Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ. Одним из опре делящих факторов конкурентоспособности изделий современной промышленности на мировом рынке является надежность их работы. Надекность может быть обеспечена только при условии проведения разнообразных испытаний как в процессе разработки, так и в процессе изготовления. Большое значение среди них имеют вибрационные испытания, поскольку все изделия, в той или иной мере, сталкиваются с вибрациями в реальных условиях эксплуатации. Преаде всего- это касается устройств, механизмов, приборов, устанавливаемых на подвижных объектах. Но и стационарно установленные объекты подвержены воздействию вибраций, порождаемых сейсмическими волнами, ветровой нагрузкой, движущимися узлами машин и механизмов и т.п.
В частности, вибрационные испытзния весьма важны для обеспечения требуемого уровня безопасности ядерной энергетики при воздействии внешних и внутренних неблагоприятных факторов. Такими факторами для атомных электростанций являются сейсмические воздействия естественного и искусственного характера, газовые взрывы внутри ядерной установки, полеты реактивных самолетов в непосредственной' близости от здания АЭС и т.п. Для ядерных энергетических установок, ' эксплуатирующихся на подвижных объектах (кораблях, подводных лодках, искусственных спутниках), характерны также неблагоприятные вибрационные воздействия в виде морской качки, колебаний корпуса при работе турбин, двигательных установок и т.д.
Основная задача, которая решается в процессе стендовых вибрационных испытаний' - это воспроизведение в лабораторных условиях вибрационных нагрузок максимально близких к тем, которые имеют место при. эксплуатации объекта испытаний. В результате многочисленных исследований реальных вибраций было доказано, что в большинстве случаев они представляют собой случайные процессы. Причем наиболее важное значение, с точки зрения работоспособности изделий в условиях вибраций, имеют нагрузки, возникающие в разного рода переходных режимах и представляющие собой нестационарные случайные процессы. Таким образом* одной из важнейших проблем, подлежащих решению в процессе разработки системы вибрационных испытаний, является формирование стационарных и нестационарных случайных сигналов с заданными статистическими характеристиками.
Однако, тот факт, что сформированный сигнал обладает заданными характеристиками, еще не гарантирует имитацию реальных вибраций. Система виброиспнтаний не может идеально точно воспроизвести
испытательный сигнал. Это обусловлено тем, что используемые виброустановки имеют- ограниченные энергетические возможности «и^ш^ши-ченную полосу пропускания. Их частотные характеристики могут сильно изменяться под действием присоединешюй динамической подсистемь в виде объекта испытаний. Необходимо также учитывать влияние внутренних шумов аппаратуры и внешних помех. Как следствие, возникает задача оценки точности воспролзведения испытательного сигнала і системе виброиспытаний. По результатам решения этой задачи делается вывод о возможности использования конкретной виброустановки дл$ воспроизведения заданных вибрационных погружений, а также вывод с необходимости коррекции динамических характеристик системы с целы достижения требуемой точности.
Дальнейшая .детализация проблемы воспроизведения реальных вибраций при стендовых испытаниях приводит к таким задачам, как идентификация и коррекция динамических сьойств системы виброиспытаний,
ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Необходимость решения широкого круга задач, имеющих место при проведении стендовых вибрационных испытаний, порождает высокие требования к системам управления виброиспытаниями, которые могут быть удовлетворены толькі при условии использования ЗВМ в контуре управления. Соответственно, возникает настоятельная необходимость в разработке машинноори ентированшх методов и алгоритмов, позволяющих максимально форма лизовать и автоматизировать решение сформулированных выше задач.
Целью настоящей работы является разработка методов и алгорит мов:
формирования в системе вибрационных испытаний стационарна и нестационарных случайных испытательных сигналов с заданными ста тистическими характеристиками;
оценки точности воспроизведения стационарных и нестационар ных случайных испытательных сигналов вибрационной установкой с иэ вестной линейной или нелинейной математической моделью.
Для достижения сформулированной цели ставятся следующие зада чи исследования: .
