автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Алгоритмы управления и активная виброзащитная система прецизионного оптико-механического комплекса

На празах рукописи

д ,-

МЯТОВ Геннадий Николаевич

Ъ /

Алгоритмы управления и актизная виброзащитнап

система прецизионного оптико-механического комплекса

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (в°машнностроенин)

шга сшспазшпе згчкэеюй степени гхамдидатга теллпчсс^пп шауп:

Самара — 1990

На правах рукописи МЯТОВ Геннадий Николаевич

АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ И АКТИВНАЯ ВИБРОЗАЩИТНАЯ СИСТЕМА ПРЕЦИЗИОННОГО ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (б машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 1998

Работа выполнена в Самарском государственном тохничосхом ункасрснтете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Абакумов А.М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Дрзчаэ О.И.;

кандидат технических наук, доцонт Третьих В.Е.

Ведущэе предприятие: государственный институт по проектированию и научно - исследовательский работам в нефтяной промышленности «ГИПРОВОСТОКНЕФТЬ», Y. Самара

Защита состоится <26» ноября 1998 г. о. 10 часов на заседании диссертационного совагта Д063.16.01 при Самарском государственном техническом униварситегте по адресу: 443010, г. Саиара, ул. Галактмоноаская, 141, ауд. 23.

С диссертацией можно ознакомиться о библиотеке университета. Автореферат разослан октября 1998 г.

Ученый сскрзтсрь диссертационного сссэта к-т.н. доцгнт

В.Г. Жироз

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Ахтуплчюсть тс^'ч: Урсгни сиброаетипиости механизмов в сопреыенксй тохникэ окагызахет сущзстсснноа влияние на точностную надежность и зф-фггшвностъ функционирования сысо¡сточного механического оборудования: стзккоз, измерительных устройств, испьгтцтсльных комплэхсов.

В робота рэсомгтрмвазтся оптшсо - мэхзничсский комплекс (ОМК), п рад назначенный для испытскйй н оттсстс1^<и длиннофокусных объектов космического На достогермость результате» испытана и каче-

ство юстирС5Я1 0?'Х сущзстсгнноэ влкянмэ сгазыггют созмущзющио Бездействия со сгсрсжы фундамента, что вынуждаэт уделять особоо снимание сол росам его ек^брозгщнты.

Эффективным способом ск'.сггния екбрацдаиных гкл-й защищаемых объохтез яапглтея использсганиэ систем ахтизкеи скброзащиты (АВЗС), с помощью которых осущсстагпттся упразлгниэ динаиичзехем жесткостью специально езедииых о 1кзхгнмчгсккэ систклы смсртазмрующих злеионтоз.

В качества исполнительных элз«знтоз в таких системах используются гидразлическиэ, элгхтрсмохЕничаские, пкесултичесхиэ и др. типы упразляе-мыхолор.

Для стационарного прецизионного оборудования наиболее ШЯРОЙОЭ примзнеда.э получили писало - и гидрсушекичзскиэ систеиы, о которых регулирующий создсйстгяэ сргснизукггся с помощью «.тзханичесаос и глехтри--носких саязей. Причем для шг-рсгсполосясЛ ксброяголяции сбъсхтсз, АВСС часто используются □ сочэтпим с обычными коупргэт^уыиа злс:.:знтп;.:м, обеспэчиаахацими дополнительную г.^броиссля^то от сысоазчастотных со-сгавляющ^спеэтрэсибрацми.

Недостатком изасстных, в частности, струйных пкг^сспср, лалпзтея гл «алая полоса пропускания по отношению к упр5алп:си,»еуу созде-иста^ю, сСу-слсзлснноя «¡срцисннссгью исполнительных глсуснтсз, что ограк:м!~сот область частот, а которой копезт быть достигнута еффзхтеавоэ подс=лсн«э возмущений. Указание» сбстсгггсльстто определяет необходимость дальнейших исслздсеанкй по сссершонстсоаанию конструкций исполнительных элементов АВЗС с цалью улучшен!«? их динашмэсхих хзрахтеристкх

Существенное псаышениэ качостса сиброизоляции может быть достигнуто таско зз счет оптимизации плгоритмез упраалания и структур АВЗС. Нэ-

смотря на значительный объоа исследований о этой области, в частности, результаты, получоннью о работах М.З. Колоссхого, С.В, Елисоова, ВТ. Шмашоа, Д.Е. Чещдазза, Ю.В. Шатилова, М.Д. Гснхина, В.М. Рябова, Ф.А. Фурмана, К.В. Фролова и др., свидетельствуют о том, что до настоящего времени остаются нерешенными ряд вопросов проектирования и конструирования АВЗС прецизионного механического оборудования с учетом особенностей действующих на вмброизолирувмый объект возмущений, динамических свойсга объекта, ограничений на управляющие воздействия.

Таким образом, пойся путей повышения эффективности вибролзолг,ци;э испытательных стендоз, базируется на совершенствовании исполнительных элементов АВЗС, выявлении математических »¿одолей (ММ) объекта управления (ОУ), оптимизации алгоритмов управления. является актуальной задачей. имеющей существенно значение для повышения точностной нздойзк>-сти прецизионных испытательных стендов и другого сьгссетточного оборудования.

Оаюснъга результаты работы получзны и использованы о ходе выполнения в тсчаым 10э4 -1858 г.г. ряда плановое НИР СсуГТУ с Центральным сгсцяалайфоаанкыа каклрукторся:« бюро города Севера. Бюдхезтныэ НИР проводил;*.«» го программам: «Кенаерат высоких технологий» (Прихаз №168 от 23.03.63 г.), «Конверсия Ссхгрш. по гранту Государственного кмлтста РФ по высшему и среднему образованию о области фундаментальных исследований тсхнолошчесяк проблем авиастроения и космической техники гр^. рсгкстра^г» 01940005453). II "П-, псбут: повыцогле точностно;! надежности и эффективности фунщ/'Они.роаагыя прецизионного испытательного ОГ-.*!С за очст сгсбилиза-ц;:;1 гологхнгл сто несущих елс-етоа в пространства путем управления ди-на^!чассой жасткостко* с^ртш^рующих еломеигоз на основе разработки иатс^атачосгих ыэдопсЛ объели упрааленая, совершенствования елгериг-иоэ управления, создан;» ювйенерных иогодих проектирования и реализации и»кратиоЗ АВЗС.

Зглпчч кссп?«о~эгля. Для доспс^;н.:л песгваленной цели потребовалась решить слсдуии^;а ооккздо задача

- разработать ОУ с ьхполнитсльмькл злс~е;лт>у в сидо управляемой лнаа^оолары;

- на осносэ зкспзрименталъных исслодоганий Еыг.гитъ Езроятиостныэ характеристики еозмущающзго воздействия;

- выявить оптимальные и рациональные алгсршхы упрааления объектом;

- создать опытный образец АВЗС и прогости его кспгримекталъныэ исследования.

Метопы исследовдния. При теоротичесхом анализе в работа использовались: 1/этоды теории механических колебаний, теории линейных и нелинейных систем автоматического упрагпения, а тгхжэ методы математического моделироаанкя на ЭВМ. Основные теорзтичесхиз положения подтверждены результатами экспериментальных исследований.

