автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Сенсорно-программные устройства интерактивного контроля динамических объектов с переменными позиционно-силовыми характеристиками

Г~о ОД

/ 6 ю 1233

На правах рукописи

Осокин Юрий Анатольевич

СЕНСОРНО-ПРОГРАММНЬШ УСТРОЙСТВА ИНТЕРАКТИВНОГО КОНТРОЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ С ПЕРЕМЕННЫМИ ПОЗИЦИОННО-СИЛОВЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Специальность 05.11Л 3 - приборы и методы контроля природной среды, веществ, .материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул 1998

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им.И.И.Ползунова

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Госьков П.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Горбов М.М. кандидат технических наук,

доцент Варгасов О.Б.

Ведущая организация ОАО «Алтайский научно-исследовательский

Защита состоится 30 июня 1998 г. в 10 часов на заседании специализированного совета К.064.29.01, действующего при Алтайском государственном техническом университете им. И. И. Ползунова, по адресу: 656099, Барнаул, пр. Ленина 46

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова.

Ваш отзыв в 1 экземпляре, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 656099, г. Барнаул, пр. Ленина 46.

институт технологии машиностроения»

Автореферат разослан Ученый секретарь специалюир

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При работе автоматических комплексов с применением цикловых перемещений деталей, в частности, в робототехнике, часто возникают аномальные ситуации, когда движения объектов выходят за предельно допустимые границы, нарушается точность, создаются аварийные ситуации. Такие явления характерны при стремлении обеспечить максимальную скорость и ускорение на участках разгона и торможения, а также, при действии дестабилизирующих факторов.

В настоящее время существует тенденция применения методов контроля динамичных объектов с использованием ЭВМ, что позволяет добиться высокой точности позиционирования и отслеживания траекторий при наличии дестабилизирующих факторов (ДФ). Однако высокие затраты вычислительных ресурсов ограничивают сферу применения таких систем. Хорошие результаты при решении данной проблемы достигаются применением интерактивного контроля как сочетания непрерывного контроля с автоматическими воздействиями на привод объекта и коррекцией переходной функции с использованием в качестве сенсоров координатно-чувствительных фотоприемников (КЧФ). При этом сенсорно-программные устройства на основе развертывающих фотоприемников с числом отсчетов до ед. в диапазоне до 25 мм, с применением многолучевых преобразований дают возможность достичь компромисса между качеством управления и затратами вычислительных ресурсов. Однако, для проведения разработки конкретных технических образцов сенсорно-прозраммных устройств к настоящему времени недостаточно исследованы особенности многолучевых преобразований на основе координатно-чувствительных фотоприемников с учетом динамики, комбинационных и функциональных характеристик сигналов. Это показывает актуальность проведения исследований и конструкторских разработок по данному направлению.

Работа по теме диссертации выполнялась в соответствии с перспективным координационным планом по программе «Создать и освоить автоматические манипуляторы».

Цель работы. Настоящая работа посвящена разработке и исследованиям сенсорно-программных устройств интерактивного контроля динамических объектов с переменными лозиционно-силовыми характеристиками, разработке методов теоретической и экспериментальной оценки их технических характеристик, а также разработке и внедрению на основе проведенных исследований действующих макетов, стендов и опытных образцов приборов.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

- исследования функциональных особенностей сенсорно-программных узлов интерактивного контроля объектов автоматических комплексов с переменными позиционно-силовыми характеристиками;

3

- разработка модели комплексных сенсорно-программных преобразований сигналов на основе координатно-чувствительных фотоприемников;

- разработка принципов построения сенсорно-программных устройств;

- разработка и создание действующих образцов устройств интерактивного контроля объектов автоматических комплексов.

Научная новизна работы. Решение поставленных задач определило научную новизну данной работы, которая заключается в следующем:

- разработка модели комплексных многоканальных преобразований сигналов для интерактивного контроля подвижных объектов на основе программных светоформирующих функциональных преобразований световых сигналов и применения КЧФ;

- разработка принципов построения сенсорно-программных устройств и алгоритмов, обеспечивающих возможность осуществления интерактивного контроля на основе аналоговых развертывающих КЧФ;

- теоретические исследования многолучевых преобразований (МЛП) на основе КЧФ с непрерывной аналоговой структурой. Вывод аналитических выражений, определяющих точность контроля параметров световых зон при МЛП, и на основании их вывод положений о рациональной компоновке световых зон при многолучевой засветке;

- разработка, создание и внедрение ряда образцов, выполненных на основе проведенных в работе теоретических исследований.

