Modelowanie Procesów Eksploatacji Maszyn

Transcript

Akademia Techniczno – Rolnicza w Bydgoszczy Wojskowy Instytut Techniki Pancernej i Samochodowej MODELOWANIE PROCESÓW EKSPLOATACJI MASZYN BYDGOSZCZ – SULEJÓWEK, 2002. 2 Akademia Techniczno – Rolnicza w Bydgoszczy Wojskowy Instytut Techniki Pancernej i Samochodowej MODELOWANIE PROCESÓW EKSPLOATACJI MASZYN ... ksi ek - jak przyjaciół, powinno by niewiele, ale za to dobrych ... BYDGOSZCZ – SULEJÓWEK, 2002. 3 Autorzy opracowania: Prof. dr hab. in . Bogdan ÓŁTOWSKI – ATR BYDGOSZCZ Prof. dr hab. i . Stanisław NIZI SKI – WITPiS SULEJÓWEK W tej ksi ce rozpatrzono zagadnienia modelowania stanów w diagnostyce maszyn i budowanych w oparciu o nie modele procesów eksploatacji maszyn. Rozwa ono modele: fizyczne, matematyczne, rozmyte i neuronowe, sposoby tworzenia modeli matematycznych diagnostycznych i modeli procesów eksploatacji obiektów technicznych, a tak e wykorzystanie tych modeli w zarz dzaniu systemami działania. Przedstawiono dotychczasowe osi gni cia w budowie modeli matematycznych diagnozowania stanu maszyn i opisu procesów eksploatacji obiektów technicznych według ró nych Autorów, a w tym modele ogólne, liniowe, odnowy, niezawodno ci, masowej obsługi, modele procesów eksploatacji niektórych obiektów technicznych. Omówiono opracowane proste modele matematyczne procesów eksploatacji obiektów technicznych, a w szczególno ci model dwustanowego procesu eksploatacji, model dwustanowego procesu eksploatacji z uwzgl dnieniem diagnozowania (dyskretny w stanach i czasie, dyskretny w stanach i ci gły w czasie). Podano te zło one modele procesów eksploatacji obiektów technicznych, w tym pojazdów mechanicznych, tzn.: z uwzgl dnieniem efektywno ci i zakłóce . Przedstawiono tak e opracowane zło one rozwini te modele matematyczne procesów eksploatacji obiektów technicznych z uwzgl dnieniem stanu przechowywania urz dze , model z uwzgl dnieniem prognozowania stanów, a tak e model z rozwini ciem stanu u ytkowania, przechowywania i obsługiwania. Omówiono zwi zki modeli matematycznych procesów eksploatacji obiektów technicznych z efektywno ci funkcjonowania przedsi biorstw i jednostek bud etowych. Podano tak e dalsze kierunki prac w zakresie uzyskania wiarygodnych modeli matematycznych procesów eksploatacji obiektów technicznych. Recenzent: Prof. dr hab. in . Adam CHARCHALIS ISBN – 83-916198-4-2 WYDAWNICTWO: MARKAR – BZ. Zielonka 31B, 86-005 Białe –Błota Skład, druk i oprawa: P.P.-H. „DRUKARNIA” Sp. z o.o. Sierpc Tel. (024) 275 24 51 4 SPIS TRE CI WPROWADZENIE I. ELEMENTY TEORII MODELOWANIA 1. Wst p 2. Klasyfikacja modeli 3. Model blokowy 4. Zasady modelowania matematycznego 5. Modele matematyczne systemów technicznych 6. Zało enia do bada modeli 7. Podsumowanie II. MODELOWANIE STANU DYNAMICZNEGO MASZYN 1. Wst p 2. Powstawanie obci e dynamicznych 3. Studium dynamiki maszyn 4. Idealizacja układów rzeczywistych 5. Modelowanie obiektów dynamicznych 6. Model procesu destrukcji obiektu 7. Identyfikacja strukturalna modelu obiektu 8. Metodyka budowy modelu dynamicznego 9. Podsumowanie III. ELEMENTY DIAGNOSTYKI TECHNICZNEJ 1. Wst p 2. Zakres problematyki diagnostyki technicznej 3. Miejsce diagnostyki w yciu maszyny 4. Diagnostyczny system istnienia maszyn 