Научная новизна и знойность диссертационной роботы гаюточаотся в том. что:

1. Разработана обобщенная и упрощенная ММ ОУ. получены аппроксимирующие выражения для ММ в виде передаточных функций (ПФ) объекта, по отношению к упрааляющеыу и Еозмущающзму гоздейстсмям.

2. Получены алгоритмы рационального и кзазиоптимзлыюго упрааления ОУ о условиях действия детерминирозанных и случайных созиущгний.

3. Разработаны инженерные методики проехшросания АВЗС при дейст-сии детерминированных и случайных созмущаххцих создсйстсий.

4. Получены структуры конкретных рациональных и кгзкюпткмальных АВЗС и прогздены их гяэтеримеитальные исследования.

Пг-утуг'Ууя ценность гезультатсч ебттн. Разргбсгтгнныз теоретические полсюсекия использсеапись:

- при разработке и соэдении опытного сСрззш АВЗС прг^^зиеннего ОМК;

- при разработке алгоритмов и программ расчета оптимальных АВЗС, рсботгкхцих в условиях блучзйных и детерминкреазнных юзмущающях еоэ-яс'/.сптг.'й.

Результаты ксслэдоггкхЯ пудрены а Цсшрспьнса спздагогуркзн» нс*л кэ-етруэтередам &сро (ЦС!5, г. Сг-чгра) в состагэ ДБЗС прэс.ииданнсго испытательного С"!<. прзднпзр~чек:-!гго для "саг«дсгз-

ккй и аттестации дл1*.кнофохусиьа сгггичгсхих с.:сгул ср2:*тгльнсгэ бисирования.

Апро6 ;.»:»я работы. Осноснью полакошя и результаты работы дохпа-дьгаались, обсуждались и были одобрены на: «Псрсой Поволжской конфэ-. ренции по проблемам двойного применения», г. Сеигра 1305г.; научно -практическом ссминаро - сыстеака «АптбЬатизация технологических процэс-соо и производств. Точность, качество и надежность конструкций и технических систем», СамГТУ, филиал в г. Сызрань 1097г.; научно - тохничоской конференции «Соеоршснстсогание систем и технологий», Севастополь 1997г.; научно -технической конференции «Оптимизация произаэд слюнных процассоо», Севастополь 1Э97г.

Публикации: по теме работы олубликогако 5 печатных работах.

На защиту выносятся:

1. Обобщенная и упрощенная ММ ОУ с исполнительным элементом в о идо управляемой пновмоопоры.

2. Алгоритмы рационального и квазиоптиаального упрааленкя ОУ о условиях действия детерминированных и случайных возмущений.

3. Методики инженерного проектирования АВЗС при действии детерминированных и случайных возмущающих воздойстсиях.

4. Структуры конкретных рациональных и каазиоптимальных АВЗС.

Структура и объем рг£оты. Диссертация состоит из видения, пяти глав,

заключения изложенных на 128 страницах (машинописного текста, списка используемых источника из 103 наиызнозания на 12 страницах, 3-х приложо-ний и содержит 62 рисунка. Общий объем работы 158 страниц ехзозной нумерации.

—муп сСэты

содержит шло^ак<ю с крапом фор»э слуальности иослэдо-сониа, научной нойоны, прахтичэсшй зючй-осги дносортациокной работы, переча ¡ь есдеч, рса^^ьк с д'похртсцхи, и осязана* полскашй, сыиоси-и^ж ю сси^тту.

В т~гГ| гг.~~з сЛисшгесогм с5сор и поста ггдеч:! ксслс^сса-(г,:;Ъ сь:пэг,;;сн краткий с&ср состопкмя ь; псрсп;хшз рег^лтая и£?5:£5<т> тороо, а тс:л чкела, АВЗС. СЗсснована ехтуглькзгтъ рсботы, сфорг^улг.рс^а-на ей цзль и осксныэ задачи. Указаны иотоды исследования и мые научныэ результаты.

. Среди различных типов виброзащитных систем принято выделять три класса: пассивные, аюивнью и системы с переменной структурой.

При конструировании пассивных виброиэолятороз стремятся изменить их свойства исходя из конкретных требований к еиброзащите. Чаще всего необходимое изменение динамических свойств достигается оптимизацией параметров хяэсткости и демпфирования; включением в систему нелинейных злементоз жесткости и демпфирования; плавным ручным или автоматическим изменением параметров жесткости и демпфирования; введением в структуру системы дополнительных саязсй и устройств переключения структуры.

Как похазал анализ литературы, пассивные еиброизоляторы имеют ряд недостатков, которые ограничивают их применение. Они не удовлетворяют требованиям и нормам, которые предъявляются к прецизионным еиброза-щищаемым системам, в частности к АВЗС испытательного О M К, так как на обеспечивают жестких требований к точностной надежности и максимально допустимому смещению оптических элемзнтез.

В связи с повышенным требованием к эффективности работы сиброп-золятороз актуальной стала проблема проектирования оптимальных виброизолирующих устройств.

Задача конструирования оптимальной исброзещитной системы мс.".:зг рассматриваться как задача сыбора динамической структуры и параггэтроз системы, а еЗ физическая реализация нзкбопео еффегтиено trader быть сы-полнена при помощи ахтмвмых систем, сбпздеощкх дсполшпельныг-и гнер-плическими ресурсами и структурными Спсхг*:и для фсриирсеания упр:> ляющкх воздействий. В научных работах МД Гакинз, В.Д. Рябого, C.B. Елисеева, .Д.Е. Чегодсегз, Ю.В. Щзтмлопа н др. сфер^п^рсггны и решены различные задачи оптимизации упругта-лерЦ-'Кйжьвс сисро'.сал'/руюиг,» п-о-сизньсс устройств и устрбйстэ с переменкой структуре^, ксндскы ссиуе соотношения ме^ду мессой, гееетшетыо и хтраэтгрютиса'.'я г.*Сроиголяц;::1, описывающие предельныэ еозмегхкести ессго кпесса таких систем. Пслрсееи оптимизации АВ2С посвящены рсботы IC.EJ. Оролсез, ФА Фурмекз, Р.1.3. !(о-лсесгсго. АА Засядьте, C.B. Елисеева и др., в которых сфсриул^рсвзны подходы к. проблема ептималыкато с.ч:<теза АЗЗС путеу пострсск-.ш епт.ь малькей ПФ, отъгсхан'.-л еястре;.ту?.:з упразлт-.-ещего ссгдойстсв!.

В результате проведенного аналитического обзора установлено, что потенциальные возможности дальнейшего повышения точностной надежности стационарного прецизионного испытательного оборудования, в частности, ОМК. в значительной «дера сдерживаются недостаточной развитостью научно обоснованных подходоз к решению гадачи синтеза АВЗС с учетоы специфических особенностей ОУ и действующих на него возмущений.

На оснопе проведенного обзора определены цель и задачи исследования.

Во второй глесю «Математическая модель емброзащищземого объекта» разработана ММ ОУ с исполнительным элементом с виде упраапязиой пнеамоопоры- и проведен анализ ооюсных возмущений, действующих на объект со стороны фундамента. Приведены результаты экспериментальных исследований характеристмх объекта, позволивших уточнить параметры получанной ММ ОУ.

ОМК содержит расположенные на трех несущих рамах оптически сопряженные зло манты (ссеггошллимационное зеркало, осветитель; диагональное зеркало; параболическое зеркало), к стабильности взаимного положения которых предъявляются весьма жесткие требования.

