автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Моделирование процессов диагностирования технических систем (на примере корабельных газотурбинных комплексов)



САНКТ-ПР.ТЕРБУРГСКИП ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИИ

На правах рукописи

РОВНЫХ

Виктор Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ (НА ПРИМЕРЕ КОРАБЕЛЬНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ КОМПЛЕКСОВ)

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ: 05.13.07. АВТОМАТИЗАЦИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени ' кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

1993 год

Работа выполнена в Высшем поенно-морском инженерном училище имени В. И. Ленина.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ доктор технических наук профессор

член-корреспондент PAT; Р. Э. ФРАНЦЕВ

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ — НПО «МЕРИДИАН»

Защита состоится 4 ноября 1993 года в НЛО на заседании специализированного Совета по присуждению ученых степеней при Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций.

Адрес: г. Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7, СПГУВК

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук профессор

В. А. КОЛЕСНИК

кандидат технических наук старший научный сотрудник

В. В. АНТИПОВ

Ученый секретарь Специализированного Совета доктор технических наук

Ю. М. КУЛИБАНОВ

- I -

Общая характеристика работы Актуальность исследования. Оценка технического состояния машин» агрегатов, функциональных комплексов различного назначения составляет большую научно-техническую проблему, связанную с разработкой методов и способов формализации процесса диагностирования и их реализации. одним из путей решения данной проблемы является модели-

9

рование процессов диагностирования технических систем. Характерным примером тага« систем является топливорегулирувдая аппаратура газотурбинных комплексов различного назначения, техничесгае средства привода шлюзов, автономные электроэнергетические агрегаты, главные силовые и энергетические установки судов и кораблей.

Особенно актуальна 8адача оперативного диагностирования в процессе эксплуатации сложных технических систем для объектов высокой ответственности, к которым относятся морские суда, корабли Ш5, гидротехнические сооружения, авария на которых связаны с гибелью

ив — * . -

лодей, с экологическими последствиями.' невыполнением СоеЕЫХ "задач на объектах Ей и т.д.

В работе рассматривается проблема моделирования процессов диагностирования технических систем па примере топливорегулирующей аппаратуры газотурбинных 1сомплексов, которые нашли широкое применение как на кораблях ЕШ, так и морских судах. Эти системы являются характерными для рассматриваемого класса технических систем, так как содержат в своем составе большое количество элементов и многофакторное взаимодействие при функционировании объекта. Кроме того, отсутствует возможность контроля ва параметрами элементов и агрегатов, работа отдельных элементов Ьпрёделяется как режимом работы комплекса,- так и характеристиками взаимосвязи« элементов, участ-вуюадах в технологическом процессе преобразования тепловой ' энергии сгорания топлива в механйчесйую работу винта.'..

Тематика работы находится в русле исследований, предусмотренных сводным координационным планом важнейших ¡¡ИОКР в 1.® и ВМФ, связана с планом основных научных работ по фундаментальным и прикладным исследованиям училнщд. Таким образом, основной научной задачей исследования является совершенствование алгоритмов диагностировав ..ния топливорегулирувдей аппаратуры газотурбинных комплексов (ГТК) на основе использования экспертных систем, как основы информационно-программной реализации современных методов принятия решения в процессе эксплуатации ГТК.-

Цель работы. Развитие алгоритмического и методического обеспечения процессов диагностирования технических систем (на примере топливорегулирущей аппаратуры ГТК) для совершенствования информационно-программной реализации современных методов принятия решения в процессе эксплуатации технических систем с использованием экспертных систем.

Научная новизна.

Предложен метод моделирования слсшшх технических систем на основе объединения вероятностного метода, метода разделения признаков и методов теории алгоритмов.

Синтезированы граф-схемы алгоритмов диагностирования технических систем и предложены методы их преобразования на основе формализации тождественных соотношений между признаками и причинами неисправностей ТРА ГТК.

Разработана математическая модель взаимодействия структурных, диагностически параметров "и внешних воздействий для отдельных элементов сложных технических систем.

Предложены упрощенные математические модели типовых элементов сложных технических систем для моделирования типовых неисправностей по статическим и динамическим характеристик!.

-з -

Практическая ценность. На основе предложенных в диссертации результатов экспериментальных исследований, методик и алгоритмов принятия решений при диагностировании сложных технических систем (на примере корабельных газотурбинных комплексов):

1. Разработана структура и технико-информационное обеспечение процедур диагностирования типовых элементов и технологического процесса газотурбинного комплеюза.

