Національний авіаційний університет

БЄЛЬСЬКА Олександра Арутюнівна

УДК 629.735.083.03(043.3)

МЕТОДИКА ОРГАНІЗАЦІЇ

ТЕХНІЧНОГО ОБСЛУГОВУВАННЯ ЗА СТАНОМ ГАЗОПЕРЕКАЧУВАЛЬНИХ АГРЕГАТІВ ГАЗОТРАНСПОРТНОЇ СИСТЕМИ

Спеціальність 05.22.20 - Експлуатація та ремонт засобів транспорту

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ ? 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Казак Василь Миколайович,

Національний авіаційний університет,

професор кафедри автоматизації та

енергоменеджменту.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Терьошкін Олександр Олександрович,

Український державний учбово-сертифікаційний

центр ЦА, головний науковий співробітник,

заступник генерального директора

з науково-методичної та учбової роботи;

кандидат технічних наук,

Пащенко Сергій Валерійович,

Державний науково-дослідний інститут авіації,

начальник управління.

Захист дисертації відбудеться “31” січня 2008р. о 14:00 годині в аудиторії 1.001 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.03 при Національному авіаційному університеті за адресою: 03680, м. Київ-680, просп. Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ-680, просп. Космонавта Комарова, 1.

Автореферат розісланий “19” грудня 2007р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент, с.н.с. С.В. Павлова

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Нині технічне обслуговування (ТО) газоперекачувальних агрегатів (ГПА) проводиться з використанням таких середньостатистичних показників, як наробіток на відмову і призначений ресурс. Така стратегія ТО призводить до неефективного використання фактичного ресурсу. У зв'язку з цим науковий і практичний інтерес має задача всебічного теоретичного обґрунтування методики організації ТО ГПА за станом.

Зв’язок дисертаційної роботи з програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною досліджень, що проводяться на кафедрі автоматизації та енергоменеджмента аерокосмічного інституту НАУ (м. Київ) протягом 2005-2007 років за темою "Обслуговування і ремонт автоматизованих систем трубопровідного транспорту".

Мета і завдання дисертаційної роботи. Метою роботи є алгоритмічний синтез інтегральної інформаційно-обчислювальної системи, що дозволяє реалізувати як ТО ГПА за станом, так і комбіноване (ТО за наробітком і прогноз передвідмовного стану).

Для досягнення зазначеної мети необхідно вирішити такі завдання:

- синтез адаптивної системи неперервного моніторингу (АСНМ) параметрів, що характеризують технічний стан (ТС) газотурбінної установки (ГТУ) з відцентровим нагнітачем (ВЦН);

- ідентифікація параметрів, що характеризують ТС ГТУ з ВЦН;

- прогнозування параметрів, що характеризують ТС ГТУ з ВЦН.

Крім того необхідно розробити рекомендації з практичної реалізації методики організації ТО ГПА за станом.

Об'єктом дослідження дисертаційної роботи є стратегії ТО ГПА з газотурбінним приводом. Предмет дослідження ? система неперервного контролю й прогнозування ТС ГПА з газотурбінним приводом .

Методи дослідження:

- методи математичного аналізу, лінійної алгебри, функціонального аналізу, за допомогою яких синтезована адаптивна система неперервного моніторингу параметрів, що характеризують ТС об'єкта;

- методи теорії автоматичного керування для оцінки можливості фізичної реалізації і стійкості синтезованої адаптивної системи неперервного моніторингу, а також для ідентифікації параметрів, що характеризують ТС об'єкта;

- методи теорії імовірності і математичної статистики для оцінки поточного стану й індивідуального прогнозування параметрів, що характеризують ТС об'єкта;

- методи газової динаміки, що використані при побудові математичної моделі одновальної ГТУ з ВЦН.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше синтезована структура адаптивної системи неперервного моніторингу параметрів, що характеризують ТС об’єкта, яка дозволяє здійснювати контроль цих параметрів у реальному часі;

- запропонована модифікація методу параметричної ідентифікації об’єкта ТО, яка дозволяє ідентифікувати параметри, що характеризують ТС об’єкта без втручання в штатний режим роботи ГПА;

- розроблені нові алгоритми оцінки поточного ТС об’єкта й алгоритми прогнозування ТС об’єкта на визначений проміжок часу;

- розроблена лінійна динамічна модель одновальної ГТУ з ВЦН, параметри якої (коефіцієнти підсилення, сталі часу) характеризують ТС ГПА.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено методику ТО ГПА, яка дозволяє прогнозувати процес зміни параметрів, що характеризують ТС, і оцінювати час їхнього виходу на границю допусків.