5. Funkcja steruj ca diagnostyki 6. Zadania diagnostyki w eksploatacji maszyn 7. Podsumowanie IV. MODELOWANIE W DIAGOSTYCE MASZYN 1. Wst p 2. Modelowanie struktury materii 3. Modele ogólne obiektów technicznych 4. Modelowanie diagnostyczne maszyn 5. Klasyfikacja modeli diagnostycznych 6. Metody energetyczne w diagnostyce 7. Podsumowanie V. KLASYFIKACJA MODELI PROCESÓW EKSPLOATACJI 1. Wst p 2. Rodzaje modeli 3. Budowa modeli procesu eksploatacji 4. Wykorzystanie modeli procesów eksploatacji 5. Baza modeli 6. Ekspertowe systemy zarz dzania 7. Podsumowanie VI. WYBRANE MODELE STOCHASTYCZNE PROCESÓW EKSPLOATACJI 1. Elementy rachunku prawdopodobie stwa 2. Czas eksploatacji obiektu jako zmienna losowa ci gła 3. Procesy Markowa 4. Podsumowanie 5 VII. BUDOWA MODELI MATEMATYCZNYCH PROCESÓW EKSPLOATACJI 1. Model nominalny procesu eksploatacji obiektów 2. Stan techniczny obiektu eksploatacji 3. Zmiany stanu obiektów eksploatacji 4. Proces eksploatacji obiektów technicznych 5. Podsumowanie VIII. MODELE PROCESÓW EKSPLOATCJI OBIEKTÓW TECHNICZNYCH 1. Wst p 2. Modele ogólne 3. Model liniowy 4. Modele odnowy 5. Modele niezawodno ci 6. Modele masowej obsługi 7. Modele procesów eksploatacji wybranych obiektów technicznych 8. Podsumowanie IX. PROSTE MODELE MATEMATYCZNE PROCESÓW EKSPLOATACJI 1. Wst p 2. Model dwustanowego procesu eksploatacji obiektów 3. Model dwustanowego procesu eksploatacji z uwzgl dnieniem diagnozowania obiektów technicznych 4. Algorytm rozwi zywania układu równa z wykorzystaniem metody Gaussa 5. Podsumowanie X. ZŁO ONE MODELE MATEMATYCZNE PROCESÓW EKSPLOATACJI 1. Model procesu eksploatacji z uwzgl dnieniem jego efektywno ci (wersja I) 2. Model procesu eksploatacji z uwzgl dnieniem jego efektywno ci (wersja II) 3. Model procesu eksploatacji z uwzgl dnieniem jego efektywno ci (wersja III) 4. Model procesu eksploatacji z uwzgl dnieniem jego efektywno ci (wersja IV) 5. Model procesu eksploatacji obiektów technicznych z zakłóceniami 6. Podsumowanie XI. ROZWINI TE MODELE MATEMATYCZNE PROCESÓW EKSPLOATACJI 1. Model procesu eksploatacji z uwzgl dnieniem stanu przechowywania (wersja I) 2. Model procesu eksploatacji z uwzgl dnieniem stanu przechowywania (wersjaII) 3. Model procesu eksploatacji obiektów z uwzgl dnieniem prognozowania stanów 4. Model eksploatacji obiektów z rozwini tymi stanami u ytkowania, przechowywania i obsługiwania 5. Model procesu eksploatacji obiektów z rozwini tymi stanami u ytkowania, przechowywania i obsługiwania (wersja II) 6. Podsumowanie XII. EFEKTYWNO FUNKCJONOWANIA SYSTEMÓW DZIAŁANIA 1. Wst p 2. Charakterystyki procesów Markowa jako mierniki decyzyjne w sterowaniu eksploatacj 3. Wykorzystanie modeli matematycznych eksploatacji obiektów w przedsi biorstwie 4. Wykorzystanie modeli matematycznych procesu eksploatacji obiektów technicznych w Jednostce Bud etowej 5. Nast pne etapy budowy modelu matematycznego procesu eksploatacji obiektów technicznych 6. Badania symulacyjne 7. Podsumowanie POSŁOWIE 6 WPROWADZENIE Nowa wiedza jest pozyskiwana głównie poprzez jej produkcj , odkrywanie i przekształcanie, które to procesy zwi zane s z rozwi zywaniem problemów pojawiaj cych si zarówno w działalno ci praktycznej, jak i naukowej. Podstawowym warunkiem realizacji