с выделением сигн. ошибкилС обратными связямиАвтоматическая подстройка и стабилизация параметровIТбез выделения сигнал, ошибкиXс вычислит, устройствомгов каждой точке диап. в нескольких точках диап. в аналоговом видев цифровом видес умножителями частотыс дополнит о Тазовой модуляциейс делителями частотысо сложным алгор. обраб, сигналакомбинированные структурные методыс простым алгор. обраб, сигналаРкс.1.4. Классификация методов повышения статической точности ЦПУ ППфКОсновными классификационными признаками, положенными в основу этой классификации являются: алгоритмы обработки информационных сигналов, их техническая реализация и структура информационных сигналов. Выбор данных классификационных признаков обусловливает высокую эффективность разработанной классификации, которая позволяет обобщить и систематизировать обширный материал по вопросам повышения статической точности ЦПУППФК Важными и весьма актуальными задачами повышения статической точности ЦПУ ППФК, требующими исследования являются: — оценка влияния на функцию пропускания сопряжения спиральных растров параметров растров и анализирующей диафрагмы— создание математических моделей для оценки статической точности ЦПУ ППФК на этапе структурного проектирования— разработка новых структурных схем ЦПУ ППФК, обладающих повышенной статической точностью с использованием метода «электронной редукции» .
1.3. Обзор и анализ существующих методов повышения быстродействия ЦПУ ППФКБыстродействие ЦПУ ППФК является одной из его основных технических характеристик и определяется временем от момента запроса информации до ее получения. Быстродействие обычно характеризуют динамической погрешностью преобразования, которая выражается через угол АОС (tg) на который вал ЦПУ ППФК повернется за время tg от момента запроса до ее получения / LjO /.
В ЦПУ ППФК информация о положении контролируемого вала не может быть получена чаще, чем один раз за период частоты питания фазовращателя. Грубо можно оценить максимальную скорость враще- 24 ния контролируемого вала следующим выражением / 2 /где: — число двоичных разрядов ЦПУ ППФК, Тп — период частоты питания ФВ, max — максимальная угловая скорость контролируемого вала.
Выражение (I.I) не учитывает статистических характеристик входного сигнала и ряда других факторов /05. 9 Ю6 j.
Информационные аналоговые сигналы в ЦПУ ППФК являются непрерывными и характеризуются детерминированными и статистическими характеристиками. Непрерывность информационного сигнала означает, что информацию о значении измеряемого угла принципиально можно получать в любой момент времени, а не только в какие-то определенные моменты времени. Извлекая из информационного сигнала его детерминированные и статистические характеристики и учитывая его непрерывность, можно экстраполировать его значения на будущие моменты времени. Отскща следуют два основных метода повышения быстродействия ЦПУ ППФК: — метод повышения частоты поступления информационных сигналов в отсчетную часть ЦПУ ППФК— метод экстраполяции входного сигнала на основе его детерминированных и статистических характеристик.
Основными методами, реализующими повышение быстродействия ЦПУ ППФК за счет повышения частоты поступления информационных сигналов в отсчетную часть являются следующие: — повышение частоты питания фазовращателя— эквивалентное повышение частоты питания фазовращателя на основе «электронной редукции» .
Самым простым методом из вышеперечисленных является метод повышения частоты питания фазовращателя, но этот метод имеет ограничения, например, фазовращатели на основе сельсинов и СКВТ нельзя питать частотой выше </г/> потому что при питании частотой большейгр $ происходит потеря точностных свойств фазовращателя (начинают сказываться паразитные емкости между витками и обмотками и др.) /4/,2., ю?/ •Увеличение частоты питания также невозможно из-за ограничений по предельному быстродействию используемых элементов отсчетной части ЦПУ ППФК, поэтому этот метод неперспективен.
Наиболее перспективными методами повышения быстродействия ЦПУ ППФК являются методы: с экстраполяцией входного сигнала и с эквивалентным повышением частоты питания фазовращателя на основе «электронной редукции». Эти методы позволяют получить практически реально требуемое быстродействие ЦПУ ППФК. Естественно, что «платой* за улучшение этого параметра является усложнение структуры ЦПУ ППФК, но эта задача вполне выполнима.
В настоящее время из методов с экстраполяцией входного сигнала используется, в основном, метод, основанный на детерминированной характеристике входного сигнала — его скорости изменения, т.к.этот метод имеет наиболее простую техническую реализацию / i 8 /. Идею экстраполяции детерминированного входного сигнала можно пояснить следующим образом.
Представим входной измеряемый сигнал рядом ТейлораXC±-^Z)^oc (t)+x'ci)'T-h xtf) + • • ¦ (1.2)Измерив в момент времени ± значение x (-t) и производных ос!(-Ь) oc'(t) • • • t можно вычислить значение величины в будущий момент времени Сt+'b).
Б связи с широким внедрением микропроцессоров во все области измерительной техники и автоматики перспективным является метод повышения быстродействия ЦПУ" ППФК с использованием статистических свойств входного сигнала, т.к.эти свойства наиболее полно описывают входной сигнал и сигнал помехи, поэтому экстраполяция сигнала будет наиболее точной. Однако метода, основанные на экстраполяции входного сигнала, обладают сложной технической реализацией и редко используются на практике. В работе / <5 / описан 20-разрядный, двухотсчетный ЦПУ ППФК с экстраполятором на основе производной. Его цифровая часть содержит около 100 корпусов микросхем серии 133- из них около 50 корпусов занимает линейный экотраподятор с устройством определения средней угловой скорости за четыре периода частоты питания" Применение существующих микропроцесеоров для экстраполяции входного сигнала не позволяет получить существенного выигрыша в быстродействии ЦПУ ППФК, т.к. сами микропроцессоры в настоящее время обладают низким быстродействием / 43 /.
