Цифровые программируемые устройства управления режимом возбуждения при стендовых вибродинамических испытаниях

В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1985 года и на период до 1990 года» указывается на необходимость «.ускорить внедрение автоматизированных методов и средств контроля качества и испытания цродукции.» на основе всемерного использования достижений научно-технического прогресса.

При создании современных инженерных конструкций, особенно конструкций летательных аппаратов авиационной и ракетно-космической техники, в связи с резким увеличением их веса и размеров, значительным снижением относительной жесткости все более актуальными становятся различные задачи динамики. Достаточно назвать такие кардинальные проблемы, как обеспечение динамической устойчивости и вибропрочности летательных аппаратов. Известно, в частности, что до 80 $ отказов в летательных аппаратах происходит из-за вибрационных воздействий ?88] .

Решение такого рода задач требует прежде всего тщательного исследования динамических свойств разрабатываемой конструкции, целью которого является определение ее основных динамических характеристик: собственных частот, собственных форм и коэффициентов демпфирования упругих колебаний. Ввиду существенных трудностей математического описания и моделирования колебательных процессов в реальных объектах, представляющих собой чрезвычайно сложные механические системы с большим числом степеней свободы в узком частотном диапазоне, основными в этой области являются экспериментальные методы исследования, т. е. стендовые вибродинамические испытания [76, 77] .

Информация, полученная на данном этапе исследования используется как при составлении компоновочных схем разрабатываемых конструкций, так и при назначении программ последующего цикла вибрационных испытаний с различными видами нагружения, и ухе на первой стадии отработки позволяет сделать заключение о динамических свойствах и прочности изделия. По данным Совета по технологии машиностроения ГКНТ СМ СССР для ряда министерств и ведомств I рубль затрат на развитие лабораторной базы по отработке прочности даст годовой экономический эффект в размере 10 рублейсуммарный экономический эффект может составлять 15 млрд. рублей за счет сокращения объема натурных испытаний" расширения эксплуатационных ресурсов, обеспечения износостойкости и вибробезопасности машин и оборудования*.

Подавляющее большинство экспериментальных методов определения динамических характеристик основано на изучении поведения испытуемой конструкции при вынужденных гармонических колебаниях" Искомые динамические характеристики получают посредством измерения и анализа вибрационного состояния изделия, вызванного внешним гармоническим воздействием в заданном частотном и амплитудном диапазоне. Регистрация параметров вибрации ведется в различных точках конструкции, число которых может достигать нескольких сотен.

Постоянный рост требований к проведению испытаний в части повышения производительности труда, точности и объемов измерений, внедрения новых методов возбуждения, обработки и анализа результатов вызывает необходимость оснащения предприятий современными средствами автоматизации испытаний. Существующая испытательная база предприятий не позволяет выполнить изложенные требования по следующим причинам.

I. Применяемое оборудование — вибровозбудители, устройства задания и управления вибраций, измерительная аппаратура, устройства регистрации и обработки — функционально обособлены. Совместная их работа осуществляется операторами с использованием средств связи (ларингофонная связь, телефон и т. п.).

2. Информация в процессе испытаний, как правило" накапливается (магнитограммы" осциллограммы и т. п.), а обрабатывается после испытаний. Осциллограммы обрабатываются вручную" магнитограммы с применением аналоговой техники и последующей ручной обработкой*.

3. Преобладание ручного труда во время испытаний и в процессе обработки информации не позволяет получить требуемые результаты в необходимом объеме и в заданные сроки* *.

Совершенствование методов экспериментального исследования сложных изделий идет по пути создания автоматизированных систем управления виброиспытаниями на базе ЦВМ* Внедрение авт0матиз! ф0ванных систем качественно улучшает технологию испытаний" обработки и представления результатов эксперимента: автоматизируется замкнутый цикл операций при нагрухении" измерении и обработке" данные поступают в память ЦВМ в темпе эксперимента" создаются банки данных на внешних носителях информации" доступных для ЦВМ с мощными вычислительными ресурсами" резко уменьшается количество ручного труда" повышается культура цроизводства. Известен опыт практического использования подобных систем ведущими зарубежными фирмами [71″ 123″ 127] • Отечественные цифровые автоматизированные системы для вибродинамических испытаний находятся в стадии разработки или внедрения [l5″ 32″ 719 72″ ИЗ] •.

