Методы и алгоритмы диагностирования и параметрической оптимизации судовых электрических средств автоматизации

Высокая техническая культура современного производства не мыслима без постоянного совершенствования методов контроля технического состояния объектов промышленности. Отсутствие технических средств контроля или регулирования их малая эффективность приводят к возникновению аварийных ситуаций и снижению эффективности эксплуатации, дополнительным затратам на техническое обслуживание и ремонт. Применение электрических средств автоматизации на судах современного флота позволяет повысить эффективность работы различных систем и технических средств, способствует повышению производительности труда судовых экипажей, дает значительный экономический эффект, сокращает затраты энергии и материалов [9, 6, 10, 11,46,47,123,125].

Техническое состояние современного рыбопромыслового флота страны характеризуется несколькими особенностями, которые порождены проблемами конкуренции и усилением требований к технологии добычи и обработки морепродуктов, которые ранее не проявлялись в такой значительной мере. Необходимо, прежде всего, отметить интенсивное расширение спектра предлагаемых на рынке средств автоматики. Зачастую эти устройства являются продукцией зарубежных компаний и попадают в состав судового электрооборудования во время переоснащения, ремонта и модернизаций промысловых судов.

Новейшие средства автоматизации содержат аналоговые и цифровые компоненты, комбинационные схемы и элементы с памятью: они применяются практически во всех устройствах автоматики, где требуется реализовать специальные характеристики, обеспечить плавность и точность регулирования, повысить производительность и мощность судовых электроэнергетических систем. Возросшие возможности мощной полупроводниковой техники, появление мощных транзисторов, способных управлять токами в сотни ампер и выдерживать напряжения до 1,5 тысячи вольт, а также мощных тиристоров и симисторов, фотосимисторов и других силовых электронных приборов, использующихся в разработках современных компаний, поставляющих аппаратуру для промысловых судов, делают актуальным рассмотрение вопросов диагностирования и регулирования устройств автоматики [4, 6, 16, 46, 47, 55, 56, 57, 59, 60, 58, 84,122,129].

Усложнение состава электрооборудования, рост его количества и широкое внедрение комплексных средств автоматизации на судах при отсутствии автоматизированных систем диагностирования, как правило, приводит к увеличению затрат на определение технического состояния, а при отказах — к увеличению затрат на поиск и устранение дефектов. Вследствие этого простои судов, вызванные ремонтом оборудования и связанные с ними убытки, существенно возрастают. В настоящее время совокупные затраты на техническое обслуживание судов за амортизационный срок службы в два-три раза превышают их строительную стоимость. Расходы, связанные с ежегодным ремонтом судов, достигают половины сумм, расходуемых на строительство нового флота. Технико-экономическая проблема снижения этих расходов в настоящее время является одной из важнейших задач.

Оборудование, поставляемое из-за границы, зачастую поступает без подробной технической документации и без детальной проработки вопросов электромагнитной совместимости. Кроме того, недостаточное качество электрической энергии на промысловых судах, ведет часто к снижению надежности установленного электронного оборудования и неоправданным экономическим потерям. В этой ситуации задачи диагностики и регулирования мощного судового электронного оборудования выступают на передний план, так как отказ мощных полупроводниковых приборов во время ведения промысла может приводить к значительным экономическим потерям, а отказ систем управления, ответственных за энергетические процессы, к потере безопасности мореплавания [4, 6, 8,11, 32, 33, 34, 36, 80, 81, 82].

Необходимо также отметить, что в силу уменьшения количественного состава промысловых судов (примерно в 2,5 раза за период 1992 — 2002 г, Камчатский регион), обострилась проблема повышения качества настройки систем автоматики СЭС. Участились случаи выхода генераторов из синхронизма из-за расстройки параметров электронной аппаратуры САРН и АРЧ. Отсутствие эффективной системы регулирования запаса работоспособности аппаратуры приводит к неоправданным временным потерям на межрейсовых стоянках судов. Не уделяется достаточного внимания и отстройке динамических параметров электронных регуляторов, что оборачивается неминуемыми потерями топлива. Исследование результатов обработки статистических данных по флоту (камчатский регион) показывают, что за период с 1987 по 2000 годы, при систематическом снижении количества судов на флоте, относительный процент аварийности возрастает. В работе [134] приводятся результаты мониторинга технического состояния флота: при 50% снижении количества судов, аварийность возрастает в два раза. Это свидетельствует о старении оборудования и недостаточной оснащенности современными средствами контроля технического состояния и диагностирования устройств, а также о низкой эффективности используемых методов, разработок и устройств, повышающих безаварийность работы.

