Введение к работе
Актуальность темы. Достижение высокого качества продукции связано с контролем многочисленных параметров технологического процесса и соответствующей их коррекцией. Это подтверждается тем, что трудоёмкость контроля составляет более 15 % трудоёмкости всего общественного производства. Данная задача решается системами управления технологическими процессами (СУТП). Эффективность применения СУТП определяется точностью преобразований контролируемых параметров в информативные и управляющие сигналы в условиях интенсивного воздействия многофакторных возмущений.
Следовательно, одной из проблем повышения эффективности СУТП является проблема коррекции дополнительных погрешностей, возникающих из-за действия различного характера и интенсивности возмущающих факторов (ВФ).
Решение данной проблемы осуществляется по двум основным направлениям. Одно из них связано с совершенствованием узлов и элементов СУТП, второе направление определяется поиском оптимальных структур и алгоритмов обработки сигналов в СУТП. Оба направления развивались и продолжают развиваться, взаимно обогащая друг друга. Как показывает практика, только сочетание исследований по обоим направлениям позволяет добиться необходимой точности и надёжности современных СУТП.
Однако второе направление обладает более широкими возможностями, так как структурные методы коррекции погрешностей позволяют учесть влияние ВФ не только на отдельные блоки СУТП, но и на контролируемые и варьируемые параметры технологического процесса. Фундаментом исследований структурных методов коррекции погрешностей и синтеза соответствующих СУТП является теория инвариантности систем управления и теория чувствительности.
Введение в СУТП инвариантных аналоговых преобразователей значительно уменьшает влияние ВФ. Наличие средств вычислительной техники в СУТП позволяет использовать достаточно сложные и эффективные алгоритмы численной обработки сигналов и значительно увеличить точность структурных методов коррекции погрешностей.
Сохранение высокой точности СУТП, при увеличении диапазонов изменений контролируемых параметров и расширении условий эксплуатации, требует учёта нелинейности характеристик преобразователей указанных параметров в электрические сигналы и нелинейности дополнительных отклонений характеристик.
Обзор научно-технической литературы показывает, что известные методы и средства инвариантных преобразований не исчерпывают потенциальных возможностей направления. Одной из причин является недостаточность теоретических разработок по методологии синтеза инвариантных структур и алгоритмов коррекции влияния многофакторных возмущений.
Особенно ярко данная проблема проявляется в датчиках и параметрических преобразователях, которые эксплуатируются в наиболее жёстких условиях и подвержены максимальному влиянию ВФ. Выходные параметры датчиков реагируют не только на изменение контролируемого воздействия, но и на многие другие воздействия. Это обусловлено физическими эффектами, которые используются в датчиках. Принципиально невозможно создать датчик, который реагирует только на полезное воздействие. Нелинейность физических эффектов ограничивает рабочую область характеристик датчиков, а воздействие возмущений приводит к нелинейным дополнительным отклонениям характеристик. Исключить влияние возмущений на датчик можно только с помощью последующих преобразований.
Решение проблемы коррекции влияния многофакторных возмущений, создающих нелинейные дополнительные отклонения характеристик СУТП, является актуальной научно-технической задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Цель работы. Синтез структурно-алгоритмических методов и средств инвариантных преобразований контролируемых параметров и сигналов для СУТП, работающих в условиях воздействия многофакторных возмущений.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи.
-
Разработка метода синтеза двухканальных сжимающих отображений.
-
Исследование общей нелинейной математической модели двух-канального инвариантного преобразователя.
-
Синтез структур двухканальных инвариантных преобразователей с амплитудной, частотной и фазовой модуляцией выходного сигнала.
-
Разработка нелинейной математической модели влияния многофакторных возмущений.
-
Исследование численных алгоритмов коррекции нелинейной многофакторной дополнительной погрешности канала преобразования и нелинейных взаимных дополнительных погрешностей в многоканальных системах.
-
Разработка алгоритма парирования влияния многофакторных возмущений путём коррекции входного сигнала канала преобразования.
-
Создание и практическое применение инвариантных параметрических преобразователей и численных алгоритмов коррекции влияния многофакторных возмущений.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы аппроксимаций, теория измерительных преобразователей, теория чувствительности систем управления, теория инвариантности, теория вероятности, методы параметрического и структурного синтеза, теория погрешностей, имитационное моделирование на ПЭВМ и экспериментальные методы исследований.
Научную новизну диссертации определяют следующие основные результаты.
-
Предложен и теоретически обоснован метод синтеза сжимающих отображений в виде двух последовательных преобразований, первое из которых является сжимающим преобразованием, а второе нелинейным отображением результата сжатия.
-
Разработан метод контрольного значения для синтеза двухканальных сжимающих преобразований.
