автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Программно-управляемые аппаратные средства реального времени систем виброакустической диагностики промышленного оборудования

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

- 3 МАР 1997

УДК 621.396:681.3

ДАВЫДОВ Александр Борисович

ПРОГРАММНО-УПРАВЛЯЕМЫЕ АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ СИСТЕМ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05.13.05 ~ Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1997

Работа выполнена в Белорусском государственном ушшерсите информатики и радиоэлектроники

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Петровский А.А. '

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Садыхов Р.Х.

кандидат технических наук, профессор Фурунжиев Р.И.

Оппонирующая организация

Научный центр проблем механию машин АНБ

Защита состоится 13 марта 1997 г. в 14.00 часов на заседании совета г защите диссертаций Д02.15.01 в Белорусском государственно университете информатики и радиоэлектроники по адресу: 22002 г.Минск, ул. П.Бровки, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники.

Автореферат разослан "3 " февраля 1997 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций

д.т.н., профессор

В.А.Кешишьян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации обусловлена возросшей практической потребностью промышленности как в вибродиагностическнх системах раннего обнаружения развивающегося дефекта, так и в системах для проведения диагностики вновь разрабатываемых изделий. В частности, такие системы диагностики необходимы как производителям машин и оборудования, например, Минские автомобильный, тракторный и станкостроительный заводы, а также предприятиям, эксплуатирующим оборудование, например, министерство топлива и энергетики. В настоящее время в Республике Беларусь системы виброакустической диагностики серийно не производятся. Наряду со стационарными вибродиагностическими системами имеется большая потребность промышленности в переносных специализированных приборах для проведения мониторинга промышленного оборудования. Значительная стоимость импортных вибродиагностическнх систем и приборов, а также их узкая специализация, являются сдерживающим фактором для их массового применения в промышленности РБ. Таким образом, состояние рассматриваемой в диссертационной работе проблемы таково, что несмотря на большую потребность промышленности РБ в диагностических системах и специализированных приборах, серийная аппаратура для создания внброакустических систем не разработана. Для производства программно-управляемых аппаратных средств реального времени систем виброакустическон диагностики промышленного оборудования требуется разработка методов их проектирования, а также создание программно-управляемых аппаратных средств данного назначения.

Широкое развитие микропроцессорной техники привело к возможности создания в короткие . сроки высокопроизводительных распределенных проблемно-ориентированных систем диагностики, удовлетворяющих одновременно различным требованиям пользователей. Особенностью таких систем является разделение всего процесса обработки и анализа виброакустической информации на несколько отдельных процессов и возложение их обработки на ряд микропроцессоров (МП) и микроЭВМ.

Архитектура таких- диагностических систем определяется классом решаемых задач, применяемыми алгоритмами, а также конкретными значениями требуемого быстродействия, точности и рядом других специальных требований, предъявляемых к техническим средствам. Характерной особенностью данных систем диагностирования является их работа в реальном времени.

Внедрение МП и СБИС в практику проектирования технических средств виброакустических систем диагностирования — комплексная задача.

требующая координированного решения различных вопросов, включающих разработку алгоритмов обработки виброакустической информации, архитектурных решении и программного обеспечения технических средств системы. Кроме того, при проектировании технических средств для достижения требуемой точности системы диагностирования в целом необходимо учитывать параметры первичных преобразователей. Учет взаимосвязей между программно-алгоритмическим обеспечением и техническими средствами может обеспечить создание эффективно работающих виброакустических систем диагностирования.

Связь работы с крупными научными программами, темами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с программой по решению республиканской научно-технической проблемы "Разработать и внедрить методы и унифицированные программно-управляемые системы диагностики в медицине, инженерной экологии и производственной технике с выходом на серийное производство" на 1992-1995 годы, утвержденной 26 марта 1992 года СМ Республики Беларусь, шифр "Диагностика", в рамках проводимых в БГУИР (Минском радиотехническом институте) хозяйственных договоров № 90-1010,90-3011,92-1060.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методов проектирования программно-управляемых аппаратных средств реального времен!) для систем внброакустической диагностики промышленного оборудования.

