автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Разработка моделей и программного обеспечения автоматизированной системы управления виброиспытаниями

0 8 АВГ белорусский государственный университет

■ информатики и радиоэлектроники

На правах рукописи

БРАНЦЕВИЧ Петр Юльянович

разработка моделей и программного обеспечения автоматизированной системы управления виероиспытлниями

Специальность 05.13.11 - Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1994

Работа выполнена на кафедре вычислительных систем Белорусского госдарственного университета информатики и радиоэлектроники

Научный руководитель: доктор технических наук,

-профессор Леусенко А.Е

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор ПЕТРОВСКИЙ А. А.

кандидат технических наук, доцент КОРЖЕНЕБИЧ Ю.В.

Ведущая организация: Научно-исследовательский

институт электронных вычислительных машин

Защита диссертации состоится 6 октября 1994 г. в 14 часов на заседании совета по ващите диссертаций К 056.05.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Белорусском государственном университете информатики и радиозлектро-1Ш> и по адресу:

220027, г. Минск, ул. П.Бровки, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгосунивер-ситета информатики и радиоэлектроники

Автореферат разослан " " и 1£>Л £( 1994 г.

Ученый серетарь

совета по защите диссертаций

кандидат технических наук

А.П.ПАШКЕВИЧ

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из основных путей повышения качества и надежности продукции промышленных предприятий является проведение испытаний выпускаемых ими изделий на стадиях разработки, производства и эксплуатации. Среди всех видов испытаний, с точки зрения типа воздействия, одно из важнейших мест занимают испытания на вибрационные воздействия. В настоящее время в некоторых отраслях, например в энергетике, также остро встают вопросы оценки и прогнозирования вибросостояния промышленных объектов, своевременного диагностирования возникающих дефектов.

, Однако решение задач по организации и проведению испытаний, виброконтролю, прогнозированию и диагностированию во многом затрудняется недостаточной оснащенностью предприятий недорогим и эффективным испытательным и контрольно-диагностическим оборудованием. Исследования по разработке такого оборудования активно проводятся в нашей стране, странах.СНГ и за рубежом. Широко известны работы, посвященные ■ вопросам создания алгоритмического обеспечения и системотехнической реализации систем испытаний и контроля В.М.Кунцевича, Я.С.Урецкого, A.A.Туника, П.М.Чеголина, А.Е.Леу-сенко, А.А.Петровского, А.Н.Морозёвича и др., а также ученых зарубежных фирм "Хьщетт Паккард", "Дерритрой", "Брюль й Къер", "Продера", "Солартрон", "Щинкен", "Шенк" и др.

Современная автоматизированная система управления виброиспн-таниями (АСУВ) представляет.собой аппаратно-программный комплекс, в основу работы которого положены цифровые методы формирования и программный принцип управления испытательными воздействиями.

В значительной мере эффективность и круг решаемых задач таких систем определяется возможностями математического и программного обеспечения. Роль последнего еще больше возрастает в.связи с необходимостью автоматизации ряда сопутствующих задач, связанных с планированием хода проведения испытаний, проведением периодической поверки испытательнох'о оборудования, метрологической аттестацией самой системы, обработкой результатов испытаний и контроля. принятием . решений. Однако в настоящее, . время отсутствуют ■'программные средства, позволяющие системно.решать- эти задачи. При этом разработка программных средств не . менее трудоемкая и дорогостоящая, чем'аппаратных. .

Вместе с тем окончательная доработка и доводка, проверка на различных режимах алгоритмов и программного обеспечения требует проведения многократных экспериментальных исследований с реальными виброустановками и объектами испытаний, которые могут существенно отличаться друг от друга своими характеристиками. Реально организовать и реализовать это практически невозможно по следующим причинам: во Первых, неготовностью для этого на этапах разработки аппаратных средств; во вторых, отсутствием у разработчиков испытательных систем различных типов виброустановок и объектов испытаний; в третьих, опасностью возникновения режимов, приводящих к выходу из строя виброустановки и разрушению объектов испытаний.

, В связи с этим весьма актуальным является снижение трудоемкости разработки и улучшение и расширение функциональных возможностей программного обеспечения АСУВ. Одним из факторов, способствующих. достижению указанных целей является создание обобщенной модели автоматизированной системы испытаний,, в которую составной частью входит модель виброустановки с объектом испытаний, адекватно отражающая поведение реальной системы при решении конкретных задач и: дозволяющая проводить на. ней исследования и отладку программного обеспечёния, моделирование поведения системы в различны' , даже критических, режимах, и выполняющая, по сути дела, роль инструмента при проектировании программного обеспечения АСУВ, а также позволяющая опгимиаировать параметры аторитмов работы системы. . '

Актуальность тематики диссертационной работы подтверждается тем, что сна выполнялась в соответствии с программой "Надежность машин" (постановление ГКНТ СССР N 412 от 6.11.87г.) и республиканской программой "Диагностика" на 1992-1993 г.г., утвержденной постановлением Совмина РБ, хозяйственных договоров N 89-1003, 93-3029, 94-1002.

Цель работы - разработка и исследование моделей и программного обеспечения автоматизированной системы управления виброис-нытшшями, практическое внедрение разработанных программных средств.

Для достижения данной цели, необходимо решить следующие задачи: 1) разработать й программно реализовать модель АСУВ е »^аен-гацией на ее использование в качестве инструмента пуп щк-^-игиро-

вании программного обеспечения;

2) на основе применения созданной модели провести исследование влияния дестабилизирующих факторов на функциональные характеристики системы и разработать способы уменьшения этого влияния;

3) разработать программную среду, обеспечивающую единообразный подход при проектировании программ для решения задач организации и проведения виброиспытаний и виброконтроля,и простоту реконфигурации с учетом конкретного назначения системы;

4) провести экспериментальные исследования и эксплуатационные испытания разработанных программных средств.

