close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

159.Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки №1 2014

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ПОВОЛЖСКИЙ РЕГИОН
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
№ 1 (29)
2014
СОДЕРЖАНИЕ
ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ
ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ
Дугина Т. О., Бождай А. С. Технология разработки системы
мониторинга для стендовых испытаний двигательных
установок с использованием среды LabView ........................................................ 5
Терехин А. В. Распознавание объектов методом вычисления оценок
с использованием диагональных признаков формы ........................................... 17
Ашанин В. Н., Чувыкин Б. В., Коротков А. А., Сидорова И. А. Анализ
состояния и тенденций производства интегральных
преобразователей информации Σ∆-архитектуры ................................................ 26
ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
Зайцев А. В., Битаев Е. С., Амозов Е. В., Романчук А. С. Методика
синтеза сверхширокополосной линейной печатной антенной
решетки с диаграммой направленности заданной формы ................................. 36
Гурин С. А., Печерская Р. М. Особенности технологии
получения структуры «нитрид алюминия на карбиде
кремния» для чувствительного элемента ............................................................. 46
Шикина В. Е. Расчет частоты колебаний пьезокерамического первичного
преобразователя для массового расходомера жидкостей .................................. 54
Щербаков М. А., Сазонов В. В., Исянов Р. Н. Матричная реализация
двухмерных дискретных фильтров Вольтерра.................................................... 64
Тин Пхон Чжо Автоматизированная система управления
и контроля безопасности попутного движения группы
воздушных судов при входе в эшелон посадки .................................................. 72
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
Новоселова О. В., Волкова Г. Д., Гаврилов А. Г. Моделирование
интегрированной среды поддержки создания прикладных
автоматизированных систем ................................................................................. 81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Глебов М. В., Виноградов О. С., Наумов Л. В. Электроосаждение
сплава медь-олово с использованием вибрации и магнитного поля ................. 92
Чернов С. А. Моделирование тонкостенных конструкций,
подкрепленных стержнями коробчатого сечения ............................................. 102
2
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
UNIVERSITY PROCEEDINGS
VOLGA REGION
ENGINEERING SCIENCES
№ 1 (29)
2014
CONTENT
COMPUTER SCIENCE, COMPUTER
ENGINEERING AND CONTROL
Dugina T. O., Bozhday A. S. Developemnt of the monitoring system
for bench tests of propulsion systems using LabView ............................................... 6
Terekhin A. V. Object recognition by the estimate calculation
method using diagonal features of a form ................................................................ 17
Ashanin V. N., Chuvykin B. V., Korotkov A. A., Sidorova I. A. Analysis
of condition and trends in production of integral
data converters of Σ∆-architecture ........................................................................... 26
ELECTRONICS, MEASURING EQUIPMENT
AND RADIO ENGINEERING
Zaytsev A. V., Bitaev E. S., Amozov E. V., Romanchuk A. S. Technique
of synthesis of uwb linear printing antenna lattice with directional
pattern of the set form .............................................................................................. 37
Gurin S. A., Pecherskaya R. M. Particularities of manufacturing
a structure of "aluminium nitride on silicon carbide"
for a sensing element................................................................................................ 46
Shikina V. E. Calculation of frequency of oscillations of a piezoceramic
primary converter for mass flowmeter of liquids ..................................................... 54
Shcherbakov M. A., Sazonov V. V., Isyanov R. N. Matrix realization
of two-dimensional discrete Volterra filters............................................................. 64
Tin Pkhon Chzho The automated system of security control
of the following motion of aircrafts during landing ................................................ 72
MACHINE SCIENCE AND BUILDING
Novoselova O. V., Volkova G. D., Gavrilov A. G. Modeling
of the integrated support environment for applied
automated systems creation ...................................................................................... 82
Engineering sciences. Computer science, computer engineering and control
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Glebov M. V., Vinogradov O. S., Naumov L. V. Electrodeposition
of copper-tin alloy using vibration and a magnetic field .......................................... 92
Chernov S. A. Modelling of the thin-walled structures,
supported with rods of box section ........................................................................ 102
4
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
ИНФОРМАТИКА,
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ
ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ
УДК 004.42
Т. О. Дугина, А. С. Бождай
ТЕХНОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА
ДЛЯ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ ДВИГАТЕЛЬНЫХ
УСТАНОВОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДЫ LABVIEW
Аннотация.
Актуальность и цели. Создание и испытание новых двигательных установок – одно из наиболее приоритетных направлений в ракетно-космической отрасли. При этом возникает необходимость разработки аппаратного и программного обеспечения для проведения стендовых испытаний и экспериментов. Использование традиционных текстово-алгоритмических языков программирования для этих целей является ресурсоемким, сложным и недостаточно наглядным путем. Цель данной работы – создание удобной для инженера технологии разработки систем мониторинга стендовых испытаний двигательных установок, использующей возможности графического программирования, а также поддерживающей гетерогенный сбор телеметрии с аналоговых
и цифровых датчиков.
Материалы и методы. Используются методы графического программирования средствами блок-схем языка G, а также инструментальные возможности
среды LabVIEW для разработки программного обеспечения в ракетнокосмической отрасли. При этом активно используются некоторые подходы к
параллельной обработке данных, а также функционал LabVIEW в области
управления внешними хранилищами данных и потокового программирования.
Результаты. Предложена функциональная структура ряда виртуальных
приборов, системное использование которых составляет технологию разработки систем мониторинга и моделирования экспериментов для стендовых
испытаний двигательных установок. В частности, предложена структура и
графические блок-диаграммы на языке G для виртуальных приборов подготовки исходных данных для аналоговых и цифровых датчиков, самоконтроля
конфигурации системы мониторинга, параллельного опроса каналов с аналоговыми и цифровыми датчиками. Рассмотрена возможность применения параллельной обработки данных для оптимизации работы системы, а также использование дисковой памяти для хранения результатов измерений.
Выводы. Представленная технология реализации основных этапов мониторинга процессов стендовых испытаний двигательных установок демонстрирует удобство данного подхода для инженеров и конструкторов, которым предоставлена возможность визуальной работы со структурными элементами и потоками данных с использованием привычных и наглядных диаграмм и схем,
традиционно принятых в данной предметной области. При этом инженеру нет
необходимости разрабатывать собственные структуры данных и программный
код, требующие высокой квалификации в области традиционных языков и
технологий программирования.
Engineering sciences. Computer science, computer engineering and control
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Ключевые слова: система мониторинга, стендовые испытания, датчики
физических величин, LabVIEW, технология разработки, графический язык
программирования, параллельная обработка данных, потоковое программирование.
T. O. Dugina, A. S. Bozhday
DEVELOPEMNT OF THE MONITORING SYSTEM FOR BENCH
TESTS OF PROPULSION SYSTEMS USING LABVIEW
Abstract.
Background. The most important direction in rocket and space branch of industry is designing and testing of propulsion system. It demands the development of
hardware and software for the bench tests and experiments. In this case the using of
traditional textual and algorithmical programming languages is not rational because
it is complicated, resource intensive and not clear. The object of this work is to prepare the development of the monitoring system for bench tests of propulsion system
which would be comfortable for engineers, would use the means of graphical programming and support the heterogeneous collection of telemetry by analog and digital sensors.
Materials and methods. The paper considers the usage of methods of graphical
programming G language and the tools of the LabVIEW Design System in the development of software for rocket and space branch of industry. Also this paper includes a description of usage of some approaches to parallel dataflow processing
and usage of disk area by LabVIEW tools.
Results. This paper suggests a functional structure of some virtual instruments
(VIs), system usage of which composes the development technology of the monitoring systems and the modeling experiments for the bench tests of propulsion systems.
For example, the authors suggest a structure and graphic block maps in G language for
virtual tools of original data preparation for analog and digital sensors, slef-control of
monitoring system configuration, scanning of channels with analog and digital sensors. Also the paper considers the possibility of parallel data processing for system’s
work optimization and usage of disk area for monitoring results storaging.
Conclusions. The paper describes the technology of realization of the fundamental stage of monitoring which demonstrates the rationality of using LabVIEW Design System because it allows the visual work with simple structure and dataflow.
This method is the most familiar for the engineers who often work with the diagrams and schemes in this subject area. Also it allows expelling the design of the
complicated and bulky data structure and the specific code which need high qualification in textual programming languages.
Key words: monitoring system, bench tests, sensors of physical quantities,
LabVIEW, graphical programming language, parallel processing, dataflow programming.
Введение
Создание двигательных установок является одной из приоритетных задач ракетно-космической отрасли. Характерной особенностью подобных задач является проблема отладки и тестирования двигательных установок, решение которой в реальных условиях затруднительно. В некоторой степени
данную проблему позволяют решать стендовые испытания, однако их орга-
6
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
низация также является дорогостоящей и труднореализуемой с технической
точки зрения.
Неотъемлемым элементом испытательных стендов являются датчики
физических величин. Развитие научно-технической базы в последние несколько десятилетий позволило добиться значительных успехов в разработке
цифровых датчиков физических величин (ЦДФВ), которые и нашли здесь
свое применение. Однако на данном этапе ЦДФВ не вытеснили до конца аналоговые датчики (АДФВ), которые являются для инженеров-испытателей более привычными.
Применение разнообразных датчиков на испытательных стендах требует разработки соответствующего программного обеспечении (ПО) для их информационного взаимодействия с блоком сбора данных (БСД). Как правило,
в настоящее время достаточно часто используются системы мониторинга,
реализованные с помощью текстовых языков программирования, например
Си и Delphi, причем для работы с АДФВ и ЦДФВ существуют только раздельные системы. Однако в процессе модернизации стендовой базы и более
широкого внедрения ЦДФВ как закономерного этапа развития необходимо
также и совершенствование соответствующих систем мониторинга.
Задачи разработки и совершенствования таких систем требуют нахождения реализуемых и повторяемых решений в кратчайшие сроки, в результате чего использование текстовых языков программирования может оказаться
нерациональным. Более эффективным и удобным инструментальным средством в данной сфере являются графические языки по причине использования графических образов и символов, что позволяет инженерам и ученым
оперировать привычными и наглядными диаграммами и схемами. Среди
современных программных решений для разработки интеллектуальных измерительных систем можно особо выделить графический язык G среды LabVIEW [1].
LabVIEW (англ.: Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) – среда разработки и платформа для выполнения программ, использующая графический язык G, от фирмы National Instruments. По аналогии со
SCADA-системами среда ориентирована на разработку систем сбора, обработки и анализа данных, поступающих с внешних источников. Однако различие заключается в том, что LabVIEW поддерживает потоковое программирование и позволяет разрабатывать виртуальные приборы (ВП) для моделирования экспериментов. Это возможно благодаря расширенной палитре функций: классические функции программирования, функции работы с внешними
источниками данных (стандартные интерфейсы COM, USB, GPIB, ресурсы
сетей Ethernet, базы данных и др.), функции драйверов и задач измерения и
многие другие. Такое множество функций позволяет максимально упростить
реализацию системы мониторинга за счет возможностей инструментальной
среды. LabVIEW не требует изучать специфический синтаксис либо адаптировать модели прикладной области к возможностям языка и при этом предоставляет для работы интуитивно понятные структуры [2].
Функциональные возможности LabVIEW, в отличие от других сред
программирования, оптимизированы для выполнения инженерных и исследовательских работ: блок-диаграммы языка G удобнее для ученых и инженеров,
поскольку позволяют осуществлять визуальную обработку данных, моделиEngineering sciences. Computer science, computer engineering and control
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
ровать процессы с помощью блок-схем и диаграмм состояний, которые также
отражают потоки данных.
1. Организация системы мониторинга двигательных установок
Функционирование системы мониторинга двигательных установок
(ДУ) определяется прохождением ряда необходимых этапов:
1) этап конфигурирования системы мониторинга;
2) этап обнаружения датчиков в соответствии с заданной конфигурацией;
3) этап опроса паспортных данных датчиков;
4) этап измерения физических величин (давления, температуры и др.)
в режиме реального времени в ходе испытания.
Первые три этапа иногда условно объединяют в одно целое – этап подготовки исходных данных. Функционал данного укрупненного этапа позволяет задавать конфигурацию, проверять работоспособность установленных
в системе датчиков, а также сохранять данные о текущей конфигурации системы и при необходимости изменять ее.
Предлагаемая технология мониторинга ДУ обеспечивает подключение
ЦДФВ к БСД через COM-порт, интерфейс RS-485 которого используется
в полудуплексном режиме. Альтернативным вариантом подключения датчиков является беспроводное соединение [3], однако в условиях стендовых испытаний использование COM-портов для подключения является наиболее
оптимальным с точки зрения надежности и стоимости.
2. Реализация этапа подготовки исходных данных для АДФВ и ЦДФВ
Этапы работы системы мониторинга ДУ реализуются разными способами для АДФВ и ЦДФВ, поэтому на всех этапах, кроме этапа измерений,
для разных видов датчиков реализуются разные ВП.
Для работы с АДФВ в LabVIEW необходимо использовать функции
сбора данных DAQmx, относящиеся к поколению драйверов NI-DAQ для связи с приборами. Данные функции позволяют выбирать класс измерений и
сигналов, в частности, аналоговый ввод и вывод [4]. Такая функция привязывается к конкретному физическому каналу с одним аналоговым датчиком.
Типы аналоговых датчиков и их параметры жестко задаются внутри разрабатываемой программы, что является некоторым минусом использования
АДФВ по сравнению с ЦДФВ.
Использование ЦДФВ позволяет устанавливать несколько датчиков на
один физический канал. Поэтому для них процесс конфигурирования системы заключается в задании количества и типов датчиков, подключенных к
каждому из используемых каналов. Встроенные инструменты Visa Serial Port
среды LabVIEW позволяют реализовать автоматическое обнаружение рабочих COM-портов в виде двух простых виртуальных приборов. Такой подход
эффективнее использования текстовых языков программирования (например,
Си), которые требуют разработки и заполнения громоздких структур данных,
высокой квалификации программиста (манипулирование «чистыми» WinAPIфункциями) и большого объема кода [5].
Обнаружение ЦДФВ реализуется за счет алгоритма последовательного
опроса внутри каждого из каналов. В случае присутствия в системе датчик с
соответствующим идентификатором посылает в канал свой тип и номер. Для
8
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
устранения проблемы возможных коллизий устанавливается временная задержка между отправкой запроса в канал и считыванием данных из буфера
COM-порта. ВП обнаружения не имеет отображаемой лицевой панели и реализуется в виде блок-диаграммы с организацией параллельного опроса каналов системы (рис. 1).
Рис. 1. Блок-диаграмма ВП обнаружения ЦДФВ
На данном этапе разработки системы мониторинга ВП обнаружения
реализует параллельный опрос пяти каналов одновременно за счет использования объектов синхронизации. При конфигурации системы в шесть каналов
и больше ВП опрашивает параллельно пять первых каналов, после чего переходит ко второй пятерке, либо меньшему числу оставшихся каналов. Подобное ограничение предлагается исключительно для удобства отладки, однако
теоретически возможна организация и параллельного поиска ЦДФВ сразу по
всем каналам системы.
Механизм опроса паспортных данных ЦДФВ схож по реализации с механизмом обнаружения. Разница заключается в наличии блоков формирования команды и расшифровки ответов датчиков (рис. 2), а также в том, что
опрос каналов осуществляется не параллельно, а последовательно.
Такой подход к автоматизированному обнаружению ЦДФВ и опросу их
паспортных данных существенно повышает адаптивность всей системы мониторинга, что выгодно отличает предлагаемую технологию от существующих аналогов.
3. Организация контроля за конфигурацией системы
В ходе функционирования системы мониторинга ДУ важную роль играют средства контроля за ее конфигурацией, позволяющие в автоматизированном режиме генерировать конфигурационные отчеты (с возможностью
интерактивного контроля и сохранения результатов на жесткий диск) (рис. 3).
Engineering sciences. Computer science, computer engineering and control
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Рис. 2. Блок-диаграмма ВП получения паспортных данных ЦДФВ
Рис. 3. Интерфейс ВП отображения конфигурации системы
Средства текстовых языков программирования чрезмерно усложняют
процесс программного создания и форматирования подобных файлов. Среда
LabVIEW позволяет формировать документы формата «*.doc», однако для
этого требуется наличие предустановленного пакета Microsoft Office, что тоже не оптимально [4]. Данная проблема решается подключением дополнительной библиотеки Exaprom PDF, которая представляет собой бесплатный
набор инструментов для генерации отчетов в формате PDF. Результат работы
ВП автоматического создания отчета приведен на рис. 4.
4. Реализация этапа измерений физических величин
Главной проблемой систем мониторинга подобного класса является число используемых датчиков: индивидуальный опрос каждого из них требует выделения вычислительных и временных ресурсов [6]. В условиях, когда измерения осуществляются в определенный, ограниченный период времени, применение такого способа может привести к несвоевременному получению данных,
либо к их потере. Поэтому целесообразнее использовать параллельную обработку данных, что позволит получать данные через фиксированные промежутки времени, минимально возможные в условиях конкретного стенда.
Среда LabVIEW, реализующая принципы потокового программирования, позволяет автоматически распараллеливать выполнение кода. Поэтому
разработка многопоточных приложений в данном случае является достаточно
10
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
простой задачей. Участки кода, имеющие параллельно расположенные узлы,
определяются встроенным компилятором. Для их исполнения реализуются
отдельные потоки, т.е. параллелизм может обеспечиваться автоматически
средствами инструментальной среды, а не специально написанным кодом.
Также возможно использование объектов синхронизации и тактируемых
структур. Последние позволяют реализовать повторение фрагментов кода в
определенном порядке с заданными задержками и временными интервалами,
причем приоритет выполнения и временные характеристики могут изменяться динамически. В текстовых языках с последовательным выполнением команд организация параллельных процессов всегда должна быть реализована
явным образом, при этом она сопряжена с большим объемом исходного кода
и требует от разработчика специальных знаний.
Рис. 4. Пример страницы отчета о конфигурации системы
Упрощенный вариант организации параллельного опроса каналов с
АДФВ и ЦДФВ схематично изображен на рис. 5. Тактируемые циклы позволяют строго задать период итерации, временную задержку между итерациями и
приоритет, что позволяет синхронизировать процесс опроса датчиков по времени. Обмен данными между циклами организуется с помощью функций очередей. Эти функции используются для накопления данных в очереди с последующим их извлечением в виде отдельных элементов или массива всех элементов. Это позволяет не только распараллелить опрос различных каналов, но и
вынести обработку полученных с АДФВ отсчетов в отдельный цикл. Пример
реализации опроса каналов с ЦДФВ приведен отдельно на рис. 6. Таким образом, существенно возрастает производительность системы, что приводит
к увеличению точности и своевременности результатов мониторинга.
Значительное количество датчиков в системе, а также продолжительные периоды их опроса ставят под сомнение возможность использования
оперативной памяти для хранения результатов измерений. Среда LabVIEW
позволяет накапливать данные на дисковой памяти, обеспечивая произвольный доступ к ним, высокую скорость записи/чтения при общей компактности
хранения. При этом на физическом уровне генерируются двоичные файлы
(с расширением .tdms) гетерогенных потоков данных – от числовых последовательностей до осциллограмм и цифровых таблиц. Кроме того, среда позволяет встраивать в разрабатываемое графическое ПО стандартные диалоговые
интерфейсы просмотра .tdms-файлов (рис. 7).
Engineering sciences. Computer science, computer engineering and control
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5. Общий вид ВП параллельного опроса
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
12
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
Рис. 6. Пример реализации параллельного опроса каналов
№ 1 (29), 2014
Engineering sciences. Computer science, computer engineering and control
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Рис. 7. Окно просмотра результатов измерений
Таким образом, разработка ВП для этапа измерений сводится к реализации параллельных узлов для СОМ-портов с использованием стандартных
интерфейсов сбора данных, механизмов управления очередями и дисковой
памятью, а также некоторыми функциями для работы с временными параметрами мониторинга.
Для обеспечения возможности переносимости ПО используется ВП автоматического определения свойств конкретного аппаратного обеспечения, а
также соответствующие встроенные инструменты LabVIEW: при компиляции
в установочный файл целесообразно включить компонент LabVIEW RunTime Engine, что позволит использовать разрабатываемую систему мониторинга на компьютерах, где не установлена данная среда программирования.
Заключение
Разработка систем мониторинга двигательных установок, основанных
на обмене данными через различные порты, затруднительна без использования специализированных функций обработки внешних потоков данных. Отсутствие подобных функций в текстовых языках программирования, необходимость в дополнительных объемных структурах данных, а также чрезмерная
сложность и громоздкость кода – все это делает неудобным использование
таких языков для данного класса задач.
Предлагаемая технология позволяет реализовать систему мониторинга
двигательных установок в виде наглядных и простых в сопровождении блокдиаграмм ВП. Наличие в среде LabVIEW специализированных инструментов
дает возможность организовать работу с цифровыми и аналоговыми датчиками, обработку событий интерфейса, а также оперативное создание и отображение графиков и диаграмм. Кроме того, ускоряется и упрощается реализация параллельной обработки данных.
14
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
Появление цифровых датчиков физических величин как закономерного
этапа развития датчико-преобразующей аппаратуры приводит к постепенному вытеснению аналоговых датчиков. Однако последние более привычны для
инженеров испытательных стендов, поскольку являются хорошо знакомым,
проверенным и отлаженным инструментом измерения и контроля. Достоинством предлагаемой технологии является возможность частично заменить
датчики на цифровые, не исключая при этом из работы аналоговые. Это позволяет пользователям системы работать в гетерогенной (цифро-аналоговой)
измерительной среде, выгодно сочетая преимущества обоих подходов.
Список литературы
1. К а тк о в , А . Н . Принципы разработки интеллектуальных измерительных
систем на базе LabVIEW / А. Н. Катков, В. Н. Новиков // Инженерные и научные
приложения на базе технологий National Instruments : сб. ст. XI Междунар. науч.практ. конф. – М., 2012. – С. 68–70.
2. National Instruments LabVIEW. Быстрая разработка // Официальный сайт National
Instruments. – URL: http://www.labview.ru/labview/what_is_labview/rapid_development.
php (дата обращения: 7 сентября 2013 г.).
3. Б е р ш а д с к и й ,
А.
М.
Разработка и моделирование гетерогенных
инфраструктур для беспроводного информационного обеспечения процессов
мониторинга / А. М. Бершадский, А. Г. Финогеев, А. С. Бождай // Известия
высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2010. –
№ 1 (13). – С. 36–45.
4. С у р а н о в , А . Я . LabVIEW 8.20. Справочник по функциям / А. Я. Суранов. –
М. : ДМК Пресс, 2007. – 536 с.
5. Я ш к а р д и н , В. Программирование COM-портов. Все о промышленном
программировании / В. Яшкардин. – URL: http://www.softelectro.ru/proglang.html
(дата обращения: 3 апреля 2013). Загл. с экрана.
6. Б о г о м о л о в а , Н . Е. Стратегия группового опроса датчиков в сетях
мониторинга / Н. Е. Богомолова, А. Ю. Маликов // Наука и Образование. – 2012. –
№ 5. – С. 347–352.
References
1. Katkov A. N., Novikov V. N. Inzhenernye i nauchnye prilozheniya na baze tekhnologiy
National Instruments: sb. st. XI Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. [Engineering and scientific application on the basis of the National Instruments technologies: proceedings of
XI International scientific and practical conference]. Moscow, 2012, pp. 68–70.
2. Available at: http://www.labview.ru/labview/what_is_labview/rapid_development. php
(accessed 7 September 2013).
3. Bershadskiy A. M., Finogeev A. G., Bozhday A. S. Izvestiya vysshikh uchebnykh
zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2010, no. 1 (13), pp. 36–45.
4. Suranov, A. Ya. LabVIEW 8.20. Spravochnik po funktsiyam [LabVIEW 8.20. Function
reference]. Moscow: DMK Press, 2007, 536 p.
5. Yashkardin V. Programmirovanie COM-portov. Vse o promyshlennom programmirovanii [COM port programming. Everything about industrial programming]. Available
at: http://www.softelectro.ru/proglang.html (accessed 3 April 2013).
6. Bogomolova N. E., Malikov A. Yu. Nauka i Obrazovanie [Science and education].
2012, no. 5, pp. 347–352.
Engineering sciences. Computer science, computer engineering and control
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Дугина Татьяна Олеговна
студентка, Пензенский государственный
университет (Россия, г. Пенза,
ул. Красная, 40)
Dugina Tat'yana Olegovna
Student, Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia)
E-mail: tat.xs.ard@gmail.com
Бождай Александр Сергеевич
доктор технических наук, профессор,
кафедра систем автоматизированного
проектирования, Пензенский
государственный университет (Россия,
г. Пенза, ул. Красная, 40)
Bozhday Aleksandr Sergeevich
Doctor of engineering sciences, professor,
sub-department of CAD-systems, Penza
State University (40 Krasnaya street,
Penza, Russia)
E-mail: bozhday@yandex.ru
УДК 004.42
Дугина, Т. О.
Технология разработки системы мониторинга для стендовых испытаний двигательных установок с использованием среды LabView /
Т. О. Дугина, А. С. Бождай // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2014. – № 1 (29). – С. 5–16.
16
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
УДК 004.932.2
А. В. Терехин
РАСПОЗНАВАНИЕ ОБЪЕКТОВ МЕТОДОМ
ВЫЧИСЛЕНИЯ ОЦЕНОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ДИАГОНАЛЬНЫХ ПРИЗНАКОВ ФОРМЫ
Аннотация.
Актуальность и цели. Интенсивное развитие современного технического
обеспечения в области контроля производства, совершенствование вычислительных мощностей современных ЭВМ, высокие требования к качеству продукции, активная конкурентная борьба, необходимость в повышении качества
и темпов производства делают актуальным решение задач автоматизации
промышленного производства. Многообразие систем технического зрения не
исключает того факта, что все они разработаны для конкретных задач. Все они
оперируют различными признаками и реализуют различные алгоритмы распознавания. При этом задача идентификации трехмерных объектов пока еще является довольно новой, и для ее решения все еще используются средства и алгоритмы плоской геометрии. В связи с этим разработка новых алгоритмов
распознавания трехмерных объектов все еще является актуальной. В данной
статье описывается новый подход к распознаванию трехмерных объектов по
двум снимкам методом вычисления оценок с использованием диагональных
признаков формы и моделей окто-деревьев.
Материалы и методы. Для проведения исследований была разработана
программа для ЭВМ распознавания трехмерных объектов. Для тестирования
на вход программы подавались сгенерированная ортогональная и соответствующая ей косоугольная проекции рассматриваемых объектов. Было произведено
1500 испытаний – каждая из 60 проекций (10 объектов по 6 проекций) генерировалась 25 раз. Для распознавания использовался алгоритм вычисления оценок.
Перед вычислением диагональных признаков формы выполнялась предварительная обработка снимков (фильтрация, бинаризация, выделение контуров).
Результаты. Исследовано влияние количества признаков на вероятность
верного распознавания проекций, а также влияние использования косоугольной проекции на вероятность верной идентификации трехмерного объекта в
целом. Экспериментально доказано, что средняя вероятность верного распознавания трехмерных объектов по двум снимкам с использованием всего
набора рассматриваемых признаков равна 100 %.
Выводы. Предложенный подход можно использовать в системах технического зрения на сборочных конвейерах, где необходимо распознавать произвольно расположенные трехмерные объекты даже в тех случаях, когда у некоторых из них могут быть похожие проекции.
Ключевые слова: распознавание, трехмерный объект, признаки формы,
октодерево, система технического зрения.
A. V. Terekhin
OBJECT RECOGNITION BY THE ESTIMATE CALCULATION
METHOD USING DIAGONAL FEATURES OF A FORM
Abstract.
Background. Intensive development of modern technical provisions in the field
ofproduction control, improvement of the computing power of modern computers,
Engineering sciences. Computer science, computer engineering and control
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
high quality requirements, intense competition, enterprise’s needs in improving the
quality and production rates make the problem industrial automation a topical one. A
variety of computer vision systems (CVS) does not exclude the fact that all of them are
designed for specific tasks. All of them use different attributes and implement various
detection algorithms. The task of identifying three-dimensional objects is still a fairly
new one, and tools and algorithms of planar geometry are still used for its solutions. In
this regard, the development of new three-dimensional object recognition algorithms is
still topical. The article describes a new approach to the recognition of threedimensional objects in two images by calculating the estimates using the diagonal form
features and octree models.
Materials and methods. For the research the author designed a special program for
a three-dimensional object recognition computer. To test objects, the generated orthogonal and oblique projections of the objects were sent to the progrma input. There
were 1500 tests – each of 60 projections was generated 25 times (10 objects with 6
projections). The estimate calculation algorithm was used as a recognition algorithm.
Before calculating the diagonal form features, images were preprocessed (filtering, binarization, edge detection).
Results. The research includes determination of the influence of a number of features used for recognition on probability of correct recognition, and the influence of
using oblique projection on probability of correct recognition in general. 100% average probability of correct recognition of three-dimensional objects in two images using
the entire set of features was experimentally proved.
Conclusions. The proposed approach could be used in computer vision systems for
assembly conveyors where it is necessary to recognize three-dimensional objects that
are randomly arranged even in situations when some of them might have similar projection.
Key words: recognition, three-dimensional object features of shape, octree,
CVS.
Введение
Область технического зрения изучается специалистами с середины
прошлого века, когда началась развиваться кибернетика в современном ее
понимании, и были построены первые роботы-манипуляторы. Еще тогда возникла задача реализации возможности «видеть» слепым роботам-сборщикам.
На данный момент существует множество подходов к распознаванию
трехмерных объектов. Большинство из них являются узконаправленными
(распознавание лиц, обнаружение дефектов на поверхности различных материалов). В данной статье речь пойдет о распознавании объектов на конвейерах сборки или покраски деталей. При этом задача распознавания сводится
к идентификации объекта и определению его местоположения для того, чтобы робот-манипулятор автоматически выполнял по заранее заданной инструкции процесс сборки/покраски.
Так как набор объектов заранее известен, то целесообразно использовать алгоритмы распознавания, основанные на сравнении с эталонами.
Существует множество методов описания объектов, часть из них основана на плоской геометрии, другая часть работает с трехмерными моделями.
Любой трехмерный объект отображается на двумерной плоскости в виде проекции. Одним из способов проецирования является прямоугольное (ортогональное проецирование). В нем совместно изображаются виды сверху,
спереди и слева. На практике (при производстве) различные объекты, требу-
18
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
ющие идентификации, обычно лежат в произвольном положении, поэтому
есть необходимость в рассмотрении не только этих трех проекций, но и противоположных (снизу, сзади, справа) [1].
В данной статье предложен подход к распознаванию объектов, основанный на описании основных шести проекций трехмерного объекта и одной
косоугольной проекции. Неизвестный объект фиксируется с помощью двух
камер. Первая камера (далее основная) располагается над сценой и делает
снимок ортогональной проекции объекта. Вторая камера (далее дополнительная) располагается под заранее известным углом к центру сцены и производит снимок косоугольной проекции объекта.
1. Этапы распознавания трехмерных объектов
I. Этап анализа прямоугольной проекции:
1. Получение прямоугольной проекции неизвестного объекта.
2. Предварительная обработка изображения выполняется по алгоритмам, представленным в [2].
3. Вычисление угла α – поворота объекта в горизонтальной плоскости
сцены.
4. Вычисление диагональных признаков формы осуществляется при
помощи формул, описанных в [3].
5. Распознавание прямоугольной проекции неизвестного объекта
по методу вычисления оценок [4]. На данном этапе осуществляется поиск
проекций эталонов, идентичных ортогональной проекции неизвестного
объекта.
6. Вычисление углов φ и γ возможных ориентаций объекта.
У каждого эталона одна из проекций является главной (указывается при
формировании базы эталонов); относительно нее остальные являются повернутыми на угол γ в плоскости главной проекции и на φ в перпендикулярной
ей плоскости (данные углы принимают одно из следующих значений: 0, 90,
180, 270, в зависимости от ориентации найденной проекции) (рис. 1).
II. Этап анализа косоугольной проекции исследуемого объекта:
7. Получение косоугольной проекции неизвестного объекта.
8. Предварительная обработка изображения выполняется по алгоритмам, представленным в [2].
9. Вычисление диагональных признаков формы осуществляется по
формулам, описанным в [3].
III. Этап создания косоугольных проекций эталонов:
10. Зная четыре угла α, β, γ и φ, с помощью базы данных моделей октодеревьев можно строить косоугольные проекции идентифицированных на
этапе I эталонов [5–7].
11. Предварительная обработка сгенерированных эталонных косоугольных проекций.
12. Вычисление диагональных признаков формы.
IV. Этап распознавания трехмерного объекта:
13. С использованием метода вычисления оценок сравниваются косоугольная проекция неизвестного объекта и сгенерированные на этапе III проекции эталонов.
Engineering sciences. Computer science, computer engineering and control
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
а)
б)
в)
Рис. 1. Схема сцены системы технического зрения (СТЗ): а – вид сбоку;
б – вид сверху; в – перспективный вид; K1 – основная камера; K2 – дополнительная
камера; G – объект; α – угол наклона объекта в горизонтальной плоскости;
β – угол наклона камеры K2 в вертикальной плоскости; γ, φ – углы наклона
объекта в плоскости ортогональной проекции
Так как метод вычисления оценок работает с бинарными таблицами,
для его применения необходимо вычислить диапазоны отклонений значений
признаков. Для этого было разработано тестовое приложение с генератором
геометрических фигур, выполняющее следующую последовательность действий:
1. Генерируется выборка фигур одного типа.
2. Вычисляются диагональные признаки каждого объекта:
x1
x2 ... xn
 a11 a12
A =  a21 a22
 ...
...

