Введение к работе
Актуальность работы. С развитием техники все актуальнее становится проблема защиты технических и биологических объектов от вредных вибрационных и ударных воздействий. Острота проблемы связана с тем, что, с одной стороны, происходит увеличение мощности машин, энергетических установок, приходящейся на единицу их веса, и, как следствие этого, увеличивается доля мощности, рассеиваемой в виде вибрации и шума. С другой стороны, повышается чувствительность приборов, растет сложность точных механизмов, ужесточаются требования к их безотказной работе.
Воздействие вибрации на элементы радиоэлектронных устройств вызывает в них различные явлення, связанные с деформацией. Так, в электронных лампах и конденсаторах наблюдается микрофонный эффект, некоторые типы резисторов обладают пьезоэффектом, а в индуктивностях и трансформаторах наблюдаются явления мапштострикции и изменения магнитной проницаемости сердечников под воздействием вибрации и ударов. Диоды, транзисторы и интегральные микросхемы, вследствие тегпорезистивного эффекта, эффектов смещения энергетических уровней и изменения ширины запрещенной зоны в полупроводниках, также подвержены отрицательному воздействию вибрации. В СВЧ аппаратуре чувствительными к механическим воздействиям являются резонансные линии, волноводы и двухпроводные линии, обладающие малой механической жесткостью, в которых под влиянием вибрации происходит нарушение распределения электромагнитного поля, что ведет к искажению сигнала и увеличению потерь энергии. Другим примером является колебание диаграммы направленности антенны, приводящее либо к паразитной модуляции сигнала, либо к полному нарушению функционирования системы.
Для защиты прецизионных радиоэлектронных устройств от вибрационных воздействий в последнее время все чаще применяются линейные активные виброзащитпые системы, в которых формируются управляющие силы, приложенные непосредственно к защищаемому объекту, с целью компенсации вибрационных возмущений. Однако, существующие системы эффективны лишь при компенсации узкополосных процессов.
При компенсации широкополосных вибрационных воздействий возникают трудности, связанные с обеспечением требуемого качества функционирования и устойчивости известных систем компенсации вибрации.
Весьма заманчивым представляется построение систем знаковой компенсации вибрации, в которых реализованы новые принципы компенсации широкополосной вибрации, основанные на учёте полярности мгновенных значений компенсируемой вибрации. Однако их использование сдерживается отсутствием теории анализа и синтеза подобных систем.
В этой связи актуальной является задача разработки системы активной виброзащиты радиоэлектронных устройств на основе знакового метода компенсации вибрации, обеспечивающей большую эффективность виброзащиты при компенсации ударных и широкополосных воздействий.
Задача решается в соответствии с планами научно-исследовательской работы "Исследование и разработка методов автоматизированных систем анализа и управления технологическими процессами для обеспечения виброакустической надёжности изделий".
Цель работы. Цель диссертационной работы заключается в повышении эффективности активной виброзащиты радиоэлектронных устройств за счет применения разрабатываемой знаковой системы компенсации вибрации.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие частш задачи:
разработки математической модели механической части системі компенсации вибрации и анализа качества функционирования линейной системі компенсации вибрации, построенной на её основе;
разработки структурной схемы и анализа абсолютной устойчивост системы компенсации вибрации, реализующей знаковый метод компенсации н принципе управления по отклонению;
разработки математической модели автоколебательных процессов анализа их параметров в знаковой системе компенсации вибрации;
определения вида коррекции и типа корректирующих звеньев;
разработки математической модели, описывающей функциониров; ние знаковой системы компенсации вибрации во временной области и частотн< временного анализа качества функционирования;
определения критерия выбора параметров контроллера.
Методы исследований. В работе использовались методы теории реле: ных автоматических систем, цифровой импульсной модуляции, электромехаш ческих аналогий, аппарат преобразований Лапласа, элементы теории функщ комплексного переменного, гармонических рядов и рядов Фурье.
Экспериментальные исследования проведены с использованием про раммных продуктов Mathcad PLUS 6.0 фирмы MathSoft Inc., Design Center 5 фирмы MicroSim, а также других средств вычислительной техники.
