Введение к работе
Актуальность темы. Развитие сложных технических комплексов (информационных, управляющих и других систем, а также систем управления в них) входит в перечень критических технологий развития российской науки ХХІ века. К основным задачам развития техники относятся снижение металлоемкости машин и механизмов, уменьшение расхода конструкционных материалов, выпуск высококачественной техники. Из-за отсутствия необходимого уровня обеспечения методами и средствами автоматических, в том числе на базе средств вычислительной техники, измерений, испытаний, диагностики и соответственно из-за недостаточного уровня качества машин и механизмов все промышленно-развитые страны мира теряют не менее 10% своего национального дохода. Поэтому непрерывно растут расходы на встраивание в сложные технические комплексы средств измерений, испытаний, диагностики, которые достигают 30% и более от затрат на изготовление этих объектов. Важный класс измерительно-преобразовательных задач в сложных технических комплексах - это измерение внутренних переменных механической системы, непосредственно пространственно недоступных.
Теория преобразования механических воздействий (поперечных сил и изгибающих моментов) в системах управления сложными техническими комплексами достаточно хорошо разработана. Большой вклад в эту область знания в интересах прочностных исследований судовых и строительных конструкций, в различных видах испытательного оборудования, в авиационной технике, в автоматизированных системах управления, в весоизмерительной технике и в целом ряде других областей, внесли работы как зарубежных ученых: Э. Баумана, Дж. Ф. Белла, Л. Финкелстайна, R. L. Dybrad, J. F. Garrison, T. C. Hukle; C. Kadlec, E. Laimins,- так и российских: И. П. Сухарева, К. Л. Куликовского, Н. С. Чаленко, В. Л. Гадолина, В. А. Годзиковского, А. С. Вишенкова, А. С. Клюева.
Исследования в области выбора видов преобразователей и их размещения на элементах сложных технических комплексов, осуществленные Н. И. Приго- ровским, А. К. Прейсс, А. А. Масленниковым, В. М. Шейниным позволили в основном решать задачу определения внутренних переменных механической системы по измеренным одному, двум прогибам или углам наклона силовых элементов сложного технического комплекса. При создании первой отечественной бортовой системы стояночного веса и центровки самолета исследовалось определение весовой нагрузки на шасси через стрелу прогиба (индуктивным датчиком линейного перемещения) траверсы тележки шасси. С этой же целью фирма Sundstrand Data Control, США разработала для самолетов A-300, A-310, B-747, B-767 акселерометрические датчики угла наклона траверс.
Однако преобразование механических воздействий в сложных технических комплексах в настоящее время осуществляется недостаточно эффективно как с точки зрения достижения требуемой точности, так и с точки зрения оптимальности ее аппаратной реализации.
Недостаточная точность преобразования определяется большой чувствительностью методов преобразования к условиям силовведения и силораспреде- ления в элементах сложных технических комплексов.
Известны методы преобразования механических воздействий в сложных технических комплексах с доопределением количества преобразований линейных и угловых перемещений до количества начальных условий введением дополнительных преобразований осадки и угла поворота опор (А. Б. Злочевский, Д. Е. Долидзе, И. Л. Корчинский, А. А. Землянский). Эти методы позволяют учесть условия опирания силовых элементов, но обладают повышенной инструментальной погрешностью из-за увеличения количества промежуточных преобразователей.
К тому же в известных методах преобразования механических воздействий в системах управления сложными техническими комплексами не нашел применение математический формализм редукции преобразований от наблюдаемой системы «измеряемый объект - среда - измерительный прибор» к ненаблюдаемой системе «исследуемый объект - среда» на основе теории обратных задач, что позволило бы повысить качество решения преобразовательно- вычислительных задач.
Таким образом в настоящее время существует проблемная ситуация между объективной необходимостью повышения качества преобразовательно- вычислительного канала системы управления сложными техническими комплексами и отсутствием методов, алгоритмов и аппаратных средств, решающих эту задачу с приемлемой аппаратной сложностью.
В связи с вышеизложенным актуальной является научно-техническая проблема повышения качества преобразовательно-вычислительного канала системы управления сложными техническими комплексами в условиях стационарной обстановки.
Научный аспект сформулированной проблемы заключается в:
развитии математической базы вычислительных процедур оптимального размещения преобразователей механических воздействий в сложных технических комплексах;
разработке методов и алгоритмов преобразования механических воздействий и методов обработки выходных сигналов преобразователей с равномерной абсолютной нормой погрешности преобразовательно-вычислительного канала.
Практическая часть проблемы включает разработку преобразователей механических воздействий и инженерно-технических решений, обеспечивающих реализацию преобразовательных и вычислительных элементов и устройств системы управления сложными техническими комплексами и методику выбора группового размещения преобразователей и режима обработки данных измерений на средствах вычислительной техники.