Методы исследования. Для решения- поставленных задач применялись математический анализ, теорий цифровой обработки сигналов, теория погрешностей, машинное моделирование, теория структурного и объектно-ориентированного программирования. Экспериментальные исследования проводились на серийных образцах АСУВ с привлечением современной измерительной аппаратуры.

Основные выносимые на защиту результаты:

- принципы построения модели функционирования АСУВ;

- алгоритм определения параметров компенсирующего воздействия, реализуемого цифровым способом, для коррекции нелинейных искажений, вносимых объектом испытаний;

- способ снижения влияния дестабилизирующих факторов на точностные параметры функциональных характеристик системы испытаний;

- методологический подход к структурной организации программного обеспечения АСУВ;

- методики поверки виброиамерителышх преобразователей и виброустановок;

- рекомендации по практической реализации алгоритма быстрого преобразования Фурье на ПЭВМ;

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) предложены и обоснованы принципы построения модели функционирования АСУВ, в которой учтены особенности характеристик объекта испытаний и обеспечена возможность ее быстрой и удобной перенастройки;

2) разработан алгоритм определения параметров компенсирующего воздействия, реализуемого цифровым способом, для коррекции нелинейных искажений, вносимых объектом испытаний;

3) предложен способ снижения.влияния дестабилизирующих факторов на точностные параметры функциональных характеристик Системы испытаний; '

4) предложен .методологический подход к структурной организации программного обеспечения АСУВ, обеспечивающий удобство его реконфигурированияс учетом конкретного применения системы;

5) предложены новые ме;гйдики поверки виброизмерительных преобразователей и. . ¡виброустановок', . позвбляющие сократить время поверки и повысить точность результатов.

6) обоснованы . рекомендации, по практической'реал иаацииапго-ритма быстрого преобрааования Фурье на ПЗВМ;

' Практическая ценность . работы■ На основе предложенных принципов. paapafioT&Há программная модель функционирования системы испытаний. , Разработано.програшное обеспечение для' серийно-выпускаемой "АСУВ-010", поддерживающее проведение исштаний на полигармонические и случайные воздействия, выполнение поверки виброизмерительных преобразователей и виброустановок, метрологическую аттестацию самой системы. Реализовано программное обеспечение для автоматизированной системы контроля вибросотояния.турбоагрегатов.

Реализация результатов, работы. Результаты диссертационной ра:-боты использованы при ¡выполнении;научно-исследовательских и опыт- -но-конструкторских работ в Велорусском государственном универси/-тете информатики и. радиоэлектроники, а также в учебном процессе. С'иот. ма для поверки виброизмерйтельных преобразователей "АСУВ-А" внедрена в Белорусском центре стандартизации и.метрологии. Система для поверки виброустановок "АСУВ-В" прошла государственные . приемочные испытания. Система управления виброиспытаниями на базе ПЭВМ "АСУВ-ОЮД" • прошла метрологическую . аттестацию ■ в Минском центре стандартизации и метрологии. Система контроля вибросостояния турбоагрегатов прошла опытную эксплуатацию на Минской ТЗЦ-З и Лукомльской ГРЭС.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы сбсувдались на' республиканской Научно-технической конференции "Проблемы качества и надежности изделий электронной техники, радиоэлектронной аппаратуры й средств управления" (Минск, 1988); Всесоюзной научно-технической конференции '"Современное состояние и перспективы развития методов и средств виброметрии и ыЮродиаг-ностики" (.Минск, 19Й0); республиканской/ научно-техническим-коп-

ференции "Функционально ориентированные вычислительные системы" (Харьков, 1990); Всесоюзном научно-техническом семинаре "Повышение эффективности испытаний приборных устройств" (Владимир, 1991); Всесоюзной научно-технической конференции "Технический :юнтроль в машиностроении.в условиях рыночной экономики" (Пенза, 1991); "4-ой конференции математиков Беларуси" (Гродно, 1992); Международной научно-технической конференции "Проблемы конверсии, разработка и испытания приборных устройств" (Владимир, 1993); научно-техническом семинаре "Состояние и перспективы метрологического обеспечения испытаний изделий на воздействие механических возмущений" (Москва, 1990); научно-техническом семинаре "Динамические испытания изделий новой техники" (Москва, 1991); международной математической конференции "проблемы математики и информатики" (Гомель, 1994); научно-технических л научно-методических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и научных сотрудников Минского радиотехического института 1988-1994 гг, совещании представителей Министерства энергетики Республики Беларусь и Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектронии (Минск, 1994). .

Публикация результатов". По материалам диссертации опубликовано 23 работы, в том числе 4 раздела в 3 отчетах по НИР, 3 статьи, 2 учебно-методических пособия.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 123 наименований и 6 приложений. Материал изложен на 117 страницах основного текста, содержит 52 рисунка, 8 таблиц.

содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и задачи исследования, приведены основные положения, вцносимые на защиту. .

В первом разделе проведен анализ системной организации АСУВ как аппаратно-программного, комплекса, рассмотрены структурно-технические и алгоритмические особенности ее применения при решении различных задач виброиспытаний, определены значение,и место мате-

- а -

матического и программного обеспечения в АСУВ.

Современная автоматизированная система управления виброиспытаниями представляет собой аппаратно-программный комплекс в основу работы которого положены цифровые методы формирования испытательных воздействий и программный принципы управления ходом— проведения испытаний; обработки полученных данных и принятия решений.