-
Разработаны нелинейные математические модели двухканальных преобразователей и получены условия их инвариантности.
-
Предложен метод синтеза структур инвариантных преобразователей с амплитудной, частотной и фазовой модуляцией выходного сигнала.
-
На основе разработанных математических моделей инвариантных преобразователей предложен способ синтеза численных алгоритмов коррекции нелинейной многофакторной дополнительной погреш-
ности канала преобразования и нелинейных взаимных дополнительных погрешностей в многоканальных системах,
6. Разработан численный алгоритм коррекции входных сигналов с целью парирования влияния на канал преобразования многофакторных возмущений.
Новизна метода синтеза сжимающих отображений и разработанных структур инвариантных преобразователей подтверждена авторскими свидетельствами на изобретения.
Практическая ценность.
Разработаны методы проектирования и опытные образцы двухка-нальных инвариантных преобразователей с амплитудным частотным и фазовым выходами, которые работают в режимах дифференциальных каналов, параллельных каналов, основного и компенсационного каналов. Условия инвариантности преобразователей выполняются при симметричных и асимметричных нелинейных характеристиках каналов и нелинейных дополнительных отклонениях характеристик.
Разработаны универсальные численные рекуррентно-итеративные алгоритмы коррекции многофакторных нелинейных дополнительных погрешностей в многоканальных системах преобразования контролируемых координат. Приведены методики определения коэффициентов алгоритмов.
Предложены методики аппроксимаций дробно-линейными функциями и дробно-линейным сплайном семейств нелинейных характеристик, методики линеаризации и преобразования характеристик, которые отличаются простотой и технологичностью.
Разработаны численные алгоритмы коррекции температурной дополнительной погрешности микропроцессорных приборов активного и послеоперационного размерного контроля деталей, которые работают в системах управления шлифовальными станками на предприятии АО АВТОВАЗ.
На защиту выносятся:
-
Метод синтеза двухканальных сжимающих отображений для моделирования инвариантных преобразований.
-
Математические модели двухканальных инвариантных преобразователей на базе сжимающих отображений.
3. Структуры двухканальных инвариантных преобразователей
электрических сигналов.
4. Структуры инвариантных частотных и фазовых параметриче
ских преобразователей, условия их инвариантности относительно
внешних возмущений.
-
Рекуррентно-итеративные алгоритмы численной коррекции многофакторной нелинейной дополнительной погрешности и численной коррекции взаимных дополнительных погрешностей в многоканальных системах.
-
Рекуррентный алгоритм коррекции входного сигнала каналов без доступа к выходу, работающих в условиях интенсивного воздействия многофакторных возмущений.
Реализация результатов работы. Полученные результаты использованы в микропроцессорных приборах контроля отклонений размеров ИСЛ 9231М и з системе автоматизации цикла шлифования ЭПЗК 9624 на предприятии АО АВТОВАЗ. Разработанные алгоритмы используются при обработке результатов измерений на предприятии АОЗТ "Самарская кабельная компания". Издано учебное пособие "Структурные методы увеличения точности систем контроля и управления". Отдельные результаты работы переданы для использования на предприятия ЗАО "Куйбышевазот" и "Техсервизгазпром" РАО "Газпром".
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на "Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем" (Ростов- на- Дону, 1997 г.), на III Всероссийской конференции с международным участием "Теория цепей и сигналов ТЦиС-96" (Таганрог. 1996г.), на Всесоюзных научно-технических конференциях "Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем" (Москва, 1981г., 1985г.), "Информационно-измерительные системы ИИС-83" (Куйбышев, 1983г.), "Электромагнитные методы контроля качества изделий" (Куйбышев, 1978г.), на республиканских конференциях "Современные системы автоматического управления и их элементы" (Ереван, 1981г.), "Состояние и перспективные направления развития электрических измерительных преобразователей и датчиков неэлектрических величин" (Киев, 1981г.), "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления" (Пенза, 1983г., 1987г., 1988г., 1992г.), "Пути повышения качества и надёжности радиоэлектронного оборудования" (Куйбышев, 1980г.), на облает
8 ных и вузовских научно-технических конференциях в Томском политехническом институте (Томск, 1979г.), в Куйбышевском политехническом институте (Куйбышев, 1980г.), в Тольяттинском политехническом институте (Тольятти, 1985г., 1997г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 50 работ, в том числе одна монография, 5 научно-технических отчётов, 16 авторских свидетельств на изобретения. Приняты к публикации 4 статьи.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 314 наименований и 8 приложений. Общий объём работы 390 страниц, в том числе 200 страниц текста, 85 рисунков, 29 страниц списка литературы, 95 страниц приложений.
