автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Прогнозирование технического состояния фнукционально-самостоятельных элементов судовой энергетической установки

санкт-петербургский государственный

морской технический университет

ХРУЦКИИ Олег Валентинович

УДК 629.12.061.004.58

На правах рукописи

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНО-САМОСТОЯТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Специальность 05.08.05 — судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

санкт-петербург 1996

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор СЫРОМЯТНИКОВ В. Ф. Доктор технических наун, профессор СКОРОХОДОВ Д. а.

Доктор технических наук, профессор ШВЕЕВ В. и.

Ведущая организация — Центральный научно-исследовательский институт им. академика А. Н. Крылова.

в час. на заседании специализированного совета Д 053.23.02

при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу: 190008, Санкт-Петербург, Лоцманская, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Морского технического университета. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять в адрес специализированного совета.

Защита диссертации состоится

1997 г.

д. т. н., профессор

Ученый секретарь спет

Автореферат разом

ДЯДИК А. Н.

199 ¿Гг.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность. Б системе мероприятий, направленных на повышение уровня эксплуатации судовых энергетически установок (СЭУ), важная роль отводится диагностированию технического состояния функционально-самостоятельных элементов (ЗСЭ), являвшихся составными частями установки и способными самостоятельно функционировать также и вне состава СЭУ. К числу ФСЭ относятся, например, дизель, турбина, насос и т.п. По оценкам отечественных и зарубежных специалистов, введение в практику эксплуатации ФСЭ СЭУ технических средств диагностирования (ТСД) позволит снизить экономические затраты на техническое обслуживание в среднем на 20...25$. Ожидаемое снижение расхода тошгива при этом составит 1.. , вследствие обеспечения работы СЭУ в целом в режиме более точного .контроля отклонения параметров установки от расчетной рабочей точки при использовании дополнительной диагностической информации, что обеспечит минимально возможный удельный расход топлива при учете реального технического состояния ФСЭ. Также следует отметить, что регламентные/разборки ФСЭ не дают желаемого результата, так как, например, в период работы между сопрягаемыми деталями и узлами устанавливается другое сочетание размеров и зазоров, определяемое эксплуатационными факторами. Кроме этого, последующая сборка приводит к более интенсивному износу повторно в период приработки, что в соответствии с теорией надежности увеличивает интенсивность отказов деталей и узлов ФСЭ.

К настоящему времени в области практики эксплуатации ФСЭ сложилась ситуация, характеризующаяся тем, что разработки, связанные с повышением надежности не полностью оправдывашт себя, не достигнут требуемый уровень безотказности, а применяемые мероприятия не дают ожидаемого эффекта. Одна часть деталей и узлов ФСЭ

отказывает до наступления плановых сроков ремонта, другая часть, оказавшаяся в благоприятных эксплуатационных условиях и полностью работоспособная, направляется на ремонт преждевременно, в соответствии с планом. Бее это отражается не только на ритмичности загрузки специализированных цехов предприятий судостроительной промышленности, но и приводит к дополнительным затратам.

Альтернативой сложившейся ситуации и является использование ТСД. Шесте с тем, следует особо отметить, что техническое диагностирование станет более эффективным, если оно будет способно заранее предсказать возникновение предотказного состояния ФСЗ. Только тогда станет возможным так организовать процесс эксплуатации и спланировать ремонтно-профилактические работы, что функционированию судна будет в худшем случае нанесен возможно меньший ушерб, а на ремонтных предприятиях не возникнет неплановых работ или их будет минимум. Отсгда следует, что проблема прогнозирования технического состояния ФСБ СЕУ выходит на первое место.

В реферируемой диссертационной работе предложено решение данной проблемы на основе разработанной автором методологии прогнозирования технического состояния, базирующейся на едином математическом аппарате обработки временных рядов параметров вторичных физических полей, сопровождающих деграданионные процессы в ФСЭ при их эксплуатации..

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в разработке научных основ и практических рекомендаций по повышению уровня эксплуатации ФСЭ СсУ на базе использования информации о прогнозируемом изменении технического состояния. Для достижения поставленной цели потребовалась разработка:

логико-формального анализа СсУ как сложного системотехнического объекта прогнозирования со стабильной иерархической структурой, но деградирующим в процессе эксплуатации техническим состоя-

нием;

метода аналитического прогнозирования технического состояния типовых узлов, лимиткруюших работоспособность ФСЕ и установки в целом;

критериев выбора функции прогнозирования технического состояния из числа конкурирующих функций;

принципа определения необходимого числа измерений и моментов времени проведения измерений контролируемого параметра, характеризующего техническое состояние;

методологии организации процедуры прогнозирования технического состояния КЗ в условиях разного количества априорной информации;

алгоритма процедуры прогнозирования на основе результатов теоретических и экспериментальных иссследований.

Методы исследования.использованные в работе базируются на фундаментальных понятиях теории системотехники и теории иерархических многоуровневых систем, элементах теории информации и элементах обобщенного математического аппарата операционного исчисления, а также на экспериментальных исследованиях. Кроме того, в работе использованы обшие методы теории управления адаптивных систем.

На защиту выносится научно-обоснованная методология прогнозирования технического состояния ФСЕ СсУ на основе анализа временных рядов параметров вторичных физических полей деград анионных процессов.

Научная новизна результатов работы состоит в том, что: развита обшая теория прогнозирования технического состояния элементов судовой энергетики в части аналитических методов, основанных на анализе временных последовательностей ретроспективных и перспективных значений переменной объекта прогнозирования;

разработан принцип предварительного определения необходимого числа измерений контролируемого параметра и моментов времени выпол-

нения данных измерений на основе интервала прогнозирования и коэффициента отказа диагностируемого элемента;

предложен формализованный метод целевого выбора аналитического выражения функции прогнозирования из числа конкурирующих на основе ряда критериев;

разработан способ прогнозирования технического состояния с использованием диагностических уровней, характеризующих процентный запас работоспособности контролируемого объекта, защищенный авторским свидетельством;

предложен комбинированный принцип прогнозирующего управления техническим состоянием объектов на основе использования классических принципов управления с использованием перспективных значений контролируемой переменной.

