Введение к работе
Актуальность темы. Научные исследования технологии магнитоплазменных ускорителей (МПУ) отражены во многих трудах отечественных и зарубежных ученых (Арцимович Л.А., Велихов Е.П., Галанин П.П., Глухих В.А., Дробышевский Е.М., Лотоцкий А.П., Полтанов А.Е, Рутберг Ф.Г., Терентьев В.Г., Школьников Э.Я. и др., Batten J.H, Deadrick F.D., Fowler C.M., Hawke R.S., Marshall R.A., Peterson O.R., Usuba S. и др.).
Во многих направлениях прикладного применения МПУ возникает задача обеспечения стабильности выходной скорости разгоняемых тел на участке внутренней баллистики, то есть в канале МПУ, и регламентации, таким образом, определенного паспортного значения скорости разгона для конкретного ускорителя. Следовательно, в этом случае речь идет об управляемом разгоне, для чего необходимо в режиме реального времени контролировать скорость тела.
Исследование эффективных технологий управляемого разгона отражено в трудах ученых Института прикладной механики и электродинамики МАИ и ЦНИИ Машиностроения Азанова И.Б., Александрова В.А., Обыденникова С.С., Тютина В.К., Хрусталева М.М, Юдаса В.И.
В течение последних 20 лет, сначала в Особом конструкторско-технологическом бюро “Старт” (г. Новочеркасск, Ростовской обл.), а затем в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) ведутся научные исследования по созданию методов и средств контроля скорости движения плазмы для информационно-измерительных и управляющих систем МПУ. В трудах Кириевского Е.В., Михайлова А.А., Кириевского В.Е., посвященных этим исследованиям, предложены, научно обоснованы и синтезированы такие методы и технические средства контроля скорости движения плазмы, которые, в отличие от известных в мировой практике ранее, позволяют получать в процессе разгона информацию не только о средней, но и о мгновенной скорости перемещения контролируемого плазменного поршня (ПП). Очевидно, что переход от контроля средней скорости к контролю ее мгновенных значений позволил существенно повысить точность управления МПУ.
Однако известные методы и устройства контроля скорости разгона требуют учета труднопрогнозируемых нестационарных случайных параметров, в частности – продольной длины ПП. Для расчета упомянутых коэффициентов необходимо использовать сложные и неточные имитационные модели движения ПП в МПУ, что приводит к снижению точности измерения скорости и управления МПУ. В диссертационной работе предложено решение этой проблемы путем разработки новых методов и устройств контроля скорости разгона, инвариантных к слабопрогнозируемым параметрам МПУ, в частности – продольной длине ПП. Это позволяет вместо использования сложных и неточных имитационных моделей МПУ ограничиться применением гарантированного подхода на базе принципа “наихудшего случая” с учетом только крайних – максимального и минимального возможных значений длины ПП. Как показано в диссертации, реализация этой цели возможна при одновременном использовании первичных магнитометрических преобразователей двух типов. Речь идет о преобразователях, основанных на индукционном и гальваномагнитном эффектах – индукционных датчиках (ИД) и датчиках Холла (ДХ). Известные же устройства предполагают применение преобразователей одного типа: либо ИД, либо ДХ.
В диссертационной работе разрабатывается и исследуется методы и устройства комбинированного индукционно-гальваномагнитного контроля скорости разгона тела в МПУ, обладающие свойством робастности к колебаниям продольной длины ПП, что позволяет отказаться от использования сложных имитационных моделей МПУ, отображающих эти колебания, в пользу простых моделей, информирующих о границах диапазона изменения продольной длины ПП.
Актуальность темы подтверждается ее поддержкой Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ): грант 08-08-00667-а 2008 года по проекту “Разработка основ теории и методов проектирования систем автоматического контроля параметров движения плазмы в магнитоплазменных электродинамических ускорителях с управляемым разгоном”; грант 08-08-01812 2008 года “Создание материально-технической базы для экспериментального подтверждения результатов исследований по разработке теории и методологии проектирования систем автоматического контроля параметров движения плазмы в магнитоплазменных электродинамических ускорителях с управляемым разгоном”.
Тема исследований выполнялась в соответствии с “Перечнем критических технологий Российской Федерации”, утвержденным Президентом Российской Федерации 21.05.06 г. № Пр-842 (раздел “Технологии обработки, хранения, передачи и защиты информации”), по научному направлению ЮРГТУ (НПИ) “Теория и принципы построения информационно-измерительных систем и систем управления”, утвержденному ученым советом университета от 25.01.03 г., а также в соответствии с НИР № 1.1.09 “Развитие теории автоматического контроля параметров движения плазмы в гиперскоростных магнитоплазменных электродинамических ускорителях с управляемым разгоном (фундаментальное исследование)”, включенной в Тематический план госбюджетных НИР ЮРГТУ (НПИ) в рамках Аналитической ведомственной целевой программы Минобрнауки “Развитие потенциала высшей школы РФ (мероприятие 1)” на 2009-2010 гг.
