Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время значительно повысился интерес к динамическим характеристикам средств измерения давления, как статического, так и переменного во времени.
Сильфоны, рассматриваемые в данной диссертационной работе, широко используются в приборостроении в качестве чувствительных элементов различных систем, например, в манометрах, манометрических термометрах, датчиках перемещения, в пневматической и гидравлической регистрирующей аппаратуре, в медицинской технике; в автомобилестроении, строительстве и во многих других областях. Причем, область их применения постоянно расширяется, что связано с постепенным углублением знаний об объектах данной работы и совершенствованием технологий их изготовления. Среди работ по изучению сильфонных чувствительных элементов и их характеристик можно выделить работы следующих авторов: Феодосьева В.И. и Андреевой Л.Е.
В последнее время значительно возросла роль сильфонов, применяемых в составе различных датчиков автоматизированных систем управления.
Основными достоинствами сильфонных чувствительных элементов являются: возможность совершать большие осевые перемещения под действием различных нагрузок; повышенная чувствительность; практически линейная упругая характеристика в рабочем диапазоне; возможность восприятия распределенной нагрузки и преобразования ее в сосредоточенную и др. Однако, сильфоны имеют ряд существенных недостатков, которые не позволяют использовать их возможности в полном объеме. Это сложность изготовления и, как следвствие, высокая стоимость достаточно точных приборостроительных сильфонных элементов, а так же недостаточно полное исследование характеристик сильфонов и их изменений под влиянием внешних фактров и нагрузох в различных рабочих режимах.
Если рассматривать сильфон не как отдельный элемент, а как объект системы автоматического управления, то такой подход дает возможность не только управлять его динамикой, но и корректировать ее исходя из потребностей конкретной задачи. Совместное применение сильфонных элементов и систем автоматического управления позволяет существенным образом менять вид переходной характеристики изучаемых объектов, что в свою очередь приводит к улучшению их работы в определенных режимах без существенных материальных затрат на модернизацию самих датчиков.
Целью диссертационной работы явлется построение алгоритмов корреции физико-механических характеристик сильфонного чувствительного элемента в системах управления, которые позволят управлять его динамикой и переходными процессами, возникающими при динамическом нагруженип (в рабочем режиме).
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
анализ методов и подходов к описанию сильфонных чувствительных элементов;
построение математической модели сильфонного чувствительного элемента;
изучение влияния параметров внешней нагрузки, геометрических характеристик объекта на динамику и переходные характеристики сильфонного чувствительного элемента;
изучение влияния технологических несовершенств на физико-механические характеристики сильфонного чувствительного элемента;
построение регулятора системы управления динамикой сильфонного элемента.
Методы исследования включают: методы теории эллиптических функций для построения математического описания геометрии сильфонного элемента, аналитические методы, использованные при построении функции перемещения объекта исследования под действием внешней нагрузки. При синтезе пропорщіонально-шп-егрально-дифференциального (ПИД) регулятора был использован метод назначения полюсов, а для оптимизации параметров регулятора — метод Зиглера-Никольса.
Основные положения, выносимые на защиту:
аналитическое описание геометрии сильфонного чувствительного элемента с использованием эллиптических функций;
анализ статических и динамических характеристик сильфонного чувствительного элемента и влияния на них различных параметров;
алгоритм синтеза ПИД-регулятора систем автоматического управления для управления динамикой и переходными характеристиками сильфонного чувствительного элемента.
Научная новизна работы заключается в следующем:
построено аналитическое описание образующей сильфонного чувствительного элемента с использованием эллиптических функций, а так же проведена аналогия между параметрами эллиптических функций и характеристиками объекта;
построена расчетная схема сильфонного чувствительного элемента и аналитическими методами определена жесткость схемы, изучено влияние различных внешних и внутренних параметров на статические и динамические характеристики объекта;
проведен синтез пропорционально-интегрально-дифференционального регулятора, изучено влияние его характеристик на динамику сильфонного чувствительного элемента и переходные процессы в системе. По результатам анализа даны практические рекомендации по построению систем автоматического управления для приборов с сильфонными чувствительными элементами;
проведен анализ влияния технологических несовершенств на характеристики объекта исследования.
Практическая значимость и реализация результатов. Результаты работы использованы для создания программ расчета параметров ПИ и ПИД регуляторов для систем автоматического управления динамикой сильфонных чувствительных элементов. Данные программы внедрены в расчетную практику ОАО «Техприбор» и используются в учебном процессе на кафедре Мехатроники СП6ТУ ИТМО. На выполнение отдельных этапов данной работы было получено 4 гранта Администрации Санкт-Петербурга.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 14-ти конференциях различного уровня, в том числе: на ГХ Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике, Нижний Новгород, 22-28 августа 2006 г.; V и VII сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов», Санкт-Петербург, 27 июня - 5 июля 2002 и 24 - 28 октября 2005 г. соответственно.
Публикации. Основные результаты работы отражены в 9 публикациях, в том числе тематических выпусках научно-технического вестника СПб ГУ ИТМО, материалах конференций.
Структура н объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 127 наименований и приложений. Основной текст работы изложен на 150 страницах, включает в себя 7 таблиц и 35 рисунков.
