Унифицированное математическое и программное обеспечение автоматизированной системы испытаний двигателей внутреннего сгорания

Срок создания двигателей внутреннего сгорания (ДВС) зачастую составляет от 5 до 10 лет, включая время, необходимое на экспериментальную доводку двигателя. При этом сам процесс доводки продолжается на протяжении всего периода серийного выпуска изделия вплоть до снятия его с производства [78].

Наиболее перспективным способом повышения качества, сокращения сроков разработки, доводки и подготовки серийного выпуска ДВС является автоматизация процессов начиная от проектирования отдельных узлов и всего двигателя в целом с помощью систем автоматизированного проектирования ДВС (САПР ДВС) до автоматизации экспериментальных исследований и испытаний двигателя на базе автоматизированных систем испытаний (АСИ) ДВС [89].

Эксперименты на двигателях внутреннего сгорания достаточно трудоемки и длительны (около 80% общего объема работ по созданию двигателя приходится на экспериментальные работы). Сложны и трудоемки обработка и анализ результатов исследований и испытаний ДВС. ч Применение многофункциональных автоматизированных систем испытаний двигателей внутреннего сгорания, как показывает мировой опыт, позволяет сократить в 5−10 раз расходы на проведение и обработку результатов испытаний двигателей.

Поэтому решению проблем создания, внедрения и эксплуатации автоматизированных систем исследований и испытаний различных типов двигателей уделяется большое внимание российскими и зарубежными учеными и предприятиями двигателестроения [2].

Большинство отечественных систем автоматизации испытаний ДВС разрабатывались по индивидуальным заказам, и каждая из этих АСИ практически являлась уникальной системой [17].

Как показала практика, широкое внедрение АСИ ДВС в масштабах отрасли для различных классов и типов современных двигателей внутреннего сгорания, а также видов их испытаний невозможно без решения проблемы создания унифицированного математического и программного обеспечений и средств автоматизированной подготовки и настройки алгоритмов технологии. Эти трудности и проблемы усугубляются также требованиями резкого расширения выполняемых системой функций и необходимостью постоянной коррекции алгоритмов в связи с достаточно частыми изменениями технологии (в особенности, при проведении исследовательских и доводочных испытаний ДВС и его узлов) [18].

Решение этой проблемы возможно на основе последних достижений в области системного анализа, формализации и алгоритмизации технологии испытаний двигателей. Благодаря работам Адгамова Р. И., Берхеева М. М., Дмитриева С. В., Заляева И. А., Кожевникова Ю. В., Красных В. Л., Моисеева B.C., Хайруллина А. Х. и др. в области автоматизированных систем испытаний заложен фундамент организации подобных систем в области двигателестроения. В этих исследованиях разработаны математические методы оценки и уточнения характеристик двигателейсозданы методики рационального выбора структуры АСИ и аналитического проектирования автоматизированного технологического процесса испытанийотдельные алгоритмы, методы испытаний и т. д. [2,3,5,50, 68].

Однако дальнейшее усовершенствование АСИ ДВС, всех видов её обеспечений, расширение функциональных возможностей и повышение эффективности их эксплуатации связано с появлением новых возможностей средств управления, контроля, обработки хранения, отображения и передачи информации [76].

В связи с этим, в настоящее время требуется выход на новый качественный уровень АСИ ДВС, обеспечивающий повышение достоверности правильного диагностирования технического состояния двигателя, который может быть обеспечен только за счет унификации и стандартизации математического, программного, информационного обеспечений и единства концептуальных основ построения АСИ ДВС, опирающихся на различные аспекты ее интеграции и интеллектуализации [76].

Цель работы. Научное обоснование и разработка унифицированного математического и программного обеспечений АСИ ДВС и системы автоматизированной подготовки и настройки программного комплекса.

Задачи исследований:

1. Теоретически обосновать возможность формализованного описания автоматизированных технологических процессов испытаний ДВС с целью создания алгоритмической структуры АСИ ДВС, настраиваемой на любые виды испытаний в независимости от комплекса технических средств (КТС) и типов двигателей внутреннего сгорания.

2. На основе формализованного описания технологии испытаний разработать алгоритмическую структуру АСИ ДВС и банк унифицированных управляющих и функциональных алгоритмов системы.

3. Теоретически обосновать и разработать режимы организации общего функционирования АСИ ДВС для реализации исследовательских, доводочных и типовых испытаний двигателей внутреннего сгорания и сокращения при их проведении временных, материальных и энергетических затрат.

