Методы и средства инвариативных измерений составляющих многокомпонентных физических величин Нестеров, Владимир Николаевич

Введение к работе

Актуальность. Исследование и диагностирование состояний и процессов, приводящих к сложным перемещениям и деформациям механических объектов, актуальны для многих областей техники и прикладных научньк исследований. К ним относятся машиностроение, в том числе авиадвигателестроение, где при испытаниях и доводке объектов новой техники малая жесткость корпусных и других элементов вследствие действия газодинамических сил и неравномерности температурных полей приводит к сложным перемещениям и деформациям, влияющим на показатели надежности и экономичности. Сюда же можно отнести испытания различных видов турбоагрегатов, газогенераторов, газотурбинных установок, предназначенных для работы, например, на газоперекачивающих станциях, и т. п. В ядерной энергетике, химической и нефтяной промышленности перемещения и деформации различных технологических установок, трубопроводов, теплообменников, корпусов, например, ядерных реакторов являются показателями нормальной работы или аварийного режима. Необходимо вспомнить робототехнику, где перемещения манипуляторов имеют гложный многокомпонентный характер.

В большинстве упомянутых случаев общая картина перемещений и деформаций объектов имеет сложный многокомпонентный характер. Это определяется сложностью самих объектов, которые можно рассматривать как механические системы, и сложностью протекающих в аих технологических процессов. Понимание величин перемещений и цеформаций таких объектов как некоторых функций от множества входящих в них информативных составляющих, характеризующих различные стороны и источники исследуемых процессов, привело к необходимости объединения большого комплекса задач, связанных с измерением указанных составляющих, в единую проблему, решаемую с общих позиций системного синтеза Решение этой проблемы сложно и (Шогообразно в информационном отношении, т. к. выбор информативных составляющих, наиболее полно и исчерпывающе характеризующих наследуемый процесс или объект неоднозначен, и в системном отношении, т. к. особенности измерения выбранных информативных составляющих измеряемых величин предъявляют свои требования к мето-іам структурного синтеза ИИС. Ключевым при решении первой :тороны обозначенной проблемы является вопрос формирования информационной модели объекта, которая необходима еще и потому,

что любая, реальная информационно-измерительная система наклады-, вает ограничения на колическтво датчиков, быстродействие и объем памяти. Переход от непрерывной модели исследуемого объекта к дискретной приводит к задаче определения необходимого количества датчиков и их положения в пространстве.

Вид информационной модели объекта во многом определяет метод измерения, отвечающий в наибольшей степени предъявляемым требованиям. Традиционное решение измерительной задачи, основанное на использовании собственного измерительного устройства для каждого информативного параметра и оптимальное при измерениях независимых друг от друга величин, при измерении составляющих многокомпонентных физических величин, характеризующих процессы в механических системах, теряет свою эффективность. Это объясняется неселективностью отдельных измерительных преобразователей к поступающим на их входы информативным отставляющим, а также различиями метрологических характеристик средств измерения, основанных на различных физических принципах, что увеличивает, при их использовании, суммарную погрешность результатов эксперимента

Среди работ, посвященным вопросам измерения многокомпонентных физических величин, известны работы М.ПЦапенко, В. Г. Пустын-никова, Б. В. Шелемина и др., где решаются задачи измерения составляющих многокомпонентных жидких, газовых и твердых смесей. Следует упомянуть работы Б. Я. Лихтциндера, К Л. Куликовского, А. И. мартяшина, посвященные основам инвариантного преобразования параметров элементов в сложных электрических цепях без их физического расчленения, а также работы Е. М. Карпова, в которых поднимались вопросы измерения составляющих электромагнитных величин.

В отличие от упомянутых и других известных исследований развиваемый в работе подход базируется на предложенной концепции векторных многокомпонентных физических величин, характеризующих состояния и процессы в многомерных механических системах. Она основана на следующих положениях:

1. Векторные многокомпонентные физические величины рассматриваются как функции от множества составляющих их информативных компонентов;

2.Функции связи названных информативных компонентов в моделях многокомпонентных физических величин определяются законами сложения векторов;

3.Сами информативные модели векторных многокомпонентных фи-

зических величин допускают многовариантность представления указанных информативных составляющих в зависимости от особенностей объекта исследований и поставленной задачи.

