NEURO-MECHANICAL METHODS OF CONTROL AND DIAGNOSTICS OF THE TECHNICAL STATE OF AIRCRAFT ENGINE TV3-117 IN FILM REGIONS

 Предметом дослідження в статті є режими роботи авіаційного двигуна ТВ3-117 та методи їх контролю і діагностики. Мета роботи – розробка методів контролю і діагностики технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117 на основі нейромережевих технологій у режимі реального часу. В статті вирішуються наступні завдання: обґрунтування передумов застосування нейронних мереж у задачі контролю і діагностики технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117, побудова узагальненої нейронної мережі та вибір алгоритму її навчання, розв’язок задачі контролю параметрів технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117 із застосуванням нейронних мереж. Використовуються такі методи: методи теорії ймовірностей і математичної статистики, методи нейроінформатики, методи теорії інформаційних систем та обробки даних. Отримано наступні результати: Обґрунтовано доцільність застосування нейронних мереж у задачі контролю і діагностики технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117. Обґрунтовано доцільність розробки нейронних мереж на базі на базі нейрорегулятора NN Predictive Controller. Обґрунтовано доцільність застосування градієнтного методу навчання нейронних мереж, а також розроблено метод навчання нейрорегулятора на основі нейромодулятора із застосуванням методу зворотного поширення помилки. Отримано розв’язок задачі контролю параметрів технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117, який підтверджує доцільність застосування нейронних мереж у задачі контролю і діагностики технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117. Висновки: Застосування нейромережевих технологій э ефективним при розв’язку широкого кола погано формалізованих задач, однією з яких є задача контролю технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117. Перевагою нейронних мереж при їх застосуванні у задачах контролю і діагностики технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117 є можливість роботи з малими навчальними вибірками, призначенням м’яких допусків, використанням досвіду експертів для оцінки технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117, що є важливим в умовах неповноти інформації.Ключові слова: авіаційний двигун, нейронна мережа, технічний стан, контроль і діагностикаThe subject of the study in the article is the modes of operation of the aircraft engine TV3-117 and methods of their control and diagnostics.  The purpose of the work is to develop methods of control and diagnostics of the technical condition of the aircraft engine TV3-117 on the basis of neural network technologies in real time.  The following tasks are solved: substantiation of the preconditions of the use of neural networks in the task of control and diagnostics of the technical condition of the aircraft engine TV3-117, construction of the generalized neural network and the choice of the algorithm for its training, the solution of the task of controlling the parameters of the technical condition of the aircraft engine TV3-117 with the use of neural networks.  The following methods are used: methods of probability theory and mathematical statistics, methods of neuroinformatics, methods of the theory of information systems and data processing.  The following results were obtained: The feasibility of using neural networks in the task of controlling and diagnosing the technical condition of the aircraft engine TV3-117 was substantiated.  The expediency of developing neural networks based on the NN Predictive Controller. The expediency of using the gradient method of teaching neural networks is substantiated, as well as the method of training a neuro-regulator based on a neuro-modulator with the use of the method of reverse error propagation.  The expediency of using the gradient method of teaching neural networks is substantiated, as well as the method of training a neuro-regulator based on a neuro-modulator with the use of the method of reverse error propagation. The solution of the task of controlling the parameters of the technical condition of the aircraft engine ТВ3-117, which confirms the expediency of using neural networks in the task of control and diagnostics of the technical condition of the aircraft engine TV3-117, is obtained. Conclusions: The application of neural network technologies is effective in solving a wide range of poorly formalized tasks, one of which is the task of controlling the technical condition of the aircraft engine TV3-117. The advantage of neural networks in their application in the tasks of control and diagnostics of the technical condition of the aircraft engine TV3-117 is the possibility of working with small training samples, the appointment of soft tolerances, using the experience of experts to assess the technical condition of the aircraft engine TV3-117, which is important in the condition’s information incompleteness.Keywords: engine, neural network, technical condition, control and diagnosi

Отказоустойчивый алгоритм идентификации бортовой математической модели авиационного двигателя ТВ3-117 в составе его системы автоматического управления

