автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Повышение достоверности вибродиагностики магистральных насосных агрегатов нефтеперекачивающих станций в условиях нечеткой исходной информации

На правах рукописи

Беляев Павел Вячеславович

ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ ВИБРОДИАГНОСТИКИ МАГИСТРАЛЬНЫХ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СТАНЦИЙ В УСЛОВИЯХ НЕЧЕТКОЙ ИСХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Специальность 05.11.13 - «Приборы и методы контроля

природной среды, веществ, материалов и изделий»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 ИЮН 2011

Москва, 2011

4850004

Работа выполнена в ГОУ ВПО Московском государственно университете приборостроения и информатики (МГУПИ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Шатерников Виктор Егорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шахнин Вадим Анатольевич кандидат технических наук, доцент Кананадзе Сергей Сергеевич

Ведущая организация: ЗАО НИИИН МНПО «Спектр»

Защита состоится «28» июня 2011г. в _ часов на заседании

диссертационного совета Д 212.119.01 в Московском государственном университете приборостроения и информатики (МГУПИ) по адресу: 107996, Москва, ул. Стромынка, д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПИ.

Автореферат разослан « »__2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

и Зо В.В. Филинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Для перехода к обслуживанию по фактическому состоянию магистрального насосного агрегата (МНА) требуется использование надёжных достоверных и эффективных методов и средств их вибродиагностики. Анализ современных средств вибродиагностики, ведущих производителей, таких как НПП «ВиКонт», МНПО «Спектр», «Глобалтест», «Главдиагностика», Bentley Nevada (США), EPRO (Германия), Брюль & Къер (Дания) показывает, что основным недостатком имеющегося оборудования является сравнительно низкая достоверность результатов вибродиагностики в условиях нечёткой исходной информации. Использование существующих диагностических моделей не может обеспечить требуемую достоверность средств вибродиагностики, необходимую для перехода на обслуживание магистральных насосных агрегатов по фактическому состоянию.

Представленная работа направлена на повышение достоверности средств вибродиагностики путём применения в вибродиагностической модели магистрального насосного агрегата методов теории нечёткого управления, и направлена на решение актуальной проблемы, имеющей важное значение для обеспечения эффективной безаварийной работы магистральных насосных агрегатов.

Состояние проблемы. Отсутствие в настоящее время универсальной и эффективной диагностической модели связано с тем, что изменение значений вибрационных параметров зависит не только от технического состояния магистральных насосных агрегатов, но и условий их эксплуатации, таких как режимы перекачки нефти, влияние сезонных факторов и др. Большое при оценке технического состояния агрегата приобретает учёт влияния кавитационных процессов на изменение информативных параметров. Так же актуальной является задача исследования и оптимизации сигналов систем вибродиагностики при воздействии случайных возмущающих факторов. Интенсивность и спектральный состав сигналов от вибрации элементов и узлов

3

магистрального насосного агрегата обусловлены гидродинамическими и механическими источниками - неуравновешенностью силы инерции движущихся масс и возмущения в подшипниках, вихреобразованием в потоке нефти, неоднородностью, турбулентностью потока, пульсацией давления, кавитацией и др.

Так, например, при переходе от режима бескавитационной работы к режиму с газовой кавитацией происходит резкое возрастание вибрации в диапазоне частот 1000-10000 Гц.

Прямые признаки состояний магистральных насосных агрегатов при их вибродиагностике обычно недоступны для непосредственного измерения, поэтому измеряют связанные с ними косвенные параметры вибрации.

Информационные признаки оказываются завуалированными при действии кавитационных процессов. В частном случае выделение полезного сигнала на фоне помех является отражением существующих проблем и сложностей в области построения диагностических моделей.

Применяемые для этих целей методы фильтрации (частотной селекции), стробирования (временной селекции), синхронного (когерентного) накопления, демодуляции (амплитудной и фазовой) и др. не позволяют эффективно и в полной мере решать данную задачу вибродиагностики.

Наиболее целесообразно в качестве диагностических признаков использовать различные характеристики огибающей кривой сигналов, полученной в результате детектирования: спектральные, корреляционные, кепстральные и др.

Однако, несмотря на многочисленные работы в этом направлении, на современном этапе отсутствует какая-либо приемлемая процедура выявления информативных диагностических признаков. Не разработана также оптимальная диагностическая модель, реализующая базисную систему сигналов при диагностике магистральных насосных агрегатов.

Таким образом, разработка новых диагностических моделей и создания на их основе надёжной и эффективной автоматизированной системы вибродиагностики магистральных насосных агрегатов является актуальной

4

научно-практической задачей, на решение которой направлена представленная диссертационная работа.

Цель диссертационной работы. Целью представленной работы является разработка методов и средств повышения достоверности вибродиагностики и оценки технического состояния магистральных насосных агрегатов нефтеперекачивающих станций за счет наиболее эффективного использования априорной информации о сигнале и помехах и применения современных достижений в области интеллектуальных систем и теории нечеткого управления.

Для достижения этой цели решены следующие задачи:

1. Проведён анализ методов и средств вибродиагностики магистральных насосных агрегатов нефтеперекачивающих станций, определено направление исследований и пути достижения поставленной цели.

2. Разработан математический аппарат обработки информативных параметров вибродиагностики различными методами.

3. Проведены исследование и анализ информативных сигналов с учётом нечёткой исходной информации и определены способы повышения их достоверности.

4. Разработан математический аппарат и принципы построения функций принадлежностей нечётких вибросигналов.

5. Исследованы особенности построения нечёткой системы вибродиагностики, разработаны алгоритмы и программные средства обработки вибросигналов и методы и средства повышения достоверности вибродиагностики МНА

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе были использованы методы теории нечетких множеств и нечёткой логики, теории вероятностей и математической статистики, Марковской теории оптимальной нелинейной фильтрации, теории случайных процессов, в том числе виброударных процессов, а также методы математического моделирования с применением ЭВМ.

Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:

1. Математический аппарат обработки вибросигналов в системе вибродиагностики МНА на основе нечёткой логики, который позволяет повысить достоверность диагностики за счет отстройки от мешающих факторов программными средствами.

2. Алгоритм построения функции принадлежностей нечётких вибросигналов, позволяющий за счет выбора наиболее информативных признаков повысить надежность и быстродействие системы вибродиагностики МНА.

3. Методы обработки и анализа информативных сигналов, с учётом условий нечёткой исходной информации при одновременном воздействии кавитационных процессов, на основе которых разработаны рекомендации по повышению достоверности вибродиагностики.

Достоверность полученных результатов. Обоснованность и достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, подтверждены расчетами, моделированием систем вибродиагностики и данными экспериментальных исследований и практичекого использования алгоритмов и программных средств в реальных вибродиагностических системах типа "СВД-2010" и "НС-Вибро"

Практическая ценность. Разработанные математические модели и алгоритмы обработки сигналов вибродиагностики магистральных насосных агрегатов позволяют повысить достоверность, эффективность, и расширяют функциональные возможности разрабатываемых новых средств вибродиагностики.

1. Даны рекомендации по построению системы вибродиагностики магистральных насосных агрегатов нефтеперекачивающих станций на основе разработанных алгоритмов обработки и анализа вибросигналов.

2. Получена методика и алгоритм расчета функций принадлежностей в системе вибродиагностики.

Полученные результаты позволяют осуществить обслуживание магистрального насосного агрегата по фактическому состоянию их элементов и узлов, что уменьшает среднее число послеремонтных отказов и улучшает надёжность работы нефтеперекачивающей станции.

Реализация результатов работы. При создании системы вибродиагностики «СВД-2010» в ООО «АКА-Контроль» использовалась методика расчёта управляющих действий в нечёткой системе вибродиагностики, предложенные алгоритмы обработки сигналов и модели процессов, протекающих в нечёткой системе вибродиагностики.

В разработанной ООО «ГлобалТест» системе вибродиагностики использовлись алгоритмы выбора информативных параметров и способ выделения полезного сигнала при одновременном воздействии кавитационных процессов.

В системе вибродиагностики магистральных насосных агрегатов «НС-Вибро», разработанной ООО «ГлавДиагностика», использовалась функциональная схема нечёткой системы вибродиагностики и алгоритмы обработки результатов при наличии неопределённости в получаемой информации.

Апробация работы. Основные теоретические и практические результаты работы доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях: XIII Всероссийская НТК «НОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» (Москва 19-21 апреля 2010 г.), XIII Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики» (Сочи, октябрь 2010г.), X европейская НТК по неразрушающему контролю и диагностике. (Москва 7-11 июня 2010г.)

Публикации. Теоретические и практические результаты работы диссертационной работы опубликованы в 7 печатных трудах, из них 2 в рекомендованных ВАК изданиях.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, изложена на 157 страницах. Библиография работы включает 72 наименования.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Математические методы обработки вибросигналов, в нечеткой системе вибродиагностики МНА, и повышения достоверность результатов диагностики за счет отстройки от мешающих факторов программными средствами.

2. Алгоритмы построения функции принадлежностей нечётких вибросигналов, позволяющие повысить надежность и быстродействие системы вибродиагностики МНА за счет выбора наиболее информативных параметров относительно заданной функции принадлежностей.

3. Принцип построения системы вибродиагностики магистральных насосных агрегатов, основанный на методах и средствах теории нечётких множеств.

4. Математический аппарат для обработки и анализа информативного сигнала вибро диагностики с учётом условий нечёткой исходной информации при одновременном воздействии кавитационных процессов, на основе которого разработаны рекомендации по повышению достоверности результатов вибродиагностики.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении изложено обоснование актуальности темы, раскрыты цели и задачи проводимых исследований. Указывается, что современные системы вибродиагностики МНА НПС являются компьютеризированными аппаратно-программными комплексами. Поэтому приоритетной задачей является разработка новой вибродиагностической модели.

Сформулированы цели и задачи и приведены новые научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведён анализ источников и причин вибрации МНА, подробно рассматривается вопрос возникновения дефектов различной природы

8

в элементах и узлах агрегата. На рис 1. приведены основные причины

возникновения вибрационных электромеханической системы нефтеперекачивающей станции.

ВОЗБУДИТЕЛЬ

процессов в магистрального

МУФТА

различных частях насосного агрегата

1 — ДВИГАТЕЛЬ — т

— ч

Шлейф

Электрические Аэродинамические Механнческве Гидродинамические

Двоякая жёсткость ротора Пульсация воздушного потока Неуравновешенность ротора Кавитация

Прогиб вала Вихреобразо ванне потоков нефти

Перекос напряжения фаз

Трещина вала

Перемагничивакие активного железа статора Неоднородность потока

Неравномерность зазоров в подшипниках скольжения

Турбулентные пульсации давления

Эксцентриситет ротора и статора

Автоколебания вала на масляном клине

Пульсация магнитного потока

Несоосность валов

Дефекты подшипника качения

Неплотность механических соединений

Недостаточная жесткость крепления

Рис.1 Основные причины вибрации, вызываемой дефектами МНА.

Рассмотрены средства вибродиагностики магистральных насосных агрегатов. Делается вывод, что все существующие современные средства вибродиагностики не удовлетворяют предъявляемым эксплуатационным требованиям. Современный уровень развития вибродиагностики независимо от типа применяемых средств требует увеличения их функциональных возможностей, что можно сделать только за счёт улучшения диагностической модели и алгоритмов программного обеспечения.

