Системный анализ магнитострикционных преобразователей параметров движений на крутильных магнитоупругих волнах для тренажеров транспортных средств Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Прошкин В.Н, Прошин И.А. , Тимаков В.М. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЙ НА КРУТИЛЬНЫХ МАГНИТОУПРУГИХ ВОЛНАХ ДЛЯ ТРЕНАЖЕРОВ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Надежность, технические и метрологические характеристики систем управления (СУ) тренажера транспортных средств (ТТС) во многом определяются уровнем развития датчиковой аппаратуры, обеспечивающей непрерывное измерение и контроль физических параметров, и преобразование этих параметров в унифицированные электрические сигналы.

Значительную часть преобразователей измерительной информации, составляют преобразователи параметров движений (перемещение, скорость, ускорение). Важное место среди них принадлежит магнитострик-ционным преобразователям параметров движений (МППД).

В качестве базовой конструкции для МППД может служить магнитострикционный преобразователь линейных перемещений на крутильных магнитоупругих волнах с использованием физических эффектов Видемана -Вертгейма [1]. Указанные преобразователи широко используются в составе прецизионных гидравлических приводов ТТС, в испытательных стендах, в технологических установках для сертификационных испытаний динамических систем, в игровых и развлекательных аттракционах и т.д.

К измерительным преобразователям (ИП) МППД предъявляются высокие требования по обеспечению его нормального функционирования в современных СУ ТТС в течение гарантийного срока в жестких эксплуатационных условиях (температура, давление, вибрации, акустические шумы, линейные и угловые ускорения, механические и гидравлические удары, воздействие агрессивных сред). Надежность ИП должна быть выше надежности изделия СУ ТТС, на которое оно установлено. Вместе с тем преобразователи должны иметь простую конструкцию, низкие энергетические, массогабаритные и стоимостные показатели, чтобы не ухудшать общие тактико-технические характеристики системы управления, гарантированные метрологические характеристики на протяжении всего срока эксплуатации и обеспечивать многоразовое применение с сохранением всех технических параметром после каждого цикла работы. При этом, прежде всего, следует выявить требования, предъявляемые к МППД как к элементу СУ, исходя из его практического применения. Для этого необходимо представить МППД как объект управления, выделив управляемые и управляющие воздействия, определить возможные возмущающие воздействия и характер их изменения, влияние внутренних параметров преобразователя на динамические свойства системы.

Методология исследований. Основа исследований - системный, энергетический и информационноалгоритмический причинно-следственный подходы, комплексные исследования МППД, сочетающие экспериментальные и теоретические исследования, технологические и конструктивные проработки, схемотехнические решения. Преобразователь представлен как:

преобразователь энергии;

элемент системы управления;

система взаимосвязанных элементов;

объект управления.

При исследованиях МППД могут применяться как методы физического моделирования, так и методы моделирования на ЭВМ. Следует отметить, что достоверные исследования физических закономерностей механизмов преобразования энергии, конструктивных и технологических особенностей МППД возможно только на основе экспериментальных исследований. Учитывая вероятностный характер воздействий, получение математических моделей и обработку результатов эксперимента необходимо проводить на основе методов статистических исследований.

При этом, прежде всего, следует выявить требования, предъявляемые к

МППД как к элементу системы управления, исходя из его практического применения. Для этого необхо-

димо представить МППД как объект управления, выделив управляемые и управляющие воздействия, определить возможные возмущающие воздействия и характер их изменения, влияние внутренних параметров преобразователя на динамические свойства системы.

Следующий этап исследований - систематизация требований, предъявляемых к выходным координатам МППД с учётом возможных изменений возмущающих воздействий при его рассмотрении как элемента системы управления. Анализ и синтез способов и устройств формирования заданных динамических свойств МППД целесообразен по результатам его исследования как системы взаимосвязанных элементов с учётом возможных конструктивных, технологических и схемотехнических решений. При этом динамические свойства МППД

могут формироваться только с учётом его особенностей как преобразователя энергии.

Магнитострикционный преобразователь параметров движений как элемент системы управления. Обобщённая структура многомерной системы автоматического управления (САУ) n-объектами показана на рис. 1. На схеме обозначены эндогенные переменные: x^t) - векторы входных (задающих) воздействий; Vj(/) -

векторы возмущающих внешних воздействий; h (t)- векторы сигналов ошибки; h (t) - векторы управляющих

воздействий и экзогенные переменные: y (t) - векторы, характеризующие выходные переменные объектов

управления; zk (t) - векторы, характеризующие выходные переменные объектов управления на выходе МППД.

