ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кучерук Володимир Юрійович

УДК 681.518.54:621.313

РОЗВИТОК ТЕОРІЇ ТА ПРИНЦИПІВ ПОБУДОВИ ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ ТЕХНІЧНОГО ДІАГНОСТУВАННЯ

СИЛОВИХ ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

Спеціальність 05.11.16 – інформаційно-вимірювальні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Вінниця – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому національному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Поджаренко Володимир Олександрович,

Вінницький національний технічний університет,

завідувач кафедри метрології та промислової автоматики

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Сопрунюк Петро Маркіянович,

Фізико-механічний інститут ім. Г.В.Карпенка

НАН України, м. Львів, керівник відділу

електричних вимірювань фізичних величин

доктор технічних наук, професор

Колпак Богдан Дмитрович,

Державне підприємство науково-дослідний інститут метрології, вимірювальних та управляючих систем (ДП ДНДІ “Система”), м. Львів, заступник директора з наукової роботи

доктор технічних наук, професор

Воронцов Олександр Григорович,

Донецький національний технічний університет,

м. Донецьк, професор кафедри автоматики і телекомунікацій

Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, кафедра автоматизації експериментальних досліджень, Міністерство освіти і науки України, м.Київ.

Захист відбудеться “ 20 ” _січня__ 2006 р. о “__9 30___” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.02 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий “_02_” __грудня__2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Павлов С.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сьогодні в світі щорічно випускають 7 мільярдів силових електромеханічних перетворювачів (СЕМП), які споживають 70% загальної кількості електроенергії. Електромеханічний перетворювач представляє собою пристрій для перетворення електричного струму чи напруги у механічні переміщення чи навпаки. Як СЕМП використовуються асинхронні двигуни, синхронні двигуни, двигуни постійного струму. Дані ЕМП надзвичайно широко використовуються як силові у насосних станціях водоканалу, у складі димососів, вентиляторів на підприємствах теплокоммуненерго. Якість і надійність СЕМП в значній мірі визначаються діагностичним забезпеченням на всіх етапах їх життєвого циклу.

На етапах виробництва, де вирішальним є забезпечення бездефектності технології виготовлення та бездефектності праці при виготовленні СЕМП, обсяг контрольно-діагностичних операцій сягає 50% загальної трудомісткості їх виробництва. Характерною особливістю задач діагностування виробничих дефектів СЕМП в умовах серійного виробництва є те, що чим пізніше виявляються дефекти, тим більше витрат необхідно на локалізацію місця їх виникнення. При цьому діагностичне забезпечення буде ефективним лише тоді, коли з мінімальними витратами забезпечуються високі показники достовірності. Стрімке насичення ринку та загострення конкурентної боротьби привело до того, що контроль якості СЕМП посилився. Стало зрозумілим, що контроль якості СЕМП після того, як вони вже виготовлені, економічно менш ефективний, ніж створення системи запобігання виникнення браку на всіх стадіях виробництва (системи забезпечення якості виробництва за стандартами ISO серії 9000).

На етапі експлуатації метою діагностування СЕМП є визначення виду технічного стану, визначення причини переходу СЕМП в непрацездатний технічний стан, прогнозування зміни технічного стану СЕМП з визначенням причини такої зміни чи з визначенням інтервалу часу, після якого можуть початися процеси, що призведуть до небажаної для експлуатації СЕМП зміни його технічного стану.

Процес діагностування стану СЕМП, що складає важливу частину системи забезпечення якості виробництва та експлуатації, є надзвичайно трудомістким із складною методикою визначення окремих діагностичних параметрів і пов’язаний із великими витратами часу та матеріальних ресурсів. Ця проблема ускладнюється тим, що наявність несправності в СЕМП характеризується комплексною зміною різноманітних діагностичних параметрів. Крім того, серійно не випускаються засоби вимірювання основних діагностичних параметрів СЕМП (кутова швидкість, момент інерції, параметри обмоток та ін.), які необхідні для укомплектування ІВС ТД.

Розвиток теорії СЕМП спричинив адекватний розвиток теорій математичного моделювання, вимірювання параметрів, контролю і технічної діагностики СЕМП. В основі цих теорій закладено праці А.А.Войтеха, В.Гамати, О.Д.Гольдберга, Б.Геллера, Г.К.Жерве, І.П.Копилова, М.Т.Костенка, К.О.Круга, Л.М.Піатровського, В.Й.Чабана, В.Ф.Сивокобиленка, Р.Ріхтера, на яких були сформовані напрямки вимірювальної техніки – тахометрія і моментометрія. Суттєвий внесок у формування і розвиток цих напрямків покладено І.М. Богаєнком, В.Б. Дудикевичем, В.Ф. Зотіним, Н.В. Кіріанакі, В.В. Кухарчуком, Л.А. Потаповим, В.О. Поджаренком, Д.Й. Родькіним, Ю.М. Юферовим, Ю.І. Чучманом та їх учнями, на теоретичне підґрунтя яких опираються подальші дослідження.

