автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Моделирование и оценка характеристик и показателей магнитострикционных преобразователей

На правах рукописи

НАДЕЕВ МАКСИМ АЛЬМАНСУРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК И ПОКАЗАТЕЛЕЙ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность 05 13 05 -Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Астрахань -2007

□03059459

003059459

Работа выполнена в Астраханском государственном техническом

университете

Научный руководитель

кандидат технических наук доцент Артемьев Э А

Официальные оппоненты

доктор технических наук профессор Гусев В Г кандидат технических наук Волынский С А

Ведущее предприятие Московский государственный

институт электроники и математики (технический университет)

Защита состоится "31" мая 2007г в 13 00 на заседании диссертационного совета Д307 001 01 в Астраханском государственном техническом университете по адресу 414025, г Астрахань, ул Татищева 16, главный корпус, ауд 305

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу 414025, г Астрахань, ул Татищева, 16, АГТУ, Ученый совет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного технического университета

Автореферат разослан апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного

совета

д т н , профессор

Попов Г А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Магнитострикционные преобразователи положения (МПП) прочно заняли свое место среди предлагаемых на рынке датчиков систем управления Это обусловлено в первую очередь их высокой надежностью, устойчивостью к вибрационным воздействиям, а также большим диапазоном преобразований, относительно невысокой стоимостью Мировыми лидерами в исследованиях, разработке и производстве МПП являются крупнейшие фирмы-производители датчиковой аппаратуры MTS (США), Balluff (Германия), Shlumberger Industries (Франция) и др Аналитики этих фирм насчитывают уже более 1500 областей использования МПП

Исследования зарубежных и отечественных ученых, таких как Артемьев Э А , Демин С Б , Надеев А И , Шпинь А П , Ясовеев В X и др привели к созданию множества способов реализации МПП, появлению структурных, технологических, алгоритмических методов улучшения их метрологических характеристик Развитие в последнее время интеллектуальных МПП, наряду с их индивидуальной градуировкой, приводит к достижению практически предельной точности МПП в статическом режиме

Однако, даже интеллектуализация МПП с записью в ПЗУ устройства данных по индивидуальной градуировочной характеристике, характеристик систематической и случайной погрешностей, функций влияния дестабилизирующих факторов, не учитывает динамики изменения полной погрешности, т е изменения записанных параметров в течение срока эксплуатации, обусловленного процессами старения элементов МПП, главным образом звукопровода Кроме того, реализованы не все функциональные возможности, которые дает интеллектуализация МПП

Учитывая, что в современных системах управления, определяющим является влияние экономических факторов, качество датчиков и стоимость

их жизненного цикла становятся важными как никогда Поэтому тема диссертационного исследования посвященного методам моделирования и оценки метрологических характеристик и эксплуатационных показателей магнитострикционных преобразователей с целью улучшения их качества является актуальной

Цель исследовяния. Разработка методов моделирования и оценки метрологических характеристик и эксплуатационных показателей магнитострикционных преобразователей с целью повышениях их качества и расширение базы знаний об их технических и функциональных возможностях

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи

1 Систематизация методов описания динамики полной погрешности датчиков и преобразователей систем управления

2 Разработка методики экспериментальных исследований динамики полной погрешности магнитострикционных преобразователей при минимизации времени наблюдений

3 Разработка и реализация автоматизированной системы научных исследований магнитострикционных преобразователей

4 Построение математической модели динамики полной погрешности магнитострикционных преобразователей

5 Исследование функции влияния внешних факторов на точность магнитострикционных преобразователей

6 Разработка частных и обобщенного показателей качества эксплуатационных характеристик магнитострикционных преобразователей и синтез многофункционального магнитострикционного преобразователя

Методы исследований. В работе использованы методы системного анализа и математического моделирования, математические методы планирования многофакторного эксперимента и регрессионного анализа,

сплайн-методы аппроксимации экспериментальных зависимостей, методы технической кибернетики и метрологии, цифровое моделирование на ЭВМ

На защиту выносятся:

1 Методика многофакторных испытаний динамики полной погрешности магнитострикционных преобразователей

2 Математическая модель динамики полной погрешности магнитострикционных преобразователей

3 Математическая модель функций влияния внешних факторов на точность МПП

4 Частный и обобщенный показатели качества эксплуатационных характеристик МПП

5 Многофункциональный магнитострикционный преобразователь

Научная новизна.

1 Предложен способ оптимизации использования метода наименьших квадратов на основе спектрального анализа функции статической погрешности, обеспечивающий минимальные затраты на проведение и обработку эксперимента

2 Предложена методика математического моделирования динамики полной погрешности МПП

3 Впервые разработана нелинейная математическая модель динамики полной погрешности магнитострикционных преобразователей в виде системы дифференциальных уравнений

4 Разработаны нелинейные полиномиальные модели функций влияния температуры и растягивающих напряжений на точность МПП

5 Разработаны показатели качества эксплуатационных характеристик магнитострикционных преобразователей с использованием функций желательности Харрингтона

Практическую ценность имеют:

1 Методика индивидуальной градуировки статической характеристики

МПП

2 Методика математического моделирования динамики полной погрешности МПП

3 Аппаратная и программная реализация экспериментальной установки для испытаний МПП

4 Результаты экспериментальных исследований МПП

5 Методика количественной оценки показателей качества МПП на основе функции желательности Харрингтона

6 Конструкция многофункционального магнитострикционного преобразователя повышенного качества

Реализация и внедрение. Теоретические и практические результаты работы используются в учебном процессе на кафедрах «Автоматизация технологических процессов» и «Электрооборудование и автоматика судов» Астраханского Государственного Технического Университета в рамках специальностей 210200 «Автоматизация технологических процессов и производств», 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», 180900 « Электрооборудование и автоматика судов», 240600 «Эксплуатация электрооборудования и автоматики судов»

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях Астраханского Государственного Технического Университета (2000-2006гг), XV и XVI Научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Датчик - 2003, Датчик - 2004), Международной научной конференции посвященной 75-летию основания Астраханского Государственного Технического Университета (Астрахань 2005), VII Международный научно-методической конференции «Традиции и педагогические новации в электротехническом образовании НИТЭ 2006» (Астрахань 2006), на всероссийской научной конференции «инновационные

технологии в управлении, образовании, промышленности АСТИНТЕХ-2007» (Астрахань 2007)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 статьи в журнале по списку ВАК, 1 статья в сборнике научных трудов, 4 статьи в материалах международных конференций

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и семи приложений Основной текст 145 страниц машинописного текста Библиография-142 наименования КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практические результаты

В первой главе проведен анализ принципов построения и физических основ работы МПП, Базовая конструкция МПП представлена на рис 1

Рис 1 Базовая конструкция МПП на крутильных волнах Подвижным элементом МПП этого типа является постоянный магнит 3, а импульс тока возбуждения подается непосредственно в звукопровод 1, концы которого помещены в демпферы 2 Вокруг звукопровода образуется круговое магнитное поле, которое взаимодействует с продольным магнитным полем постоянного магнита В результате этого, магнитное поле в зоне взаимодействия изменяется скачком и, вследствие эффекта Видемана, в звукопроводе возникает крутильная ультразвуковая волна, распространяющаяся по звукопроводу Дойдя до выходного электроакустического преобразователя 4, ультразвуковой импульс преобразовывается в электрический, и на выходе МПП формируется временной интервал /, пропорциональный положению

1 = х/у = х/^а/р (1)

где С - модуль сдвига, р — удельная плотность материала звукопровода Математическая модель динамики полной погрешности МПП, предназначена для описания изменения статической погрешности преобразователя с течением времени, обусловленного процессами старения элементов преобразователя главным образом, звукопровда под воздействием времени и температуры окружающей среды

Описаны и систематизированы методы моделирования динамики полной погрешности измерительных преобразователей систем управления на основе- линейной, экспоненциальной и логистической моделей, спектрального анализа, регрессионного анализа, метода дифференциальных уравнений

Для измерительных преобразователей систем управления первым приближением является линейная модель возрастания во времени полной погрешности Достоинством этой модели является простота ее построения и анализа, однако недостаточная точность и физичность этой модели очевидна, так как не учитываются замедление или ускорение процессов старения с течением времени

Методы построения динамических моделей в виде экспоненциального логистического и спектрального описания обладают общим недостатком — значительным календарным временем наблюдения (несколько лет) для получения адекватных математических моделей

Существенно снизить объем экспериментальных исследований, время наблюдений и затраты на их проведение позволяют регрессионные методы построения математических моделей на базе математических методов планирования эксперимента

Общим недостатком регрессионных моделей, построенных по методике планирования эксперимента является их адекватность только в диапазоне варьирования факторов Для моделирования динамики изменения полной погрешности устройства, необходимы модели, предсказывающие

поведение устройства за пределами факторного пространства С этой точки зрения перспективным представляется информационная технология идентификации и моделирования сложных нелинейных динамических систем

