Некоторые аспекты применения программного пакета Electronics Workbench для технической диагностики

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОГРАММНОГО ПАКЕТА ELECTRONICS WORKBENCH ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

В. С. Бобровский, Н.Н. Портнягин, Г.А. Пюкке

Поскольку существующий метод изоварных характеристик, используемый для технической диагностики, позволяет работать только с резистивными элементами, то поставленная перед исследователями цель заключается в необходимости расширения номенклатуры элементов, что позволит тем самым расширить применение метода не только на резистивные цепи, но и на цепи с произвольным набором параметров. Для этого была рассмотрена возможность реализации метода изоварных характеристик с использованием программного пакета Electronics Workbench, проведен сравнительный анализ полученных результатов компьютерного моделирования с аналитическими расчетами диагностической модели, а также построена карта изовар.

As the method of isovar characteristics used for technical diagnostics, allows to use schemes with a resistive elements only, it is necessary to widen this method on circuits with not only resistive elements but on the circuits with the voluntary set of parameters. Therefore the possibility of isovar characteristic method realization with the help of Electronic Workbench program was considered.

The comparative analyses of computer modeling with analytic calculation of diagnostic model have been carried out. The isovar map was made.

Описанная в работах [1, 2] методика диагностирования многоэлементных электронных схем, включающих различные по характеру компоненты, на предмет поиска дефектов и определение степени работоспособности позволяет рассматривать базовой моделью изоварную модель объекта диагностирования, где изовара - это геометрическое место точек в пространстве диагностирования, связывающее диагностические признаки при вариациях диагностических параметров, начальными условиями при анализе которой являются измеренные на объекте диагностирования (ОД) значения функций передачи двух отобранных каналов диагностирования.

Метод изоварных характеристик, используя режим тестового диагностирования, может однозначно идентифицировать состояние ОД посредством измерения величины только двух диагностических параметров при произвольной размерности диагностируемой цепи. При этом количество контролируемых диагностических параметров с ростом размерности электрической цепи не изменяется. В этом состоит новизна метода, так как большинство известных методов диагностирования требуют наличия большего количества полюсов съема диагностической информации. Количество полюсов съема информации с ростом размерности диагностируемой цепи возрастает. Но недостатком данного метода является то, что он рассчитан для работы только с электрическими цепями, содержащими резистивные элементы.

Для проведения натурного эксперимента по технической диагностике электронной схемы требуется экспериментальная установка, создание которой представляет собой очень трудоемкий, дорогой и затратный по времени процесс. Поэтому был проведен анализ программных продуктов, используемых компьютерном моделировании электро технических средств, и выбран программный пакет Electronics Workbench.

Для компьютерного имитационного моделирования была

использована схема,

состоящая из 6 элементов и представляющая собой

четырехполюсник (рис. 1).

На рис. 2 изображен

четырехполюсник, набранный из стандартных

g3

при© :тро- V_______У

0

©

Рис. 1. Принципиальная схема четырехполюсника

элементов программного пакета Electronics Workbench, на вход

которого подается сигнал с источника постоянного тока номиналом I = 1 А.

Диагностическая модель строится на основе аналитических выражений двух коэффициентов передачи по напряжению Kmn = Fm„(gu g2, ..., g6) и Kkp = Fkp(g\, g2, ..., g6) оптимальных каналов прохождения тестового сигнала, выбранных из массива прямых диагностических параметров по критериям чувствительности, равномерности чувствительности и эквидистантности. Для ее построения в выбранных соотношениях попарно исключаются варьируемые параметры СЕ от gi до g6 (остальным проводимостям СЕ присваиваются величины в соответствии с их номинальными значениями), формируется система уравнений (семейство изовар), связывающая прямые диагностические параметры при вариациях параметров всех структурных единиц на интервале [0;

В двумерном пространстве диагностирования {Kmn; Kkp} полученная система интерпретируется семейством изовар: отрезков гипербол, пересекающихся в одной точке, координаты которой соответствуют значению диагностических параметров работоспособного

объекта.

При отклонении любого из контролируемых параметров gi от номинального значения точка начнет движение по соответствующей изоваре

и займет положение в пространстве диагностирования в соответствии с величиной отклонения контролируемого параметра. Тогда

идентификация состояния ОД будет сводиться к измерению значений выходных

напряжений двух выбранных каналов прохождения тестового сигнала.

Для компьютерного моделирования семейства изовар шестиэлементной электрической схемы мы выбираем уже известные нам два оптимальных канала К12 и К23 прохождения тестового сигнала и начинаем поочередно варьировать каждый из шести контролируемых параметров gi. Оттого что номинальное значение проводимости будет меняться, точка начнет движение по соответствующей изоваре и займет положение в пространстве диагностирования в соответствии с величиной отклонения контролируемого параметра. Таким образом, идентификация состояния ОД в нашем случае свелась к измерению значений выходных напряжений двух выбранных каналов прохождения тестового сигнала.

Для этого в среде Electronics Workbench была набрана

электрическая схема (рис.

