автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Структурно-алгоритмические методы и средства инвариантных преобразований для систем управления технологическими процессами



На правах рукописи

ШАКУРСКИИ Виктор Константинович

СТРУКТУРНО-АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИНВАРИАНТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Самара - 1998

Работа выполнена в Тольяттинском политехническом институте.

Научный консультант - Засл. деят. науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Конюхов Н.Е.

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт

физических измерений (НИИФИ), г. Пенза

Защита диссертации состоится " ' ° " июня 1998 г. в_час.

_мин. на заседании диссертационного Совета Д.063.87.02 в

Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С.П. Королёва по адресу: 443086, Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного аэрокосмического университета.

Автореферат разослан " ^^ " апреля 1998 г.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу совета университета.

Учёный секретарь диссертационного Совета кандидат физико-математических наук, доцент

Официальные оппоненты: Доктор технических наук,

профессор ДУБИНИН А.Е.

Доктор технических наук, профессор НЕСТЕРОВ В.Н.

Доктор технических наук, профессор СЁМКИН Н.Д.

...А.А. Калентьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Достижение высокого качества продукции связано с контролем многочисленных параметров технологического процесса и соответствующей их коррекцией. Это подтверждается тем, что трудоёмкость контроля составляет более 15 % трудоёмкости всего общественного производства. Данная задача решается системами управления технологическими процессами (СУТП). Эффективность применения СУТП определяется точностью преобразований контролируемых параметров в информативные и управляющие сигналы в условиях интенсивного воздействия многофакторных возмущений.

Следовательно, одной из проблем повышения эффективности СУТП является проблема коррекции дополнительных погрешностей, возникающих из-за действия различного характера и интенсивности возмущающих факторов (ВФ).

Решение данной проблемы осуществляется по двум основным направлениям. Одно из них связано с совершенствованием узлов и элементов СУТП, второе направление определяется поиском оптимальных структур и алгоритмов обработки сигналов в СУТП. Оба направления развивались и продолжают развиваться, взаимно обогащая друг друга. Как показывает практика, только сочетание исследований по обоим направлениям позволяет добиться необходимой точности и надёжности современных СУТП.

Однако второе направление обладает более широкими возможностями, так как структурные методы коррекции погрешностей позволяют учесть влияние ВФ не только на отдельные блоки СУТП, но и на контролируемые и варьируемые параметры технологического процесса. Фундаментом исследований структурных методов коррекции погрешностей и синтеза соответствующих СУТП является теория инвариантности систем управления и теория чувствительности.

Введение в СУТП инвариантных аналоговых преобразователей значительно уменьшает влияние ВФ. Наличие средств вычислительной техники в СУТП позволяет использовать достаточно сложные и эффективные алгоритмы численной обработки сигналов и значительно увеличить точность структурных методов коррекции погрешностей.

Сохранение высокой точности СУТП, при увеличении диапазонов изменений контролируемых параметров и расширении условий эксплуатации, требует учёта нелинейности характеристик преобразователей указанных параметров в электрические сигналы и нелинейности дополнительных отклонений характеристик.

Обзор научно-технической литературы показывает, что известные методы и средства инвариантных преобразований не исчерпывают потенциальных возможностей направления. Одной из причин является недостаточность теоретических разработок по методологии синтеза инвариантных структур и алгоритмов коррекции влияния многофакторных возмущений.

Особенно ярко данная проблема проявляется в датчиках и параметрических преобразователях, которые эксплуатируются в наиболее жёстких условиях и подвержены максимальному влиянию ВФ. Выходные параметры датчиков реагируют не только на изменение контролируемого воздействия, но и на многие другие воздействия. Это обусловлено физическими эффектами, которые используются в датчиках. Принципиально невозможно создать датчик, который реагирует только на полезное воздействие. Нелинейность физических эффектов ограничивает рабочую область характеристик датчиков, а воздействие возмущений приводит к нелинейным дополнительным отклонениям характеристик. Исключить влияние возмущений на датчик можно только с помощью последующих преобразований.

Решение проблемы коррекции влияния многофакторных возмущений, создающих нелинейные дополнительные отклонения характеристик СУТП, является актуальной научно-технической задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Цель работы. Синтез структурно-алгоритмических методов и средств инвариантных преобразований контролируемых параметров и сигналов для СУТП, работающих в условиях воздействия многофакторных возмущений.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи.

1. Разработка метода синтеза двухканальных сжимающих отображений.

2. Исследование общей нелинейной математической модели двух-канального инвариантного преобразователя.

3. Синтез структур двухканальных инвариантных преобразователей с амплитудной, частотной и фазовой модуляцией выходного сигнала.

4. Разработка нелинейной математической модели влияния многофакторных возмущений.

5. Исследование численных алгоритмов коррекции нелинейной многофакторной дополнительной погрешности канала преобразования и нелинейных взаимных дополнительных погрешностей в многоканальных системах.

6. Разработка алгоритма парирования влияния многофакторных возмущений путём коррекции входного сигнала канала преобразования.

7. Создание и практическое применение инвариантных параметрических преобразователей и численных алгоритмов коррекции влияния многофакторных возмущений.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы аппроксимаций, теория измерительных преобразователей, теория чувствительности систем управления, теория инвариантности, теория вероятности, методы параметрического и структурного синтеза, теория погрешностей, имитационное моделирование на ПЭВМ и экспериментальные методы исследований.

Научную новизну диссертации определяют следующие основные результаты.

1. Предложен и теоретически обоснован метод синтеза сжимающих отображений в виде двух последовательных преобразований, первое из которых является сжимающим преобразованием, а второе нелинейным отображением результата сжатия.

2. Разработан метод контрольного значения для синтеза двухканальных сжимающих преобразований.

3. Разработаны нелинейные математические модели двухканальных преобразователей и получены условия их инвариантности.

4. Предложен метод синтеза структур инвариантных преобразователей с амплитудной, частотной и фазовой модуляцией выходного сигнала.

5. На основе разработанных математических моделей инвариантных преобразователей предложен способ синтеза численных алгоритмов коррекции нелинейной многофакторной дополнительной погреш-

ности канала преобразования и нелинейных взаимных дополнительных погрешностей в многоканальных системах,

6. Разработан численный алгоритм коррекции входных сигналов с целью парирования влияния на канал преобразования многофакторных возмущений.

Новизна метода синтеза сжимающих отображений и разработанных структур инвариантных преобразователей подтверждена авторскими свидетельствами на изобретения.

Практическая ценность.

Разработаны методы проектирования и опытные образцы двухка-нальных инвариантных преобразователей с амплитудным частотным и фазовым выходами, которые работают в режимах дифференциальных каналов, параллельных каналов, основного и компенсационного каналов. Условия инвариантности преобразователей выполняются при симметричных и асимметричных нелинейных характеристиках каналов и нелинейных дополнительных отклонениях характеристик.

Разработаны универсальные численные рекуррентно-итеративные алгоритмы коррекции многофакторных нелинейных дополнительных погрешностей в многоканальных системах преобразования контролируемых координат. Приведены методики определения коэффициентов алгоритмов.

Предложены методики аппроксимаций дробно-линейными функциями и дробно-линейным сплайном семейств нелинейных характеристик, методики линеаризации и преобразования характеристик, которые отличаются простотой и технологичностью.

Разработаны численные алгоритмы коррекции температурной дополнительной погрешности микропроцессорных приборов активного и послеоперационного размерного контроля деталей, которые работают в системах управления шлифовальными станками на предприятии АО АВТОВАЗ.

На защиту выносятся:

1. Метод синтеза двухканальных сжимающих отображений для моделирования инвариантных преобразований.

2. Математические модели двухканальных инвариантных преобразователей на базе сжимающих отображений.

3. Структуры двухканальных инвариантных преобразователей электрических сигналов.

4. Структуры инвариантных частотных и фазовых параметрических преобразователей, условия их инвариантности относительно внешних возмущений.

5. Рекуррентно-итеративные алгоритмы численной коррекции многофакторной нелинейной дополнительной погрешности и численной коррекции взаимных дополнительных погрешностей в многоканальных системах.

6. Рекуррентный алгоритм коррекции входного сигнала каналов без доступа к выходу, работающих в условиях интенсивного воздействия многофакторных возмущений.

Реализация результатов работы. Полученные результаты использованы в микропроцессорных приборах контроля отклонений размеров ИСЛ 9231М и в системе автоматизации цикла шлифования ЭПЗК 9624 на предприятии АО АВТОВАЗ. Разработанные алгоритмы используются при обработке результатов измерений на предприятии АОЗТ "Самарская кабельная компания". Издано учебное пособие "Структурные методы увеличения точности систем контроля и управления". Отдельные результаты работы переданы для использования на предприятия ЗАО "Куйбышевазот" и "Техсервизгазпром" РАО "Газпром".

