Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Методика управління ефективністю функціонування систем електропостачання повітряних суден

Спеціальність 05.13.03 - Системи та процеси керування

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Захарченко Віктор Панасович

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі електроенергетичних систем Національного авіаційного університету Міністерства науки і освіти України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Воробйов Владислав Михайлович -

професор кафедри електроенергетичних систем

Офіційні опоненти: Заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

Нагорний Леонід Якович -

професор кафедри обчислювальної техніки НАУ

кандидат технічних наук, доцент

Пащенко Сергій Валерійович -

заступник керівника

науково-дослідного управління

Наукового центру Військово-Повітряних Сил України

Провідна установа: Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова

Національної академії наук України.

Захист відбудеться 19.12.2002 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.062.05 у Національному авіаційному університеті Міністерства науки і освіти України

Адреса: 03058, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці НАУ.

Автореферат розісланий 15.11.2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.062.05, кандидат технічних наук Жданов О.І.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми

Для розвитку світового та вітчизняного авіабудування та ринку авіаційних перевезень є актуальною та потребуючого раціонального вирішення проблема забезпечення необхідного рівня безпеки польотів (БП) повітряних суден (ПС) та ефективності експлуатації авіаційної техніки (АТ). Для України, як прогресуючої авіаційної країни, рішення вказаної проблеми дозволить створити конкурентоспроможну АТ та закріпити свої позиції у колі її виробників та експлуатантів.

Одним із шляхів вирішення проблеми розробки високоефективної АТ є координація дій її розробників, виготовлювачів та експлуатантів, а також реалізація якісного управління процесами на всіх етапах її життєвого циклу (ЖЦ): <наукове обґрунтування соціального замовлення ПС> ®<наукове дослідження та вибір шляхів розв'язку задач> ® <проектування> ® <сертифікація> ® <серійне виготовлення> ® <експлуатація> ® <утилізація> ® <обґрунтування нової потреби суспільства>.

Управління процесом підвищення ефективності функціонування АТ має наступні аспекти своєї реалізації:

для етапу проектування - створення високонадійних відмовостійких функціональних систем (ФС);

для етапу сертифікації - створення комплекту необхідної документації для кваліфікації обладнання;

для етапу експлуатації - адаптація програм та режимів льотної та технічної експлуатації (ТЕ) до підвищених вимог щодо забезпечення рівней БП, регулярності польотів (РП) ПС та витрат на їх експлуатацію.

Аналіз проблемності ситуації у галузі розробки, виробництва, сертифікації та експлуатації систем електропостачання (СЕП) ПС, як складової авіаційних електроенергетичних комплексів (ЕЕК), виявив існуюче протиріччя між високими вимогами до ефективності функціонування таких систем і можливостями авіапідприємств задовольнити ці вимоги за рахунок раціонального використання своїх ресурсів різного виду. Зазначене протиріччя характерне не тільки для процесу експлуатації існуючої АТ, але і для процесу створення нових типів бортового обладнання ПС, особливо, авіаційного обладнання (АО). Така ситуація в авіаційній галузі вимагає розробки і впровадження нових підходів до управління ефективністю функціонування об'єктів АО, зокрема, СЕП на всіх етапах їх ЖЦ.

Управління ефективністю функціонування СЕП організується за рахунок розкриття їхніх внутрішніх властивостей, а реалізується - за рахунок раціонального використання їх виявлених внутрішніх резервів (чи привнесення додаткових) з метою забезпечення вимог безпеки й економічності існуючої чи перспективної експлуатації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Матеріали дисертаційної роботи були використані при виконанні науково-дослідних робіт за темами:

"Разработать модели анализа эксплуатационных свойств авиационной техники и методов комплексной оценки мероприятий по совершенствованию авиационной техники и процесса технического обслуживания и ремонта с использованием ЭВМ”, ДР.01.80.045048;

"Разработать научно-методические основы оценки надежности и эффективности систем АО эксплуатируемых и перспективных ВС ГА и практические рекомендации предприятиям ГА по их обеспечению с учетом эксплуатационных и эргатических факторов”, ДР.01.83.037597;

"Разработать информационно-программное обеспечение управления техническим состоянием систем АО ВС ГА”, ДР.01.86.0095719;

"Разработать программную технологию моделирования функциональной эффективности и прогнозирования показателей безопасности полетов бортовых систем самолета Ил-86”, ДР.01.90.0015793;

"Розробка методів та засобів обґрунтування функціонального, параметричного, ергатичного та структурного резервування інформаційних та енергетичних каналів логіко-динамічних систем АТ з мажоритарною логікою”, №17К-96 (1998 р.);

"Розробка методів, моделей, алгоритмів відновлення технічного стану електроенергетичних і автоматизованих систем управління АТ експлуатуємих повітряних кораблів”, №17К-99 (2001р.);

"Методи та моделі підвищення ефективності електроенергетичних комплексів повітряних суден та аеропортів”, №2/34 (2002р.).

Мета і задачі дослідження

Метою дослідження є забезпечення підвищення ефективності функціонування авіаційних СЕП за рахунок раціонального управління їхніми внутрішніми властивостями, параметрами і характеристиками.

Об'єктом дослідження є процес функціонування СЕП ПС, який здійснюється у контурі їх льотної і ТЕ.