Практическая ценность и реадазашя результатов. Практическая ценность работы состоит в создании научно-обоснованного метола прогнозирования технического состояния элементов судовой энергетики с сервисным математическим обеспечением, что позволит повысить уровень эксплуатации энергетических установок в целом и предотвратить наступление аварийных ситуаций вследствие "внезапных откезов".

Реализация заключается в использовании результатов работы в следующих направлениях:

в ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова при выполнении НИР А-Х11-160 и А-ХИ-Г76 в части разработки аналитических методов прогнозирования технического состояния оборудования судовых. энергетических установок;

в Военно-Морской Академии им. Н.Г.Кузнецова при выполнении ВИР 3550 "Обработка, в условиях эксплуатации локальной системы технического диагностирования";

в ЛенЕИИхиммаш при выполнении НИР "Разработка стендовой аку-стико-Емиссионной системы диагностирования установок по произвол-

ству гелия".

В учебном процессе:

в СПбГМТУ при написании учебного пособия "Введение в надежность и техническую диагностику судовых систем", учебных программ по дисциплинам "Проектирование систем технического диагностирования" и "Диагностирование технических средств автоматизированных систем управления";

в ША км, Н.Г.Кузнецова в курсе лекций "Основные положения технического диагностирования" и "Методы распознованпя используе-' мне при техническом диагностировании" по дисциплине "Прочность и надежность корабельных дизельных энергетических установок";

в девяти дипломных работах выпускников кафедры Судовой, автоматики и измерений СПбШГУ.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы доложены и обсуждены на:

научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбМТУ (1986 - 88 г.г);

семинаре "Проблемы технического диагностирования судовых энергетических установок" в НТО им. акад. А.Н.Крылова (1988г); .

межотраслевом научно-техническом совещании по диагностированию оборудования газоперерабатывающей промышленности г.Оренбург, (1989 г.) ;

всесоюзных научно-технических конференциях "Проблемы технической диагностики в задачах обеспечения и повышения эксплуатационной надежности судовых технических средств" г.Николаев,(1989г), г. Севастополь ,(1991г.);

тематическом семинаре "Проблемы технического диагностирования энергетических и электроэнергетических систем" в Доме ученых им. М.Горького (1990г.) ;

»

военно-технической конференции "Проблемы боевого использова-

ния вооружения и военной техники кораблей в современных условиях" в ВВИМУ г.Пушкин, (1996г.);

заседании постоянной секции "Судовые энергетические установки" Дома ученых им. М.Горького (1996г.) ;

заседании кафедры Судовой автоматики и измерений СПбГМТУ (1996г.) .

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 17 печатных работах обтим объемом около £ авторских печ.л. , а также изложены в технических отчетах по НЛР на 285 авторских машинописных листах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Ойший объем диссертации 263 страницы, в том числе основная часть 196 страниц, приложений 67 страниц. Работа содержит 41 рисунок, 15 таблиц^ Библиографий вкдачает 91 источник.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы и, в частности, подчеркнуто, что повышение надежности С£У — одна из основных и многоплановых проблем, вюшчаюшая в себя как научно-технические, так и организационные, экономические и социальный аспекты. Данная проблема должна рассматриваться в отношении всех этапов жизненного цикла С?У (создания, использования и ликвидации) , основным и важнейшим из которых является этап эксплуатации на основе научно-обоснованных мероприятий технического обслуживания и ремонта. В организации таких мероприятий ведугоая роль принадлежит технической диагностике, которая как щжкладная отрасль науки особенно интенсивно развивалась в'последние двадцать лет. В результате чего, благодаря работам В.Н.Еырина, Д.В.Гаскарова, -М.И.Левина, Е.Н.Климова, А.В.Мозгалевского, Г.Н.Мясникова, В.И.Николаева, С.А.Попова, Д.А.Скороходова, Л.Г.Соболева, В.Ф.Сыромятникова, Л.П. Седакавр,

В.Н.Темнова, ВЛ.Швеева и других были разработаны основы теории технической диагностики судового энергетического оборудования.

Вместе с тем, выполненных работ еше не достаточно для практического решения такого проблемного направления технической диагностики, кек прогнозирование. Особенно это касается прогнозирования предотказного состояния элементов СсУ на основе анализа временных рядов параметров вторичных физических полей, являющихся откликом на процесс деградации технического состояния элемента вследствие.действия необратимых физических и физико-химических процессов. Использование данных о предстоящем возникновении предотказного состояния элемента СЕУ совместно с данными о фактическом техническом состоянии позволяет организовать дополнительный информационный поток Е6(У и тем самым полностью замкнуть СоУ как объект управления информационными потоками (рис.1) . При этом достигается главная цель управления, заключавшаяся в организации безаварийной эксплуатации СЕУ на основе информационного потока

Е*(0 = Е,Ш и Е3{Е2Ш и Е6[Е,а) и Е5№]}, (1)

объединявшего сведения о текущем и прогнозируемом техническом состоянии установки (7,ъ2п). Информационный поток Е"^)является более обогащенным, чем поток Е(Ь) , используемый для целей управления до введения в состав 'ЛИС С ГУ технических средств диагностирования.

