Разработка и исследование информационной системы автоматизированного диагностирования ИНС в процессе стендовых испытаний тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.14, кандидат технических наук Прокошев, Илья Владимирович

• Прокошев, Илья Владимирович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Прокошев, Илья Владимирович

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНРШ

ВВЕДЕНИЕ

1. Анализ состояния вопроса и постановка задачи исследования

1.1. Анализ точностных характеристик современных ИНС 14 российского и зарубежного производства

1.2. Основные типы отказов ИНС

1.3. Анализ ИНС как объекта функционального контроля и 27 диагностирования

1.4. Методы компенсации погрешностей и восстановления 31 работоспособности ИНС

1.5. Характеристики методов функционального контроля и 33 диагностирования ИНС

1.6. Анализ состояния систем контроля и диагностики ИНС и 38 методов их модернизации

1.7. Анализ подходов к совершенствованию алгоритмического 41 обеспечения систем контроля и диагностирования ИНС

1.8. Постановка задач исследования

Выводы

2. Разработка алгоритмического обеспечения ИНС как объекта функционального контроля и диагностирования

2.1. Комплексная обработка информации в ИНС на основе 50 алгоритмов фильтрации

2.2. Построение обобщенной математической модели ИНС как 54 объекта контроля и диагностирования

2.3. Разработка модели ошибок ИНС

2.4. Разработка алгоритмов наблюдения ошибок ИНС

Выводы

3. Разработка методов и алгоритмов диагностирования ИНС при стендовых испытаниях

3.1. Разработка адаптивной модели погрешностей ИНС

3.2. Методы оптимального сглаживания оценок ошибок ИНС при 80 стендовых испытаниях

3.3. Модернизация алгоритмического обеспечения встроенной 85 системы контроля ИНС

3.4. Разработка алгоритмов диагностирования ИНС на основе 90 совместных процедур оптимальной фильтрации и сглаживания экспериментальных данных

Выводы

4. Экспериментальная отработка и реализация алгоритмов диагностирования ИНС в процессе стендовых испытаний

4.1. Анализ эффективности автоматизированных систем контроля 98 ИНС

4.2. Характеристики технологического процесса испытаний 100 современной ИНС

4.3. Разработка методики математической отработки алгоритмов 105 оценивания состояния и диагностирования ИНС

4.4. Экспериментальные исследования алгоритмов 113 диагностирования ИНС на математической модели

4.5. Программно-математическое и аппаратное обеспечение 122 стендовой отработки алгоритмов оценивания параметров состояния и диагностирования ИНС

4.6. Стендовая отработка алгоритмов оценивания и 126 диагностирования ИНС

Выводы

5. Методы повышения точности и компенсации погрешностей ИНС

5.1. Параметрическая идентификация моделей ошибок ИНС 136 по текущему состоянию чувствительных элементов

5.2. Разработка автоматизированной системы информационной под- 139 держки функционального контроля ИНС

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование информационной системы автоматизированного диагностирования ИНС в процессе стендовых испытаний»

Современные инерциальные навигационные системы (ИНС) являются сложными и дорогостоящими техническими изделиями. Эффективность их использования во многом определяется качеством, которое формируется в процессе проектирования, реализуется при изготовлении и поддерживается на этапе эксплуатации. Современные ИНС позволяют определять параметры навигации и ориентации высокоманевренных ЛА в цифровом виде и представляют собой сложные измерительные системы, включающие блоки гироскопов и акселерометров, а также бортовой вычислитель, выполняющий обработку информации.

Для своевременного обнаружения и локализации нарушений, как в производственных условиях, так и в эксплуатации возникает необходимость совершенствования систем контроля и диагностирования ИНС, направленных на повышение уровня их надежности и сокращение материальных, людских и временных затрат. Возможность решения указанной задачи связана, прежде всего, с использованием современных методов комплексной обработки информации, а также математических моделей и статистических данных для повышения достоверности обнаружения и локализации отказов.

Стендовые испытания ИНС являются заключительным и наиболее важным этапом их серийного производства. При этом контроль и диагностирование систем проводится традиционными методами, основанными на моделях дефектов сигнального типа. Внедрение новых информационных и компьютерных технологий в практику авиационного приборостроения требует адекватного развития методов стендового контроля и диагностирования модернизируемых ИНС. Такие возможности связываются с разработками систем контроля и диагностирования, направленными на использование современных методов комплексной обработки информации, а также математических моделей и статистических данных для повышения достоверности обнаружения и локализации отказов.

