65434
МЕТОДИ Й ЗАСОБИ ІДЕНТИФІКАЦІЇ ТА АНАЛІЗУ СИГНАЛІВ В ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНИХ КОМПОНЕНТАХ КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ
Автореферат
Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы
Ситуація при транспортуванні ОМ ускладнюється можливістю зміни маси або коефіцієнту поверхневого тертя ОМ під впливом внутрішніх або зовнішніх факторів що потребує своєчасної корекції величини стискального зусилля з забезпеченням мінімального проковзування ОМ в захватному пристрої ЗП комплексу.
Украинкский
2014-07-30
348 KB
1 чел.
19
ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ШИШКІН Олександр Сергійович
УДК 62-50+004.43: 004.896
МЕТОДИ Й ЗАСОБИ ІДЕНТИФІКАЦІЇ ТА АНАЛІЗУ СИГНАЛІВ
В ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНИХ КОМПОНЕНТАХ КОМПЮТЕРНИХ СИСТЕМ
05.13.05 Компютерні системи та компоненти
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Одеса 2010
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному університеті кораблебудування імені
адмірала Макарова Міністерства освіти і науки.
Науковий керівник доктор технічних наук, професор,
Кондратенко Юрій Пантелійович,
Чорноморський державний університет ім. Петра Могили, професор кафедри інтелектуальних інформаційних систем
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,
Ситніков Валерій Степанович,
Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри інформаційних систем
кандидат технічних наук, доцент,
Тесленко Олександр Кирилович,
НТУУ «Київський політехнічний інститут», доцент кафедри спеціалізованих компютерних систем
Офіційні опоненти:
Захист відбудеться "30" вересня 2010 р. о 13.30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1, ауд. 400-А.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.
Автореферат розісланий "27" серпня 2010 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01
кандидат технічних наук, професор Ю.С. Ямпольський
Актуальність теми. При проектуванні спеціалізованих компютерних систем (СКС) для сучасних комплексів контактного силового маніпулювання обєктами з нестаціонарними параметрами виникає ряд проблем, оскільки при захоплюванні і подальшому переміщенні обєктів маніпулювання (ОМ) виникає протиріччя між необхідністю сформувати достатнє стискальне зусилля та, водночас, уникнути деформації ОМ. Ситуація при транспортуванні ОМ ускладнюється можливістю зміни маси або коефіцієнту поверхневого тертя ОМ під впливом внутрішніх або зовнішніх факторів, що потребує своєчасної корекції величини стискального зусилля з забезпеченням мінімального проковзування ОМ в захватному пристрої (ЗП) комплексу. Зокрема, при транспортуванні з недостатнім стискальним зусиллям ОМ може вислизнути з захватного пристрою, а при надмірному стисканні буде деформований. Вказані проблеми призводять до зменшення ефективності компютерних комплексів контактного силового маніпулювання, що визначається збільшенням відсотку браку при виконанні серії транспортних операцій. Для реєстрації переміщення ОМ в захватних пристроях використовуються спеціалізовані аналогові й цифрові компоненти перетворень мікрорухів елементів інформаційно-вимірювальні компоненти для ідентифікації та аналізу сигналів проковзування.
Успішні дослідження зі створення високоефективних інформаційно-вимірювальних компонентів (ІВК) для ідентифікації сигналів проковзування проводяться в Японії, США, Україні, Китаї, Росії й інших країнах. Водночас, більшість існуючих ІВК не дозволяють реєструвати сигнали проковзування в масштабі реального часу, вимагають значних переміщень ОМ в захватному пристрої для ідентифікації сигналів проковзування, мають значну кількість помилок ідентифікації при змінах параметрів зовнішнього середовища або ОМ, що обмежує їх застосування в компютерних системах для автоматичного контролю сучасних швидкодіючих технологічних процесів. Це призводить до необхідності удосконалення й модифікації відомих методів і компютерних компонентів для ідентифікації сигналів проковзування та подальшого діагностування запропонованих аналогових й цифрових компонентів перетворень мікрорухів елементів з метою підтвердження їх ефективності.
Отже, дослідження, спрямовані на удосконалення та підвищення ефективності методів ідентифікації та аналізу сигналів проковзування, впровадження моделей інформаційно-вимірювальних компонентів СКС та розробку спеціалізованих систем діагностування ІВК для комплексів контактного силового маніпулювання обєктами є актуальними.
