Цифрові системи керування реального часу для відтворення стаціонарних віброакустичних полів

Вперше запропонований орієнтований на реалізацію саме в цифрових системах активної компенсації в реальному часі алгоритм точного виявлення частоти основної гармоніки полігармонічного віброакустичного шуму на основі двох етапного спершу грубого ШПФ а потім більш точного ДПФ-аналізу сигналів і точного (за виявленою основною частотою) генерування за допомогою цифро-аналогового перетворювача і синхронізатор-таймера на основі оберненого ДПФ полігармонічного компенсуючого сигналу. Зокрема, на другому етапі (точного аналізу) виділяється деякий довірчий інтервал допустимих значень частоти відшукуваного піку (відповідний йому інтервал допустимих значень його періоду), і методом «золотого перетину» знаходиться максимум модулю коефіцієнту Фур'є першої гармоніки як функції періоду піку на цьому інтервалі й відповідне йому більш точне значення періоду (фундаментальної частоти). Разом з апаратною синхронізацією компенсуючого і компенсованого сигналів за фазами алгоритм забезпечує когерентність сигналів, і, як наслідок, досягається високий ступінь активного гасіння. При цьому ще й усувається можливість виникнення в САК «биттів» - періодичних змін від максимуму до мінімуму амплітуди результуючого коливання, що виникає в результаті суперпозиції двох гармонічних коливань з близькими частотами.

Запропонований алгоритмічно-програмний метод підвищення точності генерування гармонічних сигналів за допомогою цифро-аналогового перетворювача (ЦАП), побудованого на основі фіксатора нульового порядку. Він полягає у вирахуванні належної поправки розраховуваного кодового представлення часової реалізації генерованого гармонічного сигналу в оперативній пам'яті ЦАП (чи комп'ютера) таким чином, щоб амплітуда першої гармоніки аналогової ступінчатої полігармонічної апроксимації на виході ЦАП співпадала з заданою амплітудою ідеального аналогового моногармонічного сигналу. Запропоновані методи та алгоритми підвищення точності перетворень спеціалізованого процесора ШПФ і захисту від нестабільностей у роботі аналого-цифрового перетворювача. Вказані методи та алгоритми реалізовані в цифрових системах керування реального часу віброакустичними полями «Спектр-2» і «Спектр-PC».

У шостому розділі розглядаються питання реалізації та результати проведеної здобувачем дослідницької і промислової перевірки створених цифрових систем керування віброакустичними полями в реальному масштабі часу.

Нове концептуальне вирішення акустичних випробувальних систем, яке забезпечує відтворення полів з заданою просторовою кореляцією в широкому частотному діапазоні, захищене авторським свідоцтвом та патентом України, покладене в основу створеної за участю здобувача у Відділі дискретних систем керування Інституту кібернетики імені В.М. Глушкова чотирикомпонентної автоматизованої системи керування акустичними випробуваннями. У системі використане розроблене здобувачем алгоритмічне забезпечення, розглянуте у розділах 3 і 4 дисертації, та створене на його основі програмне забезпечення. Здобувач приймав участь у приймально-здавальних випробуваннях системи Міжвідомчій комісії, яка визнала створену АСУ першою в колишньому СРСР цифровою системою керування реального часу, що відповідала світовому рівню розробок в галузі випробувальних систем. Особливістю архітектури створеної АСУ було те, що, з метою розширення частотного діапазону до акустичної області (за рахунок істотного підвищення швидкодії внаслідок розпаралелення функцій), система була побудована на базі двох керуючих обчислювальних комплексів СМ-4: комплексу генерування і комплексу збирання, аналізу даних та керування і пристрою зв'язку комп'ютерів з об'єктом у стандарті CAMAC. Наведені технологічні характеристики АСУ та результати експериментів з керування широкосмуговими віброакустичними полями, проведених здобувачем особисто.

Здобувачеві належить значна роль в проектуванні та створенні в Інституті кібернетики імені В.М. Глушкова дослідницької акустичної випробувальної камери і провідна роль у створенні автоматизованої системи вимірювань характеристик акустичного поля, в якій реалізується сканування мікрофоном по вузлах рівномірної сітки спостережень на циліндричній поверхні, розробці алгоритмів функціонування системи, створенні програмного забезпечення процесу сканування і збирання та оброблення даних при проведенні експериментів.