Владов, С. І. Відмовостійкий алгоритм ідентифікації бортової математичної моделі авіаційного двигуна ТВ3-117 в складі його системи автоматичного управління / С. І Владов, В. С. Ковальський, В. Л. Дятловська // Вісник Херсонського національного технічного університету. - 2020. - № 4(75). - С. 11-19. -DOI:https://doi.org/10.35546/kntu2078-4481.2020.4.1.Розроблено відмовостійкі алгоритми ідентифікації бортової математичної моделі авіаційного двигуна ТВ3-117 в складі його системи автоматичного управління в польотних режимах. Обґрунтувано доцільність використання Калман-фільтрації в системі автоматичного управління авіаційного двигуна ТВ3-117, визначено передавальна функція фільтра Калмана, алгоритм виявлення та локалізації відмови каналу двоканального датчика. Досліджено частотні властивості системи автоматичного управління авіаційного двигуна ТВ3-117, підтверджено і доведено рівність одиниці коефіцієнта посилення розробленого відмовостійкого блоку фільтрації і відсутності додаткових фазових зсувів, внесених можливим чистим запізненням, обумовленим особливостями реалізованих алгоритмів виявлення відмов вимірювальних каналів і Калман-фільтрації вхідної інформації бортової вбудованої математичної моделі.The subject matter of the article is TV3-117 aircraft engine and methods for monitoring and diagnosing its technical condition. The goal of the work is development of fault-tolerant algorithms for identification of the onboard mathematical model of the TV3-117 aircraft engine as part of its automatic control system in flight modes. The following tasks were solved in the article: recovering of lost information by an auto-associative neural network in case of a single sensor failure, recovering of lost information by an «optimal» autoassociative neural network in case of single sensor failures of the on-board control and diagnostic system, recovering of lost information by an auto-associative neural network and an on-board control and diagnostic system from the gas temperature registration sensor in front of the turbine compressor in case of failure. The following methods used are – substantiation of expediency of Kalman-filtration use in TV3-117 aircraft engine automatic control system, determination of Kalman filter transfer function, determination of algorithm of detection and localization of channel failure of two-channel sensor, determination of frequency characteristics of TV3-117 aircraft engine automatic control system, proof of equality of unit coefficient fault-tolerant filter unit. Conclusions: The frequency properties of the automatic control system of the aircraft engine TV3-117 are investigated, the equality of the unit of the gain of the developed fault-tolerant filtering unit and the absence of additional phase shifts introduced by the possible net delay due to the peculiarities of the implemented algorithms mathematical model. The absence of their influence on the stability of aircraft engine TV3-117 automatic control system is proved. Approbation of the developed algorithms showed that the average relative error in dynamics does not exceed 0.15 %, and in statics at the maximum expense – decreases to 0.01 % that corresponds to modern requirements of accuracy of algorithms of identification on a contour of dosing needle.Разработан отказоустойчивый алгоритм идентификации бортовой математической модели авиационного двигателя ТВ3-117 в составе его системы автоматического управления в полетных режимах. Исследованы частотные характеристики системы автоматического управления авиационного двигателя ТВ3-117, подтверждено и доказано равенство единице коэффициента усиления разработанного отказоустойчивого блока фильтрации и отсутствие дополнительных фазовых сдвигов, вносимых возможным чистым опозданием, обусловленным особенностями реализованных алгоритмов обнаружения отказов измерительных каналов и Калман-фильтрации входящей информации бортовой встроенной математической модели

Многомерная система автоматического управления авиационным двигателем ТВ3-117 на базе нейросетевого регулятора

