CC BY
59
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 629.7.05
В.Л. Волков
канд. техн. наук, доцент, кафедра «Авиационные приборы и устройства», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
Р.Н. Каримов
магистрант,
кафедра «Авиационные приборы и устройства», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ СЕРИЙНЫХ ДАТЧИКОВ
Аннотация. Представлены результаты исследования характеристик автоматизированной системы контроля (АСК) серийных датчиков линейных ускорений на линейные ускорения и ударные перегрузки. Исследование АСК проведено путем компьютерного моделирования в программной среде Matlab Simulink с применением дополнительного измерителя ускорений на базе микро электромеханических систем. Полученные результаты подтверждают работоспособность АСК на всех режимах эксплуатации и показывают высокий уровень достоверности контроля.
Ключевые слова: датчик, система контроля, микро электромеханическая система, моделирование, перегрузка, Matlab Simulink.
V.L. Volkov, Arzamas Polytechnic Institute (branch) Nizhny Novgorod state technical University n.a. R.E. Alekseev
R.N. Karimov, Arzamas Polytechnic Institute (branch) Nizhny Novgorod state technical University n.a. R.E. Alekseev
SIMULATION OBSERVING SYSTEM OF SERIAL SENSORS
Abstract. The results of research characteristics of automated observing system (AOS) series of sensors (linear acceleration) to linear acceleration and impulse overload. A study carried out by AOS computer simulation in Matlab Simulink software environment with the use of an additional accelerometer based on MEMS. These results confirm efficiency of AOS on all modes of operation and show a high level of control reliability.
Keywords: sensor, observing system, micro-electromechanical system, modeling, overload, Matlab Simulink.
Моделирование приборных систем целесообразно проводить еще на этапе их проектирования. В этом случае можно выполнить имитационные испытания математических моделей на компьютере с применением программных сред, что позволяет расширить возможности их исследования в различных режимах эксплуатации, в том числе, и критических и существенно сократить время испытаний в дальнейшем [1].
Рассматриваемая автоматизированная система контроля предназначена для автоматизации испытаний серийных датчиков линейных ускорений (ДЛУ) на линейные и ударные перегрузки. Основой для схемы моделирования является промышленная система контроля «Орион», связанная с центрифугой и компьютером. Центрифуга в системе «Орион» используется для задания линейных перегрузок, а компьютер для обработки измерительных данных. В системе контроля «Орион» не используются какие-либо измерительные датчики, на платформу центрифуги устанавливаются только испытуемые серийные датчики ДЛУ.
Усовершенствование базовой АСК «Орион» заключается в установке на платформу центрифуги прецизионного малогабаритного ДЛУ, выполненного на базе МЭМС. Моделирование усовершенствованной АСК проводится в программной среде Matlab Simulink, осуществляющей визуализацию функциональной схемы АСК и результатов испытаний. В данном случае
в схеме моделирования осуществляется имитация как центрифуги для создания входных воздействий (угловой скорости, линейного ускорения, ударной перегрузки), так и основного измерителя АСК - датчика линейных ускорений. Компьютерная часть АСК осуществляет обработку сигналов датчиков и выполняет расчет контролируемых характеристик.
Следует заметить, что реальная центрифуга для ДЛУ задает только угловые скорости и линейные ускорения, причем их изменение производится по линейному закону. Имитационное моделирование позволяет задавать угловые скорости и линейные ускорения по синусоидальному закону, что позволяет провести предварительный анализ точностных характеристик ДЛУ и выполнить его калибровку (контролировать нулевой сигнал и наличие гистерезиса). Кроме этого, имитационное моделирование позволяет имитировать ударную перегрузку различного уровня.
Автоматизация моделирования системы контроля. Схема имитационного моделирования АСК представлена на рисунке 1. Функциональная схема содержит блоки: Input Data -блок имитации входных воздействий (линейного ускорения, ударной перегрузки); Manual Switch - переключатель, управляемый вручную; Accelerometer - ДЛУ, как основной измеритель АСК; Registration - регистратор выходных данных.
