Функциональное диагностирование навигационных систем с использованием нечеткого анализа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Безмен, Глеб Владимирович

• Безмен, Глеб Владимирович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Безмен, Глеб Владимирович

Введение.

1. Анализ современных методов функционального диагностирования навигационных систем.

1.1. Особенности разработки и организации диагностирования навигационных систем.

1.2 Методы функционального диагностирования динамических систем.

1.2.1. Детерминированные методы функционального диагностирования.

1.2.2. Стохастические методы функционального диагностирования.

1.2.3. Нечеткие методы функционального диагностирования.

1.3. Выводы.

2. Функциональное диагностирование произвольных отказов навигационных систем с использованием нечеткого анализа.

2.1. Постановка задачи функционального диагностирования навигационных систем. Нечеткие правила принятия решений об отказе.

2.2. Алгоритм функционального диагностирования произвольных отказов.

2.3. Выводы.

3. Функциональное диагностирование навигационных систем в пространствах сигналов и параметров с использованием нечеткого анализа

3.1. Диагностирование в пространстве сигналов.

3.2. Диагностирование в пространстве параметров.

3.3. Принятие решений об отказах с учетом их эквивалентности и доминирования.

3.4. Выводы.

4. Разработка средств диагностирования морской платформенной ИНС в составе контрольно-испытательного стенда.

4.1. Принципы построения диагностической системы для морской платформенной ИНС.

4.2. Средства диагностирования безредукторной следящей системы ИНС

4.3. Имитационная модель и исследование чувствительности ИНС.

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Функциональное диагностирование навигационных систем с использованием нечеткого анализа»

Для навигационных систем (НС), как и для любых информационно-управляющих систем, важное значение имеет качество применяемых средств диагностирования, поскольку от. этого зависит их надежность и эффективность применения. При этом; как правило, НС оснащается целым спектром разнообразных средств диагностирования, среди которых важное место занимают средства функционального диагностирования (ФД), применяющиеся в процессе работы системы по прямому назначению и!не требующие перерывов в ее работе. Исходя из вышесказанного, представляются актуальными вопросы совершенствования методов ФД для НС.

Известно, что как сами НС, так и составляющие их устройства, как правило, описываются моделью динамической системы, что позволяет считать целесообразным рассмотрение проблемы ФД именно в отношении этого класса систем. Вопросам ФД динамических систем на протяжении последних десятилетий было посвящено достаточно много публикаций. Среди наиболее известных авторов можно назвать Willsky A.S., Patton R. J, Frank P. M, Clark R. N, Isermann R., Koscielny J.M., Mendouca L., Мироновского JI. А., Шумского A.E., Жирабока A.H., Бассвиль М., Никифорова И:В., Гришина Ю.П., Дмитриева С.П., Осипова A.B., Подкопаева Б.П. и многих других. Тем не менее, несмотря на многочисленность и многоплановость публикуемых работ, исследования в данной области продолжаются. В настоящее время в фокусе исследований находится проблема повышения точности диагностирования и учета различного рода неопределенностей, сопровождающих решение задачи ФД. Именно этим вопросам посвящена настоящая работа, причем неопределенным предполагается техническое состояние системы.

В литературе задача ФД рассматривается в разных постановках, которые, прежде всего, определяются использованием для системы моделей различного типа, среди которых детерминированные, стохастические, нечеткие4 и др. Выбор той или иной постановки, как правило, определяется« содержанием; прикладной задачи; решаемой динамической системой;, и, конечно- имеющейся в; , распоряжении разработчика средств диагностированиям априорной информации о свойствах системы; и возникающих в ней отказах. Так если разработчик располагает статистической7 информацией; о поведении системы, и ее отказах, то может быть, применен стохастический подход. Если такой информации; нет, то можно прибегнуть к слугам детерминированного подхода; где информация о неопределенностях сведена, к. минимуму. Статистический; подход*, находит применение; при диагностировании; так называемых информационных отказов: При решении же задачи ФД аппаратурных .отказов статистическая •' информация, как правило, полностью отсутствует, что безальтернативно приводит разработчика к применению детерминированных^ методов или усиливающих их методов, применяющих , нечеткие правила- анализа г и; принятия решений, об отказе. В настоящее время m центре; внимания исследователей находится проблема повышения точности и учета различного рода неопределенностей, сопровождающих решение- задачи ФД аппаратурных отказов. Именно этим вопросам^ и посвящена настоящая работа.

