Методы и средства измерительного преобразования скорости движения плазмы для информационно-измерительных и управляющих систем электродинамических ускорителей

Вариант второй:

Абсолютная методическая

погрешность на интервале

измерения

=

Суммарная абсолютная

методическая погрешность

Мгновенная скорость
в конце интервала измерения

Средняя скорость

на интервале измерения

Интервал времени прохождения телом -го (-го) интервала

Координата тела при скорости ()

Время с начала движения до достижения скорости

и момента нулевого значения

методической погрешности

Время с момента начала

движения до конца -го

(-го) интервала движения

гона повышаются требования к точности измерения, предпочтителен вариант с заданным интервалом пути (), т.е. с использованием РРК. Получено выражение для максимального предельного значения абсолютной методической погрешности измерения на 1-м интервале . Установлено, что скорость на базовом отрезке , на котором ускорение оказывается равным , нельзя считать достоверной, поскольку она измерена с методической погрешностью, превышающей допустимую. Поэтому для точной оценки скорости можно дополнительно измерять (рассчитывать) значения ускорения, а при вторичной обработке полученной от датчиков информации производить селекцию отсчетов ускорения в заданных координатах траектории, идентифицируя «критические» значения ускорения , которым соответствуют значения скорости, измеренные с максимальной методической погрешностью. Полученные в координатах, соответствующих «критическому» ускорению, значения скорости должны рассматриваться как недостоверные. Для умень-шения погрешности интерполяции для ЭДУ с неуправляемым разгоном предложен алгоритм функционирования ИПС, предусматривающий идентификацию и исключение недостоверных значений измеряемой средней скорости.

С использованием информационного подхода установлена зависимость (рис. 7) между погрешностью интерполяции при измерении скорости время-пролетным методом и количеством датчиков N, входящих в РРК:

Рисунок 7 - Пример расчета зависимости погрешности интерполяции от r датчиков, «изъятых» из оптимального их числа

, где

r - число «недостающих» до оптимального количества

ИД в РРК; - шумовая погрешность;

- энергия шума (помех) и энергия информационного сигнала. Судя по отрицательному знаку погрешности, имеет место занижение показаний ИПС относительно истинной скорости.



Рисунок 8 - Графики зависимости динамической погрешности ИВИ от относительного диапазона скоростей и параметров РРК

Получено выражение для количества датчиков в ИПС с РРК (или точек опроса в ИПС с РИК), , обеспечивающего пренебрежимо малую погрешность интерполяции, где ; - диапазон частот спектра сигнала и его длительность, соответственно; - коэффициент пропорциональности между эффективным значением длительности сигнала и его реальным значением ; и - минимальное и максимальное значения скорости, соответственно. На основании полученных результатов предложена инженерная методика графо-аналитического расчета минимально допустимого числа ИД в РРК ИПС по заданной погрешности интерполяции.

Показана перспективность разработки методов измерения «квазимгновенной» скорости путем разбиения особым образом интервала пути между парой соседних «физических» датчиков на множество существенно малых интервалов без установки датчиков в новых точках опроса, при этом ошибка интерполяции может быть сведена до пренебрежимо малого значения.

Проведен теоретический анализ дина-мической погрешности ИВИ при использо-вании времяпролетного метода измерения ско-рости и выведены соотношения для постро-ения номограммы (рис. 8) в виде семейства зависимостей, связывающих эту погреш-ность с рабочим диапазоном скоростей и кон-структивными параметрами РРК.

Учитывая, что время, в течение которого ПП изменил скорость от до , равно , где - длина контролируе-мого участка; - средняя скорость движения ПП на участке длиной , выражение для динамической погрешности может быть представлено в следующем виде:

, где - значения длитель-ности выходных импульсных сигналов соседних ИД РРК на уровне порога срабатывания регистратора; .

Выявлен ряд закономерностей и выработаны рекомендации по снижению динамической погрешности ИВИ выбором соотношений конструктивных параметров РРК. Установлено, что для минимизации этой погрешности необходимо обеспечить нормализацию формы сигнала на выходе каждого ИД, приближая её к форме гауссова (колоколообразного) сигнала, для чего предложено включать интегратор на выходе ИД или использовать вместо ИД датчики Холла.

Получены выражения для инструментальной и методической составляющих погрешности измерения скорости с учетом вероятности ошибки обнаружения сигналов:; ; ; ; = , где 1 - коэффициент технического совершенства ИВИ; , - с.к.о. методической и инструментальной погрешностей; - абсолютное значение методической погрешности на i-м интервале траектории; - i - й интервал времени; - текущее время между формированием сигналов соседних ИД; абсолютная инструментальная погрешность на i- м интервале; - погрешность измерения интервала пути; - вероятность пропуска сигнала; - вероятность ложной тревоги; P(0) и P(1) - вероятности непоявления и появления ПП перед ИД, соответственно.

Полученные выражения позволяют определять характеристики одних функциональных блоков ИПС через заданные характеристики других блоков. Например, задаваясь или регистратора импульсов от ИД РРК и значением с.к.о. вычислителя, можно получить допустимое значение с.к.о. ИВИ, т.е. сформулировать требования к точности последнего.

В четвертой главе «Разработка и анализ методов измерительного преобразования квази-мгновенной и мгновенной скорости разгона плазмы в ЭДУ» выполнены исследования по улучшению метрологических характеристик времяпролетных ИПС путем синтеза новых методов измерительного преобразования квазимгновенной и мгновенной скорости.

Использован принцип «многократного отражения» в качестве модели для разработки ряда методов измерительного преобразования квазимгновенной скорости и на его основе предложен метод измерительного преобразования средней скорости с контролем дифференциального сигнала пары ИД, что, благодаря формированию промежуточной точки опроса ИД, позволило уменьшить вдвое методическую погрешность измерения скорости ПП.

