Інформаційно-вимірювальні системи діагностування аналогових вузлів радіоелектронної апаратури в процесі виробництва

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІННИЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.3:681.326

ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ

ДІАГНОСТУВАННЯ АНАЛОГОВИХ ВУЗЛІВ РАДІОЕЛЕКТРОННОЇ АПАРАТУРИ В ПРОЦЕСІ ВИРОБНИЦТВА

Спеціальність 05.11.16 - інформаційно-вимірювальні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Роїк Олександр Митрофанович

Вінниця - 2002

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Вінницькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Сопрунюк Петро Маркіянович, Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, м. Львів, керівник відділу електричних вимірювань фізичних величин

доктор технічних наук, професор Поджаренко Володимир Олександрович, Вінницький державний технічний університет завідувач кафедри метрології та промислової автоматики

доктор технічних наук, професор Романкевич Олексій Михайлович Національний технічний університет України “КПІ”, професор кафедри спеціалізованих комп'ютерних систем

Провідна установа: Державний науково-дослідний інститут метрології вимірювальних і управляючих систем, науково-дослідний відділ розробки теоретичних та науково-методичних засад метрологічного забезпечення вимірювально-інформаційних систем та автоматизованих систем керування технологічними процесами, Держстандарт України, м. Львів

Захист відбудеться “ 30 ” 10 2002р. о “ 930 ” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.02 у Вінницькому державному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95. радіоелектронний апаратура замкнений вимірювальний

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького державного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий “ 25 ” 09 2002р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Павлов С. В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Якість і надійності виробів радіоелектронної апаратури (РЕА) в значній мірі визначаються діагностичним забезпеченням на всіх етапах їх життєвого циклу. Особливо це стосується етапів їх виробництва, де з постійним зростанням складності і номенклатури РЕА різко збільшується обсяг контрольно-діагностичних операцій, реалізація яких вже сьогодні сягає 50% загальної трудомісткості їх виробництва.

Незважаючи на те, що в галузі технічної діагностики працює багато висококваліфікованих спеціалістів, більшість фундаментальних робіт присвячена теорії діагностування цифрових об'єктів. Водночас діагностування аналогових об'єктів може бути надто складним, що пов'язано з труднощами внутрішньо-схемного вимірювання струмів, відсутністю адекватних моделей несправностей аналогових компонент і нелінійним характером задачі. До того ж, в роботах, що присвячені діагностуванню аналогових об'єктів, мало уваги приділяється задачам діагностування виробничих дефектів, оцінюванню ефективності і питанням визначення шляхів удосконалення відповідних систем.

Характерною особливістю задачі діагностування виробничих дефектів, зокрема, в умовах масового і серійного виробництва, є те, що чим пізніше виявляються дефекти, тим більше витрат необхідно на локалізацію місця їх виникнення. Тобто, діагностування об'єктів слід здійснювати на якомога ранніх етапах виробництва, що дасть можливість зменшити собівартість продукції. При цьому, діагностичне забезпечення буде ефективним лише тоді, коли з мінімальними витратами забезпечуються як високі показники вірогідності, так і локалізація дефектів на рівні елементарних компонент. Таким вимогам відповідає методологія комбінованого діагностування, що заснована на оптимальному застосуванні структурних і поелементних методів. Існуючі ж системи комбінованого діагностування є простим поєднанням методологічного та технічного забезпечення вищевказаних методів, внаслідок чого на передній план постає задача оптимізації процесів комбінованого діагностування.

Крім того, слід відзначити, що методи та засоби відповідних вимірювальних підсистем недостатньо формалізовані для задач їх синтезу, при цьому, в умовах надзвичайно широкого різноманіття співвідношень і типономіналів елементів у сучасних аналогових об'єктах, вони характеризуються низькими метрологічними характеристиками, що знижує вірогідність діагностування у цілому.

Таким чином, пошук нових підходів до задач діагностування аналогових вузлів РЕА в процесі виробництва, а також задача підвищення метрологічних характеристик вимірювальних підсистем лишається актуальною науковою проблемою теорії синтезу та експлуатації систем діагностування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає пріоритетному напрямку розвитку науки і техніки “Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації, системи зв'язку”, що затверджений постановою Верховної Ради України від 16.10.1992 р., №2705-XI. Основний зміст роботи складають результати досліджень, що проводились у науково-дослідній лабораторії діагностування електронної апаратури (НДЛ ДЕА) при кафедрі автоматизованих систем управління Вінницького політехнічного інституту (ВПІ), а потім при кафедрі інтелектуальних систем Вінницького державного технічного університету (ВДТУ) відповідно з тематичними планами НДДКР у ВПІ та ВДТУ на госпдоговірних засадах (№ держ. реєстрації 0191U007142, 0194U025745), координаційним планом науково-дослідних робіт Міністерства освіти України за напрямком ”Інформатика і нові інформаційні технології”, затвердженим наказом Міністерства освіти України від 13.02.1997р. №37 (№ держ. реєстрації 0197U012665), а також за рахунок коштів державного бюджету, узгодженими Міністерством науки і освіти України (№ держ. реєстрації 0191U00320, 0193U029093, 0194U013577).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення ефективності систем діагностування аналогових вузлів радіоелектронної апаратури в процесі виробництва. Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі задачі:

1.Розробити методологічні основи задачі синтезу систем діагностування, що полягають у визначені оптимального простору параметрів діагностування і у виборі сукупності відповідних технічних засобів з точки зору забезпечення високих показників вірогідності, локалізації дефектів на рівні елементарних компонент і мінімізації витрат на визначення вимірювальної інформації.