Дисертація виконувалася відповідно до технічних завдань науково-дослідних робіт Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова, зокрема, в рамках наукових досліджень при виконанні НДР «Компютерні системи та алгоритми обробки сенсорної інформації для управління адаптивними робототехнічними комплексами» (номер державної реєстрації №0108U004410, відповідальний виконавець) та держбюджетної НДР «Методи і засоби синтезу інтелектуальних систем для оптимізації вантажопотоків та процесів керування морськими транспортними комплексами» (номер державної реєстрації №0105U001767, виконавець).
Метою роботи є підвищення ефективності компютерних систем з аналоговими й цифровими компонентами перетворень інформації мікрорухів елементів в комплексах контактного силового маніпулювання шляхом удосконалення методів і засобів ідентифікації та аналізу інформаційних сигналів, побудови моделей ІВК та розробки структури і програмно-алгоритмічного забезпечення компютерної системи діагностування ІВК.
Для досягнення мети здійснюється розвязання таких основних задач:
Обєктом досліджень є компютерні системи з цифровими та аналоговими інформаційно-вимірювальними компонентами перетворень інформації мікрорухів елементів в комплексах контактного силового маніпулювання обєктами з нестаціонарними параметрами.
Предметом досліджень є методи й засоби ідентифікації та аналізу сигналів в інформаційно-вимірювальних компонентах СКС.
Методи дослідження. При розробці математичних моделей магнітних ІВК використано методи побудови інтегральних рівнянь з використанням положень теорії магнітного поля. При розробці регресійних математичних моделей ІВК, а також для дослідження похибок дискретизації вихідних аналогових сигналів ІВК використано методи теорії математичного та статистичного аналізу. Для практичної реалізації нових схемних та апаратних рішень ІВК, створення пристроїв діагностики та експериментальних досліджень ІВК використано методи теорії програмування, теоретичних основ електротехніки. Для розробки програмного забезпечення обробки вихідних сигналів компонентів СКС та автоматизації розрахунку їх математичних моделей застосовано методи технології паралельного програмування та інструментарій технології .Net Framework.
Наукова новизна отриманих результатів полягає у тому, що:
Практичне значення одержаних результатів. На основі використання запропонованих інформаційно-вимірювальних компонентів для ідентифікації сигналу проковзування, а також апаратних рішень для аналізу та обробки сигналів ІВК в ДП «Науково-виробничий комплекс газотурбобудування «Зоря - Машпроект» під час проведення експериментальних досліджень при виконанні операцій маніпулювання з обєктами, що легко деформуються, зафіксовано зменшення браку на 23,72%.
Розроблений компютерний програмно-апаратний комплекс для діагностування ІВК та контролю параметрів процесів переміщення обєктів з нестаціонарними параметрами, розроблене програмне забезпечення для автоматизації розрахунків математичних моделей цифрових та аналогових компонентів перетворень інформації мікрорухів елементів за рахунок використання технологій паралельного програмування та розподілених обчислень, інші наукові положення, висновки та рекомендації, викладені в дисертаційній роботі, були використані при підготовці курсів «Автоматизоване проектування цифрових пристроїв», «Основи збору, передачі і обробки інформації», «Інформаційно-вимірювальні системи», «Елементи і пристрої автоматики та систем управління» в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова.
Програмне забезпечення та запропонована у дисертаційній роботі методика оцінки впливу дискретизації аналогових сигналів на чутливість компонентів СКС впроваджена в ООО «СКБ Теплотехніка» та використовується при розробці пристроїв обробки вихідних аналогових сигналів компонентів СКС.
Особистий внесок здобувача. Основні наукові положення, висновки та результати, які виносяться на захист, отримані здобувачем особисто. У роботах, написаних у співавторстві, автору належать: [1, 22] розробка HDL моделей; [2, 4] розробка програмно-апаратної частини СКС; [3, 6, 16] синтез регресійних моделей ІВК; [5] експериментальні дослідження ІВК та аналіз їх характеристик; [7] розробка методу розрахунку величини мінімального спробного руху захватного пристрою спеціалізованого комплексу на основі регресійних моделей ІВК; [8, 9, 17] синтез математичних моделей на основі теорії магнітного поля; [13, 14, 24] порівняльний аналіз схемних та апаратних рішень сучасних ІВК СКС; [15, 20] розробка методики визначення ступеня впливу дискретизації аналогових сигналів на чутливість компонентів СКС.
