автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Робастные устройства контроля скорости в системах управления специализированными электрофизическими установками

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Новочеркасский государственный технический университет

Для служебного пользования Экз. № _4£_0 5С

На правах рукописи

МИХАЙЛОВ Анатолий Александрович

УДК 621.384.6.65.012.12

Робастные устройства контроля скорости в системах управления

специализированными электрофизическими установками

Специальность 05.13.05. — Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОЧЕРКАССК 1994

Работа выполнена в Акционерном обществе Особое кон-структорско-технологическое бюро «Старт»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доцент, кандидат технических наук Кириевский Е. В.

профессор, доктор технических наук, член-корреспондент Академии транспорта Ульяниц-кий Е. М.

доцент, кандидат технических наук Иванченко А. Н.

Люберецкое научно-производственное объединение «Союз», г. Дзержинск, Московская область

•Защита состоится ». 1994 г. в /О чае. на заседании специализированного совета К 063.30.04 в Новочеркасском государственном техническом университете 346400, г. Новочеркасск, Ростовская лбл., ГСП-1, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан , Л 7 " ¿¿¿и! 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета к. т. н., доцент

В. И. Маринин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. За последние года в нашей стране и за рубежом развернулись НИОКР в области создания электродинамических установок высокоскоростного метания объектов ( ЭДУ ВСМ ). Особенностью системы сбора, обработки информации и управления (СОИУ) для ЭДУ ВСМ является необходимость контроля большой скорости движения объекта управления ( до нескольких км/с ), что приводит к необходимости обеспечения высокого быстродействия процессов сбора и обработки информации, поскольку любая задержка на обработку информации приведет к нарушению процесса слежения за объектом, исключая возможность управления объектом в реальном масштабе времени.

Кроме этого, самостоятельной задачей является и задача стабилизации скорости на выходе ЭДУ ВОТ. Она формулируется в виде баллистической задачи вывода в расчетный момент и в заданную точку пространства метаемого объекта (МО).

Несмотря на то, что регистраторы скорости являются важнейшим элементом системы СОИУ, они являются в ней пока слабым звеном, поскольку не имеют к настоящему времени законченной инженерной методики проектирования. Проектирование устройств контроля скорости осуществляется либо на интуитивном уровне, либо путем рекурсивной корректировки схемы и параметров уже известного устройства, что привело в частности к тому, что недостаточно исследованы вопросы их точности и динамики, качества их функционирования в системах СОИУ.

Актуальность проектирования устройств контроля линейной скорости (УКЛС) системы СОИУ в первую очередь определяется тем, что электродинамические ускорители нового поколения требуют создания УКЛС, которые могли бы использоваться на только для пассивного контроля параметров движения, но и для управлетм ими, т.е. данные устройства превращают систему управления в автоматизированную, замыкая уровень автоматизации процессов управления движением разгоняемым объектом. Все сказанное делает актуальным разработку методик проектирования, позволяющих с единых теоретических позиций рассмотреть основные проблемы создания и исследования бесконтактных автоматических устройств измерения скорости для систем СОИУ.

Цель работы. Целью диссертации является проведение комплекса теоретических исследований и разработка методик расчета и проектирования УКЛС в системах СОИУ ЭДУ ВСМ и создание на базе выполненных исследований устройств контроля, которые бы повысили точность измерения скорости и управления разгоном МО.

Для достижения указанной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ и классификацию существуодих способов измерения скорости и выбрать способ измерения скорости для УКЛС систем СОИУ ЭДУ ВСМ;

- осуществить теоретическое обоснование выбора первичных преобразователей информационных сигналов УКЛС, наиболее полно отвечающих комплексу требований, выдвигаемых системой СОИУ ЭДУ ВСМ и условиями ее эксплуатации;.

- разработать адекватные математические модели преобразователей информационного сигнала, позволяющие осуществить теоретический анализ свойств этих преобразователей, расчет и построение структур УКЛС, обеспечивающих минимум динамической погрешности системы СОИУ по управлению скоростью метаемого объекта;

- разработать УКЛС для системы СОИУ и провести его экспериментальное исследование для потверждения основных теоретических положений диссертационной работы.

Основная часть перечислении вопросов исследования и разработки поставлена впервые и является принципиально новой. Решению перечисленных задач и посвящена настоящая диссертация.

Методы исследования. В работе использованы методы теории информации, теории дифференциальных игр, теории динамического программирования, теории спектральных функций, теории синтеза оптимальных (согласованных) и линейных фильтров и робаст-ных систем, теории математической статистики, теории вероятностей, методы операционного исчисления, натурный эксперимент.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты диссертационной работы:

- расчетные зависимости для выходных параметров элементов структуры УКЛС (чувствительного элемента, элемента согласования, формирователя импульсов, измерителя временных интервалов и т.д.);

- новые технические решения, повышающие точность и надежность УКЛС для систем СОИУ ЭДУ ВСМ;

- методики расчета параметров и характеристик УКЛС систем СОИУ ЭДУ ВСМ.

