Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет радіоелектроніки

УДК 681.5:004.032.26

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Методи та моделі запобігання помпажним явищам у системі керування газотурбінного двигуна

05.13.03 - системи та процеси керування

Кіпріч Тетяна Віталіївна

Харків - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому національному технічному університеті Міністерства науки і освіти України.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент, Дубровін Валерій Іванович, Запорізький національний технічний університет, доцент кафедри програмних засобів

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Удовенко Сергій Григорович, Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри електронних обчислювальних машин;

доктор технічних наук, професор Гостєв Володимир Іванович, Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, завідувач кафедри комутаційних систем, м. Київ

Захист відбудеться „ 9 ” грудня 2008 р. о 14-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.02 у Харківському національному університеті радіоелектроніки, за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки, за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий „ 4 ” листопада 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Безкоровайний В.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У процесі керування двигуном необхідно вчасно визначати виникнення несправностей та можливість переходу двигуна на нескореговані режими роботи. Однією з таких задач є рання діагностика розвитку помпажу в компресорі для систем автоматичного керування газотурбінного двигуна (САКД).

При виникненні помпажних явищ відбувається різке падіння тиску повітря за компресором (Р_квт) і по тракту двигуна, що повторюється при кожному імпульсі помпажних коливань. Оскільки помпаж може призвести не тільки до скорочення терміну служби роботи двигуна, але й до його поломки, необхідні ефективні системи захисту двигуна від помпажу та обертового зриву.

Існуючі електронні системи керування двигуном дозволяють виявити деякі найнебезпечніші джерела газодинамічної нестійкості (ГДН) у роботі компресора і забезпечити автоматичний вивід двигуна з помпажу. Робота протипомпажного модуля (ППМ) таких систем заснована на вимірюванні надлишкового тиску за останнім ступенем компресора, на основі якого формується електричний сигнал, що послідовно порівнюється з попередньо заданими критеріями для помпажу та обертового зриву. Однак метою цих систем є автоматичне відновлення режиму роботи двигуна після усунення помпажу, а не запобігання ГДН у турбомашинах.

Значним внеском у дослідження помпажних явищ, що виникають під час керування двигунами, слід вважати роботи Дрьомина І.М., Письменного І.Л., Dzu K. Le, J.V.R Prasad, Yedidia Neumeier, Nikos Markopoulos. Одним із підходів до ранньої діагностики розвитку помпажу стало використання методу вейвлет-аналізу для обробки часових і амплітудних характеристик сигналів вимірювальних систем, що визначають стійкість роботи компресора. Згідно з результатами, отриманими Дрьоминим І.М., на певних масштабах статистичні моменти розподілу вейвлет-коефіцієнтів сигналів від датчиків тиску, розташованих у компресорі, помітно змінюються перед тим, як відбувається різка зміна режиму роботи двигуна, що часто призводить до його руйнування. Однак цей підхід має такі недоліки:

- розглянуті оцінки розподілу вейвлет-коефіцієнтів належать до діагностичних ознак, які пов'язані з абсолютним значенням характеристик вимірюваного параметру і тому не є інваріантними;

- масштаб і тип вейвлету визначаються емпіричним шляхом;

- аналіз досліджуваного процесу за цим методом проводиться тільки на основі сигналу тиску повітря за компресором.

Таким чином, актуальною слід вважати тему запропонованої дисертаційної роботи, яка пов'язана з розробкою нових і модифікацією існуючих методів для запобігання виникненню помпажних явищ у компресорі та реалізації модуля запобігання помпажу в системі автоматичного керування двигуна.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано відповідно до координаційних планів Міністерства освіти і науки України та Запорізького національного технічного університету (ЗНТУ) згідно з державними науково-технічними програмами “Системний аналіз, методи та засоби керування процесами різної природи; методи оптимізації, програмне забезпечення та інформаційні технології у складних системах” в рамках держбюджетних НДР “Інтелектуальні системи підтримки прийняття рішень” (№ держ. реєстрації 0104U005743) та “Інтелектуальний аналіз даних та прийняття рішень” (№ держ. реєстрації 0106U008620), де автор брав участь як виконавець, розробив і здійснив експериментальне дослідження методів та моделей запобігання помпажним явищам для системи керування газотурбінного двигуна.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методів і моделей ранньої діагностики виникнення та розвитку помпажних процесів для системи автоматичного керування двигуна.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- виконати аналіз ефективності існуючих методів виявлення розвитку газодинамічної нестійкості у турбокомпресорі, реалізованих у системах захисту двигуна від помпажу та обертового зриву;

- провести частотний аналіз сигналу тиску повітря за компресором при виникненні помпажу і обертового зриву, виконати аналіз фільтруючих властивостей вейвлетів, на підставі якого вибрати тип вейвлету і параметри вейвлет-перетворення;

- провести порівняльний аналіз ефективності різних дискримінантних ознак при вирішенні задачі раннього діагностування розвитку зривних процесів у двигуні;

- розробити метод раннього виявлення зривних процесів у двигуні за допомогою вейвлет-аналізу сигналів вимірювальних систем і безрозмірних амплітудних дискримінантів;

- побудувати модель перехідних процесів двигуна «стабільний режим роботи - обертовий зрив - помпаж», вхідними параметрами якої є дискримінантні ознаки, що описують поводження вейвлет-коефіцієнтів сигналів вимірювальних систем на обраному масштабі;

- побудувати модель модуля запобігання помпажу для систем автоматичного керування двигуном;

- розробити програмне забезпечення для аналізу нестаціонарних сигналів у програмно-апаратному комплексі (ПАК) «WinПОС»;

- одержати експериментальне підтвердження ефективності розробленого комплексу програмних засобів для даних стендових випробувань двигуна.