В качестве исполнительного апемента о АВЗС использована оригинальная управляемая пнеомоооора, выполненная в виде хсестхого резерзуара, связанного через подвижную диафрагму с объемом резмноотрдовего баллона. Упраалзнио перемещением подвижной диафрагмы с дросселирующими элементами, обеспечивающими выразниганш статического давления о объемах резервуара и разинохордосого элемента, осуществляется элехтроглг-нитным приводом. Каждая из трех несущих рам ОШ размещена на отдельных пневмоогюрах, благодаря чему достигается нзззеисн^ео позшдазшро-еаниэ кахздол из рам.

В качестве обобщен{кзго ОУ рсссыатригаотся упруго диеатЗтпная ханичаская система ОМ<\, включающая улразлязииз пнсамсопери, регг-о-щонмыа ьгекду фундаментом и нссущя^и раг/лми О^Х, »а которых расположены елтечеезеца злаз^енты.

На ОУ действуот со сгорела фу>£амс!гт1) кинематическое согдсйетв;:о в вида вахтера Г<„, который может быть прадстсллс;! с пр::рзарн!.!ях по Лслла-су в кще ксмпо;!антоз, яагшющжеп проехцмл.уи ссхтсра на ссл дс^г.рто;сй системы координат:

А.=| дх.(р) АУ.(р) дг.(р) |.

Дополнительные упргаллкхцио воздействия, сйздаааэиькз исполнительным элементом АВЗС. метут быть записаны в гиде: Ру АМр) АМр) АГг(р)|. Перз'лсщение несущей рамы ОМ К хгрзхтеризуотся вектором

й0=|лх„(р) лу0(р) лго(р)

Упругие перемещения оптических элекентоз ОМ К характеризуются сектором

С(Р) = | Адх Л9г Адг |-Лмнеариэованноо операторное уравнение, описывающее взаимосвязь упругих перемещений оптических элзмеитоз ОМК СЗ (р) с сектором И0, мойсно записать о секторной форме:

С(р) = УУ"(р)Ро(р), (1)

где \Л/"(р) - перздоточнея матрица.

^(Р) 1Л&(р) У£(р} '/Лр)= \Л&(р) УЧ^(р).

Кг(Р) К(р) \Л£(р) В общем случае упразлг.гсщ^э и кинс^зтичесжэ еоздсйстсия по каждой из координат приасдят к смещению несущей рамы СМ1С В секторной- ферма зти взаимосвязи меемю описать следующем сыра^сажгзи:

П0{р) = Й.(р) + Wy(p) Ру(р). (2 )

где - передаточная иятрицз ОУ по кинематическому яогдейстеига со стороны фундамента:

\«*(р)=

ь"£(рУ У^(Р) К,(р) К(р; ¡К'(р) 'Д^(р)

передаточная г^атрнцз сЗъсста г.о упрсг?лг::с^:.^ сосдсйсттглю:

ад^(р) |\л£(р) м£(Р)|

В результате, полученная актора сеэторкых уравнений (1) и (2) дажсэ-ния объекта прсобразуатся ,к следующему веду:

с (р) = у/(р) (\л/.(Р) а»(р) + Wy{p) Го(р)).

Использование АВЗС позволяет обеспечить приближенно инвариантность перомеи^ий Хо, Уо, 2о носущой рамы ОМК относитолыю возмущающих воздействий X«. У*. 2* со стороны фундамента. При этом снимается необходимость выявления вида и параметров ПФ матриц №(р). Как показал анализ динамических свойств ОУ, несобственными динамическими жвсгоко-стями пневмоопоры (внедиагональными элементами матриц \Л/»(р) и \ЛМр)) можно также пренебречь.

С учетом указанных допущений получена система нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих взаимосвязь перемещений амортизируемого объекта по каждой из координат с возмущающими и управляющими воздействиями В результате линеаризации для перемещений по координате 2 операторные уравнения приведены к виду (для двух других координат соотношения аналогичны):

А^М^Св +Кв р)-А2о(Св+ Ке р)+Д2д(Сн + Кц р) - Аг»(Сн + КнР); то Д2о р2 = (Агд - Дго) Се + (Лгд - Дго) Кв р.

где р - оператор Лапласа; Дf - управляющее силовое воздействие на подвижную диафрагму пневмоопоры; Д21», Д2д, Д2о - перемещения, соответственно, фундамента, диафрагмы и несущей рамы ОМК; Кв. К н - коэффициенты вязкого трения, соответственно, верхнего и нижнего резервуаров; Св и Сн - жесткости, соответственно, верхнего и нижнего резервуаров; Св=Сн=С.

Выражение для динамической жесткости верхнего Се и нижнего Сн резервуаров пневмоопоры, входящие в приведенные соотношения, получены на основании уравнения для восстанавливающей силы пневмоопоры:

Я = 8

где Э= я I?2 - еффекгиеная площадь упругого элемента; Ь - начальная высота столба скатого воздуха; Р. 0 - сбсолютноэ дсалонио в оболочке при нулевое Рв - снешнее давление; т - показатель политропы; го —

начальное сиещелко.

В результат© ликоаризац1»1 последнего сирсззсния получаю:

dZ

Рао^Г Ь

Ь - г0)

После преобразований упрощенная ИМ ОУ приведена к формэ ПФ:

по управляющему воздействию

\Л/У Ы = ^(Р)__КОУ

оьф' " " ТУ + Т,Тр + 1'

по возмущающему создейстпию

(о) = - Т»Р+1

0Бф; Д2»(р) Т,3 р2 + Т.Т^р + Г

где "Л, Тг, Тв. Коу - постоянные времени и коэффициент передачи ОУ равны: Коу= 1/ Св; Т2, = (Кз + Кн)/ Св Сн + гту/СаТг = (Ко + КнУСэ: Тв = Км/ Сн; Сэ = СвСн/(Св + Сн).

Аналогично выглядят вырааажия для ПФ объекта по другим координатам.

Таким образом, математическое опиезнкэ объекта для рассматривгэ-мота случая сгодиться к ПФ зезна второго порядка, причем сеиду относительно малых значений коэффициентов вязкого трения, объект иызэт езой-стса колебательного зеена с ПФ:

по управляющему воздействию

УУу (о) - ^^ = К(7У (3)

по возмущающему ссздейсгсию

ш» ЛЛ = = _1__(41

^(р) Тгр* + 2 ?Тр + 1' ( }

где I - когффиц!«гнг демпфирования.

Прсездены гхпер^г^ентглъныэ гаспгдсггшя ОУ, о хедэ еттерьгх сы-яглялксь хгреэтер'ллики га^ке^зтичесета сегмущгккй со стс^ега фуилег.ея-та (а глеуенты С?/.К и уточнять пер^летры полученной пьигэ Г."Л ОУ.

При гжпержемтгпьсых [кжп^еггкек гееггулуггеа^е: гсг.",с"гтг::Г1 се-циллсгрсфирсеелнсь сьегг/укэ С'.тглы се:"сглод!т-::::ссэ, усгакггсдаъи кз предназначенном для рзеглещемга фунд^ента, ютсрь:Л гр",".сгс:лгот 1« себя "подушку" из пссгл 0.5 и, грге;<я 0.5 и и спгсшжго бетскз тоглц'лкей. 7 метрзз.