Методика исследования. При выполнении работы применялись экспериментальные и теоретические методы исследований, теория вероятности и математической статистики. Исследования позиционно-силовых характеристик проводилось путем проведения экспериментов и с помощью имитационного и статистического моделирования: с применением экспериментального оборудования лаборатории НПЛ-18 АлтГТУ и на производстве в ПО «Алгайпрессмаш» и использоваланием ЭВМ (АМБ/Р90/1.27СВ).

Практическая ценность. Применение полученных результатов повысило качество активного контроля динамических объектов и устойчивость характеристик при дестабилизирующих воздействиях. Результаты разработок могут быть использованы для решения широкого круга задач, связанных с активным контролем автоматизированных комплексов в производстве и других областях науки и техники, а также в учебном процессе ВУЗ.

Реализация научно-технических результатов. Исследования проводились в рамках договоров на передачу результатов научно-технических достижений №17-81, 22-78, 8-87, по координационному плану 0.16.09 «Создать и освоить автоматические манипуляторы». Результаты исследований (действующие устройства) внедрены на предприятиях гг. Омска, Мурома, Барнаула. Материалы диссертации используются в учебном процессе АлтГТУ на факультете информационных технологий и бизнеса по курсу «Теория, расчет и проектирование приборов и систем».

-4-

Основные защищаемые положения.

1. Концепция интерактивного контроля на основе сенсорно-программной динамичной модели (СПДМ) с использованием непрерывной позицион-но-силовой информации.

2. Принципы построения сенсорно-программных устройств интерактивного контроля.

3. Схемы реализации сенсорно-программных устройств посредством комплексных многоканальных преобразований на основе координатно-чувст-вительных фотоприемников.

Публикации. По материалам выполненных в диссертации исследований опубликовано 19 работ, получено 3 авторских свидетельства на изобретение.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на 12 Международных, Всесоюзных и Республиканских научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе, на IV ВНТК "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение"(Москва,1982), ВНТК "Надежность, живучесть и безопасность автоматизированных комплексов" (Москва, 1988), ВНТК "Робототехнические устройства в отраслях народного хозяйства" (Минск,-1981), ВНТК "Измерение и контроль при автоматизации производственных процессов" (Барнаул, 1994) и др. . По разработкам и внедрениям приборов, выполненных по данной теме получены три медали ВДНХ СССР, медали и дипломы Республиканских научно-технических выставок в г.г. Курске, Тольятти, Иваново, дипломы краевой выставки.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 142 страницах, включая 80 рисунков и списка литературы из 146 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы, приведена научная и практическая значимость работы, сформулированы цель работы и ее научная новизна, приведена краткая характеристика работы.

В первой главе диссертации проведен анализ устройств программного управления в робототехнике и мехпрессовом производстве. Показано, что обычные методы позиционного контроля и управления динамическими объектами не исключают аномальные ситуации и случаи выходов подвижных узлов за предельно допустимые границы. При рассмотрении проблем интерактивного контроля в робототехнике отмечено, что важным вопросом при реализации ИАК является функциональные возможности сенсорного обеспечения и реализация ответной реакции объекта.

5

Рассмотрены методы с различной степенью позиционного и силового доминирования. Наиболее гибким, и в то же время наиболее сложным , является последний метод. Для устранения погрешностей динамического характера при реализации интерактивного контроля требуется получение позиционно-силовой информации подвижного объекта и определенные алгоритмы автоматической коррекции воздействий на привод объекта. При этом возможно применение методов синтеза и анализа. Задачи, характерные первому методу, решались для управления роботами типа «Кавасаки юнимето». Траектория, скорость и ускорение задавались по предполагаемой электронной (кулачкового вида) траектории. Уравнение промробота представлялось вектором положения с определением его на основе тензорных преобразований более быстрым для вычислений методом с использованием пакета стандартных программ. Однако, при недостатке возможностей привода не исключаются неисполнимые ситуации.

Поэтому за основу принято обратное решение (метод анализа ), при котором определение положения объекта производится по заранее заложенным в программу позиционным перемещениям. Посредством электронной - программной кривой предполагается возможность установить входную функцию, при которой выходная кривая совпадет с заданной.