Розроблені методи метрологічної атестації вимірювального тракту типової системи керування віброакустичними випробуваннями та створені у вигляді відповідних докуметів програма метрологічної атестації ВТ та програма експериментального дослідження метрологічних характеристик АСУ в режимі нормального функціонування. Метрологічна атестація ВТ як взірцевого засобу вимірювань полягала у визначенні таких характеристик тракту при введенні в комп'ютер випадкового широкосмугового процесу як динамічний діапазон вимірювань, відносні похибки оцінювання параметрів процесу: спектральної густини, середньоквадратичного відхилення, дисперсій в третинооктавних частотних смугах. Оскільки об'єктивно не існує взірцевого випадкового широкосмугового процесу (через відсутність взірцевих генераторів шуму), то метрологічна атестація ВТ проводилась на тестовому полігармонічному сигналі, генерованому взірцевим аналоговим генератором. Такого роду заміна тестового сигналу була обґрунтована спеціальним ГОСТом. Здобувачем було розроблене програмне забезпечення процесу метрологічної атестації, і він приймав участь в приймально-здавальних промислових випробуваннях системи керування вібровипродуваннями «Спектр-М» на підприємстві Міністерства авіаційної промисловості Білоозерському філіалі «Прибор» (м. Фаустово, Московської обл.). Найбільшу кількість запроваджень на підприємствах Міністерства авіаційної промисловості (МАП) дістала створена за участю здобувача однокомпонентна ІКС віброакустичними випробуваннями «Спектр-2». За підтримки МАП при виділенні ним як базового підприємства Білоозерського філіалу «Прибор» «Спектр-2» була запроваджена там в промислову експлуатацію у складі системи акустичних випробувань в малогабаритній ревербераційній АВК. У складі підсистеми промислових вібраційних випробувань в термовібробарокамері «Спектр-2» була запроваджена в СибНИА (Сибірський науково-дослідницький інститут авіації (м. Новосибірськ)). Підсистема збирання і оброблення даних була запроваджена у промисловій системі вібраційних випробувань в ГОИ (Державний оптичний інститут (м. Сосновий бор, Ленінградської обл.)).

Система «Спектр-2» була побудована на базі керуючого обчислювального комплексу СМ-4 і пристрою спряження комп'ютера з об'єктом у стандарті CAMAC. При розробленні алгоритмічного забезпечення системи керування використовувалась математична модель УОК (35). Розглянутий у розділі 5 адаптивний алгоритм спільного керування середньоквадратичним відхиленням і спектральною густиною широкосмугового випадкового процесу УОК використаний у системах «Спектр-2» і «Спектр-PC» і забезпечував основні режими функціонування систем: ідентифікації ОК і випробувань на широкосмугове випадкове діяння. Здобувачем були розроблені мовою ФОРТРАН основні пакети програмного забезпечення систем: введення заданої спектральної густини вихідного випадкового процесу, широкосмугової ідентифікації УОК, керування випробуваннями на широкосмугове віброакустичне діяння. Наведені технологічні характеристики системи «Спектр-2» та результати експериментів, пов'язаних з відтворенням вібраційних умов роботи бортового обладнання літальних апаратів, які проводились здобувачем на стенді моделювання комплексних діянь в СибНИА (м. Новосибірськ). За безпосередньою участю здобувача в рамках робіт за проектами з ряду Національних науково-технологічних програм була створена відкрита система керування реального часу «Спектр-PC» для відтворення і активної компенсації стаціонарних віброакустичних полів на базі IBM PC і системи фільтрації та введення-виведення аналогових сигналів в комп'ютер у тому ж стандарті. У складі підсистеми вібраційних випробувань вона передбачалась для запровадження на підприємстві МАП МКБ «Факел» (м. Хімки, Московської обл.). Основні режими функціонування системи такі: ідентифікація ВТ, тракту генерування, УОК при тестовому гармонічному і широкосмуговому випадковому діяннях;випробування на скануюче гармонічне, задані полігармонічне та стаціонарне широкосмугове випадкове діяння, активна компенсація полігармонічного віброакустичного шуму. Як основне алгоритмічне забезпечення системи використовувались всі алгоритми, розроблені здобувачем у розділі 5 дисертації. Програмне забезпечення написане мовами C і C++ та ASSEMBLER у вигляді інтегрованого середовища та пакетів програм. Здобувачем розроблене мовою C++ програмне забезпечення, що стосується основних режимів функціонування системи: широкосмугової ідентифікації та випробувань, активного гасіння полів. Розглянуті результати експериментів з відтворення та компенсації віброакустичних полів з використанням «Спектр-PC». Наведені технологічні характеристики системи, з аналізу яких випливає, що при виділенні тільки 2-х з 8-и реалізованих в «Спектр-PC» вимірювальних каналів відкрита комп'ютерна система «Спектр-PC» за можливостями і продуктивністю відповідала досить поширеній на світовому ринку випробувальних засобів на початку 90-х років закритій мікропроцесорній дороговартісній системі керування вібраційними випробуваннями SI 1215 (2 вимірювальних канали) транснаціональної корпорації «Shlumberger», не маючи аналогів в СНД.