Предметом дослідження є льотно-технічні та експлуатаційно-технічні характеристики і параметри СЕП ПС, що підлягають управлінню на етапах їхньої розробки і експлуатації.

У роботі поставлені і вирішені наступні задачі:

обґрунтовано критерій ефективності функціонування ЕЕК і визначено його оціночний показник;

розроблено принципи й умови системного управління ефективністю функціонування ЕЕК і обрано метод його реалізації;

обґрунтовано метод моделювання і розроблена модель функціонування ЕЕК у процесі його експлуатації;

обрано методи формалізованого подання ступеня якості функціонування СЕП і розроблено процедури його реалізації;

розроблено методику оцінки резерву надійності СЕП ПС;

розроблено методики: управління параметрами програм ТЕ СЕП ПС за результатами оцінки резерву надійності їхніх вузлів і агрегатів; оцінки якості функціонування СЕП ПС за параметрами електричної енергії; оцінки економічної доцільності зміни параметрів програм ТЕ СЕП ПС.

Методи дослідження. Рішення зазначених вище задач здійснювалося апробованими методами: теорії системного аналізу; теорії оптимального керування; теорії моделювання складних технічних систем; математичної статистики; теорії ймовірностей; формальної алгебри логіки; теорії графів.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Сформульовано умови системного управління ефективністю функціонування ЕЕК за обраною цільовою функцією (імовірності успішного завершення польоту ПС) і розробленою системою обмежень на ресурси авіапідприємств, які витрачаються на це управління.

2. Обґрунтовано доцільність застосування методу статистичного моделювання для дослідження ефективності процесів функціонування та ТЕ СЕП ПС.

3. Застосовано метод структурно-логічного подання технічних станів (ТС) СЕП ПС як логіко-динамічних систем з керованими структурами.

4. Розроблено формалізоване подання шляхів успішного функціонування СЕП ПС із ранжуванням відмов системи за ступенями їхнього впливу на виникнення особливих польотних ситуацій (ОПС) з використанням методів формальної алгебри логіки.

5. Застосовано структурно-логічні моделі із використанням графів деревоподібної форми для графоаналітичного подання множини ТС СЕП.

6. Розроблено статистичну модель процесів функціонування й експлуатації ЕЕК ПС.

Практичне значення отриманих результатів

1. Розроблено алгоритм і програма статистичного моделювання процесу функціонування СЕП ПС, які призначені для оцінки її льотно-експлуатаційних і техніко-експлуатаційних характеристик.

2. Розроблено правила формалізованого подання множини можливих ТС СЕП, призначених для вводу в моделюючий алгоритм.

3. Розроблено методики: оцінки надійністного резерву елементів СЕП і її в цілому; обґрунтування раціональних значень параметрів програм ТЕ СЕП ПС; оцінки якості функціонування СЕП із застосуванням прямого методу визначення значень параметрів електроенергії, яка генерується на борту ПС.

4. Розроблено рекомендації з оцінки резерву надійності елементів СЕП, що використовуються для управління параметрами ТЕ цих систем.

5. Обґрунтовано і впроваджено в експлуатацію літаків Ту-154 нові значення параметрів призначених ресурсів і періодичності проведення експлуатаційного контролю генераторів ГТ-40ПЧ6 і доведена економічна доцільність таких змін програм ТЕ;

6. Приведено у відповідність вимоги практичної оцінки якості електричної енергії на борті ПС із методами теоретичних розрахунків статики і динаміки процесів її генерування в СЕП ПС.

7. Розроблено умови застосування створених методик для інших ФС ПС і зазначені класифікаційні ознаки, якими повинні володіти такі системи.

Розроблені методики, статистична модель, її алгоритм і програмне забезпечення можуть бути використані для управління ефективністю функціонування ЕЕК як ПС, які експлуатуються, так і перспективних ПС на етапі їхнього проектування.

Впровадження результатів роботи реалізоване на Україні, а також авіапідприємствах СНД.

Особистий внесок дисертанта

Всі результати досліджень, які увійшли до дисертаційної роботи, отримано особисто автором.

Апробація результатів роботи.

Результати досліджень, які наведено у дисертаційній роботі, доповідалися автором і обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях: "Методи управління системною ефективністю функціонування електрифікованих і пілотажно-навігаційних комплексів" - Київ, 1993 р.; "Авіоніка-95" - Київ, 1995 р.; "Аеронавігація й авионика-98" - Київ, 1998 р.; "АВІА-1999" - Київ, 1999 р.; "АВІА-2000" - Київ, 2000 р.; "АВІА-2001" - Київ, 2001 р.; "АВІА-2002" - Київ, 2002 р.

Публікації

За темою дисертації опубліковано 7 робіт, перелік яких наведено наприкінці автореферату, та тези докладів на міжнародних науково-технічних конференціях.

Структура та обсяг роботи

Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків та 6 додатків. Обсяг основної частини роботи складає 167 сторінок. В роботі наведено 46 ілюстрацій та 22 таблиці. Список використаних джерел містить 87 найменувань на 7 сторінках. Обсяг роботи разом з додатками складає 207 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі сформульовано задачу досліджень, обґрунтована актуальність роботи, сформульована її мета, наведені основні наукові та практичні результати, які отримані у дисертації і виносяться на захист.

