Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedésmérnöki Kar, Repülőgépek és Hajók Tanszék CZÖVEK LÁSZLÓ

Átírás

1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedésmérnöki Kar, Repülőgépek és Hajók Tanszék CZÖVEK LÁSZLÓ REPÜLÉSI ADATOK ALKALMAZÁSA VALÓS REPÜLÉSI SZITUÁCIÓK ELEMZÉSÉBEN Ph.D. értekezés Témavezető: Dr. Rohács József Budapest, 2005

2 NYILATKOZAT Alulírott Czövek László kijelentem, hogy ezt a doktori értekezést magam készítettem, és abban csak a megadott forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, amelyet szó szerint, vagy azonos tartalomban, de átdolgozva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával megjelöltem. Budapest, október Czövek László A dolgozat bírálatai és a védéskor készült jegyzőkönyv a BMGE Közlekedésmérnöki Karának Dékáni Hivatalában a későbbiekben megtekinthető.

3 TARTALOMJEGYZÉK Köszönetnyilvánítás...v Összefoglaló...vi Abstract...ix Bevezetés...xi Szakirodalmi áttekintés...xiii I. AZ ADATGYŰJTŐ-RENDSZEREK INFORMÁCIÓJÁNAK ALKALMAZÁSA ÜZEMELTETÉSI ÉS DIAGNOSZTIKAI CÉLOKRA...1 I.1. Az üzemeltetés és diagnosztika kapcsolata, jellemzése...1 I.2. Az üzemeltetés irányítása...2 I.2.1. Üzemeltetési, karbantartási stratégiák...2 I.2.2. Meghibásodásig történő üzemeltetés...3 I.2.3. Kötött üzemidő szerinti üzemeltetés...4 I.2.4. Megbízhatósági szint szerinti üzemeltetés...4 I.2.5. Jellemző paraméter szerinti üzemeltetés...5 I.3. A műszaki diagnosztika módszerei az üzemeltetésben...7 I.4. Diagnosztika elméleti alapjai...12 I.4.1. Diagnosztikai alapfogalmak...12 I.4.2. A diagnosztikai rendszer állapota...16 I.4.3. Műszaki genetika, diagnosztika, prognosztika kapcsolata...18 I.4.4. A diagnosztikai folyamat fogalma, célja, jellemző vonásai...20 I.5. A diagnosztikai paraméterek meghatározásának módszere...22 I.6. Katonai repülés műszaki üzemeltetési rendszere...25 II. REPÜLÉSI PARAMÉTEREKET RÖGZÍTŐ FEDÉLZETI RENDSZEREK ELEMZÉSE...29 II.1. Fedélzeti adatgyűjtő rendszerek rendeltetése, rögzítési módjai, a repülési információk földi kiértékelésének módszerei...29 II.2. Hazai fejlesztésű korszerű adatrögzítő és adatfeldolgozó rendszerek...33 II.3. TESZTER típusú fedélzeti adatrögzítő rendszer specifikációja...38 II.3.1. TESZTER rendszer felépítése, működése...39 II.3.2. RAR rendszer eszközeinek megnevezése, rendeltetése, fejlesztés célja...41 II.3.3. Harcászati műszaki követelmények a RAR-29 rendszerre vonatkozóan...42 iii

4 III. REPÜLŐGÉPEK MOZGÁSÁNAK ELMÉLETI ALAPJA...45 III.1. A repülőgép térbeli mozgásának egyenletei...45 III.2. A repülőgép hosszirányú mozgás egyenletei...48 III.2.1. A hosszirányú mozgásegyenletek linearizálása...48 III.2.2. A hosszirányú mozgás átviteli függvényei...53 III.3. A bólintási robotpilóta hatásvázlata...56 III.4. A bólintási robotpilóta tranzinens analízise...64 III.5. Modell-elemzés...73 III.5.1. Rögzített adatok felhasználása repülőgép matematikai modelljének felállításához...73 III.5.2. Értéktartó szabályzási rendszer tervezése...77 III.5.3. Értékkövető szabályzási rendszer tervezése...88 III.5.4. Optimális értékkövető szabályzási rendszer tervezése...89 IV. KIFEJLESZTÉSRE KERÜLT FEDÉLZETI ADATRÖGZÍTŐ ÉS FÖLDI KIÉRTÉKELŐ RENDSZEREK GYAKORLATI JELENTŐSÉGE...92 IV.1. TAVASZ-29 adatkiértékelő rendszer, Mobil Adatkiolvasó- Hitelesítő, (MAKI-H) berendezés...94 IV.2. Üzemeltetési tapasztalatok, kidolgozott új technológia Befejezés, összefoglalás Új tudományos eredmények, tézisek Irodalomjegyzék Mellékletek...CD iv

5 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Ez a doktori értekezés a BME Repülőgépek és Hajók Tanszéken valamint az AVIATRONIC Repüléstechnikai Fejlesztő Kft-nél végzett tanulmányi és kutatási tevékenységem során készült. Különösen hálás vagyok a tanszék valamennyi oktatójának, közülük is Dr. Rohács Józsefnek és Dr. Gausz Tamásnak a nélkülözhetetlen szakmai támogatásáért valamint Bokor József, Pásztor Endre, Kurutz Károly, Zobory István és Gedeon József professzor uraknak türelmes emberi segítségükért, amely sokszor átsegített a problémáimon. Nagyon köszönöm az AVIATRONIC Repüléstechnikai Fejlesztő Kft munkatársainak, Farkas Tibor, Dobrocsy László és Kanyó Miklós fejlesztőmérnök uraknak azt az időt és energiát, melyet a segítségemre fordítottak a kiértékelő rendszer kalibrálása és a repülések értékelésének végrehajtása során. KÖSZÖNÖM! v

6 ÖSSZEFOGLALÓ Murphy II. törvénye: bármilyen hiba, amely megismétlődhet, meg is fog ismétlődni! A légi járművek fejlődése olyan szintet ért el, amelyen optimális alkalmazhatóságuk elképzelhetetlen az automatikus vezérlő rendszerek felhasználása nélkül. Napjainkban a harci repülőeszközök sokoldalú felhasználásának, hadrafoghatóságának, a feladatok sikeres végrehajtásának érdekében kiemelt figyelmet fordítanak a korszerű fedélzeti rendszerek megbízható működésére és a repülések részletes elemzésére. Ennek egyik alapvető oka a biztonságos repülés feltételeinek megteremtése, ezért a fedélzeti vezérlő rendszerek feladata a repülőeszköz mozgásjellemzőinek megtartása, vagy megváltoztatása, kormányozhatósági és stabilitási tulajdonságaik javítása. Az értekezésem tárgya egy új típusú adatfeldolgozó rendszer. Ennek a rendszernek alkalmazásával a MiG 29 típusú repülőgépeket üzemeltető állomány részére biztosíthatók az állapot szerinti üzemeltetéshez szükséges adathalmazok, valamint a fedélzeti vezérlő rendszerek szabályzási rendellenességei is vizsgálhatók. Ezzel párhuzamosan a repülési szituációk - repülések utáni analizálása - objektív adatok alapján elvégezhető, ezzel is biztosítva a repülőgép-vezetők felkészítéséhez és a repülőtechnika leggazdaságosabb üzemeltetéséhez nélkülözhetetlen adathalmazok. A fedélzeti rendszerek paramétereinek objektív, pontos mérése, elemzése és nyilvántartása megteremtheti az állapot szerinti üzembenntartás egyik fontos feltételét. Az értekezésem tárgyát képező adatfeldolgozó rendszer bemutatásával, a kapott eredmények elelemzésével célom: elősegíteni a repülőgépek üzemeltetése során alkalmazott diagnosztikai módszerek felhasználását a katonai repülőgépek műszaki üzemeltetésében, kialakítani és megteremteni a technika állapotának meghatározásához, és az állapot szerinti üzemeltetés feltételeinek megteremtéséhez szükséges objektív módszereket, elméleti és szakmai ismereteket biztosítani a műszaki kiszolgáló személyzet felkészültségének fejlesztéséhez, a repülőhajózó állomány számára egyszerűen fogalmazott, gyakorlati példákkal alátámasztott ismereteket biztosítani az új kiértékelő, megjelenítő rendszer segítségével a végrehajtott repülési feladat elemzéséhez. Fő feladatom, a kísérleti üzemeltetés ideje alatt kapott repülési eredmények és az elméleti számítások vizsgálatával bebizonyítani, hogy az általam tesztelt új adatkiolvasó berendezés vi