Научная новизна работы заключается в следующем:
получена математическая модель механической части системы ко: пенсации вибрации (СКВ), учитывающая динамику защищаемого объекта, ви роизолятора, электродинамического вибровозбудителя и источника колебаний широкой полосе частот. Анализ качества функционирования линейной СК построенной на основе разработанной модели, показал её неэффективность щ компенсации ударных и широкополосных вибрационных воздействий;
предложена новая структурная схема знаковой системы компенсаці вибрации (ЗСКВ), организованной на принципе управления по отклонению, позволяющей значительно эффективнее использовать достоинства знакового \ тода компенсации вибрации. Установлено, что вобщем случае ЗСКВ не являет абсолютно устойчивой;
разработана математическая модель автоколебательных процесс ЗСКВ, основанная на методе анализа релейных систем автоматического peryj рования. Показано, что амплитуда автоколебания сложной формы определяет пороговым значением контролера, если начиная с частоты автоколебания А1 линейной части ЗСКВ имеет монотонно убывающий характер;
определено, что для повышения частоты автоколебания, попадаюп го в полосу пропускания линейной части ЗСКВ, или полного его устранені необходимо применение параллельной коррекции звеньями, релейные годограї которых целиком расположены в III квадранте. К их числу относятся ингег] рующие, инерционные и фазозапаздывающие звенья;
разработана математическая модель, описывающая функциониро ние ЗСКВ во временной области при произвольном характере возмущают* воздействия, а также передаточных функций корректора и линейной части;
получен обобщённый критерий выбора параметров контроллера,: зволяющий, задаваясь величиной порогового значения контроллера в, исходя требований максимально допустимой амплитуды остаточного вибрационні
юздействия на выходе ЗСКВ, определять второй параметр контроллера — шплитуду прямоугольной волны U0.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
— разработана структурная схема ЗСКВ, организованной на принципе
'правления по отклонению я обеспечивающей большую эффективность виброза-
циты по сравнению с известными линейными СКВ. При этом упрощаются цепь
'правления, настройка и эксплуатация системы, обеспечивается меньшая зави-
:имость настройки от объекта виброзащиты, увеличивается на 14-*-55дБ глубина
юдазления (в зависимости or характера возмущающего воздействия, рассматри-
іаемого диапазона частот и отношения s/S), достигается большее быстродейст-іис (норма остаточного вибрационного воздействия уменьшается в 6,5 раз) и >беспечивается в 2,6 раза большее значение энергетаческого показателя качества функционирования. Кроме того, предложенная ЗСКВ позволяет компенсировать юздействия, с шириной спектра, большей полосы пропускания линейной части истемы;
— разработана математическая модель автоколебательных процессов, а
акже математическая моделі), описывающая функционирование ЗСКВ во вре-
іенной области. Данные модели предлагается использовать для определения
іараметров автоколебаний, существующих в ЗСКВ, и расчёта переходных про
весов при наличии вибрационных возмущений, воздействующих на ЗСКВ как на
існове разработанной модели механической части, так и с механической частью,
шисываемой иным функционалом. Применение предложенного моделирования
>ункционирования ЗСКВ, обеспечивает значительное снижение расходов на её
шработку, связанных с проведением дорогостоящих натурных испытаний.
Па защиту выносятся:
математическая модель механической части СКВ и результаты інализа качества функционирования линейной СКВ, построенной на её основе;
новая структурная схема ЗСКВ, организованной на принципе управ-[ения по отклонению, и результаты анализа абсолютной устойчивости;
математическая модель автоколебательных процессов ЗСКВ и ре-ультаты анализа их параметров;
результаты анализа частот автоколебаний, существующих в ЗСКВ, корректированной интегратором и инерционным звеном;
математическая модель, описывающая функционирование ЗСКВ во іременной области и результаты частотно-временного анализа качества функ-[ионирования;
— обобщенный критерий выбора параметров контроллера.
Реализация результатов работы. Основные научные и практические ре-
ультаты диссертационной работы использованы на предприятии ПО "Завод їм.Серго" г.Зеленодольск, а также в учебном процессе на каф. Радиоуправления Сазанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доклады-ались и обсуждались на международной конференции 'Технология-96", г.Новго-юд, 1996 г.; на молодежной НК "XXII Гагаринские чтения", г.Москва, 1996 г.; [а II Республиканской конференции молодых ученых и специалистов, г.Казань, 996; на Республиканской НК "Проблемы энергетики", г.Казань, 1997 г.; на I геждународной конференции "Модели механики сплошной среды, вычислитель-іьіе технологии и автоматизированное проектирование в авиа- и машинострое-гаи", г.Казань, 1997 г.; на III Республиканской конференции молодых ученых и пециалистов, г.Казань, 1997 г. (первая премия).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе статья в журнале "Измерительная техника", а также 3 доклада в сборниках трудов международных и республиканских конференций. Опубликованные работы достаточно полно отражают содержание диссертации.
Структура диссертационной работы. Диссертационная работа изложена на страницах машинописного текста, иллюстрирована рисунками на страницах и состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 168 наименований и приложения.
