Моделі та алгоритми діагностування технічних об’єктів з множинними відмовами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут проблем математичних машин і систем

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Моделі та алгоритми діагностування технічних об'єктів з множинними відмовами

Нечипорук О.П.

05.13.06 - Інформаційні технології

Київ - 2008

Вступ

Актуальність теми. Тенденція стрімкого розвитку науки і техніки, широке використання новітніх технологій приводить до підвищення складності різноманітних технічних систем, які використовуються в різних галузях народного господарства. Експлуатація таких об'єктів передбачає проведення ряду своєчасних заходів, спрямованих на підвищення надійності (технічне обслуговування, регламентні ремонтні роботи, безпосередньо ремонт). Одним із методів підвищення надійності є діагностика технічного стану об'єктів, що використовує різноманітні експериментальні дані про їх стан. Складність технічної системи приводить до зростання кількості відмов елементів системи, що можуть носити множинний характер.

В дисертаційній роботі під терміном множинні відмови розуміється явище наявності декількох відмов на момент діагностування у підсистемах об'єкта контролю, які можуть залежати або не залежати одна від одної, мати неоднорідний характер і викликати ефект накладення наслідків. Яскравим прикладом складної системи об'єкта контролю є повітряне судно серед підсистем якого особливо важливими є авіаційні двигуни (АД), відмови яких можуть носити катастрофічні наслідки. За офіційними даними, у 2004 році в цивільній авіації приблизно 20% відмов авіаційних двигунів мали множинний характер. З огляду на це в дисертаційній роботі дослідження проводилися в напрямку створення моделей та алгоритмів, придатних для проведення діагностики газотурбінних двигунів (ГТД) з метою виявлення множинних відмов.

Ідентифікація множинних відмов вимагає застосування нетрадиційних методів діагностики, подібних тим, які використовуються в експертних системах. Такі методи передбачають наявність, принаймні, двох компонентів: логіко-лінгвістичних моделей, що відображають причинно-наслідкові зв'язки між системними об'єктами (вхідними діями, вихідними сигналами, характеристиками стану і т.п.), а також алгоритмів логічного виведення шуканого результату на основі аналізу цих моделей.

Відомо, що існуючі алгоритми логічного виведення мають ряд суттєвих недоліків, основним з яких є слабка цілеспрямованість дії, обумовлена наявністю евристичних елементів. Внаслідок цього в процесі аналізу логіко-лінгвістичної моделі формується великий об'єм проміжної інформації, яка далі не використовується, але різко збільшує витрати машинного часу.

Очевидно, що задача встановлення множинних відмов у складному об'єкті діагностики (ОД) носить комбінаторний характер. Це дає підставу вважати, що для її розв'язання можуть бути застосовані методи комбінаторного аналізу, вільні від недоліків евристичних алгоритмів. Це, у свою чергу, вимагає побудови алгебраїчних форм, адекватних логіко-лінгвістичним моделям діагностування.

Аналіз існуючих систем діагностики подібного призначення та використаних в їх роботі алгоритмів показує, що вони не повною мірою враховують дані особливості, внаслідок чого на користувача системи припадає цілий ряд рутинних функцій, зокрема, функції планування розв'язання задач, вироблення варіантів рішень, узгодження рішень та ін. Як наслідок, система перетворюється для користувача в середовище розв'язання фіксованого набору задач діагностики.

Тільки в деяких випадках робляться спроби автоматичної діагностики складних технічних об'єктів і передачі необхідної інформації компетентним користувачам. Ні обумовленого ситуацією визначення несправностей, ні підтримки компетентних рішень експертів в існуючих системах діагностики немає. Введення в систему таких можливостей дозволяє істотно підвищити інтелектуальний рівень останньої і збільшити ефективність роботи складних технічних об'єктів. Проте обмежений досвід практичного застосування даних можливостей і його фактична відсутність для систем діагностики складних об'єктів стримує їх подальший розвиток.

Цим обумовлюється актуальність теми дослідження, присвяченого розробці експертного методу діагностування для визначення множинних відмов у складних об'єктах, для яких характерний ефект накладення наслідків елементарних несправностей.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження за темою дисертації проводились у Національному авіаційному університеті в рамках виконання науково-дослідницької роботи №0104U003748, категорія 2, 151-ДБ04 “Розробка технологій продовження ресурсних показників авіаційних двигунів з використанням автоматизованих систем супроводу їх експлуатації".

