Структура эксплуатации средств РТОП и АЭС как стохастической системы управления техническим состоянием объекта

Введение Прогресс современной науки и техники в области радиоэлектрони­ки характеризуется появлением большого числа сложных РЭС, пред­назначенных для решения разнообразных задач. Количественный рост таких систем приводит к значительному увеличению работающего с ни­ми инженерно-технического состава, а их возрастающая сложность и многообразие решаемых задач — к необходимости совершенствования системы технического обслуживания и разработке научных основ эксплуатации РЭС. Поэтому теория эксплуатации РЭС превратилась в от­дельное научное направление, имеющее свои теоретические основы. Теория эксплуатации возникла на основе развития теории надеж­ности, массового обслуживания, управления производством, контроля, эргономики и др. Она решает такие задачи, как приведение системы в рабочее состояние и поддержание ее в этом состоянии, использование по назначению с требуемой эффективностью, определение влияния окружающей среды на технические характеристики аппаратуры и дей­ствие обслуживающего персонала в различных режимах эксплуатации РЭС. Она обеспечивает разработку оптимальных методов организации процесса эксплуатации систем. При проектировании новых РЭС теория эксплуатации помогает правильно выбрать принципы конструирования аппаратуры для обеспе­чения заданных эксплуатационно-технических характеристик ремонто­пригодности, сохраняемости и готовности, определить объем, со­держание технического обслуживания и ремонтов, штатный состав обслуживающего персонала и разработать необходимую техническую документацию. В период проведения контрольной и опытной эксплуата­ции теория эксплуатации способствует выявлению свойств аппаратуры, обеспечивает проверку возможностей проведения различных мероприятий по техническому обслуживанию и ремонту. В период основной эксплуа­тации (промышленной или войсковой) знание теории позволяет обес­печить оптимальные условия работы, оценить эффективность рекомен­дованных мероприятий по техническому обслуживанию, определить эксплуатационно-технические характеристики по статистическим данным, обоснованно планировать эксплуатационные мероприятия и реализовывать предложения по повышению эксплуатационной надежности. К числу основных понятий теории эксплуатации относятся: «экс­плуатация систем», «условия эксплуатации», «режимы работы», а так­же поняткя, используемые в теории надежности, — «исправность.», «не­исправность», «работоспособность», «неработоспособность», «отказ», «повреждение» и др., которые мы рассмотрим позднее на занятиях. 1 Состав стохастической системы управления техническим состоянием сложного объекта Эксплуатацию средств РТОП и АЭС можно рассматривать как сложную стохастическую систему управления, предназначенную для обеспечения высокой эффективности средств РТОП и АЭС. Известно, что стохастическая система управления состоит из трех взаимосвязанных элементов (рис.1): объекта управления (ОУ), информационного элемента (ИЭ), управляющего элемента (УЭ). Обозначения: N(t) – вектор внешних и внутренних возмущений. X(t) – вектор переменных состояний в фиксированный момент времени. [-] (t) – вектор внешних и внутренних помех. X*(t) – оценка состояния. U(t) – управление. ОУ – объект управления. ИЭ – информационный элемент. Состояние ОУ определяется значениями координат вектора X(t) переменных состояния в фиксированный момент времени. Переход ОУ из состояния в состояние с течением времени происходит из-за воздействия вектора внешних и внутренних случайных возмущений N(t) и вектора управляющих воздействий U(t). Информационный элемент оценивает состояние ОУ в текущий момент времени на фоне вектора внутренних и внешних помех [-](t) и эта оценка X*(t) поступает в УЭ. Управляющий элемент по результатам оценивания формулирует управление U(t) переменными состояниями ОУ так, чтобы показатель качества функционирования всей системы управления достигал экстремального значения. Объект управления – средство РТОП и АЭС. Информационным элементом служит система контроля и диагностирования, которая оценивает техническое состояние средства. По результатам оценивания наземный элемент управления производит управление техническим состоянием для обеспечения заданных показателей качества функционирования системы управления техническим состоянием средства РТОП и АЭС при технической эксплуатации. Техническое состояние и виды технических состояний средства определяются значениями технических параметров K(t) и допусками на них . Переход из одного состояния в другое связан со случайными отклонениями технических параметров от своих