Информационная технология построения измерительных каналов автоматизированных систем испытаний газотурбинных двигателей

Актуальность темы

Оценка количественных характеристик авиационного газотурбинного двигателя (ГТД) на современном этапе развития измерительной техники осуществляется с использованием автоматизированных систем испытаний (АСИ), которые предназначены для реализации измерительных, информационных и управляющих операций технологического процесса испытаний ГТД.

Качество функционирования АСИ ГТД зависит от качества выполнения базовой операции технологического процесса испытаний — измерения параметров физических процессов, происходящих в объекте испытаний. Средством измерения параметров ГТД, а также элементом АСИ, является измерительный канал (ИК), выделяемый из АСИ по функциональным и структурным признакам. Требования к качеству выполнения измерений в соответствии с ОСТ 1.487−83 и МУ 175−88 задаются вероятностью получения результата измерения с заданной погрешностью, которая характеризует метрологическую надежность ИК.

Построение АСИ в настоящее время осуществляется преимущественно на основе использования унифицированных модульных измерительных преобразователей и вычислительных средств, поэтому основная задача проектирования ИК АСИ состоит в разработке алгоритмических измерительных преобразований, обеспечивающих оценку параметров физических процессов в ГТД с требуемым качеством в реальном масштабе времени.

В этом случае ИК АСИ может быть представлен временной агрегатной цепью аппаратных и алгоритмических измерительных преобразователей, цель функционирования которой состоит в слежении за текущим значением измеряемого параметра ГТД.

Традиционные способы построения ИК по критерию динамической точности базируются на теории оптимального оценивания (оптимальная фильтрация и статистическое упреждение), использующей априорную информацию о вероятностных характеристиках погрешностей измерительных преобразователей и шумов измерений, действующих в ИК.

Однако, метрологические характеристики ИК и их достоверность в реальных условиях эксплуатации могут быть неудовлетворительными из-за наличия значительного количества источников неопределенности результата измерения, таких как: физическая природа и конструктивные особенности объекта испытанийособенности пространственного расположения и технической структуры АСИаприорная неопределенность относительно характеристик модульных технических средств АСИдополнительная погрешность из-за отличия условий эксплуатации от расчетных.

Подходы, определяющие стратегию борьбы с неопределенностью результатов измерений параметров ГТД в рамках существующих технологий построения ИК АСИ (минимаксные, робастные и адаптивные оценки), имеют ряд недостатков. Их использование ужесточает требования к техническим ресурсам АСИ и обеспечивает метрологическую надежность измерительного канала в ограниченной области изменения влияющих факторов, при выходе из которой метрологические характеристики измерительного канала перестают удовлетворять заданным требованиям.

Таким образом, создание технологии построения измерительных каналов автоматизированных систем испытаний ГТД связано с проблемой обеспечения метрологической надежности измерительных каналов в условиях априорной неопределенности относительно влияющих величин и параметров технических средств АСИ, вызванной отличием реальных условий эксплуатации от расчетных.

Методам ее решения посвящены многочисленные работы отечественных (Фомин А.Ф., Новицкий П. В., Грановский В. А, Цветков Э. И., Новоселов О.Н.) и зарубежных (Винер Н., Калман Р., Бьюси Р., Пиотровский Я.) ученых.

Однако, несмотря на значительное количество методов обеспечения метрологической надежности измерительных каналов, до сих пор отсутствует системотехнический подход к организации алгоритмической коррекции погрешности измерений, обеспечивающей выбор решающего правила оценки в соответствии с реальными характеристиками погрешности измерений.

Априорная неопределенность относительно реальных характеристик инструментальной погрешности и операторов ИК на этапе его построения может быть уменьшена, если сведения, необходимые для синтеза алгоритмов коррекции, будут получены в процессе активного измерительного эксперимента, позволяющего скорректировать отдельные составляющие феноменологической модели инструментальной погрешности ИК в реальных условиях эксплуатации по результатам проведения предварительных метрологических исследований.

Для этого в состав функциональных задач ИК АСИ следует ввести дополнительные задачи, реализующие технологические операции получения информации об инструментальных погрешностях измерения и принятия решения о технической структуре измерительного канала АСИ, а также установить последовательность выполнения этих операций для организации целенаправленного процесса изменения технической структуры и параметров измерительного канала при изменении характера действия внешних влияющих величин.