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на "Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем" (Ростов- на- Дону, 1997 г.), на III Всероссийской конференции с международным участием "Теория цепей и сигналов ТЦиС-96" (Таганрог. 1996г.), на Всесоюзных научно-технических конференциях "Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем" (Москва, 1981г., 1985г.), "Информационно-измерительные системы ИИС-83" (Куйбышев, 1983г.), "Электромагнитные методы контроля качества изделий" (Куйбышев, 1978г.), на республиканских конференциях "Современные системы автоматического управления и их элементы" (Ереван, 1981г.), "Состояние и перспективные направления развития электрических измерительных преобразователей и датчиков неэлектрических величин" (Киев, 1981г.), "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления" (Пенза, 1983г., 1987г., 1988г., 1992г.), "Пути повышения качества и надёжности радиоэлектронного оборудования" (Куйбышев, 1980г.), на облает

ных и вузовских научно-технических конференциях в Томском политехническом институте (Томск, 1979г.), в Куйбышевском политехническом институте (Куйбышев, 1980г.), в Тольяттинском политехническом институте (Тольятти, 1985г., 1997г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 50 работ, в том числе одна монография, 5 научно-технических отчётов, 16 авторских свидетельств на изобретения. Приняты к публикации 4 статьи.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 314 наименований и 8 приложений. Общий объём работы 390 страниц, в том числе 200 страниц текста, 85 рисунков, 29 страниц списка литературы, 95 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы, изложены цель и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, дано краткое содержание работы.

В первой главе приведён анализ известных структурно-алгоритмических методов и средств инвариантного преобразования параметров датчиков и электрических сигналов для систем, работающих в условиях интенсивного воздействия возмущающих факторов.

Рассмотрены особенности СУТП, которые ограничивают круг методов стабилизации их характеристик. К таким ограничениям относятся отсутствие доступа к параметрическим датчикам в процессе их эксплуатации, невозможность коррекции условий протекания технологического процесса по параметрам конечного продукта, необходимость учёта влияния возмущающих факторов на компоненты технологического процесса.

Выполнен сравнительный анализ основных структурно-алгоритмических методов и средств инвариантных преобразований. Важную роль в решении проблемы инвариантных преобразований играет теория инвариантности, развития известными учёными, А.Г. Ивахненко, А.Ю. Ишлинским, А.И. Кухтенко, Б.Н. Петровым, Г.В. Щипановым и другими.

Современные методы и средства инвариантных преобразований сформировались на базе большого количества исследовательских работ и изобретений известных учёных Т.М. Алиева, Э.М. Бромберга, JI.H. Волгина, Э.И. Гитиса, М.А. Земельмана, K.JI. Куликовского, Н.Е. Конюхова, Б.Я. Лихтциндера, А.И. Мартяшина, A.M. Мелик-Шахна-зарова, П.П. Орнатского, Е.П. Осадчего, В.Б. Смолова, Ю.А. Туза, М.П. Цапенко, Э.И. Цветкова, В.М. Шляндина, Э.К. Шахова, и многих других.

Совершенствование средств инвариантных преобразований идёт по двум направлениям. Во-первых, совершенствуются узлы и элементы систем управления с использованием новых технологий их изготовления и компенсационных методов коррекции влияния возмущений, и во-вторых, разрабатываются оптимальные структуры преобразователей и алгоритмы обработки сигналов. Показано, что второе направление позволяет учесть влияние возмущений на компоненты и параметры технологического процесса, поэтому для совершенствования СУТП следует отдать предпочтение структурно-алгоритмическим методам.

Анализ различных модификаций дифференциальных и логометри-ческих методов построения преобразователей, использования цепей обратной связи, итеративных и тестовых процедур коррекции влияния возмущений подчёркивает фундаментальность принципа двухканально-сти при реализации инвариантных структур. В то же время делается вывод об отсутствии общих решений синтеза структур и алгоритмов обработки сигналов в нелинейных системах с нелинейными дополнительными отклонениями их характеристик.

Ставится проблема создания структурно-алгоритмических методов коррекции влияния многофакторных возмущений в нелинейных СУТП с нелинейными дополнительными отклонениями их характеристик. Формулируются ограничения, которые необходимо учитывать при решении проблемы.

Для решения проблемы используется принцип сжимающих отображений, являющийся одним из элементов функционального анализа. Синтез двухканальных инвариантных преобразований требует разработки сжимающих отображений Aj и А2 :

Д[ц(Дх:, Ас), Ьх, А4)] = Ц/?(*); ^

А^щЦьх, Аф,и2(Ах, А$] = и?п{х),

Щн{х) = Щщи), 112Н(х) = Р2(и2П).

где - Ах - изменение информативной координаты, - изменение возмущающего фактора, щ и и2 - выходные сигналы каналов, щп и и2П - значения сигналов после сжатия, иУ1 и и2Н " номинальные значения сигналов, Р1 и Р2 - дополнительные преобразования сигналов. Сжимающие отображения А] и А2 преобразуют семейства зависимостей в зависимости, инвариантные от и, в общем случае, не совпадающие с номинальными зависимостями. С помощью преобразований Р1 и они приводятся к номинальным или к другим необходимым зависимостям. Сжимающие отображения обладают рядом достоинств. Для нахождения решений используют итеративные алгоритмы, которые реализуются в преобразователях с помощью цепей коррекции. Эффективно решаются линейные и нелинейные задачи.

На основании изложенного сформулированы задачи дальнейших исследований, которым посвящены следующие разделы диссертации.

Во второй главе разрабатывается метод синтеза двухканальных сжимающих отображений.

Для синтеза сжимающих отображений разработан метод контрольного значения. По методу контрольного значения из сигналов щ и щ вычитаются сигналы коррекции иК1 и иК2. Сигналы коррекции формируются таким образом, что сумма или разность сигналов щп и и2П после преобразования равна контрольному значению У0. Метод контрольного значения позволяет реализовать условие контрольной суммы и условие контрольной разности. Условие контрольной суммы эффективнее использовать если изменение Ах вызывает противоположные изменения сигналов щ и а2 (дифференциальные каналы). Условие контрольной разности эффективнее использовать, если изменение Ах вызывает изменения Ну и и2 одного знака (параллельные каналы). Значения Ищ и и2П находятся в результате совместного решения уравнений

Щп =и1 ~ иК1> и2П = и2~ иК2-

Сигналы коррекции формируются по величине ошибки выполнения первого уравнения (2).

Находятся двухканальные сжимающие отображения, реализующие условие контрольной суммы. В результате решений (2) получены отображения:

_ щ(К2 + Ц0) + К^Цр - щ),

Щп К^К^+щ+щ '

и, = + Ц0) + К2Щ0 - щ) 2/7 /Г] + К2 + и\ + Щ.

где и К2 - коэффициенты коррекции, которые определяются аппроксимациями дополнительных отклонений характеристик первого и второго каналов.

Рассматриваются характеристики каналов:

«1 (Ах, Аф = и1№ (Ал) + Д щ Ця, Аф; ^

и2(Ах, Аф = и^н{Ах) + Ди2(м2Я, Аф, где щн(Ах) и и2Н(Ах) - номинальные характеристики каналов (Д£ = 0).

Дополнительные отклонения характеристик аппроксимируются произведением двух функций:

А$ = {Мн)ШФ, Аи2(и2И,Аф = [МиШ^Ф- (5)

При любом характере /2(Дф коэффициенты коррекции и К2 определяются аппроксимациями /](г%) и (и2И) и не зависят от

Если /¡(«¡д) и /,(и2я) линейные зависимости:

Л("1Н> = <к + ¿(«гд) = «г + (6)

то отображения (3) будут инвариантны при Ьх= Ь2~ Ь и Я, = а, / Ь, К2 = а2 / 6.

Для нелинейных /](и,я) и /,(и2Я) необходимая зависимость для Я' находится с помощью выражения

К = (г%Д«2 - ЩнАщ) / (Дц - Ащ). (7)

И в этом случае /,ЦЯ) и !х(игн) могут иметь произвольные аддитивные составляющие, а нелинейные мультипликативные составляю-

щие должны аппроксимироваться выражениями с одинаковыми коэффициентами. Наиболее простые выражения для К дают дробно-линейные функции.

/ДЦя) = °л +Щн /(b + cu¡H), íx(u2H) = а2 /(b + cu^fj). (8)

Я, = a,[í> + с{щн + и2Н)] + ищи2Н(ахс +1 )с /Ь\ ^

К2 = a2[b + с(И]Я + ü2w)] + ЩнЩн^с +1)с/Ь .

Численные исследования показали возможность аппроксимации (9) следующими выражениями:

= KiA + Кши1Пи2П] К2 = К2Д + К2мщпи2п\ (10)

или Ку = К1Д + Кшщи2, К2 = К2А + К2мЩи*1- (11)

Использование (10) и (11) позволяет получить сжимающие отображения, инвариантность которых не зависит от номинальных характеристик uw(Ах) и и2н(&х) каналов. Характеристики могут быть нелинейными и произвольными. Кроме этого, отображения (3) осуществляют дробно-линейное преобразование номинальных характеристик иш(Ах) и u2H(áx). Если номинальные характеристики дробно-линейные, то инвариантные зависимости и1П(Лх) и и2п(Ах) после сжатия остаются дробно-линейными.

Эффективность сжимающих отображений (3) иллюстрируется рис. 1(А) и 1(Б), на которых приведены семейства характеристик каналов и инвариантные характеристики после сжатия.

Номинальные характеристики каналов (пунктирные линии) под действием возмущающего фактора смещаются (штриховые линии). Дополнительные отклонения характеристик аппроксимируются дробно-линейными функциями (8). С помощью (3) и (9) семейства характеристик сжимаются в инвариантные характеристики (сплошные линии).

Находятся двухканальные сжимающие отображения, реализующие условие контрольной разности. В результате решения (2) получены отображения:

и2П -

иш =

щ(К2 + U0) + K^Ufj -ц2)

К2 - Ki + «2 - щ u2{U0 - Ki) + K2(U0 + щ) К2 - Ki +1¿2 - щ

(12)

15

-т-1-1-1-1-г

О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Рис. 1(А). Характеристики первого канала

и2(х) и2П{х)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 X

Рис. 1(Б). Характеристики второго канала

Показывается, что и в этом случае справедливы все выводы и выражения для К] и К2, полученные выше.