7 által nyújtott információ elegendő a repülőgépek két felszállás közötti gyors kiértékelésére. Valamint a földi kiértékelő rendszer képes a repülőgép műszaki állapotának, illetve a repülőgép időarányos repülési helyzetének pontos meghatározására, továbbá a rögzített információk alapján a repülőgép-vezető tevékenységének behatárolására. Az új diagnosztikai berendezés és módszer kifejlesztése már 1993-ban elkezdődött az AVIATRONIC. Kft szakembereinek és a HM érintett mérnökeinek tervei alapján. A SZU-22 M3 típusú repülőgéphez kifejlesztett TAVASZ-22 kiolvasó és TISZA földi kiértékelő rendszer, a csapatnál próbarepülései során (több mint 300 repült óra, 482 felszállás) bizonyította alkalmazhatóságát. Fotó 1. SZU 22 M3 típusú repülőgép A kiértékelések eredményei nagyban hozzájárultak a típus megbízható karbantartásához, üzemeltetéséhez, így a repülések biztonságának a növeléséhez. A haderő átalakítás következtében a SZU típus 1997-ben kivonásra került a Magyar Légierőből től a SZU 22-höz kifejlesztett kiolvasó berendezés és kiértékelő szoftver kisebb átalakítással már adaptálva lett a MiG 29 típusú repülőgépeknél, hisz fedélzeti TESZTER adatrögzítő rendszerük hasonló, így a kivonás nem jelentett megtorpanást az adatrögzítő és kiértékelő fejlesztésben. Értekezésemben a szakirányhoz vonatkozó elméleti területek teljesség érintése nélkül, részletesen bemutatom az 1993-ban megkezdett és 2002 nyarán befejezett, több éves csapatpróbán és néhány átalakításon átment a MiG-29 típusú repülőgépek üzemeltetéséhez nélkülözhetetlen TAVASZ 29 elnevezésű új típusú adatfeldolgozó rendszert. vii

8 A rendszer eleme egy kiolvasó berendezés MAKI-Mobil Adat Kiolvasó és egy repülés utáni kiértékelő rendszer UFA-Univerzális Földi Kiértékelő. A repülések gyakorlati tapasztalatainak és a rögzített paraméterek analízisének felhasználásával, illetve az érintett elméleti területek bemutatásával (üzemeltetés,- diagnosztikai módszerek; adatrögzítők - rögzítési eljárások; szabályzás elmélet - matematikai modell; repülésdinamika - repüléselemzés) új földi kiértékelő és elemző módszert alakítottam ki. Fotó 2. MAKI-kiolvasó berendezés Fotó 3. UFA-kiértékelő rendszer Összefoglalva, értekezésem tárgyát képező rendszer alkalmazásával pontosabban megállapítható a repülőgép repülési helyzete, illetve a fedélzeti rendszerek (az automatikus vezérlő rendszer) műszaki állapota, azok esetleges rendellenességei, hatásuk a repülőgép dinamikai tulajdonságaira, valamint a repülőgép-vezető tevékenységére. A fentiek ismeretében növekedhet a repülés biztonsága. Az elvégzett vizsgálatok igazolják a rendszer alkalmazásának gazdasági, üzemeltetési és kiképzési jelentőségét. Az értekezésemben bemutatott vizsgálati eredmények alapján elmondható, hogy az új adatfeldolgozó rendszer gyakorlatban alkalmazható új diagnosztikai rendszer. A kifejlesztett adatkiértékelő rendszert, amelynek végleges csapatpróbája nyarán volt, a Magyar Honvédség megrendelte az AVIATRONIC Repüléstechnikai Fejlesztő Kft-től, amely a rendszer alkalmazhatóságára utal. viii

9 ABSTRACT The achieved results can be applied during maintenance of aircraft in the Hungarian Air Force, which result in a decrease of maintenance costs. Aircraft of the Hungarian Air Force are maintained applying the hard-time maintenance strategy. Any change in the flying and handling qualities of the automatic flight control systems (AFCS) leads to the on-ground checking process. The aircraft flying qualities are tested as the maintenance shows during (3-4) test-flights. In my dissertation there are four chapters; I carry out the demonstration of the postflight evaluation system UFA-Universal Ground Evaluation Equipment and readthrough equipment MAKI-Mobile Data Read-out Equipment of the new type data processing system called TAVASZ 29 th, which is indispensable for the operation of the MIG-29 type aircraft. The execution of this system started in 1993 and it was finished in the summer of It went through several troop tests and some transformations as well. The above mentioned demonstration process is executed by using practical experience of flying and analysis of parameters, and by focusing on the concerned theoretical areas (operation diagnostic methods; data fixing fixing procedures; regulation theory mathematical model; flight dynamics flight analysis). Picture 4. Hungarian Disple Fighter, MiG 29 ix

10 Through the examination of the results and theoretical calculations received during the experimental operation, I proved that the new data read-out equipment tested by me personally and the pieces of information given by the ground evaluation system, provide the quick evaluation between the take-offs of the aircraft, accurate specification of its technical condition (for its operation), the flying location depending on the flight time (flying event dangerous situations, and basis for catastrophe analysis), and based on fixed information it provides the clarification of the various pilot activities. Through experience, both theoretical and by practical and by other up-to-date data collection methods, I was able to accurately verify pilot and aircraft activities. x