Лервая глава посвялена проблеме прогнозирования технического состояния СгУ. В п.1.1 рассмотрены вопросы, связанные с прогнозированием технического состояния объектов диагностирования за последних двадцать лет. Отмечено, что анализ проблемы, показывает . явный количественный и качественный разрыв между теоретическими и прикладными разработками в области диагностирования и аналоги-

чными разработками в области прогнозирования технического состояния объектов, что подтверждается соответствуют ими объемами материала (примерно десять к одному) в рассмотренных публикациях. Авалю проблемы сосредоточен на аналитических методах прогнозирования, которые, до мнению автора диссертации, являются наиболее предпочтительными применительно к Элементам СЭУ. Преимувества аналитических методов прогнозирования, в основном, обусловлены возможностью оценки тенденции изменения технического состояния конкретного блеыента СЭУ, учитывая индивидуальные особенности контролируемого деградационного процесса, а не некоторого обобшенного, как это делается при статистических методах. Подчеркнуто, что несмотря на имеющиеся методы прогнозирования, практические результаты их. испольаованля применительно к судовой энергетике отражены лишь в работах Е."Н. Климова, А.В.Баркова, а также И.Б.Егорова, В.А.Карасева и В. П.Максимова применительно к летательным аппаратам.

Подводя йтог анализу состояния проблемы в области прогнозирования констатировано, что к настоящему времени отсутствует единая методология прогнозирования технического состояния объектов, относящихся к классу судовых механических и электромеханических систем, хотя предпосылки к этому имеются, что подтвевдается выводами работ А.В.Мозгалевского, Д.В.Гаскарова, В.П.Калягина и В.В.Васильева о достаточности для целей прогнозирования использования функций, описывающих кривые не выше второго порядка. Еместе с тем необходимость разработки единой методологии прогнозирования технического состояния элементов СЭУ необходима, что, в'частности, диктуется и Законом' Российской Федерации об обеспечении единства измерений.

В п.1.2 выполнен анализ опыта эксплуатации объектов судовой

ЭВМАЛПР

Рис.1. Информационная взаимосвязь элементов автоматизированной СЗУ. ТСД-техническяе средства измерений; АУУ-автоматическое управлявшее устройство; СИ-средства измерений; ШС-инфошационно-измерительная система; ЛПР-лщо принимаюшее решение.

Ф5

1Фк

Рис.2. Структура обобщенного типового узла.

энергетики, где показано, что в настоящее время основную энергонагрузку на флоте несут дизельные энергетические установки, а также суда с ядерными паро про и з водящими установками. Последние, хотя и составляют незначительную долю, играют существенную роль в освоении региона, примыкающего к Северному Ледовитому океану. На основе анализа опыта эксплуатации выявлены основные причины отказов элементов СсУ: по параметрам прочности трибологические отказы ~ 45$, отказы по параметрам коррозии ~ 20?, остальные ~5?. Выполненный анализ причин отказов элементов СГУ позволил выделить основные типы развития процесса деградации технического состояния во времени и сделать вывод о том, что наблюдаемый процесс является случайным и характерен по своим особенностям для каждого элемента. Кроме этого развитие процесса деградации на некоторой временном интервале является вялотекущим, а следовательно и трудно-контролируемым вследствие несовершенства штатных и специальных средств измерений. Вялотекучесть процесса приводит к тому, что несвоевременное обнаружение и (или) отсутствие контроля за процессом деградации приводит к так называемым "внезапным отказам".

Влесте с тем, изменение технического состояния элемента можно контролировать по изменению параметров сопутствующих физических полей упф) , например, виброакустических, акустико -эмиссионных, электромагнитных и других. Учитывая, что наблюдаемое множество значений {уп(0} представляет собой некоторый временно? рял и в п. 1.3 сформулирована задача исследований,

согласно которой для механических и электромеханических глементов изменение контролируемых параметров уп0<) сопутствующих физических полей должно определяться в первом приближении линейным или квазилинейным параметрическим дифференциальным уравнением не выше второго порядка

* [В0-/1В1(г,ул,уГ1^]уп = Ы), (2).

где А0 и В„ - матрицы, характеризующие "идеальнуг диагностическую систему"; и ВА - матрицы, элементы которых зависят от параметра Г , характеризующего отклонение параметров от номинальных значений в процессе деградации;.¡Л - некоторый малый параметр, характеризующий медленное развитие процесса деградации; 4>(r,i) -возмущения, порождаемые внутренними и внешними воздействиями на элемент.

Прогнозирование технического состояния при этом сводится к определению конкретного аналитического выражения уравнения (2) на основе данных множества {упВД} , представляющего некоторый ограниченный временной ряд и решению данного уравнения с учетом параметра медленного процесса yn(t) на некоторый период упреждения, соответствующий временному интервалу прогнозирования. Подчеркнуто, что в такой постановке решение задачи прогнозирования технического состояния элементов СБУ рассматривается впервые.

Во второй главе рассматривается методология прогнозирования технического состояния элементов СсУ, которая базируется на фундаментальных понятиях теории системотехники (работы В.И.Николаева, Е.'Д. F рука, Р.Макола), теории иерархических многоуровневых систем ( работы М.Месаровича, И.Такахара, Л.Ф.Суевалова) и обобщенном математическом аппарате операционного исчисления (работы JI.Г.Соболева} с учетом следующих основных положений:

- СсУ как сложный системотехнический объект находится в любой момент времени в конечном множестве состояний, определяющих его работоспособность;

- техническое состояние СЕУ определяется на основе результа-" " тов диагностирования составных частей установки, лимитирующих ее работоспособность ;

- прогнозирование изменения технического состояния СЗУ основывается на результатах анализа изменения параметров тревд-функ-

ций ( функций прогнозирования) .

Б п.2.1 на основе логико-формального анализа СЗУ как системы с деградирующим техническим состоянием показано, что СЗУ относится к классу сложных системотехнических комплексов со стабильной структурой, связи и свойства которой практически не изменяются в течение всего периода эксплуатации. Однако, как правило, качество функционирования стабильных систем по мере деградации характеристик составных частей только ухудшается и восстановительные мероприятия лишь частично снижают темп деградации.