Приведены известные диагностические модели и методы вибродиагностики магистральных насосных агрегатов и сделан их анализ. При этом, как наиболее информативный, выделен метод, реализованный на спектрально-корреляционной процедуре обработки информации с датчиков

вибрации. Точки размещения этих датчиков в типовой системе вибродиагностики магистрального насосного агрегата представлены на рис.2.

згщ

под ппн

зпн

В|вш в

Рис.2 Схема расположения датчиков вибрации МНА при инспекционном обследовании запоминающими виброметрами. Обозначения на рисунке:

ЗПД; ППД - задний и передний подшипник двигателя ППН; ЗПН - передний и задний подшипники насоса РУП - радиально-упорный подшипник ВШ и НШ - всасывающий и нагнетательный шлейф АД и АН - анкер двигателя и насоса

(треугольниками обозначены Г,В,О -измерения соответственно в горизонтальном, вертикальном и осевом направлениях)

На основании проведенных исследований определены методы оптимизации и разработки вибродиагностической модели путём применения нечёткого логико-лингвистического подхода к анализу поступающего в систему вибросигнала, сделана постановка задачи для исследования модели, а также рассмотрены уровни систем вибродиагностики.

В работе проведён анализ вибросигналов и их математических моделей, приведены известные математические модели информационно-диагностических признаков, рассмотрены математические модели аддитивных

помех и искажений и алгоритмы получения оценок информационно-диагностических признаков сформулирована задача повышения достоверности средств вибродиагностики магистральных насосных агрегатов. Блок-схема рассматриваемой системы вибродиагностики приведена на рис.3

шина 1^232

Рис 3. Блок-схема портативной системы вибродиагностики.

1- датчик вибрации с встроенным предусилителем; 2- датчик оборотов; 3-нормирующий усилитель; 4- Блок ФНЧ и ФВЧ; 5- масштабный усилитель; 6-блок интеграторов; 7- блок детекторов; 8- счетчик импульсов; 9-микропроцессорный блок управления; 10- блок сравнения; 11- задатчик допустимых уровней; 12- бок индексации; 13- блок внутренней памяти; 14-блок внешней памяти (флеш-карта); 15- блок питания.

Для повышения достоверности представленной системы вибродиагностики необходимо разработать новое программное обеспечение микропроцессорного блока управления (9).

Во второй главе приведёны математические модели и математический аппарат обработки информационно-диагностических сигналов различными методами, а также результаты исследования и разработки алгоритмов выделения полезных сигналов на фоне виброударных процессов. Для этого в данной главе применяется Марковская теория оптимальной нелинейной фильтрации.

Рассмотрено влияние кавитации на вибрационные процессы в МНА при возникновении дефектов в его элементах. Указанную вибрацию можно считать частью виброударных процессов, т.е. на интервале времени, который выбирается намного большим, чем время корреляции мешающих параметров, но намного меньшим, чем время корреляции полезного параметра сигнала, кавитационную случайную вибрацию можно рассматривать как отдельный стационарный процесс.

Диагностическая модель определяет зависимость информативной системы признаков с совокупностью параметров состояния, характеризующих неисправность. Поэтому с целью решения задачи вибродиагностики, позволяющей выделить полезный сигнал на фоне аддитивной шумовой помехи, за основные информативные факторы приняли амплитуду, частоту и фазу вибросигналов.

Для обеспечения задачи оптимальной фильтрации случайного вибросигнала при флуктуирующих фазе ф(0, амплитуде А(Ч), и задержке т(0 было составлено и решено уравнение для оценки вектора состояния. Получены уравнения оптимальной фильтрации, которые представляют собой математическую модель системы, обеспечивающей вибродиагностику в условиях навигационных явлений.

ф = ~и,х(()А&{1 - т)5т(ш0( + ф)

"а

"о

* = -х(г-т0) + К„~ и„ + ф)

К» Л

где ф, А, } - производные фазы, амплитуды и временного сдвига (задержки) соответственно, коэффициенты. ^ТГ,КЛЛ,К„ получены в условиях Гауссовой аппроксимации

Однако, решение этого нелинейного дифференциального уравнения, является сложной задачей. Поэтому в теории используются различные методы аппроксимации алгоритмов нелинейной фильтрации для определения

приближенной оптимальной оценки вектора состояния. В частности, полагают апостериорное распределение нормальным. Но и в этом случае решение уравнения оптимальной фильтрации является затруднительным.

Для успешного решения поставленной задачи рациональнее использовать методы и средства теории нечетких множеств. Они позволяют разработать диагностические модели при аппроксимации реальных процессов нечеткими. С этой целью во второй главе диссертации приведены результаты теоретических и практических исследований особенностей теории нечетких множеств и применения ее методов и средств для решения поставленной задачи вибродиагностики МНА нефтеперекачивающих станций. В частности, дан сравнительный анализ способов математического описания нечетких множеств и рассмотрен общий принцип синтеза системы вибродиагностики МНА с нечеткой логикой, приведены особенности применения методов теории нечетких множеств.

Проведён анализ способов математического описания нечеткого множества позволивший сформулировать общий принцип синтеза в теории нечетких множеств, который заключается в следующем:

Последовательность управлений и0,и,,и2,...и„, (и - конечное множество управляющих действий) удовлетворяющих заданным нечетким ограничениям С^ и обеспечивающих достижение нечеткой цели Сп при заданных начальных условиях, Т(); 4' - конечное множество состояний динамической системы Решение задачи определено в виде:

= МЮ), (2)

При этом выводным правилом логической системы служит максимальная степень принадлежности нечеткому решению:

//((70, Е7,, £725.. Д,,) = шахтт^Д^), /V, (С/, ),...//„ ((У,,), )}, (3)

V,

Чертой сверху в формуле обозначены управления, обеспечивающие максимизацию решения задачи.