 am1 am 2
... a1n 
... a2 n  ,
... ... 

... amn 
(1)
где xi − xn – вектор признаков; n – количество признаков объекта; m – количество генерируемых объектов (настраивается пользователем); aij – значение
признака j генерируемой фигуры i (i = 1, …, n, j = 1, …, m); A – выборка сгенерированных фигур типа 1.
3. Вычисляются отклонения каждого признака по каждому столбцу
матрицы А:
Δki = max(ai ) − min(ai ) ,
20
(2)
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
где Δki – отклонение i-го признака фигуры типа 1.
Пункты 1, 2 выполняются для каждого типа фигур. Формируются векторы отклонения признаков для каждого типа объектов:
ΔKl = {Δk1 , Δk2 ,..., Δkn } ,
(3)
где l – тип фигуры; ΔKl – вектор отклонений фигуры типа l.
4. Отклонения по каждой выборке объектов сохраняются в памяти
ЭВМ.
5. Из полученных векторов ΔKl строится матрица K, содержащая отклонения значений всех признаков для каждого типа объектов:
x1
x2 ... xn
 Δk11 Δk12 ... Δk1n 


K =  Δk21 Δk22 ... Δk2 n  .
 ...
...
...
... 


 Δkl1 Δkl 2 ... Δkl ,n 
(4)
По матрице K определяются максимальные отклонения по каждому
признаку для всех типов объектов:
δ = max(Δkl ) ,
(5)
где δ – отклонение i-го признака; l – тип фигуры;
Д = {δ1 , δ2 ,..., δn } ,
(6)
где Д – вектор отклонений признаков для любого типа фигур из заданного
набора.
2. Экспериментальная проверка
По описанному выше подходу была разработана программа для ЭВМ
распознавания трехмерных объектов. В качестве объектов исследования были
выбраны 10 деталей составного детского конструктора, имеющие различную
геометрическую форму. Процесс сборки готового изделия изображен на
рис. 2. Стояла задача идентификации детали и определение ее местоположения в области сцены. Все объекты характеризовались шестью проекциями,
для каждой из которых вычислялись шесть признаков формы, и описанием
трехмерной модели при помощи окто-деревьев.
Для тестирования на вход программы подавалась сгенерированная ортогональная и соответствующая ей тестовая косоугольная проекции. Было
произведено 1500 испытаний – каждая из 60 проекций (10 объектов по 6 проекций) генерировалась 25 раз.
Целью исследования было доказательство необходимости использования двух проекций для распознавания трехмерных объектов, анализа информации обо всех шести проекциях каждого из рассматриваемых объектов, демонстрация полезности применения диагональных признаков формы.
На рис. 3 представлен график, отображающий среднее количество распознанных эталонов на первом этапе распознавания трехмерных объектов
Engineering sciences. Computer science, computer engineering and control
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
при увеличении числа используемых признаков: ПКФ – прямоугольный коэффициент формы; КПП – коэффициент периметр-площадь; ДКФ – диагональный коэффициент формы; КДО – коэффициенты диагональных отрезков;
КД – коэффициенты диагоналей.
Рис. 2. Процесс сборки трехмерного объекта
Рис. 3. Количество распознанных эталонов на I этапе распознавания
трехмерных объектов с увеличением количества признаков
22
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
По оси OY отображается количество распознанных эталонов, по оси
ОХ – количество используемых признаков формы при распознавании.
По оси ОХ 1 – ПКФ; 2 – ПКФ+КПП, 3 – ПКФ + КПП + признаки отверстий; 4 – ПКФ + КПП + признаки отверстий + ДКФ; 5 – ПКФ + КПП + признаки отверстий + ДКФ + КДО; 6 – ПКФ + КПП + признаки отверстий + ДКФ
+ КДО + КД.
Данные признаки вычисляются по формулам, представленным в [3];
1–3 – стандартные признаки формы, 4–6 – диагональные признаки формы.
Из рис. 4 видно, что при добавлении признаков вероятность распознавания увеличивается, но при этом не достигает 100 %. Это связано с тем, что
некоторые проекции у разных объектов имеют близкие числовые значения
признаков формы. Из графика, представленного на рис. 4, видно, что одного
изображения не достаточно для 100 % распознавания объемных объектов,
поэтому есть необходимость рассмотрения двух изображений.
Рис. 4. Средняя вероятность распознавания проекции на I этапе распознавания
трехмерного объекта с использованием разного количества признаков
В предложенном подходе на первом этапе отсеиваются «лишние» эталоны, у которых ни одна из проекций не похожа на ортогональную проекцию
неизвестного объекта.
Задача окончательного распознавания решается на четвертом этапе, когда анализируются косоугольная проекция неизвестного объекта и сгенерированные проекции окто-деревьев отобранных эталонов.
В ходе исследований было установлено, что 658 из 1500 сгенерированных тестовых объектов были распознаны еще на первом этапе. Для оставшихся 842 тестов создавались модели окто-деревьев по отобранным на первом этапе распознавания трехмерных объектов эталонам. Правильность идентификации проверялась сопоставлением сгенерированного теста заранее известного типа с результатом работы программы. В итоге все 1500 экспериментальных объектов были распознаны верно с вероятностью 100 % (рис. 5).
Engineering sciences. Computer science, computer engineering and control
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Рис. 5. Средняя вероятность распознавания проекции на IV этапе
распознавания трехмерного объекта с использованием разного количества
признаков. По оси OY вероятность распознавания объектов в выборке,
по оси OХ – количество используемых признаков
Заключение
Предложенный подход можно использовать в системах технического
зрения на сборочных и покрасочных конвейерах, где необходимо распознавать произвольно расположенные трехмерные объекты, даже когда у некоторых из них могут быть одинаковые проекции.
Список литературы
1. Б у б е н н и к о в , А . В. Начертательная геометрия : учеб. для вузов / А. В. Бубенников. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Высш. шк., 1985. – 288 с.
2. С а дык о в , С . С . Предварительная обработка изображений плоских объектов
в системах технического зрения / С. С. Садыков, С. В. Савичева // Приборостроение. – 2012. – № 2. – С. 19–24.
3. Т е р е х и н , А . В. Метод формирования вектора признаков для идентификации
проекций реальных трехмерных объектов / А. В. Терехин // Наука и современность – 2013 : сб. материалов XX Междунар. науч.-практ. конф. (Новосибирск,
20 февраля 2013 г.) / под общ. ред. к.э.н. С. С. Чеснокова. – Новосибирск, 2013. –
300 с.
4. Ж у р а в л е в , Ю . И . Алгоритмы распознавания, основанные на вычислении
оценок / Ю. И. Журавлев, В. В. Никифоров // Кибернетика. – 1971. – № 3. – С. 1–
11.
5. J a c k i n s , C . L . Octrees and Their Use in Representing Threedimensional Objects /
C. L. Jackins, S. L. Tanimoto // CGIP. – 1980. – Vol. 14. – P. 249–270.
6. N o b o r i o , H . Construction of the Octree Approximating Three-dimensional Objects
by Using Multiple Views / H. Noborio, S. Fukuda, S. Arimoto // IEEE Trans. PAMI. –
1988. – Vol. 10, № 6. – P. 769–782.
7. C h i e n , C . H . Volume/Surface Octrees for The Representation of 3-D Objects /
C. H. Chien, J. K. Aggarwal // CGIP. – 1986. – Vol. 36. – P. 100–113.
24
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
References
1. Bubennikov A. V. Nachertatel'naya geometriya: ucheb. dlya vuzov [Descriptive geometry: textbook for universities]. Moscow: Vyssh. shk., 1985, 288 p.
2. Sadykov S. S., Savicheva S. V. Priborostroenie [Instrument engineering]. 2012, no. 2,
pp. 19–24.
3. Terekhin A. V. Nauka i sovremennost' – 2013: sb. materialov XX Mezhdunar. nauch.prakt. konf. (Novosibirsk, 20 fevralya 2013 g.) [Science and modern times – 2013: proceedings of XX International scientific and practical conference (Novosibirsk, 20 February 2013)]. Ed. S. S. Chesnokov. Novosibirsk, 2013, 300 p.
4. Zhuravlev Yu. I., Nikiforov V. V. Kibernetika [Cybernetics]. 1971, no. 3, pp. 1–11.
5. Jackins C. L., Tanimoto S. L. CGIP. 1980, vol. 14, pp. 249–270.
6. Noborio H., Fukuda S., Arimoto S. IEEE Trans. PAMI. 1988, vol. 10, no. 6, pp. 769–
782.
7. Chien C. H., Aggarwal J. K. CGIP. 1986, vol. 36, pp. 100–113
Терехин Андрей Викторович
аспирант, Муромский институт (филиал)
Владимирского государственного
университета (Россия, Владимирская
область, г. Муром, ул. Орловская, 23)
Terekhin Andrey Viktorovich
Postgraduate student, Murom Institute
(branch) of Vladimir State University
(23 Orlovskaya street, Murom,
Vladimir region, Russia)
E-mail: terehin_murom@mail.ru
УДК 004.932.2
Терехин, А. В.
Распознавание объектов методом вычисления оценок с использованием диагональных признаков формы / А. В. Терехин // Известия высших
учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2014. –
№ 1 (29). – С. 17–25.
Engineering sciences. Computer science, computer engineering and control
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
УДК 681.586.37
В. Н. Ашанин, Б. В. Чувыкин, А. А. Коротков, И. А. Сидорова
АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ТЕНДЕНЦИЙ
ПРОИЗВОДСТВА ИНТЕГРАЛЬНЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ИНФОРМАЦИИ Σ∆-АРХИТЕКТУРЫ
Аннотация.
Актуальность и цели. В настоящее время интегральные преобразователи
информации с ∑∆-архитектурой за рубежом относятся к наиболее массовым
видам электронной компонентной базы. В России интерес к разработке сложнофункциональных блоков на основе ∑∆-преобразования информации связан
с выполнением федеральной целевой программы «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008–2015 гг. Целью данной работы
является выявление перспективных направлений и закономерностей в производстве преобразователей информации ведущими в отрасли корпорациями,
такими как Analog Devices, Texas Instruments, Maxim Integrated Products.
Материалы и методы. В соответствии с классификационными признаками
(тип интегратора, порядок модулятора, количество каскадов, уровень квантователя) собрана информация о 242 микросхемах: 116 – Texas Instruments/BurrBrown, 93 – Analog Devices, 33 – Maxim Integrated Products. Построена круговая диаграмма, иллюстрирующая объемы выпуска микросхем с ∑∆архитектурой в период за 1996–2013 гг. Приведены результаты расчета в процентах количества Front-End’ов, преобразователей с непрерывным интегратором, многоканальных преобразователей.
Результаты. Выявлена зависимость эффективной разрядности от типа интегратора (непрерывный, непрерывно-дискретный). Также обозначена зависимость линейности преобразования от уровня квантователя (однобитный, мультибитный). Обосновано малое количество производимых многокаскадных
структур. Показана значимость цифрового фильтра-дециматора в составе преобразователя.
Выводы. В настоящее время, учитывая высокую линейность Σ∆модуляторов и достижения MEMS-технологии, все большую популярность завоевывают у производителей и потребителей Front-End-ы. Рынок окончательно завоевали Σ∆-преобразователи с непрерывно-дискретными интеграторами.
Другой тенденцией развития рынка Σ∆-преобразователей является рост числа
каналов преобразования сигналов с вложенной функцией их масштабирования. Наметилась тенденция использования многокаскадных фильтров высокого порядка (sinc4, sinc5), а также цифровых фильтров с комбинированной
структурой.
Ключевые слова: ∑∆-АЦП, ∑∆-модулятор, ∑∆-архитектура, преобразователь информации, непрерывный интегратор, непрерывно-дискретный интегратор, порядок модулятора, уровень квантователя.
V. N. Ashanin, B. V. Chuvykin, A. A. Korotkov, I. A. Sidorova
ANALYSIS OF CONDITION AND TRENDS IN PRODUCTION
OF INTEGRAL DATA CONVERTERS OF Σ∆-ARCHITECTURE
Abstract.
Background. At the present time integrated data converters with ΣΔ-architecture
are the most mass types of electronic component base abroad. In Russia, interest in
26
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
developing complex functional blocks based on ΣΔ-conversion of information is
connected with the implementation of the federal target program "Development of
Electronic Component Base and Radio Electronics " in 2008-2015. The aim of this
work is to identify the perspective directions and regularities in production of data
converters by industry-leading corporations such as Analog Devices, Texas Instruments, Maxim Integrated Products.
Materials and methods. According to classification signs (integrator type, modulator order, number of cascades, quantizer level) the authors collected information
on 242 chips: 116 – Texas Instruments/Burr-Brown, 93 – Analog Devices, 33 –
Maxim Integrated Products. The circular chart illustrating volumes of release of
chips with ∑∆-architecture during the period 1996-2013 years is constructed. The
article includes calculation in percents of a number of Front-End’s, converters with
a continuous integrator, multichannel converters.
Results. The authors revealed the ependence of an effective number of bits on integrator type (continuous, continuous - discrete). The dependence of linearity of
transformation on quantizer level (one-bit, multibit) was also designated. The authors proved a small number of produced multicascade structures and showed the
importance of the digital filter-decimator as a part of the converter.
Conclusions. At the present time, taking into account high linearity Σ∆modulators and achievements of MEMS technology, the increasing consumers’ and
producers’ popularity is won by the Front-End's. The market finally is taken by Σ∆converters with continuous and discrete integrators. Another tendency of development of the market of Σ∆-converters is the growth of channels number of signals
transformation with the enclosed function of scaling thereof. New there occurs a
tendency of using multicascade filters of high order (sinc4, sinc5), and also digital
filters with the combined structure.
Key words: ∑∆-ADC, ∑∆-modulator, ∑∆-architecture, data converters, continuous-time integrator, discrete-time integrator, order of modulator, level of quantizer.
Введение
В соответствии с федеральной целевой программой «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008–2015 гг. важнейшей задачей современной российской микроэлектроники является создание
сложнофункциональных блоков, на основе которых строятся «системы на
кристалле». От ее решения зависит возможность конкуренции отечественных
производителей электронной компонентной базы (ЭКБ) с ведущими зарубежными производителями.
В настоящее время к наиболее массовым видам ЭКБ за рубежом относятся интегральные микросхемы сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя (ΣΔ-АЦП) и сложно-функциональные блоки на их основе. ΣΔ-АЦП
были изобретены в середине 50-х гг. прошлого столетия, однако широкую
известность они находят только сегодня в связи с достижениями в области
микроэлектроники и цифровых методов обработки информации при обеспечении возможности размещения на одном кристалле аналоговых и цифровых
узлов. Они широко применяются на практике благодаря высокой линейности
функции преобразования, малой стоимости, достаточно широкой полосе частот преобразования сигнала, низкой потребляемой мощности и высокому
разрешению [1–3].
Концепция реализации Σ∆-АЦП была заложена в лабораториях Белла
в 1950-х гг., когда была создана цифровая система передачи данных с испольEngineering sciences. Computer science, computer engineering and control
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
зованием Δ-модуляции и дифференциальной импульсно-кодовой модуляции.
К концу 1960-х гг. архитектура Σ∆-модулятора была хорошо понимаема, однако из-за наличия в его структуре органически встроенного цифрового
фильтра практические реализации Σ∆-АЦП в интегральном исполнении появились лишь в 1980-х гг., когда стали широко доступными сигнальные процессоры на цифровых КМОП-структурах.
Основная идея, заложенная в основу как ΔΣ-модуляторов, так и ΣΔпреобразователей информации, лежит в использовании опорного канала [4],
повышающего эффективность прямого канала преобразования, содержащего
сугубо нелинейный элемент – квантователь. Базовые концепции, реализуемые в Σ∆-АЦП, включают Σ∆-передискретизацию, шейпинг шума, цифровую
фильтрацию и децимацию. Следует заметить, что указанные концепции используются при построении не только Σ∆-АЦП, но и Σ∆-ЦАП. В зарубежной
литературе их объединяют общим названием Σ∆-преобразователи данных
(Σ∆-Data Converters). Суть базовой концепции Σ∆-преобразователей информации сводится к тому, что особенности устройства Σ∆-модулятора позволяют обменивать разрешение по амплитуде сигнала разрешением по времени
таким образом, что устройство становится нечувствительным к неточности
аналоговых элементов. Использование высокочастотной модуляции исключает необходимость в антиалайзинговом фильтре с крутым спадом амплитудно-частотной характеристики на входе АЦП. А использование высокочастотной демодуляции также снижает требования к сглаживающим фильтрам на
выходе ЦАП [1–3]. Причем в том и другом случае используются цифровые
фильтры. Цифровой фильтр на выходе Σ∆-модулятора сглаживает его выходной сигнал, подавляя шум квантования, продукты интерференции и другие
высокочастотные составляющие и предотвращая их проникновение в полосу
полезного сигнала, когда происходит возвращение к выборкам с частотой
теоремы отсчетов. В случае использования Σ∆-модулятора при построении
ЦАП цифровой фильтр используется для интерполяции высокочастотных
отсчетов в промежутке между входными отсчетами, следующими с частотой
теоремы отсчетов. Преобразователи с передискретизацией предполагают интенсивное использование цифровой обработки сигналов, тем самым реализуя
то преимущество твердотельной технологии, что она лучше приспособлена
для построения высокоскоростных цифровых схем, чем для построения точных аналоговых схем.
1. Описание классификационных признаков
Существует большое количество разновидностей ΣΔ-модуляторов. Поэтому целесообразно ограничиться их разделением на подклассы лишь по
самым основным признакам. В качестве таковых будем использовать классификационные признаки, которые изложены в работе [1]. Классификационный
граф ΣΔ-модуляторов представлен на рис. 1.
Все ΣΔ-модуляторы имеют замкнутую структуру, т.е. охвачены отрицательной обратной связью, однако конкретные структуры могут отличаться
большим разнообразием. В этом отношении целесообразно разделить все
структуры на одноконтурные и многоконтурные. Количество контуров в отдельных разновидностях модуляторов может быть различным. От количества
контуров решающим образом зависит отношение сигнал/шум квантования.
28
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
Поэтому данный признак (для краткости на рис. 1 он назван видом структуры) является одним из самых важных.
Рис. 1. Классификационный граф Σ∆-модуляторов
Структуры одноконтурного и многоконтурного ΣΔ-модуляторов равноценны с точки зрения обеспечиваемой линейности характеристики, но они
не равноценны с точки зрения увеличения эффективного количества разрядов. Это зависит от того, в какой степени спектр шума квантования вытеснен
из полосы полезного сигнала. Эта задача решается тем лучше, чем выше порядок ΣΔ-модулятора.
По второму признаку классификации рис. 1 ΣΔ-модуляторы могут быть
реализованы с использованием непрерывных и непрерывно-дискретных интеграторов. Непрерывные интеграторы используются во всех структурах интегрирующих Σ-АЦП, известных как двухтактные, трехтактные и многотактные
[5]. Непрерывно-дискретные интеграторы строятся на так называемых переключаемых конденсаторах [1, 2] и широко используются при реализации
преобразователей информации с ΣΔ-архитектурой.
По третьему признаку – числу уровней квантователя – различают однобитные и многобитные ΣΔ-модуляторы. В первом случае ЦАП в структуре
модулятора имеют всего одну ступень квантования, что обеспечивает высокую линейность характеристики преобразования за счет естественного равенства квантов компенсирующего сигнала (импульсов обратной связи с выхода
Engineering sciences. Computer science, computer engineering and control
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
ЦАП). Во втором случае, поскольку линейность модулятора зависит от линейности ЦАП, для приближения к уровню 16-разрядной разрешающей способности используется лазерная подстройка, что чрезвычайно затрудняет реализацию многоразрядной архитектуры Σ∆-АЦП. Тем не менее она используется в звуковых Σ∆-ЦАП, где применяются методы скремблирования битов
для обеспечения необходимых линейности преобразования и устранения шума [1–3].
Для устранения погрешности от неравенства ступеней ЦАП используются средства структурно-алгоритмического характера, что существенно
усложняет схемную реализацию [1, 2]. Несмотря на это, наблюдается тенденция все более широкого применения многобитных ΣΔ-модуляторов, так как
они позволяют расширить полосу полезного сигнала без повышения коэффициента передискретизации, а также обнаруживают более высокую степень
устойчивости при работе с сигналами широкого динамического диапазона.
Рассмотренные разновидности ΣΔ-модуляторов отличаются по признакам, которые относятся к особенностям состава, параметров и связей элементов в рамках единой структуры. Однако на практике нашли применение и
