автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Идентификация, контроль и диагностика систем автоматического управления газотурбинными двигателями при полунатурных и стендовых испытаниях

РГб од

I г СЕН 1393

На правах рукописи

АНДРИАНОВА Людмила Прокопьевна

ИДЕНТИФИКАЦИЯ, КОНТРОЛЬ И ДИАГНОСТИКА СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ ПРИ ПОЛУНАТУРНЫХ И СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЯХ

Специальность: 05.13.07 Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Уфа 1998

Работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете.

Ведущее предприятие - Уфимское научно-производственное предприятие "Молния" (г. Уфа)

Защита состоится октября 1998 года в 14 ^асов на заседании дис-

сертационного совета Д.063.65.02 при Владимирском государственном университете по адресу 600026, г. Владимир, ул. Горького, 87.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета.

Автореферат разослан

1998 года.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес совета.

Официальные оппоненты;

доктор технических наук, профессор Кутузов В. К. (г. Ковров)

доктор технических наук, профессор Винокур В. М. (г. Пермь)

доктор технических наук, профессор Куликов Г. Г (г. Уфа)

Ученый секретарь

МАКАРОВ Р.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

На всех этапах создания ,испытаний и эксплуатации систем автоматического управления газотурбинными двигателями (САУ ГТД) необходимы контроль и диагностика отказов , что позволяет решить проблему их надежности.

По мере возрастания выполняемых функций и совершенствования элементной базы интеллектуальный уровень электронной аппаратуры управления газотурбинными двигателями стал высоким . В настоящее время создаются электронные системы управления , выполняющие задачи контроля и управления газотурбинными двигателями с полной ответственностью.

Соответственно возросла роль средств контроля и

диагностики электронных систем управления газотурбинными двигателями.

В связи с этим проектирование современных САУ ГТД должно предусматривать создание методов и средств контроля и диагностики с целью обеспечения требуемой надежности.

Важное место в общей проблеме построения эффективных и надежных САУ ГТД , а также их испытаний занимает задача идентификации динамических характеристик .Знание текущей информации о характеристиках САУ ГТД позволяет оценить состояние системы и осуществить достоверный контроль и своевременную диагностику возможных отказов.

Исследованию общих проблем идентификации , контроля и диагностики САУ ГТД и их элементов посвящены работы ученых В. Г. Августиновича , В. А. Акиндинова , А. А. Бессонова, Б. В. Боева , В. В. Бугровского , В. И. Васильева , В. М. Винокура , В. Т. Дедеша , Ю. В. Ковачича , Е. И. Кринецкого , Г. Г. Куликова , Т. С. Мартьяновой и др.

Несмотря на большое количество работ, завершенной теории по идентификации , контролю и диагностике САУ ГТД нет и требуются дальнейшие исследования в этой области.

В связи с этим разработка научной концепции по созданию методов , алгоритмов и средств , обеспечивающих идентификацию, контроль и диагностирование возможных отказов аппаратуры САУ ГТД при полунатурных и стендовых испытаниях является актуальной и важной задачей.

Целью диссертационной работы является решение важной научно - технической проблемы по разработке высокоэффективных

методов , алгоритмов и средств идентификации , контроля и диагностики САУ ГТД при полунатурных и стендовых испытаниях. Задачи исследовании

Сформулированная цель определяет следующие задачи исследований:

- разработка научной концепции идентификации , контроля и диагностики отказов по коэффициентам передаточной функции замкнутой системы автоматического управления газотурбинными двигателями при полунатурных и стендовых испытаниях ;

- разработка метода идентификации , обеспечивающего получение полной информации о статических и динамических свойствах САУ ГТД в реальном масштабе времени ;

- выбор формы пробных сигналов для решения задачи идентификации , обеспечивающей автономность в определении идентифицируемых коэффициентов , позволяющей избежать решения некорректных задач ;

- выбор принципов нормирования коэффициентов передаточной функции САУ ГТД для целей контроля и диагностирования ;

- принципы построения алгоритмов идентификации , контроля и диагностики коэффициентов передаточной функции замкнутой системы с последующей декомпозицией и углублением диагностики с точностью до выявления отказавшего функционального элемента ;

- способы формирования пробных сигналов с нормированными метрологическими характеристиками и принципы построения автоматизированных систем идентификации , контроля и диагностики ;

- анализ погрешностей предлагаемых методов , алгоритмов и программно - аппаратных средств идентификации , контроля и диагностирования и разработка рекомендаций по организации метрологического обеспечения ;

- разработка цифровых способов и алгоритмов автоматической коррекции погрешностей для обеспечения гарантированной точности системы идентификации , контроля и диагностики ;

экспериментальные исследования разработанных методов и алгоритмов .

Методы исследовании основаны на использовании результатов теории автоматического управления , теории идентификации , теории измерений , теории надежности , теории математического моделирования.

Научная новизна . В диссертационной работе предложены :

- концепция идентификации , контроля и диагностики САУ ГТД по передаточной функции замкнутой системы на основе активного эксперимента с помощью регулярных пробных сигналов с последовательным и автономным определением идентифицируемых коэффициентов передаточной функции , контролем работоспособности

системы и обнаружением отказов с точностью до отказавшего функционального элемента в реальном масштабе времени ;

- метод идентификации с помощью регулярных пробных сигналов специальной формы , количество которых равно числу идентифицируемых коэффициентов , и регистрации опсликов на их воздействие после полного завершения переходного процесса , что в совокупности позволяет свести многомерную задачу к одномерной и избежать решения некорректных задач ;

- регулярные пробные сигналы с формализованным математическим описанием, представляющие собой последовательность время -степенных функций с нарастающей на единицу степенью у каждой последующей функции , имеющие нормированные метрологические параметры : амплитуду и длительность. Информативной составляющей каждого пробного сигнала является его старшая производная;

- принципы нормирования коэффициентов передаточных функций для целей контроля, то есть установление номинальных значений и предельно - допустимых отклонений по выбранным нижним и верхним границам параметров стандартной нормированной передаточной функции , обеспечивающих требования по устойчивости , качеству процессов и быстродействто САУ ГТД ;

- формализованные алгоритмы идентификации , контроля и диагностики, инвариантные к системам , обеспечивающие высокое быстродействие , гарантированную точность , запланированную полноту контроля и глубину диагностирования ;

- принципы построения автоматизированной системы идентификации , контроля и диагностики САУ ГТД с введением в измерительный канал для обеспечения гарантированной точности цифровой автоматической коррекции погрешностей;

- принципы построения генератора пробных сигналов в аналоговом исполнении на интеграторах и цифровом исполнении на основе числовых алгоритмов;

- схема формирования и анализ методических и инструментальных погрешностей алгоритмов и программно-аппаратных средств используемых для реализации процедур идентификации , контроля и диагностирования и практические рекомендации по организации метрологической аттестации генератора пробных сигналов и алгоритмов идентификации ;

- способы автоматической коррекции погрешностей , построенные на методах решения нелинейных задач : метода Ньютона , метода хорд и их комбинаций , обеспечивающие коррекцию аддитивных и мультипликативных составляющих погрешности измерительного канала автоматизированной системы идентификации, контроля и диагностики.

Основные защищаемые положения диссертационной работы :

- концепция идентификации , контроля г диагностики отказов САУ ГТД на основе математической модели в виде передаточной функции замкнутой системы , коэффициенты которой несут информацию о статических и динамических свойствах , получаемую за один активный эксперимент и используемую для последовательного контроля и диагностирования отказов в реальном масштабе времени с последующей декомпозицией и углублением диагностики с точностью до выявления функционального элемента для конкретной технической реализации системы управления ;

- метод идентификации коэффициентов передаточных функций линейных динамических систем, заключающийся в автономной посылке пробных сигналов специальной формы , количество которых равно числу контролируемых коэффициентов и регистрации откликов в установившемся режиме . Форма пробных сигналов и автономность их посылки исключают некорректное решение обратной задачи ;

- регулярные пробные сигналы в виде последовательности время -степенных функций , отличительной особенностью которых является то , что каждая последующая функция наращивает степень на единицу больше , чем предыдущая , и в момент регистрации откликов сам пробный сигнал и все его производные обращаются в нуль , кроме старшей , сохраняющей постоянное значение во всем интервале времени идентификации;

- принципы нормирования коэффициентов передаточных функций , включающие процедуру установления номинальных значений и предельно - допустимых отклонений , на основе стандартной нормированной передаточной функции , отражающей требования по устойчивости , качеству процессов и быстродействию ; -формализованные алгоритмы идентификации , контроля и диагностики, инвариантные к системам :

- общий алгоритм идентификации коэффициентов передаточных функций с временной последовательностью определения сначала коэффициентов полинома знаменателя , а затем полинома числителя ;

- модифицированный алгоритм идентификации коэффициентов передаточных функций с временной последовательностью определения сначала коэффициентов полинома числителя , а затем полинома знаменателя;

- комбинационный алгоритм контроля и диагностики на основе общего алгоритма идентификации;

- последовательный алгоритм контроля и диагностики на основе модифицированного алгоритма идентификации;

- принципы построения автоматизированной системы идентификации , контроля и диагностики : структура , алгоритм функционирования и

временная диаграмма работы системы с учетом цифровой автоматической коррекции погрешностей измерительного канала. Принципы построения генератора пробных сигналов : аналоговый на основе интеграторов ; цифровой - на основе числовых алгоритмов;

- схема формирования и анализ методических и инструментальных погрешностей алгоритмов и программно - аппаратных средств , используемых для реализации подсистемы идентификации;

- практические рекомендации по организации метрологической аттестации пробных сигналов и алгоритмов вычисления коэффициентов передаточных функций;

- практические рекомендации по устранению или уменьшению методических и инструментальных погрешностей;

- способы и алгоритмы автоматической коррекции погрешностей (АКП) измерительного канала автоматизированной системы идентификации , контроля и диагностики :

- способ ЛКП при преобразовании постоянного входного сигнала ;

- способ АКП при преобразовании изменяющегося во времени входного сигнала;

алгоритм идентификации характеристики преобразования измерительного канала;

- аддитивный алгоритм АКП на основе видоизмененного метода Ньютона с одним эталоном в цикле коррекции;

- мультипликативный алгоритм АКП на основе метода хорд с одним эталоном в цикле коррекции;

- аддитивно-мультипликативный алгоритм АКП на основе метода Ньютона с двумя эталонами в цикле коррекции;

- комбинированные алгоритмы АКП с адаптивным образцовым сигналом ;

программно-аппаратные средства для экспериментальных исследований: методов и алгоритмов идентификации , контроля и диагностики ; способов и алгоритмов цифровой автоматической коррекции погрешностей измерительного канала подсистемы идентификации.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Совокупность предложенных в работе идей ,теоретических и практических результатов составляют новое направление в области создания контролирующей и диагностирующей аппаратуры САУ ГТД при полунатурных и стендовых испытаниях , обладающей высоким быстродействием и гарантированной точностью и обеспечивающей полноту контроля и глубину диагностирования до выявления отказавшего функционального элемента.

Практическая ценность работы заключается в разработке методов и алгоритмов идентификации , контроля и диагностики , реализуемых в

автоматизированных системах контроля и диагностики , предназначенных для отладки САУ ГТД на стадии производства и стендовых испытаний.

Новизна и значимость технических решений подтверждается авторским свидетельством на изобретение , патентами и публикациями.

Разработанные в диссертации способы , алгоритмы и программно -аппаратные средства аппробированы и использованы при создании испытательного стенда в Уфимском УНПП "Молния"(г .Уфа) и АО "СТАР" ( г.Пермь).

Научные аспекты исследований нашли отражение в лекционных курсах, читаемых автором студентам специальности "Автоматизация контроля и метрологическое обеспечение авиаприборостроения" Уфимского государственного авиационного технического университета, в публикациях и выступлениях на отечественных и международных научно - технических конференциях и симпозиумах.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на НТК " Измерительно -информационные системы " (Ташкент,1987) ."Применение микро -ЭВМ, микропроцессоров и микропроцессорных систем для автоматизации испытаний и контроля агрегатов (Пермь,1988) , на симпозиуме "Методы теории идентификации в задачах измерительной техники и метрологии" (Новосибирск,! 989), на НТК "Разработка и аттестация методик выполнения измерений (Пенза,1989) , на НТК "Теория и практика разработки и внедрения средств автоматизации и роботизации технологических и производственных процессов (Уфа, 1989) , на международной НТК "Метрологическое обеспечение машиностроительных отраслей промышленности "(Минск,1992) , на НТК "Актуальные проблемы авиастроения"(Уфа, 1992) , на совещании "Новые направления в теории систем с обратной

связью"(Москва,Уфа,1993) , на Региональной НТК "Научно-технические проблемы конверсии оборонной промышленности Западного Урала "(Пермь, 1995) , на Международной НТК "Технология механообработки , физика процессов и оптимальное управление" (Уфа, 1995) , на Всероссийской молодёжной НТК "Информационные и кибернетические системы управления и их элементы,(Уфа, 1995,1997), на всероссийской НТК "Новые методы , технические средства и технологии получения измерительной информации (Уфа,1997).

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 37 научных работах , в том числе 2 монографиях. Структура и объем диссертации . Работа состоит из введения , 7 глав, заключения , списка литературы , включающего 76 наименования и приложения.Основная часть работы содержит 368 страниц , 2 таблицы,

97 рисунков. Приложение содержит примеры расчетов алгоритмов , описания программ , акты внедрения результатов работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность , сформулированы цель , научная новизна , основные защищаемые положения , практическая значимость работы .Сделан обзор известных методов идентификации , контроля и диагностики динамических объектов.

Первая глава посвящается изложению концепции идентификации , контроля и диагностики отказов при отладке САУ ГТД на стадии производства , где регулятор взаимодействует с моделью ГТД и в стадии стендовых испытаний , где регулятор взаимодействует с натурным ГТД . В поставленной задаче признаком отказа является невыполнение основных задач системы , то есть проявление неустойчивости или не обеспечение требований к качеству процессов замкнутой системы управления.

В основу предлагаемого метода контроля и диагностики САУ ГТД положена идентификация коэффициентов передаточной функции замкнутой системы .

УУ'хЛр) «„/>"+. а+...«,/■>+I

О)

где к- статический коэффициент передачи системы;

Ь- коэффициенты полинома числителя; коэффициенты полинома знаменателя;

т, л- порядок полинома соответственно числителя и знаменателя;

Идентификация осуществляется путем воздействия на САУ регулярных пробных сигналов ,имеющих строго нормированные характеристики: амплитуду и длительность ( эталонные сигналы ) , и регистрации откликов системы после завершения переходных процессов.

Коэффициенты передаточной функции к,Ь1,а] полностью

характеризуют состояние системы и содержат необходимую информацию по возможным отказам аппаратуры управления.

По зарегистрированным откликам и соответствующим вычислительным алгоритмам осуществляются идентификация, контроль и диагностика отказов системы.

Обобщенная функциональная схема системы идентификации, контроля и диагностики САУ ГТД показана на рисунке 1.