2. Экспериментально определены наиболее - информативные режимы работы работ ГТК по выбору диагностических параметров.

3. Предложена методика оценки погрешностей измерения с использованием сигнализатора температурного поля ГТД.

4. Разработаны рекомендации по последовательной схеме оценки технического состояния ТРА ГТК с использованием экспертной системы как технической основы оперативной оценки технического состояния.

5. Разработан пакет прикладных программ для бортовых вычислительных комплексов в системах информационной поддержки для операторов, обслуживающих газотурбинные комплексы.

Результаты работы использовались на кораблях Балтийского флота при отладке и использовании сигнализатора температурного поля, а также в НИР "Папка" и ОКР "Штрек", "Шарабан".

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены, обсуждены на научно-технической конференции "Проблемы комплексной автоматизации судовых технических средств" в 1993 году (гор. С.Петербург), на конференциях НТО имени академика А.Н.Крылова в 1993 году, на семинарах НТО Судпрома (секция автоматики) в 1991-1933 годах, на научно -технических ко1Г-" ференциях и заседаниях кафедр ВВМИОЛУ имени Ф.Э.Дзержинского (1991 и 1993 годы), институт водного транспорта (1992 и 1993 годы), ВВМИУ имени В.И.Ленина в 1991 и 1903 годах.

Публикации. Основные вопросы, рассматриваемые в диссертации, изложены в 10 работах (3 статьи, 4 тезисов докладов, 3 отчета);

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. Содержит 123 страницы основного текста, 14 таблиц, 31 рисунок, список литературы включает 115 наименований. Материал, представленный в приложении, изложен на 27 страницах.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы и выбранного направления исследования, сформулирована его цель-, задачи исследова-. ния и методы исследования.

В первой главе на основе анализа функциональных и структурных схем корабельных газотурбинных комплексов выделены три базовые функциональные структуры, охватывающие все типы ГТК, эксплуатируемые и проектируемые в настоящее время. Одна из этих трех структур представлена на рис.1 (а - структура элементов ТРА при пуске; б -при эксплуатационных режимах). Отличие других структур от представленной на данном рисунке связано в оснрном с конструктивным расположением узлов ТРА на двигателе и использованием других физических принципов реализации элементов, обеспечивающих требуемый закон изменения подачи топлива при запуске.

Определена спецификация элементов ТРА для газотурбинного комплекса в зависимости от вида режима эксплуатации для каждой базовой, функциональной структуры в состав которой входят следующие основные элементы топливной аппаратуры: дроссельный кран насоса-регулятора, автоматический распределитель топлива, насос-регулятор расходный, автомат запуска и форсунки.

В п. 1.2. сформировали особенности элементов тошторегулирувдей аппаратуры ГТД и дана оценка их технического состояния. Определены

- ь-

наиболее часто встречающиеся неисправности для всех элементов ТРА, охватывающие абсолютное большинство статистических данных по эксплуатации. Предложено разделение этих неисправностей на три группы: регулируемые, восстанавливаемые при замене функционального элемента, ремонтируемые. Показаны виды и способы регулировки эле- ментов ТРА и также представлены необходимые контролируемые параметры позволяющие при сравнительно их небольшом количестве судить об исправности элементов ТРА. Произведена классификация элементов ТРА на дозирующие, дросселирующие и исполнительные устройства для разработки их статистических и временных характеристик.

Топливорегулирующий агрегат, рассматриваемый как объект диагностики и контроля в любой момент времени представляется совокупностью составляющих ее деталей и узлов, соединенных между собой функциональными связями. Каждый из ее элементов может находиться в исправном или неисправном состоянии. Вероятность исправного состояния 1-го элемента, из' которых состоит топливная аппаратура, обозначим Р(Ю1) , а вероятность неисправности - Р(00 , где Р(ПО - 1 - Р(йО.. В процессе работы ТРА разных режимах взаимное влияние деталей и узлов, а также действующие на них нагрузки могут постоянно меняться. Поэтому для определения конкретного состояния топливной аппаратуры необходимо бесконечное множество состояний, которые можно установить только при техническом диаг-1 ностированим, т.е. при введении квантования.

Область возможных состояний ТРА, которую обозначим через О , разобьем на некоторое число непересекающихся подмножеств с/1 (1-1.2,...), которое исчерпывает все множество О . Такое дробление множества на подмножества может быть выполнено несколькими способами, а выбор одного из них диктует'ся потребностями диагноза. В данном случае стоит задача оценки неисправности элемента

ТРА, приводящая к отказу ТРА по тем или иным выходным параметрам двигателя и топливорегулирующей аппаратуры, . в качестве которых приняты основные признаки неисправностей, а также номенклатуры диагностических параметров, измеряемых штатными приборами объекта с вводом в измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) для использования в алгоритмах диагностирования.