Для обеспечения нормального и аффективного функционирования АСУВ необходимо выполнение целого ряда функций: выбор режима наг-ружёния исходя из целей виброиспытаний; построение моделей исследуемых объектов й оценка воаможности воспроизведения заданного режима с учетом физических ограничений элементов системы; поверка виброиспытатеЛьНого оборудования (виброустановки (ВУ) и вибро измерительные, преобразователи (ВИП)>; поверка самой испытательной системы; воспроизведение заданного режима испытаний; регистрация данных, в процессе испытаний; предварительный, текущий и заключительный контроль состояния системы и испытываемого изделия; обработка данных; решение задач диагностики, распознавания и предсказания поведения объектов на некотором множестве режимов.

Для комплексного,решения перечисленных задач требуется высокоразвитое системно-организованное программное обеспечение (ПО). Однако до недавнего времени вопросам проектирования такого ПО не уделялось, должного внимания, разрабатывались программные системы для решения отдельных задач виброиспытанйй и виброконтроля.

При разработке ПО АСУВ требуется учитывать целый ряд во многом не связанных между собой факторов: организацию специализированных устройств системы й устройств ввода-вывода, технику 1« программирования; особенности работы в реальном времени; методику использования системных средств в прикладных программах; высокие требования по безаварийности, надежности и достоверности; наличие' общих функций в решении различных задач виброиспытаний; особенности используемых языков программирования; слабое знакомство эксплуатирующего персонала с вычислительной техникой.

При этом в' общей трудоемкости и затратах на разработку, изготовление и сопровождение АСУВ большую часть составляют работы, свяванные с программным обеспечением, доля которого еще боль&е возрастает при серийном выпуске системы.

Жизненный цикл ПО АСУВ можно условно разделить на слояуюшяе

этапы: 1) проектирование алгоритмов, разделение на модули, разработка структуры взаимной связи между модулями, представляющими отдельные алгоритмы, определение принципов организации и последовательности работы модулей; 2) написание программ отдельных модулей, их автономная отладка, комплексная отладка всех модулей программы; 3) совместная комплексная отладка АСУВ и проведение приемно-сдаточных испытаний; 4) эксплуатация и сопровождение ПО.

Наиболее важными и трудоемкими среди ййх являются проектирование алгоритмов и работы по отладке, программного обеспечения. Наиболее сложной является комплексная отладка алгоритмов и ПО АСУВ, которую можно разделить на три этапа: статическую комплексную отладку функциональных групп программ вне регдьного времени; комплексную отладку в реальном времени функциональных групп программ и всего ГО без использования реальных объектов и источников информации; динамическую комплексную отладку ПО в реальном времени и в реальной системе управления.

При статической отладке контролируются: структурная схема ПО, определяющая логику взаимодействия и иерархию исполнения программ по передачам управления; информационная схема ПО. отражающая реальные связи программ через глобальные переменные и константы; список всех возможных маршрутов исполнения групп функциональных программ, входящих в состав ГО.

■ На втором этапе отладки используются математические и программные модели автоматизированной системы, виброустановки и объекта испытаний. Применение моделей' значительно упрощает отладку, а также предотвращает возникновение недопустимых режимов работы реальной аппаратуры, позволяет определить наиболее .подходящие параметры алгоритмов управления и работы системы ьг целом. На рис.1 приведена схема математической модели функционирования АСУВ.

Основными требованиями, предъявляемыми к подобным моделям являются: адекватность поведению реальных, объектов и системы, простота перенастройки, приемлемый уровень быстродействия при программной реализации, удобство подключения к основным функциональным программам.

При разработке математической модели функционирования АСУВ наиболее сложным яаляется построение модели виброустановки и объекта испытаний. Известны'подходы по применению для этих целей не-

АСУВ I

линейных дифференциальных уравнений, разложений в ряды Вольтерра. Однако реализация таких моделей сильно усложняется при применении сложных полигармонических и случайных возбуждающих сигналов, затруднена их перенастройка под другие параметры АФЧХ. Поэтому для реализации моделей АСУВ предлагаются использовать функциональный подход.

Во втором разделе предложены принципы построения математической модели виброустановки и объекта испытаний, которые позволяют учесть их нелинейные свойства и особенности ампли^удно-фа-аочастотных характеристик. Проведен аналитический анализ влияния нелинейностей на степень искажения гармонического сигнала, оцениваемого коэффициентом гармоник. Разработаны принципы моделирования подсистем ввода и вырода данных, обоснованы алгоритмические принципы модели формирователя гармонических и полигармонических( воздействий-

Основу математической модели виброустановки и объекта испытаний представляет модель класса Гаммерштейна, состйящая из последовательно соединенных нелинейного безынерционного и линейного инерционного элементов. Схема модели функционирования виброустановки приведена на рис.2.

Рис. 2

Uex(t) - входной сигнал, возбуждения; НЭ-нелинейный безынерционный элемент; ЛИЭ - линейный инерционный элемент; Ас - сетевая наводка; Аш - шумовая наводка; А2,Апх,Апу - изменение амплитуды ускорения колебания в направлении основной оси вибростенда (г) и в направлениях взаимно перпендикулярных и перпендикулярных основной оси (х,у)

Для моделирования ■нелинейностей применяются ряд аналитически определенных функций, которые выбраны с учетом поведения реальных объектов (см. табл. 1), или может быть задана нелинейность по точкам.