Апробація результатів дисертації здійснювалась на конференціях різного рівня, що мають безпосереднє відношення до теми дисертаційної роботи: Міжн. наук.-техн. конф. (МНТК) «Гарантоздатні системи, сервіси і технології» (Полтава, 2006; Кіровоград, 2007, 2008), 18th International DAAAM Symposium «Intelligent Manufacturing & Automation» (Austria,Viena, 2007), Міжн. радіоелектр. форум «Прикладна радіоелектроніка. Стан та перспективи розвитку» (Харків, 2005), МНТК «Датчики, пристрої і системи» (Ялта, 2005), Міжн. наук.-техн. виставка-конгрес «Мехатроніка і робототехніка 2007» (Санкт-Петербург, 2007), V МНТК «Приладобудування 2006: стан і перспективи» (Київ, 2006), VI,VIII Міжн. наук.-практ. конф. "Сучасні інформаційні та електронні технології СІЕТ-2005, СІЕТ-2007" (Одеса, 2005, 2007), XIV Міжнародна конференція з автоматичного управління (Севастополь, 2007), International conference “Dynamical System Modeling and Stability Investigation” (Kyiv, 2007), МНТК «Інформаційно-керуючі системи і комплекси» (Миколаїв, 2004, 2005), МНТК «Електротехніка і електромеханіка» (Миколаїв, 2005, 2006), IV МНТК «Проблеми екології та енергозбереження в суднобудуванні» (Миколаїв, 2005), 12-й Міжн. молод. форум «Радіоелектроніка й молодь в ХХI столітті» (Харків, 2008), Міжн. наук.-практ. конф. «Ольвійський форум» (Ялта, 2009), наук.-техн. конф. професорсько-викладацького складу НУК ім. адм. Макарова (Миколаїв, 2008), наук.-практ. конф. «Могилянські читання» (Миколаїв, 2004, 2005, 2006, 2009).
Публікації. Основні положення та результати дисертації викладені в 32 публікаціях, з яких: 9 статей у виданнях, що входять до переліку фахових видань ВАК України, 14 публікацій у збірниках праць Міжнародних та Всеукраїнських конференцій, 9 патентів України.
Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, пяти розділів, висновків та додатків. Обєм дисертації 162 стор., додатків 14 стор. Дисертація містить 55 рисунків, 7 таблиць та посилання до 168 літературних джерел.
Вступ містить загальну характеристику роботи, яка підкреслює її актуальність, відповідність державним науковим програмам, наукову новизну, апробацію та практичне значення отриманих результатів.
У першому розділі систематизовано методи ідентифікації сигналу проковзування, проаналізовано переваги та недоліки різних типів інформаційно-вимірювальних компонентів СКС та можливості застосування цифрових компонентів для аналізу та перетворення вихідних дискретних та аналогових сигналів інформаційно-вимірювальних компонентів СКС.
На основі аналізу літературних джерел виявлено, що підвищення ефективності СКС комплексів контактного силового маніпулювання обєктами з нестаціонарними параметрами, можливо за рахунок покращення технічних характеристик компонентів ідентифікації сигналу проковзування, зокрема, підвищення їх роздільної здатності, чутливості та точності, яке можливе шляхом: а) розробки нових, більш ефективних, апаратних рішень; б) модифікації існуючих схемотехнічних рішень ІВК різного функціонального призначення; в) застосування сучасної високопродуктивної елементної бази та ефективних засобів проектування і діагностики компонентів СКС.
У другому розділі запропоновано нові методи та засоби підвищення ефективності цифрових та аналогових компонентів перетворень інформації мікрорухів елементів. Вдосконалені методи покладено в розробку нових схемотехнічних рішень компонентів ідентифікації сигналів проковзування. На рис. 1,а представлено спрощену модель пристрою, в основу якого
а) |
б) |
Рис. 1. Компонент для ідентифікації сигналу проковзування |
прокладено удосконалений метод ідентифікації сигналу проковзування на основі реєстрації качання ролика. Запропонований пристрій за рахунок конструктивних особливостей дозволяє при проковзуванні обєкту маніпулювання в захватному пристрої отримати на виході магніточутливих елементів a та b (рис. 1,а) сигнали напруги (рис. 1,б), що визначаються залежностями:
, |
(1) |
, |
(2) |
де величина постійної складової вихідної напруги реєстраторів напруженості магнітного поля a та b (рис. 1,а); поточне значення кута повороту ролика R; амплітуда, величина якої залежить від властивостей постійного магніту (ролика R); початкове зміщення кута повороту ролика R. Знак () у (2) залежить від напрямку обертання магнітного ролика. Для уникнення зон з малою чутливістю вихідних сигналів напруги реєстраторів напруженості магнітного поля a та b (рис. 1,а) на ділянках для (2) (рис. 1,б) та для (1) (рис. 1, б) блок аналізу вихідних сигналів Analyse (рис. 1, а) обирає для аналізу сигнал за формулою:
,
що дозволяє не лише позбавитись при аналізі вказаних зон низької чутливості, але й ідентифікувати ділянки, що мають високу здатність до лінеаризації, та забезпечити мінімальне значення швидкості зміни функції від максимальної для реєстраторів a та b (рис. 1,а) напруженості поля .