11 BEVEZETÉS A repülőtechnika üzemeltetése során a gép üzemeltetési jellemzői változnak. A rendszerek, berendezések megfelelő és biztonságos működéséhez szükséges, hogy az üzemeltetési paraméterek megengedett határok közt maradjanak. Ez kiemelten fontos a kormányszervek működését befolyásoló rendszerek esetén. A repülőgépek üzemeltetőinek feladata a fellépő meghibásodások behatárolása és kijavítása, az üzemeltetési paraméterek szinten tartása, a biztonságos repülési feltételek megteremtése. E feladat megoldásához a rendszer, berendezés üzemi állapotának minél pontosabb meghatározásához szükséges az üzemi jellemzők mérése, a mért adatok rögzítése, valamint értékelése. A számítástechnika fejlődésével napjainkban a matematikai diagnosztikai, identifikációs módszerek kidolgozása, a szimulációs eljárások alkalmazása szükséges gyakorlati feladattá vált. Értekezésemben célul tűztem ki a repülőgépek üzemeltetése során alkalmazott diagnosztikai módszerek átültetését az automatikus vezérlő rendszer vizsgálatára. Ezt egy deltaszárnyú, sugárhajtású repülőgép repülőgép-robotpilóta matematikai diagnosztikai vizsgálatán keresztül mutatom be. Értekezésemben leírt gyakorlati eredményekre alapozva be kell bizonyítanom, hogy az általam tesztelt új adatrögzítő és kiértékelő rendszer által nyújtott információk segítségével /amelyek az automatikus vezérlő rendszer állapotáról, a kormányszervek működéséről és helyzetéről, valamint a vezérlő rendszerhez jövő jelek, jeladók állapotáról adnak objektív adatokat/ megállapítható a repülőgép műszaki állapota, a vezérlő rendszer esetleges rendellenessége és repülőgép időarányos repülési helyzete, illetve a repülőgép-vezető tevékenysége. A fentiek alapján az alábbi feladatokat kellett megoldanom: 1. Az üzemeltetés és diagnosztikai folyamat rendszerszemléletű elemzését. 2. Az adatrögzítési eljárások vizsgálatát. 3. A vizsgált rendszer matematikai diagnosztikai modelljének felállítását, ellenőrzését. 4. A rendszer vizsgálatát MATLAB programcsomag segítségével. 5. A saját mérési eredmények alapján új repülési állapot analizálási módszer kidolgozását. Témaválasztásomat több ok tette szükségessé: egyrészt a Magyar Honvédség, ezen belül a Légierő átalakítása. Jelenlegi gazdasági helyzete miatt a repülőcsapatok mérnök-műszaki szolgálatainál célul tűzték ki a repülőtechnika intenzív üzemeltetését, azaz a meglévő (had- xi

12 rendben tartott) gépek gazdaságosabb kiszolgálását a repülésbiztonság elsődlegessége mellett a repülési üzemidők maximális kihasználásával, a technikaváltásig Másrészt a bemutatásra kerülő adatrögzítő és kiértékelő rendszer (maga nemében egyedülálló) olyan lehetőségeket nyújthat a földi kiszolgáló személyzet részére, amely alapján a repülőgép kormányzási-vezérlési és kiegyensúlyozatlansági problémái objektív adatok alapján, gyorsan és pontosan kiküszöbölhetők. Ezzel csökkentve a javítások költségét valamint a javítások utáni berepülések számát, ami elősegítheti a repülésbiztonság javítását. A kifejlesztett új adatrögzítő által szolgáltatott adatok statisztikai elemzése alapján prognosztizálhatók az esetleges meghibásodások, melyek így megelőzhetők. A karbantartások célirányosan végezhetők az adathalmazok elemzése után. A fuzzy-logika alkalmazásával elméletileg megalapozott üzemeltetési feltételek biztosítják a repülések biztonságos előkészítését és végrehajtását. Végezetül de nem utolsó sorban, az új eljárás lehetőséget biztosít a repülőgép-vezetők felkészültségének ellenőrzésére, a repülések végrehajtásának elemzésére, a repülő események kivizsgálása során, pedig elengedhetetlen az ok okozati tényezők meghatározásában. Fotó 5. Pestvidéki Gépgyár, a MH repülőeszközeinek javítóbázisa xii

13 SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS Ebben a fejezetben áttekintem az értekezésem elkészítéséhez felhasznált irodalmakat. A részletes hivatkozásokat ott teszem meg, ahol az adott kérdés felmerül. Értekezésemben az üzemeltetés és diagnosztika kérdéseit vizsgálom, a repülőgépeket üzemeltetők szemszögéből [18, 20, 43]. Az üzemeltetés rendszerének vizsgálatához szükséges alapfogalmakat a [35, 43, 54, 61], gyakorlati példát az üzemeltetés, illetve valószínűség elméleti módszerek alkalmazására a [28, 29, 41, 56, 57, 68] irodalmakban találunk. A [69, 71, 73,] művek foglalkoznak a műszaki diagnosztika fogalmával elméleti és gyakorlati irányainak feladataival. A repüléstechnika üzemi jellemző változás vizsgálatának feladatát és módszereit tanulmányoztam [139, 20] és a következőt állapítottam meg: a repülőgépek és fedélzeti rendszereik üzemi jellemzői egyedi tulajdonságok és a ledolgozott üzemidő alapján változnak. A [73] irodalom szerzője meghatározta a fenti vizsgálatok céljait, alapvető feladatait és a felhasználható eljárások, módszerek körét. Áttekintettem a Magyar Honvédségnél folyó diagnosztikai kutatásfejlesztés [28, 54, 139] eredményeit. Napjainkban feladatunk a technikai ellenőrzési módszerek keresése, melyek segítségével a rendszerek műszaki állapota, lehetőleg automatizálható formában jól ellenőrizhető. A kidolgozott ellenőrző berendezés a legbonyolultabb fedélzeti rendszer a SZAU rendszer diagnosztizálására is szolgálhat, de mint írja a szerző, hasonlóan vizsgálható más rendszer is. A [57, 61, 74] szerzője megállapítja, hogy a bonyolult műszaki diagnosztikai problémák, megoldását segíti a modellalkotási módszerek alkalmazása. Az üzemi jellemzők és a diagnosztikai jellemzők közötti kapcsolatok megteremtésének modelljei lehettek megfigyelési és ún. folyamat modellek. A folyamat modellek közé sorolható paramétermodellek jellegzetessége, hogy a rendszer viselkedését leíró összefüggések paramétereinek megváltozása a diagnosztika alapja. Kimondottan csak a repülőgépeken alkalmazott adatrögzítő berendezésekkel és diagnosztikai rendszerekkel kívánok foglalkozni, hisz a számítástechnika fejlődésével jelenleg a tudományágak mindegyike alkalmaz diagnosztikai rendszereket, így például az orvostudományban, közlekedésben, űrkutatásban. A dolgozatommal kapcsolatos (fedélzeti adatrögzítők) irodalom rendkívül nagyszámú [1, 2, 10, 12, 16, 26, 32, 38, 40, 45, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 102, 103, 104]. A hazai és külföldi könyvek, illetve cikkek közül több is foglalkozik az adatrögzítő, illetve diagnosztikai rendszerekkel. Sajnos, ezek inkább a jelenleg üzemeltetett adatrögzítő rendszerek működési leírásával, valamint az újabb fejlesztések irányával ismertetik meg az olvasót. xiii