2.Узагальнити і формалізувати задачу штучного розчленування замкнених кіл, на основі чого розробити теоретичні засади побудови вимірювальних підсистем, що забезпечують інваріантність досліджень у замкнених колах.

3.Для покращення метрологічних характеристик вимірювальних підсистем розробити нові та удосконалити і узагальнити існуючі методи перетворень параметрів елементів у замкнених колах.

4.З метою підвищення точності, завадостійкості, збіжності та швидкодії перетворень удосконалити теоретичні засади застосування ітераційних методів у задачах інваріантних перетворень параметрів елементів у замкнених колах.

5.На основі отриманих результатів розробити рекомендації щодо проектування інформаційно-вимірювальних систем діагностування радіоелектронної апаратури в процесі виробництва.

Об'єкт дослідження - процеси діагностування електронних пристроїв.

Предмет дослідження - діагностування аналогових вузлів радіоелектронної апаратури в процесі виробництва.

Методи дослідження основані на застосуванні: теорії розпізнавання; математичних методів дослідження операцій; основ дискретної математики; системного аналізу; теорій кіл, сигналів і систем; теорії ймовірності; теоретичних основ інформаційно-вимірювальної техніки.

Наукова новизна одержаних результатів

У роботі отримані такі наукові результати:

1.Розроблено методологічні основи задачі синтезу інформаційно-вимірювальних систем комбінованого діагностування аналогових вузлів радіоелектронної апаратури в процесі виробництва. Відповідно з цим:

-вперше запропоновано математичну модель просторової декомпозиції об'єктів, що розглядається як апріорний простір параметрів діагностування для задач оптимізації процесів комбінованого діагностування;

-визначено критерії формування і формалізовано задачу синтезу математичних моделей фрагментів просторової декомпозиції, що дозволяє автоматизувати синтез апріорного простору параметрів діагностування;

-вперше запропоновано застосування міри розв'язуваності рівнянь діагностики як цільової функції задачі оптимізації простору параметрів діагностування за обмежень, що визначаються вимогами забезпечення високих показників вірогідності діагностування і локалізації дефектів на рівні елементарних компонент;

-вперше запропоновано методи штучної декомпозиції, що забезпечують інваріантність досліджень фрагментів просторової декомпозиції;

-вперше запропоновано методологію діагностування, що заснована на поелементних методах вимірювань з прийняттям рішень за результатами моделювання функціональних перевірок.

2.Для вимірювальних підсистем одержано математичну модель задачі інваріантних перетворень у замкнених колах, на основі якої узагальнено і формалізовано задачу синтезу структурних схем відповідних перетворювачів, отримано комплекс базових структур і проаналізовано їх похибки перетворень.

3.Для підвищення метрологічних характеристик вимірювальних підсистем:

-вперше запропоновано адитивні та удосконалено і узагальнено на комплекс базових структур компенсаційні методи підвищення точності перетворень у замкнених колах, що засновані на моделюванні в каналах коригування реальних значень коефіцієнтів шунтування;

-вперше запропоновано розв'язання задачі штучного розчленування замкнених кіл методами комбінованого врівноваження струмів і напруг, що з меншими витратами забезпечують підвищення точності поелементних перетворень;

-вперше запропоновано структурно-алгоритмічні методи поелементних перетворень у замкнених колах, що засновані на формуванні розв'язуваних систем рівнянь, що забезпечує можливість виключення систематичних похибок.

4.Дістало подальшого розвитку застосування ітераційних методів у задачах інваріантних перетворень параметрів елементів у замкнених колах, при цьому:

-удосконалено та узагальнено на комплекс базових структур методи ітераційних перетворень у замкнених колах та методи ітераційної корекції похибок у структурах перетворювачів з неперервним врівноваженням;

-вперше запропоновано методи комбінованого ітераційно-неперервного врівноваження струмів і напруг, що з меншими витратами забезпечують підвищення точності перетворень у замкнених колах;

-вперше запропоновано методи координованого врівноваження, що забезпечують збіжність ітераційних процесів і підвищують їх швидкодію.

Практичне значення одержаних результатів. Використання отриманих у дисертаційній роботі наукових результатів дозволило розробити рекомендації щодо проектування і реалізації інформаційно-вимірювальних систем діагностування аналогових вузлів радіоелектронної апаратури в процесі виробництва, які були впровадженні на виробничому об'єднані ВО ”Вітязь” (м. Вітебськ, Республіка Білорусь), науково-виробничому комплексі НВК “Приладобудівний завод” (м. Вінниця) і на науково-виробничому підприємстві НВП “Еліта-Ц” (м. Вінниця). Впровадження підтверджуються відповідними актами.

Застосування розроблених систем забезпечило підвищення ефективності діагностування змонтованих плат аналогових вузлів РЕА завдяки тому, що:

-реалізація стратегії діагностування з моделюванням функціональних перевірок дає можливість з мінімальними витратами забезпечити підвищення вірогідності рішень одночасно з локалізацією дефектів на рівні елементарних компонент;

-формалізація процесів побудови математичної моделі просторової декомпозиції і розв'язання задачі оптимізації простору параметрів діагностування забезпечує автоматизацію підготовки робочих програм, що зменшує час розробки і знижує вимоги до кваліфікації технічного персоналу;

-покращення метрологічних характеристик вимірювальних підсистем забезпечує підвищення інструментальної вірогідності діагностування.

