ЛЕКЦИЯ 9. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ

Введение.НТП, приводящий к усложнению систем, повышению автоматизации, использованию тонких и глубинных энергетических и информационных процессов, вызывает необходимость осуществления многочисленных и точных измерений разнообразных физических величин. Эти измерения выполняются на всех этапах жизненного цикла систем, определяя в значительной мере их НТ уровень, продолжительность и стоимость разработок, качество и производительность технологических процессов. Получение высококачественной измерительной информации является целью метрологического обеспечения систем(МО). С точки зрения философии в самом упрощенном виде под СИСТЕМОЙ можно понимать замкнутый условно изолированный объект, имеющий некоторые цели и существующий в некоторой нише: НИША СИСТЕМА(Датчики+Мозг+МанипуляторыАрхитектура).

При разработке МО систем необходимо объединение разработчиков и эксплуатационников, так как первые знают способы достижения необходимого уровня МО, а вторые условия, в которых оно осуществляется. Получаемая путем измерений информация используется для выбора оптимального режима работы системы, контроля ее работоспособности, исправности или правильности функционирования, прогнозирования технического состояния, поиска неисправных элементов, настройки, регулировки, юстировки, предупреждения об аварийных ситуациях. С развитием НТП увеличивается объем, пределы, точность измерений. Измерения стали основным источником достоверной информации, а их МО – необходимым условием высоких технико-экономических показателей. Однако, МО может быть связано с затратами времени (до 70%) на обслуживание систем и ресурсов (до 40 %, например электронных систем на проверку и восстановление). Также трудность заключается в присутствии априорной неопределенности при планировании, разработке систем. Априорная неопределенность минимизируется путем выработки метрологических требований, выбора достаточной группы измеряемых параметров (отказ от качественных параметров, установление норм точности, номенклатуры средств измерений), оптимизацией средств измерений (исключение избыточности и дублирования) и переработки информации и организацией МО. Общей чертой методов решения вышеуказанных задач является поиск и использование фундаментальных закономерностей в процессе МО систем, а также прошлого опыта.

Оптимизация метрологического обеспечения систем (получение полной, достоверной, своевременной информации для эффективного решения задач эксплуатации системы)

1. Задание МО.Состав и очередность проведения метрологических операций для получения достоверной и своевременной информации о параметрах системы. Рациональная совокупность параметров и нормы точности. Методы измерения и контроля параметров. Средства измерений. Методы эксплуатации средств измерений (аттестация, поверка, ремонт). Техническая документация по МО. Совокупность вышеуказанного называется метрологическим совершенством системыили метрологичностью (по аналогии с технологичностью, эргономичностью). Близким к метрологичности является контролепригодность (ГОСТ 23563.79) (способность системы к контролю заданными средствами), однако, она уже метрологичности (ГОСТ 1.25.76), поскольку последняя также включает принятие решений об эффективности режимов, управление состоянием системы. Отсутствие метрологических требований или их неверное задание приводит к низкому уровню метрологического совершенства.

Важнейшим свойством обоснования требуемых значений метрологических показателей систем должна быть его метрологическая направленность (максимальный эффект в условиях ограниченных средств). Показатели метрологического обеспечения систем вырабатываются: 1. Эвристическими методами (обычно это эксперты (заказчики), имеющие опыт эксплуатации образцов-аналогов и знающие условия эксплуатации системы и ее назначение). Достоинства – простота и дешевизна, недостатки – завышение числа показателей. Применение метода целесообразно при большом количестве аналогов и выработке рациональных значений метрологических показателей. 2. Реализацией максимальных технических возможностей,при этом создаются системы на мировом уровне, однако, при этом возможны отрицательные экономические показатели. 3. Экстраполяцией показателей.Метод имеет хорошие экономические характеристики. Следует добавить, что вышеуказанное справедливо только для монотонных и однопараметрических зависимостей. При задании метрологических требований должны быть положены следующие принципы: Достижение максимально возможного приращения эффективности (готовности). Использование системного подхода: а) Рассмотрение МО как интегрированного целого. б). Показатели оптимизируются по количественному критерию, отражающему эффективность и являющегося функцией исходных параметров. в) метрологические требования формируются в условиях ограничений на параметры МО. Оптимальность состава метрологических требований. С одной стороны отражаются требования потребителя, а с другой не слишком ограничиваются изобретательские возможности и оптимальные решения. Верифицируемость требований (возможность точной проверки). Унификация требований. (Единая номенклатура показателей. Единые стандарты. Общие требования.). Информационная обеспеченность. (Технические, эксплуатационные, экономические характеристики. Режимы использования системы. Техническое обслуживание и ремонт системы).

