Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
1. СОСТОЯНИЕ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ И СРЕДЗТВ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМА
ЦИИ О ПАРАМЕТРАХ ПРОЦЕССОВ НАГРУЖЕНИЯ 14
Анализ форм представления информации о нагруженности и . алгоритмов ее обработки при расчетно-экспериментальной оценке долговечности несущих систем мобильных машин .... 14
Состояние развития методов и средств получения информации о нагруженности 20
Цель работы и постановка задачи исследования 33
2. ^СЛЕДОВАНИЕ ДОПУСТИМЫХ ПОТЕРЬ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ОЦЕНКЕ
ПАРАМЕТРОВ НАГРЛШВИЯ И ИХ СВЯЗИ С ТОЧНОСТИ) И ПАРА
МЕТРАМИ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ ... 35
Постановка задачи 35
Определение условий информационного согласования преобразователей информации о нагруженности при их работе в составе АСУ ИМ 37
Решение задачи декомпозиции результирующей погрешности
всех преобразований 51
2.4» Связь точности получения оценок параметров нагружения с
основными характеристиками цифрового представления про
цессов нагружения 60
Применение метода декомпозиции погрешности для определения внутренних параметров устройств преобразования информации 80
Оценка допустимых потерь информации при измерении статистических характеристик процессов нагружения 93
2.7. Выводы 103
3. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
УСТРОЙСТВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ О ЇЇАГРУЖЕЙН0С1И .. 105
Постановка задачи 105
Применение метода декомпозиции результирующей погрешности для определения основных характеристик устройств преобразования информации о нагруженности 107
Обоснование основных принципов построения преобразователей напряжения низкого уровня в цифровой код 112
Разработка принципов построения многоканальных преобразователей "тензометр-код", обеспечивающих повышение точности преобразования 128
Разработка устройств преобразования информации о нагруженности, реализующих предложенные принципы построения 140
Выводы .... 148
4. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛШОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
И ПРИМЕНЕНИЕ УСТРОЙСТВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ О НА
ГРУЖЕННОСТИ 150
Постановка задачи 150
Многоканальное телетензометрическое устройство с ІШК поразрядного'уравновешивания 151
Устройства согласования МПНК с каналом связи 153
Многоканальное телетензометрическое устройство с цифровой компенсацией влияния помех 157
Экспериментальное исследование многоканального теле-тензометрического устройства 162
Проверка диапазонов измерения 165
Проверка стабильности измерений 165
Проверка влияния изменения напряжения питания Г7І
Проверка чувствительности Г72
Проверка точности устройства Г72
Проверка устройства в динамике Г75
Проверка радиоканала Г75
Область применения разработанных устройств и возможные направления дальнейших исследований Г78
Выводы Г79
ЗАКШШНИЕ 180
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 182
ПРШКЖЕНИЯ 193
ПЕРЕЧЕНЬ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ
п0- среднее число пересечений процессом нулевого уровня в единицу времени
пэ - среднее число экстремумов процесса в единицу времени Rfc) - автокорреляционная функция измеряемого процесса S/tjJ- спектральная плотность измеряемого процесса
У - длительность реализации процесса нагружения, с at - шаг дискретизации корреляционной функции, с
У - оператор преобразования
С - пропускная способность устройства преобразования, бит/с aF - ширина канала связи, Гц
/# - граничная частота спектра исследуемого сигнала, 3 #/ - информационная производительность,бит/с
н - энтропия, бит
Dt - условная дезинформационная способность, бит/с
ft - частота дискретизации преобразуемого сигнала, Гц
л - энтропийное значение погрешности
6у - среднеквадратическое значение случайной величины
/ - количество информации, бит
лі - потери информации, бит
-Л$- информационная способность
- число датчиков /каналов преобразования/ .А> - количество опросов датчика в секунду WfrJ- функция плотности распределения вероятностей ах - шаг квантования по уровню -а/ - шаг квантования по времени, с
д - число уровней квантования
и - относительное значение погрешности fi(t)- коэффициент корреляции
./V - число дискретных выборок преобразуемого процесса МхЕ'- математическое ожидание случайной величины
М - дисперсия случайной величины
%о - сопротивление открытого ключевого элемента, Ом
2 - сопротивление закрытого ключевого элемента, Ом
Ка - коэффициент передачи
Sn" экспериментальное значение средней квадратичной ошибки
W - коэффициент вариации
%п - экспериментальное значение средней арифметической ошибки
Sfi" выборочная дисперсия
4-V" коэффициент Стьюдента
АСУ ИМ - автоглатизированная система управления испытаниями машин МИС - машиноиспытательная станция УДЗ - условная дезинформационная способность ИНЗ - информационно-вычислительная система ОСА - операторная схема алгоритма ПНК - преобразователь напряжение-код ПЕН - преобразователь код-напряжение МПНК - многоканальный преобразователь напряжение-код
Другие обозначения и сокращения, применяемые в работе, имеют пояснения в тексте.