комбинации структур ΣΔ-модуляторов, из которых можно выделить структуры с последовательным (их чаще называют каскадными) и параллельным соединением нескольких ΣΔ-модуляторов. Эффект последовательного соединения тот же, что и при подобном же комбинировании любых других преобразователей. Например, включенные последовательно два интегратора повышают свойства помехоподавления, так как передаточная функция комбинированной структуры равна произведению передаточных функций ее составных частей. Аналогично последовательно соединенные ΣΔ-модуляторы повышают эффективность подавления шумов квантования. Параллельные
структуры позволяют при неизменной полосе полезного сигнала снизить коэффициент передискретизации и даже исключить необходимость передискретизации вообще.
Поскольку ΔΣ-преобразователи информации относятся к сигнальным
[6], то впервые они стали использоваться в цифровой телефонии. Несколько
позже область их применения распространилась во всевозможные звуковые
устройства: для массовых звуковых преобразователей (14–18 двоичных разрядов преобразования), для профессиональной звуковой аппаратуры (18–20
разрядов) и аппаратуры класса «high-end» (22–24 разряда).
Сегодня (рис. 2) область использования ΣΔ-АЦП весьма обширна: вопервых, это современные устройства обработки звуковых сигналов и кодеки;
во-вторых, исследовательское и промышленное оборудование с точным измерением сигналов малых уровней низких частот; в-третьих, медицина, геология, сейсмология и др. Развитие технологии производства микросхем, их
высокие метрологические и эксплуатационные характеристики при низкой
стоимости позволяют разработчикам электронной аппаратуры проектировать
новые устройства, в которых ΣΔ-преобразователи занимают достойное место.
В настоящее время, когда рынок электронной компонентной базы представлен несколькими сотнями преобразователей информации с ΔΣ-архитектурой, инженерам, проектирующим электронные средства измерения и
преобразования звуковой и видеоинформации, постоянно приходится решать
вопрос выбора необходимого ΔΣ-АЦП, который отвечал бы метрологическим
30
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
и техническим требованиям проектируемого устройства. Для того чтобы облегчить инженеру процедуру выбора, целесообразно провести систематизацию преобразователей информации с сигма-дельта архитектурой и анализ их
параметров, выявить основные закономерности в производстве ΔΣ-АЦП ведущими зарубежными корпорациями, такими как Texas Instruments и Analog
Devices, а также определить тенденции их развития.
Рис. 2. Область применения ΔΣ-преобразователей информации
Анализ номенклатуры выпускаемых ведущими мировыми производителями интегральных АЦП показывает, что около 30 % преобразователей информации составляют АЦП с разрешающей способностью 16 двоичных разрядов и выше. Реализовать такую разрешающую способность целесообразно
на основе ΔΣ-преобразователей информации, которые традиционно используются в диапазоне частот полезного сигнала от нуля до нескольких мегагерц. Несомненным достоинством ΔΣ-АЦП является возможность увеличения скорости преобразования информации за счет разрешающей способности, либо увеличения и скорости, и разрешения за счет тока потребления.
2. Анализ состояния и тенденций производства
С целью выявления закономерностей и тенденций в производстве интегральных преобразователей информации с Σ∆-архитектурой необходимо провести анализ достаточного объема информации, руководствуясь общепризнанными классификационными признаками, используя интернет-ресурсы
Engineering sciences. Computer science, computer engineering and control
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
корпораций Texas Instruments [7] и Analog Devices [8] и Maxim Integrated
Products [9]. Было отобрано 242 микросхем (Σ∆-АЦП, Σ∆-модуляторы, FrontEnd): 116 микросхем выпускаемых Texas Instruments, 93 от Analog Devices и
соответственно 33 от Maxim Integrated Products (рис. 3).
Рис. 3. Количество ΔΣ-АЦП, выпускаемых фирмами Texas Instruments, Analog
Devices и Maxim Integrated Products за 1996–2013 гг.
Проведенный анализ показал, что в настоящее время, учитывая высокую линейность Σ∆-модуляторов и достижения MEMS-технологии, все
большую популярность завоевывают у производителей и потребителей FrontEnd, под которыми понимают в данном случае набор приложений, интегрированных в микросхему для выполнения специализированных функций, таких как измерение емкости, давления, температуры, решение задач электрокардиографии и электроэнцефалографии, сейсмических исследований и т.п.
На их долю приходится 24 % микросхем от общего числа.
Реализация Σ∆-АЦП по MEMS-технологии неразрывным образом связана с понятием гетерогенности [10]. Как указано в работе [11], гетерогенность различается по виду физического носителя информации и по виду
(форме) информативного сигнала. Характерной особенностью первых являет-
32
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
ся использование в процедуре измерения разнородных физических величин –
носителей информации: электрических, магнитных, механических, тепловых
и других при измерении значения одной физической величины. В гетерогенных по форме информативного сигнала преобразователях информации при
выполнении процедуры измерения физической величины используются разнородные (аналого-цифровые) виды носителя информации [10]. Проведенный анализ показал, что производство микросхем движется в сторону совершенствования гетерогенных структур.
Также стоит отметить следующие тенденции: рынок окончательно завоевали Σ∆-преобразователи с непрерывно-дискретными интеграторами –
доля Σ∆-преобразователей с непрерывными интеграторами в настоящее время составляет менее 4 %. Другой тенденцией развития рынка производства и
потребления Σ∆-преобразователей является рост числа каналов преобразования сигналов с вложенной функцией их масштабирования. Многоканальные
преобразователи составляют 61 % объема рынка и вытесняют одноканальные.
Из отобранных для анализа микросхем наибольшее количество (64 канала)
имеет 20-разрядная DDC264 от Texas Instruments. Рост числа каналов обусловлен тем, что фактически достигнут предел необходимой разрядности.
Так, например 32-разрядные АЦП ADS1281, ADS1282, ADS1282-HT, предназначенные для сейсмических исследований, имеют ENOB (Effective Number
of Bits) [2] – эффективную разрядность 31 бит. Анализируя точностные характеристики преобразователей информации с Σ∆-архитектурой, целесообразно рассматривать их динамические характеристики и энергетическую эффективность, поскольку эти параметры теснейшим образом взаимосвязаны.
Наибольшая частота дискретизации из отобранных 248 микросхем достигает
160М выборок в секунду у микросхем AD9261-10, AD9262, AD9262-5 от
Analog Devices.
Из результатов проведенного анализа видно, что Σ∆-АЦП с непрерывным интегратором имеют эффективную разрядность меньше, чем Σ∆-АЦП
с непрерывно-дискретным интегратором. Наибольшей скоростью обладают
структуры с многоуровневым квантователем. Структуры с однобитным ЦАП,
напротив, обеспечивают большую линейность и соответственно более высокую эффективную разрядность. Существуют и компромиссные решения. Что
касается многокаскадных структур, то их весьма мало по причине сложности
проектирования и относительно высокой стоимости. Такое решение используется для построения высокоточных АЦП, например, 32-разрядных микросхем ADS1281, ADS1282, ADS1282-HT от Texas Instruments.
Существенное влияние на точность Σ∆-АЦП оказывает цифровой
фильтр-дециматор в его составе. Так, Σ∆-АЦП первого порядка с цифровым
фильтром-дециматором высокого порядка может обеспечить такую же разрядность, что и Σ∆-АЦП высокого порядка с простым фильтром с конечной
импульсной характеристикой (КИХ). Наметилась тенденция использования
многокаскадных (двух- и трехкаскадных) фильтров высокого порядка (sinc4,
sinc5), а также цифровых фильтров с комбинированной структурой, например
два каскада sinc4 и каскад КИХ-фильтра.
Заключение
Учитывая большую номенклатуру выпускаемых преобразователей информации с ΣΔ-архитектурой, существенную зависимость их метрологичеEngineering sciences. Computer science, computer engineering and control
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
ских и эксплуатационных характеристик от структурной реализации и алгоритма функционирования, целесообразно провести работу по формированию
инженерных приложений, дающих возможность разработчику электронной
аппаратуры целенаправленного выбора конкретной микросхемы для решения
требуемой задачи. Представляется это решение в виде экспертной системы
с базой данных, содержащей полную информацию о параметрах преобразователей информации, позволяющей по заданным приоритетным требованиям
определять тип микросхемы.
Список литературы
1. А ш а н и н , В. Н . ΣΔ-аналого-цифровые преобразователи: основы теории и проектирование / В. Н. Ашанин, Б. В. Чувыкин, Э. К. Шахов. – Пенза : Инф.-изд.
центр ПГУ, 2009. – 188 с.
2. S c h r e i e r , R . Understanding delta-sigma data converters / R. Schreier, G. C. Temes. –
New Jersey : IEEE Press., 2005. – 446 p.
3. К е с те р , У . Аналого-цифровое преобразование : пер. с англ. / Уолт Кестер. –
М. : Техносфера, 2007. – 1015 с.
4. А ш а н и н , В. Н . Разделение функций – основной принцип совершенствования
средств измерений / В. Н. Ашанин, Э. К. Шахов // Датчики и системы. – 2006. –
№ 7. – С. 2–7.
5. А ш а н и н , В. Н . Теория интегрирующего аналого-цифрового преобразования /
В. Н. Ашанин, Б. В. Чувыкин, Э. К. Шахов. – Пенза : Инф.-изд. центр ПГУ, 2009. –
214 с.
6. Ш л ы к о в , Г . П . Характеристики измерительных и сигнальных аналогоцифровых преобразователей / Г. П. Шлыков // Цифровая информационноизмерительная техника : межвуз. сб. науч. тр. – Вып. 11. – Пенза : Изд-во Пенз.
политехн. ин-та, 1981. – С. 26–29.
7. Products for Analog to Digital Converter. – URL: http://www.ti.com/lsds/ti/dataconverters/analog-to-digital-converter-products.page
8. АЦП. – URL: http://www.analog.com/ru/analog-to-digital-converters/ad-converters/
products/index.html
9. Precision Sigma-Delta ADCs. – URL: http://www.maximintegrated.com/products/data_
converters/adcs/precision-sd-adc.cfm
10. А ш а н и н , В. Н . Проблемы теории анализа и синтеза средств измерений гетерогенной структуры / В. Н. Ашанин // Датчики и системы. – 2011. – № 7. − С. 2–7.
11. А ш а н и н , В. Н . Классификация измерительных преобразователей информации
непрерывно-дискретной системы гетерогенной структуры / В. Н. Ашанин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2011. –
№ 3 (19). – С. 98–104.
References
1. Ashanin V. N., Chuvykin B. V., Shakhov E. K. ΣΔ-analogo-tsifrovye preobrazovateli:
osnovy teorii i proektirovanie [ΣΔ-analog-digital converters: fundamentals of theory
and design]. Penza: Inf.-izd. tsentr PGU, 2009, 188 p.
2. Schreier R., Temes G. C. Understanding delta-sigma data converters. New Jersey:
IEEE Press., 2005, 446 p.
3. Kester U. Analogo-tsifrovoe preobrazovanie: per. s angl. [Analog-digital conversion:
translation from English]. Moscow: Tekhnosfera, 2007, 1015 p.
4. Ashanin V. N., Shakhov E. K. Datchiki i sistemy [Sensors and systems]. 2006, no. 7,
pp. 2–7.
5. Ashanin V. N., Chuvykin B. V., Shakhov E. K. Teoriya integriruyushchego analogotsifrovogo preobrazovaniya [Theory of integrating analog-digital conversion]. Penza:
Inf.-izd. tsentr PGU, 2009, 214 p.
34
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
6. Shlykov G. P. Tsifrovaya informatsionno-izmeritel'naya tekhnika: mezhvuz. sb. nauch.
tr. [Digital data-measuring technology: interuniversity collected papers]. Issue 11. Penza: Izd-vo Penz. politekhn. in-ta, 1981, pp. 26–29.
7. Products for Analog to Digital Converter. Available at: http://www.ti.com/lsds/ti/dataconverters/analog-to-digital-converter-products.page
8. Available at: http://www.analog.com/ru/analog-to-digital-converters/ad-converters/
products/index.html
9. Precision Sigma-Delta ADCs. Available at: http://www.maximintegrated.com/products/
data_ converters/adcs/precision-sd-adc.cfm
10. Ashanin V. N. Datchiki i sistemy [Sensors and systems]. 2011, no. 7, pp. 2–7.
11. Ashanin V. N. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2011, no. 3
(19), pp. 98–104.
Ашанин Василий Николаевич
кандидат технических наук, профессор,
заведующий кафедрой электротехники
и транспортного электрооборудования,
Пензенский государственный университет
(Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
Ashanin Vasiliy Nikolaevich
Candidate of engineering sciences,
professor, head of sub-department
of electrical engineering and transport
electrical equipment, Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia)
E-mail: eltech@pnzgu.ru
Чувыкин Борис Викторович
доктор технических наук, профессор,
кафедра информационно-вычислительных
систем, Пензенский государственный
университет (Россия, г. Пенза,
ул. Красная, 40)
Chuvykin Boris Viktorovich
Doctor of engineering sciences, professor,
sub-department of data-computing systems,
Penza State University (40 Krasnaya street,
Penza, Russia)
E-mail: Chuvykin_bv@mail.ru
Коротков Алексей Александрович
аспирант, Пензенский государственный
университет (Россия,
г. Пенза, ул. Красная, 40)
Korotkov Aleksey Aleksandrovich
Postgraduate student, Penza State
University (40 Krasnaya street, Penza,
Russia)
E-mail: lexifer@mail.ru
Сидорова Ирина Александровна
аспирант, Пензенский государственный
университет (Россия,
г. Пенза, ул. Красная, 40)
Sidorova Irina Aleksandrovna
Postgraduate student, Penza State
University (40 Krasnaya street, Penza,
Russia)
E-mail: Irina-penza@mail.ru
УДК 681.586.37
Ашанин, В. Н.
Анализ состояния и тенденций производства интегральных преобразователей информации Σ∆-архитектуры / В. Н. Ашанин, Б. В. Чувыкин, А. А. Коротков, И. А. Сидорова // Известия высших учебных заведений.
Поволжский регион. Технические науки. – 2014. – № 1 (29). – С. 26–35.
Engineering sciences. Computer science, computer engineering and control
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
ЭЛЕКТРОНИКА,
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.396.67
А. В. Зайцев, Е. С. Битаев, Е. В. Амозов, А. С. Романчук
МЕТОДИКА СИНТЕЗА СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОЙ
ЛИНЕЙНОЙ ПЕЧАТНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
С ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ ЗАДАННОЙ ФОРМЫ
Аннотация.
Актуальность и цели. Известные способы создания диаграммы направленности косекансной формы для традиционных типов антенн не обеспечивают
излучения и приема сверхширокополосных (СШП) сигналов. Задача создания
антенных систем для СШП-сигналов является новой. Использование микрополосковых печатных антенных решеток является наиболее приоритетной
технологией, способной обеспечить высокую повторяемость размеров, низкую
стоимость, малые металлоемкость и массу. Для микрополосковых СШП антенных решеток, использующих сигналы простой и сложной формы, пока еще
не имеется апробированных способов формирования диаграммы направленности заданной формы, так как к расчету СШП-антенн неприемлемы классические
методы электродинамики, разработанные для гармонических сигналов.
Материалы и методы. При выполнении исследований использованы системный подход, методы классической электродинамики, элементы теории
оптимизации, антенных измерений характеристик излучателей, численные
методы решения граничных задач электродинамики, натурные испытания
и электродинамическое моделирование с использованием пакета CST
MICROWAVE STUDIO, основанное на методе конечных разностей во временной области (FDTD). Для расчета амплитудного и фазового распределения
в качестве инструментальной системы использован математический пакет
MATLAB.
Результаты. Разработана методика синтеза конструкции СШП линейной
печатной антенной решетки с диаграммой направленности заданной формы,
включающая оптимизацию параметров входящего в состав антенной решетки
одиночного излучателя, учитывающая значения параметров аналитического
описания и результаты расчета амплитудных и фазовых весовых коэффициентов
диаграммы направленности заданной формы решетки, результаты полученного
путем электродинамического моделирования распределения поля на поверхности излучателей антенной решетки с использованием пакета CST DESIGN STUDIO, результаты расчета допустимого количества излучателей и параметров
микрополосковой системы питания решетки, электродинамического моделирования параметров и характеристик линейной печатной антенной решетки в целом, количественную оценку сходимости полученного амплитудного и фазового
распределения с расчетными.
Выводы. В ходе натурных экспериментов по среднеквадратичному отклонению произведена оценка сходимости формы диаграммы направленности
36
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
прототипа СШП печатной антенной решетки с результатами электродинамического моделирования.
Ключевые слова: сверхширокополосная печатная антенная решетка, микрополосковая система питания.
A. V. Zaytsev, E. S. Bitaev, E. V. Amozov, A. S. Romanchuk
TECHNIQUE OF SYNTHESIS OF UWB LINEAR
PRINTING ANTENNA LATTICE WITH DIRECTIONAL
PATTERN OF THE SET FORM
Abstract.
Background. The existing methods of creation of a directional pattern of cosecant form for traditional types of antenna types do not ensure radiation and reception of Ultrawideband (UWB) signals. The problem of creation of antenna systems
for UWB-signals is new. Use of microstrip printing antenna lattices is the most priority technology, capable of ensuring high recurrence of sizes, low cost, small metal
consumption and mass. For microstrip UWB antenna lattices, using the signals of
simple and complicated forms, at the present time there are no approved modes of
shaping of a directional pattern of the set form as the classical methods of electrodynamics, developed for harmonious signals, are unacceptable for UWB-antennas.
Materials and methods. In the course of research the authors used the system
approach, methods of classical electrodynamics, elements of the theory of optimization, antenna measurements of performances of emitters, numerical
methods of solution of boundary problems of electrodynamics, full-scale tests
and electrodynamic modelling via CST MICROWAVE STUDIO package, based
on a finite-difference method in temporary area (FDTD). To calculate peak and
phase distribution the researchers used MATLAB package as an instrument system.
Results. The authors developed a technique of synthesis of the structure of UWB
linear printing antenna lattice with a directional pattern of the set form, actuating optimization of parameters of the individual emitter, being a part of antenna lattice, considering values of parameters of analytical exposition and outcomes of calculating
peak and phase weight coefficients of a directional pattern of the set form of a lattice,
outcomes of the distribution of a field received by electrodynamic modelling on a surface of emitters of an antenna lattice using CST DESIGN STUDIO package,outcomes
of calculation of admissible quantity of emitters and parameters of a microstrip power
supply system of a lattice, electrodynamic modelling of parameters and performances
of a linear printing antenna lattice as a whole, quantitative assessment of convergence
of the received peak and phase distribution with the rated.
Conclusions. During full-scale experiments on mean squared deviation the authors estimated the convergence of a directional pattern form of a prototypeof UWB
printing antenna lattice with outcomes of electrodynamic modelling.
Key words: ultrawideband printed antenna array, microstrip power supply system.
Одним из основных направлений повышения информационных возможностей радиолокационных средств, по мнению отечественных и зарубежных специалистов, является переход к твердотельным фазированным антенным решеткам (ФАР) и использование сверхширокополосных (СШП)
сигналов простой и сложной формы [1]. Требование модульного построения
современных радиоэлектронных средств (РЭС) накладывает жесткие требоEngineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
вания на габариты антенных решеток. Кроме того, существует необходимость получения с помощью таких решеток диаграммы направленности специальной формы. В связи с этим возникает задача синтеза печатной антенной
решетки с диаграммой направленности специальной формы. Данная задача на
данный момент остается нерешенной из-за неприменимости классических
подходов электродинамики к расчету СШП-систем. Целью данного исследования является разработка одного из возможных подходов к расчету и формированию специального амплитудного и фазового распределения в СШП
линейной печатной антенной решетке. В качестве примера предложен способ
формирования распределения для диаграммы направленности косекансной
формы линейной СШП антенной решетки, состоящей из 16 излучателей.
Формирование диаграммы направленности (ДН) состоит в фазовом
сдвиге сигнала каждого излучателя, чтобы принятые с заданного направления
сигналы имели бы одинаковую фазу в точке, где они суммируются, формируя
ДН [1].
Аналитическое описание диаграммы направленности косекансной
формы (рис. 1) имеет следующий вид:
 Е (α) = 0; α < α1;

