Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ судовых дизельных установок как объектов технического диагностирования 11
1.1. Признаки, параметры и показатели технического состояния 11
1.2. Уровни проявления состояний судовых технических объектов и их взаимосвязь 21
1.3. Характеристики систем технического диагностирования 29
1.4. Цель и задачи исследований 32
Выводы по гл.1 35
2. Диагностические модели судовых дизелей 36
2.1. Классификация диагностических моделей судовых механизмов 36
2.2. Модель блока рабочих процессов 43
2.3. Модель блока движения 51
2.4. Анализ диагностических моделей судовых дизелей 54
Выводы по гл.2 59
3. Методы и алгоритмы диагностирования главных судовых дизелей 61
3.1. Основные методы оценки технического состояния на основе допускового контроля диагностических параметров 61
3.2. Метод индивидуальной функции состояния для оценки технического состояния 70
3.3. Постановка задачи нейросетевого моделирования судовых дизелей 75
3.4. Моделирование главных судовых дизелей с помощью многослойного персептрона 85
3.5. Применение самоорганизующейся карты признаков (СОК) для распознавания технического состояния судовых дизелей 95
Выводы по гл.З 107
4. Методика диагностирования судовых дизелей .. 109
4.1. Измерение и обработка результатов измерений диагностических параметров 109
4.2. Реализация диагностических моделей судовых дизелей путем имитационного моделирования 117
4.3. Нейросетевое моделирование для поддержки принятия решения о техническом состоянии дизелей 138
Выводы по гл.4 148
Основные результаты и выводы 150
Список использованных источников 154
Приложения П-1
- Признаки, параметры и показатели технического состояния
- Классификация диагностических моделей судовых механизмов
- Основные методы оценки технического состояния на основе допускового контроля диагностических параметров
- Измерение и обработка результатов измерений диагностических параметров
Введение к работе
Судовые дизельные установки (СДУ) представляют собой сложные комплексы, состоящие из многих подсистем и узлов. При эксплуатации в них происходят сложные химико-физические процессы и энергопреобразования. С другой стороны судовые дизельные установки в процессе эксплуатации могут подвергаться воздействиям вибрации, ударных нагрузок, влаги, соли, изменения температуры окружающей среды в широком диапазоне и т.д. Такие воздействия ускоряют процесс деградации деталей и узлов СДУ и уменьшают их надежность. Поддержание надежности работы СДУ во время автономного плавания судов не только обеспечивает безопасность судового экипажа и груза, но и увеличивает экономичность и эффективность эксплуатации судов. Эти цели могут быть достигнуты путем контроля работоспособности установок и своевременного обнаружения симптомов нарушения их нормальной работы. Это задача технического диагностирования СДУ при эксплуатации.
Техническая диагностика в общем случае может включать в себя одну или несколько из следующих задач [47]:
определение технического состояния (работоспособности) объекта;
поиск возникшего дефекта;
прогнозирование изменения технического состояния объекта.
Рис. 1. Структура процесса технического диагностирования
Процесс оценки технического состояния объекта (рис.1) включает восприятие и обработку (В) первичной информации (И\) от объекта диагностирования (ОД), анализ (А) вторичной информации (И2) о состоянии объекта и принятие решения (ПР) о состоянии с учетом нормативных требований (НТ). В некоторых случаях для оценки технического состояния объекта приходится воз-
действовать на него, подавая специальное стимулирующее действие (СД), вызывающее его реакцию. Функции восприятия и анализа информации о состоянии объекта, а также приятие решения и воздействия могут выполнять технические средства или человек-оператор. Распределение функций между техническими средствами и человеком-оператором зависит от степени автоматизации производственного процесса.
Теория систем технического диагностирования в целом и для СДУ в частности возникла и развивается с 70-х годов 20-го века в работах Пархоменко П.П., Мозгалевского А.В., Гаскарова Д.В., Биргера И.А., Климова Е.Н., и других. Однако недостаточное внимание обращается на развитие технических средств диагностирования СДУ, которые могут оказать помощь судовому экипажу при оценке технического состояния энергетической установки во время автономного плавания судов.
