Введение к работе
Актуальность проблемы. Надежность любого изделия определяется его конструкцией. Расчетным путем определить псе особенности конструкции, ее способность противостоять неблагоприятным факторам окружающей среды не представляется возможным. Поэтому обязательным этапом при создании, прежде всего, новых изделий являются испытания. Основным требованием, предъявляемым к испытаниям является то. что они должны проводиться в условиях, максимально лриближенных к условиям эксплуатации изделий. Большую долю всех испытаний составляют вибрационные испытания. Вибрации обусловлены как колебательными процессами, происходящими в самом изделии, так и внешними воздействиями. Например. значительные вибрационные нагрузки действуют на изделия при их транспортировании. Проведение вибрационных испытаний с учетом высоких требований к быстроте, точности и качеству их выполнения возможно лишь при использовании систем управления вибрационными испытаниями (СУВИ).
Как правило, основные отказы в работе изделий, устанавливаемых, например, на подвижных объектах, происходят во время переходных режимов транспортирования, то есть когда вибрационные нагрузки, действующие на изделия, характеризуются как случайные нестационарные процессы. Для проведения испытаний на подобного типа нагрузки специальное стендовое оборудование промышленностью не выпускается. В то же время потребность в таком оборудовании высокая, поскольку только при данном виде нагрузок возможна наиболее адекватная имитация в лабораторном эксперименте условий функционирования изделий. Поэтому в каждом конкретном случае, когда необходимо, чтобы при испытаниях изделие подвергалось воздействию случайной нестационарной вибрационной нагрузке, приходится создавать необходимое стендовое оборудование.
Использование СУВИ. позволяющих имитировать реальные условия эксплуатации изделий и осуществлять замену натурных вибрационных испытаний стендовыми, дает возможность с малыми затратами, во-первых, оценить фактическую надежность изделия, обнаружить "слабые" места конструкции и аппаратуры, устранить из процесса эксплуатации основную часть отказов, характерную для начала работы изделия; а во-вторых, прогнозировать уровень необходимой надежности изделий.
При построении данного класса СУВИ возникают следующие проблемы:
- каким образом характеризовать вибрационное состояние изде-
лия в условиях его эксплуатации (это так называемая проблема пост роения математической модели вибросостояния изделия)?;
как воспроизвести условия эксплуатации (или математически модель вибросостряния) изделия в лабораторних условиях?;
как добиться и оценить степень адекватности реальных услс вий эксплуатации и условий, имитируемых в лаборатории в процесс проведения испытаний?;
какое оборудование и какую аппаратурную базу использовать?
как автоматизировать процесс испытаний, включая обработк информации, характеризующую результаты испытаний?
Решение этих проблем дает возможность создать удовлетворякщу основным требованиям систему.
Отдельные из указанных задач решены в работах И.И.Блехмапа И.Ю. Иориша, СВ. Серенсена, М. Э.Гарфа, И.И.Быховского, В.О.Кононен ко, М.З.Коловского, В.В.Болотина, Л.Е.Божко, В. Б.Карпушина А.С.Исаева, В.Г.Тация. А.А.Туника, Г.В.Дружинина, И. О.Трапезина Л. А. Певзнера, А. Е.Леусенко, М.Д.Генкина и др., а также зарубежны ученых С.Кренделла, Ч.Крида, Э.Вигнеса, Г.Бута. Е.Броха и др. Од нако, указанные авторы основное внимание уделяли системам, позво ляющим воспроизводить только широкополосные случайные вибрационньї' нагрузки.
Многие из задач, возникающих при создании СУВИ, обеспечиваю щих получение на объектах испытаний случайных нестационарных наг рузок, находятся на начальной стадии своего решения и. ка: следствие, имеют место трудности, связанные с ограничением класс; воспроизводимых вибраций, значительными затратами на перенастройк; режимов испытаний, требуется дорогостоящее нестандартное оборудо вание.
Необходимость разработки общей методологии построения систеї
управления вибрационными испытаниями на случайные нестационарны!
нагрузки на базе различных типов вибрационных установок, включаю
щую решение задач анализа их работы при различных испытательны:
сигналах, синтеза систем управления, формирования испытательны
сигналов, оценки точности воспроизведения сигналов, нахождениі
функций вибрационных нагружений на изделиях определяет актуаль
ность темы диссертационной работы.