 E (α) = r ⋅ sec(α); α1 ≤ α ≤ α 2 ;

 E (α) = h ⋅ cos ec(α); α 2 ≤ α ≤ α3 ;
 E (α) = 0; α > α3 .
(1)
Рис. 1. Диаграмма направленности косекансной формы
Для исходных данных r = 30, h = 3, α1 = 0 °, α3 = 30 ° идеальная диаграмма направленности косекансной формы имеет вид, показанный на рис. 2.
Диаграмма направленности антенной решетки имеет вид
E (α) =
N −1

 E0 (n,α ) ⋅ F (n) ⋅ exp − j
n =0
2π n d sin α 
,
λ

(2)
где E0 (n,α) – диаграмма направленности n -го элемента решетки; F ( n) –
множитель элемента; d – шаг антенной решетки; λ – длина волны.
38
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
а)
б)
Рис. 2. Диаграмма направленности косекансной формы при исходных
данных в полярной (а) и в прямоугольной (б) системах координат
При одинаковости всех элементов решетки
E (α) N −1
 2πnd sin α 
=
F (n) ⋅ exp  − j
.
E0 (α) n=0
λ



(3)
После замены
β=
d
 βλ 
sin α; α = arcsin  
λ
 d 
(4)
получим
Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
 d ⋅ sin α 
 d ⋅ sin α 
E (β) = E 
 , E0 (β) = E0 
,
 λ 
 λ 
E (β) N −1
=
F (n) ⋅ exp [ − j 2πnβ ] .
E0 (β) n =0

(5)
Выражение (5) представляет собой ряд Фурье, действительная часть
комплексных весовых коэффициентов которого определяет амплитуды поля
СШП-сигнала на поверхности излучателя антенной решетки, а мнимая часть –
их фазы, позволяющие сформировать в пространстве диаграмму направленности косекансной формы СШП антенной решетки.
Здесь возможно применение прямого метода синтеза диаграммы
направленности через обратное преобразование Фурье, однако при этом коэффициенты ряда не достаточно точно определяют формирование диаграммы
направленности. В работе, однако, в качестве метода использованы положения теории синтеза цифровых фильтров, где β – нормированная частота
в диапазоне [1;–1], а n – коэффициенты фильтра. Инструментом явился пакет
математического моделирования MATLAB [2].
В результате синтеза с использованием теории цифровых фильтров
в разделе получены значения амплитудных и фазовых сдвигов на поверхности излучателей линейной антенной решетки из 16 излучателей и косекансная
форма диаграммы направленности (рис. 3).
Для формирования амплитудного распределения поля в полосковой
спиральной системе питания СШП антенной решетки использован подход,
заключающийся в определении нормированных коэффициентов деления
мощности СШП сигнала в тройниках спиральной системы питания антенной
решетки из 16 излучателей (рис. 4).
Для обеспечения распределения сигнала по элементам решетки в соответствии с расчетными данными на рис. 3,а использовано неравное деление
мощности СШП-сигнала на тройниках (рис. 5) способом, заключающимся
в изменении ширины плеч делителя, а тем самым и их волнового сопротивления.
Значения длины плеч l при этом определяются из выражения
l=
λ0
4 ε эф
,
(6)
где λ 0 – средняя в рабочей полосе тройника длина волны; ε эф – диэлектрическая проницаемость,
ε + 1 εr − 1 
h 
ε эф = r
+
 1 + 10 
2
2 
Wi 
−1/2
.
(7)
Волновые сопротивления плеч делителя Z 2 и Z3 пропорциональны
рассчитанной мощности левого и правого плеча соответствующего делителя
спиральной системы питания, Z1 принимается равным 50 Ом. Ширина плеч
делителя W2 и W3 определяется из соотношения
40
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
120π
ε эф
Zi =
5
 Wi
 Wi

+ 1, 444  
 + 1,393 + 0,667 ln 
 h
h
 
−1
.
(8)
5
4
 
A1
3
2
1
0
0
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
 
A0
10 11 12 13 14 15
15
а)
100
100
80
60
40
20
 
Ф
Ô1
0
− 20
− 40
− 60
− 100
− 80
− 100
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
 