В качестве основного способа дробления множества на подмножества примем возможные режимы эксплуатации двигателя (подготовка к пуску, пуск, изменение режима, установившиеся режимы). Бри этом в качестве исследуемой диагностической модели примем обобщенную функционально-структурную модель топливорегулирующей аппаратуры ГТД, представленная на рис.2.

На этой схеме приняты следующие обозначения: КПП -клапан постоянного перепада, СМ -сервомотор, ОС -обратная связь. НШ -наклонная шайба, ТН -топливный насос, ОРЧВ - ограничительный регулятор частоты вращения, ДК -дроссельный кран, КПД -клапан постоянного давления, СК -стоп-кран, КАС -клапан аварийного слива, КС -клапан сброса, РТИ -регулятор температуры импульсный, БГп -блок термопар, РК -распределительный клапан, A3 -автомат запуска, ОНД -ограничитель нарастания давления, APT -автоматический распределитель топлива, КПВ -клапан пускового воздуха, A3I -агрегат зажигания, КОАЗ -клапан отключения автомата запуска, РТГ -регулятор температуры газа, НРР -насос регулятор расходный. СУ -станция управления (СУ ГТД), ВВД -воздух высокого давления.

Анализ полученной обобщенной структуры ТРА показывает, что она охватывает все типовые структуры для различных ГТД, количество основных отрицательных связей - три-(по частоте вращения, по температуре газов и по давлению воздуха за КВД). Необходимо отметить, что для обеспечения структурной устойчивости процессов, протекаю-

щих в замкнутых контурах, они должны иметь нечетное число отрицательных связей. Это подтверждает в некоторой степени правильность сформированной структуры и отвечает фактически всем конструктивным решениям существующих ТРА для различных двигателей.

Данная структура позволяет получить любую по сложности и адекватности математическую модель как всей системы, так и ее отдельных элементов или узлов, необходимую для определения их технического состояния.

В п.1.4 на основе анализа существующих методов и способов оценки технического состояния сложных систем обоснован метод моделирования процессов диагностирования технических систем, основанный на объединении вероятностного метода, метода разделения признаков в пространстве и метода теории алгоритмов.

Во 2-й главе представлена формализация алгоритмов диагностирования технической системы для топливорегулирующей аппаратуры газотурбинного комплекса. В п.2.1 на основе анализа и обобщения физико-технических основ эксплуатации газотурбинного двигателя и топливорегулирующей аппаратуры предложена методика разделения признаков неисправностей топливорегулирующей аппаратуры при пуске как по временной диаграмме (рис.3), так и особенностям временной характеристики пуска по параметрам: частоты вращения, температуры газов и расхода топлива.

Сформулированы рекомендации по регулировке температурного поля по результатам контроля характеристик двигателя.

Произведена предварительная количественная оценка зависимости изменения параметров контроля и технического состояния форсунок по данным измерений рабочих параметров, и показаний сигнализатора температурного поля.

Предложена структуризация процедуры поиска неисправностей топ-

1 ^ £ 5 4 1 s? «ü- S •k *<> <o •0 1 « § % if ^ R H i ^ ÍT?,

If? 4 •> b is »¡5 •St» ч * t* * 4 1 £ « 2* íir r? S>

к. î* > ч ■b 1 1 i + \ 1 titi i

5; ? U lí <! > Ю I 1 1 s 1 1 S 1 ! i i i 1 1 1 s 1 1 S! 1 s K. ! 1 ! § $ s Я "» «в I § i ! £ § * * § ^ M 1 И 1 ! ^ í 1 4- I § 1 N. 4 IH H* 1 ^ § ¿í ¿ -t?

<5> 3 S 5? й? £ •Й ? S ¿ 5s H. îs»

-ю -

ливорегулирующей аппаратуры: по режимам работы; по типовым неисправностям; по объединению признаков и причин; по уточнению возмож- • ных дефектов.на основе упрощенных математических моделей.

Сформулированы этапы формализации процедуры поиска неисправностей для определения правил принятия решения в экспертной системе на основе логических функций возникновения неисправностей. Разработана методика последовательной формализации алгоритма поиска неисправностей по таблице типовых неисправностей, полученной автором, с учетом режимов эксплуатации газотурбинного двигателя.