Во второй главе обоснована методика экспериментального исследования и обработки экспериментальных данных МПП для динамического моделирования его полной погрешности

Функция преобразования МПП определяется уравнением преобразования (1) Однако волновое сопротивление реальных звукопроводов, вследствие технологических и эксплуатационных причин, распределено неоднородно по длине волновода Выражение для коэффициента отражения синусоидальной волны с частотой <° от внутренних неоднородностей при изменении волнового сопротивления звукопровода W на величину dW(x) на длине звукопровода L имеет вид

КотА«>) = — i'^'dx (2)

ОГР ; 2W J dx у '

С изменением волнового сопротивления изменяется скорость волны, вследствие чего чувствительность МПП становится непостоянной вдоль волновода Поэтому математические модели МПП разрабатывается по экспериментальным данным

Для обработки экспериментальных данных использован метод наименьших квадратов (МНК), который позволяет для функции t(x), заданной экспериментальными данными, найти близкую в «среднем» полиномиальную функцию Р(х) Погрешность аппроксимации МНК определяется формой аппроксимируемой кривой и порядком аппроксимирующего полинома, который повышают до получения минимальной оценки остаточной дисперсии

Хотя оценка остаточной дисперсии является статистически более строгой, но исходя из практики нормирования точностных характеристик

преобразователей перемещений, погрешность аппроксимации предложено оценивать по ее максимальному значению в диапазоне преобразования ='.-'<*.) (3)

Эта оценка выше чем остаточная дисперсия и, следовательно, метрологически более надежна

Предложен способ оптимизации использования МНК для аппроксимации исходной функции статической характеристики, позволяющий получить удовлетворяющую условиям эргодичности и стационарности функцию статической погрешности для любых волноводов и оптимальный порядок аппроксимирующего полинома, обеспечивающий минимальную погрешность аппроксимации

Алгоритм реализации способа экспериментальное определение статической характеристики преобразователя, аппроксимация полученного массива данных прямой линией МНК, спектральный анализ функции статической погрешности, расчет "преобладающей" гармоники в спектре статической погрешности, определение оптимального порядка аппроксимирующего полинома, расчет нормированных автокорреляционных функций и дисперсии их отклонений от усредненной автокорреляционной функции

Эффективность методики подтверждена экспериментом на установке, приведенной на рис 4 Измерения проводились на участке звукопровода от 500 до 1500 мм, через 10 мм по 20 измерений в каждой точке Выбор участка звукопровода обусловлен техническими возможностями образцовой меры

Затем по методике, изложенной выше, рассчитана статическая погрешность, график которой показан на Рис 2 Коридор погрешности не превысил 1,131 мкс

пс»

' 1 '/у! р

¡— V -I, - ~4 - *

к

(. Ой

Рис 2 Функция статической погрешности Рис з Спектральная характеристика

МПП

статической погрешности МПП

Проведен спектральный анализ функций статической погрешности согласно выражению

I/" 1500 Л2 /1500 V

С(/) = ,11 /Д(Х)со5(2я#ОЛ1 + \\ь(х)*т{2прс)<1х\ (4)

График спектральной характеристики представлен на Рис 3 После аппроксимации экспериментальной статической характеристики МПП полиномом третьего порядка коридор погрешности уменьшился на 31%

Для проведения экспериментальных исследований разработана автоматизированная система научных исследований магнитострикционных преобразователей (АСНИ МПП) предназначенная для экспериментального определения метрологических характеристик МПП, функционирующих путем преобразования временных интервалов в цифровой код

АСНИ МПП обеспечивает выполнение следующих основных функций возбуждение первичного МПП, фиксацию времени распространения ультразвуковой волны по его звукопроводу, формирование массивов экспериментальных данных с последующим занесением их в базу данных, исследование неинформативных параметров сигнала в зависимости от конструкции и внешних влияющих факторов (температуры и натяжения звукопроводов МПП, конструкции электроакустических преобразователей, геометрии и материала звукопровода), нормирование метрологических

характеристик МПП, представление обработанных данных в виде графиков и таблиц

Рис 4 Блок-схема АСНИ МПП

АСНИ МПП представляет собой распределенную вычислительно-управляющую систему (рис 4), состоящую из следующих блоков

1) первичный магнитострикционный преобразователь на крутильных волнах,

2) датчик температуры

3) образцовое средство измерения перемещений,

4) образцовое средство измерения временных интервалов,

5) электронный осциллограф для определения неинформативных параметров МПП,

6) блок обработки время-импульсной информации, представляющий собой микропроцессорный контроллер, выполняющий функции управления первичным магнитострикционным преобразователем, преобразования временного интервала в цифровой код, приема информации от образцового средства измерения перемещений и точечного датчика температуры Блок обработки информации обеспечивает также передачу в реальном масштабе времени данных эксперимента в персональный компьютер IBM PC,

7) персональный компьютер IBM PC, выполняющий функцию диспетчера системы и решающий задачи управления экспериментом, поддержки базы экспериментальных данных, графического представления результатов эксперимента

Первичный магнитострикционный преобразователь на крутильных волнах представляет собой законченную механическую конструкцию, причем обеспечивается возможность быстрой смены электроакустических преобразователей записи и считывания при проведении исследований

В третьей главе разработаны модели динамики полной погрешности

мпп

Простейшей моделью динамики полной погрешности является линейная модель Модель построена по результатам экспериментальных исследований 1998-2007 гг Доказано, что за период наблюдений закон изменения случайной погрешности остался нормальным В этом случае с доверительной вероятностью 0,9 линейная модель получена в виде у(Т) = Го+1М(0) + о Т, (5)

где у о - начальное значение систематической погрешности, о - скорость изменения погрешности, с - ско случайной погрешности Однако модель (5) получена в предположении что скорость и изменения погрешности не зависит от времени старения, что является лишь первым приближением

Построена динамическая модель полной погрешности магнитострикционных преобразователей в виде системы дифференциальных уравнений, коэффициенты которых определены по экспериментальным данным

£± = ЬЮ+Ьа х,(Т) + Ь„ х2{Т) + Ъп х!(Т) + Ьи х1(Т)-х2(Т) + ш

+ 6,5 х\{'Г) + ¿>|6 х*(Т) + 6„ х\{Т) + Ьл хъх(Т) х\(Т)

(6)

^Г = Ь10 + Ь21 х,{Т) + Ь21 х2(Г) + Ь1У х1(Т) + Ь» х{{Т) х2(Г) + от

+ Ь25 х;(Г) + Ьи х\{Т) + Ь„ х\(Т) + Ъп х!(Т) хЦТ)

Модель функции изменения длительности прохождения импульса по волноводу в виде системы двух обыкновенных дифференциальных

уравнений позволяет с погрешностью 0 015 мкс (0 002%) предсказать поведение данной функции на диапазоне времени, превышающем экспериментальный на 30%, что может сократить затраты на проведение эксперимента по изучению стабильности МПП и процесса старения его звукопровода, однако построенная модель не учитывает влияние температуры окружающей среды

В условиях неполного знания механизма изучаемого явления и большом количестве влияющих факторов целесообразно применять методы математического планирования эксперимента

Планирование эксперимента позволяет выбирать оптимальную стратегию исследования, сократить временные и материальные затраты на проведение эксперимента и, что самое, главное получить математическую модель исследуемого процесса в виде алгебраического полинома, удобного для дальнейшего анализа и синтеза МПП с оптимальными параметрами

В качестве математической модели МПП принята нелинейная полиномиальная модель вида

У = Ь„ +Xb'jx-xj +£b"x' ^

где у — значение исследуемой функции, предсказанное уравнением, bi, bu, bij - коэффициенты регрессии, xi, xj — факторы

При построении интерполяционных моделей типа квадратичного полинома и числе факторов п<7 выбранным критериям оптимальности наиболее полно удовлетворяет ортогональный центрально-композиционный план второго порядка (ОЦКП)

Ядром ОЦКП является полный факторный эксперимент, который не только ортогонален и ротатабелен, но еще и D-, G-, А- и E-оптимален Таким образом, выбранный для оптимизации параметров МПП план удовлетворяет не только вышеперечисленным критериям оптимальности, но и еще ряду других критериев

По плану ОЦКП исследованы функции влияния на точность МПП температуры в и растягивающих напряжений Р

Модель погрешности МПП с учетом влияющих величин будет иметь вид полинома второго порядка, который в матричной форме имеет вид

12 Ь., X, X, X. X,

ш* X,

д = ь0 + В2 Х2

В3 Х3

ь„ х?

ь22 х^ (8)

Ьзз X?