Подсистема идентификации состоит из аппаратной и программной частей . Аппаратная часть включает генератор эталонных (пробных) сигналов (ГЭС) и измерительный канал , состоящий из коммутатора аналоговых сигналов (КАС) , нормирующего преобразователя (НП) , АЦП и блока управления (БУ) (рисунок2) . Программная часть содержит управляющую экспериментом программу и подпрограммы определения коэффициентов передаточных функций.

Идентификация представляет собой первый этап процедуры контроля , в результате чего происходит определение вида передаточной функции , устанавливается перечень контролируемых и диагностируемых величин , а также их текущие значения.

Подсистема контроля сравнивает текущие значения к,Ь1,а1 контролируемых коэффициентов передаточных функций замкнутой системы , полученные в результате идентификации , с их номинальными значениями А„,Л,„,«;„ и выявляет признаки появления

отказов по предельно-допустимым отклонениям коэффициентов

Д А-,, Д />„,Д

Соотношения для обнаружения отказов в замкнутой САУ ГТД: |к -ки | < Акя (+) отсутствие отказа коэффициента к |к - ки | > Акд (-) наличие отказа коэффициента к |/>, - й„, | < АЬ1Д (+) отсутствие отказа коэффициента А, ¡а, -а,н| < Дад (+) отсутствие отказа коэффициента а, \1':-Ь1н\> (-) наличие отказа коэффициента 6, - я,,,]>(-) наличие отказа коэффициента а}

(2)

Рисунок 1 - Обобщенная функциональная схема системы

идентификации , контроля и диагностики САУГТД

,У,С)

САУ хД

Ш

измерительный канал

ГЭС

КАС

НП

АЦП

коды

ЭВМ

БУ

Рисунок 2 - Структурная схема подсистемы идентификации.

Номинальные значения контролируемых коэффициентов и их предельно допустимые отклонения определяются подсистемой нормирования на подготовительном этапе испытаний.

При наличии признаков появления отказов коэффициентов передаточной функции замкнутой системы включается подсистема диагностики отказов коэффициентов регулятора и объекта регулирования. Процедура диагностики отказов заключается в подсчете количества состояний системы ,в которой имеются отказы ;

где С - число сочетаний из / по г ;

/ - число элементов системы , которые могут отказать; г - число одновременных отказов и составлении таблицы неисправностей с указанием отказавшего коэффициента передаточной функции регулятора и объекта регулирования Выявление отказавших коэффициентов

осуществляется на основе анализа зависимостей коэффициентов идентифицируемой и диагностируемой передаточных функций:

ь.=ь,(к, ал);

(4)

где ку - обобщенный передаточный коэффициент системы управления ,

и

- обобщенные коэффициенты передаточных функций

регулятора и объекта соответственно .

Подсистемы контроля и диагностики отказов реализуются с помощью программ на ЭВМ.

При реализации программ контроля и диагностики принимается гипотеза о маловероятности появления двух и более одновременных отказов в пределах отрезка времени идентификации.

Суммарное время /с выполнения процедур идентификации , контроля и диагностики оценивается по формуле :

1с = (\+т + п)Т + 11 +/д,

где Т = 4 г - время , затрачиваемое на идентификацию каждого из коэффициентов передаточной функции; г - постоянная времени системы ;

?к, /д -время реализации на ЭВМ соответственно программ контроля и диагностики .

Для осуществления идентификации проводится эксперимент с помощью регулярных пробных сигналов в виде время - степенных функций :

У,(0 = у(Т- 0', (5)

где А - амплитуда пробного сигнала ;

Т - временной интервал , выбираемый после подачи на вход системы ступенчатого сигнала \0(1) = А 1(1) из условия завершения переходного процесса в исследуемой системе .

В предложенном методе идентификации информативной Составляющей является составляющая установившегося режима, поэтому регистрация откликов Х,(0 системы производится после завершения переходных процессов (Рисунок 3).

Рисунок 3 - Отклики системы на воздействие пробных сигналов.

Отличительной особенностью выбранных время - степенных функций является то , что в момент измерения отклика , ненулевое значение имеет лишь старшая производная каждого пробного сигнала , а сам сигнал и все его другие производные равны нулю (Рисунок 4).

У„=А 1(1)

Рисунок 4 - Пробные сигналы в виде время - степенных функций и их производные.

!•„(/)= /1*1(0 ; КХ0 = 0 ; Ц,(/) = о

А , "М

^(0 = уг*('/'-0 ; = (6)

(',(0 = уг*(7'-0'; к'с/Х-!)''!^-

Идентификация осуществляется в автоматическом режиме , обеспечивая получение необходимой информации по передаточной функции системы управления за один эксперимент.

Для построения алгоритма идентификации коэффициентов исследуемой передаточной функции W(p) выбирается

аппроксимирующая передаточная функция \¥а (р) . При известной структуре исследуемой системы аппроксимирующая передаточная функция \¥а(р) совпадает с ее передаточной функцией \У(р) , а при неизвестной структуре системы \¥а(р)должна иметь более высокий порядок с тем , чтобы исследуемая \У(р) оказалась ее частным случаем . Выбранная \¥а(р) разлагается в степенной ряд по степеням оператора дифференцирования р :

= + (7)

с ограничением его членов до Сл/Л , где ¿=(т+п+1) определяется порядками полиномов числителя и знаменателя.

Коэффициент определяется по отклику Ха(Т) , полученному

после завершения переходного процесса , на воздействие ступенчатого сигнала .

Г - хлп

тт <", С

Члены степенного ряда , ~ -у определяются по

результатам эксперимента путем деления откликов системы на значения старших производных пробных сигналов :

<\ ._ ХЛ'П .

'~Ыт)' (В)

<\ _х2(Г) Г, = Х^п

21 ¡:.(П ' '■ г:,/) '

где .V, ('/'), А\(7Х,(Т) - значения откликов объекта па воздействие Г,,К,,-■■,// пробного сигнала соответственно ;

V■••,К'- значения старших производных пробных сигналов.

Члены степенного ряда с другой стороны являются функциями идентифицируемых коэффициентов исследуемой системы:

на основе которых , по вычисленным СМ! определяются коэффициенты передаточной функции .

с, с' ■ (10) . ^ > - , -у) •

На основе изложенного метода идентификации разработаны общий и модифицированный алгоритмы идентификации.

При использовании общего алгоритма идентификации искомые коэффициенты Л.в,...«^...^ определяются в результате решения системы уравнений , причем сначала определяется коэффициент передачи к , затем коэффициенты полинома знаменателя а1,а},...а„и

после этого коэффициенты полинома числителя ъх,...ъ^...ьт.

Модифицированный алгоритм идентификации имеет две разделенные процедуры:

1) определение коэффициентов полинома числителя , при этом полином знаменателя имеет вспомогательное значение ;

2) определение коэффициентов полинома знаменателя , при этом коэффициенты полинома числителя используются как уже известные.

Коэффициенты полинома числителя определяются после воздействия на систему единичного ступенчатого сигнала К0(0 = КО-Выходной сигнал х{1) системы на воздействие ступенчатого сигнала представляется в виде суммы составляющих ,каждая из которых связана с одним из коэффициентов полинома числителя:

Ъ рт 1(0 Ьур 1(0 Ъа 1(0

= хт (0+- • -+^1 (.0 + хо (0 = +■ ■ ■+ +^тт "(И)

Ар) Ар) Ар)

В установившемся режиме все составляющие Х(/) дают нулевое значение кроме х0 (0, по которой определяется значение коэффициента V

лг(0 = *в(0 = *в-

/ —> оо ? -» оо

Переходный процесс Х(0 записывается в память ЭВМ , длительность процесса во времени < = 0 + т устанавливается из условия ХО) - ЛГ(оо) < д , где Д -допустимая погрешность на завершение переходного процесса.

На втором интервале формируется специальная функция Ъ,(?), представляющая собой интеграл от разности :

1 т

2,(0 [дг(0-дгв(0]й, (12)

1 о

в которой функция Х0(() выражается через установившееся Х(Т) и

свободное движение объекта Хи(0 , полученное после снятия со входа объекта единичного ступенчатого воздействия (рисунок 5 ).

Рисунок 5 - Иллюстрация работы модифицированного алгоритма идентификации.

Вычисленная функция 2, (Г) используется для определения коэффициента :

¿,=72,(7^.

Для определения Ь1 вычисляется интеграл Ъ^ (?),

(13)

21(о = уГ|г,.1(<)-

г

■а

(14)

где

Z(,-1)cB(0 = 7%b-xCB(0;

z,<T) = ynr; ь, = т-%(Г).

Процесс вычисления продолжается до тех пор ,пока очередной коэффициент не станет равным нулю . Например ,Ьт+] = 0. Это означает, что порядок полинома числителя равен т.

Коэффициенты полинома знаменателя определяются

следующим образом:

При = 0 определяется значение порядка полинома знаменателя передаточной функции : п = г.

Вторая глава посвящена принципам нормирования коэффициентов передаточных функций для контроля и диагностики отказов САУ

В качестве метрологической основы при нормировании используется стандартная нормированная передаточная функция W,c{p), выбор номинальных значений параметров которой определяется по нижним и верхним границам , исходя из требований к устойчивости и качеству процессов системы . Показано формирование стандартных нормированных передаточных функций первого , второго и третьего порядков, приближенных к использованию в системах контроля и диагностики САУ ГТД.

Формирование нормированных передаточных функций выше третьего порядка осуществляется на основе декомпозиции.

Анализ нормированных передаточных функций , их характеристических уравнений и соответствующих им переходных функций показал , что требования по параметру г, характеризующего время переходного процесса , и по параметрам , характеризующим

(16)

Л' 1 s

-— — •— — L, О 7-

Ü Ь0 _»! ]*i [i-j)\

(17)

ГТД.

качество работы системы , можно задавать независимо (д для второго порядка, А и В для третьего порядка) .

Алгоритмы нормирования коэффициентов передаточных функций и их отклонений строятся на основе тождественного равенства

идентифицируемой ¡¥3с(р) и стандартной нормированной ¡К*с(р) передаточных функций.

В САУ первого порядка = 1/тр + 1 с учетом требования к

быстродействию системы устанавливается номинальное значение постоянной времени г н через верхнюю тв и нижнюю т11 границы значений г:

-; Дг =-' Ят = — д

2 д 2

; Атд=—; 5тл=—±. (18)

Полученные значения гя и Л-г, переносятся па идентифицируемую

передаточную функцию ^(р) = 1/а,р + 1 с целью определения номинального значения д1н и допустимого отклонения Да 1д от него:

Аа

а1и = А«1д = 5 аы = —(19)

В САУ второго порядка с ЙГЗС(/?) = 1/г р + 2дгр+] устойчивость и качество переходных процессов зависит от коэффициента демпфирования д , номинальное значение которого

определяется через верхнюю дв и нижнюю д" границы:

. д.- ^ пгп

ян =-~-> л?д= -~-' 5 ' (20)

^ я н

Параметр г и его отклонение нормируется независимо в соответствии с (18).

Установленные значения дя и 6 дя и 5 гд переносятся на

1Узс(р) = 1/ а2р2 + ахр + 1 и осуществляется нормирование коэффициентов а|н ,а2н и их отклонений5зи,5а2л:

2

2

А а2~а2

2д = ""

<К,=

1 ; а2„ = +«2*

2 '

¿Чд

«2. Лв , „н я2 + а2

В САУ третьего порядка с №*с(р) = 1/т3р3 + Л т2р2 + Вт р + 1 устойчивость и качество процессов зависят от коэффициентов А и В диаграммы Вышнеградского , номинальные значения которых и их допустимые отклонения определяются также через их верхние А" ,ВВи нижние А", В" границы:

. А° + А" А*-А» ДА

А, =-; =-; 8 Аа = —

2 д 2 А„

2 д 2 В_

(22)

гв + гн

; Лгд

г — г

2

^П =

Номинальные значения коэффициентов и их допустимые отклонения передаточной функции САУ третьего порядка определяются на основе (22) по алгоритму:

а3" =(г")3; а\ =(г')3;

а," + а\ а; - а.

«з» = —;—; А«зл = ~

з , Аазл

Зн

т2А"; а' = г2А'; а2н =

а, + а,

Да,. =

Да2д т2А'-т2Ан А'-А"

=

<7,

Л" + т А" А'+А'

а" + а' а. -

а; = т.В"; а; = тВ°; а1н = —4 = "^у":

дат,, =-----

тВ' - тВ" В• - В"

гВ" + гВ" В" + В"

Приведена методика выбора номинальных значений коэффициентов передаточных функций регуляторов для синтезированных структур САУ частотой вращения и температурой газов одновальных и двух вал ьных ГТД .

В третьей главе разработаны принципы построения алгоритмов контроля и диагностики .

Алгоритм контроля состояния системы строится на следующих операциях:

- вычисление отклонений коэффициентов к,Ь.,а] _ поступающих из

блока идентификации , от их номинальных значений кя,Ь:я,а,н,

- сравнение полученных значений отклонений с допусками на отказ ;

- регистрации отклонений коэффициентов , содержащих признаки отказа , для их последующего использования в алгоритмах диагностики.

При наличии признаков появления отказов коэффициентов передаточной функции замкнутой системы вступает в силу процедура диагностики отказов.

Для построения алгоритмов диагностики используются зависимости между коэффициентами исследуемой и идентифицируемой передаточных функций .

Приведены примеры алгоритмов для типовых структур САУ одновальным и двухвальным ГТД в сочетании с II-, И-, ПИ-, ПД-, ПИД - регуляторами .

Изложена методология построения алгоритмов контроля и диагностики на основе модифицированного алгоритма идентификации, который обеспечивает автономное и последовательное определение коэффициентов по жесткой временной диаграмме , что позволяет синхронно с процессом идентификации осуществлять контроль и диагностику отказов. С учетом этого временная последовательность

идентификации , контроля и диагностики коэффициентов передаточных функций представляется в виде:

к —>Л....., а,,...„а.....а„ ,

где к,Ь,а1 - коэффициенты передаточной функции , составляющие

пространство состояний исследуемой системы.

Сначала идентифицируется , контролируется и диагностируется передаточный коэффициент к , затем последовательно и автономно идентифицируются , контролируются и диагностируются

коэффициенты ...,/>„, полинома числителя , а затем коэффициенты

с/,.....ч„ полинома знаменателя.

Изложена методология проведения контроля работоспособности и поиска отказов по характеристическому уравнению диагностируемой системы.

В общем виде характеристическое уравнение диагностируемой системы п - порядка описывается выражением:

Л,(/>) = у,;*...*7,У+ .*'/,>"'+..,+т*...*'/,>ч...+Т2Т,р- + Т,р + 1 (24)

В соответствии с (24) характеристическое уравнение замкнутой системы для идентификации ее коэффициентов имеет вид

Л,(1>) = апр" + ап + р" '+...+<(/V +...+«,/)"+«,/) +1 (25)

Из (24) и (25) следует ,что Г =а т - Ел. т - 01 ■/• ~

1 1» 2 >'} - > 1п ~

а2 «„_,

В классе диагностируемых систем алгоритмы контроля и диагностики совпадают :

< п|(1 ---> Т,(+),отк<и<1 '¡\ пет.

