Разработка методов и средств контроля для обеспечения оценки технического состояния систем электроснабжения летательных аппаратов

Актуальность. Эксплуатация существующего парка летательных аппаратов (JIA) с эксплуатационно-техническими характеристиками, сформированными в прошедшем столетии, а также дальнейшее развитие военной и гражданской авиации, связанное с созданием и оснащением всех видов потребителей авиационной техники новыми типами летательных аппаратов, которые по своим летно-техническим и эксплуатационным характеристикам должны обеспечивать более высокий, в сравнении с существующим, уровень безопасности и интенсивности полетов, снижение расходов на техническое обслуживание и ремонт (ТОиР), и в целом себестоимости авиаперевозок, выдвинули на первый план проблему создания высокоэффективных средств для их технического обслуживания (ТО), в частности, систем бортового электротехнического оборудования (ЭТО). В рамках решения этой проблемы и для реализации упреждающих технологий обслуживания наблюдается растущий интерес к системам диагностического управления состоянием систем ЭТО JIA, включающим подсистему автоматического контроля для оценивания состояния этих систем, которые должны обладать широкими возможностями:

— большим объемом воспринимаемых системой параметров внешних воздействий и реакций на них, в общем случае связанных между собой;

— широким диапазоном изменения всех параметров, известных обслуживающему персоналу с малой точностью;

— способностью системы адаптироваться к широкой номенклатуре систем электроснабжения (СЭС) JIA, которые поступают на ее вход при ТОиР.

В указанных направлениях исследований процессов технической эксплуатации JIA следует отметить успешные работы отечественных ученых: И. М. Синдеева, Е. Ю. Барзиловича, C.B. Далецкого, П. И. Кузнецова, В. И. Перова, П. П. Пархоменко, О. Я. Деркача, H.H. Смирнова, А. Н. Коптева, а также зарубежных ученых, таких как Г. Чжена, Е. Мэннинга, Г. Метца, У. Фитча и др.

В результате этих исследований решены многие теоретические вопросы анализа и синтеза систем технической эксплуатации (СТЭ) для ЛА, гидромеханических, электротехнических систем и радиоэлектронного оборудования.

Однако опыт эксплуатации отечественных ЛА в новых экономических условиях потребовал системного рассмотрения вопросов управления их техническим состоянием на всех этапах их жизненного цикла в рамках последних научно-технических достижений и требований международных стандартов.

Вышеприведенное обсуждение предполагает, что проблема диагностического управления состоянием системы ЭТО или ее элементов при техническом обслуживании должна решаться посредством объективного контроля как отдельных систем и их элементов, так и ЭТО в целом, в рамках интегрированной автоматизированной системы принятия решений, способной оценивать готовность ЭТО ЛА выполнять свою функцию, по результатам текущего контроля их параметров и сравнения с предыдущими оценками состояний систем и ее компонент.

В связи с вышеизложенным тема диссертационной работы, посвященной разработке методов и средств контроля для обеспечения оценки технического состояния систем электроснабжения (СЭС) летательных аппаратов для внедрения упреждающего обслуживания, является актуальной.

Цель работы. Целью работы является повышение эффективности технического обслуживания систем электроснабжения за счет разработки прогрессивного метода и использовании современных средств контроля технического состояния и реализации упреждающих технологий.

Задачи исследования.

1. Исследования методов и средств контроля состояния систем электроснабжения при техническом обслуживании летательных аппаратов;

2. Разработка методов и средств представления компонентов и систем электроснабжения для контроля их технического состояния при техническом обслуживании летательных аппаратов;

3. Разработка методов анализа систем электроснабжения как объектов контроля и диагностирования;

4. Синтез тестовой информации для контроля и диагностирования систем электроснабжения;

5. Разработка автоматической системы оценки состояния компонентов систем электроснабжения в рамках упреждающих технологий.

Методы исследования. В работе использованы теоретико-множественные представления, теория образов, тензорный анализ сетей, теория принятия решения, теория информации, математическое моделирование сложных многофункциональных систем.

Объектом исследования является система оценки технического состояния систем электроснабжения летательных аппаратов в процессе серийной эксплуатации.

Предметом исследования являются методы и средства оценки технического состояния систем летательных аппаратов для упреждающего обслуживания.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

— предложен метод представления образа СЭС и ее компонентов с целью анализа их внутренней организации через качественную и количественную определенность, образующих, связей, конфигураций и алгебры изображений для получения информации о них как объектов ТО в условиях реальной эксплуатации конкретного ЛА;

— разработан метод анализа сети СЭС и ее компонентов на основе тензорной модели в различных образующих и конфигураций из них с целью построения больших программно-информационных комплексов для контроля и диагностирования;

— предложена методика синтеза программ контроля испытаний, позволяющая перевести программирование из области опытной практики в область науки и базирующаяся на существовании группы несингулярных матриц преобразования, с помощью которых возможно выявление общих свойств на основе свойств, присущих каждому выделенному компоненту в отдельности.