Для достижения поставленной целя должны быть решены следующие основные задачи:

• анализ характера образования и структуры колебательных процессов;

• разработка функциональных моделей анализа виброакустического сигнала для выявления диагностических признаков и структуры аппаратных средств;

• разработка методов расчета и построения программно-управляемых измерительных каналов повышенной чувствительности для системы обработки и анализа виброакустического сигнала;

• разработка математической модели цифровой аппаратуры обработки и анализа виброакустических сигналов;

• разработка архитектуры конвейерного процессора цифровой обработки внброакустического сигнала;

• разработка многофункциональной двухуровневой (on-line/off-line) цифровой системы реального времени для виброакустической диагностики промышленного оборудования.

Научная новизна полученных результатов. Основные научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработаны функциональные модели анализа виброакустического сигнала, позволяющие оценить структуру программно-управляемых аппаратных средств системы виброакустической диагностики в зависимости от выбранного метода диагностирования, а также требования к ним.

2. Разработаны методы расчета и построения высокочувствительных измерительных каналов системы обработки И анализа внброакустического сигнала.

3. Предложена математическая модель цифровой аппаратуры обработки и анализа виброакустических сигналов, устанавливающая связь между входным сигналом и его спектральной характеристикой, на основании которой осуществляется выбор алгоритмического обеспечения системы.

4. Обоснована структурная организация двухуровневой системы, инвариантной к задаваемым . функциональным моделям анализа виброакустических сигналов и объектам диагностики.

5. Разработала архитектура конвейерного процессора цифровой обработки сигналов, особенностью которой является наличие трехпортовой памяти данных, обеспечивающей гибкость программирования структуры и высокую производительность системы В целом.

6. Дано Дальнейшее развитие принципов построения усилителей с автоматическим выбором диапазона измерения, позволяющих уменьшить погрешности при измерениях малых уровней входного виброакустического сигнала.

Практическая значимость полученных результатов. Полученные в диссертации результаты составляют основу проектирования программно-управляемых аппаратных средств реального времени системы внброаКустической диагностики промышленного оборудования. Эффективность предложенных структурных и алгоритмических решений доказана при практическом проектировании программно-управляемых аппаратных средств реального времени систем виброакустнческой диагностики. На основе предложенных в работе решений разработаны:

• высокочувствительный пьезоэлектрический преобразователь;

• программно-управляемый усилитель заряда;

• программно-управляемый антиалайзинговый фильтр;

• многофункциональная двухуровневая цифровая система реального времени для виброакустнческой диагностики промышленного оборудования (цифровой двухканальный анализатор спектра вибраций);

• программное обеспечение цифрового анализатора спектра вибраций. Результаты работы были получены и реализованы в рамках

хоздоговорных и госбюджетных работ, выполненных на кафедрах. ЭВМ и ЭВС Белорусского государственного университета информатики и

радиоэлектроники. На основе проведенных исследований разработана документация и изготовлены опытные образцы цифровых двухканального и восьмнканалыюго анализаторов спектра, многофункционального микропроцессорного анализатора спектра вибрации "Вибродиагност". Многофункциональный анализатор спектра принят к серийному производству на минском заводе "Эталон". Образец двухканального цифрового анализатора спектра вибраций передан для практической отработки диагностических алгоритмов в Институт машиноведения РАН.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Из анализа разработанных функциональных моделей оценки работоспособности машин и механизмов в процессе их технической диагностики следует, что универсальным методом виброакустической диагностики является метод сравнения спектров (сигнатурный анализ), который целесообразно использовать для определения технического состояния множества однотипных машин и механизмов и выявления тех из них, которые находятся в критическом состоянии. Использование данного метода в переносных цифровых анализаторах спектра вибраций позволяет с одной стороны упростить аппаратно-программную часть цифрового анализатора спектра вибраций по сравнению с использованием других методов диагностирования, а с другой — повысить надежность эксплуатируемого оборудования.

2. Предложенные методы расчета и построения высокочувствительного измерительного канала, состоящего из пьезоэлектрического преобразователя и согласующего устройства, позволяют увеличить динамический диапазон измерительного канала за счет оптимального согласования преобразователя и согласующего устройства, а также рационального выбора конструкции преобразователя.

3. Предложена математическая модель цифровой аппаратуры обработки и анализа виброакустических сигналов, устанавливающая связь между входным сигналом и его спектральной характеристикой, на основании которой осуществляется выбор алгоритмического обеспечения системы.

4. Разработана архитектура конвейерного процессора цифровой обработки анналов, особенностью которой является наличие трехпортовой памяти данных, обеспечивающей гибкость программирования структуры и высокую производительность системы в целом.

