Алгоритм формирования сигналов обратной связи для информационно-измерительной системы управления активной виброзащитой РЭУ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ

УДК 623-4

АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АКТИВНОЙ ВИБРОЗАЩИТОЙ РЭУ

_____, А. В. Лысенко, Г. В. Таньков, Т. А. Шаркунова

Введение

Существующие активные амортизационные системы предназначены для снижения амплитуды вибраций на конструкции радиоэлектронных устройств (РЭУ) не только на резонансных частотах, но и на всем требуемом диапазоне частот. Принцип их работы основан на введении дополнительных компенсирующих сигналов внешнего вибрационного воздействия. Сигналы подаются в противофазе и равными по амплитуде, что и обеспечивает положительный эффект вибростабилизации РЭУ.

Такой подход влечет за собой усложнение конструкции активных амортизаторов за счет введения дополнительных средств измерения вибраций, а также увеличение их стоимости, поэтому применение таких средств защиты обосновано только в исключительных случаях ответственной РЭУ. К тому же во многих случаях вибрационная защита достаточна на резонансных частотах, так как остальной диапазон на РЭУ влияет не сильно [1, 2].

Поэтому далее рассматривается новый вариант создания конструктивно простых средств активной виброзащиты РЭУ, реализующих высокоэффективный способ снижения вибрационных нагрузок на резонансных частотах [3, 4].

Рассматриваемый способ состоит во внесении на резонансных частотах фазового рассогласования в точках крепления объекта виброзащиты, вследствие чего амплитуда вынужденных колебаний РЭУ резко понижается, а затраты энергии существенно меньше, чем в системах с полной компенсацией.

1. Структура алгоритма формирования сигналов обратной связи

Для доведения рассматриваемого способа снижения вибрационных нагрузок до практической реализации нами разработана структура алгоритма формирования сигналов обратной связи для информационно-измерительной системы (ИИС) управления активной виброзащитой РЭУ[5], которая представлена на рис. 1.

Началом работы данного алгоритма служит включение питания ИИС управления активной виброзащитой РЭУ.

Вначале происходит загрузка параметров объекта виброзащиты в память микроконтроллера (модуль Юнга, коэффициент Пуассона, плотность материала и геометрия объекта виброзащиты, расстояние между точками крепления виброамортизаторов).

50

Технологические основы повышения надежности и качества изделий

Рис. 1. Алгоритм формирования сигналов обратной связи для информационно-измерительной системы активной виброзащиты РЭУ

Далее в режиме реального времени происходит отслеживание и постоянный ввод изменяющихся параметров внешнего воздействия - амплитуды и частоты. Отслеживание ведется только по одному измерительному каналу.

На основе полученных данных следует сгенерировать дополнительный сигнал, позволяющий при его сложении с основным сигналом внешнего воздействия осуществить смещение фазы в точках крепления объекта виброзащиты на заданный угол.

Поскольку при вхождении конструкции РЭУ в резонанс все ее точки движутся по гармоническому закону, то амплитуду дополнительного сигнала генерировать следует по формуле

51

Надежность и качество сложных систем. № 3(7), 2014

Ад = A0(t)[sin(rnt + Фо) - sin(rnt + ф0 + Аф)],

где Ад - амплитуда дополнительного сигнала; A0(t) - амплитуда основного сигнала; ю - частота основного сигнала; ф0 - начальная фаза основного сигнала; Аф - требуемый фазовый сдвиг.

При выполнении всех четырех условий все рассогласованные каналы выводятся на соответствующие амортизаторы. Условием выхода из алгоритма служит наличие питания на микросхеме микроконтроллера.

2. Анализ быстродействия микроконтроллера ATmega128

Осуществить реализацию разработанного алгоритма предлагается на базе современного широко распространенного микроконтроллера ATmega128, обладающего низким энергопотреблением, ценой и высоким быстродействием. Для этого проведем анализ его вычислительной мощности применительно к нашей задаче. Для этого проведем следующие теоретические расчеты.

При максимальном быстродействии микроконтроллера на одно измерение необходимо времени

tmax ntраб.max,

где n - количество измерений на одном периоде вибраций; t^.^ - максимальное время быстродействия микроконтроллера, затрачиваемое на оцифровку и обработку информации.

Для исследования необходимо и достаточно провести восемь измерений на периоде (рис. 2). Зная диапазон значений рабочего времени быстродействия выбранного микроконтроллера (от 10 мкс до 260 мкс) [92], зададим ^аб.тах = 10 мкс. Подставив значения n и ^аб.тах в формулу (1), получим

tmax = 8 • 10 = 80.

Таким образом, максимальное быстродействие микроконтроллера составляет 80 мкс.

При минимальном быстродействии микроконтроллера на одно измерение необходимо времени:

tmin П • ^раб.тіп,

где t^.mm - минимальное время быстродействия микроконтроллера, затрачиваемое на оцифровку и обработку информации.