Розроблені на даний час методи та інформаційно-вимірювальні системи технічного діагностування (ІВС ТД) не є достатньо ефективними для розв’язання задач підвищення достовірності діагностування СЕМП в умовах їх виробництва та експлуатації. Вони характеризуються складністю й низькою швидкодією, недосконалістю математичного забезпечення. Більшість ІВС ТД дозволяють визначати лише окремі види браку, що значно зменшує достовірність діагностування СЕМП. Тому постає питання необхідності вдосконалення принципів побудови ІВС ТД СЕМП, створення методів, направлених на підвищення методичної та інструментальної складових достовірностей діагностування СЕМП на всіх етапах їх життєвого циклу.

Науково-прикладна проблема полягає у необхідності подальшого розвитку теорії та принципів побудови ІВС ТД СЕМП, що здатні забезпечити підвищений рівень достовірності діагностування на всіх етапах життєвого циклу СЕМП з комплексною зміною діагностичних параметрів при виникненні несправності.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складають результати досліджень, які проводилися протягом 1995-2004 років у відповідності з координаційним планом науково-дослідних робіт Міністерства освіти та науки України за фаховим напрямком “Приладобудування”, затвердженим наказом Міністерства освіти України від 13.02.97р. (№ держреєстрації 0197U012881), а також держбюджетною темою №42-Д-218 “Розробка теоретичних засад оптимізації в теплоагрегатах та системи автоматизованого контролю технологічних параметрів і екологічного моніторингу” (номер державної реєстрації 0100U002929); держбюджетною темою №42-Д-277 “Розробка теоретичних основ побудови систем діагностування електромоторів в енергозберігаючих технологіях” (номер державної реєстрації 0105U002432); тематичними планами проведення НДДКР у Вінницькому політехнічному інституті (ВПІ) та Вінницькому державному технічному університеті (ВДТУ) на госпдоговірних засадах: з Вінницьким обласним державним підприємством “Вінницятеплокомуненерго” (№ Р-10 від 28.10.1997р. - “Впровадження енергозберігаючих приводів змінної швидкості в системах тепловодопостачання підприємств “Вінницятеплокомуненерго”; № Р-17 від 01.12.1999р. - “Вдосконалення мікропроцесорної системи управління роботою котельні”); з Вінницьким заводом “Кристал” (№ Р-032 від 23.10.2002р. - “Інформаційно-вимірювальна система для автоматичного контролю несинхронності обертання електромеханічних систем”); з Ямпільським приладобудівним заводом (№ Р-061 від 10 січня 2005 р. – "ІВС автоматичного контролю параметрів роторних систем"). Автор брав участь у виконанні вищевказаних робіт як відповідальний виконавець.

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є підвищення достовірності діагностування силових електромеханічних перетворювачів за рахунок врахування комплексної зміни діагностичних параметрів при виникненні несправності та зменшення похибок вимірювання діагностичних параметрів.

Для досягнення цієї мети необхідно розв’язати такі задачі:

1. Здійснити аналіз існуючих методів і засобів вимірювального перетворення діагностичних параметрів СЕМП та систематизувати відомі теоретичні підходи, що покладено в основу їх побудови.

2. Розвинути принципи оцінювання технічного стану СЕМП під час їх діагностування, що дозволить евристично синтезувати загальну функцію технічного стану СЕМП.

3. Розробити нові та вдосконалити існуючі методи діагностування СЕМП з використанням таблиць діагнозів, які враховують комплексну зміну діагностичних параметрів при виникненні несправності.

4. Розробити нові та вдосконалити існуючі методи та засоби вимірювального перетворення діагностичних параметрів СЕМП з покращеними метрологічними характеристиками, які дозволяють підвищити інструментальну достовірність діагностування.

5. Розробити методику оцінювання основних динамічних і статичних метрологічних характеристик засобів вимірювального перетворення діагностичних параметрів СЕМП, що дозволить нормувати інструментальну складову достовірності діагностування СЕМП.

6. На основі отриманих результатів розробити рекомендації щодо проектування апаратного, алгоритмічного та програмного забезпечення ІВС ТД СЕМП.

7. Виконати експериментальні дослідження, що підтверджують адекватність розроблених теоретичних моделей, ефективність запропонованих методів і створених на цій основі ІВС ТД СЕМП.

Об’єкт досліджень – процеси отримання інформації про стан СЕМП при комплексній зміні діагностичних параметрів при виникненні несправності.

Предмет дослідження – ІВС технічного діагностування СЕМП за умов врахування комплексної зміни діагностичних параметрів при виникненні несправності.

Методи дослідження – теорія вимірювань (дослідження методів вимірювального перетворення діагностичних параметрів СЕМП), теорія похибок вимірювань (дослідження метрологічних характеристик вимірювального перетворення діагностичних параметрів СЕМП), теорія інформаційно-вимірювальних систем (дослідження принципів побудови ІВС ТД), теорія електромеханічних перетворювачів енергії (дослідження математичних моделей СЕМП), чисельні методи розв’язку систем нелінійних диференційних рівнянь (дослідження математичних моделей СЕМП).

Наукова новизна результатів роботи. В роботі розв’язано проблему підвищення достовірності технічного діагностування силових електромеханічних перетворювачів, які характеризуються комплесною зміною діагностичних параметрів при виникненні несправності, що реалізовано в отриманні таких наукових результатів:

1. Вперше розроблено теоретичні засади побудови ІВС технічного діагностування СЕМП, які включають ієрархічну структуру показників технічного стану. Визначено єдині правила формування інтегрального показника технічного стану, що дозволило евристично синтезувати загальну функцію технічного стану СЕМП. Запропонована процедура оцінювання інтегрального технічного стану СЕМП, на відміну від існуючих, дозволяє проводити прогнозування зміни технічного стану СЕМП на етапі експлуатації.