Для управления с использованием силовых характеристик за основу принято рассогласование е программного угла Q„ и текущего Qb вызванное силовым возмущением. Позиционно-силовое рассогласование определяется из уравнения, описывающего движение системы с моментом инерции J, коэффициентом вязкого сопротивления Кв, коэффициента жесткости Кж, момента сопротивления М,-:

JQ+KBQ + K!KQ = KacQn-Mi, (1)

которое после преобразований Лапласа и решения его относительно e(s) позволяет сделать вывод, что при установившихся значениях реакции системы управления и момента нагрузки рассогласование е пропорционально моменту внешней нагрузки

е = Mi / К». (2)

В результате проведенных исследований для реализации в интерактивном режиме позиционно- силовых факторов разработана динамичная, работающая параллельно с контролируемым процессом сенсорно-программная модель ( СПДМ ) с применением динамичных светоформируемых контуров. Алгоритмы воздействий на объект и модель идентичны. Показано, что высокое качество интерактивного контроля динамических объектов достижимо применением сенсорных устройств на основе координатно-чувствительных фотоприемников.

При этом способе целевое значение не поступает извне, как в обычных позиционных системах, а определяется исходя из текущего распределения сил, заменяет предыдущее, и на сенсорном уровне формируется новое значение корректирующего воздействия. Рассмотренный метод предъявляет жесткие требования к сенсорным узлам СПУ. Для приближения модели к реальному процессу опорные функции корректирующих переходов представлены набором функций прогнозирующих воздействий (НФПВ). Постоянная времени модели соответствует основной постоянной времени замкнутого контура регулирования. Контроль силовых воздействий осуществлен на основе оптоэлекгронного преобразования величины тока в цепи электропривода, который зависит от приложенных к объекту внешних сил.

Учитывая активный характер контроля, проведен анализ диапазонов устойчивости СПУ с описанием характеристическим уравнением третьего порядка :

а„р3 + а!рг +а2р +а3 = 0 (3)

Рис 1. Анализ параметров сенсорно-программной коррекции по диаграмме устойчивости (А. В - безразмерные коэффициенты)

По критериям И.А.Вышнеградского показано попадание во 2-ю область (рис. 1) устойчивости (для двух комплексных корней с отрицательной вещественной частью и отрицательным вещественным). Это показывает монотонный характер переходного процесса, в котором ни величина отклонения, ни ее производная не меняют знака во время переходного процесса (в сравнении с обычными методами, характеризуемыми 1-й областью устойчивости с многократными сменами производных при перерегулированиях). В случаях силовых воздействий, ведущих к возрастанию постоянной времени объекта и форсированной коррекций возможно смещение в 3-ю область устойчивости с однократным перерегулированием. Сделан вывод, что требуемая динамика объекта технически осуществима на основе СПУ КАК.

7

Анализ применяемых в производстве различных устройств программного управления показывает, что по принципиальному и элементному исполнению традиционные схемы недостаточно удовлетворяют требованиям позиционно-силового ИАК. Для оценки сенсорной базы СПУ проведен анализ фотоэлектрических устройств: фоторезистивных матриц - ФРМ, фотодиодных матриц - ФДМ, фототранзисторных матриц - ФТМ, ПЗС, и др. При оценке требуемых для СПУ ИАК свойств отмечено, что разброс интегральной чувствительности между элементами у ФРМ составляет отЮ до 50%, у ФДМ от 4 до 25, у ФТМ от 30 до 75, у ПЗС от 10 до 25 %. Погрешности вносятся также наличием паразитных перекрестных связей, коммутационными узлами. Явления разброса чувствительности от элемента к элементу нежелательны при интерактивном контроле на участках экстремальных динамических изменений целевой функции, где требуется стабильность фронтов сигналов, особенно, при многолучевых преобразованиях.

С учетом изложенного в качестве сенсорного преобразователя выбран фотоприемник непрерывной структуры позволяющий осуществлять многоканальные преобразования сигналов с позиционно-силовым содержанием, в частности, в замкнутой схеме позиционно силового ИАК (рис.2).

Рис.2. Замкнутые схемы позиционно-силового ИАК (пунктиром обозначена обычная схема); 1 - усилитель привода; 2 - исполнительный привод; 3 - вычислительное устройство (ЭВМ); 4 - ЦАП; 5 - потенцио-метрический датчик; 6 - АЦП; 7 - объект манипулирования; 8 - видеопреобразователь; 9 - СПУ: 10 - узел суммирования

—♦—Г5 —®— 1а--И —К—14

1 Вт /

и <

1 0 5 1

- ^ V X - / . Ч / 1

—Рис.3. Функциональные элементы СПУ па основе СПДМ -заданная функция; - текущее положение; £ - переходная функция; команды)

8

При анализе координатно-чувствительных фотоприемников сделан вывод, что несмотря на большой объем разработок по рассматриваемой теме, имеющихся результатов недостаточно, чтобы четко сформулировать конструктивные требования к свегоформирующей системе при разработке многоканальных преобразователей, в том числе при определенной комбинаторной динамике сигналов. В то же время, как следует из вышеизложенного, именно компоновочные характеристики при многоканальных преобразованиях, а также колебания интенсивности световых полей являются доминирующими при разработке СПУ для решения конкретных практических задач. Отсюда вытекает необходимость и актуальность проведения исследований многоканальных преобразований и принципов построения сенсорно-программных устройств.

