Методологические основы автоматизированного контроля качества датчиков давления (15.08.2011)

Автор: Марков Андрей Валентинович

В шестой главе проведены экспериментальные исследования автоматического задания давления воздуха и предложена процедура верификации разработанной математической модели регулирующего органа.

При настройке экспериментального образца автоматической системы задания давления был выбран цифровой параметрически оптимизируемый закон управления регулятора.

Разностное уравнение, описывающее ПИД-регулятор, имеет вид:

где e(k)=pз.тек.(k) ? pтек.(k), e(k-1)=pз.тек.(k-1) ? pтек.(k-1), e(k-2)=pз.тек.(k-2) ? pтек.(k-2), рз. тек. – заданное текущее значение давления, ртек. – текущее значение давления, u(k) – сигнал управления.

Параметры q0, q1 и q2 рассчитывались с использованием алгоритмов параметрической настройки, предложенных Такаши, что позволило получить параметры регулятора близкие к оптимальным, которые корректировались при точной настройке прибора.

При верификации математической модели регулирующего органа исходной информацией для построения математических моделей служили сигналы, доступные непосредственному измерению. Входные и выходные сигналы регулирующего органа обрабатывались с использованием методов идентификации, которые позволили описать соотношения между этими сигналами в виде некоторой параметрической математической зависимости. При синтезе алгоритмов для управляющих ЭВМ целесообразно пользоваться параметрическими моделями, поскольку современная теория систем в основном ориентирована на описание объектов, содержащих параметры в явной форме. Кроме того, для синтеза алгоритмов управления по параметрическим моделям могут применяться аналитические методы.

В работе задача верификации ставилась следующим образом: на основе экспериментальных данных (11) рассчитать значения выбранных параметров а, при которых модель (12) в соответствии с выбранным критерием аппроксимирует объект Хвых(t)= F[Xвх(t)] на множестве сигналов (11):

где Хnвх, Xnвых – пространство входных и выходных сигналов реального регулирующего органа при верификационных экспериментах.

Для регулирующего органа выходной координатой является значение давления. Поэтому при планировании эксперимента с учетом формулировки общей задачи параметрической идентификации в качестве экспериментальных данных были выбраны графики переходного процесса давления р(t). Входными сигналами, в соответствии с формулировкой задачи, при проведении планируемой серии экспериментов выбраны фиксированные значения управляющего сигнала.

Таким образом, набор экспериментальных данных представляет собой серии кривых р(t, x), при Uупр=const в процессе одного эксперимента.

В работе оценка параметров производилась с применением метода наименьших квадратов:

(k) – значения параметров экспериментальных кривых.

При построении математической модели системы регулирования давления первый этап можно считать завершенным, если закончена структурная схема и определена система уравнений. Вторым этапом в построении модели можно считать оценку работоспособности построенной модели. Очевидно, что понятие работоспособности модели формируется относительно предъявляемого критерия. Для оценки математической модели выбран квадратичный критерий качества (13). В соответствии с выбранным критерием осуществлялось планирование эксперимента.

Оценка и уточнение параметров математической модели осуществлялись на готовой математической модели методами минимизации квадратичного критерия качества. Для математической модели системы регулирования давления критерий качества (13) определяет точность моделирования выходной величины давления.

Предложенная процедура верификации математической модели позволила провести экспериментальные исследования не снижая степени приближения модели и реального объекта.

В заключении сформулированы основные выводы, полученные в результате проведенной работы.

В приложениях приведены материалы внедрения результатов диссертации, технические характеристики приборов измерения и воспроизведения давления ведущих производителей и методика обработки результатов измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе поставлена и решена актуальная в научном отношении и практически важная проблема разработки теоретических основ синтеза средств и методов автоматизированного оперативного контроля качества датчиков давления в процессе их производства и эксплуатации. При решении данной проблемы разработана и научно обоснована методология автоматизированного контроля качества датчиков давления и получены следующие основные результаты.

Проведен системный анализ и реинжиниринг процесса контроля качества датчиков давления воздуха с применением современных инструментов управления качеством продукции (структурный анализ по методологии IDF0, развертывание функции качества (QFD-анализ) и квалиметрический анализ), который выявил актуальность в совершенствовании методологии и технических средств.

Разработана структура прецизионной системы контроля качества датчиков давления на основе автоматизированной системы задания давления, включающей блок пневморегуляторов постоянного перепада. Впервые теоретически доказано и обосновано применение пневморегуляторов постоянного перепада давлений для расширения диапазона задаваемых давлений и повышения точности.

Проведен анализ погрешности автоматизированной системы задания давления, в результате которого выявлены ее основные составляющие, и экспериментально определена ее погрешность, которая не превышает 20 Па в диапазоне от 0,7 до 100 кПа и 0,015% верхней границы шкалы в диапазоне от 100 до 285 кПа, что доказывает соответствие погрешности АСЗД рабочему эталону 1-го разряда поверочной схемы для средств измерений абсолютного давления и возможность использования АСЗД в качестве прецизионного инструмента (рабочего эталона 1-го разряда) при автоматизированном контроле качества приборов измерения давления.

