Введение к работе
Актуальность темы.
Минувшее десятилетие в отечественном двигателестроении отмечено созданием самых мощных в мире жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), устанавливаемых на первые и вторые ступени ракет-носителей, способных решить принципиально важные задачи военного и мирного характера. Создание такого класса двигателей было бы невозможным без новейших достижений науки и техники, которые, в свою очередь, стимулировались высокими требованиями, предъявленными к надежности и ресурсу ЖРД. Важное место в обеспечении этих требований занимает оценка технического состояния ЖРД методами функционального диагностирования при доводочных, контрольно-технологических и летно-конструкторских испытаниях, что позволяет существенно повысить качество, а также сократить сроки разработки двигателя. С этой целью были созданы системы технического диагностирования, в которых в качестве диагностических признаков использованы отклонения параметров, рассчитываемых с помощью математической модели (системы уравнений, описывающей рабочие процессы в элементах конструкции ЖРД на основе фундаментальных законов физики: сохранения энергии, массы и т. д.), от соответствующих измеренных на работающем двигателе медленноменяющихся параметров (ММП): давлений, расходов, температур компонентов топлива в жидкостных и газовых трактах, оборотов роторов турбонасосных агрегатов, перемещений регулирующих органов и т. п. Эта методология в функциональной диагностике ЖРД развивается в самостоятельном направлении, а системы диагностирования, построенные на ее основе, внедрены на ряде предприятий отрасли и отработаны на достаточно большой для рассматриваемого класса ЖРД статистике (более 130 огневых испытаний на разных режимах). Однако в процессе эксплуатации таких систем диагностирования возник комплекс проблемных задач, относящихся к получению достоверной и оперативной диагностической информации. Прежде всего, это задача определения максимальной глубины диагностирования при заданных составе и точности системы измерения и степени подробности описания рабочих процессов в математической модели ЖРД. Кроме этого, с ростом размерности системы измерений и системы уравнений в математической модели известная процедура разбиения двигателя на локально контролируемые контуры требует существенных затрат времени и, как будет показано, может привести к грубым ошибкам. Также в настоящее время отсутствует какой-либо приемлемый подход к априорной оценке эффективности проектируемых систем диагностирования указанного типа. Совершенствование алгоритмов диагностирования стало актуальным и в связи с разработкой нового поколения трехкомпонентных многорежимных ЖРД многоразового использования, а также различных модификаций двигателей РД120, РД 170. Основные идеи и аппаратурные средства диагностирования, используемые при функциональном диагностировании технического состояния ЖРД, как выяснилось в ходе конверсии, могут быть использованы и в таких отраслях, как дизельное двигателестроение, нефтегазовая промышленность, атомная энергетика.
Актуальность темы определяется также необходимостью решения задачи теоретического и экспериментального обоснования методов диагностирования, в которых используется сравнение значений параметров, измеренных
при испытании и рассчитанных с помощью математических моделей физических процессов. Данная работа является естественным продолжением разрабатываемых автором идей и их практической реализации при диагностирования сложных технических систем, к которым, безусловно, относятся мощные ЖРД. В частности, разработанный метод контурной увязки перевел некоторые интуитивно-инженерные методы анализа аварийных ситуаций на основу формализованных диагностических алгоритмов и стал одним из первых методов, внедренных при диагностировании ЖРД. Это позволило существенно увеличить достоверность принятия решения и уменьшить затраты времени на диагностирование за счет использования ЭВМ. Однако интенсивное использование метода контурной увязки и аналогичных методов на практике выявило ряд недостатков, для устранения которых требуется более глубокое и детальное теоретическое обоснование рассматриваемого направления исследований.
Цель работы.
Разработать систему диагностирования технического состояния мощных ЖРД, прошедших огневые испытания, которая при заданной системе измерения медленноменяющихся параметров и на основе математической модели, описывающей физические процессы в элементах конструкции двигателя, обеспечивает предельно возможную глубину и достоверность диагностирования в автоматическом и диалоговом режиме.