Исследование процентной зависимости аварийности, вызванной навигационными, техническими и экстремальными факторами, показывает, что доля навигационных и технических факторов высока и одинакова и составляет соответственно 4, 9%, 5, 4% и 4%, 5, 4% за периоды 85−87 и 98−2000 годы. Однако динамика процесса во времени обнаруживает тенденцию роста аварийности, обусловленной техническими факторами. Это свидетельствует не только о старении судовых средств, но и о необходимости повышения эффективности контроля его технического состояния. Одним из факторов, повлиявших на значительный рост технической аварийности, является отсутствие методов надлежащего технического обслуживания и достаточно полной оснащенности техническими средствами диагностирования.

Одной из причин увеличения аварийности является также субъективный фактор, например, квалификация судового обслуживающего персонала и его отношение к своим обязанностям. Однако эффективность любого управления, прежде всего, требует наличия достоверной и своевременной информации об окружающей обстановке, о состоянии судна и даже самого экипажа.

С другой стороны, сложность современных технических систем требует компьютерной грамотности инженера и использования персональных ЭВМ, которые практически неограниченно расширили возможности для контроля и совершенствования эксплуатации. Квалификация современного инженера определяется умением использовать вычислительную технику, навыками программирования, математического моделирования, умением принятия адекватных решений при управлении в процессе эксплуатации.

В настоящее время математическое и программное обеспечения, направленные на решение актуальных задач контроля и регулирования технического состояния объектов производства, и, в частности, средств автоматики отстают от потребностей производства. Это объясняется недостаточной подготовкой инженеров данного профиля, низким кадровым обеспечением вузов рыбной промышленности специалистами в области технической диагностики и компьютерных технологий. Разрешить частично многие проблемные задачи эксплуатации на морском транспорте можно, при внедрении на флоте в эксплуатацию диагностических комплексов, позволяющих формализовать задачу и свести процедуру диагностирования к минимальной совокупности упрощенных манипуляций.

Актуальность темы

Подводя итог сказанному, можно заключить, что снижение как технических, навигационных так и субъективных факторов аварийности находится в прямой зависимости от оснащенности флота техническими средствами диагностирования, и успешное решение проблемы безаварийной эксплуатации в значительной мере определяется наличием новых подходов, методов и направлений в развитии технической диагностики. Снизить интенсивность отказов электрооборудования на стадии эксплуатации можно за счет регулярного оценивания состояния и своевременного восстановления работоспособности. Решить эти задачи позволяет своевременное и рациональное применение методов и средств диагностирования с последующей настройкой основных параметров ЭСА и правильной организацией процесса эксплуатации.

В настоящее время известно множество методов оценки степени работоспособности и поиска дефектов в судовых ЭСА. Подробный анализ их эффективности показывает, что наряду с множеством определенных достоинств они имеют ряд недостатков [9, 12, 14, 15, 16, 17, 18, 21, 22, 23, 24, 25]. Как правило, это методы, предусматривающие процедуру съема информации с достаточно большего количества контрольных точек ОД. При этом процесс диагностирования предполагает выполнение разветвленных алгоритмов, сложность которых увеличивается с ростом размерности диагностируемой электрической цепи. Методика построения таких алгоритмов основывается либо на показателях надежности структурных единиц (СЕ), без учета взаимосвязи между СЕ, либо основывается на логическом анализе, и позволяет обнаружить одиночные дефекты при съеме информации с большего количества полюсов ОД и т. д. Некоторые из существующих методов не достаточно полно учитывают особенности эксплуатации судового оборудования, требуют относительно больших затрат времени, сравнительно большого объема измерений и достаточно высокой квалификации обслуживающего персонала[32, 33, 34, 35, 36, 37 — 43, 44, 45, 48, 50, 51, 54, 55, 56, 57 — 61, 62, 63, 66, 67, 69, 121, 123, 124, 128,130, 131].

Актуальным является также разработка и внедрение новых методов параметрического регулирования и оптимизации процесса эксплуатации судовых ЭСА, которые в совокупности с правильно поставленными методиками контроля технического состояния составляют единый диагностико — регулировочный аппарат теоретических и производственных исследований повышения надежности современных ЭСА [27, 47, 50, 53, 82, 94,96, 114, 116,118,123, 124,125].

