Одеський національний політехнічний університет
ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Садовникова Олександра Володимирівна
УДК 681.586.2: 53.088.6
ТЕОРЕТИЧНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ, МЕТОДИ ТА ПРИСТРОЇ ПЕРЕТВОРЕННЯ З ЦИФРОВОЮ КОРЕКЦІЄЮ ПАРАМЕТРІВ НАХИЛІВ ДЛЯ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ ОРІЄНТАЦІЄЮ ОБ'ЄКТІВ
05.13.05 – Елементи та пристрої
обчислювальної техніки та систем керування
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Одеса – 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі прикладної механіки Придніпровської державної академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник – доктор технічних наук, професор
Ковшов Геннадій Миколайович,
Придніпровська державна академія будівництва
та архітектури, професор кафедри прикладної механіки
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Ніколаєнко Василь Максимович,
Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри електронних засобів та інформаційно-комп'ютерних технологій
кандидат технічних наук, доцент
Артьоменко Віктор Тимофійович
Одеська національна академія харчових технологій,
доцент кафедри прикладної математики та обчислювальної техніки
Провідна установа Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", кафедра автоматики та управління в технічних системах Міністерства освіти і науки України, м. Харків
Захист відбудеться 22 червня 2006 р. о 13:30 год. в ауд. 400-А на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.
Автореферат розісланий 20 травня 2006 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Ямпольський Ю.С.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Створення автоматизованих систем керування і контролю обумовлено складністю і постійно зростаючими темпами виробничих процесів в різних галузях господарчої діяльності. Так, на території України розташовано 4 атомні електростанції, що відносяться до об'єктів підвищеного ризику, а також об'єкт “Укриття” Чорнобильської АЕС, на якому продовжуються деформаційні процеси. У зв'язку з цим, моніторинг будівельних конструкцій атомних станцій, зокрема визначення кутового положення їх елементів у процесі експлуатації є актуальною задачею безпеки.
Останнє десятиліття спостерігається розвиток нафтогазовидобувної галузі на Україні. При цьому будівництво свердловин ведеться поблизу населених пунктів, акваторій, у районах старих родовищ. Таке положення приводить до необхідності збільшення кількості похило-спрямованих свердловин що, в свою чергу, потребує підвищеної точності при визначенні кутових параметрів бурового інструменту. Крім того, похило-спрямоване буріння має ряд переваг порівняно з вертикальним: з’являється можливість буріння свердловин з однієї точки в різних напрямах, в десятки разів збільшується площа нафтовіддачі, об’єм бурових робіт зменшується на 20 – 40 %. В той же час, такий метод буріння потребує створення систем керування з високими показниками ефективності.
Об’єкти керування для кола розглянутих задач знаходяться в складних експлуатаційних умовах: при значних коливаннях температури навколишнього середовища, під дією постійних вібраційних та ударних перевантажень тощо. Враховуючи відповідальність об’єктів контролю, доцільнім є впровадження ефективних методів перетворення кутових параметрів з метою підвищення точності визначення просторового положення.
Таким чином, розробка методів та пристроїв перетворення кутових параметрів для систем керування орієнтацією об’єктів є актуальною науково-технічною задачею.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися в рамках науково-дослідних тем: госпдоговорів (№ ДР 0102У006358) “Прогнозування розвитку кренів реакторних відділень і розробка заходів щодо стабілізації ухилу фланця головного рознімання реакторних блоків 1 і 3 Запорізької АЕС”, № 884 (№ ДР 0194У021317) “Додаткові інженерно-геологічні дослідження фундаментів реакторних відділень Запорізької АЕС з оцінкою і прогнозуванням розвитку кренів споруджень”, а також планової науково-дослідної роботи (№ ДР 0105U002262) “Підвищення ефективності, надійності та довговічності машин, механізмів, обладнання, елементів та пристроїв обчислювальної техніки” кафедри прикладної механіки Придніпровської державної академії будівництва та архітектури.
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка теоретичного обґрунтування, методів та пристроїв перетворення параметрів нахилів для підвищення точності визначення кутового положення в системах керування орієнтацією об'єктів.
Для досягнення цієї мети необхідно вирішити наступні задачі:
1. проаналізувати прийоми підвищення точності перетворення кутових параметрів;
2. розробити теоретичне обґрунтування перетворення параметрів нахилу для систем керування орієнтацією об'єктів;
3. розробити методи цифрової корекції виробничого розкиду електричних параметрів та перекосів осей чутливості первинних перетворювачів;
4. розробити методи цифрової корекції впливу температури та варіацій напруги живлення;
5. розробити пристрої перетворення параметрів нахилів;
6. провести випробування розроблених пристроїв на точність.