Цель работы - разработка теоретических и реализационных основ построения аппаратных средств преобразования механических воздействий, повышающих качество их преобразования в системах управления сложными техническими комплексами путем создания методов и алгоритмов, а также элементов преобразовательно-вычислительного канала системы управления.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:
-
-
Анализ современного состояния проблемы преобразования механических воздействий в системе управления сложными техническими комплексами и разработка структурной модели преобразовательно-вычислительного канала системы управления.
-
Развитие теоретических основ преобразования механических воздействий с равномерной абсолютной нормой погрешности преобразовательно- вычислительного канала.
-
Разработка методов и алгоритмов преобразования механических воздействий в системах управления сложными техническими комплексами, обеспечивающих:
рациональный выбор измерительных элементов в сложном техническом комплексе и размещения на них датчиков;
реализацию группового размещения датчиков и функционирования в режиме времени, близком к реальному;
редукцию преобразований входных механических воздействий к типовым вычислительным операциям.
Синтез структурно-функциональной организации, алгоритмического обеспечения, аппаратных средств преобразования механических воздействий, возникающих в системах управления сложными техническими комплексами.
Разработка структурно-функциональных схем элементов и устройств преобразовательно-вычислительного канала системы управления.
Экспериментальные исследования качества функционирования элементов преобразования механических воздействий в системах управления сложными техническими комплексами.
Объект исследования: сложные технические комплексы и методы оценки их системных характеристик.
Предмет исследования: аппаратные средства и структурно- функциональная организация преобразовательно-вычислительного канала в системах управления сложными техническими комплексами.
Методы исследования базируются на использовании аппарата вычислительной математики, теорий: сигналов, имитационного моделирования, измерений, проектирования приборов и устройств вычислительной техники.
Научная новизна результатов работы и основные положения, выносимые на защиту, заключаются в:
Развитии теоретических основ преобразования механических воздействий в системах управления сложными техническими комплексами, состоящем в разработке математического базиса основных этапов преобразования механических воздействий в виде совокупности теорем, утверждений, определений и аналитических соотношений.
Разработке математических моделей преобразования механических воздействий в системах управления сложными техническими комплексами, учитывающих:
совместные воздействия внешних нагрузок, конструктивные характери- стики силовых элементов механических конструкций, измерительно- вычислительные параметры;
редукцию измерений и преобразований;
решения начальной и обратных краевых задач;
способы рационального размещения преобразователей механических воздействий с учетом специфики измеряемых величин.
Создании имитационной модели для оценки качества преобразования механических воздействий в сложных технических комплексах, основанной на разработанном математическом базисе процессов преобразования механических воздействий для редукции преобразований к типовым вычислительным операциям.
Разработке метода преобразования механических воздействий, включающего этапы:
выбора измерительных участков на силовых элементах сложного технического комплекса;
рационального размещения преобразователей на измерительных участках;
реализации группового режима функционирования преобразователей в режиме времени, близком к реальному, что обеспечивает повышение качества преобразовательно-вычислительного канала системы управления.
Создании системно-обоснованного алгоритмического обеспечения управления и контроля качества сложного технического комплекса, включающего алгоритмы:
выбора классов и количества преобразователей механических воздействий на основе вычисления декартового произведения множества разнородных преобразователей механических воздействий и координат их размещения;
определения погрешности преобразования, обусловленной нерациональностью размещения преобразователей;
вычисления лагранжевых и эрмитовых коэффициентов, определяющих рациональное распределениие преобразователей.
Синтезе структурно-функциональной организации аппаратных средств преобразования механических воздействий, особенностью которой является:
наличие модулей, включающих элементы сложного технического комплекса и связи между ними;
комбинирование различных промежуточных преобразователей;
эрмитова аппроксимация функций преобразования по двум координатным осям;
рационализация метрического компакта размещения преобразователей вплоть до совмещения функций нескольких преобразователей в одном преобразователе;
введение модулей численного дифференцирования для определения внутренних переменных системы;
наличие технических решений по способам и устройствам преобразования механических воздействий на силовые элементы сложного технического комплекса, высокий технический уровень которых подтвержден 12 охранными
документами на изобретения.
7. Результатах обработки экспериментальных исследований при проведении натурных испытаний преобразователей на физических моделях силовых элементов сложного технического комплекса, а также в вычислительных экспериментах на имитационных моделях, базирующихся на разработанном в работе математическом аппарате.
Практическая ценность результатов диссертационной работы состоит в:
разработке методов и алгоритмов преобразования механических воздействий и методов обработки выходных сигналов преобразователей с равномерной абсолютной нормой погрешности преобразовательно-вычислительного канала;
синтезировании структурно-функциональных схем элементов и устройств на основе средств вычислительной техники;
разработке методики рационального размещения преобразователей на элементах сложной механической конструкции.
Полученные в процессе исследования результаты позволили:
повысить точность определения механических воздействий в сложном техническом комплексе снижением относительной меры структурной погрешности в 1,2 - 5 раз;
повысить чувствительность преобразования измеряемого силового фактора до 3,7 раз;
- уменьшить длину измерительного участка силового элемента в 1,4 раза;
уменьшить количество датчиков на силовом элементе с трех или четырех до одного.
