Введение к работе
Актуальность темы диссертации обусловлена возросшей практической потребностью промышленности как в вибродиагностическнх системах раннего обнаружения развивающегося дефекта, так и в системах для проведения диапюстики вновь разрабатываемых изделий. В частности, такие системы диапюстики необходимы как производителям машин и оборудования, например, Минские автомобильный, тракторный и станкостроительный заводы, а также предприятиям, эксплуатирующим оборудование, например, министерство топлива и энергетики. В настоящее время в Республике Беларусь системы виброакустической диапюстики серийно не производятся. Наряду со стационарными пибродиапюстическими системами имеется большая потребность промышленности в переносных специализированных приборах для проведения мониторинга промышленного оборудования. Значительная стоимость импортных вибродиагностическнх систем и приборов, а также их узкая специализация, являются сдерживающим фактором для их массового применения в промышленности РБ. Таким образом, состояние рассматриваемой в диссертационной работе проблемы таково, что несмотря на большую потребность промышленности РБ в диагностических системах и специализированных приборах, серийная аппаратура для создания виброакустических систем не разработана. Для производства программно-управляемых аппаратных средств реального времени систем виброакустической диапюстики промышленного оборудования требуется разработка методов их проектирования, а также создание программно-управляемых аппаратных средств данного назначения.
Широкое развитие микропроцессорной техники привело к возможности создания в короткие . сроки высокопроизводительных распределенных проблемно-ориентированных систем диапюстики, удовлетворяющих одновременно различным требованиям пользователей. Особенностью таких систем является разделение всего процесса обработки и анализа виброакустической информации на несколько отдельных процессов и возложение их обработки на ряд микропроцессоров (МП) и микроЭВМ.
Архитектура таких- диагностических систем определяется классом решаемых задач, применяемыми алгоритмами, а также конкретными значениями требуемого быстродействия, точности и рядом друпіх специальных требований, предъявляемых к техническим средствам. Характерной особенностью данных систем диагностирования является их работа в реальном времени.
Внедрение МП п СБИС в практику проектирования технических средств виброакустических систем диагностирования — комплексная задача.
требующая координированного решения различных вопросов, включающих разработку алгоритмов обработки виброакустической информации, архитектурных решении н программного обеспечения технических средств системы. Кроме того, при проектировании технических средств для достижения требуемой точности системы диагностирования в целом необходимо учитывать параметры первичных преобразователей. Учет взаимосвязей между программно-алгоритмическим обеспечением и техническими средствами может обеспечить создание эффективно работающих виброакустических систем диагностирования.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с программой по решению республиканской научно-технической проблемы "Разработать и внедрить методы и унифицированные программно-управляемые системы диагностики в медицине, инженерной эколоши и производственной технике с выходом на серийное производство" на 1992-1995 годы, утвержденной 26 марта 1992 года СМ Республики Беларусь, шифр "Диагностика", в рамках проводимых в БГУИР (Минском радиотехническом институте) хозяйственных договоров № 90-1010,90-3011,92-1060.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методов проектіїрования программно-управляемых аппаратных средств реального времени, для систем внброакустнческой диагностики промышленного оборудования.
Для достижения поставленной целя должны быть решены следующие основные задачи:
анализ характера образования и структуры колебательных процессов;
разработка функциональных моделей анализа виброакустического сигнала для выявления диагностических признаков и структуры аппаратных средств;
разработка методов расчета н построения программно-управляемых измерительных каналов повышенной чувствительности для системы обработки и анализа виброакустического сигнала;
разработка математической модели цифровой аппаратуры обработки и анализа виброакустических сигналов;
разработка архитектуры конвейерного процессора цифровой обработки внброакустнческого сигнала;
разработка многофункциональной двухуровневой (on-line/off-line) цифровой системы реального времени для виброакустической диагностики промышленного оборудования.
Научная новизна полученных результатов. Основные научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
-
Разработаны функциональные модели анализа виброакустического сппіала, позволяющие оценить структуру программно-управляемых аппаратных средств системы внброакустической диапюстИки в зависимости от выбранного метода диагностирования, а также требования к ним.
-
Разработаны методы расчета и построения высокочувствительных измерительных каналов системы обработки й анализа внброакустнческого сппіала.
-
Предложена математическая модель цифровой аппаратуры обработки и анализа виброакустических снпіалов, устанавливающая связь между входным сигналом и его спектральной характеристикой, на основании которой осуществляется выбор алгоритмического обеспечения системы.