Цель исследования.. Диссертационная работа направлена на раз работку приемлемых с инженерной точки зрения 'методов анализа ; синтеза для создания высококачественных систем управления вибраци онными испытаниями, позволяющих имитировать реальные случайны
нестационарные вибрационные нагрузки, действующие на сложные технические изделия приборо- и машиностроения в условиях их эксплуатации.
Цель диссертационного исследования достигается путем построения теории расчета и проектирования одного класса нелинейных нестационарных систем на основе метода, обладающего единообразием вычислительных алгоритмов для решения практических задач анализа работы вибрационных установок при различных типах внешних воздействий, формирования требуемых испытательных сигналов, прежде всего случайных нестационарных, а также синтеза оптимальных систем управления вибрационными установками, обеспечивающих получение желаемых нагрузок на изделиях.
Методы исследования, При разработке теории и алгоритме» при меняются методы функционального анализа (нелинейные операторные уравнения) и теории дифференциальных и интегральных уравнений, спектральные методы исследования и проектирования систем управления, методы, основанные на концепциях обратных задач динамики, методы регуляризации некорректно поставленных задач.
Научная новизна работы. Разработан новый подход к проектированию и исследованию систем управления вибрационными * испытаниями изделий на случайные нестационарные нагрузки.
Сущность подхода состоит в развитии методов решения нелинейных операторных уравнений и последующем их применении для анализа и синтеза указанных систем управления. Необходимость разработки такого подхода связана с тем, что высокая точность воспроизведения желаемых случайных нестационарных нагрузок на платформах стендов может быть обеспечена только при условии учета нелинейных свойств используемых вибрационных установок.
Подход теоретически обоснован. Под обоснованием понимается определение условий сходимости приближенных решений к точным, нахождение оценок погрешности, построение вычислительной схемы решения конкретной задачи, исследование вопросов вычислительной устойчивости алгоритмов, рабочие испытания метода. На основе метода, получившего название проекционный метод решения нелинейных операторных уравнений, построена теория исследования и расчета систем, позволяющая проводить анализ широкого класса нелинейных систем при различных воздействиях и выполнять синтез фильтров, формирующих нестационарные случайные процессы.
Стержнем теории, определившим возможности ее использования для анализа и синтеза нелинейных систем управления, является ре-
дукция нелинейных дифференциальных' и интегральных уравнений к последовательностям сходящихся линеаризованных относительно предыдущего решения уравнений. Данный прием позволяет па следующем этапе для их решения применить проекционный метод. Такой подход упрощает решение основных задач создания систем управления вибрационными испытаниями.
Использование проекционных методов в разработанном математическом аппарате обеспечило нахождение новой формы связи спектральных характеристик входных и выходных сигналов систем, относительно которых в конечном счете находится решение, с учетом всех особенностей исходного нелинейного уравнения, описывающего систему. Л также позволило впервые получить зависимость типа "вход-выход" для нелинейных систем управления. Законы подобного типа являются базо -выми при детерминированном и статистическом анализе, синтезе корректирующих устройств, идентификации, синтезе оптимальных управлений, оптимальной фильтрации.
Математический аппарат обеспечивает единообразие вычислительных процедур при решении всего комплекса поставленных задач.
Разработан новый метод синтеза систем управления нелинейными объектами на основе использования концепции обратных задач динамики. Управление является оптимальным, построено по принципу обратной связи. Оно обеспечивает, с одной стороны, движение объекта -платформы вибрационного стенда по назначенной траектории, с другой стороны, позволяет минимизировать заданный функционал качества.
Практическая ценность. На основе разработанной теории спроек-і тирована и создана система управления вибрационными испытаниями изделий .различного радиоэлектронного назначения на случайные нестационарные нагрузки. Система внедрена на ряде предприятий, в том числе на Калужском заводе телеграфной аппаратуры, АООТ "Тайфун" (г.Калуга), ПО "Восход" (г.Калуга). Кроме функций управления, система обеспечивает обработку информации о ходе испытаний.
Для различных типов вибрационных установок получены конкретные схемные решения систем управления и проверена их работоспособность.
СУВИ обеспечивает имитацию реальных вибрационных нагрузок, имеющих место при эксплуатации и транспортировании изделий.
На созданной в КФ МГТУ им. Н.Э.Баумана системе проведены испытания конкретных изделий приборостроения для предприятий: Калужский завод телеграфной аппаратуры, ГНПП "Регион" (г.Москва). Испытания позволили выявить дефекты аппаратуры и разработать реко-,
мендации по улучшению конструкции и повышению .надежности функционирования изделий в процессе эксплуатации.