Об'єкт дослідження - процес виникнення газодинамічної нестійкості у турбокомпресорі під час керування газотурбінним двигуном (ГТД).

Предмет дослідження - методи і моделі виявлення помпажних явищ системою автоматичного керування двигуном.

Методи дослідження: для дослідження фізики процесу виникнення зривних процесів було використано методи швидкого перетворення Фур'є; для виявлення частотних особливостей сигналів - метод вейвлет-аналізу; для аналізу розподілів вейвлет-коефіцієнтів - методи математичної статистики; для моделювання перехідних процесів, що виникають під час керування роботою двигуна - штучні нейронні мережі (карти Кохонена, що самоорганізуються).

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше запропоновано модель модуля запобігання помпажним явищам у системі керування ГТД, що не допускає появи помпажу у турбокомпресорі завдяки ранньому виявленню розвитку зривних процесів;

- набув подальшого розвитку метод діагностування зривних процесів двигуна для САКД на основі обчислення статистичних характеристик розподілу вейвлет-коефіцієнтів сигналів вимірювальних систем шляхом використання S-дискримінанту. Розроблена модифікація дозволяє з високим ступенем достовірності за певних граничних умов визначити початок розвитку помпажних явищ у турбокомпресорі ГТД;

- отримав подальший розвиток метод обчислення S_дискримінанту, що дає можливість діагностувати зривні процеси у режимі реального часу навіть за умов відсутності попередньо зареєстрованих вимірювань на етапі нормальної роботи двигуна.

Практичне значення результатів. Розроблені методи, моделі та програмне забезпечення можливо використовувати для дослідження та моделювання явищ нестійкої течії у газоповітряному тракті двигуна, розробки модулів діагностування та запобігання помпажу для САКД, аналізу особливостей нестаціонарних сигналів, побудови моделей складних систем та процесів, діагностування стану процесу, моделювання перехідних процесів у газоповітряному тракті ГТД, візуалізації багатовимірних даних.

Розроблені та досліджені у дисертації методи та моделі реалізовано у вигляді пакета прикладних програм, який впроваджено на ДП “Івченко_Прогрес”, Запорізькому національному технічному університеті (ЗНТУ), Запорізькому національному університеті, що підтверджують акти впровадження.

Наукові положення, висновки, рекомендації, викладені в дисертаційній роботі, були використані при підготовці курсів “Теорія прийняття рішень”, “Автоматизовані системи контролю та управління технологічними процесами”, “Математичні методи оптимізації та дослідження операцій” на кафедрі програмних засобів ЗНТУ, а також при підготовці курсів “Прикладна математика” для математичного факультету ЗНУ.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок автора полягає у тому, що наукові положення, висновки та рекомендації, які складають суть дисертаційної роботи, були сформульовані, розроблені та досліджені самостійно. У роботах, написаних у співавторстві, автору належить: [1] - вибір оптимальної модифікації серед карт Кохонена SOM для подальшої побудови моделі перехідних процесів ГТД у САКД; [2] - візуальний аналіз досліджуваних параметрів процесу за допомогою SOM, на прикладі дефектації лопаток ГТД; [3] - діагностування розвитку помпажу САКД на основі моделі перехідних процесів, отриманої за допомогою SOM, яка враховує поведінку сигналів вимірювальних систем двигуна, що визначають усталену роботу компресора; [4] - метод виявлення помпажних явищ на основі ВА і дискримінантних ознак для САКД; [5] - ідентифікація та виявлення помпажу у турбокомпресорі ГТД за допомогою SOM; [6] - порівняльний аналіз модифікацій SOM на основі якісних показників побудови моделі процесу; [7] - підвищення чутливості S-дискримінанту до виявлення зривних процесів за допомогою попередньої вейвлет-фільтрації сигналів двигуна; [8] - модифікація S-дискримінанту: формування опорної вибірки для сигналу тиску повітря за компресором, у відсутность зривних процесів; [9] -діагностування розвитку ГДН на основі ВА і карт Кохонена SOM; [10] - методи та моделі виявлення розвитку ГДН у турбокомпресорі для запобігання помпажним явищам системами автоматичного керування двигуна.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на міжнародних конференціях: на IX Всеросійській науково-технічній сесії у МІФІ «Нейроинформатика-2007» (Москва, 2007); на молодіжній науково-практичній конференції «Молодежь в авиации: новые решения и перспективные технологии» (Алушта, 2007); на конференції «Новые материалы и технологии в авиационной и ракетно-космической технике» (Корольов, 2007); на молодіжній науково-практичній конференції «Молодежь в авиации: новые решения и перспективные технологии» (Алушта, 2008); на конференції «Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science» (Львів, 2008); на X Всеросійській науково-технічній сесії у МІФІ «Нейроинформатика-2008» (Москва, 2008).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 10 друкованих праць, у тому числі 4 статті у виданнях, які входять до переліків, затверджених ВАК України, 6 публікацій у збірниках праць наукових конференцій.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із переліку умовних позначень, вступу, 6 розділів основного змісту, висновків, переліку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації 195 сторінок. Робота містить 80 рисунків на 32 сторінках, 4 таблиці на 2 сторінках, 94 джерела використаної літератури на 10 сторінках, 9 додатків на 34 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету роботи, поставлено завдання дослідження, визначено наукову новизну дисертаційної роботи та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі проведено огляд методів діагностування розвитку газодинамічної нестійкості, реалізованих у сучасних системах захисту газотурбінного двигуна від помпажу та обертового зриву. Показано, що існуючі на сьогоднішній день електронні САКД забезпечують виявлення особливо небезпечних джерел ГДН у турбокомпресорі та автоматичне відновлення режиму роботи двигуна після усунення помпажу. Однак робота таких систем не спрямована на виявлення провісників зривних процесів і запобігання їх виникненню у турбокомпресорі ГТД. Порівняльний аналіз ефективності методів діагностування розвитку зривних процесів на основі вейвлет-аналізу (ВА) і стандартних методів, реалізованих у вигляді спрощених моделей сигналізаторів помпажу типу ПС, ПС-2-7 і ДОЛ, показав, що найбільш оперативно початок обертового зриву визначає метод обчислення статистичних моментів розподілу вейвлет-коефіцієнтів (ВК) для сигналу тиску повітря за компресором (Р_квт). У висновках до розділу визначено завдання дисертаційної роботи, вирішення яких дозволяє підвищити ефективність даного методу та побудувати модель модуля запобігання помпажу (МЗП) в САКД.

