Методы и устройства комбинированного индукционно-гальваномагнитного контроля скорости разгона тел для систем управления магнитоплазменными ускорителями

На правах рукописи

Январёв Сергей Георгиевич

МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА КОМБИНИРОВАННОГО ИНДУКЦИОННО-ГАЛЬВАНОМАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ СКОРОСТИ РАЗГОНА ТЕЛ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МАГНИТОПЛАЗМЕННЫМИ УСКОРИТЕЛЯМИ

Специальность 05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск 2010

Работа выполнена на кафедре “Информационные и измерительные системы и технологии” ГОУ ВПО “Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)”

Научный руководитель: доктор технических наук,

старший научный сотрудник

Кириевский Евгений Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Иванов Виктор Анатольевич

кандидат технических наук

Юренко Константин Иванович

Ведущая организация: ФГУП “НИИ специальных

информационно-измерительных систем”,

(г. Ростов-на-Дону)

Защита состоится “22” октября 2010 г. в 12 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д212.304.02 при Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской обл., ул. Просвещения, 132, ауд. 107.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)

Автореферат разослан “___” сентября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

кандидат технических наук, профессор А.Н. Иванченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту, даны сведения о структуре работы, апробации и реализации научных результатов, кратко рассмотрено содержание основных разделов.

В первой главе “Обзор известных методов контроля скорости и анализ требований к подсистеме контроля разгона тел системы управления МПУ” произведен анализ системы управления МПУ. Сформулировано основное требование к качеству управления, которое выражается параметром – максимально допустимым отклонением реального значения скорости тела при выходе из канала МПУ от заданного значения. Проанализированы особенности исполнительных устройств системы управления разгоном, а также взаимосвязь их параметров с обеспечиваемой точностью выходной скорости тела. Рассмотрены особенности физических явлений, обуславливающих разгон тела и сопутствующих ему.

В общем виде МПУ можно представить (рис.1) как источник высокого напряжения (сотни кВ), накоротко замкнутый цепью из трех элементов – двух неподвижных рельсовых направляющих, между которыми скользит ПП с разгоняемым телом, и самого ПП.

В таких ускорителях само разгоняемое тело является непроводящим. Перед ним помещается другое тело, состоящее из специального материала, по которому пропускается мощный электрический ток (сотни кА), что переводит его в процессе разгона в плазменное состояние. Такое разгоняющее плазменное тело – ПП и разгоняемое тело движутся как одно целое. ПП является, таким образом, подвижным элементом электрической цепи. Разгонная сила по своей природе является силой Лоренца, образующейся от взаимодействия магнитного поля B вокруг рельсовых направляющих и тока I в плазменном поршне. Теоретически разгонная сила Fр описывается следующим образом: , где LРК – индуктивность контура, образованного двумя направляющими рельсового канала и плазменного поршня; dx – дифференциал перемещения плазменного поршня.

Прямую цепь системы управления МПУ образуют (рис.2) формирователь импульса тока (ФИТ), устройство предварительного ускорения (УПУ), рельсовый канал (РК), состоящий из двух проводящих направляющих, которые определяют траекторию движения разгоняемого тела, шунтирующий ключ (ШК), устройство управления (УУ).

Управление разгоном тела реализуется в ограничении его скорости на заданном уровне. Для этого в определенный момент времени с помощью специального шунтирующего ключа прерывается передача электрической энергии от формирователя импульса тока к рельсовому каналу, обуславливающей ускорение тела. Шунтирующий ключ срабатывает по командному сигналу в момент времени tкш, выдаваемому устройством управления. Номинальное значение момента tкш определяется заранее на основе математической модели МПУ, исходя из номинальных значений начальных условий разгона и параметров рельсового канала, и соответствует теоретической оценке интервала времени, в течение которого тело разгоняется до заданной скорости.

Вследствие того, что существующие математические модели МПУ имеют низкую точность, а на процесс разгона тела влияют многие случайные и неопределенные факторы, необходимо измерение скорости тела в режиме реального времени и уточнение момента времени выдачи команды на шунтирование рельсового канала.

Обратная связь системы управления МПУ образована подсистемой контроля разгона (ПКР) (рис.2), в которую включены устройство контроля скорости (УКС) движения плазменного поршня и вычислительное устройство (ВУ) расчета значения момента tкш. Движения разгоняющегося тела и толкающего его плазменного поршня синхронны, значения их скоростей в любой момент времени совпадают.

