ВВЕДЕНИЕ
Высокие требования к надежности и качеству современных механизмов и машин в значительной мере обеспечиваются применением систем технического контроля, которые становятся неотъемлемой частью промышленных технологических процессов изготовления, испытания, эксплуатации и ремонта механического оборудования /1,2,3/.
Системы контроля предназначены для определения событий в объектах - механизмах и машинах. Классы обнаруживаемых событий определяют типы систем контроля 141: системы контроля параметров, системы контроля технического состояния, системы технической диагностики, обнаруживающие, измеряющие и локализующие дефекты механизмов или машин.
Контроль текущего технического состояния механизмов и машин и прогнозирование остаточного ресурса работы позволяет перейти к экономически выгодному способу эксплуатации по техническому состоянию /5,6,7/.
На практике получили применение три группы методов технического контроля механизмов и машин, отличающихся контролируемыми параметрами /8/: методы контроля по параметрам рабочих процессов, методы контроля по параметрам сопутствующих процессов, косвенно характеризующих состояние объекта (например, по параметрам виброакустических процессов ), методы контроля по структурным параметрам (например, по зазорам в сопряжениях).
Среди рассмотренных методов технического контроля широкими потенциальными возможностями выделяется виброакустический контроль (ВК) механизмов и машин по исходной информации, содержащейся в виброакустических сигналах, сопровождающих функционирование технического объекта III. ВК имеет две основные области приложений: контроль с целью определения технического состояния и диагностики объектов и контроль с целью уменьшения виброакустической активности механизмов и машин (виброизоляция, демпфирование).
ВК отличается оперативностью, позволяет получать не только интегральную оценку состояния объекта, но и локализовать неисправность, опре-
6
?^ делять вид дефекта и его глубину, может применяться для контроля большинства типов машин и механизмов /3,9,10/.
Теоретической основой для разработки методов ВК и виброакустической диагностики (ВД) явилось новое научное направление — акустическая динамика машин - выделившееся в конце 60-х - начале 70-х годов прошлого столетия из общей теории машин. Основные теоретические положения акустической динамики машин, как раздела науки, связанного с изучением вибраций и шумов механизмов и машин были сформулированы российскими учеными И.И. Артоболевским, М.Д. Генкиным, Ю.И. Бобровницким в фундаментальных работах /1,11-15/. Важные теоретические и практические результаты получены в Институте машиноведения им. А.А. Благонравова АН СССР Ф.Я. Балицким, А.Г. Соколовой /16,17/, а также в работах Б.В. Павлова /6,18/, К.Н. Явленского, А.К. Явленского /19/, К.М. Рагульскиса /20/, М.К. Сидоренко /21,22/, С.С. Кораблева /23/ и других.
Вопросам ВК и ВД механизмов и машин посвящены работы зарубежных ученых Р.А. Коллакота /2/, С. Брауна /10/, Д. Баршдорфа /24,25/, а также многие другие работы, например, /26,27,28,29/.
Область применения ВК достаточно широка и в настоящее время получены практические результаты по виброакустическому контролю и диагностированию редукторов /17,30,31/, подшипников /17,20,32,33/, авиационных двигателей /22,34-36/, судовых двигателей и механизмов /4,37 /, агрегатов локомотивов на железнодорожном транспорте /4,38-40/, автомобильных, тракторных двигателей и агрегатов /4,5,41/, автоматических линий, машин -автоматов и промышленных роботов /4,42/, электрических /19,43/ и энергетических /44,45/ машин, изделий прецизионного приборостроения и прессо-резьбовых соединений /23/ и т.д.
Отличительной особенностью ВК является необходимость применения сложных алгоритмов обработки виброакустической информации с целью выделения параметров сигналов, диагностических признаков и распознавания технического состояния объектов. Это обусловлено сложной структурой измеряемых виброакустических сигналов, большим уровнем помех и, при ди-
7
агностировании зарождающихся дефектов, малыми изменениями параметров сигналов при незначительных изменениях параметров технического состояния. Поэтому разработка методов и алгоритмов анализа виброакустических сигналов в виду своей важности и сложности выделена ведущими специалистами в самостоятельную проблему ВК /11,15,17/.