IKC «Спектр-PC» може використовуватися у складі інтегрованих комплексів автоматизації лабораторних і стендових випробувань у промисловості, деякі методологічні основи побудови яких вироблені при роботі над створенням системи. Системи такого роду можуть здійснювати автоматизацію випробувань, діагностику на основі даних випробувань, застосовуватись при сертифікації виробів, виготовлених за новими технологіями.

Додатки містять:

- опис деяких методів розв'язання хвильових задач акустики, розгляд діянь інтенсивних акустичних навантажень на реальні повітряні апарати, аналіз деяких акустичних випробувальних установок США та Японії;

- реферативне викладення розроблених здобувачем раніше алгоритмів керування полігармонічними віброакустичними полями та деякі постановки задач, що не виносяться на захист докторської дисертації;

- опис технічних засобів, аналіз документів і деяких результатів дослідницької та промислової перевірки систем керування акустичними полями;

- копії документів про запровадження одержаних здобувачем особисто наукових результатів, про приймально-здавальні випробування та запровадження створених за участю автора цифрових систем керування реального часу.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі здійснене теоретичне обґрунтування і практична реалізація нового концептуального вирішення акустичних випробувальних систем, що забезпечує відтворення віброакустичних полів з заданою просторовою кореляцією в широкому частотному діапазоні, створене і досліджене алгоритмічне та програмне забезпечення, проведені дослідницькі і промислові випробування цифрових систем керування реального часу для відтворення та активної компенсації стаціонарних акустичних полів. Найважливіші наукові і практичні результати, одержані в дисертації, такі:

1. Через об'єктивну неможливість апріорного завдання граничних умов у прямих та обернених хвильових задачах випромінювання та розсіяння звуку в закритих приміщеннях без здійснення дискретних вимірювань поля там застосовано для вирішення обернених задач випромінювання при зафіксованому розташуванні мікрофонів і випромінювачів скінченновимірні математичні моделі акустичних трактів як об'єктів керування. Як самі моделі, так і розроблені на їх основі алгоритми ідентифікації та керування орієнтовані на реалізацію в цифрових системах керування реального часу з зворотним зв'язком і мають важливе значення для прикладної акустики. Вони використані у створених системах лабораторних віброакустичних випробувань та системах активної компенсації віброакустичного шуму;

2. Запропонований оригінальний підхід до наближеного об'єктивного відновлення полігармонічних акустичних полів у закритих приміщеннях за дискретними вимірюваннями, що ґрунтується на апроксимації поля при кожному значенні частоти відрізком потрійного ряду за системою відомих функцій, коефіцієнти якого знаходяться в результаті вирішення трикритеріальної екстремальної задачі, один з критеріїв якої враховує саме акустичну природу поля і геометрію приміщення. При вирішенні екстремальної задачі одержана система лінійних алгебраїчних рівнянь для знаходження коефіцієнтів ряду з матрицею істотно меншої розмірності, ніж розмірність матриці системи, до якої приводило б використання для розв'язування відповідної крайової задачі (з залученням даних вимірювань) скінченнорізницевих методів;

3. На основі вивчення стану проблеми наближеного відтворення реальних акустичних полів в лабораторних умовах з метою дослідження віброакустичної міцності нових виробів вперше запропоноване і реалізоване (захищене патентом України) концептуальне вирішення акустичних випробувальних систем, яке дозволяє відтворювати віброакустичні поля з заданою просторовою кореляцією в широкому частотному діапазоні, що істотно відрізняє його від світових аналогів та прототипу і має світовий пріоритет;

4. Запропоновані рекурентні алгоритми поточної ідентифікації лінійного стаціонарного ОК методом найменших квадратів на основі векторно-матричних і матричних рівнянь математичних моделей ОК за умов дії на нього неконтрольованих випадкових збурень, досліджені швидкодія, обсяг необхідної оперативної пам'яті та досяжна точність алгоритмів;

5. Запропоновані векторно-матричні і матричні стохастичні регуляризуючі алгоритми керування з зворотним зв'язком для розв'язування некоректних екстремальних задач при відтворенні полів при довільних скінченних розмірностях лінійного ОК за умов дії на ОК адитивного багатовимірного випадкового некорельованого шуму при нестохастично заданих обмеженнях на параметри ОК і вхідні діяння. Встановлений клас ОК, заданий обмеженням, якому повинні задовольняти матриці оцінок параметрів ОК та евклідова норма матриць похибок ідентитфікації, для якого алгоритми керування збігаються в асимптотиці з ймовірністю 1 до непорушних точок відображень, що породжують алгоритми. Встановлений також клас збурень, що задається обмеженням на математичне сподівання квадрата евклідової норми матриці (вектора) адитивого шуму, при якому алгоритми керування збігаються в асимптотиці. Показано, що вимоги до обмеженості збурень та вимоги до точності ідентифікації, які забезпечують для встановленого класу ОК збіжність алгоритмів керування, є взаємозалежними;