Цель исследований состоит в совершенствовании методов диагностирования аппаратурных отказов : навигационных 'систем в направлении- повышения? точности диагностирования и учета неопределенности ее технического состояния;

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

- анализ современных методов ФД динамических систем;

- анализ особенностейфешения задач диагностирования в НС;

- разработка методов- ФД динамических систем, учитывающих особенности НС;

- разработка программных средств,, для реализации; диагностирования в НС;

- подтверждение эффективности разработанных методов и программных средств по результатам их практической апробации.

Для решения поставленных задач использовались методы теории управления, теории диагностирования динамических систем, теории нечеткого анализа.

В диссертационной работе был получен ряд новых научных результатов. Предложен метод ФД динамических систем в пространстве сигналов, использующий нечеткие правила анализа и принятия решения об отказе и учитывающий нечеткость границы между работоспособным и неработоспособным техническими состояниями. Метод основан на использовании банка взаимодействующих наблюдателей, соотносимых либо с техническими состояниями системы, либо с переходами между ними. Аналогичный метод был предложен для диагностирования в пространстве параметров. Исследование методов показало, что они сохраняют работоспособность при более низком уровне отказов, нежели известные методы, основанные на независимых наблюдателях. Кроме того, в диссертации разработана имитационная программная модель платформенной ИНС, с использованием которой произведено исследование чувствительности наблюдаемых параметров ИНС к возможным отказам, а также предложены принципы построения системы диагностирования^ ИНС в составе испытательного стенда.

Предложенные методы функционального диагностирования динамических систем позволяют получать на практике более эффективные варианты средств диагностирования, нежели известные методы.

На основе предложенного метода функционального диагностирования-динамических систем разработано и применено программное обеспечение для диагностирования НС в составе испытательного стенда.

На защиту выносятся:

- метод ФД динамических систем.

- результаты исследования предложенного метода ФД.

- имитационная программная модель платформенной ИНС для исследование чувствительности наблюдаемых параметров ИНС к возможным отказам.

- принципы построения» системы диагностирования ИНС в составе испытательного стенда.

Материалы диссертации докладывались на международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI* века» (Воронеж, 2007), на XI, XII и XIII Международных конференциях по мягким вычислениям и измерениям" (Санкт-Петербург, 2008 - 2010г.г.), на XXVI и ХХУ1Г конференциях- памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов H.H. Острякова (Санкт-Петербург, 2008, 2010 г.г.), на Российской конференции «Технические и программные средства систем управления, контроля И1 измерения» (Москва, 2010г.), на III, IV, VII, IX - XII конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, 2000, 2001, 2005, 2007-20 Юг.г.).

По материалам диссертации имеется115 опубликованных работ, из них 3 статьи в научно-технических журналах («Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика» и «Информационно-управляющие системы», «Известия РАН. Теория^ и системы управления»), рекомендуемых ВАК Минобразования и, науки РФ, 10 докладов и 2 реферата докладов на международных и всероссийских конференциях.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения' и списка использованных источников, содержащего 77 наименований. Объем работы составляет 137 страниц, включая 40 рисунков и 10 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Безмен, Глеб Владимирович

4.4. Выводы

В настоящем разделе приведены результаты апробации предложенного в диссертации метода ФД в отношении платформенной ИНС. При этом получены следующие результаты.

1. Сформулированы принципы построения системы диагностирования ИНС в составе испытательного стенда.

2. Разработана имитационная программная модель платформенной ИНС, с использованием которой произведено исследование чувствительности наблюдаемых параметров'ИНС к возможным отказам.