Сформулированы требования по точности и быстродействию к ПКР как элементу системы управления МПУ – определены значения допустимой погрешности и времени задержки определения момента tкш: t кш = 3,6 % и t кш = 35 мкс, обеспечивающие заданную скорость тела VЗ = 10 км/с на выходе МПУ с относительной ошибкой управления разгоном Vз не более 3 %.

Произведен анализ существующих методов и устройств измерения скорости разгона, сделан вывод о необходимости применения магнитометрических первичных преобразователей для контроля координаты положения и скорости движущегося тела и использования с дополнительной модификацией метода измерительного преобразования мгновенной скорости тела, основанного на экспоненциальной аппроксимации сигналов датчиков.

Во второй главе “Разработка и исследование методов контроля скорости движения тел для управления их разгоном” выполнено теоретическое исследование с получением базовых аналитических выражений сигналов ИД и ДХ, реагирующих на ПП как на движущийся проводник с током. Произведен сравнительный анализ различных способов формирования функции преобразования сигналов двух ИД с целью получения информативного параметра, степень зависимости которого от скорости движущегося ПП существенно превышала бы его степень зависимости от координаты положения ПП. Для облегчения и повышения наглядности этого сравнительного анализа разработан алгоритм и реализующая его компьютерная программа в среде графического программирования LabVIEW. В результате выбрана функция преобразования сигналов двух ИД в виде их геометрического усреднения на определенных интервалах между датчиками. На основе проведенного исследования выполнен структурный синтез метода контроля скорости разгона с применением ИД, являющийся базовым для последующих проводимых в диссертации исследований и разработок.

Впервые выполнено сравнительное исследование влияния на сигналы датчиков различных типов вариаций продольной длины ПП. На основе этого анализа предложены и теоретически обоснованы новые метод и устройство комбинированного индукционно-гальваномагнитного контроля скорости. 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.

Функции сигналов двух ИД положения, реагирующих на поле, создаваемое проводником с током, движущимся на участке траектории между ними, могут быть аппроксимированы следующими выражениями:

;

,

где 0 = 410-7 Гн/м – магнитная постоянная; N и SД – число витков и площадь сечения ИД; v, i – скорость движения и величина тока в ПП; – безразмерная функция от координаты x(t) положения проводника на траектории его движения, – функция, обратная, а посредством коэффициента k1 [м] задается размерность [1/м2] для мультипликативной составляющей . Таким образом, как видно из приведенных выше выражений, измеряя сигналы ИД 1, 2, можно определять информативный параметр G1 как их среднее геометрическое , который не зависит от координаты положения x движущегося проводника, а зависит только от его скорости v и тока в i нем:

.

Функции магнитной индукции B поля движущегося проводника в двух точках, смещенных друг относительно друга вдоль траектории его движения, могут быть представлены аналогичным образом:

;

,

где – безразмерная функция от координаты x(t) положения проводника на траектории его движения, – функция, обратная , а посредством коэффициента k2 [м] задается размерность [1/м] для мультипликативной составляющей .

Если в этих двух упомянутых точках пространства дополнительно разместить два идентичных датчика магнитной индукции (например, ДХ), их сигналы U1, U2 возмущения полем движущегося проводника будут пропорциональны соответствующим функциям магнитной индукции:

;

,

где KB – чувствительность датчика магнитной индукции, В/Тл.

Следовательно, дополнительно измеряя сигналы, пропорциональные магнитной индукции U1, U2, можно аналогично определению информативного параметра G1 определять второй информативный параметр G2 как их среднее геометрическое , который не будет зависеть от координаты положения x движущегося проводника, а будет зависеть только от тока i в нем:

.

Таким образом, измеряя сигналы 1, 2 и U1, U2 возмущения соответственно двух идентичных ИД и двух идентичных датчиков магнитной индукции (например, ДХ) полем движущегося проводника с током, и предварительно непрерывно определяя два информативных параметра G1, G2, можно определять текущую скорость v движущегося проводника как

,

где – коэффициент с размерностью [м], который определяют по результатам предварительного физического эксперимента или компьютерного моделирования, при этом v0 – определяемое экспериментально или по результатам моделирования значение скорости движения идентичного или моделируемого проводника с током в координате x0.

Обозначив через C постоянный коэффициент, равный , можно записать выражение для скорости v движения проводника с током в окончательном виде: .

