ISSN 1991-3087

Свидетельство о регистрации СМИ: ПИ № ФС77-24978 от 05.07.2006 г.

ISSN 1991-3087

Подписной индекс №42457

Периодичность - 1 раз в месяц.

Вид обложки

Адрес редакции: 305008, г.Курск, Бурцевский проезд, д.7.

Тел.: 8-910-740-44-28

E-mail: jurnal@jurnal.org

Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100
Яндекс.Метрика

Магнитострикционные преобразователи параметров движений тренажеров транспортных средств

 

Прошин Иван Александрович,

доктор технических наук, профессор,

Прошкин Виктор Николаевич,

кандидат технических наук, доцент,

Тимаков Владимир Михайлович,

соискатель.

Пензенская государственная технологическая академия.

 

Надежность, технические и метрологические характеристики систем управления (СУ) тренажера транспортных средств (ТТС) во многом определя­ются уровнем развития датчиковой аппаратуры, обеспечивающей непрерывное измерение и контроль физических параметров, и преобразование этих парамет­ров в унифицированные электрические сигналы.

Значительную часть преобразователей измерительной информации, со­ставляют преобразователи параметров движений (перемещение, скорость, ус­корение). Важное место среди них принадлежит магнитострикционным преоб­разователям параметров движений (МППД).

В качестве базовой конструкции для МППД может служить магнитост­рикционный преобразователь линейных перемещений на крутильных магнито­упругих волнах с использованием физических эффектов Видемана – Вертгейма [1]. Указанные преобразователи широко используются в составе прецизионных гидравлических приводов ТТС, в испытательных стендах, в технологических установках для сертификационных испытаний динамических систем, в игровых и развлекательных аттракционах и т.д.

К измерительным преобразователям (ИП) МППД предъявляются высокие требования по обеспечению его нормального функционирования в современ­ных СУ ТТС в течение гарантийного срока в жестких эксплуатационных усло­виях (температура, давление, вибрации, акустические шумы, линейные и угло­вые ускорения, механические и гидравлические удары, воздействие агрессив­ных сред). Надежность ИП должна быть выше надежности изделия СУ ТТС, на которое оно установлено. Вместе с тем преобразователи должны иметь про­стую конструкцию, низкие энергетические, массогабаритные и стоимостные показатели, чтобы не ухудшать общие тактико-технические характеристики системы управления, гарантированные метрологические характеристики на протяжении всего срока эксплуатации и обеспечивать многоразовое примене­ние с сохранением всех технических параметром после каждого цикла работы. При этом, прежде всего, следует выявить требования, предъявляемые к МППД как к элементу СУ, исходя из его практического применения. Для этого необ­ходимо представить МППД как объект управления, выделив управляемые и управляющие воздействия, определить возможные возмущающие воздействия и характер их изменения, влияние внутрен­них параметров преобразователя на динамические свойства системы.

Методология исследований. Основа исследований – системный, энергети­ческий и информационно-алгоритмический причинно-следственный подходы, комплексные исследования МППД, сочетающие экспериментальные и теоретические исследования, технологические и конструктивные проработки, схемотехнические решения. Преобразователь представлен как:

·                    преобразователь энергии;

·                    элемент системы управления;

·                    система взаимосвязанных элементов;

·                    объект управления.

При исследованиях МППД могут применяться как методы физического моделирования, так и методы моделирования на ЭВМ. Следует отметить, что достоверные исследования физических закономерностей механизмов преобра­зования энергии, конструктивных и технологических особенностей МППД возможно только на основе экспериментальных исследований. Учитывая веро­ятностный характер воздействий, получение математических моделей и обра­ботку результатов эксперимента необходимо проводить на основе методов ста­тистических исследований.

При этом, прежде всего, следует выявить требования, предъявляемые к

МППД как к элементу системы управления, исходя из его практического при­менения. Для этого необходимо представить МППД как объект управления, выделив управляемые и управляющие воздействия, определить возможные возмущающие воздействия и характер их изменения, влияние внутренних па­раметров преобразователя на динамические свойства системы.

Следующий этап исследований – систематизация требований, предъяв­ляемых к выходным координатам МППД с учётом возможных изменений воз­мущающих воздействий при его рассмотрении как элемента системы управле­ния. Анализ и синтез способов и устройств формирования заданных динамиче­ских свойств МППД целесообразен по результатам его исследования как сис­темы взаимосвязанных элементов с учётом возможных конструктивных, техно­логических и схемотехнических решений. При этом динамические свойства МППД могут формироваться только с учётом его особенностей как преобразо­вателя энергии.