Розроблені системи можуть бути застосовані на будь-яких підприємствах, що займаються масовим і серійним випуском радіоелектронної апаратури.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові результати дисертаційної роботи, що винесені на захист, розроблені здобувачем самостійно. Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві: [1] - розділ 3, а також підрозділи 1.1, 1.4, 1.5, 2.4, 2.5; [4] - запропоновано критерії прийняття рішень робочих програм діагностування; [5] - запропоновано підвищити вірогідність систем поелементного діагностування шляхом моделювання функціональних перевірок; [7] - запропоновано застосування структурно-функціональної декомпозиції для опису об'єктів в системах діагностування; [8] - узагальнено і формалізовано задачу синтезу перетворювачів параметрів елементів у замкнених колах; [11, 12] - розроблено методи коригування похибок, що засновані на моделюванні реальних значень коефіцієнтів шунтування; [13] - запропоновано математичну модель просторової декомпозиції об'єктів як апріорний простір параметрів діагностування; [14] - запропоновано інваріантні методи вимірювань; [15] - запропоновано методи штучного розчленування фрагментів просторової декомпозиції; [16] - запропоновано і методи перетворень, що засновані на формуванні розв'язуваних систем незалежних рівнянь; [17] - запропоновано методи реалізації структурних методів підвищення точності перетворень; [20, 21] - запропоновано методи коригування похибок фазового зсуву; [22] - запропоновано методи комбінованого врівноваження струмів і напруг; [23] - запропоновано застосування самонавчання для задач контролю топології об'єктів діагностування; [24] - запропоновано застосування чотирипровідних вимірювань для уточнення рішень під час ідентифікації провідників об'єктів діагностування; [25] - запропонована математична модель задачі штучного розчленування замкнених кіл; [26] - запропоновано ітераційні методи розчленування замкнених кіл; [27] - запропоновано методи координованого врівноваження під час досліджень у комплексних замкнених колах.

Апробація результатів. Викладені у дисертації результати досліджень були апробовані на 27 науково-технічних конференціях, симпозіумах і семінарах. Серед них: Всесоюзний семінар “Контроль электронной аппаратуры” (м. Москва, 1990р.); Республіканська НТК “Проблемы автоматизации контроля и диагностирования сложных технических систем” (м. Житомир, 1991 р.); НТК країн СНГ “Измерительная техника в технологических процесах и конверсии производств” (м. Хмельницький, 1992 р.); IMEKO-TC4, 7th International Symphosium on Modern Electrical and Magnetic Measurement (м. Прага, 1995 р.); Proceedings of the International Conference “Development and Аpplication Systems” (Suceava, Romanіa, 1996, 1998, 2000, 2002 рр.); IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conferens & IMEKO-TC7 (Брюсель, Голандія, 1996 р.); ІІ Міжнародна НТК “Автоматизация проектирования дискретных систем” (м. Мінськ, 1997 р.); Міжнародні НТК ”Контроль і управління в складних системах” (м. Вінниця, 1995, 1999, 2001 рр.); Міжнародна міжвузівська школа-семінар “Методи і засоби технічної діагностики” (м. Івано-Франківськ, 1999 р.). НТК професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів ВДТУ з участю інженерно-технічних працівників організацій м. Вінниці та області (Вінниця, 1997-2002 рр.).

Пат. 2020499, РФ, МКИ G01R31/02 Способ обнаружения обрывов и коротких замыканий в электрическом монтаже / Байда Н.П., Котов И.Н., Месюра В.И., Месюра И.В., Роик А.М. демонструвався на міжнародній виставці винаходів ”Inventica-96” (м. Яси, Румунія), де був нагороджений дипломом із срібною медаллю.

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 50 наукових працях. Серед них у 3 монографіях, 22 статтях у наукових журналах, у 10 збірниках наукових праць, 11 матеріалах і тезах конференцій, 1 авторському свідоцтві і 3 патентах на винаходи.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів, списку використаних джерел, який складається з 246 найменувань, і додатків. Загальний обсяг дисертації 308 сторінок, з яких основний зміст викладений на 278 сторінках друкованого тексту, містить 41 рисунок і 4 таблиці. Додатки містять акти впровадження результатів роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність проблеми дослідження, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, дається характеристика наукової новизни та практичного значення отриманих результатів і їх впровадження.

У першому розділі проведено огляд існуючих методів діагностування друкованих вузлів РЕА в процесі виробництва та теоретичні засади, що покладені в основу побудови відповідних інформаційно-вимірювальних систем.

Надано загальну характеристику друкованих вузлів РЕА як об'єктів діагностування (ОД) і проаналізовано дефекти, що виникають в процесі їх виробництва. Розглянуто особливості задачі для аналогових об'єктів, основними з яких є відсутність адекватних моделей несправностей аналогових компонент, труднощі внутрішньо-схемних вимірювань струмів, що зумовлює необхідність непрямих вимірювань і потребує додаткової обробки інформації та складність розв'язання рівнянь діагностики через нелінійний характер задачі.

Надано класифікацію математичних моделей об'єктів і відповідних методів діагностування. Визначено показники якості систем діагностування, основними з яких є вірогідність діагностування, глибина локалізації дефектів, робастність, продуктивність і вартість. Застосовуючи вищевказані показники, проведено порівняльний аналіз систем діагностування з точки зору ефективності їх застосування для задач діагностування виробничих дефектів. За результатами аналізу показано, що системи структурного діагностування (ССД) з високою вірогідністю виявляють наявність дефектів в ОД, однак задача локалізації дефектів, при цьому, зустрічає певні труднощі, що пов'язано із значним об'ємом автономних або оперативних обчислень. На практиці локалізація дефектів у цих системах здійснюється на рівні множин неоднозначності, що неприйнятно для задач виробничого контролю. Недоліками систем ССД є також відсутність робастності і руйнівний характер (можливість виникнення вторинних дефектів) процесів діагностування.