Разработан метод измерительного преобразования квазимгновенной скорости с программируемой попарной коммутацией ИД, основанный на сочетании принципа «двух наблюдателей» и контроля отношения сигналов двух датчиков положения. С использованием аппарата комбинаторики получено выражение для числа возможных комбинаций ИД одной группы с ИД другой группы попарно , где - число групп датчиков; - число датчиков в каждой группе. Определено общее количество точек регистрации как - = и получено выражение для числа интервалов измерения на траектории между группами . Показано, что интервал между двумя соседними точками регистрации движения ПП (тела) на участке траектории между группами ИД является величиной постоянной, равной половине базового расстояния между ИД, что обеспечивает уменьшение вдвое методической погрешности измерения средней скорости.

С целью дальнейшего увеличения числа интервалов измерения скорости без увеличения числа ИД предложен «метод координатной функции» (МКФ) для измерительного преобразования квазимгновенной и мгновенной скорости. Согласно этому методу последовательность перехода от координатной функции (КФ) к мгновенной скорости определяется цепью преобразований вида Сформулированы требования к идеальной КФ, главным из которых является инвариантность ко всем параметрам, кроме координаты движущегося ПП. Исследован ряд модификаций КФ - логометрическая КФ (L-типа) , разностно-логометрическая (LD-типа), дифференциально-логометрическая (DL-типа) , дифференциально-суммарно-логометрическая (DSL-типа) . С использованием численной модели для исследования выходных сигналов ИД выполнено моделирование на ЭВМ различных КФ. Анализ показал, что свойствами, близкими к идеальной КФ, обладает КФ DSL-типа, для которой выполняются условия инвариантности, ограниченного динамического диапазона, существования первой и второй производной, а также условия монотонности и чувствительности КФ к изменению положения ПП на большей части интервала между соседними ИД за исключением примыкающих к ним областей, где имеет очень малые значения.

Исследовано влияние неравномерности распределения тока по сечению ПП на значение КФ DSL-типа , которое заключается в увеличении плотности тока у одной стенки ПП и её уменьшении - у другой. Это явление по своим последствиям аналогично приближению проводящей полосы с током к ИД или её удалению от него, т.е. изменению расстояния между осями ИД и полосы с током. Проведенный расчет функции для различных значений и (рис. 9) имитирует расчет влияния неравномерности распределения тока по сечению ПП на значение КФ .

Рисунок 9 - Влияние неравномерности распределения тока по сечению ПП на КФ при расстоянии между ИД а) 0,1 м; б) 0,2 м; в) 0,5 м; г) 1,0 м.(1 - токовый слой на расстоянии z = 2 см от оси ИД; 2 - то же, z = 4 см; 3 - то же, z = 6 см; 4 - то же, z = 8 см)



Рисунок 10 - Диаграммы, поясняющие идею объединения метода контроля функции отношения , нулевого метода и принципа «многократного отражения»

Анализ результатов расчета показал, что при = 1,0 м кривые 1-4 на рис. 9, г практически совпадают. Это означает, что при достаточно большом расстоянии между датчиками КФ не зависит от расстояния между осями тока и датчиков, а значит, от неравномерности плотности распределения тока по сечению ПП, однако «мертвая зона» в этом случае оказывается более 50 %. Для перекрытия «мертвой зоны» предложено устанавливать несколько пар ИД и проводить их попарную коммутацию методом, изложенным выше.

При моделировании установлено, что влияние колебания длины ПП в процессе движения на КФ - ничтожно мало. Обнаружено сильное влияние на эту погрешность расстояния между датчиками. Так, при уменьшении с 1,0 м до 0,1 м погрешность возрастает до 90 %. Отсюда следует необходимость выбора расстояния между датчи-ками порядка 1,0 м, что совпадает с выводом по условию инвариантности КФ к распреде-лению плотности тока по сечению ПП.

Недостатком КФ DSL-типа является нару-шение чувствительности в области «мертвых зон», что приводит к увеличению ошибки измерения. Предложены и проанализированы методы изме-рительного преобразования квазимгновенной ско-рости на основе нулевого метода контроля КФ с ликвидацией «мертвых зон» переключением или суммированием КФ. Диаграммы, поясняющие предложенную идею объединения метода контроля КФ DSL-типа , нулевого метода и принципа «многократного отражения» приведены на рис. 10, а структурная схема ИПС, реализующего эту идею, - на рис. 11.

Рисунок 11 - Структурная схема ИПС, основанного на объединении МКФ, нулевого метода и принципа «многократного отражения». Д1, Д2 - датчики положения; НО - нуль-орган; УИОН - управляемый источник опорного напряжения; ЗУ - запоминающее устройство; Выч. - вычислитель

Суть нового метода измерительного преобразования квазимгновенной скорости заключается в организации периодического смещения КФ на заранее рассчитанные и запомненные значения таким образом, что смещенная параллельно самой себе кривая КФ каждый раз пересекает ось 0x, последовательно формируя множество точек регистрации координат . Далее с использованием времяпролетного метода определяются значения квазимгновенной скорости на каждом из множества малых интервалов между соседними точками регистрации квазимгновенной скорости к измерению истинно мгновенной скорости предложено сочетание эвристического синтеза КФ с последующим формированием функции , обратной синтезиро-ванной КФ F(x) и ее непрерывным дифференцированием по времени t в процессе движения ПП (второй вариант использования МКФ).

Разработан метод измерительного преобразования мгновенной скорости с использованием КФ

DSL-типа и аппроксимацией сигнала ИД экспоненциальной функцией. Получено выражение для мгновенного значения скорости в любой момент времени t: , где - экспериментально определяемый масштабирующий коэффициент, равный интервалу траектории, на границах которого сигнал ИД изменяется в =2,73 раз. Точность нахождения скорости по этой формуле определяется методической погрешностью аппроксимации КФ DSL-типа функцией гиперболического тангенса. Таким образом, проблемой при реализации описанного метода является выбор аппроксимирующей функции, которая обеспечивала бы минимальную ошибку аппроксимации на контролируемом интервале пути между двумя соседними датчиками РИК. Для решения этой проблемы в главе 5 исследуется возможности применения ИНС в качестве аппроксиматора.