14 Ezekből kiderül, hogy az adatrögzítő és diagnosztikai rendszerek általában a repülőszerkezetek általános (kiemelten a hajtómű) technikai állapotát meghatározó paramétereket rögzítik és a rögzített információkat különböző módszerekkel, elemzik. A repülőtechnikán alkalmazott adatrögzítő rendszerekkel többek között a [1, 2, 12, 45, 50], az adatfeldolgozási módszerekkel a [40, 47, 49, 104] irodalmak foglalkoznak. Az adatrögzítő rendszerek előnyeiről, hátrányairól, alkalmazásuk feltételeiről és sajátosságairól a [52, 67, 71, 102, 103, 140] művek szerzői adnak összehasonlítást. A vizsgálat alá vont deltaszárnyú repülőgép automatikus vezérlő rendszerének leírását, felépítését és részegységeinek szerkezetét, működését a [4, 27, 34, 107] irodalomban találjuk meg. Az automatikus vezérlő rendszerek bemutatásával foglalkoznak a [105, 96, 93, 66, 46, 27] művek szerzői. Az automatikus vezérlő rendszerek működésének megértéséhez elengedhetetlen ismerni a repülőgép repülési dinamikáját, ennek részletes bemutatását a [42, 53, 58, 78, 83, 84, 88, 96, 98, 114, 119] művekben találhatjuk. Különféle rendszerek, berendezések matematikai modelljeinek felállítási módszereit írja le a [70, 63, 59, 55, 33] irodalom. Az általam felállított matematikai modellhez olyan jelölést alkalmaztam, ami megkönnyíti az automatikus vezérlő rendszer vizsgálatát. A [7, 60, 61, 63, 70, 81-88, 97, 99,] irodalmak bemutatják a matematikai modellek alkalmazását valós rendszerek számítógépes szimulációjára. Az automatikus vezérlő rendszer teljes matematikai modelljének felírásával és szimulációs alkalmazásával nem foglalkozik irodalom. Helyette, a térbeli repülés szétválasztott (különféle mozgásokra) vizsgálata oldja meg a problémát. A modell felállításához szükséges útmutatást a [70, 99] irodalmakban találunk. A dokumentumok bemutatják a repülőgép térbeli mozgását leíró matematikai modellek felállításának módszereit, illetve ismertetik, hogy milyen formában alkalmazhatók ezek a matematikai modellek a statikus és dinamikus diagnosztikai elemzésekben. Munkám témájához legközelebb a [55, 61, 70, 96] irodalmak állnak. A [98] az automatikus vezérlő rendszer szabályzási köreinek analízisével, ezen belül a különböző csatornák diagnosztikai modelljének felállításával foglalkozik. A szerző bemutatja a modell felállításának jelentőségét, de rámutat a modell kezelhetőségének nehézségeire. Elemzi a nyerhető eredmények felhasználási körét, és a bonyolultabb modellek, nyújtotta lehetőségeket. A fenti irodalmak alapján megállapítottam, hogy egy egyszerűsített modell is képes hasznosítható eredményeket nyújtani, ha figyelembe vesszük az alkalmazhatóságának határait. A modellalkotás legtöbb megfontolást igénylő feladata írja a szerző meghatározni az egyszerűsítéseket. Ugyanis, ha ezeket nem használjuk ki maradéktalanul, a modell bonyolultabbá válik a szükségesnél, ha pedig túllépjük a jogos egyszerűsítések határait, a kapott eredmények válnak használhatatlanná. xiv

15 A [24] cikk szerzője a gyakorlati megvalósításához szükséges szoftvert mutatja be egy APC-1X digitális robotpilóta segítségével. A fenti diagnosztikai modell elméletileg képes a fellépő rendellenességek 98%-át kimutatni és az esetek 99%-ában a hiba helyét is meghatározni. Ezen kívül képes lenne automatikusan a rendellenességek kiküszöbölésére! Az előzőekben említett cikkek és a [36] irodalom összehasonlításakor láthatjuk, hogy az algoritmusok felállítása hasonló elven alapul, viszont a blokk-diagramok különböznek egymástól, ami adódik a felhasznált robotpilóták különbségeiből. A modell felállításához a [61, 63, 70, 78] cikkek tanulmányozása után felmerül, hogy milyen teljes vagy rész rendszer (és melyik matematikai modell) állandósult vagy átmeneti állapot választása a célszerűbb. A helyes választ végül is az említett művekből tudjuk meg, mindig azt a modellt kell kiválasztani, amely segítségével a vizsgált kérdésre a legpontosabb választ kapjuk, amely a vizsgált jelenségre a legjellemzőbb. A [83, 84, 85, 87, 88, 91, 92, 94, 95, ] művek szerzői rávilágítanak arra, hogy korszerű matematika eljárások alkalmazása elengedhetetlen a szabályzások minőségi vizsgálata során napjainkban. Így a szabályzástechnikai feladatok megoldása során egyre elterjedtebb körben alkalmazzák a MATLAB programcsomagot. Az érték tartó és követő szabályzási rendszerek tervezését és az analízist manapság már csak a MATLAB programcsomag, valamint a Control System Toolbox segítségével hajtják végre. A [91] cikk szerzője példákkal mutatja be, hogyan alkalmazható a MATLAB program csomag az értéktartó szabályzási rendszerek számítógépes tervezésénél. A megbízhatóság, illetve az érzékenység vizsgálatokkal kapott eredmények elemzéséhez elengedhetetlen a matematika, valószínűségelmélet és statisztika ismerete, melyet a [73, 114, 116, 132] munkák tartalmaznak. Identifikációs eljárások elvégzéséhez a [6, 25, 58, 72] munkák nyújtanak segítséget. Rögzített paraméter korrelációs vizsgálatának elvégzéséhez a [62, 104] cikkeket használtam fel. A [133] cikk szerzője bemutatja a robotpilótát vizsgáló modellt. Így megismerkedhetünk egy olyan rendszerrel, ami képes a repülés helyzetét meghatározni, és képes reagálni a meghibásodások mértékének figyelembevételével a rendellenesség kiküszöbölésére. A szerző részletesen elemzi a robotpilóták megbízható üzemeltetésének jelentőségét a repülőgép kormányozhatóságában. A [87, 88, 89, 91] cikkek jelentős segítséget nyújtottak a szabályzási rendszerek stabilitásvizsgálatainál, mint pl. a négyzetes integrálkritériumon alapuló optimális tervező eljárás gyakorlati alkalmazhatóságának megismerésében. A [94] irodalom szerzője által bemutatott módszer nagy segítséget nyújtott a szabályzási eltérések analizálásához. A fenti irodalom áttekintéséből is látszik, hogy értekezésem készítéséhez a különféle más részterületeken alkalmazott matematikai és diagnosztikai modellalkotások és felhasználások tapasztalatait feladatomra alkalmazva, átültetve tudom hasznosítani. xv

16 Értekezésem tárgyával kapcsolatban eddig 21 cikkem jelent meg. Az irodalomjegyzékben ezekből a [8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,90,140] sorszámok alatt megtalálhatók. Fotó es oldalszámú MiG 29 gép NATO jelzése (Fotó: dr. Toperczer István, Kecskemét, július 23.) xvi

17 I. fejezet AZ ADATGYŰJTŐ RENDSZEREK INFORMÁCIÓJÁNAK ALKALMAZÁSA ÜZEMELTETÉSI ÉS DIAGNOSZTIKAI CÉLOKRA I. 1. AZ ÜZEMELTETÉS ÉS DIAGNOSZTIKA KAPCSOLATA, JELLEMZÉSE Az üzemeltetési alapfogalmakkal és az üzemeltetés elmélet más kérdéseivel a [28, 35, 43, 54, 56, 57, 61, 68, 70, 73, 74, 141] irodalmak foglalkoznak. Összefoglalva: az üzemeltetés, az üzemeltetési állapotok egymásutánisága, vagyis egy olyan sztochasztikus folyamat, ami mindazt tartalmazza, ami az üzemeltetés tárgyával az előállítása után történik [74, 75]. Az üzemeltetési állapotok e sorozatát úgynevezett üzemeltetési lánccal tudjuk szemléltetni, mely matematikai szempontból Markov-láncnak tekinthető [141]. Az üzemeltetési lánc egy olyan speciális irányított gráf, ahol a szögpontok mindegyikébe egy és csak egy él fut be, valamint egy, és csak él indul ki belőle, mint ahogyan ezt az I. 1. ábra is szemlélteti. A szögpontok a különböző üzemeltetési állapotot szemléltetik, míg az élek az állapotok közti váltásokat. I. 1. ábra. Üzemeltetési lánc Egy teljes eszközpark rendszerszemléletű vizsgálata esetén az összes berendezés, rendszer üzemeltetési láncának ábrázolása nagyon körülményes. Ezért az áttekinthetőbb szemléltetés és elemzés érdekében beevezették az üzemeltetési gráf fogalmát. Az üzemeltetési gráf egy olyan irányított gráf, melynek szögpontjai az üzemeltetési állapotokat, élei, pedig a lehetséges állapotváltozásokat szemléltetik (I. 2. ábra). 1