Во второй главе рассмотрены принципы построения сенсорно-программных устройстг интерактивного контроля с учетом свойств, определяющих наилучшее функциональное соответствие СПУ технологическим требованиям в аспекте основных положений концепции сенсорно-программного интерактивного контроля динамических объектов в условиях действия дестабилизирующих факторов.

Основные характеристики сенсорно-программных устройств определяются способами формирования информационного и программно-задающего кодов, алгоритмами активных воздействий на объект в процессе интерактивного контроля, способами корректировки сенсорно-программного кода. При этом важное значение приобретает техника развертывающих многоканальных преобразований с учетом позиционных (координатных), амплитудных и временных диапазонов сигналов; компоновочные решения при размещениях световых зон на координатно-чувствительной поверхности фотоприемника; исследования функциональных взаимосвязей между каналами; вид комбинационных схем сигналов « вход - выход» программных блоков СПУ; способы реализации рассогласований и формирование опорных корректирующих функций.

При разработке принципов построения СПУ принималось предположение, что если основные характеристики привода опытно известны, то в процессе интерактивного контроля можно установить такую входную функцию, чтобы выходная совпадала с программно заданной в минимально допустимых пределах отклонений. Для реализации заданных параметров движения объекта ставилась задача синтеза целевой функции электронно регулируемыми контурами световой зоны и объединении с ней на единой координатно-чувствительной поверхности фотоприемника контролирующей зоны.

При программном синтезе корректирующих функций с целью ограничения вычислительных затрат осуществлено введение разумного числа разнообразий корректирующих функций и е и

п(Нк) = Еа,п,(к) ( к = 0, 1, (4)

где - базисные функции в виде единичных, согласованных с кодом управляющих сигналов У(д+к) блока развертки фотоприемника; а| - весовые функции, устанавливаемые с учетом того, чтобы величина угловой скорости и максимальная величина углового ускорения не превышали допустимых значений. Для анализа методов МЛП разработаны модели графиков целевых функций типовых циклов движения объекта для определения точности преобразований при сканировании световых зон - программной и контрольной (рис.3,4 ), и получения величины рассогласования.

-I—I—г-

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 0,8 I

Рис.3. Графики прогнозируемой скорости Уар при нормальных условиях, при 50% изменении силовых факторов - Ус, и средних значений при типовых позиционных методах контроля - Уа

ОгНи/б* 10000

5000

о

-5000 -10000

-1-1-I ч * —|-й;

0,2 0,4 0,6 В,

1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 <

Рис.4. Графики прогнозируемого ускорения при нормальных условиях Аср, при 50% изменении силовых факторов - А, и средних значений при позиционных методах контроля Аа Для реализация алгоритма интерактивного контроля разработаны методы ^дифференциально-операторных компоновок (ДОК) световых зон (рис.5).

10

При этом рассмотрены следующие варианты ДОК: а) на основе ассоциативного постоянства световых полей: ZC Kf = const (С -размеры световых зон, п - число зон, Kf - коэффициент освещенности; б) равнопеременных световых зон; в) с волоконно-оптическим формированием световых полей; г)на основе энергозависимой апертуры.

СТГ

в) г)

Рис.5.Варианты дифференциально-операторных компоновок на координатно-чувствигельной поверхности фотоприемника (А, Б - световые зоны; СТГ - свето-теневые границы; Ух - направление перемещения СТГ)

В результате сделаны выводы, что рассмотренные методы синтеза программных светоформирующих контуров, в частности, на основе ассоциативных компоновок, позволяют осуществлять корректировку границ с расчетной погрешностью от 1,2 до 2,5 % при действии дестабилизирующих факторов до 50%, и могут обеспечить в рассматриваемом диапазоне снижение аномальных позиционных и динамических явлений при ИАК объекта.

Для осуществления позиционно-силовой коррекции разработан алгоритм вычисления рассогласований на основе сопоставлений кодов видеосигнала после одновременного сканирования световых сигналов: целевого <&1 и текущего Ф2 (рис.6). Число импульсов в пачках видеосигнала соответствует координатам световых лучей, положению объекта и его целевой функции.

