Содержание к диссертации
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ АББРЕВИАТУР 6
ВВЕДЕНИЕ 7
Глава 1. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ НА
КРУТИЛЬНЫХ МАГНИТОУПРУГИХ ВОЛНАХ 15
-
Методология исследований 16
-
Практическое применение МПЛП 17
-
Магнитострикционный преобразователь линейных перемещений как элемент системы управления 17
1.3.1. Систематизация требований к МПЛП в системах
управления тренажеров транспортных средств 22
-
Магнитострикционный преобразователь линейных перемещений как объект управления 24
-
Магнитострикционный преобразователь линейных перемещений как система взаимосвязанных элементов 27
1.5.1. Систематизация требований, предъявляемых
к цилиндрическим акустическим волноводам 28
1.5.2. Систематизация требований, предъявляемых
к демпферам акустического волновода 32
-
Систематизация требований, предъявляемых к акустоэлектрическим преобразователям 34
-
Систематизация требований, предъявляемых к
магнитным элементам позиционирования 37
1.6 Магнитострикционный преобразователь линейных
перемещений как преобразователь энергии 39
-
Задачи проектирования МПЛП 44
-
Выводы по главе 46
Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И
ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ 48
-
Физические основы магнитострикции 49
-
Основные этапы построения математических моделей МПЛП 50
-
Анализ математических моделей магнитострикционных преобразователей линейных перемещений 52
-
Теоретические основы магнитострикции и движение магнитоакустического импульса по акустическому волноводу 64
-
Математическая модель МПЛП как объекта управления 70
-
Построение стохастических математических моделей магнитострикционных преобразователей линейных перемещений 71
-
Общие принципы построения стохастических
математических моделей МПЛП 73
2.8. Выводы по главе 74
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ КОМПЕНСАЦИИ ВНЕШНИХ ВОЗМУЩАЮЩИХ
ВОЗДЕЙСТВИЙ НА МПЛП .77
3.1. Способы и устройства уменьшения влияния внешних
ударных и вибрационных воздействий на МПЛП 77
3.2. Способ и устройство распознавания и детектирования
по критериям максимального правдоподобия
полезных измерительных сигналов 81
3.3. Выводы по главе 92
Глава 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ МПЛП 93
4.1. Методика исследования 93
4.1.1. Обработка экспериментальной информации
с использованием метода дисперсионного
и корреляционно-регрессионного анализа 94
4.2. Исследование и проектирование технологии термомеханической
обработки холоднотянутых проволок из ферромагнитных
сплавов для нового поколения МПЛП 98
4.3. Исследование затухания магнитоупругих крутильных волн в
ферромагнитной проволоке после ее термомеханической обработки... 103
-
Технология изготовления постоянных магнитов для элемента позиционирования и исследование их характеристик 108
-
Исследование выходных характеристик линейного акустического осциллятора измерительного
преобразователя МПЛП 109
-
Исследование влияния дискретных сред на выходные характеристики измерительного преобразователя 112
-
Исследование характеристики нелинейности МПЛП 114
-
Исследование характеристики нелинейности электрогидравлического привода
тренажера транспортных средств.. 115
4.9. Исследование влияния температурных воздействий на выходные
характеристики измерительного преобразователя 118
4.10. Исследование влияния ударных и вибрационных воздействий
на выходные характеристики измерительного преобразователя 118
4.11. Выводы по главе 119
Глава 5. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ МПЛП ДЛЯ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ 122
5.1. Примеры практической реализации МПЛП
и его составных частей 123
-
Проектирование технологии изготовления цилиндрических акустических волноводов 124
-
Проектирование технологи изготовления демпферов
для акустических волноводов 124
5.1.3. Проектирование технологии изготовления
акустоэлектрических преобразователей 128
' .5
5.1.4. Проектирование технологии изготовления
магнитных элементов позиционирования 130
-
Проектирование измерительных преобразователей 132
-
Проектирование формирователя импульсов
тока возбуждения 134
-
Проектирование формирователей эталонных временных сигналов и измерителей временных интервалов 140
-
Проектирование прецизионных помехоустойчивых импульсных усилителей токовых сигналов 140
5.2. Примеры практического использования МПЛП 145
5.2.1. Магнитострикционный преобразователь линейных
перемещений как объект управления техническими
или технологическими процессами 145
-
Практические рекомендации по применению МПЛП .146
-
Проектирование нестандартных контрольно-измерительных установок 149
-
Компенсация дестабилизирующих факторов 150
5.3. Систематизация и сравнение характеристик проектируемых
МПЛП на крутильных магнитоупругих волнах 153
5.4. Выводы по главе 155
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 157
ЛИТЕРАТУРА 159
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Экспериментальные данные и результаты построения
математических моделей 174
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Акты внедрения результатов
диссертационной работы 223
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ АББРЕВИАТУР
АДУ - адаптирующие и демпфирующие устройства;
АПН - адаптер продольной нагрузки;
АРН - адаптер радиальной нагрузки;
ВВВ - внешнее возмущающее воздействие;
ВП - вторичный преобразователь;
ВДФ - внутренние дестабилизирующие факторы;
ДАВ - демпфер акустического волновода;
ДС - динамический стенд;
ИС - измерительный сигнал;
РІП - измерительный преобразователь;
ЛАО - линейный акустический осциллятор;
МУВ - магнитоупругая волна;
ММ - математическая модель;
МПЛП - магнитострикционный преобразователь линейных перемещений;
МС - мешающий сигнал;
МСМ - магнитострикционный материал;
ННП - несинхронные нестационарные помехи;
ПАЭ - преобразователь акустоэлектрический;
ПИС - полезный измерительный сигнал;
ПП - первичный преобразователь;
РЗО - рабочая зона обзора;
СДЦД - система дискретных центрирующих демпферов;
СУ - система управления;
ТТС - тренажер транспортного средства;
ЦАВ - цилиндрический акустический волновод;
ЭО - элементарный объем;
ЭПМ - элемент позиционирования магнитный.