18 I. 2. ábra. Üzemeltetési gráf Az élekhez hozzárendelhetjük az általuk szemléltetett állapotváltozásokat jellemző valószínűségi, vagy más üzemeltetési paramétereket is. Ekkor, matematikai szempontból súlyozott irányított gráfról beszélünk. I. 2. AZ ÜZEMELTETÉS IRÁNYÍTÁSA Az üzemeltetés célját általánosabb értelemben, mint az üzemállapot-jellemzők előírt, előre megadott értékek között tartását határozhatjuk meg. Ezt egy tipikus irányítási folyamatban lehet megvalósítani. Ekkor az irányítás tárgya maga az üzemeltetés tárgya, amelyre bementi jelekként az üzemeltetési körülmények és az irányított üzemeltetési folyamat hatnak. A kimeneti jelek a technikai eszköz üzemállapot-jellemzői. I Üzemeltetési, karbantartási stratégiák Az alkalmazott üzemeltetési stratégiát, illetve annak fejlődését a lehetőségek és a szükségletek határozzák meg. A leglényegesebb feltétel a kor műszaki-technikai szintje. A másik fontos feltétel a haditechnikai eszköz konstrukciós sajátossága. Ez azt jelenti, hogy az üzemeltetés tárgyát az elképzelt módszer követelményeinek megfelelően kell tervezni, illetve ha már meg lévő eszközhöz akarunk új módszert kidolgozni és alkalmazni, figyelembe kell venni a rendelkezésre álló technikai információforrásokat. Fontos feltételnek tartom az állomány, főleg a vezetők, irányítók felkészültségét, igényszintjét, a géppark nagyságát és az érvényben lévő nemzeti, illetve nemzetközi előírásokat. Igen jelentős feltétel az adott szervezeti keret korszerűsége és főleg annak rugalmassága, melyben az üzemeltetés történik. A technikai eszköz üzemeltetési folyamata zárt és nyitott irányítású lehet. Az üzemeltetési folyamatot valamilyen üzemeltetési módszer szerint valósítják meg. Az alkalmazott üzemeltetési módszert, illetve a módszerek fejlődését a lehetőségek és a szükségletek határozzák meg. A leglényegesebb feltétel a kor műszaki-technikai szintje. Erre talán a leg- 2

19 jobb példák a később ismertetendő diagnosztikai módszerek, melyek előtérbe kerülését a számítástechnika fejlődése és a mérnöki gyakorlatban való elterjedése tette lehetővé. A másik ilyen lehetőség az üzemeltetés tárgyának konstrukciós sajátosságai. Ez azt jelenti, hogy a repülőgépet az elképzelt módszer követelményeinek megfelelően kell tervezni, illetve ha már meg lévő repülőgéphez akarunk új módszert alkalmazni, figyelembe kell vennünk a rendelkezésre álló információforrásokat. Az üzemeltetési folyamat az üzemeltetési módszereken keresztül realizálódik, ezen üzemeltetési módszerek a következők: meghibásodásig történő üzemeltetés; kötött üzemidő szerinti üzemeltetés; megbízhatósági szint szerinti üzemeltetés; jellemző paraméter folyamatos, szakaszos mérés szerinti üzemeltetés. Ezek után nézzük át röviden az üzemeltetési stratégiákat, azok úgynevezett beállt üzemű (stacioner) típus-gráfjaival. I Meghibásodásig történő üzemeltetés Ez a legrégebbi és legegyszerűbb üzemetetési stratégia, melynek lényege, hogy az üzemeltetés tárgyát annak meghibásodásáig üzemeltetjük (I. 3. ábra). 1 használat; 2 meghibásodás; 3 javítás; 4 várakozás. I. 3. ábra. Meghibásodásig történő üzemeltetés típus-gráfja Meghibásodás esetén vagy cseréljük (nem javítható berendezés esetén) vagy javítjuk az üzemeltetés tárgyát. Általában ezt a stratégiát alkalmazzuk olyan eszközöknél, melyek meghibásodása következménymentes. 3

20 I Kötött üzemidő szerinti üzemeltetés Ezt a stratégiát más néven kemény idő szerinti üzemeltetésnek vagy tervszerű megelőző karbantartásnak (TMK) is nevezik. Lényege, hogy az üzemeltetés tárgyát meghatározott teljesítmény után (üzem-, illetve naptári időnként vagy más teljesítmény jellemző alapján) ciklikusan ellenőrzésnek és karbantartásnak vetik alá. Az ellenőrzések közötti időt úgy kell meghatározni, hogy a műszaki állapotra jellemző paraméter értéke megfelelő valószínűséggel ne tudjon a megengedett, illetve a meghibásodást jelentő értékek közti különbséggel változni. Itt már felfedezhető némi kölcsönhatás az információ és az egyszerű visszacsatolás között (I. 4. ábra). Ez az ötvenes, hatvanas évek repülőiparának jellemző stratégiája használat; 2 meghibásodás; 3 karbantartás, javítás v. csere; 4 várakozás. 4 3 I. 4. ábra. Kötött üzemidő szerinti üzemeltetés típus-gráfja I Megbízhatósági szint szerinti üzemeltetés Konkrét üzemeltetési tárgyra és üzemeltetési rendszerre kidolgozást igénylő és érvényes stratégia. Lényege, ha a meghibásodások száma eléri a beüzemelési időszak után a szabályozás felső határát (adott gépparkra és időszakra meghatározott maximálisan megengedhető meghibásodások számát), külön ellenőrzésre vagy kötött idő szerinti üzemeltetésre kell áttérni. Ellenkező esetben a technikai eszközön ellenőrzést, karbantartást nem kell végrehajtani. Ezt a feltételességet szemlélteti a típus-gráf szaggatott irányított éle. Ennél a stratégiánál természetesen a műszaki vezetőknek folyamatosan figyelemmel kell kísérnie nemcsak a technikai eszközpark állapotát, de magát a pillanatnyi üzemeltetési stratégiát is. Ez megnöveli az irányítók munkáját és felelősségét, de egyben közelebb is kerülnek az üzemeltetési folyamathoz (I. 5. ábra). 4

21 használat; 2 meghibásodás; 3 karbantartás, javítás v. csere; 4 várakozás. I. 5. ábra. Megbízhatósági szint szerinti üzemeltetés típus-gráfja I Jellemző paraméter szerinti üzemeltetés Ebben az esetben az üzemeltetés tárgyának állapotát jellemző a paraméter vagy paraméterek mérésével és a mért adatok kiértékelésével határozzuk meg. A paraméterek ellenőrzése lehet folyamatos (I. 6a. ábra), vagy időszakos (I. 6b. ábra). Szakaszos paraméter ellenőrzés esetén természetesen felléphet a használat közbeni meghibásodás is. Mind folyamatos mind szakaszos ellenőrzés esetén a mért adatok feldolgozása, azaz az üzemeltetés tárgya műszaki állapotának meghatározása, a vizsgált (üzemeltetett) rendszer matematikai diagnosztikai modelljének ismeretét igényli. Folyamatos ellenőrzés esetén az ellenőrzési állapot kimarad a gráfból, mivel azt a használat ideje alatt folyamatosan hajtják végre. a 1 használat; 2 meghibásodás; 3 karbantartás, javítás, vagy csere; 4 várakozás; 5 diagnosztika. b I. 6. ábra. Jellemző paraméter szerinti üzemeltetés típus-gráfjai 5

