авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Моделирование и оценка характеристик и показателей магнитострикционных преобразователей.

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

НАДЕЕВ МАКСИМ АЛЬМАНСУРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК И ПОКАЗАТЕЛЕЙ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

Специальность 05.13.05 –Элементы и устройства

вычислительной техники и систем управления.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук.

Астрахань -2007

Работа выполнена в Астраханском государственном техническом

университете.

Научный руководитель: кандидат технических наук доцент Артемьев Э.А.
Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор Гусев В.Г кандидат технических наук Волынский С.А.
Ведущее предприятие: Московский государственный институт электроники и математики (технический университет).

Защита состоится “31” мая 2007г. в 13.00 на заседании диссертационного совета Д307.001.01. в Астраханском государственном техническом университете по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева 16, главный корпус, ауд. 305.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева, 16, АГТУ, Ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного технического университета

Автореферат разослан ___ апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор Попов Г.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Магнитострикционные преобразователи положения (МПП) прочно заняли свое место среди предлагаемых на рынке датчиков систем управления. Это обусловлено в первую очередь их высокой надежностью, устойчивостью к вибрационным воздействиям, а также большим диапазоном преобразований, относительно невысокой стоимостью.

Мировыми лидерами в исследованиях, разработке и производстве МПП являются крупнейшие фирмы-производители датчиковой аппаратуры: MTS (США), Balluff (Германия), Shlumberger Industries (Франция) и др. Аналитики этих фирм насчитывают уже более 1500 областей использования МПП.

Исследования зарубежных и отечественных ученых, таких как Артемьев Э.А., Демин С.Б., Надеев А.И., Шпинь А.П., Ясовеев В.Х. и др. привели к созданию множества способов реализации МПП, появлению структурных, технологических, алгоритмических методов улучшения их метрологических характеристик. Развитие в последнее время интеллектуальных МПП, наряду с их индивидуальной градуировкой, приводит к достижению практически предельной точности МПП в статическом режиме.

Однако, даже интеллектуализация МПП с записью в ПЗУ устройства данных по индивидуальной градуировочной характеристике, характеристик систематической и случайной погрешностей, функций влияния дестабилизирующих факторов, не учитывает динамики изменения полной погрешности, т.е. изменения записанных параметров в течение срока эксплуатации, обусловленного процессами старения элементов МПП, главным образом звукопровода. Кроме того, реализованы не все функциональные возможности, которые дает интеллектуализация МПП.





Учитывая, что в современных системах управления, определяющим является влияние экономических факторов, качество датчиков и стоимость их жизненного цикла становятся важными как никогда. Поэтому тема диссертационного исследования посвященного методам моделирования и оценки метрологических характеристик и эксплуатационных показателей магнитострикционных преобразователей с целью улучшения их качества является актуальной.

Цель исследования. Разработка методов моделирования и оценки метрологических характеристик и эксплуатационных показателей магнитострикционных преобразователей с целью повышениях их качества и расширение базы знаний об их технических и функциональных возможностях.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. Систематизация методов описания динамики полной погрешности датчиков и преобразователей систем управления.

2. Разработка методики экспериментальных исследований динамики полной погрешности магнитострикционных преобразователей при минимизации времени наблюдений.

3. Разработка и реализация автоматизированной системы научных исследований магнитострикционных преобразователей.

4. Построение математической модели динамики полной погрешности магнитострикционных преобразователей.

5. Исследование функции влияния внешних факторов на точность магнитострикционных преобразователей.

6. Разработка частных и обобщенного показателей качества эксплуатационных характеристик магнитострикционных преобразователей и синтез многофункционального магнитострикционного преобразователя.

Методы исследований. В работе использованы методы системного анализа и математического моделирования, математические методы планирования многофакторного эксперимента и регрессионного анализа, сплайн-методы аппроксимации экспериментальных зависимостей, методы технической кибернетики и метрологии, цифровое моделирование на ЭВМ.