В розділі також запропоновані інші вдосконалення методів ідентифікації сигналів проковзування та розроблені на їх основі 5 нових пристроїв, які дозволяють підвищити ефективність СКС з цифровими та аналоговими компонентами перетворень інформації мікрорухів елементів в комплексах контактного силового маніпулювання обєктами з нестаціонарними параметрами за рахунок: а) підвищення чутливості компонентів за рахунок схемотехнічної модернізації чутливого елементу та/або введення додаткових блоків аналізу сигналів; б) уникнення забруднення реєструвального елементу для використання компонентів у агресивних середовищах; в) забезпечення можливості реєстрації контакту захватного пристрою комплексу з обєктом маніпулювання; г) покращення експлуатаційних характеристик ІВК, зокрема зносостійкості, за рахунок уникнення контакту інформаційних елементів коспоненту з обєктом маніпулювання; д) отримання на виході компоненту однозначного дискретного сигналу наявності або відсутності сигналу проковзування за рахунок введення додаткових блоків попередньої обробки сигналів від чутливих елементів ІВК СКС.
Представлено удосконалений метод ідентифікації та аналізу тактильних сигналів ІВК для адаптації захватного пристрою комплексу до маси обєкту маніпулювання, який відрізняється від базового методу врахуванням додаткового виміру напрямку проковзування обєкту та використанням сигналу проковзування для корегування стискального зусилля під час виконання транспортних операцій. Метод покладено в основу розробки ІВК, який завдяки додатково введеним блокам забезпечує не лише коректну реалізацію процесу захоплювання деталі захватним пристроєм комплексу, але й можливість контролювання подальших транспортних операцій з деталлю з метою реєстрації наявності перешкоди на шляху транспортування деталі і подачі на вхід компютерній інформаційно-керуючій системі відповідного попереджувального сигналу.
Третій розділ присвячено розробці математичних моделей аналогових компонентів перетворень інформації мікрорухів елементів, проведенню експериментальних досліджень та порівнянню їх результатів з синтезованими математичними моделями, синтезу регресійних моделей на основі результатів експерименту. Отримані аналітичні залежності використовуються для автоматизації розрахунків величин спробних мікрорухів.
Запропоновано двовимірну математичну модель плоско-паралельного магніточутливого елементу, що входить до складу ІВК для ідентифікації проковзування. При цьому в системі координат розглядається математична модель магнітної системи з призматичним магнітом розмірами (), яку встановлено на феромагнітну площину з нескінченою магнітною проникністю, де - ширина, - довжина, а - висота магніту, а точка є точкою спостереження. Синтезована математична модель для обчислення вертикальної складової значення величини магнітної індукції для довільної точки спостереження над поверхнею магніту має вигляд:
, (3) |
де значення величини магнітної індукції в геометричному центрі верхньої грані призматичного магніту.
Для порівняння результатів експериментальних досліджень ІВК з запропонованими математичними моделями сформовано залежність вихідної напруги датчика Холла від величини магнітної індукції :
(4) |
де коефіцієнт корекції, що залежить від типу датчика Холла, постійна складова вихідної напруги датчика Холла.
На рис. 2 приведено результати порівняння експериментальних досліджень й визначеною за допо-могою МНК відповідної регресійної залежності з розрахованими згідно (4) значеннями . Порівняльний аналіз (рис. 2) підвереджує коректність і адекватність сформованих моделей (3), (4).
Особливу увагу приділено синтезу тривимірної математичної моделі для розрахунку магнітної індукції в магніточутливій системі ІВК для ідентифікації проковзування. В системі координат розглянуто математичну модель для магнітної системи з призматичним магнітом розмірами , що встановлений на феромагнітну площину з нескінченною магнітною проникністю. Точка є точкою спостереження, що може змінювати своє положення відносно осей , або . За допомогою методу інтегральних рівнянь з використанням концепції скалярних джерел поля та положень теорії потенціалів для розрахунку магнітного поля в обмеженій області з заданими граничними умовами розроблено математичну модель для отримання вертикальної (по осі ) складової магнітної індукції в тривимірному просторі:
, |
(5) |
де значення величини магнітної індукції в геометричному центрі верхньої грані призматичного магніту.
