К оценке объёма энергии для полностью электрического самолета Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Министерство образования и науки РФ

Правительство Пензенской области Академия информатизации образования Академия проблем качества РФ Российская академия космонавтики им. К.Э.Циолковского Российская инженерная академия Вычислительный центр РАН им. А.А.Дородницына Институт испытаний и сертификации ВВТ ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л.Минца» ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «РУБИН» ОАО «НИИФИ», ОАО «ПНИЭИ», ФГУП ФНПЦ «ПО СТАРТ», НИКИРЭТ, ЗАО «НИИФИиВТ» ОАО «ППО ЭЛЕКТРОПРИБОР», ОАО «РАДИОЗАВОД» Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС» ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА» Пензенский государственный университет

АадижУ{%шсж

ТРУДЫ

МЕЖДУНАРОДНОГО СИМПОЗИУМА

НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО

II то^

ПЕНЗА 2015

УДК 621.396.6:621.315.616.97:658:562 Т78

Труды Международного симпозиума «НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО»:

T78 в 2 т. - Пенза : ПГУ, 2015. - 2 том - 384 с.

ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8

В сборник трудов включены доклады юбилейного ХХ-го Международного симпозиума «Надежность и качество», проходившего с 25 по 31 мая 2015 г. в городе Пензе.

Рассмотрены актуальные проблемы теории и практики повышения надежности и качества; эффективности внедрения инновационных и информационных технологий в фундаментальных научных и прикладных исследованиях, образовательных и коммуникативных системах и средах, экономике и юриспруденции; методов и средств анализа и прогнозирования показателей надежности и качества приборов, устройств и систем, а также анализа непараметрических моделей и оценки остаточного ресурса изделий двойного назначения; ресурсосбережения; проектирования интеллектуальных экспертных и диагностических систем; систем управления и связи; интерактивных, телекоммуникационных сетей и сервисных систем; экологического мониторинга и контроля состояния окружающей среды и биологических объектов; исследования физико-технологических процессов в науке, технике и технологиях для повышения качества выпускаемых изделий радиопромышленности, приборостроения, аэрокосмического и топливно-энергетического комплексов, электроники и вычислительной техники и др.

Оргкомитет благодарит за поддержку в организации и проведении Международного симпозиума и издании настоящих трудов Министерство образования и науки РФ, Правительство Пензенской области, Академию проблем качества РФ, Российскую академию космонавтики им. К. Э. Циолковского, Российскую инженерную академию, Академию информатизации образования, Вычислительный центр РАН им. А. А. Дородницына, Институт испытаний и сертификации ВВТ, ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца», ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «НИИФИ», ФГУП «ПНИЭИ», ОАО «РУБИН», ОАО «РАДИОЗАВОД», ОАО «ППО ЭЛЕКТРИПРИБОР», ФГУП «ПО «СТАРТ», НИКИРЭТ - филиал ФГУП «ПО «СТАРТ», Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС», ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА»,Пензенский государственный университет.

Сборник статей зарегистрирован в Российском индексе научного цитирования (РИНЦ) с 2005 г.

Р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я :

Юрков Н. К. - главный редактор Трусов В. А. - ответственный секретарь Баннов В. Я. - ученый секретарь Волчихин В. И., Абрамов О. В., Авакян А. А., Дивеев А.И., Иофин А. А., Каштанов В. А., Майстер В. А., Острейковский В.А., Петров Б. М., Писарев В. Н., Роберт И. В., Романенко Ю. А., Северцев Н. А., Садыков С. С., Садыхов Г. С., Увайсов С. У.

ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8

© Оргкомитет симпозиума, 2015 © ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», 2015

A(t) =

G(t) =

0 - g 1 0

1/R 0 0 1

0 0 —1/ т a 0

0 0 0 —1/ т a

0 0 0 0

0 0 0 0

0 0 J2 / Тa 0

0 0

2/ т .

H(t) = [1 0 0 0] ,

где Я - величина радиуса-вектора местоположения Г-А системы ; д - ускорение силы тяжести; 8 -ошибка определения вертикали; А¥ - ошибка счисления скорости; Да - ошибка акселерометра; А® - дрейф гироскопа; Та,т® - соответственно время корреляции ошибки акселерометра и дрейфа гироскопа; о^ ,о® - среднеквадратические значения ошибок соответственно акселерометра и гироскопа; Д(...) - символ ошибки, ДВИ - датчик внешней по отношению к ИНС информации, например, спутниковая навигационная система.

На рис. 2 и 3 представлены характерные результаты исследований алгоритма диагностирования ИНС по зарегистрированным данным. Имитировался отказ акселерометра на 500-й секунде. Такой отказ косвенно проявляется в процессе фильтрации по каналу наблюдения скорости, когда

обобщённый параметр р^ превышает допуск. При

постобработке зарегистрированных оценок и диагностировании по правилу (25) определяется, ка-

кой из чувствительных элементов ИНС: акселерометр или гироскоп, наиболее вероятно привел к нарушению. На рис. 2 и 3 показана динамика изменения оценок соответственно смещения выходного сигнала акселерометра аи дрейфа гироскопа

®х при обработке наблюдений скорости в «прямом

времени» и уточнении указанных оценок в «обратном времени».