На защиту выносятся:

1. Методика многофакторных испытаний динамики полной погрешности магнитострикционных преобразователей.

2. Математическая модель динамики полной погрешности магнитострикционных преобразователей.

3. Математическая модель функций влияния внешних факторов на точность МПП.

4. Частный и обобщенный показатели качества эксплуатационных характеристик МПП.

5. Многофункциональный магнитострикционный преобразователь.

Научная новизна.

1. Предложен способ оптимизации использования метода наименьших квадратов на основе спектрального анализа функции статической погрешности, обеспечивающий минимальные затраты на проведение и обработку эксперимента.

2. Предложена методика математического моделирования динамики полной погрешности МПП.

3. Впервые разработана нелинейная математическая модель динамики полной погрешности магнитострикционных преобразователей в виде системы дифференциальных уравнений.

4. Разработаны нелинейные полиномиальные модели функций влияния температуры и растягивающих напряжений на точность МПП.

5. Разработаны показатели качества эксплуатационных характеристик магнитострикционных преобразователей с использованием функций желательности Харрингтона.

Практическую ценность имеют:

1. Методика индивидуальной градуировки статической характеристики МПП.

2. Методика математического моделирования динамики полной погрешности МПП.

3. Аппаратная и программная реализация экспериментальной установки для испытаний МПП.

4. Результаты экспериментальных исследований МПП.

5. Методика количественной оценки показателей качества МПП на основе функции желательности Харрингтона.

6. Конструкция многофункционального магнитострикционного преобразователя повышенного качества.

Реализация и внедрение. Теоретические и практические результаты работы используются в учебном процессе на кафедрах «Автоматизация технологических процессов» и «Электрооборудование и автоматика судов» Астраханского Государственного Технического Университета в рамках специальностей 210200 «Автоматизация технологических процессов и производств», 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», 180900 « Электрооборудование и автоматика судов», 240600 «Эксплуатация электрооборудования и автоматики судов».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях Астраханского Государственного Технического Университета (2000-2006гг.); XV и XVI Научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов “Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления” (Датчик – 2003, Датчик - 2004); Международной научной конференции посвящённой 75-летию основания Астраханского Государственного Технического Университета. (Астрахань 2005); VII Международный научно-методической конференции «Традиции и педагогические новации в электротехническом образовании НИТЭ 2006» (Астрахань 2006), на всероссийской научной конференции «инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности АСТИНТЕХ-2007» (Астрахань 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 статьи в журнале по списку ВАК, 1 статья в сборнике научных трудов, 4 статьи в материалах международных конференций.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и семи приложений. Основной текст 145 страниц машинописного текста. Библиография- 142 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практические результаты.

В первой главе проведён анализ принципов построения и физических основ работы МПП, Базовая конструкция МПП представлена на рис. 1.

 азовая конструкция МПП на-0

Рис.1 Базовая конструкция МПП на крутильных волнах.

Подвижным элементом МПП этого типа является постоянный магнит 3, а импульс тока возбуждения подается непосредственно в звукопровод 1, концы которого помещены в демпферы 2. Вокруг звукопровода образуется круговое магнитное поле, которое взаимодействует с продольным магнитным полем постоянного магнита. В результате этого, магнитное поле в зоне взаимодействия изменяется скачком и, вследствие эффекта Видемана, в звукопроводе возникает крутильная ультразвуковая волна, распространяющаяся по звукопроводу. Дойдя до выходного электроакустического преобразователя 4, ультразвуковой импульс преобразовывается в электрический, и на выходе МПП формируется временной интервал t, пропорциональный положению.

(1)

где G – модуль сдвига, – удельная плотность материала звукопровода

Математическая модель динамики полной погрешности МПП, предназначена для описания изменения статической погрешности преобразователя с течением времени, обусловленного процессами старения элементов преобразователя главным образом, звукопровда под воздействием времени и температуры окружающей среды.