На рис. 3 показаны результаты компьютерного моделирования зависимости функции от величины, где ; lном и l – соответственно, номинальное и фактическое значения изменяющейся продольной длины движущегося объемного проводника с током; ; vи(lном) и vи(l) – измеренные в одной точке траектории (середине интервала между датчиками) значения скорости проводника, соответственно, длиной lном и l при одном значении его истинной скорости.

Таким образом, функция характеризует степень инвариантности процесса контроля скорости к такому мешающему фактору, как случайные изменения пространственной конфигурации (продольной длины) контролируемого проводника с током. Как видно из графиков, контроль скорости по двум информативным параметрам в сравнении с вариантом контроля скорости по одному информативному параметру обеспечивает примерно в 1,5 раза меньшее влияние изменений конфигурации ПП (продольной длины) на результаты измерения его скорости.

Следовательно, дополнительное измерение сигналов, пропорциональных магнитной индукции поля, например, с помощью ДХ, позволяет повысить точность измерения скорости движения ПП в условиях нестабильности его пространственной конфигурации.

В третьей главе “Синтез алгоритма управления разгоном и принципов построения подсистемы контроля разгона” на основе анализа сигналов ИД и ДХ, реагирующих на перемещающийся ПП, предложено комбинирование принципов измерения его скорости с использованием первичных преобразователей 2-х типов: ИД и ДХ. Это позволяет скомпенсировать дополнительную аддитивную погрешность индукционного датчика, вызванную его реакцией на изменение тока в движущемся проводнике.

При постоянном токе I, протекающем через ПП, выходной сигнал ИД прямо пропорционален его скорости v (t). Но в случае наличия тока i (t) в ПП в виде импульса, указанная пропорциональность сигнала датчика значению скорости нарушается. В самом деле, ЭДС, генерируемая индукционной катушкой, пропорциональна производной по времени нормальной составляющей магнитной индукции Bn ИД (t). Ее изменение во времени при движении ПП обусловлено, во-первых, изменением положения ПП относительно ИД, а, во-вторых, изменением тока в проводнике. При этом выражение для ЭДС (t) датчика будет представлять собой уже двучлен:

.

где 0 – магнитная постоянная; x(t)– координата положения центра масс проводника с током на траектории движения; y – минимальное расстояние от траектории движения до точки расположения датчика; F(x (t), y) [1/м] – функция взаимного положения ИД и проводника с током.

Таким образом, если ток, протекающий через движущийся проводник, непостоянный (импульс тока), то при измерении скорости движения ПП с помощью устройства на базе ИД будет возникать дополнительная аддитивная погрешность измерения, обусловленная вторым слагаемым в приведенном выражении, значение которой пропорционально производной тока по времени.

Для компенсации указанной погрешности предлагается одновременное использование первичных преобразователей двух типов – ИД и ДХ, то есть комбинированный принцип измерения скорости.

Выходной сигнал UH (t) ДХ описывается следующим выражением:

,

где R – постоянная Холла; b – ширина пластины датчика; Bn ДХ – нормальная составляющая магнитной индукции в точке расположения ДХ; jД – плотность тока, питающего датчик.

Если расположить ИД и ДХ на одной линии, перпендикулярной траектории движения ПТ на равных расстояниях y от нее (рис.4) и далее, в процессе измерения скорости, непрерывно определять коэффициент компенсации K (t), то умножением его текущего значения на значение выходного сигнала ДХ можно получать сигнал, равный второй (вызываемой изменением тока) составляющей ЭДС ИД.

Как видно из рис.4, нормальные составляющие магнитной индукции Bn ИД (t) и Bn ДХ (t) соответственно для ИД и ДХ имеют противоположные направления. Учитывая этот факт, можно записать формулу для K (t):

.

Тогда, в процессе измерения скорости ПП скомпенсированный сигнал * (t) ИД следует определять как: .

Далее рассматривается анализ взаимосвязи между погрешностью измерения мгновенной скорости v и относительной ошибкой управления разгоном Vз в контексте двух возможных алгоритмов контроля скорости разгона.

До момента достижения телом заданного значения скорости можно выделить интервал времени, когда его движение пренебрежимо мало отличается от равноускоренного. Именно внутри такого интервала времени следует выполнить все необходимые вычисления и измерения для определения момента tкш. В диссертации этот интервал называется критическим, а момент времени его начала – критическим моментом tкр. Таким образом, закон движения тела от момента tкр начала критического интервала времени пренебрежимо мало отличается от линейной функции с постоянным ускорением a: где vкр – скорость тела в момент tкр.