Системи поелементного діагностування (СПД) легко і швидко виявляють та локалізують основну масу виробничих дефектів, характеризуються властивістю робастності, універсальністю технічних засобів вимірювань і забезпечують неруйнівний характер діагностування. Однак вірогідність діагностування за такими методами значно нижча за попередні, оскільки досліджувані параметри ОД розглядаються як незалежні. Крім того показано, що існуючі методи і основні принципи побудови технічних засобів вимірювальних перетворень недостатньо формалізовані, а відповідні підсистеми вимірювальних перетворень характеризуються низькими метрологічними характеристиками.

З вище описаного очевидно, що системи ССД і СПД з точки зору вірогідності і глибини локалізації дефектів діалектично взаємодоповнюють одні інших. Тому на виробництвах застосовують методи комбінованого діагностування, що за різними стратегіями поєднують структурні і поелементні методи. За результатами аналізу різних стратегій комбінованого діагностування встановлено, що для будь-якої стратегії основною задачею є оптимізація простору параметрів діагностування, при цьому, для мінімізації вартісних витрат і підвищення продуктивності діагностування найефективнішою буде стратегія, що заснована на поелементних методах вимірювань з прийняттям рішень про технічний стан ОД за результатами моделювання функціональних перевірок.

Проведений огляд методів і стратегій дозволив визначити мету і задачі досліджень, що направлені на підвищення ефективності систем діагностування.

У другому розділі розроблено методологічні основи задачі синтезу систем комбінованого діагностування аналогових вузлів РЕА на етапах виробництва.

Показано, що в основі синтезу систем комбінованого діагностування лежить системний підхід, з точки зору якого їх проектування є складним ітеративним процесом математичного моделювання, на кожній ітерації якого отримуються математичні моделі прообразів системи, які за своїми характеристиками поступово наближуються до характеристик, що задаються тактико-технічними вимогами. При цьому перша ітерація полягає у визначенні апріорного алфавіту технічних станів ОД (ТС ОД), що визначається різноманіттям можливих комбінацій виробничих дефектів, і у визначенні апріорного словника ознак (простору параметрів діагностування). Опис алфавіту ТС ОД мовою словника ознак дозволяє знайти в деякому розумінні найкращі границі в апріорному просторі параметрів діагностування. Наступні ітерації пов'язані з розв'язанням основної задачі діагностування - визначення алфавіту ТС ОД і простору параметрів діагностування, які в умовах обмежень на побудову системи, забезпечують найбільшу ефективність.

Для побудови апріорного простору параметрів діагностування запропоновано математичну модель просторової декомпозиції ОД, що описується як сукупність описів різних рівнів деталізації, починаючи з рівня функціонального призначення ОД до функцій елементарних двополюсних компонент і математичних моделей схем заміщення багатополюсних компонент. Відповідно з цим математична модель просторової декомпозиції ОД описується дводольним графом

X = {X n = (Wn(Rjn, q ), Ljn+1ДqОMjn+1 Wn(Rjn, q ), Djn)), (1)

де вертикальні координати n відображають ієрархічну структуру ОД; горизонтальні перетини j визначають структуру об'єкта на даних рівнях; W - математичні моделі фрагментів декомпозиції на відповідних рівнях; R(Ч)(Ч) - множина параметрів математичних моделей фрагментів; q - область визначення параметрів; Dnj - множина ребер інцидентності фрагментів декомпозиції рівнів n і n+1; Д - знак композиції функцій передач фрагментів декомпозиції рівня n+1, що беруть участь в утворенні математичної моделі j-го фрагмента декомпозиції на рівні n.

Для визначення явного вигляду моделі (1) формалізовано задачу формування фрагментів декомпозиції, а також задачу синтезу їх математичних моделей. Показано, що просторову декомпозицію доцільно здійснювати починаючи з максимального рівня деталізації Е, де ОД описується як сукупність незалежних моделей елементарних компонент. Під час формування фрагментів на інших рівнях декомпозиції запропоновано застосування критерію функціональної близькості, що забезпечує максимально доступну вірогідність діагностування. При цьому, оскільки даний критерій зумовлюється наявністю зворотних зв'язків, мінімізація їх кількості буде мінімізувати кількість компонент у фрагментах, що буде забезпечувати максимально можливу глибину локалізації дефектів у відповідних фрагментах. Відповідно з цим запропоновано таку процедуру формування фрагментів просторової декомпозиції. На першому етапі умовно з'єднуються з шиною нульового рівня виходи всіх активних компонент, а їх входи розглядаються у режимі обриву. У результаті отримується сукупність незалежних фрагментів, що складаються тільки з пасивних компонент. На другому етапі формуються активні фрагменти декомпозиції, для чого послідовно виділяється кожен з активних компонент, або їх сукупність. При цьому виходи інших активних компонент, якщо вони через пасивні елементарні компоненти впливають на входи фрагмента, що виділяється, розглядаються як незалежні джерела. Критерієм визначення активного фрагменту, при цьому, є наявність хоча б одного зворотного зв'язку, який охоплює один або декілька активних компонент. У результаті отримується опис горизонтального перетину E-1 у вигляді сукупності незалежних математичних моделей фрагментів декомпозиції і зв'язків між ними

W(RjE, q ) = {(W(RjE-1, q ))T, LE-1}, (2)

де W(RjE-1, q ) = HjE-1[W(RjE, q ), LE] - математичні моделі фрагментів декомпозиції на рівні E-1; RjE-1- вектор параметрів j-го фрагменту; mjE-1- потужність множини фрагментів декомпозиції на рівні E-1; LjE-1 - модель зв'язків між фрагментами; W(RjE, q ) - матрична функція векторного аргументу параметрів елементарних компонент, що утворюють j-ий фрагмент декомпозиції на рівні E-1; LjE - модель зв'язків між елементарними компонентами; H[Ч] - алгоритм синтезу математичних моделей фрагментів декомпозиції, який, застосовуючи графові методи аналізу, може бути описаний виразом

HjE-1[W(RjE, q ), LE] =,

де CjqE - передача q-го прямого шляху від вхідного до вихідного вузлів графа; DjqE - визначник доповнення до шляху q; DjE - визначник графа, що обчислюється по подібній з наведеним виразом формулі.