Метод с эквивалентным повышением частоты питания ФВ на основе «электронной редукции» характеризуется более простой технической реализацией. Суть его состоит в том, что ФВ питается частотой.
На основе проведенного обзора и анализа литературных даняых автором разработана классификация методов повышения быстродействия ЦПУ ППФК, приведенная на рис. 1.5, Основными классификационными признаками, положенными в основу этой классификации, являются: структура информационных сигналов, алгоритмы их обработки и техническая реализация этих алгоритмов. Выбор вышеперечисленных классификационных признаков обусловил высокую эффективность разработанной классификации.
Проанализируем на основе разработанной классификации структурных методов повышения быстродействия ЦПУ ППФК предложенные в последние годы ЦПУ ППФУ повышенного быстродействия.
В / Ц? / предложен ЦПУ ППФК повышенного быстродействия, в котором используется умножитель частоты с фазовой автоподстройкой частоты для повышения быстродействия^ этом преобразователе используется метод повышения быстродействия на основе эквивалентного повышения частоты питания ФВ. Недостатком этого ЦПУ ППФК является слишком малое повышение быстродействия, которое происходит только при постоянной скорости вращения входного вала ФВ, при движениях вала с ускорением возможны нарушения работы всего ЦПУ ППФК, из-за срыва режима слежения в умножителе частоты с ФАПЧ.
Предложенный в / 4 <5 / ЦПУ ППФК повышенного быстродействия построен по методу повышения быстродействия на основе экстраполяции входного сигнала по производной, для этого в него введены ключ, блок суммирования и вычитания, схема управления. Коррекция выходного кода ЦПУ производится в цифровом виде. Основным недостатком этого ЦПУ ППФК является введение генератора управляемой частоты, частота которого пропорциональна скорости вращения вала и обратно пропорциональна частоте опорного напрянеяия. Невысокие динамические характеристики этого генератора и низкая его стабильность не позволяют получить высокое быстродействие ЦПУ ППФК.
Проведенный обзор и анализ авторских свидетельств показал, что весьма актуальной является задача разработки удобных дош практики математических моделей для оценки динамических погрешностей ЦПУ ППФК на этапе структурного проектирования.
На основе проведенного обзора и анализа существующих методов повышения быстродействия ЦПУ ППФК сделаем следующий вывод: — для построения структурных схем ЦПУ ППФК с повышенным быстродействием наиболее перспективен метод повышения частоты поступления информационных сигналов в отсчетную часть ЦПУ ППФК с помощью «электронной редукции» .
Важными и актуальными задачами повышения быстродействия ЦПУ ППФК, требующими исследования, являются:-создание метаматических моделей для оценки динамических погрешностей ЦПУ ППФК на этапе структурного проектирования— разработка новых структурных схем ЦПУ ППФК, обладающих повышенным быстродействием с использованием метода «электронной редукции» .
1.4. Обзор и анализ существующих методов повышениянадежности ЦПУ ППФК и схем согласования отсчетов 'В настоящее время не создано общей теории оценки надежности ЕЩУ ППФК. Под отказом ЦПУ ППФК будем понимать полный выход из строя (катастрофический отказ).
Надежность ЦПУ ППФК повышается тремя методами: непосредственными, структурными и комбинированными. Рассмотрим непосредственные методы повышения надежности ЦПУ ППФК / i? 50 57 /. К непосредственным методам повышения надежности ЦПУ ППФК можно отнести следующие:1. Упрощение структурной схемы ЦПУ ППФК.
2. Выбор наиболее надежных схемных решений как отдельных узлов, так и всего преобразователя в целом.
3. Рациональный выбор номинальных значений, классов точности, типов и режимов работы элементов.
4. Обеспечение режимов работы элементов.
5. Предварительная тренировка (приработка) малонадежных элементов.
6. Резервирование.
7. Контроль качества проектирования и производства.
8. Прогнозирование отказов с последующим профилактическим воздействием. Затеим, что реализация этой меры в значительной степени зависит от наличия запасных элементов (ЗИП).
Упрощение структурной схемы ЦПУ ППФК, при условии, что все выполняемые ею функции сохраняются, является перспективным, широко применяется на практике и позволяет значительно повышать надежность ЦПУ ППФК / 52 /.
Важно отметить, что уровень надежности, достигнутый при проектировании ЦПУ ППФК за счет применения первых трех мер, в значительной степени определяет целесообразность использования других. Рассмотрим меры повышения надежности, перечисленные в п.4−8. Интенсивность отказов всех элементов ЦПУ ППФК существенным образом зависит от режимов их работы (последние характеризуютсячобычно коэффициентами нагрузки Кд).Облегчая режимы работы, можно снизить интенсивности отказов элементов и, следовательно, повысить надежность преобразователя. Повышение надежности элементов за счет предварительной тренировки (приработки) осуществляется путем установки в аппаратуру элементов, содержащих наименьшее количество скрытых дефектов. Время предварительной тренировкиопределяется видом зависимости интенсивности отказов от времени в начальный период эксплуатации (период приработки).