Владов, С. І. Багатовимірна система автоматичного управління авіаційним двигуном ТВ3-117 на базі нейромережевого регулятора / С. І. Владов, Н. П. Назаренко, Н. В. Тутова та ін. // Вісник Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського. - 2020. - Вип. 2(121). - С. 79-84. - DOI: 10.30929/1995-0519.2020.2.79-84.Розроблено багатовимірну систему автоматичного управління авіаційним двигуном ТВ3-117 на базі нейромережевого регулятора із застосуванням рекурентної нейронної мережі архітектури персептрон. Це дозволило забезпечити виконання широкого комплексу вимог до процесів управління (астатизм – нульова статична помилка, фізична реалізація нейромережевого регулятора, стійкість і задану якість процесів управління на фіксованій множині режимів роботи двигуна, мінімальна складність багатовимірного нейромережевого регулятора) заприн ципом мінімальної складності регулятора, що формує можливості вибору мінімальної за складністю системи автоматичного управління при заданому рівні якості процесів управління. Проведено моделювання системи автоматичного управління авіаційним двигуном ТВ3-117 із синтезованим нейромережевим регулятором, результати якого свідчать про те, що перехідні процеси в системі управління задовольняють поставленим вимогам, а їх відмінність від еталонних значень не перевищує декількох відсотків. Підкреслено, що метод мінімальної складності інтелектуальних систем управління складними технічними об’єктами набув подальшого розвитку. Він відрізняється від існуючих тим, що за рахунок використання рекурентної нейронної мережі архітектури персептрон у нейромережевому регуляторі створено систему автоматичного управління авіаційним двигуном ТВ3-117 з високою точністю відтворювання перехідних процесів у двигуні.The purpose of this work is to develop of a multidimensional for TV3-117 aircraft engine automatic control system based on a neural network controller using a perceptron recurrent neural network, which makes it possible to ensure the fulfillment of a wide range of requirements for control processes (astatism – zero static error, physical implementation of a neural network controller, stability and specified quality of control processes on a fixed set of engine operating modes, minimum complexity of a multidimensional neural network controller) according to the principle of minimum complexity of the controller, which makes it possible to choose the minimum complexity of the automatic control system for a given level of quality control processes. The work is based on neuroinformatics method in the development of a neural network of a neural network controller of an automatic control system and a gradient method with an adaptive step in training a neural network. An algorithm has been developed for the structural synthesis of the multidimensional multimode neural network controller of TV3-117 aircraft engine, which ensures the fulfillment of a wide range of requirements for control processes (astatism, stability and a given quality of control processes) with minimal complexity of the controller. As a universal approach to the synthesis of a nonlinear multimode TV3-117 aircraft engine automatic control system it is possible to use multilayer neural networks with training in their parameters based on standard optimization algorithms. The scientific novelty of the results is that the method of minimal complexity of intelligent control systems for complex technical objects was further developed. It differs from the existing ones in that due to the use of the perceptron architecture neural network in the neural network controller, a TV3-117 aircraft engine automatic control system with high fidelity of transient processes in the engine is created. The developed method is a component of the intelligent system of control and diagnostics of TV3-117 aircraft engine technical state in flight modes.Разработана многомерная система автоматического управления авиационным двигателем ТВ3-117 на базе нейросетевого регулятора с использованием рекуррентной нейронной сети архитектуры персептрон. Это позволило обеспечить выполнение широкого комплекса требований к процессам управления (астатизм – нулевая статическая ошибка, физическая реализация нейросетевого регулятора, стойкость и заданное качество процессов управления на фиксированном множестве режимов работы двигателя, минимальная сложность многомерного нейросетевого регулятора) по принципу минимальной сложности регулятора, формирующего возможности выбора минимальной по сложности системы автоматического управления при заданном уровне качества процессов управления. Проведено моделирование системы автоматического управления авиационным двигателем ТВ3-117 с синтезированным нейросетевым регулятором, результаты которого свидетельствуют о том, что переходные процессы в системе управления удовлетворяют предъявляемым требованиям, а их отличие от эталонных значений не превышает нескольких процентов. Подчеркнуто, что метод минимальной сложности интеллектуальных систем управления сложными техническими объектами получил дальнейшее развитие. Он отличается от существующих тем, что за счет использования рекуррентной нейронной сети архитектуры персептрон в нейросетевом регуляторе создана система автоматического управления авиационным двигателем ТВ3-117 с высокой точностью воспроизведения переходных процессов в двигателе