Здесь /4£70, £7,, ¿72..(7„,) = шахтах т;п[у0 (С/0),((7, ),, (7„)]) (4)

¡VI

Уравнение (4) после несложных преобразований имеет вид:

МЦ, Д Д ,.Д,) = maxmin|//0 ([/„ ),/;, (¡7, ),.. ),maxmm^(i/„ {/(V„,I/„ )}]j. (5)

где ¡шшш(//,(!/,),/1,„„{/(Ч^Д)}] представляет собой функцию, которая при

выбранном управляющем действии Un на интервале 0...п есть максимальная степень достижения заданной цели.

Для решения данной задачи используем систему рекуррентных соотношений вида:

) = ......(4V,+1)}, где = /(¥„.Д.,.). (6)

Таким образом, имея функции ,_,),...¿70(Н'0), по заданному

начальному состоянию и на основе уравнений состояния системы определено в обратном порядке максимизирующее решение.

В третьей главе рассмотрены особенности теории нечетких множеств, модель процессов, протекающих в нечеткой системе вибродиагностики магистральных насосных агрегатов, составлен алгоритм для управляющих действий в нечетких системах вибродиагностики магистральных насосных агрегатов и сформулирован принцип построения системы вибродиагностики с нечеткой логикой.

Разработаны моделей процессов, протекающих в нечеткой системе вибродиагностики МНА, и алгоритмы для управляющих действий.

Принцип обработки и анализа сигналов системы вибродиагностики на основе методов и средств теории нечётких множеств состоит в следующем.

1) При аппроксимации случайных процессов нечёткими значениям переменных, описывающим случайный процесс (например, A(t) q>(t),) присваиваются, используя семь основных размытых подмножеств: ПБ, ПС, ПМ — соответственно значения положительные большое, среднее и малое; НО — ноль; ОМ, ОС, ОБ — отрицательные малое, среднее и большое значения.

2) Управляющие действия, как и переменные состояния, могут быть определены субъективно. Однако, учитывая связь между входными и

14

выходными переменными, можно построить управляющие правила для определения вероятностей в терминах декартова произведения нечетких множеств Л; в Х|, ¡=1,2,...п, и составлением композиции или с применением понятия функции полезности.

3) Выход каждого правила является размытым подмножеством, которое определяет степень возможных значений управляющих размытых переменных. Процедура выбора управляющего действия зависит от степени принадлежности.

Для решения задачи вибродиагностики МНА НПС требовалось определить модель алгоритмов для управляющих действий:

Когда заданы счетные множества А[ и А2 и х — элемент Аь у — элемент А2; множество упорядоченных пар (х, у) определяет декартово произведение А1хА2, при этом рассматриваются только бинарные нечеткие отношения.

Нечеткое отношение Я определяется в этом случае как нечеткое подмножество, принимающее свои значения в М, где М - конечное упорядоченное множество принадлежностей элементов множества, А]хА2 то есть \/(х,у) еЛ, хЛ2:ц„(х,1}>) еМ, где ц„(х,у) — плотность нечеткости, значение которой понимается как субъективная мера отношения хе А,,уе А2 -.хЯу\ функция носит название функции принадлежности.

Если л, = {х,,*,,^} и А2 = {у,,у2,у3}, то определяет нечеткое

подмножество, в котором минимализируется функция принадлежности > У;) = ттК, (*,). 1 = 1,2,3 1,2,3.

Функция принадлежности расплывчатой импликации Я (если А, то В) задана в виде:

МЛ*,У) = тт\рл{х)-,цв(у)\х е Х,у с У (7)

Тогда для найденного Я и заданного А1 находим нечеткое множество В' из нечеткого реляционного уравнения В' = А'од или

Мг(*>у) = тахтш[/^.(х);,^*,_>>)].* е Х,у е У (8)

Это соотношение называется составным (композиционным) правилом логического вывода.

Математический смысл в этом случае представляется в разных видах: ( если «сигнал на входе большой», то «на выходе сигнал средний», или, I если «сигнал на входе средний», то «на выходе сигнал маленький», и т.д.

Функция принадлежности расплывчатой (нечеткой) импликации Л, составленной из двух импликаций: г если А1,тоВ1, или, V если А2, то В2, имеет вид

М*{х,у) = тах {тт|д4| (х);^ (>>)}т1п|/г<г (х);//*г (у)]} (9)

В качестве примера применения правила для оценки технического состояния элементов и узлов МНА в СВД, в которых может быть использован алгоритм для построения функций принадлежностей системы с нечёткой логикой:

(ОМ, ПМ)=>НО, (10)

Где ОМ - отрицательное малое, ПМ - положительное малое, НО - ноль.

Последнее обстоятельство означает, что если «ошибка есть отрицательное малое» и «изменение ошибки есть положительное малое», то «изменение в действии есть ноль» и т.д.

Полные правила приведены в виде таблицы 2.

В алгоритме для управляющих действий нечеткой логической системы для обозначения ошибки слежения введен параметр е, а в качестве изменения ошибки - е. Тогда изменение в действии есть параметр и=у.

Однако, рассмотренный алгоритм построения функций принадлежностей нечётких вибросигналов не является универсальным, поскольку при эксплуатации МНА происходит изменение информативных признаков вследствие изменений не только технического состояния МНА, но и условий вибродиагностирования. В частности, на изменение информативных признаков оказывают влияние условия работы агрегата, например, режимы перекачки

нефти. К причинам изменения значений вибродиагностических признаков при неизменном состоянии агрегата можно отнести флуктуации частоты вращения. Таблица 2.