У другому розділі проводиться вибір параметрів вейвлет-перетворення на основі дослідження фільтруючих властивостей вейвлетів, настроюваних з урахуванням амплітудно-частотних характеристик (АЧХ) сигналу P_квт Результати обробки сигналу тиску повітря за компресором за участю швидкого перетворення Фур'є (ШПФ) показали, що при наближення до часового вікна на початку зривних процесів спостерігається поступове збільшення потужностей частотних складових в областях 10 Гц (помпаж) і 100 Гц (обертовий зрив). Для подальшого дослідження були обрані відомі вейвлети Добеші, Симлета, Койфлета і дискретний вейвлет Мейєра (порядок вейвлетів ), що дають можливість застосування алгоритму Маала. Аналіз Фур'є_образів цих вейвлет-фільтрів показав, що необхідним частотним діапазонам відповідають рівні розкладання від 7 по 10 (при часі дискретизації Дt = 0.47 мс). Крім того, порядок вейвлетів є еквівалентом характеристики зрізу смуги пропускання фільтра, із збільшенням якого кут зрізу смуги пропускання зменшується (якість фільтрації зростає). Однак при цьому збільшується час обробки сигналу. На основі АЧХ вейвлет-фільтрів запропоновано схему вибору параметрів вейвлет-перетворення, за якою при фільтрації для частоти близько 100 Гц (Дt = 0.47 мс) були обрані вейвлети db2, sym2 на 7-му рівні розкладання (відповідно до швидкості вейвлет-перетворення).

За допомогою стандартного відхилення () на визначених рівнях було оцінено поведінку ВК деталізації для сигналу P_квт. При цьому значення параметру при виникненні помпажних явищ має більші значення для вейвлетів низьких порядків.

Крім того, частотне представлення ВК сигналу P_квт вейвлетів першого та другого порядків (особливо db2/sym2) на 7-му рівні дозволяє виявити зростання потужностей у частотних областях, що є характерним для помпажу та обертового зриву. Отримані результати дозволяють провести подальше дослідження за допомогою вейвлету db2 (при значенні Дt = 0.47 мс на 7-му рівні розкладання).

У третьому розділі для розв'язки ВК від абсолютних значень характеристик вимірюваних параметрів при виявленні зривних процесів турбокомпресора запропоновано підхід на основі S-дискримінанту. У роботі використовується найбільш простий і ефективний у реалізації безрозмірний амплітудний індекс перевищення порога кліпування P по “дисперсії”:

де koef_i^(t), koef_j⁽ⁿ⁾ - ВК на рівні level для поточного та опорного (еталонного) стану об'єкта відповідно;

K^(t), K⁽ⁿ⁾ - кількість відліків амплітудних значень ВК сигналу, які перевищують заданий поріг P у поточному та еталонному режимі функцонування обладнання;

N - кількість ВК на рівні level;

_n - стандартне відхилення опорного розподілу ВК сигналу від середнього значення, що відповідає нормальній роботі двигуна.

При виникненні передпомпажної ситуації I_d >> 1.