5. Предложен ускоренный метод калибровки аналогового канала двухуровневой системы реального времени обработки и анализа виброэкуетических сигналов на базе генератора псевдослучайной последовательности, в основе которою положен принцип согласования периодов анализа и тестовой последовательности и метод оценки погрешности

выходного сигнала псевдослучайной последовательности в зависимости от разрядности генератора псевдослучайной последовательности.

Апробирование результатов диссертации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинаре "Вибрационная техника" (Москва, 1981); XVI Всесоюзная школа по автоматизации научных исследований (Горький, 1982); Всесоюзной НТК "Современное состояние и перспективы развития методов и средств виброметрии и вибродиагностики" (Минск, 1989); конференции "Новые средства виброакустических исследований и диагностики" (Санкт-Петербург, 1993).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работы, в том числе 7 статей, 1 отчет о НИР, 1 авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, выводов и приложений и содержит 102 страницы машинописного текста, 54 иллюстрации на 41 страницах, 14 таблиц на 9 страницах, список использованных источников из 120 наименовании на 8 страницах и пять приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены принципы построения систем технической диагностики, а также технические средства системы техннческоГг диагностики. Рассмотрена модель виброакустического сигнала, характеризующая виброакустический процесс при наличии дефектов в диагностируемом механизме, представленная в виде

*(0 =

1 + соя^'П/)

аI соэка,

< + £ V, соэО'ОО

гае //,. - глубина амплитудной модуляции гармоник тх частотой /П; П = /п2л: — круговая частота попадания дефекта в зону контакта; <х>! -основная частота возбуждения (зубцовая, лопаточная и т. п.); — индекс частотной модуляции; Аш(0 -- шумовая составляющая.

На основе модели внброакустического сигнала проведен анализ характера образования и структуры колебательных процессов с целью построения моделей формирования виброакустического сигнала, содержащего диагностическую информацию. Показано, что предложенные модели определяют такие диагностические признаки как общий энергетический уровень и амплитудно-частотный состав внброакустического сигнала. Из

анализа моделей формирования внброакуетнческого сигнала возможно представить основные методы диагностирования. в виде функциональных моделей анализа виброакустического сигнала, которые позволяют оценить функциональную структуру программно-упраиляемых аппаратных средств системы виброакустической диагностики в зависимости от выбранного метода диагностирования, а также требования к ним. Например, на рис. 1 приведена одна из функциональных моделей анализа виброакустнческого сигнала, характеризующая универсальный метод диагностирования, построенная на основе формирования пороговых значений дискретных отсчетов (сигнатур), соответствующих дефектному функционированию каждого механизма, и сравнения этих значений с вновь поступившими при очередном опросе.

ДВ

СУ

ФНЧ

БСА

Текущий Блок

спектр сравнения

ДВ — датчик вибраций СУ — согласующее устройство ФНЧ — фильтр нижних частот БСА — блок спектрального анализа

Эталонная маска

Информация о превышении порогового значения

Рис. 1

Различие функциональных моделей анализа виброакустического сигнала, связанное с разнообразием диагностических методов, наличие особенностей, присущих этим методам, предполагает разработку многофункциональной виброакустической аппаратуры, инвариантной к различным диагностическим алгоритмам и объектам диагностирования. Решение этой задачи предполагает создание прмраммно-управляемой двухуровневой цифровой системы (оп-Ппе/оГГ-Нпе) реального времени.

Во второй главе рассмотрены методы расчета и построения высокочувствительного низкочастотного канала, состоящего из первичного преобразователя и согласующего устройства. В качестве первичного преобразователя используется разработанный трехкомпонентный пьезоэлектрический преобразователь, особенностью которого является использование одного груза для всех трех компонент и обладающего пониженной чувствительностью в поперечном направлении. Показано, что порог чувствительности пьезоэлектрического преобразователя «„ определяется выражением:

а.

2/. А

п

си

т

л '

гае /о -- резонансная частота преобразователя; &с> ~ коэффициент его электромеханической связи; к — постоянная Больцмапа; Т - абсолютная температура; . — тангенс угла потерь, измеренный на выходе

преобразователя; т — масса инерционного груза; /н и /, — соответственно нижняя и верхняя граничные частоты полосы пропускания.

Из анализа вышеприведенного выражения следует, что наиболее рациональный способ снижения порога чувствительности — увеличение массы инерционного груза и уменьшение частоты /0, т. е. применение тяжелых датчиков с относительно низкой собственной частотой, а также использование пьезоэлементов с большим значением пьезоэлектрической постоянной.

