отклонение луча по вертикали зависит лишь от операто­ра преобразования, что отражается на перераспределении токов коллекторов. Это свойство политрона позволяет получить для каж — IIпі реализации в процессе обучения оценку амплитудного распре — ІГЛСПНЯ, а затем сравнить амплитудные распределения различных реализаций и построить оператор преобразования для дальнейшего процесса распознавания.

С выхода политрона, т. е. с нагрузки коллектора предваритель­но усиленный сигнал поступает на интегратор. Усилитель и инте — I ра гор выполняются на обычных операционных усилителях без переходных емкостей. Ввиду того, что в основных схемах распозна­ющего устройства используются функциональные элементы с непо — ( родственной связью (такие как интегратор и др.), к блоку пита­ния должны предъявляться высокие требования (по стабильности выходных напряжений и отсутствию пульсаций переменного напря­жения сети.

При изменении нагрузки в пределах от нуля до максимального іннчеііия и при плавном изменении напряжения сети от 200 до 2.10 В колебания напряжения должны быть менее 0,1% от номи­нального значения.

Распознающее устройство должно выполнять и управляющие функции: включение и выключение схемы анализа и формирование интервалов времени, определяющих длительность циклов анализа конкретных реализаций. Если в объекте контроля нет сигналов, которые бы определяли начало нужного для анализа отрезка реа­лизации, то такое начало необходимо определить по огибающей обобщенного параметра.

Структурная схема устройства управления и его связи с бло­ками АДТС показана на рис. 2.8.

Рассмотрим работу схемы управления при распознавании сиг­налов с медленно изменяющейся огибающей и заполнением часто­той несколько сотен герц. Сигнал с объекта диагностирования, пройдя усилитель и односторонний ограничитель, поступает на сглаживающий фильтр. Напряжение на выходе последнего про­порционально напряжению огибающей сигнала и сравнивается с пороговым напряжением Епор. Сигнал совпадения воздействует на реле включения, которое включает схему анализа и временной дат­чик. По прошествии определенного времени, которое чаще всего определяется временем исследуемого переходного процесса, этот

Рис. 2.8. Схема сопряжения устройства управления с блоками устройства рас­познавания

датчик додает сигнал на останов схемы анализа и перевод схемы управления в исходное состояние.

Со схемы анализа сигнал поступает на индикатор, в качестве которого может быть использован любой вольтметр постоянного тока, который фиксирует напряжение на интеграторе, накопленное за время анализа. Сравнение результатов измерений позволяет ре­шить, к какому классу относится рассматриваемая реализация.

Описанный вариант устройства распознавания позволяет в принципе реализовать изложенный выше метод оценки техниче­ского состояния и диагностики. Вместе с тем можно указать основ­ные направления улучшения характеристик описанного устройст­ва: увеличение разрешающей способности, сокращение времени оп­ределения технического состояния объекта диагностирования и рас­ширение диапазона исследуемого частотного спектра обобщенного параметра.

С увеличением разрешающей способности оказывается возмож­ным выделение слабо выраженных признаков или их связей из обобщенного сигнала, несущих информацию о тех или иных функ­циональных элементах объекта контроля, что повышает достовер­ность принятия решения о техническом состоянии.

Рассмотрим некоторые пути увеличения разрешающей способ­ности. Одно из наиболее простых решений — это анализ опреде­ленной части амплитудного распределения сигнала. С этой целью анализируемый сигнал дополнительно усиливается, смещается так, чтобы интересующий участок реализации обобщенного пара­метра попал в поле действия функциональных пластин, остальное ограничивается с двух сторон и подается на политрон. Этот метод применим в случае когда информация о признаке или их совокуп­ности полностью сосредоточена в определенной области реализа­ции сигнала. В ряде практических случаев информация о данном типе отказа или техническом состоянии распределена по всей реа­лизации. Более того, оказывается, что существует связь между признаками, в которых и заключена основная информация.

Последнее можно показать, если для оценки информативности признака использовать дивергенцию Кульбака [38]:

/ = [Рг (•*)-Р2 (JC)] log dk (.х), (2. 19)

J р2 W

D

где pi(x), t= 1, 2 — плотности вероятности распределения признаков в классе і; ‘/.(х)—вероятностная мера; D — область изменения признаков.

Если предположить признаки независимыми, то при нормаль­ном законе распределения г’-го признака со средним т2) соот­

ветственно в I и II классе и одинаковой дисперсией щ2 дивергенция первого порядка имеет вид:

Пусть теперь между двумя признаками существует связь. Тогда дивергенция второго порядка [45] для г-го и /-го признаков может быть представлена как

, I i~- I j 2 Qij YІ і I j

‘7= ’

1 6 і j

где Qij — коэффициент корреляции между признаками і и /.