если с = ОБ и е = ие(ОБилиОС), тоу = ПБ если е = ОБилиОС и е = ОМ, тоу=ПС если е = ОМ и е = ПМ или- НО, тоу = ПС

если е = +НО и Ё = ПБили ПС, то у = ПС или ОС если е = ±НО и е-ОБилиОС, то у, =ОСшиПС, у2 = ПСилиОС, у, = ПС если е = ±НО и £=- НО, то у=-НО

если е = ПМ и ё=ПМили-НО то у = ОС если е = ПБилиПС и е = ОМ, тоу=ОС если е = ПБ и е = не(ОБилиОС), тоу = ОБ

В общем случае нечеткий подход к выбору управляющих стратегий при проектировании систем вибродиагностики позволит повысить не только технико-экономическую эффективность систем диагностирования элементов и узлов МНА НПС, но и надёжность вибродиагностики и перейти к обслуживанию по реальному состоянию агрегата.

В четвертой главе рассмотрены особенности построения нечеткой системы вибродиагностики и приведена расчётная модель обработки вибросигналов нечёткой системе вибродиагностики.

Показано, что в пространстве состояний нечеткий регулятор можно описать с помощью следующих уравнений:

U = x,

OD

где х — вектор состояния контроллера; е — его входной сигнал; и -выходной сигнал.

Исследуя полученную систему уравнений, можно выполнить анализ и синтез нечеткого регулятора. В работе представлен расчет и моделирование на ЭВМ нечеткой СВД для одной компоненты вектора состояния.

Если А, и А, - нечеткие множества, то пересечением А, пА, нечетких множеств будет функция принадлежностей вида:

Если х = {0; 1; 2; 3; 4; 4,5; 5; 5,5; 6; 7; 8}, при этом А, = 0/2 + 0,9/3 +'А + 0,6/6 + 0/7 и А,= 0/2 + 0,7/3 + 1/5 + 0,4/6 + 0/7,

то в соответствии с определением пересечения будем иметь множество вида:А, пА, = 0/2 + 0,7/3 + 0,9/4,5 + 0,7/5,5 + 0,4/6 + 0/7

Графическая интерпретация операции пересечения показана на рис. 4, где введены следующие обозначения: рА (х) - график первой функции; ЦАДх) -график второй функции; ц (х) - результирующий график приведён на рис.5.

Пусть е = А,и ¿ =А,,то в общем случае U = А, пА,. Однако, перед тем, как выбрать из таблицы 2 функцию Ц,;(х), она нормируется. График функции ц"°'Л'(х) в соответствии с указанной процедурой показан на рис. 6. Тогда из графика, представленного на рис. 6, будем иметь

(А, о А,)"4"1 = 0/2 + 0,78/3 + '/4,5 + 0,78/5,5 + 0,45/6 + 0/7 Таким образом, применение в СВД методов теории нечеткого управления позволяет повысить быстродействие системы. Системы вибродиагностики с нечеткой логикой обладают высокой технической надежностью и высокой устойчивостью по отношению к внутренним и внешним возмущениям.

H(x) = min {цА,(х), цАДх)}.

(12)

\

°° - И 00 Ч

ч

0.7 г" Л

\

05 \ ■

\.

\

3.5 4 4 5 5 5 5 б

Рис.5. Результирующая функция принадлежности

Для решения поставленной задачи вполне применимы современные цифровые системы вибродиагностики, которые являются наиболее совершенными системами по своим алгоритмическим возможностям. При этом низкая Рис. б. Нормированная функция алгоритмическая сложность позволяет

принадлежности 1 использовать маломощные ЦВМ.

Отметим, что логико-лингвистический (нечеткий) подход к выбору управляющих стратегий может быть принят за основу при синтезе систем СВД.

Также в четвертой главе приведены требования к аппаратным и программным средствам вибродиагностики (рекомендации по оценке технического состояния МНА) в условиях нечеткой аппроксимации связи спектральных составляющих вибрации со структурными параметрами элементов и узлов МНА. Отмечено, что устройство, реализующее алгоритм, может работать в реальном масштабе времени, если длительность вычислений на микропроцессоре одного шага не превышает интервала времени между поступлениями импульсов, то есть частота следования импульсов не более 5000 Гц, если быстродействие микропроцессора 106 оп/с и все операции выполнены последовательно.

На, 00. И а, 00.

С- \

041-1-------«-1

3 35 4 45 5 55 6

Рис. 4. Наложение функций принадлежности

В конце данной главы даны оценки функциональных возможностей нечеткой СВД, что позволит сделать первые практические шаги на пути перехода к обслуживанию МНА по его реальному техническому состоянию, а также приведены результаты использования и внедрения материалов данной работы в промышленности. Так при создании системы вибродиагностики «СВД-2010» в ООО «АКА-Контроль» использовалась методика расчёта управляющих действий в нечёткой системе вибродиагностики, в разработанной ООО «ГлобалТест» системе вибродиагностики магистральных насосных агрегатов нефтеперекачивающих станций использованы алгоритмы выбора информативных признаков, структура системы вибродиагностики с нечёткой логикой и способ выделения полезного сигнала при одновременном воздействии кавитационных процессов, а в разработанную ООО «ГлавДиагностика» систему вибродиагностики магистральных насосных агрегатов «НС-Вибро» внедрены функциональная схема нечёткой системы вибродиагностики для работы в условиях неопределённости при недостаточно полном объёме получаемой информации и алгоритмы обработки результатов виброизмерения при наличии неопределённости в получаемой информации. Результаты использования и внедрения подтверждены соответствующими актами, имеющимися в приложении.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В работе получены следующие новые результаты:

1. Разработан математический аппарат для обработки вибросигналов, в системе вибродиагностики МНА на основе нечёткой логики, который позволяет повысить достоверность диагностики за счет отстройки от мешающих факторов программными средствами.

2. Предложен алгоритм построения функций принадлежностей нечётких вибросигналов, позволяющий за счет выбора наиболее информативных признаков повысить надежность и быстродействие системы вибродиагностики МНА.

3. Сформулирован - принцип построения системы вибродиагностики с нечеткой логикой.