Определение состава метрологических требований проводится на основании анализа целей и назначения системы, рассмотрения перспективных методов обслуживания и ремонта и т. д.:

1. Параметры должны иметь ясный физический смысл.

2. Должно иметь место полнота параметров.

3. Обеспечение готовности системы к выполнению функций.

4. Для количественных параметров должны существовать методы расчета и испытаний.

5. Обеспечение иерархии показателей и параметров (Комплексные, обобщенные, качества, обслуживания).

Нормируемыми показателями метрологического совершенства систем являются: Условные вероятности ложного и необнаруженного отказа. Предел допускаемой суммарной погрешности измерения параметров. Вероятность ошибок первого и второго рода при отыскании отказавших элементов. Интенсивность сигналов «ложный отказ». Общие требования по метрологическому обеспечению систем.

Решение задач программирования процесса МО. Сущность оптимального МО заключается в наложении связей-ограничений на информацию, в логическом и структурном сведении элементов в единую систему с оптимальными характеристиками и требуемым уровнем качества функционирования системы. Требования МО определяют оптимальное число измеряемых параметров системы, методов и средств измерений с минимумом затрат на МО.

Учет неточности определения исходных данных. Формирование метрологических требований приходится проводить в условиях априорной неопределенности. Модель МО системы с одной стороны должна быть точной, а с другой простой с точки зрения получения исходной информации, формализации и решения задачи. Для реализации этого можно использовать: Обоснованное уменьшение объёма исходной информации введением ограничений и исключением некоторых эффектов и затрат. Принятием некоторых величин известными до последующего уточнения в ходе оптимизации МО. Также можно отнестись к надежности и информативности параметров, а также к точности и скорости измерения параметров. Пренебрежением изменений параметров во времени.

Если точность оценки эффективности слабо зависит от точности знания исходных параметров, то в нормативной модели они принимаются равномерно распределенными в известном диапазоне значений. Если наоборот, то принимается решение о проведении дополнительных исследований по уточнению исходных данных. Упрощение нормативной модели осуществляется последовательными приближениями: вначале создается предварительная модель и проверяется на точность и простоту, затем проводится её корректировка. Также важным моментом является определение номенклатуры и вида функций, устанавливающих ограничения на показатели МО.

Формирование ограничений для определения метрологических требований. Их определение происходит в ходе анализа процессов МО, а их допустимые значения устанавливаются на основе нормативно-технических документов по техобслуживанию и ремонту. При этом максимально допустимая трудоемкость измерений определяется с учетом численности обслуживающего персонала. Также определение максимально допустимой массы и габаритов измерительного оборудования производится с учетом их влияния на эффективность системы и число обслуживающего персонала. Кроме того, могут возникнуть значительные сложности при определения функций-ограничения стоимости МО и её допустимых значений (кроме ЗП и др. включается учет точности, быстродействия, условий эксплуатации и др.). Максимально допустимая стоимость МО определяется сопоставлением приращения эффективности (готовности к применению) за счет затрат, связанных с измерениями параметров системы и достижением требуемой точности измерений и их единства. В общем случае это рассчитать очень трудно. Сравнивая возможности по повышению эффективности системы за счет МО (например увеличение надежности системы) можно найти предельное значение стоимости МО, за которым наступает состояние бессмысленности или невозможности затрат.

Нормирование метрологических требований сложных систем.Сложная система есть совокупность простых систем, взаимодействующих для выполнения единой задачи. Эффективности составных частей сложной системы влияют на общую эффективность неоднозначно и решение возможно лишь с использованием математических моделей сложных систем. Обычно при решении многомерных задач число варьируемых параметров не превышает 20 – 25. С каждым увеличением варьируемого параметра объём вычислительной работы ЭВМ увеличивается быстрее размерности пространства варьируемых параметров. В конечном итоге приходится выбирать рациональное решение на основе знаний экспертов, использованием данных более простых моделей и априорной информации.

Типовые задачи оптимизации МО систем. Описание стратегии эксплуатации системы достигается за счет определенного количества решений нормативного моделирования, отличающихся значениями исходных данных, с последующей аппроксимацией полученных результатов на всю область изменения исходных данных. Примерами типовых задач являются: определение требуемого значения вероятности ложного отказа, необнаруженного отказа, ложной неисправности, необнаруженной неисправности. Правильного обнаружения отказа и др.