Научная новизна работы состоит в теоретическом обосновании новых принципов построения УКЛС, функционирующих в условиях нестационарных помех, путем решения задач анализа, оптимизации и синтеза данного устройства, базирующегося на разработанных автором новых способах измерения скорости для ЭДУ ВСМ.

При атом получены следующие научные результаты:

- показана возможность проектирования робастшх систем измерения скорости с использованием теории синтеза оптимальных устройств обнаружения сигнала;

- дано теоретическое обоснование применения в условиях ЭДУ ВСМ времяпролетного метода измерения скорости на базе распределенного регистрирующего контура, при этом обеспечивается детерминированное управление скоростью разгона метаемого объекта;

- впервые предложен способ измерения скорости, использующий метод численного интегрирования и обеспечивающий повышение достоверности процесса измерения скорости, что достигается благодаря более полному использованию информации, получаемой датчиком при взаимодействии его с объектом;

- на основании анализа функционирования устройства контроля линейной скорости по критерию идеального наблюдателя, критерию минимума потери информации и впервые предложенному критерию "двойного минимума" получены новые аналитические выражения, описывающие основные закономерности прохождения информационного сигнала по измерительному тракту устройства и позволяющие осуществлять оптимальный синтез структуры устройства контроля линейной скорости;

- теоретически обоснован выбор расчетного режима оценки метрологических характеристик устройств контроля линейной скорости и получены аналитические выражения для оценки погрешности измерения скорости движения метаемого объекта;

Практическая ценность работы состоит в разработке инженерных методик проектирования и испытаний УКЛС, а также в разработке и изготовлении с использованием результатов теоретических и экспериментальных исследований действующего экспериментального образца УКЛС для системы СОИУ ЭДУ ВСМ.

Новизна и полезность устройства подтверждена авторскими свидетельствами на изобретения и положительными решениями о выдаче авторских свидетельств.

Реализация работы в промышленности. Результаты выполненных в диссертации исследований и разработок внедрены в НИОКР, проводимых ЛНПО "Союз" при разработке двух типов стендовых ЭДУ ВСМ.

Апробация работы. Основные результаты, полученные в работе, докладывались:

- на научно - практических конференциях молодых ученых и специалистов НИИ (1984 - 1990 г.г.- г. Новочеркасск);

- на постоянно действущем региональном семинаре СКНЦВШ "Вопросы теории и принципы построения устройств и систем автоматизации" (1982, 1988 - 1990 г.г. - г. Новочеркасск);

- на Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления" (1989 г - г. Пенза).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 32 печатных работах, из которых 1 отчет по НИР и 16 авторских свидетельств на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 192 наименования и 9 приложений. Общий объем работы 140 страниц машинописного текста, в том числе 42 рисунка и 4 таблицы.

В основу диссертационной работы положены результаты ряда научно -исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполняемых при участии автора в ОКТБ "СТАРТ", в рамках программы "Качество и безопасность" (совместные приказы Министерства высшего и среднего образования РСФСР и Министерства машиностроения СССР N.28/82 от 26.02. 81 Г. И N 91/22 от 24.02.87 Г.).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены цели и задачи диссертационной работы, научная новизна и практическая ценность.

В первой главе диссертации дан анализ объекта управления системы сбора, обработки информации и управления ( СОИУ ) и процесса его разгона с использованием теории дифференциальных игр и динамического программирования и показано место в системе СОИУ устройства контроля линейной скорости ( УКЛС ) с распределенным регистрирующим контуром (РРК). В состав системы СОИУ для ЭДУ ВСМ входят собственно УКЛС, элемент задания скорости У3 (ЭЗС) и распределенные органы управления г, 1?П1 г 1 и 2 типа (РОУ). УКЛС состоит из последовательно соединенных элемента объединения датчиков ИЭОд, устройства обнаружения сигнала "уоис, измерителя временных интервалов ??иви> вычислителя У?шч и блока индикации №инд Информация об измеренной УКЛС скорости поступает на элемент сравнения ЭЗС, на выходе которого формируются команды РОУ по ведению процесса разгона метаемого объекта.

В схеме рельсотронного ускорителя метаемых объектов при разряде конденсаторной батареи на рельсы закоротка из металлической фольги, установленная мезду рельсами, взрывается и образует плазму, которая, ускоряясь под действием силы Лоренца, создаваемой протекающим в цепи током и электромагнитным полем, ускоряет тело по направляющим рельсам. Причем, команды управления подключением к рельсотрону дополни-

тельных элементов конденсаторной батареи формируются в соответствии с критерием минимума динамической погрешности.