где Х1 - кодовая переменная диапазона преобразования, х, Х2-кодовая переменная натяжения звукопровода, Х3 -кодовая переменная температуры, Ь, В —коэффициенты уравнения регрессии

Расчетные значения коэффициентов уравнения регрессии, получены обработкой результатов многофакторного эксперимента, проведенного по ортогональному центральному композиционному плану

(9)

Проверка по критерию Кохрена подтвердила значимость коэффициентов уравнения регрессии

На рис 5 представлена поверхность отклика полученной модели при различных изменениях влияющих величин МПП Поверхность отклика построена как зависимость погрешности от натяжения звукопровода и от температуры окружающей среды Д

-0 22109 0 09078 "0 04912 -0 06637

Ь0= "1 08916 В = 010451 ь = "0 04912 0 21432 -0 04787

0 34338 -0 06637 -О 04787 -0 0023

Рис 5 Графики зависимостей погрешности от соответствующих факторов

Анализ поверхности отклика математической модели подтверждает ее адекватность не только по математическому критерию Фишера, но и соответствует физическим процессам, обусловленным температурой и растягивающими напряжениями

Для исследования динамики изменения полной погрешности от времени организован эксперимент при оптимальной величине растягивающих напряжений, полученной в предыдущем параграфе (Р= 90 Н) Впервые в качестве влияющего фактора принята влажность окружающей среды

Регрессионная динамическая модель полной погрешности

магнитострикционного преобразователя в полиномиальной форме имеет вид

£>( X,, Хг, Хг) = Ь0 + 6, X, + Ь2 Х2 + Ь, X, + + Ь]2Х)Х1 + Ь)ъХ,Хг + Ь2гХгХг + Ьпх' + Ь22Х\ + ¿зз А',

й(Х1,Х2,Х}) = -9 18-0 000358Х, -0 000054^ - 0 0001X,-0000ЫХ,Хг + + 0 00022Х,Х3 - 0 000438Х2Л-3 + 0 00619Х,2 + 0 0065ЛГ* + 0 006Х*

где X] - влажность, ^-температура, ^-календарное время, Поверхность отклика построена как зависимость погрешности от изменения двух факторов при фиксировании остальных факторов на основном уровне Масштабы осей условны Для облегчения понимания графика оси X и У условно разбиты на 20 частей каждая в пределах интервалов варьирования переменных, представленных рис 6

Рис 6 Зависимость погрешности от изменения влажности, календарного времени температуры окружающей среды

(10)

В четвертой главе рассматривается оригинальная методика определения обобщенного показателя качества конструкции магнитострикционного преобразователя перемещений при его проектировании с использованием данных, полученных в предыдущих главах

При проектировании магнитострикционных преобразователей перемещений методами морфологического синтеза необходимо формирование частных и обобщенного показателей качества эксплуатационных характеристик

Для формирования частных показателей качества эксплуатационных характеристик МПП предложено использовать функции желательности Харрингтона, широко применяемые для формирования частных и обобщенных показателей качества при решении оптимизационных задач методами планирования эксперимента

Выбор функции Харрингтона позволяет на основании значений частных функций желательности каждой из эксплуатационных характеристик легко определить и обобщенный показатель качества всей конструкции МПП — построить обобщенную функцию желательности Харрингтона, представляющую собой среднее геометрическое желательностей отдельных параметров оптимизации

где у' - некоторая безразмерная величина, линейно связанная с

значениями параметров у<

В результате, обобщенная функция желательности £> оказывается единственным параметром оптимизации взамен многих

(П)

/

-У,

е

(12)

Рассмотрена процедура перевода значении параметра оптимизации (эксплуатационной характеристики) в соответствующие желательности

Расчет данных для построения номограмм желательностей каждой эксплуатационной характеристики производится отдельно для каждой из спецификаций МПП На рис 7 приведены значения номограммы желательностей эксплуатационных характеристик низкоскоростных МПП среднего диапазона, в которых использованы точностные характеристики, полученные в работе

Рис 7 Номограмма желательностей эксплуатационных характеристик по функции

Харрингтона

Уг чувствительность, У2- разрешающая способность, У4- точность, У5- быстродействие, У6- надежность, У7- эксплуатационная стабильность, У8- потребляемая мощность, Уд- массогабаритные характеристики, У] о- стоимость

Использование предложенного обобщенного показателя качества позволяет задачу синтеза формализовать иначе

где О. предельно допустимый обобщенной показатель качества требуемой конструкции

В результате проведенных исследований разработан многофункциональный магнитострикционный преобразователь, который в одном цикле преобразования определяет не только положение объекта измерения (например, поплавок уровнемера), но и его температуру

Рис 8 Структурная схема многофункционального магнитострикционного преобразователя 1-магнитострикционный проволочный волновод, 2 - демпфер, 3-подвижный магнит, 4 - опорный магнит, 5 - катушка считывания, 6 - формирователь тока записи, 7 - усилитель сигнала считывания, 8 - быстродействующий АЦП, 9 -микроконтроллер, 10 -микропроцессор определения температуры, Ь - опорное расстояние, X - измеряемое расстояние

После прохождения первого импульса микропроцессор формирует цифровой код измерительного интервала

*„=/, ',=/о^0+«в д0)> (15)

где /0- частота счетных импульсов внутреннего счетчика микропроцессора 9,

х — измеряемые перемещения,

сг - скорость ультразвука в волноводе,

а@- температурный коэффициент задержка ультразвукового импульса в волноводе,

Д© - отклонение температуры от нормальной

После прохождения второго импульса микропроцессор формирует код опорного расстояния I

*д=/о '*=/о£(1 + «в Л©) (16)

Результатом преобразования положения в цифровой код является логометрическое преобразование, произведенное микропроцессором 9

х=ьк <17> Одновременно микропроцессор 10 выбирает код опорного интервала , вычисляет отклонение кода ЛМ,, обусловленное изменением температуры окружающей среды и определяет температуру согласно выражению

N - ЛГ

ДО = Иь—(18) ав

где цифровой код опорного расстояния при нормальной

температуре

Значение и ае и 0О записываются в память микропроцессора 10 Чувствительность канала измерения температуры определяется выбором волновода с большим ав и частотой /0 счетных импульсов

Разработанное устройство может быть использовано в резервуарных парках нефтепродуктов, на складах ГСМ, в уровнемерах, т к одновременно с уровнем жидкости определяется его интегральная температура, что позволяет вычислить массу продукта для коммерческого учета

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований магнитострикционных преобразователей на крутильных

волнах расширена база знаний об их метрологических и эксплуатационных характеристиках и функциональных возможностях

В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы

В приложениях приведены массивы экспериментальных данных, схема экспериментальной установки программа обработки результатов эксперимента, морфологические матрицы и акт внедрения

Основные результаты и выводы.

1 Систематизированы методы моделирования динамики полной погрешности измерительных преобразователей систем управления на основе линейной, экспоненциальной и логистической моделей, спектрального анализа, регрессионного анализа, метода дифференциальных уравнений Исследование динамики полной погрешности МПП целесообразно вести экспериментальными методами с привлечением математического аппарата теории планирования эксперимента и регрессионного анализа

2 В качестве математических моделей статических характеристик и характеристик погрешности выбраны алгебраические полиномы, наиболее вероятные значения коэффициентов которых дает метод наименьших квадратов Предложен способ его оптимизации на основе спектрального анализа функции статической погрешности, удовлетворяющей условиям эргодичности и стационарности для любых звукопроводов и оптимального порядка аппроксимирующего полинома, обеспечивающий минимальные затраты на проведение и обработку эксперимента

3 Для экспериментального исследования метрологических характеристик МПП разработана архитектура, аппаратное и программное обеспечение АСНИ

4 Установлено, что математическая модель функции влияния внешних факторов имеет вид полинома второго порядка, коэффициенты которого рассчитаны методами планирования эксперимента Функции влияния внешних факторов на статические характеристики МПП непосредственного

преобразования определяют наибольшую составляющую полной погрешности МПП в рабочих условиях эксплуатации Влияние растягивающих напряжений на статические характеристики одного порядка с влиянием температуры, однако, функция влияния напряжения имеет экстремум в области ^ = 85 - 95 ц

5 Построенные математические модели динамики полной погрешности МПП в виде нелинейных полиномов второго порядка адекватны не только по математическому критерию Фишера, но и соответствуют физическим процессам электромагнитомеханического преобразования в МПП и процессам старения звукопровода МПП

6 Предложена методика расчета обобщенного показателя качества конструкции МПП на основе функций желательности Харрингтона в условиях априорной неопределенности относительно значений эксплуатационных характеристик, синтезируемых по морфологической матрице альтернатив

7 Разработан многофункциональный магнитострикционный преобразователь улучшенного качества для систем управления резервуарными парками, обеспечивающий определение положения подвижного элемента с компенсацией температурной погрешности по алгоритму логометрического преобразования и определения интегральной температуры по алгоритму непосредственного преобразования

Основные результаты опубликованы в следующих изданиях: В журналах по перечню ВАК РФ

1 Надеев М А, Вдовин А Ю, Радов М Ю Способ нормирования статической погрешности магнитострикционных преобразователей перемещений // «Датчики и системы», №5, М 2002г С 25

2 Надеев М А, Кузнецов Р О, Решетов А С Показатели качества эксплуатационных характеристик магнитострикционного преобразователя// «Датчикии системы»,№5, М 2002г С 21-22