Обработка полученных саритлогр;г.;ы поеесл:ип устак^тъ, что со стороны фундамента на гещ^щеег.жй оЗъсхт поступает сог^тцегсщиэ езздей-ствия с пресбладсяи'.еЯ честстсй 3 - 5 Гц. с емтгггудей порядка 14 -17 ккм.'

Устансллсно, что исслодусиоэ возмущенна о виде колебаний фундамента мокат рассматризатъся ках стационарный случайный процосс, подчиняющийся нормальному закону распределения.

Его корреляционная функция аппрокаширосана соотмошонмем

Щт) = 02о-а,со5(Рх). (5)

где Эг - сродни Л каадрат отклонения функции; а - козффицизнт затухания функции; р - частота колебаний.

На оснсаз получ-ккьк зхаюримантальных данных в качоепш оценочных параметров процесса принято: Ог = 16 ш, а = 2 с" \ р = 20 с"'.

Корреляционной функции (5) соопютспзуот следующзо сырахсение для спсстральной плотности мощности:

2 - 2 2 2а а +0 +а>

^ * (в +ео а

Для проверки работоспособности аналитической надели объекта и уточнения с5 параметров прсаодил»къ злак: р;здзнтальн ью исследования динаыичеер« харахтсрмстох ОУ.

Пмоамоопора, заполненная сжатый газом, давление которого б,9!ИПа соатссгтстнуат нор«дглыюыу режиму работы, закреплялась на сибростенде. Реэлмел нагрука пизамоспора имитировалась сосрсдотсчснмой иассой от £0 до 1000кг. С пс^ощуо ьг.брсстсддэ создавались гармоничсскио созмуир-ния, частота которих изменялась от 1,5 до 20 Гц. что соответствует спектру частот раалы&сс сэзмущснкй, постулатах со стороны фундамента.

(Сок показы~эг анализ зкеперикзнптьно полученной логарифмической чехготной яграхтсристмхи и раскатной логорифмнчоасой частотной характеристики. соотсатсгвующ^й сырзханию ( 4 ), рссхоздсниэ иажду ними в области суирстсанных частот сосгсаляэт 1,5 Дб. П случайные результаты ссл-дэтелыпеуют об удозлетсоритслы^ой работоспособности аналитических цо-дгукД (3) и (4). В частности при реальной гяамЕЗ/юнтиой нагрузке пнеамо-слары, близкой к 1000 кг, се динамически свойства ев цзлеш» ютгут быть сглра^смимрсхлы ПФ Еолс5атслмюго Е=сиа с псра^отрс^и Т=0,1с и ¿¡=0,45.

Устсяо^гсг», что гер^отри ПФ ст^сдслялтся прс^здо сссго иассой : рус и. его сбъс.'па и даалениаа гага о пнс^^^аслоро, что пэдтсср:;;до-ко з;хп£р;1;;£нгслы;о.

: «Anropimi управления АВЗС при действии дотср^гли-рсзг.ннога созмущгслсго создейсшет» рассмотрены апгщятал управления АВЗС в предположении о детерминированном хсрзктсрэ еозмуицЕКХцих воздействий.

На оаю.~э сравнительного анализа структур АВЗС, построенных нз основа принципов упраэленкя га отклонению и по Еотлуи^нхю, с учетом особенностей иСЛСЛН1ГПЭлысого элемента а виде пкезиоспсры, показана целесообразность |;стюльзоаения замкнутой системы азтомтпмеcsero управления.

Для АВЗС наибольшей интерес представляют показатели качества по осз^ущагащегиу возденетvívo. Проведено нсслодсезнкэ указанных пеггзато-пей, достигаемых при использовании известных в теории ».модального упреэ-Р.ОЧЛя П'П0£ъ1х исстрссх. Тси:.м к? стройкам соответствуют сшидсргчы-э сы-ражония для зне^ензтоля ПФ замкнутой системы: t.) биноминальное распределение

р2 + 2«ср *■ шо2

2.) распределение Баттергортз

рг + 1,4шлр «о1

3.) распределена, досгсвляющеэ минимум i интегралу от квадрата

СиЛ'.бя!

Jn-xjOfdt

о

рг + а>сР + ta/

Получены выражения для ПФ замкнутой системы УУ3зды(р) отнссмтелъго возиуиггкхцето воздействия прч различных тгпс-ж кгстрс":"^:

биноминальное рзспрэдетежэ

IVе ОТ 2 P + 1__\_. Í 7 \

стгндертнея ферма Етгтсреерта

стандартная форма, достсаляющая минимум интегралу от квадрата ошибки

®ЛМ~дг.(р)~ '(т.р2+т,р+1) (ту+2?тр+1) <9)

В пркзэденных выражениях постоянная Тм мажет рассматрнзатъся как 'малая' постоянная ере «они, ограничивающая полосу пропускания системы. Для системы оиброзащнты в качества Тц целесообразно принять постоянную времени электромагнитного призодо Тзщ.

На осносо выражений ( 7)... (9 ) на ЭВ.М рассчитаны криеыо переходных процессов при скачкообразном воздействии для различных соотношений постоянных времени Т*=Тв / Т„ и выявлены показатели качостса, достигаемые при использовании стандартных настроек.

В качество цтермя принят минимум максимального отклонения стабилизируемой координаты х^,. Анализ получанных результстса поееалип усге-ноеитъ, что система, олтммизмросзннса по критерию минимума интеграла (9), рбеспочиакгт при Т* > 0,7 наимоньшео значению максимального отклонения Хт. При значениях Т*< 0,7 аятсма с распределением корнай по Баттераорту достезляот лучике гнзченмя крэтерил качества. Биноминальная' настройка дает не;1худилю результаты среди выбранных нестроен

Пркгг-.^^ со сниькмиэ. что о реальной с-стсие Т*»0,7, в дальнейшем при синтеза АВЗС о качестм базееой, 1Юпоп^еоеалееь нестройна, доатез-ляжщая »знтвгрзлу от кеедрзта си-,.С~з.

Структура аэте:»! езтомэтеческого упреелси;;л пр« тшк^-к иестраГ:::ах должна содержать »атарирующеэ ееено, что придезт ей сстотачесагэ сесл-стеа и по:еогозт ссесто с нулю устиюеу.ешееся ешкмен.и съесодкеД координаты при созиущ^еит с постоянной состезп«:с11;;й.

С учетов того, что иеснуир^и, дс^гягующг.э не ОУ нэ содср:^ет постоянной состсзллаацей и АВЗС должна спрсЗзты^епг» я;-Д1£> д|»кад^ческ::э отклонена от положения рсемасеса. стащсрпеа ПО

ра^о^.угсЗ с^тсг.^ л шал к с: а д&уия рс^т^к-::,;:!

WP(p) = - т"р т«р

<т, Р+1)(ТЯ P+1)J" (W»+I)cre р+1)1 •

где Тм=Тсил - постсгннал срс^сни глехтрог^ттюго пргхдз; Тгмп=0,С01с; Тд - постср.ннгя ср-«;ни дотчгез тпгбздкй объекта.

В результата иодетирегеккя на ЗЗМ усттхс=л*но что при съйсрэ эо-ченкй Тд на поргдо* больше постоянной rpzzzzKA ОУ показатели гг?-^terra работы АВЗС изменяются кгсуирстсенно по срегнению с пр-.иеттсЯ стпн-дертиой нестройной.

