CC BY
32
Выпуск 3
УДК 629.12.04 Е. Н. Климов,
д-р техн. наук, профессор, СПГУВК;
А. С. Кобелева,
канд. техн. наук, доцент, СПГУВК
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ОПЕРАТИВНОЙ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ОБЪЕКТОВ
MATHEMATICAL MODELS OF PROCESS OF THE OPERATIVE ESTIMATION OF THE TECHNICAL CONDITIONS OF TRANSPORT OBJECTS
Рассмотрена структура и предложены математические модели функционирования блока оперативной оценки состояния оборудования как сложного импульсного звена системы автоматизированного управления работоспособностью транспортных объектов.
The structure is considered and mathematical models offunctioning of the block of an operative estimation of a condition of the equipment as implicated pulse link of system of automated management by working capacity of transport objects are offered.
Ключевые слова: модель, техническое состояние, диагностирование, амплитудно-импульсный модулятор, частотно-импульсный модулятор, решетчатая функция, периодичность проверки состояния, алгоритм оценки состояния.
Key words: model, technical condition, diagnosing, pulse-amplitude modulator, pulse-frequency modulator, lattice function, checkup periodicity, algorithm of state estimation.
ПРИ анализе функционирования системы автоматизированного управления техническим состоянием транспортного оборудования и оценке эффективности предлагаемых решений по ее совершенствованию необходима формализация процессов во всех звеньях этой системы.
Процесс изменения технического состояния транспортных объектов в эксплуатации достаточно хорошо изучен. В модельном пла-
не он рассматривается как нестационарный и монотонный, то есть однонаправленный, не меняющий знака производной случайный процесс [1, с. 346-349].
Блок оперативной оценки технического состояния осуществляет периодическое измерение значений диагностических параметров и определяет вид состояния. При оценке «работоспособен» определяется остаточный ресурс по параметру или наработке (запас рабо-
Рис. 1. Структурная схема блока оперативной оценки технического состояния
тоспособности), а при оценке «неработоспособен» организуется поиск возникшего дефекта с заданной точностью (до агрегата или узла).
В общем случае периодичность технического диагностирования не является постоянной величиной, она может зависеть от размера остаточного ресурса.
Блок оперативной оценки технического состояния в указанной системе управления следует рассматривать как сложное звено дискретного действия. Его структурная схема может быть представлена в виде, показанном на рис. 1.
Здесь:
АИМ — амплитудно-импульсный модулятор;
АРФ — аппроксиматор решетчатой функции;
ЧИМ — частотно-импульсный модулятор;
АФО — алгоритм формирования оценки состояния и остаточного ресурса;
а(т) — фактическое значение показателя технического состояния в функции наработки (модулирующая функция);
а*(тп) — результаты периодического диагностирования при определенных наработках в виде числовой или графической решетчатой функции (выходной сигнал амплитудно-импульсного модулятора);
У(т) — непрерывная функция, огибающая решетчатую функцию;
Дт — интервал наработки до очередного диагностирования (выходной сигнал частотно-импульсного модулятора);
КЧ — критерий работы ЧИМ;
НБ — нормативная база;
ОТС — оценки технического состояния.
Решетчатую функцию можно формализовать, используя символическую дельта — функцию Дирака:
ГО притих ;]
а*(т) =45(т); 8(т)= * п (л = 1, 2, ...). (1)
Здесь
An — ордината решетчатой функции при п-й проверке состояния в момент тп;
5(т) — дельта-функция Дирака;
Совокупность результатов проверки состояния можно рассматривать в общем случае
как нестационарную случайную функцию целочисленного аргумента.
Потребителем информации, содержащейся в результатах отдельного диагностирования, является контур оперативного управления техническим состоянием транспортных объектов. Для работы частотно-импульсного модулятора в составе блока оперативной оценки состояния, а также блока прогнозирования состояния в системе управления необходима обобщенная (итоговая) информация о характере изменения за определенный интервал наработки. Такую информацию содержит функция у(т), огибающая дискреты решетчатой функции.
Если в частном случае процесс изменения технического состояния является детерминированным или близким к нему, огибающую функцию можно получить, используя методы аппроксимации импульсных функций. Возможна аппроксимация непрерывной гладкой или ступенчатой функцией. В качестве гладкой функции могут быть использованы полином или экспоненциальная зависимость [1, с. 346-349]. Использование ступенчатой функции приводит к конечно-разностным уравнениям и их решению с применением дискретного преобразования Лапласа. В результате будет получена также гладкая огибающая функция.