В соответствии с работами, выполненными под руководством Ю.Н.Мясникова (в которых принимал участие и автор диссертации) , основными составными частями СЭУ являются ФСс. В свою очередь ФСс состоит Из типовых узлов (ТУ) , представляющих собой целенаправленную структурную композицию из. нескольких элементов. К числу ТУ относятся, например, подшипники, цилиндропоршневая группа, тру-бопровбднне элементы и т.п. Следовательно, ФСС представляет собой также некоторую сложную техническую систему нижнего уровня иерархии, состоящую и? определенным образом целенаправленно скомпонованных ТУ. Изменение технического состояния ТУ в целом определяется деградацией характеристик, происходящих вследствие естественного действия физических и физико-химических процессов, что лимитирует работоспрсобность ФСЭ.

В работе рассматривается обобщенный ТУ как "серый шик" в отличие от понятия кибернетики "черный яшик", т.к. внутренняя структура ТУ известна, но его техническое состояние и изменение этого, состояния подлежат определению. Согласно рис.2 ТУ КС подвержен действию системосоздаюших и системоразрушаюших факторов. Под системосоздашими факторами понимаются фактора, обеспечивающие связи-ТУ между собой или (а) с рабочей средой и определяющие функционирование ФСЕ, например, эксплуатационные нагрузки.

Системоразрушалп'ие факторы, напротив, своими воздействиями стремятся дестабилизировать связи мез?ду ТУ ФСЭ. Отмечено, что на определенном этапе эксплуатации $g -факторы могут частично играть роль Ф(> -факторов. Введение понятия мощностей систеыосоздаюших Мд и системоразрушаотих MR факторов позволяет оценить устойчивость связей или, что адекватно, степень функциональной связи элементов ТУ ФСЭ и в нормированном виде выразить как показатель силы связей

' где - функция степени функциональной связи (S) между 3

элементами ТУ; L = ±,ri ; j=i,m - соответственно число элементов ТУ ФСЭ, включенных в процесс нарушения связей и общее число элементов.

Вследствие того, что отсутствуют соответствующие средства, мощности MR и измерить не представляется возможным, а поэтому функциональная связь и, следовательно, техническое состояние ТУ ФСс оценивается косвенно как

/[Wsf[«r.Yr.T]-0. С4> ;

где T-[t0>tK[ - открытый интервал наблюдения ТУ ФСЭ; Ur={u(t)}-множество значений входных воздействий, стимулируютих возникновение системосоздаюших?^ и одновременно системоразрушающих фк факторов, определенных для всех t^T ; YT~{y(t)}~ множество выходных параметров, яелясшихся откликом ТУ ÎGS на соотношение мощностей

Mg и MR (параметры рабочих процессов, прямые и косвенные диагностические и т.п._) .

Показано, что выражение (4) мокет быть представлено в виде системы уравнений (5) , связывающей входные u(tj , выходные у (t) и ' внутренние z(t) параметры ТУ ФСЭ между собой в любой момент времени tel

Z (t) = A(tjz(iJ + B(tjuft); y(t) = CCi)2fb),

где Ait), B(t)nC[i) есть матрицы коэффициентов, управления и наблюдения, определяемые конструктивными параметрами ТУ, которые изменяется вследствие процесса деградации.

Указывается, что в соответствии с теорией оптимального управления: полный вектор переменных состояния z(i) первого уравнения системы (б) в идеале можно измерить точно. Однако на практике, вследствие действия возмушаших факторов и помех, это недостижимо. Блеете с тем, с некоторой точностью можно оценить функцию от переменных состояния y(t)=C(t)z(t) по доступному наблюдению (измерению) параметру yH(i) , например, параметру вторичного физического поля уп (i). В результате систему уравнений (5) можно представить в виде:

'2M(i)=A(t)zH(t)+B(tJutt)i-K(i)[yW-C(ij2H(tj], (6)

где К(Ь)- матрица коэффициентов усиления наблюдателя (матрица коэффициентов' ТСД]; ZH(i)- оценка z (t) . В такой постановке уравнение (б) называется уравнением наблюдателя. Как следует из (Ç) , при условии С(t)2H(t) = yjt) полная оценка технического состояния ТУ ФСЭ не представляется возможной, т.к. по своей размерности yH(t) < y(i) . Тем не менее, функция унИ) = Спозволяет частично оценить техническое состояние ТУ ФС£, но аналитическое выражение функции подлежит определению.

В п.2.2 рассматривается метод'определения аналитического выражения функции yH(t) . основанный на применении операторов сглаживания-к" исходному временному ряду наблюдаемого параметра, например:

t

осреднения Vt JyWdT;

t °

интегрирования y(t) = J у (т) ciT;

0

L -производной lj(i)=[y(t)- y(t)]/t; (?)

L -интеграла у (t) = у(t) +1 у [t) и других.

В результате сглаживания исходной реализаций (yH(t)}, лицо принимающее решение (ЛПР) оперирует более гладкими кривыми y(t) (рис.3,а). Яри этом близость сглаженной кривой y(t) к исходной yH(i) оценивается по фазовой плоскости (ун>у) , на которой точки, соответствующие парам значений [y^tj), у (tj] группируются с некоторым разбросом вдоль прямой (рис.З.й). Точность приближения оценивается по среднеквадратическому отклонению <э и коэффициенту корреляции р . В идеальном случае р=±1 наблюдается абсолютно точное совпадение с y(t) , но поскольку, обычно p<i , то точно аппроксимировать исходную реализацию не представляется возможным. Tew не i/енее, ЛИР из числа конкурирующих фазовых плоскостей (определяемых числом примененных операторов сглаживания) может выбрать фазовую плоскость с максимальным коэффициентом корреляции, что дает более точное представление исходной реализации сглаженной y(t) . В работах Л.Г.Соболева показано, что решение уравнения прямой f-азовой плоскости

унЬ)=ат- 6, (8)

где - оператор сглаживания и есть искомое

аналитическое выражение аппроксимирующей функции yCt) исходной реализации yH(i) . Таким образом, у(1) есть формализованное описание наблюдаемого процесса части уравнения (6) . В диссертации выполнено исследование,"которое доказывает, что из всего множества возможных аппроксимирующих функций yN(t) , определяемых числом

сочетаний Ст- N и, где т - число операторов сглаживания , для далей прогнозирования технического состояния ТУ могут быть использованы только те, где параметр а является коэффициентом при параметре Ь . В этом случае аналитическое выражение аппроксимирующей функции у отражает физическую сущность медленных дегра-дационных процессов. При этом параметр 0. (параметр тренда) характеризует динамику процесса деградации, т.е. соответствует параметру ]л№) , а параметр 6 характеризует начальные условия процесса деградации.