4. Разработаны методы обработки и анализа информативных сигналов, с учётом условий нечёткой исходной информации при одновременном воздействии кавитационных процессов.

5. Выработаны рекомендации по проведению вибродиагностического обследования и обслуживания МНА НПС на основе известных портативных запоминающих коллекторов - анализаторов с учетом новых моделей процессов и алгоритмов.

6. Предложена математическая модель полезного сигнала, формируемого элементами и узлами МНА при одновременном воздействии кавитационных процессов. Выработаны рекомендации по использованию модели.

7. Полученные новые результаты позволяют осуществить обслуживание нефтеперекачивающей станции по фактическому состоянию элементов и узлов магистрального насосного агрегата, что уменьшает среднее число послеремонтных отказов и улучшает надёжность работы агрегата.

8. Использование разработанных методов и алгоритмов, позволило создать вибродиагностическую систему, имеющую высокую степень адаптации к влиянию внешних факторов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Беляев В.П., Шатерников В.Е. Постановка задачи диагностики элементов и узлов магистральных насосных агрегатов. - «ВЕСТНИК МГУПИ» № 29, Москва, 2010. (с.4б-53) Личный вклад автора 75%

2. Беляев В.П., Шатерников В.Е. Принцип построения системы вибродиагностики с нечеткой логикой. - «ВЕСТНИК МГУПИ» № 29, Москва, 2010. (с.3-7) Личный вклад автора 80%

3. Беляев В.П., Шатерников В.Е. Модель алгоритмов для управляющих действий в нечетких системах вибродиагностики магистральных насосных агрегатов. - «Контроль. Диагностика», № 10, Москва, 2010. (с.27-29) Личный вклад автора 75%

4. Беляев В.П., Шатерников В.Е. Особенности расчета нечеткой системы вибродиагностики. - «Контроль. Диагностика», № 9, Москва, 2010. (с.26-28) Личный вклад автора 85%

5. Беляев В.П. Об исследовании цифро-аналогового преобразователя применительно к нечетким системам управления. - Научные труды XIII Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики», Москва, 2010 (Сочи: 04-08 октября 2010). (с. 18-23) Личный вклад автора 70%

6. Беляев В.П., Шатерников В.Е. Об исследовании аналого-цифрового преобразователя применительно к нечетким системам управления. - Сборник трудов XIII ВСЕРОССИЙСКОЙ НТК «НОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ», МГУПИ, 19-21 апреля, Москва, 2010. (с.139-145) Личный вклад автора 70%

7. Беляев В.П., Шатерников В.Е. Об ошибках аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования в нечетких системах управления. -Сборник трудов XIII ВСЕРОССИЙСКОЙ НТК «НОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ», МГУПИ, 19-21 апреля, Москва, 2010. (с.145-150) Личный вклад автора 75%

Подписано к печати 26.05.2011 г. Формат 60x84. 1/16. Объем 1,25 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 92.

Московский государственный университет приборостроения и информатики

107996, Москва, ул. Стромынка, 20

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ВИБРОДИАГНОСТИКИ МАГИСТРАЛЬНЫХ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ.

1.1. Анализ источников и причин вибрации магистральных насосных агрегатов.

1.2. Средства вибродиагностики магистральных насосных агрегатов.

1.3. Диагностические модели и методы вибродиагностики магистральных насосных агрегатов.

1.3.1 Уровни систем вибродиагностики.

1.3.2. Вибросигналы и их математические модели.

1.3.3. Математические модели информационно-диагностических признаков.

1.3.4. Математические модели аддитивных помех и искажений и алгоритмы получения оценок информационно-диагностических признаков.

1.4. Постановка задачи.

ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ СТРАТЕГИЙ ВИБРОДИАГНОСТИКИ В УСЛОВИЯХ НЕЧЕТКОЙ ИСХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ.

2.1. Синтез алгоритмов обработки информационно-диагностических сигналов методами теории оптимальной нелинейной фильтрации.

2.2. Применение теории нечетких множеств в автоматическом управлении

2.2.1. Теоретическая часть.

2.2.2. Практическая часть.

2.3. Особенности применения методов теории нечетких множеств.

2.3.1. Анализ способов математического описания нечеткого множества.

2.3.2. Общий принцип синтеза в теории нечетких множеств.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ПРИ АППРОКСИМАЦИИ РЕАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ НЕЧЕТКИМИ.

3.3. Модель алгоритмов для управляющих действий в нечетких системах вибродиагностики магистральных насосных агрегатов.

3.4. Принцип построения системы вибродиагностики с нечеткой логикой.

ГЛАВА 4. РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СВД.

4.1. Особенности построения нечеткой СВД.

4.2. Расчет и моделирование на ЭВМ нечеткой СВД для одной компоненты вектора состояния.

4.3. Переходной процесс в нечеткой СВД.

4.4. Выработка требований к аппаратным и программным средствам вибродиагностики МНА.

4.5. Программное обеспечение и алгоритмы диагностики состояния узлов и агрегатов МНА НПС.

4.6. Аппаратная реализация системы вибродиагностики.

4.7. Функциональные возможности нечетких систем вибродиагностики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе теоретических и экспериментальных исследований диагностических моделей и разработки автоматизированной системы вибродиагностики МНА НПС получены следующие новые результаты:

1. Математический аппарат обработки вибросигналов в системе вибродиагностики МНА наюснове нечёткой*логики, который позволяет повысить достоверность диагностики за счет отстройки от мешающих факторов программными средствами:

2. Алгоритм построения'функции принадлежностей нечётких вибросигналов, позволяющий за счет выбора наиболее информативных признаков повысить надежность и быстродействие системы вибродиагностики МНА.

3. Методы обработки и анализа информативных сигналов, с учётом условий нечёткой исходной информации при одновременном воздействии кавитационных процессов, на основе которых разработаны рекомендации; по повышению достоверности вибродиагностики.