22 A műszaki diagnosztika a vizsgált technikai rendszer, berendezés vagy elem állapotának meghatározásával, illetve az állapot változásának elemzésével foglalkozó tudomány. A fenti esetben az üzemeltetés tárgyának állapotát jellemző paraméterének, vagy paramétereinek mérésével és a mért adatok kiértékelésével határozzuk meg. A paraméterek ellenőrzése lehetséges folyamatosan vagy szakaszosan. Folyamatos ellenőrzés esetén az ellenőrzési állapot kimarad a gráfból, mivel azt a hasznosítás ideje alatt hajtják végre. Ekkor fedélzeti adatrögzítő végzi a mért paraméterek rögzítését. A földi előkészítés során a kinyert adatokat dolgozzák fel. Természetesen, ha valamely paraméter veszélyes értéket ér el, ezt jelzik a gépszemélyzetnek. Szakaszos paraméter ellenőrzés esetén az ellenőrzés maga a diagnosztika lesz, és természetesen itt fellép a meghibásodás is. A technikai rendszerek műszaki állapotának, azaz tulajdonságainak sztochasztikus változása egy sor, komoly elméleti megfontolásokat igénylő gyakorlati problémát vet fel. A felvetődő problémák megoldása lényegében közvetlen (az alkalmazás során), illetve közvetett (műszaki kiszolgálás, üzemfenntartás) irányítási feladatok megoldásához vezet. Mindkét esetben az eszköz üzemeltetése csak sztochasztikus alapokon oldható meg. Az üzemi jellemzők eltérései, pedig a rendszer üzemi (működési, dinamikai vagy teljesítmény) jellemzőinek az eltérése az előírt értékektől. Az egyes jellemzők eltérései automatikusan generálják a további jellemzők eltéréseit. Például egy repülőgép geometriai jellemzőinek a változása maga után vonja az aerodinamikai, valamint azon keresztül a repülésmechanikai és technikai jellemzők megváltozását. Ezek az eltérések értelemszerűen a rendszer előállításának befejezésétől kezdve léteznek, és az üzemeltetés során először gyorsan (szerkezeti adaptáció), majd lassabban, de mindig sztochasztikusan változnak. Az új rendszer információjának alapján az automatikus vezérlő rendszer üzemeltetése a fenti módszer szerint valósítható meg. A folyamatos vagy szakaszos ellenőrzéssel nyert adatok feldolgozása, azaz az üzemeltetés tárgya műszaki állapotának meghatározása a vizsgált rendszer diagnosztikai modelljének ismeretét igényli. Állapot szerinti üzemeltetésnek nevezzük azt, amikor minden fontosabb alkatrész üzemeltetése valamely adott módszer szerint valósul meg. Meghibásodásig történő üzemeltetése esetén a repülőgép üzemeltetőjének csak egy információra volt szüksége, mégpedig, hogy az üzemeltetés tárgya üzemképes-e vagy sem. Ezt az információt a repülőgép személyzet kikérdezésével meg is kaphatta. Ha valamely berendezés meghibásodott, annak kicserélésével vagy megjavításával a repülőgép üzemképes állapotba lett hozva. Mint már korábban említettem, ez az eljárás nem alkalmazható a repülés biztonságát befolyásoló rendszerek esetén. 6

23 Megbízhatósági szint szerinti üzemeltetés esetén az előbbiekhez képest még fontosabb az egységes információgyűjtés és feldolgozás. Ez a módszer konkrét technikára és üzemeltetési körülményeire érvényes. A kifejlesztett adatrögzítő adatainak felhasználásával célul tűzték ki a fenti üzemeltetési mód elérését, egy új diagnosztikai módszer kialakítását. Jellemző paraméter szerinti üzemeltetés alkalmazásához egyértelműen szükséges a rendszer valamely modelljének ismerete. A vizsgált rendszerben lejátszódó fizikai folyamatokat pontosan kell ismernünk, hogy a rendelkezésünkre álló adathalmazból minél pontosabban meg tudjuk határozni a rendszer műszaki állapotát, sőt valamilyen módon prognosztizálni a műszaki állapot változásának irányát és sebességét. Ezek ismeretében kell meghatároznunk az üzemeltetés tárgyán végrehajtandó műszaki munkát. A fentiekből jól látható, hogy az üzemeltetési módszerek fejlődésével együtt nőtt az üzemeltetéshez szükséges információ nagysága. Minél fejlettebb üzemeltetési módszert alkalmazunk, annál pontosabban kell tudnunk meghatározni az üzemeltetés tárgyának műszaki állapotát, azaz annál fejlettebb hibabehatárolási, diagnosztikai módszert kell alkalmaznunk. A repülőgép üzemeltetőinek feladata [61, 57] az üzemi jellemzők meghatározott szinten tartása, azaz a megfelelő műszaki állapot biztosítása, illetve az üzemeltetés közben fellépő meghibásodások behatárolása, kijavítása. E feladat megoldásához szükséges a műszaki állapot üzemeltetés közbeni ellenőrzése, a feltehető változások irányának és nagyságának előrejelzése. A műszaki állapot ellenőrzése alatt a vizsgált rendszer vagy berendezés pillanatnyi műszaki állapotának meghatározását értjük. Általános esetben az üzemeltetés tárgyának műszaki állapot ellenőrzése, a munkaképesség vizsgálatával, az üzemzavarok, meghibásodások lokalizálásával és előrejelzésével kapcsolatos feladatok megoldásainak összessége. Az ellenőrzés elemei általában a következők, a rendszer vagy berendezés ellenőrző paramétereinek mérése, a kapott adatok elemzése a pillanatnyi állapot, vagy az üzemzavar felismerése, illetve a meghibásodás helyének meghatározott részletességgel való megállapítása céljából az ellenőrzés folyamatának irányítása. I. 3. A MŰSZAKI DIAGNOSZTIKA MÓDSZEREI AZ ÜZEMELTETÉSBEN A bonyolult és nagy értékű technikai rendszerekkel szemben megnyilvánuló fokozott biztonsági, hibamentességi és tartóssági követelmények eredményeként, az utóbbi időben előtérbe kerültek a műszaki állapot és a megbízhatóság ellenőrzésével kapcsolatos problémák. A szakszerű és megfelelő időpontban végzett felülvizsgálat ma már a gyártás, az üzemeltetés, a karbantartás (javítás) és a tárolás integrált részét képezi. A rendelkezésre álló paraméterek a műszaki állapot vagy a meghibásodás helyének meghatározása céljából 7