Для формування порогу кліпування P відповідно до поточного стану процесу було розроблено процедуру обчислення опорного сигналу за допомогою правила корекції синаптичних ваг карт Кохонена SOM під час навчання:

(1)

де b - обраний з певною ймовірністю вектор з набору даних;

w_j(t) - вагове значення нейрона j у момент t;

w_j(t + 1) - вагове значення нейрона j після кориґування;

(t) - параметр швидкості навчання;

h_j,c(t) - функція сусідства із центром у нейроні-переможці.

Результати обчислення значень параметрів ексцесу та асиметрії для ВК сигналу P_квт свідчать про те, що отриманий розподіл ВК на 7-му рівні розкладання (коли Дt = 0.47 мc) є близьким до нормального за умов відсутності зривних процесів. Отже, ймовірність появи відхилення параметрів процесу від середнього значення залежить від його відношення до параметру д. Тому наступна умова буде вказувати на еталонний режим функціонування турбокомпресора:

(2)

де - стандартне відхилення для { koef^t_i,level };

МО - математичне очікування для { koef^t_i,level };

{ koef^t_i,level } - сукупність ВК на рівні розкладання level;

level - рівень розкладання вейвлет-коефіцієнтів level;

a - параметр настроювання, що приймає значення від 1 до 3.

Згідно із (1) як параметр b будемо розглядати математичне очікування сукупності ВК { koef^t_i,level }; w_j(t) - позначає поточний розподіл ВК; w_j(t+1) - відкоректоване положення ВК, яке у порівнянні з w_j(t) ближче до еталонного стану процесу.

Таким чином, для формування порогу P необхідно виконати такі етапи:

Етап 1. Обчислити значення параметрів МО та у для ВК koef^t_j,level сигналу на обраному масштабі level.

Етап 2. Задати початкові значення для формування опорної вибірки розподілу ВК деталізації: koefⁿ_1,level = koef^t_1,level.

Етап 3. Задати початкове значення для кількості обчислювальних операцій: inc=1.

Етап 4. Задати початкове значення для j=1.

Етап 5. Перевірити виконання умови (2); якщо вона виконується, перейти на етап 6, якщо ні - зміщення векторів koef^t_j,level відбувається відповідно до умов (3) або (4):

, (3)

, (4)

Етап 6. Збільшити на одиницю кількість обчислювальних операцій: inc=inc+1.

Етап 7. Перерахувати значення MO і д для ВК опорної вибірки за новими значеннями koefⁿ_j,level.

Етап 8. Якщо розглянуті усі ВК, перейти на етап 9; якщо ні, то j=j+1, перейти на етап 5.

Етап 9. Обчислити середньоквадратичне відхилення для опорної вибірки: газодинамічний нестійкість турбокомпресор дискримінантний



Етап 10. Обчислити значення порогу кліпування: P=лд_n.

Наведена модифікація дозволяє застосовувати розглянутий підхід за відсутності заздалегідь відомого опорного сигналу, що дає можливість використання методу на основі ВА та S-дискримінанту для діагностування розвитку зривних процесів у турбокомпресорі ГТД. На відміну від статистичних моментів S-дискримінант дозволяє визначити певні граничні умови, перевищення яких свідчить про втрату газодинамічної стійкості і надає можливість САКД вчасно завадити поширенню помпажних явищ у двигуні.

У четвертому розділі для аналізу помпажних явищ з урахуванням тих сигналів вимірювальних систем, що характеризують стійкість роботи турбокомпресора, використано метод карт Кохонена SOM. На основі порівняння поширених модифікацій цього методу для дослідження був обраний Regularity SOM, що характеризується оптимальним співвідношенням похибок MSE та TPE по навчанню. Вхідними параметрами моделі було прийнято параметри I_d для ВК(P_квт) і у для ВК сигналів тиску повітря на вході в компресор (Р_вх), частот обертань роторів високого (n_вт) та низького тиску (n_нт). На вихід надходила інформація про наявність зривних процесів у ГТД: стабільний режим роботи; помпаж; обертовий зрив. По закінченні навчання для кожного нейрону карти додатково визначалися відстані до найближчої границі забороненої зони R, а на карті формувались зони, що відповідали перехідним процесам у газоповітряному тракті ГТД.

Якщо навчаюча вибірка мала інформацію тільки стосовно нормальної роботи двигуна, робота Regularity SOM була спрямована виключно на виявлення розвитку ГДН у турбокомпресорі.

Розроблені методи та отримана модель перехідних процесів «стабільна робота двигуна - обертовий зрив - помпаж» дозволили побудувати моделі модулів діагностування (МДП_м) та запобігання помпажу (МЗП_м) у САКД:

де Wc - ваговий вектор нейрону переможця мережі SOM;

State - стан двигуна, що виявляється через SOM;

State*, R* - невідомі параметри, значення яких знаходяться за допомогою порівняння вхідного вектору з усіма ваговими векторами кодової книги;

П - сукупність програм регулювання по запобіганню помпажу в САКД;

M - загальна кількість програм регулювання;

S - сукупність сигналів вимірювальних систем двигуна;

ц - похибка вимірювальних систем двигуна.