Таким образом, для практической реализации широких потенциальных возможностей методов ВК необходимо создавать эффективные алгоритмы анализа виброакустических сигналов, а также специализированные вычислительные устройства и системы (СВУ и СВС) для реализации этих алгоритмов в реальном времени в условиях индустриальной среды и имеющих высокие производительность и надежность при небольшой стоимости, малых энергопотреблении, весе и размерах.
Более того, результативность ВК и виброакустической диагностики S (ВД) в значительной степени определяется совершенством средств обработки
[ измеренных сигналов, т.е. параметрами и характеристиками вычислительных
систем (ВС), работающих в составе систем ВК и ВД.
Наиболее перспективными методами создания высокопроизводительных надежных встраиваемых ВС для приложений контроля и диагностики являются архитектурные методы, среди которых своей эффективностью выделяются методы параллельной обработки и специализация ВС.
Специализированные ВС (СВС) предназначены для решения определенного класса задач, сохраняющего постоянство в течение всего жизненного цикла ВС. Специализация ВС достигается за счет создания такой структуры ВС, которая наиболее полно соответствует структуре алгоритма решаемого класса задач. Для этого необходимо решить следующие задачи:
• разработать структуру алгоритма вычислительного процесса заданного класса задач и представить ее в удобном для параллельной обработки виде, выделив параллельные ветви и конвейеры;
• наиболее эффективно отобразить представленную структуру алгоритма на структуры параллельных ВС с учетом заданных критериев качества и определить набор функциональных модулей, образующих СВС;
8
• разработать функциональные модули и организовать их взаимодействие в вычислительном процессе СВС.
Теоретическим и практическим вопросам повышения производительности и быстродействия ВС архитектурными методами, а именно проектированию высокопроизводительных ВС с параллельной организацией вычислительных процессов посвящено много работ. Это фундаментальные работы российских ученых В.М. Глушкова /46/, И.В. Прангишвили /47,48/, Э.В. Ев-реинова /49,50,51/, Г.И. Марчука /52,53/, В.В. Воеводина /54,55/, А.В. Каляева /52,56/, Б.А. Головкина /57,58/, Б.М. Кагана /59/, А.Д. Смирнова /60/, С.А. Майорова /61/, А.И. Водяхо и Д.В. Пузанкова /62/, а также многие другие /63-66/. Указанной проблеме посвящены работы зарубежных ученых Ф.Г. Энс-лоу /67/, Е. Валяха /68/, Д. Ивенса /69/, Дж. Аллена /70/, П.М. Коуги /71/, Р. Хокни и К. Джессхоупа /72/, Дж. К. Тербера /73/, Г. Лорина /74/, В. Стол-лингса /75/, Э. Таненбаума /76/ и ряда других специалистов/77,78/.
Ряд вышеупомянутых работ посвящен построению параллельных ВС универсального применения, например, мультипроцессорных ВС с програм-
; мируемой архитектурой /56,62/. В значительной части работ рассматривают-
ся вопросы создания проблемно - ориентированных и специализированных параллельных ВС для обработки в реальном масштабе времени изображений, сейсмических, гидроакустических, речевых сигналов /47,67,78/, для математического моделирования в реальном времени сложных процессов и явлений (например, задач обтекания в гидроаэродинамике /78,79/, задач механики сплошных сред /80/ и т.д.).
Вместе с тем актуальные вопросы построения высокопроизводительных СВС для обработки сигналов в задачах ВК в настоящее время остаются сравнительно малоизученными. Процесс обработки виброакустических сиг-
! налов при ВК и ВД не исследован с информационной и вычислительной то-
чек зрения, не определена структура алгоритма решаемого класса задач, из
' которой вытекают структуры СВС.
I чО
Это сдерживает развитие встраиваемых технологических систем ВК, , снижает эффективность научных исследований в этой области и ограничива-
9
<Й ется распространение методов ВК на практике.
Таким образом, в условиях возрастающих требований к качеству изготовления механизмов и машин и повсеместного перехода на способ их эксплуатации по техническому состоянию, задачи разработки высокопроизводительных СВС для обработки сигналов при ВК механизмов являются актуальными.
Объектом исследования работы является класс СВУ для обработки виброакустических сигналов при ВК сложных механизмов.