Проведен анализ согласующих устройств, используемых при работе с пьезоэлектрическим преобразователем. Показано, что с целью уменьшения уровня шума в усилителе напряжения предлагается использовать двойное преобразование частоты. Необходимо отметить, что применение усилителя напряжения в качестве . согласующего устройства целесообразно при конструировании пьезоэлектрического преобразователя совместно с усилителем напряжения в одном корпусе, что позволяет уменьшить зависимость выходного напряжения от длины соединительного кабеля.

Показано, что приведенный ко входу шум усилителя заряда определяется выражением

гае Ет — эквивалентный генератор шума, включенный последовательно с инвертирующим входом усилителя заряда; Сос — емкость обратной связи усилителя заряда; С,х = С0 + С, — входная емкость, включающая емкость преобразователя С0 и емкость соединительного кабеля С,.

Из приведенного выше выражения следует, что применение соединительного кабеля большой длины при малом коэффициенте усиления усилителя заряда, равном Кп - 1/Сос, приводит к увеличению приведенного ко входу уровня шума усилителя заряда. Разработан метод построения и схема усилителя заряда с адаптивным изменением емкости соединительного кабеля по минимуму уровня входного шума.

Выходное напряжение согласующих устройств, работающих с пьезоэлектрическим преобразователем, пропорционально виброускорению. Для получения сигнала, пропорционального смещению либо скорости, вводят операции однократного или двойного интегрирования соответственно. Интегрирование виброакустического сигнала осуществляется либо с помощью пассивных интегрирующих ЯС схем, либо с помощью схем электронных интеграторов. Основным достоинством применения пассивных интегрирующих ЯС является простота и отсутствие смещения выходного напряжения. Основным ограничением использования пассивных интегрирующих ЯС схем является выполнение условия 1/шх «1/гх. Преодолеть это ограничение можно путем построение интеграторов на основе операционных усилителей. Показано, что применение неинвертнрующего интегратора с уменьшенной емкостью интегрирования позволяет уменьшить дисперсию ошибки, обусловленную выходным напряжением смещения.

В третьей главе предложена математическая модель цифровой аппаратуры обработки и анализа виброакустических сигналов, являющаяся элементом систем технической диагностики и устанавливающая связь между входным сигналом х([) и его спектральной характеристикой 5(/), на основании которой осуществляется выбор алгоритмического обеспечения системы:

где Кт -- коэффициент преобразования входного устройства; й0(Г) -характеристика ФНЧ во временной области; -- цифровой результат к-го преобразования. Кроме того, данная модель позволяет выявить погрешности, связанные с преобразованием входного сигнала и возникающие из-за нендеальности характеристик используемых элементов. При этом, параметры математической модели цифровой аппаратуры обработки и анализа либроакустичееких сипшше, выражаемые с помощью источников шума хш,

«л=¿5X10,

м 1=1

ЯгСП = [Л'(*)]}2 + {1т [*(*)]}',

1

аддитивной Д, мультипликативной 5„ функции погрешности квантования ¿"'[.КО, dyjdt\, задержки запуска которые могут быть оценены расчетным путем, необходимо учитывать на стадии проектирования, остальные уточняют на стадии эксперимента.

Разнообразие диагностических методов предполагает разработку аппаратуры обработки и анализа виброакустпческого сигнала в реальном времени, инвариантной к различным диагностическим алгоритмам, что и определяет особенности структурной организации системы обработки и анализа виброакустического сигнала в реальном времени. С целью повышения производительности аппаратуры обработки и анализа виброакустических сигналов, предложена ее структурная организация в виде двухуровневой системы, инвариантной к функциональным моделям анализа сигнала и объектам диагностирования: При этом на верхнем уровне on-line решаются задачи, связанные с цифровой обработкой сигналов в реальном времени. Уровень on-line цифровой системы представляет собой конвейер функциональных модулей (канал реального времени), выполняющих в реальном времени отдельные функциональные действия в соответствии с заданным алгоритмом обработки. Настройку конвейера на требуемый режим обработки выполняет управляющая микроЭВМ нижнего уровня. С целью уменьшения времени обработки сигнала вычисление коэффициентов Фурье должно выполняться с помощью специализированных устройств. Особенностью верхнего уровня системы является использование трехпортового ОЗУ данных, позволяющего совместить во времени преобразование входного сигнала, вычисление коэффициентов Фурье и передачу данных на нижний уровень обработки, что обеспечивает гибкость программирования структуры и высокую производительность цифровой системы в целом.