В других изданиях

3 Надеев М А , Мащенко А И , Кузякин Д Н , Радов М Ю, Хамум Б Сопряжение с ЭВМ магнитострикционного преобразователя перемещений // Сб научных трудов Автоматика и электромеханика Астрахань АГТУ, 2002, с 63-66

4 Надеев М А, Вдовин А Ю, Радов М Ю Автоматизация многофакторных экспериментов при исследовании магнитострикционных преобразователей // Сборник материалов XV Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Датчик - 2003) Под ред д т н, проф В Н Азарова М МГИЭМ, 2003, с 168-169

5 Надеев М А, Надеев А И, Хамум Б Функция влияния на точность магнитострикционных преобразователей // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (Датчик-2003) Материалы XV науч -техн конф с участием зарубежных специалистов , М - МГИЭМ, 2003 с 67-68

6 Надеев М А , Надеев А И , Радов М Ю , Рогов А Методы построения динамических моделей полной погрешности магнитострикционных преобразователей// Материалы XVI Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Датчик - 2004) Под ред д т н , проф В Н Азарова М МГИЭМ, 2004, с 50

7 Надеев М А, Меснянкина П А, Рогов А В Информационные технологии при моделировании динамической погрешности магнитострикционных преобразователей Традиции и педагогические новации в электротехническом образовании (НИТЭ-2006)[Текст] материалы VII Международной научно-методической конференции / Под общ pe J1 X Зайнутдиновой, ФГОУ ВПО «АГТУ» Астрахань Изд-во АГТУ, 2006 с 303-306

8 Надеев М А Многофакторные испытания магнитострикционных преобразователей перемещений // Препринт доклада Саратовской лаборатории нетрадиционной энергетики ОЭП СНЦ РАН (при АГТУ), 2006 40 с

9 Надеев М А Многофункциональный магнитострикционный преобразователь // «Инновационные технологии в управлении образовании, промышленности АСТИНТЕХ-2007 Материалы всероссийской научной конференции 18-20 апреля 2007г - Астрахань Издательский дом «Астраханский университет»,2007 -Ч 2 - с. 87-89

Подписано в печать 28 04 07 г Формат 60x90/16 Тираж 100 экз Заказ №329 от 28 04 07 г Отпечатано в типографии издательства АГТУ Г Астрахань, ул Татищева, 16

Перечень использованных сокращений.

Введение.

Глава 1. Методы описания динамики изменения полной погрешности измерительных преобразователей систем управления.

1.1 Принципы построения магнитострикционных преобразователей и факторы, определяющие их метрологические характеристики.

1.2 Описание динамики погрешности измерительных преобразователей линейной математической моделью.

1.3 Описание динамики погрешности измерительных преобразователей экспоненциальной математической моделью.

1.4 Описание динамики погрешности измерительных преобразователей логистической моделью.

1.5 Спектральное описание динамики погрешности измерительных преобразователей.

1.6 Регрессионные модели динамики изменения полной погрешности.

1.7 Динамическая модель полной погрешности магнитострикционных преобразователей в виде системы обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений.

Выводы по первой главе.

Глава 2. Методика экспериментальных исследований магнитострикционных преобразователей.

2.1 Обоснование методики исследования и обработки экспериментальных данных.

2.2 Методика нормирования характеристик погрешности магнитострикционных преобразователей.

2.3 Автоматизированная система научных исследований магнитострикционных преобразователей.

2.3.1 Аппаратное обеспечение АСНИ магнитострикционного преобразователя.

2.3.2 Программное обеспечение АСНИ магнитострикционного преобразователя.

2.3.3 Программное обеспечение мониторинга данных с магнитострикционного преобразователя.

Выводы по второй главе.

Глава 3. Динамические модели полной погрешности магнитострикционных преобразователей.

3.1 Линейная модель динамики погрешности магнитострикционных преобразователей.

3.2 Динамическая модель полной погрешности магнитострикционных преобразователей в виде системы дифференциальных уравнений.

3.3 Регрессионная модель динамики полной погрешности магнитострикционных преобразователей.

3.3.1 Планирование многофакторного эксперимента.

3.3.2 Функции влияния.

3.3.3 Регрессионная динамическая модель полной погрешности магнитострикционного преобразователя.

Выводы по третьей главе.

Глава 4. Синтез оптимальной конструкторской реализации магнитострикционных преобразователей.

4.1 Задача синтеза магнитострикционных преобразователей с заданными характеристиками.

4.2 Показатели качества эксплуатационных характеристик магнитострикционных преобразователей.

4.3 Методика синтеза конструкции магнитострикционных преобразователей с заданными параметрами.

4.4 Синтез конструкции магнитострикционного преобразователя уровня.

4.5 Многофункциональный магнитострикционный преобразователь.

Вводы по четвертой главе.

Магнитострикционные преобразователи положения (МПП) прочно заняли свое место среди предлагаемых на рынке датчиков положения. Это обусловлено в первую очередь их высокой надежностью, устойчивостью к вибрационным воздействиям, а также большим диапазоном преобразований, относительно невысокой стоимостью.

Мировыми лидерами в исследованиях, разработке и производстве МПП являются крупнейшие фирмы -производители датчиковой аппаратуры: MTS (США), Balluff (Германия), Shlumberger Industries (Франция) и др. Аналитики этих фирм насчитывают уже более 1500 областей использования МПП.

Исследования зарубежных и отечественных ученых, таких как Артемьев Э.А., Демин С.Б., Надеев А.И., Шпинь А.П., Ясовеев В.Х. и др. привели к созданию множества способов реализации МПП, появлению структурных, технологических, алгоритмических методов улучшения их метрологических характеристик. Однако ужесточение требований к точностным и эксплуатационным характеристикам первичных преобразователей в современных системах автоматического управления требует поиска новых методов повышения точности МПП.

Нашедшие в настоящее время широкое применение структурные, технологические и алгоритмические методы повышения точности МПП ориентированы на уменьшение составляющих полной погрешности.

Развитие в последнее время интеллектуальных МПП, наряду с их индивидуальной градуировкой, приводит к достижению практически предельной точности МПП в статическом режиме.

Однако, даже интеллектуализация МПП с записью в ПЗУ устройства данных по индивидуальной градуировочной 6 характеристике, характеристик систематической и случайной погрешностей, функций влияния дестабилизирующих факторов, не учитывает изменения записанных параметров в течение срока эксплуатации, т.е. прогрессирующих (дрейфовых) погрешностей, что приводит к потере точности достаточно сложного устройства. Кроме того, реализованы не все функциональные возможности которые дает интеллектуализация МПП.

Особенностью прогрессирующих погрешностей является то, что они могут быть скорректированы введением поправки лишь в данный момент времени, а далее вновь монотонно возрастают. Поэтому, в отличие от систематических погрешностей, которые могут быть скорректированы один раз на весь срок службы прибора, прогрессирующие погрешности требуют непрерывного повторения коррекции и тем более частого, чем меньше должно быть их остаточное значение, Другая особенность прогрессирующих погрешностей состоит в том, что их изменение во времени представляет собой нестационарный случайный процесс и поэтому в рамках хорошо разработанной теории стационарных случайных процессов они могут быть описаны лишь с оговорками.

Как бы тщательно ни был изготовлен и отрегулирован измерительный преобразователь при выпуске приборостроительным заводом, с течением времени в его элементах и узлах неизбежно протекают разнообразные процессы старения и его погрешности неуклонно возрастают.

В условиях эксплуатации любой преобразователь взаимодействует со средой, в которой он находится. В зависимости от вида взаимодействия со средой все разнообразие физических и физико-химических процессов, определяющих старение измерительных преобразователей, можно разделить на группы [88]:

1) при изготовлении всех элементов прибора их материал подвергается коренным физическим воздействиям (напылению, травлению, плавке, пайке, штамповке, протяжке, волочению, отжигу, окраске и т. д.), приводящим к появлению внутренних напряжений, нарушениям кристаллической структуры, т. е. к тем или иным механизмам запасания энергии в веществе; с течением времени происходит постепенное высвобождение этих внесенных запасов энергии (рассасываются внутренние напряжения, перемещаются дислокации, происходит перекристаллизация, релаксационные процессы в них и т.п.);

2) процессы, вызываемые взаимодействием вещества элементов систем управления с окружающей средой (осаждение пыли, влаги, конденсация паров и газов на поверхности материала -адсорбция, проникновение внутрь твердого материала - абсорбция и т.п.)

3) процессы, вызываемые колебаниями температуры и другими потоками энергии (растекание, усыхание, возгонка атомов и молекул с поверхности материала, изменение фазового состояния, флуктуационные изменения межмолекулярных и межатомных связей и т.п.).

Так как все эти процессы происходят, в основном, на молекулярном уровне, то поэтому приборы подвержены старению практически одинаково как во включенном состоянии, так и при хранении.

Таким образом, основным фактором, определяющим старение средств измерений, является не «наработка» во включенном состоянии, а календарное время, прошедшее с момента изготовления, т.е. возраст прибора.