Магнитострикционный преобразователь параметров движений как элемент системы управления. Обобщённая структура многомерной сис­темы автоматического управления (САУ) n-объектами показана на рис. 1. На схеме обозначены эндогенные переменные:  – векторы входных (задающих) воздей­ствий;  – векторы возмущающих внешних воздействий; – век­торы сигналов ошибки;  – векторы управляющих воздействий и экзогенные переменные:  – векторы, характеризующие выходные переменные объектов управления;  – векторы, характеризующие выходные переменные объектов управления на выходе МППД. Управляющая система включает совокупность программно-технических средств (регуляторы, устройства сопряжения и мас­штабирования и т.п.), обеспечивающих достижение объектами управления оп­ределенной цели. Качество управления (точность, быстродействие, перерегули­рование) во многом определяется техни­ческими характеристиками МППД. Со­стояние сис­темы управления оценива­ется по координатам состояний yj(t). Электрические экви­валенты этих со­стояний zk(t) отображены на выходах МППД №1…МППД №n.

 

Рис. 1. Структурная схема системы управления.

 

Разница между входными воздействиями xi(t) и действительными zk(t) за­конами изменения управляемой величины есть ошибка управления h'(t) = xi(t) zk(t). В астатической САУ ошибка системы равна нулю. Поэтому точ­ность управления полностью определяется только точностью МППД. В ста­тиче­ских системах автоматического управления дополнительно к ошибке преобра­зователя добавляется ошибка системы. Задачей системы автоматиче­ского управления является изменение переменной yj(t) согласно заданному закону с определенной точностью (с допустимой ошибкой). При проектиро­вании СУ необходимо учитывать технические характеристики всех входящих в нее ком­понент (детали, элементы, функциональные узлы) и, в первую оче­редь, это ка­сается узлов обратных связей, которые определяют точность, чувствительность, разрешающую способность, линейность, быст­родействие и надежность всей системы.

Для воспроизведения на ТТС модели виртуальной среды ощущения про­странственного движения, адекватной к реаль­ной обстановке, его сис­темы мо­делирования должны с высоким качеством и подобием стимули­ро­вать воспри­ятия движения, ощущаемые оператором в транспортном средстве реального объекта. Постановка такой задачи предопределена постоян­ным со­вершенст­вова­нием не только технологии моделирования, законов управле­ния, но и улучшением характеристик приводных звеньев, в обратную связь которых вхо­дит МППД.

На современном этапе развития тренажеростроения существует тен­ден­ция роста объема и сложности решаемых задач, что ведёт к услож­не­нию ал­го­ритмических, технологических и конструкторских решений, сопровож­дается посто­янным по­вышением ответственности и надежности, исполняе­мых сис­те­мами функций. Воз­растает потребность в интеграции отдельных сис­тем в слож­ные динамиче­ские структуры. Это касается и электро­гидравли­че­ского привода, от которого требуется качественно новые техниче­ские ха­рак­теристики.

Узлы обратной связи гидравлических приво­дов динамического стенда (ДС) ТТС раз­мещаются на внеш­ней стороне гидроцилиндра. Для того чтобы соединить элемент позиционирования МППД со што­ком гид­роцилиндра тре­буется введение дополнительных механических уз­лов, что не только услож­няет конструкцию привода и увеличивает его мас­согабарит­ные размеры, но и ухудшает точностные характеристики из-за при­сутствия люфтов, сухого тре­ния и несоосностей в кинематических це­пях узла обрат­ной связи. При опре­делен­ных величинах знакопеременных ускорений, разви­ваемых ДС, поме­хо­устойчи­вость узлов обратной связи становится крайне низкой. Поэтому в за­коны управления ДС в ущерб качеству передачи вирту­альной средой ощу­щений пространственного движения вво­дятся ограниче­ния по предельным перемеще­ниям стенда. Все это отражается на объеме и качестве пред­ставления акселера­ционной информации обучаю­щему экипажу, обуславливает несоот­ветствие тренажё­ров определенным критериям международного стандарта по оценке на­зем­ных обучающих сис­тем.