Управляющая система включает совокупность программно-технических средств (регуляторы, устройства сопряжения и масштабирования и т.п.), обеспечивающих достижение объектами управления определенной цели. Качество управления (точность, быстродействие, перерегулирование) во многом определяется техническими характеристиками МППД. Состояние системы управления оценивается по координатам состояний Yj(t). Электрические эквиваленты этих состояний zk(t) отображены на выходах МППД №1...МППД №n.

V

-*ф-

Х2

Хз

Х4

Ьл

<8ь

Ьз

ЬА

Ьп

.а

сі

о

I-

ос

§г

1_

ш

О-

го

2

о

£з

о

к

го

ЕЇ

2

к

ш

ел

сі

Ьл

Ь2

Ьз

Ь4

Ьп

V.

V/

Система управления ТТС

Объекты управления

Объект № 1

Линейные гидравлические приво динамический стенд ТТС; 'ехнологическое оборудование в составе ТТС) _ _

Объект №

Линейные электрические, гидропневматические приводы (системы/управления бортовым оборудованием ТТС)

Объект № 3

Устройства для измерения расходом или уровнем рабочей жидкости в гидросистеме ТТС

Объект № 4

Устройства контроля осевыми смещениями агрегатов ТТС (элементов конструкций ТТС; валопроводов электрических машин и т.д)

Объект № п

Устройства телеметрии, диагностики законов

. управления, сертификационные испытания

систем ТТС

МППД № 1

МППД № 2

МППД № 3

МППД № 4

МППД № п

Ул -----►

У2

Уз —►

У4 -----►

У] —►

Рис. 1. Структурная схема системы управления

Разница между входными воздействиями х^(1) и действительными 2к(Ь) законами изменения управляемой величины есть ошибка управления Ь'(1) = х^(1) - zk(t). В астатической САУ ошибка системы равна нулю. Поэтому точность управления полностью определяется только точностью МППД. В статических системах автоматического управления дополнительно к ошибке преобразователя добавляется ошибка системы. Задачей системы автоматического управления является изменение переменной Уj(t) согласно заданному закону с определенной точностью (с допустимой ошибкой). При проектировании СУ необходимо учитывать технические характеристики всех входящих в нее компонент (детали, элементы, функциональные узлы) и, в первую очередь, это касается узлов обратных связей, которые определяют точность, чувствительность, разрешающую способность, линейность, быстродействие и надежность всей системы.

Для воспроизведения на ТТС модели виртуальной среды ощущения пространственного движения, адекватной к реальной обстановке, его системы моделирования должны с высоким качеством и подобием стимулировать восприятия движения, ощущаемые оператором в транспортном средстве реального объекта. Постановка такой задачи предопределена постоянным совершенствованием не только технологии моделирования, законов управления, но и улучшением характеристик приводных звеньев, в обратную связь которых входит МППД.

На современном этапе развития тренажеростроения существует тенденция роста объема и сложности решаемых задач, что ведёт к усложнению алгоритмических, технологических и конструкторских решений, сопровождается постоянным повышением ответственности и надежности, исполняемых системами функций. Возрастает потребность в интеграции отдельных систем в сложные динамические структуры. Это касается и электрогидравлического привода, от которого требуется качественно новые технические характеристики.

Узлы обратной связи гидравлических приводов динамического стенда (ДС) ТТС размещаются на внешней стороне гидроцилиндра. Для того чтобы соединить элемент позиционирования МППД со штоком гидроцилиндра требуется введение дополнительных механических узлов, что не только усложняет конструкцию привода и увеличивает его массогабаритные размеры, но и ухудшает точностные характеристики из-за присутствия люфтов, сухого трения и несоосностей в кинематических цепях узла обратной связи. При определенных величинах знакопеременных ускорений, развиваемых ДС, помехоустойчивость узлов обратной связи становится крайне низкой. Поэтому в законы управления ДС в ущерб качеству передачи виртуальной средой ощущений пространственного движения вводятся ограничения по предельным перемещениям стенда. Все это отражается на объеме и качестве представления акселерационной информации обучающему экипажу, обуславливает несоответствие тренажёров определенным критериям международного стандарта по оценке наземных обучающих систем.