Учитывая многообразие разработанных методов измерительного преобразования средней и квазимгновенной скорости проведена их систематизация по 8-ми уровням качества.

Отмечено, что для обоснованного выбора метода измерительного преобразования скорости необходимо в следующей главе решить задачу многокритериального рангового анализа вариантов с учетом ранжирования заданных критериев.

Для дальнейшего повышения точности измерительного преобразования скорости предложен метод с использованием КФ DSL-типа и аппроксимацией сигнала ИД обратно-экспоненциальной функцией. Получено выражение для вычисления мгновенной скорости этим методом:

/2.

Показано, что по сравнению с предыду-

щим этот метод обеспечивает почти двукратное приращение точности аппроксимации. Недостатком является сложность вычислительного алгоритма.

С целью упрощения зависимости мгновенной скорости от КФ предложен метод измерительного преобразования с использованием КФ LL-типа и аппроксимацией сигнала ИД экспоненциальной функцией, получено выражение для вычисления мгновенной скорости: . Так как КФ LL-типа представляет собой прямую линию (не считая придатчиковые области), это уменьшает погрешность измерения от нелинейности КФ. Что касается присущего МКФ с использованием КФ LL-типа низкой точности аппроксимации выходного сигнала ИД, то этот недостаток может быть устранен применением ИНС в качестве аппроксиматора.

Для устранения другого недостатка последнего метода, связанного с использованием априорно задаваемого неточного коэффициента S_e, предложен и обоснован метод измерительного преобразования, при котором в качестве масштабирующего коэффициента используется априори точно известное значение l расстояния между ИД, а значение мгновенной скорости определяется по формуле:

.

Общим недостатком рассмотренных методов на основе МКФ является наличие в алгоритме вычисления скорости операции дифференцирования КФ, «подчеркивающей» электромагнитные помехи на входе ИПС. Для его устранения предложен метод измерительного преобразования с повышенной помехозащищенностью, основанный на использовании в измерительном алгоритме операции геометрического усреднения сигналов датчиков положения.

Доказано, что мгновенная скорость v ПП может определяться по формуле

,

где - const; ,- выходные напряжения соседних ИД ; I - ток в цепи ПП; N и - соответственно, число витков и площадь сечения катушки ИД. Введение дополнительной операции измерения тока в движущемся ПП позволяет исключить операцию дифференцирования по времени и обеспечивает более высокую помехозащищенность ИПС (вывод о включении в структуру подсистемы управления ИИУС измерительного преобразователя тока совпадает с выводом, полученным в главе 1 при анализе алгоритма работы ПО для формирования команды на начало измерения очередного значения скорости).

Выражение для скорости было выведено при допущении о том, что в ПП протекает постоянный ток. Однако, учитывая, что фактически этот ток является переменным при питании от емкостного источника или носит импульсный характер при питании от индуктивного накопителя, показано, что при этом нарушается пропорциональность сигнала ИД и скорости ПП:

, (3)

где B_{n ИД} - нормальная составляющая магнитной индукции в точке расположения ИД; ₀ - магнитная постоянная; x (t)- координата положения центра масс ПП, причем за начало координат принимается точка пересечения траектории движения и ортогональной ей линии, проходящей через ИД; y - минимальное расстояние от траектории движения до точки расположения ИД; l, m, p - геометрические параметры ПП (длина, ширина и высота, соответственно) относительно его центра масс; F (x (t), y, l, m, p) - функция взаимного положения ИД и ПП.

На рис. 12 показан вид зависимостей первой и второй составляющей суммарного сигнала ИД согласно (3) от координаты положения ПП. Для компенсации указанной пог-решности предложен комбинированный метод измерения мгновенной скорости, основанный на одновременном использовании в ИПС двух типов датчиков положения - ИД и датчиков Холла, расположенных на равных расстояниях y от линии, перпендикулярной траектории движения ПП.

Получено выражение для переменного коэффициента K(t) вида:

K(t) = = =

и доказано, что перемножением его текущего значения и значения сигнала датчика Холла можно получать сигнал, равный второй (вызываемой изменением тока) составляющей сигнала ИД согласно (3). Тогда в процессе измерения скорости сигнал используется как входной сигнал для описанного ИПС с измерением тока, в результате чего компенсируется погрешность из-за импульсного характера тока в ПП.

Рисунок 12 - Зависимости первой, второй составляющей и суммарного сигнала ИД от координаты ПП

Описанные последние два метода измерительного преобразования скорости требуют предвари- тельного моделирования процессов в конкретном ЭДУ для определения значений ряда параметров в качестве исходных данных. С целью уменьшения объема априорной информации за счет увеличения объема апостериорной информации, получаемой в процессе измерения, предложено объединить в одном ИПС метод МКФ для измерительного преобразования мгновенной скорости и времяпролетный метод измерения средней скорости ПП с последующим перерасчетом получаемых средних значений скорости в мгновенные значения в отдельные моменты времени в процессе движения ПП. Считая эти значения образцовыми, можно периодически корректировать в режиме on-line параметры ИПС, основанного на методе МКФ.

Для реализации базирующегося на этой идее метода с обратной информационной связью по каналу измерения средней скорости получено выражение для значения мгновенной скорости в любой момент времени t_{i :} где V(t_i) - среднее значение скорости в интервале времени между моментами t_i и . Объединение в ИПС двух контуров (РРК и РИК) на базе одних и тех же датчиков положения позволяет выполнять измерительное преобразование мгновенной скорости ПП методом МКФ на базе РИК, а его средней скорости - с помощью времяпролетного метода на базе РРК с последующим уточнением согласно последней формуле мгновенных значений скорости в дискретные моменты времени. Таким образом, вдоль траектории организуется множество точек коррекции мгновенной скорости, совпадающих с координатами датчиков в РРК.