Повышение надежности преобразователя за счет резервирования всегда связано с увеличением егогабаритов, массы и стоимости. Поэтому резервирование оправдано лишь в том случае, когда достигнутый в процессе проектирования уровень надежности преобразователя не отвечает заданному, или если другие меры повышения надежности приводят к значительным затратам.
Для определения соответствия требуемым условиям основных показателей качества преобразователей — в первую очередь надежности, не обходим эффективный контроль качества проектирования и производства^ в процессе эксплуатации — контроль состояния аппаратуры.
Прогнозирование отказов с последующими профилактическими воздействиями является весьма эффективной мерой повышения надежности преобразователей в процессе их эксплуатации.
Структурные методы повышения надежности ЦПУ ППФК всегда связаны с использованием избыточности, которая имеет две разновидности: информационную и кодовую. Первая связана с введением дополнительных узлов или устройств в преобразователь, а втораяс получением избыточных кодовых комбинаций на выходе ЦПУ ППФКили его узлов / У? /.
ЦПУ ППФК можно условно разделить на две части аналоговую ицифровую, Дяя повышения надежности его работы целесообразно использовать резервирование как всего преобразователя, так и его отдельных узлов. Для увеличения надежности аналоговой части преобразователя можно использовать все перечисленные выше методы. Весьма перспективно использование автоматических самоподстраивающихся схем или схем с автоматической стабилизацией основных параметров (например, фильтров с автоматической подстройкой фазовой характеристики, усилителей с АРУ, умножителей частоты с ФАПЧ и др.).
ЦПУ ППФК циклического типа обладают повышенной надежностью при сбоях, чем ЦПУ ППФК накопительного типа. В циклических ЦПУ ППФК при сбое ошибка исправляется в следующем цикле, а в накопительных она остается в виде систематической погрешности.
Перспективным методом выявления и устранения сбоев в цик лических ЦПУ ППФК является метод сравнения результатов измере ния. Он может реализоваться в виде сравнения результатов измере-• *ния в (LI) и L-ом цикл ах. Ее ли эта разница более определенного заданного числа, то результат 1-го цикла блокируется и не поступает во внешние устройства. Практическая реализация этого метода приведена в / 53 /.Недостатками этого метода является то, что при периодических помехах появляется возможность ошибки результата измерения, что он обладает пониженным быстродействием.
Перспективными методами повышения надежности ЦПУ ППФК являются комбинированные (их рациональное сочетание).
При создании новых типов ЦПУ ППФК с повышенными основными техническими характеристиками важнейшей задачей является выбор рациональной структурной схемы из большого числа существующих, либо вновь предложенных. Однако основные технические характеристики ЦПУ ППФК не всегда полностью отражают эффективность его применения в той или иной автоматической системе. Более полно охарактеризовать эффективность ЦПУ ППФК можно с учетом экономических и технологических параметров. Наиболее простым и доступным технологическим параметром является уровень унификации, который характеризуется коэффициентом унификации / 5Ц /, До настоящего времени не существует технико-экономического критерия оценки эффективности ЦПУ ППФК на этапе структурного проектирования, который позволил бы сравнивать мевду собой их конкурирующие структуры. Поэтому задача разработки такого критерия является актуальной.
Необходимыми элементами при создании многоотсчвтных ЦПУ ППФК являются схемы согласования отсчетов (ССО).Рассмотрим методы повышения надежности работы схем согласования отсчетов на примере двухотсчетных ЦПУ ППФК, имеющих грубый отсчет (ГО) и точный отсчет (ТО).Необходимость согласования ГО и ТО возникает из-за того, что коэффициент редукции (Кр^ГО, осуществляющий масштабное преобразование угла в реальных ЦПУ ППФК не является постоянной величиной. Непостоянство KppQ вызвано наличием систематических и случайных погрешностей преобразования в ГО. Теоретические вопросы согласования отсчетов в многоотсчетных ЦПУ ППФК рассмотрены в / / 55, 56 «5? 58 /• Рассмотрим более подробно методы построения ССО в многоотсчетных ЦПУ ППФК / 56 /.
Известны два основных метода согласования отсчетов: — метод коррекции кода грубого отсчета (ГО) — метод сдвига фазы импульса ГО.
В основе метода коррекции кода ГО лежит логический анализ кодов ГО и точного отсчета (ТО).В зависимости от результатов этого анализа производится коррекция кода ГО. Данный метод характеризуется пониженным быстродействием и не является перспективным / 53/, В основе метода сдвига фазы импульса ГО лежит следующая зависимость между импульсными сигналами ТО и ГО. Изменению фазы сигнала ТО от 0 до 25 Г (или кода ТО от 0 до Л/к>тох) соответстчвует изменение фазового импульса ГО в пределах одного шага квантования ГО Л * ь. го.- 36 ГО в двухотсчетном ЦПУ ППФК служит для устранения не однозначности ТО в пределах оборота. Условием согласования отсчетов является одновременное выполнение следующих двух факторов: если истинное значение измеряемого угла лежит в том интервале ТО, то и фазовый импульс (ФИ) ГО должен принадлежать тому же интерvвалу. Вследствие погрешностей в ГО второе условие может нарушаться. Поэтому основным перспективным методом повышения надежности согласования отсчетов в ЦПУ ППФК является максимизация вероятности нахождения Ш ГО на i-том интервале ТО, если истинное значение измеряемого угла принадлежит L —му интервалу ТО, которая достигается за счет сдвига ФИ ГО на основе информации ТО.