Показано, что для обеспечения управления разгоном МО и вследствие принципа двойственности процесса измерения и управления в системе СОИУ ЭДУ ВСМ измерение скорости необходимо производить с определенной дискретностью, что делает возможным использование для этой цели времяпролетного метода на основе РРК, сводящегося к измерению средних значений скорости на заданных интервалах пути. Данный вывод основан на том, что для данного типа разгоняемого объекта (плазменного поршня) характерно требование, сводящееся к выражению V =

TT "

Т"*Г V(t)flt= Т"r(A(t))at, где V - средняя скорость метаемого объ-

о о

екта, V(t) - функция скорости метаемого объекта, r(A(t)) —функция, описывающая действие электродинамической силы, прилагаемойк МО, Т -время усреднения, t - текущее время. Из этого выражения следует, что база измерения скорости в рассматриваемой системе СОИУ не должна превышать базы усреднения сил разгона метаемого объекта, соизмеримой с длиной плазменного поршня.

На основании анализа МО и процессов в электропроводной низкотемпературной плазме сформулированы требования к работающей в условиях мощных помех системе СОИУ ЭДУ ВОТ по быстродействию (не хуже 3 мкс) и по погрешности управления параметрами движения (< В соответствии с данными требованиями проведены сравнительный анализ и классификация известных автоматических устройств измерения скорости и показано, что наиболее целесообразно для этих целей использовать доплеровский метод измерения скорости, в рамках которого необходимо (вследствие известного принципа неопределенности) усреднять мгновенное значение скорости на интервале усреднения, или метод на базе РРК. Причем, использование метода на базе РРК снимает ограничения принципа неопределенности, что в целом приводит к упрощению его реализации в системе СОИУ ЭДУ ВСМ.

Дальнейший сравнительный анализ доплеровского метода и метода на базе РРК, показал что первый из них, являясь по природе волновым, обладает рядом погрешностей, свойственных именно волновым методам измерения, а именно погрешностями, возникающими ввиду: 1) наличия отражающей поверхности; 2) фазовых шумов; 3) деформации волновода (рельсов) при абляции и действия на него электродинамических сил. Кроме того, анализ сравниваемых методов измерения скорости по помехозащищенности показал преимущество метода измерения скорости с РРК.

Для выбора аппарата проектирования измерителя скорости проведен

анализ поведения плазменного поршня. Данный анализ позволил выдвинуть гипотезу о нестационарности рассматриваемого процесса разгона и в связи с этим сформулирован общий критерий Р(х. ) проектирования системы разгона в виде гарантированного решения, сводящийся к отысканию из множества всех алгоритмов оценивания скорости процедуры, обеспечивающей минимум максимального значения погрешности оценивания скорости по всем законам распределения погрешности ее измерения.

Это привело к необходимости использования при проектировании УКЛС принципа робастности, который в критериальной форме для входного сигнала вида у"1» fуш: te е 11, т 3 >, где tm- временной интервал анализа выборки, представляется в виде точечного критерия Неймана:

. mln sup г(у ,у ) = sup г(у.,у.м) y.i П - у, е П 1 1

"I * " I к

А

где yt- оценка входного сигнала; П- множество параметров; г( )-критерий условного риска. Использование данного критерия при проектировании УКЛС в рамках системы СОИУ ЭДУ ВСМ возможно вследствие принципа суперпозиции. Недостатком использования данного критерия является неразвитость его математического аппарата, поэтому определено условие перехода от критерия Неймана к интервальному критерию Байеса, которое сводится к необходимости использования при проектировании в качестве шума идеальной случайной величины.

В конце главы сформулирована задача проектирования УКЛС в виде критериальной задачи типа:

min e*(t) при e£(t) = е*м;

min р.= minrp^HJ-pOi/HJ + Ppr (Н,) -ptfiyil,). где Sjj, ем - инструментальная и методическая погрешности устройства выделения сигнала; рв - полная ошибка обнаружения информационного сигнала; р(Нк) - вероятность гипотезы Нк; р(Нк/Нп) -условная вероятность гипотезы Нк по отношению к гипотезе Нп.

На основании анализа математической формулировки критерия проектирования системы СОИУ осуществлена постановка задачи проектиро- . рования УКЛС, в соответствии с которой необходимо проведение дополнительных исследований структуры УКЛС по установлению связей между его метрологическими параметрами.

Во второй главе диссертации проведен общий метрологический анализ структуры УКЛС, в результате которого получено выражение связи между параметрами элементов структуры УКЛС вида Рнс <

[ <°м + °мс>'-< 1 + ао),_ °ис],( °мс + °м Э"1' гда рнс- В0Р°-ятность наличия сбоя; о*- погрешность методической погрешности;

°ии~ <ЯИСП0РСИЯ инструментальной погрешности; ао-коэффициент качества УКЛС. Полученное выражение позволило выделить параметр! элементов структуры, которые должны быть проанализированы и оптимизи- \ рованыв дальнейшем.