Таким образом, сжимающие отображения (3) и (12) являются инвариантными преобразованиями для произвольных нелинейных номинальных характеристик, если аппроксимации дополнительных отклонений и выражения для К определяются (7). Сжимающие отображения могут использоваться при любом режиме работы каналов -дифференциальном, параллельном, с компенсационным каналом или каналом измерения возмущающего фактора.

Получены выражения для чувствительности щп и и2л к вариациям коэффициентов коррекции Л], К2 и контрольного значения ио. Наиболее жёсткие требования предъявляются к стабильности ио. Менее жёсткие требования к стабильности К1 и К2. Это ещё раз подтверждает возможность аппроксимаций (10) и (11).

Исследуется трансформация распределения случайной погрешности в результате сжатия. Используется энтропийное значение случайной погрешности. Показывается, что приведённая ко входу случайная погрешность увеличивается незначительно, а в некоторых случаях уменьшается. Это позволяет синтезировать итеративные и рекуррентные алгоритмы коррекции на базе сжимающих отображений без существенного расширения полосы неопределённости характеристик каналов.

Необходимость введения дробно-линейных функциональных преобразователей и использование семейств дробно-линейных функций для аппроксимации дополнительных отклонений потребовали разработки соответствующих процедур.

Используется метод приведения характеристик к линейному виду и метод наименьших квадратов для определения коэффициентов прямой.

Найдено простое преобразование дробно-линейной функции к линейной, по которому она смещается до положения, при котором ось х становится её асимптотой, а затем возводится в минус первую степень.

Разработаны методшси кусочно-нелинейной аппроксимации характеристик и семейств характеристик дробно-линейными функциями, а также методики необходимых функциональных преобразований характеристик. Полученные методики являются более технологичными по сравнению с известными, использующими обратные функции.

На основании полученных результатов делаются выводы об эффективности сжимающих отображений и о возможности их использования в математических моделях ИП.

В третьей главе синтезируются и исследуются математические модели ИП. Синтез базируется на выводе, полученном во второй главе. Отображения (3) и (12) будут инвариантны, если отношение сигналов коррекции будет равно отношению дополнительных отклонений характеристик каналов:

%2 /%1 = Л«2/Д«1- (13)

Синтезируются математические модели ИП, реализующие условие контрольной суммы.

Условие (13) позволяет получить необходимые выражения для синтеза сигналов коррекции. Если дополнительные отклонения характеристик каналов линейные (6), то уравнения (2) приводятся к виду:

и2П + Щи = ио\

иш = щ - ит = ц - (К{ + щп)иу;

«2/7 = «2 - %2 = «2 - (^2 + 1*2п)иУ> (14)

где ку - значение управляющего сигнала регулятора, необходимое для выполнения первого уравнения в (14). Регулятор считается астатическим. Совместное решение уравнений (14) относительно щп и и2П даёт выражение (3), что доказывает правильность определения иК1 и

иК2-

Показывается, что если использовать кусочно-линейную аппроксимацию дополнительных отклонений, то в математической модели (14) необходимо дискретно изменять значения Кх и К2 при переходе от одного участка аппроксимации к другому. Границы участков определяются по значениям щп и и2П.

Использование нелинейной аппроксимации дополнительных отклонений (8) даёт следующие выражения для сигналов коррекции:

%1 = (К1А + Кшщнщн + и1П)иу\

%2 = (#2 А + + «2//)«У- (15)

Так как щп и и2П являются дробно-линейными отображениями Щн и и2Н, то для получения последних в ИП необходимо ввести блоки, выполняющие обратные дробно-линейные отображения. Это усложняет структуру ИП. Задача упрощается, если использовать аппроксимации (10) и (11). Выражения для сигналов коррекции примут вид:

иК1 = (К1А + Кши1пи2П + и1П)иу\

иК2 = (#2 А + ^2Ми1Г1и2П + «2 п)иУ

ИЛИ

"я = (А'м + ЯшВДг + ик 2 = (К2А + К2мщщ, + щп )иь

(17)

Для более точной коррекции дополнительных отклонений используется кусочно-нелинейная аппроксимация на базе (8). В этом случае коэффициенты Ки, Кш, К2А, К2М должны меняться дискретно при переходе от одного участка аппроксимации к другому. Как и выше, границы участков аппроксимации определяются по значениям щп и

и2П-

Синтезируются математические модели ИП, реализующие условие контрольной разности. В этом случае уравнения (2) приводятся к виду

и2п ~ Щп = и о',

Щп = Щ-и1П = и1- + «шК;

«2Я = Щ. - Н/С2 = «2 - (#2 + «2я)%- (*8)

Уравнения (18) являются математической моделью ИП, корректирующего линейные дополнительные отклонения. Видно, что сигналы коррекции определяются такими же выражениями, что и в (14). Следовательно, можно использовать и остальные результаты, которые получены выше.

Выполненные исследования математических моделей (14) и (18) позволили определить область устойчивой работы ИП. Неустойчивость работы ИП связана с возможными нулевыми значениями знаменателей

На основании полученных результатов делаются выводы об универсальности и простой реализуемости математических моделей ИП при аппроксимации характеристик каналов и дополнительных отклонений характеристик дробно-линейными функциями.

В четвёртой главе синтезируются и исследуются структуры ИП, построенные по соответствующим математическим моделям.

Описывается структурная схема двухканального ИП, реализующего условие контрольной суммы (рис. 2). Контролируемая координата х с помощью двух каналов 1 и 2 преобразуется в сигналы щ и и2-Воздействие на каналы преобразования возмущения £ приводит к дополнительным отклонениям характеристик каналов и, соответствен-

(3) и (12).

но, к дополнительной погрешности преобразования. ИП содержит сумматоры 3, 4, 5, блок 6 формирования сигнала I/0, регулятор 7, усилители 8, 9, 17, 18, перемножители 10, 11, 14, 15, 16 и функциональные преобразователи 12, 13. В сумматорах 3, 4 из сигналов щ и и2 вычитаются компоненты сигналов коррекции икх и иК2.

Рис. 2. Структура инвариантного преобразователя с амплитудным выходом

В сумматоре 5 формируется сигнал ошибки выполнения условия контрольной суммы, который с помощью регулятора 7 преобразуется в управляющий сигнал иу. Компоненты сигналов коррекции формируются по выражениям (16). Функциональные преобразователи 12 и 13

позволяют зависимости и1П{Ах) и и2П(Ах) преобразовать либо к номинальным иш(Лх) и и2И(Ах), либо к любым другим.

Характеристики функциональных преобразователей выбираются из условия сохранения контрольной суммы

Р2{и2П) + РМт) = ий. (19)

Если (19) выполнить невозможно, то функциональные преобразователи выносят из контура коррекции. В этом случае резко возрастают требования к стабильности их характеристик.

Достоинством разработанных ИП является то, что достигается инвариантность обоих выходных сигналов. ИП технологичны в настройке, так как операции выбора коэффициентов коррекции и коэффициентов функций преобразования характеристик каналов выполняются последовательно.

Если дополнительные отклонения линейные, то из устройства исключаются перемножители 14, 15, 16 и усилители 17, 18. Равенство коэффициентов К1Л = Я2Д, Кш = Кш позволяет ещё более упростить структурную схему ИП.

Исследованы характеристики ИП в различных режимах работы каналов 1 и 2. Исследовались режимы дифференциальных каналов; параллельных каналов; информативного и компенсационного каналов, информативного канала и канала измерения возмущающего фактора. Получены условия работоспособности и инвариантности преобразователей во всех режимах.

Синтезируется структура ИП, реализующего условие контрольной разности. Показано, что структура ИП идентична структуре (рис. 2). Разница заключается в функционировании сумматора 5, в котором теперь выделяется ошибка выполнения условия контрольной разности. Также разница заключается в характеристиках ИП при работе с дифференциальными каналами, параллельными каналами, информативным и компенсационным каналами, информативным каналом и каналом измерения возмущающего фактора. Приводятся структурные схемы функциональных преобразователей, которые реализуют методики аппроксимаций и преобразований характеристик из третьей главы.

Рассматриваются погрешности инвариантных преобразователей. Показывается, что методическая погрешность преобразователей определяется погрешностью аппроксимации дополнительных отклонений характеристик и погрешностью формирования коэффициентов коррек-

ции. Динамическая погрешность возникает только при изменении сигнала управления:

йи3_ Щ+Щ- ир{К, + Я2)

л--Г+ы^--(20)

На основании полученных результатов делаются выводы об универсальности разработанных ИП, простоте в реализации и их высокой эффективности.

В пятой главе синтезируются и исследуются ИП с частотным и фазовым выходами. Математические модели строятся методом контрольного значения. Показывается общий подход к синтезу цепей коррекции ИП.

На рис. 3 приведена обобщённая структура ИП с частотным выходом. Устройство содержит блок параметрических датчиков 1 , с помощью которых контролируемая величина х преобразуется в выходные параметры датчиков у1 и у2. Параметры датчиков ух и являются элементами частотозадающих цепей управляемых генераторов 2 и 3.

Рис. 3. Структура инвариантного параметрического преобразователя с частотным выходом

В блоке 4 выделяется сигнал с суммарной или разностной частотой, который поступает на вход кварцевого дискриминатора 5 с опор-

ной частотой w0. Для формирования сигналов коррекции частот генераторов 2 и 3 используются преобразователи б и 7 "частота-амплитуда" с коэффициентом преобразования ^ и блок 8 формирования сигналов коррекции иК1 и иК2.