Повышение надежности системы автоматического управления авиационного двигателя ТВ3-117 с применением его бортовой нейросетевой модели

Владов, С. І. Підвищення надійності системи автоматичного управління авіаційним двигуном ТВ3-117 з використанням його бортової нейромережевої моделі / С. І. Владов, Ю. М. Шмельов, А. С. Сіора та ін. // Вісник Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського. - 2020. - Вип. 2(121). - С. 91-96. - DOI: 10.30929/1995-0519.2020.2.91-96.Проаналізовано підходи до вирішення проблеми підвищення надійності систем автоматичного управління авіаційними газотурбінними двигунами, в тому числі, і ТВ3-117, на основі алгоритмічного резервування. Визначено основні труднощі застосування алгоритмічного резервування в умовах льотної експлуатації повітряного судна. Розглянуто особливості застосування лінійних і нелінійних математичних моделей, виділені їх основні переваги та недоліки. Виявлено основні вимоги до математичної моделі задля ефективного застосування в системі автоматичного управління авіаційного двигуна ТВ3-117. Розроблено і представлено лінійну адаптивну бортову нейромережеву модель, призначену для роботи спільно з системою автоматичного управління авіаційного двигуна ТВ3-117. Описано методи вирішення проблеми адаптації нейромережевої моделі авіаційного двигуна ТВ3-117 до можливої зміни його технічного стану. Розглянуто питання реалізації детермінованих, стохастичних і випадкових поправок для корекції моделі під час експлуатації двигуна. Оцінено застосування одновимірної і багатовимірної фільтрації Калмана вхідних і вихідних параметрів нейромережевої моделі авіаційного двигуна ТВ3-117 для підвищення її точності і надійності. Представлений приклад успішної реалізації фільтрації Калмана вхідного сигналу положення поршня дозувальної голки в результаті моделювання за даними, отриманими в результаті льотних випробувань повітряного судна. Визначена область застосування нейромережевої моделі авіаційного двигуна ТВ3-117 і ситуації, в яких модель функціонувати не може. Проведено оцінку похибки моделі для основних режимів експлуатації двигуна: похибка частоти обертання ротора турбокомпресора не перевищила 1,25 %, тиску повітря за турбокомпресором – 3,5 %, температури газів за турбіною компресора – 2,2%. Отримані дані свідчать про можливе впровадження нейромережевої моделі авіаційного двигуна ТВ3-117 в бортову систему контролю і діагностики його технічного стану в польотних режимах.The purpose of this work is to increase the reliability of TV3-117 aircraft engine automatic control system using its linear neural network model along with input one-dimensional and multi-dimensional Kalman filtering. Based on the study, a linear adaptive on-board neural network model was developed and presented, designed to work together with the TV3-117 aircraft engine automatic control system. The work is based on neuroinformatics methods were applied to develop and training a neural network for implementing a linear on-board model of aircraft engine TV3-117; statistical methods for processing the experimental results to determine the accuracy of the onedimensional and multi-dimensional Kalman filtering algorithms; methods of probability theory and mathematical statistics for the implementation of deterministic, stochastic and random corrections for model correction during engine operation. Estimation of the error of the present model, obtained by comparing the simulation results on the nodal nonlinear model, gave the following results for the main modes of operation of the engine (takeoff, altitude, cruising): turbocharger rotor speed – 1.25 %, air pressure behind the compressor – 3.5 %, the temperature of the gas behind the compressor turbine – 2.2 %. As expected, the error of the model increases with decreasing mode due to the nonlinearity of the characteristics, reaching twice the value at the minimum mode (small gas). Given that the main operating modes account for 90% of the operating time, the obtained values of the model error are acceptable. The scientific novelty of the results is that the method of increasing the reliability of TV3-117 aircraft engine automatic control system was further developed, which, along with the use of its linear neural network model, as well as one-dimensional and multidimensional Kalman filtering of input signals, allowed to reduce the error estimate of the identification model of TV3-117 aircraft engine. The developed method is a component of the intelligent system of control and diagnostics of TV3-117 aircraft engine technical state in flight modes.Проанализированы подходы к решению проблемы повышения надежности систем автоматического управления авиационными газотурбинными двигателями, в том числе, и ТВ3-117, на основе алгоритмического резервирования. Определены основные трудности применения алгоритмического резервирования в условиях летной эксплуатации воздушного судна. Рассмотрены особенности применения линейных и нелинейных математических моделей, выделены их основные преимущества и недостатки. Выявлены основные требования к математической модели для эффективного применения в системе автоматического управления авиационного двигателя ТВ3-117. На основе проведенного исследования разработана и представлена линейная адаптивная бортовая нейросетевая модель, предназначенная для работы совместно с системой автоматического управления авиационного двигателя ТВ3-117. Описаны методы решения проблемы адаптации нейросетевой модели авиационного двигателя ТВ3-117 к возможному изменению его технического состояния. Рассмотрен вопрос реализации детерминированных, стохастических и случайных поправок для коррекции модели во время эксплуатации двигателя. Оценено применение одномерной и многомерной фильтрации Калмана входных и выходных параметров нейросетевой модели авиационного двигателя ТВ3-117 для повышения ее точности и надежности. Представлен пример успешной реализации фильтрации Калмана входного сигнала положения поршня дозирующей иглы в результате моделирования по данным, полученным в результате летных испытаний воздушного судна. Определена область применения нейросетевой модели авиационного двигателя ТВ3-117 и ситуации, в которых модель функционировать не может. Проведена оценка погрешности модели для основных режимов эксплуатации двигателя: погрешность частоты вращения ротора турбокомпрессора не превысила 1,25 %, давления воздуха за турбокомпрессором – 3,5 %, температуры газов за турбиной компрессора – 2,2 %. Полученные данные свидетельствуют о возможном внедрении нейросетевой модели авиационного двигателя ТВ3-117 в бортовую систему контроля и диагностики его технического состояния в полетных режимах