1) из шести элементов с номиналами

g1 = 6,6 См, g2 = 66,6 См, g3 = 100 См, g4 = 212,7 См, gs = 21,2 См, g6 = 45,4 См, которые были переведены в другую единицу измерения - Ом.

Значения каждого элемента на каждом этапе компьютерного моделирования варьировались в пределах от 10-6 Ом до

10 кОм. Каждое последующее значение увеличивалось на порядок (остальным проводимостям СЕ

Рис. 3. Схема, набранная в пакете Electronics Workbenh

Рис. 2. Схема четырехполюсника в пакете Electronics Workbench

присваивались величины в соответствии с их номинальными значениями). Вблизи области работоспособности шаг уменьшался до значения 0,1. На вход подавался сигнал с генератора тока -стандартного элемента программы. Параллельно с ним был включен вольтметр.

На рис. 3 показана схема, набранная в пакете Electronics Workbench, для получения функции чувствительности К12. Для этого генератор тока подключается к узлу № 1, который инцидентен нулевому полюсу, а вольтметр - к узлу № 2, который инцидентен нулевому полюсу. На каждом шаге изменения gi снимается значение входного и выходного ЭДС. Значения функции

чувствительности для

канала как

выходного к

К12

Рис. 4. Схема, набранная в пакете Electronics Workbench, для получения функции чувствительности К23

находятся отношение значения ЭДС к входному на каждом шаге изменения проводимости gi.

На рис. 4

изображена схема для нахождения функции чувствительности К23. Генератор тока

подключается к узлу № 2, который инцидентен нулевому полюсу, а выходное значение снимается с узла № 3, инцидентен полюсу.

который

нулевому

Значения функции чувствительности для канала К23 находятся как отношение выходного значения ЭДС к входному на каждом шаге изменения проводимости gi. Полученные результаты отображены в таблице.