2. Вперше розроблено методи діагностування СЕМП, які на відміну від існуючих відрізняються комплексним використанням діагностичних ознак СЕМП, отриманих в чотирьох режимах випробувань (випробування обмоток, динамічний режим, режим холостого ходу, режим короткого замикання), і забезпечують потенційне підвищення методичної складової діагностування за рахунок використання більш повної діагностичної інформації, що міститься в результатах вимірювань, а саме:

- Метод логічних функцій для діагностування СЕМП на основі таблиці діагнозів. У порівнянні з відомими методами, даний метод забезпечує підвищення методичної складової достовірності діагностування за рахунок використання комплексних логічних діагностичних ознак на множині результатів вимірювань та таблиці діагнозів СЕМП.

- Метод діагностування на основі системи нечіткого логічного висновку Сугено. Виграш, що забезпечується даним методом, досягається завдяки врахуванню вагової інформативності кожної логічної діагностичної ознаки, які входять в інтегральний показник технічного стану, що дає змогу визначити вагу поставленого діагнозу. Метод сприяє як зниженню ймовірності пропуску дефекту, так і помилкового його виявлення.

- Метод вейвлет-діагностування СЕМП на основі дискретних вейвлетів Добеші 4-го порядку, який на відміну від існуючих, не потребує формування великих баз знань про можливі діагнози СЕМП та дозволяє використати неперервні діагностичні ознаки. Можливість неперервного задання діагностичних ознак дозволяє класифікувати СЕМП за категоріями якості та проводити прогнозування розлагоджень технологічного процесу виготовлення СЕМП.

3. Вдосконалено методи ідентифікації діагностичних параметрів СЕМП з використанням функцій чутливості та інваріантного поглиблення, які забезпечують збіжність і підвищену точність для широкого діапазону їх початкових значень, а саме:

- Вдосконалено метод ідентифікації на основі функцій чутливості, який на відміну від існуючих, дозволяє проводити попередні розрахунки функцій чутливості та параметрів руху при номінальних значеннях діагностичних параметрів СЕМП, а безпосередньо в процесі ідентифікації – розрахунки відхилень виміряних параметрів руху СЕМП від номінальних. За рахунок отриманих аналітичних рівнянь для реалізації методу, він сприяє зменшенню часу обчислень при ідентифікації діагностичних параметрів СЕМП, які неможливо безпосередньо виміряти.

- Вдосконалено метод інваріантного поглиблення, для якого вперше одержано рівняння похибки фільтра, що дає змогу постійно під час обчислень контролювати збіжність процесу ідентифікації ДП СЕМП.

4. Дістали подальшого розвитку методи вимірювального перетворення моментних діагностичних параметрів СЕМП, які на відміну від існуючих мають вищу точність за рахунок вилучення операції диференціювання значень кутової швидкості та врахування залежності моменту опору від кутової швидкості та сприяють підвищенню інструментальної складової достовірності діагностування, а саме:

- Вдосконалено метод кутових відліків для визначення залежності моменту механічних втрат від кутової швидкості. Виграш, що забезпечується даним методом, досягається завдяки вилученню систематичної похибки з результату вимірювання моменту механічних втрат, що сприяє підвищенню точності його вимірювання та інструментальної складової достовірності діагностування.

- Вдосконалено метод самогальмування для вимірювання приведеного моменту інерції ротора СЕМП. Виграш у підвищенні точності вимірювань, що забезпечується даним методом, досягається завдяки використанню попередньо визначеній залежності моменту механічних втрат від кутової швидкості. Даний метод сприяє зменшенню часу вимірювань приведеного моменту інерції ротора СЕМП та інструментальної складової достовірності діагностування.

5. Дістав подальшого розвитку метод фазових зсувів для вимірювального перетворення діагностичних параметрів обмоток СЕМП. Даний метод дозволяє визначати добротність обмоток та відносну кількість короткозамкнених витків в обмотках СЕМП. Метод характеризується підвищеною чутливістю до дефектів в обмотках і сприяє підвищенню інструментальної складової достовірності діагностування обмоток СЕМП, тому його застосування виправдане для виявлення дефектів, що зароджуються.

Практичне значення отриманих результатів роботи полягає, насамперед, у створенні ІВС ТД з підвищеною достовірністю діагностування. Результати теоретичних досліджень дозволили розробити методи, алгоритми, структури і засоби для створення ІВС ТД, зокрема: рекомендації з розробки ІВС ТД СЕМП; структурні схеми технічних засобів ІВС ТД та алгоритми керування ними; алгоритми та програмне забезпечення для: комп’ютерного моделювання СЕМП; визначення діагностичних параметрів СЕМП; програмне забезпечення для: діагностування СЕМП на основі нечітких множин; вейвлет-діагностування СЕМП; визначення статичних метрологічних характеристик.