Следовательно, при некоррелированных признаках [Qij=0) ди­вергенция второго порядка равна сумме дивергенций. Однако при Qij=7^0 информативность пары отличается от информативности при­знаков в случае их некоррелированности. При

У’ПТі

®<Vii<7rrh (2-20)

информативность признаков не превосходит суммарной информа­тивности в случае их некоррелированности, т. е. +/3-. Если

Qij принимает значение вне этой зоны, то информативность пары признаков. превосходит /, + /;. Отсюда следует, что возможны слу­чаи, когда два признака, рассматриваемые каждый в отдельности, приносят мало пользы для распознавания, а их совместное ис­пользование обеспечивает распознавание с высокой. вероятностью. Например, при линейной зависимости между признаками (Qi3=l), когда оо.

Это подтверждает высказанную мысль об ограниченности при­менения метода повышения разрешающей способности при выде­лении и более детальном анализе части реализации обобщенного параметра. Прежде чем применять такой подход, нужно убедиться, что признаки, обеспечивающие распознавание, связаны с опреде­ленной амплитудной частью реализации, и что они независимы, а если зависимы, то определить область значений дц. Если выпол­няется (2.20), то можно использовать такой подход и при зависи­мых признаках, в противном случае возможности по распознава-

Рис. 2.9. Эпюры напряжений: «—исходные; б—после нелинейного преобразования

нию будут реализованы не полностью, что может привести к ошиб­кам при анализе технического состояния и диагностике отказов.

Следующая .возможность увеличения разрешающей способно­сти состоит в использовании двухступенчатого нелинейного пре­образования. Сигнал с выхода первой ступени нелинейного преоб­разования после усиления поступает на вход второй ступени и да­лее на интегратор и индикатор. При таком построении схемы обес­печивается определенный положительный эффект, но полностью возможности нелинейного преобразования не используются.

Существенно лучшие результаты по повышению разрешающей способности достигаются при введении перед второй ступенью не­линейного преобразования блока обработки сигнала, который на­зовем блоком самонастройки.

Поясним сущность совместной работы блока самонастройки и блока вторичного нелинейного преобразования, на примере клас­сификации двух периодических сигналов—синусоидального А0 с коэффициентом нелинейных искажений 0,25% и синусоидоподобно­го сигнала А с коэффициентом нелинейных искажений 20% (рис. 2.9,а). Справа от графиков реализаций сигналов приводятся ги­стограммы плотности распределения времени их пребывания на уровнях Ті (А), г=0,1, «привязанные» к пространственному поло­жению функциональных пластин ФП политрона, обозначенных цифрами 1,…, 10. Выходные напряжения первичного нелинейного преобразователя представляют собой последовательности импуль­сов одинаковой амплитуды (вследствие насыщения токов коллек-

торов политрона) и разной длительности (рис. 2.9,6). Как видно из этих графиков, сигналы после первой ступени нелинейного преоб­разования отличаются по уровню постоянной составляющей U0 и Ux (пунктирная линия), на основе чего указанные сигналы и клас­сифицируются распознающим устройством. Отметим, что после пер­вого преобразования распределения времени пребывания ОГІ на уровне Я т,(Я) существенно изменились и приняли ВИД Т; (Я I ф), что объясняется уменьшением числа функциональных пластин, с кото­рыми осуществляется взаимодействие преобразованных сигналов. Для полученных сигналов, основываясь на знании распределений т,-(Я|<р), можно сформировать по правилу (2.8) оператор преобра­зования для второй ступени нелинейного преобразования. При та­ком пространственном расположении сигналов и функциональных пластин классификация будет осуществляться вследствие взаимо­действия сигналов только с третьей и восьмой парами функцио­нальных пластин, в результате чего на выходе второго политрона появятся сигналы той же формы, но с обратной полярностью. Одно­временно с этим на выходе II ступени возникает и постоянная со­ставляющая, на основе которой осуществляется классификация. Наличие переменной составляющей, а она имеет достаточно боль­шую амплитуду и длительность, говорит о том, что информация об отличиях реализаций использована не полностью.