Скорость старения измерительных преобразователей определяется перечисленными выше процессами, происходящими на молекулярном уровне, зависит, прежде всего, от используемых материалов и применяемой технологии изготовления. Поэтому скорость старения как электромеханических, так и электронных приборов определяется устоявшейся технологией их производства и не может быть существенно изменена без коренного изменения технологии.

Отсюда параметром, в первую очередь определяющим долговременную метрологическую работоспособность измерительных преобразователей и находящимся в распоряжении заводов-изготовителей, является величина запаса нормируемого предела допускаемой погрешности преобразователя по отношению к ее фактическому значению при выпуске из производства.

Дополнительным параметром, влияющим на скорость старения является температура, при которой происходит старение. При изменении температуры от 20 до 40 °С скорость старения возрастает в 1,4— 1,6 раза [52]. Вследствие этого скорость старения во включенном состоянии может отличаться от скорости старения при хранении лишь тогда, когда рабочее состояние средств измерений отличается существенным повышением его температуры.

В магнитострикционных преобразователях, особенно работающих в тяжёлых условиях эксплуатации , главным фактором, влияющим на динамику изменения полной погрешности в течение эксплуатации является процесс старения материла звукопровода, выполненного из дисперсионно-твердеющих элинварных сплавов [72,97]. Старение приводит к изменению структурного состояния сплавов, вследствие чего изменяются их механические, магнитные, электрические свойства. Происходит уменьшение электропроводности, скорости звука и коэрцитивной силы. Это свидетельствует о разупрочнении, которое сопровождается рекристаллизацией и коагуляцией, снижением внутренних напряжений и т.д.

С развитием GALS- технологии становится важным исследование характеристик погрешности в течение всего жизненного цикла изделия.

Однако, вопросы связанные с динамикой изменения полной погрешности магнитострикционных преобразователей в течение срока эксплуатации, исследованы лишь в первом приближении.

Учитывая, что в современных системах управления, определяющим является влияние экономических факторов, качество датчиков и стоимость их жизненного цикла становятся важными как никогда. Поэтому тема диссертационного исследования посвященного методам моделирования и оценки метрологических характеристик и эксплуатационных показателей магнитострикционных преобразователей с целью улучшения их качества является актуальной.

Цель исследования. Разработка методов моделирования и оценки метрологических характеристик и эксплуатационных показателей магнитострикционных преобразователей с целью повышения их качества и расширение базы знаний об их технических и функциональных возможностях.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. Систематизация методов описания динамики полной погрешности датчиков и преобразователей систем управления.

2. Разработка методики экспериментальных исследований динамики полной погрешности магнитострикционных преобразователей при минимизации времени наблюдений.

3. Разработка и реализация автоматизированной системы научных исследований магнитострикционных преобразователей.

10

4. Построение математической модели динамики полной погрешности магнитострикционных преобразователей.

5. Исследование функции влияния внешних факторов на точность магнитострикционных преобразователей.

6. Разработка частных и обобщенного показателей качества эксплуатационных характеристик магнитострикционных преобразователей и синтез многофункционального магнитострикционного преобразователя.

Методы исследований. В работе использованы методы системного анализа и математического моделирования, математические методы планирования многофакторного эксперимента и регрессионного анализа, сплайн-методы аппроксимации экспериментальных зависимостей, методы технической кибернетики и метрологии, цифровое моделирование на ЭВМ.

На защиту выносятся:

1. Методика многофакторных испытаний динамики полной погрешности магнитострикционных преобразователей.

2. Математическая модель динамики полной погрешности магнитострикционных преобразователей.

3. Математическая модель функций влияния внешних факторов на точность Ml 111.

4. Частный и обобщенный показатели качества эксплуатационных характеристик МПП.

5. Многофункциональный магнитострикционный преобразователь.

Научная новизна.

1. Предложен способ оптимизации использования метода наименьших квадратов на основе спектрального анализа функции статической погрешности, обеспечивающий минимальные затраты на проведение и обработку эксперимента.

2. Предложена методика математического моделирования динамики полной погрешности МПП.

3. Впервые разработана нелинейная математическая модель динамики полной погрешности магнитострикционных преобразователей в виде системы дифференциальных уравнений.

4. Разработаны нелинейные полиномиальные модели функций влияния температуры и растягивающих напряжений на точность МПП.

5. Разработаны показатели качества эксплуатационных характеристик магнитострикционных преобразователей с использованием функций желательности Харрингтона.

Практическую ценность имеют:

1. Методика индивидуальной градуировки статической характеристики МПП.

2. Методика математического моделирования динамики полной погрешности МПП.

3. Аппаратная и программная реализация экспериментальной установки для испытаний МПП.

4. Результаты экспериментальных исследований МПП.

5. Методика количественной оценки показателей качества МПП на основе функции желательности Харрингтона.

6. Конструкция многофункционального магнитострикционного преобразователя повышенного качества.

Реализация и внедрение. Теоретические и практические результаты работы используются в учебном процессе на кафедрах «Автоматизация технологических процессов» и

Электрооборудование и автоматика судов» Астраханского Государственного Технического Университета в рамках специальностей 210200 «Автоматизация технологических процессов и производств», 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», 180900 « Электрооборудование и автоматика судов», 240600 «Эксплуатация электрооборудования и автоматики судов».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях Астраханского Государственного Технического Университета (2000-2006гг.); XV и XVI Научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Датчик - 2003, Датчик - 2004); Международной научной конференции посвященной 75-летию основания Астраханского Государственного Технического Университета. (Астрахань 2005); VII Международный научно-методической конференции «Традиции и педагогические новации в электротехническом образовании НИТЭ 2006» (Астрахань 2006), на всероссийской научной конференции «инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности АСТИНТЕХ-2007» (Астрахань 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 статьи в журнале по списку ВАК, 1 статья в сборнике научных трудов, 4 статьи в материалах международных конференций.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и семи приложений. Основной текст 145 страниц машинописного текста. Библиография- 142 наименования.

Выводы по четвертой главе

1. Обоснованное построение множеств эксплуатационных характеристик МПП, морфологических матриц основных элементов конструкции МПП позволяет использовать их для морфологического синтеза альтернативных конструкций при решении задачи выбора наилучшего решения.

2. Предложена методика расчета обобщенного показателя качества конструкции МПП на основе функций желательности Харрингтона в условиях априорной неопределенности относительно значений эксплуатационных характеристик, синтезируемых по морфологической матрице альтернатив.

3. Синтезирована и реализована конструкция МПП, обеспечивающая значения эксплуатационных характеристик, соответствующих требованиям к уровнемерам, применяемым в системах контроля и управления резервуарными запасами. Показано, что синтезированная по предложенной методике конструкция удовлетворяет требованиям технического задания.

4. Произведен расчет значений эксплуатационных характеристик преобразователя, позволивший определить обобщенный показатель качества реализованной конструкции. Показано, что значение обобщенного показателя качества конструкций менее чем на 5% отличается от рассчитанного по логистической кривой.

5. Разработан многофункциональный магнитострикционный преобразователь для систем измерения и контроля уровня, обеспечивающий определение положения подвижного элемента с компенсацией температурной погрешности по алгоритму логометрического преобразования и определения интегральной температуры по алгоритму непосредственного преобразования кода опорного канала.

Заключение

В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований динамики полной погрешности магнитострикционных преобразователей на крутильных волнах расширена база знаний об их метрологических и эксплуатационных характеристиках и функциональных возможностях.

Получены следующие результаты и выводы:

1. В результате анализа принципов построения и физических основ работы МПП, установлено, что основным элементом, определяющим их метрологические характеристики является ферромагнитный звукопровод, старение которого обуславливает изменение во времени метрологических характеристик.

2. Систематизированы методы моделирования динамики полной погрешности измерительных преобразователей систем управления на основе: линейной, экспоненциальной и логистической моделей, спектрального анализа, регрессионного анализа, метода дифференциальных уравнений.

3. Показано, что минимальное календарное время наблюдений с учетом взаимного влияния факторов имеют регрессионные модели, построенные на основе математических методов планирования эксперимента.

5. Наилучшими возможностями по моделированию динамики полной погрешности за пределами факторного пространства обладает метод моделирования на основе нелинейных дифференциальных уравнений.

6. Точные аналитические расчеты характеристик погрешности МПП затруднены как из-за случайного характера распределения волнового сопротивления звукопровода по его длине, так и разбросом физико-механических свойств элинварных сплавов одной и той же марки. Точность расчета скорости ультразвука в волноводе по данным отечественной справочной литературы не превышает ± (3.24 -f 10.61)%, поэтому для исследования характеристик погрешности МПП выбран регрессионный анализ.

7. В качестве математических моделей статических характеристик выбраны алгебраические полиномы, наиболее вероятные значения коэффициентов которых дает МНК. Экспериментально доказана эффективность МНК для анализа МПП - коэффициент взаимной корреляции между рабочей длиной звукопровода и временем пробега ультразвуковой волны для исследованных звукопроводов из элинварных сплавов не хуже 0,999.