Використання одержаних у роботі результатів дозволило розробити і впровадити програмне забезпечення та ІВС ТД в енергозберігаючих приводах змінної швидкості в системах тепловодопостачання підприємств “Вінницятеплокомуненерго”: програмне забезпечення для ідентифікації внутрішніх параметрів СЕМП димососа та вентилятора; програмне забезпечення та засоби для діагностування стану міжвиткової ізоляції обмоток СЕМП димососа та вентилятора; програмне забезпечення для моделювання вимірювальних каналів (ВК) та засоби для реалізації методів визначення моменту опору, моменту інерції, динамічного моменту, кутової швидкості обертання СЕМП димососа та вентилятора.

Використання одержаних у роботі результатів дозволило розробити і впровадити у структурній одиниці ВАТ “АК Вінницяобленерго” “Вінницяенергоналадка” апаратні засоби, алгоритмічне і програмне забезпечення для вимірювання параметрів руху та технічного діагностування однофазних лічильників електричної енергії, які придатні для побудови ІВС ТД СЕМП. Впровадження даних результатів дозволило проводити більш ефективне їх діагностування. На апаратні засоби і програмне забезпечення для вимірювання параметрів руху та технічного діагностування отримано свідоцтво про державну метрологічну атестацію №1252-1 від 12 грудня 2001р.

На основі теоретичних та практичних досліджень розроблено і впроваджено на Вінницькому заводі "Кристал" (господарчо-договірна тематика № Р-032 від 23 вересня 2002 р.) ВК кутової швидкості використаний в ІВС автоматичного контролю несинхронності обертання СЕМП, методики синхронізації частот обертання СЕМП, методики формування діагностичних ознак і оцінки технічного стану (ТС) СЕМП – впроваджені у виробничий процес в якості верстатів для обточки алмазів моделі ШП-6МК з електрошпинделями ДАЩ 34-91.00.00. Науково-технічний ефект від впровадження наукових положень та висновків розглянутої дисертаційної роботи полягає в наступному: підвищення точності синхронізації частот обертання СЕМП за рахунок підвищення точності вимірювань частот обертання та алгоритму адаптивної синхронізації; підвищення достовірності діагностування СЕМП електрошпинделів за рахунок формування комплексних діагностичних ознак; підвищення швидкості синхронізації частот обертання ЕМС; збільшення терміну експлуатації СЕМП електрошпинделів за рахунок прогнозування їх стану в процесі експлуатації, попередження про критичний стан, ремонту за фактичною потребою та зменшення пускових струмів. Розроблено експериментальні зразки ІВС ТД СЕМП, що дало змогу значно підвищити швидкодію контролю (зменшити час випробувань СЕМП з 36 нормо-годин до десятків хвилин), а також підвищити при цьому інструментальну та методичну складові достовірності діагностування.

У виробничий процес Ямпільського приладобудівного заводу впроваджено стенд для випробування та діагностування роторних систем, в який входить ІВС ТД та автоматичного контролю параметрів СЕМП з покращеною достовірністю діагностування з такими складовими: апаратне, алгоритмічне і програмне забезпечення ВК частоти обертання; апаратне, алгоритмічне і програмне забезпечення ВК крутного моменту; апаратне, алгоритмічне і програмне забезпечення ВК температури; алгоритмічне та програмне забезпечення діагностування та автоматичного контролю параметрів СЕМП. Науково-технічний ефект від впровадження наукових положень та висновків дисертаційної роботи полягає у підвищенні достовірності діагностування СЕМП за рахунок врахування комплексної зміни діагностичних параметрів при виникненні несправності.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові положення й результати, що виносяться на захист, отримані автором самостійно. Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих в співавторстві, такий: [19, 23, 24] - розроблені теоретичні засади побудови ІВС ТД СЕМП; [6, 8, 12, 21, 22] - розроблені методи вимірювального перетворення діагностичних параметрів (ДП); [5, 11] – розробка математичних моделей об’єктів діагностування та ВК ІВС ТД СЕМП; [2, 13-16, 18, 20] - розрахунок статичних метрологічних характеристик вимірювального перетворення ДП та визначення достовірності діагностування в ІВС ТД; [25, 26] – розкриття суті винаходів; [27, 28] – розробка структурних схем пристроїв.

Апробація результатів дисертації. Викладені у дисертації результати досліджень доповідалися й одержали схвалення на таких наукових конференціях та семінарах: Міжнародний симпозіум “Наука і підприємництво” (Вінниця-Львів, 1996р.); Міжнародна науково-технічна конференція (НТК) “Приладобудування-96” (Вінниця-Судак, 1996р.); Second Int. Scientific Conf. “Unconventional Electromechanical and Electrotechnical Systems” UEES’96 (Szczecin, Poland, 1996); 1а НТК “Сучасна контрольно-випробувальна техніка промислових виробів та їх сертифікація” (м. Мукачево, 1997р.); 4а Міжнародна НТК “Контроль і управління в технічних системах” (м. Вінниця, 1997р.); 6а Міжнародна НТК “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (м. Харків, 1999); 7а Міжнародна НТК “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (м. Вінниця, 2000); Міжнародна НТК “Приладобудування-2000” (м. Сімеїз, 2000); 8а Міжнародна НТК “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (м. Чернігів, 2000); Міжнародна НТК “Проблеми сучасної електротехніки” (Київ, 2000); Int. Conf. on Modeling and Simulation MS’2001 (Lviv, 2001); 6а Міжнародна НТК “Контроль і управління в технічних системах” (м. Вінниця, 2001р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 2 монографіях, 26 статтях у наукових фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, 9 статтях у науково-технічних журналах та збірниках праць науково-технічних конференцій, 4 тезах конференцій, 10 патентах України.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел (263 найменувань) і додатків, загальний обсяг дисертації складає 371 сторінки, з яких основний зміст викладений на 254 сторінках друкованого тексту, містить 155 рисунки і 28 таблиць. Додатки містять результати моделювання, алгоритмічне та програмне забезпечення, акти впровадження результатів роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертації, мета та основні наукові завдання дослідження; висвітлюється зв’язок роботи з програмами й планами НДР; визначається наукова новизна та практичне значення одержаних результатів; дається характеристика реалізації та впровадження положень роботи; подається інформація щодо апробації й публікації результатів дисертації, а також особистого вкладу здобувача у надрукованих роботах.