Результаты вычисления функций чувствительности

G1 (1-2) Uвых. K1-2 G1 (2-3) U^ Uвых. K2-3

O,OOOOOl 0,000003 2,05E-07 0,205 O,OOOOOl 0,003609 0,000409 0,333

O,OOOOl 9,99E-06 2,05E-06 0,205 O,OOOOl 0,003609 0,00043 0,334

O,OOOl 9,92E-05 2,03E-05 0,205 O,OOOl 0,003633 0,00042 0,336

O,OOl 0,000925 0,00039 0,205 O,OOl 0,003648 0,000534 0,343

O,Ol 0,005537 0,003 334 0,205 O,Ol 0,003843 0,003038 0,27

O,l 0,03 304 0,002263 0,205 O,l 0,004072 0,00 3664 0,409

l 0,03225 0,00253 3 0,205 l 0,004323 0,003803 0,437

lO 0,03239 0,002539 0,205 lO 0,004329 0,003838 0,44

lOO 0,0324 0,002543 0,205 lOO 0,00433 0,00382 0,443

l OOO 0,0324 0,002542 0,205 l OOO 0,00433 0,00382 0,443

lO OOO 0,0324 0,002542 0,205 lO OOO 0,00433 0,00382 0,443

G2 (1-2) Ux. Uвых. K1-2 G2 (2-3) Ux. Uвых. K2-3

O,OOOOOl 0,00693 0,003 324 0,363 O,OOOOOl 0,003763 3,92E-07 0,003

O,OOOOl 0,006935 0,003 325 0,363 O,OOOOl 0,003763 3,92E-06 0,003

O,OOOl 0,00696 0,003 337 0,363 O,OOOl 0,003764 3,92E-05 0,005

O,OOl 0,007398 0,003255 0,37 O,OOl 0,003796 0,000384 0,048

O,Ol 0,03042 0,002068 0,398 O,Ol 0,004035 0,00332 0,329

O,l 0,03608 0,003593 0,223 O,l 0,004425 0,003454 0,783

l 0,03785 0,004069 0,228 l 0,004533 0,00432 0,909

lO 0,03807 0,004327 0,228 lO 0,004569 0,004203 0,939

lOO 0,03809 0,004332 0,228 lOO 0,00457 0,004209 0,923

l OOO 0,03809 0,004333 0,228 l OOO 0,00457 0,00423 0,923

lO OOO 0,03809 0,004333 0,228 lO OOO 0,00457 0,00423 0,923

G3 (1-2) Ux. Uвых. K1-2 G3 (2-3) Ux. Uвых. K2-3

O,OOOOOl 0,008056 0,003923 0,239 O,OOOOOl 0,004037 0,003923 0,476

O,OOOOl 0,00806 0,003924 0,239 O,OOOOl 0,004037 0,003923 0,476

O,OOOl 0,0083 0,003929 0,238 O,OOOl 0,004038 0,003923 0,476

O,OOl 0,008488 0,003977 0,233 O,OOl 0,004044 0,003897 0,469

0,01 0,01146 0,002348 0,205 0,01 0,00409 0,001712 0,419

0,1 0,01892 0,003279 0,173 0,1 0,004206 0,001248 0,297

1 0,02198 0,00366 0,167 1 0,004254 0,001059 0,249

10 0,02238 0,00371 0,166 10 0,00426 0,001034 0,243

100 0,02242 0,003715 0,166 100 0,004261 0,001031 0,242

1 000 0,02243 0,003716 0,166 1 000 0,004261 0,001031 0,242

10 000 0,02243 0,003716 0,166 10 000 0,004261 0,001031 0,242

G4 (1-2) U, Uвых. K1-2 G4 (2-3) Ux. Uвых. K2-3

0,000001 0,01011 5,74E-07 0,001 0,000001 0,000001 4,19E-07 0,419

0,00001 0,01011 5,74E-06 0,001 0,00001 0,00001 4,19E-06 0,419

0,0001 0,01014 5,72E-05 0,006 0,0001 9,97E-05 4,17E-05 0,419

0,001 0,01043 0,000556 0,053 0,001 0,000969 0,000406 0,419

0,01 0,01261 0,004357 0,346 0,01 0,007591 0,003178 0,419

0,1 0,018 0,01375 0,764 0,1 0,02396 0,01003 0,419

1 0,02018 0,01754 0,869 1 0,03055 0,01279 0,419

10 0,02046 0,01803 0,881 10 0,03141 0,01315 0,419

100 0,02049 0,01808 0,882 100 0,0315 0,01319 0,419

1 000 0,02049 0,01809 0,883 1 000 0,03151 0,01319 0,419

10 000 0,02049 0,01809 0,883 10 000 0,03151 0,01319 0,419

G5 (1-2) Ux. Uвых. K1-2 G5 (2-3) Ux. Uвых. K2-3

0,000001 0,009773 0,003345 0,342 0,000001 0,003499 0,003499 1

0,00001 0,009774 0,003344 0,342 0,00001 0,003499 0,003497 0,999

0,0001 0,00979 0,003335 0,341 0,0001 0,003505 0,00348 0,993

0,001 0,009935 0,003249 0,327 0,001 0,003556 0,003326 0,935

0,01 0,01073 0,002776 0,259 0,01 0,003836 0,00248 0,647

0,1 0,01166 0,002227 0,191 0,1 0,004161 0,001496 0,36

1 0,01186 0,002107 0,178 1 0,004232 0,001282 0,303

10 0,01188 0,002094 0,176 10 0,00424 0,001258 0,297

100 0,01189 0,002093 0,176 100 0,004241 0,001256 0,296

1 000 0,01189 0,002093 0,176 1 000 0,004241 0,001256 0,296

10 000 0,01189 0,002093 0,176 10 000 0,004241 0,001256 0,296

Окончание таблицы

G6 (1-2) Ux. Uвых. K1-2 G6 (2-3) Ux. Uвых. K2-3

0,000001 0,003811 0,00381 1 0,000001 0,00381 0,002459 0,645

0,00001 0,003817 0,003809 0,998 0,00001 0,00381 0,002458 0,645

0,0001 0,00388 0,003797 0,979 0,0001 0,003813 0,002452 0,643

0,001 0,004483 0,003681 0,821 0,001 0,003835 0,002393 0,624

0,01 0,008614 0,002891 0,336 0,01 0,003986 0,00199 0,499

0,1 0,01624 0,001433 0,088 0,1 0,004265 0,001245 0,292

1 0,01859 0,000984 0,053 1 0,004351 0,001016 0,234

10 0,01887 0,00093 0,049 10 0,004361 0,000989 0,227

100 0,0189 0,000924 0,049 100 0,004362 0,000986 0,226

1 000 0,0189 0,000924 0,049 1 000 0,004362 0,000985 0,226

10 000 0,0189 0,000924 0,049 10 000 0,004362 0,000985 0,226

Точность вычислений значений ЭДС и функций чувствительности составляла до четвертого знака после запятой.

Построение семейства изовар шестиэлементной электрической схемы приведено на рис. 5, где координаты граничных точек соответствуют крайним значениям контролируемых параметров СЕ. Семейство изовар построено в графическом пакете Microsoft Exel с использованием встроенной интерполяционной функции, а отображено в текстовом редакторе Microsoft Word.

Рис. 5. Семейство изовар шестиэлементной электрической схемы

Таким образом, на основе полученных функций чувствительности построенная карта изовар при сравнительном анализе оказалась идентичной семейству изовар, полученному с помощью аналитического расчета. Поэтому следующей целью компьютерного моделирования в среде Electronics Workbench должны стать электрические схемы, которые имеют в своем составе не только резистивные элементы, но и частотно-зависимые, такие как емкость или индуктивность, а также нелинейные элементы. Подобное компьютерное моделирование должно дать ответ на вопрос, как ведет себя изоварная характеристика.

Выводы

Таким образом, использование компьютерного моделирования позволяет, не прибегая к достаточно трудоемким натурным экспериментам, получить значения выходных напряжений двух выбранных каналов прохождения тестового сигнала и построить изоварную характеристику. Причем результат построения семейства изовар для шестиэлементной схемы, полученный аналитическим путем, с достаточной степенью точности совпал с результатом, полученным путем компьютерного моделирования. Данная методика реализации позволяет расширить набор элементной базы, тем самым расширив возможности применения метода изоварных характеристик.