6. Запропонований і досліджений практично в ІКС реального часу «Спектр-2» і «Спектр-РС» адаптивний алгоритм спільного на кожному кроці керування середньоквадратичним відхиленнями (перший етап) і спектральною густиною (другий етап) широкосмугового випадкового процесу, який паралельно дає оцінки параметрів ОК та неконтрольованого збурення і на другому етапі включає поточну ідентифікацію рекурентним МНК та власне керування - процедуру типу стохастичної апроксимації. В результаті такої реалізації алгоритму забезпечується висока швидкість його збіжності навіть за квазістаціонарних змін параметрів ОК;

7. Запропонований і застосований в ІКС реального часу «Спектр-РС» алгоритм точного виявлення частоти основної гармоніки полігармонічного віброакустичного шуму на основі двоетапного послідовного ШПФ і ДПФ-аналізу і точного (за основною частотою) генерування за допомогою ЦАП та синхронізатор-таймера на основі оберненого ШПФ полігармонічного компенсуючого сигналу. Алгоритм забезпечує когерентність компенсуючого і компенсованого сигналів і як наслідок - високий ступінь активного гасіння шуму;

8. Запропонований і реалізований в ІКС «Спектр-2» і «Спектр-РС» уніфікований алгоритм підвищення точності генерування гармонічних сигналів за допомогою ЦАП та синхронізатор-таймера, в результаті якого обчислюється належна поправка розраховуваного кодового представлення часової реалізації генерованого гармонічного сигналу в оперативній пам'яті ЦАП таким чином, щоб амплітуда першої гармоніки сигналу аналогової ступінчатої полігармонічної апроксимації на виході ЦАП співпадала з заданою амплітудою немовби ідеального аналогового моногармонічного сигналу;

9. Нове концептуальне вирішення акустичних випробувальних систем, захищене патентом України, яке забезпечує відтворення віброакустичних полів з заданою просторовою кореляцією в широкому частотному діапазоні, розроблені здобувачем матричні алгоритми ідентифікації і керування та програмне забезпечення були використані у створеній і запровадженій за участю здобувача у дослідну експлуатацію в Інституті кібернетики імені В.М. Глушкова НАНУ багатокомпонентній ІКС акустичними випробуваннями;

10. Розроблені методи, документи та програми метрологічної атестації систем віброакустичних випробувань і використані при атестації та приймально-здавальних випробуваннях за участю здобувача АСУ вібровипробуваннями «Спектр-М», запровадженій у промислову експлуатацію на підприємстві МАП - Білоозерському філіалі «Прибор» (м. Фаустово, Московскої обл.);

11. За участю здобувача за підтримкою МАП здійснене запровадження в промислову експлуатацію системи керування віброакустичними випробуваннями «Спектр-2» та її підсистем на низці підприємств: Білоозерському філіалі «Прибор», СибНИА (м. Новосибірськ), ГОИ (м. Сосновий бор, Ленінградської обл.);

12. За участю здобувача була створена відкрита цифрова комп'ютерна система керування реального часу для відтворення та активної компенсації віброакустичних полів «Спектр-РС» на базі IBM PC. Такого роду системи можуть використовуватися у складі інтегрованих комплексів автоматизації лабораторних і стендових випробувань у метрологічних і сертифікаційних центрах певних галузей промисловості, аналогічних центрах окремих підприємств; цифровий зв'язок інформаційний

13. Системи типу «Спектр-PC» можуть забезпечувати відтворення і неперервний моніторинг вібраційного стану технологічного обладнання і пов'язаного з ним оточуючого акустичного поля, надаючи інтегровану інформацію системам діагностики, підготовки прийняття рішень і іншим, здійснювати активну компенсацію несприятливих стаціонарних акустичних діянь. Методологія побудови таких систем та деякі алгоритми ідентифікації та керування, зокрема матричні, можуть бути використані у розроблюваних зараз у світі лабораторних гібридних системах моделювання та діагностики космічних операцій, у яких поєднується цифрове моделювання з плануванням, проведенням та керуванням експериментом на реальному вузлі космічної системи, спряженому з комп'ютером.

Размещено на Allbest.ru