Такой подход к построению измерительных каналов АСИ, обеспечивающих оптимальность оценки параметров ГТД, соответствует концепции построения интеллектуальных измерительных систем. При этом измерительный канал приобретает функции интеллектуального средства измерений, позволяющие сохранить заданный уровень качества ИК независимо от состояния внешней среды.

Таким образом, проблема обеспечения метрологической надежности измерительных каналов в условиях априорной неопределенности относительно влияющих величин и параметров технических средств АСИ может быть решена путем создания информационной технологии построения измерительных каналов АСИ ГТД в реальных условиях эксплуатации, являющейся частью общей технологии испытаний.

В связи с изложенным, тема диссертационной работы, посвященная созданию информационной технологии построения измерительных каналов автоматизированных систем испытаний ГТД, является актуальной.

Данная работа выполнена в соответствии с договором АП-АП-16−94-ОГ, выполненным на кафедре «Авиационное приборостроение» Уфимского государственного авиационного технического университета.

Целью работы является создание информационной технологии построения измерительных каналов автоматизированных систем испытаний ГТД, обеспечивающей требуемую вероятность нахождения погрешности оценок параметров в заданном допуске на основе классификации их операторов и технических состояний.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи: 1) разработка функциональной структуры интеллектуального измерительного канала автоматизированных систем испытаний ГТД и информационной технологии его построения;

2) разработка и исследование алгоритмов автоматической классификации технических состояний измерительных каналов в пространстве параметров марковских дискретных процессов;

3) разработка и исследование алгоритмов автоматической классификации динамических операторов измерительных каналов автоматизированных систем испытаний;

4) разработка алгоритма определения режимов измерения для управления задачами измерительного канала автоматизированных систем испытаний;

5) разработка программного обеспечения автоматизированной системы испытаний, реализующего информационную технологию построения измерительных каналов как часть общей технологии испытаний ГТД.

Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи решены с использованием методов теории измерений и оптимального оценивания, математической статистики и теории вероятностей, теории идентификации, теории распознавания образов, теории обратных задач. Проверка предлагаемых гипотез и качества синтезированных решающих правил проведена методом математического моделирования.

Научная новизна.

1) впервые показано, что основой создания функциональной структуры интеллектуальных измерительных каналов автоматизированных систем испытаний ГТД является анализ феноменологической модели инструментальной погрешности ИК;

2) впервые показано, что информационная технология построения измерительных каналов автоматизированных систем испытаний ГТД на основе классификации операторов и технических состояний ИК по результатам проведения пробных статической и динамической градуировок обеспечивает требуемую вероятность нахождения погрешности оценок параметров в заданном допуске;

3) впервые разработан алгоритм автоматической классификации технических состояний ИК в пространстве параметров марковских дискретных процессов для решения функциональной задачи коррекции аномальных погрешностей результатов измерений, позволяющий получить решающее правило для выбора алгоритма фильтрации сбоев из базы знаний АСИ для обеспечения работоспособности ИК;

4) впервые получены атрибуты алгоритмов фильтрации сбоев и алгоритмов коррекции запаздывания в виде границ областей работоспособности и предпочтения;

5) впервые разработана концептуальная модель автоматизированной системы испытаний ГТД с интеллектуальными измерительными каналами, включающая алгоритмы коррекции составляющих инструментальной погрешности ИК как объекты предметной области.

Практическая ценность полученных результатов работы состоит:

1) в разработанном на основе метода конечных элементов алгоритме автоматической классификации линейного динамического оператора измерительных каналов, средняя ошибка определения порядка которого не превышает Я = 0.214, что обеспечивает требуемую точность оценки параметров алгоритма коррекции динамических характеристик;

2) в разработанном алгоритме автоматической классификации динамических операторов ИК для решения функциональной задачи коррекции запаздывания в реальном масштабе времени, позволяющем обеспечить требуемую метрологическую надежность ИК на динамических режимах измерений посредством выбора алгоритма коррекции запаздывания из базы знаний АСИ;

3) в разработанном алгоритме определения режимов измерения для управления задачами измерительного канала автоматизированных систем испытаний ГТД, обеспечивающем возможность актуализации базы данных в процессе функционирования ИК;

4) в полученных оценках эффективности автоматической классификации технических состояний и операторов ИК;

5) в разработанном методическом и программном обеспечении, реализующем информационную технологию построения ИК (свидетельство об официальной регистрации программы № 950 028 «Система автоматизированных испытаний двигателя «МИКРОН-65ПК»).