номинальных значений . Вывод: Таким образом, система эксплуатации средств РТОП и АЭС является сложной стохастической системой управления, включает в свой состав взаимосвязанные между собой систему контроля, диагностирования и управления техническим состоянием при техническом обслуживании и ремонте. Любая система управления должна содержать следующие элементы: - информационную систему, обеспечивающую сбор и обработку информации об обстановке; - управляющий орган, обеспечивающий оценку обстановки, получение выводов и принятие решений; - исполнительные органы, реализующие выработанное решение; - систему передачи осведомительной информации к управляющему органу и командной информации от управляющего органа к исполнительным. По своей структуре и характеру функционирования система эксплуатации является сложной системой. Сложной системой будем называть иерархически организованную и целенаправленную функционирующую совокупность большого числа информационно связанных и взаимодействующих элементов. 2 Основные факторы, влияющие на процесс эксплуатации РЭС Функционирование систем в процессе эксплуатации зависит от субъективных и объективных факторов. К субъективным факторам относят влияние деятель­ности обслуживающего персонала на использование систем. Известно, что по вине обслуживающего персонала про­исходит 20... 30% отказов аппаратуры. Среди субъективных факторов наибольшее значение имеет квалифика­ция обслуживающего персонала, стро­гое выполнение сроков и объемов тех­нического обслуживания и ремонтов, соблюдение правил эксплуатации и мер безопасности. К объективным относят факторы которые подразделяются на внешние приводящие к отказам по не зависящим от аппаратуры причинам, и внут­ренние приводящие к отказам по зависящим от самой аппаратуры и входящих в нее элементов причинам На рис. 2.4 приведена классификация объективных эксплуатационных факто­ров. Рис. 3. Классификация объективных эксплуатационных факторов, действующих на РЭС. Рассмотрим влияние факторов, ука­занных на рис. 3, на функционирование РЭС в процессе эксплуатации. Основными факторами, определяющими условия работы РЭО, яв­ляются климатические и механические воздействия, а также действия солнечных, электромагнитных и радиационных излучений. Климати­ческие условия определяются давлением, температурой и влажностью воздуха. Их принято считать нормальными, если температура воздуха находится в пределах 15...25°С, относительная влажность — 45...75% и давление воздуха — 650...800 мм рт. ст. При оценке влияния клима­тических условий на работу радиоаппаратуры принято различать сле­дующие типы климатов: умеренный, холодный, жаркий сухой и жар­кий влажный. Наиболее неблагоприятно на работоспособности РЭО сказываются резкие перепады температуры. Например, суточный перепад темпера­туры может достигать 40° в районах пустынь и 25° в средних широтах. Сильные механические напряжения, возникающие при этом в деталях с различным коэффициентом линейного расширения, могут привести к появлению разрушений, трещин, замыканиям электрических проводни­ков, отслоениям проводящих дорожек на печатных платах, изменению частоты настройки в резонансных цепях и т. д. Опыт эксплуатации показывает, что в основном авиационное РЭО работает при температуре — 60... + 60° С. Анализ климатических условий по­казывает, что температура воздуха может колебаться от -70° до +70°С. Однако прямое воздейст­вие солнечных лучей на блоки аппаратуры может существенно изме­нить температуру внутри них по сравнению с температурой окружаю­щего воздуха. Так, при длительном воздействии солнечных лучей тем­пература может отличаться от температуры окружающего воздуха на 12...35° С в зависимости от окраски блоков. Кроме того, температура воздуха сильно изменяется с высотой. Определение температуры возду­ха на высоте осложняется тем, что изменение температуры зависит так­же от климатических особенностей данной зоны. Отклонение температуры от нор­мальной приводит к изменению физиче­ских и механических свойств материа­лов, из которых изготовлены элементы радиотехнических систем. Эти измене­ния вызывают отклонения параметров элементов от номинальных значений и технических характеристик аппаратуры в целом. При восстановлении нормаль­ной температуры отклонения парамет­ров самоликвидируются или остаются. Колебания температуры ускоряют про­цесс старения элементов, увеличивая интенсивность их отказов. Температурный режим работы РЭО существенным образом зависит также от тепла, выделяемого в результате преобразования электриче­ской энергии в тепловую некоторыми элементами радиоаппаратуры: электронными лампами, трансформаторами, резисторами и