Описаны и систематизированы методы моделирования динамики полной погрешности измерительных преобразователей систем управления на основе: линейной, экспоненциальной и логистической моделей, спектрального анализа, регрессионного анализа, метода дифференциальных уравнений.

Для измерительных преобразователей систем управления первым приближением является линейная модель возрастания во времени полной погрешности. Достоинством этой модели является простота её построения и анализа, однако недостаточная точность и физичность этой модели очевидна, так как не учитываются замедление или ускорение процессов старения с течением времени.

Методы построения динамических моделей в виде экспоненциального логистического и спектрального описания обладают общим недостатком – значительным календарным временем наблюдения (несколько лет) для получения адекватных математических моделей.

Существенно снизить объём экспериментальных исследований, время наблюдений и затраты на их проведение позволяют регрессионные методы построения математических моделей на базе математических методов планирования эксперимента.

Общим недостатком регрессионных моделей, построенных по методике планирования эксперимента является их адекватность только в диапазоне варьирования факторов. Для моделирования динамики изменения полной погрешности устройства, необходимы модели, предсказывающие поведение устройства за пределами факторного пространства. С этой точки зрения перспективным представляется информационная технология идентификации и моделирования сложных нелинейных динамических систем.

Во второй главе обоснована методика экспериментального исследования и обработки экспериментальных данных МПП для динамического моделирования его полной погрешности.

Функция преобразования МПП определяется уравнением преобразования (1). Однако волновое сопротивление реальных звукопроводов, вследствие технологических и эксплуатационных причин, распределено неоднородно по длине волновода. Выражение для коэффициента отражения синусоидальной волны с частотой от внутренних неоднородностей при изменении волнового сопротивления звукопровода W на величину dW(x) на длине звукопровода L имеет вид:

(2)

С изменением волнового сопротивления изменяется скорость волны, вследствие чего чувствительность МПП становится непостоянной вдоль волновода. Поэтому математические модели МПП разрабатывается по экспериментальным данным.

Для обработки экспериментальных данных использован метод наименьших квадратов (МНК), который позволяет для функции t(x), заданной экспериментальными данными, найти близкую в «среднем» полиномиальную функцию Р(х). Погрешность аппроксимации МНК определяется формой аппроксимируемой кривой и порядком аппроксимирующего полинома, который повышают до получения минимальной оценки остаточной дисперсии.

Хотя оценка остаточной дисперсии является статистически более строгой, но исходя из практики нормирования точностных характеристик преобразователей перемещений, погрешность аппроксимации предложено оценивать по ее максимальному значению в диапазоне преобразования

(3)

Эта оценка выше чем остаточная дисперсия и, следовательно, метрологически более надежна.

Предложен способ оптимизации использования МНК для аппроксимации исходной функции статической характеристики, позволяющий получить удовлетворяющую условиям эргодичности и стационарности функцию статической погрешности для любых волноводов и оптимальный порядок аппроксимирующего полинома, обеспечивающий минимальную погрешность аппроксимации.

Алгоритм реализации способа: экспериментальное определение статической характеристики преобразователя; аппроксимация полученного массива данных прямой линией МНК; спектральный анализ функции статической погрешности; расчет "преобладающей" гармоники в спектре статической погрешности; определение оптимального порядка аппроксимирующего полинома; расчет нормированных автокорреляционных функций и дисперсии их отклонений от усредненной автокорреляционной функции.

Эффективность методики подтверждена экспериментом на установке, приведенной на рис 4. Измерения проводились на участке звукопровода от 500 до 1500 мм, через 10 мм по 20 измерений в каждой точке. Выбор участка звукопровода обусловлен техническими возможностями образцовой меры.

Затем по методике, изложенной выше, рассчитана статическая погрешность, график которой показан на Рис 2. Коридор погрешности не превысил 1,131 мкс.

 Функция статической погрешности-7
Рис. 2. Функция статической погрешности МПП Рис. 3 Спектральная характеристика статической погрешности МПП

Проведен спектральный анализ функций статической погрешности согласно выражению

 (4) График спектральной характеристики-8 (4)


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.