Целью диссертационной работы является создание методов и устройств контроля скорости разгона тел для систем управления МПУ, инвариантных к слабопрогнозируемым случайным параметрам МПУ, что позволит повысить точность измерения скорости ПП и управления разгоном тела.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены задачи по разработке:
1. Алгоритма управления разгоном тел в МПУ.
2. Нового базового метода контроля скорости разгона тел в МПУ, обеспечивающего повышение помехозащищенности УКС.
3. Нового метода и устройства комбинированного индукционно-гальваномагнитного контроля скорости разгона тел в МПУ, позволяющего повысить точность измерения скорости движения ПП при управлении разгоном.
4. Метода коррекции в режиме реального времени функции преобразования сигналов двух датчиков, обеспечивающего повышение точности измерения скорости движения ПП при управлении разгоном тел в МПУ.
5. Метода снижения методической погрешности измерения скорости движения ПП при управлении разгоном тел в МПУ, обусловленной неинформативной составляющей сигналов ИД.
6. Алгоритма и компьютерной программы вычислительного эксперимента по определению метрологических характеристик новых методов контроля скорости разгона тел в МПУ.
7. Устройства комбинированного индукционно-гальваномагнитного контроля скорости разгона тел на базе набора модульных приборов с использованием интерфейса NI-PXI.
Методы исследования и достоверность результатов. Методология диссертационного исследования основана на сочетании теоретического анализа и вычислительного эксперимента. При анализе использовались методы теории дифференциального и интегрального исчисления, математического анализа, теории электрических и магнитных цепей, теории электромагнитного поля, метрологии. Для вычислительного эксперимента применялись теория алгоритмов и программ.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждается применением фундаментальных законов теории электромагнитного поля, теории электрических и магнитных цепей, методов математического анализа, теории алгоритмов и программ, метрологии; корректным применением математического аппарата при выводе аналитических выражений; подтверждением теоретических положений результатами вычислительного эксперимента; критическим обсуждением результатов диссертации с ведущими специалистами в области техники контроля параметров движения и техники МПУ на Всероссийских и международных научных конференциях.
На защиту выносятся:
1. Базовый метод контроля скорости разгона тел в МПУ, основанный на использовании функции преобразования сигналов двух ИД в виде геометрического усреднения значений их сигналов на определенных интервалах, что обеспечивает повышение помехозащищенности УКС за счет замещения традиционной операции дифференцирования операцией измерения тока в цепи ПП.
2. Метод и устройство комбинированного индукционно-гальваномагнитного контроля скорости, основанные на одновременном применении датчиков двух типов и использовании двух функций преобразования сигналов пары датчиков каждого типа в виде геометрического усреднения значений сигналов каждой пары с последующим формированием логометрической функции двух упомянутых функций преобразования, что позволяет повысить точность измерения скорости движения ПП при управлении разгоном тел в МПУ за счет обеспечения инвариантности результатов измерения к слабопрогнозируемому случайному параметру – продольной длине ПП.
3. Метод коррекции в режиме реального времени функции преобразования сигналов двух датчиков, основанный на использовании экспоненциальной аппроксимации функций этих сигналов на определенных интервалах и применении дополнительного датчика положения, что обеспечивает повышение точности измерения скорости движения ПП при управлении разгоном тел в МПУ за счет введения обратной информационной связи по координате ПП.
4. Метод снижения методической погрешности измерения скорости движения ПП при управлении разгоном тел в МПУ, основанный на введении в реальном времени поправок к значениям сигналов ИД, рассчитываемых по значениям сигналов дополнительных ДХ, что позволяет скомпенсировать неинформативную составляющую в сигналах ИД.
5. Алгоритм и компьютерная программа вычислительного эксперимента по определению метрологических характеристик новых методов контроля скорости разгона тел в МПУ.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. На основе сравнительного метрологического анализа предложен и исследован алгоритм управления разгоном тел в МПУ, заключающийся в определении момента времени выдачи командного сигнала исполнительному устройству системы управления МПУ на основе непрерывной информации о мгновенной скорости тела на определенном участке и с учетом инерционности исполнительного устройства.
2. На основе исследования особенностей формы сигналов ИД, возмущаемых движущимся ПП, предложена функция преобразования сигналов двух датчиков в виде геометрического усреднения значений их сигналов на определенных интервалах, в результате чего предложен, обоснован и запатентован новый базовый метод контроля скорости разгона тел в МПУ, позволяющий повысить помехозащищенность УКС за счет замещения традиционной операции дифференцирования операцией измерения тока в ПП.
