Генерирование и экспресс-анализ случайных процессов в задачах испытаний транспортных средств Демиденко Сергей Николаевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА I. Системы автоматизации динамических испытаний транспортных средств 11

1.1. Виды динамических вибрационных испытаний. 12

1.2. Системы управления стендовым экспериментом . 14

1.3. Натурные испытания средств транспорта 18

Выводы 25

ГЛАВА II. Генерирование случайных последовательностей для систем имитации вибраций 26

2.1. Методы генерирования цифрового белого шума . 26

2.2. Синтез эффективных средств генерирования числовых последовательностей 36

2.3. Генератор псевдослучайных чисел с увеличенным периодом повторения 55

2.4. Автоматизированная система управления виброиспытаниями (АСУВ) 57

Выводы 68

ГЛАВА III. Техническое обеспечение автоматизации испытаний транспортных средств 70

3.1. Технические средства АСУВ 70

3.2. Приборы автоматизации натурного эксперимента. 77

3.2.1. Статистический анализатор БВК-М 77

3.2.2. Прибор статистического анализа МАСС 95

3.3. Многополосная цифровая фильтрация с мультиплексированием 107

Выводы

ГЛАВА IV. Экспериментальные исследования и опытно-промышленная эксплуатация средств автоматизации испытаний транспортных машин 117

4.1. Экспериментальное исследование автоматизированной системы управления виброиспытаниями . 117

4.2. Лабораторно-дорожные испытания аппаратуры статистического экспресс-анализа 125

4.3.Промышленная эксплуатация анализатора БВК-М 130

Выводы 134

Заключение 136

Литература 138

Приложение 150

• Системы управления стендовым экспериментом
• Методы генерирования цифрового белого шума
• Статистический анализатор БВК-М
• Экспериментальное исследование автоматизированной системы управления виброиспытаниями

Введение к работе

Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года", принятые ХХУІ съездом КПСС, особое внимание обращают на необходимость снижения материало- и энергоемкости, повышения экономичности, надежности и долговечности изделий машиностроения, в том числе и средств транспорта. Качественное решение данных задач расчетными методами на этапе проектирования затруднено, а в ряде случаев практически невозможно. Главная причина этого заключается в том, что подобные технические объекты (летательные аппараты, подвижный состав автомобильного и железнодорожного транспорта, морские и речные суда и др.) представляют собой сложные динамические системы с большим числом взаимодействующих в них, часто случайным образом, факторов, природа, характеристики и количество которых нередко неизвестны для различных режимов функционирования. Вот почему несмотря на наличие мощных аналитических методов исследования и широкое внедрение вычислительной техники в процесс проектирования важную роль в созданных новых и модернизации эксплуатируемых моделей транспортных средств играют экспериментальные исследования и, в частности, испытания действующих макетов и рабочих образцов отдельных узлов, агрегатов и комплектных изделий. При этом с развитием техники удельный вес и значение экспериментальных исследований непрерывно возрастают [1,2] • Так, стоимость экспериментальных наземных работ при создании авиационной техники в США возрасла за 20 лет примерно в 7 раз и составляет около 35% общих затрат, 2/3 суммарных расходов по реализации программы "Аполлон" затрачено на на создание комплексов экспериментальных исследований новой техники такие фирмы, как " -Boeing « и " Geneeal Dynamics « финансировали более 40 млн, долларов и т.п.

Известно, что испытания являются объективными лишь в том случае, когда их возможности соответствуют требованиям, предъявляемым к качеству продукции [4,5]. При недостаточной оснащенности экспериментальной базы предприятий и организаций эффективной испытательной техникой, использовании несовершенных методов и средств, проведение испытаний никогда не даст объективной оценки характеристик исследуемых объектов.

Таким образом, улучшение технических и эксплуатационных показателей транспортных машин находится в прямой зависимости от повышения уровня существующей испытательной базы. В связи с этим, безусловно актуальными являются вопросы дальнейшего совершенствования средств испытательной техники, и, в частности, тех из них, которые связаны с динамическими испытаниями. При этом случайных характер воздействий на транспортные средства в процессе эксплуатации обеспечивает существенные преимущества применению для экспериментальных исследований вероятностно-статистических методов и средств как в части генерирования задающих возмущений, так и анализа опытных данных.