Kcppcsnipyscupo устройство АВЗС сиктсгфсгеко на ссксрэ стаадгрт-ных изтодрз и его ПО получена о сидо: (Тр + 1)2

^Уа(р) = Ка . (10)

ТдР+1

На оснсеэ анализа частотных xcponrpsKntx устснсалено, что Ciwre^v резанная АВЗС обсспэ^сезт снмасэниэ еиплитуды колсбгшгД щземого объекта" на кп^белеэ хгрехтернеи частого cor*yu£»«tn 3 - 5 Гц в 5 раз. Кроме того, прсеадсн скал-.« зффехшгнсст р'баты АВЗС при дгйепг.«! случайного саклущснга, с ссррзлг:ц;".о)-снсй фукадегЯ пада (5). В результата ресчзтсз на ЗВМ с »хполь^мпннеи спсцкглько регрсЗатсннс:» грсгрс^ы устенозлено, что екнтегчрегеннея АВЗС сбгспзчк^зт аас^киз сргд»п-кгздратичесгого отклонения схс5игс1Г/рус^сй еоор,-,ккаты о G.5 ргз.

П"ре!,'.ттры ОУ кгрькруят п eirtictssxTO от тктерзтуры,

сложности, что е^лзт н статен лго пяргьагтрез АВЗС от р^скэтных »ookhi и енкхгяи» гффехти^.чеети еЭ работы. сгисобсм дссписния

стс£»хьлых Есчсэтсгннь« псззгзтелеЯ ргИоты ДЗЗС язиfen пе*н-стрс:"п псрс^стрез рггуягперэ по тггг/и'.тйккфериецки.

Пр?длсгя| регулятор, ргзюеувгзяЭ.ПЭ (10), г-м сгем era

пгтг^зтрм r-~iirr,!-rccm nspcKCCTpsitraoren пгяу-

err тегущего пг^етлч. Рс'р^зтпм cr.rc~m ti

струяурся ptsictrafsi слслАготх) p^vwroga «я ссягэ с?г-сгз

П i"-r—rp"1 сАпгер1ттгы ртрегле:::'^ ЛПСС

u'.'ic'j.vct есг.",сг:стп1:п» с.:ггсг:"рсс!:ч сппср'.гт!.'.'!) стпг.'"д-;г эта е1 ггг-г.:гп-

ткглглы'.сго упрсагсясд 0 прсдпагкггх:г.1 сп^гг/'ггга

сяк np:i етсч в кжзстгэ f "Я cir:стг-

ционарный нормальный случайный процесс с зкспонзиц:1ально-£осинусной корроляцк-лннс". функцией (5).

В качества критерия оптимизации принят минимум сродного кгадрата «хо2» отклонения стабилизируемой координаты с ужатом ограничений на мощность управления

J = тг <хо2> + ■ (11)

где т2 - неотрицательный множитель Лагракжа.

На ооюса методов, развитых в работах Ю.П. Петроаа, разработаны алгоритмы и пахит прикладных программ, позволяющих рассчитать параметры оптимального по критерию (11) регулятора для различных значений т2 и выявить соответствующие значения <хо2> и <\?>.

Для модели объекта (4) ПФ оптимального регулятора получена в виде:

а0р+а,

Для определенных значений т2 на ЭВМ, рассчитаны коэффициенты оптимального регулятора, а таххя соответстиукхцио значения среднэквадрати-ческого управления <и02> и сформирована зсаиснмость <и^>(т2 ), с учетом которой для известного значения ограничения на управление < и02 > наеден множитель Л&гранжц и выябшны параметры оптимального регулятора. Его использование позволяет в 7 - 9 раз уменьшить среднсхвадратмчоскоо значение стабилизируемой координаты, что для испытательного прецизионного СМК можно считать вполне удозлэтеоритольныа. Для реализации оптимального регулятора ( 12 ) требуется третья производная от отклонения, что вызывает существенные технические сложности. Поэтому достигаемые при оптимальном упрослзнии показатели качества рассматривались как предельные, ориентируясь на которые можно оценивать сосйстса каазиоптимальных сг.стсм с упрощенные регуляторами.

В результате расчатоэ на ЭЕ1;.1 установлено, что истюльзозакио квазиоптимального регулятора с усеченным полиномом числителя

приводит к ухудшение критерия >1 кз 9 ... 16%. Следовательно, такое упрощенна регулятора молено считать допустимым и техничос*и цопссссбразным.

Результаты сыполнонных. на ЗЗМ е:хлсримангоз, о ходе которых проводился расчет показателей качества регулирования, достигаемых о АВЗС с

синтез^рсеанкьгм кгззиолтимальным регулятором при серка^тях парзмзтроз ОУ и характеристик еозууирющего создокстсяя, соидстельствуют о том, что при близких значениях собстгзнной частоты ОУ и пзрзиотра р корреляционной функции, АВЗС обладает достаточно высокой чусспгдтельностьга к вариациям указанных пераузтроз. В соя г и с этим при значительных иг:,генани-ях давления в пнегггоопорах, а таккэ по мерз накопления информации о ха-рзетер^стихях Е«з«лущения в процесса функцченирозанил системы целесо-обрззрю периодически псюизеод1пъ рзечегт перзкетрез оптимального регулятора и да поднастройку по аптсритгии адаптации, рассмотренным а гпзеэ 3.

Сопоставительный анализ эффекта еяоети работы кзазиоптимальней АВЗС, синтозирсееннсй в пр^дполомсенкм о случайном характере поз?.гу-щзгащего создсйстоия, и АВЗС, синтагкро^гжсй в предположении о дстор-ыинирсеенных создсйстпиях пожал, что при случайном возмущения и прочих ратных услсзипх срзднеетадрзтнческоэ отклонение стабилизируемо"! координаты в переой систсмэ в 1,5 - 2 раза мсньшэ, чей со второй.

В пятой гл^тя «Реализация оптимальных и кеззиотиизльных апгоегг-«оз упраапекия АВЗС» приеедско слисскнэ структуры опытного сбрзецз АВЗС и результаты акспсриигнтслькых исследований.

Функционально кгггдыл велел АВЗС состс'.гт из сгедумаг.а зесньсг;: объекта управления, уаипттвля мгацнсст, корректирующего зеенз, дгтчк-е 5 колебаний объекта, преобразователя си жгла дотчжсэ.

При експери?.:еитальнь« исслэдсеан'.'лх спытеого образца АВЗС несущие але*:енты С"« г:.::тп'.рс:^г.:-сь пргягоугольным контейнере?.« с пг.ссс'.') 1050 гг. Ме^ду фундаментом и сснтеЯиерсм были размещены упргг5лгз?.:ь:э пнсз^ксперы, респогкпсенныэ по углам контейнера.

Воемущехиргэ еоздейстгия н пере-.теи^мгз несущих глег^гге? СМ'С регистрировалось с по?.;сшъ!Э деух г-ллптгеелектр^ееми« тепа СМ - 3 и даух сяагерсазгрез вкгпэкги Пше! а преиегедгтга Д> нии топа ОЗСЗ.

В про1^~ссэ еггпери^ента ксследесел^сь гепезтели кеуестеа ппса:е-ней к'^розеиг-пы, т.о. кеупреел^емей пкее?.^5спсры, а техгг) гэтггисй пг.Срэ-заиугты при различ}:ъо( настройках сетсг.^м.