8. Погрешность аппроксимации экспериментальной статической характеристики предложено оценивать по ее максимальному значению в диапазоне преобразования. Для построения функции распределения погрешности нелинейности по диапазону преобразования впервые предложено использовать кубические сплайны.

9. Предложен способ оптимизации использования МНК для получения функции статической погрешности, удовлетворяющей условиям эргодичности и стационарности для любых звукопроводов и оптимального порядка аппроксимирующего полинома, обеспечивающий минимальные затраты на проведение и обработку эксперимента.

10. Для экспериментального исследования метрологических характеристик МПП разработана архитектура, аппаратное и программное обеспечение АСНИ.

11. Для аналитического расчета функции преобразования и полной погрешности МПП при любых магнитных и механических условиях работы звукопровода необходимо знать функции распределения доменов и вести расчет статистическими методами, учитывая как зависимость полей доменов от частоты, так и их

142 взаимное влияние. Так как необходимые статистические данные в настоящее время отсутствуют, а их определение связано с принципиальными трудностями, то исследование МПП целесообразно вести экспериментальными методами с привлечением математического аппарата теории планирования эксперимента и регрессионного анализа.

12. В качестве математической модели для оптимизации параметров МПП принята нелинейная полиномиальная модель второго порядка. Кроме того, алгебраические полиномы — это самые простые модели, которые линейны относительно неизвестных параметров модели, что упрощает обработку, как результатов эксперимента, так и интерпретацию его результата.

13. Для оптимизации параметров МПП матрица планирования эксперимента должна удовлетворять следующим математическим критериям оптимальности: ортогональность, D-оптимальность, G-оптимальность, композиционность. Наиболее полно выбранным критериям оптимальности удовлетворяет ортогональный центральный композиционный план второго порядка - ОЦКП, при котором обеспечивается:

- минимальное количество опытов; максимальное количество информации; простейшая обработка результатов эксперимента.

14. Линейная математическая модель погрешности МПП, построенная с учетом сохранения нормального закона распределения в течении 8 лет наблюдений, является лишь в первом приближении.

15. Построение экспоненциальной и логистических моделей динамики полной погрешности затруднено, так как требуется приведение данных по календарным дням к одной и той же температуре, что приведёт к появлению дополнительной погрешности модели.

16. Полученная модель функции изменения длительности прохождения импульса по волноводу в виде системы двух обыкновенных дифференциальных уравнений позволяет с погрешностью 0.015 мкс (0.002%) предсказать поведение данной функции на диапазоне времени, превышающем экспериментальный на 30%, что может сократить затраты на проведение эксперимента по изучению стабильности МПП и процесса старения его звукопровода.

17. Установлено, что математическая модель функции влияния внешних факторов имеет вид полинома второго порядка, коэффициенты которого рассчитаны методами планирования эксперимента. Функции влияния внешних факторов на статические характеристики МПП непосредственного преобразования определяют наибольшую составляющую полной погрешности МПП в рабочих условия эксплуатации. Влияние растягивающих напряжений на статические характеристики одного порядка с влиянием температуры, однако, функция влияния напряжения имеет экстремум в области ^ = 85-95^.

18. Построенные математические модели динамики полной погрешности МПП в виде нелинейных полиномов второго порядка адекватны не только по математическому критерию Фишера, но и соответствуют физическим процессам электромагнитомеханического преобразования в МПП, и процессам старения звукопровода МПП.

19. Анализ функций влияния температуры, графиков изменения во времени температурного коэффициента задержки позволяет сделать вывод о возможности синтеза конструкции многофункционального магнитострикционного преобразователя перемещения положения и температуры в цифровой код.

20. Обоснованное построение множеств эксплуатационных характеристик МПП, морфологических матриц основных элементов конструкции МПП позволяет использовать их для морфологического синтеза альтернативных конструкций при решении задачи выбора наилучшего решения.

21. Предложена методика расчета обобщенного показателя качества конструкции МПП на основе функций желательности Харрингтона в условиях априорной неопределенности относительно значений эксплуатационных характеристик, синтезируемых по морфологической матрице альтернатив.

22. Синтезирована и реализована конструкция МПП, обеспечивающая значения эксплуатационных характеристик, соответствующих требованиям к уровнемерам, применяемым в системах контроля и управления резервуарными запасами. Показано, что синтезированная по предложенной методике конструкция удовлетворяет требованиям технического задания.

23. Произведен расчет значений эксплуатационных характеристик преобразователя, позволивший определить обобщенный показатель качества реализованной конструкции. Показано, что значение обобщенного показателя качества конструкций менее чем на 5% отличается от рассчитанного по логистической кривой.

24. Разработан многофункциональный магнитострикционны й преобразователь для систем измерения и контроля уровня, обеспечивающий определение положения подвижного элемента с компенсацией температурной погрешности по алгоритму логометрического преобразования и определения интегральной температуры по алгоритму непосредственного преобразования кода опорного канала.

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М., Наука, 1976, 279 с.

2. Артемьев Э.А. Датчики линейных перемещений для современных гидравлических систем управления. // Межвузовский научный сборник "Измерительные преобразователи и информационные технологии ". Вып. 1, Уфа, 1996, с. 70-83.

3. Артемьев Э. А. Надеев А. И. Магнитострикционный датчик перемещений. //Приборы и системы управления. 1980. -№ 3. -с. 26-28.

4. Аш Дж. и др. Датчики измерительных систем: В 2 кн. -М.: Мир, 1992.-274с. и 346с.

5. Белов К.П Магнитострикционные явления и их технические приложения. М.: Наука, 1987. 159 с.

6. Белоголовский А.А. Математические основы теории принятия оптимальных решений.- М.: Издательство МЭИ, 1999.-80с.

7. Бендат Дж., Пирсол А.- Прикладной анализ случайных данных. -М: Мир, 1989,- с.540.

8. Блохин JI.H./ Спектральный метод оптимизации оценки состояния сложного неустойчивого объекта при случайных воздействиях. // Автоматика, 1984,N6,-с.57-59.

9. Борисова А.К. и др. Прецизионные сплавы с особыми свойствами теплового расширения и упругости. М.: Изд. стандартов, 1972-152с.

10. Бородюк В.П., Вощинин А.П. и др. Статистические методы в инженерных исследованиях: Учеб. пособие, М.: Высш. школа, 1983.-216 с.

11. Бриллинджер Б. Временные ряды. Обработка данных и теория. -М: Мир, 1980, - с. 536.

12. Вдовин А.Ю. Повышение точности и помехозащищённости магнитострикционных преобразователей на основе DSP технологий. Дис. канд. техн. наук. -Астрахань, 2005. -156 с.

13. Вдовин А.Ю. Математическое моделирование магнитострикционных преобразователей положения на базе DSP микропроцессора. Электронный журнал "Исследовано в России", 193, стр. 1996-2002, 2005 г. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2005/193.pdf

14. Вдовин А.Ю. Надеев А. И Севостьянова Е. В. Математическая модель погрешности магнитострикционного преобразователя перемещений. // М.: «Измерительная техника» № 1 -2001, с. 24-28.

15. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. -М.: Наука, 1964, -576с.

16. Вульвет Дж. Датчики в цифровых системах. М.: Энергоиздат, 1981. - 199 с.

17. Генри М. Самоаттестуюшиеся датчики // Датчики и системы. 2002, №1, с. 51 60.

18. Гихман И.И., Скороход А.В.- Введение в теорию случайных процессов.- М:Наука, 1977,-с.568.

19. Гмошинский В.Г. Инженерное прогнозирование. М.: Энергоиздат, 1982. - 208 с.

20. Гусак П.П. Регрессионные математические модели при нестандартных предположениях о виде помех // Приборы и системы управления. 1999. №10, с. 44-45.

21. Гусейнов Ф.Г., Мамедяров О.С. Планирование эксперимента в задачах электроэнергетики.- М.: Энергоатомиздат, 1988.-151с.:ил.

22. Дентон Р. Будущее датчиков и систем вибромониторинга // Датчики и системы. 2001.№1 с. 62 64.

23. Дженкинс Г., Ватте Д. -Спектральный анализ и его приложения. М: Мир, 1972, T.I - с. 316, T.II- с. 228.

24. Ермаков С.М., Жиглявский А.А. Математическая теория оптимального эксперимента: Учеб.пособие. М.: Наука. 1987. - 320 с.

25. Исхаков P.P. Магнитострикционные преобразователи перемещения с тестовой величиной линейного расстояния и компенсационными обмотками. Дис. канд. техн. наук. -Уфа., 2003. -154 с.

26. Карпов В.И. Планирование контрольных испытаний на подтверждение средней наработки до отказа высоконадёжных датчиков // Приборы и системы управления, 1995. №4, с. 21-22.

27. Каршаков В.П., Сальников Н.А. Проблемы обеспечения надёжности на стадии разработки изделий.// Датчики и системы. 2000. №7. с. 7-9.