3. Разработаны средства ФД для измерительной I подсистемы платформенной ИНС и разработано соответствующее программное обеспечение.

Заключение;

1. Предложен метод функционального диагностирования навигационных систем, использующий нечеткие правила анализа и принятия решений об отказе и учитывающий нечеткость границы между работоспособным и неработоспособным техническими состояниями. Метод осуществляет диагностирование как в пространстве сигналов, так и в пространстве параметров и основан на использовании банка взаимодействующих наблюдателей, соотносимых либо с техническими состояниями системы, либо с переходами между ними.

2. Предложено правило принятия решения об отказе в случае, когда отказы НС находятся в отношении эквивалентности или доминирования.

3. Произведено исследование предложенного метода нечеткого функционального диагностирования и установлено, что метод сохраняет работоспособность при более низком уровне отказов, нежели известные методы, основанные на независимых наблюдателях.

4. Разработана имитационная программная модель платформенной ИНС, с использованием которой произведено исследование чувствительности наблюдаемых- параметров ИНС к возможным отказам;

5. Предложена" структура, средств диагностирования ИНС в составе испытательного стенда и разработано соответствующее программное обеспечение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Безмен, Глеб Владимирович, 2011 год

1. Андреев Ю.Н. Управление конечномерными линейными объектами: — М.: Наука, 1976.-424 с.

2. Безмен Г.В. Диагностирование систем реального- времени / Колесов Н.В.,. Соколов* A.A., Толмачева. М;В. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика — 2008 № 6; - С. 35:- 39:

3. Безмен Г.В., Колесов. Н.В. Функциональное' диагностирование линейных динамических систем с использованием» нечеткого анализа // Информационно-управляющие системы, 2009 - № 6. - С.67 - 73.

4. Безмен^ F.B., Колесов. Н.В'. Функциональное диагностирование динамических систем с использованием нечетких правшь анализа и принятия решению об-отказе// Известия РАН. Теория и системы управления 2011 - № 3.-G.3-12.

5. Безмен Г.Ві, Толмачева M.B. Специализированная экспертная оболочка для диагностирования навигационных систем // 9 конференция; молодых ученых «Навигация и управление движением»,, СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 2007г.

6. Безмен Г.В:, Колесов Н.В., Соколов;A.A., Толмачева М.В. Экспертная оболочка для диагностирования систем реального! времени. // XI Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям, Санкт-Петербург, 2008 г. С. 73 76.

7. Безмен Г.В., Колесов Н.В. Функциональное? диагностирование динамических систем с использованием модели нечеткого технического состояния // XXVI конференция памяти H.H. Острякова, 14-16 октября, Санкт-Петербург, 2008 г. С. 34 35.

8. Безмен Г.В. Программная; модель полуаналитической ИНС для исследования чувствительности по параметрам // 10 конференция молодых ученых «Навигация и управление движением», СПб;:. ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 2009г.

9. Безмен Г.В. Функциональное диагностирование динамических систем в» пространстве: сигналов; // 1-1 конференция молодьш ученых «Навигация и управление движением», СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 2009г.

10. БезмешГ.В';, Колесов;H:Bi:Нечеткий: алгоритм*функционального -диагностирования динамических систем-; // XIК Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям; Санкт-Петербург, 2009- г. С. 193 -196.

11. Безмен Г.В. Нечеткое функциональное диагностирование нелинейных динамических систем в пространстве параметров / Г.В. Безмен Н.В. Колесов // XIII Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям, Санкт-Петербург, 2010 г., С. .

12. Безмен Г.В. Функциональное диагностирование динамических систем в пространстве параметров // 12 конференция молодых ученых

13. Навигация и управление движением», СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 2010г.

14. Безмен Г.В. Функциональное диагностирование навигационных систем с использованием нечеткого анализа / Безмен Г.В., Колесов Н.В. // Рефераты 3-й Российской мультиконференции по проблемам управления, СПб. 2010.-С. 41.

