Способ оперативного анализа устойчивости состояния многопараметрического объекта

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в различных автоматизированных системах анализа технического и функционального состояния изделий авиационной и космической промышленности, а также при управлении сложными многопараметрическими объектами или процессами произвольной природы. Технический результат заключается в возможности оперативного представления и анализа устойчивости состояния многопараметрического объекта или процесса. Способ заключается в одновременной обработке и представлении всей информации или определенной ее части по каждому структурному элементу объекта в виде когнитивной цветокодовой матрицы-диаграммы для оператора-аналитика, который является элементом соответствующей автоматизированной (экспертной, ситуационной) системы анализа состояния многопараметрического объекта. Способ позволяет обеспечить наглядное визуальное представление текущих значений устойчивости структурных элементов многопараметрического объекта на экране многоцветного видеомонитора и оперативно (в реальном масштабе времени) определять направление и характер изменения свойств устойчивости объекта по всему множеству наблюдаемых (контролируемых) динамических параметров (структурных элементов). 2 ил.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в различных автоматизированных (экспертных, ситуационных, интеллектуальных) системах анализа (распознавания, диагностики, идентификации, контроля) технического и функционального состояния изделий авиационной и космической промышленности, а также при управлении сложными многопараметрическими объектами или процессами произвольной природы.

Известно устройство контроля исправности объекта, принцип функционирования которого заключается в измерении разностного времени текущих ситуаций, когда сигнал с выхода объекта и его производная имеют разные или одинаковые знаки [Буймов М. Е. , Карпов Ю.В., Утробин Г.Ф. Авторское свидетельство на изобретение N 1495817 от 22.03.1989 г.]. Если время, в течение которого знаки с разной полярностью больше, чем время, когда они одинаковые, то сигнал считается асимптотически устойчивым, в противном случае - неустойчивым.

Устройство обеспечивает оценку устойчивости текущих значений (состояния) сигнала, с помощью которого наблюдается (контролируется) текущее состояние одномерного объекта. Вместе с тем предлагаемое устройство не позволяет оперативно проводить анализ устойчивости состояния многопараметрического динамического объекта или процесса по большому множеству анализируемых сигналов (измерительных параметров), следовательно, оценивать последовательность и характер изменения устойчивости многопараметрического пространства параметров, которое для динамических объектов или процессов постоянно изменяется.

Известен способ оперативной диагностики состояний многопараметрического объекта по данным измерительной информации (Омельченко В.В. Патент РФ на изобретение N 2125294 // Бюллетень изобретений N 2, 1999 г.). Способ позволяет проводить диагностику состояний многопараметрического объекта по большому множеству динамических параметров, однако не позволяет проводить анализ устойчивости исследуемого объекта или процесса.

Наиболее близким по технической сущности является способ контроля и оценки технического состояния многопараметрического объекта по данным телеметрической информации (Патент РФ на изобретение N 2099792 // Бюллетень изобретений N 35, 1997 г.). Предлагаемый способ позволяет оперативно обнаружить источники возмущений и места их возникновения в контролируемых (телеметрируемых) многопараметрических объектах. Вместе с тем способ не позволяет оценить величину и характер изменения устойчивости интегрального состояния многопараметрического объекта по всему множеству наблюдаемых измерительных параметров.

Цель изобретения - оперативное представление и анализ текущих значений устойчивости состояния структурных элементов многопараметрического объекта, отображаемых множеством динамических параметров с определением последовательности и характера изменения устойчивости состояния многопараметрического объекта в целом.

Цель достигается реализацией заявляемого способа оперативного анализа устойчивости состояния многопараметрического объекта или процесса за счет одновременной обработки и наглядного визуального представления всей информации или определенной ее части в виде когнитивной цветокодовой матрицы-диаграммы для оператора-аналитика, который является элементом соответствующей автоматизированной (экспертной, ситуационной) системы анализа (распознавания, диагностики, идентификации, кластер-анализа, контроля) состояния многопараметрического объекта.

Способ, таким образом, позволяет обеспечить наглядное визуальное представление текущих значений устойчивости структурных элементов многопараметрического объекта на экране многоцветного видеомонитора и оперативно (в реальном масштабе времени) определять направление и характер изменения свойств устойчивости. Все это в комплексе обеспечивает сокращение сроков анализа устойчивости многопараметрического объекта в различных прикладных областях деятельности и используемых технических средств их отображения.

