Исследование алгоритма формирования сигналов обратной связи для информационно- измерительной системы активной виброзащиты радиоэлектронных устройств

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

УДК 534-16

А. В. Лысенко, А. В. Затылкин, Н. К. Юрков

ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМА ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ АКТИВНОЙ ВИБРОЗАЩИТЫ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Аннотация.

Актуальность и цели. Существующие активные амортизаторы предназначены для снижения амплитуды вибраций радиоэлектронных устройств (РЭУ) не только на резонансных частотах, но и на всем требуемом диапазоне частот. Такой подход влечет за собой усложнение конструкции активных амортизаторов за счет введения дополнительных средств измерения вибраций. Рассматривается новый вариант создания конструктивно простых средств активной виброзащиты РЭУ, реализующих способ снижения вибрационных нагрузок на резонансных частотах

Материалы и методы. Выбран наиболее актуальный способ, на основе которого разработана структура алгоритма формирования сигналов обратной связи для информационно-измерительной системы активной виброзащиты РЭУ. Предложено осуществить реализацию алгоритма на базе микроконтроллера ATmega128, для чего проведен теоретический анализ его вычислительной мощности.

Результаты и выводы. Разработан алгоритм формирования сигналов обратной связи для информационно-измерительной системы активной виброзащиты РЭУ. Проведены экспериментальные исследования быстродействия предложенного алгоритма в связке с микроконтроллером ATmega128. Реализация данного алгоритма позволяет использовать его в информационноизмерительных системах при защите от внешних вибрационных воздействий на частотах до 10 кГц.

Ключевые слова: алгоритм, вибрация, активная система, виброзащита, радиоэлектронные устройства, абсолютная погрешность, относительная погрешность.

A. V. Lysenko, A. V. Zatylkin, N. K. Yurkov

STUDY OF A FEEDBACK SIGNAL GENERATING ALGORITHM FOR AN INFORMATION MEASURING SYSTEM OF ACTIVE VIBRATION PROTECTION OF RADIO ELECTRONIC DEVICES

Abstract.

Background. The existing active shock absorbers are designed to reduce vibration amplitude of radio electronic devices (RED) not only at the resonant frequencies, but also over the entire desired frequency range. This approach entails complication of the structure of active shock absorbers by introducing additional means of vibration measuring. The article considers a new option to create a structurally simple means of active vibration protection of RED implementing a method of vibration loads reduction at the resonant frequencies

Materials and methods. The authors selected the most relevant method according to which the structure of the algorithm of feedback signals formation for an information measuring system (IMS) of the active vibration protection of RED has

162

University proceedings. Volga region

№ 2 (34), 2015 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

been developed. The researchers proposed to implement the algorithm on the basis of the ATmega128 microcontroller; for this purpose a theoretical analysis of its processing power was conducted.

Results. The authors have developed the algorithm of feedback signals formation for IMS control in the active vibration protection of RED. The researcher carried out the experimental study of the proposed algorithm’s perfomance in conjunction with the ATmega128 microcontroller. The present algorithm can be implemented in IMS protecting against external vibration effects at frequencies up to 10 kHz.

Key words: algorithm, vibration, active system, vibration protection, radio device, absolute error, relative error.

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].

Поэтому далее рассматривается новый вариант создания конструктивно простых средств активной виброзащиты РЭУ, реализующих высокоэффективный способ снижения вибрационных нагрузок на резонансных частотах [2]. 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 ИИС активной виброзащиты РЭУ, которая представлена на рис. 1.

Началом работы данного алгоритма служит включение питания информационно-измерительной системы (ИИС) активной виброзащиты 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).

Далее в процессе 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 воз-

Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 163

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

действия осуществить смещение фазы в точках крепления объекта виброзащиты на заданный угол.

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

Поскольку при вхождении конструкции РЭУ в резонанс все ее точки движутся по гармоническому закону [3], то амплитуду дополнительного сигнала генерировать следует по формуле

Ад = Ao(t) • [sin(t + фо) - sin(t + фо + Л(р) ],

где Ад - амплитуда дополнительного сигнала; Ао (t) - амплитуда основного сигнала; ш - частота основного сигнала; фо - начальная фаза основного сигнала, Лф - требуемый фазовый сдвиг.

164

University proceedings. Volga region

№ 2 (34), 2015 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

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 низкими энергопотреблением и ценой и высоким быстродействием [4]. 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:

^max = n ' ^раб.тах ,

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

Для исследования необходимо и достаточно провести 8 измерений на периоде. Зная диапазон значений рабочего времени быстродействия выбранного микроконтроллера (от 10 до 260 мкс), зададим ^раб.тах = 10 мкс. Подставив значения n и tpa6.max 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:

^min n ' ^раб.тт ,

где ^раб.шт - минимальное время быстродействия микроконтроллера, затрачиваемое на оцифровку и обработку информации.

Из диапазона значений рабочего времени быстродействия выбранного микроконтроллера (от 10 до 260 мкс) зададим ^раб.щт = 260 мкс. Подставив значения n и tpa6.min в формулу (2), получим: tmjn = 8 • 260 = 2008 .

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

В качестве критических значений граничных частот, на которых проводились исследования, согласно ГОСТ 17516.1-90 (Изделия электротехниче-

Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 165

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

ские. Общие требования в части стойкости к механическим внешним воздействующим факторам) были выбраны частоты 10 Гц и 1 кГц [5]. Схема исследования показана на рис. 2.