Все вышеизложенное и обусловило цель и тему представляемой диссертации, которые соответствуют плану работ Института технической кибернетики АН БССР по автоматизации научных исследований (тема 10 АНИ 01, № ГР8І0І9507), реализации научно-технической проблемы 0.80.16.16 ГКНТ СССР (№ ГР 77073585) и республиканской научно-технической проблемы 14.3 ( № ГР 760I6I45), а так же ряду хоздоговорных работ с промышленными предприятиями.

Исследование и разработка способов и аппаратурных средств генерирования и экспресс-анализа случайных процессов для задач автоматизации динамических испытаний транспортных средств. При этом решаются такие задачи, как анализ и синтез структур и алгоритмов функционирования автоматизированных систем управления стендовыми динамическим экспериментом и разработка способов построения функциональных узлов, повышающих эффективность таких систем, исследование процесса натурных динамических испытаний транспортных средств, создание и совершенствование технических средств их автоматизации и, наконец, экспериментальная проверка и практическое использование полученных результатов исследования. Теоретические исследования проведены методами теории вероятностей и математической статистики, комбинаторного анализа, теории булевых функций и теории чисел.

- аналитические выражения, определяющие структуру генератора псевдослучайных числовых последовательностей на базе регистра сдвига и набора сумматоров по модулю два в цепи обратной связи по заданной величине сдвига генерируемого цифрового сигнала;

- инженерная методика построения многоканальных цифровых генераторов белого шума, обеспечивающая синтез устройств с пониженными удельными аппаратурными затратами и высоким быстродействием;

- алгоритм мультиплексной многодиапазонной цифровой фильтрации сигналов на основе метода прореживания входных отсчетов по времени со смещением:;

- структура двухпроцессорной одномерной автоматизированной цифровой системы управления стендовыми виброиспытаниями технических объектов с использованием цифрового генерирования белого шума в ее задающей части.

Практическая Результаты, полученные в работе, представляют интерес при решении задач генерирования и анализ случайных процессов, для построения систем автоматизации экспериментальных исследований, комплексов динамических испытаний и диагностики технических объектов. Ряд положений диссертации может быть использован при создании вероятностных (стохастических) вычислительных устройств, синтезаторов речи, реализации систем связи с шумоподобными сигналами. Разработанные технические средства автоматизации экспериментальных исследований обладают новизной и полезностью, подтверждаемыми авторскими свидетельствами, а аппаратурная реализация ряда из них позволяет непосредственно использовать данные решения в практике.

§§2Изация_резу_льтатов. Полученные в работе результаты нашли применение на производственном объединении "БелавтоМАЗ" с экономическим эффектом около 200 тыс. руб. в год, а также используются в Институте технической кибернетики АН БССР и Минском радиотехническом институте, что подтверждается прилагаемыми документами.

4й2обация_работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на ХХШ студенческой научно-технической конференции ВУЗов республик Прибалтики, Белоруссии и Молдавии (г.Минск,1977 г.), УШ Всесоюзном совещании по проблемам управления (Таллин, 1980 г.), школе-семинаре молодых ученых и специалистов "Проблемы научного приборостроения" (г.Минск, 1980 г.), У конференции молодых ученых и специалистов НТК АН БССР "Теория и методы автоматизации проектирования сложных систем и автоматизации научных исследований (г.Минск,1983 г,), а также в научном Совете по проблеме "Автоматизация научных исследований" НТК АН БССР. Разработанные технические средства экспонировались на двух республиканских и одной всесоюзной выставках (I979-I98I гг.).

Публикации. По материалам проведенных исследований опубликована 21 печатная работа, в числе которых 7 авторских свидетельств и 3 решения на их выдачу.

Структура_и_объем_работы5.Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 121 страницу машинописного текста, I таблицу, 39 иллюстраций, 9 страниц приложения и список литературы на 12 страницах (107 источников).