На старых судах, построенных до 90-х годов, оценка технического состояния судовых установок основывается целиком на опыте судового экипажа. При этом функциональные параметры контролируются отдельно. Они сравниваются с допустимыми пределами, выход любого параметра за пределы допуска регистрируется, и аварийная сигнализация включается в виде звукового и светового сигнала. Современные судна оснащены системой централизованного управления, обеспечивающей интегрированный мониторинг существенных параметров (рис.2).
Человек-оператор А.
БУ - блок управления
УП - установленные программы управления
РВ - регуляторы частоты вращения, температур и др.
ГД - главный судовой дизель
Д - датчики
ПП - блок первичного преобразования
БС - блок сравнения
НЗ - нормальные значения параметров
БИ - блок индикации
С - сигнализация
гд
|нз
Рис. 2. Общая схема системы централизованного управления и мониторинга
Такне системы могут автоматически защищать главные доели от жрштш-
ІагШше (Норвегия) выпускает средства AutoChi&f* [65] для разнообразных ди~
ПІ ]1 7-І Ґ'
тшшмни отделении
Malm Instruments Ltd (Авшт) создает анализатор поведения
МШТ, ПОЗВОЛЯЮ!
і любой.
ж непрерывно измерять
вующая компьютерная программа позволяет воспринимать, сравнивать и ана-
зва-
Крупнейший производитель судовых дизелей MAN B&W Diesel (Дания, Германия) развивает пакет компьютерного диагностирования CoCoS EDS (Computer Controlled Surveillance Engine Diagnostic) [67]. Пакет программы позволяет интегрировать его с системой централизованного контроля и мониторинга главного дизеля через стандартный интерфейс. Этим путем система приобретает данные о работе дизеля, анализирует их и дает оценку о техническом состоянии. В системе можно сохранить данные о режимах нормальной работы дизеля и базу экспертных данных, позволяющие давать заключение об отклонении от нормальной работы и рекомендации по эксплуатации дизеля.
Компания Wartsila (Финляндия) выпускает программные пакеты FAKS2i (Fault Avoidance and Predictive Maintenance) и MoniTrend (Data Analysing System) [68]. Программа FAKS2i в некотором аспекте похожа на CoCoS EDS, которая позволяет приобретать данные непосредственно из системы централизованного контроля и мониторинга. Она тоже использует базу экспертных данных. Пакет MoniTrend анализирует данные, получаемые из системы централизованного контроля и мониторинга, и выявляет тренд в режиме реального времени.
СЦУ - система централизованного управления Д-датчики
ПП - блок первичного преобразования БД - база эксплуатационных данных АД - анализ данных ЭБД - экспертная база данных РиР - результат анализа и рекомендации КСД - компьютерная система технического диагностирования
Рис. 4. Блок-схема взаимосвязи систем централизованного управления и диагностирования главных судовых дизелей
Эти программы можно представить в виде блок-схемы (рис.4), в которой система централизованного управления и компьютерная система технического диагностирования интегрированы.
Продукты компаний MAN B&W Diesel и Wartsila поддерживают дистанционный доступ, используя современные веб-технологии как Java и XML. Это обеспечивает доступ в базу данных в любом месте в пределах сети судна или энергетической установки.
Недостаток таких продуктов заключается в том, что они обслуживают только некоторые новые модели дизеля.
Прогресс в научной деятельности в последние годы открывает новые направления в решении вычислительных задач и обработки данных в динамических системах, в том числе нейросетевая технология и теория нечетких множеств. Для задачи технического диагностирования СДУ предлагаются следующие варианты (рис.5 и 6).
БДН - база нормативных данных НСМ - нейросетевая модель ХТС - характеристики технического состояния
Рис. 5. Нейросетевая модель в системе диагностирования судовых дизелей Нейросетевая модель на рис.5 может быть обучена данными о нормальной работе дизеля. Затем, получая рабочие данные, она вычисляет выходы, которые могут быть числовыми характеристиками технического состояния. В других случаях сеть распознает рабочие данные и относит состояние дизеля к определенной группе.
Модель на базе нечетких множеств (рис.6) основана на использовании системы нечеткого вывода с набором правил вида ЕСЛИ а, ТО Ъ (например, ЕСЛИ давление сжатия низкое, ТО зазор поршневых колец большой). При применении нечеткой логики выходы модели могут быть представлены видом состояния и рекомендацией о принятии решения о контроле дизеля.