К этим режимам относятся: пусковой режим, запуск состоялся, режим холостого хода, режим прогрева, статические и динамические режимы. Для составления граф-схемы алгоритма определения неисправностей в элементах ТРА приняты следующие обозначения:

ти №'1,2,...,6) -логические условия соответствующие режимам работы двигателя;

«1 (1-3,2,....л) -логические условия, характеризующие признаки основных неисправностей на режимах работы двигателя;

Ал и-1,2,...,т) -операторы, соответствующие причинам неисправностей ТРА - элементам топливорегудирующей аппаратуры в соответствии с базовой функциональной схемой.

Общая гра2>-схема алгоритма поиска неисправностей ТРА показана на рис.4. Ей соответствует логическая схема алгоритма (ЛСА): Лф ^ Лг Лз А5 ¿/ Л ¿3 Мл, ¿/г, ¿/з^и/к Л ¿0 №г<*г 4д ¿/Мз Л/ & Лу ¿//У/5

/% и>П'с(5 со /% гла,

а>'Ч и)^^^ А» со 1«1**ым « " /"*'У/ /^у ^

- ir -

. - 12-

Учитывая наличие повторяющихся операторов в составленной граф-схеме в п.2.3 поставлена и решена задача эквивалентных преобразований схем алгоритмов по объединению одинаковых операторов. Для решения этой задачи выбрана П-алгебра проф. Францева Р.Э., которая может быть использована для схем алгоритмов, работающих при ■пустом распределении сдвигов. Исходя из того, что рассматриваемые алгоритмы имеют свои особенности, автором они предложены в виде

соотношений: ____

= ^ >7 / у- /, /V

/г 4 - о(/ ^ + а} /»-4-,

Сформулированы основные положения модифицированной П-алгебры (МП-алгебры), позволяющие производить алгебраические преобразования схем алгоритмов диагностирования с. учетом введенных соотноше-, ний в алгебру операторов и операцию внешней дизъюнкции. Получены тождественные соотношения, справедливые в МП-алгебре, на языке граф-схем алгоритмов для инженерных преобразований алгоритмов диагностирования.

Использование этих соотношений в П-алгеоре алгоритмов позволит сформулировать систему тождеств для модифицированной П-алгебры, справедливой для рассматриваемых алгоритмов по оценке технического состояния элементов ТРА.

Система тождеств МП-алгебры

Элементами операторной .алгебры являются операторы, т.е. множество А/= /А, Л/, - V ^ • где $ -пустое собы-.'тие.

До -оператор начала выполнения алгоритма, ••'•

/л -оператор конца выполнения алгоритма, /( = г? ./V) -нелогические операторы.

Кахдому оператору' ставится в соответствие действие, неисп-

равность, команда, вычисление, запоминание и т.п. Операторы До и На введены для алгебраической записи логических схем алгоритмов Ляпунова A.A., Янова Ю.И. и граф-схем алгоритмов Калужнина.

Элементами алгебры условий являются логические условия, т.е. множество

Для каждой из этих алгебр заданы внутренние законы композиции.

В операторной алгебре это умножение, результат действия каждого есть последовательное выполнение операторов:

Для умножения операторов выполняются условия ассоциативности и перестановки:

h = ^ /У/ Jj)^

Ai 4/ = Jj fyи Л = Jj/f* fi f(J, Ы г/ ..v //J

Пустое событие выполняет роль нейтрального элемента, т.е. к ф= 0J; = 4 f у; ^ /i/J

Рассматриваемая операторная алгебра образует полугруппу.

В алгебре условий действуют операции, что и в булевой алгебре с -переменными (дизъюнкция, конъюнкция, отрицание).

Кроме внутренних законов композиции рассмотренных алгебр, вводятся дополнительные операции, которые аналогично Глушкову В.М. названы внешними. К внешним операциям относятся:

- операция (внешнего) умножения условий на операторы, которая удовлетворяет свойствам следующих тождественных соотношений:

o/i • J/ - Л/

{о/с Vo/j) =* о/г J/r Vc/y

ob = ^ ¿г с/г о(с - о/г .

Oti' fa /jJSx

где fy (/, S* o/;, c/y ß

- 14- операция (внешней) дизъюнкции, результатом действия которой является тот оператор, логические условия которого, стоящие перед ним, истинны. Логические функции в выражении дизъюнкции ортогональны и определены:

V /

н 7

где ^ ~ логические функции, стоящие перед операторами в выражении внешней дизъюнкции.

Для данной операции справедливы следующие соотношения: .