"| > "|д —'—* (-), откт '/',.

— д-► У\(+),<»Т1 кал/ '/: ист,

(7, (и

— > —д---> 1г(-),откси

«I »1

На основе информации об отказах параметров регулятора или объекта регулирования проводится углубление диагностики и выявление

отказавшего функционального элемента при известной технической реализации системы .

Приведен пример алгоритма диагностики с ее углублением для структуры САУ ГТД с ПИ - регулятором и объектом регулирования первого порядка .

В четвертой главе рассмотрены принципы построения автоматизированной системы идентификации , контроля и диагностики САУ ГТД при полунатурных и стендовых испытаниях . Разработана структурная схема , алгоритм

функционирования и временная диаграмма работы

автоматизированной системы.

Показан пример реализации автоматизированной системы идентификации ,контроля и диагностики на основе компьютерного комплекса, позволяющим решать задачу идентификации, контроля и диагностики в реальном масштабе времени.

Предложены варианты аналоговой и цифровой реализации генера -тора эталонных сигналов . Аналоговый генератор эталонных сигналов строится на интеграторах , работающих

начиная с одинаковых начальных условий , равных амплитуде первого ступенчатого сигнала . Каждый интегратор воздействует на последующий , обеспечивая возрастание степени время-степенных функций У1 (/):

ко=>',(0 - у(г-о ->!-;(/)=о1 -> к (о=ф-(т-о'

где Т-интервал времени действия эталонных сигналов ;

А- амплитуда ступенчатого воздействия ;

N текущее время.

Основные требования , предъявляемые к аналоговому генератору эталонных сигналов : все интеграторы должны быть идентичными и работать в режиме , начиная с одинакового

начального напряжения до нуля.

Цифровая реализация генератора эталонных сигналов основана на использовании числовых алгоритмов При этом в состав автоматизированной системы включается ЦАП , преобразующий код вычисленных на ЭВМ время - степенных функций в аналоговой сигнал .

Так же как и для аналоговой реализации , важнейшим условием формирования время - степенных функций цифровым методом является неравенство нулю в точке регистрации лишь высшей производной эталонного сигнала .

Пятая глава посвящена разработке метрологического обеспечения системы идентификации, контроля и диагностики САУ ГТД.

Проанализированы методические и инструментальные

погрешности системы идентификации , контроля и диагностики.

Причиной методических погрешностей является несоблюдение основного требования , заложенного в исследуемом методе идентификации , которое заключается в обнулении в конце интервала времени идентификации эталонного сигнала , начиная с У[(0 и всех его производных , кроме старшей , имеющей постоянное значение во всем интервале времени идентификации. Для удовлетворения поставленного требования необходимо выполнение двух условий:

- равенство постоянной времени интеграторов генератора эталонных сигналов и экспериментально полученного значения 'Г интервала времени идентификации при аналоговой реализации генератора;

- целочисленность показателей степени время - степенных функций при цифровой реализации генератора.

Для исключения влияния методической погрешности рекомендовано осуществлять настройку эталонных сигналов путем изменения их постоянных времени и проводить метрологическую аттестацию генератора.

Исследованы методические погрешности коэффициентов передаточных функций , обусловленные нецелочисленностыо показателей степени время - степенных функций.

Исследования показали, что в силу наличия погрешности в показателе степени высшие производные эталонных сигналов превращаются в нелинейные функции, которые при 1=Т принимают пулевое значение , что противоречит основному требованию выбранного метода идентификации.

Для исключения этой погрешности рекомендуется регистрировать отклик системы в оптимальной точке временной оси , зависящей от структуры системы и допустимой погрешности на завершение переходного процесса:

_1

1+к

где V - погрешность показателя степени время - степенной функции.

Выбранные методы и средства реализации системы идентификации , контроля и диагностики определяют

инструментальную погрешность вычисления коэффициентов передаточной функции , которая содержит машинную и наследственную составляющие . К машинной составляющей относится погрешность, вносимая ЭВМ в процессе вычислений

коэффициентов передаточных функций. К наследственной составляющей относится погрешность измерительного канала , а также погрешность реализации эталонных сигналов , обусловленная неидеальностыо ЦАП при цифровом исполнении или неточностью интеграторов при аналоговом исполнении генератора.

Показано , что машинная составляющая погрешности вычисления коэффициентов передаточной функции , в основном , определяется математическим ожиданием , зависящим от разрядности ЭВМ.

Установлено , что наследствешгая составляющая погрешности вычисления коэффициентов передаточных функций , в основном , связана с систематическими и случайными погрешностями , которые вносит АЦП в процессе преобразования сигналов и для устранения их влияния необходимо предусматривать соответствующие методы коррекции .

Разработаны рекомендации по проведению метрологической аттестации генератора эталонных сигналов и алгоритмов идентификации коэффициентов передаточной функции.

При проведении метрологической аттестации генератора эталонных сигналов в качестве образцовой меры для воспроизведения идеальных сигналов ^„(Т) используется математическое описание время - степенных функщш и их производных У'и(Т).

Перед аггестацией устанавливаются допустимые отклонения АКЛГ) . ЛК1 ("0 на обнуление эталонных сигналов и зоны нелинейности А/3.

Реальные значения эталонных сигналов У (Т) и их старших производных У,р(Т) определяются в результате идентификации объекта с единичной передаточной функцией.

Аттестуются эталонные сигналы , при соблюдении неравенства

У,(Т) = \У1р{Т)-Ут{Т\<АУа{Т) ;

(26)

В результате метрологической аттестации эталонных сигналов генератора устанавливается факт обнуления при сигнала

У,(Т) и определяется значение старшей производной К/ (Т)с учетом неточности за счет возможной неодинаковости постоянных времени интеграторов при аналоговой реализации и нецелочислешюсти

показателя степени время - степенной функции при цифровой реализации генератора.

Для аттестации алгоритмов идентификации используются идеальные эталонные сигналы , сформированные также цифровым способом, и расчетные значения их старших производных , что позволяет считать полностью исключенными методические погрешности системы.

В результате проведения аттестации алгоритмов идентификации определяются коэффициенты а] и Ь1 передаточной функции системы

и их отклонения 3 ¿¡1 я 6 6, от номинальных значений и Ът.

С целью получения результатов аттестации алгоритмов вычисления коэффициентов производится идентификация объекта с эталонной передаточной функцией , в которой номинальные значения коэффициентов и Ът выбираются по стандартным

нормированным передаточным функциям , исходя из обеспечения требуемого качества процессов и быстродействия системы.

Шестая глава посвящена разработке методов повышения точности автоматизированной системы идентификации , контроля и диагностики на основе цифровой автоматической коррекции погрешностей (АКП) измерительного канала с предварительной идентификацией аддитивных , мультипликативных и аддитивно - мультипликативных погрешностей.

Для коррекции указанных погрешностей в работе предложены оригинальные способы цифровой автоматической коррекции погрешностей аналого - цифровых преобразователей, основанные на использовании методов решения нелинейных задач : метода касательных (Ньютона), метода хорд и их комбинаций.

Структурно АКП представляет систему с обратной связью, содержащей в цепи обратной связи прецезионный цифро-аналоговый преобразователь для обеспечения итерационного режима и формирования эталонов (рисунок 6).

Рисунок 6 - Система автоматической коррекции погрешностей измерительного канала.

Базовыми алгоритмами АКП являются аддитивный с одним эталоном в цикле коррекции на основе видоизмененного метода Ньютона:

мультипликативный с одним эталоном в цикле коррекции с жестким закреплением аппроксимирующей функции в начале координат , на основе метода хорд:

у-V,

х, = + - ;

мультипликативный с одним эталоном в цикле коррекции с переключением аппроксимирующей функции либо к началу координат, либо к концу диапазона преобразования на основе метода хорд:

х, = Х1Л для у- у, > 0;

X, = Х,_х + . (Л-,., - Хи) для у— у, > 0;

аддитивно-мультипликативные алгоритмы с двумя эталонами в цикле коррекции на основе метода Ньютона:

у— у

X. =■■ X,, +—-.——. А', где К- аддитивная эталонная добавка. У,-У,

Особую группу алгоритмов АКП составляют комбинированные алгоритмы коррекции , адаптирующиеся к характеристике преобразования АЦП , полученные на основе синтеза при комбинации следующих методов коррекции:

- метода хорд в первом такте с одним закрепленным концом , либо в начале координат , либо в конце диапазона преобразования , а далее концы хорды свободные;

- метода касательной с методом хорд по мультипликативному алгоритму в каждом первом такте двухтактного цикла коррекции ;

- метода касательной с аддитивным алгоритмом в каждом первом такте двухтактного цикла коррекции.

Критерием останова работы всех алгоритмов АКП является выполнение условия , при котором скорректированное значение результата отличается от истинного значения , не более чем на значение допустимой погрешности коррекции.

Сформулированы необходимые и достаточные условия физической реализуемое™ разработанных алгоритмов. Показано , что необходимое условие физической реализуемости зависит только от характеристики преобразования АЦП , в то время как достаточное условие зависит от характеристики АЦП и алгоритма АКП.

Показаны области допустимых значений параметров , определяющих характеристики АЦП , при использовании базовых алгоритмов АКП .

Получены условия сходимости итерационных процессов алгоритмов АКП. Показано , что сходимость итерационных процессов зависит от метода решения нелинейной задачи , метода Ньютона или метода хорд, а также от характеристики АЦП.

Все предложенные алгоритмы работают как в режиме преобразования постоянных входных сигналов , так и при изменяющихся входных сигналах , при этом в алгоритм коррекции вводится динамическая поправка , учитывающая изменение входного сигнала во времени. Динамическая поправка является результатом линейной экстраполяции временной зависимости входного сигнала на данный .¡-й интервал коррекции погрешностей, содержащий гу циклов за счет использования результатов гу и п(]-1) циклов коррекции. Начиная с ]=2 скорректированное значение входного сигнала в динамике X/ вычисляется по формуле :

где ■ - характеризует градиент изменения входного сигнала;

—:-г-^"*"/ Т.. - динамическая поправка:

»(/~1)т„

] - нумерация последовательности п) циклов коррекции; п]То - интервалы временной последовательности; То - длительность одного цикла коррекции.

Останов циклов коррекции происходит по признаку:

[Хп/-Х{п- 1)./]<Дд,

где Дд - допустимое значение погрешности коррекции;

Х1у - скорректированное значение входного сигнала в конце цикла коррекции.

Автоматизированные системы идентификации, контроля и диагностики , в которых реализуются исследуемые алгоритмы АКП , в силу решаемых задач приобретают интеллектуальные свойства :

а) идентификация нсидеальностей измерительного канала , и результате чего определяется характеристика преобразования и осуществляется ее анализ. Таким образом , устанавливается априорная информация , используя которую , программа осуществляет выбор алгоритма АКП;

б) коррекция погрешностей осуществляется в системе с обратной связью , т.е. в автоматическом режиме . Программа в состоянии самостоятельно контролировать уровни составляющих неидеалыюстей в каждой точке характеристики , обеспечивая выполнение условий физической реализуемости и сходимости итерационных процессов .

Таким образом в программе предусмотрено использование текущей информации для обучения алгоритма АКП;

в) среди алгоритмов АКП имеются комбинированные, что позволяет адаптировать их к характеристике преобразования измерительного канала. Менее чувствительные алгоритмы используются на участках, где не может нарушиться условие физической реализуемости алгоритма;

г) программа АКП адаптирована к входному сигналу , т .е. способна восстанавливать значения изменяющегося во времени входного сигнала;

д) непрерывно циркулирующие в замкнутой системе сигналы АКП могут быть использованы для организации самоконтроля и диагностики измерительного канала автоматизированной системы.

В седьмой главе представлены результаты экспериментальных исследований алгоритмов идентификации , контроля и диагностики .

Разработаны программы для моделирования работы общего и модифицированного алгоритмов идентификации , а также алгоритмов контроля и диагностики отказов , с помощью которых проведены исследования САУ ГТД с различными типами регуляторов.

Результаты исследований общего и модифицированного алгоритмов идентификации показывают , что разработанные алгоритмы работают устойчиво и обеспечивают требуемую точность.

На основании результатов исследований выявлены оптимальные значения погрешностей на завершение переходного процесса при использовании общего и модифицированного алгоритмов идентификации.

Для любой из исследованных структур САУ ГТД модифицированный алгоритм идентификации является более точным по сравнению с общим алгоритмом при их одинаковом быстродействии.

Исследования алгоритмов контроля и диагностики подтвердили их работоспособность при иммитации отказов с выдачей информации об отказах коэффициентов передаточных функций и об отказавших элементах регулятора и объекта регулирования .

Работоспособность предложенных алгоритмов контроля и диагностики подтверждается также с помощью обучающей компьютерной программы , программно-аппаратного комплекса и алгоритмов , внедренных на предприятии УНПП " Молния "ив учебный процесс.

В моделирующих алгоритмах идентификации , контроля и диагностики заложена процедура идентификации статической характеристики и автоматической коррекции погрешностей измерительного канала автоматизированной системы .

Алгоритмы идентификации и автоматической коррекции погрешностей проверены с помощью обучающей компьютерной программы и специализированного измерительно - вычислительного комплекса.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В работе решена актуальная научно - техническая проблема , связанная с задачами идентификации , контроля и диагностики отказов САУ ГТД : разработка методов , алгоритмов и программно -технических средств для их реализации.

В работе получены следующие основные результаты:

а) разработана концепция контроля и диагностики отказов САУ ГТД на основе идентификации коэффициентов передаточных функций , получаемых за один активный эксперимент с помощью регулярных пробных сигналов , количество которых определяется числом контролируемых коэффициентов , с автономным и последовательным их вычислением , контролем и диагностированием во времени: "Пробные сигналы — идентификация коэффициентов передаточной функции замкнутой системы - контроль , то есть

определение текущих отклонений коэффициентов от их

номинальных значений , выявление признаков появления отказов — диагностика отказов коэффициентов замкнутой системы —

декомпозиция и диагностика отказов параметров функциональных узлов —углубление диагностики с точностью до функционального элемента для конкретной технической реализации системы ".

б) метод идентификации динамических характеристик линеаризованных , стационарных и квазистационарных детерминированных систем , заключающийся в посылке пробных сигналов и регистрации откликов в установившемся режиме . Посылка пробных сигналов рассчитана на автономность в определении коэффициентов передаточных функций , сначала полинома числителя , а затем знаменателя. Каждый пробный сигнал имеет свое автономное назначение , то есть сформирован для определения своего коэффициента передаточной функции. В результате автономности пробных сигналов задача идентификации многомерной многосвязной технической системы в виде векторно - матричных уравнений сведена к скалярному виду .

в) предложены для решения задачи идентификации регулярные пробные сигналы с формализованным математическим описанием, представляющие собой последовательность время - степенных функций с нарастающей на единицу степенью у каждой последующей функции и имеющие нормированные метрологические характеристики : амплитуду и длительность. Особенностью выбранных время -степенных функций является то , что в точках регистрации откликов на воздействие пробных сигналов , сам сигнал и все его производные , кроме старшей , имеют нулевое значение.