У першому розділі роботи розглянуто загальні проблемні питання управління ефективністю функціонування авіаційних ФС, зокрема СЕП, як одного з основних елементів ЕЕК ПС. Проаналізовано структурну побудову СЕП сучасних ПС, ступінь впливу якості їх функціонування на показники БП. Аналіз результатів льотної експлуатації зарубіжної та вітчизняної АТ дав змогу зробити висновок про необхідність більш докладного дослідження внутрішніх властивостей ФС з метою максимально ефективного використання резервів їх надійності для підвищення рівня БП та економічності експлуатації. Засобом досягнення вказаної мети в роботі обрано реалізація процесу управління показниками надійності ФС ПС як на етапі їх експлуатації, так і проектування. Даний висновок розглядається як концепція управління ефективністю функціонування ФС ПС, яку в дисертаційній роботі прийнято у застосуванні до ЕЕК ПС.

повітряне судно льотна експлуатація

Результати аналізу показників ефективності та надійності авіаційних ФС дозволили виконати побудову ієрархічної структури їх зв'язків. На верхньому рівні розробленої структури розміщено такий показник ефективності ФС як відмовобезпека. Цей показник має властивості репрезентативності, інтеграції та цілісності подання якості виконання комплексом ббекіпаж - ПС - середовищесс своїх функцій. На другому рівні підпорядкування у структурі знаходяться показники відмовостійкісті та живучості ФС ПС, а також стабільності відмовобезпеки. Третій рівень ієрархії займають показники надійності елементів комплексу ббекіпаж - ПС - середовищесс (апаратури, програмного забезпечення, екіпажу). На четвертому рівні знаходяться власне показники надійності елементів ФС. Запропонована структуризація показників ефективності та надійності функціонування ФС ПС дозволяє узагальнити та систематизувати їх. Використання створеної структури дозволяє створити методологічний базис для забезпечення ефективного управління процесами проектування, виробництва, сертифікації та експлуатації АТ.

Результати аналізу відомих з літературних джерел підходів до вирішення задачі оцінки ефективності функціонування технічних та ергатичних систем дозволили взяти за основу формування критерію такої оцінки значення вихідного ефекту Е, який створює система при вирішенні r задач в процесі свого функціонування:

де: Рh - імовірність якісного виконання h-ої задачі ; Р (Нi) - імовірність перебування системи в i-му ТС ; Рh (А/Нi) - умовна імовірність події А, яка полягає у факті створення системою, що знаходиться у і-му ТС, вихідного ефекту на заданому рівні якості, який є достатнім для вирішення її h-ї задачі.

Застосування у роботі даного методу оцінки ефективності дозволяє адекватно характеризувати якість виконання СЕП визначеної множини своїх функцій у ході польоту, враховує динаміку зміни її ТС, а, головне, враховує суто імовірнісний характер процесу її функціонування. Ранжування вихідних ефектів, які створює СЕП, проводиться за рівнями БП, тобто допустимими значеннями імовірності нормальних умов польоту або виникнення особливих польотних ситуацій (ОПС). Враховуючи, що комплекс взаємодіючих структур ббекіпаж - ПС - середовищесс є кінцевою ланкою в системі БП, для оцінки рівня якості його функціонування пропонується комплексний показник ефективності - імовірність успішного завершення польоту РУЗП (t):

де: Ротк (t), Ровв (t), Реф (t) - відповідно імовірності: виникнення відмов у СЕП (характеристика відмовостстійкості ФС); виникнення негативних зовнішніх впливів (характеристика живучості ФС); прийняття вірних рішень екіпажем при взаємодії у комплексі ббекіпаж - ЕЕК - середовищесс (характеристика відмовобезпеки ФС); b - кількість можливих видів відмов СЕП; d - кількість можливих видів впливів зовнішнього середовища на функціонування комплексу; n - кількість можливих видів дій екіпажа та автоматичних систем з локалізації загрозливих ситуацій на борту під час виконання польоту. Часова залежність наведених надійнісних характеристик підкреслює існуючу динаміку можливості виникнення ОПС на всіх його етапах.

Для забезпечення необхідного рівня ефективності функціонування ЕЕК повинен бути сформований комплекс управлінських функцій та задач, що обумовлюють його досягнення та утримання. Ці функції та задачі формуются для авіапідприємств у виді програмних заходів, а вони, у свою чергу, є комплексом конкретних дій, спрямованих на досягнення мети у встановлені терміни.

Ефективність розробки та впровадження обраних програмних заходів оцінюється за допомогою вектор-функції

де: Rij, Rij (п) - відповідно фактичні та заплановані значення ресурсів j - го виду, які спрямовано на реалізацію обраних заходів у i-му плановому періоді; Ki, Ki (п) - відповідно фактичний та заданий рівень ефективності ЕЕК.

Умови раціонального створення та експлуатації ЕЕК за рахунок реалізації запланованих заходів можна сформулювати як

Ефективність вирішення окремих груп задач за обраними напрямками діяльності авіапідприємств може бути оцінена як:

де: ЕR и EK - відповідно показники ефективності використання виробничих ресурсів і експлуатаційних характеристик; e (r) jn і e (k) jn - показники ефективності розв'язку n-их окремих задач та з їх множин ЗR и Зк, відповідно спрямованих на економну витрату виробничих ресурсів та підтримку рівня надійності ЕЕК на деякому j-му періоді діяльності авіапідприємств. Економічність реалізації програм управління ефективністю функціонування ЕЕК на всіх етапах його ЖЦ можна охарактеризувати виконанням умови:

СR = min CR = min (Cпр+ Свр+ Се+ Свтр),

де СR - загальні економічні витрати на досягнення та забезпечення встановленого рівня ефективності ЕЕК, а Cпр, Свр, Се, Свтр - відповідно витрати на проектування, виготовлення, експлуатацію та можливу втрату об'єкта.