Подробный анализ современного программно — технического комплекса методов и средств технической диагностики и регулирования показывает, что существует проблема повышения эффективности эксплуатации судового электрооборудования и связанная с ней проблема безопасности эксплуатации морского флота. Настоящая работа направлена на разработку эффективных методов диагностирования, регулирования и оптимизации эксплуатации соответствующих методик и средств диагностирования для повышения эффективности ТЭ.

Существенным недостатком современных систем диагностики судовых ЭСА является относительно не высокий уровень автоматизации процессов поиска и локализации дефектов, контроля запаса работоспособности, а также прогноза технического состояния объектов ЭСА с учетом взаимосвязи с процедурами регулирования в автоматическом режиме. Однако, как видно из анализа аварийности судов промыслового флота Камчатки, соотношение технического и человеческого фактора составляет пропорцию примерно 1:1, а совершенствование систем диагностики позволит уменьшить влияние на аварийность как технического, так и человеческого фактора.

Решение перечисленных задач невозможно без применения математического аппарата технической диагностики. В настоящей работе развитие аналитического аппарата производится путем приложения теории многополюсника к задачам диагностики. Использование теории многополюсника для описания диагностических задач представляется весьма перспективным особенно для задач параметрической диагностики, так как позволяет построить эффективные процедуры поиска неисправных компонент электронной цепи и организовать слежение за состоянием ее элементов и прогнозировать это состояние при минимальных затратах на создание специальной аппаратуры. Алгоритмическое и программное обеспечение разрабатывается применительно к процедурам:

— контроля и оценки работоспособности судового электрооборудования;

— определения границ допуска параметров элементов ОД с учетом топологии их соединения;

— локализации и поиска дефектов;

— прогноза возможных дефектов и регулирования запаса работоспособности.

Последние достижения в области микропроцессорных технологий в значительной мере расширили потенциальные возможности создания и практической реализации сложных диагностических систем. Современные однокристальные микроконтроллеры: TMS компании Texas Instruments, ADSP компании Analog Devices, DSP компании Motorola, AVR компании INTEL по своим возможностям приблизились к возможностям персональных ЭВМ при решении специализированных задач.

Современное состояние систем организации технического обслуживания и ремонта сложных технических объектов характеризуется переходом от систем планово-предупредительных ремонтов к стратегиям управления эксплуатационной надежностью объектов по их техническому состоянию. Преимущества такого подхода заключаются в экономии трудовых, материальных и финансовых ресурсов, что особенно важно в условиях развития рыночных отношений. Однако такой подход возможен при условии создании систем мониторинга технического состояния контролируемых объектов, которые в настоящее время на судах промыслового флота практически не применяются. Основной преградой на пути внедрения современной техники диагностирования на судах является отсутствие соответствующего алгоритмического и программного обеспечения и значительные дополнительные капитальные затраты на модернизацию систем контроля и управления судового электрооборудования из-за большого числа параметров за которыми необходимо установить непрерывный или периодический контроль.

Из изложенного следует, что необходим дальнейший поиск эффективных методов диагностирования и оптимизации. Разработка соответствующих методик и средств, позволяющих минимизировать объем и время диагностических процедур и повысить надежность эксплуатации, является актуальной научно-технической проблемой.

Цель диссертационного исследования состоит в построении методологической основы решения полного комплекса задач диагностирования и параметрической оптимизации, оценки и повышения эксплуатационной надежности судовых ЭСА.

Проблема поставленная в диссертационном исследовании состоит в разработке новых методов и алгоритмов диагностирования и параметрической оптимизации судовых ЭСА с использованием современных информационных технологий и микропроцессорной техники.

Задачи исследования. В соответствии с указанной проблемой в работе поставлены и исследованы следующие задачи:

1. Разработка принципиально нового подхода, оценки работоспособности и поиска дефектов в судовых ЭСА и их частях при минимальных затратах на диагностирование (тестовое диагностирование на основе контроля минимального количества диагностических признаков).

2. Построение и анализ новых диагностико-регулировочных моделей ЭСА для решения задач диагностирования и параметрического.

16 регулирования (выполненных методом исключения варьируемого параметра).

3. Разработка методов, алгоритмов и методик диагностирования и регулирования судовых ЭСА.

4. Разработка процедур прогноза предотказных состояний и локализации дефектов в судовых ЭСА.

5. Разработка процедур определения технического состояния ОД на основе методики построения вероятностных областей работоспособности ОД.