Систематизация требований к МППД в системах управления тренажеров транспортных средств. Анализ показывает, что к бортовому оборудованию ТТС, в том числе и к МППД как к элементам этих систем, предъявляются следующие требования по живучести стойкости к внешним воздействующим факторам:

по защищенности от воздействия окружающей среды изделие относится к обыкновенному исполнению, непредназначенному для работы в условиях воздействия твердых тел, воды, взрывоопасной и агрессивной сред, интенсивных механических воздействий;

по устойчивости к воздействию климатических факторов внешней среды изделие должно быть устойчивым к воздействию температуры окружающего воздуха в диапазоне от +5 до +85 °С, к воздействию влажности 85 % при температуре +25 °С;

изделие должно сохранять свои характеристики при воздействии внешнего постоянного магнитного поля напряженностью до 400А/м и переменного магнитного поля напряженностью до 400А/м с частотой 50 Гц;

изделие должно быть работоспособным при воздействии на него синусоидальной вибрации и линейных ускорений до 98 м/с2 (10 g) по трем координатным осям (таблица 1).

Таблица 1. Требования по вибрационным воздействиям

Диапазон частот, Гц Ускорение Время действия, час

5 - 10 2,5 мм (амплитуда) 500

20 19,6 м/с2 (2 g) 500

10 - 100 9,8 м/с2 (1 g) 500

100 - 500 4,9 м/с2 (0,5 g) 500

В таблице 2 приведены основные технические характеристики двух динамических систем для тренажеров транспортных средств.

Таблица 2. Основные технические характеристики динамических стендов

Параметр Единица измерения ДС-6-1000 ДС-6-1500

Рабочий ход штока приводного звена мм 1100 1500

Продольное перемещение (Хдр.д. ) мм ± 980 ± 1470

Поперечное перемещение (^поп.п.) мм ± 850 ± 1270

Вертикальное перемещение (Ув.п.) мм ± 1200 ± 1700

Угловое перемещение по крену (Укр.п. ) град 2 ГО +1 2 3 +1

Угловое перемещение по тангажу (ит.д.) град 2 ГО +1 ± 32

Угловое перемещение по курсу (фкурс. п.) град ± 32 ± 32

Линейная скорость по осям Хдр.д. , ^доп.п. , Ув.п. м/с ± 0,7 7 0 +1

Угловая скорость по крену, тангажу, курсу град/с ± 40 ± 40

Линейное ускорение по осям Хпр.п. , ^поп.п. , Ув.п. м/с2 5 +1 ± 5

Угловое ускорение по крену, тангажу, курсу град/с2 ± 100 ± 100

Максимальная грузоподъемность стенда кг 7000 12000

Рабочее давление в полости гидроцилиндра МПа 21 21

Минимальное давление в полости гидроцилиндра МПа 0,05 0,05

Максимальное (пиковое) давление в полости гидроцилиндра МПа 60 60

Допустимый температурный диапазон рабочей жидкости в полости гидроцилиндра °С 5 9 + 0 7 - 5 9 + 0 7 -

Количественные значения показателей надежности для всей системы ДС, в том числе и для МППД, находящегося на подвижной платформе и в составе узла обратной связи линейного привода, следующие:

показатель безотказности - средняя наработка на отказ не менее 50000 часов (подтверждается расчетами на этапе РКД);

показатель долговечности - средний ресурс до первого среднего ремонта должен быть не менее 8500 часов в течение 12 лет;

средний ресурс - не менее 16000 часов в течение 17 лет;

показатель ремонтопригодности - среднее время восстановления работоспособности после возникновения отказа не более 1 часа;

средний срок хранения законсервированного изделия 4 года с переконсервацией через 2 года, из них не менее 1 года в составе ДС;

непрерывная работа в течение 16 часов с перерывом на 1 час перед продолжением последующих работ; гарантийная наработка 8000 часов в течение 12 лет, в том числе 8 лет непосредственной эксплуатации, остальное время - транспортирование и хранение.

Магнитострикционный преобразователь параметров движений как объект управления. Магнитострикцион-ные преобразователи параметров движений включают наличие двухмерных шкал - магнитострикционной (аналоговой) и цифровой, относительно которых осуществляется кодирование информационного сигнала, преобразование в унифицированный ряд выходных сигналов для дистанционной передачи по каналам связи в СУ. Первая реализуется ИП, вторая - вторичным преобразователем (ВП). Измеряемая или контролируемая переменная СУ преобразуется в интервал времени и подвергается цифровому кодированию.