Блок самонастройки, построенный на принципе суммарно-разно­стной обработки, позволяет использовать для последующей класси­фикации отличие сигналов, полученное на выходе первого политро-

на в виде различных. уровней U0 re U~і постоянной составляющей. Ре­зультат такого преобразования сводится к тому, что сигналы на выходе блока самонастройки ока­зываются смещенными друг от­носительно друга в пространстве — функциональных пластин (рис. 2.10, а). Поэтому распределения — т,(А|ф) этих сигналов также от­личаются друг от друга, и опера­тор преобразования для них стро­ится уже на основе четырех пар функциональных пластин №№ 2, 4, 7, 9 в отличие от случая рис. 2.9, б, где оператор строился для двух пар ФП № 3 и 8. Использо­вание такого более мощного по воздействию на классифйцируемые — сигналы оператора приводит к тому, что выходные сигналы второй ступени преобразования с учетом блока самонастройки отличают­ся но уровню постоянной составляющей (U0′ и tV) больше, чем — без таких блоков.

Это наглядно видно из сравнения выполненных в одном масшта­бе рис. 2.9,6 и 2.10,6. Увеличение различия в уровнях постоянных составляющих, которое является основой для классификации сигна­лов, и приводит к повышению разрешающей способности.

Один из вариантов построения блока самонастройки представ­лен на рис. 2.11 [17]. В сумматоре Si происходит выделение посто­янной составляющей из прямого сигнала путем сложения его с переменной составляющей инвертированного сигнала, поступаю­щего со схемы ИЕХ, рабочая точка которой задается напряжением смещения £см. В сумматоре S2 по аналогии выделяется постоянная составляющая инвертированного сигнала. На выходе сумматора Е3 сигнал представляет собой сумму постоянной составляющей инвертированного сигнала, переменной составляющей прямого сигнала (прошедшего конденсатор СЗ) и постоянной составляющей! прямото сигнала с обратным знаком.

В результате прохождения распознаваемых сигналов через опи­сываемую схему их пространственное положение относительно функциональных пластин второй ступени нелинейного преобразо­вания оказывается смещенным, что приводит в конце концов к существенному (по меньшей мере на порядок) увеличению разре­шающей способности устройства в целом (см. § 2.7).

Рассмотрим теперь кратко пути расширения диапазона анали­зируемых частот и сокращения времени анализа. При поиске неис­правностей аппаратура диагностирования технического состояния АС проводит последовательный анализ одной и той же реализации — обобщенного параметра при каждом операторе преобразования. На практике это приводит к тому, что объект контроля следует устанавливать в исходное состояние столько раз, сколько операто­
ров содержится в наборе {я]),-}, /’=1,…, п, а следовательно, время анализа может быть значительным. Определенное сокращение об­щего времени анализа может дать использование иерархической структуры поиска, однако при этом объект будет по-прежнему на­ходиться под током достаточно длительное время. Другим возмож­ным путем сокращения как времени анализа, так и времени пре­бывания под током объекта является построение устройства анали­за по параллельной многоканальной схеме.

Весьма. перспективным решением следует считать введение ана­логового запоминающего устройства. Это позволяет однажды за­писанную реализацию автономно анализировать по многим опе­раторам и повысить достоверность получаемых результатов. Несо­мненно, сложность устройства распознавания при этом возрастает, однако она окупается открывающимися при этом перспективами анализа обобщенного параметра [19].

Описанное выше устройство анализа технического состояния АС с использованием политрона пригодно для классификации относи­тельно низкочастотных процессов. Введение аналогового запомина­ющего устройства с регулируемой скоростью записи и выборки ин­формации дает возможность расширить спектр анализируемых ча­стот, который ограничивается в этом случае частотным диапазо­ном запоминающего устройства, и позволяет построить аппаратуру диагностирования технического состояния АС, анализирующую обобщенный параметр со спектром до единиц мегагерц [20J. Схе­ма (рис. 2.12) функционирует следующим образом. Реализация обобщенного параметра, несущего информацию о состоянии объ­екта контроля, записывается в аналоговом запоминающем устрой­стве, причем продолжительность записи определяется командами, поступающими с блока формирования команд. Этот же блок зада­ст закон управления линейным смещением спектра сигнала по ча-

Рис. 2.12. Схема устройства диагностирования

стоте. Примером аналогового запоминающего устройства и бло­ка линейной трансформации спектра может служить видеомагни­тофон в случае когда запись сигнала осуществляется с одной ско­ростью, а воспроизведение — многократно с различными скоростя­ми таким образом, чтобы всякий раз на вход полосового фильтра поступал сигнал, связанный с очередным участком спектра обоб­щенного параметра, согласованным с полосой фильтра. Выбор по­лосы пропускания фильтра определяется частотными свойствами нелинейного функционального преобразователя. Для политропа область эффективного нелинейного преобразования содержит ча­стоты в диапазоне 0—3 кГц.

Таким образом анализируя по частям спектр высокочастотного обобщенного параметра, можно значительно расширить класс про­веряемых объектов, обеспечить требуемую достоверность опреде­ления технического состояния и существенно сократить количество блоков сопряжения с объектом контроля.