Введение к работе
Актуальность проблемы. В автоматике и измерительной технике широкое применение получили первичные преобразователи систем контроля И управления (ППСКУ J с распределенными параметрами для получения информации о .перемещении, скорости, влажности, температуре и других величинах. Это объясняется рядом их положительных свойств, такими как надежность, точность, широкие схемотехнические возможности, простота конструкции, технологичность изготовления и другие. Среди ППСКУ наибольшее распространение получили преобразователи с электрическими, магнитными, тепловыми, оптическими и механическими распределенными параметрами.
Однако, по мере совершенствования существующих и создания новых систем контроля и управления требования к ППСКУ возрастают. Недостатки существующих ППСКУ сводятся к следующему: конструктивная недоработка, возникающая вследствии использования при их проектировании неэффективных методов; значительные массога-баритные показатели; сложность автоматизации технологического процесса изготовления; повышенная стоимость и материалоемкость, а в ряде конструкций недостаточные надежность, точность и быстродействие. Все4изложенные недостатки стали серьезным прелятст-ствием на пути их более широкого применения.
Наряду с системами контроля и управления в машиностроении, энергетике, химической промышленности и в других отраслях на-' родного хозяйства,получают развитие гидромелиоративные системы, системы испытания сельхозтехники, природоохранные системы,системы контроля качества молочных продуктов, системы очистки сточных вод и другие,в которых весьма остро ощущается недостаток в первичных преобразователях перемещений, уровня, расхода, влажности, загрязненности воздуха, жирности молока и других величин.
Только в гидромелиоративных системах для эффективного автоматического контроля и управления водозабором и водораепреде-лением, режимами работы скважин вертикального_дренажа, скоростью и уровнем грунтовых под и другими величинами необходимы не только количество, но и разнообразие соответствующих первичных преобразователей. Кроме указанных преобразователей не- : обходимы преобразователи разности уровней, открытия (закрытия) гидротехнические rriTTinp-in ч другие..
Проблема создания и совершенствования ППСКУ, удовлетворя->';';>: cr'!.pw"inMM требованиям, функционирующих в различных слож-їй';; .уечогичх окспчуатагпіи ч являющихся неотъемлемой пастью системі контроля и управления, несмотря па определенный прогресс в ее решении, остается чрезвычайно актуальной.
Совершенствование.существующих и разработка нових Ш1СКУ невозможна без научно обоснованной теории irx построения и проектирования' и, как показал анализ, такая теория до пастояшего времен! не била разработана.
Актуальность проблемы определяется еще и тем, что создание новых, более элективных средств получения первичной информации способствует совершенствованию систем контроля и управления.
Тема данной диссертации, посвященной решению указанной проблемы, проводилась в соответствии с координационным планом ГКНТ и MB и ССО Республики Узбекистан по проблеме І.Г2.9.5 "Автоматизация физических исследований" по теме "Методы анализа и синтеза электрических систем"; темой НИР кафедры "Робототехничес-кие и информационные системы" ТашГТУ "Модели алгебры цепей и систем преобразования информации и энергии" ( шифр темы 49/2 , Гос. регистр. 79014453]по научному направлению "Анализ и синтез систем с распределенными параметрами"; темой НИР кафедры "Метрология и измерительная техника" "Фундаментальные и прикладные исследования в области разработки технологических приборов и измерительных комплексов" ; планами НИР Ташкентского Государственного технического университета им. Абу Райхана Беруни (Гос. регистр. 72040204, 73035132, 77003388, 78029870, 79061067, 01823044779, 01860002367, 0I9200I539I; .
Вопросам исследования ППСКУ посвящены работы, выполненные в ряде ВУЗов и научных организаций. Однако, в данных работах не были проанализированы с единых позиций принципы построения ППСКУ различной фигической природы, недостаточное развитие получили методы их проектирования, не показаны пути дальнейшего развития этого класса преобразователей, в результате чего не были ясны их технические возможности и пути их реализации, что сдерживало применение их в разлитых системах Контроля и управления. Следствием этого явилось то, что устройства, содержащие в качестве элементов преобразователи с распределенными параметрами во многом перестали удовлетворять современны!.! требовани-
ям к' системам контроля и управления.