Достоверность полученных результатов и правомерность применения математического аппарата подтверждается адекватностью полученных моделей и результатами экспериментальных исследований.

На защиту выносятся:

1. Метод представления СЭС и ее компонентов на основе заданной, для нее образующих и правил, ограничивающих способы их соединения между собой, для построения регулярных конфигураций, подлежащих контролю и испытаниям при ТО.

2. Тензорная модель СЭС и ее компонентов, включающая группу матриц преобразования, которые оставляют неизменной п-контурную сеть, но по-разному выбирают переменные из п-цепей для оценки их состояния при контроле и диагностике.

3. Метод обобщенного анализа СЭС как объектов контроля и диагностирования и синтеза тестовой информации для совместного исследования множества электрических цепей с различной структурой с одновременным учетом поведения и структуры цепи.

4. Методика синтеза тестовой информации для компонентов (модулей, блоков) для СЭС на основе технологий тензорной методологии, как последовательность этапов преобразований с использованием тензоров.

5. Метод, принципы, структура и алгоритмы системы контроля СЭС ЛА.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты позволяют:

— реализовать технологию упреждающего обслуживания СЭС в «реальном» масштабе времени;

— обеспечить контроль состояния СЭС в процессе эксплуатации с целью предупреждения возможных отказов и неисправностей;

— автоматизировать процесс определения технического состояния СЭС на примере СЭС Ил-76 ТД при ТО ЛА;

— повысить эффективность ТО СЭС путем совершенствования технологического процесса на базе предложенных технических решений.

Реализация результатов работы. Результаты работы реализованы и внедрены:

— во внутренние стандарты авиакомпаний «Волга-Днепр», «Полет»;

— в учебных планах подготовки, переподготовки и повышения квалификации инженеров по эксплуатации ЛА отечественного и зарубежного производства;

— в учебных пособиях «Избранные главы по авиаи ракетостроению» (глава 12 «Системы электрооборудования летательных аппаратов»).

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2006), Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2007), Второй Всероссийской научно-технической конференции (Каменск-Уральский, 2007), Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2008).

Публикации. По теме диссертационной работы автором опубликовано 13 работ, в т. ч. 2 статьи в периодических научных и научно-технических изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 статьи в опубликованном международном журнале «Поиск» Министерства образования и науки Республики Казахстан, 7 статей в опубликованных сборниках материалов Международных симпозиумов и конференций, 2 статьи в опубликованном сборнике статей семинара по неразрушающим методам контроля.

Во введении сформулирована проблема исследования, обоснована ее актуальность, определена цель работы и круг решаемых задач, отмечена ее практическая направленность и научная новизна.

В первой главе рассмотрено состояние теории и практики технической диагностики сложных комплексов оборудования, выполнен анализ проблемы технического обслуживания.

Современные требования к СЭС ЛА для обеспечения высокой надежности их работы, реализуются в основном многократным резервированием, которое приводит к снижению эксплуатационной надежности и росту затрат на техническое обслуживание. Поэтому возникает необходимость совершенствования систем технической эксплуатации СЭС ЛА, включающей различные виды ТОиР.

Анализ проблемы технического обслуживания на основе упреждающих технологий рассматривается как проблема обеспечения эффективной эксплуатации ЛА, для решения которой используются такие области знаний как управление, контроль, надежность.

Для технологических нужд используются программно-аппаратурные способы контроля, применяемые для проверки объектов и работающие по сменной программе. Аппаратурный способ может быть применен для контроля конкретных объектов. Лучшее решение задачи контроля сложных объектов состоит в правильном сочетании программного и аппаратурного способов контроля.

Следует иметь в виду, что качество средств контроля и качество программ контроля являются двумя основными факторами, определяющими эффективность процесса контроля технического состояния объектов.

Одно из важных достижений связано с созданием системы моделирования — Последовательного Анализатора, который представляет собой набор программ для сложной контролируемой системы (КС), способный генерировать данные моделирования неисправностей, а также автоматически генерировать тесты для комбинационных и последовательностных схем цифроана-логовых бортовых комплексов оборудования.

Следует отметить, что резкий рост автоматизации систем СЭС приведет к еще большей автоматизации процесса диагностики неисправностей.

Во второй главе рассмотрены методы представления объектов контроля и диагностирования для моделирования оценки их параметров.

Для построения математической модели систем электроснабжения ЛА для целей контроля и диагностики исходными положениями являются следующие принципы.

Во-первых, для представления конкретных систем электроснабжения теория использует модули — непроизвольные объекты, называемые образующими, т. е. модели систем ЛА строят из множества образующих — стандартных блоков или модулей этой системы.

Для представления конкретных соединений, предусмотренной, а или соответствующей матрицей инциденции, в работе предложен тензор преобразования и сетевой подход к анализу СЭС ЛА, физическая интерпретация которого отличается от интерпретации всех других тензоров встречающихся при анализе физических систем. Тензор преобразования описывает операции изменение состояния системы, представляет собой 2-матрицы, которые образует отдельный класс, называемый «группой».