НМ - модель на основе нечетких множеств ПР — принятие решения о техническом состоянии
Рис, 6- Использование модели нечетких множеств для поддержки системы технического
диагностирования судовых дизелей
Развитие микропроцессоров, измерительных и вычислительных средств дает возможность построения моделей и средств технического диагностирования для сложных систем, в том числе СДУ. Однако успешное применение рассмотренных моделей технического диагностирования гарантируется только после тщательного изучения объекта диагностирования, которое поддерживает правильный выбор совокупности диагностических параметров и средств их измерения.
В данной работе рассмотрены возможности построения систем технического диагностирования судовых дизелей с применением современных вычислительных средств для моделирования поведения судовых дизелей, в том числе нейронной технологии и имитационного моделирования.
Первая глава рассматривает существенные особенности технического диагностирования судовых дизелей, в том числе классификация состояний технического объекта, информативность при выборе совокупности диагностических параметров и основные характеристики системы технического диагностирования.
Вторая глава посвящена построению и анализу диагностических моделей судовых дизелей, где рассматриваются подробно модели блоков рабочих процессов и движения и метод из анализа.
Методы контроля технического состояния судовых дизелей рассмотрены в третьей главе, в которой выполнен анализ принципов оценки состояния судо-
вых дизелей и распознавания их состояния с помощью технологии нейронных сетей и других методов.
Методика технического диагностирования судовых дизелей рассматривается в четвертой главе, где показываются особенности обработки измерительных данных для диагностирования, реализация имитационной модели процессов конкретного дизеля и процедуры нейросетевого моделирования с помощью двух распространенных видов нейронных сетей - многослойного персептрона и самоорганизующейся карты признаков.
В заключение указаны условия применения различных методов, основные трудности и недостатки, требования, соблюдение которых необходимо для обеспечения точности и эффективности моделирования, и сформированы дальнейшие направления исследования на пути совершенствования технического диагностирования судовых дизельных установок.
Признаки, параметры и показатели технического состояния
В процессе эксплуатации техническое состояние любого объекта характеризуется совокупностью признаков, параметров и показателей. В своей основе определение технического состояния сводится к определению значений совокупности выбранных характеристик, позволяющих достоверно оценить состояние объекта. Таким образом, анализ диагностируемого объекта включает в себя задачи систематизации признаков, параметров и показателей, нахождения взаимосвязей между ними, а также выбор минимально необходимого комплекса диагностических показателей.
Под признаками технического состояния будем понимать качественные и количественные характеристики, определяющие его свойства [29]. В практике эксплуатации используют двухвариантные (альтернативные) и многовариантные качественные признаки. При использовании альтернативных качественных признаков виды технического состояния указываются наличием или отсутствием дефектов, возможностью или невозможностью выполнения рабочих функций» правильным или неправильным функционированием- Разделение отказов на полные и частичные приводит к использованию трехвариантного признака работоспособности (объект полностью работоспособен, ограничено работоспособен или неработоспособен). Количественные признаки технического состояния установки есть параметры, которые можно измерять с помощью измерительных средств или косвенно вычислять через другие величины, К ним относятся такие физические величины как зазор, овальность, конусообразность, давление сжатия (сгорания) и косвенные величины как среднее индикаторное давление, удельный расход топлива и многие другие.
При технической эксплуатации число параметров обычно велико, напри-мер, для главного дизеля число эксплуатационных параметров достигает несколько десятков. Обработка эксплуатационных данных такого большого объема в судовых условиях обычно затруднена из-за отсутствия необходимых технических средств, кроме того, измерение ряда параметров связано с большими затратами- С другой стороны параметры неодинаково влияют на оценку технического состояния объекта. Поэтому на практике техническое состояние оценивают не по всем параметрам, а лишь по небольшому числу основных, называемых показателями технического состояния. Определение рационального числа основных параметров в качестве показателей технического состояния может осуществляться с применением статистических подходов к анализу главных компонент (Principal Component Analysis) [10, 94] и теории корреляции [39]. При этом учитывается информативность параметров.