Ф
Ô0
9
10 11 12
13 14 15
15
б)
Рис. 3. Полученные в результате синтеза коэффициенты
амплитудного (а) и фазового (б) распределения поля
на поверхности антенной решетки из 16 излучателей
а0,Р0 а1,Р1
а2,Р2 а3,Р3
а4,Р4 а5,Р5
а6,Р6 а7,Р7
а8,Р8 а9,Р9 а10,Р10 а11,Р11 а12,Р12 а13,Р13 а14,Р14 а15,Р15
Рвх0
Рис. 4. Спиральная система питания с нормированными коэффициентами
деления мощности: a0 , a1 , ..., an – ненормированные амплитуды сигналов
на излучателях, полученные в результате синтеза; P0 , P1, ..., Pn – нормированные
значения мощностей; N – количество излучателей (с 0 по 15)
Так, для деления мощности с 0,76 / 0,64 определены значения
Z 2 = 38,6 Ом, Z3 = 56,7 Ом, W2 = 1 мм, W3 = 0,55 мм.
В свою очередь для формирования фазового распределения поля в соответствии с расчетными значениями фазовых коэффициентов с учетом длины волны в диэлектрике в полосковой системе питания СШП антенной реEngineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
шетки также предложен способ управления фазовым распределением СШПсигнала, заключающийся в сдвиге Δx трансформатора (рис. 6) относительно
оси симметрии делителя.
Рис. 5. Предложенный способ изменения волнового сопротивления плеч делителя
СШП-сигнала тройника спиральной системы питания элементов антенной решетки
Рис. 6. Предложенный способ управления фазовым распределением СШП-сигнала
в спиральной полосковой системе питания СШП антенной решетки
На основе способа формирования амплитудного и фазового распределения СШП-сигнала в спиральной системе питания СШП линейной печатной
антенной решетки [3] в среде CST DESIGN STUDIO разработана электродинамическая модель решетки (рис. 7) из 16 излучателей с диаграммой направленности косекансной формы, с центральной частотой в 9,5 ГГц и произведено исследование характеристик модели.
На рис. 8,а показана зависимость коэффициента стоячей волны (КСВ)
в модели решетки от частоты. Рабочая полоса решетки составляет 2,1 ГГц (по
уровню КСВ = 2), коэффициент усиления в полосе имеет среднее значение
42
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
около 13 дБ (рис. 8,б). Уровень боковых лепестков – не более минус 13 дБ.
Размеры антенной решетки составляют 300×17×3 мм.
а)
б)
Рис. 7. Внешний вид (а) и система питания (б) модели
антенной решетки со специальным распределением
а)
б)
Рис. 8. Зависимость коэффициента стоячей волны (а) и коэффициента усиления (б)
от частоты в модели антенной решетки со специальным распределением
Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Способ построения системы питания элементов СШП антенной решетки, метод расчета амплитудного и фазового распределения поля излучателей
и способ формирования амплитудного и фазового распределения СШПсигнала в спиральной системе питания СШП линейной печатной антенной
решетки явились основой для разработки методики синтеза СШП линейной
печатной антенной решетки с диаграммой направленности косекансной
формы (рис. 9).
Рис. 9. Диаграмма направленности в линейном масштабе модели антенной
решетки со специальным распределением: …….. – расчетная,
_____ – с реализованной спиральной системой питания
Можно сделать вывод о высокой степени сходимости результатов теоретического расчета и электродинамического моделирования антенной решетки, что подтверждает адекватность методики синтеза СШП линейной печатной антенной решетки.
Список литературы
1. З а й ц е в , А . В. Способ формирования специального амплитудного и фазового
распределения в системе питания СШП линейной печатной антенной решетки /
А. В. Зайцев, Е. С. Битаев // Вестник Войсковой ПВО. – Вып. 7. – Смоленск :
ВА В ПВО, 2012.
2. З а й ц е в , А . В. Проектирование сверхширокополосной активной печатной антенной решетки с диаграммой направленности косекансной формы / А. В. Зайцев,
Е. С. Битаев, Е. В. Амозов // Оборонная техника : сб. – Смоленск, 2011. – № 9–10,
рег. № 119/32.
3. З а й ц е в , А . В. Cпособ формирования специального амплитудного и фазового
распределения в системе питания СШП линейной печатной антенной решетки /
А. В. Зайцев, Е. С. Битаев, Е. В. Амозов // Научная сессия, посвященная дню радио (RDC-2012) : материалы 67 Всерос. конф. с междунар. участием. – М., 2012.
References
1. Zaytsev A. V., Bitaev E. S. Vestnik Voyskovoy PVO [Bulletin of army anti-aircraft forces]. Issue 7. Smolensk: VA V PVO, 2012.
2. Zaytsev A. V., Bitaev E. S., Amozov E. V. Oboronnaya tekhnika: sb. [Defence technology: collected papers]. Smolensk, 2011, no. 9–10.
44
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
3. Zaytsev A. V., Bitaev E. S., Amozov E. V. Nauchnaya sessiya, posvyashchennaya dnyu
radio (RDC-2012): materialy 67 Vseros. konf. s mezhdunar. uchastiem [Scientific session dedicatred to the day of radio (RDC-2012): proceedings of 67th All-Russian conference with international participation]. Moscow, 2012.
Зайцев Александр Владимирович
кандидат технических наук, профессор,
кафедра радиотехнических средств
наблюдений, Военная академия
войсковой противовоздушной обороны
Вооруженных сил РФ имени Маршала
Советского Союза А. М. Василевского
(Россия, г. Смоленск, ул. Котовского, 2)
Zaytsev Aleksandr Vladimirovich
Candidate of engineering sciences,
professor, sub-department of radio aids
of observation, Millitary Academy of Army
Anti-Aircraft Forces of the Armed Forces
of the Russian Federation named after
the USSR Marshal A. M. Vasylevsky
(2 Kotovskogo street, Smolensk, Russia)
E-mail: zaitsev1971@yandex.ru
Битаев Евгений Сергеевич
начальник научно-исследовательской
лаборатории, Военная академия
войсковой противовоздушной обороны
Вооруженных сил РФ имени Маршала
Советского Союза А. М. Василевского
(Россия, г. Смоленск, ул. Котовского, 2)
Bitaev Evgeniy Sergeevich
Head of research laboratory, Millitary
Academy of Army Anti-Aircraft Forces
of the Armed Forces of the Russian
Federation named after the USSR Marshal
A. M. Vasylevsky (2 Kotovskogo street,
Smolensk, Russia)
E-mail: info@zavant.ru
Амозов Евгений Владимирович
адъюнкт, Военная академия войсковой
противовоздушной обороны
Вооруженных сил РФ имени Маршала
Советского Союза А. М. Василевского
(Россия, г. Смоленск, ул. Котовского, 2)
Amozov Evgeniy Vladimirovich
Postgraduate student, Millitary Academy
of Army Anti-Aircraft Forces of the Armed
Forces of the Russian Federation named
after the USSR Marshal A. M. Vasylevsky
(2 Kotovskogo street, Smolensk, Russia)
E-mail: info@zavant.ru
Романчук Александр Сергеевич
адъюнкт, Военная академия войсковой
противовоздушной обороны
Вооруженных сил РФ имени Маршала
Советского Союза А. М. Василевского
(Россия, г. Смоленск, ул. Котовского, 2)
Romanchuk Aleksandr Sergeevich
Postgraduate student, Millitary Academy
of Army Anti-Aircraft Forces of the Armed
Forces of the Russian Federation named
after the USSR Marshal A.M. Vasylevsky
(2 Kotovskogo street, Smolensk, Russia)
E-mail: info@zavant.ru
УДК 621.396.67
Зайцев, А. В.
Методика синтеза сверхширокополосной линейной печатной антенной решетки с диаграммой направленности заданной формы /
А. В. Зайцев, Е. С. Битаев, Е. В. Амозов, А. С. Романчук // Известия высших
учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2014. –
№ 1 (29). – С. 36–45.
Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
УДК 621.38; 538.9
С. А. Гурин, Р. М. Печерская
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ
СТРУКТУРЫ «НИТРИД АЛЮМИНИЯ НА КАРБИДЕ
КРЕМНИЯ» ДЛЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА
Аннотация.
Актуальность и цели. Применение широкозонных полупроводников карбида кремния (SiC) и нитрида алюминия (AlN) связано с особенностями их
физических и химических свойств, а также технологической совместимостью
при производстве первичных преобразователей микросистем. Особый интерес
представляет получение стабильных структур «нитрид алюминия на карбиде
кремния», возможности их применения в чувствительных элементах микросистем функциональной электроники, реализующих пьезоэффект в пленке нитрида алюминия на фоне повышенных прочностных характеристик карбида
кремния в экстремальных условиях. Целью данной работы является аппаратная и ресурсная оптимизация технологических условий получения гетерогенной структуры SiC-AlN для первичных преобразователей микросистем, расчет
влияния термомеханических остаточных напряжений на границе тонкопленочной структуры и подложки.
Материалы и методы. Сравнительный анализ свойств полученных образцов проводился с помощью оптической и растровой электронной микроскопии с целью определения оптимальных технологических режимов получения
композиции SiC-AlN, оценки влияния факторов, вносимых ионно-плазменными процессами. Расчет внутренних остаточных напряжений выполнен с
учетом различий температурных коэффициентов линейного расширения материалов (термическая составляющая) и модулей упругости (механическая составляющая). Это дает возможность прогнозирования характеристик структуры при минимизации времени натурных экспериментов.
Результаты. Исследованы режимы получения гетерогенной структуры
SiC-AlN на кремниевой подложке ориентации (100). Определены условия возникновения в пленках пьезоэлектрических свойств AlN и прочностных характеристик диэлектрического слоя SiC с точки зрения применения в чувствительных элементах микросистем экстремальной электроники. Проведен расчет
влияния термомеханических остаточных внутренних напряжений на качество
получаемых.
Выводы. Экспериментально отработаны технологические режимы получения гетерогенных структур на основе композиции SiC-AlN с заданными свойствами. Данная структура может использоваться в чувствительных элементах
датчиков, работающих в жестких условиях эксплуатации. Предложенный расчет внутренних остаточных напряжений на границе раздела между тонкопленочной структурой и подложкой позволяет прогнозировать условия получения
гетероструктур и оценивать морфологию пленок.
Ключевые слова: тонкопленочная структура, технология получения, остаточные внутренние термомеханические напряжения.
S. A. Gurin, R. M. Pecherskaya
PARTICULARITIES OF MANUFACTURING
A STRUCTURE OF "ALUMINIUM NITRIDE
ON SILICON CARBIDE" FOR A SENSING ELEMENT
46
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
Abstract.
Background. The application of silicon carbide and aluminum nitride wide-gap
semiconductors is connected with the particularities of their physical and chemical
properties as well as technological compatibility while manufacturing primary microsystems converters. Of particular interest is manufacturing of stable structures of
"aluminum nitride on silicon carbide" and the possibility of their use in sensitive elements of functional electronics microsystems which have a piezoeffect in a film of
aluminum nitride with high strength characteristics of silicon carbide in extreme
conditions. The aim of this work is the hardware and resource optimization of process conditions of obtaining a heterogeneous structure SiC-AlN for primary microsystems converters and calculation of the influence of thermomechanical residual
voltage at the boundary of thin film structure and the substrate.
Materials and methods. The authors carried out the comparative analysis of the
obtained patterns properties by means of optical and scanning electron microscopy
in order to determine the optimum technological conditions of obtaining SiC-AlN
composition and to evaluate factors of ion-plasma processes. The calculation of internal residual voltage was conducted taking into account the differences of temperature coefficients of linear expansion of materials (thermal component) and elastic
moduli (mechanical component). This makes it possible to forecast structural characteristics while minimizing the time of field experiments.
Results. The modes of obtaining a heterogeneous SiC-AlN structure on the silicon substrate of (100) orientation were studied. The authors determined the conditions of the AlN piezoelectric properties in films and the strength characteristics of
the SiC dielectric layer in terms of application of extreme electronics microsystems
in SE. The researchers carried out calculation of the effect of thermomechanical internal residual voltage on the properties of the obtained heterostructures.
Conclusions. Technological regimes of obtaining heterogeneous structures based
on SiC-AlN composition with desired properties were experimentally tested. This
structure can be used in SE sensors operating in harsh environments. The offered
calculation of internal residual voltages at the interface between the substrate and
the thin film structure allows to predict the conditions for obtaining heterostructures
and evaluate the morphology of the films
Key words: thin film structure, technology of creating, residual internal thermomechanical voltage.
Повышенный интерес к изучению свойств широкозонных полупроводников карбида кремния (SiC) и нитрида алюминия (AlN) связан с особенностями их физических и химических свойств, а также технологической совместимостью при производстве первичных преобразователей микросистем [1].
В работах [2, 3] описаны методы, реализующие возможность получения слоев
данных материалов, где AlN выступает в качестве диэлектрического подслоя,
служащего матрицей для задания структурам SiC необходимого политипа.
Изготовление чувствительного элемента (ЧЭ) на основе указанной тонкопленочной структуры методами фотолитографии имеет ограничения из-за повышенных требований по стабильности параметров материалов. В настоящей
работе исследованы структуры «нитрид алюминия на карбиде кремния», возможности для применения в ЧЭ микросистем функциональной электроники,
реализующих пьезоэффект в пленке нитрида алюминия на фоне повышенных
прочностных характеристик карбида кремния в экстремальных условиях. При
этом обеспечиваются кристаллохимическая и термомеханическая совместиEngineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
мости, механическая стойкость, включая их упругость, твердость, механическую усталость и т.д. [4].
В настоящее время для получения объемных монокристаллов или эпитаксиальных слоев SiC и AlN с требуемой ориентацией методами эпитаксии
(молекулярно-лучевая эпитаксия), или CVD, требуется дорогостоящее и
сложное прецизионное оборудование. В данной работе технология получения
слоев материалов для ЧЭ с заданными характеристиками на кремниевой подложке с ориентацией (100) реализована на установках вакуумного плазменного напыления Amod (магнетронное распыление) и модернизированной
установке Aspira 150 (ионно-лучевое распыление). Диэлектрические пленки
карбида кремния получены методом ВЧ магнетронного распыления с обработкой поверхности подложки из кремния и самой растущей пленки ионным
источником для увеличения ее сплошности. Давление в камере 10–7 Па позволило исключить влияние фоновых примесей из остаточной атмосферы
(в первую очередь азота) на диэлектрические свойства материала и уменьшить влияние примесей на адгезию к подложке и внутренние остаточные
напряжения. Известно, что при увеличении остаточного давления в камере
в 1,5 раза происходит резкое возрастание остаточных внутренних механических напряжений до значения 500 МПа [5]. Температура подложки варьировалась от 150 до 350 °С с целью выявления наиболее качественной адгезии
в области низких температур.
Морфология полученных пленок исследована на оптическом микроскопе HIROX 7700 (рис. 1).
Рис. 1. Поверхность пленки SiC (увеличение ×7000)
Видно, что пленка имеет поликристаллическую структуру. Модуль
Юнга в поликристаллических пленках карбида кремния лежит в интервале
480–500 ГПа, что близко известному из [6] значению для монокристаллического слоя и практически не зависит от технологических параметров при синтезе пленки. В низкотемпературной области при получении тонких пленок
SiC с ростом температуры происходит незначительное увеличение внутренних механических напряжений (рис. 2).
48
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
σн, МПа
T, °C
Рис. 2. Температурная зависимость внутренних
сжимающих механических напряжений в пленках SiC
Установлено, что изменение давления рабочего газа не влияет на изменение внутренних остаточных напряжений. Незначительное увеличение остаточной атмосферы без использования ионной обработки (ассистирования)
растущей пленки приводит к росту механических напряжений на границе
пленка–подложка. Это явление вызвано неравномерным вхождением ионов
примеси в слои пленки из-за неравномерного распределения потенциала [7].
Условия снятия потенциала (его равномерное распределение) обеспечивается
плазменной очисткой подложки, очисткой ионным источником подложки и
поочередной бомбардировкой ионами растущей пленки в едином вакуумном
цикле. Очистка и осаждение пленки в едином технологическом цикле применяются для снижения разрывов ковалентной связи на поверхности кристалла
кремния между атомами, которое приводит к загрязнению приповерхностного слоя (восстановление равновесия путем притяжения загрязняющих частиц
в процессе переноса пластин). Загрязнения на поверхности кремния ведут
к неравномерному распределению потенциала падающего ионного потока.
Влияние термомеханической составляющей остаточных напряжений σт
оценено по разнице температурных коэффициентов линейного расширения
пленки αSiC и подложки αSi на разнице температур роста T1 и измерения T2
с учетом модуля упругости ESiC:
T2
σт =
 ESiC ( αSiC − αSi ) dT ;
(1)
T1
σ т согласно [6] не может превысить 100 МПа.
В работе [8] установлено, что удельное сопротивление слоев карбида
кремния, полученных при низких температурах на 7 порядков выше, чем при
высокотемпературном распылении (рис. 3).
В настоящей работе пленки SiC, полученные магнетронным распылением с ионной обработкой и последующим ассистированием, имели удельное
поверхностное сопротивление порядка ρs = 100 ГОм. Сопротивление измерено четырехзондовым методом на приборе ВИК-УЭС А.
Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
lgp, Ом/см
T, °C
Рис. 3. Зависимость удельного сопротивления слоев SiC от температуры роста
Текстурированные пьезоэлектрические пленки AlN, используемые
в качестве приборного слоя, получены на подложке из кремния с нанесенным
слоем SiC толщиной 3 мкм при ионно-лучевом распылении мишени из Al
в аргоново-азотной смеси на модернизированной установке Aspira 150 при
остаточном давлении порядка (1…5) · 10–5 Па с целью исключения геттерирования реакционного газа, которое проявляется при магнетронном распылении в результате излучения плазмы. При ионно-лучевом распылении мишень
и подложка находятся вне плазмы, что качественно улучшает свойства структуры. Температура подложки варьировалась от 150 до 450 °С. Текстуры
с удовлетворительными свойствами возникали при 400 °С. Давление рабочей
смеси в вакуумной камере поддерживалось (1...3) · 10–3 Па в соотношении
газов Ar : N2 = 1 : 1. При уменьшении процентного соотношения аргона
наблюдается снижение скорости распыления материала мишени и ухудшение
свойств осаждаемой пленки. Это связанно с химической активностью азота,
вступающего в соединение с материалом мишени на ее поверхности (эффект
«отравления» мишени), и недостаточной энергии бомбардирующих ионов по
сравнению с кинетической энергией ионов аргона для интенсивного выбивания атомов и конгломератов атомов (кластеров) из мишени. Скорость распыления количественно определяется через коэффициент распыления S, который можно определить следующим соотношением:
S=
Nr
,
Na
(2)
где N a , N r – количество ионов, бомбардирующих подложку, и распыленных
частиц соответственно.
Для создания необходимой текстуры пленки и пьезоэлектрических
свойств подложка с нанесенным слоем SiC предварительно подвергалась
ионной бомбардировке из ионного источника аналогично [9]. По завершении
процесса распыления происходит компенсация поверхностного заряда. Чтобы не происходила релаксация заряда, сопровождающаяся появлением оста-
50
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
точных напряжений в пленке, в едином вакуумном цикле проведена термостабилизация структуры при 580 °С в течение 1,5 ч и отрицательном напряжении на подложкодержателе во время остывания подложек.
Полученная пленка AlN имеет столбчатую структуру (рис. 4).
Рис. 4. Снимок поперечного разреза структуры SiC-AlN
с помощью растрового электронного микроскопа
Адгезия гетероструктуры SiC-AlN к кремниевой подложке Si оценена
по остаточным механическим напряжениям, возникающим между пленками и
подложкой, с учетом модуля упругости и температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) материалов. Поскольку пленки и SiC, и AlN обладают сжимающими напряжениями, можно рассчитать упругое воздействие
гетероструктуры на подложку, усреднив тонкопленочные слои по толщине:
E h + EAlN hAlN
Eh = SiC SiC
,
hSiC + hAlN
(3)
где hSiC , hAlN – толщины полученных пленок; ESiC , EAlN – модули упругости материалов.
Влияние, вносимое ТКЛР материалов композиции SiC-AlN на подложку, рассчитано с учетом усреднения полученных пленок по толщине:
α h + α AlN hAlN
,
α h = SiC SiC
hSiC + hAlN
(4)
Влияние термомеханической составляющей остаточных напряжений σт
между гетероструктурой SiC-AlN и подложкой, учитывая формулы (3) и (4),
можно оценить выражением
T2
σT =
 Eh ( αh − αSi ) dT .
(5)
T1
Результаты представленной работы показывают, что заданные параметры реализуются технологическими режимами в процессе роста пленок. Качество полученных гетерогенных структур можно оценить по формирующимся
остаточным механическим напряжениям в пленках по сравнению с различием
температурных коэффициентов линейного расширения между пленками и
подложкой.
Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Список литературы
1. Л у ч и н и н , В. В. Гетероэпитаксиальная композиция: редкий политип карбида
кремния 2H на изолирующей подложке: нитрид-алюминий-сапфир / В. В. Лучинин, Ю. М. Таиров // Письма в Журнал технической физики. – 1984. – Т. 10,
№ 14. –- С. 873–874.
2. К о р л я к о в, А . В. Микромеханические структуры на основе композиции «Карбид кремния – нитрид алюминия» / А. В. Корляков, В. В. Лучинин, П. П. Мальцев //
Микроэлектроника. – 1999. – Т. 28, № 3. – С. 201–212.
3. K o r lv a k o i, A . V . SiC–AIN Structure Based MEMS / A. V. Korlvakoi, V. V. Luchinin // Transaction of 4-th International Conference High Temperature Electronics
Conference, Albuquerque. – New Mexico, USA, 1998. – Vol. I. – P. 250–252.
4. Б а р и н о в , И . Н . Конструктивно-технологические проблемы обеспечения долговременной стабильности параметров высокотемпературных полупроводниковых тензорезистивных датчиков давлений / И. Н. Баринов, В. С. Волков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2011. –
Спецвыпуск № 3. – С. 85–95.
5. К о р л я к о в, А . В. Ростовые фазовые политипные превращения при эпитаксии карбида кремния и нитрида алюминия : дис. … канд. физ.-мат. наук / Корляков А. В. – Л., 1989.
6. L e l y , J . A . Darstellung von einkristallen von silicon carbid und berherrshung von art
und menge der eingebauten verunrei-nigungen / J. A. Lely // Ber. Deut. Keram. Ges. –
1955. – Bd. 8. – S. 229.
7. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой / под ред. Р. Бериша. – М. :
Мир, 1984. – 336 с.
8. К у з н е ц о в, А . Н . Гетероэпитаксиальный рост пленок SiC на основе подложек
AlN/Al2O3 / А. Н. Кузнецов, А. А. Лебедев, М. Г. Растегаева, Н. А. Рогачев,
Е. И. Теруков, М. П. Щеглов // Физика и техника полупроводников. – 1995. – № 8. –
С. 141–147.
9. Ion-chemical epitaxy of SiC-AlN composition / A. Z. Kazak-Kazakevich, A. V. Korlyakov, S. V. Kostromin, V. V. Luchinin // Abstract E-MRS 1996 Spring Meeting. –
Strasbourg, France, 1996. – P. A–26.
References
1. Luchinin V. V., Tairov Yu. M. Pis'ma v Zhurnal teoreticheskoy fiziki [Letters to the
journal of theoretical physics]. 1984, vol. 10, no. 14, pp. 873–874.
2. Korlyakov A. V., Luchinin V. V., Mal'tsev P. P. Mikroelektronika [Microelectronics].
1999, vol. 28, no. 3, pp. 201–212.
3. Korlvakoi A. V., Luchinin V. V. Transaction of 4-th International Conference High
Temperature Electronics Conference, Albuquerque. New Mexico, USA, 1998, vol. I,
pp. 250–252.
4. Barinov I. N., Volkov V. S. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2011, Spetsvypusk [Special issue] no. 3, pp. 85–95.
5. Korlyakov A. V. Rostovye fazovye politipnye prevrashcheniya pri epitaksii karbida
kremniya i nitrida alyuminiya: dis. kand. fiz.-mat. nauk [Growing phase polytypic conversion in conditions of silicon carbide epitaxy and aluminum nitride: dissertation to
apply for the degree of the candidate of physical and mathematical sciences]. Leningrad, 1989.
6. Lely J. A. Ber. Deut. Keram. Ges. 1955, vol. 8, p. 229.
7. Raspylenie tverdykh tel ionnoy bombardirovkoy [Dispersion of solid bodies through ion
bombardment]. Ed. R. Berish. Moscow: Mir, 1984, 336 p.
52
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
8. Kuznetsov A. N., Lebedev A. A., Rastegaeva M. G., Rogachev N. A., Terukov E. I.,
Shcheglov M. P. Fizika i tekhnika poluprovodnikov [Physics and technology of semiconductors]. 1995, no. 8, pp. 141–147.
9. Kazak-Kazakevich A. Z., Korlyakov A. V., Kostromin S. V., Luchinin V. V. Abstract
E-MRS 1996 Spring Meeting. Strasbourg, France, 1996, p. A–26.
Гурин Сергей Александрович
начальник лаборатории, Научноисследовательский институт физических
измерений (Россия, г. Пенза,
ул. Володарского, 10)
Gurin Sergey Aleksandrovich
Head of laboratory, Research Institute
of Physical Measurements
(10 Volodarskogo street, Penza, Russia)
E-mail: teslananoel@rambler.ru
Печерская Римма Михайловна
доктор технических наук, профессор,
декан факультета электроэнергетики,
нанотехнологий и радиоэлектроники,
Пензенский государственный
университет (Россия, г. Пенза,
ул. Красная, 40)
Pecherskaya Rimma Mikhaylovna
Doctor of engineering sciences, professor,
dean of the faculty of electrical power
engineering, nanotechnology and radio
electronics, Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia)
E-mail: fenr@pnzgu.ru
УДК 621.38; 538.9
Гурин, С. А.
Особенности технологии получения структуры «нитрид алюминия на карбиде кремния» для чувствительного элемента / С. А. Гурин,
Р. М. Печерская // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2014. – № 1 (29). – С. 46–53.
Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
УДК 681.586, 532 (075.8)
В. Е. Шикина
РАСЧЕТ ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКОГО
ПЕРВИЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ МАССОВОГО
РАСХОДОМЕРА ЖИДКОСТЕЙ
Аннотация.
Актуальность и цели. Измерение массового расхода необходимо в таких
областях промышленности, как химическая, нефтехимическая, пищевая, фармацевтическая, целлюлозно-бумажная. Традиционные конструкции массовых
расходомеров содержат одну или две металлические измерительные трубки,
совершающие кориолисовые колебания за счет наличия внешнего виброгенератора, расположенного в центре, и двух датчиков, регистрирующих данные
колебания на концах измерительной трубки. В качестве виброгенераторов либо в качестве датчиков регистрации могут применяться пьезоэлементы в форме пластин. Представляет интерес разработка измерительной трубки, полностью выполненной из пьезокерамического материала с нанесенными электродами. Это упрощает конструкцию, поскольку не требует наличия внешних
возбудителей и сенсоров. Целью данной работы является исследование характеристик первичного преобразователя для массового расходомера, представляющего собой пьезоэлектрический резонатор, по которому протекает измеряемая жидкость.
Материалы и методы. Для определения зависимости частоты изгибных
колебаний преобразователя от массового расхода протекающей среды использован синтез при исследовании динамических характеристик и устойчивости
тел вращения и гидродинамических процессов в колеблющихся потоках жидкостей. С учетом особенностей взаимодействия потока с внутренней поверхностью пьезорезонатора в качестве основных параметров жидкостей, оказывающих влияние на его стенки, определены касательное напряжение и максимальная безразмерная толщина вязкого подслоя.
Результаты. Исследована зависимость частоты колебаний пьезорезонатора от скорости течения, плотности и вязкости различных жидкостей, что в конечном итоге определяет массовый расход. Проведены эксперименты с проливом через преобразователь воды, пива, молока и тосола-40. Все зависимости
на начальном участке носят нелинейный характер. Прослеживается повторяемость результатов при соблюдении одних и тех же условий.
Выводы. Проведенные экспериментальные исследования преобразователя
подтвердили теоретические расчеты и показали возможность его использования для измерения малых расходов в пищевой, химической и фармацевтической отраслях.
Ключевые слова: пьезокерамический первичный преобразователь, пьезоэлектрический резонатор, частота колебаний, протекающая жидкость, массовый расход.
V. E. Shikina
CALCULATION OF FREQUENCY
OF OSCILLATIONS OF A PIEZOCERAMIC PRIMARY
CONVERTER FOR MASS FLOWMETER OF LIQUIDS
54
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
Abstract.
Background. Measurement of mass flow rate is necessary in industries such as
chemical, petrochemical, food, pharmaceutical, pulp and paper. Traditional designs
of mass flowmeters contain one or two metal measuring tubes, performing Coriolis
fluctuations due to the presence of an external vibrogenerator located in the centre,
and two sensors registering these fluctuations at the ends of the measuring tube. Piezoelements in the form of plates may be applied as vibrogenerators or as sensors.
The development of measuring tubes completely made of piezoceramic material
with printed electrodes os of interest. It simplifies the design as it does not require
external exciters and sensors. The aim of this work is to study the characteristics of
a primary converter of a mass flowmeter, which is a piezoelectric resonator, through
which there flows the measured liquid.
Materials and methods. To determine the dependence of the frequency of flexural vibrations of the transducer on the mass flow of the flow medium the author
carried out a synthesis study of dynamic characteristics and stability of body rotation and hydrodynamic processes in oscillating flows of liquids. Taking into account
the peculiarities of the interaction of the flow with the inner surface of a piezoresonator as the main parameters of liquids, influencing its walls, the researcher defined
tangential stress and maximum dimensionless height of a viscous sublayer.
Results. The author researched the dependence of the oscillation frequency of
apiezoresonator on the flow velocity, density and viscosity of different liquids that
ultimately determine the mass flow. The researcher conducted the experiments of
pouring the water, beer, milk and antifreeze-40 through a resonator. All the dependencies of the initial segment are non-linear. There is a trend of repeatability of the
results subject to the same conditions.
Conclusions. Experimental research of the converter confirmed the theoretical
calculations and showed the possibility of its use in low flow measurement in food,
chemical and pharmaceutical industries.
Key words: piezoceramic primary converter, piezoelectric resonator, rate oscillations, flowing liquid, mass flow.
Введение
В настоящее время в расходометрии пьезоэлектрические элементы, выполненные из пьезокерамики или пьезокварца, используются при изготовлении ультразвуковых и вихревых расходомеров, измеряющих объемный расход сред, а также массовых расходомеров [1]. По форме пьезоэлементов и
видам используемых колебаний можно сказать, что в основном применяются
пьезоэлементы, имеющие простую форму пластины и использующиеся в качестве излучателей или приемников одномерных колебаний сдвига по толщине. Использование более сложных двумерных видов колебаний изгиба отмечено у вихревых расходомеров, однако в этом случае пьезоэлементы в виде
пластины используются только для восприятия напряжений, являясь составным элементом внутри общей конструкции.
Традиционные конструкции массовых расходомеров, как правило, содержат одну или две металлические (нержавеющая сталь, титан, Хастеллой)
измерительные трубки, совершающие кориолисовые колебания за счет наличия внешнего виброгенератора, расположенного в центре, и двух датчиков,
регистрирующих данные колебания на концах измерительной трубки. Пьезоэлементы простой формы применяются либо в качестве виброгенераторов,
либо в качестве датчиков регистрации кориолисовых колебаний, т.е. являются внешними элементами общей конструкции [2]. Следует отметить, что изEngineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
мерение массового расхода является более точным по сравнению с объемным
и необходимо в таких областях промышленности, как химическая, нефтехимическая, пищевая, фармацевтическая, целлюлозно-бумажная.
Проведенные исследования показали, что в расходометрии практически
не применяются пьезоэлементы более сложных форм в виде тел вращения,
которые при соответствующей поляризации и определенном нанесении системы входных и выходных электродов можно использовать как единую колебательную систему для возбуждения и регистрации колебаний, т.е. в виде
законченной конструкции, заключенной в одном модуле. Это упрощает конструкцию, поскольку исключает использование внешних элементов. Поэтому
целью работы являлась разработка и исследование первичного преобразователя для массового расходомера жидкостей, представляющего собой полый
пьезокерамический цилиндр, по которому протекает измеряемая жидкость, и
который является частью основного трубопровода [3].
1. Конструкция первичного преобразователя массового расходомера
В качестве материала для изготовления первичного преобразователя
использована пьезокерамика цирконата-титаната свинца ЦТС-19, выбор которой, а также ограничения по соотношению геометрических размеров преобразователя описаны в [4].
Прототипом конструкции первичного преобразователя для массового
расходомера является цилиндрический виброгироскоп, описанный в [5] и
представленный на рис. 1. В данном случае преобразователь расположен горизонтально, однако возможно и вертикальное расположение.
Рис. 1. Внешний вид первичного преобразователя расходомера
Цилиндр закреплен в точках входа и выхода и колеблется так, что максимальная амплитуда находится в средней точке между точками закрепления.
Этот момент необходимо учитывать при нанесении выходных электродов на
внешнюю поверхность цилиндра. Кориолисовые силы, образуемые в каждой
половине цилиндра, имеют одинаковую величину, но противоположное
направление. Эта пара сил создает изгибающий момент, который закручивает
цилиндр и вызывает его деформацию. Таким образом, при наличии движущейся жидкости внутри цилиндр неизбежно совершает колебания.
56
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
Система из четырех входных электродов, расположенных на концах
цилиндра, обеспечивает при соответствующей поляризации и подаче рабочего напряжения изгибные колебания, которые усиливаются при протекании
жидкости внутри конструкции. Такая конструкция представляет собой пьезорезонатор [6]. Два выходных электрода, расположенных в центре цилиндра,
имеют квадратную или круглую форму и служат для получения частотного
выходного сигнала, пропорционального массовому расходу протекающей
жидкости.
2. Расчет частоты колебаний первичного преобразователя
При изгибных колебаниях цилиндра на единицу длины действует распределенная нагрузка [7]:
σ = −m
∂2 y
∂t 2
= −ρS
∂2 y
∂t 2
,
(1)
где m – масса, приходящаяся на единицу длины цилиндра; ρ – плотность; S –
площадь поперечного сечения цилиндра; у – прогиб при колебаниях.
В общем случае зависимость частоты колебаний пьезорезонатора от
механических напряжений определяется следующим образом:
f = f 0 1 + kσ,
(2)
где f0 – собственная частота колебаний пьезорезонатора;
R
l
k= 2
,
E 4dh 2
здесь R2 – постоянный коэффициент, зависящий от подвода усилия; Е – модуль упругости; l, d, h – длина, диаметр и толщина цилиндра соответственно.
Собственная частота пьезорезонатора может быть представлена следующим выражением:
f0 =
α2
2πl 2
EJ
,
m
m = ρdh,
J=
dh3
,
12
(3)
где α2 – корень частотного уравнения изгибных колебаний полого цилиндра,
определяемый в зависимости от способа закрепления; J – момент инерции.
Для конструкции, жестко закрепленной с двух сторон, при условии
возникновения формы колебаний, представленной на рис. 2 (i = 1), α2 = 22,37.
Рис. 2. Формы собственных колебаний конструкции
Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Значение коэффициента R2 при соответствующем нанесении электродов равно 2,6.
Исследованиям подвергались пьезокерамические цилиндры, имеющие
следующие геометрические размеры: l = 0,01 м; d = 0,011 м; h = 0,001 м.
Подставляя данные значения в формулу (3), а также учитывая, что для пьезокерамики ЦТС-19 модуль упругости Е = 0,7 · 1011 н/м2, а плотность
ρ = 7,5 · 103 кг/м3, получено значение собственной частоты колебаний полого
пустого цилиндра, равное 62,8 кГц.
Тогда окончательно имеем
R
l
f = 62800 1 − 2
σ.
E 4dh 2
(4)
В формуле (4) под вторым корнем знак «+» изменен на «–», так как
согласно формуле (1) распределенная нагрузка σ имеет отрицательное
значение.
Поскольку при использовании пьезорезонатора в качестве датчика для
массового расходомера внутри него протекает измеряемая жидкость, необходимо рассмотреть взаимодействие потока с внутренней поверхностью пьезорезонатора и определить те параметры жидкости, которые оказывают влияние на его стенки.
Анализируя гидродинамические процессы в трубопроводе при протекании жидкостей, можно сказать, что распределенная нагрузка или напряжение σ в цилиндрическом пьезорезонаторе определяется касательным напряжением трения на его внутренней стенке τW [8]:
σ = τW = τW 0 + ΔτW ,
(5)
где τW0, ΔτW – осредненное по времени и пульсационное касательное напряжение соответственно.
При ламинарном стабилизированном стационарном режиме течения
жидкости в трубопроводе
τW = ξ
ρU 02 64 ρU 02
8
8ν
=
=
ρU 02 = ρU 0 ,
d
8
Re 8
Re
(6)
где ξ – коэффициент гидравлического сопротивления; ρU0 – статическая соU d
ставляющая массовой скорости; Re = 0 – число Рейнольдса, d – диаметр
ν
трубопровода; ν – коэффициент кинетической вязкости.
В случае нестационарного режима течения касательное напряжение
трения можно представить следующим образом:
τW = τW 0 + ΔτW ; τW 0 =
ΔτW =
58
8ρU 02
∂ΔU 0
+ Δ ( ρU 0 )
Re0
∂x
8ν
ρU 0 ;
d
∂ΔU 0
2ν 8νρU 0
=
+ Δ ( ρU 0 )
ω
d0
∂x
2ν
;
ω
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
1 1 
∂ΔU 0
τW = 8νρU 0  +
 + Δ ( ρU 0 )
∂x
 d d0 
2ν
,
ω
(7)
где d0 = 4S/П, П – периметр канала; Δ(ρU) – колебательная составляющая массовой скорости; ω – угловая частота.
Следовательно, при σ = τw получено:
– для ламинарного стабилизированного стационарного режима течения:
R
2 R2lν
l
8ν
f = 62800 1 − 2 ⋅
⋅ ⋅ ρU 0 S = 62800 1 −
⋅ ρU 0 S ;
E 4dh 2 d
Ed 2 h 2
(8)
– для ламинарного нестационарного режима течения:
f = 62800 1 −
1 1 
∂ΔU 0 S
R2l 
8νρU 0 S  +