24 való elemzése, illetve az elemzés módszereinek kutatása a műszaki diagnosztika tárgya [137, 139]. A diagnosztikai görög-latin szó is mutatja hogy ez a tudomány meglehetősen régi. Az elnevezés a diagnozisz szóból származik, amely felismerést, meghatározást jelent. A műszaki diagnosztika technikában a műszaki természetű objektum állapotának meghatározását jelenti. Műszaki diagnosztikának nevezzük: a technikai rendszerek állapotának meghatározásával és a hiba helyének pontos behatárolásával foglalkozó, alig három évtizedes múltra visszatekintő tudományágat. Olyan ismeretágról van szó, amely magában foglalja a diagnosztikai folyamat elméletét, szervezési módszereit és a diagnosztikai eszközök felépítésének alapelveit. A diagnosztikai folyamat eredményeként megkapjuk a diagnózist, vagyis a rendszer állapotát leíró kijelentést. Diagnosztizáláskor a diagnosztikai rendszer állapotát jellemző fizikai, kémiai vagy más mennyiségekkel operálunk. A diagnosztikai rendszer kialakításánál fontos szerepet játszik az ellenőrzés alapjául szolgáló paraméterek optimális számának meghatározása. Felesleges paraméterek szükségtelenül növelik a diagnosztikai folyamat és a diagnosztikai eszközök bonyolultságát. Ugyanakkor azonban kívánatos, hogy a paraméterek száma elegendő legyen a rendszer műszaki állapotának tökéletes jellemzésére. A rendszer működésének és állapotának ellenőrzéséhez szükséges optimális paraméterkészlet meghatározásánál sokkal kedvezőbb, ha a valóságos rendszert matematikai modellel helyettesítjük és a vizsgálatot ennek alapján végezzük. Mindennemű állapotváltozás a paraméterek, megváltozását vonja maga után. A szerkezeti paraméterek megváltozásának külső jeleit tüneteknek (symptómáknak) nevezzük. Minden rendellenesség jól meghatározott tünetben vagy tünetkombinációban nyilvánul meg. A tünet együttes syndrómának nevezzük. A diagnosztikai paraméterek kiválasztásának a tünetek, és a hibák között fennálló relációk logikai elemzésén kell alapulnia. Emellett törekedni kell a tünet és a hibahalmaz egyenértékűségére, hogy valamennyi hibát meghatározhassuk valamilyen tünet segítségével. Bizonyos esetekben tünettöbbletet kell biztosítani a diagnózis biztosságának növelése érdekében. A diagnosztikai folyamat egymást követő műveleteinek összessége alkotja a hibakeresés algoritmusát. A következőkben a műszaki diagnosztika alapjaival, a rendszerek matematikai modelljeivel és ezek elemzésével foglalkozom. Elsősorban elméleti kérdéseket tárgyalok. Ezek megértéséhez különleges matematikai ismeretekre nincsen szükség. A gyakorlati alkalmazást néhány kidolgozott példán keresztül mutatom be. 8

25 A mérnöki ismeretek matematizálódása korunkban elkerülhetetlen, szükségszerű folyamat, ami nyilvánvalóan a rohamos technikai fejlődés következménye, de egyben előfeltétele is. Fokozott figyelmet fordítok a fejezetben a műszaki diagnosztika logikai vonatkozásaira. A fejezet ilyen értelmű tartalmát a következő tényezők befolyásolják: a diagnosztikai algoritmus megalkotása és megoldásának módszere lényegében logikai jellegű feladat; a folyamatos rendszerek diagnosztizálásának logikai módszerei (egyszerűségük miatt) a gyakorlatban nagy közkedveltségnek örvendeznek; a diszkrét rendszerek a rendszerek nagy osztályát képezik, vizsgálatukhoz a logikai szemléletmód alkalmazása célszerűnek látszik; a diagnosztika műszaki eszközeinek nagyobb része a diszkrét működésű készülékek csoportjába tartozik. A hibafelismerés általános módszereinek és a diagnosztika matematikai elméletének tanulmányozása lehetővé teszi a konkrét diagnosztikai eljárás és a megfelelő megoldási algoritmus kiválasztását. A műszaki diagnosztika az ellenőrzés folyamatában elfoglalt helyét és a többi elemmel való kapcsolatát az I.7. ábra szemlélteti. Az ábra alapján az automatikus vezérlő rendszer diagnosztikai vizsgálatát is elvégezhetjük az új adatrögzítő segítségével, hisz az üzemeltetés objektuma a repülőgép-robotpilóta, a paramétereket az új rendszer rögzíti, az állapot meghatározását a földi kiértékelő software végzi. A rögzített információk alapján alkalmazva az új diagnosztikai módszert, megkapjuk az ellenőrzés eredményét, vagyis a repülőgép műszaki állapotát. Bemenő jellemzők Üzemeltetés objektuma Ellenőrző paraméterek mérése Műszaki állapot meghatározása Műszaki diagnosztika Az ellenőrzés folyamatának irányítása A műszaki állapot ellenőrzése Az ellenőrzés /diagnosztika/ eredménye 1.7. ábra. A műszaki állapot ellenőrzésének elvi rajza 9

26 Műszaki diagnosztika alkalmazása [67, 68, 69, 70, 73] esetén a részletesség fokát, amely megmutatja, hogy a vizsgált rendszer mennyire összetett egységét tudjuk megállapítani a hiba helyének, a hibakeresés mélységének nevezzük. A rendszerellenőrzés végrehajtása szempontjából két diagnosztikai eljárást különböztetünk meg. [73, 70, 69]: teszt- illetve funkcionális módszert. A tesztrendszer lényege, hogy az ellenőrző berendezés speciális gerjesztő (stimuláló) jeleket ad a vizsgált berendezésnek, és az ezekre kapott válaszjelek alapján határozzák meg az üzemeltetés tárgyának műszaki állapotát, vagy a meghibásodás helyét. A módszer blokksémáját az I. 8. ábrán mutatom be. Vizsgáló jelek Diagnosztikai berendezés (Ellenörző javító berendezés,földi) A diagnosztikai eljárás eredménye (Repülőeszköz műszaki állapota) Diagnosztikai eljárás eredménye (Repülőeszköz műszaki állapota) Üzemeltetés tárgya (Pl. Automatikus vezérlőrendszer) jelek Válasz (Rendszer reakciója) Válasz jelek (Rendszer reakciója) 1.8. ábra. Diagnosztikai módszerek elvi felépítése A funkcionális vagy más néven működés közbeni diagnosztikai módszer esetén az ellenőrző berendezés a vizsgált rendszer működés közben kapott, illetve az ezekre adott kimenő jelek, jellemzők vizsgálata alapján határozza meg a rendszer műszaki állapotát [90, 31]. A módszer elvi rajzát az I. 9. ábra szemlélteti. Dinamikus diagnosztikai módszerről beszélünk, ha az ellenőrző paraméterek időbeni változását vesszük figyelembe, és az alapján határozzuk meg a rendszer üzemképességét [53, 67]. Statikus diagnosztikai módszer esetén a rendszer statikus karakterisztikáit vizsgáljuk. Ekkor elemezzük az állandósult vagy más néven stacioner üzemmódoknál kialakult kimenő jellemzőket [33]. Prognosztizálásnak hívják azt, ha a diagnosztika eredményei alapján meghatározzuk a vizsgált rendszer, a következő időszakban létrejövő műszaki állapot változásának irányát és nagyságát, előre jelezzük a nem véletlenszerű meghibásodásokat. 10