Различают прямые и косвенные показатели технического состояния. Прямые показатели являются основными материально-структурными параметрами объектов, непосредственное измерение которых в условиях эксплуатации без остановки и разборки их весьма ограничено и затруднено. Для целей технического диагностирования их измеряют косвенно через связанные с ними функциональные параметры (давление, температуру, частоту вращения, расход топлива и масла и т.д.), являющиеся параметрами выходных процессов объекта.
Параметры функциональных состояний установки при фиксированных условиях окружающей среды можно рассматривать как косвенные показатели технического состояния. При этом следует различать единичные и обобщенные косвенные показатели. Единичный косвенный показатель связан с одним прямым показателем технического состояния. Обобщенные косвенные показатели зависят одновременно от нескольких прямых показателей. На практике чаще всего встречаются обобщенные косвенные показатели. Классификация признаков, параметров и показателей приведена на рис.7.
Оператор А установки представляет собой совокупность математических и формально-логических действий. Он учитывает вектор внутренних показателей технического состояния установки Q(t). В простых случаях оператор является линейным или подчинен некоторой фундаментальной функции. Тогда можно определить его путем применения статистических подходов, например, метода многомерной регрессии. На практике в большинстве случаев оператор оказывается нелинейным. При этом определение оператора связано с трудностью при применении классических методов.
В то же время развиваются современные методы и компьютерные средства, в том числе методы искусственного интеллекта, которые можно применить для решения сложных нелинейных проблем, связанных с огромным объемом вычисления. Так, например, нейронная сеть с прямой связью и несколькими скрытыми слоями может аппроксимировать функции любого уровня линейности.
Таким образом, первой задачей при создании системы технического диагностирования является определение совокупности показателей технического состояния диагностируемого объекта. В случае технического диагностирования в процессе эксплуатации во время применения объекта по назначению имеем место безразборное функциональное диагностирование. Тогда показателями технического состояния являются функциональные параметры объекта. При поиске дефектов неработающего или остановленного объекта возможна частичная разборка и применение методов тестового диагностирования.
Разработка алгоритмов безразборного диагностирования для СДУ оказывается более актуальной. Это связано с длительным автономным плаванием судов (по крайней мере до месяца и больше). При этом безотказная работа главного дизеля обеспечивает безопасность судовому экипажу и грузу в судне.
При оценке технического состояния объектов диагностирования важно отметить, что все параметры, поддающиеся контролю, имеют неодинаковую значимость, т.е. каждый параметр в большей или меньшей степени содержит в себе информацию о состоянии объекта- При этом необходимо оценить их «полезность». Для оценки значимости каждого конкретного параметра можно учитывать его информативность. Под информативностью диагностического параметра понимается количество информации о состоянии объекта, которое можно получить в результате контроля данного параметра. Информативность может использоваться для поддержки выбора минимальной совокупности диагностических параметров.
Классификация диагностических моделей судовых механизмов
Классификацию моделей судовых объектов диагностирования можно провести по различным имеющим теоретический или практический интерес признакам. Например, по назначению можно выделить модели для проверки исправности, работоспособности, правильности функционирования, для поиска дефектов и т.п.
По способу реализации диагностические модели можно разделить на предметные (материальные) и мысленные (идеальные) (рис.12) [30]. Предметная модель - другой материальный объект, подобный объекту диагностирования и способный замещать его при исследовании. Предметные модели могуг быть пространственно-временными, физическими или предметно-математическими, а мысленные модели - инженерно-логическими (наглядно-образными) или логико-математическими (знаковыми).
Пространственно-временные модели отражают пространственно-временные отношения между элементами объекта диагностирования. Физические модели представляют собой другие подобные физические объекты, построенные на основе теории подобия. Они отличаются от объектов диагностирования в общем случае лишь значениями параметров, входящих в критерии подобия. Относятся к этой группе серийно выпускаемые изделия, специально переоборудованные и приспособленные для исследования в качестве типовых объектов диагностирования на заводах. Для технического диагностирования при эксплуатации такие модели не используются.