Враховуючи сформовані умови вирішення задачі управління ефективністю функціонування ЕЕК в розділі проведено формалізацію її показників, які подані через імовірності множини можливих ТС комплексу та його вихідних ефектів. Вихідні ефекти віднесено до категорій ОПС, як наслідків виникнення цих станів. Формалізація проведена в функції предикат. Запропоновано граф, який є формалізованим відтворенням виявлених зв'язків складових показника ефективності функціонування ЕЕК. За допомогою розробленого графа визначено предметну область та напрямок подальших досліджень. На основі сформульованої задачі підвищення ефективності функціонування ЕЕК та розроблених системних вимог щодо забезпечення економічності витрат ресурсів на реалізацію управління у виді системи обмежень, сформовано умову системної оптимізації в функції предикат.

Матеріали другого розділу роботи присвячені вирішенню задачі обґрунтування вибору апарата математичного моделювання об'єкта дослідження - процесу функціонування ЕЕК в режимах льотної та ТЕ. Результати критичного аналізу методів математичного моделювання у застосуванні до подання подібних об'єктів дослідження вказують на раціональність та доцільність вибору для вирішення задачі методу статистичного моделювання. Початковою умовою його подальшої реалізації є розробка формалізованого опису процесу функціонування СЕП як технічної ланки ЕЕК. Класифікація СЕП як аддитивних логіко-динамічних систем з керованою структурою дає можливість для формалізації принципів їх побудови та функціонування використати математичний апарат структурно-логічного моделювання (СЛМ).

У загальному виді формалізованим поданням побудови СЕП може слугувати функціонал

,

де T - множина моментів часу спостереження за системою; U - множина можливих її ТС; X, Y - відповідно множини функціональних входів та виходів структурних елементів системи; Г - множина вихідних величин (параметрів та показників оцінки якості функціонування системи); - перехідна функція стану системи; можливі відображення станів системи на її функціональних виходах.

В процесі побудови структурно-логічної моделі СЕП виконується її структурна декомпозиція на елементи, для яких відшукуються функціональні зв'язки. Множину S таких зв'язків у векторному виді можна подати як

де - вектор функціональних входів деякого елемента для побудованої структури (k - загальна кількість входів), - вектор функціональних виходів елемента (m - загальна кількість виходів), - матриця виявлених зв'язків входів та виходів (; ).

Для вирішення практичних задач СЛМ більш доцільним є подання конфігурації структури об'єкта у матричному виді із застосуванням загальної матриці S (N) зв'язків системи (N - кількість елементів у структурі). Формалізація режимів функціонування СЕП як множини можливих її ТС виконується на базі розробленого структурного подання з використанням математичного апарату формальної алгебри логіки. Використання даного методу формалізації створює можливості для досить компактного та адекватного опису процесу функціонування СЕП. У загальному виді такий опис може бути поданий як

де {xi} - множина змінних i-го працездатного стану ЕЕК, який відповідає вимогам успішного завершення польоту ПС; Ye - найкоротший шлях успішного функціонування ЕЕК; a - двійкова змінна, m - кількість елементів в множині X параметрів системи; d - можлива кількість шляхів успішного функціонування системи.

Множину станів СЕП в термінах формальної алгебри логіки подана у виді логічної матриці, рядками якої є можливі шляхи успішного функціонування ЕЕК, а стовпцями - можливі ТС кожного елемента її структури. Побудова такої матриці дає можливість зв'язати у ній кожний шлях успішного функціонування ЕЕК з його оцінкою ефективності Е:

де - нормований вихідний ефект СЕП для її i-го працездатного стану (); - показник надійності СЕП при виконанні i-ої функціональної задачі; y{xi} - умова функціонування СЕП для виконання умов цієї задачі (y); - показник надійності і-го каналу СЕП при виконанні даної задачі.

Подальша побудова моделі процесу функціонування ЕЕК передбачає створення його імовірнісного подання із врахуванням впливу на його роботу факторів льотної та ТЕ (як технічного, так і ергатичного характеру). Статистичне моделювання процесу функціонування ЕЕК передбачає подання цього процесу у вигляді потоку відмов його елементів, моментів контролю їх ТС та відновлення їх працездатності із врахуванням виконання встановлених умов та правил льотної та ТЕ та впливу "людського" фактора. Використовуючи імітацію наявності вказаних потоків випадкових подій, які реалізуються за виявленими статистичними законами, в моделі проводиться генерування можливих функціональних станів ЕЕК. Ці стани зв'язуються з категоріями ОПС, враховуючи можливість корекції режиму функціонування комплексу з боку екіпажа ПС. Результат виникнення в процесі функціонування ЕЕК однієї з можливих ОПС ототожнюється в моделі з вихідним ефектом від експлуатації комплексу у даному стані - оціночним показником рівня БП. Для об'єднання всіх елементів процесу моделювання в єдину цілісну структуру в роботі запропоновано та реалізовано метод СЛМ станів ЕЕК з використанням деревовидних графів причинно-наслідкових відносин між подіями. Процедури побудови структурно-логічних моделей як шляхів успішного функціонування ЕЕК, так і станів його відмов, у роботі доведено до рівня інженерної реалізації. Наведено класифікаційні ознаки ФС ПС, до яких можна застосувати подібні методи формалізації процесів їх функціонування.

