Содержание к диссертации
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 7
ВВЕДЕНИЕ 8
1. АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ К ИПС ДЛЯ ИИУС ЭДУ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 34
1.1 Описание магнитоплазменного ЭДУ как объекта управления 34
1.2 Анализ алгоритмов управления разгоном тела в ЭДУ и анализ требований к точности ИПС 38
1.3 Исследование закона движения плазмы в ЭДУ и путей уменьшения динамической погрешности ИПС 52
1.4 Обзор методов и устройств измерения скорости плазмы в ЭДУ
1.4.1 Времяпролетный метод измерения скорости 72
1.4.2 Метод измерения с СВЧ—зондированием короткозамкнутой передающей линии (резонансный метод) 76
1.4.3 Корреляционный метод измерения скорости 83
1.4.4 Доплеровский метод измерения скорости 89
1.4.5 Другие методы измерения скорости разгона тела в релъсотроне 92
1.5 Сравнительная оценка наиболее перспективных методов измерения скорости 98
1.6 Анализ помехозащищенности доплеровского метода и модификаций времяпролетного метода на базе РРК 101
1.7 Постановка задач дальнейшего диссертационного исследования... 107
Выводы 111
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ «РЕЛЬСОТРОН ДАТЧИКИ ПОЛОЖЕНИЯ» 115
2.1 Сравнительный анализ методов расчета электромагнитного поля движущегося ПП с током и э.д.с на выходе индукционного датчика положения 115
2.2 Исследование методом вычислительного эксперимента влияния параметров системы "движущийся ПП-датчики положения" на ЭДС индукционного датчика положения 125
2.2.1 Исследование влияния на ЭДС индукционного датчика положения его конструктивных параметров 125
2.2.2 Исследование влияния на ЭДС индукционного датчика положения конструктивных параметров системы "движущийся ПП- датчики положения" 134
2.2.3 Исследование влияния на ЭДС индукционного датчика положения линейных размеров движущейся плазмы с током 135
2.3 Оценка результатов моделирования 137
Выводы 139
3. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВРЕМЯПРО ЛЕТНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕЙ СКОРОСТИ 142
3.1 Классификация погрешностей 142
3.2 Выбор расчетного режима для оценки методической погрешности измерения скорости 149
3.3 Исследование методической погрешности измерения скорости
при различных способах реализации времяпролетного метода 156
3.4 Анализ предельной методической погрешности и разработка рекомендаций по снижению ошибки интерполяции 165
3.5 Информационный подход к оценке погрешности интерполяции... 169
3.6 Исследование динамической погрешности ИВИ при использовании времяпролетного метода измерения 177
3.7 Исследование связи между метрологическими характеристиками функциональных блоков времяпролетного ИПС 184
Выводы 189
4. РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КВАЗИМГНОВЕННОЙ И МГНОВЕННОЙ СКОРОСТИ РАЗГОНА ПЛАЗМЫ В ЭДУ 194
4.1 Общие положения 194
4.2 Метод многократного отражения 197
4.3 Метод измерительного преобразования средней скорости с контролем дифференциального сигнала пары датчиков 201
4.4 Метод измерительного преобразования квазимгновенной скорости с программируемой попарной коммутацией датчиков 203
4.5 Метод координатной функции 207
4.5.1 Сочетание принципа «двух наблюдателей» и контроля отношения сигналов двух датчиков положения как основа метода координатной функции 209
4.5.2 Синтез координатных функций по критерию инвариантности к переменным параметрам движущегося ПП 222
4.5.3 Математическое моделирование координатных функций и выбор конструктивных параметров РИК 226
4.5.4 Измерительное преобразование квазимгновенной скорости на основе нулевого метода контроля координатной функции...239
4.5.5 Измерительное преобразование квазимгновенной скорости с ликвидацией «мертвых зон» переключением координатных функций 245
4.5.6 Измерительное преобразование квазимгновенной скорости с ликвидацией «мертвых зон» суммированием координатных функций 248
4.5.7 Сравнение методов измерительного преобразования с ликвидацией «мертвых зон» КФ 249
4.6 Систематизация методов измерительного преобразования средней и квазимгновенной скорости 250
4.7 Измерительное преобразование мгновенной скорости с использованием КФ DSL-типа и аппроксимацией сигнала датчика экспоненциальной функцией 254
4.8 Измерительное преобразование мгновенной скорости с использованием КФ DSL-типа и аппроксимацией сигнала датчика обратно-экспоненциальной функцией 256
4.9 Измерительное преобразование мгновенной скорости с использованием КФ LL-типа и аппроксимацией сигнала датчика экспоненциальной функций 257
4.10 Повышение точности измерительного преобразования мгновенной скорости при использовании КФ LL-типа 259
4.11 Измерительное преобразование мгновенной скорости с использованием геометрического усреднения сигналов датчиков положения 263
4.12 Структурный метод повышения точности измерения мгновенной скорости за счет учета импульсного характера тока в движущемся проводнике 266
4.13 Метод измерительного преобразования мгновенной скорости с обратной информационной связью по каналу измерения средней скорости 269
Выводы 272
5. СТРУКТУРНЫЙ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СКОРОСТИ 277
5.1 Общие положения 277
5.2 Структурный синтез ИПС по критерию «двойного минимума» 288