В п.2.3 показано, что при выборе функции цИ) из числа N конкурирующих должны удовлетворяться следулгие требования:

- на фазовой плоскости минимальное значение среднеквадрати-ческого отклонения и максимальное значение коэффициента корреляции;

- точность аппроксимации, оцениваемая по остаточной дисперсии;

- количество существенных параметров аппроксимирующей функции;

-содержательность, компактность и непротиворечие; -ожидаемая точность прогноза технического состояния. Теоретическая оценка ожидаемой погрешности прогнозирования технического состояния ТУ ФСо выполнена в п.2.4, где графоаналитическим методом доказано, что погрешность прогнозирования момента времени "Ьп , достижения наблюдаемым параметром ун({.) допустимого значения у^ ^ определяется-выражением

^ , о)

где определяется из аналитического выражения функции прогнозирования у(Ь); "Ь'п также определяются по функции у(1) с учетом энтропийного значения относительной погрешности аппроксимации

Рис.4. Иллюстрация к оценке ожидаемой погрешности прогнозирования.

у 0,'5\Zl-f2 (рис.4), при этом ¡¿п<

р третьей главе приведены результаты и анализ экспериментальных исследований по прогнозированию технического состояния ТУ ФСс, подтверждавшие теоретические исследования. В качестве ТУ ФСс в п.п.3.1-3.4 рассмотрены модели судовых трубопроводов, секция вспомогательного теплообменного аппарата, подшипники качения электрической машины, цилиндропоршневая группа дизеля. Данные ТУ ФСо отличаются друг от друга различной природой возникновения и развития деградационных процессов.

Например,для судовых трубопроводов основным параметром, характеризующим их техническое состояние является герметичность, нарушение которой может, в частности, возникнуть вследствие развития усталостной треп'ины. Наблюдение развития процесса разгерметизации осуществлялось по параметру вторичного физического поля - активности акустической рмиссии. Анализ результатов Рксперяуентальных исследований показал, что процесс деградации технического состояния носит вялотекущий характер и, примерно, 7С/ данных временного ряда контролируемого параметра характеризуется малым численным значением параметра тренда а , затем наступает резкий рост активности акустической эмиссии и трубопровод теряет герметичность. Как правило, такие процессы деградации технического состояния приводят, к так называемым "внезапным отказам" ТУ ФСЕ. Прогнозирование наступления отказа в подобных случаях возможно на основе использования функции, аналитическое выражение которой является решением уравнения прямой + 6 фазовой плоскости (у,у), т.е.

у М=в/(1-аЬ)г. (1С)

Как следует из выражения (ю) , отказ наступит в момент времени , при котором . Учитывая, что в процессе рагви-

2i

тия разгерметизации параметр тренда const- , осуществление точного прогноза не представляется возможным, т.к. на определенном этапе выполнения процедуры прогнозирования принимается допущение, о постоянстве параметра тренда, что связано.с обработкой ограниченного массива исходных данных наблюдаемого параметра. Вследствие этого функция прогнозирования приобретает определенную "наследственность", зависящую от количества исходных данных (yH(t)j- Учитывая это, в диссертации предложен способ прогнозирования на основе введения вычисляемых диагностических уровней, характеризующих некоторые процентные запасы работоспособности ТУ, при условии, что 100^ запас работоспособности считается исчерпанным в момент "tP . Тогда, например, при t = 0,9/a , значение y(t)09 будет соответствовать выработке 90f запаса работоспособности и т.д. Особо отмечено, что диагностические уровни, определенные таким образом на интервале [tH,tK[<< J tK>tp] , где и tK - моменты времени начала и окончания наблюдений, являются постоянными и не зависят от изменений численного значения параметра тренда функции прогнозирования С аналог решения классической задачи с одним закрепленным и одним подвижным концом, когда начальное состояние, т.е. параметр в постоянен), что иллюстрируется рис.5. Процедура прогнозирования при этом основана на определении моментов времени пересечения наблюдаемым параметром диагностических уровней и уточнения результатов прогноза по мере поступления новых данных.

Прогнозирование изменения технического состояния теплообмен-ного аппарата осуществлялось на основе результатов натурных экспериментальных ксслелован!«:". Исходные данные были получены при контроле температуры рабочей среды на выходе секции утилизационного тегогообменного аппарата в условиях нарастающего засоления трубок. Гэмеоения температуры проводились периодически в течение 14 суток и составили в обшей сложности 19С часов. Для определения функции

прогнозирования <5ьио взято 50$ данных временного ряда наблюдаемого параметра (11 точек) . Анализ расположения точек в фазовых плоскостях внявил плоскость (у,у) с максимальным коэффициентом корреляции р =-0,97121 и минимальным среднеквадратическим отклонением =1,078 . Решение уравнения фазовой плоскости дало следующее аналитическое выражение аппроксимирующей функции

У (-1)= 6ехр(а^ , (II)

где 6 =105,58; а =-0,000658.

На основе значений параметров тренда а и начальных условий 6 был сделан прогноз значения температуры на выходе секции у(19о)« 94 °С. В действительности температура не превысила 93 °С.