Для інших рівнів опису ОД показано, що для визначення математичних моделей фрагментів декомпозиції доцільно застосовувати алгебру структурних схем, маючи за вихідні дані моделі фрагментів декомпозиції попередніх рівнів. При цьому на основі моделі “компоненти - зв'язки” отримують систему рівнянь:

X(q)=L11Y(q) +L12V(q); U(q)=L21Y(q) +L22V(q)

де V(q) і U(q) - відповідно вектори сигналів в точках керування і спостереження; L11, L12, L21, L22 - матриці компонентів зв'язку.

Розв'язуючи наведену систему рівнянь, отримують математичну модель, що описується виразом

U(q) = H[W(R,q), Ls]V(q).

Застосовуючи вищеописане, по завершенню першої ітерації задачі синтезу систем буде отримана у явному вигляді система рівнянь діагностики (1), множина параметрів якої буде визначати апріорний простір параметрів діагностування. При цьому відзначається, що дана система буде надлишковою, оскільки кожний з елементарних компонент ОД в ній описується стільки разів скільки рівнів декомпозиції розглядається. Тобто на наступних ітераціях задачі синтезу систем постає задача оптимізації апріорного простору параметрів діагностування. Для цього запропоновано аналізувати розв'язуваність рівнянь діагностики, розглядаючи математичні моделі рівнів n у просторі параметрів рівнів m (n<m). При цьому отримано узагальнений вираз для оцінки міри розв'язуваності рівнянь у вигляді

, (3)

де mm- потужність множини параметрів m-го рівня математичної моделі просторової декомпозиції; W(Xn(q), R*m) - перевірочна матриця, максимальне значення рангу якої визначається вибором простору параметрів .

З аналізу міри (3) показано, що її значення характеризується незалежністю від значень множини тестових сигналів, алгоритмів діагностування і від значень параметрів діагностування. Її значення залежить тільки від структури і розміщення входів і виходів фрагментів декомпозиції. Отже, на етапі моделювання її можна застосовувати як критерій для визначення оптимального простору параметрів діагностування. Відповідно з цим дана постановка задачі оптимізації апріорного простору параметрів діагностування і формалізовано її розв'язання для визначення системи незалежних рівнянь Y* = F(X*, R*), розв'язок якої забезпечує максимально можливу вірогідність одночасно з поелементною локалізацією дефектів. При цьому показано, що умова підвищення вірогідності встановлює обмеження на якісний склад простору параметрів діагностування. Щоб задовольнити його, під час формування шуканої системи рівнянь слід віддавати перевагу рівнянням тих рівнів просторової моделі, що описуються більш узагальненими параметрами. Умова ж поелементної локалізації дефектів з однієї сторони накладає обмеження на кількісний склад системи рівнянь і полягає у тому, щоб кількість рівнянь дорівнювала потужності множини параметрів елементарних компонент. З другої сторони ця умова накладає обмеження на якісний склад цього ж простору параметрів діагностування. Це означає, що шуканий вектор повинен складатися з такого набору параметрів діагностування, для якого система рівнянь R* = ARE, де A - матриця коефіцієнтів, буде розв'язувана щодо параметрів елементарних компонент.

Для розв'язання поставленої задачі, застосовуючи міру (3), отримано цільову функцію для вищевказаної задачі оптимізації

. (4)

При цьому формалізовано розв'язання задачі оптимізації, що полягає у тому, що починаючи з рівня опису об'єктів m = E-1, для кожного з горизонтальних перетинів просторової моделі послідовно формуються рівняння діагностики у просторі параметрів Rm+1. Для отриманих рівнянь визначається міра розв'язуваності і знаходиться її мінімальне значення в області визначення параметрів тестових сигналів на рівні опису m

.

Значення отриманих таким чином мір будуть визначати у просторі параметрів горизонтальних перетинів m + 1 потужності підмножин параметрів діагностування на даних рівнях і їх якісний склад. За результатами такого послідовного аналізу шуканий простір параметрів діагностування буде складатися із сукупності підмножин параметрів усіх горизонтальних перетинів просторової моделі

R* = {R*1, R*2,…, R*E}. (5)

Запропонований підхід формалізує задачу вибору оптимального простору параметрів діагностування. При цьому, в процесі визначення цього простору формалізується також і формування системи рівнянь діагностики. Процес діагностування, при цьому, здійснюється в два етапи. На першому етапі за результатами контрольно-вимірювальних операцій формуються система рівнянь (5). Отримана система рівнянь розв'язується і перевіряються на допуск координати вектора R*. За результатами перевірки приймається рішення про технічний стан ОД. Якщо об'єкт визнається несправним, то на другому етапі здійснюється локалізація місця виникнення дефектів, що полягає у розв'язанні системи рівнянь R* = ARE з перевіркою на допуск координат вектору її розв'язку. Несправними визнаються ті елементарні компоненти, значення параметрів яких виходять за межі допусків.

Для адекватності опису об'єктів запропонованою математичною моделлю просторової декомпозиції розроблено методологічне забезпечення інваріантності досліджень фрагментів просторової декомпозиції. При цьому наведено методи інваріантних досліджень як елементарних так і складних фрагментів декомпозиції.