В современной практике информационная часть диагностирования авиационной техники (AT), т.е. анализ и обработка стендовой информации, принятие решения о техническом состоянии изделий, в том числе и в производстве ИНС реализуется человеком-оператором. По результатам сравнительного анализа полученных измерений с заданными предельными диапазонами изменения контролируемых параметров оценивается состояние ИНС .

Современное состояние вопроса систем автоматизированного контроля и диагностирования ИНС, а также реализация совершенствования их алгоритмического обеспечения изложены в трудах российских и зарубежных ученых [3, 4, 6, 7, 17, 20, 28, 37, 48, 77, 82] Бабича O.A., Гришина Ю.П., Казари-нова Ю.М, Дмитриева С.П, Колесова Н.В., Осипова A.B., Казакова И.Е., Артемьева В.М., Пешехонова В.Г., Потапова М.Д., Мироновского JT.A., Черно-дарова A.B., Бородкина Л.И, Зеновича А.Е., Миронова М.А., и др. Базовым в этом вопросе остается подход, основанный на обнаружении изменения свойств (разладки) ИНС как сложной динамической системы.

Применение автоматизированных систем контроля (АСК) ИНС обеспечивает повышение достоверности процессов передачи и обработки данных в информационно-управляющих системах. Анализ результатов функционирования АСК создает необходимые условия для совершенствования самого объекта контроля, т.е. уточнения его структуры и параметров, перестройки технологии производства, выбора оптимальных режимов работы и др.

Несмотря на переход к компьютерно-управляемым цифровым системам, остается проблема автоматизации сбора, хранения и обработки диагностической информации. В связи с этим актуальной является разработка концепции построения оболочки программного комплекса. Это связано со спецификой данных, получаемых в системах автоматизации испытаний, а также с применением различных типов систем управления базами данных. Проблемной остается задача объединения имеющихся заводских программных продуктов в единую структуру на базе информационного комплекса автоматизации диагностирования ИНС.

Актуальность темы диссертационной работы определяется необходимостью повышения эффективности обнаружения и локализации отказов ИНС на основе применения новых подходов к функциональному контролю и диагностированию на этапе производственных испытаний. Это предполагает разработку и исследование моделей, адекватно отражающих функционирование ИНС, и являющихся базовой основой алгоритмов стендовых систем диагностирования. Получаемая информация может быть использована инженерно-техническим составом для поддержки принятия технологических и управленческих решений для совершенствования стендовых испытаний ИНС, их доводки, а также обеспечения перехода на эксплуатацию по техническому состоянию.

Целью работы является разработка и исследование информационной системы автоматизированного диагностирования ИНС с целью повышения его достоверности, оперативности и глубины в процессе стендовых испытаний на основе совершенствования математических моделей ошибок, алгоритмов обнаружения и локализации нарушений, а также информационной поддержки технологических процессов.

Задачи исследования.

В соответствии с поставленной целью решалась задача параметрической локализации причин разладки, обнаруженной в процессе функционального контроля ИНС с помощью схемы наблюдения калмановского типа. Предлагаемая технология решения данной задачи включает следующие этапы: разработка базовой математической модели ИНС как объекта контроля и диагностирования; адаптация базовой системы уравнений ИНС к возможным нарушениям и дефектам в процессе стендовой отработки и построение на этой основе расширенного вектора состояния ИНС; разработка программно-математического комплекса, реализующего автоматизированный сбор и обработку информации по результатам стендовых испытаний; исследование эффективности функционирования разработанных алгоритмов оценивания технического состояния и диагностирования ИНС на математической модели и в процессе стендовых испытаний.

Методы исследованя. Выполненные в работе теоретические и экспериментальные исследования базируются на применении теории фильтрации и оценивания параметров состояния нелинейных динамических систем, теории оптимального сглаживания экспериментальных данных, теории решений, методов математической статистики и имитационного моделирования стохастических систем.

Научная новизна работы состоит в разработке структуры системы контроля и диагностирования ИНС в процессе стендовых испытаний, позволяющей оценивать техническое состояние на основе обработки наблюдений, как в реальном времени, так и после проведения испытаний.