Мета і завдання дослідження. Метою даного дослідження є розробка експертних логіко-лінгвістичних моделей для визначення множинних відмов у складних технічних об'єктах і алгоритмів логічного виводу на основі цих моделей.

Досягнення цієї мети вимагає подальшого розвитку теорії і практики побудови систем діагностики складних технічних об'єктів, а також розробки методів розв'язання основних функціональних задач, що виникають у подібних випадках.

У відповідності з сформульованою метою в роботі розв'язуються такі завдання:

створення логіко-лінгвістичних моделей діагностування складних технічних об'єктів, в яких можуть виникати множинні відмови;

розробка процедури побудови алгебраїчних форм, адекватних логіко-лінгвістичним моделям діагностування, які надають можливість застосовувати для виводу рішень ефективні комбінаторні алгоритми;

розробка алгоритмів розв'язання задач діагностування складних технічних об'єктів з множинними відмовами;

застосування запропонованого підходу до діагностування авіаційних двигунів;

програмна реалізація алгоритмів, адаптованих до задач діагностування авіаційних двигунів.

Об'єкт дослідження: складні технічні об'єкти, в яких виникають множинні відмови, зокрема, авіаційні двигуни.

Предметом дослідження є моделі та алгоритми діагностування складних технічних систем з множинними відмовами.

Методи дослідження: системний аналіз, застосований при дослідженні роботи авіаційного двигуна в умовах масових відхилень значень характеристик від еталонних значень; математична логіка, на основі якої здійснена формалізація задачі діагностики, сформовані логіко-лінгвістичні моделі; теорія штучного інтелекту, використана при розробці експертних моделей діагностики складної технічної системи; методи оптимізації, застосовані при розробці і модифікації алгоритму розв'язання задачі діагностики; теорія програмування, використана при побудові архітектури і механізмів програмних систем діагностики складних об'єктів.

Наукова новизна одержаних результатів:

застосування логіко-лінгвістичних моделей для діагностування складних технічних об'єктів, у яких виникають множинні відмови;

перетворення задач діагностування до комбінаторних форм, що дозволяє ідентифікувати множинні відмови в умовах накладення їх наслідків;

використання для розв'язання задач діагностування модифікованих алгоритмів, що реалізують стратегію спрямованого перебору варіантів;

реалізація запропонованих моделей і алгоритмів для діагностування авіаційних двигунів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наданні можливості виявлення комбінацій елементарних відмов у складному технічному об'єкті в умовах накладення їх наслідків; скороченні тривалості часу виявлення відмов; підвищенні точності ідентифікації виду відмов і місця їх виникнення; зниженні витрат на ліквідацію наслідків відмов у складному об'єкті; підвищенні надійності авіаційної техніки та рівня безпеки польотів за рахунок виявлення множинних відмов в авіаційних двигунах.

Отримані результати дослідження призначені для використання в авіаційній галузі. Крім того, вони можуть знайти застосування в інших галузях, де виникає потреба діагностування складних технічних об'єктів з множинними відмовами при накладенні їх наслідків.

Особистий внесок здобувача. Дана робота є узагальненням результатів теоретичних і експериментальних досліджень, виконаних автором самостійно. В роботі автору належать: логіко-лінгвістичні моделі діагностування складних технічних об'єктів, адаптовані до задач ідентифікації множинних відмов у авіаційних двигунах; процедура формування комбінаторних систем рівнянь/нерівностей на основі експертних моделей; модифіковані алгоритми визначення множинних відмов в авіаційних двигунах; програмна реалізація алгоритмів, адаптованих до задач діагностування авіаційних двигунів.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на таких міжнародних конференціях:

Міжнародних науково-технічних конференціях "АВІА-2004" - "АВІА-2007" (м. Київ, 2004-2007 рр.);

Першій науково-практичній конференції з міжнародною участю "Математичне та імітаційне моделювання систем" МОДС 2006 (м. Київ, 2006р.);

Міжнародній науковій конференції студентів та молодих учених "Політ-2006" (м. Київ, 2006 р.);

Науково-практичній конференції молодих учених та аспірантів "Інтегровані інформаційні технології та системи (ІІТС-2005)" (м. Київ, 2005 р.).

Публікації. Основні результати роботи викладено в 7 наукових працях, які опубліковані у фахових виданнях, рекомендованих ВАК України для спеціальності 05.13.06, та 8 тезах доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 75 найменувань, 2 додатків. Обсяг дисертації становить 109 сторінок основного тексту, включаючи 5 таблиць і 21 рисунок.

1. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, відзначено зв'язок роботи з науковими темами, сформульовано мету і завдання дослідження, визначено об'єкт, предмет і методи дослідження. Показано, що наукова новизна полягає в застосуванні логіко-лінгвістичних моделей для діагностування складних технічних об'єктів, у яких виникають множинні відмови; перетворенні задач діагностування до комбінаторних форм, що дозволяє ідентифікувати множинні відмови в умовах накладення їх наслідків; використанні для розв'язання задач діагностування модифікованих алгоритмів, що реалізують стратегію спрямованого перебору варіантів; реалізації запропонованих моделей і алгоритмів для діагностування авіаційних двигунів. Охарактеризоване практичне значення отриманих результатів, розглянуто питання апробації результатів дисертації на конференціях та їх висвітлення у друкованих фахових виданнях.

У першому розділі наведено стислий огляд основних наукових праць, що стосуються тематики дисертаційної роботи, проведено аналіз існуючих методів діагностики складних технічних об'єктів. Визначені методи і засоби оцінки технічного стану об'єктів. Виявлені найважливіші характеристики систем діагностики. Наведена класифікація систем діагностики складних технічних об'єктів. Описана структура системи діагностики в реальному часі на основі формалізованих знань. Наведено порівняльний аналіз класичних експертних систем діагностування. Описані переваги систем експертної діагностики. Показано, що досягнутий рівень автоматизації не задовольняє вимогам, що висуваються до такого роду систем.

Наведена характеристика авіаційних двигунів ПС-90А і АІ-25 як об'єктів діагностики. Розглянуті особливості існуючих систем параметричного контролю і діагностики авіаційних двигунів. Показані особливості діагностики проточної частини двигуна за термогазодинамічними параметрами.

Зроблено висновок, що при спробах подальшого вдосконалення систем діагностики доцільно застосовувати швидкодійні алгоритми спрямованого пошуку варіантів, що, у свою чергу, вимагає перетворення логіко-лінгвістичних моделей діагностики до адекватних алгебраїчних форм.

У другому розділі розглядаються моделі для визначення множинних відмов у складних об'єктах діагностики.

Нехай об'єктом діагностики є технічна система, що складається з взаємодіючих підсистем. В кожній i-й підсистемі можуть відбуватися відмови видів .

Стан ОД у деякий момент часу визначається вектором значень його характеристик

.

Нехай - еталонний рівень p-ї характеристики стану ОД, - допустиме відхилення, а - фактичне відхилення поточного значення цієї характеристики від еталонного

.

Якщо для всіх характеристик стану ОД виконується умова , можна стверджувати, що ОД знаходиться у нормальному стані, в іншому випадку - в аномальному (несправному, непрацездатному).

Перехід ОД в аномальний стан вимагає розв'язку задачі діагностики, сформульованої таким чином: виходячи з поточних значень характеристик стану ОД, визначити підсистеми, в яких відбулися відмови і види цих відмов.

Експертні моделі діагностування складної технічної системи, в якій можливі множинні відмови, можуть будуватися за двома схемами:

<комбінація елементарних відмов> <зміна значення характеристики стану системи> або <елементарна відмова> <зміна значень набору характеристик стану системи>.

Надалі експертну модель, побудовану по першій схемі, називатимемо моделлю першого типу, по другій схемі - моделлю другого типу.

В обох випадках припускається, що зміна значення кожної характеристики оцінюється по відношенню до наперед відомого еталонного рівня. Також допускається, що у разі неможливості кількісного вимірювання тієї або іншої характеристики стану ОД вона може бути задана на якісному рівні.

Для розв'язання задачі діагностики на основі експертних моделей може бути використаний будь-який дедуктивний алгоритм логічного виведення. Найефективнішим з них вважається алгоритм, побудований на принципі резолюцій Дж. Робінсона. Проте навіть він має ряд суттєвих недоліків, основним з яких є слабка цілеспрямованість дії, обумовлена наявністю евристичних елементів, що призводить до недопустимих затримок у встановленні несправностей, що виникають в об'єкті діагностики. Внаслідок цього, в процесі аналізу логіко-лінгвістичної моделі формується великий об'єм проміжної інформації, яка далі не використовується, але різко збільшує витрати машинного часу.

Прагнення поставити процес локалізації множинних відмов на строгу математичну основу зумовило розробку нового підходу до діагностики складних технічних систем. Він дозволяє трансформувати експертну логіко-лінгвістичну модель (1) в систему алгебраїчних рівнянь, для розв'язання якої створений ефективний алгоритм.