Введение к работе
Надежность, технические и метрологические характеристики систем управления (СУ) во многом определяются уровнем развития датчиковой аппаратуры, обеспечивающей непрерывное измерение и контроль физических параметров, и преобразование этих параметров в унифицированные электрические сигналы [28 - 31, 56, 64, 92,138].
Значительную часть преобразователей измерительной информации, составляют преобразователи линейных перемещений. Важное место среди них принадлежит магнитострикционным преобразователям линейных перемещений (МПЛП), работа которых может основываться на сочетании физических эффектов Джоуля - Виллари, Видемана - Джоуля - Виллари, Видема-на - Виллари или Видемана - Вертгейма [29 - 32, 49, 61, 62, 68, 76, 79, 82, 83, 95, 134, 135, 148 - 150, 156, 157, 162, 164, 167 - 171, 173, 174]. Указанные преобразователи широко используются в составе прецизионных гидравлических приводов тренажеров транспортных средств (ТТС), в робототехниче-ских комплексах, в испытательных стендах, в технологических установках для сертификационных испытаний динамических систем, в игровых и развлекательных аттракционах, в информационно-измерительных системах механообработки [62, 106, 130, 168,169] и т.д.
Наиболее значительное развитие получили преобразователи, основанные на последних двух эффектах, которые имеют следующие достоинства: низкие массогабаритные размеры; отсутствие трущихся механических частей и подвижных электрических проводников в конструкции измерительного преобразователя (ИП); высокую износостойкость и долговечность; относительную устойчивость к ударным, температурным, вибрационным, механическим и другим воздействиям окружающей среды.
Мировыми лидерами в исследованиях, разработке и производстве МПЛП являются крупнейшие фирмы-производители: MTS Systems Corporation Sensors Division (США); MTS Sensor Technologie GmbH & Co. KG (Гер- мания); MTS Sensors Technology Corporation Ushikubo Bldg. (Япония) [168, 173]; Balluff Inc. (США, Германия) [169, 174] и др. К недостаткам преобразователей этих фирм следует отнести высокую стоимость, сложность конструкции и технологии изготовления ИП, а также ограниченный диапазон рабочих температур (минус 40...+105 С) [168, 169]. Но следует заметить, что основные технические и эксплуатационные характеристики данного класса преобразователей на сегодняшний день являются лучшими в мире.
В исследованиях, разработке и производстве МПЛП лидирующее положение занимают научные и производственные коллективы Российской Федерации, такие как ФГУП НИИФИ (г. Пенза) [135], ФГУП ПКБМ (г. Пенза) [134], ЗАО НТФ НОВИНТЕХ (г. Королев, Московская область) [149], НЛП СЕНСОР (г. Заречный, Пензенская область) [150]. Лучшие отечественные преобразователями в сравнении с зарубежными аналогами при более простой конструкции ИП имеют более низкие метрологические и эксплуатационные характеристики [134].
Над повышением технических и эксплуатационных характеристик МПЛП на различных физических эффектах занимались известные ученые: Э.А. Артемьев [29 - 32], А.И. Надеев [82, 83], СБ. Демин [61, 62], О.Н. Петрищев и А.П. Шпинь [95], М.А. Ураксеев [148], В.Х. Ясовеев [162] и др.
Характерная особенность современного этапа развития МПЛП - это наличие противоречий между значительным объемом накопленных знаний в данной предметной области, разнородностью и сложностью исследований по отдельным типам преобразователей на'основе известных методов, а также большим количеством предлагаемых технических, технологических и алгоритмических решений, направленных на улучшение определенных характеристик преобразователей. Известные конструкции МПЛП не отвечают современным требованиям, предъявляемым к преобразователям, входящим в состав СУ ТТС, что и обуславливает актуальность проблемы развития теории и практики их создания.
