Введение к работе
Актуальность. За последние десять-пятнадцать лет заметно вырос интерес пециапистов к проблемам динамических измерений, так как динамические юдели более полно отражают явления окружающего мира и позволяют писывать развитие физических процессов. Чаще всего в качестве носителя нформации используют электрический сигнал, поэтому при проведении инамических измерений, осуществляемых для изучения того или иного эизического процесса, особую актуальность приобретают вопросы разработки декватных методов измерения параметров и свойств соответствующих лектрических сигналов.
Однако в подавляющем большинстве случаев в литературе ассматриваются стационарные электрические сигналы, характеристики которых, частности, моменты низших порядков и автокорреляционные функции, не ависят от момента времени, для которого они вычисляются. Для реальных жзических процессов имеющих нестационарный характер, гипотеза о гационарности принципиально приводит к неточности результата, а при сследовании быстропротекающих процессов, интерес к которым в последнее ремя особенно возрос - к существенным ошибкам. Среди областей, в которых эзникают задачи, требующие измерения параметром нестационарных сигналов, зжное место занимает виброакустическая диагностика. В частности, как звестно, неустановившиеся режимы работы оборудования, например режимы ззгона и выбега роторных машин, несут значительно больше информации о его эстоянии, чем установившиеся, но для исследования этих режимов необходимы $хрективные методы измерения параметров и анализа нестационарных пектрических сигналов, описывающих вибрационное состояние оборудования.
В связи с этим в последние полтора десятилетия многие исследователи стивно занимались вопросами разработки методов анализа нестационарных ігналов, однако на сегодняшний день метрологические аспекты анализа зстационарных сигналов проработаны недостаточно, что существенно ітрудняет решение конкретных физических задач.
Наиболее распространенные и широко применяемые в настоящее время
методы измерения параметров и анализа нестационарных сигналов, такие, как метод Фурье-спектрограмм и синхронный анализ, обладают рядом недостатков, которые существенно ограничивают возможность их использования. Наиболее перспективным средством исследования свойств нестационарных сигналов можно назвать частотно-временные представления, в частности, распределение Вигнера, однако их применение сдерживается отсутствием методической проработки этого вопроса и некоторыми негативными свойствами самих частотно-временные представлений.
Цель настоящей работы составляло исследование и разработка эффективных методов измерения параметров нестационарных электрических сигналов, характеризующих технологические шумы оборудования, и разработка измерительно-вычислительного комплекса, реализующего эти методы.
Для достижения данной цели сформулированы следующие задачи:
- классификация типов нестационарных электрических сигналов и
соответствующих методов их исследования; выбор модели нестационарногс
сигнала, характеризующего технологические шумы оборудования и постановка
задачи оценивания его частотно-временных параметров;
- разработка приложения теории частотно-временных преобразований, е
частности, сглаженного распределения Вигнера, как наиболее универсального
метода исследования нестационарных сигналов, для решения задачи измерения
параметров нестационарных электрических сигналов;
исследование метрологических характеристик метода измерения параметров нестационарных электрических сигналов, использующего сглаженное распределение Вигнера;
- разработка методики выбора параметров сглаженного распределения
Вигнера, обеспечивающих максимальное частотное разрешение при
фиксированном уровне интерференционных составляющих и погрешности оценки
параметров сигнала;
исследование метрологических характеристик традиционных методов измерения параметров нестационарных электрических сигналов, таких как Фурье-спектрограмма и синхронный анализ;
исследование и разработка алгоритма цифрового синхронного анализа
іестационарньїх электрических сигналов, свободного от недостатков и іграничений, присущих аналоговой реализации этого метода, и оценка его метрологических характеристик;
- разработка методики выбора параметров алгоритма цифрового
:инхронного анализа, обеспечивающего на основе учета свойств исследуемого
:игнала более высокую точность оценки параметров сигнала;
разработка алгоритмического и аппаратурного обеспечения ізмерительно-вьічислительного комплекса для анализа нестационарных ілектрических сигналов, обеспечивающего решение задач виброакустической іиагностики.
