CC BY
26
2. Николис Г. Самоорганизация в неравновесных системах / Николис Г., Пригожин И. - М. : Мир, 1979. -512 с.
3. Журавлёв В. Н. Синергетическая концепция энергоинформационного обмена речеслуховой системы / В. Н. Журавлёв // Адаптивш системи автоматичного управлшня. - 2007. - № 11. - С. 128-135.
4. Климонтович Ю. Л. Статистическая теория открытых систем / Климонтович Ю. Л. - М. : Янус, 1995. - 624 с.
5. Климонтович Ю. Л. Турбулентное движение и структура хаоса / Климонтович Ю. Л. - М. : Ком. книга, 2007. - 328 с.
6. Анохин П. К. Кибернетика функциональных систем / Анохин П. К. - М. : Медицина, 1998. - 400 с.
7. Шеннон К. Современные достижения теории связи. / К. Шеннон // Работы по теории информации и кибернетике. - М. : Издательство иностранной литературы, 1963. - С. 403-414.
8. Цвикер Э. Ухо как приемник информации. / Цви-керЭ., Фельдкеллер Р. ; пер. с нем. под ред. Б. Г. Белкина. - М. : Связь, 1971. - 225 с.
Надшшла 16.02.2009
Шсля доробки 27.04.2009
Розглянута задача, суттю якоЧ е розкриття та анал1з 1мпульсного процесу психоф1з1олог1чного 1нфор-мацшного керування мовним та слуховим процесами. Розроблено метод анал1зу зв'язку керуючих парамет-pie центральноi нервовоЧ системи з ф1з1ологлчними органами мови та мехатзмом зняття ентропп з ламiнаpно-го потоку повiтpя у пpоцесi синтезу сигналiв мови.
The task, the main point of which is the expansion and analysis of impulse character of speech-hearing process psycho-physiological informational control is under review. The method of analysis of connection between the control parameters of central nervous system under speech executive organs and the mechanism of taking down of entropy from the laminar air flow in the process of speech signal synthesis was developed.
УДК 004.032.26
Т. B. Kinpin, В. M. Харитонов, В. i. Дубровш, А. В. Притула
ПОБУДОВА МЕТОД1В ТА МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ПОПЕРЕДЖЕННЯ ПОМПАЖНИХ ЯВИЩ У ГА3ОТУРБ1ННОМУ ДВИГУН1
Метою iснуючих систем захисту газотурбтного дви-гуна вiд зривних пpоцесiв е автоматичне вiдновлення режиму роботи двигуна тсля усунення помпажу, а не запобiгання виникненню газодинамiчноi нестiйкостi у турбомашинах. Запропонована модель модуля поперед-ження помпажу Грунтуеться на основi вейвлет-аналiзу та карт Кохонена SOM. Приводиться поpiвняльний ана-лiз pезультатiв виявлення зривних пpоцесiв за допомо-гою даного тдходу та спрощених моделей.
ВСТУП
1снуе два види зривних режим1в, що призводять до аваршного стану газотурбшного двигуна (ГТД) та характеризуются значними коливаннями: обертовий зрив та явища типу помпажних. Обертовий зрив у бшьшосп випадюв пов'язаний 1з зривом потоку з лопаток компенсатора та розповсюдженням збурення по колу проточно! частини компресора. Внаслщок цього явища може бути розвиненим помпаж ГТД, який су-проводжуеться коливанням тиску, швидкостей та вит-рат газу по тракту двигуна; зменшенням частот обер-тань ротор1в; зростанням температури газ1в перед i за турбшою чи загасанням камери згорання [1].
