Введение к работе
Актуальность проблемы. Современный газотурбинный двигатель (ГТД)- изделие предельных параметров, высокой размерности, со многими степенями свободы. Он создается и совершенствуется в условиях ограничений по себестоимости, срокам создания, при растущих требованиях к ресурсу, надежности, газодинамической эффективности. Данные требования одновременно трудновыполнимы, а попытки ликвидировать отставание хотя бы по одному из них затрагивают достигнутый уровень других. Этот процесс одновременного обеспечения всего комплекса требований к ГТД называемый доводкой, часто не ограничивается опытным производством и распространяется на производство серийное. Проблемами доводки ГТД являются либо «недополучение» параметров (КПД, запасов газодинамической устойчивости, экономичности, эколо-гичности), либо появление сложных дефектов (перегрев лопаток турбины, снижение их усталостной прочности, разрушение элементов трансмиссии и др.). Решение этих проблем связано с изменением конструкции, свойств материалов, организацией превентивного контроля параметров, совершенствованием технологических процессов и т. д. Однако остается не разработанной сама методология алгоритмированного решения проблем доводки ГТД, которая позволяла бы уверенно и в кратчайшие сроки получать практический результат. На этапе доводки, когда облик конструкции определен, система переходит из сферы теоретико-расчетных исследований в область эмпирико-интуитивных решений. В условиях информационной недостаточности (мало опытов, много параметров), когда статистические методы непосредственно не применимы, исследователь действует в рамках некоторого динамического стереотипа (из психологии), заданного ему определенной научной школой. Неудачные опыты в многомерных и многокритериальных ситуациях воспринимаются как досадные недоразумения. Здесь то и нужна область достижимых решений - сжатая двумерная информация об эффективности реализованных и предполагаемых решений. Визуализация, наблюдаемость процесса доводки, чувственное (греч. neuro) его восприятие, обостряют интуицию исследователя, резко сокращают ненужные пробы и дорогостоящие ошибки, а накопленный опыт, удачный и неудачный, становится плацдармом для оперативного решения указанных проблем. Представляется целесообразной разработка следующих проблемно-ориентированных информационных технологий совершенствования элементов ГТД на базе накопленного опыта (апостериорной информации):
Имитационное моделирование характеристик узлов ГТД. Возможность организации поиска непосредственно на созданных ранее газодина-
мических моделях компрессоров и турбин позволяет в разумные сроки находить новые решения для совершенствования серийных конструкций.
Мониторинг данных цехового контроля. Для .объектов различной физической природы — координатных измерений лопаток, параметров монтажа, химического состава сплавов, их микроструктуры, вибропроцессов, составов исполнителей операций сборки на плоскости экрана монитора создаются ква-лиметрические шкалы качества с нанесенной границей, разделяющей «хорошие» и «плохие» ситуации. Это позволяет находить ориентиры по совершенствованию свойств указанных первичных признаков.
Обобщение результатов испытаний модельных элементов проточной части ГТД. Имеющиеся атласы результатов продувок плоских решеток, испытаний изолированных компрессорных и турбинных ступеней и др. при их надлежащем использовании для прогнозирующего управления становятся важным инструментом, как для совершенствования характеристик узлов, так и для повышения точности имитационных моделей элементов ГТД.
Обобщение результатов испытаний натурных узлов. Этот уникальный экспериментальный материал отражает стиль, стереотип процесса доводки узлов на данном предприятии. Результатами обобщения являются построение области достижимых решений, в которой и отрабатываются мероприятия.
Обобщение конструктивных и эксплуатационных характеристик готовых ГТД. Установление функциональных соотношений между особенностями конструкций ГТД с их фактическими характеристиками позволяет модифицировать узлы двигателя эволюционным путем, обеспечивать их согласование при работе на заданных режимах.
Совместное применение этих информационных технологий совершенствования элементов ГТД обеспечивает наблюдаемость, прогнозируемость и управляемость процесса его доводки и позволяет получать существенные результаты (увеличение мощности ГТД на 3 %, повышение КПД компрессора на 3 %, снижение температуры газа перед турбиной на 50 - 70 градусов, обеспечение устойчивого запуска при необходимом снижении вредных выбросов и др.).
Таким образом, решение проблемы эволюционного совершенствования элементов ГТД на этапе его доводки может быть найдено на пути создания информационных технологий наблюдаемого прогнозирующего управления (ней-роуправления) при исследованиях по актуальным направлениям:
- оптимизация процессов создания и доводки двигателей, разработка способов улучшения их характеристик в производстве и эксплуатации;
совершенствование процессов автоматизации проектирования, формообразования и обработки лопаток, их защиты;
совершенствование методов сбора, обработки и анализа эмпирических данных различной физической природы;
повышение эксплуатационных свойств материалов, снижение интенсивности деградации вещества;
анализ путей уменьшения вредных выбросов.