Ускорение тела, с которым оно движется в течение критического интервала времени разгона, и его скорость в начале этого интервала можно выразить через соответ­ствующие номинальные параметры aн и vкр н, ожидаемые, исходя
из номинальных технических характеристик ускорителя, и соответствующие

коэф­фициенты a и v кр относительного отклонения a и vкр от своих номинальных значений: ; . Шунтирующий ключ срабатывает с некоторым запаздыванием, характеризующимся временем задержки шк, в течение которого тело будет продолжать разгоняться уже после выдачи команды на шунтирование РК ускорителя. Вследствие этого момент tкш не может определяться как момент времени, когда скорость v разгоняемого тела достигает значения VЗ, а должен быть предсказан заранее, исходя из закона движения v(t).

Первый рассматриваемый алгоритм, предполагает, кроме непрерывного измерения скорости разгона, определение ускорения тела в критическом интервале времени и вычисление расчетного значения момента времени tкш выдачи команды на шунтирование РК. Выражение для теоретической оценки расчетного значения момента tVз достижения телом заданного значения скорости VЗ вытекает из закона движения:

.

Выражение для относительной погрешности измерения скорости v при реализации 1-го алгоритма:

,

где t – интервал времени между двумя замерами скорости, по которым рассчитывается ускорение тела; Vз – относительная ошибка управления разгоном.

Второй алгоритм контроля скорости разгона тела не требует расчета ускорения в режиме on-line и предполагает только непрерывное измерение скорости в критическом интервале времени. В этом случае момент tкш не рассчитывается заранее, как в 1-м алгоритме, а совпадает с моментом достижения разгоняемым телом определенного значения скорости vкш, когда выдается команда на шунтирование РК. С учетом задержки шк срабатывания ШК это значение несколько меньше VЗ. Теоретическая оценка момента tкш выдачи команды на шунтирование РК соответствует моменту достижения телом заданного значения скорости VЗ за вычетом того ее приращения, которое произойдет в течение времени проведения измерения v и времени срабатывания ШК:

.

Выражение для v при реализации 2-го алгоритма:

, где шк н, шк н – соответственно номинальное значение времени срабатывания ШК и его относительное отклонение.

Сравнительный анализ этих двух алгоритмов управления разгоном тела в МПУ показал очевидное преимущество алгоритма с непрерывным измерением скорости без расчета ускорения, заключающееся в существенном снижении требований к точности измерения скорости по сравнению с алгоритмом управления, предусматривающим расчет ускорения в режиме on-line. Показано, что для обеспечения приемлемой для большинства задач ошибки управления разгоном не более 3 % допустимая погрешность измерения скорости при использовании алгоритма управления с непрерывным измерением скорости без расчета ускорения в режиме on-line составляет 2,3 %. В тех же условиях для алгоритма с расчетом ускорения это значение оказывается меньше 1 %, что существенно затрудняет техническую реализацию измерителя мгновенной скорости.

Для оценки степени универсальности применяемого подхода была исследована задача контроля скорости в смежной области электротехники. При этом была доказана эффективность использования логометрической функции двух функций преобразования (двух информативных параметров) сигналов первичных преобразователей при контроле линейной скорости объектов при разработке устройств контроля линейной скорости движения для систем антибоксования локомотивов. Предложен новый метод контроля скорости, предполагающий ее времяпролетное измерение двумя идентичными регистраторами, установленными под днищем локомотива со смещением друг относительно друга на известное расстояние и фиксацию двух моментов времени, когда сначала один, а потом второй регистратор будет находиться над границей “щебеночное покрытие – шпала”. Каждый регистратор содержит N излучателей и приемников отражающегося излучения, распределенных в направлении, перпендикулярном направлению движения. По значениям сигналов J1, J2, …, JN, пропорциональных интенсивности отраженного излучения, определяются два информативных параметра (две функции преобразования) и , а фиксация контрольных моментов времени происходит тогда, когда значение логометрической функции двух информативных параметров превышает заданное пороговое значение. По результатам этих исследований и разработок получено два патента на новые способы контроля скорости.