Серед наведених параметрiв найбшьш характерним для помпажних явищ е рiзке падшня тиску повиря за компресором (Рквт) чи по тракту двигуна, що пов-торюеться при кожному iмпульсi помпажних коли-вань. Тому робота бшьшоси сигналiзаторiв побудова-
© Кшр1ч Т. В., Харитонов В. М., Дубровш В. I., 2009
на саме на обробщ сигналу Рквт, за допомогою якого при помпажi здшсняеться виробка вщповщного сигналу до протипомпажного та протизривного блоку (ППБ) (або системи захисту вщ помпажу за оберто-вого зриву) для впливу на виконавчий орган системи автоматичного керування двигуном (САКД). Однак, метою сучасних САКД е вщновлення режиму роботи двигуна шсля помпажу, а не попередження роз-витку газодинамiчноl нестшкоси у турбомашинах. Тому необх^на в^пов^на розробка нових та мо-дифжащя шнуючих методiв для попередження ви-никнення зривних процешв у турбокомпресорi та реалiзацiя модуля попередження помпажу (МПП) у САКД.
1 ОГЛЯД ПОПЕРЕДЕН1Х ДОСЛ1ДЖЕНЬ
У сучасних САКД реалiзовано наступш сигналiза-тори коливань iз логарифмiчними датчиками [1]:
1) штатний датчик логарифмiчний типу ДОЛ iз електронним перетворювачем ЕП-В;
2) сигналiзатори помпажу ПС та ПС-2-7.
Датчик тиску ДОЛ призначений для вимiру над-
лишкового тиску повиря iз видачею сигналу змшно-го току пропорцiйного логарифму вимiрювального тиску на електронний перетворювач ЕП-В [2, 3]. При втрап стшкосп компресора ЕП-В замикае лан-цюг керування ППБ САКД. Принцип роботи перет-ворювача побудований на видшенш сигналу iз зада-
Т. В. К1пр1ч, В. М. Харитонов, В. I. Дубровт, А. В. Притула: ПОБУДОВА МЕТОД1В ТА МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ПОПЕРЕДЖЕННЯ ПОМПАЖНИХ ЯВИЩ У ГАЗОТУРБ1ННОМУ ДВИГУН1
ною вщносною швидюстю змши його значения. При перевищенш деяко'1' гранично'1' величини (що нас-троюеться) спрацьовуе ампл1тудний сектор 1 на ви-ход1 перетворювача з'являеться командний сигнал:
1) ЕП-В видае до ППБ сигнал помпажу, коли в1дносне падшня тиску пов1тря за компресором
ДР2 ДР2
—¡г— > 0, 55 та в1дносна швидюсть падшня > 7
±2 ДГР2
(де Р2 - змша тиску пов1тря за компресором за час
Частота коливань пов1тря при цьому сягае 5-15 Гц, час зашзнення сигналу не б1льш н1ж 0,05 с, а три-вал1сть не б1льш шж 0,02 с;
2) ЕП-В видае до ППБ сигнал обертового зриву,
ДР2
коли виконуються умова: —— > 0, 35.
Р2
На вщмшу в1д ДОЛ 1з ЕП-В для сигнал1затор1в помпажу ПС/ПС-2-7, помпаж визначаеться як р1з-ке падшня тиску пов1тря за компресором на величину не менш шж 0,4Р2 для ПС 1 0,6Р2 для ПС-2-7 [4].
Не дивлячись на переваги використання наведених сигнал1затор1в помпажу 1з логарифм1чною характеристикою, висока швидюсть розвитку помпажних явищ приводить до того, що сигнал про початок зрив-них процес1в не може бути реал1зованим у САКД наст! ль ки швидко, щоб попередити помпаж.