Возмущающга поздойстгия. близяга к гармсягическим кодзлирсемг/.сь с помощью с1:5рэтсроз. !Сромэ того за счет кратковременного го включения нескольких екбрзгорса создзг-ались ссгдсГжгсия бл!ек:э х игл-

пульсиым. Пэдсйлиэ создсйстсия возникают в ьюмент сгпючения »¿арного со стендом оборудования цзха, при этом амплитуда перемещений фундамента «оягт достегать 17 - 25 (¿хм.

Получанмькз експсрнмонтальныа даиыо'сомдотельствукэт о следующем. Пасо'-енаа к:5розащята на осмоса ноупрааляемых пнавмоопор на частого 3 - 5 Га соответствующей энергетическому спсхтру реального случайного созмущзющега воздействия, обоспечиаеот снюкониа амплитуды колебаний су»5розан&ицаемого объест» о 1,5 - 2 раза. В этих ха условиях АВЗС, реализующая алгоритм упрааления, разработайте б глаео 3, обсспачиааст осжанкэ емгикпуды о 4 - 6 раз, а АВЗС с 1еззаопткмальным регулятором (13) о 5 - 7 раз. Срааася:-пЗ показателей кэчеетса скброзгадпы указанных са-риамтш настройка по срсдве=адрзтичас«ому отклонению стсбилаз^рус^ой коард1У1аты при случайное хараэтеро созмущения показало, что использоеа-ксазкотмаалького регулятора позаолязт получить о 1,5 - 2 раза лучшая результаты, чем о случаэ настройхи АВЗС по алгоритму, полученному о гласа 3.

Пра созмущенш, бгесгом к импульсному, оба сар;снта АВЗС дают примерно одиназоеиэ результаты - иагокя№ноз отклонена сиброзащи-щаемого сОъсета окззыеаатся о 15 - 20 роз меньшо ■¿алаклального зиаче!ыя сое^г/щеи;:.-!.

образам. шзальсосгшэ апгорэтш с^с::ояткмглакно улре^лэ-о предположи;;! о случейюм характера соемуща;о-щего сосдсйстсця, сЗесйечкаазт ках при гар^охнесгом, тсс и при спуча&юм существен;» лучиг,э показатели счастие, по сраанезпяо с елго-ришеа. на стандартных настройдх

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рееуттсто шползкзгных гхспсдоаос-Л реи^аз еедачл, ш^ощая су-щестсояюа ссчен^э для еиаяоточлого сбсрудоааш-л, з>

кгеочеаарля о псе^ще:«;! точностях! нада^зюсти стацяисргюго прсц;с;ь оя;йго О Г.-С за смегт С0ЕСршекстЕССаи:п елгеритеоз уп реале; ыя АВЗС. В работа получки следулщ,;о оас^.^э результаты: 1. Но оа»сэ иатрдоз снал;т;час=ой идвпифшщрзи разработана обсбо;;.чнал 1.м\1 ОУ с »етюпнлтшьмым элемент» о ездо упразляемой

пнавмэопсры. Показана солхокность слпрсязг.!2Ц!(и дглсг.итсг:и< сгойсгп ОУ для малых отклонений ПФ колебательного згека. Рсбсггоспсссбкость полученного математического отдания ОУ подтверждена результате?-1« ггкгэ-римзнтапьных иеследо^енкй. На основа гкслсриг.гжталькых ксслгдстдай кинематических воздействий, поступающих ка ОМК со сторсйы фундстагта, пехзззка созгсхзкхггь их апгтрсжи^ации стационарном случайным гроцсс-сом с экспоненциально - косинусной корреляционной фучгсцкей.

2. На оснсзэ оцекхи показателей кячсстса пароходных прсцесссз по возмущающему еоздейстнию, достигаемых о системах с изесстнь.ч/'л г.'.по-выми настройками, еыяолгнл технически оптимальная по критерию минимума максимального динамического отклонения стсбилизкрузмой координаты настройка. Синтозирсегл регулятор, реализующий принятую настройку и проведена оценка показателей качества регулирования в синтсг/рс~г.ннсЛ система при лолнгарменнчоскси и случайном характера ¡зозмущзкий.

3. Синтозирсеен олтиыальный, по критерию сргднаг-эдрптичссг.ого отклонения, алгоритм упргог,сж:я АВЗС для изтеиатичзсЕай модели еоз:луа;о-ния о виде стационарного случайного процесса с ейспсненциально - косинусной корреляционной функцией

На осносэ анализа чусстеительнсстн крэтеркя оптимизации к изг.юнэ-нию структуры регулятора устснсглсна техническая целесообразность использования кЕазисптимзльнсго олгоритг/л упразления.

Сопоставительный анализ показателей кэчзстпэ работы системы, реализующих ргеоллренкыэ алгоритмы упрзслгжш, сгидатольстсузт о целесообразности использования каззиоптшдзльного алгершиа, синтезированного в предположении о случайном характера возмущена.

4. В результате ехспернментальных исследований показано, что преетV-чесхая реализация разработанных аллеришоа и структур АВЗС погзоляог существенно пезыситъ точностную надеясность испьггательмсго прсцююмко-гоОМК.

Дсстогерность основных полескенкн и сыеодоз, полученных о дежегртп-циенней реботе, педтсерй'де«э спьггсм просхтирссанл'-я, розультгтпт^и пр=*-тическсй реализации и г^слер^^сктзльньг.ш кселгдсг:~к:'.г:;и сг^гпгсго с5-разца АВЗС.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Абсхумоа AM., Агеез В.Е., Сятоз Г.Н. Ахткскад в^броаадгга прецизионного OfTTVuco-iuGXCKiMccxoro стенда // Первая Поволжской конференция по проблемам дсойгюго применения: Тоз. дохл, науч.-тохн. конф. - Самара, 1995.-с. 14

2. Млтоз Г.Н. Сравнительный анализ качества переходных процессов при сгаадсртных формах настрой»! систем азгоьиггочесяэго регулирования II Автоматизация тсхнолэамеских процзссов и производств. Точность, качество и нсде^эюсть конструкций и технических систол: сб. науч. тр. - г. Сызрань. 1S97. - с.17-16

3. f.'jrroa Г.Н. Математическая модель ю-лсуотичсских возмущений, действующ;tx на прецизионный испытательный комплекс // Соеершонствоеа-ниа систем и технологий: Маяазуз. сб. науч. тр. - г. Севастополь, 1997. - с.24-25

4. Мятоз Г.Н. Математическая модель объекта управления системы активной сиброзащиты И Оптимизация производственных процессов: Млхшуз. сб. науч. тр. - г. Ссесетополь, 1997. - с.80-02.

5. Рсщек;-^ о сыдсга патента РФ на изобретена,о по заасхи №95114210/20 f£Q14 F1S F15 от 05.00.07. Сютс^кз ехтмкюй с/.брозащиты I АБсхуксз А.1Л.. Агсез В.Е.. »Ллтоз Г.Н. (РФ). Заявлено от 20.03.95. - 12с.

