CC BY
23
'10-7 D + 2 • 10-4 -10-7 D -10-4 ^ ЧС) ^ Г- J (t) ^
-10-7 D 6 • 10-7 D - 4 • 10-7 D Ф 2(t) = 0
-10-4 V - 4 • 10-7 D 4•Ю-7D +11 • 10 5 / чФз(0 J V J (t) ,
Следует отметить, что при решении практических задач можно избежать сложных аналитических решений, выполнив алгоритм последовательных вариаций эквивалентными сопротивлениями реактивных элементов.
Алгоритм, кроме перечисленных выше пунктов определения эквивалентного сопротивления, включает итерационную процедуру подстройки ранее уравновешенных потенциалов узлов, что в итоге приводит к эквивалентному распределению потенциалов всех узлов схемы, после чего становятся известными эквивалентные сопротивления реактивных элементов. Полученные значения эквивалентных сопротивлений будут использованы для построения диагностической модели, что обеспечит согласование результатов теоретических расчетов с результатами практических измерений.
Литература
1. Пюкке Г.А., Портнягин Н.Н., Кузнецов С.Е. Диагностирование электрических цепей методом изовар // Изв. вузов. Электромеханика. - 1998. - № 1. - С. 35-40.
2. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. - М.: Мир, 1975. - 648 с.
3. Демирчян К.С., Бутырин П.А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей. -М.: Высш. шк., 1988. - 335 с.
4. Синтез линейных электрических и электронных цепей / П.А. Ионкин, Н.Г. Максимович,
B.Г. Миронов, Ю.С. Перфильев, П.Г. Стахив. - Львов: Высш. шк. Изд-во при Львовском университете, 1982. - 312 с.
5. Блинов Э.К., Розенберг Г.Ш. Техническое обслуживание и ремонт судов по состоянию. -СПб: Судостроение, 1992. - 189 с.
6. Лурье О.Б. Интегральные микросхемы в усилительных устройствах. Анализ и расчет. -М.: Радио и связь, 1988. - 176 с.
7. Айзинов С.Д., Белавинский А.Ю., Солодовниченко М.Б. Комплексная оценка надежности судовых радиоэлектронных средств // Эксплуатация морского транспорта. - СПб.: Наука, 2003. -
C. 242-247.
8. Выбор информативных параметров при контроле качества изделий электронной техники / Д.В. Гаскаров, В.И. Попеначенко, С.А. Попов, В.И. Шаповалов. ЛДНТП. - Л.: Общество «Знание», 1979. - 32 с.
УДК 519.856.3:629.5.06
БАЙЕСОВСКАЯ МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УСТРОЙСТВ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ
Г.А. Пюкке, С.О. Федоров
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: imfedr@gmail.com
Предложенный в работе метод основан на использовании байесовской модели, построенной методом исключения варьируемого параметра. На стадии эксплуатации такая методика дает возможность выполнить упреждающее регулирование по восстановлению составляющих компонент и восстановлению надежности, близкой к первоначальной. Упреждающее регулирование, выполняемое на основе данных о результатах прогнозирования предотказных состояний, дает возможность при оценке работоспособности объекта диагностирования по текущему состоянию поддерживать надежность на необходимом уровне в течение процесса эксплуатации. Исследование результатов моделирования при выполнении регулирования схемы мостового выпрямителя подтвердило состоятельность теоретических разработок, достаточно высокую адекватность моделей и правильность построенных алгоритмов.
Ключевые слова: диагностический признак, стохастическая модель, регулярная модель, вариация, регулируемый параметр.
Bayesian model of technical condition assessment of ship electric automation devices.
G.A. Pjukke, S.O. Fedorov (Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003)
The method offered in paper based on the use of the bayesian model constructed by process of elimination of varied parameter. At the operational stage, technique makes it possible to carry out preemptive regulation on restoration and rehabilitation of the components of reliability that is close to the original. Advanced control that runs on the basis of the results of forecasting pre-exemption states, allows the assessment of efficiency of the object on the current state of diagnosis maintain the required level of reliability for process operation. The research of results obtained with the implementation of rectifier bridge control scheme confirmed the viability of theoretical development, a sufficiently high accuracy and adequacy of the models of these algorithms.