Практическая ценность работы определяется прикладным характером проведенных исследований, направленных на расширение возможностей штатных систем контроля и диагностирования ИНС на основе модернизации их алгоритмического и программно-аппаратного обеспечения с применением современных компьютерных технологий. Разработанные методы, алгоритмы и программные продукты для серийно выпускаемых ИНС внедряются в ОАО «Раменский приборостроительный завод». Их применение позволяет не только автоматизировать процесс диагностирования современных ИНС, но и снижает продолжительность, трудоемкость и энергоемкость технологического цикла испытаний.

Достоверность полученных результатов подтверждается: применением фундаментальных положений, справедливость которых доказана ранее и проверена практикой, неоднократно апробированных методик и математических моделей, а также сходимостью результатов аналитических исследований, математического и полунатурного моделирования; проведением исследований на моделях, которые достаточно полно и адекватно отражают совокупность факторов, влияющих на моделируемый процесс.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах:

Международная конференция XI-th International Conference, "Knowledge - Dialogue - Solution", Bulgaria, 2005.

Международная научная конференция «Гагаринские чтения», 2003-2005.

Всероссийская научно-техническая конференция "Новые материалы и технологии", 2004-2005.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в следующих печатных трудах:

Прокошев И.В., Суминов В.М., Чернодаров А.В. Автоматизация диагностирования ИНС при стендовых испытаниях// Приборы, 2005, №12, с. 15-21.

Прокошев И.В., Суминов В.М. Технология диагностической идентификации технического состояния ИНС при стендовой отработке и эксплуатации// Технологии Приборостроения, 2005, №4, с.42-49.

I.V. Prokoshev, V.M. Suminov Diagnostics of inertial navigation system during bench tests, Xl-th International, Conférence "Knowledge-Dialogue-Solution", Varna, Bulgaria. 2005. V.2. Sofia: FOI-COMMERCE. 2005. - P.400-404.

Прокошев И.В. Разработка системы диагностирования инерциаль-ных навигационных систем// Научные труды «МАТИ», 2005, с. 148-153.

Прокошев И.В. Информационно-аналитический комплекс программ технической диагностики инерциальных навигационных систем// Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции "Новые Материалы и технологии", 2004, с. 102-103.

Прокошев И.В. Информационная система анализа технического состояния инерциальных навигационных систем// Тезисы докладов XXXI Межд. науч. конф. «Гагаринские чтения», 2005, с.62-63.

Прокошев И.В. Информационно-аналитическая система диагностики и прогнозирования технического состояния инерциальных навигационных систем// Тезисы докладов XXX Межд. науч. конф. «Гагаринские чтения», 2004, с. 93-94.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 111 наименований и приложе

Заключение диссертации по теме «Технология приборостроения», Прокошев, Илья Владимирович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведен анализ отечественных и зарубежных методов функционального контроля и диагностирования ИНС. Отработана классификация существующих методов повышения качества и достоверности диагностирования ИНС, позволившая выявить доминирующие подходы к разработке программно-математического обеспечения.

3. Разработана математическая модель ошибок современной платформенной ИНС для анализа ее технического состояния по параметрам наблюдений в процессе стендовых испытаний. Геодезически "привязанный" поворотный стол с известной угловой ориентацией рассматривался как эталонная база.

4. Разработаны алгоритмы диагностирования ИНС на основе применения расширенной модели ошибок. Предложен подход к повышению достоверности диагностирования ИНС в процессе стендовых испытаний, основанный на комплексировании процедур фильтрации и сглаживания. Диагностирование выполняется с глубиной до чувствительных элементов: акселерометров и гироскопов, на основе комбинированного критерия согласия % и процедур оптимального сглаживания, позволяющих уточнять оценки расширенного вектора состояния.

5. Обоснована необходимость модернизации технологии заводских испытаний современной инерциальной навигационной системы ИНС-2000 на основе диагностических алгоритмов, базирующихся на аппарате оптимальной фильтрации Калмана (ОФК). Обработка навигационной информации с использованием алгоритмов, основанных на применении аппарата теории ОФК, опирается на марковское представление случайных процессов, что позволяет использовать рекуррентные алгоритмы обработки информации в ИНС.

6. Разработана методика математической отработки алгоритмов оценивания состояния и диагностирования ИНС, позволяющая исследовать влияние реальных условий испытаний на эффективность функционирования предлагаемых алгоритмов. Приведены экспериментальные исследования алгоритмов диагностирования на математической модели, подтверждающие эффективность их применения для обнаружения отказов в процессе стендовых испытаний.

