Введение к работе
Актуальность. В настоящее время одной из актуальных проблем в различных отраслях промышленности является диагностика технического состояния объектов, которая позволяет прогнозировать ресурсы работы оборудования, предотвратить аварийные ситуации, и, соответственно, повысить надежность технологического оборудования. Среди различных видов диагностики особое место занимает вибродиагностика, и особенно актуальна вибродиагностика крупногабаритных объектов с низкочастотным спектром колебаний, например, гидрогенераторов ГЭС, строительных конструкций. Так, катастрофа на Саяно-Шушенской ГЭС повлекла за собой многочисленные жертвы и тотальное повреждение генерирующего оборудования и сооружений. Повышение надежности объектов с низкочастотным спектром вибраций является на сегодняшний день важной задачей. Одним из методов повышения надежности является использование информационно-измерительных систем (ИИС) для вибродиагностики технического состояния объектов.
Основным параметром виброконтроля объектов с низкочастотным
спектром вибраций является виброперемещение. Существующие ИИС для
вибродиагностики, основанные на применении пьезоэлектрических
измерительных преобразователей, не обеспечивают достаточной точности
измерения виброперемещения объектов. Получаемый с
пьезопреобразователей сигнал, пропорционален виброускорению, поэтому приходится использовать двойное интегрирование, что на низких частотах вносит существенную погрешность. Основными элементами ИИС, ограничивающими рабочий частотный диапазон в области низких частот, являются первичные измерительные преобразователи. Поэтому для дальнейшего совершенствования ИИС для вибродиагностики технического состояния объектов в низкочастотном спектре вибраций, необходимо усовершенствовать первичные измерительные преобразователи.
Перспективными для измерения виброперемещений являются инерционные измерительные преобразователи с электромагнитным подвесом, поскольку осуществляют прямое измерение виброперемещения, имеют широкий частотный диапазон измерения и возможность управления параметрами преобразователя с целью улучшения технических характеристик системы.
Вопросами теоретического расчета инерционных преобразователей с электромагнитным подвесом для сейсмических измерений занимались Гик Л.Д., Шведчиков Л. К. и другие. Качоровским А. Б. было разработано устройство для измерения вибраций, использующее инерционный преобразователь с электромагнитным подвесом. Однако, им не было проведено теоретическое исследование процессов происходящих в преобразователе, что не позволяло разрабатывать преобразователь с заданными техническими характеристиками.
Целью работы является разработка математической модели низкочастотного инерционного измерительного преобразователя с электромагнитным подвесом, позволяющей учитывать сухое трение и влияние параметров обратной связи на частотный диапазон и точность измерения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Провести сравнительный анализ известных методов и средств вибродиагностики на низких частотах для обоснованного выбора принципа действия преобразователя с наилучшими потенциальными возможностями.
На основе проведенного анализа рассмотреть возможности усовершенствования первичного измерительного преобразователя с автоматической коррекцией его параметров для расширения частотного диапазона в низкочастотной области и повышения точности.
Построить математические модели измерительного преобразователя с электромагнитным подвесом, представляющим собой параметрическую систему автоматического регулирования.
Разработать методику проведения экспериментальных исследований для подтверждения адекватности математической модели.
На основе разработанной модели измерительного преобразователя разработать методику расчета основных параметров измерительного преобразователя по заданным техническим условиям.
Методы исследований. При выполнении исследований и решении поставленных в работе задач использовались методы теории автоматического управления, имитационного моделирования, операционного исчисления, теоретических основ электротехники, аппарата z-преобразования, метрологии.
Достоверность полученных результатов подтверждена
результатами экспериментальных исследований и сравнением численных решений задач с их точными решениями.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
Построена операторная математическая модель инерционного измерительного преобразователя с электромагнитным подвесом, учитывающая влияние сухого трения в подвесе и позволяющая проводить оценку устойчивости системы.
На основе разработанной модели исследовано влияние нестабильности параметров цепи обратной связи на основные характеристики системы: нижнюю границу частотного диапазона и погрешность измерения.
Получена цифровая модель инерционного измерительного преобразователя, которая учитывает нелинейность системы, возникающую из-за сухого трения, и позволяет оценить погрешность линеаризации в
частотной области, а также проектировать цифровые регуляторы измерительных преобразователей.
Практическая значимость результатов.
Разработанная модель позволила создать методику расчета параметров пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, обеспечивающих необходимые динамические характеристики электромагнитного подвеса.
Полученные частотные модели измерительного преобразователя обеспечивают минимальную неравномерность амплитудно-частотной характеристики в низкочастотной области.
Разработана методика синтеза цифрового регулятора, позволяющего расширить диапазон измерения в низкочастотную область за счет исключения погрешностей аналоговых динамических элементов.
Создан макет низкочастотного измерительного преобразователя с электромагнитным подвесом, с помощью которого проверена адекватность математической модели.
Основные положения, выносимые на защиту:
Математическая модель инерционного измерительного преобразователя с электромагнитным подвесом, учитывающая влияние основных факторов реального устройства, позволяет выбирать его параметры для получения требуемых динамических характеристик.
Полученные модели частотных характеристик позволяют обеспечивать минимальную неравномерность характеристики измерительного преобразователя при настройке, что позволяет расширить частотный диапазон измерений.
Цифровая модель измерительного преобразователя позволяет расширить диапазон измерения в низкочастотной области и выполнять цифровую обработку информации.
Соответствие паспорту специальности. Указанная область исследования соответствует специальности 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)» по пункту 6: «Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях ВолгГТУ; на V Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» г. Камышин (2008 г.), на XIII региональной конференции молодых исследователей
Волгоградской области, г. Волгоград (2008 г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов» (г. Волжский, 2008г.).
Личный вклад автора заключается в проведении следующих этапов:
Создание математических моделей измерительного преобразователя с электромагнитным подвесом для информационно-измерительной системы.
Расчет амплитудно-частотных характеристик по моделям измерительного преобразователя при различных параметрах цепи обратной связи.
Цифровое моделирование измерительного преобразователя с учетом сухого трения в подвесе, определение погрешности.
Создание макета измерительного преобразователя с электромагнитным подвесом.
Разработка методики эксперимента и проведение исследований амплитудно-частотных характеристик измерительного преобразователя.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ в научных журналах, научных сборниках, тезисы докладов, из них 3 по списку ВАК, получен патент РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 99 страницах, содержит 44 рисунка и 4 таблицы.