Об'єкт досліджень – процеси перетворення параметрів нахилів.
Предмет досліджень – методи та пристрої перетворення кутових параметрів для систем керування орієнтацією об'єктів.
Методи дослідження. При проведенні досліджень у дисертаційній роботі використані елементи теорії матриць, методи кватерніонної алгебри, елементи кореляційно-регресійного аналізу, методи планування експериментів.
Наукова новизна одержаних результатів. Наукову новизну проведених досліджень складають:
· розроблено теоретичне обґрунтування перетворення кінематичних параметрів об’єкту у керуючу дію;
· отримав подальшого розвитку метод цифрової корекції виробничого розкиду електричних параметрів та перекосів осей чутливості первинних перетворювачів;
· розроблено новий метод цифрової корекції температурних похибок первинних перетворювачів;
· розроблено новий метод цифрової корекції похибок первинних перетворювачів від сумісного впливу температури та нестабільності напруги живлення;
· вперше розроблено математичні моделі, що реалізують запропоновані методи.
Практичне значення отриманих результатів складається у використанні результатів досліджень для створення пристроїв перетворення кутових параметрів, які можуть бути вживані в системах керування орієнтацією об’єктів та контролю їх кутового положення. При цьому розроблено вібростійкі перетворювачі нахилу (ПН), які можуть бути вживані при вимірюванні параметрів свердловини в процесі буріння, контролю положення будівельних конструкцій, в тому числі на зсувних ґрунтах; розроблені методики та алгоритми корекції похибок ПН, які дозволяють підвищити експлуатаційні характеристики перетворювачів та точність вимірювань; на базі цих алгоритмів розроблено програми обробки вимірювальної інформації.
Результати досліджень знайшли застосування при розробці автоматизованих систем керування орієнтацією об’єктів для визначення:
§ просторового положення елементів несучих конструкцій та просторового положення п’єзометричної свердловини на території Запорізької АЕС (м. Энергодар);
§ положення ін’єкційних свердловин при закріпленні фундаменту західної стіни об’єкта "Укриття" Чорнобильської АЕС;
§ корекції просторового положення газових свердловин на території Бугроватівського родовища в процесі їхнього буріння;
§ у навчальному процесі на кафедрі прикладної механіки Придніпровської державної академії будівництва та архітектури.
Особистий внесок здобувача. У ході досліджень автором проведений критичний аналіз робіт в галузі створення датчиків і перетворювачів і сформульовані напрямки поліпшення їхніх технічних характеристик з метою підвищення ефективності систем керування, розроблені математичні моделі перетворювачів нахилу різних кінематичних схем [2, 3, 4, 6, 9, 11], застосовані методи кватерніонної алгебри до задач орієнтації об'єкта керування [3, 14], запропоновано метод визначення індивідуальних параметрів і коефіцієнтів температурного дрейфу акселерометрів [1, 5, 10, 13], розроблені конструкції датчиків кутового положення [7, 8] розроблені алгоритми і програми обробки вимірювальної інформації, проведені експериментальні дослідження.
Апробація результатів роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на: науково-технічному семінарі “Діагностика в будівництві” (Дніпропетровськ, 2002 р.); науково-технічної конференції “Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления “Датчик – 2004”” (Судак, 2004); міжнародної конференції “Proceedings of Fifth International Scientific Forum on Aims for Future of Engineering Science” (Париж, 2004); “Стародубовскі читання” (Дніпропетровськ, 2002, 2003, 2004 рр), ІХ Международной научно-практической конференции “Современные технологии в машиностроении” (Пенза, 2005).
Публікації. За результатами досліджень опубліковано 14 друкованих праць, у тому числі 7 статей (5 відповідно переліку ВАК), 5 матеріалів та тез доповідей конференцій, 2 деклараційні патенти України на корисну модель.
Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається з основного тексту на 125 сторінках, що включає вступ, чотири розділи та висновки, списку літератури з 173 найменувань і додатків. У роботі міститься 36 рисунків та 6 таблиць.
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність дослідження, сформульовані мета, об’єкт, предмет, основні задачі, наукова новизна і практичне значення проведеного дослідження.
У першому розділі проведено аналіз науково-технічної літератури в галузі розробки методів та пристроїв перетворення параметрів нахилу, який дозволив виявити основні вимоги до ПН для систем керування орієнтацією об’єктів, провести класифікацію різноманіття ПН за виглядом кінематичних схем, виділити основні методи поліпшення експлуатаційних характеристик ПН та сформулювати основні напрямки досліджень.