Запобігання розвитку зривним процесам у турбокомпресорі ГТД досягається завдяки роботі МЗП, що пов'язує результати від МДП із компонентами регулювання. На основі аналізу сигналів вимірювальних систем двигуна та результуючого сигналу від МДП формується керуючий вплив на блок регулювання, що включає клапан перепуску повітря (КПП), насос-регулятор (НР) та поворот вхідного напрямного аппарату (ВНА).

Для КПП усунення помпажних явищ виконується згідно з наступними програмами П_j:

;

;

де Р*_ВХ - тиск повітря на вході в двигун;

б_РУД - кут нахилу ВНА;

T*_ВХ - температура повітря на вході в двигун;

- ступінь підвищення тиску за компресором.

Керування ВНА здійснюється за програмами:

; ;

Крім того, зрив компресора супроводжується зростанням витрати палива та збільшенням температури, тому необхідним є виконання однієї з програм підтримки витрат палива за зовнішніми та внутрішніми параметрами, яке здійснюється за допомогою НР:

а) на перехідних режимах керування витратою палива G_T реалізується за програмами:

;

; ;

б) на режимах запуску програми керування витратою палива за внутрішніми параметрами двигуна мають вигляд:

; ;

; ;

де G_TПР - приведене значення параметра витрати палива.

Перелічені компоненти регулювання спільно із МДП_м становлять модель МЗП у САКД. За рахунок раннього виявлення розвитку дозволяє запобігти виникненню помпажу у турбокомпресорі ГТД зривних процесів МЗП.

У п'ятому розділі наведено експериментальні результати помпажу за допомогою розроблених методів і моделей. На базі ПАК “WinПОС” при стендових іспитах ГТД розробки ДП «Івченко-Прогрес» для збору вхідних даних було здійснено реєстрацію сигналів основних параметрів двигуна, які відображають рівень ГДН турбокомпресора ГТД АІ-222 (АІ_222-25). За проведеними випробуваннями були отримані такі результати.

Діагностування зривних процесів на основі S-дискримінанту та ВА дозволяє виявити розвиток ГДН за 4.59 мс з початку надходження сигналу про обертовий зрив від моделі датчика типу ДОЛ-32 (на 0.72159 с) і збігається із збільшенням значень коефіцієнтів ексцесу та асиметрії в області 0.717 с.

Крім того, логарифмування цих параметрів до початку помпажу, протягом перехідних процесів і при одиничному викиді значення сигналу Р_квт свідчить про те, що найменший рівень шуму серед дискримінантних ознак має S-дискримінант (індекс I_d). Проведені обчислення безрозмірних амплітудних індексів I_d на 6-му та 8-му рівнях вейвлет-розкладання сигналу Р_квт, підтвердили правильність обраного масштабу для цього дослідження: максимальні амплітудні значення упродовж зривних процесів характерні для 7-го рівня, а найменший і найбільші рівні шуму у розподілах дискримінантів відповідають 6-му і 8-му рівням.

Для оцінки інших сигналів вимірювальних систем двигуна (P_вх, n_вт, n_нт) були обрані параметри у для ВК на 10-му, 7-му та 1-му рівнях розкладання, де ВК попередньо набували достатньо великих значень при виникненні помпажу. Модель Regularity SOM після навчання на основі сигналів n_нд, n_вд, Р_вх, Р_квт (із попередньою вейвлет-фільтрацією і застосуванням S-дискримінанту та середньоквадратичного відхилення до розподілу ВК) дозволяє визначити появу ГДН у роботі компресора ГТД раніше від моделей сигналізаторів помпажу типу ПС (ПС_2_7, ДОЛ). Якщо карта навчалась тільки на тих прикладах, для яких була характерна відсутність зривних процесів, то змінення похибки апроксимації MSE за даними стендових випробувань ГТД АІ-222 починало зростати за 250 мс до початку розвитку зривних процесів. Це дозволяє зробити висновок, що розглянута характеристика може бути використана не тільки для контролю за адекватністю моделі перехідних процесів ГТД фізичним процесам, а і для раннього діагностування розвитку явищ нестійкої течії у газоповітряному тракті ГТД.

Для побудови моделі перехідних процесів «стабільна робота двигуна - обертовий зрив - помпаж» в набор навчаючої множини увійшли приклади із розвитком помпажних явищ при роботі компресора.

За результатами навчання були сформовані кольорові розподіли карт досліджуваних параметрів процесу. Карта стану містила дві «заборонені зони»: помпажу та обертового зриву. Після навчання для кожного нейрону карти були обчислені відстані R до найближчої із небезпечних зон. Згідно із траєкторією руху робочої точки по карті стану стабільна робота двигуна була порушена обертовим зривом у турбокомпресорі ГТД, який потім перейшов у глибокий помпаж. При цьому значення R наближувались до 1 за 250 мс до початку надходження сигналу про помпаж від логарифмованого датчика типу ДОЛ-32.