Систематизация требований к МППД в системах управления тре­на­жеров транспортных средств. Анализ показывает, что к бортовому обо­рудо­ванию ТТС, в том числе и к МППД как к элементам этих систем, предъ­явля­ются следующие требования по живучести стойкости к внешним воздей­ст­вую­щим фак­торам:

·                    по защищенности от воздействия окружающей среды изделие отно­сится к обыкновенному исполнению, непред­назна­ченному для работы в условиях воздействия твердых тел, воды, взрыво­опасной и агрес­сив­ной сред, ин­тенсивных механических воздейст­вий;

·                    по устойчивости к воздействию климатических факторов внешней среды изделие должно быть устойчивым к воздействию темпе­ратуры окру­жаю­щего воздуха в диапазоне от +5 до +85 °С, к воздействию влаж­ности 85 % при температуре +25 °С;

·                    изделие должно сохранять свои характеристики при воздействии внеш­него постоянного магнитного поля напряженностью до 400А/м и пе­ре­менного маг­нитного поля напряженностью до 400А/м с частотой 50 Гц;

·                    изделие должно быть работоспособным при воздействии на него си­нусои­дальной вибрации и ли­нейных ускорений до 98 м/с2 (10 g) по трем координатным осям (таблица 1).

 

Таблица 1.

Требования по вибрационным воздействиям.

Диапазон частот, Гц

Ускорение

Время действия, час

5 - 10

2,5 мм (амплитуда)

500

20

19,6 м/с2 (2 g)

500

10 - 100

9,8 м/с2 (1 g)

500

100 - 500

4,9 м/с2 (0,5 g)

500

 

В таблице 2 приведены основные технические харак­теристики двух ди­намических систем для тренажеров транспортных средств.

 

Таблица 2.

Основные технические характеристики динамических стендов.

Параметр

Единица измерения

ДС-6-1000

ДС-6-1500

Рабочий ход штока приводного звена

мм

1100

1500

Продольное перемещение (Хпр.п.)

мм

± 980

± 1470

Поперечное перемещение (Zпоп.п.)

мм

± 850

± 1270

Вертикальное перемещение (Yв.п.)

мм

± 1200

± 1700

Угловое перемещение по крену (γкр.п.)

град

± 32

± 32

Угловое перемещение по тангажу (υт.п.)

град

± 32

± 32

Угловое перемещение по курсу (ψкурс. п.)

град

± 32

± 32

Линейная скорость по осям Хпр.п., Zпоп.п., Yв.п.

м

± 0,7

± 0,7

Угловая скорость по крену, тангажу, курсу

град/с

± 40

± 40

Линейное ускорение по осям Хпр.п., Zпоп.п., Yв.п.

м/с2

± 5

± 5

Угловое ускорение по крену, тангажу, курсу

град/с2

± 100

± 100

Максимальная грузоподъемность стенда

кг

7000

12000

Рабочее давление в полости гидроцилиндра

МПа

21

21

Минимальное давление в полости гидроци­линдра

МПа

0,05

0,05

Максимальное (пиковое) давление в полости гид­роцилиндра

МПа

60

60

Допустимый температурный диапазон рабо­чей жидкости в полости гидроцилиндра

ºС

- 70 … + 95

- 70 … + 95

 

Количественные значения показателей надежности для всей системы ДС, в том числе и для МППД, находящегося на подвижной плат­форме и в со­ставе узла обратной связи линейного привода, следующие:

·                    показатель безотказности – средняя наработка на отказ не менее 50000 ча­сов (подтверждается расчетами на этапе РКД);

·                    показатель долговечности – сред­ний ресурс до первого среднего ре­монта должен быть не менее 8500 часов в течение 12 лет;

·                    средний ресурс – не менее 16000 часов в течение 17 лет;

·                    показатель ремонтопригодности – среднее время восстановления рабо­то­способности после возникновения отказа не более 1 часа;

·                    средний срок хранения законсервированного изделия 4 года с перекон­сер­вацией через 2 года, из них не менее 1 года в составе ДС;

·                    непрерывная работа в течение 16 часов с перерывом на 1 час перед про­дол­жением по­следующих работ;

·                    гарантийная наработка 8000 часов в течение 12 лет, в том числе 8 лет не­по­средственной эксплуатации, остальное время – транспортирование и хране­ние.