Предметно-математические модели могут быть созданы из элементов любой физической природы. Необходимое требование к модели состоит в том, что протекающие в модели и объекте диагностирования процессы описываются одной и той же системой математических зависимостей. Известны два вида предметно-математических моделей; модели прямой и непрямой аналогии. Модели прямой аналогии созданы на основе непосредст 38 венной связи между параметрами объектов и модели. Для непрерывных объектов примерами такого вида служат различные физические цепи, а для дискретных объектов - логические устройства. Диагностическими моделями непрямой аналогии являются вычислительные машины различных типов: аналоговые для непрерывных объектов и цифровые для дискретных. Другой вид диагностических моделей - мысленные, фиксированные на том или ином языке (естественном, математическом, логическом, языке схемы, чертежей и т.д. Отличаются инженерно-логические (наглядно-образные) и логико-математические (знаковые) мысленные диагностические модели применением и местом в процессе моделирования. Первые широко используются в процессе производства и эксплуатации для устранения дефектов. Наглядно-образные модели часто являются основой для построения логико-математических моделей, которые описывают определенные связи и зависимости в объектах диагностирования в понятиях и символике логики и математики.
Известны три вида логико-математических моделей: модели-описания, модели-интерпретации и модели-аналоги. Модели-описания являются формальным описанием основных закономерностей, которые присущи определенным классам объектов диагностирования. Обычно в качестве моделей-описаний используют известные физические законы, сформулированные на каком-то формальном языке. Эти законы отражают различные соотношения между основными величинами объектов диагностирования. После исключения переменных и параметров, не свойственных конкретным объектам диагностирования (конкретным маркам дизелей), а также упрощения с допустимой для практики точностью (например, путем линеаризации), модели-описания становятся моделями-аналогами.
В отличие от моделей-описаний модели-интерпретации - это алгоритмы, программы, реализующие решение соотношений, зависимостей, описанных моделями-описаниями. Под алгоритмом здесь понимается совокупность предписаний о последовательности действий для нахождения решения уравнений, разработанной на основании имеющейся модели-описания. При этом можно применить различные алгоритмы для решения одного и того же уравнения. Программа по существу представляет собой тот же алгоритм, записанный на языке, удобном для использования в вычислительных машинах. Она является моделью-интерпретацией по отношению к модели-описанию, но для алгоритма - это модель-аналог. Таким образом, машинная программа - это модель-аналог по отношению к алгоритму решения этого уравнения, записанная на другом формальном языке.
В технической диагностике широко используется математическое моделирование для разработки алгоритмов и программ диагностирования. Математической моделью объекта диагностирования называется формальное описание (в аналитической, табличной, графической, векторной или другой форме) объекта и его поведения в различных состояниях [34, 50], При этом объект диагностирования в общем случае представляется динамической системой, техническое состояние которой на функциональном уровне в каждый момент времени определяется значениями входных, внутренних координат (входных и внутренних переменных) и выходных координат (выходных функций), а математическая модель отражает зависимости между ними - см. зависимость (1).
Можно применить другой вид классификации математических моделей объектов диагностирования- При этом различаются две группы математических моделей объектов диагностирования [34]: аналитические и симптомные модели.
Аналитические модели обычно представляются в виде уравнений (алгебраических, дифференциальных, интегральных), задающих зависимости между входными, внутренними и выходными переменными объектов диагностирования. В практических задачах диагностирования СДУ при разработке аналитических моделей возникают трудности, связанные с отсутствием информации по математическому описанию работы объектов,
К симптомным моделям относятся структурно-функциональные, функциональные граф-модели, матричные и логические модели, в которых основными носителями информации являются признаки (симптомы), характеризующие выходные функции. При составлении симптомных моделей сложный объект диагностирования разбивается на относительно небольшое количество обобщенных функциональных элементов (блоков), с точностью до которых осуществляется поиск дефектов. При этом значение переменных внутри каждого элемента не учитывается. Вместе с симптомными моделями, при необходимости, можно использовать аналитические модели для соответствующих частей объектов диагностирования.
Структурно-функциональные модели широко применяются при диагностировании СДУ, Они строятся на основе функциональной схемы объектов. При этом каждый функциональный элемент (блок) объекта заменяется в модели функциональным элементом, имеющим по одному выходу (одной выходной функции) и существенные для данного выхода входы (входные параметры). В модели связи функциональных элементов соответствуют связям функциональной схемы объекта.