При учете влияний многочисленных случайных факторов на параметры процесса изменения технического состояния транспортного объекта могут быть использованы методы общей теории случайных функций.
Частотно-импульсный модулятор в составе блока оперативной оценки состояния обеспечивает выполнение процедуры регулирования интервалов диагностирования. Любой импульсный элемент имеет амплитудную и модуляционную характеристики.
У рассмотренного амплитудно-импульсного модулятора (АИМ) они совпадают друг с другом. Для частотно-импульсного модулятора (ЧИМ) амплитудная и модуляционная характеристики существенно различны. Здесь амплитуда выходной последовательности импульсов неизменна. Появление импульса означает необходимость проведения технического диагностирования объекта. Модуляционная
Выпуск 3
Выпуск 3
□л
характеристика определяет связь между моментами появления выходных импульсов и входным сигналом.
Входным сигналом ЧИМ является функция
,
(2)
где у(т) — скорость изменения диагностического параметра;
тпо — момент наступления параметрического отказа.
Модуляционная характеристика имеет
вид
Ах = Т — Т , =
п п п-1
/(Ук»Л). Уя<У^Уж’>
А*к> УК<У^УД’> (3)
АТд’ У>Уд-
Здесь Ат — очередной шаг контроля (п = 1, 2, ...); И
у , у , у — начальное значение и пре-
н к’ д г
дельные контрольное и допустимое значения диагностического параметра;
Атк, Атд — шаги контроля после превышения предельных контрольного и допустимого значения.
Введение двух внутрисистемных пороговых значений параметра ук и уд вызывается следующими обстоятельствами. Допустимое значение параметра, предшествующее физическому отказу, фиксирует наступление параметрического отказа и появление потребности в восстановлении запаса работоспособности. Использование контрольного предела, предшествующего допустимому, обусловлено стремлением своевременно предупредить операторов автоматизированной системы управления о приближении транспортного объекта к параметрическому отказу.
В результате создаются три характерных режима диагностирования:
— нормальный при наличии запаса ра-0 ботоспособности;
— усиленный при эксплуатации объекта с ожиданием технического обслуживания или ремонта;
— практически непрерывный (например, ежесуточный, еженедельный) при вы-
нужденной эксплуатации в состоянии параметрического отказа.
Вид функции/(у ун ) остаточного контрольного параметрического ресурса определяется с учетом заданного критерия КЧ (см. рис. 1). Чаще всего в роли такого критерия в процессе эксплуатации выступает максимально возможное значение показателя безотказности работы объекта. С этих позиций можно предложить два варианта реализации такой функции.
В первом варианте контрольный порог ук является постоянным. Момент очередного диагностирования каждый раз определяется из расчета, что скорость изменения контролируемого параметра будет максимально возможной, соответствующей самым неблагоприятным условиям эксплуатации, то есть критической (ук ). При этом может наступить параметрический отказ, вероятность физического отказа будет минимальной (рис. 2).
Рис. 2. Иллюстрация принципа работы частотно-импульсного модулятора при заданной безотказности и постоянном контрольном уровне
Алгоритм определения момента очередного диагностирования может быть представлен в виде
*і = (л-дО/ук; т2=*1+(уд -7і)/ук;
'Іп=їп-\+(УЛ-Упл)ІУк,
(4)
где (у - уп1) — остаточный параметрический ресурс в момент предшествующей проверки состояния.
Интервалы между очередными проверками состояния объекта определяются как
Дт,=Суд->»„)/ук;
Ат2=(Уд -л)/у«=л^ -Си -л)/ук;
г/
Дхл =Дх1 “(Л-1 ~ Уъ)! У кАнализируя строки выражения (5), можно сказать, что каждый интервал проверки состояния объекта, кроме первого, формируется путем уменьшения предыдущего интервала на размер ресурса по наработке, потраченного на нем в предположении, что скорость изнашивания будет равна критической.
В случае близости характеристики изменения диагностического параметра у(т) к линейной зависимости возможно заблаговременное определение плановой периодичности проверки технического состояния объекта в виде
Щ = Суд - л) / Ук = тт(ут / ук); Дт^Дт^-Дт^);
(6)
/1-1. ?
Дтп=Лті(1 — Д^і /хт)'
'Ст=(УД-Уи)/Ут,
где ут — средняя скорость изменения диагностического параметра;
тт — ресурс объекта по наработке до параметрического отказа.