Использование этой концепции позволяет на основе информационных моделей, разработанных для исследуемых объектов, формально расчленить сложный комплекс информативных составляющих перемещений, поступающих на входы соответствующим образом ориентированных первичных измерительных преобразователей, на соответствующие информативные составляющие, что и создает предпосылки для их измерения. Многовариантность представления в информационных моделях многокомпонентных физических величин различных интересующих экспериментатора информативных составляющих, а также неселектив-носгь к ним первичных измерительных преобразователей, воспринимающих их в виде функции векторных компонентов, предъявляют свои требования к методологии системного синтеза. Кроме того, во многих случаях объекты измерения в силу специфики протекающих в них процессов являются для измерительных устройств источниками сильных возмущающих воздействий. К ним относятся переменные температуры и давления, различные виды излучения, например, жесткого в условиях работы ядерных энергетических установок или в открытом космосе, и т.д. Поэтому задача разработки методов и средств инвариантных измерений составляющих многокомпонентных физических величин является актуальной.

Решение перечисленных задач требует рассматривать не только ИИС в целом, но и отдельные входящие в них измерительные преобразователи с единых позиций системного синтеза.

Системный подход к проектированию ИИС отражен в ряде структурных и алгоритмических методов, базирующихся на информационной избыточности, где множество взаимосвязанных элементов и измерительных каналов представляют собой целостное образование (систему) либо повышающее качество измерительной информации, либо позволяющее измерить физические величины неизмеримые другими методами. Огромный вклад в разработку и становление названных методов внесли Т. U. Алиев, Э. М.Бромберг, Д. А. Браславский, Л. И. Волгин, М. А.3емельман, К. Л. Куликовский, Б. Я. Лихтциндер, А. И. Мартяшин, П. П. Орнатский, Е А. Скрипник, КХМ.Туз, М.П.Цапенко, Э. И. Цветков, А. М. Якубович и многие другие, работы которых послужили хорошим фундаментом для настоящей работы, анализа и синтеза алгоритмических методов повышения информативности измерений.

Чрезвычайно продуктивной для синтеза инвариантных ИИС и преобразователей, используемых в составе ИИС, явилась теория инвариантности, первоначально развитая в теории автоматического управления такими известными учеными, как М.Н. Лузин, В. С. Кулебакин, Б. Е Петров, А. Ю. Ишлинский, А. И. Кухтенко, Г. В. Щи-панов, А. Г. Ивахненко, Б. Е Менский и др. В настоящей работе элементы теории инвариантности нашли приложение и развиты в решении проблемы обеспечения взаимной инвариантности выходных информативных сигналов многоканальных ИИС, несущих информацию о составляющих векторных многокомпонентных физических величин при принципиальной неселективности к названным составляющим используемых датчиков. Системный подход к проектированию измерительных преобразователей, предназначенных для работы в составе ИИС и различных измерительных приборов, отражен в классе инвариантных параметрических измерительных преобразователей, пригодных к работе в условиях значительных внешних возмущений неизвестной физической природы. Здесь широко использован принцип "симметрии", заключающийся в обеспечении симметричного воздействия влияющих факторов на измерительные каналы и отдельные, входящие в них элементы, на основе конструктивных (на уровне структуры) и технологических мероприятий, представляющих в последнем случае некоторое "ноу-хау", связанное со знанием: какие комплектующие элементы в конкретной схеме использовать, как их расположить в пространстве и т. п. Формированию и становлению идей автора в области измерительных преобразователей способствовали работы Л. И. Волгина, Э. И. Гитиса, В. С. Гутникова, В.Г. Домрачева, Л.Ф.Куликовского, КБ. Ка-рандеева, В. Ю. Кнеллера, В. Г. Кнорринга, Е. М. Карпова, Е Е. Конюхова, В. Ю. Кончаловского, С. В. Куликова, В. Е Малиновского, Г. Я. Мирского, А. М. Мелик-Шахнозарова, Е В. Новицкого, Е. ЕОсадчего, Б. С. Попова, Ь Б. Смолова, Р.Р.Харченко, В. М. Шляндина, Э. К Шахова и др.

Одной из -тенденций развития информационно-измерительной техники в последнее время является ее интеллектуализация, предполагающая выполнение достаточно сложных измерительных процедур специальными аппаратными и программными средствами. Объединение в составе ИИС измерительных, вычислительных и информационных процедур порождает новые проблемы, но и создает новые возможности. В частности это касается методов и форм представления измерительной информации. При измерении множества параметров .сложных

многомерных объектов, к которым относятся и механические системы, использование большого числа одноканальних стрелочных или цифровых средств отображения информации не позволяет оперативно сформировать образ исследуемого объекта в целом, что создает субъективные неудобства для экспериментатора. Поэтому определенное место в работе уделено вопросам образного представления измерительной информации.

Целью диссертационной работы является обоснование и разработка методов и средств инвариантных измерений составляющих многокомпонентных физических величин, характеризующих состояния и процессы в многомерных механических системах и объектах с высоким уровнем возмущающих воздействий.

Реализация поставленной цели требует решения следующих задач.