Проблеми і перспективи застосування нейронних мереж у задачах моніторингу технічного стану авіаційних двигунів вертольотів у польотних режимах

Владов С.І., Дєрябіна І.О., Подгорних Н.В., Грибанова С.А., Яніцький А.А. Проблеми і перспективи застосування нейронних мереж у задачах моніторингу технічного стану авіаційних двигунів вертольотів у польотних режимах. Вісник Херсонського національного технічного університету. 2021. № 4 (79). С. 64–73. https://doi.org/10.35546/kntu2078-4481.2021.4.7Для покращення показників якості систем автоматичного управління актуальною є задача розробки нових алгоритмів ідентифікації та діагностики технічних об’єктів. Одним із шляхів розв’язання задачі є застосування штучних нейронних мереж. З метою дослідження проблем застосування штучних нейронних мереж для ідентифікації та діагностики технічних об’єктів, зокрема, авіаційних двигунів вертольотів, проведено аналіз наукових праць з цієї тематики за останні роки. Розглянуто існуючі підходи до побудови систем діагностики несправностей та систем автоматичного управління на основі штучних нейронних мереж. Результати наведеного аналізу можуть бути використані при розробці нових методів та алгоритмів ідентифікації та діагностики технічних об’єктів на основі нейромережевих аналізаторів. У цій роботі як приклад наведена узагальнена нейромережева модель авіаційних двигунів вертольотів, що застосовується для моніторингу їх технічного стану в режимі польотів вертольотів. З даною моделлю у роботі сформульовано задача ідентифікації технічного стану авіаційних двигунів вертольотів. У цій роботі наведено приклад застосування нейромережевих технологій у задачах управління авіаційними двигунами вертольотів у польотних режимах. Розроблено структуру моделі управління авіаційними двигунами вертольотів у польотних режимах із застосуванням нейронної мережі архітектури персептрон. Отримані результати свідчать про переваги застосування нейронних мереж у задачах управління авіаційними двигунами вертольотів у польотних режимах перед іншими методами, наприклад, методом управління із застосуванням ПІД-регуляторів. З боку сучасних програмно-технічних засобів відсутні будь-які обмеження на складність використовуваних алгоритмів, проте для реалізації тих значних потенційних можливостей, які мають системи управління на основі штучних нейронних мереж, потрібна розробка концептуально нових підходів до побудови таких систем. Для улучшения показателей качества систем автоматического управления актуальной является задача разработки новых алгоритмов идентификации и диагностики технических объектов. Одним из путей решения задачи является применение искусственных нейронных сетей. В целях исследования проблем использования искусственных нейронных сетей для идентификации и диагностики технических объектов, в частности, авиационных двигателей вертолетов, проведен анализ научных работ по данной тематике за последние годы. Рассмотрены существующие подходы к построению систем диагностики неисправностей, а также систем автоматического управления на основе искусственных нейронных сетей. Результаты приведенного анализа могут быть использованы при разработке новых методов и алгоритмов идентификации и диагностики технических объектов на основе нейросетевых анализаторов. В данной работе в качестве примера приведена обобщенная нейросетевая модель авиационных двигателей вертолетов, которая применяется для мониторинга их технического состояния в режиме полетов вертолетов. На основании данной модели в работе сформулирована задача идентификации технического состояния авиационных двигателей вертолетов. В данной работе приведен пример применения нейросетевых технологий в задачах управления авиационными двигателями вертолетов в полетных режимах. Разработана структура модели управления авиационными двигателями вертолетов в полетных режимах с применением нейронной сети архитектуры персептрон. Полученные результаты свидетельствуют о преимуществах применения нейронных сетей в задачах управления авиационными двигателями вертолетов в полетных режимах перед другими методами, например, методом управления с применением ПИД-регуляторов. Со стороны современных программно-технических средств отсутствуют какие-либо ограничения на сложность используемых алгоритмов, однако для реализации тех значительных потенциальных возможностей, которые имеют системы управления на основе искусственных нейронных сетей, требуется разработка концептуально новых подходов к построению таких систем. To improve the quality indicators of automatic control systems, it is urgent to develop new algorithms for the identification and diagnostics of technical objects. One of the ways to solve the problem is the use of artificial neural networks. In order to study the problems of using artificial neural networks for the identification and diagnostics of technical objects, in particular, helicopters aircraft engines, an analysis of scientific works on this topic in recent years has been carried out. The existing approaches to the construction of fault diagnostics systems, as well as automatic control systems based on artificial neural networks, are considered. The results of the above analysis can be used in the development of new methods and algorithms for identification and diagnostics of technical objects based on neural network analyzers. In this paper, as an example, a generalized neural network model of helicopter aircraft engines is presented, which is used to monitoring their technical state in the helicopter flight mode. Based on this model, the paper formulates the problem of identifying the technical condition of helicopter aircraft engines. This paper provides an example of the use of neural network technologies in the control problems of helicopter aircraft engines in flight modes. The structure of the model for controlling helicopters aircraft engines in flight modes using a neural network of the perceptron architecture has been developed. The results obtained indicate the advantages of using neural networks in the problems of controlling helicopters aircraft engines in flight modes over other methods, for example, a control method using PID controllers. On the part of modern software and hardware, there are no restrictions on the complexity of the algorithms used, however, to realize the significant potential capabilities that control systems based on artificial neural networks have, it is necessary to develop conceptually new approaches to the construction of such systems