Разрешение перечисленных противоречий лежит на пути поиска новых подходов к исследованию МПЛП, развитию, совершенствованию и разработке новых методов анализа и синтеза данного класса магнитострикцион-ных преобразователей. Основным преимуществом отечественных преобразователей перед зарубежными аналогами является простота конструктивного выполнения ИП, отсутствие промежуточных магнитоакустических каналов передачи информации, возможность удаления электронного усилительного каскада от источника сигнала обмотки акустоэлектрического преобразователя на определенное расстояние. Использование этого преимущества для дальнейшего развития, и совершенствования МПЛП, позволяет значительно повысить их надежность, технологичность, и быстродействие, а также возможность нормального их функционирования в широком температурном, ударном и вибрационном диапазоне, в агрессивных средах.
Предмет исследования - теоретические и экспериментальные исследования МПЛП на крутильных волнах с использованием эффектов Видемана - Вертгейма для работы в специальных условиях эксплуатации.
Цель работы и задачи исследования. Цель диссертационной работы -теоретические и экспериментальные исследования по совершенствованию и созданию МПЛП, работающих в специальных условиях эксплуатации. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
Выявление факторов, ограничивающих применение известных ИП в специальных условиях эксплуатации, системный анализ перспективных путей совершенствования МПЛП.
Разработка математических моделей (ММ), позволяющих оценить метрологические и эксплуатационные характеристики МПЛП.
Исследование и систематизация способов нейтрализации внешних возмущающих воздействий на работу МПЛП, разработка способов и устройств уменьшения влияния этих воздействий на работу преобразователя.
Исследование и разработка конструктивных и технологических способов улучшения эксплуатационных и метрологических характеристик МПЛП.
Разработка специализированных экспериментальных установок и методики проведения комплексных исследований по оценке и обоснованию технико-экономических и эксплуатационных характеристик МПЛП.
Экспериментальные исследования МПЛП в составе СУ ТТС, работающих в нормальных и специальных условиях.
Внедрение МПЛП и результатов теоретических и экспериментальных исследований в промышленность и учебный процесс.
Методы исследования. Решение указанных задач осуществлялось с использованием методов системного анализа, теории управления, теории вероятностей и математической статистики, цифровой и аналоговой обработки сигналов.
На защиту выносятся..
Результаты анализа и систематизации факторов, ограничивающих применение известных МПЛП в специальных условиях эксплуатации.
Результаты системного анализа МПЛП, как элемента СУ, как системы взаимосвязанных элементов и как объекта управления.
Конструкторско-технологические и схемотехнические способы нейтрализации возмущающих воздействий, способы уменьшения массогаба-ритных размеров, увеличения рабочей зоны обзора, повышения линейности, виброустойчивости, термоустойчивости МПЛП, результаты исследования режимов формирования крутильных волн в акустическом волноводе. .4. Экспериментальные установки, разработанные для проведения комплексных исследований МПЛП и его составных частей, а также оценка качества работы системы управления с МПЛП.
5. Оригинальные конструкции ИП, его составные части для работы в нормальных и специальных условиях. Научная новизна.
Выявлены и систематизированы факторы, ограничивающие применение МПЛП в специальных условиях эксплуатации.
Предложена, обоснована и экспериментально подтверждена техноло- гия термомеханической обработки ферромагнитных проволок, обеспечивающая проведение в процессе их обработки непрерывного контроля магни-тоупругих характеристик акустического волновода.
Предложены и обоснованы способы уменьшения массогабаритных характеристик, расширения диапазона измерений, повышение линейности, виброустойчивости и термоустойчивости ИП за счет оптимизации конструкций элементов, введения демпфирующих и адаптирующих устройств, технологии термомеханической обработки ферромагнитных проволок, параметров импульсов тока возбуждения в линейном акустическом осцилляторе.
Предложен и обоснован способ локализации помех путем распознавания полезных измерительных сигналов по критерию максимального правдоподобия на каждом цикле измерения перемещений для принятия решений о формировании сигналов «запрещенный-прием» и «окна детектирования» во временной области между периодически повторяемыми полезными сигналами.
Разработаны и обоснованы требования к экспериментальным установкам и методика для проведения на них комплексных исследований составных частей МПЛП, дана оценка качества работы СУ с МПЛП.
Практическую ценность имеют:
Методика системного анализа МПЛП в составе СУ ТТС, позволяющая осуществлять проектирование преобразователя по заданным техническим характеристикам в специальных условиях эксплуатации.
Технология термомеханической обработки ферромагнитных проволок, обеспечивающая проведение в процессе их обработки непрерывный контроль магнитоакустических характеристик акустического волновода.