Одержані в дисертаційній роботі результати дають можливість:

- вести неперервний моніторинг параметрів, що характеризують ТС, і прогнозувати значення цих параметрів на визначений період упередження;

- одержувати кількісні значення параметрів, що характеризують ТС ГТУ з ВЦН, і оцінювати імовірність перебування цих параметрів у полі допуску;

- виявляти тенденцію зміни кожного параметра, що характеризує ТС ГТУ з ВЦН.

Відмінною рисою розробленої в дисертаційній роботі методики є те, що можна організувати ТО ГПА за станом або комбіноване (ТО за наробітком і прогноз передвідмовного стану) без залучення складних систем як вбудованого, так і зовнішнього контролю в умовах штатного функціонування і відсутності статистичних даних по великій кількості однотипних об'єктів, що має місце для ГТУ з ВЦН.

Розроблена в дисертаційній роботі методика може бути використана для організації повної або часткової технічної експлуатації за станом будь-яких динамічних об'єктів без додаткових обмежень.

Результати дисертаційних досліджень впроваджено шляхом використання в навчальному процесі НАУ на кафедрі автоматизації та енергоменеджменту.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є узагальненням результатів теоретичних та експериментальних досліджень, проведених автором особисто. Основні отримані автором результати опубліковані в [1, 2, 3, 5]:

[5] – викладено методику організації ТО ГТУ за станом;

[1] – математично обґрунтована методика формування вектора визначальних параметрів газотурбінного двигуна і алгоритм одержання чисельних значень цих параметрів;

[2] – узагальнено результати роботи [5] на випадок збігу розмірності вхідного і вихідного векторів, що дозволяє здійснювати декомпозицію математичної моделі ГТУ;

[3] ? розроблено методику прогнозування вектора визначальних параметрів, що забезпечує практичну безвідмовність функціонування газотурбінного двигуна.

Апробування результатів дисертаційної роботи. Отримані результати доповідалися та схвалені на: МНК студентів і молодих учених "Політ-2004" (робота посіла І місце та відзначена грамотою), МНТК "Авіа-2006", МНТК "Авіа-2007", ІІІ МНК "ІSDMІ'2007", ЮНПК ДНДІА, ЮНТК ЦНДІ ОВТ ? липень 2007.

Публікації. За результатами дисертаційних досліджень опубліковані статті в наступних збірниках, три з яких фахові: Наука і молодь; Матеріали VІІ МНТК "Авіа-2006"; Матеріали VІІ МНТК "Авіа-2007"; Вісник ЦНЦ ТАУ; Збірник наукових праць ІІІ МНК "ІSDMІ'2007"; Збірник наукових праць ЦНДІ ОВТ; Збірник наукових праць ДНДІ А; Проблеми інформатизації та управління.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 61 найменування та додатків на 41 сторінці. Обсяг роботи - 192 сторінки тексту.

Зміст дисертаційної роботи

У вступі розкрита важливість досліджень і обґрунтована їх актуальність, сформульовані мета і задачі дисертаційної роботи, зазначені наукова новизна і практична значимість роботи. Надані основні компоненти методики організації ТО за станом ГПА газотранспортної системи.

У першому розділі дано аналіз існуючих методів технічної експлуатації і стратегій ТО, методів статистичної обробки параметрів, що характеризують ТС об'єкта, і методів індивідуального прогнозування цих параметрів. При методі технічної експлуатації за ресурсом зі стратегією ТО за наробітком система керування ТС об'єкта є розімкнутою, а, отже керуючий влив на процес технічної експлуатації визначається не вектором параметрів, що характеризують ТС об'єкта, а часом наробітку відповідно прийнятій програмі ТО і ремонту (ТОіР). У цьому випадку, відсутність зворотного зв'язку в контурі керування ТС об'єкта є причиною слабкого взаємозв'язку між поточним ТС об’єкта та його ТО. Лише по закінченню досить тривалого часу експлуатації великої кількості однотипних об'єктів у програму ТОіР об'єкта може бути внесена корекція. Зворотний зв'язок у контурі керування ТС об'єкта можна забезпечити в результаті неперервного або періодичного контролю параметрів, які характеризують ТС об'єкта, що має місце при методі технічної експлуатації до передвідмовного стану зі стратегією ТО за станом. Істотне значення для прогнозування ТС об'єкта при цьому методі експлуатації має можливість одержання кількісних оцінок параметрів, що характеризують ТС об'єкта, як функцій часу. Умовами застосування методу технічної експлуатації до передвідмовного стану зі стратегією ТО за станом є: знання вичерпної сукупності параметрів, що характеризують ТС об'єкта та обмежень на них; можливість виявлення несправностей на ранніх стадіях їхнього розвитку в результаті неперервного контролю параметрів, що характеризують ТС об'єкта, і їхньої ідентифікації; можливість прогнозування параметрів, що характеризують ТС об'єкта; збір і статистична обробка даних про виміри параметрів, що характеризують ТС об'єкта.