Важнейшим компонентом таких систем являются средства формирования гармонического сигнала возбуждения колебаний испытуемой конструкции и управления параметрами заданного вибрационного режима. Для обеспечения требуемой точности определения основных динамических характеристик сложных механических конструкций" обладающих близкими собственными частотами и нелинейными свойствами" задание частоты и уровня возбуждения должно производиться с высокой разрешающей способностью в широком динамическом и частотном диапазонах. Устройства данного назначения в специальной литературе получили название центров управления вибрацией (• Используются и другие термины: управляющие генераторы, специализированные устройства формирования возбуждающего сигнала.

Вопросы автоматического управления параметрами вибрационного режима объекта рассмотрены в работах: Ю. И. Йориша [55], В. В. Клюева [47, 48, 88, 89], А. С •Больших [29, 30], А. А •Кузнецова б1], А. А. Тоника [з, 39, 49, 104, Юб], А. Е. Леусенко [б7,.

Состояние проблемы в настоящее время таково, что несмотря на интенсивное развитие цифровых управляющих устройств на основе микропроцессоров, микро и мини-ЭВМ, форюфование гармонического возбуждения и управление его параметрами по прежнему осуществляется традиционными методами аналоговой техники, возможности которой весьма ограничены. Аналоговые средства задания параметров гармонической вибрации требуют непосредственного участия оператора в процессе испытаний, опыт и интуиция которого в значительной степени определяют качество управления. В условиях постоянного усложнения программ проведения испытаний, предусматривающих многократные коррекции и смены режимов возбуждения, увеличения числа контролируемых параметров испытуемого изделия и испытательного оборудования важнейшее значение приобретает задача автоматизации управления режимом возбуждения на основе ЦВМ.

При решении указанной задачи отдельно выделяют два вопроса: управление уровнем и частотой колебаний испытуемой конструкции. Цифровое программное управление уровнем вибрации обеспечивается за счет введения в основной контур регулирования виброустановки программно варьируемых параметров. Для выбора варьируемых параметров и алгоритмизации щхщессов управления необходима математическая модель основного контура регулирования виброустановки.

Задача управления вибрационным состоянием объекта существенно нелинейна. Обычно применяемые методы линеаризации являются приближенными методами расчета и дают удовлетворительные результаты в рода идеализации приводят к пренебрежению некоторыми свойствами, присущими только нелинейным системам. В данном случае это прежде всего возникновение почти периодических колебаний (биений), природа которых не находит объяснения в рамках линейной модели [з, 104 ].

Биения вызывают низкочастотное раскачивание конструкции и при нагру-жениях, близких к предельным, могут привести к ее разрушению. Поэтому линейные модели не могут служить основой для синтеза алгоритмов программного управления вибросостоянием объекта. Необходимым условием алгоритмизации является разработка динамических и статических моделей с учетом модуляции, существенной нелинейности и параметрического характера обратной связи в основном контуре регулирования виброустановки.

Частота колебаний объекта задается специализированным генератором возбуждающего сигнала, входящим в состав центра управления вибрацией. Поскольку к настоящему времени в практике виброиспытаний известно применение промышленных образцов только аналоговых генераторов [71, 113 ], на первом этапе решения задачи автоматизации целесообразно изучить возможность включения их в контур управления ЦВМ.

Применение цифровых генераторов существенно упрощает органислучае простейших колебательных режимов.

Подобного зацию и расширяет класс реализуемых с помощью ЦВМ управлений частотой возбуждения. Однако, известные методы цифрового синтеза гармонического сигнала не обеспечивают требуемых метрологических зи с этим становится очевидной задача разработки специализированных генераторов для виброметрии с цифровым программным управлением частотой формируемого сигнала.

Целью данной диссертационной работы является разработка методов синтеза гармонического сигнала возбуждения и алгоритмизация управления частотой и уровнем колебаний объекта в виброиспытательных системах на основе ЦВМ.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

— разработка динамической и статической моделей основного контура регулирования виброустановки с учетом модуляции, существенной нелинейности и параметрического характера обратной связи, обеспечивающих возможность алгоритмизации управления режимом возбуждения;

— разработка метода формирования гармонического сигнала воз1 буждения, ориентированного на цифровое программное управление частотой колебаний в широком диапазоне с высокой разрешающей способностью;

— практическая реализация и экспериментальное исследование цифровых программируемых центров управления вибрацией для автоматизированных виброиспытательных систем.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений,.