1. Сформировать обобщенную информационную модель векторных многокомпонентных физических величин, характеризующих перемещения в сложных механических системах и объектах, сформулировать проблему их измерения.

2. Обосновать и разработать базовую (универсальную) информационную модель объекта измерения.

3. Используя модель векторной многокомпонентной физической величины обосновать и разработать теоретические основы инвариантных измерений составляющих векторных многокомпонентных физических величин.

4. Решить вопросы физической реализуемости названных измерений на основе структурно-алгоритмического синтеза оптимальных в информационном отношении систем.

5. Разработать единый подход к оценке методических погрешностей, критерии оптимизации ИИС на ее основе и выполнить сравнительный метрологический анализ разработанных моделей.

6. Исходя из потребностей системного синтеза обосновать использование и разработать класс инвариантных измерительных преобразователей, предназначенных для работы в условиях высокого уровня возмущающих воздействий неизвестной физической природы. На основе разработанной единой методики выполнить их метрологическую оценку и сформулировать условия абсолютной инвариантности и инвариантности до .

7. Обосновать и выбрать форму оперативного представления измерительной информации о. состояниях сложных многомерных объек-

тов, разработать структуру соответствующей информационно-измерительной системы.

Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, теория инвариантности применительно к задачам повышения информативности и точности измерительных систем, аналитическая геометрия на плоскости и в пространстве, элементарная и векторная алгебра, теория матриц, дифференциальное исчисление функций многих переменных, теория упругости, элементы тензорного анализа, теория погрешностей, имитационное моделирование с использованием ПЭВМ типа PC/AT и языка программирования Турбо Паскаль 7.0. Многие положения работы базируются на экспериментальном материале, полученном автором на испытательных стендах КНП0"Труд".

Научная новизна.

Обоснована и сформулирована концепция векторной многокомпонентной физической величины для описания сложных перемещений и деформаций в многомерных механических системах. На ее основе разработана базовая информационная модель многомерной механической системы, позволяющая описать информативные составляющие перемещений и деформаций объектов в разных областях техники и прикладных научных исследованиях.

Разработаны теоретические основы инвариантных измерений информативных составляющих векторных многокомпонентных физических величин, имеющих одинаковую физическую размерность, перекрывающийся или совпадающий спектральный диапазон и поступающих на входы датчиков в виде суммы векторных компонентов.

Разработаны методы структурно-алгоритмического синтеза ИИС составляющих одно и многомерных векторных многокомпонентных физических величин, отвечающие требованиям физической реализуемости, оптимальности и инвариантности относительно возмущающих воздействий.

Предложена единая методика оценки погрешностей ЛИС разработанного класса, базирующаяся на составлении и анализе систем уравнений, характеризующих погрешности множества измерительных каналов. На ее основе найдены общие, в пределах каждого метода, условия инвариантности систем относительно возмущающих воздействий и взаимной инвариантности выходных информативных сигналов при неселективности используемых датчиков.

Для нижней ступени иерархии ИИС разработан метод структурно -алгоритмического синтеза двухканальных параметрических измери-

тельных преобразователей, отличающихся линейностью функций преобразования и инвариантностью относительно непредсказуемых возмущающих воздействий. Аналитически сформулированы условия их абсолютной инвариантности, обеспечиваемые структурно, и инвариантности до , представляющие собой технологическое "ноу-хау". Обоснована необходимость формирования наблюдательных образов в качестве одной из форм оперативного представления измерительной информации о многомерных механических объектах. Разработана обобщенная структура соответствующей ИИС.

Новизна разработанных способов измерения физических величин, способов построения инвариантных измерительных цепей, структурных схем, измерительных преобразователей и первичных измерительных преобразователей подтверждена 35 авторскими свидетельствами на изобретения, 11 патентами РФ и решениями о выдаче патентов' РФ. Один из способов построения инвариантной измерительной цепи и инвариантный измерительный мост носят фамилию автора.

Практическая ценность. Разработанная концепция векторных многокомпонентных физических величин и методы структурно-алгоритмического синтеза легли в основу класса оригинальных измерительных устройств и систем для определения информативных составляющих перемещений и деформаций как одномерных, так и многомерных объектов, пригодных для использования в разных областях техники и прикладных научных исследованиях. Получены измерительно-вычислительные алгоритмы, позволяющие сделать выбор оптимального для каждой конкретной ситуации технического решения.

Показаны и на примерах конкретных технических решений реализованы возможности получения дополнительной информации об исследуемом объекте или процессе за счет дополнительной алгоритмической обработки уже имеющейся в системе информации без наращивания аппаратной избыточности прототипов.