На рис. 3 наведено характеристичні поверхні величини магнітної індукції . Розрахунки проведено для відстаней 2 мм (рис. 3,а), 5 мм (рис. 3,б) над поверхнею магніту, виконаного з матеріалу самарій-кобальт з габаритними харак-
а) |
б) |
Рис. 3. Величина магнітної індукції для 2 мм (а) та 5 мм (б) |
теристиками м, м і м, магнітною проникністю й значенням магнітної індукції мТл, що виміряне в геометричному центрі верхньої грані магніту. Аналізуючи отримані поверхні, слід відмітити, що у безпосередній близькості від магніту величина магнітної індукції практично постійна Тл (плоска ділянка на верхній частині поверхні рис. 3,а). При віддаленні від магніту (рис. 3,б) форма характеристичної поверхні змінюється на більш пологу, з явно вираженим піком над геометричним центром верхньої грані призматичного магніту.
Запропоновано лінійні та нелінійні регресійні математичні моделі різнотипних магнітних систем (М1, М2, М3) ІВК для ідентифікації проковзування, сформовані на основі використання методу найменших квадратів до обробки результатів експериментальних досліджень, зокрема поліноміальні залежності вихідного сигналу від переміщення :
а) для М1:
б) для М2:
в) для М3:
Порівняльний аналіз розроблених регресійних моделей з отриманими розрахунковими моделями підтверджує коректність та адекватність розроблених двовимірної та тривимірної математичних моделей для розрахунку магнітної індукції в магніточутливих системах ІВК для ідентифікації сигналів проковзування. Отримані аналітичні залежності вихідних сигналів ІВК в подальшому використані для автоматизації розрахунків величин спробних мікрорухів в пристроях обробки і аналізу вихідних сигналів запропонованих компонентів СКС.
У четвертому розділі запропоновано спеціалізований компютерний програмно-апаратний комплекс «Displacement Diagnostic» для діагностування цифрових та аналогових компонентів перетворень інформації мікрорухів елементів та контролю параметрів процесів переміщення обєктів з нестаціонарними параметрами, що дозволяє проводити експериментальні дослідження ефективності компонентів СКС для ідентифікації сигналів проковзування та аналіз ефективності алгоритмів управління процесом виконання транспортних операцій в комплексах контактного силового маніпулювання обєктами з нестаціонарними параметрами.
Програмно-апаратний комплекс (ПАК) являє собою компютерний комплекс контактного силового маніпулювання обєктами з нестаціонарними параметрами з дистанційним керуванням з персонального компютера (ПК). До складу ПАК входить механічна частина, що містить у собі нерухому підставку і виконавчий орган з чотирма ступенями рухливості та захватним пристроєм, на якому передбачена можливість закріплення дискретного (ДПД) або аналогового (ДПА) ІВК для ідентифікації проковзування. Вихід ДПА підключається до аналогового входу пристрою реєстрації проковзування (ПРП), дискретний вихід якого підключений до плати управління (ПУ). Також ПУ забезпечує формування сигналів, необхідних для роботи із блоком релейного керування двигунами. Для одержання інформації про поточне положення захватного пристрою у робочому просторі використається система датчиків положення (СДП), виходи яких підключені до плати управління. Для керування компютерним комплексом «Displacement Diagnostic» використовується спеціалізоване програмне забезпечення (ПЗ) «Displacement Diagnostic Software», встановлене на ПК.
У розробленому ПАК пристрій ПРП являє собою програмовану мікропроцесорну систему. На вхід ПРП поступає аналоговий сигнал з аналогового ДПА. На виході формуються дискретні сигнали наявності та відсутності (інвертований ) проковзування. Принцип формування вихідних сигналів ПРП наведено на рис. 4.
Розроблено модель робочого простору діагностичного ПАК, спеціалізоване ПЗ для керування ПАК з ПК, схему та програмне забезпечення ПУ на основі мікроконтролера фірми MICROCHIP з RISC-архітектурою. Необхідний режим роботи ПАК задається людиною-оператором на екрані дисплея ПК.
Траєкторія руху захватного пристрою компютерного ККСМ може задаватися трьома способами: a) переміщення з поточної позиції в точку з новими координатами в межах робочого простору ПАК; б) завдання траєкторії руху захватного пристрою в інтерактивному режимі; в) автоматичне відтворення попередньо збереженої траєкторії.
Розроблений ПАК дозволяє проводити експериментальні дослідження різних ІВК (ємнісних, оптичних, на основі реєстрації зміни параметрів магнітного поля й ін.) із цифровим й аналоговим виходом в режимам спробних рухів або неперервного руху. При цьому для різних типів ІВК їх технічні характеристики є порівняними, що дозволяє здійснювати оптимальний вибір ІВК із необхідними параметрами залежно від реальних умов функціонування комплексу контактного силового маніпулювання.