Целью работы является теоретическое обобщение и развитии принципов построения и проектирования ПИСКУ и создание на их основе комплекса приборов и устройств для систем контроля и управления.
Основными задачами диссертационной работы являются:
-
Обоснование необходимости разработки принципов построения и проектирования ППСКУ.
-
Разработка обобщенных математических моделей ППСКУ различной физической природы.
-
Анализ основных характеристик ШСКУ.
-
Разработка методики расчета и проектирования ІШСІСУ.
-
Создание новых эффективных ППСКУ и устройств на их базе для различных систем контроля и управления.
Решение указанных задач выполнялось с использованием следующих методов исследования: теории линейных и нелинейных электрических, магнитных и других цепей; теории графов; методов конечных элементов и разностей; теории аналогий между величинами и цепями различной физической природы; теории автоматического управления; экспериментальных методов исследования; теории измерительных преобразователей; теории погрешностей.
На защиту выносятся:
обобщенные графовые модели принципов построения ППСКУ различной физической природы;
методика анализа и синтеза ППСКУ, содержащих линейные однородные и неоднородные, а также нелинейные распределенные цепи различной физической природы;
алгоритмы анализа и синтеза ППСКУ;
статические и динамические графовые модели ШСКУ;
- методика проектирования ШСКУ.
Научная новизна характеризуется следующим:
-
Обобщены на основе графовых моделей принципы построения магнитных, тепловых и оптических ППСКУ.
-
Предложена методика структурного синтеза ППСКУ на основе обобщенных графовых моделей, морфологических матриц и обобщенных приемов с учетом требований, определяемых системами контроля и управления.
-
Разработаны алгоритмы анализа и синтеза линейных однородных, неоднородных и нелинейных распределенных цепей . ППСКУ различной физической природы..
-
Предложены статические и динамические графовые модели ППСІСУ, позволяющие анализировать псе основные и точностные характеристики ППСКУ.
-
Разработана методика проектирования ППСКУ с применением ЭВМ.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем:
-
Развиваемые в диссертации обшие принципы построения ППСКУ позволяют проанализировать существующие и разработать новые конструкции преобразователей.
-
Методы анализа и синтеза распределенных цепей ППСКУ могут быть использованы для анализа линейных однородных, неоднородных и нелинейных распределенных цепей различной физической природы.
Изложенные в диссертации основные положения позволяют производить:
- предварительный выбор структуры и основных элементов
ППСКУ, предназначенных для различных систем контроля и управ
ления;
-. расчет основных характеристик ППСКУ;
- разработку высоконадежных и точных первичных преобра
зователей для тяжелых условий эксплуатации в различных систе
мах контроля и управления с помощью методик, доведенных до
формул, графиков и программ расчета на ЭВМ.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при разработке приборов и преобразователей влажности аммофоса, расхода воды в открытых каналах, датчиков направления и расхода потоков газов и жидкостей, оптоэлектронных преобразователей линейных и угловых перемещений. Тепловой трубчатый преобразователь влажности аммофоса был внедрен на Алмалык-ском х.имическом заводе в системе автоматического контроля и управления влажностью аммофоса в процессе сушки. Преобразователи расходов оросительной воды в каналах внедрены на гидропостах "Найман" р.Чирчик и оросительной сети совхоза Iа им. Г. Гуляма. Тепловые датчики направления и скорости были иэготов-
лени в количестве 150 шт. и внедрены для системы контролі! ІІ управления скваюшш.м вертикального дренажа в Сузакском управлении по использованию подземных бод, в Ферганском управлении оросительных систем и в других гидромелиоративных объектах. Тепловые преобразователи были внедрены в комплектах пробоотборников контроля состава воздуха производственных помещений. Оптико-электронные преобразователи угловых перемещений были внедрены в системах контроля и управления испытательными стендами в Средне-Азиатской машинно-испытательной станции.