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

МЯТОВ ГЕННАДИЙ НИКОЛАЕВИЧ

АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ И АКТИВНАЯ ВИБРОЗАЩИТНАЯ СИСТЕМА ПРЕЦИЗИОННОГО ОПТИКО - МЕХАНИЧЕСКОГО

КОМПЛЕКСА

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств ( в машиностроении )

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

д.т.н., профессор Абакумов А.М.

САМАРА- 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ....................................//.

1.1. Проблема повышения точностной надежности и эффективности работы испытательного прецизионного ОМК............................................

1.2. Пассивные виброзащитные системы........................................................

1.3. Активные виброзащитные системы...........................................................

1.4. Основные выводы по разделу и постановка задачи.................................

2.МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВИБРОЗАЩИЩАЕМОГО ОБЪЕКТА.................Ы.

2.1. Обобщенная и упрощенная математическая модель ОУ..........................

2.2. Экспериментальное исследование характеристик ОУ..............................

3.АЛГОРТИМ УПРАВЛЕНИЯ АВЗС ПРИ ДЕЙСТВИИ ДЕТЕРМИНИРОВАННОГО ВОЗМУЩАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ.........................................................££

3.1.Анализ возможных принципов построения системы.....................................

3.2.Обоснование технически оптимальной настройки и синтез АВЗС...............

3.3.Оценка эффективности АВЗС при гармонических возмущениях.................7.Р...

3.4.Алгоритм расчета адаптивного цифрового регулятора................................

4.АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ АВЗС ПРИ ДЕЙСТВИИ СЛУЧАЙНЫХ ВОЗМУЩАЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ...................................................................

4.1.Математическая модель возмущающего воздействия. Критерий оптимизации.................................................................................................

4.2.Синтез оптимальной АВЗС при стационарных возмущениях..................

4.3.Оценка эффективности работы оптимальной АВЗС и её упрощение......

4.4.Анализ возможного упрощения структуры АВЗС за счет

использования других каналов связи........................................................

4.5.Сопоставительный анализ синтезированных АВЗС.................................

4.6.Основные результаты и выводы по разделу 3 и 4...................................

5.РЕАЛИЗАЦИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ И КВАЗИОПТИМАЛЬНЫХ

АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ АВЗС..............................................................

5.1 .Описание электрических схем АВЗС........................................................

5.1.1.Преобразователь сигнала датчика и регулятор.................................../У.??..

5.1.2.Усилитель мощности..............................................................................

5.1.3.3ащита и индикация...............................................................................

5.2.Экспериментальные исследования опытного образца АВЗС

Основные результаты и выводы............................................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................Ш...

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................................../£..<?....

ПРИЛОЖЕНИЕ 1...............................................................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ 2...............................................................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ 3...............................................................................................

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И

ТЕРМИНОВ

АЧХ - амплитудная частотная характеристика; АВЗС - активная виброзащитная система;

ЛАЧХ - логарифмическая амплитудная частотная характеристика;

ММ - математическая модель;

ОМК - оптико - механический комплекс;

ОУ - объект управления;

ОПУ - операционный усилитель;

ПФ - передаточная функция;

САУ - система автоматического управления;

ТАУ - теория автоматического управления;

Ат - амплитудная частотная характеристика; Оф - дисперсия случайного процесса <р(^; К - коэффициент передачи;

Цш) - логарифмическая амплитудная частотная характеристика; X - множитель Лагранжа; т0 - неотрицательный множитель Лагранжа; р - оператор Лапласа;

8ф(со) - спектральная плотность мощности случайного процесса

Т - постоянная времени;

\Л/(р) - передаточная функция;

X, У, 7. - оси прямоугольной системы координат;

со - круговая частота;

<и2> - средний квадрат управляющего воздействия;

<х02> - средний квадрат отклонения стабилизируемой координаты.

аЬ1

ВВЕДЕНИЕ

В диссертации рассматривается проблема повышения точностной надежности и эффективности функционирования прецизионного испытательного оптико-механического комплекса (ОМК) за счет стабилизации положения его несущих элементов в пространстве путем управления динамической жесткостью амортизирующих элементов ОМК.

Актуальность темы: Уровни виброактивности механизмов в современной технике оказывают существенное влияние на точностную надежность и эффективность функционирования высокоточного механического оборудования: станков, измерительных устройств, испытательных комплексов.

В работе рассматривается ОМК, предназначенный для испытаний и аттестации длиннофокусных объектов космического базирования. На достоверность результатов испытаний и качество юстировки ОМК существенное влияние оказывают возмущающие воздействия со стороны фундамента, что вынуждает уделять особое внимание вопросам его виброзащиты.

Эффективным способом снижения вибрационных полей защищаемых объектов является использование систем активной виброзащиты (АВЗС), с помощью которых осуществляется управление динамической жесткостью специально вводимых в механические системы амортизирующих элементов.

В качестве исполнительных элементов в таких системах используются гидравлические, электромеханические, пневматические и др. типы управляемых опор.

Для стационарного прецизионного оборудования наиболее широкое применение получили пневмо - и гидромеханические системы, в которых регулирующие воздействие организуются с помощью механических и электрических связей. Причем для широкополосной виброизоляции объектов АВЗС часто используются в сочета-

нии с обычными неуправляемыми элементами, обеспечивающими дополнительную виброизоляцию от высокочастотных составляющих спектра вибрации.

Недостатком известных струйных пневмоопор, является их малая полоса пропускания по отношению к управляющему воздействию, обусловленная инерционностью исполнительных элементов, что ограничивает область частот, в которой может быть достигнуто эффективное подавление возмущений. Указанное обстоятельство определяет необходимость дальнейших исследований по совершенствованию конструкций исполнительных элементов АВЗС с целью улучшения их динамических характеристик.

Существенное повышение качества виброизоляции может быть достигнуто также за счет оптимизации алгоритмов управления и структур АВЗС. Несмотря на значительный объем исследований в этой области, в частности, результаты полученные в работах М.З. Коловского, С.В, Елисеева, В.Т. Шмакова, Д.Е. Чегодаева, Ю.В. Шатилова, М.Д. Генкина, В.М. Рябова, Ф.А. Фурмана и др., до настоящего времени остаются нерешенными ряд вопросов проектирования и конструирования АВЗС прецизионного механического оборудования с учетом особенностей действующих на виброизолируемый объект возмущений, динамических свойств объекта, ограничений на управляющие воздействия.

Таким образом, поиск путей повышения эффективности виброизоляции испытательных стендов, базирующихся на совершенствовании исполнительных элементов АВЗС, выявлении математических моделей (ММ) объекта управления (ОУ), оптимизации алгоритмов управления, является актуальной задачей, имеющей существенное значение для повышения точностной надежности прецизионных испытательных стендов и другого высокоточного оборудования.

Основные результаты работы получены и использованы в ходе выполнения в течении 1994 - 1998 г.г. ряда плановых НИР СамГТУ с Центральным специализиро-

ванным конструкторским бюро города Самара. Бюджетные НИР проводились по программам: «Конверсия высоких технологий» (Приказ №168 от 23.03.93 г.), «Конверсия Самары», по гранту Государственного комитета РФ по высшему и среднему образованию в области фундаментальных исследований технологических проблем авиастроения и космической техники (№ гос. Регистрации 01940005469).