Целью работы является разработка и исследование специализированных устройств первичной обработки сигналов, повышающих производительность и точность систем ВК сложных механизмов за счет применения алгоритмов восстановления и разделения виброакустических сигналов.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:
1. Определение и обоснование функции специализированной ВС для обра-* ботки виброакустических сигналов механизмов.
2. Формулировка и обоснование показателей для оценки приспособленности ВС для решения заданного класса задач.
3. Разработка математической модели виброакустических сигналов в точках измерения, учитывающей особенности распространения сигналов по конструкции механизма.
4. Разработка базового набора специализированных устройств для восстановления и разделения сигналов, эффективных по введенным критериям качества, для решения задач виброакустических исследований и контроля механизмов.
5. Техническая реализация в виде функциональных модулей и экспериментальное исследование разработанных специализированных устройств в вычислительных системах для ВК механизмов.
__ Методы исследования включают основные положения теории систем,
теории спектрального представления сигналов, теории графов, цифровой обработки сигналов, аппарата линейной алгебры, методов решения обратных
10
fCA задач и компьютерного моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Предложено структурное представление функции специализированной ВС для виброакустического контроля (СВС ВК), ориентированное на реализацию параллельными и конвейерными методами обработки, и сформулированы показатели для оценки специализации ВС для решения заданного класса задач.
2. Разработана квазистационарная виброакустическая модель сложного механизма, учитывающая зависимость динамических характеристик акустических каналов от взаимного положения кинематических пар.
3. Предложен способ первичной обработки, основанный на определении виброакустических сигналов в недоступных прямым измерениям узлах механизмов.
4. Разработаны структурные схемы вычислительных устройств для восстановления сигналов на основе перестраиваемых обратных, квазиобратных и адаптивных фильтров, сложность которых определяется объемом априорной информации об объекте контроля.
5. Разработаны структурные схемы вычислительных устройств для разделения-восстановления сигналов из линейной суперпозиции многих сигналов на основе многоканальных нерекурсивных, рекурсивных и адаптивных обратных фильтров.
Практическая ценность работы. Разработаны модульные специализированные ВС для систем ВК и ВД различного назначения: технологических (производственных, эксплуатационных), исследовательских, экспериментальных, АСУ ТП, АСНИ.
Разработаны, реализованы и экспериментально опробованы специализированные устройства для обработки виброакустических сигналов в автоматизированной исследовательской системе диагностики механизмов (редукто-i ы^ ров, дизельных двигателей), системах для испытаний и контроля тормозного оборудования поездов, стендовых испытаний дизель-генераторов тепловозов, встраиваемых бортовых регистраторах.
11
Разработаны и реализованы функциональные модули для сбора и восстановления сигналов. Эти функциональные модули выполнены как СВУ и могут использоваться как для первичной обработки виброакустических сигналов механизмов, так и для обработки быстропеременных сигналов иной физической природы. Рекомендовано использовать эти функциональные модули для измерения давления в тормозной системе грузовых поездов, сигналов в рельсовых цепях, динамических воздействий (сил, ускорений) на подвижном составе при транспортировке грузов по железной дороге, речевых сигналов и т.д.
Реализация результатов работы. Разработан и внедрен акустический терминал AT, используемый для сбора и обработки виброакустических сигналов в процессе экспериментальных исследований редукторов и дизельных двигателей. AT применяется на предприятии НПО «Дальняя связь» для исследования речевых сигналов, а также в Московском государственном университете путей сообщения (МГУПС) для исследования сигналов автомати- ческой локомотивной сигнализации в рельсовых цепях.
Разработан и внедрен функциональный модуль для восстановления сигналов. Модуль применяется в ГНП РКЦ «ЦСКБ-ПРОГРЕСС» в блоке первичной обработки системы контроля условий транспортировки грузов по железной дороге. Кроме того, функциональный модуль применяется в исследовательской диагностической системе АСИДМ, внедренной в СамГАПС.
Разработаны и реализованы на базе микроконтроллеров несколько типов телеметрических станций ТС для сбора и первичной обработки технологической информации в процессе испытаний и контроля тормозного оборудования грузовых поездов. Телеметрические станции ТС внедрены в составе бортовой автоматизированной системы (БАС) компьютеризированного тор-мозоиспытательного вагона-лаборатории КВЛ-Т на Куйбышевской железной дороге.