11

Рис.б.Реализация рассогласований на основе многоканальных преобразований видеосигнала в СП У

Цифровое сопоставление чисел импульсов в пачках N1 и N2 дает рассогласование N«5 характеризующее изменение момента внешних сил

Мр = К*е=Г4еК„Кж. (5)

Для компенсации внешней нагрузки вводится коррекция усилия привода и коррекция новой целевой функции. Для сближения поведения динамичной, непрерывно действующей с реальным процессом модели опорные функции коррекции реализуются как функции сигналов, проходящих фильтр нижних частот первого порядка с постоянной времени, соответствующей основной постоянной времени контура регулирования.

При произвольных компоновках световых зон возникают погрешности от 5 до 10%. Предложенные методы дифференциальной компоновки световых зон позволяет значительно снизить погрешности в Кдк раз :

Кдк = (Е„ - Ебз)/(( Еап - Ей ) - ( Ебп - Ебз)) = 2 ... 42, (6)

где Еап, Еаз - погрешности определения координат переднего и заднего фронтов первой зоны ( зоны А ); Е6ш Еб3 - соответствующие погрешности координат второй световой зоны ( зоны Б ). Максимальная эффективность метода проявляется в тех случаях, когда при текущих изменениях размеров световых зон устанавливается их равенство, т.е. при минимальном рассогласований рис.5).

В третьей главе проведены исследования апертурных искажений при многолучевых преобразований на основе КЧФ с непрерывной структурой и влияний физических особенностей КЧФ в процессе многолучевых преобразований на точность фиксации координат световых зон с целью снизить влияние искажений на функциональные возможности СПУ при использовании их для ИАК.

Для достижения достаточной точности преобразований световых сигналов, и для выбора оптимальных, теоретически обоснованных вариантов компоновки световых зон, проведено исследование апертурных искажений (АИ) сигналов при многолучевых преобразованиях на основе КЧФ. Данные явления проявляются в искажении границ изображения, зависят от размеров и взаимоположения световых сигналов на поверхности фотоприемника и сопровождаются изменениями спектрального содержания сигналов.

При анализе АИ фотоприемника с непрерывной координатно-чувстви-тельной поверхностью предположено, что в зоне проецирующего луча световой поток зафиксирован, диафрагма движется по направлению и со скоростью линии нулевого потенциала (ЛНП) при работе КЧФ в развертывающем режиме(ряс.3.1,6). Таким образом аналогом резвертывающего элемента принимается рабочая световая зона размером ср . Резкая граница светотеневого контура при АИ размывается в виде плавного изменения яркости в видеосигнале с увеличением фронта видеосигнала в ка раз между уровнями (0.1 - 0.9) ивс

еа = каср/У„ (7)

где значение ка имеет минимальное значение (ка= 1.16) при одиночной зоне и резко возрастает при многолучевых потоках. Апертурные искажения наиболее ощутимо проявляются при многоканальной передаче, когда растекания световых сигналов близко расположенных световых зон складываются и изменяют вид результирующего видеосигнала.

При исследовании АИ выведено выражение зависимости коэффициента Коп (сигнал / шум) от модуляции при эквидистантной компоновке световых зон:

Ксщ = (1 + М(№)/(1 -М(Р0, (В)

которое при заданных значениях Ксш позволяет рассчитать минимальное сближение световых зон и диапазон их перемещений и тем самым предотвратить снижение разрешающей способности и снизить уровень помех.

При выборе способа коррекции видеосигнала взят во внимание детерминированный характер кода светолучевых шлей на координатно-чувстви-тельной поверхности фотоприемника. При этом структура корректора в отличие от применяемых телевизионных адаптивных корректоров, учитывающих особенности зрительского восприятия изображения, упрощается.

Особенности физических свойств координатно-чувствительных фотоприемников с непрерывной структурой оказывают влияние на качество преобразования сигналов при МЛП. На точность регистрации координат световых зон влияет ряд физических эффектов, среди которых существенное значение оказывают: неравномерности перетоков темновых токов и фототоков, фоторезистивный эффект, фотогальванический эффект, эффект несимметрии вольт-амперных характеристик фоточувствительных слоев. В связи с этим произведены теоретические исследования многоканальных преобразований с учетом данных особенностей.

13

При исследованиях потенциальных искажений делительного слоя сканисгора темновыми токами и фототоками при многолучевых преобразованиях световых сигналов выведены теоретические выражения, характеризующие точность преобразования координат световых зон.

