Введение к работе
Актуальность проблемы и степень исследования тематики диссертации. Перемещение в пространстве оптических элементов (ОЭ) является составной частью процессов управления приборных электромеханических комплексов в различных областях техники. Обеспечение высокого качества перемещения 03 наряду с удовлетворением жестких требований в виде ограничения массогабаритных показателей, функционирования при наличии дестабилизирующих факторов и снижения энергопотребления, предъявляемых к их элементам и подсистемам, становится возможным при условии применения систем позиционирования оптических элементов (СПОЭ). Одно из применений СПОЗ связано с организацией процесса оптико-механической развертки в составе приборов астроориенткрозания, тепловидения, поиска и обнаружения. Объектом управления таких СПОЭ является зеркало или призма, диапазоны сканирования которого не превызаот 40, а частоты сканирования - 60 Гц.
Техническая сторона задачи проектирования малогабаритной и стабильной СПОЭ сводится к реализации подхода, позволяющего получить такие качества как компактность ее информационно-силового модуля (ИСМ), его конструктивная гибкость по отношения к 03 и стабильность функционирования. Достижение этих качеств становится возможным при использовании магнитоэлектрического исполнительного элемента (ИЗ) и встраиваемого в него относительно простого чувствительного элемента (ЧЭ). Среди первичных преобразователей выделяется класс гальваномагнитных приборов, однако нестабильность характеристики преобразования, свойственная этим приборам, ставит под сомнение их применение в качестве ЧЭ СПОЭ. Реализация данного подхода к проектированию малогабаритной и вместе о тем малочувствительной к действию дестабилизирующих факторов СПОЭ по существу сеодится к задаче компенсации влияния параметрических возмущений <. їі} на систему и ее элементы.
С позиций теории управления СПОЭ с магнитоэлектрическим КЭ относится к классу систем, описываемых линейной стационарной детерминированной конечномерной моделью:
к - Ах + Bu + Cf; х(0); (і)
f = аА"х,
где А, В, С - постоянные матрицы состояния, управления и возмущения соответственно.
Общее решение задачи (1) на основе принципа чувствительности
в рамках модального управления известно, однако воэможнооть его получения конкретном случае зависит от степени измеряемости, наблюдаемости и управляемости, реализация которых требует определенных аппаратурных затрат. Кроме того, в ряде случаев возникает необходимость применения конструктивных решений, приводящих к появлению такой особенности у ИЗ как слабодемпфированность его подвижной части. Слабодемпфированность подвижной части ИЭ и требование минимизации аппаратурных затрат налагают дополнительные ограничения,' которые усложняют поиск решения (1) и делают его труднодоступным для широкого круга специалистов. Вместе о тем большинство СПОЭ являются скалярными системами, инженерные методы синтеза которых отличаются доступностью.
Известно применение принципа адаптации для обеспечения стабильности измерительных приборов, чувствительным элементом которых является линейный гальваномагнитный прибор - датчик Холла. Однако нелинейнооть отдельных 43 из класса гальваномагнитных приборов и отсутствие подхода к проектированию систем адаптации для таких ЧЭ ограничивают технические возможности в части построения компактного ИСМ систем позиционирования.
Таким образом, теоретическая сторона задачи построения малогабаритной и инвариантной к параметрическим возмущениям СПОЭ мо-ожет быть сведена к поиску решения (1) на основе широкодоступных инженерных методов и разработке подхода к проектированию системы адаптации нелинейного гальваномагнитного ЧЭ, ' техническая реализация которых требует минимальной аппаратурной сложности.
Предмет и объект исследования. В диссертации исследуется линейная кваэистацконарная непрерывная одномерная система управления со слабодемпфированньш ИЭ и нелинейным нестабильным ЧЭ.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы: аппарат передаточных функций; методы дифференциального и операционного исчислений, теории чувствительности и инвариантности; частотный и алгебраический методы синтеза. Достоверность теоретических положений и выводов подтверждена экспериментальными исследованиями на действующих макетах.
Цель и основные задачи научного исследования. Делыо работы является разработка принципа построения и развитие методов инженерного синтеза малогабаритной и инвариантной к параметрическим возмущениям системы позиционирования оптических элементов с магнитоэлектрическим исполнительным элементом со слабодемпфирован-ной подвижной частью и встроенным гальваномагнитным чувствитель-
- б -
ным элементом, ориентированных на минимальную сложность аппаратурной реализации.