Введение к работе
Успешное выполнение задач, стоящих перед сельским хозяйством, может быть осуществлено лишь при достаточном его обеспечении сельхозмашинами различного назначения и, в первую очередь, трактора -ми.
ХШ съездом КШС и решением майского (1982г.) Пленума ЦК КПСС по реализации Продовольственной программы СССР на период до 1990 г. перед отраслью тракторного и сельхозмашиностроения поставлена важнейшая задача: "... завершить комплексную механизацию земледелия на новой основе, неуклонно повышать технический уровень, качество и, особенно, надежность тракторов,комбайнов, машин ...". Программой предусмотрено поставить сельскому хозяйству за десятилетие 3.740-3.780 тыс.тракторов.
По оценке специалистов металлоемкость существующих моделей тракторов на 10$ выше расчетной. Потери времени из-за поломок тракторов на пахоте и уборке приблизительно составляют 50$. В свете указанных выше задач такое положение недопустимо.
динамика технического прогресса диктует жесткие сроки разработки и внедрения новых и модернизированных моделей тракторов. Для их экспериментального исследования в стране действует созданная в 1948 г. единая государственная система машиноиспытательных станций (МИС), которые в содружестве с заводскими КБ до опреде -ленного времени успешно справлялись с возложенными на них задачами. Но возросшие в последние годы требования к качеству конструкций тракторов, совершенствование методики проведения испытаний и, как следствие этого, значительное увеличение их объема потребовали нового подхода к организации испытаний и их аппаратурной оснащенности .
Современный опыт неопровержимо доказывает возможность проверки долговечности конструкций в относительно короткие сроки. При оценке долговечности и эксплуатационной надежности колесных и гусеничных машин широкое распространение получил метод ускоренных испытаний на полигонах ( на специальных треках или трассах), обладающий целым рядом преимуществ перед обычными эксплуатационными / 1-8 /. Эти преимущества в полной мере могут быть исполь -зованы только при создании автоматизированной системы управления испытаниями машин АСУ ИМ, попытки создания которых предпринима -ются в настоящее время.
Б общем объеме информации, определяющей характеристики ис -пытуемой машины и совершаемой ею работы, значительная часть приходится на информацию о нагруженнооти элементов конструкций, получаемую с помощью проволочных тензорезисторных преобразователей / 9-12 /. От того, насколько оперативно производится сбор и обработка этой информации, в значительной степени будет зависеть эффективность функционирования АСУ ИМ. Повышение точности и до -стоверности получаемой при испытаниях информации позволит улуч -шить качество конструкций тракторов.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом вопросам создания устройств для автоматизации процессов сбора и обработки информации о нагруженности различных механических конструкций при испытании мобильных объектов посвящен ряд исследований и конкретных разработок / 13-35 /. Но анализ состояния этого вопроса показывает, что имеющиеся решения имеют ряд недостатков и, что самое главное, не решают вопроса комплексной автоматизации тензо-измерений и оперативной обработки их результатов. Даже наиболее совершенные из устройств получения информации о нагруженности не позволяют проводить сбор и обработку информации в реальном мае -штабе времени, что приводит к существенному увеличению длитель -
ности испытаний.