-
разработать метод синтеза стационарных а нестационарнь формирующих фильтров, ориентированный на [применение ЭВМ;
-
разработать метод статистического анализа нелинейных сие тем, ориентированный на применение ЭВМ;
-
разработать алгоритмическое и программное обеспечение до формирования случайных стационарных и нестационарных испытателыа сигналов в системе вибрационных испытаний;
-
разработать алгоритмическое и программное обеспечение.дли оценки точности воспроизведения испытательных сигналов виброуста-новками на базе электродинамических и электрогидравлических стендов;
-
реализовать разработанное алгоритмическое и программное обеспечение в конкретной системе управления виброиспитвниями и провести экспериментальную проверку предложенных методов и алгоритмов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в том, Что разработано методы и алгоритми синтеза формирующих фильтров и статистического анализа нелинейных систем, которые дают возможность создания систем вибрационных испытаний, работающих не тольК'; со стационарными, но и с нестационарными случайными испытательными сигналами. При этом могут использоваться как линейные, так и нелинейные математические модели виброустановок. Эффективность разработанных чотодов и алгоритмов обусловлена тем, что в их основа лежат спектральные метода расчета и проектирования систем управления, которые ориентированы на применение ЭВМ и аппарата быстрых преобразований.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И ВНЕДРЕНИЕ. Разработанные в диссертации методы и алгоритмы синтеза формирующих фильтров и оценки точности воспроизведения испытательных сигналов были использованы пря создании в Калужском филиале МГТУ им. Н.Э.Баумана многоцелевое системы вибрационных испытаний. Построенная система виСроиспытаниД дала возможность экспериментальной проверю: теоретических положений данной работы. Она была использована при проведении рядг» научно-исследовательских работ, а также для проведения вибрационных испытаний сложных электронно-механических изделий по заказ} предприятий промышленности. Полученные результати подтверждаются актами о внедрении.
1 ) спектральный метод синтеза фильтров, предназначенннх длг формирования стационарных и нестационарных, скалярных и векторній. случайных сигналов;
Z) метод ортогональных воздействий для статистического анвли за некоторых клвссов нелинейных систем;
3) метод статистических испытаний, реализованный на баз
спектральных методов расчета и проектирования систем управления;
4) алгоритмы синтеза и реализации фильтров' для формирована
стационарах и нестационарных случайных испытательных сигналов'
системе вибрационных испытаний;
- ь -
-
алгоритмы анализа точности воспроизведения стационарных и нестационарных случайных испытательных сигналов для линейных и нелинейные математических моделей виброустановок;-
-
система вибрационных испытаний, построенная с использованием разработанных методов и алгоритмов, и результаты проведенных в указанной системе испытаний.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ 1/1 ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на: 33-м Международном научном коллоквиуме, Мльменау, ГДР, 1988; Всесоюзных и Всероссийских научно-технических конференциях: Микропроцессорные системы автоматизации технологических процессов, Новосибирск, 1987; Электроника и информатика в гибких адтоматизироааншх производствах (ГАП), Пермь, 1987; Математическое, алгоритмическое и техническое обеспечение АСУ ТП, Ташкент, 1988; Проблемы создания и использования отраслевых информациоіщо-диспетчерскшс систем на основе компьютеризации и перспективных средств связи, Москва, 1988; Автоматизация исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем и технологических процессов, Калуга, 1989, 1993, 1994; Вибрация и диагностика машин и механизмов, Челябинск, 1990; Теоретические и прикладные проблемы создания систем управления технологическими процессами, Москва, 1990.
Ио -.материалам диссертации опубликовано более 20 печатных работ, в том числе параграфы 4.1 - 4.1G {объем - 1 п.л.) в монографии ПБ1, параграфы 4-1. 4.2 и 6.7 (объем - 2.5 п.л.) в учебном пособии "Методы теории автоматического управления, ориентированные на применение ЭВМ" (находится в печати), пять статей 171, 110), [171, [181, [22] и отчет по НИР [1 П.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения. Работа изложена на 212 страницах, в том числе 147 страниц основного текста, 31 страница рисунков, 15 страниц таблиц, библиографический список из 115 наименований на 12 страницах и приложение на 7 страницах.