Для достижения указанной цели в работе решены следующие основные задачи:
анализ влияния параметрических возмущений на показатели качества систем управления с избыточностью;
синтез малочувствительной к параметрическим возмущениям линейной непрерывной скалярной системы с магнитоэлектрическим ИЭ со слабодемпфированной подвижной частью на основе широкодоступных инженерных методов;
исследование гальваномагнитного чувствительного элемента и разработка его модели как объекта управления адаптивной системы;
- разработка системы адаптации нелинейного гальваномагнит-ного ЧЭ и ее синтез с привлечением линейных методов.
Научная ноеизнз результатов работы состоит в следующем: - показана целесообразность построения малогабаритная и стабильных СПОЭ на основе совместного применения б рамках одной системы принципов: чувствительности - для основной системы; адаптации - для стабилизации ее чувствительных элементов;
получены аналитические зависимости, с помощью которых можно оценить влияние параметрических возмущений на показатели качества систем автоматического управления с избыточностью;
разработана методика інженерного синтеза малочувствительных к параметрическим возмущения).! СПОЭ с ИЭ в Епде моментного двигателя и магнитоэлектрического устройства со слабодемпфированной подвижной частью, а также выявлено условие применимости этой методики при упругости связи ИЭ с ОЭ;
предложена двухвходовая модель гальвансмагнитного ЧЭ как объекта управления адаптивной системы на основе параметрической передачи по каналу управления;
найдены условия адаптируемости гальваномагнитных ЧЭ, определяющие возможность организации контура адаптации;
разработаны топология и методика инженерного синтеза ро-баотной системы адаптации гальваномагнитного ЧЭ, ориентированная на применение линейных методов синтеза систем управления.
Теоретическая ценность работы. Решена задача инженерного синтеза линейной малочувствительной системы со слабодемфпрован-ным ИЭ, получены выражения для оценки влияния парзметнческпх возмущений на показатели качествз системы и определения адаптируемости гальваномагнптных ЧЭ.
Практическая ценность. Подученные в работе результаты позволяют: снизить массогабаритные и стоимостные показатели такого элемента приборных электромеханических комплексов как магнитоэлектрический ИСМ с ограниченным углом поворота ротора; сократить временные затраты на проектирование систем позиционирования; создать на основе нестабильных гальваномагнитных приборов дешевые датчики положения и бесконтактные встраиваемые датчики тока.
Конкретный личный вклад диссертанта в разработку научных результатов , которые выносятся на защиту.
1. Положение о целесообразности совместного применения в рамках одной системы принципов чувствительности и адаптации для построения малогабаритных и стабильных СГОЭ.
2. Аналитические зависимости, позволяющие оценить влияние параметрических возмущений на показатели качества систем автоматического управления с избыточностью.
-
Методика инженерного синтеза малочувствительных систем позиционирования о. исполнительным элементом в виде моментного двигателя и магнитоэлектрического устройства со слабодемпфиро-ванной подвижной частью, а также условие применимости этой мето-. дкки при упругости связи ИЭ с объектом управления.
-
Модель гальваномагнитного ЧЭ как объекта управления адаптивной системы и условия.его адаптируемости.
-
Топология и методика инженерного синтеза робаотной системы адаптации нелинейного гальваномагнитного ЧЭ.
Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследовании внедрены в разработках ЦКБ Азовского оптико-механического завода в виде малогабаритного магнитоэлектрического устройства сканирования ИК-излучением для медицинского тепловизора. Созданный экспериментальный образец передан заказчику для подготовки к промышленному производству.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на I Украинской конференции по автоматическому управлению "Автоматика - 94" ( г. Киев, 1994 г.); на II научно-технической конференции КВИУС (г. Киев, 1995 г.); на I международной научно-технической конференции "Нетрадиционные электромеханические и электротехнические системы" -UEES 95, (г. Севастополь, 1995 г.); на научных семинарах Института электродинамики НАН Украины (г. Киев, 1992-1997 гг.). .
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных ра- ' бот, иэ которых статей - 7, тезисов докладов - 2.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложения и содержит 134 страниц основного текста, 30 рисунков, 9 иллюстраций, 3 таблицы и 120 наименований литературных источников.