Линейный инерционный элемент: предназначен, для моделирования амплитудно-фазочастотной характеристики. (АФЧХ)

С учетом особенностей функционирования виброустановки и свойств объектов испытаний,'АФЧХ описывается композицией резонан-сов н алтирезонансов и представляется выражениями:-.

Таблица 1

Графическое изображение Параметры Математическое описание у(х) =

У» --1С* У ___- 1-х- Задаваемые Хщах> У» /•У1(х)=кпер*х, 0<х<х* У2(х)=у»+кпвр*кдоп(х-Хн), х>х*

—+-+- 1 / £-н-+—f х* Хтах - "У* 0 <кДоп<1 Расчетные х*жк0гр*хтах кпер=У*/Х* -yi(lxl), 0>х>-х» ^ -У2(1х1), х<-х*

у» ■ -х» —+-+-- 1 / У / 1 X с--— X* Хщах ■ -у. Задаваемые Хтах. У* к0гр 0 <Кдоп<1 „ q Расчетные . X * »korр*Хщах кпвр=У*/х* ( Ä X ч /yi(x)=y*sinq - * - ,0<У.<Хх 2 х*> У2(х)=У*+кПвр*кдоп(х-х*), х>х* -yi(lxl), 0>х>-х* -У2(1Х|), xi-x*

у» • —+--р У 1-Х с.—:-— Хщах -у* Задаваемые Хтах» У» q ( х ^ У1 Сх).» у. * - , х>0 Хтах ' -yi(lxl), х<0

У* • -х» У С-- X* Хтах ■ -у» Задаваемые Хтах» У* когр <1; X Расчетные х*»когр*Хшах yi(x)=y»--il-exp( )], х}0 -yi(lxl), х<0 v -

у» "Хщах-Хсм У ^^ 1 X -1— Хсм Хщах -V. Задаваемые Хтах» У» q Расчетные , У, г/ X(1+Т) чЧ -1 У1(Х)= * U4 . . .. l+iq U Хщах > J Х>Хсм у. /Х(1 + *) \q j У2(х)=—* *ч----Vi +vq! m4 1 ^ хггзх ' 0<X<XCM 1 -yi(lxl), x<-xc», -y2(lxt), O'-X'XcM

п

ПБиГ)

1=1 ш

Н(П----г(П-Е¥1(Г), (1)

ш 1=1

ПБ^б) 1=1

где НСО.чЧО- коэффициент передачи и сдвиг по фазе для частоты Г; Гб - базовая частота; 1 - номер резонансной частоты.

ЗИП

1+Р|(П, если Г) - частота резонанса; 1/(1+Р1(П), если Г1 - частота антирезонанса;

где р!(П -- , 0,1 (О -—--

/1 + ^(П2 1

а - добротность 1-го резонанса; к

^(П =

- агсЬе(*1 (*■)), если - частота резонанса; 2

- эгс1е(^1(Г)), если £ 1 - частота антирезонанса;

т - число заданных точек резонансов и антирезонансоз.

Для моделирования АФЧХ применяется способ цифровой фильтрации при котором: 1) входной сигнал из временной области переводится с помощью прямого преобразования Фурье в частотную; 2) с учетом выражений (1) определяется АФЧХ сигнала на выходе блока моделирования АФЧХ; 3) сигнал иа частотной области переводится во временную с помощью обратного преобразования Фурье. Реализация преобразований Фурье осуществляется с помощью алгоритмов БПФ.

Процедура выбора параметров нелинейных функций упрощается за счет применения выражений, полученных для вычисления значения коэффициента гармоник на выходе нелинейности при подаче на его вход гармонического сигнала.

При этом для нелинейности типа "ограничение" амплитуда первой и высших нечетных гармоник искаженного сигнала определяются выражениями (амплитуды четных гармоник равны нулю):

1 1 г кдоп~1 1

Л, _ 4. — 4(1-клоп)соза1) +---- Ся-гЬ1+51п(йЬ1) ,

ко! \> Я к0рр

1 I 4(1-кдоп) 2(КДоп-1) г. 1 ' . ,, ,

Ап -— --— соз(п1]) +- -зт((п+1)и)-

% ^ п кОГр 1 п+1

--— зт((п-1)Ц)]1 , и=агсз1п(когр).

п,1 г—— ц . .. гг—— _

Для определения коэффициента гармоник на выходе функциональной нелинейности» последние аппроксимируются разложением в ряд Тейлора. Получены выражения;для определения в общем виде коэффициентов аппроксимации функций степенным полиномом третьей-седьмой, степени на нормированном отрезке от -1 до +1 при равномерном распределении точек аргумента функции.

При атом гармонический сигнал амплитуды на выходе нелинейности представляется выражением

У а) л/ыпа) ^зп^а) -^иэз1п3а) + ....,

которое преобразуется в вид: Уа) - А^ша).А^ш^) + Аэа1ц(зе)-+ .......

Число элементов разложения определяется степенью полинома. . Получены .выражения для определения' коэффициентов разложения, которые по сути дела представляют амплитуды высших гармоник.

Когда коэффициенты известны, коэффициент гармоник определяется выражением -

Кг - ( ^ЕГап2 у АХ) * 100%

Результаты проведенного машинного моделирования показали, что с точки зрения точности оценки значения коэффициента гармоник на выходе функциональной нелинейности синусоподобные и степенные функции лучше аппроксимировать полиномом пятой степени, а экйпо-нентоподобные - седьмой. При-этом в большинстве случаев абсолютная погрешность оценки значения коэффициента гармоник не превышает IX.