А, мм

Рис. 2. Количество измерений на одном периоде вибрации

Из диапазона значений рабочего времени быстродействия выбранного микроконтроллера (от 10 мкс до 260 мкс) [31] зададим ^аб min = 260 мкс . Подставив значения n и ^аб.шп в формулу (2),

получим tmin = 8 • 260 = 2008 .

52

Технологические основы повышения надежности и качества изделий

Таким образом, минимальное быстродействие микроконтроллера составляет 2,08 мс.

Диапазон измерений широк, поэтому актуальным является вопрос затрачиваемого времени на обработку информации по алгоритму, для чего необходимо провести практические исследования, в ходе которых выясним, сколько времени понадобится микроконтроллеру для обработки информации по алгоритму, представленному на рис. 1.

3. Схема проведения экспериментальных исследований разработанного алгоритма 128

В качестве критических значений граничных частот, на которых проводились исследования, согласно ГОСТ 17516.1-90 (Изделия электротехнические. Общие требования в части стойкости к механическим внешним воздействующим факторам) были выбраны частоты 10 Гц и 1 кГц. Схема исследования показана на рис. 3.

Рис. 3. Схема экспериментальных исследований ограничений разработанного алгоритма

Генератор (Г) предназначен для генерации синусоидального сигнала с заданными параметрами, который поступит на функциональный преобразователь (ФП), в котором находится исследуемый микроконтроллер ATmega128, в качестве прошивки использовано программное обеспечение, разработанное по предложенному алгоритму. Нагрузка - активные амортизаторы (А), показания снимались с помощью осциллографа (О).

Для исследования было использовано следующее измерительное оборудование: генератор GW INSTEK GFS-2104 (внесен в Государственный реестр средств измерений под номером № 29967-05), цифровой запоминающий осциллограф марки GW INSTEK GDS-71022 (внесен в Государственный реестр средств измерений под номером № 38084-08).

4. Экспериментальные исследования быстродействия предложенного алгоритма в связке с микроконтроллером ATmega128

Первое испытание проходило на частоте 10 Гц, теоретическое значение времени определено по формуле

Tf =1 ф,

f

где f - частота внешнего вибровоздействия; ф - угол смещения фазы.

Примем f равной 10 Гц, смещение фазы - равным 90° (т.е. смещение фазы произойдет

на 1/4 периода), то ф

. Подставив значения f и ф в формулу (3), получим

T10 = — • - = 0,025 с = 25 мс .

10 10 4

В ходе испытаний на частоте 10 Гц выявлено, что реальное время при смещении фазы на 90° составляет ТІЮ = 25,025 мс (рис. 4).

53

Надежность и качество сложных систем. № 3(7), 2014

Рис. 4. Амплитудно-временные характеристики вибрации при частоте 10 Гц: 1 - генерируемый сигнал; 2 - рассчитанный сигнал, смещенный на 90°;

3 - экспериментальный сигнал, смещенный на 90°

Абсолютная погрешность рассчитывается по формуле

ATf = Tf Э - Tf .

Подставив получившиеся значения T^ Эи Tf на 10 Гц, получим

ДТ10 = 25,025 - 25 = 0,025,

т.е. абсолютная погрешность на частоте 10 Гц составляет 25 мкс. Найдем относительную погрешность по формуле

5 f f-100%.

T

f э

Подставив получившиеся значения Д^0 и T103, получим

5

10 _

0,025

25,025

-100% =

0,1%,

т.е. относительная погрешность на частоте 10 Гц составила 0,1 %.

Второе испытание проходило на частоте 1000 Гц, поэтому примем f = 1000 Гц. Подставив значения f и ф в формулу (3), получим

T 000 = —1--1 = 0,00025 с = 0,25 мс .

1000 1 00 0 4

В ходе испытания на частоте 1000 Гц было выявлено, что реальное время при смещении фазы на 90° составляет TJ00ra = 0,275 мс (рис. 5).

Рис. 5. Амплитудно-временные характеристики вибрации при частоте 1000 Гц: 1 - генерируемый сигнал; 2 - рассчитанный сигнал, смещенный на 90°;

3 - экспериментальный сигнал, смещенный на 90°

54

Технологические основы повышения надежности и качества изделий

Для получения абсолютной погрешности на частоте 1000 Гц подставим получившиеся значения ?1оооэи 7iooo> получим

AT1000 = 0,275 - 0,25 = 0,025,

т.е. абсолютная погрешность на частоте 1000 Гц составляет 25 мкс.

Для получения относительной погрешности на частоте 1000 Гц подставим получившиеся значения AT1000 из (2.18) и Т500Э, получим

5]000 = 0025-100% = 9,09%.

1000 0,275

Таким образом, относительная погрешность на частоте 1000 Гц составила 9,09 %.