Методы исследования. Теоретический анализ поставленных задач іроведен с использованием элементов теории вероятностей и математической татистики, теории нестационарных сигналов, теории обобщенного іреобразования Фурье, аппарата частотно-временных представлений, методов еории цифровой обработки сигналов. Полученные выводы проверялись кспериментально.
Научная новизна работы заключается в следующем.
- Впервые рассмотрены теоретические аспекты применения сглаженного іаспределения Вигнера для измерения параметров многокомпонентных іестационарньїх электрических сигналов, характеризующих вибрационное остояние оборудования, и получены выражения, описывающие погрешности юлучаемых оценок.
Предложена новая методика выбора параметров сглаженного аспределения Вигнера, позволяющая с учетом свойств анализируемого сигнала і постановки измерительной задачи достичь существенно более высокого астотного разрешения, по сравнению с традиционными методами частотно-ременного анализа сигналов, в частности, методом Фурье-спектрограмм.
- Разработан новый алгоритм цифровой обработки нестационарных
лектрических сигналов, обеспечивающий приведение сигнала к локально-
тационарному виду путем использования наряду с дискретной
оследовательностью исследуемого сигнала дополнительной дискретной
юследовательности отсчетов опорного сигнала. Исследованы погрешности
получаемых с использованием разработанного алгоритма оценок параметре^ электрического сигнала.
- Впервые предложена методика выбора параметров цифровогс
синхронного анализа, обеспечивающая более высокую точность оцен»
параметров сигнала, чем при использовании традиционных методов синхронногс
анализа.
Положения, выносимые на зашиту: - Методика выбора параметров сглаженного распределения Вигнера позволяющая при заданном уровне интерференционных составляющих получить оценки амплитуды компонент нестационарного электрического сигнала < фиксированной погрешностью и максимальным частотным разрешением;
Выражение для погрешности оценки амплитуды компоненть нестационарного электрического сигнала по его сглаженному распределеник Вигнера;
Алгоритм цифрового синхронного анализа нестационарных электрически) сигналов, использующий кусочно-линейную аппроксимацию закона изменена частоты опорного сигнала и кусочно-линейную интерполяцию исследуемог< сигнала;
Методика выбора параметров алгоритма цифрового синхронного анализа обеспечивающая, на основе учета свойств исследуемого сигнала более высокук точность оценки параметров сигнала;
- Выражение для погрешности оценки значения амплитуды компоненть
нестационарного электрического сигнала, полученной с использованием метод,
цифрового синхронного анализа сигналов.
Практическая значимость заключается в разработке измерительно вычислительной системы, предназначенной для измерения параметрої нестационарных электрических сигналов. Ее использование, в частности, длі решения задач технической диагностики позволяет исследовать работ оборудования в переходных режимах. В результате применения этой системы н; машиностроительном заводе "Молния" получены данные, позволившие выявит] недоработку в конструкции барабана серийного сепаратора ОСР-0.8.
Достоверность результатов, изложенных в диссертации. Приведенные і
диссертационной работе научные данные обоснованы сопоставлением с результатами численного моделирования, а также с данными, полученными в результате эксперименте с реальными объектами, в частности с сепараторами ОСР-0.8, ОСРБ-0.3.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях:
- российская с международным участием научно-техническая конференция
"Неразрушающий контроль в науке и индустрии 94" (Москва, 1994);
- научно-технический семинар "Динамика процессов в ЯЭУ" (Обнинск,
1994);
- 40-ой международный научный коллоквиум (Ильменау, ФРГ, 1995).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликовны в
5 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, ^тырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Эбъем дисертации составляет /^страниц машинописного текста, 2 7 рисунков, габпиц.ЛУ наименования использованных источников и ^страниц приложения.