В тех случаях, когда переменный интервал между проверками состояния неприемлем по каким-либо причинам, может быть использован другой алгоритм, в основу которого положен постоянный интервал, определяемый по формуле
^ = (Уя~Уя) /«Ук,
(7)
где а — коэффициент кратности (а = 1, 2, ...), выбираемый с учетом условий эксплуатации.
С увеличением этого коэффициента уменьшается постоянный шаг контроля. Самый большой шаг получается при а = 1, при этом у = ук и сохраняется постоянный контрольный уровень у
При а > 2 на первом шаге также используется критическая скорость у = ук, но в дальнейшем контрольная скорость постепенно уменьшается. На рис. 3 показан процесс определения контрольных уровней на первом, втором и последующих шагах контроля для случая а = 2.
Рис. 3. Процесс определения контрольных уровней
Эти уровни определяются точками пересечения линий контрольных скоростей у ук2 и так далее и соответствующих ординат. Полученная динамическая характеристика контрольных порогов показана штриховой линией, она представляет собой непрерывную гладкую функцию, огибающую решетчатую функцию.
Аналитически первый контрольный порог в общем случае определяется как
Уж. 1 = Ук1 Ат = (л - Уи) I а; Ук1 = Ук. (8)
Аналогичным путем могут быть получены формулы для последующих пороговых значений.
Рассмотренный вариант (а > 2) может быть использован в тех случаях, когда на ранних стадиях эксплуатации требования к контролю транспортного объекта более высокие, чем на последующих.
Список литературы
1. Климов Е. Н. Математическое моделирование процессов расходования и восстановления технического ресурса судовой техники / Е. Н. Климов, А. С. Кобелева, И. В. Малыхина // Водные
Выпуск 3
Выпуск 3
пути России: строительство, эксплуатация, управление: материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России. — СПб.: СПГУВК, 2009.
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И УРОВЕНЬ ОСНАЩЕННОСТИ СУДОВ ТЕХНИЧЕСКОГО И ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ФЛОТА НА ВНУТРЕННИХ
ВОДНЫХ ПУТЯХ РОССИИ
THE CURRENT STATE AND EQUIPMENT LEVEL OF TECHNICAL AND AUXILIARY FLEET ON INLAND WATERWAYS
В статье освещается современное состояние и уровень оснащенности навигационным и контрольным оборудованием технического и вспомогательного флота России, в том числе одного из самых передовых государственных бассейновых управлений водных путей и судоходства — Волго-Балтийского государственного бассейнового управления водных путей и судоходства (ГБУ «Волго-Балт»).
The article shows the current state and equipment level with the navigational and control facilities of technical and auxiliary fleet of Russia, including one of the most advanced state board of waterways and navigation — Volga-Baltic State Basin Board of Waterways and Navigation (GBU “Volgo-Balt”).
Ключевые слова: внутренние водные пути, автоматизированная система управления судами технического и вспомогательного флота (АСУ ТВФ), речная информационная служба (РИС), безопасность судоходства.
Key words: inland waterways, the automated control system of technical and auxiliary fleet ships, river information system, safety of navigation.
С. 346-349.
УДК 656.62:621.396
С. В. Рудых,
канд. техн. наук, СПГУВК
РОССИЙСКОЙ Федерации для
ральное государственное унитарное предпри-
судоходства используется свыше 100 тыс. км внутренних водных
ятие (ФГУП).
путей, из которых более 48 тыс. км имеют гарантированные габариты судового хода и более 60 тыс. км обслуживаются береговыми и плавучими средствами навигационного оборудования (СНО). Задача обеспечения условий для безопасного и беспрепятственного плавания судов и составов на внутренних водных путях возложена на 16 бассейновых государственных управлений, из которых 15 имеют статус федеральных государственных учреждений государственных бассейновых управлений водных путей и судоходства (ФГУ ГБУВПиС) и одно имеет организационную форму государственного управления — феде-
Указанная задача решается путем выполнения комплекса путевых работ на ВВП РФ для обеспечения заданных габаритов судового хода и улучшения судоходных условий. Протяженность водных путей, обслуживаемых бассейновыми государственными управлениями, представлена на рис. 1.
Путевые работы выполняются с помощью судов технического флота, в состав которого входят обстановочные теплоходы, земснаряды и грунтоотвозные шаланды, мотозавозни, дноочистительные снаряды, водолазные боты, грейферные плавкраны и др. Для снабжения и нормальной эксплуатации технического флота необходимы суда вспо-
