Содержание к диссертации
Введение 5
Глава 1.Современные системы диагностики электромеханического привода и 12
направления их развития
1.1.Электромеханические системы машиностроительного производства 12
Механическая система 14
Электромеханический преобразователь 19
1.1.3.Система управления 24
1.2. Существующие методы и средства оценки фактического состояния и па
раметров электромеханического привода 30
1.2.1.Объекты и алгоритмы диагностики 30
1.2.2. Технические средства реализации диагностических комплек
сов 35
1.3. Экспертные системы для диагностики 38
1.3.1. Экспертные системы для технического обслуживания диагности
ки 38
1.3.2. Инструментальные средства создания экспертных систем 43
1.4. Диагностика электромеханических систем на соответствие техническим
требованиям ; 48
Диагностика регулируемого привода 48
Диагностика следящего привода 51
Диагностика при эксплуатации привода 55
1.5. Проблемы и направления создания микропроцессорных систем диагно
стики приводов 59
Направления создания микропроцессорных систем диагностики 59
Структура электромеханического привода с устройством стабилизации характеристик 69
Обобщенная структурная схема системы диагностики 76
1.6. Выводы 80
Глава 2. Алгоритмы и технические средства диагностики состояния электроме
ханического привода 83
Алгоритм диагностики электромеханических систем на основе измерения количества информации 83
Диагностика электромеханических приводов по энергии выходного сигнала 90
2.3. Диагностика электромеханических систем в пространстве состоя
ний 100
Диагностика электромеханических систем с использованием логических моделей на основе сетей Петри 114
Алгоритмы диагностики электромеханических систем на основе методов
обучения и самообучения 125
2.5.1.Обучение с использованием моделей представленных структурной схе
мой 130
2.5.2. Обучение с использованием моделей логического типа 134
2.5.3 Обучение с использованием реального объекта 138
2.6. Выводы 141
Глава 3. Алгоритмы диагностики параметров приводов 144
3.1. Диагностика параметров механических систем 145
3.2. Определение параметров двигателя постоянного тока с независимым
возбуждением 149
3.2.1. Частичная идентификация параметров двигателя 149
Полная идентификация параметров двигателя 152
Идентификация параметров двигателя постоянного тока по комплексному входному сопротивлению 153
3.3. Диагностика параметров объекта управления регулируемого и следяще- 156
го электропривода
Характеристики системы ТП-Д 156
Диагностика параметров системы ТП-Д по обратной АФЧХ 157
Диагностика параметров системы ТП-Д по квадрату модуля обратной
ЧХ при произвольном числе экспериментальных точек 160
3.4. Параметрическая идентификация ПИ-регуляторов привода 162
3.5. Диагностика параметров электромеханических систем на основе близких
систем 165
3.6. Выводы 170
Глава 4. Формирование сигналов управления 172
Анализ тестовых, управляющих и возмущающих сигналов 172
Формирование сигнала со случайными характеристиками 176
Формирование сигналов произвольной формы 180
Определение параметров сигнала 182
Структурные схемы микропроцессорных генераторов сигналов 191
Выводы 195
Глава 5. Системы ввода диагностической информации 198
Общие проблемы ввода диагностической информации 198
Преобразование информации в подсистемах аналогового ввода 201
5.3 Структурные схемы микропроцессорных систем аналогового ввода 206
Методы повышения быстродействия ввода аналоговой информации 219
Особенности работы подсистем аналогового ввода 224
Выводы 227
Глава 6.Структурные схемы диагностических комплексов и их программное
обеспечение 229
6.1. Структурная схема стационарного устройства диагностики, контроля и
идентификации ЭМС 231
6.2.Структурные схемы переносных устройств диагностики 238
6.3.Встраиваемые системы диагностики и идентификации ЭМС 241
Сетевая модель диагностики ЭМС 247
Расчет основных параметров диагностических станций 255
Определение числа АЦП и необходимого быстродействия управляющей ЭВМ 255
Определение времени процедуры ввода-вывода данных по каналам
связи 258
6.5.3. Выбор микроЭВМ 262
6.6. Алгоритмы обработки экспериментальной информации 266
Алгоритм сглаживания экспериментальных данных 267
Алгоритм прореживания массива экспериментальных данных 272
6.6.3 Аппроксимация экспериментальных данных методом наименьших
квадратов 275
Алгоритм цензурирования экспериментальных данных 279
Алгоритм численного интегрирования 283
Алгоритм численного дифференцирования 286
6.7. Выводы 290
Глава 7. Основы проектирования систем диагностики 292
Анализ особенностей построения интеллектуальных интерфейсов для задач диагностики 292
Структура системы 298
Интерпретация входных заданий 299
Алгоритм выбора структуры 305
Создание связей между модулями диагностической станции 310
7.6. Выводы 314