др. Тепло, выделяемое ими, приводит к повышению температуры в блоках, что отрицательно сказывается на работе всех элементов. Таким образом, тепловой режим работы радиоаппаратуры обусловливается поступле­нием тепла извне и выделением его внутри самой аппаратуры. При пониженной или повышенной температуре изменяются свойства всех ди­электриков, ухудшаются или улучшают­ся отдельные электрические характери­стики комплектующих элементов. Низкая температура приводит к потере эластичности пластмассо­вых и резиновых деталей, ухудшению смазки в механических узлах. Повышенная температура ускоряет старение органических материалов. Тяжелые температурные условия работы осложняются трудностями охлаждения, что обусловлено требованиями малой массы и габарит­ных размеров радиоаппаратуры. Условия охлаждения аппаратуры на больших высотах ухудшаются из-за уменьшения теплоемкости воздуха. Для облегчения теплового режима применяют различные системы ох­лаждения, усложняющие техническую эксплуатацию радиооборудо­вания, а также термостатирование, термокомпенсацию и термоизоля­цию. Для охлаждения радиоаппаратуры применяются системы охлаж­дения компрессорного типа с использованием жидкого хладагента. Другими факторами, определяющими климатические условия, яв­ляются давление и влажность воздуха. В условиях пониженного атмо­сферного давления работает радиоаппаратура, эксплуатируемая в горной местности. Пониженное атмосферное давление не только ухуд­шает условия охлаждения, но и приводит к увеличению проводимости воздуха, что в определенных условиях может вызвать электрические пробои. Изменение давления вызывает изменение диэлектрической по­стоянной воздуха и, как следствие, изменение настройки резонансных контуров. Изменение давления может привести к таким нежелатель­ным явлениям, как уход частоты клистронных генераторов и другим вредным последствиям. Влага, проникающая в радиоаппаратуру, вызывает коррозию ме­таллических деталей, понижает сопротивление изоляции диэлектриков, способствует появлению грибковых образований. Влага - одна из ос­новных причин отказов трансформаторов и дросселей, так как приводит к ухудшению сопротивления изоляции, увеличению диэлектрических потерь, уменьшению пробивного напряжения между витками и вывода­ми. Наличие влаги вызывает увеличение емкости конденсаторов и уменьшение сопротивления потерь в конденсаторах. В резисторах под действием влаги уменьшается сопротивление изоляции и разрушается токопроводящий слой. Пониженная влажность также ухудшает условия работы РЭО, так как ускоряет процессы старения элементов и мате­риалов. Естественные меры предохранения радиоаппаратуры от измене­ния давления и влажности воздуха - герметизация блоков или от­дельных элементов, однако это приводит к увеличению массы и габа­ритных размеров радиоаппаратуры. Для предохранения аппаратуры от влаги применяют также защитные покрытия элементов влагонепрони­цаемыми лаками, заливку компаундами, специальные влагопоглотители и влагоотстойники. Одно из опасных воздействий на радиоэлектронную аппаратуру — механические нагрузки, возникающие при транспортировке и работе. Удары и вибрации приводят к повреждениям элементов радиоаппарату­ры, обрывам проводов и крепежных соединений, нарушают регулиров­ку. Ускорения и вибрации имеют различные значения при перевозках различными средствами транспорта. Для работы РЭО особенно опас­ны вибрации в диапазоне частот 15...150 Гц и 175...500 Гц. В первом случае возможны резонансные явления в элементах конструкций РЭО, а во втором - резонансные колебания в элементах РЭО: радиолампах, кварцах. При этом разрушаются нити накала, места выводов металли­ческих стержней из баллонов ламп, слюдяные конденсаторы. Появле­ние микротрещин при этом ускоряет процесс старения материалов и увеличивает коррозию. Мерами борьбы с механическими перегрузками являются применение различного рода амортизирующих устройств и рациональное размещение блоков аппаратуры в местах с наименьшими перегрузками. На работу РЭО существенное влияние могут оказывать солнечная радиация, электромагнитные и радиационные излучения. Длинновол­новая часть спектра солнечного излучения приводит в основном к на­греванию блоков, в то время как коротковолновая часть спектра ока­зывает фотохимическое воздействие, что способствует старению орга­нических материалов: потере упругости, прозрачности и цвета. Мощное электромагнитное излучение может привести к наруше­нию электромагнитной совместимости РЭО, а в отдельных случаях к перегрузкам входных каскадов приемных устройств и даже пробою и выгоранию кристаллических смесителей. Радиационное излучение является неблагоприятным фактором