15. Безмен Г.В., Колесов Н.В. Диагностирование мехатронных систем с учетом эквивалентности и ^ доминирования отказов // Доклады 4-й Российской, мультиконференции по проблемам управления, Дивногорск, с. 41, 20Ш.

16. Беллман Р., Заде JI. Принятие решений в расплывчатых'условиях // Вопросы анализа и процедуры принятия решений : Сб: статей / Пер. с англ.; Под ред. И.Ф. Шахнова: М1, 1976. - С. 172- 215.

17. Блинов А.Н., Осипов-. A.B. Диагностирование параметрических отказов методами нечеткой логики, // X Международная конференция по мягким* вычислениям1 и измерениям, Санкт-Петербург, 23-27 июня 2007, с. 224-229:

18. Борисов В.В., Круглов В.В., Федоров A.C. Нечеткие модели и сети. Горячая линия Телеком, 2007, с.284. '

19. Гришин ЮЛ., Казаринов Ю.М. Динамические системы, устойчивые к отказам. М.: Радио и связь, 1985.- 184 с.

20. Дмитриев С.П., Колесов Н.В:, Осипов A.B. Информационная надежность, контроль и^ диагностика навигационных систем. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2003. 206 с.

21. Дмитриев СЛ., Степанов O.A. Многоальтернативная фильтрация в задачах обработки навигационной информации. // Радиотехника. — 2004. №< 7, с.11-17.

22. Елисеев П.И. Интерпретация, нечетких подмножеств в* задачах моделирования и управления // Изв. АН: серия техническая кибернетика, № 3,1992.

23. Данилов В.В., Жирабок А.Н., Колесов Н.В., Шумский А.Е. Модель функционального диагностирования линейных цифровых систем//Электронное моделирование.- 1985.- № 1.- G.61-66.

24. Дмитриев С.П., Колесов Н.В., Осипов A.B. Информационная надежность, контроль.и диагностика навигационных систем. СПб.: Изд-во£ ЦНИИ «Электроприбор», 2003. 206 е.

25. Дмитриев С.П., Осипов A.B. Фильтрационный подход к задаче контроля1 целостности спутниковой5 навигационной системы//Радиотехника, №1,2001.

26. Жирабок А.Н. Алгебраическая1 теория функционального диагностирования нелинейных и линейных динамических систем//Изв. АН РФ. Теория и системы управления.- 2001.- № 2.- С.29-38.

27. Жирабок А.Н., Шумский А.Е. Методы и алгоритмы функционального диагностирования сложных технических систем. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. 134с.

28. Заде JI. Понятие лингвистической переменной и его применение для принятия приближенных решений.- М:: Мир; 1976. -165с.

29. Захаров В.И., Ульянов C.B. Нечеткие модели интеллектуальных промышленных регуляторов и систем управления: Научно-организационные, технико-экономические и прикладные аспекты // Изв. РАН. Техническая кибернетика.- 1992. N 5. - С. 171-196.

30. Захаров В:И., Ульянов C.B. Нечеткие модели интеллектуальных промышленных peiyrmropoBi и. систем управления // Изв. АН: серия техническая кибернетика, № 4,5, 1993'.

31. Захаров В.И., Ульянов C.B. Нечеткие модели интеллектуальных промышленных регуляторов и систем управления: Методология проектирования // Изв. РАН. Техническая'кибернетика. 1993. - N 5. - С. 197216.

32. Игнатьев М.Б. и др. Контроль и диагностика робототехнических систем: Д.: Изд-во ЛИАП, 1985.160 с.

33. Колесов Н.В. Многоуровневое проектирование средств .тестового и функционального'диагностирования специализированных вычислительных комплексов. JL: Изд-во ЦНИИ «Румб», 1992*. 70 с.

34. Кофман А. Введение-в теорию нечетких множеств. М.: Радио и связь, 1982. - 432с.

35. Мирошник И:В. Теория автоматического управления. Нелинейные и оптимальные системы. — СПб: Питер, 2006: — 272 с.

36. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта / Под ред. Д.А. Поспелова М.: Наука, 1986. - 311с.

37. Нечеткие- множества и- теория возможностей. Последние достижения / Под. ред. Р. Ягера М.: Радио и связь, 1986. - 391с.

38. Орловский С.А. Проблемы принятия решений при нечеткой-исходной информации // Москва, Наука, 1981, 208 с.

39. Поспелов Д.А. Логико- лингвистические модели в системах управления. М.: Энергоиздаг, 1981.- 231с.

40. Потюпкин А.Ю. Решение задачи идентификации нечетких систем // Изв. АН: серия теория и системы управления, № 2, 1996.

41. Прикладные нечеткие системы / Под ред. Т. Тэрано М: Мир, 1993.-512 с.

42. Ракитянская- А.Б.,, Ротштейш А.П1 Диагностика на основе* нечетких отношений; // Автоматикаш^телемеханика; 2007, 12;.с; 162-177.

43. Ройтенберг Я1Н. Автоматическое: управление: Mß:: Наука; 1971Г. -396с.

44. Терентьев И. А., Мягков А;М: Построение системы; диагностирования; инерциальной навигационной?; системы; // Сборник докладов: VII конференции? молодых учёных «Навигация и управление движением». Санкт -Петербург.- 2006.- С. 128-134 •

45. Терентьев И.А. Функциональное и тестовое диагностирование следящей системы карданной инерциальной навигационной системы ; // Тироскопияш навигация, №4-2008;- С. 49- 55

46. Ульянов С.В. Нечеткие модели интеллектуальных систем управления: теоретические и прикладные аспекты .// Изв. АН: серия техническая кибернетика, № 3, 1991.

47. Frank, P.M. Advanced fault detection and isolation schemes using nonlinear and robust observers. 10th IF AC, 1987, Congress, München, Vol. 3, pp. 63-68.

48. Frank P.M. Fault diagnosis in dynamic systems using analytical and knowledge-based redundancy A survey and some new results // Automatica. 1990. V. 26. P.459-474.

49. Isermann R. Model-based fault detection and diagnosis status and applications // 16th IF AC Symposium on automatic control, in aerospace, 2004, St.Petersburg, Russia, pp. 150-157.

50. Koscielny J.M. Application of fuzzy1 logic for fault isolation in a three-tank system // Proc. 14th World Congress IF AC. Beijing. 1999. V. 7, pp. 73-78.

51. Koscielny J:M., Syfert M. fuzzy diagnostic reasoning that takes into account the uncertainty of the relation between faults and symptoms // Int. J. Appl. Math. Comput. Sci., 2006, Vol. 16, №4, 27-35.

52. Mendouca L. at al. Fault isolation using fuzzy model-based observers. 6-th IF AC Symposium on-Fault Detection. 2006. Beijing. P.R. China. P. 142150.

53. Misava.E.A., Hedrick J.K. Nonlinear observers a state of the art survey >// Journal of dynamic systems, measurements and control. 1989. Vol1. Ill, pp.344-352.

54. Patton R J, Frank P M, Clark R N. Issues in fault diagnosis for dynamic systems, Springer-Verlag, London, April 2000.

55. Stancu A., Puig V., Quevedo J. Passive robust fault detection using interval observers: application to the damadics benchmark problem // 10th IEEE international conference on models in automation and robotics. 30 aug. 2 sept. 2004. Poland. P. 120-132.

56. Takagi T., Sugeno M. Fuzzy identification of systems and its application« to modeling and control // IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics. 1985. V. 15, № 1. P.116-132.

57. Willsky A.S. A survey of design methods for failure detection systems //Automatica, 1976, Vol. 12, pp. 601-611.

58. Cheng A.M.K. Real-Time Systems. Scheduling, Analysis, and Verification. // John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey. 2002. 266 p.

59. Liu J.W.S. Real-Time Systems.// Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 2000. 600p.