На нижнем уровне off-line осуществляется общая диспетчеризация работы системы, решение- задач, связанных с вычислением характеристик виброакустического сигнала и последующим выводом их на устройство индикации, а также поддержка интерфейса пользователя. Решение этих задач может быть возложено на управляющую микроЭВМ общего назначения.

Рассмотрен принцип построения антиалайзингового фильтра с перестраиваемой полосой пропускания, с использованием аналогового перемножителя сигналов, применяемого при следящем анализе.

Дано дальнейшее развитие принципа построения усилителя с автоматическим выбором диапазона измерения (АВДИ), позволяющего уменьшить относительную погрешность измерения минимальной величины входного сигнала. При этом, число выбираемых диапазонов усилителя АВДИ предлагается определять исходя из требуемой величины погрешности

минимального сигнала в заданном диапазоне, которая для n-разрядного АЦП определяется выражением

Д[%] = 102+1°'3 l°.'66B-(n+U86)])

гае D — динамический диапазон анализируемого сигнала, дБ.

Для повышения достоверности запуска АЦП, используемого в качестве регистратора быстропротекающего вцброакустического процесса, при диагностировании оборудования на фоне помех, предложен формирователь запускающею импульса. При этом, запускающий импульс формируется с учетом амплитудного, частотного признака и признака регулярности исследуемого виброакустического сигнала.

В качестве калибратора аналогового канала цифровой аппаратуры обработки и анализа виброакустических сшналор предлагается использовать генератор псевдослучайной последовательности (ГПП).

Для оценки погрешности измеряемого спектра в зависимости от разрядности ГПП предлагается использовать метод, в основе которого положен принцип согласования периодов анализа Тп н тестовой последовательности Гг.

Погрешность измерения спектра Дл определяется как Ал = |Л,[|2 где

А'к и At — амплитуда спектра сигнала ГПП, измеренного на интервале Та и Тг соответственно. Выражая коэффициенты фурье спектра сигнала ГПП, определенного на временном интервале Та, через коэффициенты Фурье спектра сигнала ГПП, измеренного на интервале Те, погрешность измеряемого спектра в зависимости от разрядности и ГПП представляется следующим образом

2 як

cosак +—--rslna* г>

(2"-1)

МТ -1 2лк\

ше «,= +

В четвертой главе показаны особенности технической реализации двухуровневой цифровой системы анализа спектра виброакустнческого сигнала в реальном времени, включающей управляющую микроЭВМ и модуль цифровой обработки сигналов на базе цифрового процессора сигналов семейства TMS320 и обеспечивающей работу в режимах on-line и off-line

+ 2А

2" -1

(2 як)2 (2"-])3

2

(рис. 2). Определены принципы построения программного обеспечения двухуровневой цифровой системы анализа спектра виброакустического сигнала в реальном времени, удовлетворяющие требованиям удобства программирования системы в привычной для пользователя виде, обеспечивающие надежность последующей эксплуатации системы и возможность работы системы в реальном времени, позволяющие осуществить быструю адаптацию для решения задач в конкретной отрасли промышленности. Инвариантность двухуровневой цифровой системы анализа спектра виброакустического сигнала к различным задачам виброакустической диагностики промышленного оборудования достигается за счет замены при необходимости входного аналогового канала и загрузки программного обеспечения, Что позволяет создавать ряд унифицированных вибродиагностических приборов.

Вход Усилитель Выход Рход Блок

заряда интеграторов

Выход

Вход А

Вход В

Вход

Формирователь тахометра

Калибратор

on-line

off-line

Клавиатура

ЖКИ

В табл. 1 приведены сравнительные характеристики разработанной двухуровневой цифровой системы анализа спектра виброакустического сигнала с известными образцами.

Таблица 1

Наименование Ед. Величина показателя

технико-эконо- изм. Образца Отечест- Лучших зарубежных аналогов •

мических показателей венного аналога 1061 (Россия) Микролог (GB) 2100 CSI (USA) 2143 (Дания)

Многофункциональность (программиру-емость на заданную задачу) да нет да нет нет

Частотный диапазон Гц 0,0125600 5-30000 0,01' 30000 0,0130000 0,725600

Динамический диапазон дБ 140 50 150 140 140

Число спектральных отсчетов шт. 100-8000 а также 1/1, 1/3 октавы 100-800 100-8000 100-3200 ЦФ 1/1, 1/3, 1/12, 1/24

Оперативная память Кб 1000 128 1000 1000 512

Частотное разрешение Гц 0,001 0,1 0,001 0,001 1/24 октавы

Интерфейсы ив-гэге мпи RS-232C RS-232C IEEE-488. RS-232C RS-232C 1ЕЕЕ-488

Экран (ЖКИ) пике 320x200 640x200 120x60 320x200 320x200 480x200

Внешний вид разработанной двухуровневой цифровой системы анализа спектра виброакустического сигнала показал на рис. 3.

