Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Постановка задачи исследования информационно-измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов 13
1.1. Необходимость тестирования вертолетных редукторов 13
1.2. Исследование характеристик вертолетных редукторов 16
1.3. Исследование имеющихся испытательных стендов вертолетных редукторов 26
1.4. Исследование имеющихся информационно-измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов 36
1.5. Выводы 44
ГЛАВА 2. Разработка аппаратной части информационно-измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов на основе блочно-модульной архитектуры 47
2.1. Применение концепции виртуальных приборов National Instraments для создания аппаратной части 47
2.2. Исследование номенклатуры модулей производства National Instruments 53
2.3. Разработка аппаратной части информационно-измерительных систем типовых испытательных стендов вертолетных редукторов 63
2.4. Выводы 68
ГЛАВА 3. Исследование методов проектирования программного обеспечения сложных информационно-измерительных систем 70
3.1. Выявление причин сложности проектирования программного обеспечения информационно-измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов 70
3.2. Анализ методов проектирования программного обеспечения информационно-измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов 72
3.3. Анализ средств разработки программного обеспечения информационно-измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов 77
3.4. Поиск объектно-ориентированных нотаций и формальных спецификаций для создания макромодели информационно-измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов 79
3.5. Выводы 96
ГЛАВА 4. Разработка унифицированного процесса проектирования информационно-измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов 98
4.1. Структура унифицированного процесса проектирования информационно-измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов 98
4.2. Разработка фаз унифицированного процесса проектирования информационно-измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов 101
4.3. Задание рабочих процессов
унифицированного процесса проектирования 103
4.4. Разработка общих требований к создаваемой макромодели информационно-измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов 106
4.5. Разработка методик физического представления информационно-измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов
4.6. Разработка методик представления программного каркаса информационно-измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов 114
4.7. Разработка методик представления многопотоковой архитектуры и ее машины состояний 133
4.8. Разработка методик представления алгоритмов управления испытательным стендом 140
4.9. Разработка методик представления структуры базы данных для хранения результатов испытаний 144
4.10. Сравнительный анализ объектных нотаций на основе созданных моделей 146
4.11. Разработка функционала качества программного обеспечения испытательных стендов 150
4.11.1. Абстрактность 152
4.11.2. Гибкость 155
4.11.3. Надежность 159
4.11.4. Наглядность 161
4.11.5. Методика нахождения полного функционала качества программного обеспечения информационно-измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов 162
4.12. Выводы 164
ГЛАВА 5. Экспериментальное исследование особенностей реализации программного обеспечения конкретных информационно-измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов 167
5.1. Разработка методик построения унифицированного интерфейса оператора 167
5.2. Разработка методик надежной записи и хранения
протоколов испытаний 174
5.3. Разработка архитектуры баз данных протоколов испытаний 176
5.4. Исследование возможностей дистанционного эксперимента
и удаленной отладки 181
5.5. Выводы 190
ГЛАВА 6. Исследование метрологических характеристик и разработка методик аттестации информационно измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов 192
6.1. Требования метрологической аттестации 192
6.2. Исследование метрологических характеристик
6.2.1. Частота вращения 194
6.2.2. Крутящий момент 196
6.2.3. Температура (термометры сопротивления) 198
6.2.4. Температура (термопары) 199
6.2.5. Давление 200
6.2.6. Мощность загрузки генераторов 200
6.2.7. Объемный расход 201
6.2.8. Напряжение (DC) 201
6.2.9. Напряжение (RMS) 201
6.3. Разработка методик измерения и поверки измерительных каналов 202
6.3.1. Структура методик измерения и поверки 202
6.3.2. Особенности поверки измерительных каналов информационно-измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов 211
6.4. Проектирование унифицированного протокола поверки 212
6.5. Разработка программного комплекса метрологической аттестации 217
6.6. Разработка алгоритмов частотной коррекции
датчиков крутящего момента 218
6.7. Разработка алгоритма расчета сдвига фаз тормозных генераторов 224
6.8. Выводы 235
Заключение 236
Список литературы
- Исследование имеющихся испытательных стендов вертолетных редукторов
- Разработка аппаратной части информационно-измерительных систем типовых испытательных стендов вертолетных редукторов
- Анализ методов проектирования программного обеспечения информационно-измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов
- Разработка фаз унифицированного процесса проектирования информационно-измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов
Исследование имеющихся испытательных стендов вертолетных редукторов
Редуктор 3 служит для передачи вращения с валов II приводных двигателей 2 на вал несущего винта III, вал хвостового винта IV и к дополнительным агрегатам 4 через валы V. Запуск приводных двигателей 2 производится от пускового двигателя I. Редуктор обеспечивает преобразование высокой частоты вращения входных валов (15000 об/мин) в низкую частоту вращения несущего (200...300 об/мин) и хвостового винта (около 2600 об/мин) с соответственным повышением крутящего момента. Редуктор является единственным узлом, распределяющим энергию от двигателей ко всем остальным узлам вертолета, следовательно, он является практически самой важной, сложной, мощной (около 1 МВт) и ответственной частью вертолета.