Идентификация многорежимной модели авиационных двигателей вертолетов в полетных режимах с применением модифицированного градиентного алгоритма обучения радиально-базисных нейронных сетей

Владов, С. І. Ідентифікація багаторежимної моделі авіаційних двигунів вертольотів у польотних режимах з використанням модифікованого градієнтного алгоритму навчання радіально-базисних нейронних мереж / Владов С. І., Дєрябіна І. О., Гусарова О. В., Пилипенко Л. М., Пономаренко А. В. // Вісник Херсонського національного технічного університету. - 2021. - № 4 (79). - С. 52-63. - DOI: https://doi.org/10.35546/kntu2078-4481.2021.4.6.Розглянуто розв’язання прикладної задачі ідентифікації авіаційних газотурбінних двигунів вертольотів у польотних режимах за допомогою їх багаторежимних моделей з використанням класичного методу – методу найменших квадратів і нейромережевого методу – шляхом побудови нейронної мережі відповідно до вихідних даних. Використовано такі методи: методи теорії ймовірностей і математичної статистики, методи нейроінформатики, методи теорії інформаційних систем та обробки даних. Для досягнення поставленої мети та зменшення помилки ідентифікації багаторежимної моделі авіаційного газотурбінного двигуна у роботі запропоновано використання нейронної мережі радіально-базисних функцій з модифікованим градієнтним алгоритмом навчання, що полягає у динамічній зміні структури нейронної мережі у процесі навчання, а для виключення ситуацій, коли параметри елементів стають близькими один до одного, введено коефіцієнт взаємного припинення елементів. При розв’язанні прикладної задачі ідентифікації авіаційних газотурбінних двигунів вертольотів показано, що похибка ідентифікації багаторежимної моделі авіаційних газотурбінних вертольотів (на прикладі авіаційного двигуна ТВ3-117) за допомогою персептрона при обчисленні окремих параметрів двигуна не перевищила 0,63 %; для нейронної мережі радіально-базисних функцій – 0,74 %, для нейронної мереж радіально-базисних функцій з модифікованим градієнтним алгоритмом навчання – 0,47 %, у той час як для класичного методу (методу найменших квадратів) вона складає близько 1 % у розглянутому діапазоні зміни режимів роботи двигуна. Порівняльний аналіз нейромережевих і класичного методів ідентифікації в умовах дії шумів показує, що нейромережеві методи більш робастні до зовнішніх збурень: для рівня шуму σ = 0,025 похибка ідентифікації параметрів авіаційного двигуна ТВ3-117 при використанні персептрона зростає з 0,63 до 0,84 %; для нейронної мережі радіально-базисних функцій – з 0,74 до 0,86 %; для нейронної мережі радіально-базисних функцій з модифікованим градієнтним алгоритмом навчання – з 0,47 до 0,65 %, а для методу найменших квадратів – з 0,99 до 2,14 %.This work is devoted to solving the applied problem of identification helicopters aircraft gas turbine engines in flight modes using their multi-mode models using the classical method – least squares method and the neural network method – by constructing a neural network in accordance with the initial data. The following methods are used: methods of probability theory and mathematical statistics, methods of neuroinformatics, methods of information systems theory and data processing. To achieve this goal and reduce the identification error of aircraft gas turbine engine multi-mode model, the use of radial-basis functions neural network with a modified gradient training algorithm is proposed, which consists in dynamically changing the structure of the neural network in the learning process, and to exclude situations when the parameters of the elements are close to each other. to a friend, the coefficient of mutual intersection of elements is introduced. When solving the applied problem of identification helicopters aircraft gas turbine engines, it was shown that the error in identifying a multi-mode model of helicopters aircraft gas turbine (using the example of the TV3-117 aircraft engine) using a perceptron when calculating individual engine parameters did not exceed 0.63 %; for radial-basis functions neural network – 0.74 %, for radial-basis functions neural network with a modified gradient learning algorithm – 0.47 %, while for the classical method (least squares method) it is about 1% in the considered the range of change of engine operating modes. Comparative analysis of neural network and classical identification methods under noise action shows that neural network methods are more robust to external disturbances: for a noise level σ = 0.025, the error in identifying parameters of an aircraft engine TV3-117 when using a perceptron increases from 0.63 to 0.84%; for radial-basis functions neural network – from 0.74 to 0.86 %; for radial basis functions neural network with a modified gradient learning algorithm – from 0.47 to 0.65 %, and for the least squares method – from 0.99 to 2.14 %.Рассмотрено решение прикладной задачи идентификации авиационных газотурбинных двигателей вертолетов в полетных режимах с помощью их многорежимных моделей с использованием классического метода – метода наименьших квадратов и нейросетевого метода – путем построения нейронной сети в соответствии с исходными данными. Использованы следующие методы: методы теории вероятностей и математической статистики, методы нейроинформатики, методы теории информационных систем и обработки данных. Для достижения поставленной цели и уменьшения ошибки идентификации многорежимной модели авиационного газотурбинного двигателя в работе предложено использование нейронной сети радиально-базисных функций с модифицированным градиентным алгоритмом обучения, заключающийся в динамическом изменении структуры нейронной сети в процессе обучения, а для исключения ситуаций, когда параметры элементов близки друг к другу, введен коэффициент взаимного пересечения элементов. При решении прикладной задачи идентификации авиационных газотурбинных двигателей вертолетов показано, что погрешность идентификации многорежимной модели авиационных газотурбинных вертолетов (на примере авиационного двигателя ТВ3- 117) с помощью персептрона при вычислении отдельных параметров двигателя не превысила 0,63 %; для нейронной сети радиально-базисных функций – 0,74 %, для нейронной сети радиально-базисных функций с модифицированным градиентным алгоритмом обучения – 0,47 %, в то время как для классического метода (метода наименьших квадратов) она составляет около 1 % в рассматриваемом диапазоне смены режимов работы двигателя. Сравнительный анализ нейросетевых и классических методов идентификации в условиях действия шумов показывает, что нейросетевые методы более робастны к внешним возмущениям: для уровня шума σ = 0,025 погрешность идентификации параметров авиационного двигателя ТВ3-117 при использовании персептрона возрастает с 0,63 до 0,84 %; для нейронной сети радиально-базисных функций – с 0,74 до 0,86 %; для нейронной сети радиально-базисных функций с модифицированным градиентным алгоритмом обучения – с 0,47 до 0,65 %, а для метода наименьших квадратов – с 0,99 до 2,14 %