У шостому розділі наведено програмну реалізацію розроблених методів та моделей у середовищах FreeMat і Lasarus, а також в ПАК «WinПОС». Розроблений комплекс прикладних програм дозволяє досліджувати явища нестійкої течії в газоповітряному тракті двигуна та реалізує такі функції:

- дослідження помпажних явищ за допомогою аналізу АЧХ сигналів вимірювальних систем двигуна;

- аналіз фільтруючих властивостей вейвлетів і процедура вибору параметрів вейвлет-перетворення;

- дослідження процесів на основі ВА сигналів вимірювальних систем двигуна;

- реалізація спрощених моделей сигналізаторів помпажу типу ПС, ПС-2-7, ДОЛ;

- діагностування розвитку швидкозмінних нестаціонарних процесів (типу помпажу та обертового зриву) за результатами обчислення параметрів ексцесу, асиметрії, стандартного відхилення та модифікованого S-дискримінанту для розподілу ВК сигналів вимірювальних систем двигуна.

- моделювання і діагностування станів процесів та систем за допомогою розробленого програмного забезпечення (ПЗ) «Control & Diagnostics System”, що реалізує метод Regularity SOM. За допомогою побудови карт параметрів досліджуваного процесу необхідні показники та їх взаємодія можуть розглядатися одночасно. У режимі діагностування ПЗ дозволяє слідкувати за траєкторією переміщення робочої точки по обраним картам параметрів перехідних процесів та визначати виникнення позаштатної ситуації (наприклад, помпажу) через збільшення похибки апроксимації MSE. Здійснювати оцінку адекватності роботи модуля діагностування помпажу можна за допомогою аналізу динаміки змінення параметру MSE.

Комплекс розроблених програм впроваджено на ДП “Івченко-Прогрес” для дослідження явищ нестійкої течії (типу помпажу та обертового зриву), що виникають під час керування ГТД.

У додатках наведено характеристику джерел ГДН у турбомашинах; результати аналізу АЧХ вейвлет-фільтрів і сигналу Р_квт упродовж помпажу; результати експериментального дослідження явищ нестійкої течії у газоповітряному тракті ГТД АІ-222 (АІ-222-25) в ПАК «WinПОС»; характеристики вільно розповсюджуваного ПЗ, що реалізують метод карт Кохонена SOM; опис параметрів ШПФ; акти впровадження.

Висновки

У дисертаційній роботі представлені результати розробки методів та моделей запобігання помпажним явищам для САКД за умов вчасного виявлення розвитку явищ нестійкої течії у газоповітряному тракті ГТД. Проведені дослідження дозволяють зробити такі висновки.

1. При наближенні до зони помпажу під час керування двигуном поступово збільшуються потужності частотних складових сигналів тиску повітря за компресором в областях 10 Гц (помпаж) і 100 Гц (обертовий зрив). Для вибору найбільш ефективного вейвлета, що найкращим способом пояснює фізику помпажного процесу і має високу швидкість та вибірковість по частоті, були досліджені вейвлети Добеші, Симлета, Койфлета та дискретного вейвлету Мейєра За результатами аналізу АЧХ цих вейвлетів розроблено процедуру вибору параметрів вейвлет-перетворення, за якою найкраще представлення зривним процесам надають вейвлети Добеші і Симлета 2-го порядку на 7-му рівні розкладання (час дискретизації 0.47 мс) через чутливість до зростання потужностей у частотних областях, характерних для помпажу та обертового зриву.

2. Набув подальшого розвитку метод діагностування зривних процесів для САКД на основі обчислення статистичних характеристик розподілу вейвлет-коефіцієнтів сигналів вимірювальних систем через використання S-дискримінанту. На відміну від статистичних моментів S_дискримінант дозволяє визначити певні граничні умови, перевищення яких свідчить про втрату газодинамічної стійкості, і надає можливість САКД вчасно завадити поширенню помпажних явищ у двигуні. У порівнянні із стандартними датчиками помпажу, цей метод дозволяє виявити розвиток газодинамічної нестійкості за 4.59 мс до початку надходження сигналу про обертовий зрив від спрощеної моделі типу ДОЛ.

3. Набув подальшого розвитку метод обчислення S-дискримінанту, що дає можливість його використання для діагностування зривних процесів у реальному часі навіть за відсутності попередньо сформованих вимірювань на етапі нормальної роботи двигуна. Здійснена модифікація із меншим рівнем шуму (серед коефіцієнтів ексцесу та асиметрії) та високим ступенем достовірності дозволяє визначити початок розвитку помпажних явищ у турбокомпресорі ГТД.

4. На основі запропонованих методів розроблено модель перехідних процесів у газоповітряному тракті ГТД, вхідними параметрами якої є сигнали вимірювальних систем двигуна (із попередньою вейвлет-фільтрацією), що визначають усталену роботу турбокомпресора. Отримана модель дозволяє побудувати модуль діагностування помпажу у САКД. Протягом усього часу дослідження появу обертового зриву МДП виявляє за 250 мс до початку надходження сигналу про помпажні явища від ДОЛ.

5. Вперше запропоновано модель модуля запобігання помпажним явищам у системі керування ГТД, що дозволяє запобігати небезпечним явищам типу помпаж завдяки ранньому виявленню розвитку зривних процесів модулем діагностування помпажу.

6. Розроблене на основі даних методів і моделей програмне забезпечення можливо використовувати для дослідження і моделювання явищ нестійкої течії у системі керування ГТД, діагностування зривних процесів, аналізу особливостей нестаціонарних сигналів, побудови моделей складних систем та процесів, діагностування стану процесу, візуалізації багатовимірних параметрів систем.