г) на основе предложенных методов идентификации разработаны формализованные алгоритмы идентификации , контроля и диагностики , инвариантные к различным системам . Построен общий алгоритм идентификации коэффициентов передаточных функций с последовательным определением коэффициентов сначала полинома знаменателя , а затем числителя . Для идентификации систем с передаточной функцией высоких порядков предложен модифицированный алгоритм , требующий для реализации меньшее количество пробных сигначов по сравнению с общим алгоритмом и позволяющий определять автономно идентифицируемые коэффициенты , сначала полинома числителя , а затем знаменателя, не прибегая к решению системы уравнений.

При построении алгоритмов контроля и диагностики принимается гипотеза о невозможности появления двух и более одновременных отказов коэффициентов передаточных функций в пределах малого отрезка времени идентификации . На основании принятой гипотезы и

установленных признаков появления отказов элементов регулятора или объекта регулирования осуществляется переход от алгебраических выражений , характеризующих связь между контролируемыми коэффициентами и диагностируемыми параметрами, к операциям логического сложения и умножения. Приведены примеры алгоритмов идентификации , контроля и диагностики для конкретных структур САУ ГТД.

д) разработаны принципы нормирования коэффициентов передаточных функций для целей контроля САУ ГТД . Нормирование осуществляется на основе стандартных нормированных передаточных функций , параметры которых имеют значения , установленные , исходя из обеспечения устойчивости , качества процессов и быстродействия системы . Определяемые в процессе нормирования номинальные значения коэффициентов и предельно-допустимые отклонения от них вычисляются по нижним и верхним границам или на основе принципа "золотого сечения" .Приведены примеры нормирования коэффициентов передаточных функций регуляторов для синтезированных структур САУ ГТД по частоте вращения и температуре газов.

е) предложены принципы построения автоматизированной системы идентификации , контроля и диагностики : временная диаграмма и алгоритм функционирования с обеспечением гарантированной точности на основе цифровой автоматической коррекции погрешностей измерительного канала.

Предложены способы формирования пробных сигналов в виде время - степенных функций с помощью генератора в аналоговом исполнении на интеграторах и в цифровом исполнении на основе числовых алгоритмов.

Приведен пример реализации автоматизированной системы на базе компьютерного комплекса.

ж) разработано метрологическое обеспечение системы идентификации , контроля и диагностики , включающее анализ методических и инструментальных погрешностей измерительного канала и рекомендации по их уменьшению или устранению , а также структурные схемы установок для метрологической аттестации генератора эталонных (пробных) сигналов и алгоритмов вычисления коэффициентов передаточных функций.

з) предложены способы и алгоритмы цифровой автоматической коррекции погрешностей измерительного канала , работающие в итерационном режиме на основе методов решения нелинейных задач: касательных (Ньютона) , хорд и их комбинаций , и обеспечивающие коррекцию всех видов неидеальностей: аддитивных , мультипликативных , аддитивно - мультипликативных и нелинейных .

Все алгоритмы являются адаптивными ко входному сигналу и отличаются друг от друга выбранной аппроксимирующей функцией , количеством и способом задания эталонов. Выбор конкретного алгоритма коррекции погрешностей осуществляется по результатам предварительной идентификации неидеал ыюстей измерительного канала с учетом физической реализуемости и сходимости итерационных процессов.

и) Разработан комплекс программно - аппаратных средств , с помощью которых проведены экспериментальные исследования , подтверждающие основные теоретические положения диссертационной работы , эффективность и возможность практической реализации предложенных способов , методов и алгоритмов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1.Гусев В.Г., Андрианова Л.П. Индуктивные и магнитомодуляционные преобразователи для передачи информации с вращающихся объектов.-М.:Энергия, 1979-88с.

2.Андрианова Л. П .Метрологическая аттестация элементов систем управления. // Теория и проектирование систем автоматического управления и их элементов , Межвуз . науч . сб . / Уфимск , авиац.ин-т. -Уфа, 1987.

3.Андрианова А.П., Богданова H.A., Шаймарданов Ф.А. Метрологическое обеспечение ИИС для полунатурных испытаний аппаратуры управления динамическими объектами . //Тез.докл.УШ Всесоюзной научно - технической конференции "Измерительно -информационные системы" 1ч. Ташкент, 1987.

4.Андрианова.Л.П., Гимранов В.П. Метрологическая аттестация имитаторов датчиков. //Тез. докл. республиканской конференции "Автоматизация технологических процессов",Уфа,1987.

э.Андрианова Л.П , Шаймарданов Ф.А. Выбор оптимальных значений эталонных сигналов . /У Метрологическое обеспечение научных исследовании и учебного процесса в вузах .Межвуз. науч.сб./Моск.ип-т приборостроения,Москва, 1988.С.35-37.

6.Андрианова Л.П ., Шаймарданов Ф.А. Автоматическая коррекция погрешностей устройств ввода информации.//'Тез. докл. конференции "Применение микро-ЭВМ , микропроцессоров и микропроцессорных систем для автоматизации испытаний и контроля агрегатов",Пермь, 1988, С. 137.

7.Андрианова Л.П. , Шаймарданов Ф.А .Идентификация и автоматическая коррекция погрешностей аналого-цифровых преобразователей.//Тез. докл. Всесоюзного симпозиума "Методы

теории идентификации в задачах измерительной техники и метрологии", Новосибирск,! 989,С.229.

8.Андрианова Л.П. , Шаймарданов Ф.А. Методика выполнения измерений при метрологической аттестации имитаторов датчиков.// Тез.докл. научно-практической конференции "Разработка и аттестация методик выполнения измерений".Пенза,1989.С.11.

9.Андрианова Л.П. , Шаймарданов Ф.А. , Бадамшин Р.А ., Бакиров A.A. Метрологическое обеспечение имитаторов датчиков температуры. //Тез докл. Республиканской межотраслевой научно-технической конференции "Теория и практика разработки и внедрения средств автоматизации и роботизации технологических и производственных процессов .Уфа, 1989.

Ю.Андрианова Л.П. , Шаймарданов Ф.А. Метрологическое обеспечение аналого-цифровых преобразователей.// Тез.докл. Всесоюзной научно-методической конференции "Пути развития электронных средств и задач высшей школы в подготовке специалистов соответствующей квалификации. 1991 .Ульяновск.С.66.

П.Андрианова Л.П. , Шаймарданов Ф.А .Выбор алгоритма автоматической коррекции погрешностей АЦП при преобразовании изменяющихся во времени сигналов.//Всесоюзная научно-методическая конференция" Пути развития электронных средств и задач высшей школы в подготовке специалистов соответствующей квалификации. Ульяновск. 1991.С.67.

12.Андрианова.Л.П., Шаймарданов Ф.А. Автоматическая коррекция погрешностей средств измерений в энергетике./ЛГез.докл. научно-технической конференции "Региональные проблемы повышения качества и экономии электроэнергии". Астрахань,1991.С.79.

13.А.С.1714808 СССР . Способ коррекции погрешностей аналого-цифрового преобразования /Шаронов A.B., Мугалимова О.М., Шаймарданов Ф.А , Андрианова Л.П.-Опубл.23.02.92. Бюл .7.

14.Андрианова Л.П., Шаймарданов Ф.А. Идентификация и автоматическая коррекция погрешностей в системах контроля качества аппаратуры управления авиационными двигателями.//Тез.докл. международной конференции "Метрологическое обеспечение машиностроительных отраслей промышленности".Минск. 1992.

15.Андрианова Л.П. Универсальный способ автоматической коррекции погрешностей аналого-цифровых преобразователей.//Тез.докл. Юбилейной научно-технической конференции "Актуальные проблемы авиастроения",Уфа.1992.С.35.

16.Андрианова Л.П. , Шаймарданов Ф.А. Идентификация параметров передаточных функций динамических объектов методом эталонных сигналов .Методическое пособие ,Уфа]УГАТУ,1992, 35 с.

П.Андрианова Л.П. , Корректирующая обращая связь в

системах метрологического обеспечения измерительно-

вычислительных комплексов.//Тез.докл. совещания "Новые направления в теории систем с обратной связью.Уфа, 1993,С. 140.

18.Патент.2007025.Способ коррекции погрешностей аналого-цифровых преобразователей./Андрианова Л.П. , Шаймарданов Ф. А.Опубл.30.01,94.Бюл.2.

19.Андрианова Л.П. , Шаймарданов Ф.А .Автоматическая коррекция погрешностей аналого-цифровых преобразователей. //Тез. докл. Международной научно-технической конференции "Технология механообработки , физика процессов и оптимальное управление".Уфа,УГАТУ.1995.

20.Андрианова Л.П. , Гарипов Ф.Г. Измерительно-вычислительный комплекс для исследования цифровых методов и алгоритмов автоматической коррекции погрешностей аналого-цифровых преобразователей. Методические указания .Уфа , УГАТУ, 1994.87 С.

21 .Андрианова Л.П. , Шаймарданов Ф.А. Автоконтроль и диагностика отказов сложных технических систем.// Тез.докл. Региональной научно-технической конференции "Научно-технические проблемы конверсии промышленности Западного Урала." Пермь,! 995.

22.Андрианова Л.Г1. , Колыбняк В.А. Идентификация сложных технических систем.//Тез.докл. Региональной научно-технической конференции "Научно-технические проблемы конверсии промышленности Западного Урала." Пермь, 1995.

23.Андрианова Л.П. , Белова Н.Ф. Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине "Автоматизированные системы контроля и диагностики САУ ГТД" по направлению "Приборостроение" для студентов специальности "Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы"/Уфимск. Госуд .авиац. техн. ун-т,Уфа. 1995.73.С.

24.Андрианова Л.П. , Алыо-сефи Ф.А. , Аль-вади Н.Х. Автоконтроль и диагностика отказов САУ ГТД //Тез.докл. Всероссийской молодежной научно-технической конференции "Информационные и кибернетические системы управления и их элементы",Уфа,1995.С.203.

25.Андрианова Л.П. , Колыбняк В.А. Цифровая реализация генератора эталонных сигналов.// Тез.докл. Всероссийской молодежной научно-технической конференции "Информационные и кибернетические системы управления и их элементы."Уфа,1995.С.204.

26.Андрианова Л.П. , Шаймарданов Ф.А. Цифровая автоматическая коррекция погрешностей аналого-цифровых преобразователей.// "Измерительные преобразователи и информационные технологии" ;Межвуз. науч. сб./Уфимск. гос.авиац.техн. ун-т,- Уфа: УГАТУ, 1996.С.129-137.

27.Андрианова Л.П. , Шаймарданов Ф.А. Нормирование параметров передаточных функций для автоконтроля и диагностики отказов систем автоматического управления.//. Измерительные преобразователи и информационные технологии :Межвуз. науч. сб. /Издательство "Гилем"- Уфа: 1997.С.52-62.

28.Андрианова Л.П. , Гарипов Ф.Г. Автоматическая коррекция погрешностей аналого-цифровых преобразователей при вводе информации в виде изменяющихся во времени сигналов.// Теория и проектирование систем автоматического управления и их элементов: ,Межвуз.науч. сб. /Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т,-Уфа, 1996.С.22-27.

29.Андрианова Л.П. , Шаймарданов Ф.А. Физическая реализуемость и сходимость итерационных процессов алгоритмов автоматической коррекции погрешностей аналого-цифровых преобразователей.// Теория и проектирование систем автоматического управления и их •элементов: Межвуз. науч. сб. /Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т,-Уфа,1996.С.7-22.

30.Андрианова Л.П. Нормирование коэффициентов передаточных функций в задачах оптимизации систем управления динамическими объектами.//Управление в сложных системах: Межвуз. науч. сб. /Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т,- Уфа I997.C. 189-192.

31. Андрианова Л.П. , Гарипов Ф.Г Шаймарданов Ф.А. Концепция автоконтроля и диагностики отказов электронных систем управления динамическими объектами на основе идентификации коэффициентов их передаточных функций Ц Проблемы машиноведения конструкционных материалов и технологий. Сборник научных трудов -УФА.: "Гилем",1997.-161-168-

32.Андрианова Л.П. , Шаймарданов Ф.А. Идентификация коэффициентов передаточных функций динамических объектов .Уфа: УГАТУ,- 1997.195 С..(научное издание)

33.Патент 2085033. Способ коррекции погрешностей аналого -цифрового преобразователя. Андрианова Л.П. , Гарипов Ф.Г . , Шаймарданов Ф.А. Опубл... Б.20., 1997г.

34. Андрианова Л. П. , Богданова H.A. Идентификация характеристики преобразования измерительного канала.//Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации. Материалы конференции,- УФА , УГАТУ 1997.С.105-106.

35. Андрианова Л.П. , Шаймарданов Ф.А. Повышение точности при аналого - цифровом преобразовании изменяющихся входных сигналов.// Новые методы , технические средства и технологии получения измерительной информации. Материалы конференции,- УФА , УГАТУ 1997.С.115-116.

36. Андрианова Л.П. Контроль и диагностика САУ ГТД. Уфа, УГАТУ-1997.С. 182. (научное издание).

37. Андрианова Л.П. , Шаймарданов Ф.А., Гарипов Ф.Г. Способ определения коэффициентов передаточных функций линейных динамических объектов. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке 97107306/09 (007864) от 20 .01. 98-

Введение

1 ^ентификация коэффициентов передаточных функций динамических объектов с помощью регулярных пробных сигналов

1.1 Обзор методов идентификации динамических объектов

1.2 Основы метода идентификации с помощью регулярных пробных сигналов в виде времястепенных функций

1.3 Общий алгоритм определения коэффициентов передаточных функций

1.4 Модифицированный алгоритм определения коэффициентов передаточных функций

1.5 Концепция контроля и диагностики отказов САУ ГТД на основе идентификации коэффициентов передаточных функций при полунатурных и стендовых испытаниях

1.6 Вывода по главе

2 Нормирование коэффициентов передаточных функций для контроля и диагностики отказов САУ ГТД

2.1 Нормирование коэффициентов передаточных функций без полинома числителя

2.2 Нормирование коэфициентов передаточных функций с полиномом числителя

2.3 Нормирование коэффициентов передаточных функций при проектирований САУ температурой газов ГТД

2.4 Нормирование коэффициентов передаточных функций при проектирований САУ частотой вращения ГТД

2.5 Выбор номинальных значений коэффициентов передаточных функций регуляторов для синтезированных структур САУ ГТД '

2.6 Выводы по главе

3 Контроль и диагностика отказов САУ ГТД 3.1 Математическое описание объектов контроля и диагностики

3 2 Комбинационный метод контроля и диагностики отказов на основе идентификации коэффициентов передаточных функций

3.3 Последовательный метод контроля и диагностики отказов САУ ГТД на основе модифицированного алгоритма идентификации

3.4 Углубление диагностики отказов систем .управления

3.5 Диагностика систем управления на основе их декомпозиции

3.6 Выводы по главе

4 Принципы построения автоматизированной системы идентификации, контроля и диагностики СМ ГТД

4.1 Алгоритм функционирования автоматизированной системы идентификации, контроля и диагностики

4.2 Аналоговая реализация генератора эталонных сигналов

4.3 Цифровая реализация генератора эталонных сигналов

4.4 Пример реализации подсистемы идентификации на основе дискретно-аналогового процессора

4.5 Настройка системы идентификации , контроля и диагностики

4.6 Вывода по главе

5 Метрологическое обеспечение автоматизированной системы идентификации, контроля и диагностики

5.1 Методические погрешности подсистемы идентификации коэффициентов передаточных функций

5.2 Инструментальные погрешности подсистема идентификации

5.2.1 Наследственная погрешность подсистмеы идентификации

5.2.2 Машинная погрешность вычисления коэффициентов передаточных функций

5.3 Анализ погрешностей генератора эталонных сигналов при аналоговой реализации 229 5.3.1 Погрешность, вызванная напряжением смещения операционных усилителей

5.3.2 Погрешность, вызванная током смещения

5.3.3 Погрешность от нестабильности напряжения источника питания

5.3.4 Погрешность от нестабильности постоянных времени интеграторов

5.4 Анализ погрешностей генератора эталонных сигналов при цифровой реализации 24?