В учебный процесс внедрены: основные попятил о принципах построения первичных преобразователей с распределенными параметрами, материалы по их расчету и моделировании на ЗВЫ, отдельные конструкции первичных преобразователей для лабораторных и практических занятий.
Элементы общей теории и методика оптимального синтеза ПИСКУ используются при чтении лекций, курсовом и дипломном проектировании в Уфимском авиационном институте и Ташкентском Государственном техническом университете. Общий экономический эффект от внедрения результатов раббгы составил более 350 тыс. руб./год.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на II,ПІДУ к У Всесоюзных научно-технических конференциях "Методы и приборы для измерения расходов и Количеств жидкости, газа и пара"(Ленинград Д966, 1976гг., 1972 г.,Таллин); на ПІДУ,У и УІ Таллинских совещаниях по электромагнитным расходомерам и электротехнике жидких проводников ( Таллин ,1967, 1969, 1973 гг.); на 11,111 Всесоюзных симпозиумах "Теория информационных систем и устройств с распределенными параметрами" (Ташкент, 1970; Уфа, 1974, 1976 гг.}; на ІУ, У,У1 Всесоюзных межвузовских конференциях по теории и методам расчета нелинейных электрических цепей и систем (Ташкент; 1971, 1975, 1982 гг;); на УВІТГК "Достижения и перспективы работ в области разработки приборов и методов измерения влажности твердых, жидких и газообразных велізств (Кутаиси,1973 г.); на Всесоюзных конференциях по измерительным информационным системам "ІЇНС-77" (Баку,1977 г.), "ИИС-83" (Куйбышев, 1983) г. , "ИЧС-87" (Ташкент, 1987 г.); на научно-техническом семинаре "Новач.техника и приборы з мелиорации, б водном хсзяйст-
ne"(Ленинград, 1974 г.); на Всесоюзном научно-техническом семинаре по'применению средств оптоэлектроники в контрольно-измерительных системах (Фергана, 1978 г.);11, III Всесоюзных межвузовских конференциях по математическому, алгоритмическому и техническому обеспечению АСУ ТЩТашкент, I960 г.,1985 г.) ; на 1-ой Всесоюзной межвузовской конференции по оптическим и радипволновым методам и средствам нераэрушаюшего контроля ка-' чества материалов и изделий (Фергана, 1981 г.}; Всесоюзном совещании по координатно-чувствительным фотоприемникам и оптико-олектронным устройствам на их основе (Барнаул, 1981 г.); Всесоюзной конференции по робототехнике и автоматизации производственных процессов (Барнаул, 1983 г.); Всесоюзная научно-техническая конференция "Методи и средства организации водоучета на гидромелиоративных объектах" (Фрунзе, 1989 г.); научно-технический семинар "Применение средств ОЭП в контрольно-измерительных системах" (Томск, 198Э г.); ежегодных НТК профессорско-преподавательского состава ТашГТУ ( 1970 - 1992 гг.J .
Публикации. По результатам исследований получено 39 авторских свидетельств и опубликованы 145 научных работ, из них 4 монография, I брошюра, 18 статей в центральных журналах, 74 работы в центральных, республиканских и местных изданиях, материалах симпозиумов, конференций и совещаний. В совместны* публикациях автору принадлежит: постановка и формализация задач исследований, разработка графовых моделей анализа и синтеза принципов построения и распределенных Цепей ПИСКУ, анализ основных характеристик и источнчков погрешностей ППС1ГУ, участие в технической реализации и внедрении разработанных преобразователей ч приборов.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, списка литературы и приложений. Основная часть работы содержит 220 страниц машинописного текста, список лнтера-Tvpu включает 245 наименований.
Законченные разработки отмечены дипломами ВДНХ УзССР и чедалямн ВДНХ СССР.