Одним 1з шдход1в до ранньо! диагностики розвитку зривних процес1в стае використання методу вейв-лет-анал1зу (В А) для обробки часових та ампл1туд-них характеристик сигналов вим1рювальних систем, що визначають стшюсть роботи двигуна. Отримаш результати [5] св1дчать про те, що на певних масштабах статистичш моменти (м2-м4) розпод1лення вейвлет-коефщ1ент1в (ВК) сигналов в1д датчиюв тиску пов1тря, як1 розташоваш в компресор!, можуть пом1тно змшюватися при виникненш та розвитку помпажно' ситуаци. Однак даний тдх1д мае наступш недол1ки:
- м2-м4 в1дносяться до д1агностичних ознак, як1 пов'язаш 1з абсолютним значенням характеристик вим1рювального параметру. У робот! [6] запропоно-вано метод на основ! ВА та 8-дискримшанту (/¿), що забезпечуе швар1антшсть отриманих оцшок та д1аг-ностування помпажних явищ;
- виб1р вейвлета та р1вень розкладання було обра-но емшричним шляхом;
- анализ зривних процес1в виконувався т1льки на основ! Р2.
Тому необх1дно розробити в1дпов1дну модификацию даного методу для його ефективного застосуван-ня у ППБ САКД.
2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ1
При побудов! модуля попередження помпажу, не-обх1дно виконати наступне:
- обрати тип вейвлета й параметри вейвлет-перет-ворення;
- побудувати модель газодинам1чного стану двигуна, вх1дними параметрами яко' е дискримшантш оцш-ки поведшки ВК для набору сигналов вим1рювальних систем, що визначають усталену роботу компресора, а вих1дними - ознака виявлення помпажу й/або обертового зриву;
- визначити компоненти регулювання МПП при виникненш та й розвитку зривних процес1в у ГТД.
3 ВИБ1Р ВЕЙВЛЕТУ ТА ЙОГО ПАРАМЕТР1В
Визначення диапазону можливих частот коливань необх1дно, насамперед, для розробки й настроювання засоб1в захисту двигушв шдчас помпажу та обертового зриву. Тому виникае задача вибору найбшьш ефективного вейвлета, що волод1е високою швидкод1ею й виб1рков1стю за частотою для пояснення ф1зики до-сл1джуваного процесу.
Через здатшсть до швидкого алгоритму Маала у робот! були дослщжеш вейвлети Добеш1 (db1-db44), Симлету ^уш1^уш10), Койфлету (со1И-со1£5) а та-кож дискретний вейвлет Мейера.
Анал1з ф1льтруючих властивостей даних вейвлет1в св1дчить про те, що порядок вейвлета (М) е екв1ва-лентом характеристики зр1зу смуги пропущення. 1з зб1льшенням N крутость зр1зу АЧХ вейвлет1в зб1ль-шуеться 1 в1дпов1дно покращуеться як1сть реконструк-цп сигналов. Частотна характеристика вейвлет1в До-беш1 у зр1внянш 1з вейвлетами Койфлету того ж порядку мае б1льш низьку крутость зр1зу смуги пропущення та зб1гаеться 1з Фур'е-образом Симлету. Дис-кретний вейвлет Мейера мае найкращу характеристику зр1зу смуги пропускання у пор1внянш 1з db20 та со1£5.
Кр1м того, для наочного трактування ф1зично' кар-тини виникнення помпажу у турбокомпресор! ГТД до коеф1ц1ент1в апроксимацп та детал1заци ВП було зас-тосовано швидке перетворення Фур'е. У результат! частотне представлення ВК сигналу Рквт вейвлет1в першого та другого порядков (особливо db2/syш2) на 7-му р1вш дозволяе демонструвати зростання по-тужностей у частотних областях, що е характерними для помпажу та обертового зриву. Поступове зб1ль-шення порядку вейвлет1в дае можлив1сть спостер1гати лише обертовий зрив коло частоти 100 Гц. Приведена особлив1сть пояснюеться шириною смуги пропускання Фур'е-образ1в вейвлет1в на 7-му р1вн1.
Отримаш результати дозволяють провести подаль-ший анализ зривних процес1в за допомогою вейвлет1в
i3 низьким порядком. Враховуючи високу швидюсть та особливост опису виникнення помпажних явищ за допомогою швидкого перетворення Фур'е ВК сигналу Рквт для дiагностування помпажу був обраний вейвлет db2. При цьому вiдслiдковувати поводження ВК необхщно на 7-му рiвнi розкладання.