Key words: diagnostic feature, stochastic model, regular model, variation, adjustable parameter.
На основе описанного в работе [1] диагностического обеспечения может быть поставлен диагностический эксперимент, состоящий в проверке адекватности, адаптированной к конкретному объекту диагностирования, модели диагностирования и состоятельности разработанной методики диагностирования. Необходимо проверить соответствие координат точки состояния объекта диагностирования в пространстве диагностических признаков, измеренных экспериментально, расчетным координатам при изменении параметров каждой из составляющих компонент в отдельности.
Методика эксперимента состоит в следующем: в диагностируемой цепи изменялась величина параметра одной из контролируемых компонент и измерялись численные значения диагностических признаков. Тестовый сигнал после преобразования в цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и усиления широкополосным усилителем подавался поочередно на входы двух выбранных каналов диагностирования. На выходе каналов измерялось напряжение квадратичным вольтметром и оценивалась величина диагностического признака.
Для поиска отказавшей структурной единицы или компоненты принципиальной схемы на диагностической карте фиксируется положение точки текущего состояния, определенное по величинам измеренных диагностических признаков. По принадлежности точки состояния одному из графиков определяется номер отказавшей компоненты, а величина отклонения от точки равновесия определяет величину отклонения диагностируемого параметра.
Настройку процесса измерения и проверку правильности выбранной методики диагностирования можно проводить на примере трехфазного шестиканального мостового инвертора.
Методика диагностирования предполагает иерархический принцип постепенного увеличения глубины поиска дефектов в соответствии с оценкой целесообразности реализации заданного уровня глубины поиска и возможностью представления ОД несколькими уровнями деления. В процессе такого деления на каждом этапе диагностирования выполняется постепенное уточнение места дефекта: сначала определяется неработоспособный блок, затем производится диагностирование выявленного блока с глубиной поиска до элемента функциональной схемы и т. д. Завершающий этап состоит в диагностировании с глубиной поиска до элемента принципиальной схемы методом исключения варьируемого параметра [1].
Процесс разработки диагностического обеспечения начинается с физического анализа объекта диагностирования, выбора контролируемого параметра и совокупности диагностических признаков, доступных для прямого измерения, построения диагностической модели объекта диагностирования и отработки методики проведения диагностического эксперимента.
Используя иерархический принцип диагностирования, первоначально для верхнего уровня глубины диагностирования, выполняющего поиск дефектов с точностью до блока функциональной схемы, в качестве модели диагностирования мостового инвертора можно выбрать функциональную модель, для логического анализа которой используется таблица состояний [2], либо матричную модель [3], либо модель с использованием метода исключения варьируемого параметра, в зависимости от характера топологии объекта диагностирования.
На следующем этапе выполняется диагностирование блоков функциональной схемы с глубиной поиска дефектов до компоненты принципиальной схемы методом исключения варьируе-
мого параметра. Рассмотрим именно этот этап: на основе схемы замещения мостового инвертора (рис. 1) блока функциональной схемы записываются топологические матрицы системы. В качестве совокупности диагностических признаков (табл. 1) выбирается совокупность функций передачи, порождаемых исходной матрицей узловых проводимостей диагностируемой цепи [4]. Количество безразмерных функций цепи, построенных на основе полученной топологической матрицы, определяется комбинаторно и составляет для данной схемы М = С2 (С2 — 1) = 30. На основе полученного сочетания полюсов формируется множество алгебраических дополнений определителя матрицы узловых проводимостей. Формируется массив основных диагностических признаков, на основе которых записываются выражения коэффициентов передачи всех каналов диагностирования.
Поиск оптимальных каналов выполняется программным методом.