Теоретический анализ характера распределения напряжения на делительной шине координатно-чувствительного фотоприемника на опрошенном участке от 0 до X (при перемещении линии нулевого потенциала до координаты X) показал, что

И^Ы^Х/Ь (9)

на участке от X до Ь

и„=1(1К<1(Ь-Х)/Ь (10)

Функциональное распределение фототоков с учетом изложенных выражений иллюстрируется на рис.7. Распределению напряжений на делительной шине фотоприемника при одинаковых по освещенности световых зон характерна явно выраженная нелинейность.

Проведенные исследования фототоковых искажений (ФТИ) в процессе сканирования светового изображения показывают появления различных не-линейностей преобразований видеосигнала в различных областях коорди-натно-чувствительной поверхности фотоприемника.

30 20 10 0 -10 -20 -30 40

о и [

1 7 9 1П 4 1? п 14 и 15 1(5 17 1В 19

- 0н ни Ш-и -

□

III

Х,тт

Рис.7. Функциональное распределение напряжения на делительной шине фотоприемника, определяемое фототоками восьми эквидистантных равноосвехценных световых зон

Суммарное падение напряжения зависит от числа п световых зон и положения ЛНП, и при прохождении ш -зоны (т =1,..., п) с координатами передних фронтов Хп и задних Х3 на длине координатно-чувствительной поверхности размером Ь и сопротивлением делительного слоя Лд определяется:

IV =[? Хз)2- (Ь - Хп )2) / Ь2] / 2 (10)

Рис.8. Искажения координат передних фронтов перераспределениями темновых токов и фототоков 4-х равноудаленных световых зон Хш = 1мм при Кф = 1 (к,, к,, к7, к,0), Кф - 2 (к2, к5, к8, кп), Кф = 5 (к3, к6, кд, к12)

00,1 1,22,33,4 4, 55,6 6, 7 7, 8 В, 8 9, 1010111112)213(3 X 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 ,5 ,5 ,5 ,5

Рис.9. Эквилотенциональные погрешности определения координат фронтов световых зон 'Хек при определенной форме компоновки ( эквидистантный эффект)

Координатная ошибка, обусловленная перегруппировкой темновых токов и фоготоков при этом определится:

'X = X - Хр = 'Е, Ь / (Е0 Х) = 1 - Ь / X {1 4-[21ЛЬ-Х)Ы-1е(Ь-Х)2+£ I, ((Ь - Хз)2-( Ь - Х„ )2)] / [21<ХЫ-1,Х2 + ЕК (Х„2-Хз2)]}. (12)

Обобщенное выражение с учетом приведенных выше уравнений принимает вид:

лХ = Х-Ь/{1 + [21„(Ь-Х)Ь + 14(Ъ-Х)2 + + 1г£((Ь- Хз1 )2-( Ь - Хп1 )2)] / [2 1„ X Ь +1» X2 +

+ Рг2 (Х„2 -X,2)] /К„]} --[С1гНр(1-1/Кп)Е [Х(Ь-Х)/Ь2]/(Е0Ь) + +х- ь/{[1 + [((Ь-Х-(1 - к«) £(Хз, - х„0) I /(Х-(1-К0 2(Ха-ХпО-1Г(1-К«)£'(Ха-Хп|) )]}. (13) В результате теоретических исследований определен характер проявления погрешностей при многолучевых преобразованиях. На рис.10 представлены погрешности координат световых фронтов:"Х2, "Х2 - переднего и заднего фронтов; "Х2г, - составляющие искажений фототоками и темновыми токами переднего и заднего фронтов; 'Хш, - ширины световых зон; 'Хш, 'Х2кс - составляющйе фоторезистивных искажений и несимметрии Полупроводниковых переходов переднего и заднего фронтов; - координат переднего фронта от совместного воздействия фототоков и фоторезистивного эффекта.

-> —*

Рис. 10. Графики погрешностей координат фронтов световых зон в результате воздействия искажающих факторов (1- "Х2; 2 - 'Х2; 3 - 'Х^; 4 - *Х2{, 5 - 'Хь; 6 - 'Хш, 7 - 'Ххь, 8 - 'Х2кс

Погрешности при определении ширины световых зон определятся: ХХШ = "Х„ - 'Xj = 'Xn - L / {1 + [ 2 Id ( L - X..i) L + + It (L - Х„., f+th (( L - X, )г-( L - X» )2)] / [2 Id Xn.,2 L +

+ It X,,.,2 + f It ( Xn2 - X/ )]} - X„.,+ L / {1 + + [2Id(L-Xn)L + It(L-Xn)2+ flf ((L - X3 )2-( L - X„ )2)] / / [2 I„ Xn.j L + f It X„_i2 + f Ir (X„2 - X/)]}. (14)

В результате сделаны выводы, касающиеся построения оптимальных схем СФУ:

1. Интегральный параметр многолучевого поля должно быть близким к постоянному значению: ¿С Kf = Const, где, Const. - постоянная величина, зависимая от вида КЧФ; С - размеры световой зоны, мм,; п - число зон; Kf -коэффициент относительной освещенности.