У першому розділі розглянуто особливості СЕМП як об’єкта діагностування, в результаті чого сформульовано вимоги до ІВС ТД СЕМП. Проведено аналіз сучасного стану діагностичного забезпечення ІВС ТД СЕМП, в результаті чого виявлено причини, що зумовлюють виникнення методичної та інструментальної складових достовірності діагностування в ІВС ТД СЕМП, намічено шляхи підвищення достовірності діагностування. Проведений аналіз дозволив прийти до таких висновків:

- ВК кутової швидкості є основним для визначення таких ДП СЕМП: кутове прискорення, динамічний момент, момент інерції, момент механічних втрат, параметри дисбалансу ротора. Відомі методи вимірювального перетворення (ВП) цих ДП характеризуються невисокою точністю та низькою швидкодією із-за впливу муфти спряження та використання операцій диференціювання і згладжування значень кутової швидкості, що зменшує інструментальну складову достовірності діагностування в ІВС ТД СЕМП.

- В теперішній час достатньо теоретично розроблені, експериментально апробовані математичні моделі відносно практично всіх ДП СЕМП. Математичні моделі СЕМП з урахуванням залежності моменту опору М0 від кутової швидкості щr не використовуються для діагностування ТС СЕМП. Це веде до зменшення точності оцінювання динамічного моменту, механічної характеристики, моменту інерції, параметрів статорного і роторного кола. Використання залежності M0(щr) дозволить суттєво підвищити точність визначення вказаних ДП та інструментальну складову достовірності діагностування в ІВС ТД СЕМП.

- Відомі теоретичні підходи, що покладено в основу математичного моделювання ВК кутової швидкості, засновано на системі нелінійних диференціальних рівнянь. Це не дозволяє отримати аналітичні залежності основних статичних і динамічних характеристик ВК кутової швидкості. Оскільки ВК кутової швидкості є основним для визначення цілого ряду ДП СЕМП, виникає необхідність створення нового класу лінеаризованих моделей ВП кутової швидкості, що дозволить оптимізувати його характеристики, і тим самим, підвищити інструментальну складову достовірності діагностування СЕМП.

- Більша частина номенклатури засобів ТД СЕМП, що випускаються у світі (Adwel International ltd; BJM Corporation; Electric Power Research Institute; Schleich GmbH), призначені для локальних задач – випробування та діагностування обмоток, і не дозволяють провести всебічне обстеження СЕМП за результатами приймально-здавальних випробувань. Засоби ТД СЕМП (Automation Engineering; Electronic Systems of Wisconsin; Hipotronics; Magtrol; Електромаш) не дозволяють визначати такі важливі ДП СЕМП, як: залежність пускового моменту від кута повороту; момент механічних втрат; момент інерції ротора; параметри обмоток ротора СЕМП, та діагностування за цими ДП. Це значно зменшує методичну складову достовірності діагностування.

Перспективу подальшого розширення області застосування методів діагностування обмежує недостатня достовірність діагностування в ІВС ТД СЕМП. Існує цілий ряд дослідницьких завдань, що потребують свого вирішення для розв’язання проблеми підвищення методичної та інструментальної складових достовірності діагностування:

§ Недостатньо розроблені теоретичні основи ідентифікації внутрішніх параметрів СЕМП, які неможливо безпосередньо виміряти, що істотно обмежує їх використання в ІВС ТД СЕМП та вдосконалення останніх у напрямку підвищення інструментальної складової достовірності діагностування.

§ Не розроблені методи підвищення методичної складової достовірності діагностування за рахунок використання комплексних діагностичних ознак, що формуються за результатами випробувань СЕМП.

§ Відомі теоретичні підходи до технічного діагностування СЕМП не дозволяють комплексно оцінити ТС СЕМП за загальною функцією ТС, однозначно локалізувати несправність СЕМП. Крім того, вони не дозволяють за загальною функцією ТС провести прогнозування розлагодження технологічного процесу виготовлення або прогнозування зміни ТС СЕМП.

§ Відсутні загальні підходи до проектування ІВС ТД СЕМП, які мають складатись із алгоритмічного, апаратного, програмного, метрологічного і діагностичного забезпечення. Тому розробка таких засобів здійснюється інтуїтивно.

Із вищеприведеного слідує, що з метою підвищення достовірності діагностування СЕМП необхідно проводити дослідження у напрямку подальшого розвитку теоретичних основ побудови і створення нових методів діагностування, методів та алгоритмів вимірювального перетворення ДП та нових автоматизованих ІВС ТД СЕМП. Проведений огляд стану проблеми дозволив визначити мету й задачі досліджень.