Сигналы коррекции поступают на входы АПЧ генераторов 3 и 4. Коэффициент преобразования изменений сигналов иК1 и иК2 в изменения частот генераторов 3 и 4 обозначим кю. В этом случае математические модели ИП определяются следующими выражениями:

е>2 =

Oj = Й?10 -

б>2 = «го ~ кфик2, (21)

где о, и iar частоты сигналов на выходе ИП,

а>ю и 02О - парциальные частоты генераторов 3 и 4. Воздействие возмущения | на датчики 1 и 2 приводит к дополнительной зависимости парциальных частот от возмущения, ш10(Ах, Аф, со20(Лл;, А£). Введение цепей коррекции позволяет получить инвариантные зависимости о^Ах) и а>2(Ах).

При выполнении условия контрольной суммы совместные решения уравнений (21) имеют вид:

а - Лг + + КЧ°>о ~ &2о).

1 kjKl + К2) + й)ш + й>20

ю = ^гоС^ + «р) + Ккг(щ - g>io) (22)

2 A^C/fj + К2) + ®ю + ш2о

где Я) и /С2 - коэффициенты коррекции, которые определяются аппроксимациями дополнительных отклонений парциальных частот. Например, если дополнительные отклонения линейные

Аш10 = (о, + bca10ti)A4, Дш2о = + bco20H)A%,

то =щ/Ь, kaK2 =02/6.

Отсюда следует полная аналогия формирования сигналов коррекции в ИП с амплитудным выходом и в ИП с частотным выходом. Для коррекции линейных дополнительных отклонений:

= + Kjuy, ию = (fta£02 + K2)uy. (23)

Для коррекции нелинейных дополнительных отклонений вида (8):

= %А + +

%2 = (#2 А + + ^ф2)иу, (24)

или соответствующие аппроксимации (24) по аналогии с (16).

При выполнении условия контрольной разности совместные решения уравнений (21) имеют вид:

+ »о) + ККх(ю0 - ®20).

й>! =

km(K2 - Кх) + ©го - »10

С ~ - Mi) + + <»io) (25)

2 ka(K2 - Kt) + O20 - »10

Зависимости K¡ и Л'2 определяются аналогично выше. Приводятся результаты исследований характеристик ИП с частотным выходом в различных режимах работы.

Приводятся структуры ИП с фазовым выходом, цепи коррекции которых строятся по методу контрольного значения.

На рис. 4 приведена структурная схема ИП, реализующая условие контрольной суммы. Выходные параметры ух и у2 преобразователя 1 управляют парциальными частотами ш10 и а)20 генераторов 2 и 3 (t»w « о20), которые синхронизируются сигналом с частотой а>0 опорного генератора 4. Сигналы на выходах генераторов 2 и 3 имеют одинаковую частоту а>0 но разные дополнительные фазовые, сдвиги <Рх и (р2 по сравнению с начальной фазой (р опорного сигнала. С помощью смесителя 8 формируется сигнал с суммарной частотой и начальной фазой 2ip + Pi + <р2, который подаётся на синхронный детектор 7. Опорный сигнал синхронного детектора 7 имеет удвоенную частоту генератора 4 с дополнительным сдвигом <р0. Его начальная фаза 2<р + q>0. Фазовые сдвиги <Pi и ip2 с помощью синхронных детекторов 5 и б преобразуются в соответствующие сигналы kjpx и kutp2, и подаются в блоки 11 и 12 формирования сигналов коррекции %] и иК2. В установившемся режиме будет выполняться равенство 2<р + <р0 = <р + <рх + tp + ср2. Следовательно, работа ИП с фазовым выходом будет определяться уравнениями: (рх+(р2 = 9й> 9т = <Р\ ~ Kukú

<Ргп =<Рг~ Кик2- (26)

При выполнении необходимых условий (рх{Ах) и <г?2(Дх) будут инвариантны от возмущающего фактора. Приводятся результаты исследований характеристик ИП с фазовым выходом в различных режимах работы и условия их инвариантности.

Рис.4. Структура инвариантного параметрического преобразователя с фазовым выходом

Показывается, что метод контрольного значения реализуется в автоколебательных системах с комбинационным взаимодействием сигналов трёх частот, одна из которых является эталонной, а две другие

управляются различными способами с помощью параметрических датчиков. Одна из структур приведена на рис. 5.

Выходные параметры и у2 преобразователя 1 управляют резонансными частотами контуров усилителей 2 и 3. С помощью опорного генератора 7 с частотой сигнала о0 и смесителей 4 и 5 формируются сигналы синхронизации с частотами близкими к резонансным частотам усилителей. При реализации условия контрольной суммы установившийся режим автоколебаний определяется уравнениями а>, +&2 -

<г>](а>,) = (р2(<а2), (27)

где $>](<»]) и $72(ю2) " фазовые сдвиги в резонансных усилителях.

Рис. 5. Структура автогенераторного преобразователя с частотным выходом

Получены выражения для частот генерируемых сигналов: щ _ Й)ЩД'2О(С?1О - С?2о) + й>оаз10Ого . а>2<Мо + «»юФзо

щ = Юц^го^го ~ Фц) + »о^го^ю (28)

«УгоОю + ®1оО»

где ®10 и а>20 - резонансные частоты усилителей 3 и 4,

12ю и Фго - резонансные добротности усилителей.

Выполненные исследования позволили получить условия инвариантности преобразования Ах в частоты со1 и а>2- Исследованы различные способы управления автоколебательной системой и характеристики ИП в различных режимах работы.

На рис. 6 приведена структура фазогенераторного преобразователя, построенного на автоколебательной системе с комбинационным взаимодействием сигналов трёх частот. Выходные параметры у1 и у2 преобразователя 1 управляют резонансными частотами усилителей 2 и 3. С помощью опорного генератора 7 и смесителей 4 и 5 формируются сигналы синхронизации с частотами близкими к резонансным частотам усилителей 2 и 3. В данном случае реализуется условие контрольной разности и установившийся режим автоколебаний определяется уравнениями: а>1 - а2 =

^1(01) = -<р2(ю2). (29)

Рис. 6. Структура автогенераторного преобразователя с фазовым выходом

В блоке б выделяется сигнал с разностной частотой - со2), а в блоке 8 измеряется разность фаз данного сигнала и сигнала опорного

генератора. Они имеют одинаковую частоту и смещены по фазе на 2 фу = 2ср7 = уН.х).

Выполненные исследования позволили получить условия инвариантности преобразования изменения контролируемого параметра Ах в фазовый сдвиг у/{х). Исследованы различные способы управления автоколебательной системой и характеристики ИП в различных режимах.

На основании полученных результатов делаются выводы о реализуемости метода контрольного значения в преобразователях с частотным и фазовым выходами и в автоколебательных системах с комбинационным взаимодействием сигналом трёх частот.

В шестой главе рассматриваются структурно-алгоритмические методы коррекции многофакторных дополнительных погрешностей.

Показывается, что структурная схема преобразования параметров датчиков и сигналов может быть сведена к каскадному соединению пассивных и активных четырёхполюсников, на которые действуют различные или одинаковые возмущающие факторы разной интенсивности. В этом случае предлагается математическая модель каскадного накопления дополнительных отклонений:

Аи = Ащ + Л«2 +■ ■ -+Аит, (30)

где Дщ =/1(мл,Д^1), Ащ = /2(ыя + Дм,,Д|2),...,

Лит = /и(% + АЦ +- • Цп)-

Рассматриваются различные аппроксимации составляющих дополнительных отклонений и делается вывод о возможности рекуррентной коррекции многофакторных дополнительных отклонений при измеримых возмущающих факторах.

Синтезируется алгоритм численной коррекции составляющих многофакторных нелинейных дополнительных отклонений. В структуру ИП вводятся "г" измерительных преобразователей возмущающих факторов с характеристиками и^ (А£г) = Используется дробно-

линейная аппроксимация составляющих дополнительных отклонений. В результате получен рекуррентный алгоритм с итеративным уточнением

%ЛК.к + Щ.н) + Кг.М.н ~ Ц-) /о1\

и =---—---,

Лг, к + и,

где Кгк = КЛ г + КМгиВг_Хк_ь

к - номер цикла уточнения. Коэффициенты КА г и КМ г определяются по коэффициентам аппроксимаций дополнительных отклонений:

к - Ь' +сгиг,н к _ сг(1 + агигМ) ~ а,Ьг - сг ' м-г ~ агЬг-ст '

1 + аги. и

игН + |7-Т-Ь2~

(А + сгигМ

М;

А У

и, и выбирается произвольно.

Исследования показали, что итеративный процесс очень быстро сходится. Во многих случаях достаточно одного цикла уточнения. Приводятся результаты исследований алгоритма (31).

Рассматриваются структуры устройств коррекции многофакторной дополнительной погрешности с использованием разработанных ИП. Используется последовательное включение ИП по информативному входу. Ко вторым входам подключены каналы измерения возмущающих факторов. Условием использования ИП является единичный коэффициент передачи при номинальном режиме по возмущающему фактору (Л<£= 0). Приводятся примеры данных структур.