Прогнозирование технического состояния подшипника качения типа 310 электрической машины вследствие старения смазки осуществлялось путем обработки данных изменения уровня' вибрации в натурных условиях. Измерения проводились один раз в два месяца и массив исходных данных составил 18 точек. Временной ряд наблюдаемого параметра с нараставшим количеством точек N =14;15;16;18 был последовательно обработан, в результате чего из числа конкурирующих фазовых плоскостей для целей прогнозирования была выбрана плоскость (у,у) I где в качестве оператора сглаживания использовался двойной интеграл. Решение уравнения прямой фазовой плоскости соответствовало аналитическому выражении функции прогнозирования

у (0 = 6 ск^аЬ, (12)

где в =83,32; а =0,000909.

Прогноз

уровня вибрации до Н =21 (на шесть месяцев вперед) дал значение у (21)^110 дБ, на самом деле уровень вибрации составил Ю6 дБ, что проиллюстрировано на рис.6.

Вторым контролируемым дефектом аналогичного подшипника каче-

Рис.5. Прогнозирование отказа по диагностическим уровням.

тип 3(0 г/* ----- —

Щ 87,7 84,3 81,0

V?.

бг*4,0о

„

85,5 0,н0* 018«* и«0*

Рис.5. Изменение уровня вибрации подшипника качения, а - фаговая плоскость; 0 - экспериментальная и расчетная характеристики.

У,дБ

ТИП 3(0 /

94.3

• экспер■

91,0 орлсчет. /Я

:

87.7 А /

1 / ГА

84,3

6АН,в 9

81.0 V

1 6 5) 1' 16

Рис.6(продолжение). Изменение уровня вибрации подшипника качения.

■ Рис.7. Прогноз диапазона статистически возможных уровней вибрации газотурбинного -двигателя.

ния был дефект внутреннего кольца. Б качестве диагностического параметра рассматривалась глубина коэффициента модуляции высокочастотной вибрации частотой вращения внутреннего кольца. Прогноз изменения глубины коэффициента модуляции на четыре месяца вперед по функции прогнозирования

у ад - б ехр аЬ, где 6=1,09; а =0,12771 дал ошибку прогноза равную

Прогнозирование износа втулок цилиндропоршневой группы дизеля типа М-50 выполнялось на базе данных, полученных по результатам экспериментальных исследований, выполненных на стещте кафедрой 35 ЕМА им. Н.Г.Кузнецова. Развитие износа втулок цилиндров контролировалось по изменению интенсивности радиоактивных меток в течение 3447 часов. Обработка и анализ данных измерений за период наблюдений, соответствующий 2082 час по всем цилиндрам дизеля показали, что для целей прогнозирования может быть использована аппроксимирующая функция, соответствующая фазовой плоскости (у,у) . Однако при этом погрешности прогноза износа втулок цилиндров до 3447 час были весьма различными: наибольшая(-97?) была по первому цилиндру, наименьшая (~ 1Е?) по третьему цилиндру. Источник такой большой погрешности прогноза износа втулки первого цилиндра (как и других^ был выявлен, когда массив исходных данных в количестве 45 точек был разбит на четыре блока, первых три из которых содержали по 10 точек. Поблочная обработка данных результатов измерений методом "пркпасовыванкя" показала, что массив данных первых двух блоков хороао аппроксимируется функцией

ув) - 601- 6А(1» а^ехр1^ } (13)

где б0 = 17,СС; 6^-16,7?; а=-С, 0127.

После обработки данных измерений грех блоков, в конкуренцию с функцией (13) вступила функция

y(i)=8expai,

которая окончательно (на основании выполнения требований) стала лидирующей при обработке данных измерений по всем четырем блокам. Таким образом получалось, что функция прогнозирования износа втулки первого цилиндра была определена верно-, но, как оказалось, при этом были учтены и данные измерений, связанные с периодом приработки (4-275 час), что и подтвердилось сменой выражения функции прогнозирования. После отбрасывания данных, принадлежащих периоду приработки были определены численные значения параметров функции прогнозирования: 6 =16,50; а =0,000521. Прогноз износа втулки первого цилиндра соответствовал значению у (3447) =99,43 мкм, при действительном износе в 114,7 мкм, т.е. погрешность снизилась почти в семь раз.

В п.3.5 приведен сравнительный анализ предлагаемого метода прогнозирования с методом прогнозирования на основе функции экспоненциального сглаживания на примере прогнозирования границы статистически возможного уровня вибрации газотурбинного двигателя самолета (работа И.Б. Егорова и др.) , который подтверждает эффективность использования фазовых плоскостей для определения аналитического выражения функции прогнозирования (рис.7). Интервал прогноза при этом составил 7С полетов против 2С, полученных авторами работы.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований сделан вывод о том, чтодля нахождения аналитического выражения функции прогнозирования достаточно иметь 1С...15 исходных данных контролируемого параметра.

Четвертая глава диссертации посвяшена методологии процедуры

прогнозирования технического состояния 'ФСБ. В основе методологии лежит использование разного количества априорной информации о ко-

нтролируемом деградационном процессе, В зависимости от количества априорной информации ЛПР, в соответствии с алгоритмом, выбирает наиболее подходящий вариант последовательности действий при организации процедуры прогнозирования, что позволяет свести к минимуму роль субъективного фактора.

В п.п. 4.1; 4.2 показано, что при определении аналитического выражения функции технического состояния ®СЭ измерения контролируемого параметра уи(-ь) необходимо производить в моменты времени, определяемые выражением

(±. х _ кТ„ . И »г-Ю , ч

где множество моментов времени измерения контролируемого

параметра; Т„ - интервал прогнозирования; Кйтк - коэффициент, характеризующий степень тяжести последствий отказа ТУ ФСЭ; П -обшее количество измерений, определяемое из условия п(п-1)<Т„-К0Т1<. к = м. . Из выражения (14) следует, что по мере приближения значения контролируемого параметра к допустимому (на основании результатов прогноза} частота выполнения измерений возрастает.

В зависимости от количества априорной информации о контролируемом деградационном процессе рассмотрены три варианта организации процедуры прогнозирования.