Одним з важливіших та перспективних напрямків є використання ПН в системах керування буровим інструментом. Такі системи мають ряд особливостей, зокрема швидкість прохідки складає 10 – 50 м/год, а інтенсивність скривлення зенітного кута – 0.01 – 0.1°/м, тому можна вважати режим вимірювання статичним. В загальному випадку САК буровим інструментом можна представити у наступному вигляді (рис.1).
Системи керування орієнтацією об’єктів функціонують в складних експлуатаційних умовах: під дією ударних та вібраційних перевантажень, високих температур та тиску. Тому для забезпечення необхідної точності при визначенні просторового положення об’єктів ПН повинні мати високі експлуатаційні та технічні характеристики. Крім того, особливості використання ПН додають додаткових обмежень на габаритні розміри пристроїв.
Рис.1. САК рухом бурового інструменту:
1 – наземний пульт; 2 – глибинний пристрій; 3 – дисплей; 4 –ЕОМ; 5 – пульт оперативного керування; 6 – інтерфейс; 7 – канал зв’язку; 8 – керуючий механізм; 9 – буровий інструмент;
10 – блок інклінометричних перетворювачів; 11 – телесистема передавання даних.
Проведений аналіз розробок дозволив класифікувати перетворювачі нахилу за наступними ознаками:
за виглядом чутливого елементу;
за кількістю ступенів волі;
за видом кінематичної схеми;
та зробити висновок про недостатню відповідність існуючих ПН по показниках точності, або вартості.
Встановлено, що перспективними напрямками в межах задач, що розв’язуються, є розробка методів перетворення, що реалізуються пристроями на основі акселерометрів, одноступеневих маятників, з рідинним чутливим елементом та підвищення точності за рахунок створення уточнених аналітичних співвідношень та визначення і корекції похибок ПН методами математичної обробки вимірювань.
У другому розділі розроблено теоретичне обґрунтування перетворення параметрів нахилів.
Традиційним методом моделювання просторового положення об’єкту являється використання кутів Ейлера та матриць направляючих косинусів, проте при певних значеннях цих кутів відбувається виродження кінематичних рівнянь. Використання кватерніонів дозволяє створити зручний та наглядний опис за допомогою параметрів Родріга-Гамільтона, котрі не вироджуються при любому положенні об’єкта контролю.
Отримано аналітичний опис функціонування пристрою на основі одностепеневих маятників з використанням кватерніонної алгебри. Отримані рівняння зв’язку кутів обертання маятників з кутами відхилення щодо вертикалі:
,
де 0n, 1n, 2n, 3n - координати результуючого кватерніона, n=1, 2, 3,
, , – сигнали датчиків повороту, встановлених на осях обертання маятників.
Отримані співвідношення, які пов’язують кути обертання маятників із шуканими кутами орієнтації (зенітним и та візирним ц):
,
,
,
де 13 – перекіс осі обертання першого; 23 –другого; 31 –третього маятників.
При цьому в отриманих співвідношеннях враховані просторові перекоси осей обертання маятників, що дозволяє підвищити точність перетворення шуканих кутів
З використанням методів алгебри кватерніонів отримано рівняння зв'язку вихідної напруги з кінематичними параметрами пристрою орієнтації з двома одностепеневими маятниками та магніточутливими перетворювачами:
де – кватерніони результуючих перетворень,
, , – сигнали магніточутливих перетворювачів при включенні кілець Гельмгольца,
, , – сигнали датчиків повороту, встановлених на осях обертання маятників,
g – прискорення вільного падіння.
З системи рівнянь випливають зв’язки між кутами обертання маятників та зенітним і візирним кутами:
.
При цьому, кути обертання маятників визначаються при подачі змінної напруги на кільця Гельмгольца та виділення фільтрацією з вихідних сигналів ферозондів тільки сигналів на частоті напруги кілець. Отримані вирази дозволяють повністю визначити шукані зенітний та візирний кути в діапазонах 0?и?р, 0?ц?2р.
Визначимо вихідну напругу датчика зенітного кута, чутливий елемент якого являє собою трубку з рідиною, що спірально укладена в корпусі пристрою. Будемо вважати, що чутливий елемент має вид просторової кривої S, заданої параметрично в системі координат, що пов’язана з пристроєм.
Інтегруючи вихідну напругу dU з елемента dS кривої, отримаємо вираз:
.