Експертна модель діагностики складного об'єкта, побудована по першій схемі, має таку структуру:

, , , (1)

де - логічний вислів, що описує елементарну відмову j-го виду в i-й підсистемі ОД;

- предикат, що відображає зміну значення характеристики стану ОД на величину по відношенню до еталонного рівня в результаті тієї або іншої комбінації елементарних відмов;

- множина комбінацій елементарних відмов, що призводять до зміни значення p-ї характеристики стану ОД на величину ;

- множина підсистем ОД, відмови в яких складають r-у комбінацію;

- множина видів відмов в i-й підсистемі ОД, що входять до складу r-ї комбінації;

u - кількість контрольованих характеристик стану ОД;

- множина можливих рівнів зміни значення -ї характеристики стану ОД у результаті тієї або іншої комбінації відмов.

Сукупність виразів (1) утворює базу знань експертної системи діагностики складного об'єкта.

Алгебраїчна форма, адекватна моделі першого типу, являє собою систему алгебраїчних рівнянь, відповідну експертній моделі (1) і поточному стану ОД:

;,, (2)

де

Це, у свою чергу, дозволяє звести задачу визначення множинних відмов у складному ОД до формування вектора значень змінних , що задовольняє системі рівнянь (2) і умові бівалентності. Значення шуканих змінних інтерпретується таким чином: якщо в результаті розв'язку системи (2) змінна приймає значення 1, це означає, що в -й підсистемі ОД відбулася відмова -го виду; якщо - дане твердження невірне.

Як видно, система рівнянь (2) має нелінійну структуру, унімодулярну матрицю коефіцієнтів і вільних членів. Бівалентність шуканих змінних у сукупності з вказаними характеристиками даної системи дає підставу вважати, що для її розв'язання доцільно вибрати алгоритм спрямованого перебору варіантів, адаптований під структуру математичних виразів (2).

Експертна модель діагностики складного об'єкта, побудована по другій схемі, має такий вигляд:

, (3)

де - предикат, що відображає зміну значення характеристики стану ОД на величину по відношенню до еталонного рівня в результаті виникнення відмови -го виду в -й підсистемі;

- множина номерів характеристик стану ОД, що змінюють свої значення під впливом відмови -го виду в -й підсистемі.

Алгебраїчна форма, адекватна моделі другого типу, має вигляд системи алгебраїчних нерівностей

 , (4)

де - булева змінна, поставлена у відповідність логічному вислову , що описує відмову j-го виду в i-й підсистемі ОД, , , ;

- множина підсистем ОД, відмови в яких призводять до зміни значення характеристики :

,

де - множина видів відмов в -й підсистемі ОД, що призводить до зміни значення характеристики ;

- допустиме розузгодження між фактичним і передбаченим експертною моделлю (3) відхиленням значення характеристики , викликаним виникненням відмови -го виду в -й підсистемі ОД.

Наведені моделі застосовані до задач діагностування авіаційного двигуна ПС-90А. У даному розділі представлено короткий опис його конструкції та основних вузлів. Стосовно даного двигуна характеристиками стану можна вважати такі діагностичні ознаки: коефіцієнт корисної дії (ККД) вентилятора (); ККД компресора низького тиску (КНТ) (); ККД компресора високого тиску (КВТ) (); ККД турбіни високого тиску (ТВТ) (); ККД турбіни низького тиску (ТНТ) (); ККД горіння (); площа першого соплового апарата ТВТ (); площа другого соплового апарата ТНТ (); площа реактивного сопла (); коефіцієнт втрат повного тиску (); коефіцієнт витоку відібраного охолоджуючого повітря () і повітря, що підводиться; коефіцієнт встановлення повного тиску в камері згорання (); ступінь стиснення КВТ (); потужність ТВТ (); температура ТВТ (); температура ТНТ (); потужність ТНТ (); робочий тиск (); тяга (); коефіцієнт втрат реактивного сопла (); коефіцієнт повноти згорання ().

Як відмови, що найбільш часто зустрічаються в авіаційному двигуні ПС-90А, можна вважати такі несправності: забоїни (); зміна геометричних характеристик (); зміна стану поверхні (); сколи (); обрив (); прогар (); руйнування (); засмічення (); зміна шорсткості (); пошкодження (); зміна площі прохідного перетину (); коксування ().