Впервые предложена и теоретически исследована математическая модель для расчета расходных характеристик регулирующего органа при течении воздуха с постоянными перепадами давлений. Математическая модель приведена к расчетному уровню и может быть использована для решения практических задач проектирования систем автоматизированного контроля качества датчиков давления.

Разработана новая математическая модель двухконтурной автоматизированной системы задания давления для определения аналитической зависимости между величиной перепада давлений на регулирующем органе и параметрами режима контроля.

Математическое, алгоритмическое, программное и аппаратное обеспечение реализованы в экспериментальном образце автоматизированной системы задания давления, являющейся основным компонентом системы контроля качества датчиков давления. Предлагаемые решения защищены патентом РФ на полезную модель (заявка № 2010147209 от 18.11.2010, положительное решение опубликовано 06.05.2011 на http://fips.ru.).

Применен многомодельный подход к анализу и аналитическому описанию функции преобразования датчика давления с учетом множества состояний контролируемых параметров качества.

Научно обоснована точность средств измерения (задания) давления, обеспечивающая достоверность автоматизированного контроля качества, а именно: соответствие метрологических характеристик датчиков давления требуемым при определенном соотношении погрешностей эталонного и контролируемого приборов.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований приняты к использованию и внедрены в ГУП «Центральный научно-исследовательский институт технологии судостроения» при проведении научных исследований и конструкторских проработок в области создания новых видов приборов, в КБ «Арматура» ГКНПЦ им. М.В. Хруничева при создании агрегатов и систем пневмоавтоматики, в ФГУП «Адмиралтейские верфи» для совершенствования процесса метрологического обеспечения на предприятии в части обучения персонала и улучшения порядка управления приборами измерения давления, в учебных процессах Академии стандартизации, метрологии и сертификации, Владимирского государственного университета и Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова.

Список публикаций по теме диссертации

Статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

Лопарев В.К., Марков А.В., Спиридонов Э.И. Структура цифровой системы автоматического регулирования задатчика дискретных значений абсолютного давления. // Методы прикладной математики в транспортных системах: Выпуск 2, Сб. науч. тр., СПб.: СПбГУВК, 1998. – с. 93-98.

Марков А.В., Спиридонов Э.И. Аппроксимация характеристики частотного датчика давления с помощью интерполяционного многочлена Лагранжа. // Методы прикладной математики в транспортных системах: Выпуск 1, Сб. науч. тр., СПб.: СПбГУВК, 1998. – с. 169-170.

Лопарев В.К., Марков А.В., Спиридонов Э.И. Применение упрощенных формул Сен-Венана и Венцеля для определения расходных характеристик пневмодросселей. // Методы прикладной математики в транспортных системах: Вып. 3, Сб. науч. тр., СПб.: СПбГУВК, 2000. – с. 125-130.

Лопарев В.К., Марков А.В., Спиридонов Э.И. Применение критерия Гурвица к оценке устойчивости автоматического регулятора абсолютного давления. // Методы прикладной математики в транспортных системах: Вып. 4, Сб. науч. тр., СПб.: СПбГУВК, 2000. – с. 175-177.

Лопарев В.К., Марков А.В., Спиридонов Э.И. Анализ точности дискретного задания скорости изменения абсолютного давления. // Прикладная математика в инженерных и экономических расчетах: Вып.1, Сб. науч. тр., СПб: СПбГУВК, 2001. – с. 235-240.

Лопарев В.К., Марков А.В., Маслов Ю.В. Структура системы автоматического поддержания постоянного перепада давлений на регулирующем органе задатчика давления летательных аппаратов. // Прикладная математика в инженерных и экономических расчетах: Вып. 2. Сб. науч. тр., СПб.: СПбГУВК, 2001. – c. 58-61.

Лопарев В.К., Марков А.В., Маслов Ю.В., Спиридонов Э.И. Исследование влияния пневморегуляторов постоянного перепада давлений на динамические возможности автоматической системы задания абсолютного давления. // Судостроение, судоремонт и техническая эксплуатация флота. Сб. науч. тр., СПб: СПбГУВК, 2002. – с. 96-99.

Лопарев В.К., Марков А.В., Поливанов Н.В., Степанян Н.М. Повышение точности функции преобразования частотного датчика давления. // Информационные системы на транспорте. Сб. науч. тр., СПб.: Судостроение, 2002. – с. 190-192.

Лопарев В.К., Марков А.В., Маслов Ю.В. Исследование точности генератора-задатчика абсолютных значений давления. // Методы прикладной математики в транспортных системах: Вып. 6, Сб. науч. тр., СПб: СПбГУВК, 2002. – с. 131-137.

Лопарев В.К., Марков А.В., Спиридонов Э.И., Степанян Н.М. Организация поверки частотного датчика давления при соотношении погрешностей поверяемого и эталонного приборов. // Методы прикладной математики в транспортных системах: Вып. 6, Сб. науч. тр., СПб.: СПбГУВК, 2002. – с. 137-139.


загрузка...