Модели подсистем ввода и вывода данных состоят из последовательного соединения подмоделей, входящих в них функциональных устройств. При разработке этих подмоделей учитываются следующие параметры: для цифроаналогового преобразователя - значение опорного напряжения, разрядность, смещение нулевого уровня; для фильтров низкой .частоты - частота среза и АФЧХ; для масштабные атте-

шоатора и усилителя - особенности кодового управления уровнем сигнала при его ослаблении и усилении; для аналого-цифрового преобразователя - значение опорного напряжения, разрядность, значение мультипликативной погрешности, смещение нулевого уровня, количество "шумящих" двоичных разрядов.

Важной составной частью модели подсистемы ввода данных является модель В1йроизмерительного-преобразователя, в которой учтены его коэффициенты преобразования и АФЧХ в основном и поперечном направлениях. ,

При моделировании устройств формирования воздействий, в основу работы которых положен табличный принцип, определяются: форма сигнала, загружаемого в таблицу, значения шага по таблице, период дискретизации вывода данных, значение которого регулируется с помощью делителя частоты по отношению к частоте тактового генератора. Предложен алгоритм определений значений шага по. таблице и делителя частоты, который обеспечивает формирование гармонического сигнала с погрешностью настройки на частоту; не превышающую заданную и минимальным шагом по;таблице при фиксированных размере таблицы и частоте тактового генератора И наличии ограничений на минимальное значение периода дискретизации.

Обоснованы принципы определения параметров при моделировании формирователя полигармонических сигналов табличным способом.

В третьем разделе рассмотрен алгоритм коррекции нелинейных искажений на столе вибростенда, приводятся результаты анализа влияния искажений входных данных и дефектов дискретной выборки на функциональные характеристики системы и предлагайтся способы минимизации этого влияния. .

Поскольку виброустановка и испытываемое изделие обладают нелинейными свойствами, то при подаче в качестве управляющего на вкбрсустановку даже чисто синусоидального сигнала ускорение виб-роскгнала на столе вкбростенда будет несянушидальным N

а^) - £ А1*Зш(2лПй+1|>1)

1=1 ' Для ко>лпенс£лии высших-гармоник вибросигнала при возбуждении

предлагается использовать не синусоидальный,-а сложный сигнал:

т

'iL.it) = и^ятсяя».) + £ АI1 п(27ГГ11+ФI)

Амплитуды высших гармоник добавочного сигнала определяются - выражением: ---*_______

¿1

Щ = иг *

А1*К!

где , А1.А1- амплитуды первой и высших гармоник вибросигнала при возбуждающем чисто гармоническом сигнале с амплитудой Щ; К1 -коэффициент, учитывающий неравномерность АЧХ виброустановки, К4 = Н(ГМ)/Н(П.

Разработан алгоритм нахождения начальных фаз высших гармоник добавочного сигнала, при которых происходит подавление высших гармоник вибросигнала. Проведенное машинное моделирование и экспериментальные проверки на реальных виброустановках показали, что применение данного алгоритма позволяет уменьшить коэффициент гармоник вибросигнала с 10 - 20% до 1,5 - 2,5Х.

Проанализировано влияние переходных процессов во входных цепях на погрешности определения амплитуды и мощности испытательного гармонического сигнала интегральным методом и с помощью дискретного преобразования Фурье. Показано, что возникающие при этом погрешности могут- быть устранены путем подбора начальной фазы анализируемогр сигнала. Получены выражения для определения значения этой начальной фазы в зависимости от параметров переходного процесса и анализируемого сигнала, а также показывающие соотношение между погрешностью настройки на рассчитанную фазу и погрешностями вычисления амплитуды и мощности.

Получены выражения, позволяющие оценить погрешности вычисления мощности и амплитуды гармонического сигнала интегральным методом и с помощью ДПФ при дефектах в дискретной выборке, проявляющихся в виде потери отсчета. Выявлено, что наименьшее влияние потери отсчетов достигается при выборе начальной фазы в соответствии с соотношением (2к+1)я/4, где к=0,1,2,3. Признаком потери отсчета является появление высших гармоник. Получены выражения для определения их амплитуд.

В четвертом разделе обоснован функциональный состав ПО АСУВ, рассмотрена методология его проектирования, принципы построения пользовательского интерфейса. Выполнена оценка трудоемкости алго-

ритма БПФ с плавающей точкой при реализации на сопроцессоре ПЭВМ• с учетом операций пересылки. Приведены примеры практической реализации программного обеспечения для решения задач виброиспытаний и виброконтроля.

Все ПО АСУВ псдразделяется на две основные составные части: общее, включающее операционную систему, системы программирования, обслуживающие программы, и специальное, состоящее из программ, поддерживающих решение функциональных (проведение испытаний, поверка виброоборудования, обработка результатов и принятие решений) задач и задач метрологии; программных моделей; тестово-диагностического обеспечения; баз данных.

Для проектирования программ, решающих функциональные задачи разработан унифицированный набор базовых программных модулей, • подразделяющихся на простые, выполняющие отдельные элементарные действия по работе с аппаратными средствами АСУВ и обработке данных, и сложные, решающие отдельные подзадачи ( калибровка входного тракта, выход на рабочий режим, управление общим уровнем вибрации, управление спектром вибрации и т.п.) и представляющие собой определенные комбинации из простых. Управление параметрами алгоритмов, реализуемых базовыми функциями, осуществляется по принципу подключаемых файлов.