Синтезируется алгоритм коррекции взаимных дополнительных отклонений характеристик каналов в многоканальных системах, когда изменение сигнала в одном канале влияет на сигнал в другом. Разработан общий алгоритм для тп взаимозависимых каналов на базе алгоритма (31). Для двух взаимозависимых каналов алгоритм имеет вид:

„ _ + «2н) + - Нк)

ви--К ' -

Л1Л + "2 ,к

щ{К%к + щн) + К2(Цщ - и{к) (

ив%к - ----—-;-. К61)

Л2 ,к ,к

Коэффициенты коррекции К1к и К2 Ь определяются через коэффициенты аппроксимаций взаимных дополнительных отклонений и уточняются. Сигналы соседних каналов рассматриваются как сигналы каналов измерения возмущающего фактора. Как и алгоритм (31), алгоритм (32) даёт быструю сходимость.

Приводятся результаты численных исследований алгоритма (32) и возможные структуры его реализации.

Разрабатывается алгоритм коррекции входных сигналов каналов преобразования, на которые действуют многофакторные возмущения, и у которых отсутствует доступ к выходу. Канал рассматривается условно-линейным. Нелинейная погрешность характеристики каждого каскада рассматривается как дополнительное отклонение из-за влияния некоторого возмущающего фактора, изменение которого всегда равно единице. Это позволяет ввести её в рекуррентный алгоритм, а канал считать линейным. Для того, чтобы выходной сигнал канала был инвариантным от возмущений, введём необходимые отклонения входного сигнала:

ивх{ Дх,Д£„...,А£т) = ивх.н (Ах) + . .+Ащ, (33)

где Дит = Аи(ивхм, Д£т), Д= Аи(ивхн + Аит, А£и_,),

..., Аи, = Аи(иах„ + Аит+...+АЫ2,А^,). В структуру канала введём измерительные преобразователи возмущающих факторов с характеристиками = к^ А£г. Зависимости А и аппроксимируются произведением дробно-линейных функций. В результате алгоритм коррекции входного сигнала имеет вид:

(Кг + игМ) + Кг(иг Н - иг)

(34)

ЦК, + иг)

где кТ - коэффициент передачи г каскада.

Коэффициенты коррекции Кг определяют через коэффициенты аппроксимаций дополнительных отклонений; иг Н выбирается произвольно; иг определяется через иг§н, коэффициенты аппроксимаций дополнительных отклонений и щг.

Выполнены исследования алгоритма (34).

На базе алгоритма (34) разработан алгоритм коррекции входных сигналов взаимозависимых каналов.

На основании полученных результатов делаются выводы об эффективности разработанных численных алгоритмов коррекции многофакторных нелинейных дополнительных отклонений в многоканальных системах.

В седьмой главе приводятся результаты использования разработанных алгоритмов с целью коррекции температурной погрешности

приборов активного и послеоперационного размерного контроля, которые эксплуатируются на АО АВТОВАЗ.

Приводится алгоритм коррекции температурной погрешности систем активного размерного контроля шлифовальных станков. В систему управления циклом шлифования входит микропроцессорный преобразователь ЭПЗК 9624 совместно с измерительной головкой, который предназначен для оценки режима шлифования и выработки сигналов управления. При этом изменяется режим подачи шлифовального круга. На последнем этапе обработки детали скорость подачи равна нулю. Шлифование идёт за счёт остаточных упругих деформаций станка (режим выхаживания).

сеть О О О О и и и и мкм £5 ,»»о © О

10 0 10 . 30 50] + -»■ 0 —-

— ИЗО о 100 тпо чо<: ЭПЗК 9624 ф —

Рис. 7. Внешний вид микропроцессорного преобразователя и измерительных головок

В момент достижения номинального размера детали подаётся команда на отвод шлифовального круга. Затем цикл обработки повторяется. На рис. 7 приведены внешний вид преобразователя и измерительных головок для плоского и круглого шлифования.

Измерительная головка, с помощью которой контролируется текущий размер детали, работает в зоне шлифования и даёт наибольшую составляющую температурной погрешности контроля. С целью коррекции температурной погрешности, в измерительную головку введён компенсационный индуктивный датчик, аналогичный основному датчику малых перемещений. Дополнительные отклонения характеристик основного и компенсационного датчиков аппроксимируются дробно-линейными функциями. Коррекция осуществляется численным путём по алгоритму, заложенному в микропроцессор. Необходимый итеративный алгоритм ограничен первым шагом коррекции. Показано, что такого приближения вполне достаточно для достижения заданной степени коррекции температурной погрешности.

Основные характеристики ЭПЗК 9624

Припуск на обработку: не более 1 мм.

Вид контролируемой поверхности: гладкая ; прерывистая.

Шкалы: цифровая и две аналоговых.

Диапазоны контроля с автоматическим переключением шкал: -100 ...+500 мкм: -10 ...+50 мкм.

Статическая погрешность контроля в номинальных условиях: ±(0,2 + 0.01Х), где X - показание по цифровой шкале.

Количество пороговых команд: три.

Динамическая погрешность срабатывания команд: ±0,5 мкм в диапазоне -10...+50 мкм; ±1,5 мкм в диапазоне -100...+300 мкм.

Дополнительная температурная погрешность: ±(0,01+ 0,005ХШ°.

Напряжение питания и потребляемая мощность: 110/220 В, 80 ВА.

Приводится алгоритм коррекции температурной погрешности послеоперационного размерного контроля деталей, который используется

в микропроцессорных приборах ИСЛ 9231М. Внешний вид прибора и двух дифференциальных датчиков модели 75502 завода "Измерен" приведены на рис. 8. С помощью разработанного численного алгоритма исключается температурная погрешность датчиков и выделяется информация о температуре детали и измерительного приспособления.

Рис.

8. Внешний вид прибора ИСЛ 9231М

Оператору выдаётся информация об отклонении размера детали от номинального в нормальных условиях. Это позволило увеличить точность селекции деталей по размерным группам. Прибор используется для измерения отклонений размерных параметров деталей после обработки на рабочем месте и селекции по всем размерным группам, а так же для оперативного статистического контроля отклонений размеров и формы партии деталей.

Основные характеристики ИСЛ 9231М

Количество каналов измерения: два (А и Б).

Диапазон измерения: ±300 мкм.

Шкалы: ±15 ; ±50 ; ±150 ; ±300 мкм.

Ручная коррекция нуля: ±50 мкм.

Погрешность измерения: ±(0,25+ 0,008Х) мкм.

Дополнительная температурная погрешность измерения: ±(0.01+ ХКНШ® мкм

Представление визуальной информации:

линейно-дискретный индикатор (100 делений); цифровой индикатор (4 десятичных разряда); светофорное устройство (6 точечных индикаторов)

Арифметические операции: А+Б ; А-Б.

Логические операции: Amax , Ат-т , Бтах , Bmin , (А+Б)тах, (А+Б)тт,(А-Б) max >

Статистические характеристики выборки (до 120 деталей): среднее значение и размах выборки.

Число программных блоков: шесть.

Число каналов связи: четыре.

Число каналов управления: пять.

Напряжение питания и потребляемая мощность: 220 В, 20 ВА.

Приводятся алгоритмы коррекции температурной погрешности послеоперационного контроля размеров сложных деталей и взаимных дополнительных погрешностей измерения отклонений размеров с помощью двухкоординатных датчиков. Алгоритмы используются в контрольном автомате размерных параметров АК-93. Автомат содержит несколько десятков датчиков, часть из которых является двухкоорди-

натными. В результате контроля детали разбрасываются по 13 группам. Для коррекции температурной погрешности используется такая же методика, как и в приборах ИСЛ 9231.

Двухкоординатные датчики имеют сферические наконечники. Это определяется технологией контроля обоймы внутреннего шарнира детали 2215080 модели ВА32121. Из-за конструктивных особенностей двухкоординатных датчиков оба канала измерения становятся взаимозависимыми. Для коррекции взаимных дополнительных отклонений характеристик каналов используется разработанный в диссертации алгоритм. Внедрение разработанных алгоритмов позволяет эксплуатировать контрольный автомат в цеховых условиях при температуре окружающей среды +10°...+40° С.

Приводятся результаты исследований разработанных ИП с амплитудным, частотным и фазовым выходами. Описываются схемы отдельных узлов и выявленные при испытаниях эффекты. Показывается, что реальные характеристики соответствуют теоретическим с погрешностью ± 1 %.

В приложениях приведены результаты численных исследований характеристик ИП, разработанных алгоритмов и методик. Приведены акты использования результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертации разработаны структурно-алгоритмические методы и средства инвариантных преобразований, обеспечивающие эффективное подавление влияния многофакторных возмущений на СУТП, и на их основе решена крупная, имеющая важное народнохозяйственное значение проблема повышения точности контроля заданных параметров технологического процесса в условиях интенсивного воздействия многофакторных возмущений.

1. Предложен и теоретически обоснован метод синтеза сжимающих отображений в виде двух последовательных преобразований, первое из которых является сжимающим преобразованием, а второе нелинейным преобразованием результата сжатия. В этом случае синтезируются оптимальные сжимающие преобразования с точки зрения технической реализации и скорости сходимости итеративной процедуры нахождения решения.

2. Разработан метод контрольного значения для синтеза двухка-нальных сжимающих преобразований. Реализуются условия контрольной суммы и контрольной разности.. В результате сжатия характеристики обоих каналов становятся инвариантными независимо от вида номинальных характеристик каналов.

3. Выполнены исследования разработанных по методу контрольного значения сжимающих преобразований и получены условия их инвариантности, условия устойчивости, чувствительность преобразований к вариации входящих в них коэффициентов и контрольного значения, влияние сжимающих преобразований на полосу неопределённости характеристик каналов.