5.5 Рекомендации по проведению метрологической аттестации подсистемы идентификации

5.5.1 Рекомендации по метрологической аттестации генератора эталонных сигналов

5.5.2 Рекомендаций по аттестации алгоритмов идентификации 25?

5.6 Вывода по главе

6 Автоматическая коррекция погрешностей измерительного канала подсистемы идентификации динамических объектов

6.1 Идентификация погрешностей измерительного канала подсистемы определения коэффициентов передаточных функцций

6.2 Автоматическая коррекция погрешностей при преобразовании постоянных входных сигналов 27?

6.3 Алгоритмы автоматической коррекции погрешностей

6.3.1 Аддитивный алгоритм 28?

6.3.2 Мультипликативный алгоритм с жестким закреплением аппроксимирующей функции

6.3.3 Мультипликативный алгоритм с переключением аппроксимирующей функции

6.3.4 Аддитивно-мультипликативный алгоритм с аддитивным способом задания эталонов

6.3.5 Аддитивно-мультипликативный алгоритм с мультипликативным способом задания эталонов

6.3.6 Аддитивно-мультипликативный алгоритм с адаптивным эталонным сигналом

6.4 Физическая реализуемость и сходимость итерационных процессов алгоритмов коррекции погрешностей

6.5 Оценка точности алгоритмов автоматической коррекции погрешностей

6.6 Автоматическая коррекция погрешностей при преобразовании изменяющихся во времени входных сигналов

6.7 Въшоды по главе

7 Экспериментальные исследования

7.1 Исследования алгоритмов идентификации

7.1.1 Исследование алгоритмов идентификации с помощью моделирующей программы

7.1.2 Исследование алгоритмов идентификации с помощью программно-аппаратного комплекса

7.2 Исследования алгоритмов контроля и диагностики

7.2.1 Исследование алгоритмов контроля и диагностики с помощью моделирующей програшы

7.2.2 Исследование алгоритмов контроля и диагностики с помощью обучающей компьютерной программы

7.3 Исследования алгоритмов автоматической коррекции погрешностей измерительного канала

7.3.1 Исследование алгоритмов автоматической коррекции погрешностей с помощью обучающей компьютерной программы

7.3.2 Исследование алгоритмов автоматической коррекции погрешностей с помощью специализированного измерительно-вычислительного комплекса

7.4 Вывода по главе

Актуальность проблема

На всех этапах создания, испытаний и эксплуатации систем автоматического управления газотурбинными двигателями (САУ ГТД) необходимы контроль и диагностика отказов, что позволяет решить проблему их надежности.

По мере возрастания выполняемых функций и совершенствования элементной базы интеллектуальный уровень электронной аппаратуры управления газотурбинными двигателями стал высоким. В настоящее время создаются электронные системы управления, выполняющие за-задачи контроля и управления газотурбинными двигателями с полной ответственностью.

Соответственно возросла ответственность систем контроля и диагностики электронных систем управления газотурбинными двигателями.

В связи с этим проектирование современных САУ ГТД должно предусматривать создание методов и средств контроля и диагностики с целью обеспечения требуемой надежности.

Важное место в общей проблеме построения эффективных и надежных САУ ГТД, а также их испытаний занимает задача идентификации динамических характеристик [21]. Знание текущей информации о динамических характеристиках САУ ГТД позволяет оценить состояние системы и осуществить достоверный контроль и своевременную диагностику возможных отказов [31].

Исследованию общих проблем идентификации, контроля и диагностики САУ ГТД и их элементов посвящены работы ученых В. Г. Авгус-тиновича, В. А. Анкидйнова, А. А. Бессонова, Б. В. Воева, В.В. Бу-гровского, В. И. Васильева, В. М. Винокура, В.Т. Дедеша, Ю.В.Кова-чича, Е. И. Кринецкого, Г. Г. Куликова, Т. С. Мартьяновой и др.

В большинстве работ задачи идентификации, контроля и диагностики систем управления решаются независимо друг от друга [21, 10].

Обзор методов идентификации изложен в первой главе, здесь приводятся некоторые сведения по методам контроля и диагностики.

В настоящее время контроль работоспособности систем управления осуществляется в режиме их нормального или тестового функционирования [9, 15, 33]. Контроль в режиме нормального зункционкрования подразделяется на контроль по состоянию элементов [ контроль по реакции системы на контрольный сигнал [ 11, 153. контроль неработающих систем подразделяется на контроль определяющих параметров и контроль с помощью моделей.

Контроль по состоянию отдельных элементов и определяющих шраметров предусматривает комплекс измерительных операций по шределению величин электрических элементов и состояния электрической схемы [11, 15]. При контроле системы управления по >еакции на контрольный сигнал анализируется характер реакции системы на сигналы типа единичного импульса, одиночного скачка и синусоидального сигнала и определяется ее работоспособность. При юнтроле работоспособности с помощью моделей строится такая юдель, которая адекватно отображает свойства контролируемой системы. Так как построение полной модели оказывается слишком сложным, то ограничиваютя моделированием основных характеристик системы и аналоговым или цифровым способом моделируется конкретное соотношение между входами и выходами системы [11].

При контроле технического состояния системы можно выделить *ва основных подхода: контроль в пространстве параметров и контроль в пространстве сигналов [15, 31]. В первом случае щениваются тем или иным способом текущие значения параметров системы, например коэффициенты передаточных функций, постоянные времени и др., и отклонения от их номинальных значений. Во втором случае проверяется отклонение выходных сигналов системы и ее >локов от теоретических значений. Основная трудность при первом юдходе связана со сложностью измерения текущих значений [араметров, тогда как их номинальные значения обычно бывают [звестны. При втором подходе главная прблема состоит в Ееобходимости непрерывного определения номинальных значений выходных сигналов для текущих значений входных и выходных сигналов.

Методы поиска неисправностей систем управления разделяются на комбинационные и последовательные с использованием ряда проверок, [о результатам каждой из которых судят о состоянии, по крайней юре одного элемента системы. Проверки обычно сводятся к >пределению реакции системы на заданные входные воздействия, специально подобранные для этих целей, или являющиеся стественными выходами взаимодействующих с системой узлов и стройств, с последующим анализом и выявлением недопустимых резкий [9, 22, 313.

При комбинационном поиске неисправностей порядок выполнения роверок не регламентируется, а место отказа определяется после авершения всех проверок путем сопоставления полученных езультатов с соответствующими эталонными значениями, записанными таблице неисправностей.

Последовательные метода предусматривают выполнение проверок в пределенном порядке, причем результат каждой проверки анализируется после ее проведения. Число проверок зависит от конкретного роявления отказа [15, 22].

Наиболее важным при организации контроля является правильный ;ыбор параметров для контроля работоспособности, так как число :онтролщ)уемых параметров должно быть достаточным для определения )актического состояния системы [15, 31]. Поскольку в сложных ;истемах число контролируемых параметров может быть очень большим, 'о целесообразно отыскивать в системе обобщенные параметры, :оторые несут большую информацию о состоянии системы, чем обычные Еараметры.

В связи с этим сложившаяся концепция контроля и диагностики ютребовала ее дальнейшего совершенствования и развития.

В работах [30, 31 ] проблемы идентификации, контроля и диагностики объединены и показана, несмотря на принципиальное раз-шчие, их общая методологическая основа.

Так в работе [ зо ] исследуются объединенные методы и алгоритмы статистической идентификации и на ее основе диагностики грименительно к информационно-управляющим системам при стендовых юпытаниях бортовых цифровых САУ ГТД и во время их эксплуатации на ютателъных аппаратах.

В работе [ 31 3 предложен подход к контролю и рагностированию систем управления силовыми установками путем статистической идентификации динамически параметров с дальнейшим использованием их для адаптации, контроля и диагностирования циф-зовых бортовых САУ СУ ЛА. Отмечено, что перспективными областями трименежя контроля и диагностирования авиционных ГТД и их САУ по вдентифицированным динамическим характеристикам является наземный контроль во время регламентных работ и полунатурные и стендовые испытания. При этом возникает проблема выбора метода идентификации, идентификационной модели, совокупности идентифицируемых характеристик и соответствующих пробных сигналов, обеспечивающих своевременную и достоверную диагностику отказов аппаратуры управления.

Обзор и анализ проработанной литературы показывает, что проблемы, связанные с решением задач идентификации контроля и диагностики при любых видах испытаний САУ ГТД, являются актуальными.

Несмотря на большое количество работ, завершенной теории по идентификации, контролю и диагностике САУ ГТД нет и требуются дальнейшие исследования в этой области.

В связи с этим разработка научной концепции по созданию методов, алгоритмов и средств, обеспечивающих идентификацию, контроль и диагностирование возможных отказов аппаратуры САУ ГТД при полунатурных и стендовых испытаниях является актуальной и важной задачей.

С учетом изложенных положений исследования в настоящей работе построены в следующей концепции:

Предмет исследования - методы и алгоритмы идентификации, контроля и диагностики, а также принципы построения автоматизированных средств контроля электронных систем автоматического управления газотурбинными двигателями.

Целью диссертационной работы является решение важной научно-технической проблемы по разработке высокоэффективных методов и алгоритмов идентификации, контроля и диагностики САУ ГТД при полунатурных и стендовых испытаниях.

Задачи исследований

Сформулированная цель определяет следующие задачи исследований:

- разработка научной концепции идентификации, контроля и диагностики отказов по коэффициентам передаточной функции замкнутой системы автоматического управления газотурбинными двигателями при полунатурных и стендовых испытаниях;

- разработка метода идентификации, обеспечивающего получение полной информации о статических и динамических свойствах САУ ГТД в реальном масштабе времени;

- выбор формы сигналов для решения задачи идентификации, обеспечивающей автономность в определении идентифицируемых коэффициентов, позволяющей избежать решения некорректных задач;

- выбор принципов нормирования коэффициентов передаточных функций САУ ГТД для целей контроля и диагностирования;

- принципы построения алгоритмов идентификации, контроля и диагностики коэффициентов передаточной функции замкнутой системы с последующей декомпозицией и углублением диагностики с точностью до выявления отказавшего функционального элемента;

- способы формирования пробных сигналов с нормированнными метрологическими характеристиками и принципы построения автоматизированных систем идентификации, контроля и диагностики;

- анализ погрешностей предлагаемых методов, алгоритмов и программно-аппаратных средств идентификации, контроля и диагностирования и разработка рекомендаций по организации метрологического обеспечения;

- разработка цифровых способов и алгоритмов автоматической коррекции погрешностей для обеспечения гарантированной точности системы идентификации, контроля и диагностики;

- экспериментальные исследования разработанных методов и алгоритмов.

Метода исследований

Метода исследований основаны на использовании результатов теории автоматического управления, теории идентификации, теории измерений, теории надежности, теории математического моделирования.

Научная новизна

В диссертационной работе предложены:

- концепция идентификации, контроля и диагностики САУ ГТД по передаточной функции замкнутой системы на основе активного эксперимента с помощью регулярных пробных сигналов специальной формы с последовательным и автономным определением идентифицируемых коэффициентов передаточной функции, контролем работоспособности системы и обнаружением отказов с точностью до отказавшего функционального элемента в реальном масштабе времени;

- метод идентификации с помощью регулярных пробных сигналов в аде врешстепеншх функций с формализованным математическим описанием и количеством, равным числу идентифицируемых коэффициентов, I регистрацией откликов на воздействие после полного завершения юреходного процесса, что в совокупности позволяет свести шогомерную задачу к одномерной и избежать решения некорректных $адач;

- регулярные пробные сигналы со строгим математическим яхисанием, представлящие собой последовательность время-степенных функций с нарастающей на единицу степенью у каждой последующей функции, имеющие нормированные метрологические характеристики: амплитуду и длительность. Информативной составляющей каждого проб-юго сигнала является его старшая производная;

- принципы нормирования коэффициентов передаточных функций ря целей контроля, то есть установление номинальных значений и тредельно-допустимых отклонений по выбранным нижним и верхним границам параметров стандартной нормированной передаточной функции, обеспечивающих требования по устойчивости, качеству процессов а быстродействию САУ ГТД;

- формализованные алгоритмы идентификации, контроля и диагностики, инвариантные к структурам САУ ГТД, обеспечивающие высокое Зыстродействие, гарантированную точность, полноту контроля и глубину диагностирования с точность» до обнаружения отказавшего функционального элемента для конкретной технической реализации системы;

- принципы постоения автоматизированной системы идентификации, контроля и диагностики САУ ГТД с введением в измерительный канал для обеспечения гарантированной точности цифровой автоматической коррекции погрешностей;

- принципы построения генератора пробных сигналов в аналоговом исполнении на интеграторах и цифровом исполнении на основе числовых алгоритмов;

- схема формирования методических и инструментальных погреш-гостей, алгоритмов и программно-аппаратных средств, используемых для реализации процедур идентификации, контроля и диагностирования и практические рекомендации по организации метрологического обеспечения;

-цифровые метода автоматической коррекции погрешностей, построенные на методах решения нелинейных задач, метода Ньютона, метода хорд и их комбинаций, обеспечивающие полную коррекцию аддитивных, мультипликативных и нелинейных составляющих погрешности измерительного канала автоматизированной системы идентификации, контроля и диагностики.

В основу предлагаемой концепции контроля и диагностики отказов САУ ГТД положен метод идентификации коэффициентов передаточных функций, основанный на посылках тестовых сигналов специальной формы, что позволяет определять коэффициенты передаточных функций замкнутых систем последовательно с исключением проблем некорректности решаемых задач. Результаты идентификации коэффициентов передаточных функций замкнутой системы управления динамическими объектами (любых, на примере САУ ГТД) используются для контроля работоспособности и диагностики отказов системы.

Предлагаемый в работе метод контроля и диагностики на основе идентификации коэффициентов передаточных функций хорошо формализован и содержит следующие самостоятельные процедуры:

- идентификация коэффициентов передаточной функции замкнутой системы управления динамическим объектом;

- нормирование контролируемой передаточной функции с целью выбора номинальных характеристик и допусков на их отклонение для выявления признаков наличия и отсутствия отказов;

- контроль работоспособности системы управления;

- диагностика отказов системы с указанием источника отказа вплоть до функционального элемента.