Оригинальные конструкции составных частей МПЛП: магнитного элемента позиционирования (ЭПМ), акустоэлектрического преобразователя (ПАЭ), демпферов акустического волновода (ДАВ), цилиндрического акустического волновода (ЦАВ), линейного акустического осциллятора (ЛАО), адаптирующих и демпфирующих устройств (АДУ), ИП, вторичного преобразователя (ВП), устойчивых к температурным, ударным, вибрационным, элек- тромагнитным, акустическим, агрессивным и другим воздействиям.
Результаты исследования режимов формирования магнитоупругих волн в ЦАВ. Способ локализации помех путем распознавания полезных измерительных сигналов по критерию максимального правдоподобия на каждом цикле измерения перемещений для принятия решений о формировании сигналов «запрещенный прием» и «окна детектирования» во временной области между периодически повторяемыми полезными сигналами.
Разработанные экспериментальные установки, методики исследований МПЛП и его элементов, а также методика, оценки качества работы СУ ТТС, работающего в специальных условиях.
Реализация и внедрение результатов исследований. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора внедрены на ряде промышленных предприятий и организаций.
ПКБМ (г. Пенза): в линейных приводах ДС имитатора акселерацион-ных эффектов (ДЛП-1000, ДЛП-1500 с диапазонами преобразования 1000 и 1500 мм); линейных приводах в системе моделирования тактильно-кинестетических ощущений на органах управления имитируемого транспортного средства (ДЛП-50 с диапазоном преобразования 50 мм); технологиях изготовления и проверки МПЛП на соответствие ТУ. «НИИ физических измерений» (г. Пенза): в опытном образце системы измерения линейных перемещений С072.
Московский центральный парк культуры и отдыха им. М. Горького (развлекательный комплекс «Экспедиция во Вселенную»): в узлах обратных связей прецизионных гидравлических приводов ДС; системе непрерывного контроля параметров перемещения ДС.
Инженерно-производственная компания ООО ИПК (г. Пенза): в системе контроля и управления тренажером ТМ-2, используемым для переподготовки специалистов энергетических предприятий.
Пензенская государственная технологическая академия (ПГТА): в учебном процессе при проведении лекционных, лабораторных, курсовых работ и дипломном проектировании; управляемом комплексе сетевых автоматизированных лабораторий имитатора тепловой электрической станции по комплексу общетехнических и специальных дисциплин на кафедре «Автоматизация и управление» для измерения уровней жидкости в СУ агрегатов имитируемых объектов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на IV Всероссийской научно-методической конференции «Тренажеры и компьютеризация профессиональной подготовки» (Москва, 1994); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2002);. I Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии и системы в науке, образовании, промышленности» (Пенза, ПГТА, 2005); всероссийских научно-технических конференциях «Проблемы технического управления в энергетике» (Пенза, 2003, 2005, 2006); международных научно-технических конференциях «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров» и «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» (Пенза, 1998,2002).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 30 научных работ, получено 13 авторских свидетельств СССР и 1 патент РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и двух приложений. Основное содержание работы изложено на 173 страницах машинописного текста,, содержащих 24 таблицы, 49 рисунков. Список литературы содержит 175 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Первая глава диссертации отражает комплексные исследования МПЛП на базе системного, энергетического и кибернетического подходов. Преобразователь представлен как элемент СУ, как система взаимосвязанных элементов, как объект управления. Среди основных воздействий выделены как наиболее значимые следующие факторы: температурные, вибрационные, ударные, механические, электромагнитные, акустические, агрессивные среды, линейные и угловые ускорения по трем осям координат.
В качестве основных направлений повышения технических характеристик преобразователей рассматривались технологическое, конструктивное и схемотехническое.
Вторая глава направлена на решение проблемы создания математических основ исследования и проектирования МПЛП. Исследуются математические модели МПЛП на основе энергетического, информационно-алгоритмического и кибернетического подходов.
В третьей главе рассмотрены основные алгоритмы компенсации «паразитных» сигналов в сложной помехошумовой обстановке и способы обнаружения полезных измерительных сигналов (ПИС) на фоне помех в МПЛП. Рассмотрены разработанные способы и.устройства, обеспечивающие работу преобразователей в специальных условиях эксплуатации.
В четвертой главе решается задача разработки методики проведения экспериментов, программных и технических средств исследования МПЛП и его составных частей в специальных условиях эксплуатации. Обработка экспериментальных данных проводилась на базе дисперсионного и корреляционно-регрессионного анализа с использованием методов структурно-параметрического синтеза ММ.
Пятая глава посвящена разработке методики проектирования преобразователя по функциональным, технологическим, экономическим и антропологическим критериям. Разработаны конструкции измерительных преобразователей МПЛП под конкретные технические системы. Составлены практические рекомендации по применению МПЛП в системах контроля и управления.
В заключении перечислены основные результаты работы.