для работы РЭО. Особенно опасен этот фактор для качества полимерных материалов, так как воздействие радиации приводит к нарушению мо­лекулярных связей в полимерах. Это может привести к изменению их физических и электрических свойств. Сильные дозы радиационного излучения особо опасны для РЭО, выполненного на полупроводнико­вых приборах и интегральных схемах, так как могут привести к суще­ственному изменению их характеристик. Кроме того, нежелательные изменения параметров радиоаппарату­ры могут быть вызваны наличием вредных примесей в воздухе: пыли, паров кислот, морской соли и т. п. При эксплуатации радиоаппаратуры приходится также учитывать действие различных биологических фак­торов. Например, на деревянных деталях может образоваться грибок. Особенно интенсивно он размножается при повышенной влажности и неподвижности окружающего воздуха. Пыль органического происхож­дения также способствует его быстрому размножению. Как уже отмечалось, при оценке функционировании системы «человек — техника» необходимо учитывать как функционирование системы, так и дея­тельность обслуживающего персонала. Человек принимает участие не только в проведении технического обслуживания и ремонтов, но и уча­ствует в выполнении поставленной задачи в период применения. Сте­пень участия человека в этом процессе для различной аппаратуры не­одинакова. В одном случае человек, не дублируя аппаратуру, самостоя­тельно решает ту часть задачи, которая не выполняется техникой. В другом — контролирует правильность функционирования аппарату­ры и, если работоспособность аппаратуры нарушается, активно участ­вует в выполнении задачи восстановления. В последнем случае человек выполняет функции резерва аппаратуры. Неграмотные действия человека приводит к нарушению нормального режима функционирования аппаратуры систем и сокращению ее ресурса, а иногда и прекращению ее функционирования. 3 Процесс изменения состояния объектов эксплуатации Действующие на систему деградационные процессы переводят РЭУ в состояние, в котором оно как изделие техники испытывает потребность в техническом обслуживании. Процесс технического обслуживания с физической точки зрения является процессом парирования результатов воздействий про­цесса деградации и износа. При техническом обслуживании" РЭУ также меняет свои состояния под воздействием управляющих вос­станавливающих процессов (рис. 1.7), среди которых важную роль играет процесс определения технического состояния РЭУ (технического диагностирования). Работоспособное состояние — состояние изделия, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выпол­нять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно- технической документации. Неработоспособное состояние — состояние, при котором зна­чение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нор­мативно-технической документации. Рисунок - Граф изменений состояний системы В неработоспособном состоянии система может функциониро­вать. На рис. 1.7 приведен обобщенный граф изменения состояний системы под влиянием деградационных процессов. В неработоспособном состоянии система не может использо­ваться по функциональному назначению. Следовательно, ее рабо­тоспособность должна быть восстановлена. Однако для совре­менных сложных систем процесс восстановления отказавшего из­делия обходится, как правило, очень дорого. В табл. 1.1 при­ведены данные относительной стоимости отказа для устройств и систем различного назначения, из которых следует, что современное РЭС лучше всего не доводить до отказа, принимая превентив­ные профилактические меры по поддержанию работоспособности системы путем проведения операций по его техническому обслу­живанию. Вывод: Итак, разнообразие внешних и внутренних факторов, влияющих на функционирование аппаратуры, требует постоянного анализа их воздействия на аппаратуру. На основе данной информации возможно проведение мероприятий, которые позволят компенсировать их воздействие. Заключение Любая система управления должна содержать следующие элементы: - информационную систему, обеспечивающую сбор и обработку информации об обстановке; - управляющий орган, обеспечивающий оценку обстановки, получение выводов и принятие решений; - исполнительные органы, реализующие выработанное решение; - систему передачи осведомительной информации к управляющему органу и командной информации от управляющего органа к исполнительным. По своей структуре и характеру функционирования система эксплуатации является сложной системой. Сложной системой будем называть иерархически организованную и целенаправленную функционирующую совокупность большого числа информационно связанных и взаимодействующих элементов.