У пятому розділі запропоновано методи підвищення ефективності обробки інформаційних сигналів компонентів СКС та їх програмно-алгоритмічні реалізації.
Представлено метод розрахунку мінімальної реєстрованої величини спробного руху при використанні компонентів перетворень інформації мікрорухів елементів з лінійним або нелінійним аналоговим вихідним сигналом , який базується на відношенні мінімального значення зміни вихідного сигналу , що здатен зареєструвати комплекс, до мінімального значення швидкості зміни функції: .
Синтезовано HDL модель контролеру, який на підставі вхідних сигналів з компоненту для ідентифікації сигналу проковзування S_SENS та тактильного компоненту T_SENS формує відповідні вихідні сигнали величини стискального зусилля FORCE захватного пристрою, сигналу STEP наступного спробного руху, та сигнали FINISH успішне закінчення операції захоплювання деталі або ERROR неможливість захвату ОМ, за допомогою яких здійснює керування процесом захоплювання обєкта маніпулювання захватний пристрій комплексу контактного силового маніпулювання обєктами з нестаціонарними параметрами. HDL модель контролеру представлено на рис.5. Контролер має можливість гнучкого завдання параметрів початкового (сигнал START FORCE) й максимального (сигнал MAX FORCE) значень стискального зусилля захватного пристрою комплексу. Про початок операції захоплювання деталі свідчить сигнал високого рівня на вході START контролера.
Рис. 5. HDL модель контролера
Функціональні блоки: BEO забезпечує зміну стану ключових блоків контролера з «неактивного» стану в «активний» і працює за принципом тригера із блокуванням; BASP використовується для аналізу сигналу проковзування після спробного руху; BGSF використовується для генерації сигналу успішного захоплювання обєкта (при надходженні імпульсу на вхід NSL блок BGSF генерує імпульс на виході OK, а в подальшому, через інтервал часу, достатній для відпрацьовування приводом губок захватного пристрою нового значення стискального зусилля, на виході FINISH формується імпульс, що інформує систему керування комплексу про успішний захват ОМ); BGSS забезпечує формування команди на здійснення захватним пристроєм чергового спробного руху; BGVF головне призначення блоку: формування значення FORCE величини стискального зусилля захватного пристрою комплексу в процесі виконанні операції захоплювання ОМ; BGSE блок генерації сигналу помилки, на вхід якого надходять сигнали FORCE, MAX_FORCE й SL, а на виході формуються сигнали INC й ERROR (при надходженні імпульсу на вхід SL блок BGSE порівнює значення на вході FORCE зі значенням на вході MAX_FORCE і генерує імпульс на виході INC (за умови FORCE < MAX_FORCE) або переводить вихід ERROR блоку BGSE в активний стан (за умови FORCE = MAX_FORCE), інформуючи систему керування про неможливість виконання операції захвата).
Результати моделювання роботи контролера наведені на рис. 6. В лівій частині часової діаграми (рис. 6) наведений приклад успішного захвату обєкта захватним пристроєм. У даному прикладі компютерний комплекс робить три спробних рухи (імпульси на виході STEP). Після перших двох спробних рухів контролер реєструє сигнали проковзування (імпульси на вході S_SENS) і, відповідно, інкрементує значення стискального зусилля захватного пристрою (зміни значень на виході FORCE). Після третього спробного руху (при відсутності проковзування) на вході S_SENS відповідно не реєструється імпульс із датчика проковзування, що приводить до остаточного (наперед встановленого) збільшення значення на виході FORCE і до формування контролером сигналу FINISH, що повідомляє про успішне закінчення процесу захвата обєкта.
Рис. 6. Моделювання роботи контролера
У правій частині часової діаграми (рис. 9) наведено приклад, при якому в процесі корекції стискального зусилля на виході FORCE формується максимальне припустиме значення (рівне MAX_FORCE), але при черговому спробному русі контролер реєструє сигнал проковзування на вході S_SENS. Через те, що подальше збільшення стискального зусилля неприпустимо, контролер припиняє виконання операції захвату обєкту маніпулювання, формуючи на виході ERROR сигнал високого рівня (логічна 1).
В розділі запропоновано методику та програмне забезпечення (ПЗ) для оцінки впливу дискретизації аналогових сигналів на чутливість компонентів СКС.