При диагностировании по зарегистрированным данным отказавший акселерометр локализуется при превышении допусков обобщенными параметрами

J

Sa .

(критерий х ) и F,

Sa

(критерий З2 ) (см.

1 1

рис. 2). Можно также видеть (см. рис. 3), что отказ акселерометра несущественно повлиял на

изменение обобщенных параметров J

Sw.

характеризующих состояние гироскопа

и F,

Sw ' J

Таким

образом, комбинированная обработка наблюдений в «прямом» и «обратном» времени позволяет решать задачи диагностирования с глубиной до элемента вектора состояния динамической системы.

8. Заключение

Представленная технология диагностирования позволяет: обнаруживать нарушения в наблюдаемых динамических системах с глубиной до элемента вектора состояния на основе совместных процедур оптимальной фильтрации и сглаживания экспериментальных данных; повышать достоверность и оперативность обнаружения нарушений путем анализа обобщенных параметров состояния по комбинированным критериям согласия; селектировать кратковременные сбои на фоне отказов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Синицын И.Н. Фильтры Калмана и Пугачева. М.: Логос, 2007, 776с.

2. Дмитриев С.П., Колесов Н.В., Осипов А.В. Информационная надежность, навигационных систем. - СПб.: ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 2003, 207с.

3. Стюхин В.В. САПР в расчёте и оценке показателей надёжности радиотехнических систем / Стюхин В.В., Кочегаров И.И., Трусов В.А. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 1. С. 287-289.

4. Gertler J.J. Fault Detection and Diagnosis in Engineering Systems. N.Y.: 1998.

5. Колодежный Л.П., Чернодаров А.В. Надежность и техническая диагностика. воздушная академия им. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина, 2010, 452с.

6. Гришко А.К. Методология управления качеством сложных систем / Гришко А.К., чегаров И.И. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2.

7. Королюк В.С., Портенко Н.И., Скороход А.В., Турбин А.Ф. Справочник по теории математической статистике. М.: Наука, ГРФМЛ, 1985, 640с.

8. Климов Д.М. Инерциальная навигация на море. М.: Наука, 1984, 118с.

контроль и диагностика

Marcel Dekker,

- М.: Военно -

Юрков Н.К., КоС. 377-379. ероятностей и

УДК 621.331 Халютин С.П.

ООО «Экспериментальная мастерская НаукаСофт», Москва, Россия

К ОЦЕНКЕ ОБЪЁМА ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПОЛНОСТЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО САМОЛЁТА

Введение

Тенденции в самолётостроении, связанные с повышением уровня электрификации летательных аппаратов, приводят, во-первых, к увеличению мощности и объёма потребляемой электрической энергии на борту самолётов и вертолётов [1, 2, 6-8], а во-вторых, к необходимости более рационального использования имеющейся на борту энергии с учётом требований функционирования целевого и вспомогательного оборудования, а также выполнения заданного маршрута и режима полёта. Для уточнения объекта, рассматриваемого в докладе, определим, что полностью электрический самолёт - это такой летательный аппарат, в котором всё функциональное оборудования получает для своей работы только электрическую энергию, а движение летательного аппарата осуществляется с помощью электрической силовой установки (то есть такой, которая получает для своей работы электрическую энергию).

Основная часть

При проектировании электрического летательного аппарата возникает вопрос о необходимом объёме запасённой электрической энергии и установленной мощности первичных источников для его полёта и функционирования целевой нагрузки.

Первичными данными для проектирования ПЭС (рис.1) являются назначение летательного аппарата (перевозка пассажиров, грузов и др.), которые используются для получения предварительных массогабаритных и энергетических параметров полезной нагрузки - суммарной массы, объёма (а может и геометрии в 3-х мерном измерении), а также циклограммы потребления мощности.

Эти данные вместе с данными о режимах полёта летательного аппарата являются исходными для проектирования планера и энергокомплекса. Следующий этап проектирования ПЭС и даёт ответ на вопрос - «Сколько энергии нужно для полностью электрического самолёта?». Решение оптимизационная задачи по формированию энергокомплекса ПЭС позволяет определить требуемый запас энер-

гии, мощность источников, массу и габариты все-

го летательного аппарата.

Рисунок 1 - последовательность прое ктирю в а ни я паи

В рамках этой задачи интересным представляется определение наиболее рациональной компоновки планера, в котором должно разместиться всё оборудование и который должен обладать заданным аэродинамическим качеством для минимиза-

ции затрат на полёт летательного аппарата. На рисунке 2 представлен вариант зависимости требуемой мощности энергокомплекса от скорости полёта и аэродинамического качества [7].