Магнитострикционный преобразователь параметров движений как объект управления. Магнитострикционные преобразователи параметров дви­жений включают на­личие двухмерных шкал – магнитострикционной (аналого­вой) и цифровой, относительно которых осуществляется кодирова­ние инфор­маци­онного сигнала, преобразование в унифи­цированный ряд вы­ходных сигна­лов для дистанционной передачи по каналам связи в СУ. Пер­вая реализуется ИП, вторая – вторичным преобразователем (ВП). Измеряемая или кон­троли­руе­мая переменная СУ преобразуется в интервал времени и подвергается циф­ро­вому кодированию.

Как объект управления МППД является дискретной нелинейной систе­мой с широтно-импульсной модуляцией первого рода (ШИМ-1) и пред­став­ляет со­бой преобразователь информации о входных механических воз­дейст­виях (пе­ремещение, скорость, ускорение и направление перемещения) в вы­ходные управляемые координаты.

На рис. 2 показана обобщенная структурная схема МППД как объекта управления, детально отображающая функ­циональные связи ме­жду его бло­ками, показана основная совокупность управляющих хi(t) и воз­мущающих vl(t) воздействий, выходных yj(t) координат преобразователя, а также сово­купность внутренних hk(t) параметров. В состав преобразователя входят ци­линдрический акустический волновод (ЦАВ), демпферы акустического вол­новода (ДАВ), аку­стоэлектрический преобразователь (ПАЭ), элемент пози­ционирования магнит­ный (ЭПМ) и адаптирующие и демпфирующие устрой­ства (АДУ).

Управляющие воздействия хi(t) МППД – это механиче­ские воздейст­вия со стороны объекта управления на ЭПМ, которые характеризуются сле­дующей совокупностью признаков:

·         х1(t) – величиной перемещения;

·         х2(t) – скоростью перемещения;

·         х3(t) – ускорением перемещения;

·         х3(t) – направлением перемещения.

 

Рис. 2. Обобщенная структурная схема МППД.

 

Результат преобразования информации, содержащейся во входных воз­действиях МППД представляется в виде электрических сигналов. В качестве основных выходных координат yj(t) МППД наиболее часто используют сиг­налы вида:

·         y1(t) – чередующая последовательность СТАРТ-СТОП импульсов;

·         y2(t) – широтно-импульсный модулируемый сигнал;

·         y3(t) – N-разрядный двоичный код;

·         y4(t) – напряжение постоянного тока.

На внутренние параметры hk(t) преобразователя в той или иной степени оказывают влияние внешние возмущающие воздействия, в резуль­тате чего вы­ходные характеристики МППД могут искажаться. Наиболее существенное влияние оказывают следующие воз­действия νl (t):

·         ν1(t) – изменение параметров источника питания (Uпит, Iпит);

·         ν2(t) – электромагнитные поля Мэлагн. от силовых установок;

·         ν3(t) – электрические поля Еэл.п.;

·         ν4(t) – электростатические поля Еэлтат.п.;

·         ν5(t) – старение tстар. (технический ресурс);

·         ν6(t) – статическая температура tºстат.;

·         ν7(t) – динамическая температура tºдин.;

·         ν8(t) – механические силы σмех.;

·         ν9(t) – вибрации σвибр.;

·         ν10(t) – акустические поля σакуст.;

·         ν11(t) – механические удары σудар.;

·         ν12(t) – гидравлические удары σгидр.;

·         ν13(t) – агрессивные среды σагрес.ср.;

·         ν14(t) – давление среды σдавл.ср.;

·         ν15(t) – пространственное движение σпр.дв..

Таким образом, как объект управления МППД – это информационный преобразователь о механических воздействиях в электрические сигналы. Ос­новные требования, предъявляемые к МППД как к объекту управления – это обеспечение высоких показателей точности, быстродействия и помехозащи­щённости.

Магнитострикционный преобразователь параметров движений как система взаимосвязанных элементов. Совокупность элементов преобра­зова­теля подвержена со стороны ок­ружающей среды, как это пока­зано при анализе МППД как элемента системы управления и как объекта управления, множеству возмущений, под дейст­вием которых изменяются их параметры, а следова­тельно и характеристики МППД в целом. Магнитост­рикционный преобразова­тель линейных пе­ремещений как система взаимосвязанных эле­ментов объеди­няет множество конструктивных элементов, определяющих его свойства как единой измери­тельной системы. В качестве основных эле­ментов измеритель­ного преобра­зователя МППД можно выделить: ЦАВ, ДАВ, ПАЭ, ЭПМ и АДУ.