Из полученных результатов видно, что на любых частотах абсолютная погрешность остается неизменной, что говорит о ее аддитивном характере. Поскольку абсолютная погрешность остается неизменной, а относительная погрешность с ростом частоты увеличивается, то можно сказать, что обе погрешности - систематические. Такой результат является хорошим, поскольку диапазон частот, выбранный согласно ГОСТ 17516.1-90, соответствует 10 Гц и 1 кГц в зависимости от категории исполнения РЭУ.

Выводы

Таким образом, разработан алгоритм формирования сигналов обратной связи для ИИС управления активной виброзащитой РЭУ, отличающийся преобразованием измерительной информации за счет применения модели фазового рассогласования величины внешнего воздействия РЭУ и позволяющий сформировать сигналы обратной связи для каждого из каналов и реализовать принцип фазового перераспределения.

Критерием ограничения применения данного алгоритма является значение относительной погрешности. Реализация данного алгоритма на микроконтроллере ATmega128 позволяет использовать его в предлагаемой ИИС управления активной виброзащитой на частотах внешнего воздействия до 1 кГц.

Список литературы

1. Остроменский, П. И. Вибрационные испытания радиоаппаратуры и приборов / П. И. Остроменский. -Новосибирск : Изд-во Новосиб. ун-та, 1992. - 173 с.

2. Лысенко, А. В. Конструкция активного виброамортизатора с электромагнитной компенсацией / А. В. Лысенко, Д. В. Ольхов, А. В. Затылкин // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. - 2013. - Т. 1. - С. 454-456.

3. Таньков, Г. В. Исследование моделей стержневых конструкций радиоэлектронных средств / Г. В. Тань-ков, В. А. Трусов, А. В. Затылкин // Труды Междунар. симп. Надежность и качество. - 2005. - Т. 1. -С. 156-158.

4. Информационная технология многофакторного обеспечения надежности сложных электронных систем / Н. К. Юрков, А. В. Затылкин, С. Н. Полесский, И. А. Иванов, А. В. Лысенко // Надежность и качество сложных систем. - 2013. - № 4. - С. 75-79.

5. Затылкин, А. В. Алгоритмическое и программное обеспечение расчета параметров статически неопределимых систем амортизации РЭС / А. В. Затылкин, Г. В. Таньков, И. И. Кочегаров // Надежность и качество сложных систем. - 2013. - № 4. - С. 33-40.

УДК 623-4

Лысенко, А. В.

Алгоритм формирования сигналов обратной связи для информационно-измерительной системы управления активной виброзащитой РЭУ / А. В. Лысенко, Г. В. Таньков, Т. А. Шаркунова // Надежность и качество сложных систем. - 2014. - № 3 (7). - С. 50-56.

55

Надежность и качество сложных систем. № 3(7), 2014

Лысенко Алексей Владимирович аспирант,

кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры,

Пензенский государственный университет (440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) 8-(412)-36-82-12 E-mail: lysrenko7891@rambler.ru

Таньков Георгий Васильевич

кандидат технических наук, доцент, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры,

Пензенский государственный университет (440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) 8-(412)-368-212 E-mail: oldalez@yandex.ru

Шаркунова Татьяна Алексеевна

старший преподаватель,

кафедра высшей и прикладной математики,

Пензенский государственный университет

8-(412)-368-212,

E-mail: tatius3001@yandex.ru

Аннотация. Рассмотрены способы снижения вибрационных нагрузок на радиоэлектронные устройства

управления активной виброзащитолй РЭУ. Предложено осуществить реализацию алгоритма на базе микроконтроллера ATmega128, для чего проведен теоретический анализ его вычислительной мощности. Проведены экспериментальные исследования быстродействия предложенного алгоритма в связке с микроконтроллером ATmega128, подтвердившие возможность их применения для защиты РЭУ от внешних вибрационных воздействий на частотах до 10 кГц.

Ключевые слова: алгоритм, вибрация, управление, активная система, радиоэлектронные устройства.

Lysenko Aleksey Vladimirovich postgraduate student, sub-department of radio equipment design and production,

Penza State University

Tankov Georgiy Vasilievich

candidate of technical sciences, associate professor,

sub-department of radio equipment

design and production,

Penza State University

Sharkunova Tat'yana Alekseevna

senior lecturer,

sub-department of high and applied mathematics,

Penza State University

Abstract. Methods of reducing vibration loads on the electronic unit (REU) with the use of active vibration protection systems. Selected the most relevant of them, on the basis of which the structure of the algorithm for generating feedback signals for information-measuring system (IMS) control active vibrogasheniya REU. It is proposed to implement the algorithm on the basis of the ATmega128 microcontroller, for which a theoretical analysis of its computational power. Experimental studies of the performance of the proposed algorithm in conjunction with a microcontroller ATmega128, which confirmed the possibility of their application for the protection of the RG from external vibration exposure at frequencies up to 10 kHz.

Key words: algorithm, vibration, control, active system, the protection electronic device.