Программы, решающие функциональные задачи, разрабатываются в единообразной программной среде, которая обеспечивает типовой интерфейс с пользователем, состоящий из меню, таблиц, подсказок и сообщений и включает следующие основные режимы работы: "Данные", "Файл", "Испытания" ("Поверка","Виброконтроль"), "Калибровка", "Настройка", "Протокол", "Пульт". Пользователю предоставляется возможность установки большого количества настроечных параметров, спред'эдг/ящкх режвкы работы: самой среды пс. отображении я-ччвах » числовом ч графическом виде; функционирования аппаратных сртдст;'; работу алгоритмов. Конфигурация настройки сохраняется в отлельном файле.

Основная (ведущая) функция, определяющая ход выполнен,чя какр-тч<4! вэдачи д умается отдельным модулем в г.{.ог; .ч-^г, :; ду. СбясЬ по д между модулями осуществляется через г;;с5ал>-

сила-.,'гц.

Одшм яз г-иючеьых алгоритмов при решении задач вябровспьк'а-най и:-..чя<;тся НИ?. Наполнена оценка трудоемкости р&азигации алго-

ритмов БПФ- (Кули-Тьюки -, модифицированного, для действительных последовательностей) на сопроцессоре 180287 с учетом времени выполнения операций_пересылок_(при реализаций на ^сопроцессоре они сопоставимы с операциями сложения и умножения) при использовании свойств стековой организации внутренних регистров сопроцессора и без. Полученные аналитические и экспериментальные данные показывают, что хранение промежуточных данных в регистрах стека сопроцессора позволяет значительно снизить общую трудоемкость алгоритма. Например, для БПФ для действительных последовательностей при выборке размерностью 1024 отсчета трудоемкость уменьшается примерно в 1.4 раза. . .' ' •' ■■ '

Разработано программное обеспечение для управления виброиспытаниями на полигэрмонические и случайные воздействия, поверки . виброустановок и ВМ1, вибрационного контроля энергетических турбоагрегатов Для. серийно выпускаемой системы "АСУВ - 010".

Разработка алгоритмов й ПО осуществлялась, с применением программных моделей, принципы реализации которых рассмотрены во втором.разделе, и Яа основе теоретических результатов, полученных в третьем разделе..

Предложены новые методики поверки виброизмерительных преобразователей и виброустановок, основанные на применениии полигар^ монических сигналов и реализуемые с помощью разработанных программных средств, 'позволяющие сократить время поверки и повысить точность результатов.

Все программные средства.прошли практическую апробацию и внедрены на промышленных и в научно-исследовательских предприятиях.

В заключении сформулированы основные результаты.диссертационной работы.

В приложениях приведены результаты, полученные при экспериментальной проверке работоспособности разработанных программ и акты о внедрении ре&ультатов диссертационной работы.

■ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ .

1. На основе анализа принципов организации и требований к АСУВ определены значение и место программного обеспечения. Показано, что снижение трудоемкости-разработки программного обеслече-

ния может быть достигнуто ва счет применения модели функционирования АСУВ.

2. Предложены принципы построения модели функционирования АСУВ, в которой учитываются нелинейности амплитудной и неравномерность амплитудно-фааочастотной характеристик виброустановки и объекта испытаний.

3. Предложен подход для оценки влияния нелинейностей на степень искажения гармонического сигнала, оцениваемого коэффициентом гармоник. ••

4. Проведено исследование влияний переходных процессов во входных цепях и потери дискретного отсчета йа погрешность определения мощности и амплитуды гармонического сигнала. Показано, что эти погрешности можно уменьшить путем выбора начальной фазы анализируемого сигнала'.

5. Предложен алгоритм определения параметров компенсирующего воздействия, реализуемого цифровым'способом, для, коррекции нелинейных искажений, вносимых объектом испытаний. Эффективность данного алгоритма подтверждена на моделях и на реальных виброустановках.

6. Разработана программная модель функционирования АСУВ и программное обеспечение, поддерживающее работу серийно выпускаемой системы "АСУВ-010" при.решении задач испытаний на полигармонические и случайные воздействия, поверки вйброизмерительных преобразователей й виброустановок, метрологической аттестации самой системы.

7. Разработано программное обеспечение для решения задачи контроля ьибрациошгого состояния энергетических турбоагрегатов. Ьрсвьдена .-го опытная эксплуатация.

3. Првдхажеяы новые методики поверки в5"броизаерителышй обравователей а ьиброустаксзок, позволяйте сократить время поверки я псшоить точтллъ результатов.

iL Ойозьоашш ¡^«с-ьеядации по практической реализации asro-(я tri'-fporo ."р::»5р ^ гсашя Фурье на ГГЗВМ.

ПУЕШАДШ! ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИЙ 1. Лзусешш A.b., Ьран'цевич П.Ю. Исследование достоверности воспроизведения гармоничзского сигнала.. - Автоматика и вычислительная -.»mwa-.- Минск, 1987, вып. 16. с.46-52.

- 2Р -

2. Бранцевич П.Ю. Реализация программных средств, обеспечивающих качественное и надежное функционирование АСИ. - В кн.: "Проблемы"качества~и -надежности-изделий-электронной ^техники радиоэлектронной аппаратуры и средств управления. Тез. докл. респ. конф. Минск, 1988., с.22.

3. Бранцевич П.Ю., Ероховец И.Е. Пакет тестово-диагностических программ для специализированной системы на основе ПЭВМ. -

В кн.: Разработка и внедрение в народное хозяйство персональных ЭВМ: Тез. докл. всес. совещ., Минск, 1988. - с. 94

4. Бранцевич П.Ю. Анализ достоверности функционирования одного класса вычислительных систем. Автоматика и вычислительная техника. Минск, 1988, вып.17, с.108-114.