Сущность способа состоит в том, что с целью обеспечения оперативного анализа устойчивости состояния многопараметрического объекта или процесса проводятся оперативное преобразование и представление на экране многоцветного видеомонитора результатов оценки текущих значений параметров в виде соответствующих информационных цветокодовых сигналов видимого спектра с обобщением по всему множеству параметров в заданном временном интервале. При этом измеряют динамические параметры, несущие информацию об устойчивости состояний структурных элементов многопараметрического объекта, оценивают устойчивость состояния структурных элементов путем использования знакоопределенных функций Ляпунова, причем в качестве критериев устойчивости оцениваемого состояния структурного элемента используют условия изменения сигнатуры упомянутых функций, идентифицируют классы состояния устойчивости структурных элементов в зависимости от результатов оценки устойчивости текущего значения динамического параметра, формируют соответствующие информационные цветокодовые сигналы видимого спектра, отображают информационные цветокодовые сигналы посредством матрицы-диаграммы состояний многопараметрического объекта, строки которой соответствуют номерам динамических параметров структурных элементов, столбцы - заданным временным интервалам, а цвет - соответствующему идентифицированному классу состояний устойчивости структурных элементов, и судят о последовательности изменения устойчивости состояния структурных элементов и характере изменения устойчивости многопараметрического объекта по его матрице-диаграмме.

Новизна предлагаемого способа по сравнению с прототипом и известными способами представления и анализа состояния многопараметрического объекта заключается в том, что разработана логическая последовательность действий по представлению и анализу устойчивости структурных элементов многопараметрического объекта в целом, которая приводит к достижению поставленной цели изобретения.

Таким образом, совокупность существенных признаков, приводящая к требуемому результату в патентной и научно-технической литературе, не обнаружена, что говорит об "изобретательском уровне" предлагаемого технического решения.

Сущность предложенного способа проиллюстрируем для многопараметрических пространств состояний многопараметрического объекта. Пусть многопараметрический объект состоит из некоторого множества структурных элементов, каждый из которых наблюдается (контролируется) соответствующим измерительным параметром. Очевидно устойчивость состояния (функционирования) многопараметрического объекта определяется устойчивостью состояния (функционирования) каждого его структурного элемента.

Традиционно для качественного исследования устойчивости решений обыкновенных дифференциальных уравнений, не отыскивая сами решения, используются известные методы Ляпунова, разработанные в 1892 г. русским математиком А.М. Ляпуновым.

Пусть состояние многопараметрического объекта описывается системой дифференциальных уравнений где Y - вектор фазовых координат, F - вектор, f_i=f_i(Y,t) - некоторые функции независимой переменной t (обычно - времени) и вектора фазовых координат системы Y, удовлетворяющие условиям существования и единственности решений системы (1).

Пусть текущее состояние рассматриваемого многопараметрического объекта представляет собой некоторое частное, т.е. невозмущенное, состояние, которому соответствует частное решение Y = Z(t) системы дифференциальных уравнений (1). Все прочие состояния многопараметрического объекта, которым соответствуют любые решения Y ≠ Z, назовем возмущенными состояниями, а разности X=Y-Z возмущениями. Подставив в уравнение (1) Y=X+Z (Z предполагается известной функцией t), получим уравнение возмущенного состояния многопараметрического объекта где Ф(X,t) = F(X+Z,t) - F(Z,t).

Для исследования устойчивости состояния системы (1) традиционно используются знакоопределенные функции g(X,t), известные как функции Ляпунова [Словарь по кибернетике. Главная редакция Украинской Советской энциклопедии, Киев, 1979, стр. 283-284].

Определим энакоопределенную функцию g_n(X,t) для n-го структурного элемента многопараметрического объекта как функцию аргументом которой является произведение выходного сигнала _n(t) n-го структурного элемента и его производной .

Факт устойчивости или неустойчивости структурного элемента, а от него и всей системы связан с наличием такого выходного сигнала х_n(t), производная от которого по времени обладает специальными свойствами. Так, например, невозмущенное состояние системы (1) устойчиво, если производная по времени знакопостоянна и обладает противоположным по отношению к х_n(t) знаком.

Под критериями устойчивости понимаем математически сформулированные правила, позволяющие по виду уравнения, описываемого состояние объекта, сделать заключение о ее устойчивости. В качестве критериев устойчивости оцениваемого состояния структурного элемента используют условия изменения сигнатуры функции (3). Определим в качестве таких критериев следующие условия: 1) при g_n(X,t) < 0 имеем устойчивое функционирование n-го структурного элемента; 2) при g_n(X,t) > 0 имеем неустойчивое функционирование; 3) при g_n(X,t) = 0 структурный элемент функционирует на границе устойчивости.

Считается, что приведенные условия (1-3) являются достаточными и необходимыми условиями для объектов (элементов) первого порядка.