Рис. 2. 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 при помощи 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 f Ф,

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

Примем f = 10 Гц, ф = 90° (смещение фазы произойдет на 1/4 периода),

т.е. ф = ^ . Подставив значения f и ф в формулу (3), получим

T10 = — •1 = 0,025.

10 10 4

В ходе испытаний на частоте 10 Гц выявлено, что реальное время при смещении фазы на 90° составляет Т10Э = 25,025 мс (рис. 3).

Абсолютная погрешность рассчитывается по формуле

ATf = Тр - Tf .

Подставив получившиеся значения Тр и Tf на 10 Гц, получим

166

University proceedings. Volga region

№ 2 (34), 2015 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

ЛТ10 = 25,025 - 25 = 0,025,

т.е. абсолютная погрешность на частоте 10 Гц составляет 25 мкс.

Рис. 3. Амплитудно-временные характеристики вибрации при частоте 10 Гц: 1 - генерируемый сигнал; 2 - рассчитанный сигнал, смещенный на 90°;

3 - экспериментальный сигнал, смещенный на 90°

Найдем относительную погрешность по формуле

ЛТг

5 f =—J--100%.

T

f3

Подставив получившиеся значения ЛТ^ из (5) и Т^з, получим

510 =

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

Т1000 =

——1 = 0,00025. 1000 4

В ходе испытания на частоте 1000 Гц было выявлено, что реальное время при смещении фазы на 90° составляет Ti0003 = 0,275 мс (рис. 4).

Для получения абсолютной погрешности на частоте 1000 Гц подставим получившиеся значения Т10003 и Т1000 в формулу (4) и получим

ЛТШ00 = 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 ЛТ1000 из (7) и Т5003 в формулу (6) и получим

51000 =

0025 -100% = 9,09%. 0,275

Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 167

Рис. 4. Амплитудно-временные характеристики вибрации при частоте 1000 Гц: 1 - генерируемый сигнал; 2 - рассчитанный сигнал, смещенный на 90°;

3 - экспериментальный сигнал, смещенный на 90°

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, соответствуют 10 Гц и 1 кГц в зависимости от категории исполнения РЭУ.

Заключение

Таким образом, разработан алгоритм формирования сигналов обратной связи для информационно-измерительной системы активной виброзащиты 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 информационноизмерительной системе активной виброзащиты 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. Алгоритм выявления латентных технологических дефектов печатных плат методом оптического контроля / И. И. Кочегаров, И. В. Ханин, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков, В. Б. Алмаметов / Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. - № 3 (27). - С. 105-114.

3. Таньков, Г. В. Исследование моделей стержневых конструкций радиоэлектронных средств / Г. В. Таньков, В. А. Трусов, А. В. Затылкин // Надежность и ка-

168

University proceedings. Volga region

№ 2 (34), 2015 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

чество : тр. Междунар. симпозиума. - Пенза : Инф.-изд. центр ПензГУ, 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.

References

1. Ostromenskiy P. I. Vibratsionnye ispytaniya radioapparatury i priborov [Vibration testing of radio equipment and devices]. Novosibirsk: Izd-vo Novosib. un-ta, 1992, 173 p.

2. Kochegarov I. I., Khanin I. V., Lysenko A. V., Yurkov N. K., Almametov V. B. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2013, no. 3 (27), pp. 105-114.

3. Tan'kov G. V., Trusov V. A., Zatylkin A. V. Nadezhnost’ i kachestvo: tr. Mezhdunar. simpoziuma [Reliability and quality: proceedings of the International symposium]. Penza: Inf.-izd. Tsentr PenzGU, 2005, vol. 1, pp. 156-158.

4. Yurkov N. K., Zatylkin A. V., Polesskiy S. N., Ivanov I. A., Lysenko A. V. Nadezhnost’ i kachestvo slozhnykh system [Reliability and quality of complex systems]. 2013, no. 4, pp. 75-79.

5. Zatylkin A. V., Tan'kov G. V., Kochegarov I. I. Nadezhnost’ i kachestvo slozhnykh sis-tem [Reliability and quality of complex systems]. 2013, no. 4, pp. 33-40.

Лысенко Алексей Владимирович

инженер, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет

E-mail: lysrenko7891@rambler.ru

Затылкин Александр Валентинович

кандидат технических наук, доцент, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет

E-mail: al.zatylkin@yandex.ru

Юрков Николай Кондратьевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет

E-mail: yurkov_NK@mail.ru

Lysenko Aleksey Vladimirovich Engineer, sub-department of design and production of radio equipment, Penza State University

Zatylkin Aleksandr Valentinovich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of design and production of radio equipment,

Penza State University

Yurkov Nikolay Kondrat'evich Doctor of engineering sciences, professor, head of sub-department of design and production of radio equipment,

Penza State University

Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 169

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

УДК 534-16 Лысенко, А. В.

Исследование алгоритма формирования сигналов обратной связи для информационно-измерительной системы активной виброзащиты радиоэлектронных устройств / А. В. Лысенко, А. В. Затылкин, Н. К. Юрков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2015. - № 2 (34). - С. 162-170.

170

University proceedings. Volga region