3. Впервые выполнено сравнительное исследование влияния на сигналы датчиков различных типов вариаций продольной длины ПП. На основе этого анализа предложен, теоретически обоснован и запатентован новый метод комбинированного индукционно-гальваномагнитного контроля скорости разгона тел в МПУ. При этом впервые предлагается одновременное применение датчиков двух типов и использование двух функций преобразования сигналов пары датчиков каждого типа в виде геометрического усреднения значений сигналов каждой пары с последующим формированием логометрической функции двух упомянутых функций преобразования. Это позволяет повысить точность измерения скорости движения ПП при управлении разгоном тел в МПУ за счет обеспечения инвариантности результатов измерения к слабопрогнозируемому случайному параметру – продольной длине ПП.
4. Предложен, обоснован и запатентован новый метод коррекции в режиме реального времени функции преобразования сигналов двух датчиков, основанный на использовании экспоненциальной аппроксимации функций этих сигналов на определенных интервалах и применении дополнительного датчика положения, что обеспечивает повышение точности измерения скорости движения ПП при управлении разгоном тел в МПУ за счет введения обратной информационной связи по координате ПП.
5. Предложен и обоснован метод снижения методической погрешности измерения скорости движения ПП при управлении разгоном тел в МПУ, основанный на введении в реальном времени поправок к значениям сигналов ИД, рассчитываемых по значениям сигналов дополнительных ДХ, что позволяет скомпенсировать неинформативную составляющую в сигналах ИД.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
1. Разработана инженерная методика метрологического анализа алгоритмов управления разгоном тел в МПУ, основанная на использовании параметров, связанных с номинальными кинематическими характеристиками процесса разгона и номинальным временем задержки срабатывания исполнительного устройства, а также коэффициентов возможного относительного отклонения этих параметров от своих номинальных значений.
2. Разработано устройство контроля скорости разгона тел для систем управления МПУ на базе предложенных новых методов контроля скорости с использованием интерфейса NI PXI, применением крейтовой измерительной станции производства компании National Instruments с контроллером и операционной средой Real-time и набором модульных приборов, что позволило упростить проектирование и сборку устройства контроля скорости за счет использования метода компоновочного проектирования.
3. Разработана в среде графического программирования LabVIEW 8.5 компьютерная программа вычислительного эксперимента по контролю скорости разгона тел в МПУ, что позволяет на стадии проектирования УКС для систем управления МПУ обойтись без натурных экспериментов на дорогостоящих электрофизических установках.
4. Результаты диссертационной работы использованы в НИР, выполненной по гранту Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) 08-08-00667-а 2008 года по проекту “Разработка основ теории и методов проектирования систем автоматического контроля параметров движения плазмы в магнитоплазменных электродинамических ускорителях с управляемым разгоном”, в учебном процессе ЮРГТУ (НПИ) в виде разделов курсов лекций “Информационно-измерительные системы”, при выполнении дипломных проектов по направлению 200100 “Приборостроение” и специальности 20010665 “Информационно-измерительная техника и технологии”, а также приняты к использованию в научно-исследовательских разработках Национального ядерного университета (МИФИ) и Всероссийского НИИ электровозостроения.
Новизна и практическая ценность результатов диссертационных исследований подтверждена полученными 5 патентами РФ на изобретения.
Апробация диссертации. Результаты работы докладывались и обсуждались на: международной научно-технической конференции “Измерение, контроль, информатизация” (г. Барнаул, 2000), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск, 2000, 2001), международных научно-практических конференциях “Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики” (г. Новочеркасск, 2000, 2001), IV научно-технической конференции “Новые технологии управления движением технических объектов” (г. Новочеркасск, 2001), на международной научно-технической конференции “Интеллектуальные системы – IEEE AIS’04” (п. Дивноморское, 2004), XV, XVI и XXII международных научных конференциях “Математические методы в технике и технологиях” (г. Тамбов, 2002, г. Ростов-на-Дону, 2003, г. Псков, 2009).
Публикации по теме диссертации. По результатам исследований опубликовано 19 печатных работ, в том числе 14 научных публикаций (из них 5 – в журналах, рекомендованных ВАК), получено 5 патентов РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Она содержит 162 стр. основного текста, 78 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 108 наименований и 3 приложения.
Личный вклад автора. Автором сформулированы идеи защищаемых методов и устройств контроля скорости разгона тела для систем управления МПУ. При его непосредственном участии разработаны запатентованные алгоритмы и технические средства, реализующие полученные научные результаты. Выполненные в соавторстве работы подчинены предложенным автором основным идеям и принципам контроля скорости.