Имеющиеся рекомендации о необходимой точности измерений и получения параметров процессов нагружения противоречивы и не позволяют объективно подойти к выбору характеристик устройств, осуществляющих сбор, преобразование и оперативную обработку инфор -мации о нагруженности при ускоренных испытаниях тракторов. Не решен также вопрос о выборе характеристик указанных устройств при их функционировании в составе многозвенных информационно -вычислительных систем с учетом необходимой достоверности получения конечных результатов испытаний.
Поскольку при внедрении в практику ускоренных испытаний машин внимание исследователей акцентировалось на задачах анализа динамических процессов с применением статистических методов / 36-40 /, требующих большего количества экспериментального ма -териала, то имеющиеся в настоящее время недостатки в организации измерений и оперативной обработке их результатов становятся серьезным препятствием в повышении эффективности ускоренных испытаний тракторов. Сокращение до минимума времени от момента получения данных о параметрах процесса нагружения до момента их обработки и анализа результатов, а также повышение их достоверности позволит осуществлять экспресс-оценку результатов, активно корректировать программу ускоренных испытаний и, следовательно, повысит их эффективность. За счет сокращения времени и затрат на проведение испытаний расширятся возможности исследования надежности машин. В итоге повысится качество новых конструкций тракторов и сократятся сроки их разработки.
Таким образом, исследование вопросов, связанных с разработкой новых устройств преобразования информации о нагруженности элементов конструкций сельхозмашин, которые бы успешно решали задачу сбора и обработки этой информации с необходимой точностью,
- 10 -достоверностью, быстродействием и высокой степенью автоматизации, является актуальным. Актуальность задачи подтверждается приказом министра тракторного и сельхозмашиностроения от 1.07.80г. & ИС-І--4379 и постановлением ГКНТ и Госплана СССР от 8.12.81г. Л 491/244.
Цель "работы. Целью настоящей работы является разработка принципов построения и функционирования эффективных устройств преобразования информации о нагруженности для автоматизированной системы управления испытаниями тракторов.
Научная новизна. Получено условие структурного соответствия многозвенной последовательной информационной цепи, выполнение которого обеспечивает рациональный обмен информацией между отдельными устройствами, составляющими подсистему сбора и оперативной обработки информации о нагруженности в АСУ ИМ, с точки зрения допустимых потерь информации и ее избыточности.
Предложен метод распределения составляющих результирующей погрешности оценки параметров нагруженности между устройствами преобразования информации, использующий в качестве критерия оценки погрешности ее энтропийное значение, который позволяет обоснованно задаваться требованиями к точности и основным параметрам устройств преобразования информации о нагруженности на стадии их проектирования.
В результате теоретического и экспериментального исследования случайных процессов нагружения элементов конструкций тракторов установлены их основные характеристики и получены зависимости между информационными характеристиками и точностью при цифровом представлении оценок параметров нагруженности.
Теоретически доказано, что применение в тензометрических устройствах с многоканальным АЦП напряжения низкого уровня двух ступеней коммутации и цифровой компенсации погрешностей, вызванных действием помех во входных цепях АЩ, уменьшает погрешности коммутации
- II -
и практически исключает погрешность кодирования из-за вариации величины сопротивления закрытых ключевых элементов и влияния медленно меняющихся помех. Цроизведена качественная и количественная оценка погрешностей.
Разработаны принципы построения и функционирования многоканальных цифровых тензометрических устройств, позволяющих осуществлять сбор, преобразование информации о нагруженности и оперативную обработку данных в реальном масштабе времени.
Новизна и оригинальность конкретных технических решений подтверждена двумя авторскими свидетельствами на изобретения.