/1||/11Н(||||Н)>)|\\\\\\кЧ\\\Ч

р ^БШЯЖШ

Мл-

т. с, - к и-1 .4Ы,'ь?^,

щщШ

Рис. 3

В пятой главе приведены экспериментальные характеристики технических средств: спектральная плотность шума пьезоэлектрического преобразователя, зависимость частотной характеристики пьезоэлектрического преобразователя от коммутации пьезоэлементов, 1 а также точностные характеристики канала цифровой аппаратуры обработки и анализа виброакустического сигнала. В табл. 2 приведена одна из характеристик -динамический диапазон цифрового анализатора при измерении интермодуляционных искажений.

Таблица 2

Предел измерения (мВ) Динамический диапазон разностного сигнала №) Динамический диапазон суммарного сигнала (дБ)

3 -66.0 -65.7

10 -66.6 -65.9

30 -66.8 -68.6

100 -67.5 -67.1

300 -65.4 -65.4

3000 -67.2 -66.0

В приложениях приведены основные характеристики методов технической диагностики, технические характеристики анализаторов спектра,

оценка величины погрешности измерения входного сигнала в зависимости от динамического диапазона входного сигнала и количества разрядов АЦП, протоколы испытаний многофункционального микропроцессорного анализатора спектра вибраций и акты внедрения результатов диссертационной работы.

ВЫВОДЫ

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разнообразие систем виброакустической диагностики, множество диагностических методов и наличие особенностей, присущих этим методам, предполагает разработку многофункциональной виброакустической аппаратуры, инвариантной к различным диагностическим алгоритмам и объектам диагностирования. Решение этой задачи предполагает создание программно-управляемой двухуровневой цифровой системы (on-line/off-line) реального времени.

2. Разработанные функциональные модели анализа виброакустического сигнала позволяют оценивать структуру программно-управляемых аппаратных средств систем виброакустической диагностики в зависимости от выбранного метода диагностирования, а также требования к ним.

3. Предложена математическая модель цифровой аппаратуры обработки и анализа виброакустических сигналов, на основании которой осуществляется выбор алгоритмического обеспечения системы.

4. Разработана архитектура конвейерного процессора цифровой обработки сигналов, особенностью которой является наличие трехпортовой памяти данных, обеспечивающей гибкость программирования структуры и высокую производительность системы в целом. Предложена организация двухуровневой системы реального времени обработки и анализа внброакустических сигналов, инвариантной к различным диагностическим алгоритмам и объектам диагностики.

5. Разработаны методы расчета и построения высокочувствительного измерительного канала системы обработки и анализа виброакустнческого сигнала.

6. Дано дальнейшее развитие принципа построения усилителя с автоматическим выбором диапазона измерения, заключающееся в выборе количества переключаемых диапазонов исходя из оценки заданной величины погрешности минимального сигнала в заданном диапазоне и выборе типа усилителя с автоматическим выбором диапазона измерения в зависимости от заданной точности поддержания уровня выходного сигнала.

IS

7. Разработан АЦП для регистрации быстропротекающих процессов, позволяющий регистрировать быстропротекающие процессы с записью предыстории, отличающийся способом формирования импульса запуска, что позволяет повысить достоверность запуска АЦП при диагностировании промышленного оборудования на фоне помех'.

8. Предложен ускоренный метод калибровки аналогового канала двухуровневой системы реального времени обработки и анализа виброакустических сигналов на базе генератора псевдослучайной последовательности, в основе которого положен принцип согласования периодов анализа и тестовой последовательности, и метод оценки относительной погрешности выходного сигнала псевдослучайной последовательности в зависимости от разрядности генератора псевдослучайной последовательности.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Андрианов O.A., Давыдов А.Б., Мазин В.Д., Фремд В.М.