рФ Л' + (¿¿ Лу - </г // -¿с?} ¿у

4е ■+■ Ыу 4т = с// 4т т (¿1 4г + <*/ 4л / ¿я = oSí ¿tt

¿е 4л + с{/ = ^ Л* +с/у 4л

- операция итерации оператора или произведения логического выражения на оператор, представляющий собой бесконечную сумму вида:

= у//....

Результатом этой операции является тот член, перед выполнением которого определяющее его логическое условие истинно.

Данная алгебра охватывает класс логических схем алгоритмов, определенных на конечном множестве операторов и логических условий, работающих при пустом распределении сдвигов и учитывающих особенности рассматриваемых алгоритмов диагностирования ТРА, сформулированные выше.

Полнота данной системы тождеств, определенных на указанных множествах с точки зрения объединения одинаковых операторов, стоящих в разных ветвях, доказана автором П-алгебры. Поэтому при необходимости их объединения всегда найдется порядок преобразований искомого выражения к требуемому.

Учитывая сложность аналитических преобразований в алгебраической форме, для инженерных разработок предложены ряд соотношений на языке граф-схем наиболее часто встречающихся в формализованных алгоритмах диагностирования.

Эти соотношения, показанные з таблице 1, дополняют соотношения выведенные в П-алгебре с учетом новых правил выполнения операций в алгебре операторов и внешней дизъюнкции.

В п.2.4. произведена формализация технологического процесса функционирования ГТК на 6' этапах: приготовление к пуску, пуск, холостой ход, режим прогрева, установившийся режим, динамический режим. Разработана методика предварительной оценки технического состояния элементов топливорегулирующей аппаратуры по обобщенной схеме алгоритма поиска неисправностей с учетом контроля теплофизи-ческих параметров двигателя на всех режимах его работы при наличии бортового информационного вычислительного комплекса. Исходя из особенностей технологического процесса функционирования газотурбинного двигателя определено, что в процессе работы двигателя на различных режимах на основе текущей информации возможно значительно уменьшить неопределенность в решении об исправном или неисправном состоянии некоторых элементов ТРА. Результатом этой формализации является граф-схема, показанная на рис.5."В этом же параграфе проведены аналитические преобразоваийя"полученной общей граф-схемы алгоритма поиска неисправностей по таблице типовых' неисправностей на основе МП-алгебры предложенной в работе. Результатом этих пре-

Тйщтьенте еоотшшя va язык Ш к MA. Таблиц* i

i (Ш-MJrespA) Г~кП 1 A» i - X® = 1 h 1 1 «» 1 1 А, 1 ПЛ рдГ] . i ti «?

г M 1 a t AsUk

3 Œ3 m 1 £1 1 А» 1 [_AaJ ГИЛ rV| LÜLJ I fc 1 lAl 1 МШзки/НЖЬ fh'tçbdhih*' fhtof**

m ryi nn^Vi z m cîp njn Оо 1 •»« t LâsJ 1 »* 1 i l, i ! il ЫШзкЬ&Шг di'bAtUi'tibAsÎA*

s 4P- CS CS ¿Ю^ z ryi s г*л Цр L*iJ ЩАГП (ЗАИ 1 Í. 1 1 All A^fbAtwihtAifb

образований является граф-схема, в которой нет повторяющихся операторов и ей соответствующая матричная схема алгоритма, по которой определяются логические функции проявления неисправностей, составляющие математическую модель подсистемы принятия решений в экспертной системе ТРА на базе таблицы типовых неисправностей.

. В третьей главе изложены вопроси моделирования статических и динамических характеристик ТРА для оценки типовых неисправностей элементов. В п.3.1. определены вероятные признаки неисправностей элементов ТРА, определяемые техническим состоянием деталей отдельных элементов без учета отказов электрических цепей и электропривода.

Выведены аналитические зависимости характеристик элементов с учетом перечня признаков неисправностей для дозирующих (дросселирующих), исполнительных и управляющих цепей, исходя из математического описания физических процессов в этих элементах.

Такой подход позволяет создавать математические модели дозирующих и дросселирующих устройств топливорегулирующей аппаратуры газотурбинного двигателя в виде системы линейных уравнений или в виде линейной функции

£ = (?о * (?// ф Хг •/... у- С?е- X/ где X/, - физические параметры и конструктивно-эксплу-

тационные параметры; - коэффициенты регрессии;

А - число факторов.

В то же время с учетом характера течения жидкости через отверстие математическая модель может иметь вид:

где // // - физические и конструктивно»-эксгиутациошше параметры.

- а -

Математические модели исполнительных устройств топливной аппаратуры в виде системы степенных функции или в виде степенной функции X у» V.