Обеспечить эксплуатационные характеристики, надежность и качество сборки редуктора позволяет его комплексное тестирование (см. рис. 1.2). Необходимость тестирования ВР
Немаловажными факторами являются проводимые совместно с тестированием научные исследования выпускаемых изделий, направленные на улучшение характеристик продукции.
В соответствии с нормативными документами [12, 21] для вертолетных редукторов проводятся сдаточно-контрольные (СКИ) и периодические (ПИ) испытания (см. рис. 1.3). Целью СКИ является проверка правильности сборки редуктора, расположения пятен контакта на зубьях шестерен, проверка маслосистемы, подшипников и нагрева масла. СКИ состоят из двух частей. Сначала выполняют сдаточные испытания (СИ), затем редуктор демонтируется со стенда и подвергается переборке. Испытания
В процессе переборки проверяется расположение пятен контакта; в случае необходимости подрегулируется зацепление шестерен (с повторным СИ). Далее проводят контрольные испытания (КИ) для подтверждения работоспособности редуктора после переборки;
Режимы нагрузки редуктора при СКИ устанавливаются по многочисленным таблицам в соответствии с методикой испытаний (см. рис. 1.4) на испытательном стенде. Общая длительность СКИ составляет несколько часов. Загрузка редуктора и измерение параметров его работы осуществляется специализированной ИИС с функциями автоматического управления.
Задачами периодических испытаний (ПИ) являются контроль стабильности технологического процесса изготовления редукторов, контроль качества редукторов, изготовленных в контролируемом периоде (количестве), а также подтверждение возможности изготовления и приемки редукторов по действующей технической документации. ПИ состоят из 420 одинаковых циклов (см. рис. 1.5). ПИ ... Этап №1 Этапі №2 Этап №21 Цикл№1 Цикл№2 Цикл №20 Цикл№1 Цикл№2 ... Цикл №20
Длительность ПИ составляет около 800 часов, что при работе в две смены занимает примерно 3 месяца. Необходимость непрерывной работы без остывания редуктора на протяжении 16 часов, обилие накапливаемых протоколов испытаний накладывают жесткие требования на управляющую ИИС стенда: высокая надежность аппаратуры и программного обеспечения; быстрота замены вышедшего из строя оборудования; развитая структура хранения протоколов испытаний в базе данных; автоматическое предотвращение аварийных ситуаций и контроль действий оператора в нештатных ситуациях.
Вертолетный редуктор является сложным объектом испытания. Рассмотрим типовую конструкцию редуктора на примере редуктора ВР-252 [21]. Его внешний вид (по данным [21]) показан нарис. 1.6, 1.7.
. Внешний вид редуктора ВР-252. Вид 2 Редуктор состоит из нескольких корпусов, основного механизма, валов несущих винтов, поддона, маслосистемы, коробки приводов агрегатов. Вертолеты с редуктором ВР-252 имеют два встречно вращающихся несущих винта. Такая конструкция не требует применения хвостового винта, но несколько усложняет конструкцию редуктора. Дополнительные агрегаты, подключаемые к коробке приводов, - это два генератора напряжения бортовой сети, приводы вентилятора и тормоза несущих винтов, компрессора, гидронасосов, маслоагрегата и т.д.
Основной задачей редуктора является передача крутящего момента от двигателя к узлам потребления на вертолете. Как видно из его кинематической схемы (см. рис. 1.8) редуктор содержит множество вращающихся шестерен, следовательно, основными измеряемыми параметрами являются частота вращения и крутящий момент, а также давление и температура.