Так, во второй главе проведен анализ УКЛС по определении вероятности ошибки обнаружения сигнала о положении объекта на трассе, в результате чего получено выражение для вероятности ошибки обнаружения первичных элементов датчиками объекта при их объединении по схеме "И" в виде Г0Ш т= Р(0)'Р™0 + Р(1).С1 - ( 1 - Р£3) ), где Рло-

вероятность ложного обнаружения сигнала в канале датчика; Р03-вероятность отказа запуска датчика; т - количество датчиков.

Для мажоритарной схемы объединения датчиков типа " п из т " данное В1граженив приобретает вид

Роштп= Р(0)-Рлз™[ (Рлз™ (1-РлзГ Т- (2Рлз - 1)"*+

+ Р(1 ).{1 - (1 - Роз)"[(1- Роз)" " - Роз™ "**])• (1 -- 2-Роз)

Проведенный анализ позволил получить и выражение для вероятности ошибки обнаружения в зависимости от геометрических параметров РЖ в виде

1-1 1-1

Рош обн = Рлт-(Тнаб.-Твз1 )■ (1-Рпр) •Тнаб.+Твз?И-(1-Рпр)1 «Тнаб 1-» Ч 1 * 1-1 -1

Тнаб. = СРлт-(1-Рпр) - С1-(1-Рпр)]}'СРлт-(1-Рпр) - а,] •Твз1

Хна<5. = СРлт-(1-Рпр) - [1-(1-Рпр)ЗЬ[Рлт«(1-Рпр) ^ а,] 1 •Хвз1 где Тна0 - время наблюдения объекта; Т время взаимодействия объекта и датчика, Хнаб - окно наблюдения объекта, Хвз - окно взаимодействия объекта и датчика, ав- заданное значение вероятности ошибки обнаружения.

Далее на основании теоремы Котельникова получено выражение для зависимости относительной методической ошибки от количества "изъятых"

из Рга датчиков регистрации объекта 1 ~ Я1'"(И - I)"1"""1' ],

где I - число изъятых датчиков; N - число датчиков в РРК; 7Ш = У/^2 •ЧГ"'* У?ш - энергия шума, действующего в измерителе скорости; 7? - энергия информационного сигнала хе(1:).

Полученные выражения позволили сформулировать методику проектирования УКЛС, в которой осуществляется выбор той или иной схемы объединения датчиков с целью минимизации коэффициента качества УКЛС при заданных характеристиках процесса обнаружения МО.

На базе критерия, сводящемуся к сравнению типов датчиков по энергетическому К.П.Д. т]э, произведен выбор чувствительного элемента регистратора скорости, показавший, что для регистрации плазмен-

ного поршня в УКЛС наиболее целесообразно использовать в РИС пос-ледовавательно размещенные вдоль траектории движения метаемого объекта индукционные датчики, чувствительность которых как показал анализ в 2-2,5 раза превосходит чувствительность других типов датчиков.

Для индукционного типа датчика определена зависимость его выходного сигнала от чувствительности и входного сигнала, Б(ш)=-У(ш) •¿•и'-У-Х"* (ш-У*), где Б (и) - спектральная функция чувствительности чувствительного элемента; У(ы) - спектральная функция выходного сигнала чувствительного элемента; и - частота; V - скорость; Х(ш)-спектральная функция входного возмущения чувствительного элемента, 3 = (-1 )'/1

Анализ зависимости выходного сигнала от скорости регистрируемого объекта показал, что индукционный датчик обеспечивает минимальное изменение энергии выходного сигнала от скорости. Это позволяет сделать вывод о независимости вероятности ошибки обнаружения объекта от скорости (поскольку энергия выходного сигнала определяет вероятность ошибки его обнаружения ), в связи с чем в структуре проектируемого устройства возможно использовать принцип мультиплексирования, что также повитает помехозащищенность УКЛС и значительно упрощает его структуру.

Третья глава диссертации посвящена анализу инструментальной погрешности УКЛС. Проведен анализ зависимости динамической погрешности скоростемеров от диапазона измеряемых скоростей. Показана систематичность данной погрешности Сс и осуществлена оценка ее величины по формуле ес = Д3-(2.Б)"'-(У2- (У1.У1)"*, где Уср = Б-Т"1; Чг- скорость объекта перед датчиком; £> - длина контролируемого участка траектории движения объекта.

На основании проведенного анализа динамической погрешности предложено с целью ее минимизации в качестве признака для формирования старт-стопных сигналов при измерении интервалов времени пролета МО использовать максимум информационного сигнала.