27 ÜZEMI BEMENŐ JELEK, REPÜLÉSI PARAMÉTEREK Diagnosztikai berendezés (Fedélzeti adatrögzítő) Üzemeltetés tárgya (Repülőgép fedélzeti rendszerei) Diagnosztika eredménye (Földi kiértékelő rendszer) ÜZEMI KIMENŐ JELEK REPÜLŐGÉP (FEDÉLZETI RENDSZEREK) MŰSZAKI ÁLLAPOTA ábra. Műszaki állapot diagnosztizálás elvi felépítése A diagnosztikával és a prognosztikával kapcsolatos mérnöki feladatoknak két fő iránya van: elméleti és gyakorlati [73, 70]. A két irány egymáshoz elválaszthatatlanul kapcsolódik. A gyakorlati irányhoz tartozó feladatokat az elméleti irány eredményeinek felhasználásával tudjuk végrehajtani. Az elméleti munkák helyességét a gyakorlat tudja igazolni, illetve a gyakorlati diagnosztika veti fel az újabb elméleti kérdéseket. Az elméleti irányhoz kapcsolódó fő feladat [73] olyan módszerek kidolgozása, melyek alkalmasak: a vizsgált rendszer logikai modelljének felállítására. Az ilyen modellek azon lényeges logikai kapcsolatokat ábrázolják, melyek a vizsgálathoz felvett állapotok és a rendszer jellemzői közt találhatók; a diagnosztikai objektum matematikai modelljének létrehozása. A matematikai modell a műszaki állapotok és azok jellemzői közti fizikai kapcsolatok matematikai formai leírását biztosítják. A gyakorlati irányhoz [71] a következő fontosabb feladatok tartoznak: az ellenőrző objektum vizsgálata normál üzemmódok esetén; a diagnosztikai algoritmusok meghatározása; 11

28 a vizsgált rendszer logikai és matematikai modelljének felállítása; a vizsgálat alá vont be-, illetve kimenő jellemzők kiválasztása és optimalizálása; a kiválasztott jellemzők mérésének megvalósítása, analízise, illetve optimalizálása; statisztikus adatok üzemeltetés közbeni gyűjtése és elemzése a diagnosztikai módszer hatásosságáról és költségeiről. Értekezésemben egy, a matematikai diagnosztikai modellre épülő, funkcionális, statikus módszerének kidolgozását és alkalmazását mutatom be egy deltaszárnyú sugárhajtású vadászrepülőgép automatikus vezérlő rendszerén. I. 4. DIAGNOSZTIKA ELMÉLETI ALAPJAI I.4.1. Diagnosztikai alapfogalmak A rendszerelmélettel kapcsolatos fogalmakat és megállapításokat a Yadach, alapfogalmak (folyamat, elem, rendszer) nevezzük. A folyamat fogalma alatt időben lejátszódó minőségi vagy mennyiségi változást értünk, amely folytonos vagy diszkrét lehet. Dialektikai értelemben a változást itt általánosan kell értelmeznünk. Dialektikai értelemben a változás, mozgásnak felel meg. Így például mozgást jelent a rendszer helyzeti koordinátáinak a megváltozása, a rendszer állapotában beálló változás. A rendszer elemének nevezzük azt a szerkezeti részegységet, amelynek körülírása elegendőnek bizonyul az adott vezérlési feladat számára. Nem igényli a belső változók vagy függőségek számbavételét, hanem csak azokkal a külső paraméterekkel van meghatározva, amelyek összekapcsolják a bemenő és kimenő változókat. A vizsgálandó diagnosztika rendszer elemeit el kell határolnunk az adott feladat, vagy elemzés számára és csak azokat az elemeket kell figyelembe venni, amelyek között fennálló kapcsolatok lényegesek a rendszer egészére vonatkozóan. Ezzel a behatárolással a vizsgált rendszer mintegy kiválik a külső környezetéből. Így felismerhetők a környező közeg határai a rendszerre (bemenő mennyiségek) és a rendszer határai a környező közegre (kimenő mennyiségek). A kettő közötti kapcsolatot az alábbi I. 10. ábra szemlélteti. 12

29 KÖRNYEZŐ KÖZEG BEMENŐ MENNYISÉG RENDSZER KIMENŐ MENNYISÉG I. 10. ábra Az elmondottak alapján rendszernek nevezzük az elemek rendezett (irányított) relációinak halmazát. A rendszer elmélettel kapcsolatos folyamatokat és megállapításokat Zadeh Polak, Rendszerelmélet című könyvében találhatjuk [138]. A rendszer hatása meghatározza mindazokat a bemenő és kimenő határokat, amelyek jellemzik a rendszer kölcsönhatását a környező közeggel. Az ilyen kölcsönös kapcsolatok számától függően beszélhetünk zárt (autonóm) és nyílt rendszerekről. A rendszer szerkezetét az I. 11. ábra szemlélteti. Xi 1 Yi 1 Xi 2 E i Yi 2 elem Yi Xi mi ri I.11. ábra Az m i szám bemenő és a γ i szám kimenő jeleket oszloponként a következőképpen írhatjuk le: X i X i1 Yi1 X i2 Y i2 =, Yi =, (1) X Y imi iri 13

30 Az Ei és β jelelemek közötti relációról akkor beszélünk, ha az Ei elemnek legalább az egyik Yi γ kimenő jele kapcsolatban van az Ej elem X.. µ elem bemenő jelével. Az egyes elemek között fennálló kapcsolatokat matematikailag a következőképpen írhatjuk fel: X i = 1 i = K ij y 1 j 1 ; ahol n n j= (2) Az (2) jelölés alatt azt értjük, hogy az i egyesével változik 1-től n-ig. X11 Y21 X 12 Y 22 = K ij X Y 1m1 2r2 A (2) szerint X1= K12Y2. Az elemek közötti kapcsolatot szemlélteti a következő I. 12. ábra. X1 E1 Y1 K21 X2 E2 Y2 K32 X3 E3 K31 K11 K22 K33 K12 K23 K13 I. 12. ábra Kij kapcsolati Mátrix A diagnosztikai rendszer két eleme közötti kapcsolatot kifejező mátrixot (K ij mátrix) a következőképpen írjuk fel. A mátrix felett, jobbra haladva, sorban felírjuk az E elem j Yi γ kimenő jeleit, majd jobb oldalt a mátrix mellett, felülről lefelé haladva feltüntetjük az E elem x jµ bemenő jeleit. Ha az Yγ és i xiγ jelek a gráf azonos szélén szerepelnek, akkor a mátrix megfelelő helyére 1-est, ellenkező esetben 0-át írunk. ij 14

31 Írjuk fel, például az E 1 és E 2 elemekre vonatkozó K 12 kapcsolati mátrixot K 12 Y Y Y = X X X X (3) A K ij kapcsolati mátrix sorainak száma egyenlő az E j elem bemenő jelének számával. Ha az E j és E i elemek között nincsen kapcsolat akkor K ij = 0. K szerkezeti mátrix A diagnosztikai rendszer N eleme között fennálló kapcsolatokat a K szerkezeti mátrix fejezi ki, amely a K kapcsolati mátrixtól vezethető le. ij K Y Y Y T T T 1 2 N K K K X K K K X = K K K X N N 2 N1 N2 NN N (4) Az T Y i szimbólum transzponált oszlopvektort (mátrixot), vagyis sorvektort jelent. Azt a mátrixot, amely a (4) megfelelően épül fel, a rendszer szerkezeti mátrixának nevezzük. A K szerkezeti mátrix szolgál azon kapcsolatok szimbolikus felírásaként, amelyek léteznek e rendszer valamennyi elemének bemenő és kimenő jelei között. A mátrix megfelelő helyein 1 vagy 0 áll attól függően, hogy létezik-e kapcsolat vagy nem. A fentiek szemléletesen mutatják hogy mit értünk diagnosztikai rendszer szerkezete alatt. A rendszer szerkezete ennek megfelelően nem más, mint a rendszer elemei közötti kapcsolatok halmaza. 15