Разработаны, реализованы и внедрены Куйбышевской железной дороге бортовые регистраторы БР-Т для мониторинга режимов работы дизель-генераторов тепловозов и ИПК-А для контроля кодовых токов в рельсовых
12
цепях.
Разработана и внедрена на ГУП «СНПО «Элерон» информационная сеть контроллеров для сбора информации о техническом состоянии группы специализированных железнодорожных вагонов.
Разработана и внедрена в локомотивном депо им. Кржижановского Куйбышевской железной дороги автоматизированная система АСРТ для реостатных испытаний дизель-генераторов тепловозов.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на следующих конференциях и семинарах: на 5 Всесоюзном Совещании по технической диагностике (Владимир, ИПУ АН СССР, 1982 г.); на б Всесоюзной научно - технической конференции «Информационно - измерительные системы» (Куйбышев, КПтИ, 1983 г.); на Всесоюзной конференции «Образный анализ многомерных данных» (Владимир, ИПУ АН СССР, 1984 г.); на Всесоюзной конференции «Вибродиагностика. Оценка технического состояния механизмов и разделение источников шума. Проблемы стандартизации» (Горький, 1984 г.); на научно - методической конференции вузов МПС «Автоматизированные системы испытаний объектов железнодорожного транспорта» (Москва, МИИТ, 1985 г.); на Всесоюзном научном совещании «Проблемы вибродиагностики машин и приборов» (Иваново, ИМАШ АН СССР, 1985 г.); на 6 Всесоюзном научном совещании по технической диагностике (Москва, ИМАШ АН СССР, 1987 г.); на межвузовской научно-практической конференции «Технический прогресс на железных дорогах» (Самара, СамИ-ИТ, 1993 г.); на 1-ой и 2-ой международных научно-практических конференциях «Инфотранс-96» и «Инфотранс-97» (Санкт-Петербург, 1996 и 1997гг.); на 3-ей и 5-ой межвузовских научно-методических конференциях (Москва, РГОТУПС, 1998 и 2000гг.); на 2-ой международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, СамГТУ, 2001 г.); на межвузовской научно-практической конференции «Вклад ученых вузов в научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте» (Самара, СамГАПС, 2003г.); Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники» (Самара, СГАУ, 2003г.)
13
Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 печатные работы, в том числе получены 4 авторских свидетельства и один патент на изобретение, одно свидетельство на полезную модель и одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 123 страницах машинописного текста, списка использованных источников из 188 наименований и трех приложений на 16 страницах. Диссертация содержит 51 рисунок и 4 таблицы. Общий объем диссертации 199 страниц.
14
1.ФУНКЦИЯ, ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ И
СТРУКТУРЫ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
СИСТЕМ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ МЕХАНИЗМОВ.
1.1. Классификация систем виброакустического контроля механизмов по структурным признакам используемых
вычислительных устройств
1.1.1. На основе анализа /1,15,81/ задачи виброакустического контроля машин и механизмов по своим целям можно разделить на три группы (см. рис. 1.1.)
К первой группе относятся задачи теоретического и экспериментального изучения динамических и виброакустических характеристик механизмов, выбора параметров технического состояния и диагностических признаков, а также построения виброакустических и диагностических моделей.
Вторая группа задач охватывает вопросы разработки и исследования методов и алгоритмов обработки виброакустических сигналов механизмов. Целью обработки виброакустических сигналов является выделение из сигналов таких параметров (например, диагностических признаков), на основе которых можно определять, классифицировать и прогнозировать параметры технического состояния объекта, т.е. осуществлять тот или иной вид контроля.
К третьей группе относятся задачи разработки средств измерений, а также технических и программных средств ВС для обработки виброакустических сигналов и управления объектами контроля. Целью решения этих задач является синтез автоматизированных систем ВК и ВД, эффективных по тем или иным введенным критериям.