У третьому розділі роботи вирішувалися прикладні задачі розробки статистичної моделі процесу функціонування ЕЕК, алгоритму процедури моделювання та її інформаційного забезпечення.

Розроблена узагальнена структура моделі подана на рис.1. Вона вміщує:

комплекс елементів, які імітують функціонування ЕЕК у можливих режимах його льотної та ТЕ - логіко-динамічну модель СЕП (2), масиви станів відмов, які моделюються для елементів СЕП (3), технічних (4) та економічних (6) параметрів програми ТЕ ЕЕК, масив базових показників надійності елементів СЕП (8);

елементи програмної реалізації процесу моделювання - лічильник часу моделювання (1), який здійснює контроль за машинним часом моделювання, та давачі - генератори випадкових подій (7), які імітують потоки імовірнісних подій, що відбуваються в процесі функціонування ЕЕК;

масив результатів дій екіпажа ПС (5), до якого занесені ознаки можливих прийнять рішень членами екіпажу ПС з парирування ОПС;

масиви результатів моделювання: показників БП (10) та економічних показників експлуатації ЕЕК за обраний період моделювання.

Розроблена модель використовується для:

аналізу ефективності процесу експлуатації ЕЕК ПС різних типів;

синтезу ефективних ЕЕК для перспективних ПС.

В першому випадку дослідження проводяться для обгрунтування вимог до параметрів та характеристик програм льотної і ТЕ серійних ПС. Таке дослідження дозволяє знайти раціональні, з точки зору забезпечення БП, призначені ресурси (ПР) АТ, періодичності контролю її ТС, обсяги та зміст ремонтно-відновлювальних робіт,

Другий напрямок досліджень спрямований на досягнення оптимальних техніко-економічних характеристик систем, що проектуються, а також параметрів їх технічного обслуговування та ремонту, розробити вимоги до рівня професійної підготовки членів екіпажа ПС, враховуючи їх дії з парирування наслідків ОПС.

Результати створення структури моделі та принципів її функціонування дозволили розробити алгоритм статистичного моделювання процесу експлуатації ЕЕК, інформаційне та програмне забезпечення процедури моделювання. В роботі детально розроблено процедури підготовки початкових даних, необхідних для реалізації процесу моделювання, та їх форматизація для вводу в обчислювальну програму моделювання. Створені алгоритмічні та програмні продукти утворюють ефективний інструмент для проведення подальших досліджень.

У четвертому розділі дисертаційної роботи наведено результати практичного застосування розробленого алгоритму статистичного моделювання процесу функціонування та експлуатації ЕЕК.

Дослідження велися у напрямку обґрунтування нових раціональних значень параметрів програм і режимів ТЕ СЕП ПС. Як приклад застосування створеної моделі й алгоритму статистичного моделювання в зазначених цілях обрані параметри ПР функціональних елементів (ФЕ) СЕП і періодичності проведення їх експлуатаційного контролю. В процесі досліджень вирішувались наступні задачі:

оцінки резерву надійності ФЕ СЕП та його використання для підвищення рівня БП;

розробки рекомендацій щодо зміни значень ПР елементів СЕП, що забезпечують ефективні результати їх експлуатації;

висунення обґрунтованих вимог до значень параметру періодичності проведення експлуатаційного контролю як елементів СЭС, так і її в цілому;

оцінки економічної ефективності впровадження розроблених керуючих заходів щодо удосконалювання програм ТЭ СЭС.

Оцінка резерву надійності ФЕ СЕП проводилася за рахунок варіювання в моделі значень початкових даних, що стосуються їх рівня надійності, і подальшого моделювання процесу їхнього функціонування. Як результат моделювання вироблялася оцінка основних надійнісних показників СЕП: коефіцієнтів БП, регулярності польотів (РП) та готовності системи. Для одержання значень цих показників вводилося поняття коефіцієнта погіршення надійності ФЕ СЕП - Кун, який класифікувався як незалежна змінна в статистичному експерименті. Множачи на цей коефіцієнт нормативні значення інтенсивності відмов ФЕ СЕП, були отримані умовні рівні погіршення їхньої надійності. На ЕОМ моделювалися можливі ТС СЕП в очікуваних і екстремальних умовах експлуатації і розраховувалися згадані вище показники надійності. Моделювання проводилося для СЕП літака Ту-154. Результати оцінки наявного резерву надійності ФЕ СЕП та їх подальший аналіз дозволили зробити наступні висновки:

підсистема електропостачання постійним струмом має найбільший резерв надійності і для її ФЕ існує можливість, не погіршуючи показників БП і РП ПС, витримати п'ятикратне зменшення їх надійності. Це свідчить про можливість значного скорочення обсягів і збільшення періодичності проведення робіт з технічного обслуговування (ТО) та ремонту (Р);

підсистеми електропостачання змінним струмом 200/115 В, 400 Гц і 36 В, 400 Гц мають менший резерв надійності, ніж попередня підсистема. Хоча, порівняно невелике погіршення коефіцієнта БП для цих підсистем при п'ятикратному зменшенні надійності їх ФЕ, створює об'єктивну можливість і для них зменшувати обсяги і збільшувати періодичності проведення відновлювальних робіт.