4. Разработать систему автоматизированной подготовки и настройки программного комплекса АСИ ДВС на различные виды технологий испытаний, типы и модификаций двигателей.

На защиту выносятся:

— методика формализованного описания технологии автоматизированных испытаний ДВС q выделением и систематизацией множеств однородных по степени детализации, сложности и методам реализации элементов многоуровневой структуризации технологии;

— методика проектирования открытой алгоритмической структуры и организации общего функционирования АСИ ДВС, настраиваемой на различные виды технологии испытаний, типы двигателей;

— методика автоматизированной подготовки и настройки программного обеспечения АСИ ДВС, с учетом требований, позволяющих включать эту систему в САПР более высокого уровня, а именно в САПР АСИ ДВС.

Научная новизна:

1. Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что формализованное описание автоматизированных технологических процессов испытаний ДВС должно осуществляться на основе отображения иерархических уровней структуризации технологии в виде двух относительно независимых множеств ее компонентов. К первому множеству отнесены элементы, инвариантные к средствам и методам реализации и характеризующие общие цели и планы испытаний. Второе множество содержит элементы, характеризующие определенные действия, совершаемые программно-аппаратными средствами АСИ и испытателями по реализации конкретных физических процессов.

2. Впервые на основе формализованного описания обоснована открытая алгоритмическая структура АСИ ДВС с разделением организации автоматизированной технологии испытаний через унифицированные управляющие алгоритмы и алгоритмы функциональных модулей.

3. Впервые обоснована целесообразность организации общего функционирования АСИ ДВС в базовых интегрированных режимах: «Автоматический», «Диалоговый», «Распознавание» и «Следящий», обеспечивающих проведение исследовательских, доводочных и типовых испытаний и эффективное использование ресурсов дорогостоящего стендового оборудования.

4. Впервые обоснована методика автоматизированной подготовки и настройки программного комплекса АСИ ДВС на различные виды испытаний, типы двигателей, с учетом требований, позволяющих включать эту систему в САПР более высокого уровня, а именно в САПР АСИ ДВС.

Практическая ценность:

1. Разработанные унифицированное математическое и программное обеспечение внедрены в комплексе с АСИ ДВС на испытательных станциях АО «Завод двигателей» (ЗД) и Научно-технического центра (НТЦ) ОАО КАМАЗ.

2. Создана открытая алгоритмическая структура АСИ ДВС с разделением организации автоматизированной технологии испытаний через унифицированные управляющие и функциональные алгоритмы. Данная алгоритмическая структура АСИ ДВС позволяет постоянно совершенствовать систему с появлением новых возможностей средств управления, регулирования, контроля, обработки, хранения, отображения, передачи информации, а также интегрирования в систему модульных средств’других разработчиков предметной области.

3. Создан банк унифицированных алгоритмических модулей АСИ ДВС в количестве 42 единиц, в частности, управления, регулирования, измерений на установившихся и переходных режимах работы ДВС, аварийного контроля и т. д., которые позволяют организовать любые испытания различных типов и модификаций двигателей.

4. Разработаны вектора настройки, которые включают в себя 421 характеристику параметрического описания обобщенной технологии, ДВС и КТС.

5. Разработаны базовые интегрированные режимы общего функционирования АСИ ДВС «Автоматический», «Диалоговый», «Распознавание», «Следящий», обеспечивающие проведение исследовательских, доводочных и типовых испытаний двигателей внутреннего сгорания и эффективное использование ресурсов дорогостоящего стендового оборудования.

6. Разработана система автоматизированной подготовки и настройки программного обеспечения АСИ ДВС на различные виды испытаний, типы двигателей, с учетом требований, позволяющих включать эту систему в САПР более высокого уровня, а именно в САПР АСИ ДВС.

7. Результаты работы используются в учебном процессе на кафедрах «Двигатели внутреннего сгорания» и «Автоматизация и информационные технологии» Камского политехнического института (г. Набережные Челны).

Реализация результатов. Результаты исследований внедрены в комплексе с АСИ ДВС на испытательных станциях АО ЗД и НТЦ ОАО КАМАЗ, используются в учебном процессе в Камском политехническом институте (г. Набережные Челны) на кафедрах «Двигатели внутреннего сгорания», «Автоматизация и информационные технологии». Диссертация выполнена в специализированной лаборатории научно-исследовательского сектора Камского политехнического института и на испытательных станциях АО ЗД и НТЦ ОАО КАМАЗ в период с 1991 по 1995 г. г. на основе работ по проектированию, испытанию и внедрению АСИ ДВС на испытательных станциях АО ЗД и НТЦ ОАО КАМАЗ, АО"ЕлАЗ" (г. Елабуга), госбюджетных и хоздоговорных работ, научно-исследовательских разработок, Грантов Российской Федерации 1992, 1993, 1994 г. г., Грантов Республики Татарстан 1998 и 1999 г. г., проведенных под руководством д.т.н., профессора Хайруллина А.Х.