4 ПОБУДОВА МОДУЛЯ ПОПЕРЕДЖЕННЯ ПОМПАЖУ
Для аналiзу поточно! газо-динамiчноi нестiйкостi (ГДН) двигуна та збшьшення ефективностi виявлен-ня провiсникiв помпажних явищ був обраний метод штучних нейронних мереж карт Кохонена (Self-organizing map, SOM). При виборi даного методу, насам-перед, враховувалося те, що обертовий зрив не зав-жди переходить у помпаж i сформувати правило такого переходу не можна. Принципи навчання SOM дозволяють аналiзувати и стани систем i процесiв,
Рисунок 1 - Д1агностування помпажу за допомогою сл1дкування за траектор1ею робочоЧ точки процесу ГДН
як важко визначити або штерпретувати стандартни-ми засобами математично! статистики [7].
При побудовi моделi ГДН вихiдними параметрами SOM були шдекс перевищення порогу клшування по дисперси Id для ВК сигналу Рквт та стандартне вщхилення у (std) наступних сигналiв:
1) частота обертання роторiв низького тиску пвд;
2) частота обертання роторiв високого тиску пвд.
3 метою шдвищення швидкодп МПП для сигналiв Рвх, пвд, пнд як ощнний параметр був прийнятий параметр у (std).
На виходi моделi знiмаeться iнформацiя про газо-динамiчний стан двигуна: 0 - нормальний режим роботи; 2 - обертовий зрив, 1 - помпаж.
У результат навчання на SOM формуються зони, що вщповщають перехщним процесам «нормальний режим роботи - обертовий зрив - помпаж».
На осшж траекторп руху робочо!' точки на SOM, можна визначити виникнення небезпечно!' ситуаци типу помпаж при наближенш дано!' точки до границ област обертового зриву (рис. 1).
Виходячи з виконаних розробок, модель МПП, можна представити в такий споиб (рис. 2). На вхщ модуля виявлення помпажу надходять сигнали вiд дат-чикiв вимiрювальних систем двигуна: Рквд, Рвх, пвд, пнд. На основi вейвлет-розкладання наведених сигналiв ('db2', рiвнi розкладання 7, 10) i аналiзу S-дис-кримшант ВК по Рквд на SOM формуються вихщш данi про виявлення помпажних явищ. 3а допомогою SOM в^буваеться вироблення сигналу про газоди-намiчний стан двигуна (0/1/2) на блок прийняття рi-шення. У даному блощ, виходячи з аналiзу сигналiв вимiрювальних систем двигуна та сигналу - результату в^ SOM, формуеться керуючий вплив на блок протипомпажного регулювання, що включае антипом-пажний клапан, насос-регулятор, а-регулювання вхiд-ного напрямного апарата. 3а рахунок раннього вияв-лення розвитку зривних процеив МПП не дозволяе розвиватися небезпечним явищам типу помпаж.
Рквт.
РвГ п П|
Модуль виявлення помпажу ВА та S-flucKpHMiHaHT Сигнали систем вим|рювания двигуна
Ш I
Ananis помпажних явищ САК Блок прийняття рнмень
Блок регулювання
антипомпажний клапан наи>с-регулятор
кут регулювання ах. напр апарату
Рисунок 2 - Модуль попередження помпажу
Т. В. Ктр1ч, В. М. Харитонов, В. I. Дубровт, А. В. Притула: ПОБУДОВА МЕТОД1В ТА МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ПОПЕРЕДЖЕННЯ ПОМПАЖНИХ ЯВИЩ У ГАЗОТУРБ1ННОМУ ДВИГУН1
I).