 + Δ ( ρU 0 S )
2
∂x
4 Edh 
 d d0 
2ν 
.
ω 
(9)
Рассматривая турбулентный режим течения, необходимо использовать
четырехслойную модель потока (вязкий подслой, промежуточный подслой,
логарифмический слой и турбулентное ядро) [9].
Деформация профиля скорости наблюдается вблизи стенки, тогда как
ядро потока колеблется как «жесткий стержень». Максимум скорости смещается к стенке, и течение носит характер пограничного слоя.
Здесь необходимо ввести понятие турбулентной вязкости. При стационарном режиме течения турбулентная вязкость определяет связь между
напряжением Рейнольдса и градиентом средней скорости. В квазистационарном стабилизированном колебательном режиме течения предполагается, что
турбулентная вязкость во времени не изменяется и зависит только от универсальной переменной η:
η=
τW y
,
ρ ν
(10)
где y – поперечная координата, отсчитываемая от стенки канала; ρ – плотность жидкости.
Изменение значения касательного напряжения на стенке канала в течение периода роста вязкого подслоя равно
τW ( t ) =
1
π
ρ
ν
Uδ ,
t
(11)
где Uδ = 0,99U – скорость на границе вязкого подслоя.
Среднее значение за период колебания касательного напряжения на
стене канала равно
ξ ν Re
ν 1 ξ0
ν 3,64
=
Re
= 0,91 0
,
T0 4 2
r0 η0
2 r0 η0
(12)
В данной формуле период колебания вязкого подслоя Т0 является неизвестной величиной, которую необходимо определить. Для этого следует перейти к универсальным переменным, тогда:
Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
ξ ν Re
ν 1 ξ0
ν 3,64
=
Re
= 0,91 0
,
T0 4 2
r0 η0
2 r0 η0
(13)
где ξ 0 = 0,3164 Re−0,25 ; r0 – радиус трубопровода; η0 – максимальная безразмерная толщина вязкого подслоя, зависимость которой от числа Рейнольдса
представлена в [4].
Таким образом, частота колебаний пьезорезонатора будет определяться
следующим выражением:
R
l ν Re0,875
f = 62800 1 − 0, 4043 2
ρU .
E 4dh 2 r0 η0
(14)
Из формулы (14) видно, что значение частоты колебаний напрямую зависит от скорости течения жидкости.
Поскольку массовый расход жидкости равен Qm=ρUS, в явном виде зависимость частоты колебания цилиндрического пьезорезонатора от массового расхода выглядит следующим образом:
f = 62800 1 − 6,137
lν 0,125
2
6 0,875
Eh η0 d ρ
Q1,875
.
m
(15)
В зависимости от конкретной жидкости, протекающей внутри датчика,
значения кинематической вязкости и плотности будут меняться, следовательно, можно предположить, что при одном и том же расходе частоты колебаний
датчика должны быть различны.
3. Экспериментальные исследования первичного преобразователя
Для проведения экспериментов с целью подтверждения теоретических
расчетов и выводов были выбраны следующие жидкости, имеющие различные значения плотности и кинематической вязкости: проточная вода, пиво,
молоко жирностью 2,5 %, тосол-40.
Поскольку самой распространенной в использовании жидкостью является вода, начальные эксперименты проводились с ней. На рис. 3 представлена зависимость частоты колебаний датчика от массового расхода при протекании воды. Зависимость показана, начиная с собственной исходной частоты
датчика 62,8 кГц.
Все эксперименты проводились несколько раз с целью получения повторяемости результатов при соблюдении одних и тех же условий.
Как уже указывалось, в качестве альтернативных жидкостей выбраны
пиво и молоко, которые относятся к пищевой промышленности, и тосол-40,
относящийся к нефтехимической промышленности. Данный выбор определялся доступностью жидкостей и безопасностью при проведении экспериментов. Сравнение уровней частот показывает, что датчик реагирует на изменение типа жидкости изменением частоты колебания, что иллюстрирует
рис. 4.
Исходя из всего вышеизложенного, можно сделать вывод, что экспериментальные исследования датчика подтверждают представленные теоретиче-
60
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
ские расчеты. Все зависимости на начальном участке при малых расходах
носят нелинейный характер. После проведения серии экспериментов с одной
жидкостью для очищения внутренней поверхности датчик промывался несколько раз водой, протекающей с максимальной скоростью. При этом сначала частота колебаний имела некоторое промежуточное значение, а затем
возвращалась к значению 20 кГц, что соответствует колебаниям датчика с
водой. Данная ситуация повторялась после каждой серии экспериментов. Это
дает возможность сделать вывод, что датчик можно использовать для контроля плотности протекающей жидкости, поскольку любые ее изменения сказываются на частоте колебаний.
Рис. 3. Зависимость частоты колебаний датчика от массового расхода воды
Рис. 4. Соотношение частот колебаний датчика для разных жидкостей
Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
В заключение следует отметить, что разработанный первичный преобразователь в силу небольших геометрических размеров, в частности диаметра
условного прохода, можно применять для измерений малых расходов в пищевой, химической и фармацевтической отраслях промышленности.
Список литературы
1. К р е м л е в с к и й , П . П . Расходомеры и счетчики количества веществ : справочник / П. П. Кремлевский. – 5-е изд. перераб. и доп. – СПб. : Политехника, 2002. –
Кн. 2. – 412 с.
2. Патент 5460053 США, G01F1/84 Electronic method for mass flow measurement /
Hyok S. Lew; Yon S. Lew; Yon K. Lew (США). – № 946675 ; заявл. 18.09.92 ;
опубл. 24.10.95. – 20 с.
3. Патент 2248529 Россия, G01F Массовый расходомер / Горбоконенко В. Д., Шикина В. Е., Черный А. В. ; заявитель и патентообладатель Ульяновский гос. техн.
ун-т ; заявл. 29.03.2002 ; опубл. 20.11.2003.
4. Ш и к и н а , В. Е. Использование пьезоэлектрического материала для изготовления датчика массового расходомера жидкости / В. Е. Шикина // Вестник Ульяновского государственного технического университета. – 2013. – № 3. – С. 72–74.
5. М а л о в , В. В. Пьезорезонансные датчики / В. В. Малов. – М. : Энергоатомиздат, 1989. – 272 с.
6. Ш а р а п о в , В. М . Пьезоэлектрические датчики / В. М. Шарапов, М. П. Мусиенко, Е. В. Шарапова. – М. : Техносфера, 2006. – 632 с.
7. Справочник по сопротивлению материалов / Е. Ф. Винокуров, М. К. Балыкин,
И. А. Голубев и др. – Мн. : Наука и техника, 1988. – 464 с.
8. Г а л и ц е й с к и й , Б. М . Тепловые и гидродинамические процессы в колеблющихся потоках / Б. М. Галицейский, Ю. А. Рыжов, Е. В. Якуш. – М. : Машиностроение, 1977. – 256 с.
9. Г и р г и д о в, А . Д . Механика жидкости и газа (гидравлика) : учебник для вузов /
А. Д. Гиргидов. – СПб. : Изд-во СПбГПУ, 2002. – 545 с.
References
1. Kremlevskiy P. P. Raskhodomery i schetchiki kolichestva veshchestv: spravochnik
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
62
[Flow meters and scaler of amount of matter: reference]. Saint Petersburg: Politekhnika,
2002, Bk. 2, 412 p.
Patent 5460053 USA, G01F1/84 Electronic method for mass flow measurement. Hyok
S. Lew; Yon S. Lew; Yon K. Lew (USA). No. 946675, 24.10.95, 20 p.
Patent 2248529 Russian Federation, G01F Massovyy raskhodomer [Mass flow meter].
Gorbokonenko V. D., Shikina V. E., Chernyy A. V. [applicant and rightholder – Ulyanovsk State Technical University]., 20.11.2003.
Shikina V. E. Vestnik Ul'yanovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta
[Bulletin of Ulyanovsk State Technical University]. 2013, no. 3, pp. 72–74.
Malov V. V. P'ezorezonansnye datchiki [Piezoresonance sensors]. Moscow: Energoatomizdat, 1989, 272 p.
Sharapov V. M., Sharapov V. M., Musienko M. P., Sharapova E. V. P'ezoelektricheskie
datchiki [Piezoelectric sensors]. Moscow: Tekhnosfera, 2006, 632 p.
Vinokurov E. F., Balykin M. K., Golubev I. A. et al. Spravochnik po soprotivleniyu
materialov [Reference on strength of materials]. Minsk: Nauka i tekhnika, 1988, 464 p.
Galitseyskiy B. M., Ryzhov Yu. A., Yakush E. V. Teplovye i gidrodinamicheskie
protsessy v koleblyushchikhsya potokakh [Heat and hydrodynamic processes in oscillating flows]. Moscow: Mashinostroenie, 1977, 256 p.
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
9. Girgidov A. D. Mekhanika zhidkosti i gaza (gidravlika): uchebnik dlya vuzov [Mechanics of liquids and gases (hydraulics): textbook for universities]. Saint Petersburg: Izd-vo
SPbGPU, 2002, 545 p.
Шикина Виктория Евгеньевна
старший преподаватель, кафедра
измерительно-вычислительных
комплексов, Ульяновский
государственный технический
университет (Россия, г. Ульяновск,
ул. Северный Венец, 32)
Shikina Viktoriya Evgen'evna
Senior lecturer, sub-department
of measuring-computing complexes,
Ulyanovsk State Technical University
(32 Severniy Venets street, Ulyanovsk,
Russia)
E-mail: shik7789@gmail.com
УДК 681.586, 532 (075.8)
Шикина, В. Е.
Расчет частоты колебаний пьезокерамического первичного преобразователя для массового расходомера жидкостей / В. Е. Шикина //
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические
науки. – 2014. – № 1 (29). – С. 54–63.
Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
УДК 621.396 + 681.5.015.52
М. А. Щербаков, В. В. Сазонов, Р. Н. Исянов
МАТРИЧНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ДВУХМЕРНЫХ
ДИСКРЕТНЫХ ФИЛЬТРОВ ВОЛЬТЕРРА
Аннотация.
Актуальность и цели. Объектом исследования являются многомерные дискретные фильтры Вольтерра (ФВ, полиномиальные фильтры), определяемые
отрезком дискретного функционального ряда. Предметом исследования являются способы эффективной реализация ФВ, основанные на их представлении
в матричном виде и выполнение процедуры декомпозиции. Целью работы является разработка способов эффективной реализации двухмерных дискретных
ФВ за счет выполнения распараллеливания и унификации вычислительных
операций.
Материалы и методы. Для описания процесса многомерной дискретной
фильтрации использовано матричное представление ФВ. Введено понятие
блочной свертки, позволяющей свести вычисление матричных нелинейных
сверток к последовательности вычислений обычных двухмерных сверток, а
также оценить объем необходимых вычислительных затрат.
Результаты. Предложен подход к реализации двухмерных дискретных
ФВ, основанный на декомпозиции матричного представления нелинейных
двухмерных сверток. Данный подход позволяет свести задачу реализации нелинейных ФВ к последовательно-параллельному выполнению обычных двумерных линейных сверток и может стать основой разработки параллельных
вычислительных структур для реализации быстродействующих алгоритмов
нелинейной фильтрации на основе использования матрицы параллельных
процессоров.
Выводы. Метод реализации двухмерных дискретных ФВ, основанный на
выполнении процедуры декомпозиции матричного представления нелинейных
сверток, позволяет использовать для реализации ФВ известные методы и алгоритмы многомерной линейной фильтрации и дать им наглядную интерпретацию. Предложенный метод реализации ФВ за счет использования параллельно-последовательного выполнения процедуры вычислений обеспечивает
возможность их реализации на основе использования структур процессоров
систолического типа.
Ключевые слова: цифровая обработка сигналов и изображений, нелинейная фильтрация, фильтры Вольтерра, полиномиальная фильтрация, параллельные вычисления.
M. A. Shcherbakov, V. V. Sazonov, R. N. Isyanov
MATRIX REALIZATION OF TWO-DIMENSIONAL
DISCRETE VOLTERRA FILTERS
Abstract.
Background. The object of the research is multidimensional discrete Volterra filters (VF, polynomial filters), determined by a section of a discrete functional series.
The subject of the research is the methods of VF effective realization, based on representation thereof in matrix form and decomposition procedure perfomance. The
article is aimed at development of ways of effective realization of two-dimensional
discrete VF due to paralleling and unification of computing operations.
64
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
Materials and methods. To describe the process of multidimensional discrete filtration the authors used matrix representation of VF. The researchers introduced a
notion of sectional convultion allowing to reduce calculation of matrix non-linear
convultions to a sequence of calculations of regular two-dimensional convultions,
and to estimate the volume of necessary calculations.
Results. The authors suggest an approach to realization of two-dimensional discrete VF, based on decomposition of matrix representation on non-linear twodimensional convultions. The given approach allows to reduce the problem of nonlinear VF realization to series-parallel execution of regular two-dimensional convultions and may serve as a foundation for development of parallel computational
structures intedned for realization of high-speed algorithms of non-linear filtration
through parallel process matrix application.
Conclusions. The method of realization of two-dimensional discrete VF, based
on execution of decomposition of the matrix representation of non-linear convultions, allows to use the known methods and algorithms of multidimensional filtration for realization of VF and to give clear interpretation thereof. The suggested
method of VF realization through using series-parallel execution of calculations
provides an opportunity of realization thereof on the basis of application of structures of systolic processes.
Key words: digital signal and image processing, non-linear filtering, filters
Volterra, polynomial filtering, parallel calculations.
Введение
С целью расширения спектра задач, решаемых средствами цифровой
обработки сигналов и изображений, и преодоления ограничений, присущих
методам линейной фильтрации, в настоящее время активно внедряются методы нелинейной фильтрации. Наиболее известными классами нелинейных
фильтров являются: гомоморфные фильтры; морфологические фильтры;
фильтры, основанные на порядковых статистиках, и их разновидности: L-, R-,
M-фильтры, медианные фильтры; расширенные фильтры Калмана; нейронные фильтры; нелинейные фильтры Вольтерра [1].
Каждый из перечисленных классов имеет свои преимущества и область
применения. Некоторые направления, такие, например, как фильтрация Калмана, гомоморфная фильтрация, имеют достаточно долгую историю. Другие
направления, в частности фильтры Вольтерра, далее обозначаемые как ФВ
[2, 3], появились сравнительно недавно и активно применяются в настоящее
время в различных областях, таких как обработка сигналов, адаптивная эхокомпенсация, идентификация систем и управление и др.
Исследование данного класса фильтров, называемых также полиномиальными фильтрами [2], позволяет перенести известные методы многомерной
линейной фильтрации на нелинейный случай. В то же время их реализация
связана с существенным возрастание вычислительных затрат, что делает актуальной задачу разработки подходов, позволяющих использовать современные методы параллельных вычислений.
1. Математическое описание многомерных дискретных ФВ
В общем случае дискретный ФВ размерности r и порядка M определяется конечным дискретным рядом Вольтерра (функциональным полиномом)
вида [3]
Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
M
y (n) = h0 +
m
M
 ym (n) = h0 +   hm (n1,..., nm )∏ x(n − ni ),
m =1
m =1 n1
nm
i =1
где hm(n1, ..., nm) – многомерные импульсные характеристики (ядра) фильтра,
зависящие от векторных аргументов ni = [ni1...nir].
Выходной сигнал y(n) таких фильтров представляет собой сумму составляющих, характеризующих нелинейности различного порядка: первая
у1(n) имеет вид линейной свертки, вторая у2(n) – квадратичной свертки и т.д.
Составляющая уm(n) фильтра, определяемая нелинейной сверткой m-го порядка, является нелинейной относительно отсчетов входного сигнала, однако
остается линейной по отношению к коэффициентам фильтра.
При m = 1 ядро hm(n1) представляет собой обычную импульсную характеристику многомерного линейного фильтра, в то время как при m = 2, ..., M
ядра hm(n1, ..., nm) можно рассматривать как импульсные характеристики
высших порядков, характеризующие нелинейные свойства многомерных полиномиальных фильтров [4].
2. Матричное представление многомерных дискретных ФВ
Для реализации ФВ с конечной импульсной характеристикой удобным
является эквивалентное матричное представление [5]. Для перехода к матричной форме записи введем в рассмотрение вектор входного сигнала:
xTn = [ xn (0) xn (1)  xn ( N − 1)] .
Тогда векторное представление составляющей уm(n) m-го порядка может быть записано в виде
ym (n) = hTm xn( m) ,
где вектор hm коэффициентов фильтра содержит лексикографически упорядоченные значения нелинейной импульсной характеристики hm(n1, ..., nm).
Для двухмерных полиномиальных фильтров вместо векторной формы
можно использовать матричную. Воспользуемся простым отображением для
преобразования двухмерной индексации точек опорной области в одномерную. Для маски 3 × 3, например, это преобразование будет выглядеть так:
 (0,0) (0,1) (0, 2)  0 1 2 
ℜ2 =  (1,0) (1,1) (1, 2)    3 4 5  .
 (2,0) (2,1) (2, 2)  6 7 8 
Для такого представления опорной области ℜ2 входной сигнал может
быть записан в виде N × N-матрицы:
 xn (0) xn (1) xn (2) 
Xn =  xn (3) xn (4) xn (5)  .
 xn (6) xn (7) xn (8) 
66
(1)
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
Здесь входной сигнал не упорядочивается в вектор, а представляется
в более естественном для двухмерной фильтрации матричном виде.
Для формирования произведений отсчетов входного сигнала также
воспользуемся кронекеровской степенью матрицы Xn. Образуем m-упорядоченную, по Кронекеру, матрицу Hm, содержащую элементы ядра m-го порядка, расположенные в соответствии с индексацией произведений отсчетов
xn(i1), ..., xn(im), содержащихся в матрице Xn(m). Будем называть матрицу Hm
m-упорядоченной, по Кронекеру. В частности, для m = 2 и Xn в виде (1) данная матрица будет выглядеть следующим образом:
 h2 (0,0)

 h2 (0,3)
 h (0,6)
 2
 h2 (3,0)
H 2 =  h2 (3,3)
 h2 (3,6)

 h2 (6,0)
 h (6,3)
 2
 h2 (6,6)
h2 (0,1) h2 (0, 2)
h2 (0, 4) h2 (0,5)
h2 (0,7) h2 (0,8)
h2 (1,0) h2 (1,1) h2 (1, 2)
h2 (1,3) h2 (1, 4) h2 (1,5)
h2 (1,6) h2 (1,7) h2 (1,8)
h2 (3,1)
h2 (4,0)
h2 (3, 2)
h2 (3, 4) h2 (3,5)
h2 (3,7) h2 (3,8)
h2 (6,1)
h2 (4,1)
h2 (4, 2)
h2 (4,3) h2 (4, 4) h2 (4,5)
h2 (4,6) h2 (4,7) h2 (4,8)
h2 (6, 2) h2 (7,0)
h2 (7,1)
h2 (7, 2)
h2 (6, 4) h2 (6,5) h2 (7,3) h2 (7, 4) h2 (7,5)
h2 (6,7) h2 (6,8) h2 (7,6) h2 (7,7) h2 (7,8)
 H 02

=  H 32

 H 62

H12
H 42
H 72
h2 (2,0) h2 (2,1) h2 (2, 2) 

h2 (2,3) h2 (2, 4) h2 (2,5) 
h2 (2,6) h2 (2,7) h2 (2,8) 

h2 (5,0) h2 (5,1) h2 (5, 2) 
h2 (5,3) h2 (5, 4) h2 (5,5)  =
h2 (5,6) h2 (5,7) h2 (5,8) 

h2 (8,0) h2 (8,1) h2 (8, 2) 
h2 (8,3) h2 (8, 4) h2 (8,5) 

h2 (8,6) h2 (8,7) h2 (8,8) 

H 22 

H52  .

H82 

В общем случае составляющая ym(n) двухмерного полиномиального
фильтра может быть представлена в следующей матричной форме:
{
}
ym (n) = Σ H m  Xn( m) ,
(2)
где ° означает произведение Адамара (поэлементное произведение матриц);
Σ{A} – сумма всех элементов матрицы A.
3. Реализация двухмерных дискретных ФВ на основе матричных сверток
Взаимосвязь между полиномиальными и многомерными линейными
фильтрами позволяет синтезировать эффективные алгоритмы на базе уже известных алгоритмов цифровой линейной фильтрации.
Декомпозицию двухмерного дискретного ФВ произвольной размерности m можно получить на основе его матричного представления. Для наглядности положим размер маски N = 3 и запишем (2) в блочном виде:
H0
 m

ym (n) = Σ   H 3m
 6
  H m
H1m
4
Hm
H 7m
2  
Hm
x (0) Xn( m−1)
  n
H 5m    x3 Xn( m−1)
 
H8m   x6 Xn( m−1)
 
x1Xn( m−1)
x4 Xn( m−1)
x7 Xn( m−1)
x2 Xn( m−1)  


x5 Xn( m−1)   =

x8 Xn( m−1)  

Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

 y 0 (n )
  xn (0) xn (1) xn (2)   m−1

3
= Σ   xn (3) xn (4) xn (5)    ym
−1 (n)

  x (6) x (7) x (8) 
6
n
n
  ym
(n )
  n
 −1
y1m−1 (n)
4
ym
−1 (n )
7
ym
−1 (n )
2

ym
−1 (n)  8


i
5
ym
xi ym
−1 (n)   =
−1 (n) . (3)
  i =0
8
ym
−1 (n)  


Данное выражение определяет выходной сигнал ym(n) ФВ m-го порядка
через выходные сигналы yim-1(n) полиномиальных фильтров (m – 1)-го порядка, равные
{
}
i
i
( m −1)
.
ym
−1 (n ) = Σ H m  Xn
В частности, для линейного случая выражение (3) приобретает вид
  h1 (0) h1 (1) h1 (2)   xn (0) xn (1) xn (2)  


y1 (n) = Σ H1  Xn = Σ   h1 (3) h1 (4) h1 (5)    xn (3) xn (4) xn (5)  


  h1 (6) h1 (7) h1 (8)   xn (6) xn (7) xn (8)  
{
}
и представляет собой матричную форму записи обычной двухмерной
свертки.
Для описания матричного алгоритма реализации нелинейного двухмерного ФВ введем понятие блочной свертки.
Определение. Пусть имеются матрицы H и X с размерностями соответственно N1 × N2 и M1 × M2 . Представим матрицу H в виде блочном матрицы размерностью L1 × L2 вида
 H11  H1L 
2