5. Бранцевич П.Ю., Степанов В.И. Разработка программного обеспечения. - В отчете "Разработка и постановка на серийное производство автоматизированной системы поверки виброиэмерительной аппаратуры и датчиков "Шифр АСУВ-А"". - ЦНИИТМ, N ГР У44620, Инв. N 28-07-89. - Климовск, 1989, разд.2., с. 8-28,

6. Бранцевич П.Ю. Реализация программного обеспечения для поверки ВИП. - В кн.: Современное состояние и перспективы развития методов и средств виброметрии и вибродиагностики.: Тез. докл. Всес. конф. Минск, 1989. с. 148.

.7. Бранцевич П.Ю. Методические основы для разработки алгоритмического и программного обеспечения автоматизированных систем для определения и контроля хщ)актеристик виброизмерительных преобразователей и электродинамических виброустановок. В . отчете "Разработать аппаратно-программные компоненты автоматизированных систем испытаний и комплексного моделирования в реальном масштабе времени", (заключительный) - МРТИ, N ГР 01860009887; инв. N 87/217. - Минск, 1990, разд.4., с. 51-69.

8. Леусенко А.Е., Бранцевич П.Ю. Организация программного обеспечения для аттестации ВИП и вибростендов. - В кн.: Функционально- ориентированные вычислительные системы. Тез. дога. респ. конф. Харьков, 1990, 4.1,, с,128.

9. Бранцевич. П.Ю., Мышко Ю.Л. Организация программного обеспечения автоматизированной системы поверки вибродатчиков. Автоматика и вычислительная техника. - Минск, 1991, вып.20, с.98-102.

10. Леусенко, А.Е., .Бранцевич П.Ю. Аппаратные и программные

средства для контроля характеристик виброустановок и ВИП. В кн.: Технический контроль в машиностроении в условиях рыночной экономики. Тез.докл. Всес.совещ. Пенза, 1991, с.46-47.

11. Бранцевич П.Ю. Аппаратно-программный комплекс для аттестации ВИП и виброметров. В кн.: Повышение эффективности испытаний приборных устройств. Мат: Всес. семинара. Владимир - Москва, 1991, с.60-61.

12. Бранцевич П.Ю. Система для аттёстации электродинамических виброустановок. В кн.: Повышение эффективности испытаний приборных устройств. Мат. Всес. семинара. Владимир - Москва, 1991, с.61-62.

13. Бранцевич П.Ю. Алгоритм коррекции нелинейных искажений на столе вибростенда. В кн.: Пути и средства совершенствования подготовки специалистов. Тез. Докл. научн.-мет. конф. - Минск, 1992. - с.79.

14. Леусенко А.Е., Бранцевич П.Ю. Учебно-методическое пособие по курсу "Обработка экспериментальных данных на ЭВМ". - Мн.: МРТИ, 1992. - 120с.

15. Бранцевич П.Ю. Алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированной системы испытаний на механические воздействия. В кн.: 4 конференция математиков Беларуси. Тез. докладов. Гродно, 1992, ч.4., с.6.

16. Бранцевич П.Ю., Басяков И.С. Автоматизированная система для аттестации ВИП на базе ПЭВМ. В кн.: Пути и средства совершенствования подготовки специалистов. Тез. докл. научн.-мет. конф. Минск., 1992. - с.78.

17. Леусенко А.Е., Бранцевич П.Ю., Костюк С.Ф. и др. Автоматизированная система испытаний АСУВ-010 на базе ПЭВМ. В га.: Проблемы конверсии, разработка и испытания приборных устройств. Материалы мекд. НТК, Москва, 1993. - с.153.

18. Леусенко А.Е., Бранцевич П.Ю. Учебно-методическое подобие по курсам "Пшектиров.атае • автоматизированных систем контроля ч управления" и "Обработка экспериментальных данных па ЭВМ" дня сту-делтой специальностей 22.04, 22.01. - Мн.: МРТИ, 1993. - № с.

'.С.. "5г-Е-'.цегич П.».. Бзсяков И.С. ,• Леусгшп А.Е. и др. г ьт^а-ти?1/рогч.'шэч сястг «.'а дта поверки виброустаноаок и аттестации ЕЗП. В кя.: {¡рсблеш конверсии, разработка и I: .'питания приборных устройств, материалы меад. НТК, Москва, 1943. - с.153-154.

20. Бранцевич П.Ю. Программно-аналитическая модель виброустановки__В _ кн, : Проблемы конверсии, разработка и испытания приборных устройств. Материалы межд. НТК,- МОскваГ 1993Г~-~с7155."

21. Бранцевич П.Ю. Модель АСУВ. В кн.: Научная конференция профессорско-преподавательского состава сотрудников, докторантов, аспирантов, студентов, посвященная 30-летию деятельности коллектива БГУИР. Тезисы докладов. - Минск, 1994, с. 245-246

22. Бранцевич П.Ю. Особенности построения математического и программного обеспечения автоматизированных систем управления виброиспытаниями. Разработка модели АСУВ. В отчете " разработать и исследовать ускоренные алгоритмы обработки данных для систем реального времени". -БГУИР, N ГР 1193358, - Минск, 1994. Раад.1,2.

- С. 6-38.

23. Бранцевич П.Ю. Выкарыстанне мадэляу нел!нейных аб'ектау пры распрацоуцы праграмнага вабеспячэння аутаматызаваных с1стэм в!бравыпрабаванняу. В кн.: Проблемы математики и информатики. Материалы международной математической конференции., Гомель, 1994, ч.2, с.135 .