Основные методы оценки технического состояния на основе допускового контроля диагностических параметров
При стабильных условиях плавания судна СДУ работает в постоянном режиме. При этом проверка ее технических характеристик производится путем сравнения текущих характеристик с соответствующими характеристиками, установленными технической документацией. Кроме нормальных характеристик часто встречаются характеристики в виде допустимых пределов. При этом установлена зона правильного функционирования объекта, ограниченная допустимыми пределами, и переход данной характеристики за пределы сопутствует характерному дефекту. Допустимые пределы могут быть односторонним или двухсторонним. Примерами односторонних допустимых пределов в случае судовых дизелей служат температура выпускных газов (верхний предел) и давление сжатия (нижний предел). Часто встречающиеся двухсторонние пределы -это допустимые зазоры работающих пар трения, значения температур охлаждающей воды, смазочного масла.
Допустимые пределы могут зависеть от режимов работы или нет- Например, верхний предел температуры выпускных газов задан не в зависимости от режимов работы дизеля, а нижний предел давления сжатия зависит от частоты вращения двигателя.
Пусть режим работы судового дизеля характеризуется значением вектора входных воздействий у, а диагностическим параметром является значение выходной величины z. Если входное воздействие в течение определенного времени не изменяется, двигатель приходит в равновесное функциональное состояние, которому отвечает постоянное значение выходной величины. При работе двигателя в различных постоянных режимах совокупности возможных статических режимов уъугъ ... соответствуют постоянные значения выходной величины z\9 Z2,..., zn. Сравнение статической характеристики реального объекта zp с предельно допустимыми Берх» ниж и нормальной zH характеристиками позволяет определить вид технического состояния и изменение запаса работоспособности. На рис. 19, б показан неработоспособный, но правильно функционирующий в режимах у и Уг объект. Вследствие возникших дефектов в режиме уъ объект не удовлетворяет установленным требованиям. В тех случаях, когда диагностирование производится только в одном режиме, имеет место однорежимная схема проверки. В практике эксплуатации судовых дизелей часто бывают проверки в различных режимах, т.е. используется многорежимная схема проверки статических свойств дизелей. Чаще всего проверяют характеристики дизелей в режимах 25%, 50%, 75%, 100% и 110% нормальной нагрузки.
Если диагностический объект характеризуется многими параметрами, следует выбрать схемы проверки для каждого параметра. В случае, когда все параметры проверяются по однорежимной схеме, можно построить обобщенную характеристику, включающую в себя все элементарные характеристики.
В ряде случаев техническое состояние объекта оценивается не по установившимся значениям диагностических параметров, а по характеру их изменения во времени при переходе объекта из одного равновесного режима в другой. В случае главных судовых дизелей часто применяют несколько проверок по характеристикам переходного процесса при ходовых испытаниях: проверка разгона; CRASHSTOP-проверка и проверка замедления.
Проверка разгона предназначена для оценки общего состояния дизеля и приводной системы, особенно состояния цилиндропоршневой группы и топливного аппарата. Она часто проводится во время ходовых испытаний с контролем увеличения частоты вращения дизеля по времени (рис.20). При этом запускают дизель и сразу перемещают задающий орган частоты вращения на заданное положение. Начальными условиями испытания обычно служат спокойное море и нулевая частота вращения гребного вала при неподвижном судне.
При оценке технического состояния главного дизеля по характеристике разгона следует отметить, что имеют место два этапа разгона: сперва быстро разгоняется дизель при неподвижном судне, затем по мере разгона корпуса судна обороты медленно растут. Состояние поверхности корпуса (т.е. нагрузка на дизель) значительно влияет на время разгона.
CRASHSTOP-лроверка
Применение этого вида проверки связано не только с оценкой общего технического состояния судовой установки. Она предназначена в основном для оценки маневренности судна, другими словами - безопасности судна при маневре. При этом прекращают работу дизеля, работающего на полном ходе вперед. Затем пытаются пускать его на ходе назад до тех пор, пока дизель не начнет работать на полном ходу назад. Время выполнения этого процесса служит мерой безопасности судна при маневре. При этой проверке учитываются процессы торможения-разгона дизеля, а также качество его системы пуска-реверса. Этот вид проверки имеет место при ходовых испытаниях при приемке судна и после капитального ремонта, результаты рассматриваются регистром.