Рисунок 2 - Зависимость требуемой мощности силовой установки от скорости полёта и

аэродинамического качества

Ввиду большого количества способов получения электроэнергии на борту летательного аппарата возникает задача определения наиболее предпочтительного варианта энергокомплекса (системы хранения и получения электроэнергии). Для того чтобы была возможность сравнить различные энергокомплексы (ЭК), наиболее предпочтительно пользоваться такими достаточно общими параметрами как удельная мощность (кВт/кг) и удельная энергия (кВт*ч/м3). Эти два параметра учитывают, в том числе, и массогабаритные параметры энергокомплексов. Критерий выбора энергокомплекса В :

F = kl • р„л + k2 • w

(1)

• Руд + k2 • Wyd ^ max '

коэффициенты, зависящие от количе

где к1, к2 -

ства источников, накопителей, преобразователей, а также от ограничений на массу и габариты

удельная мощность

и

энергокомплекса; руд, и

удельная энергия энергокомплекса, которые определяются его внутренней структурой и удельными параметрами составляющих его элементов.

Основные энергетические и информационные потоки в энергокомплексе можно рассмотреть на примере объектно-энергетической диаграммы (рис. 2). Имея временные диаграммы работы (потребляемой мощности) потребителей Рм

тановок

P,

j ,

определяется

и силовых ус-требуемый набор ис-

точников механической и электрической мощности заданного вида.

С учётом КПД преобразователей энергии оценивается требуемый запас электроэнергии на борту летательного аппарата.

и п т ^

¿г, (2)

(t М j (t)

ж б = Г у р

треб I / . I1

0 V ' = 1=1

где п, т - количество потребителей электрической и механической энергии; Т - время полёта.

Выбор накопителей энергии зависит от структуры первичной системы электроснабжения (уровня централизации, наличия промежуточных преобразователей энергии, источников энергии из внешней среды и т.п.). Выбор электрохимических накопителей, например, связан с учётом их мощностных и энергетических свойств (рис.3).

Например, топливные элементы могут длительно отдавать энергию, но при этом их удельная мощность ограничена. В то же время суперконденсаторы могут в минимальное время отдать (принять) достаточно большую мощность, но их удельная энергия мала. В связи с этим перспективным представляется использование комбинированных накопителей энергии, совмещающих положительные качества каждого их компонентов. При этом опять возникает оптимизационная задача, связанная с соотношением параметров компонентов комбинированного накопителя:

Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», 2015, том 2

где , 1к+1 ] - интервал быстрого (медленного)

tk+1

2 J P (t )dt

Ф=-

i=1

I

2 mj

j=i

max ,

(3)

потребления (отдачи) энергии; Р1 (í) , I, г -мощность, количество накопителей и количество интервалов потребления мощности.

рисунок J - иоъектно-энергетическая диаграмма энергокомплекса 100 ООО ■

10 000

1 000

Ï

о а

С п. <п

100С

юс

С/10

СП 00

200

Specific Energy [Wh/kg]

Рисунок 3 - Энергетические и мощностные свойства химически:: источников тока

В качестве ограничений в этой задаче могут выступать предельно возможные мощности конкретных накопителей электроэнергии объём и габариты отдельных элементов и комбинированного накопителя в целом. Таким образом, оценка требуемой энергии и мощности для обеспечения ПЭС - сложная, многосвязная оптимизационная задача, свя-

занная с решением большого числа смежных подзадач. Единственно возможным в данном случае является широкое применение компьютерных технологий для моделирования [4, 5, 8] и проектирования энергетических комплексов летательных аппаратов [2, 6], прототип которого разработан в ООО «Экспериментальная мастерская НаукаСофт».

ЛИТЕРАТУРА

1. Лёвин А.В., Мусин С.М., Харитонов С.А., Ковалёв К.Л., Герасин А.А., Халютин С.П. Электрический самолёт: концепция и технологии. - Уфа:УГАТУ, 2014. - 388с.

2. Халютин С.П., Жмуров Б.В., Тюляев М.Л., Иванов В.В., Савенко В.А., Мусин С.М. Системы электроснабжения летательных аппаратов. - М.: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2010 г., 428 с.

3. Жмуров Б.В., Халютин С.П. Структурно-функциональное моделирование электроэнергетических систем самолета. Проблемы безопасности полетов. 2009. № 6. с. 45-53.

4. Жмуров Б.В., Халютин С.П., Корнилов С.В. Развитие структурно-функционального моделирования электроэнергетических систем самолета. Проблемы безопасности полетов. 2009. № 8. С. 53-62.

5. Потёмкин А.В., Горшков П.С., Халютин С.П. Методика синтеза структурных схем системы электроснабжения воздушных судов. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2 013. Т. 1. С. 318-321.

6. Горшков П.С. Ресурсно-ограничительный метод исследования сложных информационных систем, г. Пенза; Труды симпозиума «Надежность и качество» 2008г.

7. Харьков В.П. Алгоритмы структурно-параметрического синтеза управления нелинейными системами. Информационно-измерительные и управляющие системы. 2010. Т. 8. № 1. С. 24-28.

8. Халютин С.П., Харьков В.П., Лёвин А.В., Жмуров Б.В., Богданов А.А. Электрификация самолётов. Современное состояние и тенденции Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2014. № 1. С. 555-558.