Як підсистеми ОД стосовно авіаційного двигуна ПС-90А розглядаються можливі місця виникнення відмов (пошкоджень, несправностей): лопатки вентилятора (); профіль лопаток робочого колеса вентилятора (); профіль лопаток направляючого апарата вентилятора (); ротор вентилятора (); статор вентилятора (); профіль лопаток КНТ (); профіль лопаток КВТ (); лопатки КНТ (); лопатки КВТ (); профіль лопаток соплового апарата (СА) ТВТ (); профіль робочих лопаток (РЛ) ТВТ (); профіль лопаток СА ТНТ (); профіль РЛ ТНТ (); РЛ ТВТ (); лопатки СА ТВТ (); РЛ ТНТ (); лопатки СА ТНТ (); стінки камери згорання (КЗ) (); форсунки (); КЗ (); лабіринтові ущільнення і комунікації відбору і підведення охолоджуючого повітря (); реактивне сопло (РС) (); проточна частина зовнішнього контуру (). Експертні моделі для визначення множинних відмов у авіаційному двигуні ПС-90А наведені у дисертації.

В третьому розділі наведені алгоритми визначення множинних відмов у складних об'єктах.

Показано, що відомі дедуктивні алгоритми логічного виведення, орієнтовані на використання логіко-лінгвістичних моделей, не є ефективними через свою громіздкість і слабку спрямованість дії.

Комбінаторний характер задачі виявлення множинних відмов дає підставу вважати доцільним застосування для її розв'язання швидкодійного алгоритму спрямованого пошуку варіантів.

Алгоритм спрямованого пошуку варіантів передбачає послідовне дроблення початкової множини варіантів розв'язків системи комбінаторних рівнянь або нерівностей, що відбувається до тих пір, поки не буде встановлений вектор значень шуканих змінних, що задовольняє цій системі, або факт її несумісності. Розбиття множини і подальших її підмножин здійснюється шляхом фіксації значень шуканих змінних. Для подальшого розбиття на кожному етапі розв'язання задачі вибирається та підмножина варіантів, якій відповідає мінімальна кількість змінних, що отримали фіксовані значення. Підмножини варіантів, що виділяються, піддаються формальному аналізу з метою максимального звуження області подальшого пошуку, скорочення об'єму оброблюваної інформації і тим самим прискорення процесу отримання шуканого результату.

Припустимо, до початку деякого етапу розв'язку задачі в повній множині варіантів виділено непересічних підмножин, що містять допустимі вектори значень шуканих змінних

.

Абстрагуючись від фізичного значення даної задачі і враховуючи, що всі змінні, рівняння і нерівності систем (2) і (4) мають подвійну індексацію, введемо такі позначення:

і - множини перших індексів шуканих змінних, що отримали у векторах підмножини значення 0 і 1 відповідно:

,

,

де - множина перших індексів шуканих змінних, значення яких у векторах підмножини не зафіксовані:

,

де і - множини других індексів змінних , і , відповідно, що отримали у векторах підмножини значення 0 і 1:

;

,

де - множина других індексів змінних , , значення яких у векторах підмножини не зафіксовані:

.

Набір значень змінних , , , такий що

,

називатимемо частковим планом -ої підмножини варіантів, а будь-який набір значень змінних , , , що задовольняють умові бівалентності , - доповнюючим планом даної підмножини .

Рівняння системи (2), як і нерівність системи (4), якій не задовольняє хоча б один з доповнюючих планів підмножини , називається активним по відношенню до планів даної підмножини варіантів.

Алгоритм розв'язку комбінаторної системи нерівностей або рівнянь, що реалізує стратегію спрямованого перебору варіантів, передбачає виконання на кожному етапі обчислювального процесу такої послідовності дій: вибір підмножини варіантів, що підлягає подальшому розбиттю; вибір змінної, значення якої підлягають фіксації; розбиття підмножини варіантів на дві непересічні підмножини; аналіз знов отриманих підмножин варіантів; перевірка умов закінчення обчислювального процесу.

Оскільки задачі діагностики по своєму фізичному значенню не є оптимізаційними, як критерій вибору підмножини варіантів для подальшого розбиття доцільно використовувати кількість змінних, які в підмножинах ,

мають фіксовані значення. Такий критерій відповідає прагненню досягти шуканого результату обчислень за мінімальну кількість кроків алгоритму. Виходячи з тих же міркувань, для привласнення значень вибирається та змінна (), фіксація значень якої приводить або може надалі привести до суттєвого спрощення досліджуваної системи рівнянь/нерівностей, відповідної вибраній раніше підмножині варіантів .