Целью работы является решение научно-технической проблемы нейро-управления качеством доводки элементов ГТД за счет создания семейства проблемно-ориентированных информационных технологий.
Для достижения цели в работе решались следующие основные задачи:
алгоритмизация процессов прогнозирования технических характеристик узлов ГТД по экспериментальным данным;
алгоритмизация процессов многопараметрической и многокритериальной оптимизации на детерминированных или стохастических моделях элементов сложных механических систем;
создание математических средств распознавания зашумленных фрагментов информации об объектах различной физической природы (координатные измерения, химический состав, вибропроцессы и др.).
Научная новизна.
-
Найдено решение научной проблемы «Нейроуправление качеством доводки элементов ГТД», основанное на законах и принципах технической кибернетики, методах квалиметрии, численных методах анализа, теории автоматического управления, методах прогнозирования, оптимизации, распознавания.
-
Разработана алгоритмированная система нейроуправления качеством ответственных элементов ГТД, обеспечивающая эффективное эволюционное совершенствование характеристик объектов различной физической природы в рамках построенной области достижимых технических решений.
-
Создана перспективная интеллектуальная система информационных технологий, основанная на использовании опыта теоретических (расчетных) исследований ГТД, опыта его штатного цехового контроля, лабораторных исследований элементов, стендовой доводки узлов, обобщений характеристик серийных конструкций двигателей различного назначения, с помощью которой получены нетривиальные практические результаты доводки различных элементов ГТД. .,;.-.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным и системным применением методов многомерного статистического описания, оп-
тимизации и распознавания образов и подтверждается высокой точностью прогноза характеристик исследуемых объектов методом скользящего узнавания.
Практическая ценность работы и реализация ее результатов.
Полученные результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований позволяют совершенствовать проектирование и производство широкохордных лопаток для ТТД с большой степенью двухконтурности, повышать эксплуатационные характеристики сплавов, эмиссионные и режимные свойства камер сгорания, управлять качеством модифицирования, комплектовки и сборки двигателей. Результаты работы автора обобщены в двух Межведомственных Руководствах по газодинамической устойчивости ГТД (1978, 2005 п г.). ...
Апробация работы. Материалы докладывались на научно-технических семинарах в ЦИАМ (1970 - 1988), на.Всесоюзной научно-технической конференции по машинному проектированию (ЦИАМ, 1981 г.), на IX и X Международных научно-технических конференциях по компрессоростррению (Казань, 1993, 1995 г. г.), Международной конференции " Газовые турбины (Рыбинск, 1994 г.), Международном симпозиуме по компрессоростроению (С.-Петербург, май 1996 г.). Работа доложена на Всероссийском форуме «Интеллектуальные ресурсы регионов России на рубеже тысячелетий» (Ярославль, 2000г.). Работа автора «Количественный прогноз тенденций и оптимизация процесса принятия управленческих решений» удостоена диплома Министерства промышленности, науки и технологий РФ на международном конгрессе — выставке «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (Санкт-Петербург, 2000 г.). Работа доложена на научно-техническом семинаре «Опыт разработки, проблемы создания и перспективы развития низко-эмиссионных камер сгорания ГТУ», организованном советом РАН по проблемам развития энергетики России (ЦИАМ, 2004 г.), на Всероссийской (с международным участием) научно-технической конференции «Рабочие процессы и технология двигателей» (Казань, 2005 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 70 статей.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы и приложения. Полный объем диссертации составляет 334 страницы.
На защиту выносится:
1. Решение научной проблемы по «Нейроуправлению качеством доводки элементов ГТД», основанное на законах и принципах технической кибернетики, идеях и методах нейроуправления, квалиметрии, численных методах анализа, теории автоматического управления.
-
Алгоритмированная система нейроуправления качеством ответственных элементов ГТД, обеспечивающая эффективное эволюционное совершенствование характеристик объектов различной функциональной природы в рамках области достижимых технических решений.
-
Информационная технология поиска многомерных функциональных соотношений (динамический стереотип) в пределах наблюдаемости поведения объекта, обеспечивающая локальный прогноз характеристик в условиях информационной недостаточности и информационной избыточности эмпирических данных.
-
Система мониторинга многомерных ситуаций (распознавания образов), обеспечивающая достоверность прогноза характеристик и эффективность управляющих воздействий (коррекция геометрии, химического состава вещества и т.д.).