Разработка аппаратной части информационно-измерительных систем типовых испытательных стендов вертолетных редукторов
Пусковой двигатель АИ-9 служит для запуска приводных двигателей ТВЗ-117. Они, как и на реальном вертолете, передают необходимое вращение редуктору. Выходной вал несущего винта через мультипликатор (обратный редуктор) загружается двумя гидротормозами. Вал хвостового винта загружается отдельным гидротормозом. Несущий и хвостовой винты на рисунке приведены для наглядности, на реальном стенде они отсутствуют. Для наглядности на данной схеме отсутствуют дополнительные агрегаты редуктора и технологические агрегаты стенда (генераторы, насосы, компрессоры, вентиляторы), а также всевозможные задвижки и концевые выключатели. Исследуем ход типового испытания, его задачи и действия оператора:
1. Подготовка к испытанию, проверка отсутствия обслуживающего персонала в боксе, подача топлива, смазки и охлаждающей жидкости на стенд. Испытание ВР проводится преимущественно в закрытом боксе, так как нахождение рабочих около стенда опасно для их здоровья (высокий уровень шума двигателей, мощное электромагнитное излучение) и жизни (быстро вращающиеся валы, отлетающие детали, возможное возгорание). Достаточно высокая опасность проведения испытания ВР накладывает на ИИС задачи автоматического и ручного (электрического и неэлектрического) аварийного отключения стенда, пожаротушения, видеоконтроля состояния стенда.
2. Запуск пускового двигателя. Необходим контроль срабатывания запускающих автоматов, температуры газов и времени запуска пускового двигателя. После запуска пусковой двигатель может работать только ограниченное время (обычно не более 15 мин), что требуется контролировать, по необходимости автоматически отключая двигатель.
3. Подготовка к запуску приводных двигателей. Требуется контроль давления топлива, смазки, подачи охлаждающей жидкости к двигателям, редуктору, мультипликатору и гидротормозам. Данный контроль непрерывно продолжается вплоть до остановки стенда.
4. Запуск первого приводного двигателя. Двигатель должен быть выведен на малый газ с постоянным контролем (до остановки стенда) температуры его газов, давления топлива перед форсунками. Кроме управления двигателем параллельно проводится управление левым и правым гидротормозами, поскольку на вал несущего винта начинает передаваться вращение. Также с этого момента и до остановки стенда требуется контроль температуры подшипников гидротормозов. Гидротормоз является весьма дорогостоящим, дефицитным и подверженным поломке агрегатом. При повышении температуры его подшипников выше допустимой требуется немедленный аварийный останов стенда. С запуска первого приводного двигателя требуется поддержание в допуске многочисленных параметров (прежде всего это температура масла в маслосистеме редуктора). Также с этого момента времени начинается формирование протоколов испытания редуктора (текстового с отметкой о времени запуска первого двигателя и графического с началом регистрации зависимости измеряемых параметров от времени испытания). Формирование протоколов испытаний выполняется вплоть до остановки стенда. Текстовый протокол является документом, подтверждающим характеристики работы редуктора на требуемых режимах. Графический протокол показывает динамику работы редуктора, его дополнительных агрегатов и технологических агрегатов стенда.
5. Запуск второго приводного двигателя. Второй двигатель также выводится на малый газ, осуществляется контроль его параметров и управление гидротормозами. В текстовый протокол выводится отметка времени запуска второго двигателя. Оба двигателя должны быть выведены на малый газ до окончания времени работы пускового двигателя (то есть за 15 минут).
6. Начало испытания редуктора. С этого момента времени останавливается пусковой двигатель, стенд переводится на малый газ (с отметкой в протоколе испытания), проводится дополнительный визуальный контроль измерительных параметров. 7. Проведение собственно испытания редуктора. По соответствующим методикам испытаний задаются различные режимы работы редуктора («малый газ», «0,4 номинального», «крейсерский 2», «крейсерский 1», «номинальный», «ограниченный взлетный», «взлетный», «левый -номинальный», «правый - номинальный», «левый - взлетный», «правый -взлетный»). Установка режимов проводится по частоте вращения валов приводных двигателей, давлению воздуха за их компрессорами (косвенный расчет крутящего момента на валах приводных двигателей), частоте вращения вала несущего винта, крутящему моменту на валу хвостового винта. По методике испытания редуктор выдерживается необходимое время на нужных режимах и проводится регистрация его параметров на установленном режиме в текстовом протоколе испытания. Режимы работы редуктора с одним двигателем (последние четыре из вышеприведенного списка режимов) требуют достаточно сложного управления. Необходимо постепенно останавливать один из двигателей, поддерживая текущий режим работы редуктора. Затем осуществляется «перекладка» на второй двигатель, требующая (если была осуществлена полная остановка приводного двигателя) запуска пускового двигателя, запуск остановленного (если была осуществлена полная остановка приводного двигателя) двигателя с поддержанием текущего режима работы редуктора, останов пускового двигателя, постепенная остановка ранее работавшего двигателя с поддержанием текущего режима работы редуктора. В рамках работы стенда на взлетном режиме выполняется контроль приемистости приводных двигателей. Он заключается в фиксации положения на взлетном режиме РУД (рычаги управления двигателями), ускоренном (1-2 секунды) перемещении РУД в положение малого газа (сброс газа) и ускоренном (1-2 секунды) перемещении РУД в зафиксированное положение взлетного режима (приемистость). Следует отметить, что в процессе испытания должен вестись контроль времени наработки редуктора и агрегатов стенда на различных режимах, число запусков пускового двигателя.