Измерение и обработка результатов измерений диагностических параметров
Кроме оценки указанных выше параметров, реализация имитационного моделирования на ЭВМ связана с определением значений множества экспериментальных и опытных коэффициентов. Достоверный выбор таких параметров играет важную роль в обеспечении точности численной модели.
Определение относительных потерь индикаторной работы щ может быть произведено путем применения эмпирического уравнения (31) при наличии информации о начальных значениях (щ оь, Ло, До, %), полученных на основании эксперимента на двигателе-аналоге. При отсутствии таких данных оценивать щ можно с помощью эмпирической кривой щ = j[a) [55], В работе [55] Погодин СИ. показал, что эти потери уменьшаются в диапазоне [0,14-0,06] при увеличении а в диапазоне [1-3], причем дизели с отношением S/D 1 имеют меньшие значения относительных потерь. Для судовых дизелей с коэффициентом избытка воздуха а - 1,7-2,3 относительные потери индикаторной работы принимают значения в диапазоне [0,06-0,1].
Аналогично, исходя из начальных экспериментальных данных, механический КПД может быть определен с помощью эмпирического уравнения (47). При отсутствии экспериментальных данных механический КПД для судовых дизелей можно выбрать в диапазоне rjm = 0,8-0,92.
Для решения задачи моделирования процессов в судовых дизелях предполагается использование программного пакета MATLAB, представляющего собой профессиональную вычислительную среду, с помощью которой можно реализовать моделирование динамических систем. Содержится в программе пакет MATLAB- Simulink, позволяющий реализовать имитационное моделирование сложных систем.
Имитационная модель, построенная в MATLAB-Simulink, состоит из множества взаимосвязанных блоков, в том числе входных (Source), внутренних и выходных (Sink) блоков.
Входные блоки предназначены для подачи в модель входных сигналов. Такие сигналы могут быть постоянными, произвольными или изменяемыми по какому-либо закону (линейному, синусоидальному и т.д.), С помощью входных блоков с изменяемыми сигналами можно наблюдать выходное поведение модели, подавая в нее изменяемые сигналы одного или сочетания нескольких параметров.
Выходные блоки являются средой для получения выходного поведения модели. Они могут быть представлены в виде индикатора, графика или могут сохраниться в электронном файле, позволяющем более позднее рассмотрение.
Для внутренних в модели блоков предполагается использование вставленной функции (Embedded MATLAB Function), являющейся определенной пользователем функцией (User-Defined Function). При ее использовании каждый блок, представляющий собой MATLAB-функцию, соответствует каждой математической зависимости, отражающей отношения между рабочими параметрами судовых дизелей. В конечном счете получим модель, состоящую из множества взаимосвязанных зависимостей.
Из-за сложности зависимостей между рабочими параметрами дизеля предлагается использование подсистем в имитационной модели. Использование подсистем уменьшает число элементов в главной модели, что обеспечивает наиболее наглядное представление модели. При этом некоторые близко взаимосвязанные зависимости составляют подсистему. Каждая подсистема связывается с другой и/или главной системой входами и выходами. При представлении главной модели каждая подсистема реализуется одним и тем же блоком с портами входа и выхода.
В имитационной модели дизеля используется четыре подсистемы. Первая подсистема предназначена для моделирования отношений, связанных с определением коэффициента наполнения tjv и коэффициента избытка воздуха а. Вторая и третья подсистемы моделируют сложные взаимосвязанные зависимости для определения термического КПД дизеля 7]ь в том числе средние показатели адиабат сжатия воздуха к\ и расширения газов к теплоемкости срс и cpz. Последняя подсистема используется для вычисления выходных характеристик дизеля, таких как среднее индикаторное/эффективное давления; удельный индикаторный/эффективный расход топлива; индикаторная/эффективная мощности и других.
Главная модель приведена в рис,45. В модели содержатся четыре главных блоков, соответствующих указанным четырем подсистемам. Входные в модель данные приведены в виде блоков констант или изменяемых по какому-то правилу сигналов, характеризующих геометрические характеристики, условия работы и режим работы дизеля. Блоки изменяемых входных параметров предназначены для оценки влияния изменений входов на выходные характеристики дизеля.
Выходные характеристики модели представляются с помощью блоков индикаторов и графики (scope). Блок графики обеспечивает многоканальное представление, позволяющее одновременно видеть и сравнивать изменение нескольких показателей.