Согласование отсчетов в ЦПУ ППФК будет выполняться и в случае, когда mro в (1-Дк&-го} (/,+^-Л^то). Однако надежность согласования в этом случае будет низкой.
Физической реализацией условия (1.6) яри построении ССО для ЦПУ ШФК является принудительный сдвиг ФИ ГО в середину интервала (Ч-Дкб-го, (Uj}AK?>-ro). Для этого необходимо воспользоваться дополнительной информацией от ТО.
Принудительный сдвиг ФИ ГО можно осуществить двумя способами / 58 / '- пропорционально коду ТО— пропорционально фазе ТО.
Преимуществом способа сдвига Ш ГО пропорционально фазе ТО перед способом сдвига Ш ГО пропорционально коду ТО, является возможность построения многоотсчетных ЦПУ ППФК с параллельным преобразованием угла в код в каждом отсчете, т. е.более высоком быстродействии.
Сдвиг ФИ ГО пропорционально фазе ГО так^же осуществляется методом «электронной редукции» на основе фазорасщепителей, дешифраторов, усилителей фазы и др. Поэтому разработка и исследоваяие структурных схем ССО со сдвигом ФИ ГО пропорционально фазе ТО на основе метода «электронной редукции» является важной и актуальной задачей повышения надежности многоотсчетных ЦПУ ППФК.
На основе проведенного обзора и анализа существующих методов повышения надежности ЦПУ ППФК сделаем следующие выводы: — для повышения надежности работы ССО в многоотсчетных ЦПУ ППФК наиболее перспективен метод сдвига ФИ ГО пропорционально фазе ТО, основанного на «электронной редукции» .
Весьма важными и актуальными задачами повышения надежности ЦПУ ППФК, требующими исследования, являются: — разработка модели надежности ЦПУ ППФК, учитывающей катастрофические отказы и технико-экономического критерия оценки эффективности ЦПУ ППФК на этапе структурного проектирования— разработка новых структурных схем согласования отсчетов, обладающих повышенной надежностью и быстродействием с использованием метода «электронной редукции» .
Выводы по главе I1. В настоящее время созданы высокоточные ЦПУ ППФК (имеющиепогрешность единиц угловых секунд), но имеющие низкое быстродействие (порядка миллисекунды), что не полностью удовлетворяет требованиям автоматических систем, в которых они используются.
2. Выявлены наиболее перспективные методы: — повышения статической точности: редукции, автоматической коррекции погрешностейавтоматической стабилизации параметров и нормализации случайной погрешности воспроизведенияуровней как самостоятельно, так и в сочетании с другими методами— повышения быстродействия за счет повышения частоты поотупления информационных сигналов в отсчетную часть ЦПУ ППФК с помощью «электронной редукции» — повышения надежности работы схем согласования отсчетов: сдвиг фазового импульса грубого отсчета пропорционально фазе точного отсчета, на основе «электронной редукции» .
3. Разработаны классификации этих методов. Основными классификационными признаками, положенными в основу этих классификаций являются: алгоритмы обработки информационных сигналов, их техническая реализация и структура информационных сигналов.
4. Вопросы использования метода «электронной редукции» для повышения основных технических характеристик ЦПУ ППФК являются недостаточно исследованными.
5. Недостаточное внимание уделено вопросам разработки и исследования методики оценки точности, быстродействия и эффективности ЦПУ ППФК на этапе структурного проектирования.
6. Не исследовано влияние на функцию пропускания сопряжения спиральных растров, параметров растров и анализирующей диафрагмы в фотоэлектрических фазовращателях.
1.5. Постановка задачи и методы исследованийНа основе обзора, анализа и проведенных научно-исследовательских работ было выявлено, что ЦПУ ППФК являются весьма перспективными ЦПУ для применения в различных системах автоматического контроля и управления. При этом они являются высокоунифицированншди и технологичными, ремонтопригодными, простыми в настройке и эксплуатации. Однако быстродействие существующих ЦПУ ППФК не полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним со стороны современных и перспективных автоматических систем управления и контроля, в которых они используются. Поэтому задача комплексного повышения точности и быстродействия ЦПУ ППФК является весьма актуальной. Как показал проведенный литературный обзор и анализ, одним из наиболее перспективных комплексных методов повышения основных технических характеристик ЦПУ ППФК является метод «электронной редукции». Суть этого метода состоит в целенаправленных преобразованиях информационных сигналов в ЦПУ ППФК с сохранением их тонкой фазовой структуры. «Электронная редукция» позволяет одновременно улучшать две основные технические характеристики ЦПУ ППФК, что весьма важно и перепективно.
В сеязи с вышеуказанным, целью настоящей работы является разработка и исследование цифровых преобразователей угла с прямым преобразованием фазы в код повышенной точности и быстродействия на основе метода «электронной редукции» .
Учитывая современное состояние вопроса, достижение поставленной цели требует проведения комплекса исследований с решением последовательно четырех следующих частных задач: — разработка и исследование методики оценки точности, быстродействия и эффективности ЦПУ ППФК на этапе структурного проектирования— разработка и исследование новых ЦПУ ППФК и схем согласования отсчетов на основе метода «электронной редукции» с повышенными основными техническими характеристиками-— 41 — исследование влияния на функцию пропускания сопряжения спиральных растров, параметров растров и анализирующей диафрагмы в фотоэлектрических фазовращателях— экспериментальное подтверждение основных положений и выводов теоретической части диссертационной работы. Внедрение новых типов ЦПУ ППФК в промыщленность.