Анализ приведенной на рис. 1.1. классификации показывает, что ВК машин и механизмов является комплексной научно - технической проблемой /82/. Для ее решения необходимо совместное применение результатов, полученных в различных областях науки и техники (технической диагностике, акустической динамике машин, теории распознавания образов, спектральной
о
8
о
S в
Иссле, хара
Построение физической модели механизма
цование хтерист
Формирование диагностических признаков
* 2
? 3 § -S я
Определение динамических характеристик узлов S п, a s
намических ханизмов)
Построение математической диагностической модели
Измерение и сбор виброакустической информации
Восстановление виброакустичесих сигналов
Разделение сигналов из линейной суперпозиции
Прогнозирование технического состояния
Классификация технических состояний
Локализация источников колебательной энергии
Выбор средств измерений
Разработка специализированных вычислительных систем
Управление объектами контроля и диагностирования
Разработка критериев оценки эффективности систем
со
16
и корреляционной обработке сигналов, измерительной и вычислительной технике, автоматизации научных исследований и испытаний и т.п.), каждая из которых изучает ту или иную сторону проблемы.
В настоящее время достигнуты значительные результаты при решении таких задач ВК, как, например, разработка диагностических моделей, методов и алгоритмов контроля состояний и диагностирования ряда типовых узлов механизмов (например, зубчатых передач) /1,16,30/, накоплен опыт спектрального и корреляционного анализа виброакустических сигналов /15,83-86/, цифровой обработки сигналов /87,88/, распознавания образов /89,90/, созданы новые типы виброакустических датчиков и измерительных систем /1,4,8,91,92/ и т.д.
В то же время некоторые аспекты ВК недостаточно изучены, что сдерживает решение проблемы в целом.
Малоизученными остаются вопросы эффективной организации обработки информации при ВК, а также вопросы разработки проблемно — ориентированных и специализированных ВС для обработки в реальном времени сигналов для исследований и ВК сложных механизмов. Процедура обработки виброакустических сигналов при контроле и диагностировании практически не исследована как вычислительный процесс, не решена задача эффективного отображения упомянутого вычислительного процесса на архитектуру современных высокопроизводительных ВС.
Решению задач создания эффективных вычислительных средств для обработки сигналов в задачах ВК посвящена настоящая диссертационная работа.
Для виброакустических методов контроля технического состояния и диагностики, характеризующихся сложными алгоритмами обработки больших объемов информации в условиях реального времени и встраиваемых приложений, решение поставленных задач особенно актуально. Этот вывод | _ справедлив также для задач исследования динамических характеристик и построения акустических моделей сложных механизмов в процессе научных исследований и проектировании новых машин и механизмов.
17
1.1.2. Рассмотрим обобщенную функциональную схему системы ВК технического состояния механизмов /1,16/, изображенную на рис. 1.2.
Выделим на функциональной схеме группу последовательно соединенных функциональных блоков: блок ввода сигналов, блок вычисления параметров сигналов, классификатор технических состояний, блоки контроля, диагностики и прогнозирования, которую назовем специализированной вычислительной системой виброакустического контроля (СВС ВК).
Выделение СВС ВК как части системы ВК важно с методологической точки зрения, т.к. позволяет выделить для самостоятельного анализа вычислительный процесс из общей совокупности процессов, составляющих ВК (управление объектом, измерение вибраций и шумов, обучение системы и формирование эталонов и т.д.), и рассмотрение которых выходит за рамки диссертационной работы.
Исходной информацией для СВС ВК являются сигналы с датчиков, а результаты вычислений определяются классом систем ВК. При простейшем контроле (контроле параметров) — это общий уровень вибраций и шумов, при более сложном контроле (контроле состояния) - это параметры технического состояния объекта, при наиболее сложном контроле (диагностировании и прогнозировании) - это наличие и типы дефектов, их величины, местоположение и скорость развития.
1.1.3. Быстродействие и производительность СВС ВК определяются сложностью конкретных задач ВК. Известно /47,49/, что сложность задачи
можно оценить следующим выражением: —--, где Le- вычислительная
Тд
сложность, определяемая числом приведенных операций; D- объем исходных данных (в байтах), определяемый точностью представления исходных данных и числом каналов; Тд- допустимое время решения задачи (в сек).
Применительно к задачам ВК параметры Le,D,TM, т.е. сложность задач, оп-
ределяются сложностью объекта, глубиной и оперативностью контроля.
По сложности, определяемой количеством узлов (элементов) и числом |