х/*

где У2> ■ -у " физические и конструктивнб-эксплутационные

параметры; ... // - коэффициенты регрессии; ^

- число факторов.

Для насоса-регулятора топливорегулирующей аппаратуры, функциональная схема которого показана на рис.2., составлена математическая модель на основе описания физических процессов, протекающих в элементах топливорегулирующей аппаратуры с учетом возможных признаков (причин) неисправностей, определенных по результатам статистического анализа эксплутационных данных газотурбинного двигателя. В ее состав входят уравнения, описывающие расходные и временные характеристики КПП, СМ с ОС и дросселем, дроссельный кран, КПД, НШ, ТН. При атом учтены в уравнениях следующие дефекты (причины неисправностей):

Клапан постоянного перепада - заклинивание золотника КПП - Х1;

Сервомеханизм с обратной связью - засорение дросселя исполнительного механизма - хг;

Дроссельный кран (ЛЮ -расход топлива через канал холостого хода не соответствует специфике ГТК или внешним условиям (изменение Ьн.в.), - хз:

КПД (клапан постоянного давления) - заедание золотника - х*,

- засорение дросселя - Х5.

НШ (наклонная шайба) и ТН (топливный насос) не имеют статистики часто повторяемых неисправностей, так как в основном они проявляются при некачественном топливе. Можно полагать, что в этом случае будет справедливо помнить, что передаточные функции этих элементов

равны единице. С учетом сказанного, математическая модель НРР в этом случае имеет вид:

£ ъс>

Система уравнений описывает расходную и временную характеристику НРР.

На основе предложенных структур математических моделей возможных схем ТРА в п.3.2 представлена методика использования математической модели элемента или узла ТРА для принятия решения о виде неисправности при наличии нескольких признаков проявления для конкретного элемента или узла.

. Предложена последовательность выбора диагностических признаков при использовании сигнализатора температурного поля ва ТВД.

Разработана диагностическая модель технического состояния рабочих форсунок на основе составленной таблицы Неисправностей форсунок при логико-детерминированном подходе.

В 4 главе представлена структура, база знаний и правила принятия решений-в системе диагностирования на базе "Эксперт-Приза". В п.4.1. предложена функциональная структура экспертной системы по оценке технического состояния ТРА на базе системы датчиков первичной информации, информационно-вычислительного комплекса ГТД, ПЭВМ как основы экспертной системы (рис.6). В качестве основы для создания экспертной системы (рис.7) принята типовая оболочка экспертной системы состоящей из решателя, базы знаний, базы данных, подсистемы обеспечения (объяснение, приобретение знаний, диалог) и пользователя (эксперта).

- 2.0 -

т

Исследуемый объект ГТД, ТРА, основные механизмы

_> д

—> А

—> Т

Ч

И

к

-> и

И В К

ПЭВМ Эксперт-Приз

I

I I

—> I

<4 I

Эксперт

Пользователь

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8

Выделены и сформированы пять последовательных этапов построения экспертной системы: определение целей и задач, выделение основных концепций, формализация, построение базы знаний, проверка экспертной системы (ЭС). Учитывая, что совокупность программных средств, реализующих язык представления знаний, решатель и средства поддержки ЭС без наполненной базы знаний, представляет собой "пустую" или проблемно-ориентированную систему, использование которой значительно упростит задачу построения новой прикладной ЭС предлагат ется использовать систему "Эксперт-Приз".

Обосновано использование ядра "пустой" экспертной системы "Эксперт-Приз" в разрабатываемой системе диагностирования.

База знаний по оценке состояния топливорегулирующей аппаратуры представлена в п.4.2.^ определен объем и содержание базы данных и базы знаний в разрабатываемой системе диагностики ТРА.

Под базой знаний по оценке состояний ТРА, т.е. диагностирования исправности элементов аппаратуры ГТК понимается описание некоторого числа примеров того как экспертная система должна решать задачи

о

в этой предметной области. Основные характеристики (атрибуты) предметной области определяют структуру примеров. Если проблему в предметной области можно описать с помощью атрибутов x1.x2.x3, результат, то примеры в базе знаний будут следующего вида: Если XI=1 и хг'О и хз-1 и .... то результат 1. Если XI =0 и хг-О и Х3-1 и .... то результат 2 и т.д.