О
1
Рисунок 3 - Визначення зривних процес1в за допомогою ДОЛ-32м: червона лш1я - визначення помпажу, чорна - обертового зриву;
ву та помпажу вщповщно; Т„, обертовий зрив, т», помпаж - час визначення помпажу та обертового зриву за допомогою модел1
Рисунок 4 - Дгагностування стану процесу ГДН за допомогою похибки навчання БОМ
5 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬН1 РЕЗУЛЬТАТИ
У процес! досл1дження було обрано дан! стендо-вих ^спит^в ГТД (Рквт, Рвх, ивд, инд) ! сигнал, що надходив в!д ДОЛф про наявшсть зривних процеив (рис. 3). Для навчання ЗОМ, були обраш параметри Id для ВК детал^зацп сигналу Рквт та у для сигналов Рвх, ивд, «нд (ширина тимчасового в!кна 0,23 с, зсув 0,047 с).
Карта навчалась тальки на тих прикладах, для яких була характерно вщсутшсть стану помпажу. На рис. 4 зб^льшення похибки апроксимацп модел! (МЗБ) для даних по стендових випробуваннях ГТД вщбуваеться на 205-му вим^р! й поступово зростае. З!ставлення даних результат!в з реальними значення-ми показуе, що з 210-го зразка у виб^рщ був при-сутнш сигнал про виявлення помпажу.
Таблиця 1 - Результати виявлення помпажних явищ за допомогою сигнал1затор1в помпажу типу ДОЛ г методу на основ1 вейвлет-анал1зу та БОМ
№ Модель/метод Тф - Тм, мс Ширина часового вжна, с
1 ДОЛ 10
2 ПС 10 0,02
3 ПС-2-7 9,6
4 ВА db8 16,5 0,23
5 ЗОМ та ВА ^2' 230 0,23
Пор^вняльний анализ роботи спрощених моделей ДОЛм, ПСм ПС-2-7м та методу на основ! ВА та ЗОМ, реал^зованих у середовишд С++, свщчить про те, що рашше за вих розвиток помпажних явищ визначае
похибка навчання модел! ГДН - МЗБ (табл. 1), де Тф, Тм - фактичний та модельний час виявлення помпажних явищ за допомогою датчиков типу ДОЛ.
ВИСНОВКИ
Таким чином, з метою попередження розвитку зривних процес!в у турбокомпресор! запропоновано модель модуля запоб^гання помпажу у САК ГТД. Робота даного модуля побудована на д!агностуванн! помпажних явищ за допомогою ВА (!з попередньою обробкою даних З-дискримшантом) та карт Кохонена ЗОМ. Пор^вняльний анализ роботи спрощених моделей ДОЛм, ПСм ПС-2-7м та модел! газодинам!чних процешв, що були отримаш в результат! навчання ЗОМ, свщчать про те, що рашше за вих розвиток помпажних явищ визначае похибку навчання МЗБ.
ПЕРЕЛ1К ПОСИЛАНЬ
1. Письменный И. Л. Многочастотные нелинейные колебания в газотурбинном двигателе / Письменный И. Л. -М. : Машиностроение, 1987. - 128 с.
2. Руководство по технической эксплуатации ДОЛ РЭ (ДОЛ-16, ДОЛ-32, ДОЛ-32С), 1978. - 38 с.
3. Руководство по технической эксплуатации Преобразователя електронного ЭП-В, 1976/1979. - 45 с.
4. Руководство по технической эксплуатации ПС РЭ ПС-2-7, 1979. - 49 с.
5. Дремин И. М. Вейвлеты и их использование / Дре-мин И. М., Иванов О. В., Нечитайло В. А. // Успехи физических наук. - 2001. - Т. 171, № 5. - С. 493-495.
6. Киприч Т. В. Контроль помпажных явлений ГТД на основе вейвлет-анализа и дискриминантых признаков / Киприч Т. В., Дубровин В. И. // Вестник двигателе-строения. - 2008. - № 1. - С 166-169.
7. Саймон Хайкин. Нейронные сети : Полный курс : пер. с англ. / Саймон Хайкин. - 2-е издание. - М. : Виль-ямс, 2006. - 1104 с.