Глава 8. Реализация, исследование функционирования и внедрение систем
диагностики электромеханических приводов 316
8.1. Автоматизация экспериментальных исследований электромеханических
систем 316
8.1.1. Экспериментальный электромеханический стенд для исследования
систем диагностики и программного обеспечения 317
Структурная схема диагностического комплекса 324
Структура программного обеспечения диагностического комплекса 329
8.2. Диагностика работоспособности электромеханических преобразовате
лей электромагнитного типа 338
8.2.1. Принцип работы и устройство электромеханического преобразовате
ля 338
Диагностика работоспособности ЭМП 341
Идентификация параметров ЭМП 350
8.3. Оценка параметров электродвигателей постоянного тока 365
Расчет скорости с использованием фотоимпульсного датчика 368
Реализация метода 371
Определение динамической ошибки системы измерений 376
8.4. Диагностика параметров электродвигателей переменного тока 385
8.5. Выводы 404
Заключение 406
Список литературы 408
Приложения 427
П1. Основные требования к электроприводам 425
П2.Определение параметров механической системы 435
ПЗ. Диагностика электронных устройств систем управления 442
П4. Диагностика работоспособности технологического оборудования промыш
ленного назначения 470
П5. Автоматизированный комплекс для диагностики пневмоаппаратов автобуса
ЛИАЗ 5256 481
П6. Материалы внедрения научных результатов диссертационной работы
(акты внедрения) 498
Введение к работе
Эволюция современного автоматизированного механообрабатывающего производства происходит на основе взаимодействия двух глобальных представлений: о том, какими должны быть сегодня наиболее прогрессивные технико-экономические показатели автоматизированного оборудования; и о том, как выглядят в современных условиях наиболее рациональные производственно-технологические функции автоматизированного оборудования1.
Технико-экономические показатели оборудования (в том числе интегрированного) обусловлены его составом и комплектацией, структурой и компоновочной схемой, конструктивными особенностями и качественными характеристиками отдельных узлов и подсистем, уровнем информационно-управляющего обеспечения. Это относится и к электромеханическим приводам, входящим в комплект оборудования технологических машин современного автоматизированного производства. Последние по своей сути являются сложнейшими техническими устройствами способными выполнять уникальные преобразования над информацией, обеспечивающие управление механической энергией на основе функции цели и заданного критерия качества.
В современных интегрированных системах машин осуществляется движение но нескольким координатам одновременно, а в состав технической системы (ТС) входят разнообразные электромеханические устройства: от простейших электромагнитных устройств до сложнейших систем приводов. При этом электромеханические приводы таких машин характеризуются большим числом и разнообразием процессов происходящих в них. От их проявления в значительной мере зависит качество производимого продукта, а оценка параметров влияющих на качество, затруднительна.
Естественно, что одним из аспектов следует считать использование специализированных подсистем в системе управления электроприводом, ориентированных на поддержание заданных технических характеристик на всем жизненном цикле работы оборудования.
С одной стороны это связано с недостатком информации о проведении объекта в условиях промышленной эксплуатации, т.к. для оценки используются простые аппаратные устройства, с другой - отсутствием системного подхода к проектированию приводов с позиции использования специальных технических средств и алгоритмов оценивания параметров, характеризующих текущее состояние.
Определение состояния привода и его параметров связано с большим объемом перерабатываемой информации, разнообразием источников информации, с различной физической природой сигнала, алгоритмов преобразования, расчетов и т.п. Существенные требования предъявляются и со стороны ТС в силу специфики функционирования, сложности реализации, повышенными требованиями к каче-
1 СоломснпсвЮ.М. Сосоикнн ВЛ. Управление гибкими ироитолствсниыми системами. М: .Машиностроение. 1 УЖ-352с.
ству движений. Системы оценки фактического состояния приводов в силу сложности ТС и алгоритмов функционирования оказываются во много раз сложнее, чем сами системы управления ТС.
Усиление интереса к диагностике приводов в последние годы объясняется еще и тем, что создаются и применяются все более сложные устройства и системы при непрерывном увеличении темпов их производства, росте интенсивности их использования и повышении требований к надежности. В этих условиях интуитивные методы и ручные способы определения состояния сложных систем приводов оказываются малоэффективными или даже непригодными.