Цель работы: повышение точностной надежности и эффективности функционирования прецизионного испытательного ОМК за счет стабилизации положения его несущих элементов путем управления динамической жесткостью амортизирующих элементов на основе разработки математических моделей объекта управления, совершенствования алгоритмов управления, создания инженерных методик проектирования и реализации конкретной АВЗС.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи:

- разработать ММ ОУ с исполнительным элементом в виде управляемой пнев-моопоры;

- на основе экспериментальных исследований выявить вероятностные характеристики возмущающего воздействия;

- выявить оптимальные и рациональные алгоритмы управления объектом;

- создать опытный образец АВЗС и провести его экспериментальные исследования.

Методы исследования. При теоретическом анализе в работе использовались: методы теории механических колебаний, теории линейных и нелинейных систем автоматического управления, а также методы математического моделирования на ЭВМ. Основные теоретические положения подтверждены результатами экспериментальных исследований.

Научная новизна и значимость диссертационной работы заключается в том,

что:

1. Разработана обобщенная и упрощенная ММ ОУ, получены аппроксимирующие выражения для ММ в виде передаточных функций (ПФ) объекта, по отношению к управляющему и возмущающему воздействиям.

2. Получены алгоритмы рационального и квазиоптимального управления ОУ в условиях действия детерминированных и случайных возмущений.

3. Разработаны инженерные методики проектирования АВЗС при действии детерминированных и случайных возмущающих воздействий.

4. Получены структуры конкретных рациональных и квазиоптимальных АВЗС и проведены их экспериментальные исследования.

Практическая ценность результатов работы. Разработанные теоретические положения использовались:

- при разработке и создании опытного образца АВЗС прецизионного ОМК;

- при разработке алгоритмов и программ расчета оптимальных АВЗС, работающих в условиях случайных и детерминированных возмущающих воздействий.

Результаты исследований внедрены в Центральном специализированном конструкторском бюро (ЦСКБ, г. Самара) в составе АВЗС прецизионного испытательного ОМК, предназначенного для экспериментальных исследований и аттестации длиннофокусных оптических систем орбитального базирования.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: «Первой Поволжской конференции по проблемам двойного применения», г. Самара 1995г.; научно - практическом семинаре - выставке «Автоматизация технологических процессов и производств. Точность, качество и надежность конструкций и технических систем», СамГТУ, филиал в г. Сызрань 1997г.; научно - технической конференции «Совершенствование систем и технологий», Севастополь 1997г.; научно -технической конференции «Оптимизация производственных процессов», Севастополь 1997г.

Публикации: по теме работы опубликовано 5 печатных работах.

На защиту выносятся:

1. Обобщенная и упрощенная ММ ОУ с исполнительным элементом в виде управляемой пневмоопоры,

2. Алгоритмы рационального и квазиоптимального управления ОУ в условиях действия детерминированных и случайных возмущений.

3. Методы инженерного проектирования АВЗС при действии детерминированных и случайных возмущающих воздействиях.

4. Структуры конкретных рациональных и квазиоптимальных АВЗС.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения изложенных на 129 страницах машинописного текста, списка используемых источников из 103 наименований на 12 страницах, 3-х приложений и содержит 61 рисунок. Общий объем работы 158 страниц сквозной нумерации.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Проблема повышения точностной надежности и эффективности работы испытательного прецизионного ОМК

В современном прецизионном испытательном оборудование, высокоточных станках, измерительных комплексах, летательных аппаратах, автомобилях, судах большое значение приобретают вопросы виброзащиты. Это связано в частотности с тем, что интенсивность вибрации и ударов обычно возрастает с увеличением скорости движения обрабатываемой детали или транспортного средства. Развитие новых микроэлектронных высокочувствительных к вибрации систем сопровождается непрерывным повышением требований к виброзащитным системам.

Существует два основных метода виброзащиты /1, 4, 12/. Первый состоит в присоединении к защищаемому объекту других механических систем, параметры которых выбирается таким образом, чтобы обеспечивалось уменьшение колебаний основной системы. Такой способ виброзащиты называется динамическим гашением, а присоединяемые системы - динамическими гасителями.

Второй метод заключается в разделение исходной системы на две части и в соединение этих частей дополнительными механическими системами. Этот метод называется виброизоляцией или амортизацией, а устройства, соединяющие две части -виброизоляторами. При разделении системы одна из её частей оказывается свободным телом, не соединенным с другими телами. Эту часть называют амортизируемым объектом, а вторую, связанную с другими телами - основанием, или несущим телом. Если динамические воздействия приложены к основанию, то целью амортизации является защита амортизируемого объекта, если же воздействия непосредственно приложены к объекту, то амортизаторы обеспечивают защиту основания. Виброзащита

также может достигаться за счет непосредственного уменьшения динамических воздействий, за счет изменения конструкции объекта или основания.

Интерес к созданию и использованию виброизоляторов, как было уже сказано, объясняется возрастающей виброактивностью механизмов и оборудования, из-за увеличения их мощности и рабочих скоростей, необходимостью создания условий для проведения калибровки, выверки чувствительных элементов испытательных устройств и инерциальных систем. Поэтому для большинства прецизионных механических систем актуальной является задача защиты их от внешних возмущающих воздействий, поступающих, в частности, со стороны фундамента. Известно /21, 22/, что вибрация и удары в промышленных зданиях во много раз превышают пороговую чувствительность гироскопов, акселерометров, оптических приборов и другой прецизионной механической техники.

В работе рассматривается прецизионный испытательный ОМК, предназначенный для испытаний и аттестации длиннофокусных объектов космического базирования. На рис.1 показана упрощенная схема ОМК, цифрами на рисунке обозначены: 1- несущая рама светоколлимационного зеркала; 2 - осветитель; 3 - несущая рама диагонального зеркала; 4 - пневмоопора; 5 - несущая рама параболического зеркала. В процессе испытаний оптические элементы, расположенные на несущих рамах ОМК, должны находиться на одной оптической оси. На протяжение всего времени испытаний данное требование осуществить не удается из-за возмущающих воздействий поступающих со стороны фундамента. Перемещения фундамента приводят к перемещению оптических элементов в пространстве, что влияет на достоверность результатов испытаний и качество юстировки ОМК и вынуждает уделять особое внимание вопросам его виброзащиты.

Существующие на данный момент виброизолирующие устройства по диапазону частот, в котором достигается виброизоляция, принято разделять на два класса 14, 12, 22, 58/. К первому классу относятся виброизоляторы, защищающие объ-

Упрощенная оптическая схема испытательного прецизионного оптико - механического комплекса

и

Рис.1.

ект, входное воздействие которого представляет вибрацию с максимумом спектральной характеристики в области частот от 10 Гц и выше. Второй класс систем обеспечивает виброизоляцию в диапазоне частот от 1 до 10 Гц.

Так, например, к виброизоляторам прецизионных оптических установок предъявляются такие требования, как подавление низкочастотных и инфранизко-частотных колебаний грунта, вызванные как вибрацией промышленного оборудования, так и прецессией земной полярной оси, температурной деформацией здания и грунта, создающие угловые отклонения. То есть наиболее серьезными причинами ошибок показаний приборов является микросейсмическая активность в диапазоне 2 -10 Гц, вызывающая движение почвы и её угловые смещения.

Приборы считаются изолированными, если смещение виброизолируемого объекта не превышает 2-3 мкм и горизонтальность испытательной платформы выдерживается с точностью до 0,2 дуг. с.

При исследовании и расчете систем виброизоляции нередко приходиться сталкиват