Пятая глава «Структурный и параметрический синтез измерительных преобразователей скорости» посвящена разработке и исследованию методов структурного и параметрического синтеза ИПС для ИИУС ЭДУ. Разработана методология структурного синтеза ИПС, которым в условиях помех обеспечивается одновременное достижение минимума ошибки обнаружения сигнала (ложной фиксации ПП или его пропуска датчиками) и минимума потери информации о параметрах сигнала датчиков (критерий «двойного минимума»). Для этого предложено в состав включенного на выходе датчиков фильтра, оптимального по критерию минимума ошибки обнаружения сигнала, ввести корректирующее звено, обеспечивающее минимум потери информации о параметрах сигнала с выходов датчиков. Решена задача структурного синтеза такого оптимального фильтра как составной части ИПС по предложенному критерию «двойного минимума» и получено выражение для коэффициента преобразования корректирующего звена оптимального фильтра при условии, что закон распределения выходных сигналов датчиков (входных сигналов фильтра) x является нормальным, что имеет место для ИД: = , где - дисперсия входного сигнала x фильтра. Для датчиков иного типа с неизвестным законом распределения выходных сигналов рекомендовано между датчиками РРК (РИК) и оптимальным фильтром устанавливать функциональный преобразователь с синтезированной передаточной функцией, обеспечивающий формирование выходного сигнала, распределенного по нормальному закону независимо от закона распределения его входного сигнала. Синтез оптимального фильтра по критерию «двойного минимума» обеспечивает минимум вероятности ошибки обнаружения движущегося ПП с помощью ИПС в предположении, что сами датчики РРК этого не обеспечивают. Исследован и другой подход: параметрический синтез самого РРК по критерию минимума вероятности ошибки обнаружения сигнала датчиков в условиях помех. Разработана методика параметрического синтеза РРК с использованием теории оптимальных методов приема при флуктуационных помехах, согласно которой, задаваясь длиной контролируемого участка S, допустимой ошибкой обнаружения сигнала и порогом срабатывания регистратора сигналов, можно определить оптимальные параметры РРК ИПС (число датчиков положения в РРК, значения интервалов между соседними датчиками). Особенностью этой методики является необходимость выполнения требования, согласно которому вероятность не должна превышать заданного значения, что достигается либо уменьшением задаваемых вероятностей ошибки типа «ложный запуск» регистратора или ошибки типа «отказ запуска» регистратора (это приводит к снижению надежности функционирования ИПС), либо уменьшением числа каналов регистрации, что, в свою очередь, приводит к снижению точности измерения скорости. Для исключения этого проведен структурный синтез РРК по критерию минимальной ошибки обнаружения сигналов датчиков в условиях помех, выведены соотношения, доказывающие эффективность схем объединения датчиков (СОД) в каждом канале регистрации РРК для уменьшения вероятности ошибки обнаружения сигналов и построены соответствующие зависимости. Разработана методика структурного синтеза РРК, оптимального по критерию минимальной вероятности ошибки обнаружения , и выбора одной из двух структур СОД на элементе И или на мажоритарном элементе в зависимости от исходных данных.

Для проведения вычислительного эксперимента по сравнительному анализу алгоритмов изме-

рительного преобразования скорости ПП разработана комплексная математическая модель системы «ЭДУ-ИПС», включающая модель движения ПП, модель электромагнитного поля тока в ПП, модель ИД, модель алгоритма вычисления скорости (рис. 13). В качестве начальных условий для модели ис- пользуются: геометрические и электрические параметры канала рельсотрона, напряжение на зажимах конденсаторной батареи ИИЭ на входе ЭДУ; скорость предускорения ПП; геометрические и электрические параметры датчиков. Основой математической модели движения ПП является модификация системы нелинейных дифференциальных уравнений Арцимовича. Для расчета магнитного поля ПП использована исследованная в главе 2 модель «параллелепипед с током». Для расчета напряжения U на выходе интегратора, подключенного к ИД, использовалось выражение:

,

где T - время измерения; w -число витков обмотки ИД; S - площадь сечения ИД; - скорость движения ПП; - нормальная к сечению ИД составляющая магнитного поля; x - координата геометрического центра ПП. Комплексная математическая модель системы "ЭДУ - ИПС" реализована в виде программного комплекса MMVS.

На комплексной модели, объединенной с программой- нейроимитатором NeuroPro, проведен сравнительный анализ по точности вариантов (рис. 14) структуры ИПС на базе МКФ и ИНС, результаты которого приведены на рис. 15. Эксперимент на модели показал, что лучшим по точности и помехозащищенности является структура нейросетевого ИПС с подачей на вход ИНС значений КФ LL-типа и ее производной по времени и получением на выходе значений скорости (вариант 3). Доказано, что применение ИНС в качестве аппроксиматора позволяет повысить точность ИПС в несколько раз по сравнению с аппроксимацией КФ эмпирическими выражениями, причем, при увеличении числа слоев ИНС до 2,5 с 10 нейронами в каждом слое методическая погрешность ИПС может быть снижена до 1,2 %.

Предложен алгоритм параметрического синтеза ИПС с переменным шагом опроса по критерию минимума суммарной (методической и инструментальной) погрешности измерения скорости, основанный на сочетании off-line -планирования для расчета первого интервала пути и on-line- планирования для расчета каждого последующего интервала пути между очередными точками опроса в РИК непосредственно в процессе измерительного пре образования скорости. В результате обеспечивается адаптация шага точек опроса в РИК к результатам измерения в режиме on- line.