H= 

,


 H L11  H L1L2 
где каждый блок имеет размерность M1 × M2. Тогда под блочной сверткой будем понимать матрицу Y = {yij} размерности L1 × L2, где каждый элемент
представляет собой линейную двухмерную линейную свертку вида
{
}
yij = Σ Hij  X .
Для обозначения блочной свертки будем использовать обозначение
Y = H ▫ Х.
Выполнение такой свертки, согласно определению, требует вычисления
L1 × L2 обычных двухмерных сверток.
С учетом введенной операции блочной свертки и уравнения (3) декомпозиции процедуру вычисления выходного сигнала ym(n) двухмерного ФВ
m-го порядка можно представить как последовательность вычисления m
блочных сверток.
Для наглядности продемонстрируем данную процедуру на примере
двухмерного ФВ третьего порядка с маской 3 × 3, выходной сигнал которого
определяется выражением вида
68
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
{
}
y3 (n) = Σ H3  Xn(3) ,
где H3 – матрица коэффициентов фильтра размерностью 27 × 27; Xn – матрица отсчетов входного сигнала фильтра размерности 3 × 3.
В этом случае вычисление выходного сигнала y3(n) фильтра происходит путем последовательного вычисления следующих трех сверток:
1) блочной свертки матриц H3 и Х, в результате которой формируется
матрица Y3[1] = H3 ▫ Х размерностью 9 × 9;
2) блочной свертки матриц Y3[1] и X, в результате которой формируется
матрица Y3[2] = Y3[1] ▫ Х размерностью 3 × 3;
3) обычной свертки матриц Y3[2] и X, в результате которой формируется
скалярная величина y3[3] = y3(n), представляющая собой выходной сигнал ФВ
в точке n.
Согласно приведенной процедуре для вычисления выходного сигнала
ФВ третьего порядка в точке n требуется выполнить 9 × 9 + 3 × 3 + 1 = 91
операцию линейной двухмерной свертки с маской размерности 3 × 3. В общем случае реализация фильтра m-го порядка с маской N × N потребует
выполнения
m
C=
 N 2(i−1) =
1=1
N 2m − 1
N 2 −1
операций двухмерной свертки.
Таким образом, предложенная процедура матричной декомпозиции
позволяет реализовать ФВ произвольного порядка путем последовательнопараллельного выполнения операций двухмерной линейной свертки, которые, в свою очередь, допускают высокоэффективную реализацию в виде
структур систолического типа, матричных и волновых процессоров [6].
Заключение
Предложенный метод реализации двухмерных дискретных ФВ, основанный на выполнении процедуры декомпозиции матричного представления
нелинейных сверток, позволяет свести задачу реализации нелинейных ФВ
к последовательно-параллельному выполнению обычных двумерных линейных сверток. Это делает возможным использовать при реализации ФВ известные методы и алгоритмы многомерной линейной фильтрации и дать
наглядную интерпретацию процессу нелинейной фильтрации через введенное
понятие блочной свертки. Предложенный подход может стать основой разработки параллельных вычислительных структур для реализации быстродействующих алгоритмов нелинейной фильтрации на основе использования методов параллельных вычислений на базе структур систолического типа.
Список литературы
1. P i t a s , I . Nonlinear digital filters: principles and applications / I. Pitas, A. N. Venetsanopoulos. – Kluver Academic Publishers, 1990. – 391 p.
2. M a t h e ws , V . J . Polynomial signal processing / V. J. Mathews, G. L. Sicuranza. –
John Wiley & Sons, Inc., 2000. – 452 р.
3. Ще р б а к о в, М . А . Цифровая полиномиальная фильтрация: теория и приложение / М. А. Щербаков. – Пенза : Изд-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1997. – 246 с.
Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
4. Ще р б а к о в, М . А . Метод синтеза цифровых полиномиальных фильтров с помощью базисных частотных функций / М. А. Щербаков, С. В. Сорокин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2007. –
№ 4. – С. 74–86.
5. Ще р б а к о в, М . А . Матричное представление цифровых полиномиальных
фильтров. / М. А. Щербаков // Надежность и качество : тр. Междунар. симпозиума. – Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2002. – С. 469–472.
6. СБИС для распознавания образов и обработки изображений / под. ред. К. Фу. –
М. : Мир, 1988. – 248 с.
References
1. Pitas I., Venetsa-nopoulos A. N. Nonlinear digital filters: principles and applications.
Kluver Academic Publishers, 1990, 391 p.
2. Mathews V. J., Sicuranza G. L. Polynomial signal processing. John Wiley & Sons, Inc.,
2000, 452 р.
3. Shcherbakov M. A. Tsifrovaya polinomial'naya fil'tratsiya: teoriya i prilozhenie [Digital polynomial filtering: theory and application]. Penza: Izd-vo Penz. gos. tekhn. un-ta,
1997, 246 р.
4. Shcherbakov M. A., Sorokin S. V. University proceedings. Volga region. Engineering
sciences. 2007, no. 4, pр. 74–86.
5. Shcherbakov M. A. Nadezhnost' i kachestvo: tr. Mezhdunar. simpoziuma [Reliability
and Quality: Proceedings of the International Symposium]. Penza: Izd-vo Penz. gos.
un-ta, 2002, pp. 469–472.
6. SBIS dlya raspoznavaniya obrazov i obrabotki izobrazheniy [VLSI for Pattern Recognition and Image Processing]. Ed. K. Fu. Moscow: Mir, 1988, 248 р.
Щербаков Михаил Александрович
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой автоматики
и телемеханики, Пензенский
государственный университет
(Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
Shcherbakov Mikhail Aleksandrovich
Doctor of engineering sciences, professor,
head of sub-department of automation
and remote control, Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia)
E-mail: mashcherbakov@yandex.ru
Сазонов Владимир Васильевич
кандидат технических наук, доцент,
кафедра автоматики и телемеханики,
Пензенский государственный
университет (Россия, г. Пенза,
ул. Красная, 40)
Sazonov Vladimir Vasil'evich
Candidate of engineering sciences, associate
professor, sub-department of automation
and remote control, Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia)
E-mail: mashcherbakov@yandex.ru
Исянов Руслан Николаевич
кандидат технических наук, доцент,
кафедра автоматики и телемеханики,
Пензенский государственный
университет (Россия, г. Пенза,
ул. Красная, 40)
Isyanov Ruslan Nikolaevich
Candidate of engineering sciences, associate
professor, sub-department of automation
and remote control, Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia)
E-mail: mashcherbakov@yandex.ru
70
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
УДК 621.396 + 681.5.015.52
Щербаков, М. А.
Матричная реализация двухмерных дискретных фильтров Вольтерра / М. А. Щербаков, В. В. Сазонов, Р. Н. Исянов // Известия высших
учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2014. –
№ 1 (29). – С. 64–71.
Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
УДК 629.7.017.1+519.852
Тин Пхон Чжо
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА
УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ БЕЗОПАСНОСТИ
ПОПУТНОГО ДВИЖЕНИЯ ГРУППЫ ВОЗДУШНЫХ
СУДОВ ПРИ ВХОДЕ В ЭШЕЛОН ПОСАДКИ
Аннотация.
Актуальность и цели. Объектом исследования является система управления попутным безопасным движением двух судов. Предметом исследования
являются методы оптимального управления полетом. Целью настоящей работы является воспроизведение поведения человека путем количественной
оценки текущего риска в движении и последующей перестройки системы
управления на примере входа воздушного судна в эшелон на заданную линию
пути.
Материалы и методы. Сформулирована задачи с учетом интегрального
критерия безопасного движения и синтез законов оптимального управления
попутным движением судов на основе динамического программирования.
Результаты. Результатом работы системы является соблюдение определенной безопасной дистанции между двумя судами, несмотря на внезапное
замедление скорости впереди летящего судна. Получены результаты, подтвердившие возможность автоматического контроля безопасности в наземной диспетчерской службе.
Выводы. Найдено оптимальное управление безопасным попутным движением воздушных судов в виде алгоритма, имеющего в общем случае на своем
входе координаты бокового движения воздушного судна x1 и x2 , координаты
y1 и z поступательного и бокового движения другого воздушного судна, а
также скорости v1 и v2 поступательного и бокового движения двух судов.
Синтезированная система управления может использоваться для автоматической подсказки летчику и диспетчерской наземной службы о возникновении
сигнала тревоги при опасном сближении воздушных судов при входе в воздушный эшелон.
Ключевые слова: контроль безопасности, оптимальное управление, летательный аппарат, динамическое программирование, функция риска.
Tin Pkhon Chzho
THE AUTOMATED SYSTEM OF SECURITY
CONTROL OF THE FOLLOWING MOTION
OF AIRCRAFTS DURING LANDING
Abstract.
Background. The object of the research is the control system of safe following
motion of two aircrafts. The subject of the research is the methods of ptimal flight
control. The article is aimed at reproduction of human actions through quantitative
estimation of the current risk in movement and in subsequent rearrangmenet of the
control system by the example of aircraft’s entering the echelon on the back track.
Materials and methods. The author formulated a problem taking into account an
integral criterion of motion safety and a synthesis of rules of optimal aircrafts’ following movement control on the basis of dynamic programming.
72
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
Results. The result of the system work is maintaining a certain safe distance between two aircrafts despite the sudden deceleration of an aircraft flying in front. The
author obtained the results confirming the possibility of automatic security control
performed by the control tower service.
Conclusions. On the basis of the research carried out it is possible to make the
following conclusions. 1. The author revealed optimal security control of the following motion of aircrafts in the form of an algorithm, having in general case on its
input the coordinates of aircraft’s lateral motion x1 and x2 , the coordinates y1 and
z of progressive and lateral motion of the second aircraft, and the velocities v1 and
v2 of progressive and lateral motion of both aircrafts. 2. The synthesized system
may be used for automatic prompting a pilot or control tower service on alert in case
of dangerous closing in of two aircrafts while entering the echelon.
Key words: safety control, optimal control, aircraft, dynamic programming,
function of risk.
Введение
При ручном управлении воздушным судном возникают реальные ощущения нарастания тревоги в случае недопустимого снижения безопасности
движения, что вызывает последующую перестройку способа движения судов
внутри воздушного эшелона при заходе на посадку. В связи с этим целью
настоящей работы является моделирование поведения человека путем количественной оценки текущего риска в движении и последующей перестройки
системы управления на примерах входа воздушного судна в эшелон на заданную линию пути и поперечного движения судов при их сближении.
В данной работе постановка каждой задачи формулируется с учетом
интегрального критерия безопасного движения, и затем на основе динамического программирования синтезируются законы оптимального управления
попутным и боковым движением судов. В завершение представлены результаты моделирования, подтвердившие возможность автоматического контроля
безопасности в наземной диспетчерской службе.
1. Постановка задачи управления попутным движением
Схема движения двух воздушных судов в эшелоне, характеризуемая
координатами попутного движения x1 и e1 , определяющими главный показатель – дистанцию между судами e1 − x1 , показана на рис. 1.
Уравнения движения объектов движения заданы в следующем виде:
 x1′ = d1 x2 + w1 ,

 x2′ = − a1 x2 + b1u1;
(1)
e1′ = d 2 e2 + w2 ,

e2′ = − a2 e2 + b2u2 .
(2)
Рассмотрим случай, когда одно из судов движется с непредсказуемой
постоянной скоростью w2 ; т.е. d1 = 1, d 2 = 0, e2′ = 0, w1 = 0 . Тогда исходные
уравнения (1) и (2) преобразуются к следующей системе:
Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
 x1′ = x2 ,

 x2′ = −a1 x2 + b1u1 ,
e′ = w ,
2
1
(3)
где x1 – координата судна по поступательному движению; x2 – поступательная скорость судна; e1 – координата поступательного движения судна; w2 –
скорость движения судна.
Рис. 1. Схема сближения двух воздушных судов при попутном движении
Потребуем, чтобы система (3) удовлетворяла заданному интегральному
критерию качества
tk
J=
 f0 ( x , u1, t )dt .
(4)
0
Подынтегральное выражение функционала J равно
u2
1
2
f0 = r0 1 + r1 [ (e1 − x1 ) − ( D + Nw2 ) ] +
2
2
1
+ r2 ( x2 − w2 )2 + M 2 ( x2 − w2 ) − M1 (e1 − x1 ) ,
2
(5)
где r0 – штраф за потраченную мощность при управлении рулем; r1 – штраф
за приближение к другому судну; r2 – штраф за отклонение скоростей; D –
безопасное расстояние между управляемым объектом и другим судном;
D + Nw2 – минимальная безопасная дистанция между двумя судами при заданном значении коэффициента N; a1 , b1 – коэффициенты объекта управления; M1 – коэффициент, дополнительно учитывающий отклонение траектории движения двух судов; M 2 – коэффициент, дополнительно учитывающий
отклонение их скоростей движения.
Требуется решить прямую задачу оптимизации, т.е. нужно найти функцию управления u1 = f ( x1 , x2 ) .
74
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
2. Синтез оптимального управления попутным движением судов
Решим поставленную задачу с помощью динамического программирования [1, 2]. Функция Беллмана ε и ее производные записываются таким образом:
x2
x2
e2
ε = β1 x1 + β2 x2 + β3e1 + γ1 1 + γ 2 2 + γ 3 1 + ψ12 x1 x2 + ψ13 x1e1 + ψ 23 x2e1;
2
2
2
∂ε
∂ε
= β1 + γ1 x1 + ψ12 x2 + ψ13e1;
= β2 + γ 2 x2 + ψ12 x1 + ψ 23e1;
∂x1
∂x2
∂ε
= β3 + γ 3e1 + ψ13 x1 + ψ 23 x2 .
∂e1
(6)
Запишем уравнение Беллмана и представим в нем функцию ε степенным полиномом:
−

∂ε
= min  f 0 +
∂t
u 
∂ε

 ∂xi xi′  ;
2
u 2
[(e − x ) − ( D + Nw2 )] + r ( x2 − w2 )2 − M (e − x ) +
∂ε
− = r0 2 + r1 1 1
2
1 1
1
∂t
2
2
2
+ M 2 ( x2 − w2 ) + ( β1 + γ1 x1 + ψ12 x2 + ψ13e1 ) x1′ +
+ ( β2 + γ 2 x2 + ψ12 x1 + ψ 23e1 ) x2′ + ( β3 + γ 3e1 + ψ13 x1 + ψ 23 x2 ) e1′ ;
2
[(e − x ) − ( D + Nw2 )] + r ( x2 − w2 )2 − M (e − x ) +
u 2
∂ε
− = r0 2 + r1 1 1
2
1 1
1
2
2
2
∂t
+ M 2 ( x2 − w2 ) + ( β1 + γ1x1 + ψ12 x2 + ψ13e1 ) x2 + ( β2 + γ 2 x2 + ψ12 x1 + ψ 23e1 ) ×
× ( −a2 x2 + b2u2 ) + ( β3 + γ 3e1 + ψ13 x1 + ψ 23 x2 ) w2 .
(7)
Оптимизируя функцию Беллмана по параметру u2 , получаем
u2
f (u1 ) = r0 1 + ( β2 + γ 2 x2 + ψ12 x1 + ψ 23e1 ) b1u1 ,
2
(8)
f ' (u1 ) = r0u1 + ( β2 + γ 2 x2 + ψ12 x1 + ψ 23e1 ) b1 = 0;
b
 u1опт = − 1 ( β2 + γ 2 x2 + ψ12 x1 + ψ 23e1 ) .
r0
(9)
Подставляя u 2 опт из (9) в выражение (8), получим
b2
2
f (u1опт ) = r0 1 ( β2 + γ 2 x2 + ψ12 x1 + ψ 23e1 ) −
2
2r0
Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
− ( β2 + γ 2 x2 + ψ12 x1 + ψ 23e1 )
2
2 b1
r0
;
b2
2
f (u 1опт ) = − 1 ( β2 + γ 2 x2 + ψ12 x1 + ψ 23e1 ) .
2r0
(10)
Подставив функцию f (u1опт ) из (10) в уравнение Беллмана (7) и представив правую часть уравнения Беллмана степенным рядом, получаем
−
∂ε r1
2 r
= [ (e1 − x1 ) − ( D + Nw2 ) ] + 2 ( x2 − w2 ) 2 − M1 (e1 − x1 ) + M 2 ( x2 − w2 ) +
∂t 2
2
+ ( β1 + γ1 x1 + ψ12 x2 + ψ13e1 ) x2 − ( β2 + γ 2 x2 + ψ12 x1 + ψ 23e1 ) a1 x2 +
b2
2
+ ( β3 + γ 3e1 + ψ13 x1 + ψ 23 x2 ) w2 − 1 ( β2 + γ 2 x2 + ψ12 x1 + ψ 23e1 ) ;
2r0
−


b2
∂ε 
=  r1D + r1 Nw2 + M1 + ψ13 w2 − 2 ψ12β2  x1 +  −r2 w2 + M 2 + β1 − β2 a1 +
r0
∂t 





b2
b2
+ψ 23 w2 − 1 β2 γ 2  x 2 +  − r1D − r1 Nw2 − M1 + γ 3 w2 − 1 β2 ψ 23  e1 +



r0
r0




 x2 
 x2 
 e2
b2
b2
b2
+  r1 − 1 ψ12 2  1 +  r2 + 2ψ12 − 2 γ 2 a2 − 1 γ 22  2 +  r1 − 1 ψ 232  1 +

 2 
 2 
 2
r0
r0
r0











b2
b2
+  γ1 − a1ψ12 − 1 γ1ψ12  x1 x2 +  −r1 − 1 ψ12 ψ 23  x1e1 +  ψ13 − ψ 23a1 −




r0
r0






r
b2
b2 
2 r
− 1 ψ 23 γ 2  x2e1 +  1 ( D + Nw2 ) + 2 w22 + M 2 w2 + β3 w2 − 1 β22  .

r0
2
r0 
 2

(11)
Приравнивая сомножители при одинаковых степенях и группируя их
по степеням, получим систему дифференциальных уравнений:
•


b2
β1 x1 =  r1D + r1 Nw2 + M1 + ψ13 w2 − 2 ψ12β2  x1;
r0


•


b2
β2 x2 =  −r2 w2 + M 2 + β1 − β2 a2 + ψ 23 w2 − 2 β2 γ 2  x2 ;


r0


•


b2
β3 e1 =  −r1D − r1 Nw2 − M1 + γ 3 w2 − 1 β2 ψ 23  e1;


r0


76
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
• x2 
x2
b2
γ1 1 =  r1 − 1 ψ122  1 ;
 2
r0
2 

• x2 
 x2
b2
γ 2 2 =  r2 + 2ψ12 − 2γ 2 a1 − 1 γ 22  2 ;
 2
r0
2 

• e2 
 e2
b2
γ 3 1 =  r1 − 1 ψ 232  1 ;
 2
2 
r0

•
b2
ψ12 x1x2 = ( γ1 − 1 γ 2 ψ12 + γ1d − a1ψ12 ) x1 x2 ;
r0
•


b2
ψ13 x1 e1 =  − r1 − 1 ψ12 ψ 23  x1e1;


r0


•


b2
ψ 23 x2 e1 =  ψ13 − ψ 23a2 − 1 ψ 23 γ 2  x2 e1.


r0


Заменяя дифференциальные уравнения алгебраическими при −
получим
(12)
∂ε
= 0,
∂t
b2
r1D + r1 Nw2 + M1 + ψ13 w2 − 1 ψ12β2 = 0;
r0
b2
− r2 w2 + M 2 + β1 − β2 a1 + ψ 23 w2 − 1 β2 γ 2 = 0;
r0
b2
− r1D − r1Nw2 − M1 + γ 3 w2 − 1 β2 ψ 23 = 0;
r0


b2
 r1 − 1 ψ122  = 0;


r0


b2
r2 + 2ψ12 − 2 γ 2 a2 − 1 γ 2 2 = 0;
r0
b2
r1 − 1 ψ 232 = 0;
r0
b2
γ1 − 1 γ 2 ψ12 + γ1d − a1ψ12 = 0;
r0
Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
b2
−r1 − 1 ψ12 ψ 23 = 0;
r0
b2
ψ13 − ψ 23a1 − 1 ψ 23 γ 2 = 0.
r0
(13)
b2
После несложных преобразований, полагая, что − 2 γ 2 2 ≈ 0 , окончаr0
тельно получим нижеследующее решение:


b2
β1 = r2 w2 +  a1 + 1  β2 − M 2 + w2 ψ 23 ,

r0 



r0 ( r1D + r1 Nw2 + M1 + ψ13 w2 )

,
β2 =
2
ψ
b
1
12


2


 γ = ψ  a + b1 γ  ,
1
12  1
2

r0



r + 2ψ12

,
γ 2 = 2
2a2


b12

β2 ψ 23 + r1D + r1Nw2 + M1

r
γ3 = 0
,
w2


ψ12 = r1r0 / b1 ,

2
ψ = ψ  a + b1 γ  ,

13
23
1
2 


r0



ψ 23 = −ψ12 .
(14)
Подставим четыре составляющих β2 , γ 2 , ψ12 , ψ 23 решения (14) в выражение
b
u1опт = − 1 ( β2 + γ 2 x2 + ψ12 x1 + ψ 23e1 )
r0
и получим
b  r ( r D + r1 Nw2 + M1 + ψ13 w2 )
u1 = − 1  0 1
+
r0 
b2 2ψ12
rr
r + 2ψ12

+ 2
x2 + 1 0 x1 − ψ12 e1  .
b1
2a2

(15)
Подставив полученную функцию u1 в выражение (1), получим окончательный результат синтеза:
78
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
 x1′ = x2 ,

b12  r0 ( r1D + r1 Nw2 + M1 + ψ13 w2 )

′
x
a
x
=
−
−
+

1 2
 x1′ = x2 ,
 2
2
r
b
ψ
0


1 12


=
 x2′ = − a1x2 + b2u2 = 

r1r0
 e′ = w ;