У другому розділі викладено основні принципи розвитку теорії побудови ІВС ТД СЕМП. Запропонована ієрархічна структура СЕМП як об’єкту діагностування, яка має три рівня ієрархії. Рівень І характеризує інтегральний показник технічного стану (ТС). Рівень ІІ – комплексні показники ТС. Рівень ІІІ – показники основних ДП СЕМП. Для показників ТС СЕМП, які розбиті на функціональні групи, прийнято ряд умов, що дозволяє спростити процедуру оцінювання загального ТС СЕМП шляхом оцінювання впливу окремих ДП та прогнозувати зміну його ТС:

1. Показники, які враховуються для оцінювання ТС СЕМП під час випробовувань, повинні бути ідентичні показникам, які враховуються під час проектування.

2. Склад показників ТС повинен відображати основні експлуатаційні характеристики СЕМП.

Показники ТС повинні бути визначені таким чином, щоб простіше було б визначати залежність між підвищенням якості СЕМП і зміною при цьому будь-якої експлуатаційної характеристики. При такій ієрархічній побудові показників ТС задача зводиться до того, щоб оцінити вплив певного параметру СЕМП на інтегральний показник ТС при випробовуваннях.

Дані ієрархічні структури СЕМП можна також використати для проведення діагностування на етапі експлуатації, виділивши із них певні функціональні групи. Врахування груп показників повинно проводитись діагностичними моделями.

Залежності показників ТС від ДП визначають логічний або аналітичний тип діагностичної моделі.

Логічна модель визначає якісну форму залежності показників ТС від ДП. У логічній моделі всі показники ТС можуть приймати лише два значення: “придатний” (1) і “непридатний” (0). Поєднання всіх показників ТС, що мають значення 1, відповідає працездатному стану об‘єкта. Несправний стан об’єкт діагностування (ОД) характеризується множиною значень показників ТС, в якій хоча б один із показників прийняв значення 0. Таким чином, стан ОД у цілому також описується логічною змінною, яка приймає значення 1 при працездатному об‘єкті і 0 – при непрацездатному. Такий опис достатній з точки зору прийняття рішення про працездатність ОД. Основним недоліком логічної діагностичної моделі є те, що в силу якісного зв‘язку показників ТС з ДП вона не може дати повної інформації про вплив умов експлуатації і зберігання на якість функціонування ОД, а також проводити класифікацію ОД за категоріями якості.

В аналітичній моделі показники ТС характеризуються неперервністю, тобто малі зміни значень ДП приводять до малих змін показників ТС. Правильно вибраний показник ТС як функція ДП повинен мати екстремальне значення. Екстремуму показника ТС відповідають номінальні значення ДП. Тому будь-яке відхилення ДП СЕМП від своїх номінальних значень приводить до погіршення значення показника ТС. Аналітична модель дає кількісний зв‘язок показників ТС з ДП. Цей кількісний зв‘язок дає більшу інформацію, яку можна використовувати не тільки для прийняття рішення про придатність ОД, але й для аналізу впливу умов зберігання і експлуатації на властивості ОД, а також для прогнозування зміни ТС ОД.

Кількісна оцінка інтегрального показника ТС W може формуватися експертними методами, але при цьому на формування інтегрального судження (оцінення ТС) впливає власний досвід експертів, інтуїтивне відчування важливості тих чи інших параметрів, різниця в оцінці однакових ОД різними групами експертів, що особливо небажано в тих випадках, коли процес проведення експертизи достатньо тривалий, а склад експертної групи міняється. Один із шляхів усунення такої неоднозначності – встановлення єдиних правил формування інтегрального показника ТС.

Правило 1. Правило співрозмірності масштабів вимірювань:

0 ? f(WХХ, WКЗ, WД, WОБМ) ? 1;

0 ? WХХ ? 1; 0 ? WКЗ ? 1; 0 ? WД ? 1; 0 ? WОБМ ? 1; 0 ? Wпар.i ? 1, (1)

де Wпар.i - показник і-го ДП; f(…) - функція інтегрального показника ТС.

Всі показники змінюються в інтервалі від 0 до 1.

Правило 2. Правило нижньої межі показника ТС

f(Wi, 0) = f(Wi), (2)

тобто при нульовій оцінці будь-якого параметра в інтегральному показнику ТС, який розташований вище по ієрархії, він не враховується.

Якщо нижня межа шкали оцінок починається з нуля, то верхньою межею є одиниця. Інтегральний показник ТС максимальний (рівний одиниці) в тому випадку, коли всі складові параметри в свою чергу оцінюються одиницею.

Правило 3. Правило верхньої межі показника ТС

f(Wi) = 1 при W1 = W2 = … = Wi = 1, (3)

тобто при одиничній оцінці всіх параметрів, показник ТС, який розташований вище по ієрархії, приймає значення одиниці.

Правило 4. Перше правило взаємної незалежності показників ТС

f(f(W1, …, Wi) = f(f(W1), …, f(Wi)). (4)

Правило 5. Друге правило взаємної незалежності показників ТС

f(f(W1, W2), …, Wi-1, Wi) = f(W1, W2, …, f(Wi-1, Wi)). (5)

Правило 6. Правило ідентичності вимірювань

i = const. (6)

Взаємне порівняння технічних рішень і оцінювання ТС ОД можливе лише у тому випадку, коли показники якості ідентичні для всіх порівнюваних об‘єктів, як за методами діагностування і контролю, так і за кількістю ДП.