Показанные выше процедуры и составляют базу знаний, которая в полном объеме для ТРА будет представлять систему секвенций, записанных с помощью выражений "ЕСЛИ .... ТО ...". Учитывав выполненные выше исследования по анализу типовых неисправностей ТРА и особенности "Зксперт-Приза" предлагается использовать подобную запись готовой модели на начальном этапе диагностирования. Учиты-

- 22 - •

вая, что "Эксперт-Приз" позволяет корректировать Сазу знаний в неограниченное число раз, данный подход к формированию математической модели вполне обоснован и эффективен, так как учитывает многолетний опыт эксплуатации ТРА ГТК.

Система "Эксперт-Приз" позволяет создавать экспертные системы с намного более сложной структурой, где при разных условиях работа продолжается на основе разных экспертных ананий. В данном случае это знания (базы данных) о текущем состоянии переменных, атрибутов и понятий из ИВК ГТК. ЭС данного типа позволяет связывать экспертные системы так, что в процессе функционирования (консультации) автоматически происходит переход с "конца" одной в "начало" другой системы, при этом вычислительная модель (аналоговая, дискретная) сохраняет свое состояние.

Одной из особенностей, используемой ЭС "Эксперт-Приз" является отсутствие логических операций (дизъюнкция, конъюнкция, отрицание) в перечне основных знаков операций. Учитывая, что для включения в состав ЭС диагностирования ТРА, необходима логическая модель в виде системы логических уравнений появления типовых неисправностей, в работе предложен переход от обычных арифметических операций к логическим. Суть этого перехода следующая:

1. Дизъюнкция заменяется сложением переменных и сравнением результата с единицей (1). При этом если условие истинно, то дизъюнкция равна 1, в противном случае равна нулю. В данном случае имеется в виду, что сумма /¿' >У .

2. Конъюнкция заменяется обычным умножением, а результат умножения сравнивает с 1. Если ЛX/ - У . то конъюнкция равна 1, в противном случае равно 0.

3. Отрицание переменной заменяется вычитанием из 1. Если раз-

»

ность равна 1, то отрицание равно О, в противном случае 1.

- 23В п.4.3. изложены правила вывода возможных неисправностей ТРА в разрабатываемой экспертной системе.

Получена система продукций в качестве основного формализма при построении математических моделей принятия решения о неисправности элемента (грулпы элементов) ТРА на основе текущей и априорной информации по эксплуатации ГТД и ТРА.

Реализация данного подхода базируется на использовании математической модели в виде дискретной логической модели - системы секвенций (логических уравнений - определение истинности и ложности) применительно к топливорегулируюс.:й аппаратуре ГТД позволила выделить следующие три мета-уровня диагностирования неисправностей:

1 уровень - система ДАУ, ТРА, форсунки.

2 уровень - топливорегулирующий агрегат.

3 уровень - элементы ТРА, форсунки.

4 уровень - возможные дефекты элементов.

Исходя из особенностей задач, решаемых СДАУ в работе пе рассматриваются достаточно подробно их неисправности, так как основное назначение ее обеспечение заданного закона изменения положения сектора газа (изменения режима работы).

Применительно к двум другим составным частям тошшворегулирую-щей аппаратуры для обеспечения вывода заключения о неисправности элементов ТРА и форсунок применена модель ГСА (ЛСА) для диагностирования агрегата и детерминированная таблица неисправностей форсунок. Блок-схема формирования решения о техническом состоянии элементов ТРА представлена на рис.8. Для форсунок эта задзча в зависимости от типа дефекта решается на основе определения истинности логически функций возможных неисправностей.

Эти теоретические результаты и предложения реализованы в содержании экспертных знаний по оценке технического состояния ТРА и

форсунок для подсистемы экспертной системы диагностирования (ЭСД) топливорегулирующей аппаратуры газотурбинного двигателя.

Основные результаты работы

На основе проведенных экспериментально-теоретических исследовании по совершенствованию алгоритмов диагностирования сложных технических систем (на примере газотурбинного комплекса) на основе алгоритмизации проявлений типовых неисправностей, снятия эксплуатационных характеристик элементов, определения математических зависимостей ряда неисправностей от значений контролируемых параметров, использования экспертной системы как технической и программной основы принятия решения о техническом состоянии элементов, получены следующие результаты:

1. Произведенный анализ существующих методов диагностирования элементов сложных технических систем подтвердил отсутствие надежных инженерных методов оценки их технического состояния и позволил обосновать целесообразность систематизации и формализации существующих параметрических и непараметрических методов оценки технического состояния по результатам анализа текущей и априорной информации о работе системы и ее элементов в процессе эксплуатации.

2. Сформулирована эадача структуризации процедур поиска неисправностей сложных технических систем, позволяющая осуществить" направленный поиск возможных неисправностей ее элементов.