2. Эквидистантные схемы компенсации искажений, характеризующиеся эквипотенциальными погрешностями, дают возможность получения наиболее точных МЛП, в частности, на основе ДОК.

3. Для компенсации ФТИ видеосигнала следует применять корректирующие функции: U = A] Sin(L/2)wt + A2Sin(L/4)wt + А3, где Аь А2, А3 -весовые коэффициенты, пропорциональные интегральному значению фототоков при МЛП. Это позволяет снизить искажения, как минимум, до -10 дБ.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальной проверки теоретических положений работы с применением экспериментального оборудования лаборатории НПЛ-18 АлтГТУ и ПО «Алтайпрессмаш», Показано соответствие основных теоретических положений данным, полученным при испытаниях, в том числе, в процессе внедрений разработанных устройств в производство. Проведена разработка ряда СПУ для ИАК автоматизированных комплексов в мехпрессовом производстве. Разработано шести канальное сканисторное программное устройство СПУ-1 с выносной оптоэлектронной головкой для ИАК механического пресса в автоматической линии, свегоформирукмцая система выполнена на основе ДОК. Устройство защищено авторским свидетельством на изобретение.

Устройство СПУ-ЗМ с выносным датчиком ДКС-1 разработано для ИАК подачи заготовок в автоматической мехпрессовой линии. В устройстве применена ДОК с выбором параметров С, n, Kf на основе выведенных в третьей главе аналитических выражений. Применение сенсорно-программного ИАК с СПДМ позволило улучшить качество подачи заготовок (рис. 11) к автоматической линии в условиях действия дестабилизирующих факторов.

S,m e,m 10"

0 -1 -2

0 з ¡■^¿Wf'

--e 10

s

*— e" 10

t.c

Рис. 11.Графики движения контролируемой подачи заготовок:

SncK - заданное перемещения устройства подачи; S - действительное перемещение; е - отклонение от заданного при использовании устройства СПУ-ЗМ в режиме ИАК; с- отклонение при обычным активном контроле

Устройство внедрено в цехах заводов гг. Мурома и Омска, демонстрировалось на ВДНХ СССР и награждено бронзовой медалью. Экономический эффект внедрения устройства составил 31.7 тыс. руб. (1987 г.)

При разработке устройства СПУ-ЗК на основе теоретических результатов работы создан комбинаторный сенсорно-программный вариант ИАК с применением алгоритмов на основе исследованных УОП и эффективных кодов сигналов, что позволило достичь снижения дисперсии позиционных отклонений от заданных параметров в 2 - 8 раз при изменении силовых факторов до 50 % и повысить плавность движения манипуляторов. Разработка защищена авторским свидетельством на изобретение. Экономическая эффективность составила 15.9 тыс.руб. (1987 г.)

Входящий в состав разработанной автором СПДМ функциональный корректор опорной функции использован при разработке четырех устройств ТРН-2, внедренных на Лениногорском каскаде ГЭС. Применение корректируемой уставки с прогнозируемым интервалом блокировки регулятора синхронного генератора позволило добиться повышения статической и динамической устойчивости системы, в условиях дестабилизирующих факторов. По разработке получено авторское свидетельство на изобретение и две бронзовые медали ВДНХ СССР.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1.Разработаны модели сенсорно-программных преобразований контрольной информации динамичных объектов с переменивши позиционно-силовыми характеристиками, которые положены в основу сенсорно-программных устройств интерактивного контроля.

~~ 18

2

2. Проведена разработка принципов построения сенсорно-программных устройств, на основе которой разработан рад СПУ интерактивного контроля объектов с переменными позиционно-силовыми характеристиками.

3.Выведены теоретические выражения, определяющие точность многоканальных преобразований световых сигналов с применением твердотельных координатно-чувствительных фотоприемников и разработаны положения, применение которых обеспечивает снижение помех до - 10 дБ в вариантах сенсорно-программных устройств интерактивного контроля.

4.Разработана методика улучшения динамических свойств контролируемого объекта, в частности, устранения запредельных выходов при движении в условиях нестабильных внешних силовых воздействий. Разработан, создан и внедрен ряд сенсорно-программных устройств интерактивного контроля.