Первый вариант предусматривает определение момента времени ^гол - достижения наблюдаемым диагностическим параметром уи&) допустимого значения уШгоп по аналитическому выражению функции прогнозирования. Еатем определяется интервал прогноза Тп- й« • где tk- момент времени получения необходимых 10... 15 значений наблюдаемого параметра. Трогяогируемый интервал Т„ сравнивается с оперативным интервалом времени Твп = , .где tx .например, время окончания рейса и, в случае, Т„ >Т0П делается заключение о возможности выполнения судном планируемого рейса, в

противном случае принимается соответствующее решение. Прогнозируемое время "Ььл Б процессе эксплуатации ФСЗ корректируется при уточнении численного значения параметра тренда а по мере получения новых данных. Пересчет параметра тренда а производится в моменты времени в соответствии с выражением (14) .

Второй вариант организации процедуры прогнозирования технического состояния ФСЭ основан на использовании данных о времени наработки ТУ ФС5 (¡нари ресурсном времени ^ес . Разница времен Т^р^с^иар определяет интервал, в течение которого требуется получить необходимое количество (п*=10...15) измерений для определения аналитического выражения функции прогнозирования у(Ь) и организации тактики эксплуатации. По времени Т и коэффициенту Кот* определяется обшее количество и измерений параметра , а также конкретные моменты времени проведения таких измерениг. Оставшееся количество измерений &П*П-П* используется для уточнения результатов прогноза путем корректировки численного значения параметра тренда.

Третий вариант прогнозирования технического состояния ЗСс базируется на использовании диагностических уровней и достаточного количества априорной информации. Под априорно достаточно": информацией понимается количество ретроспективных данных, необходэтчс для нахождения аналитического выражения функции прогнозирования. После определения функции прогнозирования назначаются диагностические уровни и при этом считается, что значение у(УЭоп соответствует 100$ запаса работоспособности ТУ ФСЗ. Диагностические уровни например, 0.5У; С,6уи т.д. разбивают временной интерва. С^нЛьа] на РЗД неравномерных подинтервалов, число которых определяется числом диагностических уровней. В граничные моменты времени "(/. подинтервалов производится измерение наблюдаемого параметра, корректировка численного значения параметра тренда к уточ-

пение прогноза.

В п.4.3 ланьг методические указания по организации процедуры прогнозирования технического состояния ФСС. Методические указания носят рекомендательна характер и рассматриваются относительно обобщенного ТУ ФСС. В данном параграфе приведена общая блок-схема алгоритма процедуры прогнозирования, предусматривающая возможность выбора одного из трех вариантов прогнозирования.

В п.4.4 приведено описание структуры и состава программного обеспечения процедуры прогнозирования , а также описание тест-программы проверки функционирования основной программы на базе генерирования квазислучайных последовательностей (временных рядов параметров искусственно сформированных деградационных процессов).

В пятой главе , в п.п.5.1-5.3 рассматриваются основы организации принципа прогнозирующего управления ФСС на основе использования информации о предстоящей тенденции изменения технического состояния контролируемого типового узла, лимитирующего работоспособность. Временная диаграмма, поясняющая принцип прогнозирующего управления приведена на рис.Е. Автоматические регуляторы, реализующие принцип прогнозирующего управления относятся к классу адаптивных, т.к. в процессе эксплуатации объекта они могут самостоятельно, в определенный момент времени изменить управляющее воздействие, что е результате приведет к частичному замедлению скорости деградаци-онного процесса, влияющего на техническое состояние КЗ.

В качестве прдасра приведена структурная схема регулятора комбинированного принципа прогнозирующего управления, реализованная на базе классического регулятора и технического средства диагностирования (рис.9). Дополнительны? контур прогнозирующего управления, образующийся вследствие включения ТСД в состав регулятора по своим, основным функциям диалогичен контуру самонастройки адаптивных систем и является сигнальным. Введение контура прогнозирующего управ-

УЙ2

Рис.8. Временная диаграмма принципа прогнозирующего управления.

■

<РС9

ДУ

№.

АХ

АУУ(

Г

Рис.9. Структурная схема комбинированного принципа прогнозирующего управления.

ления позволит создать систему управления , аналогичную системам с горячим резервированием, что в целом повысит надежность управления объектом, т.к. в случае отказа основного контура управления , управление объектом временно может взять на себя контур прог-гнозирушего управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении дается аннотированная характеристика работы и, в частности, указывается, что в работе получены следующие основные результаты:

1. На основании логико-формального анализа СЭУ, как иерархического многоуровневого объекта управления показано, что техническое состояние 2СЭ лимитируется ТУ, работоспособность которых, в свою очередь, зависит от темпов развития деградационных процессов. Доказано, что ТУ могут рассматриваться как отдельные объекты диагностирования, описываемые по аналогии с типовыми динамическими . звеньями систем автоматического управления уравнениями не выше второго порядка, что достаточно для решения задачи прогнозирования технического состояния.

2. Разработан принцип выбора аналитического выражения функции прогнозирования технического состояния диагностируемого ТУ ФСЭ из числа конкурирующих.функций на основе выполнения предъявляемых требований по точности аппроксимации исходной реализации данных наблюдаемого процесса, количеству существенных параметров функции, ожидаемой точности прогноза, а также выполнения дополнительных требований по содержательности, компактности и непротиворечию.

3. Доказано, что для целей прогнозирования технического состояния должны использоваться функции, в аналитическом выражении которых параметр тренда должен быть коэффициентом при 'параметре времени.

4. Предложено для оценки ожидаемой погрешности прогнозирова-

ния момента времени наступления отказа диагностируемого ТУ ФСЕ использовать энтропийное значение относительной приведенной погрешности, применяемое в теории измерений.

5. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден вывод о целесообразности использования в качестве уставок, определя-гптих промежуточные и допустимые значения тбхнического состояния контролируемого узла диагностических уровней, назначаемых заранее на основе выбранного аналитического выражения функции прогнозирования, что впоследствии позволяет одновременно с выполнением процедуры прогнозирования осуществлять и оценку запаса работоспособности диагностируемого узла. Предлагаемый способ прогнозирования затишен авторским свидетельством.