Будь-який об'єкт ТО в першу чергу є об'єктом автоматичного регулювання, що використовується за своїм функціональним призначенням і характеризується сукупністю вхідних (регулюючих) параметрів, що утворюють вектор і сукупністю вихідних (регульованих) параметрів, що утворюють вектор , причому . При цьому основна задача системи автоматичного регулювання ? забезпечення номінальних (штатних) режимів функціонування об'єкта ТО. При побудові систем автоматичного регулювання за принципом від’ємного зворотного зв'язку традиційно, починаючи з робіт О. М. Ляпунова, використовуються лінійні динамічні моделі об'єктів регулювання, що пояснюється малістю відхилень, яка дозволяє використовувати метод лінеаризації. У дисертаційній роботі в якості параметрів, що характеризують ТС об'єкта ТО, пропонується розглядати параметри його лінійної динамічної моделі (коефіцієнти підсилення, сталі часу). Для об'єктів, що експлуатуються за методом технічної експлуатації до передвідмовного стану, набір визначальних параметрів і допуски на них вказуються розроблювачем виробу. Тому, при побудові лінійної динамічної моделі об'єкта варто керуватися наступним правилом: лінійна динамічна модель об'єкта у якості координат вхідного і вихідного векторів повинна мати функціональні параметри об'єкта ТО, що мають найбільшу діагностичну цінність, а параметри лінійної динамічної моделі повинні бути взаємооднозначно пов'язані з визначальними параметрами, що призначені розроблювачем виробу. У цьому випадку параметри лінійної динамічної моделі цілком характеризують ТС об'єкта, а зміна цих параметрів у часі характеризує процес "старіння" об'єкта ТО. Неперервний контроль визначальних параметрів здійснюється в результаті неперервного контролю й ідентифікації параметрів лінійної динамічної моделі. Це забезпечує зворотній зв'язок у контурі керування ТС об'єкта. Неперервність контролю визначальних параметрів дозволяє одержувати обсяг інформації про ТС об'єкта, що виключає можливість раптових відмов. Для поступових відмов можуть бути розроблені спеціальні методи їхнього прогнозування, основною задачею яких є своєчасне виявлення передвідмовного стану об'єкта. При цьому процес зміни відповідних параметрів, що характеризують ТС об'єкта, як правило, має монотонний характер. Слід зазначити, що при прогнозуванні, звичайно, користуються не моделями систем, а адаптивними моделями визначальних параметрів, здатними реагувати на зміни ТС об'єкта ТО. Принципи побудови адаптивної системи неперервного моніторингу параметрів, що характеризують ТС, і адаптивних моделей прогнозування цих параметрів є універсальними для широкого класу динамічних об'єктів, а лінійна динамічна модель об'єкта ТО, що задовольняє сформульованим вище вимогам, створюється для кожного об'єкта індивідуально. Ця обставина визначає порядок викладу матеріалу в дисертаційній роботі. В другому розділі розглядаються питання пов'язані із синтезом адаптивної системи неперервного моніторингу параметрів, що характеризують ТС об'єкта, у третьому ? побудова адаптивної моделі індивідуального прогнозування цих параметрів, у четвертому ? побудована лінійна динамічна модель одновальної ГТУ з ВЦН, на основі якої вирішена задача алгоритмічного синтезу інтегральної інформаційно-обчислювальної системи обробки параметрів ГПА.

Структурно-функціональна схема інтегральної інформаційно-обчислювальної системи (ІІОС) обробки параметрів представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурно-функціональна схема ІІОС обробки параметрів

В другому розділі синтезована адаптивна система неперервного моніторингу параметрів, що характеризують ТС об'єкта, яка призначена для здійснення неперервного контролю цих параметрів, визначення моментів корекції й обчислення нових номінальних значень параметрів лінійної динамічної моделі, які відповідають ТС, що змінився. Адаптивна система неперервного моніторингу є основним джерелом первинної інформації о ТС об'єкта. У якості лінійної динамічної моделі об'єкта ТО, що пов’язує зображення за Лапласом вектора вихідних параметрів із зображенням за Лапласом вектора вхідних параметрів , в дисертаційній роботі розглядається

, (1)

де ? матриця передаточних функцій повного рангу розміру , тобто , для будь-якого в комплексній площині. Характерною особливістю моделі (1) є те, що розмірність вихідного вектора перевищує розмірність вхідного вектора , тобто .

Зміни, що виникають у вузлах об'єкта і обумовлені поступовим старінням цих вузлів, проявляються у виникненні невідповідності параметрів передаточних функцій, що входять у матрицю передаточних функцій , реальному ТС об'єкта.