Основное содержание работы изложено в следующих работах:

1. Осокин Ю.А. Сенсорно-кодовая координация манипуляторов.// Измерение и контроль при автоматизации производственных процессов. Тез.докл. Всес. конф. - Барнаул. 1994, с. 209 - 210.

2. Осокин Ю.А. Контроль квазистабильных перемещений.// Датчики электрических и неэлектрических величин, докл. Междунар. конф. -Барнаул. - 1995, с.-68.

3. Госьков П.И., Осокин Ю.А. Ряд систем программного управления СПУ-1 - СПУ- 5.// Робототехника и автоматизация производственных процессов. Докл. 4.1: Всес. Конф,- Барнаул, 1983.- с.54-57.

4. Госьков П.И., Галиулин P.M., Осокин Ю.А.И др. Робототехнический комплекс: мехпресс-сканисторные программные устройства - манипулятор. //Робототехнические устройства в отраслях народного хозяйства. Тез.докл. 4.2: Всес.конф.- МинскД981,- с.8.

5. Госьков П.И., Осокин Ю.А. Сканисторная активная программная про-тивоаварийная автоматика в робототехническом комплексе.// Надежность, живучесть и безопасность автоматизированных комплексов. М.:1988,-с.110-111.

6. Осокин Ю.А. Комбинаторный метод в системах программного управления. // Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе. Всес. конф. Барнаул, 1987,- с. 104

7. Госьков П.И., Осокин Ю.А. Фотометрирование многолучевых оптических потоков в сканисторных программных устройствах. //Фотометрия и ее метрологическое обеспечение. Тез.докл. Всес.конф.,- М.: 1982.- с.331.

8. Осокин Ю.А. Сканисторная адаптивная дискретизация. //Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе. Тез.докл. ч. 2: Всес. конф.Барнаул,1980,- с.27.

9. АксеновС.Н., Госьков П.И., ОсокинЮ.А. Особенности преобразования многолучевых световых потоков в сканисторных программных устройствах.// Оптические сканирующие устройства и приборы на их основе. Тез. докл. Всес. конф. ч,2: Барнаул, 1984. - с.79.

10. А. с. № 1166061 СССР. Устройство для программного управления./ Госьков П.И., ГалиулинР.М., Осокин Ю.А.- опубл. БИ, 1985, №25.

11. А. с. № 1345169 СССР. Устройство для программного управления / П.И. Госьков, Ю.А. Осокин., Л.Н. Федин, и др.- опубл. Б.И.,1987, №38.

12. А. с. № 828357 СССР Устройство для автоматического регулирования возбуждения синхронного генератора/ П.И. Госьков, Ю.А.Осокин, В.П.Горелов, и др. опубл. в БИ., 1981, №17.

13. Босов В.П., Госьков П.И., Осокин Ю.А. Повышение эффективности систем управления применением полупроводниковых видеотрактов. //Структурные пропорции производственной сферы и основные направления ускоренного развития экономики (на период до 2005 г.): Тез. докл. Всес. конф.- Барнаул., 1984.- С.-90-92.

14. Осокин.Ю.А., Смирнов P.A., Богумил В.Н. О применении микропроцессоров в сканисторных программных устройствах (СПУ).//Измерение и контроль при автоматизации производственных процессов: Тез.докл. ч.З: Всес. конф,-Барнаул., 1982.- с.118-120.

15. Осокин Ю.А. О сканисторных программных устройствах.// Элементы оптоэлекгронных устройств. Межвуз. сб.- Барнаул: АлтПИ, 1979,-

с. 30-32.

16. Осокин Ю.А. Измерение параметров процессов, характеризующихся нестабильностью в цикле.// Измерения и автоматизация производственных процессов,-Межвуз. сб.-Барнаул: АлтПИ, 1983,- с.98-99.

17. Сенсорно-выборочная идентификация.// Измерение и контроль при автоматизации производственных процессов. Тез.докл. 4.2: Междунар. конф.- Барнаул., 1994.,-с.58-59.

18. Госьков П.И., Осокин Ю.А. Скоростная сканисторная микропроцессорная ориентация.// Микропроцессорные системы управления в робототехнических комплексах. Тез.докл. Всесюз. конф. - Челябинск, 1988.-с. 68.

19. Осокин Ю.А. Определение конфигурации изломов напряженной структуры применением дифференциальных операторов. // Пьезотехника. Тез.докл. Междунар. конф,- Барнаул., 1996,- с. 88-92.