Даний вираз є аналітичним описом перетворення, що реалізовано пристроєм, чутливий елемент якого виконаний у вигляді трубки, заповненої рідиною та має форму просторової кривої. При цьому встановлено, що вихідна напруга такого ПН не залежить від форми кривої, а залежить тільки від координат її виводів.
Аналітичні співвідношення для визначення кутового положення перетворювача нахилу на основі акселерометрів розроблено з використанням апарату матричної алгебри. При цьому враховані просторові перекоси осей чутливості та електричні характеристики акселерометрів.
Отримані співвідношення для визначення кутів відхилення об’єкту щодо вертикалі у двох площинах:
,
,
де позначено: ij, i, j=1, 2, 3 – малі перекоси осей чутливості,
,
та зв’язок цих кутів з зенітним та візирним кутами:
Розроблено математичну модель, що реалізує метод перетворення кутових параметрів з урахуванням електричних параметрів та перекосів осей чутливості первинних перетворювачів.
Результати моделювання (рис. 2) дозволяють зробити висновок про те, що використання запропонованого методу при вимірах дозволяє у 10 разів знизити похибку визначення кутів відхилення від вертикалі. При цьому максимальна гранична похибка перетворення зенітного кута не перевищує 0.2°, візирного кута – 1.8°.
Рис 2. Результати моделювання:
в2T – точно задані кути відхилення від вертикалі;
в2 – визначення кута відхилення від вертикалі з використанням методу корекції електричних параметрів первинних перетворювачів.
Встановлено, що у випадках, коли акселерометри виходять із строю внаслідок дії ударів та вібрацій, можливе визначення просторового положення об’єкту без припинення робіт, що проводяться. Розглянувши ймовірні варіанти відмов, та прилучаючи надлишкову інформацію, отримаємо наступні співвідношення.
При відмові першого акселерометру кути відхилення від вертикалі однозначно визначаються за формулами:
, якщо b30;
при відмові другого акселерометру – за формулами:
, якщо b30;
при відмові третього акселерометру – за формулами:
.
У третьому розділі запропоновані методи визначення просторових перекосів осей чутливості, виробничого розкиду електричних параметрів, а також похибок акселерометрів від впливу температури навколишнього середовища та напруги живлення.
Сучасні акселерометри являються високоточними датчиками з низьким порогом чутливості, але при експериментальному дослідженні ПН на їх основі, виявляється, що похибка перетворення кутів нахилу може збільшуватися у 10..50 разів. Встановлено, що для підвищення точності ПН на основі акселерометрів необхідно попередньо обчислити значення індивідуальних електричних параметрів кожного з трьох датчиків та просторові перекоси їх осей чутливості відносно системи координат, яка пов’язана із корпусом ПН, а потім проводити вимірювання з урахуванням обчислених величин.
Методика визначення шуканих параметрів наступна: ПН установлюється на поворотну платформу, за допомогою якої задаються просторові повороти на кути відхилення від вертикалі 1, 2. Кути вважаються заданими точно (за допомогою, наприклад, оптичного квадранта). Визначаючи шукані кути за показниками ПН, порівнюють їх із заданими. При розбіжності кутів, визначаються виправлення показань і складається коригувальна матриця, що використовується при перетворенні кутів просторової орієнтації.
Для обробки експериментальних даних скористаємося рівняннями зв'язку параметрів ПН на основі трьох акселерометрів у виді:
Позначимо:
де U0i, i=1, 2, 3 – нульовий сигнал акселерометра;
Umi, i=1, 2, 3 – найбільше значення вихідного сигналу;
i,j, i, j=1, 2, 3 – просторовий перекіс осі чутливості i–того датчика відносно j-тої осі.
Згідно метода найменших квадратів, потребуємо, щоб функціонал
,
досягав найменшого значення.
Перетворювачі нахилу для систем керування орієнтацією об’єктів функціонують, як правило, в складних експлуатаційних умовах, при значних коливаннях температури навколишнього середовища, що суттєво впливає на показники точності. Для вибору методів компенсації похибки ПН на основі акселерометрів розглянуті існуючі підходи до розв’язання цієї задачі. Встановлено, що відомі методи накладають додаткові обмеження на конструкції та галузі використання датчиків. Запропоновано визначати коефіцієнти температурного дрейфу акселерометрів за попередніми експериментальними дослідженнями та використовувати отримані дані в програмах обробки вимірювальної інформації для корекції визначення кутового положення об’єкту.