Для решения вышеуказанных задач были использованы элементы математического анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории информации, теории надежности, теории планирования эксперимента. Для подтверждения научных положений диссертационной работы были использованы: моделирование на ЭВМ, экспериментальные исследования ЦПУ ППФК на лабораторных макетах и промышленных образцах.-42 3. РАЗРАБОТКА. И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ТОЧНОСТИ, БЫСТРОДЕЙСТВИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦПУ ППФК НА ЭТАПЕ СТРУКТУРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯПри создании новых типов ЦПУ ППФК важнейшей задачей является выбор наиболее рациональной структурной схемы из большого числа существующих или вновь предлагаемых. Для решения этой важнейшей задачи автором в данной главе разработаны удобные для практики модели оценки статической точности и быстродействия ЦПУ ППФК.
Однако основные технические характеристики ЦПУ ППФК не полностью отражают эффективность его применения в той или иной автоматической системе. В настоящее время в связи с бурным развитием микроэлектроники стоимость различных автоматических систем на основе микросхем и микропроцессоиепостоянно уменьшается, при этом весьма важно, чтобы стоимость применяемых в этих системах ЦПУ ППФК была бы минимальной. Эффективность ЦПУ. ППФК необходимо характеризовать помимо технических характеристик стоимостными и технологическими. Наиболее простым и доступным технологическим параметром, характеризующим ЦПУ ППФК, является уровень унификации.
Основным показателем уровня унификации является коэффициент унификации.
Для оценки эффективности ЦПУ ППФК на этапе структурного проектирования автором в данной главе создан технико-экономический критерий, позволяющий выбрать наиболее рациональную структуру ЦПУ ППФК из большого числа конкурирующих. В этот критерий входят технические, экономические и технологическиепараметры ЦПУ ППФК.
2.1. Оценка статической точности ЦПУ ППФК на этапе структурного проектированияСтатическая точность ЦПУ ППФК характеризуется величиной погрешности. Эта погрешность образуется из различных составляющих как систематических, так и случайных. Исключать систематическую составляющую погрешности с помощью коррекции можно лишь тогда, когда она намного превышает случайную составляющую.
Для разработки оценки статической точности ЦПУ ППФК введем следующие предположения: — систематическая составляющая погрешности ЦПУ ППФК скомпенсирована до такой величины, при которой значение систематической составляющей становится соизмеримым со случайной.
В этом случае систематическую составляющую можно выделить только с помощью статистических методов. Отсюда следует, что в общем случае погрешность ЦПУ ППФК образуется случайными составляющими. Это дает возможность найти вероятностную оценку погрешности, пригодную для любого типа ЦПУ ППФК / 60 /— измеряемая входная угловая величина ос и случайная погрешность ?2 статистически независимы— входная угловая величина ос равномерно распределена внутри диапазона измерений, при этом плотность распределенияпогрешности преобразования в точном и грубом отсчетах ЦПУ ППФК статистически независимы— погрешность квантования Е ^ описывается равномерным законом распределения вероятностей /7, б/ 62 /.входной величиныИспользуя работы /aj 63J G4 /, найдем значения приведенных к шагу квантования погрешностей Ej и классических одно отсчетных ЦПУ ППФК последовательного, параллельного и наколительного типа, структурные схемы которых приведены соответственно на рис. I. I- 1.2- 1.3.
Используя выражение (2.8), получим для ЦПУ ППФК параллельного и накопительного считыванияИз (2.7) для ЦПУ ППФК последовательного считывания будетd (Е ' f^fj (2.2I)Выражения (2.20) и (2.21) связывают значение среднеквадратичной полной погрешности ё (Е) со значениями среднеквадратичных погрешностей и ё (Л t но). Для критерия ничтожной погрешности выражения (2.20) и (2.21) будут иметь следующий вид:<�о (Е) = 106 -(/JёЪ^+^ё % t &bdquo-о) (2.22)d (E)4 06yjl- + (2.23)Полученные вше выражения позволяют на этапе структурного проектирования ЦПУ ППФК определить его статическую точность, если известны точностные параметры его основных узлов. Эти же выражения позволяют определить требования к точности его основных узлов, если задана точность всего ЦПУ ППФК.
Для интегральной оценки точности ЦПУ ППФК наиболее целесообразно применять вероятностный критерий, который выражается через условную вероятность того, что при полученном на выходе ЦПУ ППФК коде Кццу измеряемое значение угловой величины равно КЧпу •. Значение этой вероятности характеризует достоверность выходного кода ЦПУ ППФК истинному значению угловой величины. Этот критерий является достаточно чувствительным к любым изменениям законов распределения погрешности Е, выражается в относительных единицах / 7 /.
На рис. 2.2 приведены графики зависимости достоверности выходного кода ЦПУ ППФК Р (Е) от отношения для двухЯ*предельных законов распределения вероятности погрешности Eg: нормального и равномерного. Эти графики построены автором с помощью ЭВМ. Оптимальным значением для ЦПУ ППФК является зна) ТгиРис.2.1 Зависимость СКП1 <>(&%) от СКП «кно)чение Р (£)= 0,5 / Р /.