Алгоритмы контроля и диагностики, построенные на основе предлагаемой концепции также формализованы и инвариантны к различным структурам систем соотвествущего порядка.

Время, затрачиваемое на идентификацию, контроль и диагностику является также формализованным инвариантным к системам параметром и определяется экспериментальным временем в процедуре идентификации и временем выполнения вычислительных операций контроля и диагностики, что обуславливает высокое быстродействие процесса в силу того, что идентификация динамической системы осуществляется за один эксперимент.

Высокая точность используемого при контроле и диагностике меода идентификации связана с индивидуальностью посылок пробных игналов по адресу с целью определения значений конкретных коэффициентов передаточных функций замкнутой системы управления с ©следующим их контролем и диагностированием.

Идентификация, контроль и диагностика распространяется на шогомерные и нестационарные системы, поскольку при идентификации [спользуется принцип последовательности, то есть многомерность >тображается через совокупность идентифицируемых, контролируемых и щагностируемых функциональных узлов. В решаемой задаче идентификации осуществляется сведение многомерной многосвязной системы в виде векторно-матрячных уравнений к совокупности скалярных уравнений за счет автономности выбранных пробных сигналов и алгоритма. Необходимое время для идентификации, сопровождаемое контролем и диагностированием выбирается так, что существенных изменений за это время в системе не происходит.

Предлагаемая конценция контроля и диагностики предусматривает декомпозицию системы »имеющей в своем составе исполнительные механизмы, корректирующие устройства, первичные и промежуточные хреобразователи информации^ целью установления источника отказа, зплоть до одного функционального элемента.

Предлагаемая концепция идентификации, контроля и диагностики предназначена для наземного контроля при проведении приемо-сдаточных и регламентных работ, а также предполетной и предварительной подготовки контролируемой аппаратуры. Заложенная концепция реализуется в наземных автоматизированных системах контроля, выполненных в виде стационарных или мобильных установок.

Основные защищаемые положения дассертационной работа:

- концепция идентификации, контроля и диагностики отказов 0А¥ ГТД на основе математической модели в виде передаточной функции замкнутой системы, коэффициенты которой несут полную информацию о статических и динамических свойствах, получаемую за один активный эксперимент и используемую для последовательного контроля и диагностирования отказов в реальном масштабе времени с последующей декомпозицией и углублением диагностики с точностью до выявления функционального элемента для конкретной технической реализации системы управления; метод идентификации коэффициентов передаточных функций 1

Гусев В.Г.,Андрианова Л.П.Индуктивные и магнитомодуляционные преобразователи для передачи информации с вращающихся объектов.-М.: Энергия,1979.-88 с. шейных динамических систем, заключающийся в автономной посылке тройных сигналов специальной формы, количество которых равно числу контролируемых коэффициентов и регистрации откликов в установив-демся режиме. Форма пробных сигналов и автономность их посылки исключают некорректное решение обратной задачи;

- регулярные пробные сигналы в виде последовательности время-степенных функцией, отличительной особенностью которых является то, то что каждая последующая функция наращивает степень на единицу больше, чем предыдущая, и в момент регистрации откликов сам пробный сигнал и все его производные обращаются в нуль, кроме старшей, сохраняющей постоянное значение во всем интервале времени идентификации;

- принципы нормирования коэффициентов передаточных функций, включающие процедуру установления номинальных значений и предельно-допустимых отклонений, на основе стандартной нормированной передаточной функции, отражающей требования по устойчивости, качеству процессов и быстродействию;

- формализованные алгоритмы идентификации, контроля и диагностики, инвариантные к структурам САУ ГТД;

- общий алгоритм идентификации коэффициентов передаточных функций с временной последовательностью определения сначала коэффициентов полинома знаменателя, а затем полинома числителя;

- модифицированный алгоритм идентификации коэффицентов передаточных функций с временной последовательностью определения сначала коэффицентов полинома знаменателя, а затем полинома числителя;

- комбинационный алгоритм контроля и диагностики на основе общего алгоритма идентификации;

- последовательный алгоритм контроля и диагностики на основе модифицированного алгоритма идентификации;

- принципы построения автоматизированной системы идентификации, контроля и диагностики: структура, алгоритм функционирования и временная диаграмма работы системы с учетом цифровой автоматической коррекции погрешностей измерительного канала. Принципы построения генератора пробных сигналов: аналоговый на основе интеграторов; цифровой - на основе числовых алгоритмов;

- схема формирования методических и инструментальных погрешностей алгоритмов и программно-аппаратных средств, используемых для реализации подсистемы идентификации;

- практические рекомендации по организации метрологической аттестации пробных сигналов и алгоритмов вычисления коэффициентов передаточных функций;

- практические рекомендации по устранению или уменьшению методических и инструментальных погрешностей; цифровые методы и алгоритмы автоматической коррекции погрешностей (АКП) измерительного канала автоматизированной системы идентификации, контроля и диагностики;

- метод АКП при преобразовании постоянного входного сигнала;

- метод АКП при преобразований изменяющегося во времени входного сигнала;

- алгоритм идентификации характеристики преоразования измерительного канала;

- аддитивный алгоритм АКП на основе видоизмененного метода Ньютона с одним эталоном в хщкле коррекции; мультипликативный алгоритм АКП на основе метода хорд с одним эталоном в цикле коррекщи;

- аддитивно-мультипликативный алгоритм АКП на основе метода Ньютона с двумя эталонами в цикле коррекции;

- комбинированные алгоритмы АКП с адаптивным образцовым сигналом;

- программно-аппаратные средства для экспериментальных исследований: методов и алгоритмов идентификации, контроля и диагностики; методов и алгоритмов цифровой автоматической коррекции погрешностей измерительного канала подсистемы идентификации.

Практическая значимость и реализащя результатов работы Совокупность предложенных в работе идей, теоретических и практических результатов составляют новое направление в области создания контролирующей и диагностирующей аппаратуры САУ ГТД при полунатурных и стендовых испытаниях, обладающей высоким быстродействием и гарантированной точностью и обеспечивающей полноту контроля и глубину диагностирования до выявления отказавшего функционального элемента.

Практическая ценность работы заключается в разработке методов и алгоритмов идентификации, контроля и диагностики, реализуемых в автоматизированных системах контроля и диагностики, предназначенных для отладки САУ ГТД на стадии производства и стендовых испытаний.

Новизна и значимость технических решений подтверждается авторским свидетельством на изобретение и патентами, а также научными статьями и монографиями.

Разработанные в диссертации метода и алгоритмы апробированы и использовались при создании испытательного стенда в Уфимском УНШ1 "Молния"(г.Уфа)и АО "СТАР" (г.Пермь).

Научные аспекты исследований нашли отражение в лекционных курсах, читаемых автором студентам специальности "Автоматизация контроля и метрологическое обеспечение авиаприборостроения" Уфимского государственного авиационного технического университета, в публикациях и выступлениях на отечественных и международных научно-технических конференциях и симпозиумах.

Диссертационная работа выполнялась в рамках комплексной научно-технической программы "Надежность и безопасность технических систем" по теме "Метода обеспечения автоконтроля и диагностики электронных систем автоматического управления динамическими объектами" (Академия наук республики Башкортостан).

Аппробация результатов работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ВТК "Измерительно-информационные системы" (Ташкент, 1987), "Применение микро-ЭВМ, микропроцессоров и микропроцессорных систем ,для атоматизаций испытаний и контроля агрегатов" (Пермь, 1988),на симпозиуме "Метода теории идентификации в задачах измерительной техники и метрологии" (Новосибирск, 1989), на НТК "Разработка и аттестация методик выполнения измерений " (Пенза, 1989), на НТК "Теория и практика разработки внедрения средств автоматизации и роботизации технологических и производственных процессов" (Уфа, 1989), на международной НТК "Метрологическое обеспечение машиностроительных отраслей промышлености" (Минск, 1992), на НТК "Актуальные проблемы авиастроения" (Уфа, 1992), на совещании "Новые направления в теории систем с обратной связью" (Москва, Уфа, 1993), на Региональной НТК "Научно-технические проблемы конверсии оборонной промышленности Западного Урала" (Пермь, а

18 '//.

1995) , на Всеросийской НТК "Информационные и кибернетические системы управления и их элементы", (Уфа, 1997), на Всероссийской НТК "Новые методы, технические средства и технологий получения измерительной информации (Уфа, 1997).

Публикации

Основные положения и результаты диссертации опубликованы;? 37 научных работах, в том числе 2 монографиях.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, 7 глав, заключения, библ. списка, включающего 78 наименований и приложения. Основная часть работы содержит 368 страниц, 2 таблицы и 97 рисунков. Приложение ^ держит страниц и включает примеры алгоритмов идентификации контроля и диагностики, расчетов номинальных значений и допустимых отклонений для типовых структур САУ ГТД, описания, тексты и результаты исследования с помощью компьютерных программ и специализированных программно-аппаратных комплексов, акты внедрения результатов работы. i. щщттшт коэффициентов передаточных функции шшйческйх объектов с помощью регулярных пробных сжимов

Результаты работы в виде рекомендаций, алгоритмов, программных и аппаратных модулей аппробированы и использованы при проектировании электронных систем автоматического управления газотурбинными двигателями и при проведении полунатурных испытаний.

Внедрение результатов осуществлено в УЕПП "Молния" (г. Уфа) и в АО "СТАР" (г. Пермь).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе решена актуальная научно-техническая проблема, связанная с задачами идентификации, контроля и диагностики отказов САУ ГТД при полунатурных и стендовых испытаниях: разработка методов, алгоритмов и программно-технических средств для их реализации.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1 Разработана концепция контроля и диагностики отказов САУ ГТД на основе идентификации коэффициентов передаточных функций, получаемых за один активный эксперимент с помощью регулярных пробных сигналов специальной формы, количество которых определяется набором контролируемых коэффициентов с автономным и последовательным их вычислением, контролем и диагностированием во времени: "Пробный сигнал-идентификация соответствующего коэффициента передаточной функции замкнутой системы-контроль, то есть определение текущих отклонений коэффициентов от номинальных значений, выявление признаков появления отказов - диагностика отказов коэффициентов замкнутой системы - декомпозиция и диагностика отказов параметров функциональных узлов системы - углубление диагностики с точностью до одного функционального элемента для конкретной техничес-ческой реализации системы".

Обзор известных методов идентификации систем управления показал, что в настоящее время интенсивно разрабатываются детерминированные и статистические методы идентификации динамических систем, ориентированные на применение ЭВМ. Однако на пути доведения этих методов до практического применения имеются трудности, связанные с тем, что задачи идентификации относятся к числу обратных задач, характерной особенностью которых является то обстоятельство, что незначительные погрешности задания исходных данных могут привести к неустойчивым вычислительным процедурам.

Для уменьшения влияния неточности исходных данных на результаты идентификации предложен метод, основанный на применении регулярных пробных сигналов специального вида, в котором в качестве идентификационной модели используется передаточная функция зажну той системы, а в качестве идентифицируемых характеристик - коэффициенты полиномов числителя и знаменателя.

2 Идентификация осуществляется в автоматическом режиме за один активный эксперимент, обеспечивающий определение коэффициентов передаточной функции, несущих информацию о статических и динамических свойствах системы, в натуральном масштабе времени.

Реализуемый в процессе идентификации динамических характеристик активный эксперимент заключается в посылке пробных сигналов и регистрации откликов системы на их воздействие после полного завершения переходных процессов.

Количество пробных сигналов равно числу коэффициентов передаточной функции, причем каждый пробный сигнал имеет свое автономное назначение, т.е. сформирован для определения своего коэффициента передаточной функции.

Предложены для решения задачи идентификации регулярные пробные сигналы со строгим математическим описанием, представляющие собой последовательность времястепенных функций с нарастающей на единицу степенью у каждой последующей функции и имеющие нормированные метрологические характеристики: амплитуду и длительность. В силу этого пробным сигналам придан статус эталонных сигналов. Особенностью выбранных времястепенных функций является то, что в точках регистрации откликов на воздействие пробных сигналов сам сигнал и все его производные, кроме старшей, имеют нулевое значение.

Выбранная форма пробных сигналов в виде времястепенных функций и автономное использование каждой функции для определения соответствующего коэффициента передаточной функции позволяет, используя принцип последовательности, свести задачу идентификации многомерной многосвязной технической системы, описываемой в виде векторно-матричных уравнений, к скалярному виду.

На основе предложенных методов идентификации разработаны формализованные устойчивые алгоритмы идентификации, инвариантные к различным системам. Построен общий алгоритм идентификации коэффициентов передаточных функций с последовательным определением коэффициентов сначала полинома знаменателя, а затем числителя. Для идентификации систем с передаточной функции высоких порядков предложен модифицированный алгоритм, требующий для реализации меньшее количество пробных сигналов по сравнению с общим алгоритмом и позволяющий отгределять автономно идентифицируемые коэффициенты,"сначала полинома числителя, а затем знаменателя.

Для построения алгоритмов идентификации выбирается аппроксимирующая передаточная функция. При известной структуре системы аппроксимирующая функция совпадает с исследуемой передаточной функцией. При неизвестной структуре системы аппроксимирующая функция должна иметь более высокий порядок с тем, чтобы исследуемая функция оказалась ее частным случаем.

Разработанный метод идентификации рассчитан на линейные и линеаризованные, стационарные и квазистационарные, детерминированные непрерывные и дискретные системы с одним входом и выходом и позволяет осуществлять последовательно идентификацию структуры и параметров исследуемых систем.

Идентификация с помощью регулярных пробных сигналов в виде времястепенных функций может быть распространена на многомерные многосвязные системы, при этом векторно-матричные уравнения, описывающие их работу, сводятся к совокупности скалярных уравнений за счет автономности пробных сигналов и принципов построения алгоритмов.

3 Изложены принципы нормирования коэффициентов идентифицируемых передаточных функций и их допустимых отклонений для реализации процедуры контроля и обнаружения отказов САУ ГТД различных структур при отсутствии и наличии полинома числителя в исследуемой передаточной функции.

В качестве метрологической основы при нормировании используется стандартная нормированная передаточная функция, структурно одинаковая с идентифицируемой, параметры которой отражают требования к устойчивости, качеству процессов и быстродействию. Показано формирование стандартных нормированных передаточных функций для динамических систем первого, второго и третьего порядков.

Основополагающими параметрами при нормировании коэффициентов передаточных функций динамических систем являются:

- для системы первого порядка - параметр т - постоянная времени системы;

- для системы второго порядка - параметры т и ? (т - постоянная времени; ? - коэффициент демпфирования);

- для системы третьего порядка - параметр т и коэффициенты А и В диаграммы Вышнеградского. /

Анализ характеристичесих уравнений и соответствующих им переходных функций показал, что параметры, характеризующие быстродействие (т) и устойчивость и качество процессов А, В) нормируются независимо.

Номинальные значения и допустимые отклонения параметров стандартной нормированной передаточной функции устанавливаются на основании статистических данных, полученных при эксплуатации, путем выбора верхних и нижних границ по каждому параметру, полагая их распределение равновероятным на основании проверки статистических гипотез.