В четвертой главе “Вычислительный эксперимент и разработка устройства контроля скорости для системы управления магнитоплазменным ускорителем” разработана компьютерная программа вычислительного эксперимента контроля скорости тела, разгоняемого в МПУ. Моделирование выполнено в среде графического программирования LabVIEW 8.5 по методу конечного автомата Мура. Разработанный программный конечный автомат содержит 57 функциональных состояний.

С помощью разработанной компьютерной программы исследован предложенный метод контроля скорости разгона. Показано, что погрешность измерения не превышает ± 1,5 % (рис. 5), что существенно меньше допустимого для УКС значения v = ± 2,3 %. Это гарантирует, что погрешность определения момента выдачи команды на шунтирование РК не превысит значения t кш = ± 3,6 %, что в свою очередь, обеспечивает управление разгоном тела в МПУ с ошибкой, которая не превышает допустимое значение Vз = ± 3 %.

Разработана структура УКС в составе ПКР, в которой используются шесть магнитометрических датчиков: четыре основных и два дополнительных. Группу основных первичных преобразователей составляют два ДХ и два ИД. Дополнительными датчиками является еще одна пара ДХ. Также применяется магнитометрический преобразователь – “пояс Роговского” для контроля за скоростью изменения тока в цепи РК.

Предложена реализация УКС на базе интерфейса NI PXI с использованием крейтовой измерительной станции производства компании National Instruments с набором из 7 модульных устройств. Технические характеристики этой станции позволяют выполнять вычисления в режиме реального времени момента tкш выдачи команды на шунтирование электрической цепи РК МПУ за интервал времени не превышающий допустимой задержки, равной 35 мкс.

В приложениях приведены: графический код разработанной компьютерной программы, комментарий к ней, акты об использовании результатов диссертационной работы.

Основные результаты диссертационного исследования:

1. Сформулированы требования к ПКР как элементу системы управления МПУ. Они заключаются, во-первых, в ограничении диапазона допустимых значений относительной погрешности определения момента выдачи команды на шунтирование электрической цепи РК МПУ, чем прерывается разгон тела и, во-вторых, в ограничении диапазона допустимых значений времени задержки определения упомянутого момента. Таким образом, к ПКР предъявляются определенные требования по точности и быстродействию. Обосновано количественное выражение этих требований для обеспечения требуемой допустимой ошибки управления: || 3,6 %, || 35 мкс.

2. В результате сравнительного метрологического анализа предложен и исследован алгоритм управления разгоном тела, реализуемый ПКР, заключающийся в определении момента времени выдачи командного сигнала исполнительному устройству системы управления МПУ на основе непрерывной информации о мгновенной скорости тела на заданном участке и с учетом инерционности исполнительного устройства, обеспечивающий согласование ПКР с исполнительным устройством системы управления МПУ. Обосновано требование по точности к УКС как элементу системы управления в составе ПКР. Доказано, что для соблюдения допустимой погрешности = ± 3,6 % определения момента выдачи командного сигнала, что в свою очередь обеспечивает приемлемую ошибку управления разгоном ± 3 %, допустимая погрешность контроля скорости Vз составляет ± 2,3 %.

3. На основе исследования особенностей формы сигналов ИД, возмущаемых движущимся ПП, предложена функция преобразования сигналов двух ИД в виде геометрического усреднения значений их сигналов на определенных интервалах, в результате чего предложен и обоснован новый базовый метод контроля скорости, позволяющий повысить помехозащищенность контроля за счет исключения традиционной операции дифференцирования и замещения ее операцией измерения тока в ПП.

4. Впервые выполнено сравнительное исследование влияния на сигналы датчиков различных типов вариаций продольной длины ПП. На основе этого анализа предложены и теоретически обоснованы новые метод и устройство комбинированного индукционно-гальваномагнитного контроля скорости. 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 примерно в 1,5 раза повысить точность измерения скорости за счет обеспечения его инвариантности к слабо прогнозируемому параметру – продольной длине ПП.

5. Предложен и обоснован новый метод коррекции в режиме реального времени функции преобразования сигналов двух датчиков, основанный на использовании экспоненциальной аппроксимации функций сигналов датчиков на определенных интервалах и применении дополнительного датчика положения, что обеспечивает примерно в 1,2 раза повышение точности контроля скорости за счет введения обратной информационной связи по координате ПП.

6. Предложен и обоснован метод снижения методической погрешности контроля скорости, основанный на введении поправок к значениям сигналов ИД, рассчитываемых по значениям сигналов дополнительных ДХ, что позволяет скомпенсировать неинформативную составляющую в сигналах ИД.