Анализ методов проектирования программного обеспечения информационно-измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов
Эти платы обеспечивают гибкую установку частоты дискретизации (опорный источник 20 МГц делится на 24-битовое число). Динамическая составляющая погрешности полностью исключается при частоте опроса не превышающей 1/3 от максимальной. Поэтому мы рекомендуем использовать частоту опроса каналов около 100 кГц. При числе аналоговых каналов около 100 получаем 1 кГц на канал, следовательно, имеется возможность выбора между скоростью получения результатов измерения и количеством точек математической обработки. Для ИИС типовых ИСВР требуется частота получения результатов измерения около 10 Гц, следовательно, можно по 100 точкам проводить необходимую математическую обработку (наиболее часто - простое усреднение).
Аппаратура платы совместно с программными драйверами NI-DAQ обеспечивают непрерывный цикл опроса всех каналов в течение сколь угодно большого промежутка времени. При переключении между каналами автоматически устанавливаются выбранные коэффициенты усиления (на рекомендованной нами частоте 100 кГц дополнительной погрешности от переключения не возникает). Непрерывность измерительного цикла достигается за счет программно-аппаратного циклического буфера. Данный принцип выгодно отличает продукцию N1. Он заключается в том, что в оперативной памяти ПК выделяется участок (размер зависит от числа каналов, скорости опроса и скорости последующей обработки, ограничение сверху -2 Гб). Затем по команде программы плата под управлением NI-DAQ начинает заполнять этот блок памяти с начала и до конца. По достижении последней ячейки буфера заполнение продолжается с первой ячейки и т.д. Программа получает асинхронное уведомление от драйвера по заполнении указанной части буфера (например, первой половины, затем второй половины, опять первой половины и т.д.). По получению уведомления программа должна успеть обработать полученные данные до тех пор, пока не будет заполнена вторая половина буфера. Отметим, что число разбиений циклического буфера не обязательно должно быть равно двум. Более того, мы рекомендуем следующие характеристики разработанного нами высоконадежного измерительного цикла:
1. Порции данных должны поступать в программу (через уведомление от драйвера каждые 0,5 с). В этом случае за оставшиеся 0,5 с программа успеет провести необходимую математическую обработку, отобразить на экране и записать в протокол результаты измерений. Обновление показаний на экране чаще двух раз в секунду мы считаем нецелесообразным. Быстропротекающие процессы (выше была указана максимальная скорость 10 Гц) можно контролировать с помощью графиков в процессе, либо по завершению испытания.
2. Циклический буфер должен быть разбит примерно на 40 частей по 0,5 с. В этом случае, даже при резком снижении производительности ПК (вызов диспетчера задач, активное перемещение пользователем окон по экрану, объемные дисковые операции) поступающие измерительные данные не будут потеряны, так как общая длительность буфера составляет около 20 с. Несмотря на применение надежных операционных систем (Windows 2000, XP Professional) и установку высокого приоритета для потока измерительного цикла, нами было установлено, что при сильной загрузке ПК эти системы периодически отнимают даже у высокоприоритетных потоков 0,5...2 секунды. Отметим, что такая ситуация все же является экстраординарной, и может возникнуть лишь при некорректных действиях оператора в процессе испытания (например, запуск игровых программ, просмотр фильмов, архивирование и запись на компакт-диск). В обычном режиме работы (при условии размера части буфера не менее 0,5 с) программа вообще никогда не откладывает обработку поступающих данных даже на одну часть буфера, не говоря о 40 частях. В тоже время, за счет 40-кратной буферизации измерительный цикл получается исключительно надежным.
3. Обработку отложенных частей буфера (в результате задержки операционной системы) следует проводить по две части за раз. При получении уведомления от NI-DAQ программа должна получить указанную часть буфера, а затем проверить накопленные в буфере новые данные. Если буфер заполнен как минимум еще на одну часть, ее следует сразу же получить и тоже отправить на последующую обработку. При таком подходе, после нежелательной задержки измерительного цикла операционной системой всплеск затрат времени процессора в измерительном потоке получается несущественным. Иначе, если получать и обрабатывать сразу все накопленные части буфера (а их может быть, в крайнем случае, до 40), можно опять резко нагрузить операционную систему, что приведет к новой нежелательной блокировке измерительного потока. Такие «гонки» измерительного цикла и операционной системы могут легко привести к потере стабильности работы и потере непрерывности получения данных.