Учитывая, что свойства МППД в целом определяются как взаимодей­ст­вием его составных частей, так и свойствами его отдельных элементов, прове­дём наряду с анализом МППД как единой системы исследования его отдельных элементов с целью определения путей уменьшения или исключе­ния влияния на его характеристики основных возмущающих факторов, по­вышения метрологи­ческих характеристик преобразователя до уровня, опре­деляемого совокупно­стью требований к МППД как к элементу СУ.

Магнитострикционный преобразователь параметров движений как преобразователь энергии. Математическая мо­дель (ММ) МППД на ос­нове энергетического подхода позволяет описать меха­низм преобразования энергии при формировании крутильных магнитоупругих волн [2].

,

,

,

,

,

,

где – магнитная индукция;  – напряженность магнитного поля;  – на­пряженность электрического поля;  – электрическая индукция;  – плот­ность электрического заряда;  – удельная проводимость материала;  – сме­щение элементарного объема;  – диэлектрическая проницаемость среды;  – магнитная проницаемость материала ЦАВ;  – плотность пол­ного тока;  – плотность тока проводимости, образованного свободными заря­дами;  – плотность тока переноса зарядов, связанных с элементарным объе­мом мате­риала;  – плотность тока смещения;  – магнитное поле постоянного маг­нита;  – оператор Лапласа;  – плотность материала;  – модуль сдвига;  пондеромоторная сила;  – коэффициент Пуассона.

Математическая модель МППД как объекта управления на основе при­чинно-следственного информационно-алгоритмического подхода отно­сится к классу дискретных нелинейных моделей. Механизм преобразования ин­форма­ции в ШИМ-1 описывается совокупностью уравнений:

               

Из приведенной модели следует соотношение для определения мо­мента ti появления модулируемого фронта импульса:

где – частота следования импульсной последовательности; – вели­чина кванта нелинейного элемента.

Технология проектирования СУ с МППД опирается на цифровые спо­собы обработки информации с исполь­зованием элементов микропроцес­сор­ной техники. Поэтому для их математического описания при анализе и син­тезе приме­нимы модели вход-выход в виде разностных уравнений, пере­да­точных функций в Z-форме, временных и частотных характеристик и ММ в про­стран­стве состояний различных форм записи. Учитывая высокую раз­ряд­ность циф­рового представления информации, МППД вместе с цифро­вым вы­числите­лем может быть представлен моделью звена чистого запазды­вания с передаточной функцией в изображениях Лапласа или в Z-форме . Нали­чие звена чистого запаздывания в СУ приводит к снижению запаса по фазе и ампли­туде. Минимальное критическое время запаздывания  при заданном за­пасе устойчивости по фазе

определяется извест­ным выражением .

Оценка свойств МППД строится на основе экспериментальных исследо­ваний, на базе стохастических математических моделей [3, 4]. Построение сто­хастических ММ пре­образователя основывается на корреляционно-регрессион­ном анализе с ис­пользованием методов структурно-парамет­рического синтеза ММ на ос­нове трех следующих принципов: систематизации ММ (базисных функций) по ви­дам преобразования координат; многоуровневого син­теза и вы­бора па­кетов функциональных зависимостей; получения состоятельных, не­смещён­ных и эффективных оценок ММ в преобразованных координатах по кри­те­рию, за­даваемому в непреобразованных координатах.

 

Литература.

 

1.                  Прошкин В.Н. Конструкторско-технологические способы совершенствова­ния магнитострикционных преобразователей линейных пе­ремещений для спе­циальных условий эксплуатации: Дис…канд. техн. наук. – Астрахань, 2007. – 173 с.

2.                  Мащенко А.И. Магнитострикционные преобразователи перемещений на ос­нове эффекта Видемана: Дис…канд. техн. наук. – Астрахань, 2001. – 164 с.

3.                  Прошин И.А. и др. Математическое моделирование и обработка информа­ции в исследованиях на ЭВМ. – Пенза: ПТИ, 2000. – 422 с.

4.                  Прошин И.А. и др. Структурно-параметриче­ский синтез математических моде­лей в задачах обработки экспериментально-статистической информации: Монография. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2007. – 178 с.

 

Поступила в редакцию 20.10.2008 г.

2006-2018 © Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов.
Все материалы, размещенные на данном сайте, охраняются авторским правом. При использовании материалов сайта активная ссылка на первоисточник обязательна.