28. Кетков Ю. Л., Кетков А. Л., Шульц М. М. MATLAB 6.x.: программирование численных методов.-СПб.: БХВ-Петербург, 2004.672 е.: ил.

29. Кононенко С. В. Интеллектуальные алгоритмы измерительных преобразователей. // В кн. Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре (2001, сентябрь): Материалы конф./ Астрахан. гос. тех. ун-т.- Астрахань: Изд-во АГТУ, 2001.- с. 87-88.

30. Кононенко С.В. Обработка измерительной информации преобразователей положения // Датчики и системы. 2002. №5. с. 2324.

31. Корчагин П.Н. Анализ и обработка данных многофакторных испытаний датчиковой аппаратуры. -Дис. канд. техн. наук. -Пенза., 2005.- 201с.

32. Критенко М.И., Таранцев А.А., Щебаров Ю.Г. О проблемах предварительного анализа результатов многофакторных испытаний и оценки значимости влияния факторов // Известия академии наук. Теория и системы управления. 1996.- с. 174-176.

33. Круг П.Г. Виртуальные измерительные системы // Приборы и системы управления. 1996. №11 с. 44-47.

34. Кузнецов P.O., Морфологический синтез магнитострикционных преобразователей линейных перемещений.-Дис. канд.тех.наук.- Астрахань, 2000.-169с.

35. Курина И.А., Таранцев А.А. Подходы к оценке состояния системы при многофакторном воздействии // Известия академии наук. Теория и системы управления. 1997.- с. 60-64.

36. Кэдзоу Дж.А./ Спектральное оценивание: метод переопределенной системы уравнений рациональной модели.// ТИИЭР, 1 982,t.70,N9,-C.256-293 .

37. Лабунец B.C. Разработка системы показателей метрологической надёжности и исследование взаимосвязи технических, надёжностных и стоимостных показателей электроизмерительных приборов. / Автореф. Дис. На соиск. Учён. Степени к.т.н., 1976.-13с.

38. Лисенков А.Н. О двух методах построения для экспериментирования в условиях непрерывного дрейфа. «Заводская лаборатория», 1972. №5. с. 569-576.

39. Лучино А.И. Проблема поиска информативных параметров для индивидуальной оценки качества и прогнозирования надёжности изделия // Приборы и системы управления. 1998. с. 3740.

40. Маккленнан Дж.Х./ Многомерный спектральный анализ// ТИИЭР, 1982,т.70, N9,-c.l39-152.

41. Макс Ж.- Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях.- М:Мир, 1983,т.1,- с.312, т.2,- с.256.

42. Марковский М.В., Чалый В.Д. Технология идентификации и моделирования сложных нелинейных динамических систем// Приборы и системы управления №9, 1998 г.

43. Марковский М.В., Чалый В.Д. Информационная технология построения математической модели динамическогообъекта по экспериментальным данным // Физическое образование в вузах, Сер. "5". 1996. Т. 2. № 1.

44. Марковский М.В., Чалый В. Д. Информационная технология идентификации динамических объектов // Информационные продукты, процессы и технологии: Матер, междунар. конф. НТИ-96 М.: ВИНИТИ, 1996.

45. Марпл- мл. C.JI. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. -М.: Мир, 1990.

46. Мартин Р.Д., Томсон Д.Дж./ Проблемы устойчивости и стойкости оценок спектральной плотности.//ТИИЭР, 1982,т.70,N9,-с.220-243.

47. Мащенко А.И. Магнитострикционные преобразователи перемещения на основе эффекта Видемана. дис. канд. техн. наук. Астрахань, 2001. - 160 с.

48. Мащенко А.И., Надеев М.А., Кузякин Д.Н., Радов М.Ю., Хамум Б. Сопряжение с ЭВМ магнитострикционного преобразователя перемещений. // Сб. научных трудов. Автоматика и электромеханика. АГТУ, 2002, с.63-66.

49. Мельницкая Ж.С. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса старения электроизмерительных приборов/ Автореф. дис. насоиск. учен, степени канд. техн. наук, 1970. 16 с.

50. Методика установления вида математической модели погрешности. МИ 199- 79. М., Издательство стандартов. 1981. -38с.

51. Моисеев Н.Н.- Математические задачи системного анализа.- М:Наука,1981,- с.487.

52. Морфологические методы исследования новых технических решений: Учеб. пособие/ А. В. Андрейчиков, В. А. Камаев, О. Н. Андрейчикова; ВолгГТУ, Волгоград, 1994. — 160 с.

53. Мукаев Р.Ю. Магнитострикционные преобразователи перемещения с подвижным магнитом для систем управления. Дис. Канд. техн. наук.- Уфа, 1994,- 150 с.

54. Надеев А. И. Интеллектуальные магнитострикционные преобразователи параметров движения сверхбольшого диапазона. / дис. доктора, техн. наук.- Астрахань, 2000.- 437 с.

55. Надеев А. И. Магнитострикционные интеллектуальные преобразователи параметров движения. Монография / Астрахан. гос. техн. ун-т. Астрахань, АГТУ, 1999. - 155 е.- деп. в ВИНИТИ 22.07.99 №2385-В99.

56. Надеев А. И. Аппроксимация статических характеристик магнитострикционных преобразователей параметров движения. // Измерительная техника, 1997, № 5, с. 33-34.

57. Надеев А. И., Свечников Ю. К., Кожакин В. В., Юсупов Д. Р. Эксплуатационная надежность интеллектуальных датчиков. // Датчики и системы. 2002. №5, с. 27-28.

58. Надеев А. И. Интеллектуальные уровнемеры: Справочное пособие./ Астрахань, Изд-во АГТУ, 1997, -64с.

59. Надеев А. И., Кононенко С. В., Кузнецов Р. О. Виртуальные преобразователи и приборы // В кн. "Методы и средства измерения в системах контроля и управления". Материалы Международной научно-технической конференции. Пенза, 1999, с. 167-169.

60. Надеев А. И., Кононенко С. В. Процессорная характеристика магнитострикционного преобразователя перемещений // Измерительная техника.- 1999 № 5 - с. 29-30.

61. Надеев А. И., Кузнецов Р. О., Кононенко С. В. Микропроцессорный магнитострикционный преобразователь параметров движения // Наука производству - 2001 - № 4 - с. 24-26.

62. Надеев А.И., Мащенко А.И., Мащенко И.П. Математическая модель прохождения магнитострикционного импульса по цилиндрическому звукопроводу / Сборник научных трудов АГТУ Серия "Морская техника и технология"/ Изд-во АГТУ.- Астрахань, 2000.С. 150-155.

63. Надеев А.И., Радов М.Ю. Оптимизация нормирования метрологических характеристик магнитострикционных преобразователей. // М.: Датчики и системы № 2 2002, с.12-15.

64. Надеев А.И., Радов М.Ю., Решетов С.С., Кириллов А.Н. Динамическая модель полной погрешности магнитострикционных преобразователей параметров движения // «Датчики и системы», №6, 2001г. с. 21-22.

65. Надеев А. И., Кононенко С. В. Динамика интеллектуального магнитострикционного преобразователя. //154

66. Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления". Сборник материалов XII Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов. Под ред. проф. В. Н. Азарова М.: МГИЭМ, 2000, с. 18-20.

67. Надеев М.А., Кузнецов P.O., Решетов А.С. Показатели качества эксплуатационных характеристик магнитострикционного преобразователя // «Датчики и системы», №5, М. 2002г. С. 21-22.

68. Надеев М.А., Мащенко А.И., Радов М.Ю., Кузякин Д.Н, Хамум Б. Сопряжение с ЭВМ магнитострикционного преобразователя перемещений // Автоматика и электромеханика. Сборник научных трудов, АГТУ, Астрахань, 2002. с.63-66.

69. Надежность и эффективность в технике.: Справочник; в 10 т. Ответственный редактор B.C. Авдуевский. Т.2: Математические методы в теории надежности и эффективности/ В.В. Белов и др.; Под ред. Б.В. Гнеденко М.: машиностроение, 1987.-277 с.

70. Надежность и эффективность в технике.: Справочник; в 10 т. Ответственный редактор B.C. Авдуевский. Т 6.: Экспериментальная обработка и испытания / И.З. Аропов и др. Под ред. Р.С. Судакова, О.И. Тескина. 1989. - 375 с.

71. Надежность и эффективность в технике.: Справочник, в 10 т. Ответственный редактор B.C. Авдуевский. Т 10: Справочные данные по условиям эксплуатации и характеристикам надежности / Ю.З. Веденеев и др.; Под общ. Ред. В.А. Кузнецова. 1990. -330 с.

72. Налимов В.В, Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М., «Наука», 1965. 340 с.

73. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов.-М.: Машиностроение; София: Техника, 1980. 304 е., ил.

74. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. -JI.: Энергоатомиздат, 1991.-304 с.

75. Новицкий П. В., Зограф И. А., Лабунец B.C. Динамика погрешностей средств измерений. -Л. : Энергоатомиздат, 1990.-192 е.: ил.

