Введение к работе
Актуальность работы. Проблема повышения про: изводителышсти труда в машиностроении, а так же повышения качества, ресурса и конкурентоспособности машиностроительной продукции-в значительной степени зависит от уровня автоматизации научных исследований, испытаний, управления, измерения, контроля и диагностирования в машиностроении. В настоящее время только на контроль выпускаемой машиностроением продукции потери времени достигают до 60% от времени ее изготовления. Это обусловлено использованием для целей контроля в основном ручных контактных способов и устройств.
Средства преобразования информации из аналоговой в цифровую форму являются основными техническими средствами измерительных трактов автоматизированных систем, осуществляющими вьод в вычислительные средства информации от объектов автоматизации. При этом точность, быстродействие и чувствительность преобразователей в значительной мере обуславливают эффективность упомянутых автоматизированных систем.
В последнее время активно разрабатываются оптоэлектронные аналого-цифровые преобразователи ( ОЭ АЦП ), имеюцие высокую скорость преобразования, оптическую развязку входа от выхода, широкие амплитудные и частотные диапазоны преобразуемых величин. Однако развитие оэ АЦП сдерживается низкой технологичностью их проектирования, изготовления и высокой стоимостью, что не позволяет в полной мере реализовать отмоченные преимущества.
Указанные недостатки могут быть устранены использованием в структуре 03 АЦП оптических кодирующих устройств ( ОКУ ), сопрягаемых с интерференционными изображениями, формируемыми на выходе модуляторов. Исследование и разработка теории и методов синтеза таких 03 АЦП, названных в работе интерференционно-кодовыми преобразователями ( ИКП ), базируется на результатах этапов НИР следующих тем:
1. По плану АН СССР
За 1968 г. раздел 5.2 плана фундаментальных исследований 'АН СССР по проблеме машиностроения " Развить математические-методы и технические средства диагностирования динамического и статического состояния турбоагрегатов большой мощности."
За 1989 г. раздел '3 программы " Проблемы управления и автоматизации " Отделения проблем машиностроения, механики и процессов
- 2 -управления АН СССР 3.1.1 Научные основы разработки автоматизированных систем и приборов диагностики сложных технических систем.
За 1996 - 93 г. г. раздел 1 программы " Проблемы уяразлеяия и автоматизации ' Отделения проблем машиностроения, механики и процессов управления АН СССР 1.12.6.-1 Автоматизированные системы обработки результатов эксперимента.
2. По плану комплексной программы научно-технического прог
ресса стран-членов СЭВ ( КП 11ТЛ СЭВ ).
Проблема 2.2.2 Создание систем автоматизации научных исследований и экспериментов.Задание 2.3 Разработка инструментальных программных средств поддержки проектирования АСЩ.
3. По общесоюзной целевой комплексной научно-технической
программе О.Ц. И27 " Создание и развитие автоматизированных систем
научных исследований ( АСШ1 ) и систем автоматизированного проек
тирования ( САПР ) с применением стандартной аппаратуры КА1ДАК и
измерительно-вычислительных комплексов. '
Задание 07.14. Измерительно-вычислительный комплекс с гальваническим разделением цепей ИВК16.
Цель и задачи работы. Целью данной работы является решение проблемы создания ИКП, обеспечивающих высокочувствительное, сверхбыстрое и помехозащпщенное преобразование аналоговых физических величин в цифровую форму для ввода их в вычислительные средства автоматизированных систем. Для достижения поставленной цели были ^ешены следующие задачи:
созданы'основы теории іІКП, включающие в себя разработку математической модели процесса преобразования на базе теоретического обобщения исследований в области пространственно-временного преобразования света, интерференции, оптического кодирования информации и учета дискретности процессов, проявляющихся при сопряжении структур;
зазработакы методы и средства осуществления основных процедур преобразования, включая ввод преобразуемых вегцчин в оптический тракт ,' оптическое усиление, оптическое кодирование, корректировку к нормирование выходного кода, с использованием интерференции волн и механических структур, типа растров;
созданы и исследованы имитационные модели процессов преобразования информации в ИКП, включая соп; чжение пространственно-временных структур, оптическое усиление перемещения комбинационных полос сопряжения и оптическое кодирование положения комбинационных полос;.
разработаны уравнение измерений и методы оценки точностных характеристик 1Ш1 с учетом коррслироваяности составляющих погрешности преобразования;
разработаны методика расчета параметров оптических трактов ИКП к программные средства для автоматизированного синтеза ИКП с использованием элементом искусственного интеллекта;
разработаны методы и программные средства автоматизированных испытании ИКП с использованием измерительно-вычислительных комплексов на базе современных персональных ЭВМ.
Методы исследования. Методическую основу диссертационной работы составляет системный подход к созданию интерференционно-кодовых преобразователей. Для теоретического обобщения исследования математических моделей сопряжений периодических структур, а так же сопряжений интерференционных и муарових полос с кодовыми масками, построения и оптимизации технических решений использовались методы исследований, базирующиеся на теории оптико-электронных приборов, разделов оптики, информатики, метрологии, измерительной техники, теории множеств, теории математического анализа, теории вероятности и математической статистики, а также методы и программные средства искусственного интеллекта.