Для любого объекта на каждом этапе его жизни задаются определенные технические требования. Естественно, что эти требования должны быть удовлетворены на всех этапах жизни. Однако в процессе работіл неизбежно возникают неисправности, приводящие к несоответствию техническим характеристикам или к выходу оборудования из строя. При этом возникает задача восстановления нормального состояния привода. Решение этой задачи невозможно без диагноза состояния. Диагноз технического состояния ЭМС осуществляется при помощи средств диагноза, а взаимодействие их с приводом и оператором образуют систему диагностики. В процессе оценки состояния выполняется триединая задача связанная с проверкой исправности, работоспособности и правильности функционирования. При этом одной из важнейших задач диагностики состояния привода является поиск неисправностей, т.е. указание места и, возможно, причины возникновения неисправности.
Учитывая все сказанное можно сделать вывод, что для диагностики состояния привода единстве]шым средством является использование микропроцессорных систем. И, пожалуй, самое важное, решение задач обеспечения стабильности характеристик тесно связано с использованием систем с искусственным интеллектом.
В большинстве случаев проектирование сложных объектов ведется без должного учета того, как они будут проверяться и налаживаться в условиях производства или ремонта, как будут организованы проверка работоспособности, правильности функционирования и поиск неисправностей. Усугубляется это обстоятельство тем, что обязательная проработка этих вопросов не всегда регламентируется официальными требованиями к проектам новых изделий. Все это приводит к тому, что часто сложные объекты оказываются без хорошей организации системы проверок правильности их функционирования, не говоря уже о системах поиска неисправностей в условиях промышленного применения. Чаще всего подобные вопросы решаются после того, как изделие спроектировано и запушено в производство. В результате оснащение оборудования системами диагноза становятся задачей производителей, эксплуатационников и ремонтников. Затраты на их создание велики, а сами устройства по многим параметрам не отвечают решаемым задачам, а отсюда низкая эффективность применения.
" Автомати шрованный электропривод/Под общ. ред. Н.Ф. Ильинского.. М.Г Юньшвл. - М.: Оисргоатомишт. 1У90.-544с.
Среди объективных причин такого положения следует назвать недостаточное развитие теории, методов и алгоритмов компьютерной диагностики, слабую проработку принципов построения технических средств диагноза на основе микропроцессоров и микроЭВМ, а также отсутствие налаженного производства таких средств.
Задачи оценки фактического состояния привода тесно переплетаются с задачами идентификации, поскольку определение параметров всегда позволяет выявить их близость к критическим значениям и определить причину и место возникновения неисправности в системе.
Общие проблемы, существующие в области динамики электромеханических систем, связаны с построением модели и разработкой алгоритма управления, соответствующего заданной модели и некоторой цели управления. На практике более широкое развитие получила вторая проблема, которая решалась па основе априорной информации об объекте. Вместе с тем построение адекватной модели является важнейшей и часто наиболее трудной задачей динамики электромеханических систем. При этом под моделью понимается широкий круг сведений, необходимый для построения процедуры управления системой. Важно отметить, что применявшиеся долгие годы методы расчета по каталожным данным отдельных элементов, не всегда дают удовлетворительные результаты из-за значительного разброса или отсутствия технических характеристик. Кроме того, реальная идентификация сложного объекта часто позволяет построить минимальную модель, параметры которой не могут быть определены теоретическим путем. Это в частности относятся к моделям многомассовых упруго-инерционных систем, которые с успехом могут быть заменены эквивалентной двухмассовой системой. Идентификация параметров эквивалентной двухмассовой системы весьма распространена на практике. Являясь в своей основе экспериментальным методом, идентификация, вместе с тем имеет глубокое теоретическое содержание и, кроме того, создает основательный фундамент для последующего теоретического расчета динамических характеристик. Идентификация объекта управления весьма важна при создании приводов станков работающих по самоподнастраивающимся моделям, в системах адаптивного управления, в системах ЧПУ для коррекции динамических характеристик и в целом ряде других случаев.
Современная идентификация динамических систем использует как детерминированные, так и статистические методы. Однако, многие из них слитком сложны, требуют применения специальной аппаратуры и длительной обработки результатов измерений. В связи с этим большой интерес представляют методы прикладной идентификации электромеханических систем при минимальном уровне измерительной информации, пригодные для создания автоматизированных систем контроля, диагностики и идентификации, ориентированных на микропроцессорные системы.