В аналітичних співвідношеннях ПН на основі акселерометрів, електричні параметри представлені у вигляді поліномів другого ступеню, апроксимуючих температурний дрейф перетворювачів. Коефіцієнти поліномів визначені методом найменших квадратів. При цьому мінімізується функціонал:
де позначено:
де N, M – кількість положень ПН у відповідній площині;
n – кількість змінних значень температури,
враховуючи, що ; .
Розроблено математичну модель, що реалізує запропонований метод цифрової корекції температурних похибок. Результати досліджень на моделі (рис. 3) та дані експериментів показують, що врахування температурного дрейфу акселерометрів в діапазоні зміни температур -40°С..+60°С дозволяє в декілька разів знизити похибку виміру кута відхилення щодо вертикалі.
Рис. 3. Приклад визначення зенітного кута без корекції температурного дрейфу (1), з корекцією температурного дрейфу (2)
Живлення пристроїв перетворення нахилів в системах керування орієнтацією об'єктів здійснюється від автономного джерела живлення або по каротажному кабелю. При цьому, враховуючи тривалість процесу вимірювань, знаходження пристроїв в умовах постійного руху рідини, необхідно відмітити, що нестабільність напруги живлення, яка виникає в процесі вимірів, додає похибки до визначення просторових параметрів об’єкту.
Пропонується корегувати вплив нестабільності напруги живлення шляхом попереднього його визначення та врахування в програмах обробки вимірювальної інформації при визначенні просторового положення об’єкту.
Щоб скласти апроксимуючу функцію залежності нульового сигналу акселерометра від температури навколишнього середовища і варіацій напруги живлення, скористаємося методами планування експериментів. Оскільки розглядається задача встановлення залежності початкового сигналу акселерометру від двох факторних ознак (температури і напруги живлення), скористаємося планом повного факторного експерименту ПФЕ 22, і будемо розглядати апроксимуючу функцію у виді розкладання її в ряд:
.
Для обраної функції складений план ПФЕ 22, з попереднім кодуванням факторів. При цьому експеримент проведено при спеціально заданому положенні ПН, щоб забезпечити безпосередній вимір нульового сигналу. Для цього за допомогою поворотної платформи задається таке положення пристрою, щоб, згідно аналітичних співвідношень ПН на основі акселерометрів виконувалися рівності: , i=1, 2, 3. Для визначення залежності нульового сигналу першого акселерометру задамо кут в1 = 0, при будь-якому значенні кута в2; для другого акселерометру в1=р/2, в2=0; для третього – в1=р/2, в2=р/2.
Таким чином, обчислені коефіцієнти функції відгуку, які дозволяють визначити ступінь залежності фактора на досліджувану величину, та ступінь максимальної взаємодії факторів.
У четвертому розділі розглянуті питання практичного використання перетворювачів нахилу, які розроблено за участю автора, та їх експериментальних досліджень.
На основі виконаних досліджень створені конструкції перетворювачів нахилу, фотографії та схеми яких наведені в роботі.
а) б)
Рис. 4. Функціональні схеми розроблених ПН:
а) датчик зенітного кута з рідинним чутливим елементом; | б) магнітометричний датчик кута нахилу.
1 – корпус; 2 –трубка, що заповнена рідиною;
3, 4 – герметичні порожнини;
5, 6 – мембрани; 7, 8 – безконтактні перетворювачі сили; 9, 10 – безконтактні датчики переміщення; 11 – підсилювач зворотного зв’язку; 12 – опір зворотного зв’язку. | 1 – корпус; 2 – обмотки;
3 – чутливий елемент (осердя);
4 – фазочутливий підсилювач;
5 – резистор зворотного зв’язку.
Проведено попередній регресійно-кореляційний аналіз з метою уточнення результатів експериментальних даних, а також метрологічні та температурні випробування ПН на основі акселерометрів, згідно методів, наведених в третьому розділі дисертації. Встановлено, що максимальна похибка визначення зенітного кута не перевищує 0.2° в діапазоні 0..180°, гранична похибка візирного кута - 2°.
Рис. 5. Загальний вигляд розроблених ПН
Рис. 6. Пристрій для проведення експериментальних досліджень.
Випробування перетворювачів нахилу при проведенні вимірів на реальних об’єктах підтвердили їх надійність та забезпечення необхідної точності визначення просторового положення об’єктів контролю.
ВИСНОВКИ
У підсумку проведених досліджень отримані наступні результати.
1. Аналіз відомих робіт і публікацій в області розробки методів та пристроїв перетворення кутових параметрів і поліпшення їхніх технічних характеристик показує, що основна увага приділена схемним, технологічним і конструкторським рішенням, у той час як створення ефективних методів цифрової корекції похибок освітлено недостатньо.