4. На основе сжимающих преобразований разработаны математические модели инвариантных преобразователей, в которых реализуются условия контрольной суммы и контрольной разности. Итеративная процедура нахождения решения в сжимающих преобразованиях реализуется с помощью корректирующих обратных связей по обоим каналам. Значения сигналов коррекции формируются по значениям сигналов после сжатия и по значению сигнала ошибки выполнения условий контрольной суммы или контрольной разности. Получены точные математические модели инвариантных преобразователей для каналов с линейными и нелинейными дополнительными отклонениями характеристик. Показаны пути упрощения математических моделей и условия минимизации динамической погрешности коррекции дополнительных отклонений.

5. Синтезированы оригинальные структуры инвариантных преобразователей, которые сохраняют двухканальность преобразования контролируемого параметра и работают в устройствах с дифференциальными каналами, параллельными каналами, в устройствах с компенсационным каналом и каналом измерения возмущающего фактора. Исследованы характеристики преобразователей в различных режимах. Получены условия, при которых погрешность коррекции дополнительных отклонений характеристик каналов при реализации приближённых математических моделей минимальна и составляет сотые доли процента. Выявлено свойство подавления инвариантными преобразователями нелинейностей характеристик каналов. Методическая погрешность преобразователей определяется погрешностью задания коэффициентов коррекции и зависит от точности аппроксимации дополнительных

отклонений характеристик каналов. Динамическая погрешность преобразователей возникает при изменении управляющего сигнала и определяется величиной сигналов коррекции.

6. Получены новые эффективные структуры инвариантных преобразователей в результате переноса разработанных сжимающих преобразований на частотно-фазовую плоскость. Разработаны математические модели и синтезированы структуры инвариантных преобразователей с частотным и фазовым выходами, в которых использованы унифицированные цепи коррекции, реализующие метод контрольного значения. Получены условия их инвариантности и исследованы их потенциальные возможности.

7. Разработаны математические модели и синтезированы структуры инвариантных преобразователей с частотным и фазовым выходами на базе автоколебательной системы с комбинационным взаимодействием сигналов трёх частот. Получены условия их инвариантности при различных способах управления автоколебательной системой.

8. Разработан рекуррентно-итеративный алгоритм коррекции нелинейных составляющих многофакторных дополнительных отклонений и взаимных дополнительных отклонений в многоканальных системах контроля с взаимозависимыми каналами. Алгоритм обобщён на любое количество возмущающих факторов и любое число каналов преобразования контролируемых координат. Алгоритм позволяет максимально расширить условия эксплуатации СУТП.

9. Разработаны и внедрены алгоритмы коррекции температурной дополнительной погрешности в системы управления циклом шлифования ЭПЗК 9624, приборы послеоперационного размерного контроля ИСЛ 9231М и контрольный автомат АК-93, что позволило сохранить заданную точность контроля в цеховых условиях.

Разработан и внедрён алгоритм коррекции взаимной дополнительной погрешности двухкоординатных датчиков в контрольном автомате АК-93.

Разработаны и испытаны новые инвариантные преобразователи с амплитудным, частотным и фазовым выходами, внедрение которых позволяет увеличить динамический диапазон изменений контролируемых параметров и расширить условия эксплуатации СУТП.

Основные научные результаты диссертации отражены в следующих работах:

1. Шакурский В.К. Структурные методы увеличения точности систем контроля и управления: - Тольятти. - ТолПИ, 1996.- 162 с.

2. Шакурский В.К. Алгоритмы коррекции дополнительной погрешности измерительных преобразователей//Метрология. - 1995,- №10, с. 30-36.

3. Шакурский В.К. Алгоритм коррекции многофакторной дополнительной погрешности измерительных преобразователей //Приборы и системы управления. - 1996,- №7, с. 20-23.

4. Шакурский В.К. Аппроксимация семейств нелинейных характеристик/ /Известия вузов. Приборостроение. - 1997.- №1, с. 24-28.

5. Шакурский В.К. Коррекция нелинейной дополнительной погрешности методом контрольной суммы/В кн.: Информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. науч. трудов. -ПГТУ. - Пенза. -1997, с. 34-39.

6. Шакурский В.К. Синтез сжимающих отображений методом контрольного значения/В кн.: Философские, технические, методические и социальные аспекты преподавательской, научной и производственной деятельности: Межвуз. сб. науч. трудов. -СУНПЦ ПТИС. - Самара. - 1997, с. 190-193.

7. Шакурский В.К. Алгоритм линеаризации характеристик первичных преобразователей//Известия вузов. Приборостроение.-1986,- №5, с. 32-35.

8. Шакурский В.К. Анализ влияния амплитудно-фазовой конверсии на стабильность характеристик автогенераторных частотных параметрических преобразователей//Извести вузов. Приборостроение. -1985.-№6, с. 40-44.

9. Шакурский В.К. Индуктивный преобразователь с частотным выходом/В кн.: Магнитные измерения и приборы. Межвуз. сб. науч. трудов. - Владимир. - 1982,- с. 55-59.

10. Шакурский В.К. Индуктивный датчик для преобразователей перемещение-частота//Известия вузов. Приборостроение. - 1983,-№11, с. 66-69.

11. Шакурский В.К. Анализ свойств измерительных преобразователей на базе трёхчастотного генератора//Известия вузов. Приборостроение. - 1980.- №6, с. 70-74.

12. Шакурский В.К. Метод уменьшения погрешности дифференциальных измерительных преобразователей/В кн.: Проблемы и решения современной технологии: Сб. науч. трудов ПТИС, часть П.Тольятти. - 1997, с. 42-47.

13. Шакурский В.К. Синтез цепей коррекции методом контрольного значения/В кн.: Теория цепей и сигналов (ТЦиС-96): Тезисы докл. III Всерос. научно-техн. конф. с междунар. участ., Таганрог. - 1996, с. 62 /Ред. журн. Изв. вузов. Электромеханика. - Новочеркасск, 1996. 148 с.

14. Шакурский В.К. Алгоритм численной коррекции погрешностей в измерительных системах/В кн.: Юбилейная научно-техническая конференция: Тезисы докл. научно-техн. конф. - Тольятти. - Тольят. политехи, ин-т. - 1997, с. 58.

15. Шакурский В.К. Анализ динамических характеристик автогенераторных частотных параметрических преобразователей/В кн.: Датчики систем измерения, контроля и управления: Межвуз. сб. науч. трудов. - Пенза. - 1985, с. 137-142.

16. Шакурский В.К. Коррекция погрешностей по контрольной сумме/В кн.: Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления: Тезисы докл. Всесоюзн научно-техн. конф. - Пенза. - 1992, с. 107.

17. Шакурский В.К. Алгоритм обработки первичной информации/В кн.: Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления: Тезисы докл. зональн. научно-техн. семинара. - Пенза. - 1987, с. 70-71.

18. Шакурский В.К. Метод построения преобразователей перемещений с частотным выходом/В кн.: Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления: Тезисы докл. научно-техн. обл. семинара. - Пенза. - 1983,- с. 20.

19. Шакурский В.К. Метод построения функциональных автогенераторных преобразователей с фазовым управлением/В кн.: Информационно- измерительные системы - 83: Тезисы докл. VI Всесоюзн. научно-техн. конф. - Куйбышев. - 1983,- с. ИЗ.

20. Шакурский В.К. Алгоритм коррекции характеристик первичных преобразователей, оптимальный по чувствительности/В кн.: Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических

систем: Тезисы докл. Всесоюзн. научно-техн. конф. - М.: Радио и связь. 1985,- с. 7-8.

21. Шакурский В.К. Преобразователи перемещений с частотным выходом и фазовым управлением/В кн.: Современные системы автоматического управления и их элементы: Тезисы докл. Респ. научно-техн. конф. - Ереван. - 1981,- с. 65-66.

22. Новиков С.Д., Шакурский В.К. Способ построения фазогене-раторных преобразователей/В кн.: Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления: Тезисы докл. Всесоюзн. конф. - Пенза. - 1992, с. 114.

23. Шакурский В.К. Многопараметровые преобразователи для систем автоматического контроля и управления: Отчёт по НИР Толь-ят. полтехн. ин-та/ВНТИЦентр. - №0296003290.-Москва, 1995,- 39 с.

24. Шакурский В.К., Новиков С.Д. Синтез инвариантных алгоритмов и структур по принципу сжимающих отображений/В кн.: V Международная научно-техническая конференция по динамике технологических систем: Тезисы докладов, Т.1.- Ростов-на-Дону. - 1997, с. 133.

25. Шакурский В.К. Системы автоматического управления и информационно-измерительные системы, инвариантные к "п" возмущающим факторам: Отчёт по НИР Тольят. политехи, ин-та/ № гос. регистр. 01930007003,- Тольятти, 1997,- 128 с.

26. Шакурский В.К. Аналого-частотные преобразователи информации на базе автоколебательных систем с комбинационным взаимодействием трёх частот/В кн.: Электронные и полупроводниковые преобразователи энергии, технической и биологической информации: Тезисы докл. XXIII конф. - Томск. - 1979,- с. 88.

27. Шакурский В.К. Методы стабилизации выходной характеристики преобразователей перемещений в частоту/В кн.: Пути повышения качества и надёжности радиоэлектронного оборудования: Тезисы докл. III конф. - Куйбышев. - 1980,- с. 24-26.

28. Шакурский В.К. Измерение перемещений устройствами на базе комбинационных генераторов/В кн.: Вопросы прикладной механики в авиационной технике: Труды I научно-техн. конф. молодых учёных Куйб. авиац. ин-та.-Куйбышев, 1980.- Ч.З, с. 21-29,- Рукопись деп. в ВИНИТИ 18.03.81,- №1211-81.