2.2. Оценка быстродействия ЦПУ ППФК на этапе структурного проектированияОпределение быстродействия ЦПУ ППФК было дано в главе I. Независимо от принципа действия ЦПУ ППФК динамические погрешности при его работе разделяются на две группы. Погрешно-сти первой определяются возникающими за счет скорости перемещения вала ФВ искажениями информационных сигналов в тракте преобразователя угол-фаза. Погрешности второй группы возникают из-за дополнительных затрат времени на создание и преобразование информационных сигналов с целью получения их в удобномдля пользователя виде. Анализ применения ЦПУ ППФК в различной аппаратуре показал, что погрешности второй группы, при условии правильного проектирования, значительно больше погрешностей первой группы / 7 /.
При повышении быстродействия ЦПУ ППФК с помощью метода «электронной редукции» используются фиксированные фазорасщепители, умножители частоты и др. Поэтому необходимо провести оценку длительности переходных процессов в этих элементах, чтобы решить вопрос об их учете в модели оценки быстродействия ЦПУ ППФК, разрабатываемой в этом пункте.
2.4 приведены графики, построенные на основе выражения (2.31)Ftau2.4 Длительность переходных процессов в инерционном звене первого порядкаи (2.32) для трех частот питания фазовращателя: 0,5 кГц, 1"0 кГц, 2,0 кГц. Анализ этих графиков показывает, что длительность переходных процессов пренебрежимо мала по сравнению с периодом питающего ФВ напряжения (оценка проведена для наихудшего случая «скачка фазы»). Поэтому в разрабатываемой модели оценки быстродействия ЦПУ ППФК пренебрегаем переходными процессами в элементах, используемых в методе «электронной редукции» для повышения быстродействия ЦПУ ППФК.
Физически динамическая погрешность преобразования выражается через угол дХСна который вал ЦПУ ППФК повернется за время от момента запроса информации до ее получения / Р /tcj^tH+tcp+tn (2.34)где tH — время от момента формирования сигнала на получение информации от внешнего пользователя до начала процесса измерения углаtcp время формирования информационного сигнала-" t^- время преобразования информационного сигнала в сигнал, удобный для внешнего пользователя.
Для ЦПУ ППФК tH ф. 0, т.к. процесс преобразования начинается только в момент, когда амплитуда опорного напряжения равна нулю. При постоянной скорости вращения вала величина tH имеет равномерную плотность распределения вероятностей в интервале О — tH.
Величина Ь ср для ЦПУ ППФК определяется величиной сдвига фаз между выходным и опорным напряжениями ФВ и функционально связана с измеряемым углом.
Составляющая trv для ЦПУ ППФК практически равна нулю, так как процесс преобразования сдвига фаз в двоичный код осу ществляется по мере формирования аналогового выходного сигнала ФВ.
Для одноотсчетных ЦПУ ППФК значение tqp возрастает от нуля до максимального по мере увеличения измеряемого угла. Для двухотсчетных ЦПУ ППФК возрастание tcp происходит периодачески с периодом, определяемым коэффициентом редукции между грубым и точным отсчетом.
Рассмотрим неидеальный ЦПУ ППФК, имеющий статическую случайную погрешность.
На основе вышеизложенного в этом пункте материала сделаем следующие выводы: — для оценки динамической погрешности ЦПУ ППФК на этапе структурного проектирования получены удобные для применения наPCEN5″ -wo1000 900 Ш 70 о 600 500 Ц0Оз oo7п = «/мсек }KA4=5'f?0,3' rp c/>i 1ГИ0,5P[E]=-0,5130W110100 ¦•Щ^'-OAS/ги^CAIhoI Три0, Of№ 0,03Рис. 2.7 Зависимости ОТ прирациональных отношениях <�г?а?ж>)Тгиfпрактике выражения— установлены основные закономерности образования динамических случайных погрешностей в ЦПУ ППФК и их аналитическая связь со случайными статическими погрешностями и достоверностью выходного кода— получены числовые оценки динамических характеристик некоторых типов ЦПУ ППФК.
2.3. Оценка эффективности ЦПУ ППФК на этапе структурного проектированияПри разработке ЦПУ ППФК важно не только обеспечить требуемые технические характеристики, но и знать затраты на их получение. Основное внимание при этом уделяется выбору обобщенного критерия эффективности. Известные способы объединения технических и экономических критериев не всегда обоснованы /66 6? /.
В общем виде критерием эффективности ЦПУ ППФК является функционал вида IVp. с =¦ & С х, у) где X =. ос г) — вектор, характеризующий параметры ЦПУ ППФК, которыми можно управлятьУ-(У4,Уг,.Ур) — вектор параметров, не поддающихся управлению, но влияющих на значение критерия эффективности / 66/.
Критерий эффективности должен удовлетворять следующим требованиям: отражать целевое назначение проектируемой системыбыть наглядным (т.е. иметь физический смысл) и просто вычислятьсяон должен охватывать все основные факторы, влияющие на эффективность.
Необходимо учитывать следующие положения: критерий должен выражаться числом, повышения критерия должны приводить к повышению полезного эффекта ЦПУ ППФК, должны учитываться уеловия эксплуатации ЦПУ ППФК, которые обычно являются ограничениями / 66 6? /. 1Экономической эффективностью технических средств называют степень соответствия их условию, заключающемуся в том, что эффект от использования средств должен окупить затраты на их разработку, производство и эксплуатацию за заданное время / 66 /. Важнейшими критериями экономической эффективности средств новой техники являются приведенные затраты и срок окупаемости /66 /.