2. Отримано аналітичний опис перетворення, реалізованого ПН на основі акселерометрів, що дозволяє визначати кути відхилення щодо вертикалі в двох площинах. При цьому враховані електричні параметри і перекоси вісей чутливості акселерометрів, що входять до складу ПН. Вперше отримано вираз для визначення кутів відхилення щодо вертикалі в процесі вимірів, у випадку відмови одного з акселерометрів.
3. Вперше отримано аналітичний опис нового вібростійкого датчика зенітного кута з рідинним чутливим елементом у формі просторової кривої. Встановлено, що вихідна напруга такого датчика залежить тільки від координат кінців чутливого елемента. При цьому збільшення відстані між виводами чутливого елемента приводить до підвищення точності пристрою.
4. З використанням методів кватерніонної алгебри отримані функціональні залежності вихідної напруги пристрою на основі одностепеневих маятників від кінематичних параметрів. Вперше враховані перекоси осей обертання маятників щодо осей системи координат, пов'язаної з корпусом пристрою. Отримані рівняння дозволяють знайти функціональні залежності між просторовими кутами нахилу щодо вертикалі і повороту щодо магнітного меридіана в діапазоні зміни вимірюваних кутів орієнтації 0?и?р, 0?ц?2р.
5. Отримав подальшого розвитку метод цифрової корекції виробничого розкиду електричних параметрів і перекосів осей чутливості акселерометрів, а також запропоновано спрощені методи визначення електричних параметрів і перекосів акселерометрів, розраховані на уточнення характеристик перетворювачів нахилу в польових умовах при відсутності високоточного устаткування. Використання запропонованого методу при вимірах дозволяє у 10 разів знизити похибку визначення кутів відхилення від вертикалі.
6. Досліджено методи компенсації температурного дрейфу акселерометрів і встановлено, що перспективним напрямком є зниження температурних похибок первинних перетворювачів методом цифрової корекції результатів вимірів. Запропоновано метод визначення коефіцієнтів полінома, що описує температурний дрейф датчиків. Вперше для температурного дрейфу акселерометрів, описуваного поліномами другого порядку, знайдена коригувальна матриця, врахування якої у формулах обчислення кутових параметрів, дозволяє в 3.. 5 разів знизити похибку виміру кута нахилу в діапазоні зміни температур -40°С + 60°С.
7. Вперше розроблені математичні моделі, що реалізують запропоновані методи. При дослідженні процесів перетворення кутових параметрів на моделях встановлено, що гранична абсолютна похибка вимірювання зенітного кута з використанням запропонованих методів не перевищує 0.2°, гранична абсолютна похибка вимірювання візирного кута - 2°.
8. Вперше запропоновані вібростійкі конструкції датчика зенітного кута, магнітометричного датчика кута нахилу для визначення кутового положення об’єктів контролю. Вперше запропонована вібро- та ударостійка конструкція пристрою орієнтації, що складається з двох ідентичних поплавкових маятників з одним ступенем волі, вісі обертання яких є ортогональними. Для виміру відхилення пристрою щодо вертикалі передбачене створення магнітного поля за допомогою кілець Гельмгольца, установлених на корпусі пристрою.
9. Проведено експериментальні дослідження перетворювачів нахилу на основі акселерометрів, які підтверджують теоретичні результати та адекватність розроблених математичних моделей.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Ковшов Г.Н., Садовникова А.В. Определение электрических параметров и угловых перекосов акселерометров, составляющих преобразователь наклона.//Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. – Дніпропетровськ: ПДАБтаА, 2002. - №.10 – С 46-51.
2. Ковшов Г. Н., Садовникова А. В. Определение отклонения от вертикали зонда при статическом исследовании грунтов. //Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. – Дніпропетровськ: ПДАБтаА, 2002. - № 7 .- С. 25-29.
3. Ковшов Г.Н., Садовникова А.В. Преобразователь наклона на основе одностепенных маятников// Сб. научн. тр. “Строительство, материаловедение, машиностроение”.— Днепропетровск: ПГАСА, 2004. – Вып.27, ч.2.– С.203-207.
4. Ковшов Г.Н., Пономарева Е.А., Садовникова А.В. Магнитометрический датчик угла наклона.// Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. – Дніпропетровськ: ПДАБтаА, 2005. - №.1-2 – С 48-54.
5. Ковшов Г.Н., Садовникова А.В. Преобразователь наклона с температурной компенсацией для систем контроля и ориентации объектов. // Труды Одесского политехнического университета. – Одесса, 2005. – Вып. 2 (24). – С. 218 – 221.