7. Результати проведеного експериментального дослідження свідчать про те, що розроблені методи та моделі із високою швидкодією та ступенем достовірності фіксують помпажні явища та випереджають сигнал, що надходить від штатного датчику логарифмованого типу ДОЛ. Ефективність наведених розробок дозволяє рекомендувати їх для використання на практиці.

Розроблені методи та моделі запобігання помпажним явищам у системі керування авіаційного газотурбінного двигуна базуються на аналізі сигналів вимірювальних систем ГТД АІ_222, АІ-222-25.

Перелік опублікованих робіт з теми дисертації

1.Киприч Т.В. Анализ модификаций самоорганизующихся карт Кохонена по критериям регулярности и точности аппроксимации / Т.В. Киприч, В.И. Дубровин // Радиоэлектроника. Информатика. Управление. - 2007. - № 2. - С. 96 - 99.

2.Киприч Т.В. Визуальный анализ бракованных лопаток ГТД методом упругих карт / Т.В. Киприч, В.И. Дубровин // Механіка та машинобудування. - 2006. - № 1. - С. 121 - 126.

3.Киприч Т.В. Обнаружение помпажа двигателя с помощью самоорганизующихся карт Кохонена / Т.В. Киприч, В.И. Дубровин // Радіоелектроніка та інформатика. - 2007. - № 2. - C. 60 - 62.

4.Киприч Т.В. Контроль помпажных явлений ГТД на основе вейвлет-анализа и дискриминантых признаков / Т.В. Киприч, В.И. Дубровин // Вестник двигателестроения. - 2008. - № 1. - С. 166 - 169.

5.Киприч Т.В. Исследование помпажа двигателя самоорганизующимися картами Кохонена / Т.В. Киприч, В.И. Дубровин // Молодежь в авиации: новые решения и перспективные технологии: междунар. молодежная научно-практ. конф., 15-18 мая, 2007 г.: сб. материалов. -

Алушта, 2007. - С. 54 - 56.

6.Киприч Т.В. Исследование дилеммы «регулярность-точность» алгоритмами самоорганизующихся карт Кохонена / Т.В. Киприч, В.И. Дубровин // Нейроинформатика-2007: научная сессия МИФИ-2007 IX Всероссийской науч.-техн. конф., 23-26 янв. 2007 г.: сб. науч. трудов. В 3-ч частях. Ч.3. - М., 2007. - С. 199 - 205.

7.Киприч Т.В. Диагностика помпажа ГТД на основе модифицированного алгоритма вычисления S-дискириминанта / Т.В. Киприч, В.И. Дубровин // Нейроинформатика-2008: научная сессия МИФИ-2008 X Всероссийской науч.-техн. конф., 22-25 янв. 2008 г.: сб. науч. трудов. В 2-ч частях. Ч.1. - М., 2008. - С. 15.

8.Keeprich Tanya. Diagnostics of surge effects for gas-turbine engine by the modificated S-discriminant's algorithm and wavelet-analysis / Tanya Keeprich, Valeriy Dubrovin, Mikhail Lyusin // TCSET'2008: Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science: Proceedings of the International Conference, 19-23 February 2008: Lviv-Slavsko, 2008. - P. 494.

9.Киприч Т.В. Диагностика помпажа двигателя на основе вейвлет-анализа и самоорганизующихся карт Кохонена / Т.В. Киприч, В.И. Дубровин // Новые материалы и технологии в авиационной и ракетно-космической технике, 23-25 окт., 2007 г.: тезисы докл. В 2-х частях. Ч.1. - Королев, 2007. - С. 40 - 41.

10.Киприч Т.В. Методы и модели обнаружения помпажных явлений / Т.В. Киприч В.И. Колесников, В.Н Харитонов, В.И. Дубровин // Молодежь в авиации: новые решения и перспективные технологии: междунар. молодежная научно-практ. конф., 12-16 мая, 2008 г.: сб. материалов. - Алушта, 2008. - С. 49 - 52.

Анотація

Кіпріч Т.В. Методи та моделі запобігання помпажним явищам у системі керування газотурбінного двигуна. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.03 - системи і процеси керування. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2008.

Дисертацію присвячено розробці методів і моделей запобігання помпажним явищам для САКД. Розроблено метод діагностування помпажу на основі ВА і S-дискримінанту, що дозволяє з високим степенем достовірності визначати розвиток ГДН у турбокомпресорі. Розроблено модель перехідних процесів «стабільна робота двигуна - обертовий зрив - помпаж», що дозволяє визначити втрату ГДС на 250 мс раніше від датчика типу ДОЛ. Перелічені методи і модель перехідних процесів утворюють модуль діагностування помпажу, який спільно із компонентами регулювання входять до загальної моделі модуля запобігання помпажу у САКД. Ефективність розроблених методів та моделей підтверджено результатами їх впровадження.

Ключові слова: газотурбінний двигун, система керування, помпаж, обертовий зрив, вейвлет-аналіз, модуль запобігання помпажу, модуль діагностування помпажу.