29. Шакурский В.К. Оптимизация схемных параметров преобразователя перемещение-частота. - Куйбышев, 1981,- 6 с. - Рукопись

предст. Куйб. авиц. ин-том. Деп. в ЦНИИТЭИ приборостроения 05.06.81,- №1563-81.

30. Шакурский В.К. Разработка и исследование автогенераторных частотных параметрических преобразователей для систем автоматического управления. - Автореф. дис. на соиск. степ. канд. техн. наук. -Уфа, 1982,- 18 с.

31. Шакурский В.К., Моргунов Ю.И. Термостабильный измерительный преобразователь перемещений. - Тольятти, 1979.- 9 с. /Рукопись предст. Тольят. политехи, ин-том. Деп. в ЦНИИТЭИ приборостроения 28.02.79,- № 219-79.

32. Конторович. В.П., Шакурский В.К., Громов А.Н. Исследование и разработка способов коррекции погрешностей в системах автоматического управления и контроля: Отчёт по НИР Тольят. политехи, инта/ ВНТИЦентр. - №02860042661.-Москва, 1985,- 150 с.

33. Конторович В.П., Шакурский В.К. Исследование современного состояния и перспективы развития методов и средств автоматического контроля технологических объектов: Отчёт по НИР Тольят. политехи, ин-та/ ВНТИЦентр,- №02890018510.-Москва, 1988,- 28 с.

34. Шакурский В.К., Громов А.Н. Методы и средства автоматического контроля качества и состояния изделий: Отчёт по НИР Тольят. политехи, ин-та/ВНТИЦентр.- №02910022016.-Москва, 1990.- 17 с.

35. A.c. 691679 (СССР), G01B 7/00. Устройство для измерения перемещений с частотным выходом/В.К. Шакурский, Ю.И. Моргунов. Опубл. 15.10.79 г. Бюл. №38.

36. A.c. 769700 (СССР), Н03В 21/02. Трёхчастотный генератор/ В.К. Шакурский, Ю.И. Моргунов, В.З. Юдин. Опубл. 07.10.80 г. Бюл. №37.

37. A.c. 754442 (СССР), G06G 7/26. Способ линеаризации характеристик дифференциальных частотных датчиков/В.К. Шакурский, Ю.И. Моргунов. Опубл. 07.08.80 г. Бюл. №29.

38. A.c. 783566 (СССР), G01B 7/00. Устройство для измерения перемещений с частотным выходом/В.К. Шакурский, Ю.И. Моргунов. Опубл. 30.11.80 г. Бюл. №44.

39. A.c. 783567 (СССР), G01B 7/00. Устройство для измерения перемещений с частотным выходом/В.К. Шакурский, Ю.И. Моргунов. Опубл. 30.11.80 г. Бюл. №44.

40. A.c. 903698 (СССР), G01B 7/14, G01D 5/20. Индуктивный датчик перемещений/В.К. Шакурский. Опубл. 07.02.82 г. Бюл. №5.

41. A.c. 916963 (СССР), G01B 7/00. Устройство для измерения перемещений с частотным выходом/В.К. Шакурский. Опубл. 30.03.82 г. Бюл. №12.

42. A.c. 916964 (СССР), G01B 7/00. Устройство для измерения перемещений с частотным выходом/В.К. Шакурский. Опубл. 30.03.82 г. Бюл. №12.

43. A.c. 974099 (СССР), G01B 7/00. Устройство для измерения перемещений с частотным выходом/Н.Е. Конюхов, В.К. Шакурский. Опубл. 15.11.82 г. Бюл. №42.

44. A.c. 974100 (СССР), G 01В 7/00. Устройство для измерения перемещений с частотным выходом/Н.Е.. Конюхов, В.К. Шакурский. Опубл. 15.11.82 г. Бюл. №42.

45. A.c. 1165874 (СССР), G01B 7/00. Устройство для измерения перемещений с частотным выходом/В.К. Шакурский, Ю.И. Моргунов. Опубл. 07.07.85 г. Бюл. №25.

46. A.c. 1184068 (СССР), H03D 7/14. Балансный смеситель/ В.К. Шакурский. Опубл. 07.10.85 г. Бюл. №37.

47. A.c. 1368637 (СССР), G01D 5/243. Фазогенераторный измерительный преобразователь/В.К. Шакурский, С.Д. Новиков. Опубл. 23.01.86 г. Бюл. №3.

48. A.c. 1429088 (СССР), G05B 11/00. Измерительный преобразователь с коррекцией характеристики/В.К. Шакурский. Опубл. 07.10.88 г. Бюл. №37.

49. A.c. 1446450 (СССР), G01B 7/00. Устройство для измерения перемещений с частотным выходом/В.К. Шакурский. Опубл. 23.12.88 г. Бюл. №47.

50. A.c. 1446599 (СССР), G05B 11/00. Измерительный преобразователь с коррекцией характеристики/В.К. Шакурский. Опубл. 23.12.88 г. Бюл. №47.

Подписано в печать 27.04.98 г. Формат 60x84 Чн Бумага Куш Lux. Печать оперативная. Гарнитура "Тайме" Усл. печ. л. 2,36. Тираж 100 экз. Заказ 83

Отпечатано с готовых оригинал-макетов в типографии ООО "CMC" Лицензия ПЛД 67-33 от 03.02.97 г.



13 <ь% /e^v

49

\

■ / ' ' и' С "

> /

( ■

ТОЛЬЯТТИНСКИИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИМ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ШАКУРСКИЙ Виктор Константинович

СТРУКТУРНО-АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИНВАРИАНТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Специальность: 05.13.05. - элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант - заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Н. Е. КОНЮХ ОВ

ш

Тольятти - 1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................... 8

ГЛАВА 1. Анализ структурно-алгоритмических методов и средств преобразования параметров и сигналов для систем управления технологическими процессами.................................................................. 18

1.1. Общие вопросы стабилизации характеристик систем управления технологическими процессами............................................................. 19

1.2. Основные структурно-алгоритмические методы и средства инвариантных преобразований.................................................................... 23

1.3. Научная проблема и пути её решения.......................................... 38

ВЫВОДЫ............................................................................................. 43

ГЛАВА 2. Синтез инвариантных преобразований по принципу сжимающих отображений.................................................................... 45

2.1. Обоснование использования метода контрольного значения для синтеза двухканальных сжимающих отображений.............................. 45

2.2. Синтез двухканальных сжимающих отображений, реализующих условие контрольной суммы................................................................ 48

2.3. Синтез двухканальных сжимающих отображений, реализующих условие контрольной разности............................................................. 53

2.4. Анализ сжимающих отображений................................................. 57

2.4.1. Чувствительности сжимающих отображений............................. 59

2.4.2. Устойчивость сжимающих отображений.................................... 60

2.4.3. Преобразование сжимающими отображениями распределения плотности вероятности случайной составляющей характеристик каналов.................................................................................................. 61

2.5. Аппроксимация и преобразование нелинейных характеристик и

их нелинейных отклонений.................................................................. 73

2.5.1. Аппроксимация участка реальной характеристики.................... 73

2.5.2. Аппроксимация семейств нелинейных отклонений характеристик каналов.......................................................................... 80

2.5.3. Преобразование нелинейных характеристик............................... 82

ВЫВОДЫ.............................................................................................. 84

ГЛАВА 3. Синтез математических моделей инвариантных преобразователей................................................................................... 86

3.1. Математические модели инвариантных преобразователей, реализующие условие контрольной суммы........................................... 86

3.1.1. Математические модели инвариантного преобразователя

при линейной аппроксимации отклонений характеристик каналов...... 86

3.1.2. Математические модели инвариантного преобразователя при кусочно-линейной аппроксимации отклонений характеристик каналов................................................................................................. 90

3.1.3. Математические модели инвариантного преобразователя

при нелинейной аппроксимации отклонений характеристик каналов.... 92

3.1.4. Математические модели инвариантного преобразователя при кусочно-нелинейной аппроксимации отклонений характеристик каналов................................................................................................ 96

3.2. Математические модели инвариантных преобразователей, реализующих условие контрольной разности...................................... 98

3.2.1. Математическая модель инвариантного преобразователя при линейной аппроксимации отклонений характеристик каналов........... 98

3.2.2. Математические модели инвариантных преобразователей при кусочно-линейной аппроксимации отклонений характеристик каналов................................................................................................ 100

3.2.3. Математические модели инвариантных преобразователей при нелинейной аппроксимации отклонений характеристик

каналов............................................................................................... 103

3.2.4. Математическая модель инвариантного преобразователя при кусочно-нелинейной аппроксимации отклонений характеристик

каналов.................................................................................................. 106

3.3. Динамическая погрешность коррекции влияния возмущающего

фактора.................................................................................................. 108

ВЫВОДЫ.............................................................................................. 109

ГЛАВА 4. Синтез структур инвариантных преобразователей и исследование их характеристик.......................................................... 111

4.1. Структуры инвариантных преобразователей, реализующие

условие контрольной суммы.................................................................. 111

4.1.1. Структуры инвариантных преобразователей, сжимающие линейные отклонения характеристик каналов....................................... 111

4.1.2. Структуры инвариантных преобразователей, сжимающие нелинейные отклонения характеристик каналов................................... 114

4.2. Структуры инвариантных преобразователей, реализующие

условие контрольной разности.............................................................. 124