6. Организация мониторинга технического состояния судовых ЭСА средствами детерминированных, вероятностных, нейро-нечетких методов с последующим их регулированием и выбором оптимальных режимов эксплуатации.

7. Разработки технических средства диагностирования, реализующих предложенный метод диагностирования. Перечисленные задачи исследования определили содержание рукописи.

В первой главе выполнен обзор и анализ методов и средств диагностирования судовых ЭСА, а также методы регулирования и оптимизации эксплуатации, рассмотрены их достоинства и недостатки.

Вторая глава посвящена разработке метода исключения варьируемого параметра, применяемого для диагностирования судовых ЭСА при одиночных дефектах, дано теоретическое обоснование и описана процедура формирования и минимизации основных диагностических признаков, разработаны алгоритмы и методика диагностирования. Изложена обобщенная процедура построения и анализа диагностико-регулировочной модели ЭСА.

В третьей главе приводится теоретическое и методологическое обоснование разработки метода оценки работоспособности и локализации множественных дефектов в схемах судовых ЭСА на основе использования регулярных и стохастических моделей диагностирования. Приведен алгоритм построения области работоспособных состояний.

Четвертая глава посвящена разработке метода определения предотказных состояний судовых ЭСА на основе рассмотрения марковского вероятностного процесса и изоварной модели диагностирования, получаемой методом исключения варьируемого параметра. Рассмотрена апостериорная модель деградации систем, позволяющая на основе данных о состоянии ОД получить картину распределения предотказных состояний исследуемой системы. Разработан алгоритм вычисления вектора состояний системы, приведены программы.

Пятая глава посвящена разработке метода оптимизации процесса эксплуатации устройств судовых ЭСА, дано теоретическое обоснование применения интервальных методов при решении задач оптимизации судового электрооборудования. Приведены регулярные и вероятностные методы оптимизации технического состояния устройств судовых электрических средств автоматизации на основе разработки детерминированных и вероятностных моделей регулирования. Построен обобщенный алгоритм формирования процесса регулирования, разработаны программы и представлены результаты исследований.

В шестой главе решается задача поиска и локализации дефектов нейросетевыми методами и использования нечеткого логического вывода при построении диагностических моделей.

Седьмая глава посвящена построению программно-аппаратного диагностического комплекса и организации экспериментов для проверки разработанных алгоритмоввопросам реализации разработанных алгоритмов на основе современных микропроцессорных устройствописанию экспериментальных установокметодике проведения исследований.

В приложении приводятся программы для ЭВМ, алгоритмы, и результаты моделирования диагностического обеспечения.

Методы исследований. При решении поставленных задач в работе используются методы теории графов, математического анализа, линейной алгебры, аналитической геометрии, моделирования электрических цепей, теории нечетких множеств и нейросетей, теории измерений, теории управления, теории надежности, теории вероятностей, теории массового обслуживания и технической диагностики.

Научная новизна результатов диссертационного исследования состоит в разработке и исследовании следующих положений:

Разработан метод исключения варьируемого параметра, на основе которого построена регулярная модель диагностирования судовых ЭСА, аналитически связывающая совокупность основных диагностических признаков, доступных для измерения на ОД, с множеством диагностируемых параметров ОД, недоступных для непосредственного измерения, без нарушения топологии электрической цепи.

Разработан метод и алгоритмы поиска одиночных дефектов в разветвленной электрической цепи, построенный на основе регулярной диагностической модели, позволяющей при диагностировании не увеличивать количество полюсов съема диагностической информации.

Разработана обобщенная алгоритмическая процедура построения стохастической модели диагностирования ЭСА на основе регулярной модели, связывающая совокупность векторов вероятностей всех предварительно дифференцированных состояний ОД с множеством точек пространства основных диагностических признаков.

Разработана процедура построения и анализа многомерной регулярной модели диагностирования ЭСА, используемой для решения задачи поиска множественных дефектов, на основе методики поэтапного увеличения размерности пространства основных диагностических признаков.

Разработан метод и алгоритм поиска множественных дефектов и определения области работоспособности судовых ЭСА на основе использования вероятностной модели диагностирования.

Разработаны алгоритм и программы оценки основных диагностических признаков по критериям чувствительности, равномерности чувствительности и эквидистантности,.

Разработана методика отбора знакопостоянных диагностических признаков на основе процедуры вращения топологического графа, используемая для формирования оптимальных изоварных картин пространства диагностирования.