Рис. 1. Схема замещения функционального блока шестиканального инвертора
Таблица 1
Массив основных диагностических признаков
Входные полюсы
Входные полюсы
1-2
1-3
2-3
2-4
3-4
4-1
— § § 4
§2 + §3 + §5 — §2
§ 4 + §5 + § — §5
— §5 §2 + §3 + §5
§ 4 ^ §5 ^ § 6 § 4
— §5 — §2
§ 4 + §5 + §6 — §5
— §5 §2 + §3 + §5
— § — § 4
— §3 — § 2
§ 4 + §5 + § "§5
— § §2 + §3 + §5
— §. — §4
— §3 §2 + §3 + §5
§4 + §5 + §6 — §5
— §5 §2 + §3 + §5
§б §4 ^ §3 ^ §б
— §3 —§3
§4 + §5 + §6 — §5
— §5 § 2 + §3 + §5
Входные полюсы
Выходные полюсы
1 -2
1 -3
1 -4
2-3
3-4
4-2
— §3 — §1
§ 2 + §3 + § § 2
§, + §3 + §6 § 3
§ 3 § 2 + §3 + §5
— §6 — §1
— §5 — §2
§1 + § + § - §3
— §3 §2 + §3 + §5
§, + §3 + §6 — §,
— § 6 § 2
§, + §3 + §6 § 3
§ 3 § 2 + §3 + §5
§1 + §3 + § "§3
"§3 § + §3 + § 5
§1 + §3 + § -§3
"§3 §2 + §3 + §5
§1 + §3 + §6 — §6
— §3 — §5
§1 + §3 + §6 — §3
— §3 §2 + §3 + §5
Исходными данными являются диагональная матрица параметров составляющих компонент диагностируемой схемы и матрица инциденций, построенная на основе графа схемы замещения. После выполнения программы определяются два оптимальных канала диагностирования с коэффициентами передачи К41_23 и К*42_12, на основе которых строится диагностическая модель методом последовательного исключения параметров §! _ §6 из системы уравнений:
К41—23 = (§6 § 2 — §3 §4)/( §4 § 2 + §4 §3 + §4 §5 + §5 §2 + §5 §3 + §6 § 2 + §6 §3 + § 6 §5^ К42—12 = (§2 §3 + §1 §2 + §1 §3 + §1 § 5)/( §1 § 2 + §1 §3 + §1§5 + §2 §3 + §3 §5 + §6 § 2 + §6 §3 + §6 §5).
В табл. 2 сведены все полученные уравнения семейства признаков, там же приведены границы области работоспособности объекта диагностирования.
Таблица 2
Уравнения семейства изовар
Исключаемый параметр Диагностическая модель и границы области работоспособности
g2 3 615416,9^42_12 -2 303698,3 -0,4<К14-23 <-3 14-23 = 3 337205,7-2 724685,1^42_12 0,38<К42_12 <0,45
g3 344585,8-1 393 807,9К42_12 -0,39<К14-23 <-0,28 14-23 = 1600302,2 - 2 090247К42_12 0,4 <К42-12 < 0,44
g5 120425,9 -2773446,7К42_12 -0,36<К14-23 <-0,33 14-23 = 38881ДК42_[2 + 30006257 0,41<К42_12 <0,44
g6 526105,3-4 661803,3К42_12 -0,38<К14-23 <-0,32 14-23 = 1483522,3 + 6 283318,5К42_12 0,38< К42_12 < 0,48
gb g4 КЫ-2з= const -0,38<К14_2з <-0,3 К42-12 = const 0,41< K14-23 < 0,43
На основе данных табл. 2 строится карта диагностирования. При машинной обработке данных в память машины вводятся номера полюсов каналов диагностирования, матрица инциден-ций, диагональная матрица параметров компонент и запускается программа или выполняется специальный комплексный пакет программ MATRIX (C++). На рис. 2 приведена распечатка карты диагностирования блока шестиканального трехфазного инвертора. Шесть графиков соответствуют вариациям параметров шести структурных единиц объекта диагностирования. Все линии пересекаются в одной точке равновесия системы, которая соответствует состоянию работоспособности объекта диагностирования в выбранном пространстве основных диагностических признаков {К1; К2} [5]. После разработки диагностического обеспечения выполнялась проверка соответствия координат точки состояния, измеренных экспериментально, расчетным координатам, при изменении параметров каждой из составляющих компонент в отдельности.