Установленные верхние и нижние границы номинальных значений и допустимые отклонения параметров нормированной стандартной передаточной функции переносятся путем соответствующего пересчета на коэффициенты идентифицируемой передаточной функции на основании зависимостей, получаемых исходя из тождественного равенства этих функций.

Нормирование коэффициентов полинома числителя осуществляется на основе номинальных значений и допустимых отклонений коэффициентов полинома знаменателя с учетом коэффициента связи между ними, выбранного в результате синтеза регулятора при проектировании конкретной структуры САУ ГТД.

Нормирование коэффициентов передаточных функций высоких порядков осуществляется по приведенным выше принципам после декомпозиции характеристического уравнения замкнутой системы.

Разработанные алгоритмы нормирования коэффициентов идентифицируемых передаточных функций формализованы и инвариантны к различным системам соответствующего порядка

4 Разработаны комбинационный и последовательный методы контроля и диагностики отказов динамических систем. Комбинационный метод контроля и диагностики базируется на общем алгоритме иден-идентификации и заключается в получении совокупной информации, обеспечивающей оценку контроля работоспособности и обнаружения отказов в исследуемой системе путем построения таблиц неисправностей с указанием отказавших параметров функциональных узлов.

Последовательный метод контроля и диагностики отказов строится на основе модифицированного алгоритма идентификации таким образом, что позволяет синхронно с процессом идентификации осуществлять контроль и диагностику отказов в реальном масштабе времени без построения таблиц неисправностей, что обеспечивает высокое быстродействие реализованных на его основе алгоритмов.

При построении и реализации алгоритмов контроля и диагностики принимается гипотеза о маловероятности появления двух и более одновременных отказов параметров функциональных узлов системы в пределах отрезка времени идентификации, что подтверждается расчетом вероятностей появления отказов.

На основании принятой гипотезы при построении алгоритмов контроля и диагностики осуществляется переход от алгебраических соотношений между контролируемыми коэффициентами и диагностируемыми параметрами к логическим операциям и при реализации алгоритмов обнаружения отказов к использованию логических схем "ШШ" и "И".

5 Для реализации разработанных алгоритмов идентификации, контроля и диагностики предложена структура автоматизированной системы, состоящая из аппаратной и программной частей. Аппаратная часть системы включает коммутатор аналоговых сигналов, нормирующий преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь и блок управления коммутатором и отдельно блок управления генератором эталонных сигналов при его аналоговом исполнении. Модули аппаратной части: АЦП, ЦАП и коммутатор являются стандартными, а блоки управления, нормирующий преобразователь и генератор эталонных сигналов являются специализированными (оригинальными}. Аппаратная часть служит для проведения эксперимента в процедуре идентификации.

Техническим базисом служит микроэвм типа IBM.

Программная часть содержит управляющую программу "Управление системой" и подпрограммы: идентификации коэффициентов передаточной функции, нормирования коэффициентов передаточных функций; контроля состояния работоспособности и принятия решения о наличии или отсутствии отказов; декомпозиции системы и диагностики коэффициентов передаточных функций функциональных узлов исследуемой системы; углубления диагностики с выявлением отказавшего функционального элемента; подпрограмму автоматической коррекций погрешностей измерительного канала автоматизированной системы. /

Быстродействие автоматизированной системы оценивается суммарным временем выполнения процедур идентификации, контроля и диагностики * {1 + т 4- п)Т + у у где 1; = 4т - время, затрачиваемое на идентификацию каждого из коэффициентов к, Ь1, а^, у ^^ - время реализации на ЭВМ алгоритмов контроля, диагностики, и автоматической коррекции погрешностей.

Для обеспечения точности преобразования измерительного канала в системе предусмотрена цифровая автоматическая коррекция погрешностей измерительного канала.

Одной из реализаций генератора пробных (эталонных) сигналов, позволяющих формулировать времястепенные функции, является аналоговая, основу которой составляют аналоговые интеграторы, построенные на операционных усилителях и работающие по единой временной диаграмме.

Аналоговый генератор пробных сигналов, при наличии полной идентичности интеграторов, а также благодаря высокой помехозащищенности, обладает высокой разрешающей способностью. За счет подбора элементов интеграторов (Н, С, операционных усилителей с бесконечно большим коэффициентом усиления) обеспечивается высокая точность формирования времястепенных функций.

Основные требования, предъявляемые к интеграторам, для решения поставленной задачи идентификации:

- все интеграторы должны быть идентичными и работать в режиме разынтегрирования, начиная с начального напряжения, равного амплитуде ступенчатого сигнала, до нуля;

- использование в качестве постоянных времени интеграторов и интервалов времени их работы вычисленного времени завершения переходных процессов исследуемого объекта.

Цифровая реализация генератора пробных (эталонных) сигналов основана на использовании числовых алгоритмов. В отличие от использования аналогового генератора эталонных сигналов, в состав системы включается ЦАП, преобразующий код вычисленных на ЭВМ времястепенных функций в аналоговый сигнал. Заданная точность формирования эталонных сигналов обеспечивается выбором разрядной сетки ЭВМ.

Важнейшим условием формирования времястепенных функций как аналоговым так и цифровым способом является неравенство нулю в точке регистрации отклика лишь высшей производной эталонного сигнала, что обеспечивает абсолютную физическую реализуемость и точность алгоритмов идентификации.

6 В результате проведенного анализа погрешностей автоматизированной системы идентификации, контроля и диагностики установле-, но, что системе могут быть присуши методические и инструментальные погрешности.

Причиной методических погрешностей является несоблюдение основного требования, заложенного в исследуемом методе идентификации, которое заключается в обнулении в конце интервала времени идентификации эталонного сигнала, начиная с времястепенной функции первого порядка и всех его производных, кроме старшей, имеющей постоянное значение. Для удовлетворения поставленного требования необходимо выполнение двух условий:

- равенство постоянной времени интеграторов генератора этало-ных сигналов и экспериментально полученного интервала времени идентификации при аналоговой реализаций генератора;

- целочисленность показателей степени время-степенных функций при цифровой реализации генератора.

Для исключения влияния методической погрешности при аналоговой реализации генератора необходимо осуществлять настройку эталонных сигналов путем изменения постоянных времени интеграторов и проводить метрологическую аттестацию генератора.

Исследования методических погрешностей, обусловленных нецелочислешюстъю показателей степени времястепенных функций эталонных сигналов, при цифровой реализации генератора показали, что при наличии погрешности в показателе степени высшие производные эталонных сигналов превращаются в нелинейные функции, которые в конце интервала времени идентификации принимают нулевое значение, что противоречит основному требованию выбранного метода идентификации.

Предложено для исключения этой погрешности регистрировать отклик объекта в оптимальной точке временной оси, зависящей от структуры объекта и заданной трубки точности на завершение переходного процесса, причем смещение точки регистрации отклика практически не влияет на точность измерения, так как в силу инерционности объекта функция отклика также имеет смещение во временной оси.

Выбранные средства реализации автоматизированной системы идентификации, контроля и диагностики определяют инструментальную погрешность вычисления коэффициентов передаточной функции, которая содержит машинную и наследственную составляющие. К машинной составляющей относится погрешность, вносимая ЭВМ в процессе вычислений коэффициентов передаточных функций. К наследственной составляющей относится погрешность, возникающая в процессе преобразования с помощью АЦП откликов объекта в цифровые коды, а также погрешность реализации эталонных сигналов, обусловленная не идеальностью ЦАП при цифровом исполнении или неточностью интеграторов при аналоговом исполнении генератора.

Показано, что машинная составляющая погрешности вычисления коэффициентов передаточной функции в основном определяется математическим ожиданием, зависящим от разрядности ЭВМ.

Установлено, что наследственная составляющая погрешности вычисления коэффициентов передаточных функций, в основном, связана с систематическими и случайными погрешностями, которые вносит АЦП в процессе преобразования сигналов и для обеспечения гарантированной точности уменьшения их влияния необходимо предусматривать автоматическую коррекцию возникающих погрешностей.

Разработаны рекомендации по проведению метрологической аттестации генератора эталонных сигналов.

При проведений метрологической аттестации генератора эталонных сигналов в качестве образцовой меры для воспроизведения идеальных сигналов рекомендуется использовать математическое описание времястепенных функций и их производных, а значения идеальных эталонных сигналов их старших производных определять в результате идентификации объекта с единичной передаточной функцией.

В результате метрологической аттестации эталонных сигналов генератора устанавливается факт обнуления в конце интервала времени идентификации эталонных сигналов и сохранения значения старших производных с учетом неточности за счет возможной неодинаковости постоянных времени интеграторов и нецелочисленности показателя степени время-степенной функции при цифровой реализации генератора.

Для аттестаций алгоритмов идентификации коэффициентов передаточных функций используются идеальные эталонные сигналы, сформированные также цифровым способом, и расчетные значения их I старших производных, что позволяет считать полностью исключенными методические погрешности системы.

В результате проведения аттестации алгоритмов идентификации определяются коэффициенты передаточной функции системы и их отклонения от номинальных значений.

С целью получения результатов аттестации алгоритмов вычисления коэффицентов производится идентификация системы с эталонной передаточной функцией, в которой номинальные значения коэфиициентов выбираются по стандартным нормированным передаточным функциям.

7 Для коррекции систематических погрешностей измерительного канала автоматизированной системы идентификации, контроля и диагностики предложены итерационные способы цифровой автоматической коррекции погрешностей (АКП), основанные на использовании методов решения нелинейных задач: метода касательных (Ньютона), метода хорд и их комбинации.

Структурно АКП представляет собой систему с обратной связью, содержащей в цепи обратной связи прецезнойный цифро-аналоговый преобразователь для формирования эталонов и обеспечения итерационного режима работы алгоритмов.

Вазовыми алгоритмами АКП являются аддитивный с одним эталоном в цикле коррекции, мультипликативный с одним эталоном в цикле коррекции с жестким закреплением аппроксимирующей функцией в начале координат, мультипликативный с одним эталоном в цикле коррекции с переключаемым концом аппроксимирующей функции либо к началу координат, либо к концу диапазона преобразования, аддитивно-мультипликативный алгоритм с двумя эталонами в цикле коррекции.

Особую группу алгоритмов АКП составляют комбинированные алгоритмы коррекции, адаптирующиеся к характеристике АЦП, полученныв на основе синтеза при комбинации следующих методов коррекции:

-метода хорд в первом такте с одним закрепленным концом, либо в начале координат, либо в конце диапазона преобразования, а далее концы хорды свободные;

- метода касательной с методом хорд по мультипликативному алгоритму в каждом первом такте двухтактного цикла коррекции;

- метода касательной с аддитивным алгоритмом в каждом первом такте двухтактного цикла коррекции.

Критерием останова работы всех алгоритмов АКП является выполнение условия, при котором скорректированное значение результата отличается от истинного значения не более чем на значение допустимой погрешности коррекции.

В работе сформулированы необходимые и достаточные условия физической реализуемости разработанных алгоритмов. Показано, что необходимое условие физической реализуемости зависит только от характеристики преобразования АЦП, в то время как достаточное условие зависит от характеристики АЦП и алгоритма АКП.

Получены области допустимых значений параметров, определящих характеристики АЦП при использовании базовых алгоритмов АКП, в которых реализуются различные итерационные метода решения нелинейной задачи.

Получены условия сходимости итерационных процессов коррекции погрешностей алгоритмов АКП. Показано, что сходимость итерационных процессов зависит от метода решения нелинейной задачи: метода Ньютона или метода хорд, а также от характеритсики АЦП.

Все разработанные алгоритмы АКП работают как в режиме преобразования АЦП постоянных входных сигналов, так и при изменяющихся входных сигналах, при этом в алгоритм коррекции, начиная со второго скорректированного значения, вводится динамическая поправка, учитывающая изменение входного сигнала во времени. Динамическая поправка является результатом линейной экстраполяции временной зависимости входного сигнала на данный 3-й интервал коррекции погрешностей, содержащий пЗ циклов за счет использования результатов по и п(3-1) циклов коррекции.

Реализациия предложенных алгоритмов АКП в автоматизированной системе идентификации, контроля и диагностики придает ей комплекс интеллектуальных свойств:

- идентификация характеристик АЦП, в результате чего определяется характеристика преобразования АЦП и осуществляется ее анализ. Таким образом, устанавливается априорная информация, используя которую программа осуществляет выбор АКП;

- если в характеристике преобразования преобладает аддитивная составляющая погрешности, то выбирается аддитивный алгоритм, если мультипликативная - мультипликативный алгоритм. При наличии нелинейной составляющей выбираются аддитивно-мультипликативные алгоритмы после предварительной проверки выполнения условий физической реализуемости в рабочем диапазоне характеристики преобразования АЦП.

В частности программа осуществляет выбор аддитивной добавки к эталонному сигналу такой величины, чтобы не сказывалось влияние дифференциальной нелинейности характеристики АЦП.

- коррекция погрешностей осуществляется в системе с обратной связью, т.е. в автоматическом режиме. Программа в состоянии самостоятельно контролировать уровни составляющих неидеальностей АЦП в каждой точке характеристики, обеспечения выполнения условий физической реализуемости и сходимости итерационных процессов.

Таким образом, в программе предусмотрено использование текущей информации для обучения алгоритма АКП.

- среди алгоритмов АКП имеются комбинированные, что позволяет адаптировать их к характеристике АЦП. Менее чувствительные к характеристике АЦП алгоритмы используются на участках, где не может нарушиться условие физической реализуемости алгоритма.

- программа АКП адаптирована к входному сигналу, т.е. способна восстанавливать значения изменяющегося во времени входного сигнала.

- непрерывно циркулирующие в замкнутой системе сигналы АКП могут быть использованы для организации самоконтроля и диагностики измерительного канала автоматизированной системы идентификации, контроля и диагностики.

8 Для проверки работоспособности разработанных алгоритмов идентификации, контроля и диагностики созданы моделирующие программы, с помощью которых проведены исследования различных структур САУ ГТД.

Результаты исследований общего и модифицированного алгоритмов идентификации показывают, что разработанные алгоритмы работают устойчиво, обеспечивают требуемую точность и обладают высоким быстродействием.

Исследования алгоритмов контроля и диагностики с помощью моделирующих программ подтвердили их работоспособность при иммитации отказов с выдачей информации об отказах коэффициентов передаточных функций и об отказавших элементах регулятора и объекта регулирования.

Работоспособность разработанных алгоритмов идентификации, контроля и диагностики проверена в реальном масштабе времени с помощью программно-аппаратного комплекса на базе дискретно-аналогового процессора разработки фирмы ДИАС-ЛТД, совместимого с IBM.

При проведении исследований разработанных алгоритмов автоматической погрешности с помощью обучающей компьютерной программы, определены их области абсолютной физической реализуемости; получены графики сходимости итерационных процессов для заданных характеристик входного сигнала и АЦП при преобразовании постоянных и изменяющихся во времени сигналов.