6. Разработан принцип определения необходимого числа измерений и моментов времени проведения измерений наблюдаемого параметра на основе использования интервала прогнозирования и коэффициента отказа. В данные моменты времени одновременно производится оценка погрешности прогнозирования и корректировка численного значения параметра тренда функции прогнозирования, что повышает точ-

. ность результатов прогнозирования.

7. Разработаны варианты организации процедуры прогнозирования технического состояния ТУ ФС2 при наличии разного количества априорной информации о типовом узле. На основе . трех вариантов даны методические рекомендации по организации процедуры прогнозирования с необходимым алгоритмическим и программным обеспечением. Программное обеспечение позволяет полностью формализовать процесс определения и выбора аналитического вчражения функции прогнозирования.

8. Обоснован и развит комбинированны? принцип прогнозирующего управления ФСЭ на основе объединения в обшуг систему автоматического управляющего устройства и технического средства диагностирования. В результате такого объединения усшпшаотся в целом фун-

кциональные возможности информационно-измерительной системы СЭУ.

9. Выполненные комплексные исследования позволяют повысить уровень эксплуатации ФСЭ СЭУ на основе использования прогнозной информации о предстоящем изменении технического состояния и предотвратить наступление внезапных отказов элементов установки.

10. Выполненные исследования позволят повысить конкурентоспособность технических средств диагностирования на международном рынке за счет внедрения в алгоритмическую структуру функционирования алгоритмов прогнозирования технического состояния.

В целом выполненные и доведенные до внедрения исследования могут на?ти применение в различных отраслях народно-хозяйственного комплекса и) р первую очередь, в стационарной энергетике, химическом машиностроении, на трубопроводных магистралях, при инспекционном контроле емкостей высокого давления, транспорте, а также при проведении научно-исследовательских работ в области машиностроения, разработке комплексных систем автоматизированного управления технологическими процессами и в учебном процессе подготовки и переподготовки квалифицированных специалистов в области управления технологическими комплексами.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Хруцкий О.В., Соболев Л.Г. Результат разработки алгоритма обработки сигналов акустической эмиссии при диагностировании корпусных' конструкций.- Сб.НТО им. акад.' А.Н.Крылова, вып.354. ' Л.¡Судостроение, 1981, с.55-58.

2. Хруцкий О.В., Чекалов Г.Н. Опытная акустико-эмиссионная подсистема диагностирования судовых трубопроводов.-Сб.НТО им. акад. А.Н.Крылова, вып.381. Л.:Судостроение,1983,с.42-46.

3. Хруцкий О.В., Одинцов В.А. Расчет тренда в задачах диагностирования судовых трубопро водо в.-Гр. ЦНИИ М5, вып.288. Л.:

Транспорт, 1989,с.71-75.

4. Хруцкий O.B., Крас С.Ф. Акустико-эмиссионный метод диагностирования судовых энергетических установок: Учебное пособие. Л. :Изд. ЛКИ,1985, 48с.

5. Хруцкий О.В. Об одном методе прогнозирования технического состояния судовых энергетических установок.-Тр.ЛКИ "Автоматизация технических средств и электроэнергетическое оборудование".

Л.:Изд.ЛКИ,1988,с.95-100.

6. Хруцкий О.В. Основы комплексного решения проблемы диагностирования, прогнозирования и управления техническим состоянием судовых энергетических установок.-Тезисы докладов НТК. Л.¡Судостроение , 1989, с. 65-66.

7. Хруцкий О.В. Метод индивидуального адаптивного прогнозирования работоспособности оборудования судовых энергетических установок.-Тезисы докладов НТК. Л.:Судостроение,1989,с.67-68.

8. A.C. J61522089 (СССР). Способ предотвращения аварийной ситуации сосудов давления.-Опубл. в БИ,1989,Л42 (в соавторстве).

9. Хруцкий О.В., Троицкий СЛ., Лабинский Ю.А. Разработка адаптивного метода оценки.запаса работоспособности сварных изделий на основе акустической эмиссии.-Химическое машиностроение, 1990,№4,с.26-32.

10. Соболев Л.Г., Хруцкий О.В. К вопросу обработки акусти-ко-эмиссионных данных.-Дефектоскопия, АН СССР,1991,№9,с.79-82.

11. Половинкин В.Н., Хруцкий О.В., Горшков В.Ф. Использование акустико-эмиссионного метода для диагностирования топливной аппаратуры дизеля.-Тезисы докладов НТК. Л. : Судостроение, 1991,

с.54-56.

. 12. Быстров В.А., Хруцкий О.В. Идентификация диагностических функций и опыт их применения в задачах технического диагностирования- судовых энергетических установок.-Тезисы докладов НТК.

JI.: Судостроение, 1991, с .64-65.

13. Хруцкий О.В. Определение момента начача прогнозирования работоспособности типовых узлов судовых энергетических установок.-Тезисы докладов НТК. I.:Судостроение,1991,с.65-67.

14. Хруцкий О.В. Введение в надежность и техническую диагностику судсеых систем: Учебное пособие. СПб.:Изд.центр СПбГМТУ, 1996,64с.

15. Хруцкий О.В. Организация процедуры прогнозирования технического состояния элементов судовой энергетической установки.-Тезисы докладов военной НТК профессорско-преподавательского состава ВЕШУ, г.Пушкин, 1996fв печати).

16. Хруцкий О.В., Горшков B.S. Прогнозирование технического состояния втулок цилиндров дизеля.- Хвигателестроение, 1996,.'54 (статья принята редакцией к печати).

17. Хруцкий О.В. Об одном методе аналитического прогнозирования технического состояния типовых узлов судовых энергетических установок,- Судостроение, 1997,.'£1 (статья принята редакцией к печати} .

Щ СПбГМТУ Зак.788 тир.ЮО