В первой главе проведен анализ динамических моделей объекта управления, методов исследования и принципов построения центров управления вибрацией. характеристик в заданном диапазоне частот.

Во второй главе разработаны статические и динамические модели основного контура регулирования виброустановки" на основе которых синтезированы алгоритмы управления уровнем вибрации объекта*.

Третья глава посвящена синтезу гармонического сигнала возбуждения с цифровым программным управлением частотой колебаний".

В четвертой главе изложены принципы построения и результаты экспериментальных исследований цифровых программируемых центров управления вибрацией в составе автоматизированных виброиспытательных систем.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— на основе метода Ван-дер-Поля разработана нелинейная динамическая модель основного контура регулирования виброустановки, позволившая определить области устойчивости периодического режима и механизм возбуждения почти периодических колебаний;

— предложен метод анализа статического режима в контуре с параметрической обратной связью и гиперболической аппроксимацией характеристики компрессора на основе логарифмической линеаризации;

— разработан метод ускоренной коррекции статической ошибки установки уровня вибрации на основе идентификации коэффициента передачи объекта в течение переходного процесса;

— предложен метод формирования гармонического возбуждающего сигнала с непосредственным заданием периода колебаний при помощи цифрового программируемого синтезатора частотпостроена обобщенная дискретная модель колебательной системы генератора и определены области ее устойчивости;

— найден оптимальный закон дискретной перестройки частоты воз-буздения, минимиз1фугощий влияние переходных процессов, обусловленных дискретностью развертки, на вибрационный режим объекта.

Практическая ценность работы заключается в следующем. Разработаны рекомендации для выбора параметров основного контура регударования виброустановки, обеспечивающие подавление биений и существенное расширение эффективного диапазона регулирования. Разработаны оригинальные структуры устройств управления уровнем и частотой возязыке ФОРТРАН 1У разработаны стандартные подпрограммы, реализующие основные функции управления режимом гармонического возбуждения и позволяющие компоновать необходимые программы управления для проведения конкретных испытаний. Разработана методика расчета нелинейного корректирующего устройства для стабилизации колебательной системы цифрового генератора гармонического возбуждения в широком диапазоне частот (2 4 5000 Гц). За счет оптимального выбора узлов кусочно-линейной аппроксимации в 3 раза снижен коэффициент гармоник выходного сигнала цифрового генератора. Выбор гиперболического закона дискретной развертки частоты возбуздения для предложенной структуры цифрового генератора позволил значительно сократить время прохояздения заданного диапазона частот при той же максимальной интенсивности переходных процессов в объекте управления (диапазон в II октав может быть пройден в 7 раз быстрее, чем при дискретной логарифмической развертке).

На основе проведенных исследований разработаны и изготовлены опытные образцы устройства управления заданиями ЦЛП8 для аппаратуры автоматизации виброиспытаний ЩА5 и цифрового программируемого центра управления вибрацией ЦЛПЗО для аппаратуры ЦЦА5.1 с пакетом программного обеспечения для проведения динамических испытаний при гармоническом воздействии.

Применение указанной аппаратуры и пакета рабочих программ обеспечило:

— автоматизацию всего цикла испытаний, включая поверку измерительных каналов, формирование возбуждения и управление вибрационным состоянием объекта, преобразование и сбор измерительной информациибуждения, защищенные авторскими свидетельствами.

На.

— повышение производительности труда в 2,5 раза, точности установки уровня вибрации в 10 раз и частоты в 40 раз, точности определения динамических характеристик в 2 раза.

Суммарный экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составил 142 тыс. рублей в год.

Основные положения диссертации опубликованы в десяти печатных трудах и апробированы на двух Всесоюзных конференциях.

Диссертационная работа проводилась в соответствии с целевой комплексной научно-технической программой 0.Ц.026 «Автоматизация управления технологическими процессами, производствами, машинами, станками и оборудованием с применением мини и микро-ЭВМ» .

ВЫВОДЫ.