Алгоритмы цифровой автоматической коррекции исследованы на физическую реализуемость, сходимость, точность и быстродействие с помощью специально разработанного для этих целей измерительно-вычислительного комплеса, осуществляющего коррекцию погрешностей с отображением результатов на экране алфавитно-цифрового дисплея в цифровом и графическом виде и регистрацией в печатном протоколе. Для получения математической модели функции преобразования измерительного канала использовался метод идентификации статических характеристик .

1. Рязанов Ю.А. Проектирование систем автоматического регулирования М.: Машиностроение, 196?, 358 с.

2. Теория автоматического управления, под ред. В.В. Солодов-никова. М.:Машиностроение ,196?,с.117-134.

3. Варковский В.В. , Захаров В.Н. , Шаталов A.C. Методы синтеза систем управления М.: Машиностроение, 1969. -326 с.

4. Ордынцев В.М. Автоматизация математического описания объектов управления ,-М.,"Машиностроение", 1969, с. 91-105.

5. Власов Власюк О.Б. Экспериментальные методы в автоматике, - М.:"Машиностроение", 1969, с.178-184.

6. Шенброт И.М., Гинзбург М.Я. Расчет точности систем централизованного контроля".- М., Энергия. 1970, 408с.

7. Боднер В.А. , Рязанов Ю.А. , Шаймарданов Ф.А. Системы автоматического управления двигателями летательных аппаратов - М. : Машиностроение, 1973, -248 с.

8. Дегтяренко П.М., Коваленко В.П. Определение характеристик звеньев систем автоматического регулирования, "Энергия", М., 1973, с. 76 - 81.

9. Гаскаров Д. В., Голинкевич Т.А., Мозгалевский A.B. Прогнозирование технического состояния и надежности радиоэлектронной аппаратуры М.:Сов. радио, 1974, 234 с.

10. Арбачаускене Н. и др. Идентификация динамических систем . Минтис, Вильнюс, 1974, с 141 150.

11. Игнатов В.А., Паук С.М., Конахович Г.Ф. и др., Диагностические комплексы систем автоматического самолетовождения.- М., Транспорт, 1975. 272 с.

12. Теория автоматического управления. Под ред. A.B. Нетушила. Учебник для вузов М.: Высшая школа, 1976, -400 с.

13. Соренков З.И., Телига А.И., Шаталов A.C. Точность вычислительных устройств и алгоритмов.-М.: Машиностроение,1976,200с.

14. Теория автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов. Управление ВРД. Под ред. A.A. Шевякова. М.: Машиностроение, 1976, -344 с.

15. Кудрицкий В.Д., Синица М. А., Чинаев П. И., Автоматизация контроля радиоэлектронной аппаратуры. М., Сов. радио, 1977, 256 с.

16. Алиев Т.М., Сейдель Л.Р. Автоматическая коррекция погрешностей цифровых измерительных приборов.- М.:Энергия, 1978, -216с.

17. Гроп Д. Методы идентификации систем. М.: Мир, 1979, 300с.

18. Дейч А.М. Методы идентификации динамических объектов. М.: Энергия, 1979, 240с.

19. A.C. #696416 СССР. Способ определения коэффициентов передаточных функций систем регулирования /В.Л. Соседка, С.Я. Липец, Л.Ф. Коломойцев Опубл. 05.11.79. Бюл.Л41.

20. А.С.Ж761984 СССР. Способ идентификации линейных динамических объектов / В.Я. Волков, Ю.М. Гладков Опубл.07.09.80. Вюл. J633.

21. Августинович В.Г., Акицдинов В.А., Боев Б.В. и др.Идентификация систем управления авиационных газотурбинных двигателей.

22. М., Машиностроение, 1984.- 200 с.

23. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы: Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование.: Учеб. пособие для вузов.- 2-е изд., перераб и доп.-М.: Знергоатомиздат, 1985.=439 с.

24. Боднер В.А., Алферов A.B. Измерительные приборы: Учебник для вузов: В 2т.-М.: Издательство стандартов, 1986, 390с.

25. Сильвестров А.Н., Чинаев П.И. Идентификация и оптимизация автоматических систем. -М.: Знергоатомиздат, 1987. -200 е.: ил.

26. Андрианова.Л.П., Гимранов В.П. Метрологическая аттестация имитаторов датчиков. .//Тез. докл. республиканской конференции

27. Автоматизация технологических процессов", Уфа, 1987. С.

28. Боев Б.В., Бугровский В.В., Вершинин М.П. и др. Идентификация и диагностика в информационно-управляющих системах авиакосмической энергетики. М.: Наука, 1988. - 168 с.

29. Васильев В.Й., Гусев Ю.М., Иванов А.И. и др. Автоматический контроль и диагностика систем управления силовыми установками летательных аппаратов М.: Машиностроение, 1989. - 240 е.: ил.

30. Бессонов A.A., Загашвили Ю.В., Маркелов A.C. Методы и средства идентификации динамических объектов. Л.: Энергоатомиздат, 1989, 280 с.

31. Андрианова Л. П., Шаймарданов Ф. A. Me то дика выполнения измерений при метрологической аттестации имитаторов датчиков.// Тез. докл. научно-практической конференции "Разработка и аттестация методик выполнения измерений".Пенза, 1989.С.

32. Журавин Л.Г., Маршежо М.А., Семенов Е.И., Цветков З.И. Методы электрических измерений.- Л.:Знергоатомиздат. Ленингр. отдние, 1990. 288 е.: ил.

33. Коновалов Г.Ф. Радиоавтоматика. Учеб. для вузов М.: Высшая школа, 1990, - 335 с.

34. Автоматизированные испытания в авиастроении /Т.И. Адгамов, М.М. Берхеев, Й.А. Заляев.- М.: Машиностроение, 1989. 232с.

35. Синяков А.К., Шаймарданов Ф.А. Системы автоматического управления ЛА и их силовыми установками: Учебник для студентов высших технических учебных заведений М: Машиностроение, 1991, -- 320 с.

36. Андрианова.Л.И.,Шаймарданов Ф.А. Автоматическая коррекция погрешностей средств измерений в энергетике.//Тез.докл.научно технической конференции "Региональные проблемы повышения качества и экономии электроэнергии".Астрахань, 1991 .С.79.

37. Андрианова Л.П., Шаймарданов Ф.А. Идентификация параметров передаточных функций динамических объектов методом эталонных сигналов.Методическое пособие, Уфа: УГАТУ, 1992, 35с.

38. А.с.СССР * 1714808 Способ коррекции погрешностей аналого-цифрового преобразования. Шаронов A.B., Мугалимова О.М., Шаймарданов Ф.А., Андрианова Л.П. Опубл. 23.02.92. Вюл.Ж?.

39. Андрианова Л.П., Универсальный способ автоматической коррекции погрешностей аналого-цифровых преобразователей.//Тез. докл. Юбилейной научно-технической конференции "Актуальные про-лемы авиастроения", Уфа. 1992.С.35.

40. Шаймарданов Ф.А.Идентификация параметров передаточных функций динамических объектов. //Тез.докл. Юбилейной научно-технической конференций "Актуальные пролемы авиастроения", Уфа.1992.С.31.

41. А.с.$1718190. Способ диагностирования отказов динамических объектов и устройство для его осуществления /В.В. Серый, П.М. Королев, В.М. Сорокин, О.В. Кретинин, А.Р. Кварталов, С.А. Ондрин и И.П. Крылов -Опубл.07.03.92 Вюл. №.

42. Андрианова Л.П.»Шаймарданов Ф.А.Корректирующая обратная связь в системах метрологического обеспечения измерительно-вычислительных комплексов.//Тез. докл. совещания "Новые направления в теории систем с обратной связью.Уфа,1993. С.

43. Патент # 2007025. Способ коррекции погрешностей аналого-цифровых преобразователей. Андрианова Л.П., Шаймарданов Ф.А. Опубл. 30.01.94 в Бюл.^.

44. Андрианова Л.П.,Гарипов Ф.Р.Измерительно-вычислительный комплекс для исследования цифровых методов и алгоритмов автоматической коррекции погрешностей аналого-цифровых преобразователей. Учебное пособие.Уфа УГАТУ 1994.87 С.

45. Недев А., Тенекеджиев К. Техническа диагностика и разпо-знаване на образи. Варна,1994.476 с.

46. Андрианова Л.П., Колыбняк В.А. Цифровая реализация генератора эталонных сигналов:// Информационные и кибернетические системы управления и их элементы./ Тезисы докладов Всероссийской молодежной научно-технической конференции. -Уфа, 1995, С.204.

47. Андрианова Л.П., Колыбняк В.А. Идентификация сложных технических систем //Научно-технические проблемы конверсии промышленности Западного Урала./ Тезисы докладов Региональной научно-технической конференции, Пермь, 1995, С.7.

48. Андрианова Л.П., Вахитов Д.И., Универсальная обучающе-контролирущая программа //Информационные и кибернетические системы управления и их элементы./ Тезисы докладов Всероссийской молодежной научно-технической конференции. -Уфа, С.209-210.

49. Андрианова Л.П., Ф-Алью-Сефи Ф.А., Альвади Н.Х. Автоконтроль и диагностика отказов САУ ГТД //Информационные и кибернетические системы управления и их элементы./ Тезисы докладов Всероссийской Молодежной научно-технической конференции Уфа, 1995, 0.203.

50. Андрианова Л.П ,Шаймарданов Ф.А.Автоматическая коррекция погрешностей аналого-цифровых преобразователей. //Тез. докл. Международной научно-технической конференции"Технология механообработки , физика процессов и оптимальное управление".Уфа,УГАТУ,1995.

51. Андрианова Л.П.,Шаймарданов Ф.А.Автоконтроль и диагностика отказов сложных технических систем.// Тез.докл.Региональной научно-технической конференции "Научно-технические проблемы конверсии промышленности Западного Урала." Пермь,1995.0.6.

52. Андрианова Л.П., Шаймарданов Ф.А. Цифровая автоматическая коррекция погрешностей аналого-цифровых преобразователей.// Измерительные преобразователи и информационные технологии: Межвуз.науч.сб./Уфимск.гос.авиац.техн.ун-т,- Уфа: УГАТУ,1996. С129-137.

53. Андрианова Л.П., Шаймарданов Ф.А. Идентификация коэффициентов передаточных функций динамических объектов. Уфа : УГАТУ, 1997, 195 с. (Научное издание).

54. Андрианова Л.П. Нормирование коэффициентов передаточных функций в задачах оптимизации систем управления динамическими объектами. //Управление в сложных системах : Межвуз. науч. сб./Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т, Уфа : УГАТУ, 1997. - С. 189-192.

55. Андрианова Л.П., .Контроль и диагностика отказов САУ ГТД -.Уфа,УГАТУ. 1997.182.с.(научное издание).

56. Андрианова Л.П., Богданова H.A. Идентификация характерис-ристики преобразования измерительного канала //Новые

57. Андрианова Л.П.,Шаймарданов Ф.А.,Гарипов Ф.Г.Способ определения коэффициентов передаточных функций линейных динамических объектов. патент РФ № 2125287, Опубл. Бюл. № 2. 1999.

58. Андрианова Людмила ПрокопьевнаI

59. ИДЕНТИФИКАЦИЯ, КОНТРОЛЬ И ДИАГНОСТИКА СИСТЕМ ! АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫМИ ' ДВИГАТЕЛЯМИ ПРИ ПОЛУНАТУРНЫХ И СТЕНДОВЫХ | ИСПЫТАНИЯХ ( Придотния)

60. Специальность 05.13.07 «Автоматизация технологических процессови производств » (промышленность)

61. Д II С С Е Р Т А Ц И Я На соискание ученой степени доктора технических наук1. Л/А1. Уфа -19991. ОГЛАВЛЕНИЕ1. Введение 7

62. Идентификация коэффициентов передаточных функций динамических объектов с помощью регулярных пробных сигналов19

63. Нормирование коэффициентов передаточных функцийдля контроля и диагностики отказов САУ ГТД 76

64. Нормирование коэффициентов передаточных функцийбез полинома числителя 76

65. Нормирование коэфициентов передаточных функцийс полиномом числителя 892си . О

66. Нормирование коэффициентов передаточных функцийпри проектирований САУ температурой газов ГТД 94

67. Нормирование коэффициентов передаточных функцийпри проектировании САУ частотой вращения ГТД 104

68. Выбор номинальных значений коэффициентов передаточных функций регуляторов для синтезированных структур САУ ГТД 10726 Вывода по главе 2 114

69. Контроль и диагностика отказов САУ ГТД 116

70. Математическое описание объектов контроля и диагностики 116о о1. О 4У

71. Комбинационный метод контроля и диагностикиотказов на основе идентификации коэффициентовпередаточных функций 121

72. Последовательный метод контроля и диагностикиотказов САУ ГТД на основе модифицированного алгоритма идентификации 132

73. Углубление диагностики отказов систем управления 142

74. Диагностика систем управления на основе ихдекомпозиции 15436 Вывода по главе 3 160

75. Принципы построения автоматизированной системы идентификации, контроля и диагностики САУ ГТД 161

76. Алгоритм функционирования автоматизированной системы идентификации, контроля и диагностики 161

77. Аналоговая реализация генератора эталонных сигналов 168

78. Цифровая реализация генератора эталонных сигналов 181

79. Пример реализаций подсистемы идентификации на основе дискретно-аналогового процессора 190

80. Настройка системы идентификации , контроля и диагностики 20146 Вывода по главе 4 206

81. Метрологическое обеспечение автоматизированной системы идентификации, контроля и диагностики 209

82. Методические погрешности подсистемы идентификации коэффициентов передаточных функций 209

83. Инструментальные погрешности подсистемы идентификации52.1 Наследственная погрешность подсистмеы идентификации 21652.2 Машинная погрешность вычисления коэффициентов передаточных функций 220

84. Анализ погрешностей генератора эталонных сигналовпри цифровой реализации 24?

85. Рекомендации по проведению метрологической аттестации подсистемы идентификации 25455.1 Рекомендации по метрологической аттестации генератора эталонных сигналов 25455.2 Рекомендаций по аттестации алгоритмов идентификации 25?56 Выводы по главе 5 266

86. Автоматическая коррекция погрешностей измерительного канала подсистемы идентификации динамических объектов 269

87. Идентификация погрешностей измерительного канала подсистемы определения коэффициентов передаточных функцций 269

88. Автоматическая коррекция погрешностей при преобразовании постоянных входных сигналов 2?7

89. Физическая реализуемость и сходимость итерационных процессов алгоритмов коррекции погрешностей 308ооо1. ООО

90. Оценка точности алгоритмов автоматической коррекции погрешностей

91. Автоматическая коррекция погрешностей при преобразовании изменяющихся во времени входных сигналов67 Выводы по главе 6 339

92. Экспериментальные исследования 342

93. Исследования алгоритмов идентификации 34271.1 Исследование алгоритмов идентификации с помощью моделирующей программы 34271.2 Исследование алгоритмов идентификации с помощью программно-аппаратного комплекса 344

94. Исследования алгоритмов контроля и диагностики 34472.1 Исследование алгоритмов контроля и диагностики с помощью моделирующей програгдалы 34472.2 Исследование алгоритмов контроля и диагностикис помощью обучающей компьютерной программы 346

95. Библиографический список 361