Реализация результатов работы. Результаты работы в виде программного обеспечения автоматизированных систем испытаний ГТД внедрены на предприятии.

АООТ им. В. В. Чернышева (г. Москва), осуществляющем стендовые испытания авиационных двигателей, и ОАО Институт технологии и организации производства (г. Уфа).

На защиту выносятся:

1) Функциональная структура интеллектуального измерительного канала автоматизированных систем испытаний и информационная технология его построения.

2) Алгоритм автоматической классификации технических состояний измерительного канала в пространстве параметров марковских дискретных процессов и результаты исследований его эффективности.

3) Алгоритмы автоматической классификации и параметрической идентификации линейных динамических операторов ИК и результаты исследований их эффективности.

4) Алгоритмы автоматической классификации динамических операторов измерительного канала для решения функциональной задачи коррекции запаздывания.

5) Алгоритм определения режима измерений ИК для управления задачами измерительного канала автоматизированных систем испытаний.

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на III Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Таганрог, 1996 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации» (Уфа, 1997 г.).

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 7 печатных работах, из них одна статья, 4 тезисов докладов, 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 176 листах машинописного текста, 30 страниц иллюстративно-табличного материала и списка использованных источников из 89 наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

1) Показано, что основой создания функциональной структуры интеллектуальных измерительных каналов автоматизированных систем испытаний ГТД является анализ феноменологической модели инструментальной погрешности ИК. Разработана информационная технология построения интеллектуального измерительного канала автоматизированных систем испытаний ГТД как часть общей технологии испытаний ГТД.

2) Впервые на основе представления технических состояний ИК в пространстве параметров марковского процесса разработан алгоритм их автоматической классификации. Обоснована необходимость введения в базу знаний автоматизированной системы испытаний алгоритмов фильтрации сбоев выборочного среднего, выборочной медианы и апостериорного мгновенного взвешивания. Определены области предпочтения для этих алгоритмов и сформулировано правило выбора алгоритма фильтрации сбоев по результатам проведения пробной статической градуировки измерительного канала.

3) На основе метода конечных элементов разработан алгоритм автоматической классификации линейного динамического оператора ИК, обеспечивающий качество распознавания линейного динамического оператора измерительного канала при средней ошибке определения порядка динамического оператора R=0.214. Разработан алгоритм параметрической идентификации линейного динамического оператора ИК по переходной характеристике, позволяющий автоматизировать расчет параметров алгоритма коррекции динамических характеристик ИК.

4) На основании анализа результатов эксперимента разработаны рекомендации по включению в базу знаний АСИ алгоритмов коррекции запаздывания. Определены области предпочтения этих алгоритмов в функции мощности шумов измерений D п и времени запаздывания к. Сформулировано правило выбора алгоритма коррекции запаздывания из базы знаний АСИ по результатам проведения пробной динамической градуировки измерительного канала.

5) С использованием положений концепции сущность-отношение (entity-relationship) разработана концептуальная модель автоматизированной системы испытаний ГТД с интеллектуальными измерительными каналами, включающая алгоритмы коррекции составляющих инструментальной погрешности ИК как объекты предметной области. Указаны источники информационного наполнения базы знаний АСИ, наличие которой дает возможность принимать решение об изменении технической структуры ИК по имеющемуся набору решающих правил. Предложен алгоритм управления задачами интеллектуальных измерительных каналов для актуализации базы данных АСИ и реконфигурации измерительного канала в соответствии с режимом измерения.

6) Внедрение информационной технологии проектирования измерительных каналов на АООТ им. В. В. Чернышова (г. Москва) и ОАО Институт технологии и организации производства (г. Уфа) позволило обеспечить их метрологическую надежность, оцениваемую вероятностью нахождения погрешности результата измерений в установленном допуске, на переходных режимах — Р = 0.965- и на установившихся режимах — Р = 0.9977? что повысило достоверность контроля технических состояний двигателя при испытаниях.