У дисертаційній роботі неперервний моніторинг параметрів, що характеризують ТС об'єкта ТО, пропонується виконувати за допомогою системи неперервного контролю (СНК), структурна схема якої наведена на рис. 2. |

Рис. 2. Структурна схема СНК параметрів,

що характеризують ТС об'єкта | У структурній схемі на рис. 2

є псевдооберненою матрицею передаточних функцій до матриці передаточних функцій .

Якщо лінійна динамічна модель ідеально відповідає ТС об'єкта ТО, тобто зображення вихідного вектора об'єкта збігається із зображенням вихідного вектора моделі, то

, (2)

для будь-якого .

Порушення ж рівності (2) у деякий момент часу свідчить про те, що деякі параметри елементів матриці передаточних функцій не відповідають реальному ТС об'єкта ТО в цей момент часу і підлягають корекції.

Істотною перевагою пропонованої схеми є те, що висновок про адекватність моделі об'єкту можна зробити при повній відсутності інформації про вхідні параметри і тим більше без будь-яких тестових впливів на об'єкт.

Не виконання рівності (2) для означає, що один, чи кілька рядків матриці не відповідають стану, що змінився, відповідних вузлів об'єкта і значить необхідно знайти ці рядки і відповідні елементи в цих рядках і відкоригувати їх. У дисертаційній роботі запропонована процедура визначення рядка матриці , що містить передаточну функцію, параметри якої підлягають корекції відповідно до змін ТС об'єкта. Ця процедура також може бути здійснена при повній відсутності інформації про вхідний вектор.

Ідентифікація параметрів передаточних функцій, що підлягають корекції виконується за допомогою модифікованого методу параметричної ідентифікації. Структурна схема, що реалізує цю процедуру, подана на рис.3.

Рис. 3. Структурна схема визначення параметрів передаточних

функцій, що утворюють - ий рядок матриці

У структурній схемі на рис. 3: ? збурювання вхідного вектора по - тій координаті; ? реакція об’єкта на збурювання ; ? одинична матриця розміру , у якій, одиниця, що стоїть в - тому рядку (- тому стовбці) замінена на нуль; ; ? це реакція моделі на збурювання . , ? усталені режими об’єкта та моделі. Параметри передаточної функції визначаються із умов мінімуму функціонала .

Слід зазначити, що на відміну від традиційного використання методу, який полягає в подачі тестових впливів на вхід об’єкта і моделі із наступним порівнянням їхніх реакцій, процедура представлена на рис. 3 не вимагає інформації про тестові збурювання.

Матриця передаточних функцій синтезованої адаптивної системи неперервного моніторингу параметрів, що характеризують ТС об’єкта, є матрицею розміру і має вигляд . У дисертаційній роботі отримані достатні умови можливості фізичної реалізації та стійкості синтезованої системи псевдообернення та адаптивної системи неперервного моніторингу параметрів. Ці умови сформульовані в термінах коефіцієнтів поліному, що стоїть в чисельнику виразу

. (3)

Достатньою умовою можливості фізичної реалізації синтезованої адаптивної системи неперервного моніторингу є рівність старших ступенів поліномів чисельника і знаменника виразу (3). Стійкість адаптивної системи неперервного моніторингу визначається розташуванням коренів чисельника виразу (3) у лівій півплощині комплексної площини.

З урахуванням похибок (моделювання, вимірів, обчислень) умова, що визначає момент корекції моделі має вигляд

, (4)

де ? сумарна приведена похибка, , ? матриця вагових функцій, що відповідає матриці передаточних функцій , ? усталене значення вихідного вектора , ? норма (довжина) вектора . Для усталеного режиму і тому умова (4) набуває вигляду . У дисертаційній роботі показано, що матриця коефіцієнтів підсилення синтезованої адаптивної системи неперервного моніторингу є матрицею оператора ортогонального проектування в - вимірному евклідовому просторі.

Параметри, що характеризують ТС об'єкта (коефіцієнти підсилення, сталі часу лінійної динамічної моделі), занумеровані у визначеному порядку утворюють вектор , , ? число, координат вектора , що зв'язані диференціальними рівняннями (інші координат цього вектора зв'язані алгебраїчними рівняннями), . Надійність, отриманих значень координат вектора , що ідентифікуються, підвищується зі збільшенням обсягу вибірки, по якій проводиться їхнє оцінювання.

Отримано алгоритм визначення спроможних і незміщених точкових оцінок числових характеристик координат вектора за наростаючою вибіркою об’єму

,

, .

У припущенні нормальності розподілу результатів ідентифікації координат вектора за методом інтервальних оцінок отриманий мінімально можливий обсяг вибірки при заданих значеннях довірчої імовірності і довірчого інтервалу. Вектор, що складається з оцінок координат вектора , проведених у послідовні моменти корекції , позначимо .