Полные приведенные затраты представляют денежные затраты на проектирование, производство и эксплуатацию данного варианта ЦПУ ППФК в течение определенного промежутка времени, чаще всего, одного года. Они определяются по формуле /66 /:П3=С&+ ЕнКе, (2.63)где: К&- - капитальные вложения по данному варианту, С& - эксплуатационные расходы в течение выбранногопромежутка времени, Ен — нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений.
При одинаковых основных технических характеристиках принято считать лучшим вариант ЦПУ ППФК с наименьшей суммой лриведенных затрат.
Оценка срока окупаемости необходима при решении вопроса о целесообразности разработки и внедрения конкретного варианта ЦПУ ППФК.
Основными техническими характеристиками многоканального ЦПУ ППФК являются следующие: точностные, динамические, надежностные, степень унификации. Основное назначение ЦПУ ППФК — выдача информации пользователю с заданной достоверностью в течениеопределенного интервала времени, В настоящее время для оценки эффективности различных автоматических и информационных систем широко применяется критерий вида / 6 7 /:Wp.c = (2.64)где: PSo (tp) — вероятность безотказной работы системы втечение времени tp С — стоимость аппаратуры. Pso. C-fcp) — является мультипликативным членом. Разовьем критерий (2.64) применительно к ЦПУ ППФК.
Критерий (2.65) удовлетворяет всем требованиям, перечисленным выше.
Величина t р задается в техническом задании на проектирование ЦПУ ППФК, а дПп — вычисляется с помощью экономических расчетов для конфетной системы, использующей проектируемый преобразователь.
Все ГЬКканалов и общая часть преобразователя соединены последовательно с точки зрения надежности. Вероятность безотказной работы ЦПУ ППФК, состоящего из Пкканалов и общей части за время Ьр будет равна-Р кат. dp) =exp[-(nK-ZAL+EJj)] (2.70)Ы j-4 <1ЦПУ ППФК проектируется так, чтобы полученная в результате расчета вероятность безотказной работы Ркат. р (tp) была не меньше заданной, то естьРкат. р Up) > Ркат. з (tp) f2*7*)При расчете показателей безотказности исходными данными являются значения интенсивности отказов комплектующих элементов ЦПУ ППФК. Требования к безотказности формулируют / 68 / через интенсивность отказов. Для известного времени tp и заданной вероятности безотказной работы преобразователя на этот период Ркат. з (tp) определяем допустимую величину интенсивности отказов преобразователя: еэ Рэкеа+ЕЛ)14 j'-iУуогь.&ь[Ркат.3аР)] t,(2.72)РДля заданной вероятности безотказной работы преобразователя необходимо выполнение условия1э РэЫ J4 <�Еп[Р, ат. з (±р)] tp (2.73)Выражение (2.73) определяет требования по безотказности к отдельным элементам преобразователя через интенсивности их отказов.
Допустимые значения интенсивности отказов одного канала и общей части преобразователя определяем по следующим формулам / G8 /llrz[P*ar.3(tp-)]jЛ-, к. догъ = -7-и-ёл- (2,74)Г EALы. 1гь[Рьат.З (£р)] I Ло%.роп= gj:—(2.75)tp^-gjr+tpЕсли условия (2.73), (2.74) и (2.75) не выполняются, то необходимо принять меры к повышению надежности проектируемых блоков (облегчение режимов использования комплектующих деталей, использование более надежных деталей и др.).
Одним из источников ошибок при расчете вероятности РкатХЬр) является недостоверность или отсутствие статистических данных о законах распределения исходных случайных величин. С такой ситуацией приходится сталкиваться на этапе структурного проектарования ЦПУ ППФК, когда приводится ориентировочная оценка (прогнозирование ожидаемой надежности) надежности различных вариантов структур. В этих условиях на практике принимают экспоненциальный закон распределения времени безотказной работы отдельных элементов. Это значительно упрощает и ускоряет проводимые расчеты. Однако предположение об экспоненциальном распределении не всегда подтверждается на практике. В ряде случаев допущение об экспоненциальных распределениях исходных случайных величин приводит к погрешности расчетов 8П. В работе / 69 / показано, что величина погрешности при нормальном законе распределения будет наибольшей относительно? п полученной при других не экспоненциальных законах. Расчет вероятности безотказной работы ЦПУ ППФК при экспоненциальном законе распределения дает всегда верхнюю оценку надежности, а при нормальном — нижнюю оценку. В работе / 69 / приведены графики, позволяющие определить погрешность Оптимальное значение достоверности кода Ропт. вычисляется при погрешности квантования Ej распределенной равномерно, и погрешности воспроизведения уровней Eg, распределенной по нормальному закону. Оптимальными точностными возможностями при условии равномерно распределенного измеряемого угла обладают такие ЦПУ ППФК, у которых закон распределения вероятностей погрешности Е является композицией равномерного и нормального законов распределения составляющих Ej и Eg соответственно, причем последний усечен в пределах допусков, регламентируемых структурным принципом построения ЦПУ ППФК. Отклонение закона распределения составляющей Eg от нормального ведет к потере точности ЦПУ ППФК /? /. Значения Ропт. определяются по графику на рис. 2.2.