Получена формула для оптимального переменного шага опроса (начиная со 2-го) с его адаптацией к результатам измерения интервала прохождения ПП предыдущего участка пути:

= ,

а также формула для оптимального шага на 1-м интервале пути:



Рисунок 13 - Структура комплексной математической модели системы «ЭДУ ИПС» = - абсолютная методическая погрешность ИПС; h(t) - ширина ПП; x(t) - расстояние, пройденное ПП; V(t) - скорость ПП; B(t) - индукция магнитного поля тока ПП;- выходные сигналы ИД; - измеренная скорость ПП; F(t) - КФ

Рисунок 14 - Варианты (а, б, в) структур нейросетевой ИПС, реализующего метод МКФ. - КФ; - сигналы двух соседних датчиков; - скорость ПП (тела)



где , - с.к.о. методической погрешности измерения на i-м и (i +1)-м интервалах пути, соответственно; i = 2, 3, 4,... … n; и - с.к.о. случайных погрешностей измерения интервалов времени и пути, соответственно.

Выбирая между точками опроса в РИК по этой формуле, можно обеспечить измерительное преобразование скорости на i-м интервале (начиная со второго) с минимальной суммарной погрешностью .

Показана эффективность применения систем нечетких правил для выбора оптимального метода измерительного преобразования скорости в ЭДУ с использованием многокритериального рангового анализа, который не требует количественной оценки частных критериев и решения сложной оптимизационной задачи многокритериального синтеза. В качестве примера проведен сравнительный анализ с применением равновесных и неравновесных критериев четырех вариантов ИПС, основанных на разработанных разновидностях доплеровского и времяпролетного методов. Установлено, что при использовании равновесных критериев отсутствует преимущество какого-либо метода, а при неравновесных критериях наилучшим из сравниваемых методов, обеспечивающим наибольшую помехозащищенность, является времяпролетный метод с максиселекторной блокировкой каналов измерения. Использованная методика многокритериального рангового анализа с применением попарного анализа методов измерительного преобразования скорости и составлении парных сравнений в виде лингвистических высказываний с ранжированием по методу Саати, позволяет из предложенных методов выбирать оптимальный метод измерительного преобразования скорости с учетом конкретных условий.

Проведена систематизация вариантов индивидуального и комбинированного использования различных интеллектных компонент и намечены перспективы применения методов ИИ в задачах измерительного преобразования параметров движения. Предложены варианты применения одновременно нескольких интеллектных компонент при структурном синтезе ИПС, в том числе сочетание off-line и on-line планирования с использованием алгоритмов систем нечетких правил (СНП) на первом этапе и алгоритмов систем продукционных правил (СПП) на втором этапе (сочетание СНП+СПП) или алгоритмов СНП на первом этапе и алгоритмов ИНС на втором этапе учетом конкретных условий.

Рисунок 15 - Графики истинной и измеренной скорости с различными вариантами структуры нейросетевого ИПС - 1 (а), 2(б), 3(в). l = 0,2 м;h₀ = 0,05 м; d=0,1 м; м/с; x_n1 =0 м; x_n2 =0,5 м; y_n= y_n2 =0; z_n1 = z_n2 = 0,2 м. 1- эксперимент; 2 - истинная скорость

(сочетание СНП+ ИНС), что обеспе-чивается применением динамической ре-конфигурации структуры ИПС в процессе эксперимента на ЭДУ. Указано на пер-спективность комбинации систем, осно-ванных на прецедентах, с идеей дина-мической реконфигурации ИПС, а также настраиваемых на нужную структуру гибридных сетей на базе СНП и ИНС для обеспечения точности измери-тельного преобразования даже при больших изменениях внешних факторов, например, при переходе ЭДУ в нерасчет-ный режим функционирования. Варианты ИПС с элементами ИИ показаны в табл. 2, из которой видно, что в разработанных ИПС используются одна или две интеллектные компоненты (ИНС и АГ, СНП и СПП, ИНС и СНП). Возможно объединение ИПС (ИПС с оптимизацией 1-го интервала между датчиками и ИПС с адаптацией шага опроса) одним методом ИИ (Anytime -алгоритм).

В приложениях приведены тексты разработанных программ ЭВМ, зарегистрированных в Отраслевых фондах алгоритмов и программ, схемы и описания запатентованных технических решений, фотографии разработанных и изготовленных ИПС и ИИУС ЭДУ; акты и справки о внедрении и использовании результатов диссертационной работы.

Основные результаты диссертационного исследования:

1. Обосновано требование к точности ИПС как элементу ИИУС ЭДУ с управляемым разгоном (допустимая погрешность ИПС 2,8 %) при заданной погрешности управления 3,0 % для реализации простого алгоритма управления ЭДУ с однократным расчетом момента подачи команды на прекращение подвода энергии к ЭДУ путем шунтирования его рельсового канала. Предложенный и обоснованный режим «прерывистого» измерения мгновенной скорости только на участках квазиравномерного движения при питании ЭДУ от емкостного источника энергии в отличие от традиционного измерения скорости на всей траектории движения ПП позволяет снизить динамическую погрешность измерения скорости до пренебрежимо малых значений (0,25 %) при требовании к быстродействию ИПС - не более 3,0 мкс.

2. Исследование методом вычислительного эксперимента с использованием объемной численной модели ПП с током влияния на ЭДС ИД конструктивных параметров системы “движущийся ПП-датчики положения” впервые позволило строго обосновать выбор границ диапазона базового расстояния между соседними ИД в РРК для ИИУС ЭДУ при использовании времяпролетного метода измерения скорости.

3. Проведенное исследование составляющих инструментальной погрешности измерения скорости ПП в ЭДУ с исполь-зованием компьютерного модели-рования позволило получить ее предельные оценки при измерении средней (5,2 %) и мгновенной (1,7 %) скорости. Полученные выражения для методической пог-решности измерения скорости плазмы в ЭДУ времяпролетным методом позволили теоретически обосновать выбор равноускорен-ного движения в качестве рас-четного режима, обеспечивающего минимальную методическую пог-решность измерения скорости, и доказать, что при контроле ско-рости времяпролетным методом в ЭДУ с управляемым разгоном пред-почтительным с точки зрения ми-нимизации методической погреш-ности является вариант с заданным интервалом пути, а в ЭДУ с неуправляемым разгоном - вариант с заданным интервалом времени.