Построена обобщенная изоварно-марковская модель деградации системы, отражающая общие тенденции старения систем и содержащая информацию об изменениях диагностических признаков в конкретном ОД для последующего вычисления апостериорных вероятностей состояний системы.

Разработан алгоритм и написана программа идентификации предотказных состояний судовых ЭСА, разработан критерий определения предотказных состояний систем.

Построена обобщенная модель деградации-восстановления системы, отражающая общие процессы старения и восстановления систем. Модель позволяет на основе данных о конкретном ОД выполнять упреждающее регулирование с целью восстановления надежности ОД близкой к первоначальной.

Разработана методика и построены алгоритмы, написаны программы оптимизации процесса эксплуатации судовых ЭСА, на основе полученной модели.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработана инженерная методика практического диагностирования на основе выполненного анализа и предложенных процедур построения алгоритмов диагностирования.

2. Написаны машинные программы диагностирования и разработаны технических средств диагностирования для широкого класса электрических схем ЭСА.

Результаты работы использованы при выполнении научно-исследовательских работ по созданию диагностического обеспечения и ТСД судовых систем (госбюджетная НИР КГАРФ, «Диагностика судового электрооборудования». 1998 г.). Разработанные в диссертационной работе методики используются в учебном процессе в КамчатГТУ и для практического диагностирования систем электроснабжения организаций рыбной отрасли Камчатки — ФГУП КЦСМ, ООО Экспедиция, ООО Энергия, ТЦППКСРФ.

Достоверность результатов выводов и рекомендаций подтверждена корректным применением теории электрических цепей, математического анализа, линейной алгебры, теории вероятностей и математической статистики, теории массового обслуживания, результатами моделирования на ЭВМ и экспериментально при испытании макетных образцов действующих судовых ЭСА.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

— Международной научно-технической конференции «Транском», «Управление и информационные технологии на транспорте». Санкт-Петербургский Государственный университет водных коммуникаций. 1997;2003г г.;

— Международной, межвузовской школе-семинаре «Методы и средства технической диагностики». Ивано-Франковский Государственный технический университет нефти и газа.1997;2000гг.

— Научнотехнических конференциях профессорско-преподавательского состава ГМА им. адм. С. О. Макарова в 2000 — 2002 гг.;

— Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава КамчатГТУ. г. Петропавловск-Камчатский в2001 — 2003 гг.;

— Международной межвузовской школе-семинаре «Методы и средства технической диагностики». Марийский Государственный университет, г. Йошкар-Ола. 1998;2000 гг.

— Международная научно-практическая конференция «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики». ЮРГУ. г. Новочеркасск. 2000 г.

— Основные положения диссертации изложены в 53 печатных работах: [69 — 121], в том числе: в 14 публикациях в ведущих рецензируемых научных изданиях и журналах, двух монографиях, трех патентах на изобретение, двух свидетельств на программы и алгоритмы. Получены следующие патенты на изобретение: Устройство для проверки электронных схем./ Патент на изобретение № 2 137 148 от24.03.97 г., Устройство для проверки электронных схем./ Патент на изобретение № 2 179 729 от25.02.2000 г. Устройство регулярно-периодического контроля работоспособности электрических средств автоматизации.//Патент на изобретение № 2 196 340 от 10.01.2003 г. Программа построения семейства изоварных характеристик объекта диагностирования. № 2 004 610 272 //Программы. Базы данных. Топология интегральных микросхем.-М.: ФИПС, 2004, Бюл.1.-С23. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Теоретические основы метода исключения варьируемых параметров для решения основных задач параметрической оптимизации и диагностирования — оценки технического состояния и поиска дефектов в устройствах ЭСА, описываемых цепями средней и высокой размерности.

2. Теоретические основы и методы построения диагностикорегулировочной модели оптимизации и диагностирования устройств судовых ЭСА.

3. Теоретические основы, методы и алгоритмы формирования совокупности основных диагностических признаков при анализе многополюсных систем.

4. Методика ротации топологического графа при выполнении процедуры отбора знакопостоянных функций передачи многополюсной системы.

5. Теория и методы решения задачи локализации множественных дефектов в электрических цепях средней и высокой размерности.

6. Методы оценки работоспособности устройств судовых ЭСА при использовании нечеткого логического вывода.

7. Методы оценки работоспособности устройств судовых ЭСА при использовании нейронных сетей.

8. Теория и методы прогноза предотказных состояний судовых ЭСА.