Розмірність вектора достатньо велика. Для зменшення розмірності цього вектора у випадку методу технічної експлуатації об'єкта до передвідмовного стану, при якому визначальні параметри призначаються розроблювачем виробу, можна лише відкинути ті координати, які не зв'язані з параметрами, що задані розроблювачем виробу. Вектор, сформований з координат вектора , що лишилися після відкидання, позначається , .

Для зменшення розмірності вектора при методі технічної експлуатації об'єкта за ресурсом, запропонований алгоритм відбору тих координат, що найменш пов'язані між собою. Зважаючи на те, що при методі технічної експлуатації за ресурсом визначальні параметри розроблювачем виробу не призначаються, то в якості визначальних параметрів пропонується використовувати некорельовані (слабко корельовані) координати вектора . Ці координати утворюють вектор , . Розроблено рекомендації з формування поля допусків для вектора визначальних параметрів у випадку комбінованого ТО об'єкта.

Справний стан об'єкта ТО в момент часу еквівалентний виконанню співвідношення

, (5)

де ? поле допуску для вектора визначальних параметрів. Так як про істинне значення координат вектора можна судити тільки за точковими оцінками цих координат, що утворюють вектор , то висновок про ТС об'єкта ТО в момент часу можна зробити тільки з визначеною довірчою імовірністю . Тому, якщо імовірність

, (6)

то з довірчою імовірністю можна стверджувати, що виконується співвідношення (5). В (6) ? підмножина множини , тобто , при чому відстань від будь-якої точки підмножини до будь-якої точки ? границі множини не менше ніж , де ? величина довірчого інтервалу.

У третьому розділі сформована методика статистичної обробки отриманого масиву оцінок координат вектора і розглянуті методи індивідуального прогнозування координат вектора визначальних параметрів.

Отримані рекурентні формули для оцінок щільностей розподілу імовірності кожної координати вектора за наростаючою вибіркою об’єму

, (7)

де ? оцінка щільності розподілу імовірності - тої координати вектора по вибірці об’єму , ? вагова функція, що називається ядром, для - тої координати вектора .

Після отримання оцінок щільностей розподілу імовірності кожної координати вектора проводиться статистична перевірка гіпотез про вид законів розподілу цих координат і гіпотез про їхні числові характеристики. Гіпотеза про нормальність теоретичного закону розподілу кожної координати вектора перевіряється за допомогою критерію погодження (критерій Пірсона). Якщо гіпотеза про нормальність розподілу не спростовується, то перевірка гіпотез про математичне очікування проводиться за критерієм Фішера і методом інверсій, а перевірка гіпотез про дисперсію ? за критерієм Кохрена і методом інверсій. Якщо ж у результаті застосування критерію погодження гіпотеза про нормальність розподілу спростовується, то перевірка гіпотез про числові статистичні характеристики проводиться за допомогою непараметричних критеріїв.

Завдання прогнозування полягає у своєчасному виявленні передвідмовного стану об'єкта. У дисертаційній роботі для індивідуального прогнозування координат вектора визначальних параметрів пропонується використовувати модифікований метод середніх і адаптивний метод експоненціального згладжування. Як модель прогнозу кожної координати вектора визначальних параметрів за методом середніх розглядається наступна модель

, . (8)

Перша пара доданків у виразі (8) ? квазідетермінована складова; ? некорельована із результатами обчислень координати випадкова величина з нульовим математичним очікуванням, у загальному випадку нестаціонарна по дисперсії.

Аналогічна модель прогнозу для має вигляд

, . (9)

Якщо ? останній момент корекції параметрів лінійної динамічної моделі, а , ? оцінки числових характеристик - тої координати вектора визначальних пареметрів, то покладаємо

і . (10)

Коефіцієнти , визначаються звичайним для методу середніх способом. Умова (10) разом із використанням ковзної вибірки об’єму забезпечують більшу вагу останнім у часі значенням параметрів, що характеризують ТС об'єкта ТО. Отримано розрахункові формули для інтервалу упередження

. (11)

Формула (11) отримана в припущенні зростаючого характеру тренда координати . Якщо буде виявлено, що , то прогнозування адаптивним методом експоненціального згладжування для уточненого прогнозу проводити немає необхідності.

Для уточнення результатів прогнозу, виконаного за методом середніх, пропонується здійснювати прогнозування поправок прогнозу, що, як показують розрахунки, дозволяє зменшити значення коефіцієнта ефективності прогнозу.

Прогнозування ТС об'єкта розглядається як імовірність .

У четвертому розділі з урахуванням теоретичних висновків розділів 1-3 отримана лінійна динамічна модель одновальної ГТУ з ВЦН. Проведено аналіз характерних несправностей, зв'язок яких з функціональними параметрами ГПА встановлюється за допомогою найпростіших логічних моделей, наприклад графа. Такого роду моделі дозволяють якісно виділити окремі несправності ГПА за характерною для них зміною групи функціональних параметрів. Однак можливості таких моделей обмежені. Вони не дозволяють одержувати кількісну оцінку розвитку несправностей і визначати рівень ТС ГПА.