Основные положения, выносимые на защиту.
ввод преобразуемых аналогових величин в оптический тракт ИКП путем пространственно-временной модуляции положения комбинационных полос позволяет использовать в структуре ИКП растровые оптические усилители перемещений и оптические кодирующие устройства и обеспечить синтез оптоэлектронных аналого-цифровых преобразователей, превосходящих по чувствигельности и быстродействию на порядок-известные зарубежные аналоги;
формализованное описание сопряжения периодических структур в виде теоретико-множественной математической модели позволило получить новые, неизвестные ранее свойства сопряжений, заключающиеся в дискретности существования пространственного периода сопряжения, в существовании квантов относительного перемещения сопрягающихся структур, при которых набор фаз сопряжений элементов структур на
периоде сопряжения неизменен, в сингулярности поведения коэффициента оптического усиления.перемещения нониусным сопряжением структур при изменении периода одной из структур и в существовании интегральных флуктуации функции пропускания сопряжения на его периоде, что обеспечило синтез новых измерительных процедур.
Научная новизна основных научных результатов, выносимых на защиту, состоит в том, что исследованы и разработаны системные аспекты создания технических средств ИКП, позволившие предложить основные направления синтеза ИКП методом компоновочного проектирования с использованием баз данных и баз знаний и основные методики расчета и оптимизации параметров 1ІНП с использованием Экспертных подсистем; исследованы и разработаны основы теории ИКП, включающие разработку математических моделей растровых и интерференционных сопряжений, анализ функции пропускания сопряжений, коэффициентов оптической редукции и оптического усиления перемещений, разрешающей способности, анализ интегральной функции пропускания на периоде сопряжения периодических структур; исследованы и разработаны группы методов интерференционно-кодового преобразования различных физических величин, использующих свойства сопряжений периодических структур в пределах одного или нескольких периодов функции сопряжения, что позволило разработать семейство ИКП, выполненных на современной интегрально-оптической элементной базе; разработано уравнение измерений и исследована группа методов оценки точностных метрологических характеристик ИКП с учетои коррели-рованности составляющих погрешности преобразования и изменения во времени параметров ИКП, включая имитационное моделирование разрабатываемых типов ИКП и их отдельных звеньев; разработаны интеллектуальные программные средства поддержки исследований и проектирования ИКП, позво;. ющие осуществлять оптимальный синтез ИКП , то есть создавать преобразователи с заданными"параметрами в не полностью формализуемых ситуациях.
Практическая ценность рез у"л ь т а тов работы. Разработаны математические модели формирования постранственно-временны;: периодических структур и основы теории их сопряжений с растровыми и растрово-кодовими периодическими структурами ь оптоэлектронных аналого-цифровых преобразователях. Предложены процедуры ввода преобразуемых аналоговых величин ( механических и электрических) в оптический тракт преобразователей, методы ллектрической юстировки и способы уменьшения дополнительных погрешностей преобразования. Созданы основные инженерные методики синтеза и расчета конструктивных и метрологических параметров ИКП, а так же интеллектуальные программные средства поддержки исследований і: проектирования. Разработано семейство технических решений ИКП, реализующих предложенные методы, защищенных 34 авторскими свидетельствами йа. изобретение. . Проведенные экспериментальные
- ь -
исследования разработанных средств и методов подтвердили практическую ценность и эффективность разработанных программных и аппа; ратних средств. Результаты исследований легли в основу проектирования измерительно-вычислительных трактов автоматизированных систем в -машиностроении, а так не разработки интегрально-оптических аналого-цифровых преобразователей с оптическими кодирующими устрой ствами.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в Ленинградском производственном объединении "Вибратор" при выполнении заданий общесоюзной целевой комплексной научно-технической программы ОД. 027 в 1984 - 198о г. г., в Института проблей машиноведения Российской Академии Наук при выполнении плана НИР в 1988-1993 г.р., в Институте радиоэлектроники РАН при выполнении задания 2.3. проблемы 2.2.2 ЛИ НТП СЭВ в 19<за -1990 г.г., в Санкт-Петербургском институте водного транспорта при разработке оптико - электронных приборов, в Волгоградском районе гидротехнических сооружений Волго-Донского канала им. В. И, Ленина при определении состояния шлюзовых камер, на Вильнюсском заводе электротехники (ВЗЭТ) при испытаниях измерительных модулей КЛМАК и в Леноблэнерго для автоматизированного испытания и диагностирования электрооборудования.
По данным промышленных предприятий и организаций, использующих указанные разработки, общий, подтвержденный результатами использования, экономический эффект превышает 500 тыс. руб. в год,
Алпробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на 5 Международных и 23 Всесоюзных симпозиумах, семинарах, конференциях и школах в период с 1975 по 1993 г.г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 96 научных работ, из них 34 авторских свидетельств на изобретение.
Структура и объем работы: Работа содеркит введение, шесть глав, выводы, заключение, список литературы, включаючий 231 наименование, и приложение. Основная часть работы изложена на 309 страницах машинописного текста.- Работа содержит 121 рисунок и 16 таблиц.
