Разработка и исследование информационной системы автоматизированного диагностирования ИНС в процессе стендовых испытаний

Современные инерциальные навигационные системы (ИНС) являются сложными и дорогостоящими техническими изделиями. Эффективность их использования во многом определяется качеством, которое формируется в процессе проектирования, реализуется при изготовлении и поддерживается на этапе эксплуатации. Современные ИНС позволяют определять параметры навигации и ориентации высокоманевренных ЛА в цифровом виде и представляют собой сложные измерительные системы, включающие блоки гироскопов и акселерометров, а также бортовой вычислитель, выполняющий обработку информации.

Для своевременного обнаружения и локализации нарушений, как в производственных условиях, так и в эксплуатации возникает необходимость совершенствования систем контроля и диагностирования ИНС, направленных на повышение уровня их надежности и сокращение материальных, людских и временных затрат. Возможность решения указанной задачи связана, прежде всего, с использованием современных методов комплексной обработки информации, а также математических моделей и статистических данных для повышения достоверности обнаружения и локализации отказов.

Стендовые испытания ИНС являются заключительным и наиболее важным этапом их серийного производства. При этом контроль и диагностирование систем проводится традиционными методами, основанными на моделях дефектов сигнального типа. Внедрение новых информационных и компьютерных технологий в практику авиационного приборостроения требует адекватного развития методов стендового контроля и диагностирования модернизируемых ИНС. Такие возможности связываются с разработками систем контроля и диагностирования, направленными на использование современных методов комплексной обработки информации, а также математических моделей и статистических данных для повышения достоверности обнаружения и локализации отказов.

В современной практике информационная часть диагностирования авиационной техники (AT), т. е. анализ и обработка стендовой информации, принятие решения о техническом состоянии изделий, в том числе и в производстве ИНС реализуется человеком-оператором. По результатам сравнительного анализа полученных измерений с заданными предельными диапазонами изменения контролируемых параметров оценивается состояние ИНС .

Современное состояние вопроса систем автоматизированного контроля и диагностирования ИНС, а также реализация совершенствования их алгоритмического обеспечения изложены в трудах российских и зарубежных ученых [3, 4, 6, 7, 17, 20, 28, 37, 48, 77, 82] Бабича O.A., Гришина Ю. П., Казари-нова Ю. М, Дмитриева С. П, Колесова Н. В., Осипова A.B., Казакова И. Е., Артемьева В. М., Пешехонова В. Г., Потапова М. Д., Мироновского JT.A., Черно-дарова A.B., Бородкина Л. И, Зеновича А. Е., Миронова М. А., и др. Базовым в этом вопросе остается подход, основанный на обнаружении изменения свойств (разладки) ИНС как сложной динамической системы.

Применение автоматизированных систем контроля (АСК) ИНС обеспечивает повышение достоверности процессов передачи и обработки данных в информационно-управляющих системах. Анализ результатов функционирования АСК создает необходимые условия для совершенствования самого объекта контроля, т. е. уточнения его структуры и параметров, перестройки технологии производства, выбора оптимальных режимов работы и др.

Несмотря на переход к компьютерно-управляемым цифровым системам, остается проблема автоматизации сбора, хранения и обработки диагностической информации. В связи с этим актуальной является разработка концепции построения оболочки программного комплекса. Это связано со спецификой данных, получаемых в системах автоматизации испытаний, а также с применением различных типов систем управления базами данных. Проблемной остается задача объединения имеющихся заводских программных продуктов в единую структуру на базе информационного комплекса автоматизации диагностирования ИНС.

Актуальность темы

диссертационной работы определяется необходимостью повышения эффективности обнаружения и локализации отказов ИНС на основе применения новых подходов к функциональному контролю и диагностированию на этапе производственных испытаний. Это предполагает разработку и исследование моделей, адекватно отражающих функционирование ИНС, и являющихся базовой основой алгоритмов стендовых систем диагностирования. Получаемая информация может быть использована инженерно-техническим составом для поддержки принятия технологических и управленческих решений для совершенствования стендовых испытаний ИНС, их доводки, а также обеспечения перехода на эксплуатацию по техническому состоянию.