Особливу важливість здобуває запропонована методика досліджень для перспективних ПС при проведенні сертифікації рівнів їхньої літної безпеки. Аналіз результатів використання методики для проектованих СЭС перспективних ПС дозволить оцінити резерви їхньої надійності, не прибігаючи до дорогих літних чи іспитів використовуючи їх у мінімальних обсягах.

Використовуючи отримані результати з оцінки резерву надійності ФЕ СЕП літака Ту-154, в роботі вирішувалися задачі обґрунтування раціональних значень параметрів їх ПР та періодичності проведення експлуатаційного контролю ТС.

Початковими даними для проведення досліджень щодо обґрунтування нових значень ПР ФЕ є експериментальні вибірки даних їх наробітку на відмову. На основі цих даних проводиться побудова відповідної гістограми.

В процесі обробки та дослідження експериментальних даних виникає задача визначення надійнісних характеристик ФЕ за точкою ПР. В цьому випадку початкові дані дають змогу отримати тільки усічену функцію щільності наробітку на відмову. Прогнозування поведінки цієї функції за точкою ПР проводиться у два етапи. На першому етапі необхідно реставрувати на часовому відрізку від моменту t = 0 (початок експлуатації) до моменту t = Tн (вичерпання періоду ПР) усічену функцію наробітку на відмову. Точність реставрації функції оцінюється за методом найменших квадратів. З математичної точки зору необхідно визначити вид функції щільності наробітку на відмову та значення її коефіцієнтів b0, b1, …, bn за умови

де fn (ti, b0, b1, …, bn) - розраховані значення гіпотетичної функції, f (ti) - емпіричні значення усіченої функції, F - сума квадратів відхилень.

На другому етапі побудови прогнозуємо вид функції fn на часовому відрізку від Тн до Т, де Т - запропоноване нове значення ПР для даного ФЕ СЕП. Вибір виду прогнозуючої функції проводився серед близько 20 поліномів лінійного та нелінійного характеру. Критеріями оцінки точності прогнозування було обрано мінімальне значення залишкової дисперсії розбіжності теоретичних та експериментальних даних та максимуму розрахункового значення критерію Фішера. За наведеною методикою в роботі було проведено вибір виду прогнозуючої функції щільності наробітку на відмову для генератора ГТ-40ПЧ6, який використовується як основний на літаку Ту-154. Була проведена оцінка адекватності прогнозуючої функції обраного виду за критерієм Фишера для рівня значимості = 0,95, яка дала позитивний результат.

Знаходження раціональних значень ПР елементів СЕП базується на дослідженні зміни значень техніко-економічних показників процесу функціонування ЕЕК за умови варіації значень ПР, які виступають у ролі незалежних змінних моделювання. Дослідження ведуться, виходячи з умов обмежень на значення показників БП і РП та мінімуму сумарних витрат на експлуатацію ПС. Як приклад, у дисертації виконано обгрунтування раціонального значення ПР для генератора ГТ-40ПЧ6. Показано, що є доцільним збільшити значення ПР генератора з 3000 льотних годин (за існуючим регламентом експлуатації) до 9000.

Результати перевірки адекватності даних, отриманих в результаті моделювання, свідчать про їх достовірність та точність роботи моделі. Оцінка адекватності моделі проводилась за ранговим U-критерієм Уілкінсона, Манна та Уітні на рівні значимості = 0,05.

За подібною методикою в роботі було проведено дослідження та обґрунтування раціональних значень періодичності проведення експлуатаційного контролю ФЕ СЕП. На підставі результатів досліджень, проведених стосовно до ФЕ СЕП літака Ту-154 зміна періодичності їх контролю з 300 до 1800 льотних годин не порушує вимог нормативної документації щодо значень основних показників БП.

Економічні розрахунки показали, що існує економічна доцільність (експлуатаційні витрати знижуються приблизно на 10%) зміни значень вказаних параметрів програм ТЕ елементів СЕП літака Ту-154. Отримані автором результати апробовані і впроваджені на підприємстві Г-4993, яке є головним по розробці і виробництву даного устаткування. На базі проведених досліджень сформовано комплекс інженерних процедур, які забезпечують отримання прикладних результатів оцінки ефективності функціонування та експлуатації ФЕ СЕП для ПС різних типів.

У п'ятому розділі дисертації наведено результати досліджень, які спрямовані на удосконалення методу оцінки якості електричної енергії (ЕЕ), яка генерується на борту ПС. Вирішення даної задачі розкриває широкі можливості як для створення СЕП підвищеної ефективності та надійності, так і запровадження в експлуатацію методик поглибленого та інформативного діагностування ФЕ СЕП.