Надшшла 24.06.2008
Целью существующих систем защиты газотурбинного двигателя от срывных процессов является автома-
тическое восстановление режима работы двигателя после устранения помпажа, а не предотвращение возникновения газодинамической неустойчивости в турбома-шинах. Предложенная модель модуля предотвращения помпажа основана на методе вейвлет-анализа и картах Кохонена SOM. Приводится сравнительный анализ результатов обнаружения срывных процессов с помощью данного подхода и упрощенных моделей.
The aim of existing stall prevention systems in a gasturbine engine is an automatic restoration of the engine operating conditions after a surge ceasing rather than prevention of a gas-dynamic instability in turbo machines. The model of a surge prevention modulus based on the method of wavelet-analysis and Kohonen's SOM maps is suggested. A comparative analysis for stall detection results is carried out with the help of such an approach and simplified models.
УДК 004.056:378 (147)
M. Г. Коляда
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАНАЛОВ СЕТЕЙ С ОЧЕРЕДЯМИ ПАКЕТОВ ЗАЩИЩЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ
В статье представлен механизм оптимизации каналов сетей с последовательными очередями пакетов защищенной информации на основе имитационного моделирования. Решение задачи представлено на основе вероятности и функция распределения прибывающих защищенных пакетов на один канал.
ВВЕДЕНИЕ
Теория массового обслуживания предлагает несколько способов эффективного своего применения, и в первую очередь, избежание длинных очередей. Один из таких способов состоит в том, чтобы иметь только одну очередь, из которой клиенты поступают на обслуживание по принципу «первым пришел -первым обслужен». Эта система сейчас принята не только в теоретических расчетах радиотехнических и коммуникационных устройств, но и во многих ситуациях окружающей жизни: учреждениях и организациях, например, в банковских отделениях.
Имитационное моделирование (ИМ) предоставляет универсальные возможности для исследования информационных систем с учетом разнообразных свойств и взаимосвязей их элементов. Вопросам оптимизации, с использованием имитационного моделирования в системах обработки информации уделяли внимание многие авторы, например [1, 2]. Разработку проблемы оценки эффективности защиты информации, в линиях радиосвязи разрабатывали исследователи [3, 4].
В практической деятельности часто происходят ситуации, когда возникает массовый спрос на обслуживание какого-либо специального вида, причем, обслуживающий объект, располагая лишь ограниченным числом обслуживающих единиц, не всегда способен немедленно удовлетворить все поступающие
© Коляда М. Г., 2009
заявки. Образовывается очередь. Задача прогноза и состоит в том, чтобы установить с возможной точностью взаимную зависимость между числом обслуживающих единиц и качеством обслуживания. Под качеством обслуживания понимают количество заявок получающих отказ, либо среднее время ожидания, либо среднюю длину очереди.
Исследователи В. Н. Задорожный, Е. С. Ершов, О. Н. Канева, А. А. Донец разрабатывали оптимизацию сетей передачи информации с учетом образующихся очередей [5, 6]. Но научных работ, связанных с проблемой оптимизации передачи защищенной информации по каналам связи сети с учетом образующихся очередей в настоящее время практически нет. Многие авторы, в том числе и перечисленные, используют либо свои алгоритмы оптимизации сетей с очередями, либо готовые алгоритмы, заложенные в профессиональных системах имитационного моделирования (типа GPSS World). Поэтому, специалисты, которые занимаются практическим внедрением и эксплуатацией систем с многоканальной связью, сталкиваются с проблемами несоответствия результатов моделирования известным аналитическим зависимостям.
Появляются новые алгоритмы, совершенствуются средства взаимодействия пользователя с моделью, автоматизируются те этапы исследований, которые ранее были ручными, но все же имитационное исследование больше остается наукой и искусством, нежели инженерным средством для огромной армии системных аналитиков и инженеров. Имитация до сих пор остается уделом профессионалов «симуляциони-стов», и это сдерживает ее огромные потенциальные возможности использования в реальной практической жизни. Поэтому в работе была поставлена цель -