1. Поисковым методом оптимизации Гаусса-Зайделя найдено оптимальное расположение узлов кусочно-линейной аппроксимации синусоидальной функции, минимизирующее коэффициент нелинейных искажений, что обеспечило повышение качества формы кривой возбуждающего сигнала в указанном выше смысле в три раза по сравнению с прибором-аналогом .

2. Экспериментально подтверждены результаты теоретического анализа почти периодических режимов в основном контуре регулирования виброустановки.

3. По результатам теоретических исследований разработаны: устройство управления заданиями ЦШВ для аппаратуры автоматизации виброиспытаний ЦВА5, цифровой программируемый центр управления вибрацией ЦЛПЗО для аппаратуры ЩА5.1 и пакет программного обеспечения для проведения динамических испытаний при гармоническом воздействии. Применение указанной аппаратуры позволило повысить производительность труда в 2,5 раза, точность установки уровня вибрации в 10 раз, частоты в 40 раз, точность оцределения динамических характеристик в 2 раза, что подтверждено соответствующими актами о внедрении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основными результатами проделанной работы можно считать следующие.

1. Показано, что известные линейные модели основного контура регулирования не учитывают условий возбуждения почти периодических колебаний, имеющих место в практике виброиспытаний. На основе метода Ван-дер-Поля разработана нелинейная динамическая модель основного контура регулирования, позволившая определить области устойчивости периодического режима и механизм возбуждения почти периодических колебаний.

2. Предложен метод анализа статического режима в контуре с параметрической обратной связью и гиперболической аппроксимацией характеристики компрессора на основе логарифмической линеаризации, позволивший произвести выбор варьируемых параметров контура и алгоритмов их изменений, обеспечивающих существенное расширение эффективного диапазона регулирования.

3. Разработан метод ускоренной коррекции статической ошибки установки заданного уровня вибрации на основе идентификации коэффициента передачи объекта за время переходного процесса. С помощью метода параметрической чувствительности показано, что может быть достигнута погрешность коррекции, не превышающая 5%.

4. Исследована возможность включения аналоговых генераторов возбуждающего сигнала в замкнутый контур управления ЦВМ. Разработана математическая модель контура с релейным алгоритмом управления. Методом дискретной фазовой плоскости установлено, что разрешающая способность управления зависит от частоты возбуждения и скорости сканирования и ограничена возникновением предельных циклов (автоколебаний). В пространстве указанных параметров определнны области устойчивого программного управления частотой возбуждения.

5. Предложен метод формирования гармонического возбуждающего сигнала с непосредственным заданием периода колебаний при помощи цифрового программируемого синтезатора частот. Разработана методика выбора параметров структуры генератора, реализующего указанный метод с заданными динамическими и точностными характеристиками. Построена обобщенная дискретная модель колебательной системы генератора, определены области ее устойчивости и методы коррекции.

6. Рассмо трено влияние дискретности перестройки частоты возбуждающего сигнала на режим колебаний резонансного объекта и построены области допустимого изменения скорости дискретной развертки в пространстве параметров объекта и генератора возбуждения. Получен оптимальный закон сканирования частоты сигнала возбуждения, минимизирующий интенсивность переходных процессов, обусловленных дискретным характером развертки.

7. Поисковым методом оптимизации Гаусса-Зайделя найдено оптимальное расположение узлов кусочно-линейной аппроксимации синусоидальной функции, минимизирующее коэффициент нелинейных искажений, что обеспечило повышение качества формы кривой возбуждающего сигнала в указанном выше смысле в три раза по сравнению с прибором-аналогом.

8. Экспериментально подтверждены результаты теоретического анализа почти периодических режимов в основном контуре регулирования виброустановки.

9. По результатам теоретических исследований разработаны: устройство управления заданиями ЦЛП8 для аппаратуры автоматизации виброиспытаний ЩА5, цифровой программируемый центр управления вибрацией ЦЛПЗО для аппаратуры ЩА5.1 и пакет программного обеспечения для проведения динамических испытаний при гармоническом воздействии. Применение указанной аппаратуры позволило повысить производительность труда в 2,5 раза, точность установки уровня вибрации в 10 раз, частоты в 40 раз, точность определения динамических характеристик в 2 раза. Суммарный экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составил 142 тыс. рублей в год.