Проведенный в дальнейшем анализ известных способов измерения временных интервалов показал, что для УКЛС с точки зрения скорости измерения временных интервалов наиболее целесобразно использовать метод прямого счета, для которого дисперсия ошибки измерения

Дфт=ос.<2",<Ч.о^:5а--,,,'7[3/4) - {о••)1\/2]}г, где 71 1 - Гамма - функция, о*4- дисперсия производной информационного сигнала, о*-дисперсия информационного сигнала, вторая производная информационного сигнала. Для метода промежуточного преобразования дисперсия также зависит от диапазона изменения и от величины установившегося значения измеряемого параметра.

Далее осуществлен анализ структуры УКЛС по максимизации выходной информации элемента согласования W8C(J-u) и максимизации информации на выходе формирователя "¡^(J'U) и логического блока (Гд(Л»ш). При этом рассмотрено использование трех критериев выделения полезной информации, а именно, критериев минимума ошибки обнаружения сигнала, максимума информации и критерия "двойного минимума" (минимума вероятности ошибки обнаружения и минимума потерь информации).

На основании теории информации предложен критерий, максимизирующий полезную информацию

н(У)=-шу)-Ю8Г(у)Эу-яг^).^у-у)ау.1о8/г]у).^у-7)а7ау.

у у V V

где Г{у) - плотность вероятности случайной величины х, у , v , z -входная, выходная, промежуточная величины и аддитивный шум. Действие данного критерия сводится к обработке входного информационного сигнала, синтезированной на базе данного критерия, структурой элемента согласования с передаточным комплексным коэффициентом вида wt(p) = W(p)• f 1 + W(p)]-\ где ff(p)= -X(p)-p-t2 .(2-o*+ 4'1- v'1) -Д2] +1. Полученная структура элемента согласования (функционального преобразователя) обеспечивает увеличение чувствительности УКЛС к информационному сигналу в 2,7 раза.

Критерий двойного минимума представлен в виде

ОТ 00

тах[Н(у/х) ] = шах [- / J^j(x.y)-log р(у/х)*5х.ау],

-со-со

где Н(у/х) - условная энтропия параметра х относительно параметра у. Использование данного критерия позволяет синтезировать структуру устройства обработки информационного сигнала (УОИС) обеспечивающую выделение сигнала с максимальной точностью и достоверностью, причем передаточный комплексный коэффициент УОИС имеет вид W(Ju) = ехр [ -х2 • (2а + 1 )-2~' •o"t]-S(J>u))'exp(-J-u-a),

где S(J-u)) - комплексно-сопряженный спектр информационного сигнала; о2- дисперсия. В дальнейшем последний критерий конкретизируется в виде критерия минимума среднеквадратической погрешности и критерия максимума отношения сигнал / шум.

В рамках критерия двойного минимума предложена робастная процедуры выделения информационного сигнала, в которой принято, что порог Uo должен быть не фиксированным, а определяется усекаемой частью смеси сигнал/шум, которая может бить оценена на основании анализа выходных сигналов датчиков РРК, в зоне которых на данный момент времени не может появиться МО. Данная модафщированная робастная процедура выделения информационного сигнала реализована в устройстве по а.с. N1789933 (рис.1), в котором порог выделения ин-

■Л./ ГдТ-

•Уг-

•Л./

[л»,т

XX

ди.

•I

л

•----1....___^---1

1—сгъ—

п

ШСН-

Ф:

Рис.1. Д - Датчик; ДЧ - Делитель частоты; ФИ - Формирователь импульсов; 1 - Элемент задержки; МХ - Мультиплексор; ДЕШ - Дешифратор; БК - Блок ключей; / - Интегратор; ПЭ - Пороговый элемент; ИВИ -измеритель временных интервалов; ВОТ - Вычислитель.

формационного сигнала данного датчика определяется шумами, действующими в параллельных каналах регистрации МО. Алгоритм выделения информационного сигнала реализован в устройстве по а.с. N 1661645.

В заключение проведены исследования возможности использования (для повышения информативности) в качестве дополнительного признака формирования старт-стопного сигнала момента совпадение сигналов от двух соседних датчиков.Синтезирована форма информационного сигнала, удовлетворяющая требованиям по точности для обоих признаков формирования старт-стопных сигналов, причем УОИС, согласованное с данным входным сигналом, удовлетворяет сформулированным условиям каузальности.

В четвертой главе диссертации подтверждена гипотеза о нестационарности измерительного процесса, для чего были обработаны экспериметальные данные (входные сигналы УКЛС, полученные на реальной ЭДУ ВСМ, в виде выборки измерений « {уя:а « И ,к]>, где у - значение выходного сигнала) на стационарность по дисперсионному критерию, сформированному на базе критерия Пирсона.