9. Теория и методы определения степени работоспособности судовых ЭСА.

10. Теория и методы регулирования характеристик надежности судовых ЭСА.

Далее приводится анализ и дается оценка существующих методов и средств диагностирования судового электрооборудования, методы его регулирования и оптимизации эксплуатации.

7. 7. Основные результаты.

В процессе проведения экспериментов выполнялась отработка методов и настройка алгоритмов диагностирования на основе вероятностных и регулярных моделей, построенных методом исключения варьируемого параметра. В результате проведения диагностических экспериментов выявлялись узлы и компоненты схемы близкие к состоянию отказа, а также прогнозировалась надежность ОД и вырабатывались рекомендации по повышению показателей надежности отдельных составляющих компонент и их замены на более надежные.

При диссертационном исследовании рассматривались вопросы, связанные с проблемой определения вероятностных характеристик источников тестовых сигналов, в качестве которых выбран гауссовский шум, и с проблемой определения вероятностных характеристик токов и напряжений, возникающих в цепи под действием этих возмущений. В результате была внедрена методика экспериментального расчета эквивалентного сопротивления составляющих компонент. Адекватность методики расчета эквивалентного сопротивления общепринятым методам анализа резистивных электрических цепей была дана при количественной оценке с использованием пакета моделирования динамических систем Simulink.

Построена модель системы измерения при воздействии на RC — цепь шумового сигнала. Проведенные исследования, дали удовлетворительный результат, позволяющий сделать вывод о возможности подбора параметров.

289 шумового сигнала, обеспечивающих скалярные операции с величинами напряжений на реактивных элементах.

Проведены экспериментальные исследования и выполнена разработка диагностического обеспечения на основе использования регулярных диагностических моделей с использованием разработанных программ OTBORMATRIXIZOVAR. Проверка подтвердила состоятельность разработанной методики: были получены удовлетворительные результаты, подтверждающие соответствие координат точки состояния ОД в пространстве диагностических признаков, измеренных экспериментально, расчетным координатам, при изменении параметров каждой из составляющих компонент в отдельности. Проведенный по такой методике эксперимент позволил при относительно несложном процессе разработки диагностического обеспечения ограничиться простой процедурой диагностирования, сводящейся к измерению двух диагностических признаков, при поиске любой отказавшей компоненты в сложной разветвленной электрической цепи без нарушения ее топологии.

Выполнялась настройка регулярных, вероятностных, а также нейросетевых моделей диагностирования и проверка алгоритмов локализации дефектов, определения области работоспособности, определения предотказных состояний судового электрооборудования на основе реальных объектов промышленности. Выполнялась также проверка работоспособности и адекватности выбранной структуры микропроцессорного комплекса диагностики СЭСА.

Разработан и построен программно-аппаратный диагностический комплекс мониторинга технического состояния устройств судовых ЭСА. Новизна разработок подтверждена тремя патентами на изобретение и свидетельствами на разработку алгоритмов и программ. Были отработаны задачи поиска дефектов в схеме трехфазного шестикаскадного мостового инвертора и задача регулярно-периодического контроля технического состояния силового стабилизатора, используемого для питания судового тренажерного комплекса.

Выполнено построение поверхности численных значений вероятности работоспособности мостового выпрямителя в калиброванном пространстве основных диагностических признаков. Предлагаемый вероятностный подход к оценке состояния объекта диагностирования позволил решить задачу локализации и определения множественных дефектов, а также задачу оценки и регулирования запаса работоспособности судовой аппаратуры.

При отладке программ и проверке алгоритмов были поставлены следующие машинные эксперименты:

• по проверке правильности методики построения диагностических карт, посредством сравнения результатов компьютерного и ручного построения на примерах цепей невысокой размерности, показавшие совпадение ручных расчетов и результатов работы алгоритма (Приложение 2: Руководство пользователя);

• по построению областей работоспособности с заданной вероятностью;

• по отбору совокупности основных диагностических признаков в соответствии с критериями чувствительности, равномерности чувствительности и эквидистантности;

• по разработке диагностического обеспечения для решения задач поиска дефектов в детерминированной и вероятностной постановке;

• по прогнозированию предотказных состояний ОД;

• по упреждающему регулированию с целью повышения эксплуатационной надежности системы.