Как объект управления МППД является дискретной нелинейной системой с широтно-импульсной модуляцией первого рода (ШИМ-1) и представляет собой преобразователь информации о входных механических воздействиях (перемещение, скорость, ускорение и направление перемещения) в выходные управляемые координаты.

На рис. 2 показана обобщенная структурная схема МППД как объекта управления, детально отображающая функциональные связи между его блоками, показана основная совокупность управляющих х^(С) и возмущающих v1(t) воздействий, выходных у^(^ координат преобразователя, а также совокупность внутренних Лк(С) параметров. В состав преобразователя входят цилиндрический акустический волновод (ЦАВ), демпферы акустического волновода (ДАВ), акустоэлектрический преобразователь (ПАЭ), элемент позиционирования магнитный (ЭПМ) и адаптирующие и демпфирующие устройства (АДУ).

Управляющие воздействия х^(1) МППД - это механические воздействия со стороны объекта управления на ЭПМ, которые характеризуются следующей совокупностью признаков: х1(^ - величиной перемещения; х2(Ь) - скоростью перемещения; х3(С) - ускорением перемещения; х3(С) - направлением перемещения.

V (t) - совокупность внешних возмущающих воздействий

1-SP

ч:

ю

ч:

VO

\о

♦,А */А Vi(t) v(t

v(t V(t v(t V(t V7(t) V8(t) V9(t) v1o(t) v1i(t) wt(t V|3(t> V|4(t>Vl5(tl

y j(t) - совокупность выходных сигналов

— СТАРТ-СТОП ШИМ-сигнал-

_М-разрядный_

двоичный код Напряжение постоянного тока

---Параметры ЦАВ—► h (t)

---Параметры ДАВ—► hi(t)

— Параметры ПАЭ—► h3(t)

— Параметры ЭПМ—► h4(t) Параметры ВП ► h5(t)

— Па раме тры ИП----► he(t)

Рис. 2. Обобщенная структурная схема МППД

Результат преобразования информации, содержащейся во входных воздействиях МППД представляется в виде электрических сигналов. В качестве основных выходных координат у^ (¿) МППД наиболее часто используют сигналы вида:

у1( ¿) - чередующая последовательность СТАРТ-СТОП импульсов; у2(¿) - широтно-импульсный модулируемый сигнал; у3(1) - ^-разрядный двоичный код; у4(1) - напряжение постоянного тока.

На внутренние параметры Л*(С) преобразователя в той или иной степени оказывают влияние внешние возмущающие воздействия, в результате чего выходные характеристики МППД могут искажаться. Наиболее существенное влияние оказывают следующие воздействия VI ( ¿):

v1(t) v2(t) v3( t) v4(t) v5( t) v6( t) v7( t) v8( t) v9( t) v10(t) v11( t) v12(t) v13(t) v14(t) v15(t)

изменение параметров источника питания (Упит, -Тдит);

электромагнитные поля Мэл.магн. от силовых установок;

электрические поля Еэл.п.;

электростатические поля Еэл.стат.п. ';

старение ¿стар. (технический ресурс);

статическая температура ¿°стат.;

- динамическая температура ¿°дин.;

- механические силы Омех. ;

- вибрации Овибр.; акустические поля Оакуст. ; механические удары Оудар.; гидравлические удары Огидр.; агрессивные среды Оагрес.ср. ; давление среды Одавл.ср. ; пространственное движение Опр.дв. .

Таким образом, как объект управления МППД - это информационный преобразователь о механических воздействиях в электрические сигналы. Основные требования, предъявляемые к МППД как к объекту управления - это обеспечение высоких показателей точности, быстродействия и помехозащищённости.

Магнитострикционный преобразователь параметров движений как система взаимосвязанных элементов. Совокупность элементов преобразователя подвержена со стороны окружающей среды, как это показано при анализе МППД как элемента системы управления и как объекта управления, множеству возмущений, под действием которых изменяются их параметры, а следовательно и характеристики МППД в целом. Магнито-стрикционный преобразователь линейных перемещений как система взаимосвязанных элементов объединяет множество конструктивных элементов, определяющих его свойства как единой измерительной системы. В качестве основных элементов измерительного преобразователя МППД можно выделить: ЦАВ, ДАВ, ПАЭ, ЭПМ и АДУ.