Таблица 2 - Использование методов ИИ в ИПС

4. Разработанная и реализо-ванная в виде набора программ комплексная математическая мо-дель системы «ЭДУ-ИПС», осно-ванная на совместном взаимо-связанном использовании модели движения ПП, модели электромаг-нитного поля от тока в ПП, модели ИД, модели алгоритма вычисления скорости, впервые позволила проводить сравнительный анализ по точности вариантов структуры ИПС методом вычислительного эксперимента на стадии проектирования ИПС ИИУС без многочисленных дорогостоящих натурных экспериментов на ЭДУ, в частности, при объединении комплексной модели с программой - нейроимитатором позволила провести выбор варианта структуры нейросетевого ИПС с подачей на вход нейросети значений логарифмо-логометрической КФ и ее производной по времени с получением на выходе значений скорости и доказать, что применение ИНС в качестве аппроксиматора повышает точность ИПС в несколько раз по сравнению с традиционной аппроксимацией КФ эмпирическими выражениями, причем, при увеличении числа слоев ИНС до 2,5 с 10 нейронами в каждом слое максимальная методическая погрешность ИПС может быть снижена до 1,2 %.

5. Полученный комплекс расчетных формул позволяет оценивать скоростные, временные параметры и положение (координату) движущегося ПП, а также методические погрешности измерения скорости при использовании двух вариантов времяпролетного метода: и в режиме равноускоренного движения, выбранного в качестве рабочего режима, обеспечивающего минимальную методическую погрешность измерения скорости ПП.

6. Разработанный метод измерительного преобразования скорости, основанный на формировании промежуточных точек опроса путем программируемой попарной коммутации датчиков, в отличие от традиционного времяпролетного метода обеспечивает возможность перехода от измерения средней скорости на интервале между двумя датчиками к измерению квазимгновенной скорости ПП при том же числе датчиков положения в РРК ИПС, что позволяет повысить точность измерения скорости и как следствие точность управления разгоном и стабилизации скорости ПП (тела).

7. Предложенные разновидности «метода координатной функции» для измерительного преобразования скорости, основанного на сочетании принципа «двух наблюдателей» и логометрического метода измерения, а также нулевого метода измерения с использованием КФ дифференциально-суммарно-логометрического типа и аппроксимацией сигнала датчика положения экспоненциальной функцией, в отличие от известных методов измерительного преобразования обеспечивают измерение квазимгновенной и истинно мгновенной скорости ПП в ЭДУ и, соответственно, повышенную точность измерения скорости ПП (тела) и управления ЭДУ.

8. Разработанный метод измерительного преобразования скорости ПП с использованием в качестве информативного параметра геометрического среднего сигналов датчиков положения, основанный на выявленной инвариантности этого параметра ко всем мешающим факторам и зависимости его только от скорости движения ПП и тока в ПП, в отличие от других методов измерительного преобразования мгновенной скорости позволяет повысить помехозащищенность ИПС за счет замены операции дифференцирования на операцию непрерывного измерения тока в ПП.

9. Разработанные методики параметрического и структурного синтеза ИПС, в том числе основанные на предложенном критерии «двойного минимума» при структурном синтезе и различных методах ИИ при параметрическом и структурном синтезе, в отличие от известных подходов позволили обоснованно определять оптимальные конструктивные параметры РРК (РИК) и структуру ИПС с обеспечением повышенной точности (за счет минимизации составляющих погрешности измерительного преобразования и компенсации различных составляющих погрешности), помехозащищенности (за счет минимизации потерь информации о параметрах сигналов датчиков положения и ошибки обнаружения сигнала оптимального фильтра на выходе датчиков ИПС), а также проводить с использованием аппарата нечетких множеств многокритериальный ранговый анализ и выбор оптимальных методов измерительного преобразования без привлечения сложного аппарата теории векторного синтеза технических систем.

10. На основе предложенных новых методов и средств измерительного преобразования параметров движения ПП и тел в ЭДУ, обладающими элементами мировой новизны (23 авторских свидетельства СССР и патента РФ на изобретения) и методологии проектирования ИПС, отраженной в 67 публикациях и 2-х зарегистрированных программах ЭВМ, разработан ряд ИПС для ИИУС ЭДУ с относительной приведенной погрешностью измерения квазимгновенной скорости 2,5 % , а мгновенной скорости 2,0 % (на базе 2,5-слойной ИНС). Их использование при реализации простого алгоритма управления ЭДУ (с определением мгновенной скорости, без расчета ускорения и однократным расчетом момента подачи команды на шунтирование РК в режиме on-line и без коррекции его расчетного значения) обеспечивает погрешность управления разгоном ПП3,0 %, а при реализации сложного алгоритма управления ЭДУ (с памятью, определением мгновенной скорости и ускорения ПП и несколькими коррекциями в режиме on-line расчетного значения момента подачи команды на шунтирование РК) (1,0-3,0) %.

По материалам исследований разработано и внедрено на предприятиях страны 7 типов и модификаций ИПС, устройств и подсистем управления для ИИУС ЭДУ, часть которых внесена в Отраслевой каталог. Подтверждена универсальность и возможность распространения на смежные отрасли электротехники предложенного базового метода измерительного преобразования скорости МКФ при проведении измерений в широком диапазоне скоростей (от единиц м/с до единиц км/с) в результате разработки, изготовления и ряда внедрений (18 комплектов) на отечественных предприятиях РАО ЕЭС и за рубежом (Литва) измерительного преобразователя и регистратора мгновенной скорости контактов высоковольтных коммутационных аппаратов типа «МАРС-1».

Результаты вычислительных и физических экспериментов по оценке работоспособности готовых схемотехнических решений на основе выполненных исследований подтверждены производственными испытаниями в условиях заказчиков, удостоверенными актами внедрения в опытно-промышленную эксплуатацию ряда разработанных и изготовленных ИПС и ИИУС.