Экспериментально подтвержден вывод, сделанный в главе 3 о том, что при выборе в качестве признака регистрации объекта максимума сигнала от датчика систематическая погрешность определения скорости УКЛС минимизируется.

На основании проведенного в диссертации анализа предложена структура УКЛС (рис. 2), обладающая высокой помехозащищенностью, по-

ГШ

I—

\ш\ ¡00-1

ЕШГ • *

• |

И!

НА

шп

0Ш1

КШ1

ПО?!

ЩИ —* №12

114.

И

Х13С

кол

Рис. 2. Д - Датчик; МВИП - Модуль выделения информационного признака; МВДИП - Модуль выделения дифференциального информационного признака; МИШ - Модуль измерения временного интервала; ВЫЧ.-Вычислитель; МИЗС - Модуль интерполяции значения скорости; МОЗУ -Модуль оперативного запоминающего устройства; МИ - Модуль индикации; МД - Модуль диагностики.

Рис. 3. Д - Датчик; МХ - Мультиплексор; 2 - Сумматор; в - Вычи-татель; / - Интегратор; : - Делитель; ЭП - Элемент памяти; ВВП -Блок выделения признака; ГИ - Генератор импульсов; АЦП - Аналого-цифровой преобразователь; ВЫЧ. - Вычислитель; СЧ. - Счетчик; ТР -Триггер; ОВ - ОдновиСратор; т - Элемент задержи.

вишенной информативностью и требуемой точностью измерения скорости и управления разгоном объекта. В качестве путей повышения достоверности измерения скорости использован способ по а.с.Н 1739297, реализованный в модуле интерполяции значения скорости (МИЗС) в котором осуществляется восстановление потерянного значения скорости при отказе срабатывания датчика регистрации объекта по формулам для нечетного значения 1

71-».1= Чк-гл-^3'^0-75^*^-1-3'75-4!-*-0'25^^.^ + 0,25.(1-1)'. •ДБ'ДГ1. - 0,25'(1-3)2'ДБ'ДГ4. - и-г^.АЭ'ДГ1. + (1-4)2.ДБ'ДГ1. ;

Л-2.1-»-3"'(0'75,у1-2+3'75,у1-,-0'25-У1.,) + 0,25-(1-1)2• •ДБ-Д^^ о,25-(1-з)2.дз.дг;'._1+ (1)2-д5.дг;'1^1-(1-4)2.дз-д^'1.3 А для четного 1

V.. 1= V». 1-.+3"' (0.75.У, .2+3,Т5.У. ^-О.гб-У^,) + 0,25- (1-1 )2 .

0,25* (1-2)* "АБ-А^* (1-3)2 .ДБ-Лг;;. .^а-б^-ДБ-Лг;;..,;

•ДГ^^- о,25-(1-2)2-дз-Аг;'._1+ (1-1 )2.Аз.Аг;;._1-(1-5)2.д5-д1;;._з,

где 1- номер датчика в распределенном регистрирующем контуре. Для увеличения количества интервалов измерения при ограниченном количестве датчиков регистрации объектов предложен способ (а.с.по з-ке N 4857009/10), реализованный в модуле выделения дифференциального информационного признака (МВДИП), структурная схема которого приведенном на рис. 3, в котором значение скорости на интервалах прилегающих к датчикам определяется по формулам 74= ДБ-СД!^- У2= ДБ« (А^+й-в"* Г1, где ¿Ц- интеграл разности сигналов датчиков; зт-сумма сигналов датчиков. В устройстве также реализованы а.с. N1615 618 и N1765772.

Для проведения испытаний разработанного УК1С осуществлен выбор режима определения инструментальной погрешности, который в соответствии с доказанной теоремой соответствует равноускоренному движению с ускорением "а". Для полной характеристики поведения методической погрешности при испытаниях устройства контроля скорости определены условия, при которых методическая погрешность измерителя скорости не превышает допустимого значения, которые представляются в виде а = г-А^-АБ"*, АЭ - база измерения скорости; Ам - допустимое значение погрешности ( задаваемое значение ).

Для полного анализа инструментальной погрешности получены выражение для определения дисперсии технологического процесса изготовления первичных элементов УКЛС в виде 7 ^ о2 (у) • [ о2м(у)-е2Н-( 1

- о'(у).е,)н].[ 2-о* (у) - е*]Т' где 7 - вероятность выхода информационного параметра за заданные пределы; о (у) - дисперсия параметра первичного элемента; М(у) - математическое ожидание параметра первичного элемента и выражение для времени их наработки на отказ То= Т-(1 - 7), где Тв- математическое ожидание.