Недоліками вищеописаної стратегії є необхідність усієї сукупності технічних засобів для забезпечення як функціональних, так і поелементних контрольно-вимірювальних операцій, чим і зумовлюється висока вартість відповідних систем. Крім того, широке різноманіття функцій сучасних виробів РЕА призводить до відсутності універсальності діагностичних експериментів. Недоліком також є і те, що під час функціональних перевірок, що зумовлює включення джерел живлення, за наявності первинних дефектів можуть виникати вторинні дефекти.

Для подолання вищевказаних недоліків запропоновано нову стратегію комбінованого діагностування, де вимірювальна інформація отримується поелементними методами, які не призводять до виникнення вторинних дефектів, а технічні засоби, що їх реалізують характеризуються простотою реалізації, невисокою вартістю і універсальністю. При цьому прийняття рішень про технічний стан ОД приймається за результатами моделювання функціональних перевірок. Процес діагностування за такою стратегією також здійснюється в два етапи. На першому з них відповідно методології поелементного діагностування формуються рівняння

YE = F( XE, RE ) = D(RE )XE, (6)

де D(RE ) - діагональна матриця параметрів елементарних компонент ОД,

Розв'язуючи (6) визначається вектор параметрів елементарних компонент значення координат якого перевіряються на допуск. Якщо їх значення знаходяться в області допусків, то процес діагностування закінчується, а об'єкт визнається працездатним.

Інакше, тобто коли існують елементи, що підозрюються як дефектні, то на другому етапі остаточне рішення приймається за результатами контролю на допуск узагальнених показників, значення яких визначаються розв'язуючи обернену щодо попередньої стратегії задачу

R* = At A (At )-1RE; R* = {R*1, R*2,…, R*E}. (7)

Розв'язання системи рівнянь (7) здійснюється послідовно для кожного з горизонтальних перетинів просторової моделі. По мірі отримання результатів формуються і перевіряються на допуск області відповідних показників якості ОД. При цьому показано, що перевірка на допуск показників ОД на рівнях n доцільно здійснювати у просторі параметрів рівня m >n, вводячи систему обмежень у вигляді системи нерівностей, що описує апроксимацію області працездатності ОД лінійно-незалежними допусками

, (8)

де nin- кількість нерівностей у системі обмежень; і - константи, значення яких отримуються у результаті розв'язання прямої задачі визначення допусків на параметри діагностування рівня n в умовах обмежень на параметри рівня m з подальшим розв'язанням оберненої задачі визначення допусків у просторі параметрів m в умовах обмежень у просторі параметрів рівня n.

Пряма задача, при цьому, розв'язується методами математичного програмування, а обернена задача - із застосуванням методу визначення функцій чутливості, для якого наведено відповідні математичні вирази.

Описаний процес визначення системи обмежень можна інтерпретувати як моделювання функціональних перевірок, під час яких об'єкт визнається працездатним, якщо для будь-якого горизонтального перетину просторової моделі виконується умова (8). І тільки тоді коли умова (8) не виконуються і на рівні n =1, приймається рішення, що ОД непрацездатний. Очевидно, що за даною стратегією застосування поелементних методів забезпечує локалізацію дефектів на рівні елементарних компонент при цьому, моделювання функціональних перевірок, за результатами яких уточнюються правила прийняття рішень про технічний стан ОД, забезпечує підвищення вірогідності діагностування. Запропонований підхід можна розглядати як оптимальний синтез систем за критерієм мінімальної вартості.

Принципи формування оптимального простору параметрів R* за такою стратегією аналогічні описаним вище. При цьому якісний склад параметрів в межах одного горизонтального перетину повинен визначатися таким чином, щоб вони функціонально зв'язували параметри попередніх рівнів опису, які вийшли за межі допусків. Крім того, щоб зменшити кількість функціональних перевірок необхідно шукати не максимальне а мінімальне значення рангу тестових матриць. Тобто

,

У третьому розділі розроблено теоретичні засади синтезу перетворювачів параметрів елементів у замкнених колах і проаналізовано їх похибки.

Дослідженням підлягали методи, що засновані на штучному розчленуванні замкнених кіл, оскільки вони, як це вказувалось вище, є одними з найефективніших. Сутність цих полягає у тому, що для кожного елемента ОД його структура перетворюється у коло типу трикутник (рис. 1, а), одна з гілок якого є досліджуваним двополюсником Эx, а дві інші Эs і Эh, що його шунтують, визначаються як композиція усіх інших елементарних компонент ОД. На другому етапі отримане коло підключається у деяку структуру, що забезпечує в досліджуваних двополюсниках розподіл потенціалів або струмів таким чином, щоб їх значення залежали тільки від параметрів досліджуваних. Для формалізації побудови таких отримано узагальнене матричне рівняння врівноваження

(U - VoW)b, (9)

для реалізації розв'язку якого наведено узагальнену структурну схему (рис. 1,б), що містить коло пасивних компонент довільної конфігурації GПК, утворене послідовно з'єднаними у полюсі ”s” коло типу трикутник з деяким зразковим елементом Yo, а також пристрій врівноваження X(Dj). При цьому коло GПК містить чотириполюсник врівноваження, полюси якого ”h”, ”d”, ”s” і ”g” невизначені щодо орієнтації його зовнішніх полюсів.

Розмаїтість визначення орієнтації цих полюсів визначає розмаїтість конкретних конфігурацій структурних схем, кожне з яких описується рівняннями, сукупність яких описується матричним рівнянням

U = VoW, (10)

значення елементів матриці шуканих змінних U, матриці коефіцієнтів передач W якого наведені у табл.1, де для наочності наведені також і відповідні значення нормалізуючих множників b, що входить у рівняння (9).