Вибір вимірюваних параметрів, що підлягають неперервному контролю, як правило, неоднозначний, що обумовлено як специфічними особливостями ГПА, так і різноманітним характером зв'язків несправностей з функціональними параметрами. Разом з тим, незважаючи на зазначену неоднозначність, вимоги, що повинні визначати вибір вимірюваних функціональних параметрів, носять загальний характер, згідно яким вимірювані параметри повинні мати прийнятні точність і стабільність показань у часі; володіти найбільшою серед інших параметрів діагностичною цінністю; ґрунтуватися на штатних вимірах; забезпечувати простоту і зручність експлуатації вимірювальних засобів, що використовуються. За рівнем діагностичної цінності вимірювані функціональні параметри умовно можуть бути розділені на дві групи. До першої групи з більшою питомою вагою відносяться температура перед турбіною і за турбіною, тиск за компресором, частоти обертання (висока точність і стабільність вимірів у часі); температура оливи в системі змащення; вібрація вала. До другої групи вимірюваних параметрів з меншою питомою вагою можна віднести всі інші вимірювані параметри: температура на виході камери згоряння; тиск на виході турбіни; температура в порожнині колеса турбіни; температура на виході компресора; витрата паливного газу.

Проведений аналіз дозволяє зробити висновок, що при складанні лінійної динамічної моделі ГТУ з ВЦН, варто використовувати в якості параметрів, що є координатами вхідного і вихідного вектора моделі, максимально можливе число функціональних параметрів, що входять у обидві вище наведені групи. З огляду на це побудовано нелінійну математичну модель одновальної ГТУ з ВЦН, що містить двадцять три рівняння. Лінеаризація в околі номінального режиму з наступним виключенням проміжних параметрів дозволяє записати систему із шести рівнянь, два з яких диференціальні, а чотири ? алгебраїчні (не містять похідних за часом).

,

,

, (12)

,

,

,

де ? приведене значення частоти обертання ротора турбіни, ? приведене значення частоти обертання ротора вільної турбіни, ? приведене значення температури перед турбіною, ? приведене значення температури за турбіною, ? приведене значення тиску за компресором, ? приведене значення тиску за відцентровим нагнітачем, які складають вихідний вектор параметрів лінійної динамічної моделі;

? приведене значення витрати паливного газу, ? приведене значення тиску перед відцентровим нагнітачем, які складають вхідний вектор лінійної динамічної моделі.

Побудована матриця передаточних функцій , що відповідає системі (12)

(13)

У результаті застосування методики розробленої в розділах 1-3 з урахуванням (13) синтезована структура адаптивної системи неперервного моніторингу параметрів, що характеризують ТС одновальної ГТУ з ВЦН. Передаточні функції, що входять до матриць , приведені у Додатку А. Показано можливість фізичної реалізації і стійкість синтезованої адаптивної системи неперервного моніторингу.

Проведене імітаційне моделювання для коефіцієнта підсилення передаточної функції в усталеному та неусталеному режимах (Додатки Б, В, Г). Одержані оцінки числових статистичних характеристик і щільності розподілу імовірності для коефіцієнта підсилення за статистичною інформацією, що була набута в процесі моделювання. За допомогою модифікованого метода середніх і адаптивного метода експоненціального згладжування виконано індивідуальне імовірнісне прогнозування значень цього параметру. При застосуванні обох методів прогнозування використовувалась ковзна вибірка об’єму десять.

Ефективність прогнозування коефіцієнта підсилення в обох випадках оцінювалась за допомогою коефіцієнта ефективності прогнозу. При цьому було встановлено, що значення коефіцієнта ефективності прогнозу при прогнозуванні адаптивним методом експоненціального згладжування не перевищує значення цього коефіцієнта при прогнозуванні модифікованим методом середніх.

Результати моделювання підтвердили придатність розробленої методики для організації ТО ГПА за станом або комбінованого ТО по наробітку із прогнозуванням передвідмовного стану.

Висновки

У дисертаційній роботі наведено узагальнення і вирішення наукової задачі, що полягає у неперервному моніторингу і прогнозуванні визначальних параметрів, які характеризують ТС ГПА, як основи для інформаційної підтримки прийняття рішень при його ТО. Основні результати дисертаційної роботи є такими:

1) Метод технічної експлуатації ГПА за ресурсом, широко використовуваний дотепер, призводить до неефективного використання фактичного ресурсу, що є наслідком розімкнутого контуру керування ТС. Замикання контуру керування ТС відбувається в результаті здійснення неперервного або періодичного контролю визначальних параметрів об'єкта і їхнього прогнозування. При наявності від’ємного зворотного зв'язку в контурі керування ТС стає можливим використання як методу технічної експлуатації до передвідмовного стану зі стратегією ТО за станом, так і комбінованого методу технічної експлуатації за ресурсом зі стратегією ТО за наробітком та прогнозуванням передвідмовного стану.