В Калужском НИИ _ телемеханических устройств методы синтеза систем управления нелинейными объектами нашли применение для управления двигателями принтеров и устройств факсимильной СВЯЗИ. ; Двигатели с присущими им нелинейносгяш типа люфты и гистерезисы ' при использовании новых систем управления обеспечивают необходимые требования по стабильности скорости вращения вала.
Разработанные методы испытаний виброзащитных свойств нашли отражение в ГОСТ 19089-73 "Упаковка. Метод определения виброзащитных свойств" (Госстандарт СССР).
На основе разработанного алгоритмического и программного обеспечения можно проводить дотсрминиропшший и стптиотичопкил анализ нелинейных динамических систем управления, выполнять оценку точности их Функционирования, рассчитывать по заданным математическим моделям первичного источника вибраций и транспортного агрегата Функции вибрационных нагрузкений, действующие на изделия, с целью последующего формирования испытательных сигналов для вибростендов.
Внедренные на предприятиях результаты работы подтверждены соответствующими актами.
Материалы работы используются в учебном процессе ряда кафедр в Калужском филиале МГТУ им. Н.Э.Баумана.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Новый метод анализа и синтеза систем управления вибрационными испытаниями изделий на случайные нестационарные нагрузки.
-
Новый закон, связывающий вход и выход нелинейной системы, и новая форма описания нелинейных систем относительно спектральных характеристик входных и выходных сигналов и самой системы.
-
Метод и алгоритмы исследования вибрационных установок в классе нелинейных систем, позволяющие находить выходные координати (детерминированный анализ), вероятностные характеристики выходных координат (статистический анализ) и соответствующие им спектральные характеристики относительно выбранного ортогонального базиса.
-
Метод и алгоритмы синтеза фильтров, формирующих стационарные и нестационарные случайные испытательные сигналы для вибрационных стендов.
5.Метод синтеза систем оптимального управления нелинейными объектами по квадратичному критерию, обеспечивающих движение объектов по назначенной траектории.
. 6. Многоцелевая система управления для проведения вибрацион-
ных испытаний и исследования свойств, работоспособности и характеристик изделий радиоэлектроники и приборостроения.
Лпробашя работы. Основные положения диссертации и ее отдельные результаты были доложены: на 30 и 32 Международных коллоквиумах по электротехнике и системам управления (Ильменау, Германия, 1985, 1987), на Всесоюзном совещании по Созданию и внедрению систем автоматического и автоматизированного управления технологическими процессами (Новгород, 1986), на Всесоюзных и Российских конференциях по Прогрессивным технологиям, конструкциям, механизации и автоматизации производственных процессов в машино- и приборостроении (Калуга, 1987, 1990). на Всесоюзной конференции по Микропроцессорным системам автоматизации технологических процессов (Новосибирск. 1987), на Всесоюзной конференции пи Электронике и автоматике в гибких автоматизированных производствах (Пермь, 1987), на Всесоюзной конференции по Проблемам создания и использования отраслевых информационно-диспетчерских систем на основе компьютеризации (Москва, 1988), на Всесоюзном научно-техническом совещании по Теоретическим и прикладным проблемам создания систем автоматического управления технологическими процессами (Челябинск, 1990), на 25 Международном симпозиуме по Экспертным оценкам надежности автомобилей (Будапешт, Венгрия, 1990), на Всесоюзной конференции по Вибрациям и диагностике машин и механизмов (Челябинск. 1990). на Российских конференциях по Автоматизации исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем и проблем математического моделирования (Калуга. 1991,1993,1994), на Всесоюзной конференции по Надежности машин, математическому и машинному моделированию задач динамики (Кишинев, 1991), на Международной конференции по проблемам моментов, цепных дробей и ортогональным функциям (Дельф, Нидерланды, 1994), на конференции с международным участием по Приборостроению - 94 (Симферополь, Украина, 1994).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано самостоятельно или в соавторстве 29 работ, в том числе в центральных и зарубежных изданиях 14 работ, из них одна монография.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего работы отечественных и зарубежных авторов и приложения. Работы выполнена на 335 страницах и содержит 233 страницы машинописного текста основной части диссертации, 94 страниц рисунков и таблиц.