При цьому показано, що наведена у цій таблиці система індексації формально може розглядатися як узагальнений алгоритм синтезу структурних схем перетворювачів параметрів елементів у замкнених колах. Нижні два індекси, при цьому, визначають відповідно полюс чотириполюсника врівноваження, на яких надходить сигнал врівноваження, і полюс, що підключається до шини нульового рівня, а верхні два індекси визначають полюси між якими підключається джерело тестового сигналу. При цьому, якщо керуватися логічною функцією

буде завжди забезпечуватись від'ємний зворотний зв'язок.

Відповідно вищеописаному наведено комплекс структурних схем, що позначаються надалі символами C з відповідними верхніми та нижніми індексами, і які розглядаються надалі як базові структури перетворювачів параметрів елементів у замкнених колах.

Відзначено, що у загальному випадку існує три основних методи, до яких відносяться методи неперервного, розгортаючого і ітераційного врівноваження. При цьому показано, що методи розгортаю чого врівноваження характеризуються найвищою точністю перетворень, однак низька швидкодія і складність реалізації таких методів обмежує можливість їх застосування для задач виробничого контролю. Ітераційні методи на сьогодні недостатньо розвинені і також мало пристосовані для задач інваріантних перетворень параметрів елементів у складі замкнених електричних кіл.

Методи неперервного врівноваження, де функцію пристроїв врівноваження можуть виконувати звичайні операційні підсилювачі, найпростіші в реалізації і характеризуються максимальною швидкодію. Саме тому такі перетворювачі отримали найпоширеніше застосування у вимірювальних підсистемах сучасних систем діагностування.

Для оцінки методів неперервного врівноваження проведено їх аналіз з точки зору точності перетворень. При цьому отримано узагальнене рівняння врівноваження, що враховує неідеальності характеристик активних елементів

X [(U - (Vo + eoV] W - eoX b -1(0) - DX xb(0))b] = U,

де X [Ч] - функція пристрою врівноваження; eoV і eoX - відповідно напруги зсуву нульового рівня джерела тестового сигналу і пристрою врівноваження; DX - різниця вхідних струмів пристрою врівноваження; xb(0) - чисельник нормалізуючих множників; символ означає обчислення відповідних складових для нульового значення тестового сигналу.

Припускаючи, що X [Ч] є лінійною функцією, що проходить через початок координат, наведений вище вираз можна переписати у вигляді

U = VoW(1 + d) + U(0), (11)

де Wo - ідеальне значення функції перетворень, а d і U(0) визначають відповідно мультиплікативну і адитивну складові похибки перетворень, математичні моделі яких описуються виразами:

d = - [1 + ab] -1;

U(0) = [eoV W(0) + eoX b -1(0) + DX xb ( 0)] d = - [1 + ab] -1,

де a - крутизна перетворень пристрою врівноваження, яка для структур перетворювачів з неперервним врівноваження визначається значенням коефіцієнтом підсилення ОП k(w).

За результатами аналізу адитивних похибок показано, що їх значення в значній мірі залежить від значення напруги зсуву ОП з коефіцієнтами підсилення Ys /Yo, Ys/Yx, і Ys/(Yo + Yx) для відповідних структур. При цьому відзначається, що адитивні похибки легко скоригувати, якщо взяти різницю двох перетворень з різними знаками тестового сигналу. Задача ж корегування мультиплікативних похибок значно складніша, чому і присвячені дослідження в наступних розділах.

Очевидно, що для того, щоб значення мультиплікативної складової похибки було зневажливо малим, необхідно, щоб b k(w)>>1. З аналізу виразів, що наведені в табл. 1, видно, що для різних базових структур існує три варіанти лівої частини цієї умови, які, якщо виключити з розгляду провідності Yo і Yx, вплив яких характеризується другим порядком малості, будуть описуватися виразами:

bo k(w) = k(w) Yo / Ys, bx k(w) = k(w) Yx / Ys, bxo k(w) = k(w) (Yo + Yx) / Ys>>1.

Значення відношень Yo / Ys, Yx / Ys і (Yo + Yx) / Ys, які названо коефіцієнтами шунтування, залежать від значень параметрів елементів досліджуваних кіл і в загальному випадку є випадковими величинами, щодо зміни їх значень від об'єкта до об'єкта. При цьому показано, що реально їх значення часто досягають третього порядку малості. Аналіз же частотних властивостей сучасних ОП показує, що вже на частоті w = 1кГц k(w)=103, що призведе до похибок значення яких може досягати 50%. Крім того, відзначено, що в реальних об'єктах часто зустрічаються випадки коли імпеданси активної і реактивної складових досліджуваних двополюсників можуть відрізнятися на два порядки і більше. У результаті виникають аналогічні похибки, при цьому, ОП можуть навіть виходити з лінійного режиму.

Оскільки досліджувані двополюсники у загальному випадку носять комплексний характер, відзначено, що однією з основних задач є також задача роздільного перетворення їх складових, що також характеризується похибками, зумовленим паралельним шунтуванням. Для даної задачі отримано математичні моделі похибок, з аналізу яких показано, що роздільне перетворення складових комплексних двополюсників з похибками, які б не перевищували одиниці відсотка, можливі лише в межах обмежень, які у більшості випадків не представляють практичний інтерес. Для подолання цього недоліку запропоновано алгоритмічні методи перетворень, що полягають у формуванні розв'язуваних систем рівнянь, при цьому вирази, що описують результати їх розв'язку будуть вільні від похибок.