Учитывая, что свойства МППД в целом определяются как взаимодействием его составных частей, так и свойствами его отдельных элементов, проведём наряду с анализом МППД как единой системы исследования его отдельных элементов с целью определения путей уменьшения или исключения влияния на его характеристики основных возмущающих факторов, повышения метрологических характеристик преобразователя до уровня, определяемого совокупностью требований к МППД как к элементу СУ.

Магнитострикционный преобразователь параметров движений как преобразователь энергии. Математическая модель (ММ) МППД на основе энергетического подхода позволяет описать механизм преобразования энергии при формировании крутильных магнитоупругих волн [2].

гоН = уЕ+р +8 гг,

Ші Ш

гоЕ = -ШВ, ш

ёгуГ = р,

&у£ = 0,

г=8 • Е,

В = ^ • Н 0 + ^ • Н,

У2П+т-^gmd ¿шП+Рм•(/-Щ-

1 - 2 V О ' Ші2

\

/ = 1 ■(гоН х 5 + го1Б х И + И&хчБ + Б&хчИ

где Б - магнитная индукция; И - напряженность магнитного поля; Е - напряженность электрического поля; О - электрическая индукция; р - плотность электрического заряда; у - удельная проводимость материала; и - смещение элементарного объема; 8 - диэлектрическая проницаемость среды;

Ц - магнитная проницаемость материала ЦАВ; ГО1Н - плотность полного тока; ТЕ - плотность тока проводимости, образованного свободными зарядами; ри - плотность тока переноса зарядов, связанных с

элементарным объемом материала; 8 - плотность тока смещения; Н0 - магнитное поле постоянного

магнита; V2 - оператор Лапласа; рм - плотность материала; С - модуль сдвига; f - пондеромо-

торная сила; V - коэффициент Пуассона.

Математическая модель МППД как объекта управления на основе причинно-следственного информационноалгоритмического подхода относится к классу дискретных нелинейных моделей. Механизм преобразования информации в ШИМ-1 описывается совокупностью уравнений:

(ф) = + |Л(0; и(') = в-М'); УЦ) = вЛф('о) + 2п ■/]; и(') = УЦ).

Из приведенной модели следует соотношение для определения момента появления модулируемого

фронта импульса:

ю"'• + х(') = А ■ /+ю('),

где - частота следования импульсной последовательности; Л - величина кванта нелинейного элемента.

Технология проектирования СУ с МППД опирается на цифровые способы обработки информации с использованием элементов микропроцессорной техники. Поэтому для их математического описания при анализе и синтезе применимы модели вход-выход в виде разностных уравнений, передаточных функций в 2-форме,

временных и частотных характеристик и ММ в пространстве состояний различных форм записи. Учитывая

высокую разрядность цифрового представления информации, МППД вместе с цифровым вычислителем может быть представлен моделью звена чистого запаздывания с передаточной функцией в изображениях Лапласа

W (я) = вили в 2-форме W(2) = 2 к . Наличие звена чистого запаздывания в СУ приводит к снижению запаса по фазе и амплитуде. Минимальное критическое время запаздывания Ткр при заданном запасе

устойчивости по фазе ф(Юкр) = п + агС£(£>(Юкр) / Р(Юкр)) определяется известным выражением

— ф(^^т)/ ю

скр _ МЛи^кр7/ ^кр •

Оценка свойств МППД строится на основе экспериментальных исследований, на базе стохастических математических моделей [3, 4]. Построение стохастических ММ преобразователя основывается на корреляционно-регрессионном анализе с использованием методов структурно-параметрического синтеза ММ на основе трех следующих принципов: систематизации ММ (базисных функций) по видам преобразования координат;

многоуровневого синтеза и выбора пакетов функциональных зависимостей; получения состоятельных, несмещённых и эффективных оценок ММ в преобразованных координатах по критерию, задаваемому в непреоб-разованных координатах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Прошкин В.Н. Конструкторско-технологические способы совершенствования магнитострикционных преобразователей линейных перемещений для специальных условий эксплуатации: Дис...канд. техн. наук. -

Астрахань, 2007. - 173 с.

2. Мащенко А.И. Магнитострикционные преобразователи перемещений на основе эффекта Видемана: Дис.канд. техн. наук. - Астрахань, 2001. - 164 с.

3. Прошин И.А. и др. Математическое моделирование и обработка информации в исследованиях на ЭВМ.

- Пенза: ПТИ, 2000. - 422 с.

4. Прошин И.А. и др. Структурно-параметрический синтез математических моделей в задачах обработки экспериментально-статистической информации: Монография. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад.,

2007. - 178 с.