На практике Ропт. чаще всего принимается равным 0,5 для ЦПУ ППФК. При этом максимальная угловая скорость вращения вала фазовращателя ЦПУ ППФК определяется по выражению (2.62).
Для многоотсчетных ЦПУ ППФК, содержащих схемы согласования отсчетов, критерий (2.65) имеет следующий видWp, с, м — (2−76)гДе Рс. о — вероятность согласования отсчетбв, которая определяется по методике, приведенной в главе 4. Учитывая, что Рэгът.= 0,5, получим из (2.76) и (2.66): — 72. КунЕ0,5−1Р (Е)-0,51}Р&оар)Рс.оАПпПредложенный технико-экономический критерий оценки эффективности ЦПУ ППФК позволяет на этапе структурного проектирования сравнивать конкурирующие структуры, имеющие одинаковое быстродействие и информационную емкость, при равномерном законе распределения вероятностей измеряемого угла" Оценка различных ЦПУ ППФК, проведенная по критериям (2.65) и (2.77) показала, чтоWp, c изменяется практически в интервале от 0,6 до 5. По данному пункту сделаем следующие выводы: — предложен технико-экономический критерий оценки эффективности ЦПУ ППФК на этапе структурного проектирования, позволяющий сравнивать конкурирующие структуры— этот критерий учитывает статическую точность, динамическую погрешность, надежность, степень унификации и экономические показатели— получены условия для заданной вероятности безотказной работы ЦПУ ППФК (для катастрофических отказов).
Выводы по главе 2.
Основные результаты выполненной работы заключаются в еледующем;
1. Выявлены наиболее перспективные методы повышения основных технических характеристик ЦПУ ППФК, позволившие определить пути их совершенствования. Разработаны классификации этих методов, позволившие обобщить и систематизировать известные решения по вопросам совершенствования ЦПУ ППФК.
2. Разработана методика оценки точности, быстродействия и эффективности ЦПУ ППФК на основе метода «электронной редукции», позволяющая на этапе структурного проектирования оценить требования, предъявляемые к основным узлам ЦПУ ППФК и сравнивать конкурирующие структуры. Установлены основные закономерности образования статических и динамических случайных погрешностей и их взаимосвязь в ЦПУ ППФК.
Для оценки статической точности получены аналитические зависимости, связывающие характеристики случайной погрешности ЦПУ ППФК и его основных узлов.
Для оценки динамической погрешности ЦПУ ППФК получены удобные для применения на практике выражения.
Установлены зависимости между достоверностью выходного кода ЦПУ ППФК, случайными погрешностями основных узлов и динамической погрешностью.
Для оценки эффективности ЦПУ ППФК предложен технико-экономический критерий, учитывающий статическую точность, динамическую погрешность, надежность, степень унификации и экономические показатели.
3. Разработаны и исследованы новые ЦПУ ППФК на основе метода «электронной редукции» с повышенными основными техническими характеристиками.
Получены аналитические выражения и качественные характеристики функционирования этих устройств, позволяющие их проектировать. Б новых ЦПУ ППФК полностью реализуется потенциальная точность фазовращателя и повышается быстродействие практически в 5−10 раз по сравнению с существующими. Новизна этих устройств подтверждена пятью авторскими свидетельствами на изобретения.
На основе разработанных элементов метода «электронной редукции» предложен базовый ЦПУ ППФК с повышенными точностью и быстродействием.
4, Разработаны и исследованы новые схемы согласования отсчетов в многоотсчетных ЦПУ ППФК на основе метода «электронной редукции». Получены аналитические выражения и качественные характеристики функционирования этих схем, позволяющие их проектировать. Максимальная погрешность канала грубого отсчета для этих схем в 2 раза превышает погрешность для известных схем. Данные схемы обладают максимальным быстродействием среди известных. Новизна этих схем подтверждена авторским свидетельством на изобретение.
5. В результате аналитического исследования влияния параметров растров и анализирующей диафрагмы на функцию пропускания сопряжения спиральных растров в фотоэлектрических фазовращателях получены соотношения для выбора оптимальных параметров растров и анализирующей диафрагмы, позволяющие получить синусоидальный закон изменения функции пропускания растрового сопряжения от угла поворота с коэффициентом нелинейных искажений Кни-0,003 #.
Доказаны две возможности получения функции пропускания сопряжения спиральных растров в виде ряда Фурье с коэффициентами гармоник" убывающими пропорционально —пг, где Кг к р номер гармоники,.
6. Проведенные экспериментальные исследования новых ЦПУ ППФК подтвердили основные положения и выводы теоретической. части диссертационной работы,.
7. Созданы на современной элементной базе новые типы ЦПУ ППФК на основе метода «электронной редукции» с повышенными основными техническими характеристиками, которые прошли лабораторные и промышленные испытания и подтвердили теоретические положения диссертационной работы, положенные в основу их провотирования.
Разработано, испытано и внедрено в промышленность четыре устройства автоматического учета расхода цемента при дозировании. Основой этих устройств являются ЦПУ ППФК, на основе «электронной редукции». Суммарный годовой экономический эффект от внедрения четырех устройств на Бескудниковском комбинате строительных материалов и конструкций № I Главмоспромстройматериалов составил 35,1 тыс. руб. Опытным заводом «ВНИИже-лезобетон» в 1983 году изготовлено и передано в промышленность 15 устройств автоматического учета расхода цемента при дозировании. В 1984;1985 гг планируется изготовить и передать в промышленность 60 устройств.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