Целью работы является разработка и исследование информационной системы автоматизированного диагностирования ИНС с целью повышения его достоверности, оперативности и глубины в процессе стендовых испытаний на основе совершенствования математических моделей ошибок, алгоритмов обнаружения и локализации нарушений, а также информационной поддержки технологических процессов.

Задачи исследования.

В соответствии с поставленной целью решалась задача параметрической локализации причин разладки, обнаруженной в процессе функционального контроля ИНС с помощью схемы наблюдения калмановского типа. Предлагаемая технология решения данной задачи включает следующие этапы: разработка базовой математической модели ИНС как объекта контроля и диагностированияадаптация базовой системы уравнений ИНС к возможным нарушениям и дефектам в процессе стендовой отработки и построение на этой основе расширенного вектора состояния ИНСразработка программно-математического комплекса, реализующего автоматизированный сбор и обработку информации по результатам стендовых испытанийисследование эффективности функционирования разработанных алгоритмов оценивания технического состояния и диагностирования ИНС на математической модели и в процессе стендовых испытаний.

Методы исследованя. Выполненные в работе теоретические и экспериментальные исследования базируются на применении теории фильтрации и оценивания параметров состояния нелинейных динамических систем, теории оптимального сглаживания экспериментальных данных, теории решений, методов математической статистики и имитационного моделирования стохастических систем.

Научная новизна работы состоит в разработке структуры системы контроля и диагностирования ИНС в процессе стендовых испытаний, позволяющей оценивать техническое состояние на основе обработки наблюдений, как в реальном времени, так и после проведения испытаний.

Практическая ценность работы определяется прикладным характером проведенных исследований, направленных на расширение возможностей штатных систем контроля и диагностирования ИНС на основе модернизации их алгоритмического и программно-аппаратного обеспечения с применением современных компьютерных технологий. Разработанные методы, алгоритмы и программные продукты для серийно выпускаемых ИНС внедряются в ОАО «Раменский приборостроительный завод». Их применение позволяет не только автоматизировать процесс диагностирования современных ИНС, но и снижает продолжительность, трудоемкость и энергоемкость технологического цикла испытаний.

Достоверность полученных результатов подтверждается: применением фундаментальных положений, справедливость которых доказана ранее и проверена практикой, неоднократно апробированных методик и математических моделей, а также сходимостью результатов аналитических исследований, математического и полунатурного моделированияпроведением исследований на моделях, которые достаточно полно и адекватно отражают совокупность факторов, влияющих на моделируемый процесс.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах:

Международная конференция XI-th International Conference, «Knowledge — Dialogue — Solution», Bulgaria, 2005.

Международная научная конференция «Гагаринские чтения», 2003;2005.

Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии», 2004;2005.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в следующих печатных трудах:

Прокошев И.В., Суминов В. М., Чернодаров А. В. Автоматизация диагностирования ИНС при стендовых испытаниях// Приборы, 2005, № 12, с. 15−21.

Прокошев И.В., Суминов В. М. Технология диагностической идентификации технического состояния ИНС при стендовой отработке и эксплуатации// Технологии Приборостроения, 2005, № 4, с.42−49.

I.V. Prokoshev, V.M. Suminov Diagnostics of inertial navigation system during bench tests, Xl-th International, Conference «Knowledge-Dialogue-Solution», Varna, Bulgaria. 2005. V.2. Sofia: FOI-COMMERCE. 2005. — P.400−404.

Прокошев И. В. Разработка системы диагностирования инерциаль-ных навигационных систем// Научные труды «МАТИ», 2005, с. 148−153.

Прокошев И.В. Информационно-аналитический комплекс программ технической диагностики инерциальных навигационных систем// Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Новые Материалы и технологии», 2004, с. 102−103.