Проведено исследование свойств последовательности, генерируемой на основе мультипликативного алгоритма. Для генераторов псевдослучайных чисел (ГПСЧ) на базе регистра сдвига и набора сумматоров по модулю два в цепи обратной связи получены аналитические выражения, связывающие состояния в произвольный и начальный такты их работы. Предложена инженерная методика синтеза многоканальных цифровых генераторов белого шума, обеспечивающая построение устройств с пониженными удельными аппаратурными затратами и высоким быстродействием. Рассмотрены свойства генерируемых числовых последовательностей. Разработан вариант построения ГПСЧ , обеспечивающий увеличение периода последовательности и введение в нее нулевых комбинаций. Предложена структура цифровой автоматизированной системы управления виброиспытаниями, с использованием метода линейного преобразования псевдослучайного цифрового белого шума для генерирования возмущающих воздействий и рассмотрены основные режимы ее функционирования. 

Системы управления стендовым экспериментом

Среди различных методов стендовых вибрационных испытаний, использующихся в настоящее время все более широкое распространение получают испытания на широкополосную случайную вибрацию [6,7,14-18]. Это объясняется следующими основными причинами [7,15]: 1. Характер вибраций, встречающихся в природе, в большинстве случаев является случайным; 2. Широкополосные вибрации приводят в возбуждение все резонаторы изделия и тем самым учитываются всевозможные эффекты их взаимодействия; 3. Время испытаний на широкополосные случайные вибрации является минимальным по сравнению с другими видами виброиспытаний; 4. Метод испытания на широкополосную случайную вибрацию позволяет воспроизвести те числовые вибрационные характеристики, которые влияют на надежность испытуемого изделия. При проведении испытаний изделия на широкополосную случайную вибрацию необходимо обеспечить в заданных контрольных точках требуемые характеристики вибраций [6,7,I3-I6,I9J. В большинстве существующих систем это достигается использованием различного рода перестраиваемых фильтров или с помощью гребенки фильтров, разбивающей весь частотный диапазон на ряд узких полос, и управлением коэффициентами их передач ]7,14-17, .I9-2lJ. При этом аппаратура регулирования уровня спектральной плотности мощности может быть ручной или автоматической. Системы с ручным регулированием нашли ограниченное применение вследствие невысокой точности, значительного времени задания требуемого режима испытаний и др. [6,8,I6j. Применение автоматических задающих систем обеспечивает ускорение и повышение точности аппроксимации спектральной плотности, однако в случае многополосного варианта построения требует наличия большого числа фильтров с узкими полосами пропускания и высокой избирательностью, В качестве последних в отечественных системах и разработках ряда зарубежных фирм используются магнито-стрикционные, кварцевые, а также активные и пассивные 1С и RG фильтры [б,7,14-1б]

Возрастающие требования к качеству изделий приводят к необходимости расширения частотного диапазона испытаний, повышения точности воспроизведения заданного вибрационного состояния, снижения времени выхода на режим, обеспечения значительной продолжительности экспериментов [б,15,22]

Анализ, проведенный в работе [23] , показал, что существующие аналоговые системы не удовлетворяют этим требованиям. Кроме того, такая аппаратура отличается значительной сложностью изготовления и управления, характеризуется высокой громоздкостью, энергоемкостью, низкими эксплуатационными показателями.

Современное развитие вычислительной техники, успехи микроэлектроники позволили создать виброиспытательные системы, использующие цифровые методы [15,17-21,24-30] и обладающие значительно более высокими техническими и эксплуатационными характеристиками. По исполнению данные системы могут быть гибридными (аналого-цифровыми) и цифровыми [8,14,15,19,21, 26,Зі] .

В гибридных системах на ЦВМ возлагается, главным образом, функция управления и, иногда, анализа случайных процессов. Генерирование задающих воздействий осуществляется в этом случае аналоговыми средствами[19,26,31,32] Использование таких систем позволяет улучшить точность воспроизведения эталонного режима, вводить нестационарные режимы нагружений, повысить быстродействие. Однако, большинство недостатков, присущих аналоговым средствам, присутствуют и в данных системах [19,32,33] Кроме того, ряд алгоритмов в гибридной системе оказывается весьма сложным, что требует высокой вычислительной мощности используемой ЭВМ или значительных временных затрат [32,34,35].