Высокочувствительные пьезоэлектрические сейсмометры. В кн.: Регистрация и обработка информации в сейсмометрии. — М.: Наука, 1983. (Сейсмические приборы. Вып. 15). — С. 33-39.

2. Давыдов А. Б., Астапенко В. И. Анализатор сейсмических сигналов в стандарте КАМАК. В кн.: Регистрация и обработка информации в сейсмометрии. — М.: Наука, 1983. (Сейсмические приборы. Вып. 15). - С. 6162.

3. Давыдов А.Б., Мазин В.Д., Фремд В.М. Исследование макетного образца сейсмометрического канала с пьезокерамическим приемником. В кн.: Инструментальное изучение сейсмических колебаний. — М.: Наука, 1983. (Сейсмические приборы. Вып. 16). -- С. 9-14.

4. Давыдов А.Б., Фремд "BAI. Преобразователь импеданса для пьезоэлектрического акселерометра.' В кн.: Инструментальное изучение сейсмических колебаний. -- М.: Наука, 1983. (Сейсмические приборы. Вып. 16). - С. 34-36.

5. Давыдов А.Б., Фремд В.М. Измерительные цепи пьезоэлектрических датчиков. В кн.: Разработка и исследование сейсмометрической аппаратуры. -М.: Наука, 1985. (Сейсмические приборы. Вып. 17). - С. 69-73.

6. Петровский A.A., Давыдов А.Б. Подсистема сбора и нерьи-шой обработки аналоговой информации. В кн.: Петровский A.A. Метдц и микропроцессорные средства обработки широкополосных и быстропротекающих процессов в реальном времени / Под ред. Г.В.Римского. -- Ми.: Наука и техника, 1988. - Гл. 2. - С. 45-60.

7. Давыдов A.B. Организация усилителей с автоматическим выбором диапазона измерения // Автоматика и вычислительная техника. — Мн.: Ёыш. шк„ 1993. Вып. 21. - С. 162-167.

8. Давыдов A.B. Применение аналогового перемножителя сигналов в перестраиваемом ЛЛС-фильтре // Автоматика и вычислительная техника. — Ми.: Выш. шк., 1994. Вып. 22. -- С. 103-110.

9. Давыдов A.B., Фремд В.М. Возможности повышения чувствительности пьезоэлектрических сейсмометров. В кн.: Матер, научн.-техн. конф. "Вибрационная техника". - М.: МД НТП, 1981. - С. 107-109.

10. Давыдов A.B. Регистратор быстропротекающих процессов. В кн.: Матер, научн.-техн. конф. "Современное состояние и перспективы развития методов и средств виброметрии и вибродиагностики". — Мн., 1989. — С. 181-182.

11. A.C. 1415145 (СССР). Способ определения твердости и устройство для его осуществления / В.А. Рудницкий, А.Б. Давыдов, В.М.Синькевич. - Опубл. в Б.И., 1988, № 29.

РЭЗЮМЕ

Давыдау Аляксандр Барысав1ч

Праграмна-ируемыя апаратиыя сроды рэальнага часу сгстэм вШраакустычнай дыягаостык! прамысловага абсталявання

Ключавыя словы: в1браакустычная дыягностыка, функцыйная мадэль аналпу в1браакустычнага • Ыгналу, п'езаэлектрычны пераутварапьшк, узманняльшк зараду, л1чбавая апаратура апрацоую с!гналау у рэальным часе.

Мэтай дысертацыйнай работы з'яуляецца распрацоука метадау праектавання праграмна-юруемых апаратных сродкау рэальнага часу для сютэм вгёраакустычнай дыягаостыы прамысловага абсталявання.

Зроблены анал1з матэматычных мадэляу в1браакустычнага синапу, метадау 1 апаратных сродкау яго апрацоую. Распрацаваны функцыйныя мадэл1 ана.'пзу в1браакустычнага с ¡га ал у, дазваляючыя ацашць структуру праграмна-мруемых апаратных сродкау с1стэм в1браакустычнай дыягностьш у залежнасш ад выбранага метаду дыягнаставання. Паказана, што разнастайнасць дыягнастычных метадау патрабуе распрацоую шматфункцыйнай в1браакустычнай апаратуры, шварыянтнай да розных дыягнастычных алгарытмау. Распрацаваны метады праектавання праграмна-к1руемых вымяральных каналау павышанай адчувальнасщ астэм в1браакустычнай дыягностьш. Прапанавана аргашзацыя архтктуры двухузроуневан астэмы апрацоую 1 анашзу в1браакустычнага шгналу у рэальным часе, ¡нварыянтнай да функцыйных мадэляу анал1зу Ыгналу 1 аб'ектау дыяшаставання. Распрацавана канвеерная арх1тэктура працэсара л1чбавай апрацоук! Ыталау, асабл'шсцю якой з'яуляецца наяунасць трохпартовай памящ дадзеных, дазвапяючай сумясщць у часе пераутварэнне уваходнага агналу, вышчэнне каэфщыентау Фур'е 1 перадачу дадзеных на шжш узровень апрацоую, што забяспечвае пбкасць праграмавання структуры I высокую прадукцыйнасць л1чбавай сютэмы у цэлым.