Прокошев И. В. Информационная система анализа технического состояния инерциальных навигационных систем// Тезисы докладов XXXI Межд. науч. конф. «Гагаринские чтения», 2005, с.62−63.

Прокошев И.В. Информационно-аналитическая система диагностики и прогнозирования технического состояния инерциальных навигационных систем// Тезисы докладов XXX Межд. науч. конф. «Гагаринские чтения», 2004, с. 93−94.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 111 наименований и приложе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Проведен анализ отечественных и зарубежных методов функционального контроля и диагностирования ИНС. Отработана классификация существующих методов повышения качества и достоверности диагностирования ИНС, позволившая выявить доминирующие подходы к разработке программно-математического обеспечения.

3. Разработана математическая модель ошибок современной платформенной ИНС для анализа ее технического состояния по параметрам наблюдений в процессе стендовых испытаний. Геодезически «привязанный» поворотный стол с известной угловой ориентацией рассматривался как эталонная база.

4. Разработаны алгоритмы диагностирования ИНС на основе применения расширенной модели ошибок. Предложен подход к повышению достоверности диагностирования ИНС в процессе стендовых испытаний, основанный на комплексировании процедур фильтрации и сглаживания. Диагностирование выполняется с глубиной до чувствительных элементов: акселерометров и гироскопов, на основе комбинированного критерия согласия % и процедур оптимального сглаживания, позволяющих уточнять оценки расширенного вектора состояния.

5. Обоснована необходимость модернизации технологии заводских испытаний современной инерциальной навигационной системы ИНС-2000 на основе диагностических алгоритмов, базирующихся на аппарате оптимальной фильтрации Калмана (ОФК). Обработка навигационной информации с использованием алгоритмов, основанных на применении аппарата теории ОФК, опирается на марковское представление случайных процессов, что позволяет использовать рекуррентные алгоритмы обработки информации в ИНС.

6. Разработана методика математической отработки алгоритмов оценивания состояния и диагностирования ИНС, позволяющая исследовать влияние реальных условий испытаний на эффективность функционирования предлагаемых алгоритмов. Приведены экспериментальные исследования алгоритмов диагностирования на математической модели, подтверждающие эффективность их применения для обнаружения отказов в процессе стендовых испытаний.

7. Разработана методика стендовой отработки алгоритмов оценивания состояния ИНС с учетом функциональных и конструктивных особенностей конкретной системы. Исследование разработанных алгоритмов выполнялось на испытательном стендовом комплексе системы ИНС-2000, разработанной в Раменском приборостроительном КБ и изготавливаемой на Раменском приборостроительном заводе. При стендовой отработке разработанного программно-математического обеспечения оценки состояния ИНС-2000 учитывались аппаратные особенности исследуемой платформенной системы.

8. Результаты моделирования интегрированной системы оценивания состояния и диагностирования ИНС показывают, что применение поканальной фильтрации совместно с комбинированным критерием согласия х2 / позволяет обнаруживать сбои и отказы ИНС с глубиной до чувствительных элементов: гироскопов и акселерометров.

8. Разработана система информационной поддержки функционального контроля и диагностирования ИНС-2000 на этапе стендовых испытаний, позволяющая повысить полноту и оперативность выявления причин неисправностей ИНС по сравнению с имеющейся штатной системой контроля.

Программный комплекс DatalNS разработан в среде Borland С++ Builder 6.0. Применение технологии клиент-сервер совместно с технологией доступа к данным ADO позволило создать универсальные механизмы обработки информации о результатах испытаний систем под управлением различных типов СУБД.

Для обеспечения единого пользовательского интерфейса в разработанном программном комплексе DatalNS используется единая интегрированная среда, что потенциально обеспечивает полный набор функциональных возможностей для клиентов системы, включая ввод данных, вывод управляющих воздействий, обработку, хранение и отображение информации.

9. Внедрение разработанных методик и алгоритмов на ОАО «Раменский приборостроительный завод» позволяет добиться снижения продолжительности, трудоемкости и энергоемкости технологического цикла испытаний на 15.20%.