Критичний аналіз існуючих методів оцінки статичних та динамічних характеристик СЕП, наведений у п'ятому розділі роботи, вказує, що їх основним недоліком є відсутність можливостей (або їх обмеженість) визначати кількісні оцінки параметрів ЕЕ, яку необхідно розцінювати як результат (продукт) роботи СЕП. Методичною основою існуючих підходів до оцінювання динамічних характеристик СЕП є застосування непрямих методів визначення стійкості та якості перехідних процесів у цих системах. Ці методи значно полегшують процес аналізу якості функціонування СЕП, але отримані оцінки є наближеними або носять тільки якісний характер. Ця ситуація породжує протиріччя між вимогами, викладеними в існуючій нормативно-технічній документації щодо кількісної оцінки параметрів ЕЕ, яка генерується на борту ПС, та методичними можливостями задовольнити ці вимоги.

Запропонований у дисертації спосіб дослідження динамічних властивостей СЕП заснований на класичних прямих методах дослідження її статичних та динамічних характеристик. Реалізація способу виконується за наступною процедурою.

1. За структурною схемою системи, яка досліджується, складається рівняння її динаміки у виді:

де DХ - відносна зміна параметра ЕЕ; Df - відносне значення основного збурення (наприклад, зміна частоти обертання генератора, зміна його навантаження). Як правило, у рівнянні n Ј 3.

2. Проводиться оцінка статичної помилки DХ та уточнення значень коефіцієнтів а0 та b0 рівняння динаміки.

3. Проводиться нормування характеристичного рівняння системи

4. Проводиться аналіз стійкості системи. Для цього використовується нормована діаграма Вишнєградського. У площині параметрів А1 і А2 будуємо область стійкості системи. Аналізується місце розташування коренів рівняння на комплексній площині. Для рівняння третього порядку маємо три кореня, які за умовами стійкості системи повинні бути розташовані в лівій, відносно осі j, частині комплексної площини. Знаючи коефіцієнти а3, а2, а1 і а0, можна визначити А1 і А2, а потім дати якісну характеристику перехідному процесу.

5. Проводиться кількісна оцінка перехідного процесу у системі. За відомими значеннями коренів характеристичного рівняння, можна побудувати дві криві: мажоранту V (t) і миноранту U (t), що обмежують криву X (t) перехідного процесу в системі зверху і знизу:

U (t) = X (t) = V (t).

Якщо корені характеристичного рівняння дійсні і початкові умови нульові, то

де h - загасання (чи ступінь стійкості) - відстань від мнимої осі j до найближчого кореня чи найближчої пари сполучених комплексних коренів.

7. Оцінюється відповідність параметрів перехідного процесу вимогам нормативно-технічної документації (рис.2).

Рис.2. Принцип оцінки динаміки процесів регулювання параметрів СЕП за критеріями ГОСТ 19705-89

Вирішення задачі оцінки динамічних властивостей СЕП за параметрами ЕЕ надає широкі можливості як проектувальникам для розробки високонадійних і довговічних систем високої ефективності, так і експлуатантам для оперативного керування станом таких систем.

Основні результати і висновки

1. Обрано й обґрунтовано критерій оцінки ефективності функціонування й експлуатації СЕП ПС, визначено його оціночний показник, що надало можливість розробити методику управління ефективністю функціонування СЕП ПС шляхом вибору найбільш раціональних режимів і програм їх ТЕ.

2. Розроблено модель процесу функціонування й експлуатації ЕЕК ПС, яка дозволяє вибрати найбільш раціональні значення параметрів програм і режимів ТЕ таких систем як для парку ПС, які знаходяться в експлуатації, так і для перспективних ПС.

3. На підставі раціональних значень параметрів програм ТЕ, знайдених за розробленою у дисертації методикою, визначено перелік керуючих заходів, що дозволяють підвищити ефективність експлуатації СЕП ПС.

4. Розроблено рекомендації по удосконаленню програм і режимів ТЕ функціональних елементів СЕП літаків Ту-154, Іл-86, Ан-70, Ан-74 та обґрунтувано економічну доцільність впровадження для них нових програм і режимів ТЕ СЕП ПС, що дає можливість підвищити рівень БП та економічності експлуатації ПС.

5. Визначено умови застосування розробленої методики управління параметрами програм ТЕ СЕП ПС для інших ФС ПС, які експлуатуються та розробляються, що розкриває перспективи застосування отриманих результатів для багатьох подібних об'єктів.

6. Розроблено методику оцінки якості функціонування СЕП ПС у статичних і динамічних режимах за параметрами ЕЕ, дає можливості як для розробки високонадійних і довговічних систем високої ефективності, так і для оперативного керування ТС цих систем.

7. Результати роботи впроваджені в ОКБ ім.О.К. Антонова, авіапідприємстві "Дзержинець”, що підтверджено відповідними актами.

1. Розроблено структуру інформаційного забезпечення процесу моделювання, вимоги до форми і змісту масивів вихідних даних і масивів результатів моделювання.

Основний зміст дисертаційної роботи у публікаціях

1. Воробьев В.М., Захарченко В.А., Вашку О.Ж., Воробьев А.В. "Системная эффективность комплекса ббэкипаж - ВС - средасс”. Межведомственный сборник научн. тр. "Кибернетика и вычислительная техника”, выпуск 126, К.: ИК им. Глушкова, 2000. - с.47-76.

2. Захарченко В.П. "Визначення впливу ресурсів на показники надійності авіаційних систем методом статистичного моделювання" Збірник наукових праць "Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів" Вип.10, К.: УГУ, ТАУ, 2000, - 32 - 36 с.