Атрыманыя вынш могуць быць скарыстаны пры распрацоуцы Ыстэм апрацоую 1 анал!зу в|'браакустычных Ыталау.

РЕЗЮМЕ

Давыдов Александр Борисович

Программно-управляемые аппаратные средства реального времени систем виброакустической диагностики промышленного оборудования

Ключевые слова: виброакустнческая диагностика, функциональная модель анализа виброакустического сигнала, пьезоэлектрический преобразователь, усилитель заряда, цифровая аппаратура обработки сигналов в реальном времени.

Целыо диссертационной работы является разработка методов проектирования программно-управляемых аппаратных средств реального времени для систем виброакустической диагностики промышленного оборудования.

Проведен анализ математических моделей виброакустического сигнала, методов и аппаратных средств его обработки. Разработаны функциональные модели анализа виброакустического сигнала, позволяющие оценить структуру программно-управляемых аппаратных средств систем виброакустической диагностики в зависимости от выбранного метода диагностирования. Показано, что разнообразие диагностических методов предполагает разработку многофункциональной виброакустпческой аппаратуры, инвариантной к различным диагностическим алгоритмам. Разработаны методы проектирования программно-управляемых . измерительных каналов повышенной чувствительности систем виброакустпческой диагностики. Предложена организация архитектуры двухуровневой системы обработки и анализа внброакустического сигнала в реальном времени, инвариантной к функциональным моделям анализа сигнала и объектам диагностирования. Разработана конвейерная архитектура процессора цифровой обработки сигналов, особенностью которой является наличие трехпортовой памяти данных, позволяющей совместить во времени преобразование входного сигнала, вычисление коэффициентов Фурье и передачу данных на Нижний уровень обработки, что обеспечивает гибкость программирования структуры и высокую производительность цифровой системы в целом.

Полученные результаты могут быть применены при разработке систем обработки и анализа виброакустических сигналов.

RESUME

Davydov Alexander Borisovich

Programmable real-time hardware for industrial equipment vibroacoustic diagnostics systems.

Keywords: vibroacoustic diagnostics, functional model for vibroacoustic signal analysis, piezoelectric converter, charge amplifier, digital hardware for realtime signal processing.

The thesis pursues the object to develop methods for designing of programmable real-time hardware for industrial equipment vibroacoustic diagnostics systems.

There was made the analysis of mathematical models of vibroacoustic signal, its processing methods and hardware. There were developed functional models for vibroacoustic signal analysis, which allow to evaluate the structure of programmable hardware for vibroacoustic diagnostics systems according to diagnostics method chosen. It was shown that the variety of diagnostics methods suppose the design of multifunctional vibroacoustic hardware which is invariant to the different diagnostic algorithms. There were developed methods for designing of programmable high-sensitive measuring channels for vibroacoustic diagnostics systems. There was suggested the architecture organization of dual-level system for vibroacoustic signal real-time processing and analysis which is invariant to the functional models of signal analysis and diagnostic objects. There was developed the pipelined architecture of DSP processor whose characteristic feature is three-port data memory providing the opportunity of the following actions simultaneous performing: input signal transforming, Fourier coefficients computation and data transfer to lower processing level, this provides high structure programming flexibility and the whole digital system performance.

The results obtained can be applied to vibroacoustic signal processing and analysis systems design.

ДАВЫДОВ Александр Борисович

ПРОГРАММНО-УПРАВЛЯЕМЫЕ АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ СИСТЕМ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05.13.05 ~ Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 20.01.97. Формат бумаги 60x84 1/16.

Объем 1,2фсл.печ.л. 1,0 уч.-изд.л. Тираж 90 экз. Заказ 39.

Отпечатано на ротапринте Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники; 220027, Минск, ул. Г1.Бровки, 6.