В цифровых системах дискретные вычислительные средства используются как для реализации алгоритмов управления, так и для задания и анализа случайных вибропроцессов. Программная реализация основных алгоритмов приводит в данном случае к существенному упрощению аппаратурного комплекса, главной частью которого становится ЦВМ [19-21,24-3IJ На рис.1.1 представлена общая диаграмма функционирования цифровой системы виброиспытаний [15,19]

Методы генерирования цифрового белого шума

Недостатки, присущие алгоритму Раиса-Пирсона, явились причиной поиска исследователями другого пути генерирования цифровыми методами случайных процессов с заданными спектральными характеристиками. Таким решением стало использование генераторов равномерных числовых последовательностей (белого шума) в качестве источников первичных сигналов с последующей цифровой фильтрацией генерируемых процессов [l5,I7,3l] . Настоящая глава посвящена анализу и разработке способов и аппаратурных средств генерирования цифрового белого шума и применению их в системе автоматизации вибрационных испытаний,

Известны два основных метода генерирования цифрового белого шума [56 - 58] : - физическое генерирование случайных двоичных чисел с помощью специализированных устройств (генераторов случайных чисел - ГСЧ); - генерирование псевдослучайных числовых последовательностей на ЭВМ или с помощью специализированных аппаратурных средств (генераторов псевдослучайных чисел - ГПСЧ). Использование первого метода в цифровых системах виброиспытаний находит ограниченное применение вследствие присущих ему недостатков [23,5б-60] : - низкого быстродействия, определяемого используемым в ГСЧ первичным аналоговым источником шума; - низкой стабильности основных вероятностных характеристик, объясняемой нестабильностью первичных источников, пара -метров преобразующих схем, источников питания и др., что требует периодической статистической проверки качества генерируемой последовательности; - сложности аппаратурной реализации, вызываемой наличием нескольких источников питания (для физического источника шума и цифровых схем), необходимостью стабилизации и фильтрации их напряжений, развязки линий питания от линий устройства, экранировки и изоляции источников шума и цифровых элементов, коррекции выходной последовательности и др.; - невозможности воспроизведения и предсказания генерируемых последовательностей в силу их случайной природы; - неоднородности структуры ГСЧ, вследствие наличия как аналоговых, так и цифровых узлов, что затрудняет его миниатюризацию и интегральное исполнение. Вторым способом получения цифрового белого шума является основанное на математических методах генерирование псевдослучайных числовых последовательностей (ПСЧП) [56-58,61-66]. Мгновенное значение таких последовательностей, в отличие от случайных, в принципе может быть предсказано заранее. В то же время, все оценки статистических характеристик конкретной реализации ПСЧП совпадают с оценками эквивалентной ей случайной выборки. Любую статистическую характеристику псевдослучайной числовой последовательности можно получить, используя реализацию длинной в один период повторения ПСЧП Для истинно случайной последовательности это потребовало бы бесконечно большую длину реализации. Искусственное увеличение периода псевдослучайного сигнала неограниченно приближает его структуру к структуре одной из возможных реализаций чисто случайного процесса. Однако и при ограниченных величинах периода в определенных условиях псевдослучайные числовые последовательности с успехом могут заменить случайные. При анализе псевдослучайной реализации равной или меньшей длине периода, вообще практически невозможно определить, является ли она отрезком регулярной или случайной последовательности. С другой стороны, если записать конкретную случайную реализацию на каком-либо носителе, затем периодически воспроизводить ее, то мы получим регулярную ПСЧП (что, кстати, и реализуется в ряде вибрационных систем [б,7,16,27,Зі] ).

Таким образом, с точки зрения реальных характеристик, практически трудно установить границу между случайными и псевдослучайными числовыми последовательностями. В тоже время способы и аппаратурные средства генерирования их существенно различаются. Генерирование псевдослучайных двоичных последовательностей может выполняться с помощью ЦВМ или путем создания специализированных устройств - аппаратурных генераторов. В основе большинства современных программных датчиков ПСЧП и ряда специализированных устройств лежит "метод вычетов" [62]. Он сводится к образованию последовательности по следующему рекуррентному соотношению [57,65І : где , G , - выбираемые определенным образом постоянные числа; тя - основание системы счисления.