Оценка эффективности метрологических требований.В процессе длительной эксплуатации системы выявляются практически все недостатки МО, которые устраняются путем модернизации (доработок) МО и пересмотра эксплуатационно-технической документации. При этом МО системы приближается к оптимальной. Ретроспективный анализ совершенствования МО систем полезен при разработке МО новых систем. Вместе с тем, обоснование метрологических требований при разработке МО систем должно исключать многочисленные модернизации МО системы. Как показывает опыт эксплуатации МО систем, новые системы обслуживаются и ремонтируются по документации поставщика. Затем по мере накопления опыта эксплуатации документация пересматривается потребителем (возможно совместно с поставщиком). При этом изменяются число и номенклатура измеряемых параметров, корректируются допуски и нормы точности измерений, изменяются периодичность измерений и состав котрольно-измерительных средств. По результатам ретроспективного анализа делается заключение о приемлемости МО. С этой целью производится сравнение расчетных и фактических значений параметров МО либо сравнение показателей эффективности. В этом случае расчетные значения не отличаются от фактических на величину, большую суммарной погрешности расчета и оценки. При модернизации МО систем в процессе эксплуатации систем уменьшается число измеряемых параметров и продолжительность измерений, увеличивается периодичность измерений при уменьшении стоимости МО.

Стратегии МО зависят от вида деятельности: 1. Измерение параметров (Измерение технического состояния. Отыскание отказа. Регулировка. Юстировка. Настройка.). 2. Поддержание качества измерений.

Также стратегия МО зависит от вида систем: 1. По режиму использования – однократные, многократные, непрерывные. 2. По возможности ремонта – ремонтируемые и неремонтируемые. 3. По состоянию: - подготовка к применению, применение, профилактика, хранение.

Во всех вышеуказанных случаях могут быть применены следующие виды метрологических операций:

1. Выбор эффективного режима.

2. Контроль работоспособности.

3. Обнаружение неисправностей.

4. Наладка.

5. Профилактика.

Неремонтируемые системы однократного и многократного применения могут эксплуатироваться без МО, либо МО применяется лишь для контроля работоспособности с отбраковкой. В случае аварийных ситуаций контроль правильности функционирования может быть применен для невосстанавливаемых и однократного применения систем. Профилактические работы могут существенно зависеть от продолжительности хранения систем.

Вместе с тем в настоящее время широко внедряется принцип МО по состоянию системы, что дает увеличение безотказности систем и экономичность МО. В этом случае система эксплуатируется до предотказного состояния, для выявления которого используются упреждающие допуски на измеряемые параметры. Система признается неработоспособной при выходе хотя бы одного параметра за величину предотказного состояния.

В каждом конкретном случае стратегия МО осуществляется с позиций максимальной эффективности по критериям оптимальности (предпочтения) и готовности систем (такое МО называется допустимым). В последнее время считается необходимым из всех допустимых МО найти оптимальный.

Оптимальное МО включает:

1. Показатели эффективности МО. Показателями являются вероятность выполнения заданных функций; матожидание полезного эффекта; наличие математической модели МО, описывающей зависимость показателей от параметров системы. Такие модели называются дискриптивными или описательными. Если параметры системы имеют случайный характер, или их можно принять как случайные, то модель называется стохастической. Модель называется нормативной, если определены цели измерений, определены способы их достижения и ресурсы и также известен алгоритм достижения цели. Модель использует ограничения (допуски) на значения параметров системы, а также критерии оценки параметров системы, причем критерии могут быть качественными, например, указание на использование критериев известного аналога системы.

2. Стоимость и трудоемкость (и продолжительность) измерений. Является вторичной от п.1, однако, возможен и обратный случай. Стоимость измерений включает затраты: на техобслуживание, измерения, зарплату, электроэнергию, амортизацию и др. Стоимость систем измерений зависит от точности, быстродействия, условий эксплуатации, автоматизации, универсальности и др.

3. Массогабаритные показатели контрольно-измерительной аппаратуры. В последнее время требования к миниатюризации, универсальности измерительных систем возрастают.

Способ выбора оптимальной стратегии МО аналогичен решению стандартных многомерных экстремальных задач. Особенностями при этом являются: 1. Большой объём априорной информации. 2. Необходимость лингвистической диагностики (оценки типа «отлично», «хорошо» и т.д.). 3. Предпочтительность адаптивных моделей.