7. Разработана методика стендовой отработки алгоритмов оценивания состояния ИНС с учетом функциональных и конструктивных особенностей конкретной системы. Исследование разработанных алгоритмов выполнялось на испытательном стендовом комплексе системы ИНС-2000, разработанной в Раменском приборостроительном КБ и изготавливаемой на Раменском приборостроительном заводе. При стендовой отработке разработанного программно-математического обеспечения оценки состояния ИНС-2000 учитывались аппаратные особенности исследуемой платформенной системы

8. Результаты моделирования интегрированной системы оценивания состояния и диагностирования ИНС показывают, что применение поканальной фильтрации совместно с комбинированным критерием согласия х2 / позволяет обнаруживать сбои и отказы ИНС с глубиной до чувствительных элементов: гироскопов и акселерометров.

8. Разработана система информационной поддержки функционального контроля и диагностирования ИНС-2000 на этапе стендовых испытаний, позволяющая повысить полноту и оперативность выявления причин неисправностей ИНС по сравнению с имеющейся штатной системой контроля.

Программный комплекс DatalNS разработан в среде Borland С++ Builder 6.0. Применение технологии клиент-сервер совместно с технологией доступа к данным ADO позволило создать универсальные механизмы обработки информации о результатах испытаний систем под управлением различных типов СУБД.

Для обеспечения единого пользовательского интерфейса в разработанном программном комплексе DatalNS используется единая интегрированная среда, что потенциально обеспечивает полный набор функциональных возможностей для клиентов системы, включая ввод данных, вывод управляющих воздействий, обработку, хранение и отображение информации.

9. Внедрение разработанных методик и алгоритмов на ОАО «Раменский приборостроительный завод» позволяет добиться снижения продолжительности, трудоемкости и энергоемкости технологического цикла испытаний на 15.20%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Прокошев, Илья Владимирович, 2006 год

1. Авиационные приборы и навигационные системы/Под ред. О.А.Бабича. - М.: ВВИА им. Н.Е.Жуковского, 1981.ф 2. Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. Корректируемыесистемы. М.: Наука, 1967. 648 с.

2. Бабич O.A. Обработка информации в навигационных комплексах. -М.: Машиностроение, 1991.

3. Бабич O.A., Потапов М.Д. Точные математические модели инерциальных навигационных систем. В сб.: Научно-методические материалы по авиационным приборам и навигационным системам летательных аппаратов. - М.: ВВИА им. Н.Е.Жуковского, 1984.

4. Барзилович Е.Ю., Савенков М.В. Статистические методы оценки состояния авиационной техники. М.: Транспорт, 1987.

5. Биргер И.А. Техническая диагностика. М.: Машиностроение, 1978.ф 7. Бородкш Л.И., Моттль В.В. Алгоритмы обнаружения моментовизменения параметров уравнения случайного процесса//Автоматика и телемеханика, 1976, №10.

6. Бортовой комплекс радиоэлектронного оборудования бомбардировщика В-1В//Экспресс-информация ВИНИТИ. Серия "Авиастроение", 1985, №3.

7. Бортовой комплекс радиоэлектронного оборудования самолета F/A-18// Экспресс-информация ВИНИТИ. Серия "Авиастроение", 1986, №1.

8. Брайсон А.Е., Хо Ю Ши. Прикладная теория оптимального управления. -М.: Мир, 1972.1.. Бромберг П.В. Теория инерциальных систем навигации. М.: Наука, ГРФМЛ, 1979.

9. Буравлев А.И., Доценко Б.И., Казаков И.Е. Управление техническимсостоянием динамических систем. М.: Машиностроение, 1995.

10. Быстрое С.А. Распознавание отказов ГТД на основе их моделирования в гибридных экспертных системах. В сб.: Контроль и эксплуатация авиационного оборудования. Научно-методические материалы. Под ред. В.Н.Букова.- М.: ВВИА им. Н.Е.Жуковского, 1994.

11. Воронин В.В. Множество возможных дефектов и виды технических состояний. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2002. № 6, стр. 41-44.

12. Гильбо Е.П., Челпанов КБ. Обработка сигналов на основе упорядоченного выбора. -М.: Сов. Радио, 1975.-252с.16