В диссертации показана возможность применения полученных результатов в других областях науки и техники, в частности для проектирования устройств счета штучных изделий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ процесса разгона метаемого объекта (МО) показал, что для обеспечения управления разгоном МО в системе сбора, обработки информации и управления электродинамической установкой высокоскоростного метания измерение скорости необходимо производить дискретно, что делает возможным использование для этой цели времяпролетного метода на основе распределенного регистрирующего контура (РРК), сводящегося к измерению средних значений скорости на заданных интервалах пути. Установлено, что полная погрешность измерения скорости устройством контроля линейной скорости (УКЛС) не должна превышать 1%, а быстродействие не должно превышать 3 мкс.

2. На основании анализа объекта управления и для удовлетворения требований, предъявляемых к системе сбора, обработки информации и управления (СОИУ) по точности управления, предложено использовать минимизацию погрешности измерения параметров движения в рамках робастных процедур выделения информационных сигналов. На основании данного подхода получена формула для коэффициента преобразования УОИС, удовлетворяющая критерию "двойного" минимума (КДО), в котором учитывается как минимизация вероятности ошибки обнаружения информационного сигнала, так и минимизация потери информации при ее выделении из смеси сигнал/шум.

3. Предложена удовлетворяющая КДМ робастная процедура выделения информационного сигнала УОИС УКЛС, позволяющая в отличие от известных процедур повысить точность выделения информационного сигнала до предельного теоретически достижимого значения, путем снижения погрешности обработки сигнала до значения погрешности его оптимальной фильтрации.

4. Показано, что для индукционного первичного преобразователя характерно постоянство вероятности ошибки обнаружения информационного сигнала в процессе движения МО вследствие установленной независимости энергии его выходного сигнала от скорости регистриру-

мого МО. Это позволяет использовать мультиплексирование нескольких датчиков РРК на общее устройство обработки информационного сигнала, что повышает помехозащищенность УКЛС и значительно упрощает его структуру.

5. Предложена методика проектирования УКЛС, обеспечивающая минимизацию обобщенного параметра, который характеризует вероятность ошибки обнаружения, методическую и инструментальную погрешности.

6. Предложено с целью минимизации динамической погрешности УКЛС в качестве признака для формирования старт-стопных сигналов при из-измерении интервалов времени пролета ЫО использовать максимум информационного сигнала.

7. Получено выражение для комплексного передаточного коэффициента введенного в структуру УКЛС функционального преобразователя, который обеспечивает увеличение чувствительности УКЛС к информационному сигналу более чем в 2,7 раза.

8. Разработана методика испытаний УКЛС, основанная на последовательном выделении и измерении составляющих погрешностей испытуемого УКЛС, путем выбора в качестве расчетного режима на первом этапе испытаний равномерного движения ( при этом определяются статические составляющие погрешности), а затем на втором этапе равноускоренного движения. Показано, что в режиме равноускоренного движения МО методическая погрешность измерения скорости минимальна, что обеспечивает более полное выявление возможностей сравниваемых вариантов УКЛС.

9. Исследование экспериментального образца УКЛС с РРК на стенде, представляющем собой физическую модель ЭДУ ВСМ, показало правильность его функционирования в эксплуатационных режимах, при этом полная погрешность измерения скорости не превышала 5%, а задержка на управление нэ превосходило 3 ms. Намечены пути по дальнейшему повышению точности измерения скорости. Предложен вариант структуры УКЛС, в котором использовано восстановление значения скорости на интервале ее измерения при потере информационного сигнала от датчика в процессе его обработке в УОИС, что обеспечивает снижение погрешности измерения скорости до 1%.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Кириевский Е.В., Михайлов A.A. Использование функциональных преобразователей для получения максимума полезной информации из сигнала // Изв. вузов. Радиоэлектроника - 1989.- Т.32; N 11. -С. 49 - 51.

2. Кириевский Е.В., Михайлов A.A. Информационный анализ фильтра, оптимального по критерию минимума ошибки обнаружения// Изв. Сев.

- Кавказ, науч. центра высшей школы. Техн. науки - 1988.- N 4. - С. 64 - 69.

3. Михайлов A.A. Определение передаточной функции первичного преобразователя устройств счета / ОКТБ "СТАРТ". - Новочеркасск, 1987

- Деп. в ЦНИИТЭИприборостроения. 9.04.87 N 3737 ПР.

4. Кириевский Е.В., Михайлов A.A. Метрологическая оценка допустимой ошибки обнаружения объекта скоростемером с распределенным регистрирующим контуром // Изв. ВУЗов. Электромеханика. - 1994. - N 1.

5. Кириевский Е.В., Михайлов A.A. Выбор параметров распределенного регистрирующего контура измерителя скорости времяпролетного типа // Изв. Сев. - Кавказ, научн. центра высшей школы. Техн. науки. -1993. - N 3-4.

6. Научно-технический отчет. Разработка микропроцессорных автономных систем управления специализированными установками прямого преобразования энергии. (АСУ "Молния -С", АСУ "Искра"). Отчет по НИР/ Кириевский Е.В., Михайлов В.В., Казаков В.И., Михайлов A.A. и др// Предприятие п/я В-2015. Инв. N 286186. Для служебного пользования. - Новочеркасск, 1985.