4.3. Структуры блоков преобразования нелинейных характеристик.... 126

4.4. Исследование характеристик инвариантных преобразователей..... 131

4.4.1. Исследование характеристик инвариантных преобразователей

при линейных отклонениях характеристик каналов............................. 131

4.4.2. Исследование характеристик инвариантных преобразователей

при нелинейных отклонениях характеристик каналов.......................... 135

4.4.3. Линеаризация характеристик каналов с помощью разработанных инвариантных преобразователей................................... 148

4.5. Погрешности инвариантных преобразователей.............................. 154

ВЫВОДЫ.............................................................................................. 160

ГЛАВА 5. Инвариантные преобразователи с частотным

и фазовым выходом................................ ............................................... 162

5.1. Параметрические инвариантные преобразователи

с частотным выходом............................................................................. 162

5.1.1. Математические модели преобразователей

с частотным выходом............................................................................. 163

5.1.2. Структуры преобразователей с частотным выходом.................... 168

5.2. Параметрические инвариантные преобразователи

с фазовым выходом................................................................................ 176

5.3. Параметрические инвариантные преобразователи с частотным выходом на базе автоколебательной системы с комбинационным взаимодействием сигналов трёх частот................................................. 184

5.4. Параметрические инвариантные преобразователи с фазовым выходом на базе автоколебательной системы с комбинационным

взаимодействием сигналов трёх частот................................................. 192

ВЫВОДЫ.............................................................................................. 198

ГЛАВА 6. Структурно-алгоритмические методы коррекции многофакторных дополнительных отклонений характеристик каналов.......... 201

6.1. Математическая модель многофакторных дополнительных отклонений характеристик каналов....................................................... 201

6.2. Алгоритмы коррекции многофакторных дополнительных отклонений............................................................................................ 203

6.2.1. Алгоритм коррекции линейных многофакторных отклонений..... 205

6.2.2. Алгоритм коррекции нелинейных многофакторных дополнительных отклонений.................................................................. 206

6.2.3. Структура устройства коррекции многофакторного отклонения характеристики канала.......................................................................... 216

6.3. Алгоритмы коррекции взаимных дополнительных отклонений

характеристик многоканальных систем................................................. 218

6.3.1. Коррекция дополнительных отклонений двух

взаимозависимых каналов..................................................................... 218

6.3.2. Общий случай коррекции взаимных дополнительных отклонений в многоканальных системах............................................... 228

6.3.3. Структуры устройств коррекции взаимных дополнительных

отклонений характеристик взаимозависимых каналов.......................... 232

6.4. Алгоритмы парирования многофакторных дополнительных отклонений характеристик каналов по входу........................................ 234

6.4.1. Алгоритм парирования с помощью входного сигнала многофакторных дополнительных отклонений характеристики канала.......... 236

6.4.2. Алгоритм парирования с помощью входных сигналов дополнительных отклонений характеристик взаимозависимых

каналов.................................................................................................. 238

ВЫВОДЫ.............................................................................................. 242

ГЛАВА 7. Алгоритмы и средства инвариантных преобразований в системах управления технологическими процессами........................ 244

7.1. Коррекция температурной погрешности приборов активного контроля............................................................................................... 245

7.2. Коррекция температурной погрешности приборов послеоперационного размерного контроля........................................... 250

7.3. Коррекция дополнительной погрешности контрольных

автоматов сложных деталей................................................................. 254

7.4. Исследования инвариантных преобразователей ............................ 259

ВЫВОДЫ.............................................................................................. 269

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ............................ 271

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................... 275

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................................... 304

Приложение 1. Проверка инвариантности сжимающих отображений... 305 Приложение 2. Численные исследования чувствительности сжимающих отображений..................................................................... 307

Приложение 3. Численные исследования изменения полосы

неопределённости характеристик каналов после сжатия...................... 326

Приложение 4. Примеры использования разработанных алгоритмов

аппроксимации и преобразования нелинейных характеристик............. 336

Приложение 5. Численные исследования характеристик

инвариантных преобразователей........................................................... 344

Приложение 6. Численные исследования алгоритма коррекции дополнительных взаимных отклонений характеристик

взаимозависимых каналов..................................................................... 362

Приложение 7. Средства технологического контроля.......................... 367

Приложение 8. Сведения о внедрении и использовании

результатов работы................................................................................ 384

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Развитие и эффективность применения современных систем автоматического управления технологическими процессами связаны с проблемой увеличения точности преобразований контролируемых параметров в информативные сигналы в условиях интенсивного воздействия многофакторных возмущений. В современном производстве всё больше внимания уделяется качеству продукции, которое многообразными способами влияет на непрерывность и ритмичность производства, себестоимость продукции, объём её выпуска и производительность труда. Высокое качество продукции может быть достигнуто только там, где существует контроль многочисленных параметров технологического процесса и соответствующая коррекция условий его протекания [1,6,7,18,98, 120,126,129,130,226,228,239,258].

В связи с этим возрастают требования к точности контроля и управления. Это подтверждается и тйм, что в промышленных странах трудоёмкость контроля и измерений составляет в среднем 15% трудоёмкости всего общественного производства, а в областях высоких технологий эта доля ещё выше [3,8,48,50,51,54,119,238,244,253].

Каждый производственный процесс характеризуется целым рядом параметров. Эти параметры могут изменяться только в ограниченных пределах, позволяющих сохранить рабочий режим технологического процесса. Параметры технологического процесса и готовой продукции должны быть измеримы. Поэтому, для обеспечения качества продукции необходимо иметь средства определения с необходимой точностью всех параметров на всех этапах производства [64,73,74,87,95,96,99,100,111,112,227,233-235].

Многоэтапность процессов переработки веществ и взаимные влияния отклонений параметров технологического процесса делают задачу управления качеством конечного продукта достаточно сложной. Между откло-

нениями параметров конечного продукта и отклонениями параметров технологического процесса на отдельных этапах трудно установить однозначную зависимость в обобщённом виде. Это практически исключает применение обратной связи по конечному продукту, а требует парирования всех отклонений на каждом этапе производства. Наиболее ответственными элементами систем контроля являются датчики (первичные преобразователи). В большинстве случаев датчики реагируют сразу на несколько параметров, только один из которых является информативным. Это создаёт существенную погрешность контроля.

Совершенствование датчиков требует больших капитальных вложений. Это связано с огромной номенклатурой датчиков и многообразием условий их эксплуатации.

Введение аналоговых корректирующих преобразователей позволяет подавить влияние возмущающих факторов на характеристики датчиков, увеличить точность контроля и расширить условия эксплуатации СУ [10,11,44,222,249,250].

С другой стороны, наличие в системе управления ЭВМ позволяет совершенствовать структуры сбора информации датчиков и алгоритмы её обработки. При этом появляется возможность учесть и устранить влияние возмущений на контролируемый параметр [45,65,118,192-194].

Структурно-алгоритмические методы и средства инвариантных преобразований обладают огромными потенциальными возможностями, исследование и реализация которых позволяют опережающими темпами совершенствовать системы контроля и управления технологическими процессами [ 12,16,1 9,24,56,68,69,110,158,179,256,266].

Обзор научно-технической литературы показывает, что известные методы и средства преобразований выходных параметров датчиков и информативных сигналов с целью коррекции влияния возмущающих факторов далеко не исчерпывают всех возможностей. Причиной следует считать

недостаточность теоретических разработок по методологии синтеза инвариантных структур и алгоритмов коррекции влияния многофакторных возмущений.

Цель работы - обеспечение заданной точности преобразования контролируемых параметров технологического процесса, выходных параметров датчиков и информативных сигналов в системах управления технологическими процессами в условиях интенсивного воздействия многофакторных измеримых и неизмеримых возмущений.

Проблема научного исследования заключается в разработке структурно-алгоритмических методов и средств инвариантных преобразований контролируемых параметров и информативных сигналов для систем управления технологическими процессами, работающих в условиях интенсивного воздействия многофакторных возмущений, вызывающих нелинейные отклонения характеристик каналов преобразования сигналов.

При решении научной проблемы разработки структурно-алгоритмических методов и средств инвариантных преобразований необходимо решить ряд сложных научно-технических задач, важнейшими из которых являются:

-разработка метода синтеза двухканальных сжимающих отображений; -исследование общей нелинейной математической модели двухка-нального инвариантного преобразователя;

-синтез структур двухканальных инвариантных преобразователей с

о о 4 о о

амплитудои, частотой и фазовой модуляцией выходного сигнала;

-разработка нелинейной математической модели влияния многофакторных возмущений;

-исследование численных алгоритмов коррекции нелинейных многофакторных дополнительных погрешностей канала преобразования и нелинейных взаимных дополнительных погрешностей в многоканальных системах;

-разработка алгоритма коррекции входного сигнала канала преобразования без доступа к выходу с целью парирования влияния многофакторных возмущений;

-создание образцов инвариантных преобразователей с амплитудным, частотным и фазовым выходами, практическое применение численных алгоритмов коррекции.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы аппроксимаций, теория измерительных преобразователей, теория чувствительности систем управления, теория инвариантности, теория вероятности, методы параметрического и структурного синтеза, теория погрешностей, имитационное моделирование на ПЭВМ и экспериментальные методы исследований.

Научную новизну диссертации определяют следующие основные результаты, которые выносятся на защиту.

1. Предложен и теоретически обоснован метод синтеза сжимающих отображений в виде двух последовательных преобразований, первое из которых является сжимающим преобразованием, а второе нелинейным отображением результата сжатия.

2. Разработан метод контрольного значения для синтеза двухканаль-ных сжимающих отображений.

3. Разработаны нелинейные математические модели двухканальных преобразователей и получены условия их инвариантности.

4. Предложен м