Заключение по результатам работы

Диссертационная работа является итогом исследований автора за период 1985-2008 г.г. по развитию и обобщению теории измерительных преобразователей скорости движения плазмы для ИИУС магнитоплазменных ЭДУ. В результате проведения комплекса исследований разработан ряд новых оригинальных методов и средств измерительного преобразования средней, квазимгновенной и мгновенной скорости для ИИУС магнитоплазменных ЭДУ, что позволило упростить существующие ИИУС ЭДУ при заданной точности стабилизации скорости и повысить качество управления разгоном ПП и тел в ЭДУ.

Совокупность вынесенных на защиту положений и полученных в диссертационной работе результатов позволяет классифицировать их как научно обоснованные технические решения, вносящие значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области информационно-измерительных и управляющих систем для высокоскоростного разгона плазмы и тел с использованием магнитоплазменных ЭДУ, состоящие: в разработке новых методов измерительного преобразования квазимгновенной и мгновенной скорости разгона ПП для ИИУС магнитоплазменных ЭДУ, обеспечивающих повышение точности контроля и регистрации скорости и как следствие высокой точности управления разгоном и стабилизации скорости ПП при использовании простых алгоритмов управления.

Содержание диссертации опубликовано в следующих работах

Монография

1. Кириевский Е. В. Измерение параметров движения тел в плазменных электродинамических ускорителях (Параметрический и структурный синтез измерительных преобразователей).-Ростов н/Д: Изд-во СКНЦВШ, 2005.-392 с.

Статьи в журналах, рекомендованных вак рф

2. Кириевский Е.В., Калинин И.И. Преобразователи тока, работающие на эффекте Холла, для релейной защиты автономных энергосистем//Электричество. - 1982. - №3. - С. 10-14.

3. Кириевский Е.В., Михайлов А.А. Информационный анализ фильтра, оптимального по критерию минимума ошибки обнаружения//Изв. Сев.-Кавк. науч. центра высш.шк. Техн. науки.-1988.- № 4. - С. 64-69.

4. Кириевский Е.В., Михайлов А.А. Использование функциональных преобразователей для получения максимума полезной информации из сигнала//Изв. вузов. Радиоэлектроника.- 1989.- № 11. - С. 49-51.

5. Кириевский Е.В., Михайлов А.А. Выбор параметров распределенного регистрирующего контура измерителей скорости времяпролетного типа // Изв. Сев.-Кавк.науч. центра высш. шк. Техн. науки.-1990.- № 2.- С. 8-13.

6. Кириевский Е.В., Михайлов В.В., Ханжиев А.С. Перспективы построения гибких релейных защит с перестраиваемой архитектурой для автономных энергосистем // Электричество. -1990. - № 3. - С. 18-25.

7. Кириевский Е.В., Михайлов А.А. Исследование методической погрешности измерителей

скорости времяпролетного типа//Изв. Сев.-Кавк. науч. центра высш. шк. Техн. науки.-1993.- №3-4.-

С. 84-92.

8. Кириевский Е.В., Михайлов А.А. Выбор расчетного режима для оценки методической погрешности измерителей скорости времяпролетного типа // Изв. Сев.-Кавк. науч. центра высш. шк. Техн. науки. - 1993. - №3-4. - С. 92-98.

9. Кириевский Е.В., Михайлов А.А. Метрологическая оценка допустимой ошибки обнаруже-

ния объекта скоростемером с распределенным регистрирующим контуром // Изв. вузов. Электромеханика.- 1994. - № 4-5. - С. 71-75.

10. Кириевский Е.В., Михайлов А.А. Оценка методической погрешности измерителя линейной скорости с распределенным регистрирующим контуром//Изв. вузов. Электромеханика.-1995.- №1-2. - С. 46-49.

11. Кириевский Е.В., Михайлов А.А. Анализ предельной методической погрешности измерителей скорости с распределенным регистрирующим контуром//Изв. вузов. Электромеханика.-1996. -

№1-2. - С. 54-57.

12. Кириевский Е.В., Михайлов А.А. Анализ зависимости динамической погрешности скоростемеров времяпролетного типа от диапазона измеряемых скоростей // Изв. вузов. Электромеханика.- 1997 . - №3. - С. 46-52.

13. Кириевский Е.В., Михайлов А.А Структурный синтез системы измерения линейной скорости времяпролетного типа//Изв. вузов. Электромеханика.-1999.-№3.-С. 77-80.

14. Долгих В.В., Кириевский Е.В. Контроль скоростных характеристик высоковольтных выключателей емкостным методом//Электротехника.-1999.-№12.-С. 45-49.

15. Кириевский Е.В., Михайлов А.А. Анализ достоверности методов измерения линейной скорости по критерию минимальной ошибки в условиях помех//Изв. вузов. Электромеханика. - 2000. - № 1. - С. 85-88.

16. Кириевский Е.В., Январев С.Г. Моделирование сигнала индукционного датчика положения движущегося проводника с током//Изв. вузов.Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.-2000.-№3.-С.7-10.

17. Кириевский Е.В. Измерение параметров движения с использованием метода эталонной координатной функции//Изв. вузов. Электромеханика.-2000.-№ 4.-С. 74-80.

18. Кириевский Е.В. Сравнительный анализ методов измерения скорости с использованием распределенных регистрирующего и измерительного контуров // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2001. - №1. - С.3-5.

19. Кириевский Е.В., Михайлов А.А. Параметрический синтез распределенного регистрирующего контура системы измерения скорости времяпролетного типа//Изв. вузов. Электромеханика. -2001. - №2.- С. 42-47.

20. Кириевский Е.В., Долгих В.В. Прибор для эксплуатационного контроля высоковольтных выключателей по параметрам движения контактов емкостным методом// Электрические станции.- 2001.- № 11.- С. 56-61.

21. Кириевский Е.В., Долгих В.В. Коррекция систематических погрешностей логометрических измерительных преобразователей // Измерительная техника.-2002.-№ 5.- С. 20-23.