Для достижения этой цели были решены следующие основные задачи:
-
Разработаны теоретические основы метода структурного исключения -метода, позволяющего выявить нарушение взаимосвязей между параметрами сложных систем путем пробного исключения функциональных связей в математической модели физических процессов, замены этих связей измеренными при эксперименте значениями параметров и сравнения оставшихся измеряемых параметров с рассчитанными по математической модели.
-
Разработаны по результатам теоретических исследований алгоритмы и программы для диагностирования состояния ЖРД на квазистционарных режимах работы с требуемой глубиной и достоверностью диагноза после проведения огневого испытания, а также при анализе аварийных ситуаций.
-
Разработаны метод, алгоритм и программное обеспечение для определения максимально достижимой глубины диагностирования при заданном составе измеряемых параметров.
4. Разработаны метод, алгоритм и программное обеспечение опре
деления минимального состава измеряемых параметров, необходимого для
достижения заданной глубины диагностирования.
-
Разработан метод, алгоритм и программное обеспечение для выявления недостоверно измеренных параметров, используемых в процедуре диагностирования.
-
Разработан методы, алгоритм и программное обеспечение для оценки достоверности принимаемого системой диагностирования решения по вероятностям ложной тревоги, пропуска дефекта и неопределенности диагноза.
-
Разработан метод автоматического генерирования взаимосвязей между параметрами уравнений (блоков) при программировании блочной математической модели и предложен метод устойчивого решения больших систем не-
линейных алгебраических уравнений, описывающих рабочие процессы в ЖРД и аналогичных пневмогидромеханических системах.
Общая методика выполнения исследований.
Методической основой исследований являются работы отечественных и зарубежных ученых в области распознавания состояния технических систем, а также опыт практического диагностирования, накопленный в НПО 'Энергомаш".
Теоретическое обоснование предложенных алгоритмов опирается на аппарат классического математического анализа, дискретной математики и теории вероятностей.
Экспериментальные исследования базируются на огневых испытаниях ЖРД конструкции НПО "Энергомаш".
Научная новизна работы.
-
Получено теоретическое обоснование существующих методов диагностирования сложных технических систем на основе увязки расчетных по математической модели и измеренных на испытании параметров.
-
Разработан на базе теоретических исследований метод диагностирования, являющийся обобщением указанных методов - метод структурного исключения. Получена взаимосвязь между (0,1 )-индикаторной матрицей математической модели, представленной системой уравнений, (0,1)-матрицей чувствительности, определяющей структурную и численную чувствительность измеряемых параметров к нарушению единичного уравнения, и (0,1)-матрицей неисправностей. Эта взаимосвязь является основой для построения алгоритмов разбиения на локально контролируемые контуры, определения глубины диагноза, а также для построения алгоритмов и оценки достоверности формализованного принятия решения.
-
Разработана многоуровневая система диагностирования, основанная на иерархическом применении метода структурного исключения.
-
Получены соотношения для определения вероятности пропуска дефекта, вероятности ложной тревоги и неопределенности диагноза как показателей эффективности разработанной системы диагностирования.
Практическая ценность работы.
Принципы диагностирования, изложенные в диссертации, использованы при разработке системы диагностирования на стационарных режимах работы сложных технических объектов, в том числе и ЖРД. Система диагностирования построена на иерархическом принципе принятия решения и позволяет по результатам испытаний в автоматическом режиме и в режиме диалога определить исправное или неисправное состояния объекта диагностирования и достоверность данных системы измерений параметров. Эти же принципы могут быть положены в основу при разработке систем диагностирования на переходных режимах работы с применением динамических математических моделей.
Полученные результаты могут быть распространены на диагностирование широкого класса сложных технических систем, математические модели которых поддаются представлению в виде систем уравнений, описывающих их функционирование, и которые оснащены системами измерений.
Реализация в промышленности.
Разработанная система диагностирования внедрена при диагностировании двигателей РД 120, РД170 и РД180 в НПО "Энергомаш" и НПО "Южное".
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на семинарах в НИИТП, НИИХМ, МИРЭА, МАИ, на НТС НПО "Энергомаш".
Публикации.
По теме диссертации опубликованы монография, 8 печатных статей, 23 научно-технических отчета, учебное пособие.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, изложена на 225 листах машинописного текста, содержит 37 таблиц и 23 рисунка, библиография включает 118 наименований.