Практическая ценность работы состоит в том, что в результате теоретических исследований предложена инженерная методика декомпозиции заданного значения результирующей погрешности многозвенных цифровых измерительных устройств на составляющие, обеспечивающая возможность определения их основных параметров на стадии проектирования. Разработаны оригинальные устройства преобразования информации о нагруженности, применение которых позволяет повысить уровень автоматизации процесса получения этой информации, ее достоверность; производить обработку данных в реальном масштабе времени и, следовательно, повысить эффективность ускоренных испытаний тракторов. Область применения разработанных устройств может быть расширена путем использования их для оценки параметров нагруженности металлоконструкций при исследованиях прочности различных объектов.
Реализация результатов работы. Работа выполнялась на кафедре автоматики и телемеханики в соответствии с планом основных научно-исследовательских работ Одесского политехнического института, Координационным планом НИР Научного Совета АН УССР по комплексной проблеме "Теоретическая электротехника, электроника и моделирование"на 1981-85 г.г./п.І.ІЗ.І.З./, а также тематическим планом Одесского фи-
лиала государственного союзного научно-исследовательского тракторного института /ОФ НАШ/, с которым кафедра поддерживает договорные связи, во исполнение Постановления ГКНТ и Госплана СССР от 8.12.81г. № 491/244. Работа связана с НИР В 485-39 /№ гос. регистрации 7002O7I4/, В 658-39 /№ гос.регистрации 71052756/. По результатам работы создан комплект устройств для сбора и преобразования информации о нагруженности элементов конструкций тракторов при их ускоренных испытаниях, который успешно прошел лабораторные и полигонные ипытания и принят к внедрению ОФ НАТЙ. Ожидаемый экономический эффект от внедрения одного комплекта аппаратуры составляет 34,8 тыс.руб,
Отдельные результаты работы используются в учебном процессе. По данной тематике под руководством автора выполнено большое количество дипломных и курсовых проектов, научно-исследовательских работ студентов.
Апробация -работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Республиканском семинаре по кибернетике и автоматическому управлению /Одесса, 1968,1969 г.г./, 1-й Всесоюзной научно-технической конференции по метрологии и технике точных измерений /Свердловск, 1968 г./, семинаре по кибернетике АН МССР /Кишинев, 1969 г./, 1-й научно-технической конференции СБИС НАТЇЇ /Одесса, 1969г., Республиканской научно-технической конференции молодых исследователей по системотехнике /Киев, 1969 г./, Всесоюзной конференции по проблемам автоматизации морских судов /Одесса, 1970 г./, Республиканской научно-технической конференции "Организация работы вычислительных центров в условиях функционирования АСУ1* /Севастополь, 1972г., семинарах Научного совета АН УССР по комплексной проблеме "Теоретическая электротехника, электроника и моделирование" в 1980-1983 г.г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, включая два авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, че-
- ІЗ -
тырех глав, заключения, изложенных на 136 страницах машинописного текста, 31 рисунка, II таблиц, списка литературы из 106 наименований, приложения.
В первой главе рассмотрено современное состояние развития методов и средств получения информации о параметрах процессов нагружен ния; сформулированы основные задачи исследования.
Вторая глава посвящена теоретическому исследованию точности на отдельных этапах преобразования информации о нагруженноети, связи точности с допустимыми потерями информации при оценке параметров на-груженности и обоснованию основных параметров устройств преобразования информации.
В третьей главе исследуются принципы построения и функционирования цифровых тензометрических устройств с расширенными функциональными возможностями, пути повышения их точности; разрабатываются структурные схемы с использованием оригинальных решений.
Четвертая глава посвящена технической реализации и испытаниям многоканального цифрового телетензометрического устройства, проверке соответствия его основных характеристик заданным в процессе разработке значениям; определена область возможного применения разработанного устройства.
Приложение содержит копии документов, подтверждающих внедрение результатов диссертационной работы.