В проведенном исследовании АСК входное воздействие имитировалось в виде: 1) линейного ускорения по синусоидальному закону с амплитудой 19 м/с и частотой 70 Гц; 2) ударной перегрузки (10g, 50g, 100g, 1000g, где g - ускорение свободного падения).
Рисунок 1 - Функциональная схема моделирования АСК
Выдача результатов контроля осуществлялось как в визуальной, так и в численной форме. Компьютерная часть АСК, выполняющая обработку сигналов датчиков представлена в виде Matlab программы.
A= 19; F=70; K=15; T=5e-5; period=1e-4; ti=1e-0; amp=10; % начальные параметры;
MK=1; % состояние переключателя; % А-амплитуда, м/сл2; F-частота, Гц;
% К, T-коэфф. передачи и постоянная времени ДЛУ; tn-время наблюдения;
if MK==1 tn=1; K=1; else tn=2e-4; end;
e=ou-in; % ошибка ДЛУ (ou-массив реакции ДЛУ; in-массив вх. воздействия);
CKO=sum(e.*e)/length(e) % средний квадрат ошибки ДЛУ;
Epred=sqrt(CKO)/A*100% предельная ошибка ДЛУ;
dt=tn/length(e); % период дискретности;
t=[0:dt:(length(e)-1)*dt]'; % массив меток времени;
plot(t,in,t,ou,'r', 'LineWidth', 3), grid %совместный график in(t) и ou(t).
В этой программе задаются исходные данные для симуляции схемы и обрабатываются результаты эксперимента. Характеристики прецизионного ДЛУ взяты из работы одного из авторов для схемы с оптимальной компенсационной обратной связью [2].
При компьютерном эксперименте были получены следующие результаты:
1. Реакция ДЛУ на входное воздействие (рис. 2): а) при синусоидальном воздействии; б) при импульсном (ударном) воздействии.
2. Средний квадрат ошибки сигнала ДЛУ относительно задаваемого воздействия и предельное значение ошибки: а) при синусоидальном воздействии (СКО=0,0022; Epred=0,25%); б) при импульсном воздействии (СКО=5,6; Epred=12,5%).
а) при синусоидальном воздействии б) при импульсном воздействии Рисунок 2 - Графики процессов системы АСК
Результаты показывают допустимый уровень погрешностей ДЛУ при динамическом входном воздействии по гармоническому закону и недопустимый уровень при ударном воздействии. Эти результаты в целом подтверждают назначение ДЛУ, как датчика линейных ускорений, а не датчика ударных перегрузок.
Ошибка в показаниях ДЛУ при синусоидальном воздействии объясняется тем, что амплитудно-частотная характеристика ДЛУ имеет ограниченный характер и отклик на динамическое входное воздействие в силу инерционности датчика отображается на выходе с ошибкой, как по амплитуде, так и по фазе.
Выводы. Обоснована необходимость проведения моделирования АСК еще на этапе ее проектирования. При этом имеется возможность проведения испытаний АСК не только при типовых воздействиях линейных перегрузок, но и при гармонических и ударных перегрузках, что позволяет диагностировать перегрузку по форме и длительности сигнала. Фиксация линейных ускорений осуществляется с помощью специального МЭМС ДЛУ при допустимой погрешности измерений.
Результаты эксперимента подтверждают приемлемую точность регистрации показаний АСК с помощью МЭМС ДЛУ. В динамическом режиме предельная погрешность составляет не более 0,25%.
Список литературы:
1. Волков, В.Л. Математическое моделирование в приборных системах: учеб. пособие / В.Л. Волков, Н.В. Жидкова; НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - Нижний Новгород, 2014. - 147 с.
2. Волков, В.Л. Обоснование требований к параметрам микромеханического акселерометра // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - Нижний Новгород, 2011. - № 2 (87). - С. 288-295.
3. Волков, В.Л. Математическое моделирование в прикладной теории информации: учеб. пособие / НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - Нижний Новгород, 2014. - 121 с.