76. Острейковский В.А. Многофакторные испытания на надёжность,- М.: Энергия, 1978.- 152 е., ил.

77. Одрин В. М. Морфологический синтез систем: Постановка задачи, классификация методов, морфологические методы "конструирования": Препринт АН УССР Киев: Институт кибернетики имени В. М. Глушкова, 1986; вып. № 3. — с. 35.

78. Патент № 18961 Япония. Магнитострикционная линия задержки, кл.96, А23, 1965.

79. Патент № 2097916 РФ; МКИ 6 Н 03 М 1/24. Модульный преобразователь перемещений в код/ А. И. Надеев №92010543. Заявл. 08.12.92; Опубл.27.11.97. Бюл. № 33.

80. Патент №2465196 Франция; МКИ G 01 В 7/14, G 01 F 23/22. Dispositif pour determiner la posotion d'un objet. Redding Robert James. Whessoe Ltd. №79227876. Заявл. 12.09.79; Опубл. 20.03.81.

81. Патент на изобретение №2175754 Микропроцессорный магнитострикционный преобразователь положения в код./ Надеев А. И., Кононенко С. В., Кузнецов Р. О- Зарегистрирован в государственном реестре изобретений РФ 10.11.2001 г.

82. Петрищев О. Н., Шпинь А. П. Ультразвуковые магнитострикционные волновые системы . -Киев: Изд-во Киев, университета, 1989. 132 с.

83. Прецизионные сплавы. Справочник/Под ред. Молотилова Б. В. -М: Металлургия, 1983. -439 с.

84. Радов М. Ю., Надеев М. А., Вдовин А. Ю. Способ нормирования статической погрешности магнитострикционных преобразователей перемещений. // М.: Датчики и системы №5 2002, с. 25-26.

85. Радов М.Ю. Алгоритм оптимизации индивидуальной градуировки магнитострикционных преобразователей перемещений // «Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки», ЮРГТУ (НПИ), Новочеркасск 2005г. С22 24.

86. Радов М.Ю. Повышение точности магнитострикционных преобразователей на основе спектрального анализа характеристик их волноводов. Дис. канд. техн. наук.-Астрахань, 2005.-182 с.

87. Розанов Ю.А.-Стационарные случайные процессы.-М:Наука, 1990,-с.271

88. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2004612143. Управление автоматизированным комплексом метрологической аттестации магнитострикционных преобразователей перемещений. Радов М.Ю., Вдовин А.Ю., Рогов1. A.В.-23.07.04г.

89. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 980705. Универсальная программа метрологической аттестации полной погрешности преобразователей линейных перемещений Stat ver 2.0. Кузнецов Р. О., Надеев А. И., Кононенко С.1. B.-10.12.98 г.

90. Сейдж Э., Меле Дж.- Теория оценивания и ее применение в связи и управлении.- М:Связь, 1976,-с.495.

91. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов. СПб.: Питер, 2003.- 608 е.: ил.

92. Таранцев А.А. Построение анизотропных и гистерезисных моделей с применением регрессионного анализа // Известия академии наук. Теория и системы управления. 1998,- с. 6668.

93. Тафте Д.У., Кумаресан Р./ Оценивание частот суммы нескольких синусоид: модификация метода линейного предсказания, сравнимая по эффективности с методом максимального правдоподобия.// ТММЭР, 1982,т.70, N9, с.77-94.

94. Тверитинов В.В.- Определение аналитических моделей спектральной плотности временного ряда,- Сб. тез. докл. ВНТК "Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов", Новосибирск: НЭИ, 1991, с.48-49.

95. Теория обнаружения сигналов./ под.ред. П.А.Бакута.-М:Радио и связь, 1984, с.440.

96. Тимофеев Г. Д. Исследование характеристик магнитострикционных линий задержки для вычислительных устройств. -Дис. канд. техн. наук. -М., 1973. -146 с.

97. Ткачёв С.В. Планирование эксперимента в задачах многофакторных испытаний средств измерений. Дис. докт. техн. наук. -Пенза., 1997.- 315с.

98. Ураксеев М. А., Мукаеев Р. Ю., Ясовеев В. X. Магнитострикционные преобразователи перемещения с подвижным магнитом. // Приборы и системы управления.- 1999, №2, с.24-26.

99. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1989 - 440с.: ил.

100. Фомин Г. А. Методы анализа и планирования неоднородных регрессионных экспериментов // Вестник МЭИ 1996. №2 с. 35-41, 103-104.

101. Физический энциклопедический словарь. Гл. ред. A.M. Прохоров М: Сов. Энциклопедия, 1983, 928с.

102. Хеннан Э.- Многомерные временные ряды.- М:Мир, 1974,- с.575

103. Хидэюки К. Ультразвуковые измерительные преобразователи линейных перемещений //"Дзидока гидзюцу. Mech. Autom"-1985:t. 17, N7, с. 59-62 (яп).

104. Цыпкин Я.З./Оптимальные рекуррентные методы спектрального оценивания. Обзор и новые результаты.// Автоматика и телемеханика, 1985, N11,- с.7-25.

105. Шалобаев Е.В. Об интеллектуальном управлении мехатронными системами // Датчики и системы. 2002. № 2. с. 8 12.

106. Шахов Э.К. Преобразователи информации: классификация и динамические свойства // Датчики и системы. 2000. №2. с. 37-41.

107. Шпинь А. П. Принципы построения магнитострикционных преобразователей перемещений //Метрология, 1986, №6. -с. 10-18.

108. Шахтарин Б.И. Случайные процессы в радиотехнике. -М. «Радио и связь», 2000г.

109. Юдин Д.Б. Вычислительные методы теории принятия решений.- М.: Наука, 1989.-320с.

110. Ясовеев В. X., Магнитострикционные волноводные преобразователи параметров движения. Дис. докт. техн. наук. -Уфа., 2001.-425 с.

111. Allgood G.O. and Manges W.W. Sensor Agents When Enginiring Emulates Human Behavior // Sensor. August 2001.160

112. Displacement sensor using soft magnetostrictive alloys / Hristoforou E., Relly R. E. // IEEE Trans. Magn. 1994. 30, №5. - C. 2728-2733.

113. Denton R. The future of vibration sensors and asset management -Beyond sensor: Where do we go from here? // Machine, Plant & System Monitor. May June 2000.

114. Des distances de 50 m'etres connues 'a 1 mm pr'es 1'effet Wiedmann. Peyrucat Jean-Francois. "Mesures", 1986, 51, №10, 43, 4546. (фр.)

115. E. Catier C. Capteurs de deplacement:Quelles techno//"Electronique industrielle". -1984:N64, c. 66

116. Lineares Positionierysystem mit Ultraschall// Reiff Ellen, Hombury Dietnich.// Schweiz. Maschinenmarkt.- 1990.-90, № 6.- c.74-75.

117. Magnetic and electrostatic motion system sensor/ Ohshima Y., Akiyama Y.// Powerconvers. And Intel!. Motion.-1989.- 15, №4,- c. 56, 58-60.

118. Magnetostrictive LDTs are precise, built tongh / Brenner William //1 and CS.- 1989.- 62, № 9,- c.45-47.

119. Mertins Alfred. Signal Analysis: Wavelets, Filter Banks, Time-Frequency Transforms and Applications. John Wiley & Sons, 2000.

120. Saeed V. Vaseghi Advanced digital signal processing and noise reduction. New York, John Wiley & Sons, 2000.

121. Soderstrom Т., Stoica P.- On criterion selection and noise model parametrization for prediction error identification methods.-International Journal of Control, 1981, vol.34, N4, pp.801-811.

122. Steven W. «The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing» California Technical Publishing, 2-nd edition, 1999.

123. Tank gauging is on the level // InTech. 1994. - 41, № 2 - C. 24-26.

124. Taymanov R., Sapozhnikova K. intelligent measuring instruments. Maximum reliability of measuring information, minimum metrological maintenance // Proc. Of the XVIIIMEKO World Congress. Dubrovnik, Croatia, 2003. p. 1094 1097.

125. The Applications Engineering Staff of Analog Devices, DSP Division. Digital signal processing applications using the adsp-2100 family. Prentice Hall, 1990.

126. Tinham Brian. Smart sensors ahd PCsultimate distributed control // Contr. And nstrum. 1996. Vol. 28, № 5. p. 37, 38, 41, 42.

127. Winieski W. Virtual instruments whatdoes it really mean? // Processings of the XIV IMEKO World Congress, Tampere 1-6, June 1997 /Finnish Society of Automation. Hensilki, 1997. Vol.IVA. p. 91 -96.

128. Мат. Дис- Мат. Дис- Мат. Дис- Мат. Дис- Мат. Дис

129. Ожи- персия, 2 № Ожи- персия, 2 № Ожи- персия, 2 № Ожи- персия, 2 № Ожи- персия, 2дание, МКС дание, МКС дание, МКС дание, МКС дание, мкс