22. Кириевский Е.В. Исследование дифференциально-логометрических координатных функ-ций для системы измерения скорости в электродинамическом ускорителе масс // Изв. вузов. Электро-

механика. - 2002. - №5. - С. 57- 61.

23. Кириевский Е.В., Михайлов А.А. Синтез распределенного регистрирующего контура времяпролетного измерителя скорости с адаптацией шага установки датчиков//Измерительная техника. - 2002. - №10. - С. 53-56.

24. Кириевский Е.В. Структурные методы повышения помехозащищенности систем измерения скорости в электродинамических ускорителях масс//Изв. вузов. Электромеханика.-2003.-№ 3.-С.25-31.

25. Кириевский Е.В. Применение нулевого метода контроля координатной функции для повышения точности систем измерения линейной скорости // Изв. вузов. Сев.- Кавк. регион. Техн. науки. - 2003. - №2. - С. 41- 46.

26. Кириевский Е.В. Моделирование сигнала индукционного датчика положения движущейся плазмы//Метрология: ежемес. прил. к журн. «Измерительная техника».- 2003.- № 6. - С. 36-45.

27. Кириевский Е.В., Январев С.Г. Комбинированный принцип измерения скорости движения проводника с током//Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.-2003.- № 4. - С.49-57.

28. Кириевский Е.В. Повышение информативности при измерении параметров дви жения проводника с током методом координатной функции//Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.-2003.- Прил. № 5. - С. 41- 46.

29. Кириевский Е.В. Многокритериальный сравнительный анализ методов измерения скорости плазмы в электродинамическом ускорителе с использованием теории нечетких множеств//Изв. вузов. Электромеханика. 2003.- № 6.- С. 40-45.

30. Кириевский Е.В., Кириевский В.Е. Анализ нейросетевых структур системы измерения скорости разгона тел в электродинамическом ускорителе // Измерительная техника. -2004.-№1.-С. 39-43.

31. Кириевский Е.В., Кириевский В.Е. Исследование динамической погрешности измерения мгновенной скорости тела в плазменном электродинамическом ускорителе//Изв. вузов. Электромеханика. -2006. -№2. - С. 55-60.

32. Кириевский Е.В., Кириевский В.Е. Анализ динамической погрешности подсистемы контро-

ля мгновенной скорости в системе функциональной диагностики и управления магнитоплазменного ускорителя масс // Контроль. Диагностика. - 2008. - № 1. - С.31-44.

Статьи в журналах, тезисы докладов в материалах и сборниках трудов научных конференций

33. Микропроцессорная автоматизированная система управления импульсными установками прямого преобразования энергии / Е.В. Кириевский, В.В. Михайлов, В.Е. Харитонов, Е.С. Коршунов, А.И. Капустин // Прямое преобразование различных видов энергии в электрическую: информ. бюл. Науч. совета по комплексной проблеме «Методы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую» АН ССCР. - 1987.-№ 4(138).- С. 27-36.

34. Кириевский Е.В., Казаков В.И. Организация вычислительных процессов в микропроцессорных автоматизированных системах управления импульсными установками//Прямое преобразование различных видов энергии в электрическую: информ. бюл. Науч. совета по комплексной проблеме «Методы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую» АН ССCР.-1987.- № 4 (138).

35. Кириевский Е.В., Михайлов А.А. Сравнительный анализ способов измерения линейной скорости метаемого тела в электромагнитных метательных установках//Проблемы преобразования энергии: информ. бюл. Научн. совета по комплексной проблеме «Методы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую» АН ССCР-1989.-№2(148).-С.280-286.

36. Кириевский Е.В., Михайлов А.А. Синтез структуры измерителя скорости метаемого тела с распределенным регистрирующим контуром // Проблемы преобразования энергии: информ. бюл. Научного совета по комплексной проблеме «Методы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую» АН ССCР - 1989. - № 2 (148). - С.286-293.

37. Микропроцессорная система сбора и обработки информации для определения параметров движения сверхзвуковых потоков/Е.В. Кириевский, А.А. Михайлов, В.В. Михайлов и др.//Передовой производственный опыт/ЦНИИНТИКПК.-1989.-№5(199).- С. 14-16.

38. Kirievsky E.V., Mikhailov A.A. Functional transformer application for the obtaining of maximum useful information out of signal //Radioelectronics and Communications Systems.-1989.-Vol.32.-P.74-79.-(Published by Allerton Press Inc.,USA).

39. Микропроцессорная система многоканального контроля параметров импульсов управления /Е.В. Кириевский, А.А. Михайлов, В.В. Михайлов, Е.С. Коршунов//Передовой производственный опыт/ЦИИНТИКПК.-1991.-№2.-С. 29-36.

40. Кириевский Е.В. Нейросетевая реализация системы измерения параметров движения плазмы в электродинамических ускорителях масс // Перспективные информационные технологии и интеллектуальные системы. - 2003.- №1. - С. 50-52.

41. Кириевский В.Е., Кириевский Е.В. Многокритериальный нечеткий ранговый анализ вариантов FuzzyRAV 1.0 (Fuzzy Rank Analysis of Versions)//Компьютерные учебные программы и инновации.-2006.- №12.- С. 24-26.

42. Кириевский В.Е., Кириевский Е.В. Система моделирования процессов измерения скорости в электродинамическом ускорителе (MMVS)//Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем .- 2001. - №1(34). - С. 273-274.

43. Кириевский Е.В., Седых А.И. Структурные методы повышения точности и достоверности измерения линейной скорости // Средства и системы управления в технике и технологии: межвуз. сб. науч. тр. - Новочеркасск: НПИ, 1991. - С. 16-22.

44. Кириевский Е.В., Седых А.И. Структурный метод повышения точности и достоверности измерения линейной скорости//Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления: тез. докл. к зон. науч.-техн. семинару, г. Пенза, янв. 1991.- Пенза, 1991.- С. 16-17.