Шляхом фіксації значень змінної підмножина розбивається на дві непересічні підмножини варіантів і . У всіх планах першої з них , в планах другої - . Ці значення по черзі підставляються в рівняння/нерівності досліджуваної системи, внаслідок чого формуються дві нові системи рівнянь/нерівностей, відповідні двом новим підмножинам варіантів і .

В основі формального аналізу будь-якої підмножини варіантів лежать чотири твердження. Перше твердження - умова відсутності в підмножині допустимих доповнюючих планів. Подібні підмножини варіантів виключаються з подальшого розгляду. Друге твердження - умова активності рівняння/нерівності по відношенню до планів даної підмножини варіантів. Рівняння/нерівності, що перестали бути активними, також виключаються з відповідних алгебраїчних систем. Решта тверджень - умови привласнення змінним, що входять в доповнюючий план аналізованої підмножини варіантів, єдиних допустимих значень.

Процедура аналізу підмножини варіантів () полягає в послідовній перевірці виконання умов кожного із сформульованих тверджень для всіх рівнянь/нерівностей досліджуваної системи. Залежно від результатів цієї перевірки в циклі аналізу здійснюється та або інша сукупність операцій. Їх виконання сприяє скороченню об'ємів оброблюваної інформації і, отже, прискоренню процесу розв'язку комбінаторної системи рівнянь/нерівностей.

Обчислювальний процес завершується після знаходження розв'язку (множини розв'язків) комбінаторної системи рівнянь/нерівностей або встановлення факту її несумісності. Наявність множини розв'язків комбінаторної системи рівнянь/нерівностей свідчить про недостатню глибину деталізації експертної моделі діагностики, а відсутність розв'язків - про суперечність і, отже, повну непридатність цієї моделі для практичних цілей.

Четвертий розділ містить результати експериментального дослідження запропонованого методу визначення множинних відмов в авіаційних двигунах. Як об'єкт експерименту був вибраний авіаційний двигун АІ-25, встановлений на базі моторо-випробувальної станції навчально-наукового центру Національного авіаційного університету.

У розділі наведена конструкція авіаційного двигуна АІ-25 та короткий опис його основних вузлів. Перераховані діагностичні ознаки стосовно авіаційного двигуна АІ-25. Описані несправності, що найбільш часто зустрічаються в даному двигуні. Розглядаються можливі місця виникнення відмов (пошкоджень, несправностей) як підсистеми ОД стосовно авіаційного двигуна АІ-25.

Описана експериментальна модель визначення множинних відмов в авіаційному двигуні АІ-25 з урахуванням введених позначень. Наведена методика проведення експерименту з визначення характеристик стану авіаційного двигуна АІ-25, що необхідні для побудови експертних логіко-лінгвістичних моделей визначення множинних відмов у даному турбореактивному двоконтурному двигуні (ТРДД).

Експериментальне дослідження проводилося з метою встановлення взаємозв'язку між пошкодженнями конструктивних елементів проточної частини, що відповідають тому або іншому виду несправності і значенням зміни термогазодинамічних параметрів робочого тіла проточної частини ТРДД.

Аналіз даних експлуатації ряду ТРДД свідчить про неоднозначності присутності відхилень від норм технічних умов (ТУ) стану поверхні лопаток компресора і турбіни як окремо, так і в комплексі. При проведенні натурного експерименту був врахований низький рівень експлуатаційної технологічності і контролепридатності авіаційного двигуна АІ-25. Для імітації пошкодження конструктивних елементів змодельовані такі невідповідності стану поверхні лопаток нормам ТУ: шорсткість вхідного направляючого апарата (ВНА), шорсткість 1-ої ступіні КНТ, шорсткість ТНТ, закоксованість однієї робочої паливної форсунки.

Основною задачею при дослідженні є встановлення взаємозв'язків впливу множинних відмов на зміну діагностичних ознак. Для цього при плануванні експерименту була визначена кількість рівнів впливу N, рівна двом: наявність шорсткості і її відсутність. Кількість варійованих при цьому факторів - 4: - шорсткість лопаток ВНА, - шорсткість лопаток 1-ої ступіні КНТ, - шорсткість лопаток 2-ої ступіні ТНТ, - закоксованість робочих паливних форсунок. Одержуємо матрицю планування експерименту виду N=2k, де k - кількість проведених експериментів (табл. 1).