Для автоматизації розрахунків магнітної індукції в магніточутливої системі датчика проковзування на основі тривимірної математичної моделі (5) розроблене спеціалізоване програмне забезпечення. ПЗ на підставі вихідних даних про магніт (габаритні параметри , і , магнітна проникність , магнітна індукція в центрі полюсної грані на поверхні магніту) дозволяє виконати автоматичний розрахунок напруженості магнітного поля й величини магнітної індукції над поверхнею магніту як для одиночної довільної точки, так і для діапазону вхідних значень для множини точок спостереження. ПЗ дозволяє розраховувати вихідну напругу датчика Холла , який знаходиться в довільній точці над поверхнею магніту. ПЗ розроблено в середовищі Microsoft Visual Studio Express мовою C# на основі платформи .Net Framework 3.5 з використанням елементів паралельного програмування на основі технології OpenMP.
В дисертаційній роботі отримані теоретичні, методологічні та науково-практичні результати в галузі створення СКС з цифровими та аналоговими компонентами перетворень інформації мікрорухів елементів для комплексів контактного силового маніпулювання обєктами з нестаціонарними параметрами, які в сукупності розвязують важливе науково-прикладне завдання підвищення ефективності методів ідентифікації та аналізу сигналів проковзування в комплексах контактного силового маніпулювання обєктами з нестаціонарними параметрами.
В дисертації одержано такі основні теоретичні та прикладні результати.
Шишкін О.С. Методи й засоби ідентифікації та аналізу сигналів в інформаційно-вимірювальних компонентах компютерних систем. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 eлементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2010.
Дисертація присвячена створенню високоефективних методів й засобів ідентифікації та аналізу сигналів в інформаційно-вимірювальних компонентах спеціалізованих компютерних систем, розробці математичних моделей компонентів компютерних систем.
Проаналізовано існуючі методи й засоби ідентифікації та аналізу сигналів в інформаційно-вимірювальних компонентах компютерних систем. Вдосконалено методи ідентифікації проковзування, які покладено в основу створення нових цифрових та аналогових компонентів перетворень інформації мікрорухів елементів з покращеними експлуатаційними характеристиками. Розроблено компютеризований програмно-апаратний комплекс «Displacement Diagnostic» для діагностування інформаційно-вимірювальних компонентів та контролю параметрів процесів переміщення обєктів з нестаціонарними параметрами. Запропоновано моделі математичні моделі аналогових компонентів перетворень інформації мікрорухів елементів. Здійснено практичнее випробування результатів досліджень із позитивних техніко-економічним ефектом.
Ключові слова: спеціалізовані компютерні системи та комплекси, інформаційно-вимірювальні компоненти, ідентифікація та аналіз сигналів, ефективність, математичне моделювання, програмне забезпечення, HDL-моделі.
Shyshkin A.S. The methods and facilities of the signal identification and analyze in the information-measuring components for the computer systems. Manuscript.
The dissertation seeking scientific degree of the candidate of technical science in specialty 05.13.05 Computer systems and components. Odessa national polytechnic university, Odessa, 2010.
The thesis is devoted to the problems of the creation of effective methods of the development and improvement technical inventions of information-measuring components for the special computer complexes, that provides increase the efficiency adaptive computer systems at control of objects with non-stationary parameters.
New results are: the technical inventions providing improvements of qualitative characteristics of information-measuring components computer systems with registration of changes of parameters of magnetic, capacitor and optical sensitive elements; synthesized on the basis of the magnetic field theory two-dimensional and spatial mathematical models of the information-measuring components providing high level of adequacy of modeling and experimental results of researches of slip displacement sensors of magnetic type.
Key words: special computer systems, information-measuring components, identification and the analysis of signals, mathematical modeling, HDL-models.
Шишкин А.С. Методы и средства идентификации и анализа сигналов в информационно-измерительных компонентах компьютерных систем. Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 компьютерные системы и компоненты. Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2010.