4. Следует предусмотреть обработку ошибок при все же возникшей потере непрерывности получаемых данных. Достоинство оборудования и ПО N1 в том, что даже если циклический буфер переполнится и часть данных будет потеряна, работа по заполнению буфера не прекратится, а программа получит уведомление о произошедшей ошибке. В стандартных случаях при этом на экран выводится окно сообщения и работа измерительного цикла блокируется до подтверждения пользователем и испытание обычно аварийно завершается. Мы рекомендуем обрабатывать эту ошибку без вывода окна на экран. При этом ход испытания не прервется, а будет продолжен в штатном режиме. На графиках измеряемых параметров такую задержку можно пометить.
Разработка фаз унифицированного процесса проектирования информационно-измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов
При разработке каркаса сначала ведется поиск и анализ уже имеющихся решений различных задач проектирования. Разработчики моделей ПО объединяют такие решения в каталоги паттернов проектирования. По словам Кристофера Александера, который первый стал использовать паттерны в строительстве зданий и городов, «любой паттерн описывает задачу снова и снова возникающую в нашей работе, а также принцип ее решения, причем таким образом, что это решение можно потом использовать миллион раз, ничего не изобретая заново» [47]. В программировании под паттерном проектирования понимается описание взаимодействующих объектов и классов, адаптированных для решения общей задачи проектирования в конкретном контексте [43]. После нахождения паттернов, подходящих для данной предметной области, останется лишь организовать их правильное взаимодействие в каркасе.
Поскольку создание каркаса приложения является одной из самых сложных программных задач, то при его описании и анализе важное место должно отводиться математическому моделированию.
Чтобы наметить пути решения проблем точности и формальности при представлении каркаса ПО ИИС ИСВР, необходимо проанализировать различные методы для улучшения точности нотаций, в частности и нотации UML. Согласно [51] основными направлениями таких разработок является интеграция 00 нотаций и формальных спецификаций [35, 36, 62] или внедрение в имеющиеся формальные спецификации ОО особенностей [41, 65]. В связи с этими направлениями, ряд статей был посвящен формализации популярной нотации UML [52, 51]. Однако из-за плохой компактности UML (9 диаграмм, каждая из которых имеет свой синтаксис и семантику), в [51] представлена громоздкая формализация только статической диаграммы классов, тогда как остальные 8 диаграмм, входящих в состав UML, оставлены без внимания.
Еще один путь - это расширение 00 нотаций таким образом, чтобы они стали более точными. В [34] в UML введено понятие системной модели, представленной формально, с помощью которой производится интеграция всех моделей UML и таким образом улучшается абстрактность модели. Для уменьшения сложности формализации введен уровень между синтаксическим описанием и чистой математикой. Несмотря на правильно выбранное направление по формализации UML, в работе поставлены только задачи исследования и их решение потребует огромных затрат времени вследствие сложности нотации.
Существуют и чисто формальные методы, созданные специально для представления ОО систем [68]. Серьезным недостатком всех этих подходов является необходимость глубокого знания математических методов, использующихся в формальной спецификации. Это становится серьезным барьером при промышленном использовании.
При дальнейшем поиске подходящей нотации для абстрактного и формального представления каркаса ПО ИСВР наше внимание было обращено на одну из новых и наиболее удачных для наших целей нотацию - LePUS, разработанную Иденом в 2000 году [43] (см. также наши статьи [2, 3, 6]). Ее важным достоинством является четкое выражение архитектуры ПО с помощью графических символов и математической логики (имеющей в своей основе логику предикатов, см. [19, 30, 31]). В нотацию введены не только такие связи, которые реально существуют между элементами архитектуры, но также дополнительные смысловые связи, повышающие уровень абстракции и четкости представления модели. В частности, введение связей между функциями различных классов облегчает понимание взаимодействия и взаимозависимости между классами и иерархиями классов. На диаграмме наглядно представлены множества классов высокого порядка, которые часто присутствуют в объектной модели. Важным достоинством спецификации LePUS является ее масштабируемость, наглядность и компактность: основные принципы сложного каркаса ПО ИИС ИСВР можно наглядно представить на одной диаграмме [48, 45, 42].
Вместо вербального описания каждой LePUS-диаграмме соответствует компактная формальная спецификация, основанная на простых формулах монадической логики. Это делает представление модели однозначным и точным. Пример ее использования для создания одного из каркасов был представлен нами в [6]. Таким образом, для представления и анализа каркаса ПО ИИС ИСВР удобно использовать LePUS.