Таблиця 1 Матриця планування експерименту

Номер досліду	Шорсткість лопаток ВНА	Шорсткість лопаток 1-ої ст. КНТ	Шорсткість лопаток 2-ої ст. ТНТ	Закоксованість Паливної форсунки
1	+	-	-	-
2	-	+	-	-
3	+	+	-	-
4	-	-	-	-
5	-	+	+	-
6	+	-	+	-
7	+	+	+	-
8	-	-	+	-
9	-	+	-	+
10	+	-	-	+
11	+	+	-	+
12	-	-	-	+
13	-	+	+	+
14	+	-	+	+
15	+	+	+	+
16	-	-	+	+

Таким чином, побудований повнофакторний експеримент 24. Він має шістнадцять дослідів і включає всі можливі комбінації рівнів чотирьох факторів.

З урахуванням введених позначень, експертну модель для визначення множинних відмов в авіаційному двигуні АІ-25, побудовану по схемі <комбінація елементарних відмов> <зміна значення характеристики стану системи>, можна представити у такому вигляді:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Описані особливості програмної реалізації розробленої експертної моделі. Здійснена комп'ютерна реалізація розглянутої моделі в операційному середовищі WINDOWS 2000 з використанням мови C++Builder 6.0.

технічний алгебраїчний алгоритм

Висновки

Дослідження за темою дисертації призвели до таких результатів і висновків:

1. Проаналізована проблема визначення множинних відмов у складних технічних об'єктах. Виявлено, що такі відмови на момент діагностування можуть накопичуватися в різних підсистемах об'єкта контролю, мати неоднорідний характер і викликати ефект накладення наслідків.

Доведено, що ідентифікація множинних відмов вимагає застосування нетрадиційних методів діагностування, подібних тим, які використовуються в експертних системах. Такі методи передбачають наявність, принаймні, двох компонентів: логіко-лінгвістичних моделей, що відображають причинно-наслідкові зв'язки між системними об'єктами (вхідними і вихідними сигналами, характеристиками стану тощо), а також алгоритмів логічного виведення шуканого результату на основі аналізу цих моделей.

2. Розроблено логіко-лінгвістичні моделі визначення множинних відмов у складних технічних об'єктах. Експертні моделі будуються за двома схемами:

<комбінація елементарних відмов> <зміна значення характеристики стану системи>;

<елементарна відмова> <зміна значень набору характеристик стану системи>.

3. Доведено, що відомі дедуктивні алгоритми логічного виведення, орієнтовані на використання подібних моделей, не є ефективними через свою громіздкість і слабку спрямованість дії. Комбінаторний характер задачі встановлення множинних відмов дає підставу вважати доцільним застосування для її розв'язання швидкодійного алгоритму спрямованого пошуку варіантів. Даний алгоритм володіє властивістю повноти, обумовленою тим, що жодна з підмножин варіантів, що виділяються, не виключається з поля розгляду до встановлення факту несумісності відповідної йому системи рівнянь/нерівностей.

Перехід від логіко-лінгвістичних виразів до алгебраїчних дозволяє:

додати процесу пошуку розв'язку задачі діагностування більшу цілеспрямованість (по відношенню до традиційних алгоритмів логічного виведення);

скоротити (по відношенню до згаданих традиційних алгоритмів) об'єм оброблювальної інформації та, як наслідок, тривалість розв'язку задачі.

4. Розроблено процедуру побудови алгебраїчних форм, адекватних логіко-лінгвістичним моделям діагностування. Після побудови експертних моделей пропонується формувати відповідну алгебраїчну модель комбінаторної структури, що дає можливість використовувати для отримання розв'язку задачі діагностування алгоритм спрямованого перебору варіантів. Експертні моделі трансформуються в системи алгебраїчних рівнянь. Це, у свою чергу, дозволяє звести задачу визначення множинних відмов до формування вектора значень змінних, що задовольняють даним системам рівнянь і умові бівалентності.

5. Розроблено модифіковані алгоритми розв'язання задачі діагностування на основі наведених експертних моделей, що реалізують стратегію спрямованого перебору варіантів.

6. Здійснена програмна реалізація розглянутих функціональних задач в операційному середовищі WINDOWS 2000 з використанням мови C++BUILDER 6.0.

7. Проведено натурний повнофакторний експеримент щодо визначення комбінацій елементарних відмов в авіаційних двигунах. Розроблено експертні логіко-лінгвістичні моделі визначення множинних відмов в авіаційних двигунах ПС-90А і АІ-25. Обрані діагностичні ознаки стосовно авіаційних двигунів ПС-90А і АІ-25. Описані несправності, що найбільш часто зустрічаються в даних двигунах.