Аналіз сформульованих правил формування показників ТС показує, що найпростішою зконструйованою функцією, яка задовольняє їм, є функція

W = FTS(WTS, 4), WTS = [WХХ, WКЗ, WД, WОБМ]T, WХХ = FTS(Wпар.ХХ, k),

WКЗ = FTS(Wпар.КЗ, l), WД = FTS(Wпар.Д, m), WОБМ = FTS(Wпар.ОБМ, n);

FTS(x, N) = [?Ni=1 xi + ?Ni=1 xi]/(N+1). (7)

де WХХ, WКЗ, WД, WОБМ - показники ДП ОД; k, l, m, n - кількість ДП, які формують показники WХХ, WКЗ, WД, WОБМ; WTS - вектор комплексних показників ТС ОД; Wпар.ХХ, Wпар.КЗ, Wпар.Д, Wпар.ОБМ - показники ДП ОД; FTS(…)- функція формування показників ТС ОД; W – інтегральний показник ТС ОД; символ "Т" – оператор транспонування.

В загальному вигляді принципи формування інтегрального та комплексних показників ТС ОД такі:

1. Представлення ОД у вигляді ієрархічної структури ДП.

2. На верхньому рівні І ієрархії розрашований інтегральний показник ТС W.

3. Інтегральний показник ТС ОД W визначається комплексними показниками ТС WХХ, WКЗ, WД, WОБМ, що розташовані на рівні ІІ ієрархічної структури ОД та характеризують ТС ОД у певному режимі випробувань (холостого ходу ХХ, короткого замикання КЗ та інш.).

4. Комплексні показники ТС WХХ, WКЗ, WД, WОБМ визначаються показниками ДП Wпар.ХХ, Wпар.КЗ, Wпар.Д, Wпар.ОБМ, що знаходяться на рівні ІІІ ієрархічної структури та характеризують відхилення ДП від встановлених стандартами на ОД значень ДП.

5. Інтегральний, комплексні показники та показники ДП в залежності від методу діагностування, що використовується, входять в логічну або аналітичну ДМ.

6. Взаємозв’язок всіх показників між собою представлений зконструйованою за єдиними правилами формування інтегрального показника ТС ОД (1) – (6) функцією (7).

При формалізації вибору ДП прийняття тих чи інших параметрів залежить від особливостей ОД. До показників ДП формулюються такі вимоги:

·

·

·

В основу методики визначення показників ДП, які задовольняють вищевказаним вимогам, покладено функцію Іордана

fе(y) = cos y /. (8)

Основна властивість цієї функції полягає в тому, що із зміною її параметра е в діапазоні -1 <е?? при –р/2 ? y ? + р/2 форма функції змінюється від прямокутної до дельта-функції Дірака (рис. 1). Для того, щоб використати функцію Іордана для формування показників ДП, потрібно формувати її у межах поля допуску ±ДР параметра Р і максимум функції (fе(P)=1) повинен відповідати номінальному значенню параметру Рном, що контролюється. Для цього функція Іордана перетворюється. Необхідним вимогам задовольняє функція

fе(P) = cos(р(P - Pном)/(2ДP)/, (9)

де поле допуску ±ДР задається в одиницях вимірювання ДП.

Вибір значення параметра e залежить від жорсткості вимог, що висуваються до проведення ТД.

Рис. 1. Просторове зображення функції Іордана fе(е, y)

Після визначення інтегрального показника ТС СЕМП, що діагностується, можливо присвоювати категорії якості. Категорії якості присвоюються в залежності від коефіцієнта рівня ТС і лімітуючих показників, наприклад: вища категорія при W?0.95; перша категорія при 0.95>W?0.9; друга категорія при W<0.9.

При проведенні діагностування СЕМП виникає необхідність формування ДМ на основі знань експертів та оцінювання її адекватності стану ОД. В роботі використаний підхід, який дозволяє ітераційно з використанням знань експерта формувати машинну ДМ ОД, що в подальшому використовується в ІВС ТД як зразкова ДМ. Розглянуто підходи до покращення якості вибору ДП. Отримана в ході випробувань зразкова ДМ може бути змінена і уточнена експертом двома шляхами.

1. Вибір способу представлення ДМ (“чіткий” і “нечіткий”). У випадку, коли сформована ДМ недостатньо точно моделює знання експерта про ОД, то матриця діагностичної інформації може бути оброблена іншим математичним методом з підтримкою певної похибки апроксимації. При представленні ДМ в “чіткому” вигляді результати діагностування можуть бути оброблені, наприклад, методами математичної статистики. При представленні моделі у вигляді нечіткої бази знань вона характеризується параметрами функції належності за кожним із ДП.

2. Вибір тестових об’єктів чи зміна фізичних моделей ОД. У випадку признання експертом сформованої зразкової ДМ недостатньо адекватної ОД може бути змінений не тільки метод математичної обробки матриці діагностичної інформації, а й сама послідовність тестових об’єктів чи параметри фізичних моделей ОД. Таким чином, на основі аналізу зразкової ДМ експерт може керувати фізичною моделлю ОД з тим, щоб, наприклад, змоделювати відомі йому типові режими роботи чи стан ОД і зафіксувати їх в матриці діагностичної інформації, а потім і в зразковій ДМ.