Понятие тензора преобразования позволяет специалисту разделить каждую из имеющегося большого числа подобных физических систем на две аналитические части, идентичные для всех систем и различные в каждой частной системе.

Установление матрицы С", для каждой частной системы практически является единственным этапом анализа, на котором требуется участие специалиста для установления уравнения поведения, а понятие группового свойства позволяет в свою очередь разделить аналитическую часть его работы, а именно разделить С", на несколько независимых шагов, каждый из которых имеет свои собственные методы анализа.

Разработанный подход позволяет проблему контроля сложной системы разделить в последовательность более простых проблем, объединяемых в виде программы контроля и испытаний систем.

Третья глава посвящена синтезу тестовой информации на базе, которой строится реальная программа контроля испытаний систем.

Введено понятие объекта контроля его наиболее простом и очевидном проявлении, т. е. любой объект, изучение свойств которого служит средством получения выводов относительно совпадения этих свойств со свойствами объекта-эталона представляемого в системе контроля в виде модели.

Основное содержание этого этапа — решение задач представлении объектов контроля, т. е. описание этих объектов которое привело бы к продвижению в понимании принципов функционирования комплекса «системы контроля объектов контроля». При этом исходим из того факта, что успех формального анализа сложных задач контроля «глава 2» в первую очередь зависит от того насколько удачно выбраны индикаторы. В качестве примера, является раскрытие сложной структуры объекта контроля стало возможным, потому что выбран эффективный индикатор — электрический ток.

Общий метод синтеза тестовой информации базируется на тензорной методологии главы 2, включающая последовательность этапов преобразований на основе теоретического и модельного обеспечения.

Для решения задачи синтеза тестовой информации в соответствии с разбиением модуля на электрические цепи и выделенными входами формируем вектор приложенного напряжения, Е имеющий столько компонентов сколько имеется входов.

Предложенная методика синтеза тестовой информации апробирована на реальных объектах СЭС ЛА.

В четвертой главе разработан метод контроля для оценки состояния бортовых систем JIA, произведен синтез функциональной структуры системы контроля для оценки состояния объекта контроля и диагностики на базе теории распознавания образов, приведено описание его практической реализации на основе технологий National Instruments с применением программной среды Lab VIEW.

Контроль состояния объекта заключается в распознавании истинного состояния объекта путем проведения эксперимента. Однако из-за ошибок реальной системы контроля некоторая неопределенность состояния объекта останется. Система восстановления может перевести состояние объекта в любой класс из возможных в зависимости от состояния объекта перед контролем, результатов контроля и стратегии восстановления.

Процедура контроля состоит из трех операций: формирования информации о состоянии объектапринятия решения о принадлежности состояния объекта к соответствующему классувыдачи информации о состоянии объекта.

Реализация такого подхода на базе представлений и алгоритмов, полученных в результате проведенных исследований, связана с созданием базы данных «эталон», в которую входят все эталонные объекты (недеформиро-ванные объекты), т. е. контролируемые системы и их компоненты СЭС, характеризуемые номинальными значениями входных и выходных параметров.

Для контроля параметров реального объекта необходимо применение специализированных средств измерения с возможностью снятия цифровых аналогов этих параметров и одновременной обработки информации при помощи математических и логических функций. Эффективным решением этой задачи является применение технологий фирмы National Instruments и программно-вычислительного комплекса Lab VIEW, позволяющих автоматизировать измерение физических величин и логическую обработку результатов измерений.

В качестве реализации алгоритма оценки технического состояния системы СЭС рассмотрена оценка блока защиты и управления системы электроснабжения самолетов Ил-76ТД, Ту-154Б, Як-40 и других.

В заключительной части работы представлены основные результаты и выводы, полученные в ходе диссертационного исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведено исследование задач технической диагностики сложных систем БКО, решение которых связано с определением возможных или вероятных эволюций объекта контроля и диагностики в процессе эксплуатации, начинающихся его настоящим состоянием. Установлено, что решение главной задачи оценки технического состояния требует выполнения традиционных исследований реальных систем ЭТО, их математических моделей, классификации неисправностей, разработки методов анализа моделей и построения программы контроля, средств контроля и диагностики, и реализации последних в рамках последних достижений в области программно-аппаратурных средств.

Анализ достижений в этой области показал небольшое количество общесистемных исследований, низкий уровень универсализации методов и средств контроля и диагностики.

2. Разработаны формальные методы представления компонент и систем ЭТО ЛА, обладающие высокой степенью универсальности и позволяющие описывать различные этапы их жизненного цикла на базе теории образов и тензорного анализа сетей.

3. Разработана методика синтеза тестовой информации на базе аналитического метода представления и анализа, позволяющая строить программы контроля сложных систем бортового оборудования.

4. На базе платформы PXI и программного комплекса Lab VIEW разработана обобщенная схема автоматизированной системы оценки технического состояния компонент и систем ЭТО и ее реализация для центральной подсистемы управления и защиты систем электроснабжения самолета Ил-76.