6. Ковшов Г.Н., Рыжков И.В., Садовникова А.В. Устройство ориентации с магниточувствительными преобразователями. // Сб. научн. тр. “Строительство, материаловедение, машиностроение”.— Днепропетровск: ПГАСА, 2003. – Вып.22, ч.2. – С. 215-220.
7. Датчик зенітного кута для вимірювання скривлення свердловин: Д. п. 7780, МКИ Е 21 В 47/02 / Г. М. Ковшов, О. В. Садовникова. – Заявл. 01.11.2004; Опубл. 15.07.2005, Бюл. № 7.
8. Магнітометричний датчик кута нахилу: Д. п. 11920, МПК G01C 9/02 / Г. М. Ковшов, О.А. Пономарьова, О. В. Садовникова. – Заявл. 11.07.2005; Опубл. 16.01.2006, Бюл. № 1.
9. Ковшов Г. Н., Садовникова А. В. Устройство для контроля отклонения от вертикали зонда при статическом исследовании грунтов.// Сб. научн. тр. “Строительство, материаловедение, машиностроение”.— Днепропетровск: ПГАСА, 2002. – Вып.15, ч.2. – С. 38-40.
10. Г.Н.Ковшов, А.В.Садовникова Преобразователи контроля вертикальности с температурной компенсацией при опробовании грунтов.// Материалы международного семинара “Диагностика в строительстве”. – Днепропетровск, 2002.
11. Ковшов Г.М., Посилаєв О.О., Садовникова О.В. Використання електронного перетворювача контролю нахилу для інтенсифікації процесу статичного зондування грунту.//Сборник научных трудов “Строительство, материаловедение, машиностроение”. Выпуск №26. Интенсификация рабочих процессов строительных и дорожных машин и оборудования. Серия: подъёмно-транспортные, строительные и дорожные машины и оборудование. – Днепропетровск, 2004. – С. 171-177.
12. Ковшов Г.М., Садовникова О.В. Устройство для измерения наклонов и вибраций //Сборник научных трудов “Строительство, материаловедение, машиностроение”. Выпуск №26. Интенсификация рабочих процессов строительных и дорожных машин и оборудования. Серия: подъёмно-транспортные, строительные и дорожные машины и оборудование. – Днепропетровск, 2004. – С. 178-184.
13. Ковшов Г., Садовникова А. Температурная компенсация показаний преобразователя наклона при опробовании грунтов.// Сборник трудов международной конференции “Proceedings of Fifth International Scientific Forum on Aims for Future of Engineering Science”, May 2-8, 2004 – Paris, (France). – С. 280-283.
14. Садовникова А.В. Применение кватернионов при моделировании углового положения объектов.//Сб. научн. тр. “Современные технологии в машиностроении”. – Пенза, 2005. – С.173 – 175.
Садовникова О. В. Теоретичне обґрунтування, методи та пристрої перетворення з цифровою корекцією параметрів нахилів для систем керування орієнтацією об'єктів. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 – Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. Одеський національний політехнічний університет. Одеса, 2006.
Дисертація присвячена розробці теоретичного обґрунтування, методів та пристроїв перетворення параметрів нахилів для систем керування орієнтацією об'єктів і підвищенню точності вимірів за допомогою створення уточнених аналітичних описів і корекції похибок первинних перетворювачів методами попередньої математичної обробки вихідної вимірювальної інформації. Запропоновано узагальнені аналітичні описи високоточних ПН на основі акселерометрів та вібростійких ПН на основі маятників та з рідинним чутливим елементом. Розроблено методи визначення виробничого розкиду електричних параметрів, просторових перекосів та коефіцієнтів температурного дрейфу акселерометрів по натурних експериментальних дослідженнях. Методом планування експерименту визначено ступінь впливу факторів температури навколишнього середовища та нестабільності напруги живлення на значення початкового сигналу акселерометра.
Надійність і необхідна точність визначення просторового положення об'єктів контролю підтверджена дослідженням ПН при проведенні вимірів на реальних об'єктах.
Ключові слова: перетворювач нахилу, інклінометр, датчик, акселерометр, модель, корекція похибок, температурний дрейф датчиків.
Садовникова А.В. Теоретическое обоснование, методы и устройства преобразования с цифровой коррекцией параметров наклонов для систем управления ориентацией объектов. Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. Одесский национальный политехнический университет. Одесса, 2006.