Як ДП використані встановлені стандартами на випробування параметри СЕМП, які відповідають властивостям контролепридатності. В залежності від того, на якому етапі життєвого циклу СЕМП проводиться діагностування, вибирається відповідний набір ДП.

З використанням вищеописаного підходу сформовано приклади ДМ СЕМП в табличній формі представлення. Як ДП використані параметри СЕМП, що визначаються в процесі їх випробувань, а як діагностичні ознаки – відхилення цих параметрів від номінальних значень. Повну ДМ (табл. 1) використовується на етапі виробництва, де можливо виміряти всі необхідні ДП в процесі випробувань. На етапі експлуатації доцільно використати усічену ДМ, оскільки вона використовує лише ті ДП, вимірювання яких не вимагає використання складних вимірювальних комплексів (наприклад, для реалізації режиму КЗ). Усічена ДМ по відношенню до повної ДМ характеризується меншим коефіцієнтом повноти діагностування внаслідок відсутності показників ТС в режимі КЗ.

Таблиця 1

Приклад повної ДМ СЕМП – асинхронного двигуна для проведення діагностування на етапі виробництва

В табл. 1 прийняті такі умовні позначення: Rобм – активний опір обмотки; Lобм – індуктивність обмотки; Lm – взаємна індуктивність між обмотками; Qобм – добротність обмотки; Мmax – максимальний момент; J – момент інерції ротора (якоря); M0 – момент опору; Іхх – струм холостого ходу; wr хх – кутова швидкість в режимі ХХ; cosj - косинус j; h - ККД СЕМП; Iп – пусковий струм; Мп – пусковий момент; Q1 –збільшений розмір повітряного зазору; Q2 – занижена кількість витків обмотки статора; Q3 – відступ у висоті вусика пазів ротора; Q4 – відступ у випалі листів магнітопроводу; Q5 – невідповідність марки сталі; Q6 – завищена кількість витків обмотки статора Q7 – завищений опір обмотки статора; Q8 – неякісна заливка ротора; Q9 – підвищені втрати в сталі; Q10 – підвищені механічні втрати в підшипниках; Q11 – порушення в хімічному складі алюмінієвого сплаву; Q12 – невідповідність в обмоточних даних; Q13 – взаємне зміщення пакетів статора і ротора; Q14 – зменшений розмір повітряного зазору. Символ “+” відповідає впливу ДП на формування відповідного діагнозу.

Запропоновано метод логічних функцій для діагностування СЕМП на основі таблиці діагнозів, в якому рішення про ТС СЕМП приймаєтьмя на основі бульової логіки. У порівнянні з відомими методами, даний метод забезпечує підвищення методичної складової достовірності діагностування за рахунок використання комплексних логічних діагностичних ознак на множині результатів вимірювань та таблиці діагнозів СЕМП.

Діагностування СЕМП за методом логічних функцій розглядається як реалізація умов істинності логічної діагностичної функції. Існують прості (двійкові) діагностичні ознаки k1, k2, k3, …, за допомогою яких розрізняються ТС ОД. Наявність діагностичної ознаки позначається числом 1, відсутність – 0. Таким чином,

Наявність чи відсутність діагностичної ознаки kj позначається таким чином: наявність ознаки kj (kj = 1); відсутність ознаки (kj = 0). ТС СЕМП позначимо як Q1, Q2, Q3, ..., причому наявність ТС відповідає числу 1, а відсутність – числу 0

ТС ОД описується діагностичними ознаками k та набором ТС Q1, Q2, ..., Q14:

·

·

Для повної логічної ДМ СЕМП діагностичні функції

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Q1 = a3?c2?d1; Q2 = a1?a2?a4?c1?c4?d1; Q3 = b2?c2?c3?d1; Q4 = a3?b1?c2;

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Q5 = b1?c3; Q6 = a1?a2?a4?b1?c1?d2; Q7 = a1?a4?b1?c1?c4;

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Q8 = a1?a2?a3?a4?b1?c1?c3?d2; Q9 = b1?c1?c3; Q10 = b3?c1?c2?c3; (10)

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Q11 = b1?b2?c1?c3; Q12 = a1?a2?a3?a4?b1?c1?c2?c4?d1; Q13 = a3?b1?b3?c2?d1; Q14 = a3?b1?b3?c2?c3?d1.

Для усіченої логічної ДМ СЕМП діагностичні функції

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Q1 = a3; Q2 = a1?a2?a4?c1?c4; Q3 = b2; Q4 = a3?b1; Q5 = b1;

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Q6 = a1?a2?a4?b1?c1?c4; Q7 = a1?a4?b1?c1?c4; Q8 = a1?a2?a3?a4?b1?c1;

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Q9 = b1?c1; Q10 = b3?c1?c2; Q11 = b1?b2?c1; Q12 = a1?a2?a3?a4?b1?c1?c4; Q13 = Q14 = a3?b1?b3. (11)

Запропоновано метод діагностування на основі системи нечіткого логічного висновку Сугено, в якому рішення про ТС СЕМП приймається на основі нечітких знань. Виграш, що забезпечується даним методом, досягається завдяки врахуванню вагової інформативності