Аннотация

Киприч Т.В. Методы и модели предотвращения помпажных явлений в системе управления газотурбинного двигателя. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.03 - системы и процессы управления. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2008.

Диссертационная работа посвящена разработке методов и моделей предотвращения помпажных явлений для систем автоматического управления двигателя (САУД).

Существующие на сегодняшний день САУД позволяют обнаружить процесс неустойчивой работы компрессора и автоматически вывести компрессор из газодинамической неустойчивости, однако они не предусматривают возможность предотвращения помпажных явлений в турбомашинах. Одним из подходов раннего диагностирования срывных процессов является использование метода вейвлет-анализа для обработки временных и амплитудно-частотных характеристик сигналов измерительных систем двигателя. В диссертационной работе решен ряд задач для повышения эффективности этого подхода при построении модели модуля предотвращения помпажа в САУД.

На основе анализа амплитудно-частотных характеристик вейвлет-фильтров и сигнала давления воздуха за компрессором построена процедура выбора параметров вейвлет-преобразования. С помощью данной процедуры для обнаружения срывных процессов системами автоматического управления двигателей были выбраны вейвлет Добеши 2 и 7-й уровень разложения (при времени дискретизации 0.47 мс). Модифицирован метод диагностирования помпажа на основе статистических моментов распределения вейвлет-коэффициентов сигналов измерительных систем ГТД. Введение в метод S-дискриминанта позволило с небольшим уровнем шума и определенными граничными условиями определить начало развития газодинамической неустойчивости в турбокомпрессоре газотурбинного двигателя (ГТД).

Для этого предложена соответствующая модификация метода вычисления S-дискриминанта, которая позволяет диагностировать возникновение срывных процессов даже при отсутствии заранее сформированных измерений на этапе стабильной работы ГТД. С помощью данного метода возникновение газодинамической неустойчивости было определено на 4.59 мс раньше моделей стандартных сигнализаторов помпажа типа ПС (ПС-2-7, ДОЛ). Кроме того, среди коэффициентов эксцесса и асимметрии для распределения вейвлет-коэффициентов сигнала давления воздуха за компрессором, S-дискриминант обладает наибольшим уровнем помехоустойчивости.

На основе вейвлет-фильтрации и модификации метода самоорганизующихся карт Кохонена (Regularity Self-organizing map) построена модель переходных процессов «стабильная работа двигателя - вращающийся срыв - помпаж». Входными параметрами этой модели являются статистические характеристики распределения вейвлет-коэффициентов сигналов измерительных систем двигателя, характеризующих устойчивую работу турбокомпрессора. На этапе обучения использовались данные стендовых испытаний ГТД АИ-222. Полученная в результате модель переходных процессов в газовоздушном тракте ГТД диагностирует развитие газодинамической неустойчивости на 250 мс раньше сигнализатора помпажа типа ПС. Кроме того, слежение за траекторией перемещения рабочей точки процесса позволяет определить расстояние до границы запрещенной области и предупредить развитие явлений неустойчивого течения воздуха в газовоздушном тракте ГТД (типа помпажа и вращающегося срыва) при приближении рабочей точки к области вращающегося срыва.

Приведенные методы и модель переходных процессов составляют модель модуля диагностирования помпажа (МДП). МДП совместно с компонентами регулирования образуют модель модуля предотвращения помпажа (МПП) в САУД. При обнаружении помпажа МПП формирует управляющее воздействие на блок противопомпажного регулирования, включающий антипомпажный клапан, насос-регулятор, б-регулирования входного направляющего аппарата. За счет раннего диагностирования развития срывных процессов МПП блокирует возможность возникновения помпажа в турбокомпрессоре ГТД.

Эффективность разработанных методов и моделей диагностирования срывных процессов для САУД подтверждена результатами их тестирования в виде пакета прикладных программ на базе программно-аппаратного комплекса “WinПОС” по данным стендовых испытаний ГТД АИ-222 (АИ-222-25).

Ключевые слова: газотурбинный двигатель, система управления, помпаж, вращающийся срыв, вейвлет-анализ, модуль предотвращения помпажа, модуль диагностирования помпажа.

Abstract

Keeprich T.V. Methods and models of surge effects protection in the gas-turbine engine control system. - Manuscript.

Dissertation for a candidate of technical science (Ph.D) degree in speciality 05.13.03 - systems and

processes of control. - Kharkiv National University of Radioelectronics, Kharkiv, 2008.

The dissertation is devoted to develop surge effects protection methods and models for the automatic control system of gas-turbine-engine (GTE ACS). The surge diagnosing method on the base of wavelet-analysis and S_discriminant is proposed. It allows detecting of gas-instability growth with high validity level. The transient process model of “stable engine behavior - stall _ surge” is given. It emerges gas-dynamic stability loss before DOL on 250 ms. Specified methods and model are formed the surge diagnosis module (SDM). SDM combined with regulative components generates model of surge prevention module (SPM) in the GTE ACS. Effectiveness of developed methods and models is vindicated by the results of their implementation.

Keywords: gas-turbine engine, control system, stall, surge, wavelet-analysis, surge diagnosis module, surge predictive module.

Размещено на Allbest.ru

...