Метод підвищення робасності нейромережевої моделі контролю і діагностики технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117 в польотних режимах

Вісник Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського. 2020. Вип. 1/2020 (120). С. 113–119. DOI: 10.30929/1995-0519.2020.1.113-119Розроблено метод підвищення робастності нейромережевої моделі контролю і діагностики технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117 у польотних режимах, який дозволяє зменшити помилки під час розрахунків контрольованих параметрів зазначеного авіаційного двигуна. При цьому застосовано метод нейроноінформатики при розробці нейромережевої моделі авіаційного двигуна ТВ3-117, градієнтний метод з адаптивним кроком під час навчання нейронної мережі, метод зворотного поширення задля навчання нейрорегулятора, метод зворотного поширення помилки задля навчання нейромодулятора. Для розв’язання задачі редукції нейромережевої моделі розроблено алгоритм на основі багатокритеріального навчання. У роботі здійснено оцінку робастності (здатність до узагальнення нейромережевої моделі) на основі обчислення специфічної міри складності мережі – «міри Вапніка–Червоненкіса» (VCdim), за допомогою якої задля збільшення робастності моделі необхідно зменшити кількість міжнейронних зв’язків при збереженні точності обчислень. У ході досліджень проведено обчислювальні експерименти, в яких нейронні мережі початково однакової топології піддавалися редукції трьома методами – запропонованим алгоритмом і двома стандартними, а саме, методом Optimal Brain Damage (OBD) й методом штрафних функцій. Розрахунково-експериментальним шляхом доведено, що розроблений алгоритм редукції нейронних мереж підвищує робастність побудованої на її основі моделі, та алгоритм перевершує стандартні методи за точністю і швидкістю навчання. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що удосконалено метод підвищення робастності нейромережевої моделі контролю і діагностики технічного стану авіаційних газотурбінних двигунів за рахунок комбінації системи нейромережевого контролю з емулятором і контролером, що застосовується для контролю і діагностики технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117 у польотних режимах. Це дозволило з алгоритмом на основі багатокритеріального навчання зменшити середні помилки навчання нейронної мережі приблизно на 80 та 70 % відповідно порівняно з методом Optimal Brain Damage (OBD) й методом штрафних функцій відповідно. Разработан метод повышения робастности нейросетевой модели контроля и диагностики технического состояния авиационного двигателя ТВ3-117 в полетных режимах, который позволяет уменьшить ошибки в расчетах контролируемых параметров указанного авиационного двигателя. При этом применен метод нейроинформатики при разработке нейросетевой модели авиационного двигателя ТВ3-117, градиентный метод с адаптивным шагом при обучении нейронной сети, метод обратного распространения для обучения нейрорегулятора, метод обратного распространения ошибки для обучения нейромодулятора. Для решения задачи редукции нейросетевой модели разработан алгоритм на основе многокритериального обучения. В работе осуществлена оценка робастности (способность к обобщению нейросетевой модели) на основе вычисления специфической степени сложности сети – «меры Вапника–Червоненкиса» (VCdim), с помощью которой для увеличения робастности модели необходимо уменьшить количество межнейронных связей при сохранении точности вычислений. В ходе исследований проведены вычислительные эксперименты, в которых нейронные сети первоначально одинаковой топологии подвергались редукции тремя методами – предложенным алгоритмом и двумя стандартными, а именно, методом Optimal Brain Damage (OBD) и методом штрафных функций. Расчетноэкспериментальным путем доказано, что разработанный алгоритм редукции нейронных сетей повышает робастность разработанной на ее основе модели, и алгоритм превосходит стандартные методы по точности и скорости обучения. Научная новизна полученных результатов заключается в том, что усовершенствовано метод повышения робастности нейросетевой модели контроля и диагностики технического состояния авиационных газотурбинных двигателей за счет комбинации системы нейросетевого контроля с эмулятором и контроллером, который применяется для контроля и диагностики технического состояния авиационного двигателя ТВ3-117 в полетных режимах. Это позволило с алгоритмом на основе многокритериального обучение уменьшить средние ошибки обучения нейронной сети примерно на 80 и 70 % соответственно по сравнению с методом Optimal Brain Damage (OBD) и методом штрафных функций соответственно. The purpose of this work is to develop the method for increase the robustness of the neural network model for control and diagnostics of the TV3-117 aircraft engine technical state in flight modes, which allows to reduce errors in the calculation of the controlled parameters of the specified aircraft engine. Methodology. The work is based on neuroinformatics method in developing a neural network model of the TV3-117 aircraft engine, gradient method with adaptive step in training a neural network, back propagation method for training a neuroregulator, back propagation method for training a neuromodulator. To solve the problem of reducing the neural network model, an algorithm based on multicriteria training has been developed. The work estimates robustness (the ability to generalize a neural network model) based on the calculation of a specific degree of network complexity – “Vapnik-Chervonenkis measures” (VCdim), with which to increase the robustness of the model it is necessary to reduce the number of interneuron connections while maintaining the accuracy of calculations. Results. During the research, computational experiments were carried out in which neural networks of initially the same topology were subjected to reduction by three methods – the proposed algorithm and two standard ones, namely, the Optimal Brain Damage (OBD) method and the penalty function method. It is proved by calculation and experiment that the developed algorithm for reducing neural networks increases the robustness of the model developed on its basis, and the algorithm surpasses standard methods in accuracy and speed of training. Originality. The method of increasing the robustness of the neural network model for monitoring and diagnosing of aircraft gas turbine engines technical state has been improved by combining the neural network control system with an emulator and a controller, which is used to control and diagnose of TV3-117 aircraft engine technical state in flight modes. This allowed using the algorithm based on multicriteria training to reduce the average neural network learning errors by about 80 and 70 %, respectively, compared to the Optimal Brain Damage (OBD) method and the penalty function method, respectively. Practical value. The developed method is a component of the intelligent system of control and diagnostics of TV3-117 aircraft engine technical state in flight modes. References 14, table 1, figure 2

Контроль и диагностика технического состояния авиационного двигателя ТВ3-117 путем анализа тренда его параметров