При проектировании специализированных компьютерных систем (СКС) для современных комплексов контактного силового манипулирования объектами с нестационарными параметрами возникает ряд проблем, поскольку при захватывании и дальнейшем перемещении объекта манипулирования (ОМ) возникает противоречие между необходимостью сформировать достаточное сжимающее усилие и, вместе с тем, избежать деформации ОМ. Ситуация при транспортировке ОМ усложняется возможным изменением массы или коэффициента поверхностного трения ОМ под влиянием внутренних или внешних факторов, что приводит к необходимости своевременной коррекции величины сжимающего усилия с обеспечением минимального проскальзывания ОМ в захватном устройстве (ЗУ) комплекса. В частности, при транспортировке с недостаточным сжимающим усилием ОМ может выскользнуть из захватного устройства, а при чрезмерном сжимании - будет деформирован. Указанные проблемы приводят к уменьшению эффективности компьютерных комплексов контактного силового манипулирования, которое определяется увеличением процента брака при выполнении серии транспортных операций. Для регистрации перемещения ОМ в захватных устройствах используются специализированные аналоговые и цифровые компоненты преобразований микродвижений элементов - информационно-измерительные компоненты (ИИК) для идентификации и анализа сигналов проскальзывания. На сегодняшний день существует необходимость дальнейшего развития и совершенствования ИИК с целью повышения их эффективности для обеспечения возможностей реализации управления компьютерными комплексами контактного силового манипулирования объектами с нестационарными параметрами в реальном времени, что позволит значительно расширить сферу их эффективного применения для управления объектами с нестационарными параметрами.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности компьютерных систем с аналоговыми и цифровыми компонентами преобразования информации микродвижений элементов в комплексах контактного силового манипулирования путем усовершенствования методов и средств идентификации и анализа информационных сигналов, построения моделей ИИК и разработки структуры и программно-алгоритмического обеспечения компьютерной системы диагностирования информационно-измерительных компонентов.
Для достижения поставленной цели проведен анализ и выявлены пути и резервы повышения эффективности за счет усовершенствования существующих методов идентификации и анализа сигналов проскальзывания в информационно-измерительных компонентах специализированных компьютерных систем комплексов контактного силового манипулирования объектами с нестационарными параметрами. Новыми научными результатами являются: усовершенствованный метод идентификации и анализа тактильных сигналов ИИК для адаптации ЗУ комплекса к массе объекта манипулирования, который обеспечивает корректировку сжимающего усилия во время выполнения транспортных операций; усовершенствованный метод идентификации сигнала проскальзывания на основе регистрации качания ролика, который обеспечивает компенсацию зон низкой чувствительности специализированного устройства идентификации сигнала проскальзывания; предложены двумерная и пространственная математические модели специализированного ИИК, которые позволяют получить аналитическую зависимость исходного сигнала ИИК для дальнейшей автоматизации расчетов величин пробных микродвижений; предложена параметрическая HDL-модель компонента идентификации и анализа тактильных сигналов ИИК для адаптации захватного устройства к изменению параметров объекта манипулирования; усовершенствован метод идентификации проскальзывания на основе регистрации углового отклонения чувствительного элемента, который позволяет идентифицировать проскальзывание объекта манипулирования в произвольном направлении; предложен метод расчетов минимальной регистрированной величины пробного движения при использовании специализированных компонентов преобразований информации микродвижений элементов с линейным или нелинейным аналоговым сигналом, который базируется на отношении минимального значения изменения исходного сигнала, которое способен зарегистрировать комплекс, к минимальному значению скорости изменения функции.
Разработанные специализированные информационно-измерительные компоненты преобразований информации микродвижений элементов могут служить высокоэффективной элементной и схемотехнической базой для создания СКС для компьютерных комплексов контактного силового манипулирования, обеспечивающих повышенную эффективность управления объектами, модели и условия функционирования которых характеризуются высокой степенью неопределенности.
Алгоритмическое и программное обеспечение, а также предложенные схемотехнические и аппаратные решения, внедрены на ООО СКБ «Теплотехника», ГП «Научно-производственный комплекс газотурбостроения «Зоря - Машпроект». Научные положения, выводы и рекомендации, изложенные в диссертационной работе, были использованы при подготовке курсов «Автоматизированное проектирование цифровых устройств», «Основы сбора, передачи и обработки информации», «Информационно-измерительные системы», «Элементы и устройства автоматики и систем управления» в учебном процессе Национального университета кораблестроения имени адмирала Макарова.
Ключевые слова: специализированные компьютерные системы и комплексы, информационно-измерительные компоненты, идентификация и анализ сигналов, эффективность, математическое моделирование, программное обеспечение, HDL-модели.
А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать | |||
44693. | Механические характеристики исполнительных механизмов. Установившиеся режимы | 122.64 KB | |
Нормальная безаварийная работа двигателя возможна только тогда, когда его действительный режим работы не превышает условий номинального режима. Для работы в номинальном режиме электродвигатель построен заводом изготовителем. | |||
44694. | Передача механической энергии при подъёме и спуске груза | 99.14 KB | |
При подъёме груза двигатель развивает мощность, которая затрачивается на преодоление сопротивления статического момента механизма. Часть мощности двигателя передаётся рабочему органу механизма | |||
44696. | Депарафинизация масляного сырья кристаллизацией из растворов | 22.09 KB | |
В настоящее время в качестве растворителя применяют также высшие кетоны – метилизобутилкетон, метилизопропилкетон и др. Высшие кетоны не требуют добавления в растворитель толуола. | |||