Статистический анализатор БВК-М

Настоящая глава работы посвящена разработке средств технического обеспечения автоматизации лабораторных и натурных динамических испытаний транспортных машин [82] Описаны технические средства автоматизированной системы управления стендовыми виброиспытаниями и предложена реализация операционного блока в стандарте КАМАК, входящего в состав процессора контроля Разработаны статистические экспресс-анализаторы БВК-М и МАСС и их модификации, предназначенные для использования на нижнем уровне обработки информации систем автоматизации натурного динамического эксперимента. Представлено устройство, реализующее алгоритм мультиплексной многополосной цифровой фильтрации на основе метода прореживания входных сигналов по времени со смещением.

Реализация описанной в п.2.4- автоматизированной системы управления виброиспытаниями базируется, в первую очередь, на использовании цифровой управляющей вычислительной машины. В большинстве реальных систем стендового динамического эксперимента оказываются достаточными возможности, обеспечиваемые современными серийными мини-ЭВМ (например, отечественными семейства СМ, "Электроника" и зарубежными, марок HP, РДР и др.) [4,18,20,29,30]. Эти вычислительные машины обладают достаточным быстродействием, разрядностью и объемом запоминающих устройств, развитым программным обеспечением, широким набором периферийного оборудования. В то же время стоимость их относительно невысока, что повышает рентабельность систем виброиспытаний в целом, особенно при использовании их на мелких и средних предприятиях.

Основную часть остальных технических средств системы составляют также серийно выпускаемые приборы. Это накопитель, датчики, приборы усиления, аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. При этом последние могут быть как автономными устройствами, так и входящими в одну из стандартизированных систем приборов (например, аппаратура КАМАК),

Еще одним компонентом структуры АСУВ является процессор контроля, обеспечивающий вычисление оценок вибрационного состояния объекта, сравнение их с эталонным значением и выработку соответствующих сигналов управления. Одним из оптимальных путей реализации данного устройства является использование средств,распространенной для автоматизации эксперимента в нашей стране и за рубежом,магистрально-модульной системы КАМАК [83,84].

Центральным устройством процессора контроля АСУВ является операционнй блок (ОБ), выполненный на базе интегральных микропроцессорных средств в виде нормального рабочего модуля системы КАМАК и обеспечивающий под управлением крейт-контроллера прием, оперативное хранение, обработку, в соответствии с программой, хранимой в запоминающем устройстве (ЗУ), и выдачу в магистраль цифровой информации. Система команд блока охватывает арифметические и логические операции, а также пересылки и сдвиги, в семи различных форматах, выполняемые над полными словами или их старшими байтами. Кроме данного применения, операционный блок может также использоваться в широком спектре автономных или работающих на линии комплексов нижнего уровня обработки информации в составе различных автоматизированных систем-анализа и управления. Примерами задач, решаемых на данном уровне с помощью операционного блока, могут быть [85,86] : - проверка измеренных данных на достоверность и отбраковка недостоверных точек; - компенсация динамических искажений первичных преобразователей и согласующих устройств; - обнаружение тренда и определение класса стационарности процессов; - определение интервалов стационарности; - сжатие информации; - метрологический и диагностический контроль и др. Основные технические характеристики [87]. Быстродействие операционного блока существенно зависит от формата и типа выполняемых команд и может достигать 350 тыс. операций в секунду. Разрядность входных и выходных шин - 24 бита. Разрядность внутреннего устройства обработки (УО) - 48 бит, что позволяет организовать вычисления с удвоенной точностью. Наличие в УО регистровой памяти объемом 18x48 бит позволяет, в ряде случаев, обходиться без обращения к внешнему запоминающему устройству, что увеличивает оперативность обработки. Блок выполнен на элементах средней и большой степени интеграции серий KI55 и КР588. Потребляемая мощность модуля не превышает 12 Вт. Операционный блок занимает две позиции в крейте КАМАК. Описание. На рис. 3.1 изображена структурная схема операционного блока. В состав его входят: входные регистры данных и микрокоманд, устройство обработки, блок местного управления, выходной регистр данных и мультиплексор.