В последние годы наметилась тенденция к созданию комплексных систем, способных решить весь спектр задач по контролю и идентификации различных объектов машиностроения. Однако в области электромеханических систем этот
вопрос мало изучен и требует серьезного подхода, как к разработке теории таких систем, так и к вопросам их автоматизированного проектирования.
Цель работы
Повышение эффективности технической подготовки автоматизированного производства на основе непрерывного контроля фактического состояния электромеханических приводов станков путем использования специализированных систем и алгоритмов диагностики. Задачи исследования
Анализ особенностей функционирования приводов, существующих методов и средств оценки их фактического состояния, выявление новых подходов и принципов построения микропроцессорных систем и алгоритмов диагностики. Возможности создания экспертных систем реального времени для диагностики ЭМС и для проектирования диагностических систем на базе микропроцессорной техники.
Разработка и исследования алгоритмов оценки технического состояния ЭМС на основе интегральных характеристик.
3. Теоретическое и экспериментальное обоснование методов оценки текущего состояния и параметров. Определение состава оборудования для достижения целей диагностики, алгоритмического и программного обеспечения.
Разработка алгоритмов идентификации ориентированных на микропроцессорные системы, обеспечивающих оценку параметров ЭМС па основе частотных характеристик, учитывающих особенности как механических, так и электронных составляющих, с ограничением на число измеряемых переменных.
Разработка микропроцессорных систем диагностики и идентификации для систем реального времени, алгоритмического и программного обеспечения, обеспечивающих оценки состояния ЭМС в условиях промышленного производства и научных исследованиях.
Практическая реализация разработанных принципов построения систем, методов диагностики и идентификации, алгоритмического и программного обеспечения, являющихся уникальным оборудованием с характеристиками на уровне лучших мировых образцов, внедрение их в производство.
Методы исследований
При выполнении работы использовалась теория информации, обеспечивающая комплексную оценку привода. Теории идентификации, электропривода,
автоматического управления использованы для получения количественных оценок параметров и математического описания работы систем непрерывного контроля. Основываясь па теории множеств, сетях и графах, теории подобия, получены оценки состояния привода при ограничениях на процесс получения информации. Моделирование на ЭВМ, многочисленные экспериментальные исследования и результаты внедрения подтвердили основные теоретические положения, представленные в работе.
Научная новизна
Научная новизна заключается:
в методе оценки фактического состояния приводов основанного на использо
вании диагностических устройств контролирующих изменение энергетических,
переходных, амплитудно-частотных и предельных значений характеристик систе
мы управления привода;
методе контроля характеристик электромеханических приводов с ограничен-
% ным объемом информации, получаемым от датчиков, с учетом внутренних со-
'* стояний, базирующемся на алгоритмах многокритериальных оценок;
распределенных системах контроля, обеспечивающих непрерывный сбор и переработку информации, построенных на основе сетевых технологий, для оценки характеристик электромеханических приводов и их стабилизации;
алгоритмах автоматического и автоматизированного определения параметров приводов, основанных на принципах многокритериальных оценок характеризую-
* щих их фактическое состояние.
Основные положения, выносимые на защиту:
Структура привода, содержащая систему оценки фактического состояния, параметров и характеристик.
Алгоритмы оценки фактического состояния электромеханических приводов, основанные на принципах обучения и самообучения.
* 3. Алгоритмы идентификации параметров ЭМС ориентированных на мик-
іщ ропроцессорные структуры, работающие в реальном времени.
Микропроцессорные структуры реализующие системы диагностики, ориентированные на получение и обработку информации в реальном времени. Алгоритмическое обеспечение.
Основы построения интеллектуальных интерфейсов на основе микропроцессоров и мпкроЭВМ и экспертных систем реального времени, использующих анализ ЭМС с позиции нечетких множеств.
6. Гамма технических решений основанных на использовании микропроцес-
* сорных систем встраиваемых в оборудование, используемых для проведения ла
бораторных испытаний и научных исследований.
Практическая ценность
Практическая полезность заключается:
А в повышении скорости оценки фактического состояния привода на базе алго-
ритмов с ограниченным количеством информации, получаемой от датчиков параметров;
создании программного обеспечения, используемого в научных исследованиях
и эксплуатации, обеспечивающего оценку параметров, характеристик- и работо
способности приводов в реальном времени, с использованием моделей, работаю
щих параллельно с основным процессом;
оценке фактического состояния пространственно распределенных систем приводов на основе использования сетевых технологии и специализированных интерфейсов;
методике проектирования диагностических устройств, реализованной на базе компьютерной техники и использующей теорию нечетких множеств;
модульном принципе построения аппаратных и программных средств, основанном на наличии разработанного набора устройств управления приводом и измерении параметров и характеристик, позволяющем использовать предложенные системы для широкого круга прикладных систем.