Достоверность и обоснованность полученных в работе научных результатов и выводов подтверждаются корректным использованием математического аппарата, адекватного решаемым задачам, хорошей согласованностью с современными научными представлениями и данными, полученными из отечественных и зарубежных информационных фондов. Обоснованность полученных в работе научных результатов и выводов также подтверждается представительным обсуждением оригинальных исследований по публикациям в научных изданиях и выступлениям на научных конференциях, удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных результатов, опытом практического использования разработок в производственной и научной областях.
Реализация результатов работы.
Исследования по тематике диссертации проводились в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации «Транспортные, авиационные и космические системы», НИР № 01.07.03 ЮЗГУ по гранту № Т00-1.1-3111 Минобразования России.
Разработанные теоретические положения, методы и алгоритмы апробированы при решении конкретных задач и дали положительные результаты в ОАО «Прибор» и ООО «НИФ МИР-СК».
Научно-методические результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс кафедр «Конструирование и технология ЭВС» и «Электроснабжение» по направлениям 210200 - «Проектирование и технология электронно-вычислительных средств» и 220401 - «Мехатроника»в Юго- Западном государственном университете и используются при проведении занятий по дисциплинам «Основы научных исследований и инженерного творчества», «Основы конструирования электронных средств», «Электротехника и электроника», в дипломном проектировании, при подготовке магистерских диссертаций.
Результаты внедрения работы подтверждены соответствующими актами.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Содержание диссертации соответствует пункту 3 «Разработка принципиально новых методов анализа и синтеза элементов и устройств вычислительной техники и систем управления с целью улучшения их технических характеристик» паспорта специальности 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на следующих международных и Российских конференциях: международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении», г. С- Петербург, 2000 г.; V международной конференции-выставке «Промышленные АСУ и контроллеры 2010: от А до Я», г. Москва, 2010 г.; 16 международной научно-технической конференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций», г. Рязань, 2010 г.; международной научно-технической конференции «Численные и аналитические методы расчета конструкций», г. Самара, 1998 г., Российских научно-технических конференциях «Материалы и упрочняющие технологии», г. Курск, 1994, 2003 г.г.; международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии», г. Курск, 1997 г.; международной научно-технической конференции «Материалы и упрочняющие технологии 97», г. Курск, 1997 г.; международных научно-технических конференциях «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации», г. Курск, 1997, 1999, 2003, 2005 г.г.; международных научно- технических конференциях «Медико-экологические информационные технологии», г. Курск, 1998, 1999, 2001 г.г.; на семинаре «Методы и приборы для измерения и воспроизведения силы и момента в приборостроении», г. Пенза, ПДНТП, 1981 г.; на научно-технических конференциях «Вибрационные машины и технологии», г. Курск, 1993, 1995 г.г.; на юбилейной конференции ученых КурПИ, г. Курск, 1994 г.; на научно-практической конференции «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», г. Курск, 1995 г.; на совместных заседаниях кафедр «Вычислительная техника» и «Электротехника и электроника».
Публикации. По теме диссертации опубликованы 62 научные работы. Основное содержание диссертационной работы отражено в монографии, 24 статьях, 14 из которых опубликованы в рецензируемых научных журналах и изданиях, 14 материалах международных и всероссийских конференций, 12 авторских свидетельствах СССР на изобретения.
Личный вклад соискателя. Все выносимые на защиту научные положения разработаны соискателем лично. В основных научных работах по теме диссертации, опубликованных в соавторстве, лично соискателем разработаны: в [13, 14] - метод выделения компонентов сигнала датчика и подавления помех; в [15] - структурно-функциональная организация датчика перемещения и метод преобразования выходных сигналов датчика к линейной функции от входного перемещения; в [21] - метод измерения взаимных угловых перемещений поперечных сечений траверс шасси при определении весовой нагрузки на стойку шасси; в [30] - алгоритм вычисления коэффициентов Лагранжа в обратном методе численного дифференцирования; в [31] - алгоритм вычисления коэффициентов Эрмита в обратном методе численного дифференцирования; в [32] - метод учета нормальной реакции на множество внешних нагрузок в обратной задаче Коши для нагруженного силового элемента; в [33] - обратный метод численного дифференцирования при лагранжевой аппроксимации; в [34] - обратный метод численного дифференцирования при эрмитовой аппроксимации двукратными узлами; в [52] - метод сравнительной оценки точности расчетных методов поперечного изгиба силового элемента и учета граничных условий.
Объем и структура работы определяются общим замыслом и логикой проведения исследований. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения, библиографического списка, содержащего 223 наименования, четырех приложений, изложена на 346 страницах основного машинописного текста, включая 70 рисунков и 25 таблиц.
Похожие диссертации на Методы, алгоритмы и аппаратные средства преобразования механических воздействий в системах управления сложными техническими комплексами
-