Для проверки в диагностируемой цепи изменялась величина параметра одной из контролируемых компонент и измерялись численные значения диагностических признаков [6]. Совпадение координат точек состояния подтвердилось полностью, что свидетельствовало о достаточно высокой адекватности модели диагностирования и состоятельности метода исключения варьируемого параметра.
Для построения области работоспособности выбираем решение задачи в вероятностной постановке с использованием разработанного алгоритма (рис. 3).
Рис. 2. Экранная форма карты диагностирования Рис. 3. Поверхность вероятностей
блока инвертора работоспособного состояния
Разработанный алгоритм позволяет решать задачу для поиска дефектов любой кратности, что особенно важно при диагностировании схем судовой автоматики, содержащих многополюсные элементы. Построив поверхность функции вероятности работоспособности и определив на ней линии уровней с заданными вероятностями Р = 0,95; 0,9; 0,8;..., получим границы области работоспособности объекта диагностирования с заданными порогами вероятности. Функция вероятности -Р{КЬ К2}, представленная на рис. 3, построена в результате опробования разработанного
алгоритма на базе рассмотренного в работе [1] примера диагностической модели мостового выпрямителя, часто используемого в схемах судовой автоматики. На основе полученных результатов можно сделать вывод об эффективности предлагаемого метода при решении рассматриваемой задачи.
Функция вероятности Р(КЬ К2), представленная в виде поверхности, получена при N = 1000 разыгрываний. Дальнейшее увеличение N не приводит к заметным изменениям результата, временные затраты на выполнение алгоритма для рассматриваемого примера при N = 1000 составляют 2 мин, при использовании процессора Pentium с тактовой частотой 1,6 ГГц.
Предлагаемый вероятностный подход к оценке состояния объекта диагностирования позволит решить задачу локализации и определения множественных дефектов, а также задачу оценки и регулирования запаса работоспособности судовой аппаратуры.
Исследование результатов моделирования при определении момента предотказных состояний на примере схемы мостового выпрямителя подтвердили состоятельность теоретических разработок, достаточно высокую адекватность моделей и правильность построенных алгоритмов. Как следует из графика (рис. 4), в результате корректировки модели на основании топологических данных объекта диагностирования характер поведения вероятности работоспособного состояния принял пороговый характер. Компонента работоспособности вектора апостериорных вероятностей сохраняет численное значение, равное до момента появления единичного или кратных отказов. Это свидетельствует о том, что информация о конкретном объекте, полученная посредством модели, скорректировала общий характер деградации системы, определяемый марковским процессом старения. Таким образом, наступление предотказного состояния может быть прогнозировано по вычисленному времени наработки до отказа по быстрому уменьшению вероятности работоспособности в определенный момент времени.
Исследование результатов моделирования при выполнении регулирования схемы мостового выпрямителя подтвердило состоятельность теоретических разработок, достаточно высокую адекватность моделей и правильность построенных алгоритмов. График регистрирует пороговый переход системы из состояния работоспособности в состояние отказа. Использование байесовской оценки вероятностей состояний позволило выполнить упреждающее регулирование по восстановлению составляющих компонент и восстановлению надежности, близкой к первоначальной [7, 8]. Вследствие регулирования время пребывания объекта диагностирования в работоспособном состоянии увеличилось от 100 до 160 ед. Таким образом, упреждающее регулирование, выполняемое на основе данных о результатах прогнозирования предотказных состояний, дает возможность при оценке работоспособности объекта диагностирования по текущему состоянию поддерживать надежность на необходимом уровне в течение процесса эксплуатации.
Литература
1. Пюкке Г.А., Портнягин Н.Н., Кузнецов С.Е. Диагностирование электрических цепей методом изовар // Изв. вузов. Электромеханика. - 1998. - № 1. - С. 35-40.
2. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. - М.: Мир, 1975. - 648 с.