3. Воробьев В.М., Захарченко В.А., Вашку О.Ж., Воробьев А.В. "Статистическое моделирование процесса функционирования авиационных электроэнергетических систем в задачах повышения отказобезопасности воздушных судов”. Збірник наукових праць, Выпуск 10. К.: УГУ, ТАУ, 2000, - с. 191 - 199.

4. Захарченко В.П. "Методи та моделі підвищення ефективності відмовостійких систем електропостачання авіоніки”. К.: НАУ, 2001 - с.42 - 46.

5. Захарченко В.А. "Модель диагностирования электроэнергетического комплекса воздушного судна" Збірник наукових праць. Вып. К.: УГУ, ТАУ, 2002, - с.3 - 7.

Анотації

Захарченко В.П. Методика управління ефективністю функціонування систем електропостачання повітряних суден. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.03 - Системи і процеси керування. - Національний авіаційний університет, Київ, 2002.

В роботі поставлена і вирішена задача забезпечення підвищення ефективності функціонування авіаційних систем електропостачання (СЕП) за рахунок раціонального управління їх внутрішніми властивостями, параметрами та характеристик на етапах їх життєвого циклу.

В роботі обґрунтовано вибір критерію ефективності функціонування електроенергетичних комплексів (ЕЕК) повітряних суден (ПС), визначено його оціночний показник. Розроблено принципи і умови системного управління ефективністю функціонування ЕЕК, визначено методи досягнення поставленої мети. Обгрунтовано вибір методу моделювання і розроблено модель функціонування ЕЕК в процесі його льотної та технічної експлуатації. Розроблено процедури формалізованого опису принципів побудови та функціонування СЕП. Формалізація об'єднує характеристики внутрішніх властивостей СЕП з її вихідними ефектами, віднесеними до нормованих рівнів безпеки польотів ПС.

Результати статистичного моделювання процесу функціонування ЕЕК та їх аналіз дозволив виробити систему оцінок резерву надійності СЕП ПС, створити комплекс методик управління параметрами програм технічної експлуатації (ТЕ) СЕП ПС, розробити спосіб оцінки якості функціонування СЕП за параметрами електричної енергії, яка генерується на борту ПС. Доведено економічну доцільність впровадження розроблених рекомендацій щодо зміни параметрів програм ТЕ СЕП.

Ключові слова: системи електропостачання повітряних судів, безпека польотів, управління ефективністю функціонування, якість електроенергії, надійність.

Захарченко В.А. Методика управления эффективностью функционирования систем электроснабжения воздушных судов. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.03 - Системы и процессы управления, Национальный авиационный университет, Киев, 2002.

Поставлена и решена задача обеспечения повышения эффективности функционирования авиационных систем электроснабжения (СЭС), как одного из основных элементов электроэнергетических комплексов (ЭЭК) воздушных судов (ВС), за счет рационального управления их внутренними свойствами, параметрами и характеристиками.

В работе обоснован критерий эффективности функционирования ЭЭК. Для оценки уровня качества его функционирования предложен комплексный показатель эффективности - вероятность благополучного исхода полета Рбип (t), объединяющий параметры оценки надежности СЭС, вероятность воздействия на нее внешних возмущений и ее эргатические характеристики.

Разработаны принципы и условия системного управления эффективностью функционирования ЭЭК. Реализация управления осуществляется за счет эффективного использования внутренних свойств и резервов объекта при его эксплуатации. Оценка наличия резерва внутренних свойств ЭЭК, в частности СЭС, производится в процессе статического моделирования его функционирования в рамках летной и технической эксплуатации (ТЭ). Для проведения процесса моделирования разработана процедура формализованного описания принципов построения и функционирования СЭС.

Разработан комплекс методик оценки резерва надежности СЭС ВС, управления параметрами программ ТЭ, оценки качества функционирования СЭС по параметрам генерируемой на борту ВС электроэнергии; проведена оценка экономической целесообразности изменения значений параметров программ ТЭ СЭС.

Ключевые слова: системы электроснабжения воздушных судов, безопасность полетов, управление эффективностью функционирования, качество электроэнергии, надежность.

V. Zakharchenko "Control Methodology of Effective Functioning of electrical Equipment Systems”. - Manuscript.

Thesis for obtaining of a philosophy doctor in engineering degree on speciality 05.13.03 - Control systems and Processes of operation. - National Aviation University, Kiev, 2002.

The aim of rise guarantee of aircraft electrical equipment efficient functioning as one of the main element of Electric - Power Complex (EPC) by means of rational control of its internal properties and characteristics is developed in this work.

Solving this problem it is described effective functioning mark of EPC and determined its value index Pбип (probability of flight successful ending) i it is developed the principles and conditions of effective functioning control system of EPC and defined the method of its realisation. For this reason it is determined some methods and developed procedures of formal description of electric - power systems functioning quality, which influences on Aircraft Flight Safety (AFS).

According to the received data during static modulation and their analysis the complex of estimation methodologies of readability reserve of aircraft EPC is developed; it is also describe parameters programs control of aircraft maintenance (as to the results of reliability reserve of their units and arrangements), as well as the functioning quality estimate of EPC as to their generated electrical power and the economic advisability of EPC aircraft maintenance program parameters change is estimated that allowed to give recommendations to EPC customers and designers.

Key words: aircraft electrical systems, flight safety, effective functioning control, quality of electrical power, reliability.

Размещено на Allbest.ru

...