Владов, С. І. Контроль і діагностика технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117 шляхом аналізу тренду його параметрів / С. І. Владов, Л. М. Пилипенко, Н. В. Тутова, І. О. Дєрябіна, А. А. Яніцький // Вісник Херсонського національного технічного університету. - 2021. - № 1(76). - С. 87-98. - DOI: https://doi.org/10.35546/kntu2078-4481.2021.1.11.Розроблено метод контролю і діагностики технічного стану авіаційного двигуна ТВ3-117 в польотних режимах шляхом аналізу тренду його параметрів з використанням нейромережевих технологій. Вирішено завдання розробки методики визначення оптимальної структури нейронної мережі, яка полягає у визначенні архітектури нейронної мережі, виборі оптимального алгоритму пошуку ваг нейронів і навчання нейронної мережі, аналізу ефективності різних алгоритмів навчання нейронної мережі, визначення структури нейронної мережі щодо знаходження мінімальної помилки навчання нейронної мережі залежно від кількості нейронів у прихованому шарі, а також в аналізі ефективності отриманих результатів.The subject matter of the article is TV3-117 aircraft engine and methods for monitoring and diagnosing its technical state. The goal of the work is development of a method of control and diagnostics of TV3-117 aircraft engine technical state in flight modes by the analysis of a trend of its parameters using neural network technologies. The article solves the problem of developing a methodology for determining the optimal structure of a neural network, which consists in determining the neural network architecture, choosing an optimal algorithm for finding the weights of neurons and training a neural network, analyzing the effectiveness of various training algorithms for a neural network, determining the structure of a neural network to find the minimum error in training a neural network depending on the number of neurons in the hidden layer, as well as in the analysis of the effectiveness of the results. The following methods are used: methods of probability theory and mathematical statistics, methods of neuroinformatics, methods of information systems theory and data processing. The results of numerical modeling indicate the possibility of solving the problems of control and diagnosing of TV3-117 aircraft engine technical state, allowing, along with the classical criteria for identifying the trend of parameters, to apply qualitatively new neural network criteria that expand and supplement the classical criteria that increase the reliability in control and diagnosing the technical state and decision-making stages. The results obtained indicate the possible implementation of the neural network model of the TV3-117 aircraft engine into the on-board system for control and diagnosing its state condition in flight modes.Разработан метод контроля и диагностики технического состояния авиационного двигателя ТВ3-117 в полетных режимах путем анализа тренда его параметров с использованием нейросетевых технологий. Решена задача разработки методики определения оптимальной структуры нейронной сети, которая состоит в определении архитектуры нейронной сети, выборе оптимального алгоритма поиска весов нейронов и обучения нейронной сети, анализа эффективности различных алгоритмов обучения нейронной сети, определение структуры нейронной сети по нахождению минимальной ошибки обучения нейронной сети в зависимости от количества нейронов в скрытом слое, а также в анализе эффективности полученных результатов. Результаты численного моделирования свидетельствуют о возможности решения задач контроля и диагностики технического состояния авиационного двигателя ТВ3-117, позволяющие наряду с классическими критериями выявления тренда параметров применять качественно новые нейросетевые критерии, которые расширяют и дополняют классические критерии, повышающие достоверность при контроле и диагностике технического состояния и на этапах принятия решений. Полученные результаты свидетельствуют о возможном внедрении нейросетевой модели авиационного двигателя ТВ3-117 в бортовую систему контроля и диагностики его технического состояния в полетных режима

Анализ динамики авиационного двигателя ТВ3-117 с применением нейронной сети Элмана

Владов, С. І. Аналіз динаміки авіаційного двигуна ТВ3-117 із використанням нейронної мережі Елмана / С. І. Владов, В. М. Москалик, А. С. Сіора та ін. // Вісник Херсонського національного технічного університету. - 2020. - № 4(75). - С. 42-52.- DOI: https://doi.org/10.35546/kntu2078-4481.2020.4.5.Розроблено динамічну модель авіаційного двигуна ТВ3-117 в складі його системи автоматичного управління в польотних режимах з використанням нейромережевих технологій. Наголошено, що використання динамічних рекурентних нейронних мереж, зокрема, нейронної мережі Елмана, у процесі розробки математичної моделі об’єкта управління (авіаційного двигуна ТВ3-117) дозволяє істотно прискорити цей процес, причому, отримані моделі придатні для розв’язання задач синтезу законів управління і структури системи автоматичного управління у відповідності з відомою концепцією. Відзначено, що точність динамічної ідентифікації параметрів двигуна на основі нейронної мережі Елмана у 1,5 рази вище порівняно з методом найменших квадратів. Визначено, що точність динамічної ідентифікації параметрів двигуна в умовах шумів (адитивної складової перешкоди) на основі нейронної мережі Елмана також у середньому у два рази вище порівняно з методом найменших квадратів.The subject matter of the article is TV3-117 aircraft engine and methods for monitoring and diagnosing its technical state. The goal of the work is development of dynamic model of the TV3-117 aircraft engine as part of its automatic control system in flight modes using neural network technologies. The article solves the problem of developing a methodology for determining the optimal structure of a neural network, which consists in determining the neural network architecture, choosing an optimal algorithm for finding the weights of neurons and training a neural network, analyzing the effectiveness of various training algorithms for a neural network, determining the structure of a neural network to find the minimum error in training a neural network depending on the number of neurons in the hidden layer, as well as in the analysis of the effectiveness of the results. The following methods are used: methods of probability theory and mathematical statistics, methods of neuroinformatics, methods of information systems theory and data processing. The results of the research showed that the use of dynamic recurrent neural networks, in particular, the Elman neural network, in the process of developing a mathematical model of the control object (TV3-117 aircraft engine) can significantly accelerate this process, and the obtained models are suitable for solving synthesis control laws and the structure of the automatic control system in accordance with the well-known concept. It has been determined that the accuracy of dynamic identification of engine parameters based on Elman's neural network is 1.5 times higher than that of the least square’s method. It has been determined that the accuracy of dynamic identification of engine parameters under conditions of noise (additive component of the interference) based on Elman's neural network is also, on average, twice as high as compared with the least square’s method.Разработана динамическая модель авиационного двигателя ТВ3-117 в составе его системы автоматического управления в полетных режимах с использованием нейросетевых технологий. Результаты проведенных исследований показали, что применение динамических рекуррентных нейронных сетей, в частности, нейронной сети Элмана, в процессе разработки математической модели объекта управления (авиационного двигателя ТВ3-117) позволяет существенно ускорить этот процесс, причем, полученные модели пригодны для решения задач синтеза законов управления и структуры системы автоматического управления в соответствии с известной концепцией. Определено, что точность динамической идентификации параметров двигателя на основе нейронной сети Элмана в 1,5 раза выше по сравнению с методом наименьших квадратов. Подчеркнуто, что точность динамической идентификации параметров двигателя в условиях шумов (аддитивной составляющей помехи) на основе нейронной сети Элмана также в среднем в два раза выше по сравнению с методом наименьших квадратов