Диссертация посвящена разработке теоретического обоснования, методов и устройств преобразования параметров наклонов для систем управления ориентацией объектов и повышению точности измерений посредством создания уточненных аналитических описаний и коррекции погрешностей первичных преобразователей методами предварительной математической обработки выходной измерительной информации.
В диссертационной работе проведен анализ известных разработок, который позволил выявить основные требования, предъявляемые к ПН для систем управления угловым положением объектов, провести классификацию ПН по виду кинематических схем, а также выделить основные методы повышения точности преобразователей наклона. Представлены аналитические описания преобразователей наклона различных кинематических схем. Разработана модель ПН на основе акселерометров, в которой учтены пространственные перекосы осей чувствительности датчиков и неидентичности их электрических параметров. Впервые получены соотношения для определения углов отклонения от вертикали в случае отказа одного из акселерометров в процессе измерений. Получено аналитическое описание виброустойчивого ПН с жидкостным чувствительным элементом. Установлено, что выходной сигнал такого преобразователя не зависит от формы чувствительного элемента, что позволяет создавать малогабаритные конструкции виброустойчивых ПН с низкой частотой собственных колебаний. С использованием кватернионов получены аналитические описания ПН на основе одностепенных маятников и нового ПН с магниточувствительными преобразователями. Впервые в описании ПН на основе взаимно ортогональных маятников учтены пространственные перекосы осей вращения. Полученная модель является наиболее общей, из которой, как частные случаи, могут быть получены известные модели.
Исследованы известные методы компенсации температурного дрейфа датчиков. При этом установлено, что, в рамках решаемых задач, перспективным направлением является снижение температурных погрешностей методом предварительной математической обработки измерений. В модели ПН на основе акселерометров электрические параметры датчиков представлены в виде полиномов второй степени, коэффициенты которых определены методом наименьших квадратов. Предложены методы определения коэффициентов температурного дрейфа, а также электрических параметров и пространственных перекосов осей чувствительности акселерометров, входящих в состав преобразователя наклона. С использованием методов планирования эксперимента определена степень влияния факторов температуры окружающей среды и нестабильности напряжения питания на значение начального сигнала акселерометра. Установлено, что предельная абсолютная погрешность определения зенитного угла с привлечением разработанных методик не превышает 0.2°.
На основе теоретических исследований разработаны конструкции ПН, алгоритмы и программы обработки выходной измерительной информации.
Проведены метрологические и температурные экспериментальные исследования преобразователей наклона на основе акселерометров, которые позволили подтвердить адекватность разработанных моделей и методов цифровой коррекции погрешностей.
Надежность и необходимая точность определения пространственного положения объектов контроля подтверждена исследованием ПН при проведении измерений на реальных объектах.
Результаты исследований нашли применение в системе контроля пространственного положения элементов несущих конструкций Запорожской АЭС, системе управления пространственным положением бурового инструмента при исследовании скважин Бугроватского газового месторождения, в учебном процессе в курсах “Моделирование и оптимизация систем управления”, “Идентификация и моделирование технологических объектов”, “Математическое моделирование в расчетах на ЭВМ” в Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры.
Ключевые слова: преобразователь наклона, инклинометр, датчик, акселерометр, модель, коррекция погрешностей, температурный дрейф датчиков.
Sadovnikova A. V. Theoretical substantiation, methods and devices of transformation with digital correction parameters of inclinations for control systems of objects orientation. The manuscript.
The dissertation research of obtaining scientific degree of candidate of engineering science in speciality 05.13.05 – Elements and devices of computer facilities and control systems. The Odessa National Polytechnic University. Odessa, 2006.
Thesis is dedicated to the development of the theoretical substantiation, methods and devices of transformation with digital correction parameters of inclinations for control systems of objects orientation and to an increase in the accuracy of measurements by means of the creation of the precise analytical descriptions and the compensation for errors in the primary converters by the methods of the preliminary mathematical processing of output measurable data.
Proposed the generalized models high-precision CI on the basis of accelerometers and shakeproof CI with liquid sensing element and on the basis of mutually orthogonal pendulums.
Developed the procedures of the determination of the individual electrical parameters, three-dimensional misalignments and coefficients of the temperature drift of accelerometers from full-scale experimental studies, based on the method of least squares. With the use of methods of planning experiment the level of factor of the ambient temperature and instability of the supply voltage on the value of the initial signal of accelerometer is determined. Reliability and the necessary accuracy of the determination of the attitude of the objects of control is confirmed by the study CI with conducting of measurements on the real objects.
Keywords: converter of an inclination, inclinometer, sensor, accelerometer, model, compensation of errors, temperature drift of sensors.