Праведаены anaaia састэмнай аргашзацьи аутаматызаванай cic-тэмы К1равання в1бравыпрабаванням1, як апаратна-праграмнага комплекса, разгледжаны структурнг-тэхк1чныя и алгарытм1чныя acafiíi-васц1 яё прымянення пры рашэнн1 розных задач в i бравыпрабаванняу, выйначаны значэнне i месца матэматычнага i праграмнага забеспя-чзння у АСКВ. Прапанаваны прынцыпы пабудовы матзматычнай ыадэл1 В1браустаноук1 i аб'екта выпрабаванняу, як!я дазааляюць ул!чыць ix нел!нейныя свойствы i асаблхвасц! амшйтудна-фазачастотных характеристик. Праведаены анал1тычны анал!з уздаеяння нел^нейнасцей на ступень скажэння гарманхчнага сirналу, ацзньваемага каэф1цыен-там гармон1к. распрацаваны прынцыпы мадзлявання падс1стэм увода i вывада даных, абаснаваны айгарытм1чныя прынцыпы мадэл1 фармаваль-шка гарман1чных i шшгарман!чных уздзеянняу. Прапанаваны алга-рытм карэкцы! нелгнейных скажэнняу на стале Мбрастэнда, прыво-дзяцца BbiHlKi ananiáa уздаеяння скажэнняу уваходных даных I дэфек-тау дыскрэтнай выбарк! на функцыянальнйя характарыстык! cíctsmh i прапаноувйоцца спосабы MiHiMiaaiiiui гэтага уздаеяння, Абаснаваны функцыянальнЫ сасТау праграмнага забеспячэнйя АСКВ¡ райгледжана метададог!я яга праектавання, прынцыпы пабудовы интерфейса карас-тальн!ка. Выканана ацэнка працаем1стасц1 алгарытма хуткага пера-утварэння Фур'е з плаваючай кропкаи пры рэаизацьи на сапрацзсары ПЭВМ э улгкам апёрацыи йерасьши. Прыв'едвены приклады практычнай рэал1зацы1 праграмнага забеспячэння для рашзння задач вгбравыпра-бавачняу i В1бракантролю. Прапанаваны. новыя методик! паверк! BÍ6-равымяральных пераутваральн1кау и вЮраустановак.-

System.implementation management of an Automated Vibration Testing Control System (AVTCS) is analyzed as a unified soft end hardware ouspj«:«. rXmoiüral, technological and algcrittauu features ci tia application to solving different problems o i Vti-ía-ticii leütinp are cor.'idered. The value arid significance' of the softtrere in live AYTOJ шо- defined^ Construction concepts of both a mf;елнлсгЛ ¡,-cdc. ci a vibration installation and an object iind-.'r ais sttjr—'tsd. I tal low to take their поп-Ипе.-л pre-

purliC'3 L-jid ' picuH&rities of amplitudo-«ersustphaye- frequency-respond chaniu-U/ iatlcs into account The influence of ncrt- I«r¿<u и i^s (4i tho degree of a harmonic signal . distortion evaluated !.у the h;jmcnje factor is analysed analitically. Concepts rt d;J.i input .:-r¡d-output subsystems modeling are developed, altf'i IUx.ic I'c^ux'pt of a harnionic arid polyharmonic effects former

model are grounded. A correction algorithm for non-linear distor-—tions -on —a vibration-test board table is offered. The analysis rezults of thé influence of both input data distortionanci ~samp-~~~ ling defects on the system performance are given and methods of minimizing this influence are suggested. Software composition of the AVTCS is grounded, the design methods and concepts of constructing a user's interface are considered. The labour requirements of the floating point Fourier transform algorithm is evaluated when it is being realised on a PC coprocessor, data transfer have been took intD account. Real software application to solving vibration tests and control tasks are given. New methods of testing vibration.measurement conyerters and of vibration installations are suggested.

Проведен анализ системной организации автоматизированной системы управления виброиспытаниями, как аппаратно-программного комплекса, рассмотрены структурно-технические и алгоритмические особенности её применения при решении различных задач виброиспытаний, определены значение и место математического и программного обеспечения в АСУВ: Предложены принципы построения математической модели виброустановки и Объекта испытаний, которые позволяют учесть их нелинейные свойства.и особенности амплитудно-фазочас-тотных характеристик. Проведен аналитический анализ влияния нели-нейностей на степень искажения гармонического сигнала, оцениваемого коэффициентом гармоник. Разработаны принципы моделирования подсистем ввода и вывода данных, обоснованы алгоритмические принципы модели формирователя гармонических и полиггрмонических воздействий. Предложен алгоритм коррекции нелинейных искажений на столе вибростенда,, -приводятся результаты анализа влияния искажений входных данных и дефектов дискретной выборки на функциональ-' ■ные характеристики системы; ,и предлагаются способы минимизации этого влияния. Обоснован функциональный состав программного обеспечения АСУВ,. рассмотрена методология его проектирования, принципы построения пользовательского интерфейса. Выполнена оценка трудоемкости алгоритма быстрого преобразования Фурье с плавающей точкой при реализаций на сопроцессоре ПЭВМ с учетом операций пересылки. Приведены примеры практической реализации программногс обеспечения для решелия задач виброиспытаний и виброктонгроля. Предложены новае методики поверки виброизмерительных преобразователей и виброустановок.

На правах рукописи

БРАНЦЕВИЧ Петр. Юльянович

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВИЕРОИСПЫТАНИЯМИ.

Специальность 05.13.11 - Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических- наук

Подписано к печати 8.07.1994 Формат 60x84 1/16

Объем 1,1 усл. печ. л: 1,0 уч.-изд.л. Тираж 90 зкз

Зяказ Ж

Отпечатано на ротапринте БГУИР.

22002?, П.Бровки,6