3. Демирчян К.С., Бутырин П.А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей. - М.: Высш. шк., 1988. - 335 с.
4. Синтез линейных электрических и электронных цепей / П.А. Ионкин, Н.Г. Максимович, В.Г. Миронов, Ю.С. Перфильев, П.Г. Стахив. - Львов: Высш. шк. Изд-во при Львовском ун-те, 1982. - 312 с.
5. Блинов Э.К., Розенберг Г.Ш. Техническое обслуживание и ремонт судов по состоянию: Справочник. - СПб.: Судостроение, 1992. -189 с.
6. Лурье О.Б. Интегральные микросхемы в усилительных устройствах. Анализ и расчет. -М.: Радио и связь, 1988. - 176 с.
1.4
Shape-preseivmg interpolant -data 1 shape-preserving
0.8 0.6 0.4 0.2
50 100 150 200 250 300 350 400
Рис. 4. Результат моделирования компоненты работоспособного состояния вектора апостериорных вероятностей мостового выпрямителя
7. Айзинов С.Д., Белавинский А.Ю., Солодовниченко М.Б. Комплексная оценка надежности судовых радиоэлектронных средств // Эксплуатация морского транспорта. - СПб.: Наука, 2003. -С.242-247.
8. Выбор информативных параметров при контроле качества изделий электронной техники / Д.В. Гаскаров, В.И. Попеначенко, С.А. Попов, В.И. Шаповалов. ЛДНТП. - Л.: Общество «Знание», 1979. - 32 с.
УДК 621.311:629.5.06
АНАЛИЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ САЭЭС В ДИНАМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ
С.Ю. Труднев, А.А. Марченко
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: trudnev@mail.ru
Статья посвящена вопросам динамической устойчивости судовой электроэнергетической системы. Проанализирован динамический режим судовой электроэнергетической системы на примере виртуальной модели, разработанной в программе MATLAB. Выявлена и обоснована необходимость совершенствования существующих судовых электростанций, которые смогут обеспечить выходные параметры качества электрической энергии с минимальными отклонениями.
Ключевые слова: генератор, модель, MATLAB, нагрузка, дизель.
The analysis and research of work of ship electrical power system in a dynamic mode. S.U. Trudnev, A.A. Marchenko (Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003)
This article is devoted to questions of dynamic stability of ship electrical power system. The dynamic mode of ship electrical power system on the example of the virtual model developed in the program MATLAB is analyzed. Need of improvement of existing ship power plants which will be able to provide output parameters of quality of electric energy with the minimum deviations is revealed and proved.
Key words: generator, model, MATLAB, loading, diesel.
Основными приемниками электроэнергии на судне являются асинхронные двигатели. Асинхронный двигатель является активно-индуктивным потребителем, то есть он создает для судовой сети не только активную, но и индуктивную нагрузку. Согласно теории электрических машин, при параллельной работе синхронных генераторов активную нагрузку распределяют изменением подачи топлива приводных двигателей генераторов, а реактивную - изменением тока возбуждения синхронного генератора. Изменение подачи топлива обеспечивают автоматические системы регулирования частоты вращения дизелей, изменение тока возбуждения - системы автоматического регулирования выходного напряжения судовых синхронных генераторов [1].
Правилами Морского регистра к судовым автоматическим системам распределения нагрузки устанавливаются следующие правила:
- при набросе (сбросе) 100%-ной нагрузки изменение частоты вращения ПД не должно превышать ±10% номинального значения, а установившаяся частота вращения не должна отличаться более чем на ±5% от номинальной (это требование одинаково для турбин и дизелей, за тем исключением, что у дизелей наброс нагрузки проводится в 2 ступени, по 50% каждая);
- колебания частоты вращения (размах) ДГ при нагрузках 25-100% номинальной должны находиться в пределах ±1 % номинальной;
- должна обеспечиваться возможность местного и дистанционного изменения частоты вращения в пределах ±10% номинальной;
- генераторы переменного тока, предназначенные для параллельной работы, должны снабжаться такой системой компенсации реактивного падения напряжения, чтобы во время па-