Построение области работоспособности осуществлено программой, реализующей вышеописанный алгоритм метода статистических испытаний (Рис. 3. 8, 7. 23). Проверка выполнялась при отклонении величин параметров, составляющих компонент тестовой цепи, в пределах 25% по обе стороны от номиналов. Все полученные 20 точек наносились на карту изоварных характеристик в области работоспособности построенной программой (Приложение 3). Этот эксперимент подтверждает правильность работы алгоритма и программы метода статистических испытаний.

Осуществлена проверка алгоритма и программы прогноза предотказных состояний (Приложения 4, 5, 6 и программа в п. 4. 3). Было выполнено поочередное варьирование параметрами составляющих компонент в диапазоне 40% от номинальных значений. Результаты моделирования процесса для схемы мостового выпрямителя представлены в Приложении 8 (Даны временные зависимости условных вероятностей по состояниям работоспособности и кратных отказов) и в Приложении 9, где приведены результаты моделирования компоненты работоспособного состояния вектора апостериорных вероятностей.

Выполнена проверка алгоритма и программы по отбору совокупности основных диагностических признаков в соответствии с критериями чувствительности, равномерности чувствительности и эквидистантности на примере выпрямителя переменного тока, а также алгоритм и программы построения диагностических карт. Результаты моделирования приведены в приложении 10, программы отбора и построения в Приложении 11. Полученные результаты подтверждают наличие большого выбора различных вариантов диагностических карт одного и того же устройства, представленного в виде многополюсной системы, что всегда дает возможность выбора оптимального варианта.

Выполнена проверка алгоритма и программы вычислений компонент вектора апостериорных вероятностей состояний системы, включающие построение изоварной модели диагностирования, марковской априорной модели деградации-восстановления, а также этапы вычисления шага дискретизации времени и проверки выполнения критерия готовности. Получение вектора апостериорных вероятностей позволяет выполнять покомпонентное упреждающее регулирование параметров компонент на основе информации о наличии предотказного состояния ОД и на основе конкретной информации об объекте регулирования. Как показали полученные результаты (Приложение 16), после бейесовской оценки.

292 функция состояния принимает пороговый характер, что свидетельствует о повышении детерминантности процесса оценки текущего состояния ОД.

Проведенные эксперименты на реальных объектах и посредством моделирования при реализации программ созданных на основе разработанных алгоритмов, подтвердили работоспособность алгоритмов метода исключения варьируемого параметра. Были выполнены диагностические процедуры по мониторингу основных диагностических признаков и регистрация основных параметров диагностирования разработанными методами блоков стабилизации напряжения сети переменного тока в производственных условиях организаций г. Петропавловска-Камчатского: ФГУП КЦСМ, ООО Экспедиция, ООО «АСНИ», ТЦППКамчатГТУ, ГУЛ КДпоС, ООО НТО «НОВИК».

Выполнено построение архитектуры и обоснована структура микропроцессорного комплекса решения задач диагностики судовых ЭСАразработана совокупность алгоритмов для реализации разработанных диагностических процедурвыявлены компоненты принципиальной схемы электронного стабилизатора, близкие к отказу, что позволило произвести упреждающую замену ненадежных компонент и тем самым повысить эксплуатационную надежность аппаратурывыполнена проверка алгоритма прогноза предотказных состояний, при вариации параметрами составляющих компонент, которая подтвердила эффективность использованного критерия определения предотказных состояний системыпроведена настройка нейросети в соответствии с методикой, изложенной в главе 6- проведена проверка алгоритма по упреждающему регулированию с целью повышения эксплуатационной надежности системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Как показали исследования, в целом метод исключения варьируемого параметра позволяет успешно решать основные задачи диагностирования и оптимизации параметров судовых ЭСА. Были использованы как регулярные так и стохастические подходы при решении основных задач диагностики и регулирования. Исследования показали, что часть задач диагностики и оптимизации могут быть решены на основе использования регулярных методов, в основе которых рассматриваются детерминированные диагностические модели. А часть задач может быть разрешена только с использованием вероятностного, нейросетевого или нечетко-множественного подходов. Такие задачи, как поиск и локализация одиночных дефектов или задача поиска множественных дефектов на основе реализации гиперпространства основных диагностических признаков, могут быть решены на основе детерминированных изоварных моделей. Однако, увеличение размерности пространства диагностирования быстро приводит к непомерно громоздким аналитическим моделям. Регистрация одиночных дефектов, как правило, эффективна при регулярно-периодическом контроле оборудования. При решении задач поиска дефектов, определения области работоспособности, в большинстве случаев, необходим переход от регулярных к стохастическим моделям, моделям на основе нечетких множеств и нейронных сетей, позволяющем решать поставленные задачи.