7. A.C. 1661644, СССР МКИ G 01P3/36. Устройство для измерения скорости линейного перемещения объекта / Кириевский Е.В., Михайлов A.A. Б.И. N 25, 1991.

8. A.C. 1737345 СССР, МКИ G 01РЗ/64. Устройство для измерения скорости перемещения объекта / Михайлов A.A. БИ N20, 1992.

9. A.C. 1569714 СССР, МКИ G 01P3/36, 3/64. Устройство для измерения скорости линейного перемещения объекта / Кириевский Е.В., Михайлов A.A. Б.И. N 21, 1990.

10. A.C. по з-ке 4705669/24-10, МКИ G 01РЗ/64. Устройство для измерения скорости перемещения объекта / Михайлов A.A.(СССР) от 15.06.89.

11. A.C. 1672377 СССР, МКИ G 01РЗ/64. Способ измерения скорости движения проводника с током / Кириевский Е.В., МихайловА.А., Седых А.И. БИ N 31, 1992.

12. A.C. 1672378 СССР, МКИ G 01 РЗ/64. Способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации / Кириевский Е.В., Михайлов A.A., Седых А.И. Опубл. Б.И. 31, 1992.

13. A.C. 1583846 СССР, МКИ G 01РЗ/64. Способ измерения скорости движения объекта / Кириевский Е.В., Михайлов A.A., Седых А.И.Опубл. Б.И. N 29, 1990.

14. Кириевский E.B., Михайлов A.A. Оценка методической погрешности измерителя линейной скорости с РРК // Изв. ВУЗов.Электромеханика - 1994.- N 2.

15. A.C. 1682937 СССР, МКИ G 01РЗ/64. Устройство для измерения скорости движения объекта / Михайлов A.A. БИ N 37, 1991.

16. A.C. 1720018 СССР, МКИ С 01РЗ/64. Устройство для измерения параметров движения / Михайлов A.A. БИ N 10, 1992.

17. A.C. 1789933 СССР, МКИ G ОРЗ/64. Устройство для измерения скорости движения объекта / Михайлов A.A. БИ N 3, 1993.

18. A.C. 1661645 СССР, МКИ G 01РЗ/64. Устройство для измерения скорости движения объекта / Михайлов A.A. БИ N 25, 1991.

19. A.C., 1780015 СССР, МКИ G 01Р 3/64 Устройство для измерения скорости движения объекта / Михайлов A.A. БИ N45, 1992.

20. Микропроцессорная система сбора и обработки информации для определения параметров движения сверхзвуковых потоков / Кириевский Е.В., Михайлов A.A., Михайлов В.В., Перков С.А.// Передовой производственный опыт. - 1989 - N 5. - С. 14-16.

21. A.C. по з-ке 4857009/10, МКИ G 01РЗ/64. Способ измерения скорости движения объекта / Михайлов A.A.(СССР)

22. A.C. 1739297 СССР, МКИ G 01РЗ/64. Способ измерения скорости движения объекта / Михайлов A.A. Опубл. Б.И. N21, 1992.

23. A.C. 1165618 СССР, МКИ G 01РЗ/469. Устройство для измерения скорости перемещения /Кириевский Е.В., Михайлов A.A..Б.И. N 47, 1990.

24. A.C. 1765772 СССР, МКИ G 01РЗ/64. Устройство для измерения скорости движения объекта / Михайлов А.А.БИ N 36, 1992.

25. Кириевский Б.В., Михайлов A.A. Исследование методической погрешности измерителей скорости времяпролетного типа // Изв. Сев.-Кавказ. науч. центра высшей школы. Техн. науки - 1993. - N 3-4.

26. Михайлов A.A. Исследование стабильности и серийнопригодно-сти датчиков регистрации движения // Изв. Сев. - Кавказ.науч. центра высшей школы. Техн. науки. - 1990. - N 4. С.102-104.

27. Кириевский Е.В., Михайлов A.A., Михайлов В.В., Парков С.А. Микропроцессорные системы многоканального контроля параметров импульсов управления // Передовой производственный опыт. - 1991.- N 2. -

С. 14-16.

28. Михайлов A.A. Определение оптимальной структуры бесконтактных устройств счета / ОКТБ "СТАРТ". -Новочеркасск, 1988. Деп. в Ин-формприбор 2.03.88, N 4138 - ПР 88.

29. Михайлов A.A. Определение структуры и параметров бесконтактного устройства счета для дискретного производства / ОКТБ "СТАРТ"-Новочеркасск, 1988.- Деп. в Информприбор 15.02.88, N 4090 - ПР. 88.