2) Для побудови моделі прогнозу, що самокорегується і є здатною оперативно реагувати на умови, що змінюються, варто використовувати адаптивні методи прогнозування, що дозволяють вирішити задачу прогнозування передвідмовного стану ГПА.

3) Сформульовані основні складові методики, що дозволяє перейти до методу технічної експлуатації до передвідмовного стану зі стратегією ТО за станом або до комбінованого методу технічної експлуатації за ресурсом зі стратегією ТО за наробітком із прогнозуванням перевідмовного стану.

4) Синтезована адаптивна система неперервного моніторингу поточного стану об'єкта з урахуванням помилок моделювання і вимірів функціональних параметрів, що може бути використана як при методі технічної експлуатації за ресурсом, так і при методі технічної експлуатації до передвідмовного стану. Синтезована адаптивна система неперервного моніторингу без втручань у штатний режим функціонування ГПА визначає моменти корекції моделі, адаптуючи її до змін ТС об'єкта (при цьому модель "старіє" разом з об'єктом).

5) При різних методах технічної експлуатації об'єкта запропоновані рекомендації щодо формування вектора визначальних параметрів і поля допуску для нього.

6) Синтезований загальний алгоритм роботи системи статистичної обробки визначальних параметрів, що дозволяє вирішувати задачі оцінки поточного ТС ГПА і прогнозування його ТС на визначений інтервал часу, і тим самим забезпечити високу надійність функціонування.

7) Для одержання оцінки тренда кожної координати вектора визначальних параметрів, який характеризує тенденцію, що склалася до моменту останнього спостереження, а також для урахування інформації, що постійно оновлюється побудована адаптивна модель прогнозу (грубого і точного), здатна оперативно реагувати на зміни ТС об'єкта ТО.

8) Сформульовані загальні вимоги до побудови лінійної динамічної моделі об'єкта ТО на основі яких розроблена лінійна динамічна модель одновальної ГТУ з ВЦН, до складу вхідного і вихідного вектора якої входять функціональні параметри з найбільшою діагностичною цінністю. Параметри лінійної динамічної моделі (коефіцієнти підсилення і сталі часу) характеризують ТС ГПА.

9) Для одновальної ГТУ з ВЦН синтезовані адаптивна система неперервного моніторингу параметрів, що характеризують її ТС, і адаптивні моделі прогнозування значень цих параметрів.

10) У програмному середовищі Matlab проведене імітаційне моделювання роботи синтезованої інтегральної інформаційно-обчислювальної системи обробки параметрів, що характеризують ТС ГПА, яке підтвердило придатність розробленої методики організації ТО ГПА як при методі технічної експлуатації за станом так і при комбінованому методі технічної експлуатації за ресурсом.

11) Результати, отримані в дисертаційній роботі, мають впровадження в навчальному процесі НАУ на кафедрі автоматизації та енергоменеджменту

Список праць за темою дисертації

1. Асланян А. Е., Бєльська О. А. Локалізація несправностей в лінійних динамічних системах ОВТ / Збірник наукових праць ЦНДІ ОВТ. ? К.:ЦНДІ ОВТ, 2007. Вип. 18. С.3-8.

2. Казак В. М., Бєльська О. А. Метод кворумування при діагностуванні лінійних динамічних систем// Вісник центрального наукового центру транспортної академії України., 2007.?№10.?С. 84-86.

3. Асланян А. Э., Бельская А. А. Забезпечення практичної безвідмовності функціонування газотурбінного двигуна при його експлуатації за технічним станом / Збірник наукових праць ДНДІ авіації. ? К.:ДНДІ авіації, 2007. Вип. . С.

4. Бельская А. А. О некоторых особенностях параметрической идентификации линейных систем // Матеріали VIII міжнародної науково-технічної конференції “Авіа-2007”. – К.: НАУ, 2007, Т. II. С. 34.41–34.44.

5. Казак В. Н., Бельская А. А. Организация интегральной информационно-вычислительной системы обработки определяющих параметров ГТУ// Проблемы информатизации и управления. ?К.: НАУ, 2007.?№20.?С. 85-90.

6. Нагорный Л. Я., Бельская А. А. Локализация неисправностей в линейных системах большой размерности / Наука і молодь. К.: НАУ, 2004. ? Вип. 4. ? С.91-94.