Полученные новые результаты позволяют осуществить обслуживание, динамического объекта по фактическому состоянию элементов и узлов МНА, что уменьшает среднее число послеремонтных отказов и улучшает надёжностные характеристики агрегата. Обслуживанию по фактическому состоянию свойственна индивидуализация.< содержания и сроков проведения регламентных работ для каждого конкретного МНА.

Благодаря гибкому программному обеспечению, разработанным методам и алгоритмам, система показала высокую степень адаптации к влиянию внешних факторов и возможность корректировки диагностических моделей.

Ее использование позволило определить наиболее часто встречающиеся дефекты МНА на контролируемых НПС. Одним из основных практических результатов внедрения АСВД явилось заметное улучшение оценки технического состояния МНА, о чем свидетельствует характер трендов: более 80 % трендов вибрации в точках контроля^ являются "падающими'.

145 ' '

1. Руководство по организации эксплуатации и технологии технического обслуживания и ремонта оборудования и сооружений НПС. РД 153-39ТН-008-96, Уфа, 1997.

2. Богатенков Ю.В. Исследование диагностических моделей и разработка автоматизированной системы вибродиагностики МНА НПС. М.: МНПО «Спектр», диссертация на соискание ученой степени к.т.н., спец. 05.11.13, 1999.

3. Богатенков Ю.В., Кошель А.Г., Босамыкин В.А. и др. Виброзащита и вибродиагностика энергомеханического оборудования НПС. Контроль и диагностика, № 4.-М: Машиностроение, 1998.

4. Вибрация энергетических машин. Справочное пособие. Под ред. Н.В.Григорьева.-Л.: Машиностроение, 1974.

5. Гемке Р.Г. Неисправности электрических машин.- Л.: Энергия, 1969.

6. Иоффе Р.Л., Панченко В.И. К исследованию влияния чисел лопастей рабочих колес гидродинамических машин на их виброакустические характеристики. Машиноведение, №1.- М.: 1972.

7. Бейзельман Р.Д., Цыпкин Б.В. Подшипники качения.- М.: Машгиз,1960.

8. Ковальский В.Н., Гречинский Д.А., Рыгалин В.Г. Информационно-измерительные системы технической диагностики. Информприбор, №2.- М.: 1989.

9. Вибрации в технике. Справочник, в 6-ти томах. Измерения и испытания, том 5. Под ред. М.Д.Генкина.- М.: Машиностроение, 1981.

10. Ивченко В.Д., Ивченко Н.К. Диагностика технических систем.- М.: МГАПИ, 1998.

11. Биргер И.А. Техническая диагностика.- М.: Машиностроение, 1978.

12. Гусенков А.П., Айраметов Э.Л., Генкин М.Д., Соколова А.Г. Отчет о НИР "Создание средств вибродиагностики и обеспечение вибронадежности". ИМАШ им. А.А.Благонравова АН СССР, инв. № АЛ-1093 от 14.12.1987.

13. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов.- М.: Машиностроение, 1987.

14. Балицкий Ф.Я., Иванова М.А., Соколова А.Г., Хомяков^ Е.И. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов.- М.: Наука, 1984.

15. Карасев В.А., Ройтман А.Б. Доводка эксплуатируемых машин. Виброакустические методы.- М.: Машиностроение, 1986.

16. Александров A.A., Барков A.B., Баркова H.A., Шафранский В.А. Вибрация и вибродиагностика судового электрооборудования.- Л.: Судостроение, 1986.

17. Горелик А.Л., Скрипкин В.А. Методы распознавания.- М.: Высшая школа, 1984.

18. Ту Дж., Гонсалес Р. Принципы распознавания образов. Пер. с англ. под ред. Журавлева Ю.И.- М.: Мир, 1977.

19. Фу К. Структурные методы в распознавании образов.- М.: Мир, 1977.

20. Колмогоров А.Н., Фомин C.B. Элементы теории функций и функционального анализа.- М.: Наука, 1972.

21. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. -М.: Мир, 1974.

22. Заде Л.А. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений. М.: Мир, 1976.

23. Орловский С.А. Проблемы принятия решений при нечеткой исходной информации. — М.: Наука, 1981.

24. Репин А.И., Давыдов Ю.Т. Основы оптимизации и комплексирования бортовых информационных систем. М.: МАИ, 1996.

25. Борисов А.Н. и др. Обработка нечеткой информации в системах принятия решений. М.: Радио и связь, 1989.

26. Мамдани Е., Ассилиан С. Эксперимент по лингвистическому описанию устройства управления с размытой логикой. Int. J. Man-Machine Studies (1975), 1-13.

27. Прикладные нечеткие системы. Под ред. Т. Тэрано, К. Асаи, М. Сугэно. -М.: Мир, 1993.

28. Беляев В.П., Шатерников В.Е. Постановка задачи диагностики элементов и узлов; магистральных насосных агрегатов. М.: «ВЕСТНИК МГУПИ» № 29, 2010.

29. Попков В.И., Мышинский Э.А., Попков О.И. Вибродиагностика в судостроении.- JI.: Судостроение, 1989.

30. Богатенков Ю.В., Репин А.И., Ковальский В.Н".,. Босамыкин В.А. Особенности информационно-диагностической оценки, состояния МНА в условиях кавитационных явлений. Контроль и диагностика, №1.-М.: 1999.

31. Радиотехника, №1 (стр. 54), 1983.

32. Богатенков ТО.В., Орлов Н.А., Ковальский В.Н. Основные принципы построения системы НПС с использованием запоминающих виброметров. Научные труды 14-й Российской НТК "Неразрушающий контроль и техническая диагностика", 23-26 июня 1996 г., г. Москва.