Успешное проведение диагностических экспериментов с применением широкого спектра комплектующих компонент, подтверждение состоятельности методики проведения диагностического эксперимента, подтверждение правильности методики разработки диагностического обеспечения свидетельствуют о возможности внедрения разработанных методов в производство. Разработанный программно-аппаратный комплекс позволяет совокупно решать все основные задачи диагностики: предусмотрена методика машинного отбора чувствительных каналов диагностирования с помощью программы OTBOR, а также процедура построения диагностической карты с помощью программы IZOWAR, разработана комплексная программа диагностирования, решающая совокупность всех этапов диагностирования, предусмотренных методом исключения варьируемого параметра, программа MATRIX.

Проведена проверка адекватности модели диагностирования, выполнены сопоставления диагностических карт разработанных вручную и с помощью ЭВМ. Разработаны и внедрены в производство устройство регулярно-периодического контроля и устройства поиска дефектов в СЭСА.

Успешное проведение исследований позволило внедрить экономически целесообразную методологию диагностирования и оптимизации судовых ЭСА, что дало возможность ее использования при построении автоматизированных диагностических комплексов судовых ЭСА. Разработанная методология предварительного диагноза и упреждающего регулирования позволили повысить эксплутационную надежность судовых электроэнергетических систем, повысить уровень безопасности мореплавания и снизить аварийность судов флота рыбной промышленности.

Внедрен комплексный подход к решению основных задач диагностики и регулирования электрических цепей средней и высокой размерности. Реализована идея снижения числа наблюдаемых диагностических признаков и объемов измеряемой и обрабатываемой диагностической информации. Внедрен иерархический принцип поэтапного увеличения глубины поиска дефекта вплоть до составляющей компоненты принципиальной схемы.

Получены следующие результаты:

1. Теоретически обоснован и реализован новый метод исключения варьируемого параметра, используемый для построения моделей;

2. Построена методика диагностирования сколь угодно сложной разветвленной электрической цепи с минимальными затратами на проведение диагностического эксперимента (всего два измерения), что принципиально отличает разработанную модель от существующих при решении подобных задач;

3. Внедрено и обосновано применение метода конечных интервалов для определения границ параметров составляющих компонент с учетом топологии их соединения, что дало возможность контролировать энергетический баланс при выполнении регулирования и повысить точность диагностирования;

4. Разработаны и теоретически обоснованы методы и алгоритмы поиска и локализации одиночных и множественных дефектов в схемах судовых ЭСА как на основе регулярных, так и вероятностных моделей;

5. Теоретически обоснованы методы и разработаны алгоритмы построения области работоспособных состояний судовых ЭСА, на основе использования изоварных моделей, как в детерминированной так и в вероятностной постановке;

6. Теоретически обоснованы методы и разработаны алгоритмы и программы вычислений компонент вектора апостериорных вероятностей состояний системы, включающие построение изоварной модели диагностирования, марковской априорной модели деградации-восстановления, используемые для прогнозирования предотказных состояний ОД;

7. Применены нейросетевые методы и разработаны алгоритмы и программы для определения областей предотказных состояний составляющих компонент судовых ЭСА;

8. Разработана методика, построены алгоритмы и написана программа получения вектора апостериорных вероятностей, позволяющего выполнять покомпонентное упреждающее регулирование параметров компонент на основе информации о наличии предотказного состояния ОД и на основе конкретной информации об объекте регулирования;

9. Построена автоматизированная микропроцессорная система диагностирования судовых ЭСА, выполняющая накопление и обработку диагностической информации с минимальным временем проведения диагностического эксперимента;

10. Реализована программно-аппаратная автоматизированная система тестового диагностирования на основе внедренного метода исключения варьируемого параметра;

11. Разработан и опробован на примере схемы шестиканального инвертора и электронного стабилизатора переменного тока алгоритм регистрации основных диагностических признаков для определения работоспособности ОД, локализации дефектов, определения предотказных состояний судовых ЭСА, позволяющий регулировать уровень основных эксплуатационных показателей. Написаны программы;

12. Разработан и создан микропроцессорный программно-аппаратного комплекса на основе исследованных в диссертации алгоритмов и программной реализации решения диагностических задач судовых ЭСА. Проведены лабораторные и натурные испытания промышленных образцов аппаратуры электропитания в лабораториях КамчатГТУ и на промышленных предприятиях.