7. Выполнен вычислительный эксперимент с использованием разработанной компьютерной программы, работающей в соответствии с предложенным алгоритмом по исследованию разработанных методов контроля скорости разгона. Доказано, что погрешность измерения не превышает ± 1,5 %, что меньше допустимого для УКС значения v = ± 2,3 %. Это гарантирует, что погрешность определения момента выдачи команды на шунтирование РК не превысит значения t кш = ± 3,6 %, что в свою очередь, обеспечивает управление разгоном тела в МПУ с ошибкой, не превышающей допустимое значение Vз = ± 3 %. Таким образом, в результате вычислительного эксперимента доказано, что реализованное на базе предложенных методов УКС в составе ПКР удовлетворяет требованиям со стороны системы управления МПУ.

8. На базе предложенных новых методов контроля скорости разработан УКС как элемент ПКР и системы управления МПУ, в которых используются шесть магнитометрических датчиков: четыре основных и два дополнительных. Группу основных первичных преобразователей составляют два ДХ и два ИД. Дополнительными датчиками является еще одна пара ДХ. Также применяется магнитометрический преобразователь – “пояс Роговского” для контроля за скоростью изменения тока в цепи РК. Проектирование УКС выполнено на базе интерфейса NI PXI с использованием крейтовой измерительной станции производства компании National Instruments с набором из 7 модульных устройств: 4-х цифровых осциллографов, 1-го переключателя, 1 контроллера с операционной средой Real-time, 1-го программируемого источника питания. Технические характеристики этой станции позволяют выполнять вычисления в режиме реального времени момента tкш выдачи команды на шунтирование электрической цепи РК МПУ за интервал времени не превышающий допустимой задержки, равной 35 мкс.

Результаты диссертационной работы в виде алгоритма и компьютерной программы вычислительного эксперимента и технической реализации УКС на базе интерфейса NI PXI подтвердили правомерность предложенного метода комбинированного индукционно-гальваномагнитного контроля скорости разгона тел в МПУ.

Содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Издания, рекомендованные ВАК:

1. Кириевский, Е.В. Моделирование сигнала индукционного датчика положения движущегося проводника с током / Е.В. Кириевский, С.Г. Январёв // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.-2000.-№3.-С.7-10.

2. Кириевский, Е.В. Комбинированный принцип измерения скорости движения проводника с током / Е.В. Кириевский, С.Г. Январёв // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.- 2003.- № 4.-С. 49-52.

3. Кириевский, Е.В. Анализ алгоритмов управления разгоном тела в магнитоплазменном электродинамическом ускорителе / Е.В. Кириевский, С.Г. Январёв // Известия вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки -2008.-№3.-С.58-62.

4. Январёв, С.Г. Метод измерения скорости движения проводника с током с нестабильной пространственной конфигурацией / С.Г. Январёв // Известия вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки -2009.-№2.-С.9-11.

5. Январёв, С.Г. Дихотомическая классификация методов измерения линейной скорости движущегося тела / С.Г. Январёв // Известия вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. Спец. выпуск-2009.-№3.-С.53-55.

Тезисы докладов в материалах и сборниках трудов научных конференций:

6. Кириевский, Е.В. Математическое моделирование сигнала датчика положения движущегося объекта в системе автоматизации научных исследований электрофизической установкой / Е.В. Кириевский, С.Г. Январёв // Измерение, контроль, автоматизация: Материалы международной науч.-техн. конф. Барнаул: АГТУ,-2000.-С.164.

7. Кириевский, Е.В. Анализ сигнала индукционного датчика положения / Е.В. Кириевский, С.Г. Январёв // Фундаментализация и гуманизация технических университетов: Материалы 49 науч.-техн. конф. студентов и аспирантов ЮРГТУ. Новочеркасск: ЮРГТУ, - 2000.-С.142.

8. Кириевский, Е.В. Анализ влияния скорости движущегося проводника с током на сигнал датчика положения в системах управления его разгоном / Е.В. Кириевский, С.Г. Январёв // тез. докл. регион. науч.-техн. конф. "Управление в технических, социально-экономических и медико-биологических системах, (апр.2000, г. Новочеркасск, ЮРГТУ) // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.- 2000.-№ 4.-С.122.