У четвертому розділі розроблено комплекс методів підвищення точності перетворень параметрів замкнених кіл у структурах, що засновані на методах неперервного врівноваження.

Дана загальна характеристика задачі підвищення точності перетворень і показано, що у силу специфіки поставленої задачі, що полягає у шунтуванні досліджуваних кіл, існуючі методи не можуть бути безпосередньо застосовані. Відповідно з цим подальші дослідження саме і присвячені розробці методів підвищення точності перетворень у замкнених колах. Серед них розглядаються методи коригування похибок, що засновані на моделюванні реальних значень коефіцієнтів шунтування (методи адитивної корекції похибок і методи компенсації впливу елементів шунтування), методи комбінованого врівноваження струмів і напруг і структурно-алгоритмічні методи підвищення точності перетворень.

Для реалізації перетворювачів з адитивним коригуванням похибок відзначено, що в усіх базових структурах сигнал помилки визначається потенціалом на полюсі “s” чотириполюсника врівноваження. При цьому сигнал помилки буде присутній на виході основного каналу з коефіцієнтом підсилення, що визначається значенням коефіцієнтів шунтування. Отже, щоб здійснити адитивну корекцію необхідно в деякому додатковому каналі з таким же коефіцієнтом підсилити сигнал помилки і відняти його з вихідного сигналу основного каналу. Тобто в каналі корекції здійснити моделювання реальних значень коефіцієнтів шунтування. Таке моделювання можливе, оскільки для того двополюсника досліджуваного кола, провідність якого максимальна, визначення його параметрів буде здійснюватись з незначними похибками внаслідок незначного його шунтування. Отже, якщо спочатку визначити параметри цього двополюсника, то під час перетворень параметрів інших гілок, що входять до складу замкнених кіл, ми будемо мати апріорну інформацію про параметри даного елемента шунтування. Як приклад розглянуто застосування даного методу для структури C (рис. 2), де вихідна структура доповнена каналом корекції (підсилювач, що не інвертує, з провідностями Yk1 і Yk2 в колах прямого і зворотного зв'язків), що підключається до полюсу “s” чотириполюсника врівноваження, і визначається різниця вихідних сигналів обох каналів.

З аналізу наведеної структури методами двонаправлених графів показано, що загальний вихідний сигнал перетворювача описується виразом

uе = Dk + (1 - dodk) vo Yx / Ys, (12)

З наведеного виразу видно, що загальна мультиплікативна похибка у порівнянні з базовою структурою має другий порядок малості, наприклад, якщо відносна похибка перетворень базової структури оцінюється значенням 0.01, то відповідна похибка запропонованої структури буде оцінюватись значенням 0.0001. При цьому адитивна похибка перетворень залишається того ж порядку. За результатами аналізу показано, що даний метод буде ефективним тільки для структур перетворювачів, у яких досліджувані двополюсники підключені на вході ОП.

З огляду на наявність апріорної інформації про параметри елементів шунтування, що отримується на попередніх етапах процесу діагностування, запропоновано також методи корекції похибок, в основі яких лежить компенсація струму, що протікає через елементи шунтування. Для цього, наприклад, можна визначити падіння напруги на двополюснику шунтування і підключити її з протилежним знаком до полюсу врівноваження через двополюсник, параметри якого аналогічні параметрам двополюсника шунтування. Такі дії можна розглядати як паралельне підключення до двополюсника шунтування деякого двополюсника з від'ємним імпедансом. На рис. 3 наведена узагальнена структура, що реалізує запропонований метод. Мультиплікативна похибка такої структури буде визначатися як

d* = - [1 +b* k(w)] -1,

де b* = bчис / (Yx + Ys - YNIC + Yo) - загальний коефіцієнт зворотного зв'язку; bчис - чисельники коефіцієнтів зворотного зв'язку відповідних базових структур перетворювачів, що в даному застосовуються під час реалізації узагальненої структури; - провідність двополюсника компенсації.

З наведеного виразу видно, що повна компенсація впливу елементів шунтування забезпечується за умови YNIC = Yx + Ys + Yo. З аналізу структур перетворювачів з урахуванням похибок формування елементів компенсації з від'ємним імпедансом показано, що загальна мультиплікативна похибка визначається виразом

d* ” do dNIC, (13)

де dNIC- похибка формування від'ємного імпедансу. Тобто загальна похибка також має другий порядок малості у порівнянні з базовими структурами. При цьому перевагою даного методу від попереднього є те, що такий підхід може бути застосований для усієї сукупності базових структур.

Загальним недоліком наведених вище методів є необхідність додаткових зразкових мір з відповідними елементами комутації, що збільшує апаратурні витрати вимірювальних підсистем у цілому.

Для обґрунтування методів комбінованого врівноваження струмів і напруг відзначається, що базові структури перетворювачів у загальному випадку можна розглядати з погляду послідовного з'єднання у полюсі “s” керованих джерел струму і напруги. Під час ідеального врівноваження потенціал полюса “s” буде дорівнювати нулю, що відповідає ідеальним характеристикам обох джерел, а результати перетворень будуть вільні від похибок. В реальних же умовах потенціал полюса “s” не дорівнює нулю, тобто характеристики таких джерел не ідеальні, що і призводить до виникнення похибок. Очевидно, що для того, щоб підвищити точність перетворень, необхідно покращити характеристики відповідних джерел, для чого також можуть бути застосовані структурними методами, що реалізуються замкненими ж структурами врівноваження. При цьому врівноважуватися будуть знову таки потенціали полюсів “g” і “s”. У результаті будуть отримані структури перетворювачів з двома каналами врівноваження, узагальнена структурна схема яких ілюструється на рис. 4.