Реализация работы
Решенный в работе комплекс вопросов положен в основу построения систем непрерывного контроля (в различных отраслях промышленности);
для регулируемых электродвигателей переменного тока (ВНИПТИЭМ, Владимир);
электроприводов и электромеханических систем станков (ВПО "Техника", Владимир);
электрических машин малой мощности и электромеханических преобразователей электромагнитного типа ("Микромашина", Москва);
пневмоаппаратов, входящих в состав привода тормозов (ЛиАЗ, Ликино-Дулево);
инерционных приводов тормозов прицепов (НИИЦИАМТ, Дмитров);
электронных блоков, входящих в комплект аппаратуры управления подвижным составом на железной дороге (Орехово-Зуевское отделение московской железной дороги);
системы управления станком для алмазной резки "Алмаз" (СКТБ ПО "Вектор", Владимир);
системы управления термопластавтоматом (ВПО "Техника", Владимир);
систем контроля изделий специального назначения (ВНИИ "Сигнал", Ковров).
Материалы диссертационной работы использовались в учебном процессе по курсам "Электропривод", "Теоретические основы электротехники", в Московском государственном технологическом университете "Стапкии", и используются по курсам "Компьютерная диагностика", "ЭВМ и вычислительные системы" во Владимирском государственном университете.
Апробация работы
Основные положения докладывались на следующих конференциях.
Международные конференции:
II Internationale Fachtagung Industriclle automatisiening-antomatisierte Antriebe. (Chemnitz, 1991); Состояние и перспективы развития электротсхиологий (VI Бе-нардосовскис чтения) (Иваново, 1992); Электромеханические системы с компьютерным управлением на автотранспортных средствах и в роботизированном производстве (Суздаль, 1993); I международная (XII всероссийская) конференция по
автоматизированному электроприводу, (Санкт-Петербург, 1995); б Международная научная техническая конференция по робототехническим системам (Санкт-Петербург, 1995); Системы управления, конверсия, проблемы (Ковров, 1996); IV Международный конгресс конструкторская технологическая информатика (Москва, 2000), Протек-2000, Международный конгресс (Москва, 2000). Всесоюзные конференции:
Повышение эффективности приборных устройств (Суздаль, 1989); Автоматизиро-
Ф ванное создание машин и технологий. Конструкторско-технологическая информа-
ip тика. КТИ-89 (Москва, 1989); Автоматизация контроля качества в ГПС (Москва,
1989); Микропроцессорные системы локальной автоматики (Гродно, 1989); Про
блемы создания и внедрения гибких производственных и робототехнических ком
плексов на предприятиях машиностроения (Одесса, 1989); Повышение качества и
надежности машиностроительной продукции (Луцк, 1989); Обеспечение точности
механической обработки в автоматизированном производстве (Пенза, 1990); 5-е
<г Всесоюзное совещание по робототехническим системам (Геленджик - Москва,
** 1990); Управляемые электромеханические системы (Киров, 1990); Проблемы интеграции образования и науки (Москва, 1990); Перспективы развития и применения средств вычислительной техники для моделирования и автоматизации исследований (Москва, 1991); Измерение и контроль при автоматизации производственных процессов (Барнаул, 1991); Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств (Нижний Новгород, 1992),
* Научно-технических конференциях во Владимирском государственном унивср-
<- ситетс (Владимир, 1991-2001).
Публикации по работе
По результатам исследований опубликовано 50 работ. Результаты исследований автора в достаточно полном объеме вошли в отчеты по НИР, проводимым в 1981-1983, 1988-1991, 2000 г.г. в Московском государственном технологическом университете "Станкин" и во Владимирском государственном университете (1991-
* 2001 г.г.).
Личный вклад
Все основные теоретические и .экспериментальные исследования, разработка микропроцессорных диагностических комплексов, подготовка публикаций, докладов на конференции и внедрение разработок проводились автором лично или под его научным руководством при непосредственном участии.
Структура и объем работы
Работа состоит из восьми глав, введения, заключения и приложений. Основное содержание работы изложено на 426 с, рисунков, схем и диаграмм -152 , таблиц -61, приложений на 109 с.