3. Предложен способ формализации алгоритмов диагностирования на примере ТРА ГТК, позволяющий после ее эквивалентных преобразований формулировать правила принятия решения для создания системы информационной поддержки оператора с элементами экспертных оценок в процессе эксплуатации.

4. Развит метод аналитических преобразований схем алгоритмов диагностирования сложных технических систем на основе использова-

ния тождественных соотношений на языке алгебры алгоритмов, учитывающих возможность неоднозначности неисправностей, и независимость вида неисправностей от проверяемых условий (параметров).

5. Определены содержание и методика проведения эксплуатационных испытаний (исследований) газотурбинного комплекса по оценке влияния типа неисправностей на значения I лодных параметров -»{температуры газа, давления топлива перед форсунками, расход топлива) о использованием сигнализаторов температурного поля для диагностирования элементов.

6. Экспериментально определены рекомендации по оценке технического состояния форсунок и способы регулировки допустимой неравномерности температурного поля.

7. Разработана дискретная диагностическая модель всей сложной технической системы по узлам и элементам на различных режимах эксплуатации.

8. Предложены упрощенные модели типовых элементов сложных технических систем для оценки боэможг&х их неисправностей па основе описания физических процессов я их Моделирования.

9. Сформулирована структура базы знаний и правил вывода оценки о техническом состоянии увлов и элементов на базе экспертной системы "Эксперт-Приз".

10. Теоретические основы работы являются общими и могут быть распространены на другие типы систем.

11. Результаты работы использованы на кораблях Балтийского флота при введении в эксплуатацию сигнализаторов температурного поля, а также НИР "Папка", НИОКР "Штрек". "Шарабан".

Опубликованные работы по теме диссертации

1. Ровных В.А. Диагностирование состояния топливорегулирувщей

. -и

* аппаратуры ГТД по анализу температурного поля, ь сб."Эксплуатация

корабельных технических средств", ВВМИОЛУ им.Ф.Э.Дзержинского, С-Петербург, 1991 г., с. 37-42.

2. Ровных В.А. "Многокритериальное управление, оценивание состояния объекта и выбор упреждающих ограничений" в сб."Тезисы докладов НТК ППС ВВМИУ им. В.И.Ленина". С-Петербург, 1991г., с. 21.

3. Ровных В. А. Автоматизированная диагностика' технического состояния ТРА ГТД, в сб. Автоматизация на судах и в судостроении вып.527, НТО имени А.Н.Крылова, С-Петербург, 1992г., с. 52-61.

4. Ровных В.А. "Математические модели функциональных узлов топливорегулирующей аппаратуры, определяющих выходные параметры ГТД". в сб. Тезисы докладов НТК "Проблемы комплексной автоматиза-.ции судовых технических средств". Судостроительная промышленность, серия: автоматика и телемеханика вып.13, ЦНИИ "Аврора", С-Петербург, 1992г., с. 61'.

5. Ровных В.А. "Методы идентификации типовых неисправностей ТРА ГТД", в сб."Тезисы докладов НТК ППС ВВМИУ им.В.И.Ленина", С-Петербург, 1993г., с. 16.

6. Ровных В.А., Францев Р.Э. "Методы принятия решений в специализированной экспертной системе по диагностированию топливорегулирующей аппаратуры газотурбинных двигателей", в сб."Тезисы докладов НТК ППС ВВМИУ ии.В.И.Ленина", С-Петербург, 1993г., с.

7. Ровных В.А. "Определение технического состояния топливорегулирующей аппаратуры газотурбинного двигателя" в сб."Тезисы док-" ладов НТК НТО имени А.Н.Крылова ", Г.Владимир, 1993г., с. 37.

8. Ровных- В.А. гл.З "Характерные неисправности технических средств кораблей с ГТУ" п.Б Топливорегулирующая аппаратура ГТД, Отчет по теме НИР •Штрек", г.Пушкин, ВВШУ им.В.И.Ленина, 1992, 11с.

Ровных В.А. "Методика определения технического состояния

рабочих форсунок и топливорегулирующей аппаратуры ГТД Отчет по теме НИР "Штрек", г.Пушкиа, В8МИУ км.В.И.Ленина, 1992, Ос.

10. Ровных В.А. "Алгоритмическое и программное обеспечение оценки технического состояния ТРА ГТД з процессе зксплуаташш". Отчет по теме НИР Н 4837, "Папка", г.Пусшш, ШШ им.В.Н. Ленина, 1993г., 142 с.