33. Bogatenkov J.V., Orlov N.A. and Kovalsky V.N. Computer vibrodiagnostics application oil pumping station equipment. Manuscripts forproceeding of 14"' World Conference on non-destructive testing. New Delhi, India, 1996.

34. Богатенков Ю.В., Орлов H.A., Ковальский B.H., Текин А.И. Экспертная система вибродиагностики оборудования НПС. Научные трудысеминара "Энергосбережение и диагностика в нефтяной отрасли", 12-15 ноября 1996 г., г. Тюмень.

35. Акимов В.М. Основы надежности газотурбинных двигателей. М., Машиностроение, 1981.

36. Арефьев Б.В., Ковалев И.А. Исследование влияния теплового состояния фундамента и опор на вибрацию ГТУ типа ГЕ-100-3. -Энергомашиностроение, 1978, № 5, с. 47-48.

37. Банах Л.Я. Уменьшение порядка многомерных динамических систем. В кн.: Колебания в машинах и прочность, М., Машиностроение, 1977, с. 72-81.

38. Bar-Joserk P., Blech I.I. The Stability of. Flexible Rotor Supported by Circum-ferentially Fed-Journal bearings. ASME, 1977, F 99, N 4, pp. 469-477.

39. Chisholm Ronald. Techniques of vibration analysis applied to gas turbines. Gas Turbine Int. 1976, 17, N6, pp. 16-22.

40. Verchaltens hydrostatischer Spindel Lager - Systeme auf Digitalrechrenanlagen. Konstruktion, 1976, 28, '7, pp. 275-287.

41. Randall L. Fox. Previntive maintenance of rotating machinery ising Vibration detection Gronaud Steel Engineer. 1977, Vol.54, N4, pp. 52-60.

42. Roth Heinz. Schwingungsmessungen an Turbinenschaufeln mit optischen Metroden Brown Boveri Mitt, 1977, 64, N1, pp. 64-67.

43. Strub R.A. Betriebsmessungen von Schaufelbeanspruchungen in Industrieturbo-mashinen, MTZ., 1977, 38, N3, pp.101-102, 105.

44. Задирака B.K. Теория вычисления преобразования Фурье.- Киев: Наукова думка, 1983.

45. Ярлыков М.С. Применение Марковской теории нелинейной фильтрации в радиотехнике.- М.: Сов. радио, 1975.

46. Федосеев В.И., Широков Ф.В. ППИ, т. ХП, № 7, АН СССР, 1976.150

47. Первачев С.В. Радиоавтоматика. М.: Сов. радио, 1982.

48. Сосулин Ю.Г. Теория обнаружения и оценивания стохастических сигналов.- М.: Сов. радио, 1978.

49. Тузов Г.И. Статистическая теория приема сложных сигналов.- М.: Сов. радио, 1977.

50. Давыдов Ю.Т., Репин А.И. Основы оптимизации и комплексирования бортовых информационных систем.- М.: МАИ, 1996.

51. Орфеев Ю.В. Тюхтин B.C. Мышление человека и «искусственный интеллект». М.: Мысль, 1978.

52. Кибернетика живого: Человек в разных аспектах. М.: Наука' 1985. Сборник статей.

53. Левин Р., Дранг Д., Эделсон Б. Практическое введение в технологию искусственного интеллекта и экспертных систем с иллюстрациями на Бейсике. М.: Финансы и статистика, 1990.

54. Негойце К. Применение теории систем к проблемам управления. -М.: МИР, 1981.

55. Вентцель Е.С. Элементы теории игр. -М.: Физматгиз, 1959.

56. Ламперти Дж. Вероятность. -М.: Наука, 1973.

57. Пугачев B.C. Теория вероятностей и математическая статистика. -М.: Наука, 1979.

58. Репин А.И. Формализация процедуры принятия* решений в условиях нечеткой исходной информации. — Радиотехника, N11, 1991, с. 15-18.

59. Репин А.И. Расчет адаптивных систем управления. — Радиотехника, N 5-6,1992, с. 90-94.

60. Беляев П.В., Шатерников В.Е. Модель алгоритмов для управляющих действий и модели процессов в нечеткой системе вибродиагностики магистральных насосных агрегатов. М.: МЕЖДУНАРОДНАЯ НТК, НПО «СПЕКТР», июнь 2010.

61. Беляев П.В., Шатерников В.Е. Модель алгоритмов для управляющих действий в нечетких системах вибродиагностики магистральных насосных агрегатов. М.: «Контроль. Диагностика», № 9, 2010.

62. Калабеков Б.А., Мамзелев И.А. Основы автоматики и вычислительной техники. -М. Связь, 1980.

63. Беляев П.В., Шатерников В.Е. Принцип построения системы вибродиагностики с нечеткой логикой. -М.: «ВЕСТНИК МГУПИ» № 29, 2010.

64. Ориентация и навигация подвижных объектов. Под ред. Алешина Б.С., Веремеенко К.К., Черноморского А.И. М.: Физматлит, 2006.

65. Бромберг П.В. Теория инерциальных систем навигации. -М.: Наука,1979.

66. Беляев П.В., Шатерников В.Е. Об исследовании ЦАП применительно к нечетким системам управления. М.: XII ВСЕРОССИЙСКАЯ НТК «НОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ», МГУПИ, апрель 2010.

67. Беляев П.В., Шатерников В.Е. Об ошибках аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования в нечетких системах управления. М.: XII ВСЕРОССИЙСКАЯ НТК «НОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ», МГУПИ, апрель 2010.

68. Беляев П.В. Об исследовании АЦП применительно к нечетким системам управления. Сочи: Международная научно-техническая конференция, октябрь 2010.

69. Беляев П.В., Шатерников В.Е. Особенности расчета нечеткой системы вибродиагностики. М.: «Контроль. Диагностика», № 8, 2010.