procedur transformacji jest opracowanie, na podstawie dotychczasowej wiedzy, modelu, tj. reprezentacji wiedzy umo liwiaj cej rozwi zanie przedmiotowego problemu. Model stanowi statyczn reprezentacj wiedzy o badanym zjawisku lub obiekcie oraz wiedzy dotycz cej metodyki modelowania, która ze wzgl du na to, e zwykle jest wiedz ukryt cz sto okre lana jest mianem sztuki modelowania. W celu uaktywnienia operacyjnych funkcji modelu, umo liwiaj cych pozyskiwanie danych i informacji oraz ich przekształcanie w now wiedz potrzebn do rozwi zania problemu, niezb dne jest wyposa enie modelu w odpowiednie metody obliczeniowe (np.: statystyczne, analityczne, sztucznej inteligencji). Opracowanie i uaktywnienie modelu przebiega zgodnie z odpowiednimi procedurami składaj cymi si na metodyk modelowania systemu. Proces modelowania dotyczy konkretnego wydzielonego obszaru rzeczywisto ci, który mo na okre li mianem systemu. System jest poj ciem abstrakcyjnym, przypisanym w okre lonym celu wybranemu fragmentowi rzeczywisto ci (materialnej lub niematerialnej). Mo na go zdefiniowa jako celowo wyodr bnion zbiorowo elementów powi zanych zale no ciami lub oddziaływaniami. Systemem mo e by wi c: konkretny obiekt techniczny, struktura organizacyjna czy te logicznie uporz dkowany zbiór zapisów formalnych, które wyodr bniono ze wzgl du na dany cel lub potrzeb . W tej pracy podj to problematyk modelowania procesów eksploatacji maszyn z wykorzystaniem metod i rodków diagnostyki technicznej, która dostarcza informacji o aktualnym stanie maszyny i jego zmianach podczas eksploatacji. Rozpatrzone w pracy modele matematyczne obiektów diagnozowania i procesów eksploatacji tych obiektów, dotycz pojazdów mechanicznych, maszyn roboczych, maszyn rolniczych i innych. Z uwagi na to w tre ci przyj to nazw ogóln – modle matematyczne maszyn (obiektów), w których zamiennie wykorzystuje si te okre lenia. Model, w szczególno ci model matematyczny jest podstawowym narz dziem bada symulacyjnych procesów diagnozowania i eksploatacji obiektów technicznych, zatem doskonalenia budowy i funkcjonowania systemów eksploatacji urz dze (na przykład samochodów, pojazdów g sienicowych, maszyn roboczych, d wigów, obrabiarek itp.). Wiadomo równie , e procesy eksploatacji obiektów technicznych s procesami przypadkowymi (losowymi) st d te istnieje mo liwo ich opisu matematycznego za pomoc teorii procesów stochastycznych. Istotne dla jako ci modelu ograniczenia klasycznych metod modelowania w budowie i eksploatacji maszyn spowodowane s trudno ciami z uzyskaniem i zaimplementowaniem w modelu wiedzy o modelowanym systemie w pełni odpowiadaj cej zało onym celom modelowania. W klasycznym podej ciu jednym ze ródeł wiedzy o systemie jest proces identyfikacji prowadzony metod badania odpowiedzi systemu na ró nego rodzaju wymuszenia. Metoda ta umo liwia identyfikacj tzw. funkcji przej cia modelowanego systemu, ale w wielu zło onych zagadnieniach z obszaru budowy i eksploatacji maszyn, ze wzgl du na niespełnione zało enia o niezale no ci wielko ci wej ciowych, nie jest mo liwa do zastosowania. Zawodne mog by równie próby stochastycznej identyfikacji struktury systemu, poniewa wykorzystuj one zało enie o stacjonarno ci procesów zachodz cych w systemie, co nie