Разработан класс оригинальных инвариантных параметрических измерительных преобразователей в составе неравновесных измерительных мостов и делителей напряжения, отличающихся простотой, технологичностью и широким спектром применений в составе ИИС, а также в отдельных измерительных приборах. На их основе синтезированы устройства для измерения перемещений, деформаций, крутящих моментов, также являющиеся оригинальными и обладающими преимуществами при работе в. условиях значительных возмущающих

воздействий.

Возможности практического использования преобразователей данного класса не ограничиваются рамками настоящей работы. Они могут найти применение при исследованиях космического пространства, глубин океанов, в системах безопасности ядерных энергетических установок, химических и других вредных для человека производств, машиностроении, т. е. там, где необходима высокая точность измерения при наличии возмущающих воздействий, возможно, неизвестной физической природы.

- Разработана обобщенная структура ИИС с представлением измерительной информации в виде наблюдательных образов объектов исследований, которая конкретизирована на примере реальной системы. В приложениях представлены алгоритм ее функционирования и программа, которые могут быть использованы для моделирования и формирования целостной картины-образа соответствующих механических объектов.

На защиту выносятся:

8. Разработанные информационные модели векторной многокомпонентной физической величины для описания сложных перемещений и деформаций в механических системах.

9. Разработанная на основе моделей векторной многокомпонентной физической величины базовая информационная модель перемещений многомерной механической системы.

10. Теория инвариантных измерений информативных составляющих векторных многокомпонентных физических величин, имеющих одинаковую физическую размерность, перекрывающийся или совпадающий спектральный диапазон и воспринимаемых в виде суммы векторных компонентов.

11. Методы структурно-алгоритмического синтеза ИИС составляющих одно и многомерных векторных многокомпонентных физических величин.

12. Измерительно-вычислительные алгоритмы и структуры, реализующие вышеназванные методы.

13. Единая методика оценки погрешностей ИИС данного класса, критерии структурной оптимизации ИИС на ее основе, реализация в виде конкретных аналитических выражений и полученных из них условий инвариантности разработанных моделей ИИС относительно различных влияющих факторов.

14. Метод структурно-алгоритмического синтеза инвариантных

параметрических измерительных преобразователей с линейными функциями преобразования. Класс инвариантных параметрических измерительных преобразователей в составе неравновесных измерительных мостов и делителей напряжения. Условия их абсолютной инвариантности относительно внешних возмущений, обеспечиваемые структурно, и инвариантности до , представляющие собой технологическое "ноу-хау".

8. Обобщенная структура ИИС с отображением измерительной информации в виде наблюдательных образов объекта исследований и пример ее аппаратно-программной реализации.

9. Оригинальные способы измерения, способы построения инвариантных измерительных цепей, основанные на принципе многока-нальности, способы градуировки, устройства измерения и информационно-измерительные системы с широким спектром практических применений.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в АО СНТК им. Н. Д. Кузнецова (КНПО "Труд"), применены в робототехни-ческом комплексе лазерной резки 69.00.081.00.00.000 в НТЦ АО "АВТОВАЗ" при участии АО "ТЕЛЕВАКС" , использованы в курсовом и дипломном проектировании в рамках специальностей "Робототехни-ческие системы", "Информационные технологии" Самарского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на отраслевых научно-технических конференциях ЦИАМ, г. Москва, 1984г. и 1987г.; на IX и XI научно-технических конференциях КНП0"Труд",г. Куйбышев,1983г. и 1987г.; на научно-технических семинарах кафедры "Робототехничес-кие системы" СамГТУ,г. Самара,1987-1994г.; на региональном постоянно действующем семинаре "Методы использования искусственного интеллекта в автоматизированных системах",г. Самара,1991г.; на Всероссийском постоянно действующем семинаре ЦРДЗ "Вибрационная техника",г. Москва, 1992г.; на Всероссийском симпозиуме Ассоциации искусственного интеллекта "Методы и средства искусственного интеллекта в технических системах",г. Самара,1992г.; на научно-технической конференции "Автоматика и информационные технологии", посвященной 35-летию ФАИТ и 90-летию со дня рождения Л.Ф. Кули-ковскрго.г. Самара, 1995г.; на научно-технической конференции СГАУ "Перспективные технологии в научных исследованиях, проектировании и обучении", посвященной 20-летию факультета информатики, г.

Самара,1995г.; на научно-техническом совете факультета автоматики и информационных технологий СамГТУ,г. Самара, 1996г.

Публикации. По результатам исследований опубликованы 82 работы, в том числе 10 научно-технических отчетов, получено 35 авторских свидетельств на изобретения, 11 патентов РФ и решений о выдаче патентов РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 224 наименований и 11 приложений. Общий объем работы 377 страниц, в том числе 272 страницы машинописного текста, 45 рисунков, 5 таблиц на IE страницах, 22 страницы списка литературы, 26 страниц приложений.