7. Бельская А. А. Локализация неисправностей в линейных системах большой размерности при отсутствии информации о входном сигнале// Матеріали VII міжнародної науково-технічної конференції “Авіа-2006”. – К.: НАУ, 2006, Т. II. С. 3.1–3.4

Анотація

Бєльська О.А. Методика організації технічного обслуговування за станом газоперекачувальних агрегатів газотранспортної системи. ? Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 – експлуатація і ремонт засобів транспорту ? Національний авіаційний університет, Київ, 2007.

Дисертація присвячена розробці та дослідженню методики організації технічного обслуговування за станом газоперекачувального агрегату (ГПА) з газотурбінним приводом, яка складається з трьох основних компонент: розробка лінійної динамічної моделі ГПА, яка у якості своїх вхідних та вихідних параметрів містить параметри з найбільшою діагностичною цінністю; синтез адаптивної системи неперервного моніторингу параметрів, які характеризують технічний стан (ТС) ГПА та ідентифікація цих параметрів без втручання у штатний режим роботи; прогнозування ТС ГПА.

Запропонована лінійна динамічна модель ГПА, за допомогою якої синтезована адаптивна система неперервного моніторингу параметрів, що характеризують його ТС. Побудовано алгоритми оцінки статистичних характеристик визначальних параметрів. Розроблені алгоритми індивідуального імовірнісного прогнозування статистичних характеристик визначальних параметрів ГПА за експлуатаційними даними.

Ключові слова. Технічне обслуговування, газоперекачувальний агрегат, визначальні параметри, неперервний моніторинг, імовірнісне прогнозування.

Аннотация

Бельская А.А. Методика организации технического обслуживания по состоянию газоперекачивающих агрегатов газотранспортной системы. ? Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 ? эксплуатация и ремонт средств транспорта. ? Национальный авиационный университет, Киев, 2007.

Диссертация посвящена разработке и исследованию методики организации технического обслуживания по состоянию газоперекачивающего агрегата (ГПА) с газотурбинным приводом и направлена на повышение надежности и качества управления его техническим состоянием (ТС). Замыкание контура управления ТС, повышающее качество управления, имеет место в результате осуществления непрерывного контроля параметров, характеризующих ТС объекта технического обслуживания.

Для достижения указанной цели предложена и разработана методика, содержащая три основные компоненты: разработка линейной динамической модели ГПА, которая в качестве своих входных и выходных параметров содержит параметры с наибольшей диагностической ценностью (при этом условии параметры линейной динамической модели характеризуют ТС ГПА); синтез адаптивной системы непрерывного мониторинга параметров, характеризующих ТС ГПА и идентификация этих параметров без нарушения штатного режима работы; прогнозирование ТС ГПА.

Предложена линейная динамическая модель одновальной газотурбинной установки с центробежным нагнетателем, с помощью которой синтезирована адаптивная система непрерывного мониторинга параметров, характеризующих ТС объекта технического обслуживания. Построены алгоритмы оценки статистических характеристик и определения плотности распределения вероятности определяющих параметров по статистической информации, которая приобретается в процессе эксплуатации. Разработаны алгоритмы индивидуального вероятностного прогнозирования статистических характеристик определяющих параметров объекта технического обслуживания по эксплуатационным данным. При построении самокорректирующейся модели прогноза, способной оперативно реагировать на изменяющиеся условия, использованы адаптивные методы прогнозирования, позволяющие решать задачу прогнозирования предотказового состояния ГПА.

Ключевые слова. Техническое обслуживание, газоперекачивающий агрегат, определяющие параметры, непрерывный мониторинг, вероятное прогнозирование.

ANOTATION

Belskaya A.A. The method of organization maintenance on a “state” of gas-pumping aggregates of gas-transport system. Manuscript.

A thesis on conferring of a degree of Cand. Tech. Sci. on a specialty 05.22.20 ? exploitation and repair of facilities of transport. ? National aviation university, Kiev, 2007.

The thesis is devoted to development and examination of a procedure of the organization maintenance on a “state” of gas-pumping aggregates (GPA) with a turbine drive and routed on a raise of reliability and control quality of its technical state (TS).

For attainment of the purpose the method of application which one consists of three principal components is suggest and designed: construction of linear dynamic model of a gas-pumping aggregate which one as entering and exit arguments contains parameters with the greatest diagnostic value (provided that parameters of linear dynamic model characterize GPA TS); synthesizing of continuum monitoring adaptive system of parameters characterize GPA TS and identifying of these parameters without interference in usual regime of exploitation; prediction of GPA TS. The linear dynamic model of GPA, which the continuum monitoring adaptive system of determining parameters is synthesized by, is suggested. There are constructed algorithms of an estimation of statistical characteristics under the statistical information which one is gained on-stream. The algorithms of individual probability prediction of statistical characteristics GPA determining parameters on service data are designed.

Keywords. Maintenance, gas-pumping aggregate, determining parameters, continuum monitoring, probable prediction.