-
Обоснована структурная организация двухуровневой системы, инвариантной к задаваемым . функциональным моделям анализа виброакустнческих снпіалов и объектам диагностики.
-
Разработала архитектура конвейерного процессора цифровой обработки снпіалов, особенностью которой является наличие трехпортовой памяти данных, обеспечивающей пібкость программирования структуры и высокую производительность системы В целом.
-
Дано Дальнейшее развитие принципов построения усилителей с автоматическим выбором диапазона измерения, позволяющих уменьшить погрешности при измерениях малых уровней входного виброакустического сипі ала.
Практическая значимость полученных результатов. Полученные в
диссертации результаты составляют основу проектирования профаммно-
управляемых аппаратных средств реального времени системы
внброакустической диапшстики промышленного оборудования.
Эффективность предложенных сфуктурных и алгоритмических решений доказана при практическом проектировании профаммно-управляемых аппаратных средств реального времени систем внброакустической диапшстики. На основе предложенных в работе решений разработаны:
высокочувствительный пьезоэлектрический преобразователь;
профзммно-управляемый усилитель заряда;
профаммно-управляемый антиалайзинговый фильтр;
многофункциональная двухуровневая цифровая система реального времени для внброакустической диапшстики промышленного оборудования (цифровой двухканалышй анализатор спекфа вибраций);
профаммпое обеспечение цифрового анализатора спекфа вибраций. Результаты работы были получены и реализованы в рамках
хоздоговорных и госбюджетных работ, выполненных на кафедрах. ЭВМ и ЭВС
Белорусского государственного университета информатики и
радиоэлектроники. На основе проведенных исследований разработана
документация и изготовлены опытные образцы цифровых двухканального и
восьмнканального анализаторов спектра, многофункционального
микропроцессорного анализатора спектра вибрации "Внбродиашост". Многофункциональный анализатор спектра принят к серийному производству на минском заводе "Эталон". Образец двухканального цифрового анализатора спектра вибраций передан для практической отработки диагностических алгоритмов в Институт машиноведения РАН.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту: I. Из анализа разработанных функциональных моделей оценки работоспособности машин и механизмов в процессе их технической диагностики следует, что универсальным методом виброакустической диагностики является метод сравнения спектров (сигнатурный анализ), который целесообразно использовать для определения технического состояния множества однотипных машин и механизмов и выявления тех из них, которые находятся в критическом состоянии. Использование данного метода в переносных цифровых анализаторах спектра вибраций позволяет с одной стороны упростить аппаратно-программную часть цифрового анализатора спектра вибрации по сравнению с использованием других методов диагностирования, а с другой — повысить надежность эксплуатируемого оборудования.
-
Предложенные методы расчета и построения высокочувствительного измерительного канала, состоящего из пьезоэлектрического преобразователя и согласующего устройства, позволяют увеличить динамический диапазон измерительного канала за счет оптимального согласования преобразователя и согласующего усіройства, а также рационального выбора конструкции преобразователя.
-
Предложена математическая модель цифровой аппаратуры обработки и анализа виброакустических сигналов, устанавливающая связь между входным сигналом и его спектральной характеристикой, на основании которой осуществляется выбор алгоритмического обеспечения системы.
-
Разработана архитектура конвейерного процессора цифровой обработки сишалов, особенностью которой является наличие трехпортовои памяти данных, обеспечивающей гибкость программирования структуры и высокую производительность системы в целом.
-
Предложен ускоренный метод калибровки аналогового канала двухуровневой системы реального времени обработки и анализа виброакустических сигналов на базе генератора псевдослучайной последовательности, в основе которого положен принцип согласования периодов анализа и тестовой последовательности и метод оценки погрешности
выходного сигнала псевдослучайной последовательности в зависимости от разрядности генератора псевдослучайной последовательности.
Апробирование результатов диссертации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинаре "Вибрационная техника" (Москва, 1981); XVI Всесоюзная школа по автоматизации научных исследований (Горький, 1982); Всесоюзной НТК "Современное состояние и перспективы развития методов и средств виброметрии и виброднагностикн" (Минск, 1989); конференции "Новые средства виброакустических исследований и диагностики" (Санкт-Петербург, 1993).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работы, в том числе 7 статей, 1 отчет о НИР, 1 авторское свидетельство на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, выводов и приложений и содержит 102 страницы машинописного текста, 54 иллюстрации на 41 страницах, 14 таблиц на 9 страницах, список использованных источников из 120 наименований на 8 страницах и пять приложений.