8. Основні результати дослідження впроваджені у вигляді методики визначення множинних відмов у складних об'єктах діагностування на ДП "Завод імені Малишева", ДП “Завод №410 ЦА" і у навчальний процес кафедри комп'ютеризованих систем управління Національного авіаційного університету.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1. Экспертные модели определения множественных отказов в авиационных двигателях / С.А. Дмитриев, А.Е. Литвиненко, Е.П. Стёпушкина и др. // Вестник двигателестроения. - 2005. - №1. - С. 67-77.

2. Стьопушкіна О.П. Визначення множинних відмов проточної частини ТРДД за термогазодинамічними параметрами / О.П. Стьопушкіна, А.В. Попов, А.П. Вознюк // Проблеми інформатизації. - 2006. - №1(16). - С. 142-145.

3. Дмитрієв С.О. Експертна модель локалізації несправностей проточної частини газогенератора / С.О. Дмитрієв, О.В. Попов, О.П. Стьопушкіна // Авиационно-космическая техника и технология: Сборник научных трудов. - 2006. - №8/34. - С. 168-171.

4. Логічна модель діагностування турбореактивного двоконтурного двигуна з урахуванням перемежованих пошкоджень його проточної частини / О.П. Стьопушкіна, О.В. Попов, М.В. Корсуненко та ін. // Вісник НАУ. - 2007. - №1. - С. 142-145.

5. Литвиненко О.Є. Математична модель задачі складання розкладу навчальних занять / О.Є. Литвиненко, Г.С. Краліна, О.П. Стьопушкіна // Вісник НАУ. - 2004. - №1. - С. 180-186.

6. Кралина А.С. Операции с полиномами с использованием пакета MatLab и системы АНАЛИТИК-2000 / А.С. Кралина, Е.П. Стёпушкина // Математичні машини і системи. - 2004. - №4 .- С. 117-125.

7. Кралина А.С. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений с применением системы АНАЛИТИК-2000 / А.С. Кралина, Е.П. Стёпушкина // Математичні машини і системи. - 2004. - №2 .- С. 92-99.

8. Стьопушкіна О.П. Ідентифікація множинних відмов в авіаційних двигунах по змінам діагностичних ознак / О.П. Стьопушкіна // Матеріали міжнародної наукової конференції студентів та молодих учених "Політ-2006". - К.: НАУ, 2006. - С. 137.

9. Кралина А.С. Применение алгоритма направленного перебора вариантов к решению задач управления и диагностирования / А.С. Кралина, Е.П. Степушкина // Матеріали науково-практичної конференції молодих учених та аспірантів - Інтегровані інформаційні технології та системи (ІІТС-2005). - К.: НАУ, 2005. - С. 81-84.

10. Попов А.В. Влияние эксплуатационных повреждений на динамические свойства ТРДД / А.В. Попов, Е.П. Степушкина // Матеріали VII Міжнародної науково-технічної конференції "АВІА-2006". - К.: НАУ, 2006. - Т. 2. - С. 3.96-3.99.

11. Слєпухіна І.А. Експертна модель локалізації несправностей проточної частини ТРДД за термогазодинамічними параметрами / І.А. Слєпухіна, О.П. Стьопушкіна, О.В. Попов // Матеріали VII Міжнародної науково-технічної конференції "АВІА-2006". - К.: НАУ, 2006. - Т. 1. - С. 13.73-13.76.

12. Литвиненко О.Є. Алгоритм складання розкладу навчальних занять / О.Є. Литвиненко, Г.С. Краліна, О.П. Стьопушкіна // Матеріали VI Міжнародної науково-технічної конференції "АВІА-2004". - К.: НАУ, 2004. - Т. 1. - С. 13.65-13.68.

13. Артамонов Е.Б. Методы предварительной реструктуризации текста при лексическом анализе / Е.Б. Артамонов, Е.П. Стёпушкина, А.А. Чербунин // Матеріали Всеукраїнської наукової конференції студентів, аспірантів та молодих вчених "Інтелектуальний потенціал молоді в науці та практиці". - Хмельницький: ХІЕП, 2006. - С. 4-7.

14. Стьопушкіна О.П. Експертна діагностика складних об'єктів з множинними відмовами в реальному часі / О.П. Стьопушкіна // Матеріали першої науково-практичної конференції з міжнародною участю "Математичне та імітаційне моделювання систем". - Київ, 2006. - С. 65-67.

Размещено на Allbest.ru