Существует ряд других знакоопределенных функций оценки устойчивости, которые являются частными функциями выражения (1). Например, функции вида

где T_n - время его контроля;
- знак произведения величин x_n и
На фиг. 1 приведено традиционное представление графиков изменения знакоопределенных функций, описывающих устойчивость состояний структурных элементов, отображаемых соответствующими динамическими параметрами (сигналами). Например, установленные на многопараметрическом объекте измерительные датчики оценки устойчивости n=1,2,... формируют соответствующие динамические параметры (знакоопределенные функции), представляющие в общем виде графики изменения g_n(X,t).

В основе способа положен переход от традиционного описания и представления энакоопределенных функций Ляпунова g_n(X,t) к формированию цветокодовых функций. В этом случае алгоритм оценки устойчивости многопараметрического объекта сводится к цветокодовому представлению и анализу многомерного пространства состояний устойчивости структурных элементов (динамических параметров), описываемого в виде цветокодовой матрицы-диаграммы

где Fⁿ(t_i) - упорядоченная совокупность информационных полей динамических параметров (устойчивости структурных элементов), на каждом из которых формируется последовательно во времени цветокодовая информация видимого спектра z(g_n), соответствующая определенное текущему значению g_n(X,t) устойчивости, t_i - характерные временные координаты.

На фиг. 2 приведен пример представления текущего состояния устойчивости N структурных элементов многопараметрического объекта в виде цветокодовой матрицы-диаграммы.

Выбор совокупности структурных элементов, шкалы цветокодирования и задание нужной гаммы цветов осуществляются оператором-аналитиком по его желанию в зависимости от характера и особенностей решаемой задачи.

Анализ рассматриваемых представлений (фиг. 1), раскрывающих суть предлагаемого способа, позволяет оперативно определять характер изменения устойчивости структурных элементов, наблюдаемого по каждому динамическому параметру, а также оперативно оценить последовательность и характер изменения устойчивости интегрального состояния многопараметрического объекта в целом по всему множеству динамических параметров, в том числе:
оперативно (в реальном масштабе времени) оценить последовательность выхода структурных элементов за пределы устойчивости по каждому динамическому параметру или по любой группе динамических параметров многопараметрического объекта в целом на исследуемых временных интервалах. Например, с t_i-го момента времени (фиг. 1) наблюдаем последовательную потерю устойчивости функционирования 1, 2 и 3-го структурных элементов. По динамическому параметру n наблюдаем периодические потери устойчивости, что представляется чередованием соответствующих цветов на цветокодовой матрице-диаграмме;
оценить характер изменения устойчивости. Например, массовый (по большому множеству структурных элементов), незначительный (по небольшому множеству структурных элементов), одиночный и т.д. по любой группе динамических параметров многопараметрического объекта в целом на рассматриваемом интервале времени;
оценить взаимовлияние потери устойчивости структурных элементов, отображаемых динамическими параметрами во времени (по мере потери устойчивости) и в пространстве (с учетом топологии распределения датчиков устойчивости состояния структурных элементов многопараметрического объекта).

Таким образом, способ позволяет обеспечить оперативное представление и анализ текущих значений устойчивости структурных элементов с определением последовательности и характера потери устойчивости интегрального состояния многопараметрического объекта в целом по всему множеству наблюдаемых (контролируемых) динамических параметров (структурных элементов). Все это в комплексе обеспечивает сокращение сроков обработки и анализа состояния устойчивости многопараметрического объекта для информационной поддержки принятия решений обработчиком-аналитиком при анализе информации.

Формула изобретения

Способ оперативного анализа устойчивости состояния многопараметрического объекта, заключающийся в оперативном преобразовании и представлении на экране многоцветного видеомонитора результатов оценки текущих значений параметров в виде соответствующих информационных цветокодовых сигналов видимого спектра, с обобщением по всему множеству параметров в заданном временном интервале, отличающийся тем, что измеряют динамические параметры, несущие информацию об устойчивости состояний структурных элементов многопараметрического объекта, оценивают устойчивость состояния структурных элементов путем использования знакоопределенных функций Ляпунова, причем в качестве критериев устойчивости оцениваемого состояния структурного элемента используют условия изменения сигнатуры упомянутых функций, идентифицируют классы состояния устойчивости структурных элементов в зависимости от результатов оценки устойчивости текущего значения динамического параметра, формируют соответствующие информационные цветокодовые сигналы видимого спектра, отображают информационные цветокодовые сигналы посредством матрицы-диаграммы состояний многопараметрического объекта, строки которой соответствуют номерам динамических параметров структурных элементов, столбцы - заданным временным интервалам, а цвет - соответствующему идентифицированному классу состояний устойчивости структурных элементов и судят о последовательности изменения устойчивости состояния структурных элементов и характере изменения устойчивости многопараметрического объекта по его матрице-диаграмме.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2