9. Кириевский, Е.В. Измерение скорости движения проводника с током методом геометрического усреднения сигналов датчиков положения / Е.В. Кириевский, С.Г. Январев // Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики: Материалы II международной науч.-практ. конф. Новочеркасск: ЮРГТУ,-2001.-Ч.3.-С.72-74.

10. Кириевский, Е.В. Комбинированный метод измерения скорости разгона для системы управления магнитоплазменным ускорителем / Е.В. Кириевский, С.Г. Январёв // Новые технологии управления движением технических объектов: Материалы 4-й международной науч.-техн. конф. Новочеркасск: ЮРГТУ,-2001.-Т.1-С.94.

11. Январёв, С.Г. Измерение скорости с использованием экспоненциальной аппроксимации сигнала датчика положения / С.Г. Январёв // Математические методы в технике и технологиях: Сб. трудов XV международной науч. конф. Тамбов: ТГТУ,-2002.-Т.7.-С.56-58.

12. Январёв, С.Г. Синтез закона преобразования сигнала измерителя мгновенной скорости тела / С.Г. Январёв // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-16: сб. тр. XVI Междунар. науч. конф. : В 10-ти т. / Рост. н/Д гос. академия сельскохоз. машиностроения. - Ростов н/Д: РГАСХМ, 2003. - Т. 6. Секц. 9. - С.29-30.

13. Кириевский, Е.В. Система измерения параметров движения тела на базе двух нейросетей с раздельными режимами обучения / Е.В. Кириевский, С.Г. Январёв // Труды Международных научно-технических конференций "Интеллектуальные системы (IEEE AIS'04)" и "Интеллектуальные САПР (CAD-2004)", 3-10 сент., Дивноморское, Россия: В 3-х т. / Таганрог. гос. радиотехн. ун-т. - М. : Изд-во Физматлит, 2004-Т. 1. - С. 360-362.

14. Январёв, С.Г. Измерение скорости с использованием аппроксимации функции первичных преобразователей двух типов / С.Г. Январёв // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-22: сб. тр. XХ Междунар. науч. конф. : В 10 т. Т.8 Секция 9-Псков: Изд-во Псков. гос. политехн. ин-та, 2009.-С.56.

Патенты на изобретение:

15. Пат. 2189599 РФ МКИ7 G O1P 3/64. Способ измерения линейной скорости локомотива / А.А. Зарифьян, Е.В. Кириевский, П.Г. Колпахчьян, С.Г. Январёв. - № 2001119755/28 ; заявл. 16.07.2001 ; опубл. 20.09.2002, Бюл. 26.

16. Пат. 2189600 РФ МКИ7 G O1P 3/64. Способ измерения линейной скорости локомотива / А.А. Зарифьян, Е.В. Кириевский, С.Г. Январёв, П.Г. Колпахчьян. - № 2001119756/28 ; заявл. 16.07.2001 ; опубл. 20.09.2002, Бюл. 26.

17. Пат. 2199753 РФ, МКИ7 G 01 P 3/64. Способ измерения скорости движения объекта / Е.В. Кириевский, С.Г. Январёв.-Опубл. 2003, Бюл. № 6.

18. Пат. 2208793 РФ, МКИ7 G 01 P 3/50. Способ измерения скорости движения проводника с током / Е.В. Кириевский, С.Г. Январёв.-Опубл. 2003, Бюл. № 20.

19. Пат. 2381509 РФ, МПК G 01 P 3/50. Способ измерения скорости движения проводника с током / Е.В. Кириевский, С.Г. Январёв.-Опубл. 2010, Бюл. №4.

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах: [1, 6-8] – вывод математических соотношений; [2, 3, 10, 13] – обоснование новых технических решений; [9, 15-18] – разработка идеи нового метода контроля скорости; [19] – основная идея и анализ результатов.

Без соавторов опубликовано 5 работ [4, 5, 11, 12, 14], в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК [4, 5].

Январёв Сергей Георгиевич

МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА КОМБИНИРОВАННОГО

ИНДУКЦИОННО-ГАЛЬВАНОМАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ

СКОРОСТИ РАЗГОНА ТЕЛ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МАГНИТОПЛАЗМЕННЫМИ УСКОРИТЕЛЯМИ

Автореферат

Подписано в печать 09.09.2010.

Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая.

Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,47. Тираж 120 экз. Заказ 48-800.

Отпечатано в ИД «Политехник»

346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132