Экспериментальное исследование автоматизированной системы управления виброиспытаниями

Экспериментальная проверка и отработка решений, изложенных в п. 2.Ц- при описании структуры и алгоритмов функционирования АСУВ,выполнялись в лабораторных условиях с применением имитационного моделирования. Комплекс используемых технических средств включал управляющую мини-ЭВМ СМ-І (комплект Ш 4), устройство связи с объектом (УСО) и электронную имитационную модель объекта. Последняя представляет собой аналоговое формирующее устройство на базе включенных параллельно полосовых активных КС-фильтров с регулируемыми параметрами, что позволяет изменять амплитудно-частотную характеристику блока с целью приближения ее к АЧХ реального объекта. Модель имеет три частотных диапазона: 0 50 Гц, 0 300 Гц, 0 2000 Гц. Диапазон входных и выходных напряжений от -6 В до +6 В, Изменение добротности, коэффициентов передачи и средних частот фильтров осуществляется с помощью элементов с регулируемыми номиналами. Глубина регулирования - до 16 дБ. Выходное сопротивление - не более I кОм. Модель выполнена в виде нормального рабочего модуля сиетемы КАМАК шириной 3 м. Вид некоторых АЧХ, обеспечиваемых модулем, изображен на рис.4.1.

Модель связана с ЭВМ через устройство сопряжения, выполненное в соответствии с требованиями магистрально-модульной системы КАМАК. В состав УСО входят: - дифференциальный усилитель (УД); - нормирующий усилитель (УН); - полосовые фильтры (ПФ); - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП); - контроллер крейта (КК); - таймер. Структурная схема УСО изображена на рис. 4.2. (107]. Дифференциальный усилитель предназначен для ослабления синфазной помехи входного сигнала. Каждый из 4-х независимых каналов УД содержит четыре каскада. Два из них являются повторителями и предназначены для увеличения входного сопротивления устройства. Из двух других, один является инвертирующим, а другой - суммирующим усилительным каскадом. Они служат для собственно подавления синфазной помехи. Основные технические характеристики УД: коэффициент усиления по напряжению - I; ослабление синфазной помехи - не менее 60 дБ, уровень шума - не более 500 мкВ, дрейф нуля - не более 30 мкВ/С; полоса пропускания - 0 5 кГц, диапазон входных напряжений —6 +6 В. Нормирующий усилитель предназначен для согласования по напряжению и сопротивлению входных источников сигналов со схемами их дальнейшей обработки. Каждый из четырех независимых каналов УН является однокаскадным усилителем, в котором для улучшения стабильности коэффициента усиления в качестве сопротивления в цепи обратной связи используется интегральная микросхема К 304 ИДЗ. Основные технические характеристики УН: коэффициент усиления - 1+64 (6 ступеней), уровень шума - не более 10 мкВ, дрейф нуля - не более 30 мкВ/С; частотный диапазон - 0 4кГц, сопротивление нагрузки - не менее 2 кОм. Модуль полосовых фильтров состоит из 4-х независимых каналов, каждый из которых содержит включенные последовательно активные ЕС - фильтры нижних и верхних частот, собранные на операционных усилителях К544УДІ. Основные технические характеристики ПФ: полоса пропускания - 0,2 300 Гц; затухание на частотах 0,1 Гц и 450 Гц - не менее 19 дБ; коэффициент передачи в полосе прозрачности -Iі- 0,05; диапазон входных напряжений —б +6 В; сопротивление нагрузки - не менее 2 кОм, Аналого-цифровой преобразователь предназначен для представления аналогового сигнала цифровыми кодами и записи их в оперативную память модуля объемом 4096 слов. Устройство выполнено на базе микросхем ЦАП К572 ПА2А, регистра последовательного приближения К 155 ИРІ7 и операционных усилителей К 544 УД ІА по схеме поразрядного уравновешивания. В состав блока входит также устройство дискретизации входного сигнала, выполненное на аналоговом запоминающем устройстве.