5.3 Параметрический синтез РРК по критерию минимальной вероятности ошибки обнаружения сигналов датчиков 286
5.4 Структурный синтез РРК по критерию минимальной вероятности ошибки обнаружения сигналов датчиков в условиях помех 292
5.5 Параметрический и структурный синтез ИПС с использованием
методов ИИ 301
5.5.1 Общие положения 301
5.5.2 Разработка комплексной математической модели системы «ЭДУ-ИПС» и структурный синтез ИПС на базе ИНС 303
5.5.3 Параметрический синтез ИПС с использованием принципов эволюционных (генетических) алгоритмов самоорганизации 312
5.5.4 Структурный синтез ИПС с использованием теории систем, основанных на знаниях 330
5.5.5 Перспективы применения методов ИИ в задачах измерительного преобразования параметров движения 350
Выводы 351
Заключение по основным результатам работы 356
Список литературы 365
ПРИЛОЖЕНИЕ А 390 ПРИЛОЖЕНИЕ Б 392
ПРИЛОЖЕНИЕ В 394
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 394
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 395
ПРИЛОЖЕНИЕ Е 395
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж 396
ПРИЛОЖЕНИЕ И 397
ПРИЛОЖЕНИЕ К 398
ПРИЛОЖЕНИЕ Л 399
ПРИЛОЖЕНИЕМ 399
ПРИЛОЖЕНИЕ Н 399
ПРИЛОЖЕНИЕ П 400
ПРИЛОЖЕНИЕ Р 400
ПРИЛОЖЕНИЕ С 401
ПРИЛОЖЕНИЕ Т 422
ПРИЛОЖЕНИЕ У 437
ПРИЛОЖЕНИЕ Ф 441
ПРИЛОЖЕНИЕ X 444
ПРИЛОЖЕНИЕ Ц 453
ПРИЛОЖЕНИЕ Ч 455
ПРИЛОЖЕНИЕ Ш 456
ПРИЛОЖЕНИЕ Щ
Введение к работе
В различных областях науки и техники возникает задача ускорения тел до больших (порядка нескольких километров в секунду) линейных скоростей.
В конце прошлого — начале нынешнего века круг задач, требующих высокоскоростного разгона тел, и успешно решаемых с помощью электродинамических ускорителей (ЭДУ), существенно расширился. Например, в экспериментальной физике с помощью техники высокоскоростного удара исследуются фазовые превращения вещества при сильных соударениях [1], анализируется возможность применения техники высокоскоростного разгона для решения задач управляемого термоядерного синтеза [2], моделируются на стендах высокоскоростные соударения метеоритных частиц и космического мусора с обшивкой космических аппаратов при исследовании прочностных свойств материалов. Еще одно применение ЭДУ в области космических исследований связано с запуском микрокосмических летательных аппаратов (микроКЛА) [3, 4]. В последнее время находят применение электродинамические установки обработки различных деталей высокоскоростными потоками низкотемпературной плазмы для упрочения деталей (например, работы ГНЦ РФ ТРИНИТИ, г. Троицк Московской обл. [5], МИФИ и др.). Еще одно современное применение ЭДУ связано с физическим моделированием процессов разрушения деталей проектируемого термоядерного реактора ITER для решения проблем долговечности и экологической безопасности реактора [6].
Идея использования для высокоскоростного (сотни и тысячи м/с) разгона тел ЭДУ восходит к началу прошлого века. В 1916 г. была предпринята первая попытка создать такой ускоритель на базе артиллерийского орудия, на ствол которого наносились обмотки из провода и по ним пропускался электрический ток. Тело, находящееся внутри ствола, последовательно втягивалось в катушки, получая ускорение и вылетая из ствола. В этих экспериментах тело массой 50 г удавалось разогнать до скорости только 200 м/с. Положенная в основу таких ЭДУ идея создания бегущего магнитного поля, увлекающего собой движущийся внутри соленоида сердечник-магнитопровод, стала основой такого класса электрофизических установок, как индукционные электродинамические ускорители. Другая перспективная разновидность электрофизических установок — кондукционные или плазменные (магнитоплазменные) ЭДУ. Такой ускоритель представляет собой
систему, состоящую из источника электроэнергии (батареи конденсаторов, МГД — генератора, униполярного генератора, индуктивного накопителя и др.), коммутационных аппаратов и нагрузки в виде параллельных медных рельсов, обычно именуемых рельсотроном. В основу работы плазменных (рельсотронных) ЭДУ положено использование силы Лоренца, возникающей в результате взаимодействия электрического тока, протекающего по рельсам и плазменному образованию между ними, с создаваемым этим током магнитным полем. Плазма между рельсами ЭДУ возникает в результате взрыва тонкой металлической закоротки из фольги (так называемого инициатора), по которой кратковременно пропускается импульс тока от источника питания рельсотрона. Сила Лоренца заставляет образовавшееся плазменное облачко двигаться вдоль рельсов в режиме разгона с достижением скорости на участке внутренней баллистики порядка нескольких км/с. При этом в зависимости от назначения ЭДУ возможны два варианта его реализации. В первом случае из канала рельсотрона вылетает собственно плазма (например, для решения задачи упрочнения расположенных перед выходом канала рельсотрона поверхностей), а во втором - толкаемое плазмой тело (например, для имитации соударения метеоритных частиц массой несколько граммов или космического мусора с обшивкой космического аппарата). Настоящая диссертационная работа посвящена измерительному преобразованию параметров движения плазмы в системах управления именно кондукщюнными (рельсотронными) магнитоплаз-менными ЭДУ.