Апробация работы. Результаты работ представлены в монографии «Математическое обеспечение автоматизированных систем исследований и испытаний двигателей внутреннего сгорания» (издательство «Машиностроение» г. Москва, 1995 год), в сборнике научных трудов КамПИ (г.Набережные Челны, 1994 год), на Международной научно-технической конференции «Механика машиностроения-95» (г. Набережные Челны), на Региональном конкурсе «Молодые дарования-95» (Диплом I степени), на международной научно-технической конференции «Модель-проект-95» (г. Казань), на Республиканском конкурсе «Лобачевский-97» (г. Казань).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе, 1 монография (изд-во Машиностроение, г. Москва) и 7 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 151 странице, включает 25 рисунков.

9. Результаты работы используются в учебном процессе на кафедрах «Двигатели внутреннего сгорания» и «Автоматизация и информационные технологии» Камского политехнического института (г. Набережные Челны).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В результате теоретических исследований и на основе практических работ разработана методика формализованного описания автоматизированной технологии испытания ДВС. Доказано, что описание автоматизированного технологического процесса испытаний ДВС должно осуществляться на основе отображения уровней структуризации технологии в виде двух относительно независимых множеств ее компонентов. К первому множеству должны быть отнесены элементы, инвариантные к средствам и методам реализации и характеризующие общие цели и планы испытаний. Алгоритмы этих элементов технологии должны проектироваться как управляющие алгоритмы АСИ ДВС. Второе множество должно содержать элементы, характеризующие определенные действия, совершаемые программно-аппаратными средствами АСИ и испытателями по реализации конкретных физических процессов. Они представляют функциональные модули АСИ ДВС.

2. Установлено что, при построении математической модели обобщенного алгоритмического описания технологии в качестве основной целевой функции необходимо принять выполнение условия однозначности и детерминированности алгоритмов для всех типов двигателей и видов испытаний. При ч этом всю информацию, характеризующую изменяемую часть предметной области в зависимости от типов операций, видов испытаний, модификаций двигателей, необходимо отделить от алгоритмов и выразить через вектора параметров настройки технологии.

3. Показано что, унификацию алгоритмов АСИ ДВС необходимо проводить путем сужающих и эквивалентных преобразований полученного обобщенного алгоритмического описания технологии и выделения векторов вариантных параметров настройки технологии испытаний. При этом для обеспечения структурной независимости алгоритмы должны быть спроектированы инвариантно к методам их реализации.

4. Доказано, что с методической точки зрения система автоматизированной подготовки и настройки программного обеспечения АСИ ДВС должна функционировать путем генерирования некоторого элемента технологии по заданному его функциональному назначению. При этом генерирование должно осуществляться из допустимого набора компонентов многоуровневой технологии, векторов настройки, правил их сборки с использованием идентификаторов конкретных реализаций компонентов технологии.

5. Создан банк унифицированных алгоритмических модулей в количестве. 42 единиц, которые прошли практическую отработку и были внедрены на испытательных станциях ЗД и НТЦ ОАО КАМАЗ. При этом разработаны вектора настройки, которые включают в себя 421 характеристику параметрического описания обобщенной технологии, ДВС и КТС.

6. Разработана открытая алгоритмическая структура автоматизированной системы испытаний ДВС, которая позволяет выйти на новый качественный уровень АСИ ДВС. Данная алгоритмическая структура позволяет дальнейшее совершенствование системы при появлении новых возможностей средств управления, контроля, обработки, хранения, отображения и передачи информации, а также использование функциональных модулей других разработчиков предметной области.

7. Теоретически обоснованы и практически внедрены режимы организации общего функционирования АСИ ДВС («Автоматический», «Диалоговый», «Распознавание», «Следящий») для реализации исследовательских, доводочных и типовых испытаний ДВС и эффективного использования дорогостоящего комплекса технических средств.

8. Разработана система автоматизированной подготовки и настройки программного обеспечения АСИ ДВС на различные виды технологий испытаний, типы и модификаций двигателей, с учетом требований, позволяющих включать эту систему в САПР более высокого уровня, а именно в САПР АСИ ДВС.