zawsze ma miejsce, a co na etapie identyfikacji elementów i relacji w modelowanym systemie zwykle trudno jest jednoznacznie stwierdzi . Stosuje si zatem 7 podej cie fenomenologiczne, uwarunkowane posiadan wiedz , do wiadczeniem oraz intuicj badawcz . Podej cie fenomenologiczne do badanego systemu zwi zane jest z intuicyjnym wyborem elementów, atrybutów i relacji poddawanych analizie oraz oszacowanie ich wpływu na jako ko cowego rozwi zania. Niepoprawna identyfikacja prowadzi mo e do zbytniego uszczegółowienia modelu i jego nadmiernej komplikacji albo do zbyt du ego uproszczenia, a tym samym utraty adekwatno ci ze wzgl du na cel modelowania. W procesie konceptualizacji najistotniejszym problemem jest wła ciwy dobór atrybutów odwzorowywanych w tworzonym modelu. Wybór taki zwi zany mo e by z potrzeb transformacji ukrytej wiedzy ilo ciowej i jako ciowej w wiedz skodyfikowan . Na etapie formalizacji ograniczenia dotycz zwykle zagadnie zwi zanych ze zło ono ci modelu matematycznego. Analityczne zale no ci uwzgl dnione w modelu mog wprowadza niedopuszczalny, wg przyj tych zało e , bł d oblicze ; mog równie by nierozwi zywalne dla okre lonych warunków pocz tkowych lub brzegowych. Cz sto dla modeli dynamicznych, szczególnie działaj cych w czasie rzeczywistym, zale no ci analityczne s trudne do rozwi zania w danym czasie nawet z zastosowaniem technik numerycznych. Istotnymi problemami s w takich przypadkach zakres uproszczenia modelu formalnego oraz wyznaczenie bł du wynikaj cego z wprowadzonego uproszczenia. Rozwa aj c zagadnienia modelowania w klasycznym uj ciu in ynierii systemów, nale y zwróci uwag na to, e wła ciwe wykorzystanie modelu do rozwi zania praktycznego problemu wymaga zwykle realizacji czasochłonnych i kosztownych bada naukowych, które dostarczaj wielu wyników bezpo rednio nieprzydatnych w realizacji konkretnego celu. Wa ne zagadnienie stanowi równie adaptacja modelu do konkretnego zastosowania. Model szczegółowy, nadmiernie rozbudowany, mo e by nieprzydatny lub mało u yteczny ze wzgl du na brak zdolno ci pozyskiwanych zbyt dopasowanych wyników do generalizacji. Wymienione ograniczenia klasycznej metodyki modelowania s szczególnie istotne w zagadnieniach dotycz cych opracowywania modeli na potrzeby rozwi zania problemów z obszaru budowy i eksploatacji maszyn, w których: - procedury identyfikacji generuj wiele elementów, atrybutów i relacji, - znaczna jest liczba parametrów wej ciowych i wyj ciowych, co powoduje du y wymiar macierzy przej cia, - zmienne w czasie funkcje i charakterystyki wymagaj stosowania jako metody obliczeniowej skomplikowanych rozwi za analitycznych, np.: nieliniowych równa ró niczkowych, - trudno jest oszacowa wpływ zastosowanych uproszcze modelu na jego adekwatno , - pozyskane dane gromadzone s w ró nych zbiorach i bazach danych wymagaj cych integracji, - wyst puje rozproszenie i konieczno synchronizacji procesów o ró nych charakterystykach czasowych czy cz stotliwo ciowych. Modelowanie procesów eksploatacji jest mo liwe zatem po opracowaniu skutecznych modeli diagnostycznych, które dostarczaj informacji o zmieniaj cym si stanie maszyn, co jest podstaw decyzji eksploatacyjnych i baz budowanych modeli eksploatacyjnych. Bogdan ÓŁTOWSKI Stanisław NIZI SKI