r2 + 2ψ12
2
1
+
x2 +
x1 − ψ12 e1  ,

a
b
2
1
1


 e′ = w ;
2
1
 x1′ = x2 ,


b22 r2 + 2ψ12 
b22 r1r0

′
=
−
+
−
x
a
x
x −


 2
 1 r0
 2 r0 b1 1
a
2
1



=
2
2 r r D + r Nw + M + ψ w

(
b
b
1
2
1
13 2 )
− 1 ψ12 e1 − 1 0 1
,

2
r
r
b
ψ
0
0

1 12
 e′ = w .
2
1
(16)
Моделирование системы управления попутным движением проводилось при условиях, описанных в [3]:
r0 = 1, r1 = 200, r2 = 16, d1 = 1, D = 2000m, a2 = 0,5, b2 = 0,5.
Результаты моделирования при попутном движении двух воздушных
судов показаны на рис. 2.
Рис. 2. Результаты моделирования при попутном движении двух воздушных судов
Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Из рис. 2 видно, что между судами существует определенная безопасная дистанция, несмотря на внезапное замедление скорости впереди летящего
судна.
Заключение
Сформулирована и решена задача оптимального управления безопасным попутным движением воздушных судов. Предложенное оптимальное
управление может быть реализовано в виде системы автоматического управления, что особенно важно для беспилотной авиации. Синтезированная оптимальная система управления может использоваться в составе системы принятия решений при пилотировании судна и организации диспетчерской наземной службы в случае опасного сближении воздушных судов при входе в воздушный эшелон.
Список литературы
1. Б е л л м а н, Р . Динамическое программирование / Р. Беллман. – М. : ИИЛ,
1961. – 400 с.
2. Л е б е д е в, Г . Н . Теория оптимальных систем / Г. Н. Лебедев, Ю. С. Гришанин,
А. В. Липатов, Г. А. Степаньянц. – М. : МАИ, 1999. – 264 с.
3. Л е б е д е в, Г . Н . Решение задачи динамического программирования при безопасном попутном движении воздушных судов / Г. Н. Лебедев, Тин Пхон Чжо,
Чан Ван Туен // Труды МАИ. – 2012. – № 54. – С. 51–60.
References
1. Bellman R. Dinamicheskoe programmirovanie [Dynamic programming]. Moscow: IIL,
1961, 400 p.
2. Lebedev G. N., Grishanin Yu. S., Lipatov A. V., Stepan'yants G. A. Teoriya optimal'nykh system [Theory of optimal systems]. Moscow: MAI, 1999, 264 р.
3. Lebedev G. N., Tin Pkhon Chzho, Chan Van Tuen. Trudy MAI [Proceedings of the
MAI]. 2012, no. 54, рр. 51–60.
Тин Пхон Чжо
кандидат технических наук, Московский
авиационный институт (национальный
исследовательский университет)
(Россия, г. Москва, Волоколамское
шоссе, 4)
Tin Phone Chzho
Candidate of engineering sciences,
Moscow Aviation Institute (National
Research University) (4 Volokolamskoe
highway, Moscow, Russia)
E-mail: thethtweaung@gmail.com
УДК 629.7.017.1+519.852
Тин Пхон Чжо
Автоматизированная система управления и контроля безопасности попутного движения группы воздушных судов при входе в эшелон
посадки / Тин Пхон Чжо // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2014. – № 1 (29). – С. 72–80.
80
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
МАШИНОСТРОЕНИЕ
И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 004.02
О. В. Новоселова, Г. Д. Волкова, А. Г. Гаврилов
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНТЕГРИРОВАННОЙ СРЕДЫ
ПОДДЕРЖКИ СОЗДАНИЯ ПРИКЛАДНЫХ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ1
Аннотация.
Актуальность и цели. Модель интегрированной среды как взаимосвязанная
совокупность ее описаний должна обеспечить функционирование программных модулей на основе содержательных функций методологии автоматизации
интеллектуального труда и функций управления проектами. Целью работы является повышение эффективности процесса создания прикладных автоматизированных систем за счет определения набора требований к интегрированной
среде и описания ее модели.
Материалы и методы. Разработка модели интегрированной среды проводилась на основе методологии автоматизации интеллектуального труда
(МАИТ), обеспечивающей промышленный способ создания прикладных автоматизированных систем. Суть методологии заключается в последовательном отображении формально-языковых представлений автоматизируемых задач на основе первоначально формируемой семантической модели этих задач
на трех уровнях абстрагирования, что обеспечивает содержательное единство
этих представлений. Особенностью МАИТ является формирование модельного
представления автоматизируемых задач, которое инвариантно к программнотехническим средам и средствам их реализации.
Результаты. Исследованы особенности методологии автоматизации интеллектуального труда, на основе которых сформулированы требования к интегрированной среде – содержательные, конфигурационные, управленческие.
С учетом требований разработана модель интегрированной среды, описание
которой включает систему средств поддержки процедур различных типов для
разных видов задач (функциональных, управленческих, предметных) на всех
этапах, систему логических компонентов для объектно-ориентированного
подхода, файловую систему элементов интегрированной среды.
Выводы. Разработана модель интегрированной среды как взаимосвязанная
совокупность ее описаний с различной степенью детализации на концептуальном, логическом и физическом уровнях. Формальное описание элементов интегрированной среды позволяет перейти к разработке методики управления ее
функционированием и разработке методики конфигурирования (развития)
среды поддержки создания прикладных автоматизированных систем.
Ключевые слова: создание автоматизированных систем, методология автоматизации интеллектуального труда, модель интегрированной среды.
1
Данная работа подготовлена в рамках выполнения инициативного проекта №13-0700752 «Создание интегрированной среды поддержки проектирования и реализации прикладных автоматизированных систем на основе методологии автоматизации интеллектуального
труда» по гранту РФФИ.
Engineering sciences. Machine science and building
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
O. V. Novoselova, G. D. Volkova, A. G. Gavrilov
MODELING OF THE INTEGRATED SUPPORT ENVIRONMENT
FOR APPLIED AUTOMATED SYSTEMS CREATION
Abstract.
Background. The model of integrated environment as an interrelated set of its
descriptions should ensure the functioning of the program modules on the basis of
meaningful functions of the methodology of automation of intellectual work and
functions of project management. The aim of the work is to increase the efficiency
of the process of creating the applied automated systems by identifying a set of requirements for the integrated environment and the description of its model.
Materials and methods. The development of a model of integrated environment
was based on the methodology intellectual labor automation, which provides an industrial way of automated systems creation. The essence of the methodology consists in successive mapping of formal-language representations of the automatized
tasks on the basis of a first-formed semantic model of these tasks on three levels of
abstraction that provides the content unity of these representations. A methodological feature of intellectual labor automation is the formation of the model automated
tasks representation, which is invariant to the software-hardware environments and
means of their implementation.
Results. The authors investigated the peculiarities of the methodology of intellectual labor automation. On the basis of the said investigation the researchers formulated the requirements for integrated environment - content, configuration, management. The study considered the requirements of the developed model of integrated environment, the description of which includes the system of various support
procedures for different types of tasks (functional, administrative, substantive) at all
stages, the system of logical components for the object-oriented approach, the file
system of integrated environment elements.
Conclusions. The authors developed the model of the integrated environment as
an interrelated set of its descriptions with varying degrees of detailing at the conceptual, logical and physical levels. The formal description of the integrated environment elements allows to advance to the development of the functioning management
procedures and to the development of the procedure of support environment configuration (development) for applied automated systems creation.
Key words: creation of automated systems, methodology of intellectual labor
automation, model of integrated environment.
В современных экономических условиях на машиностроительных
предприятиях все более жесткими становятся требования к качеству и срокам
выпуска продукции. Это приводит к необходимости сокращения сроков выполнения проектно-конструкторских работ и конструкторско-технологической подготовки производства при одновременном увеличении их объема и
сложности, к необходимости эффективного управления этими работами. Автоматизация информационных и интеллектуальных процессов обусловливает
потребность создания новых и развития существующих прикладных автоматизированных систем (ПАС) для повышения эффективности деятельности
предприятий в целом. Одним из подходов к созданию ПАС является разработанная на кафедрах «Информационные технологии и вычислительные системы» и «Когнитивные технологии проектирования» Московского государ-
82
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
ственного технологического университета «СТАНКИН» методология автоматизации интеллектуального труда (МАИТ). Суть методологии заключается
в последовательном отображении формально-языковых представлений автоматизируемых задач на основе первоначально формируемой семантической
модели этих задач на трех уровнях абстрагирования, что обеспечивает содержательное единство этих представлений. Особенностью МАИТ является
то, что создание ПАС осуществляется на основе промышленного способа,
который предполагает формирование модельного представления автоматизируемых задач, инвариантного к программно-техническим средам и средствам
их реализации [1–3]. До сих пор в практике автоматизации не существовало
общепринятого модельного представления, обеспечивающего промышленный способ создания ПАС. Разделение процесса создания ПАС на отдельные
этапы и функциональные процедуры (с регламентацией действий в рамках
этапов и процедур) приводит к необходимости управления процессом ее создания в рамках МАИТ.
Выполненная ранее автоматизация отдельных функциональных процедур при создании ПАС позволила повысить эффективность их выполнения, но при этом возникла проблема информационного взаимодействия
между этими инструментальными средствами [4–6]. Поэтому актуальное
значение приобретает задача разработки такой среды поддержки создания
ПАС, которая позволяет обеспечить взаимодействие ранее созданных и
создаваемых инструментальных средств поддержки отдельных функциональных процедур в соответствии с МАИТ. Единовременная автоматизация всех функциональных процедур этапов создания ПАС затруднительна
ввиду их существенной алгоритмической сложности и необходимости
привлечения большого количества специалистов в области разработки
программных комплексов. Такая среда должна обеспечить функционирование программных модулей на основе интеграции содержательных функций МАИТ и функций управления проектами [5]. А для обеспечения развития среды необходима интеграция указанных функций и функций
управления конфигурацией.
Учет содержательных функций МАИТ, отражающих ее специфику, необходим для решения ряда дополнительных задач в автоматическом режиме,
к числу которых относятся:
– контроль начала и окончания сеансов функциональных процедур;
– размещение модельных представлений и их версий в пространстве
вычислительной среды;
– контроль выполнения сроков и учет временных затрат по функциональным процедурам и исполнителям и т.д.
Управление конфигурацией при развитии интегрированной среды поддержки создания ПАС должно обеспечить как подключение существующих
программных модулей, реализующих отдельные процедуры МАИТ, так и
подключение новых функциональных и управленческих модулей по мере их
разработки.
Анализ подходов к созданию ПАС показал, что одним из наиболее распространенных на сегодня является объектно-ориентированный подход
(ООП), поддерживаемый многофункциональными инструментальными средEngineering sciences. Machine science and building
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
ствами. Был выявлен ряд недостатков, сдерживающих эффективность использования ООП при создании ПАС:
– неполнота охвата начальных этапов создания ПАС;
– наличие большого количества образных средств визуализации модельных представлений редко используемых на практике;
– отсутствие формального описания указанных модельных представлений не позволяет выполнять их взаимные отображения, интеграцию и т.д.
Анализ процесса создания ПАС на основе ООП позволил выявить следующие его особенности:
– высокая степень оригинальности большинства проектов создания
ПАС обусловливается постоянным обновлением программных, аппаратных и
коммуникационных средств, из-за чего стремительно девальвируется опыт
предшествующих проектов-аналогов;
– наличие большого количества модельных представлений, отражающих различные аспекты ПАС;
– сложность оценки объема и стоимости работ по функциональным
процедурам;
– существенное отличие плановых и фактических показателей отдельных функциональных процедур, в том числе временных и стоимостных;
– разнообразие методов оценки отдельных характеристик ПАС (объем
кода, стоимость);
– необходимость управления конфигурацией программного комплекса.
Процесс создания ПАС на основе МАИТ состоит из нескольких этапов
(рис. 1), на каждом этапе процесса формируется модельное представление
автоматизируемой предметной задачи [1].
Рис. 1. Процесс создания автоматизированной системы
Рассматривая основные этапы создания САПР на основе МАИТ, можно
выделить следующие особенности, присущие каждому этапу:
– наличие общего состава и структуры модельных представлений
предметных задач (ПЗ) на всех этапах создания САПР (рис. 2);
– обеспечение взаимосвязи модельных представлений разных этапов
создания САПР в МАИТ соотнесением составляющих модельных представлений по компонентам;
84
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
Рис. 2. Процесс автоматизации предметных задач на основе МАИТ
№ 1 (29), 2014
Engineering sciences. Machine science and building
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
– наличие типового состава процедур моделирования, т.е. каждый этап
моделирования включает набор укрупненных процедур: формирование
обобщенной модели под комплекс задач, формирование локальной модели
текущей задачи комплекса, анализ локальной модели текущей задачи, аналитическая обработка локальной модели текущей задачи, синтез локальной модели текущей задачи с обобщенной моделью, аналитическая обработка
обобщенной модели, документирование сформированных модельных представлений;
– наличие теоретических ограничений на формирование модельных
представлений предметных задач, обеспечивающих возможность их интеграции;
– фиксирование результатов каждого этапа в виде структурных диаграмм и спецификаций модельного представления;
– благодаря возможности интеграции формирование модельного представления комплекса предметных задач на каждом этапе создания САПР параллельно-последовательным образом;
− единая классификация категорий пользователей.
Поэтапная автоматизация функциональных процедур любого этапа выполняется в соответствии с самой МАИТ. Формирование модельных представлений этих процедур осуществляется в процессе функционирования интегрированной среды как моделирование специальных предметных задач.
Разработка средств поддержки, реализующих эти процедуры, позволяет, выполняя наращивание интегрированной среды новыми функциями, одновременно фиксировать и размещать модельные представления этих процедур
в самой интегрированной среде. Тогда для каждой процедуры этапа МАИТ
необходимо формирование полного набора ее модельных представлений.
При этом даталогическая модель любой автоматизируемой задачи по своей
сути отражает планирование организации вычислительной среды и вычислительного процесса как на логическом уровне, так и на физическом. Логический уровень определяет структуру именованных компонентов программного
комплекса (структур данных, запросов, функций и элементов интерфейса) и
их взаимосвязей с учетом ограничений выбранной программно-технической
среды реализации. Физический уровень определяет привязку вышеперечисленных компонентов программного комплекса к файловой системе выбранной программно-технической среды реализации.
Модель интегрированной среды IS может быть представлена как взаимосвязанная совокупность ее описаний с различной степенью детализации:
– система средств поддержки процедур разных типов на всех этапах
( IS1 );
– система логических компонентов ООП ( IS 2 );
– файловая система элементов интегрированной среды ( IS 3 ) (рис. 3).
Объединение элементов файловой системы для всех средств позволяет
описать интегрированную среду в целом на физическом уровне и как статическую систему (система хранения элементов файловой системы), и как динамическую систему (система функционирования или вызовов). Тогда модель интегрированной среды формально можно описать выражением
IS = < IS1, IS 2, IS 3, R123 > ,
def
86
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
где IS1, IS 2, IS 3 – описания интегрированной среды с различной степенью
детализации; R123 – увязка описаний интегрированной среды;
IS1 = < S , q( S ), RS > ,
def
здесь S – множество средств поддержки МАИТ для различных типов задач
(управленческих, предметных, функциональных); q ( S ) – свойства средств
поддержки МАИТ; RS – конфигурация средств поддержки интегрированной
среды.
Рис. 3. Взаимосвязь формальных описаний модели интегрированной среды
Каждое средство поддержки k -й процедуры j -го типа i -го этапа
МАИТ может быть представлено в виде системы логических компонентов:
ijk
ijk
S ijk
f = IS 2 = INF f , FUNC f ,
def
def
(
) (
) (
)
ijk
INT fijk , q INF fijk , q FUNC ijk
, R ijk
,
f , q INT f
f
ijk
– множества информационных, функциональгде INF fijk , FUNC ijk
f , INT f
ных и интерфейсных компонентов f -го средства поддержки k -й процедуры
) (
(
) (
, q INT fijk
j -го типа i -го этапа МАИТ; q INF fijk , q FUNC ijk
f
) – множе-
ства их свойств; Rijk
f – множество связей между указанными компонентами.
На рис. 4 приведено уточненное описание второго уровня интегрированной среды. Для каждого информационного компонента может быть выде-
{ }
компонента выделено множество деревьев {T } , для интерфейсного – множество интерфейсных элементов {El } . Данные множества как результат
лено множество табличных структур E ijk
fp . Для каждого функционального
ijk
fs
ijk
fl
выполнения этапа могут быть описаны множеством выходных спецификаций
{F } , графическими структурами {G } и дополнительно введенным мноijk
fq
ijk
fr
Engineering sciences. Machine science and building
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
{
}
жеством алгоритмов A lgijk
fz , причем тип алгоритма определятся решаемой
для определенного типа задачей (предметной, управленческой, функциональной). Например, для задач предметного типа это:
– ввод и организация информации;
– отображение моделей;
– создание моделей;
– вывод информации.
Рис. 4. Уточненное формальное описание второго уровня интегрированной среды
Особенность уточненного описания заключается в наличии промежу-
{ }{ }
ijk
точных структур ( El ijk
fl , T fs ), с которыми пользователю будет работать
проще, чем с модельными спецификациями, за счет изменения организации
структуры отображения данных. В совокупности структуры образуют «мастер» этапа – средство, позволяющее пользователю зафиксировать нужную
информацию перед ее обработкой.
Каждый информационный компонент представлен как совокупность
табличных структур, которые хранят информационные элементы (ИЭ). Элементы табличной структуры – ее строки, в зависимости от этапа МАИТ элементы могут описывать как сами ИЭ, так и связи на ИЭ.
Функциональный компонент описывает систему действий – алгоритм
решения задачи. Все действия завязаны в строгой иерархичной структуре,
работа с которой через табличное отображение может быть сложной задачей
в связи со сложностью системы действий. Поэтому была введена промежуточная структура – дерево, которое позволяет наглядно отобразить иерархию
действий и облегчить пользователю работу. Для описания дерева из этапов
МАИТ была выделена общая часть, связанная с формированием функциональной структуры. В ней были выделены общие для всех этапов параметры,
которые стали частью элемента дерева.
Дерево T ( n) = {ti } , где ti – элемент структуры, определяется рекурсивно следующим образом: ti = {text , Fr j , Arg , Statl , Stepm , Typen , T ( p)} , text –
текстовая составляющая элемента; Fr j – функциональный параметр элемента; Arg – множество аргументов элемента, Statl – статус элемента; Stepm –
Typen
–
тип
элемента,
степень
формализации
элемента;
T ( p) – множество дочерних элементов или вложенные деревья.
88
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
Взаимодействие описанных элементов для моделирования предметной
задачи может быть отражено схемой (рис. 5). На ней происходит чередование
представления данных «модель ( i − 1 ) – мастер ( i ) – модель ( i )». Стрелки на
данной схеме представляют собой алгоритмы функционирования интегрированной среды, разделенные на четыре группы.
Рис. 5. Взаимодействие элементов интегрированной среды
Описание составляющих интегрированной среды на третьем уровне детализации имеет общую структуру.
Множество информационных, функциональных и интерфейсных компонентов f -го средства поддержки k -й процедуры j -го типа i -го этапа
МАИТ представляется в следующем виде:
ijk
,
INF fijk = IS 3 = Bijk
f , q ( B f ), RBijk
f
def
def
ijk
ijk
,
FUNC ijk
f = IS 3 = C f , q (C f ), RC ijk
f
def
def
ijk
,
INT fijk = IS 3 = Dijk
f , q ( D f ), RDijk
f
def
def
где Bijk
f – множество элементов файловой системы информационного компонента, описывающего хранение данных. Это множество представляется
объединением подмножеств трех типов: подмножеств информационных томов, информационных директорий и информационных файлов; C ijk
f – множество элементов файловой системы функционального компонента, описывающего хранение данных. Это множество представляется объединением
подмножеств шести типов: подмножеств томов процедур, директорий процедур, файлов процедур, томов запросов, директорий запросов и файлов запросов; Dijk
f – множество элементов файловой системы интерфейсного компоEngineering sciences. Machine science and building
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
нента, описывающего хранение данных. Это множество представляется объединением подмножеств трех типов: подмножеств интерфейсных томов, интерфейсных директорий и интерфейсных файлов.
Таким образом, проведенные исследования позволили выявить особенности методологии автоматизации интеллектуального труда, с учетом этих
особенностей сформулировать требования к интегрированной среде: содержательные, конфигурационные, управленческие, – на основе которых разработана модель интегрированной среды. Модель интегрированной среды формально представлена как взаимосвязанное описание системы средств поддержки процедур разных типов на всех этапах МАИТ, системы логических
компонентов объектно-ориентированного подхода и файловой системы элементов интегрированной среды.
Приведенное формальное описание интегрированной среды в виде
множества элементов файловой системы (томов, директорий и файлов) разных типов (информационных, функциональных и интерфейсных) и связей
между ними можно представить в виде двух структур: структуры хранения
файлов и структуры функционирования.
Структура хранения файлов представляет собой множество элементов
файловой системы интегрированной среды и связей между ними, которые отображают только связи хранения. Таким образом, структура хранения отражает
фактическое размещение файлов в томах (сетевые компьютеры сети), в том числе и во вложенных томах и директориях, в том числе и вложенных директориях.
Структура функционирования представляет собой множество файлов
интегрированной среды и связей между ними, непосредственно связанных
с обеспечением функционирования самой интегрированной среды.
Выполненное формальное описание элементов интегрированной среды
позволяет перейти к разработке методики управления ее функционированием
и разработке методики конфигурирования (развития) среды поддержки создания прикладных автоматизированных систем.
Список литературы
1. В о л к о в а , Г . Д . Методология автоматизации интеллектуального труда. Ч. 2 /
Г. Д. Волкова // Межотраслевая информационная служба. – 2009. – № 2 (147). –
С. 9–20.
2. В о л к о в а , Г . Д . Методология автоматизации проектно-конструкторской деятельности в машиностроении : учеб. пособие / Г. Д. Волкова. – М. : Издательский
центр МГТУ «Станкин», 2000. – С. 81.
3. В о л к о в а , Г . Д . Методология автоматизации интеллектуального труда. Ч. 3 /
Г. Д. Волкова // Межотраслевая информационная служба. – 2009. – № 3 (148). –
С. 10–23.
4. В о л к о в а , Г . Д . Развитие методологии автоматизации интеллектуального труда
как теоретической основы создания прикладных автоматизированных систем /
Г. Д. Волкова // Информационные технологии и автоматизированные системы. –
2006. – № 1. – С. 105–117.
5. В о л к о в а , Г . Д . Особенности разработки средств поддержки управления проектами при создании САПР машиностроительного назначения / Г. Д. Волкова,
Д. А. Володин // Технология машиностроения. – 2007. – № 2 (56). – С. 66–68.
6. В о л к о в а , Г . Д . Автоматизация управления проектами и документированием
при разработке прикладных автоматизированных систем / Г. Д. Волкова,
М. В. Щукин, Д. А. Володин // Высокие технологии – 2004 : сб. тр. науч.-техн.
форума с междунар. участием : в 4 ч. – Ижевск : ИжГТУ, 2004. – Ч. 1. – С. 22–28.
90
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
References
1. Volkova G. D. Mezhotraslevaya informatsionnaya sluzhba [Intersectoral information
service]. 2009, no. 2 (147), pp. 9–20.
2. Volkova G. D. Metodologiya avtomatizatsii proektno-konstruktorskoy deya-tel'nosti v
mashinostroenii: ucheb. posob. [Methodology of project-construction activity atomation in machine building]. Moscow: Izdatel'skiy tsentr MGTU «Stankin», 2000, p. 81.
3. Volkova G. D. Mezhotraslevaya informatsionnaya sluzhba [Intersectoral information
service]. 2009, no. 3 (148), pp. 10–23.
4. Volkova G. D. Informatsionnye tekhnologii i avtomatizirovannye sistemy [Information
technologies and automated systems]. 2006, no. 1, pp. 105–117.
5. Volkova G. D., Volodin D. A. Tekhnologiya mashinostroeniya [Machine building technology]. 2007, no. 2 (56), pp. 66–68.
6. Volkova G. D., Shchukin M. V., Volodin D. A. Vysokie tekhnologii – 2004: sb. tr.
nauch.-tekhn. foruma s mezhdunar. uchastiem: v 4 ch. [High technologies – 2004: proceedings of scientific and technical forum with international participation: in 4 parts].
Izhevsk: IzhGTU, 2004, part 1, pp. 22–28.
Новоселова Ольга Вячеславовна
кандидат технических наук, доцент,
кафедра информационных технологий
и вычислительных систем, Московский
государственный технологический
университет «СТАНКИН» (Россия,
г. Москва, Вадковский переулок, 3а)
Novoselova Ol'ga Vyacheslavovna
Candidate of engineering sciences, associate
professor, sub-department of information
technologies and computing systems,
Moscow State Technological University
“STANKIN” (3a Vadkovskiy lane,
Moscow, Russia)
E-mail: it_ktp@stankin.ru
Волкова Галина Дмитриевна
доктор технических наук, профессор,
кафедра информационных технологий
и вычислительных систем, Московский
государственный технологический
университет «СТАНКИН» (Россия,
г. Москва, Вадковский переулок, 3а)
Volkova Galina Dmitrievna
Doctor of engineering sciences, professor,
sub-department of information technologies
and computing systems, Moscow State
Technological University “STANKIN”
(3a Vadkovskiy lane, Moscow, Russia)
E-mail: it_ktp@stankin.ru
Гаврилов Андрей Геннадьевич
аспирант, Московский государственный
технологический университет
«СТАНКИН» (Россия, г. Москва,
Вадковский переулок, 3а)
Gavrilov Andrey Gennad'evich
Postgraduate student, Moscow State
Technological University “STANKIN”
(3a Vadkovskiy lane, Moscow, Russia)
E-mail: it_ktp@stankin.ru
УДК 004.02
Новоселова, О. В.
Моделирование интегрированной среды поддержки создания
прикладных автоматизированных систем / О. В. Новоселова, Г. Д. Волкова, А. Г. Гаврилов // Известия высших учебных заведений. Поволжский
регион. Технические науки. – 2014. – № 1 (29). – С. 81–91.
Engineering sciences. Machine science and building
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
УДК 621.357.504
М. В. Глебов, О. С. Виноградов, Л. В. Наумов
ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЕ СПЛАВА МЕДЬ-ОЛОВО
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИБРАЦИИ И МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Аннотация.
Актуальность и цели. Объектом исследования является электролит для
нанесения покрытий сплавом медь-олово; предметом – процессы электроосаждения покрытий сплавом медь-олово на стационарных и нестационарных
режимах осаждения, таких как вибрация катода и омагничивание электролита.
Цель исследования – выявление технологических и кинетических закономерностей электроосаждения сплава медь-олово при вибрации катода и в магнитном поле.
Материалы и методы. При выполнении экспериментов использованы методы: классификации, аналогии применительно к использованию смежных отраслей науки и техники; технологии нанесения гальванических покрытий
сплавами; гостированные методики по определению состава получаемых покрытий.
Результаты. Выявлены технологические и кинетические закономерности
электроосаждения покрытий сплавом медь-олово, позволяющие выбрать
предпочтительные режимы электролиза при вибрации катода и в магнитном
поле. С целью получения сплава определенного состава было получено многофакторное уравнение регрессии, которое устанавливает зависимость содержания олова в сплаве с входными параметрами, влияющими на процесс.
Выводы. В результате проделанной работы выявлено, что вибрация катода
и наложение на электролит магнитного поля повышают выход по току, рабочую плотность тока 4 раза и 1,5 раза соответственно и улучшают внешний вид
покрытий сплавом медь-олово.
Ключевые слова: сплав медь-олово, нестационарный режим электролиза,
вибрация катода, электромагнитное поле, технологические параметры, кинетические кривые, математическая модель.
M. V. Glebov, O. S. Vinogradov, L. V. Naumov
ELECTRODEPOSITION OF COPPER-TIN ALLOY
USING VIBRATION AND A MAGNETIC FIELD
Abstract.
Background. The object of research is an electrolyte for deposition of coatings
with a copper-tin alloy; the subject of research is the processes of electrodeposition
of coatings with a copper-tin alloy at stationary and non-stationary modes of electrodeposition, such as cathode vibration and electrolyte conversion to a magnet. The
research is aimed at discovering technological and kinetic regularities of copper-tin
alloy electrodeposition in conditions of cathode vibration and a magnetic field.
Materials and methods. In the course of experiments the authors used the following methods: classification, analogues for application of adjacent fields of science and technology; technologies of galvanic coating with alloys; standard methods of determination of the composition of the obtained coatings.
Results. The authors revealed technological and kinetic regularities of electrodeposition of coatings made of a copper-tin alloy allowing to choose preferable
modes of electrolysis in conditions of cathode vibration and in a magnetic field. In
92
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
order to obtain an alloy of a certain composition the authors developed a multifunctional regression equation that shows the correlation of the content of tin in the alloy
and the input parameters influencing the process.
Conclusions. The authors discovered that the cathode vibration and magnetic
field superimposition on the electrolyte increase current output, operating current
density 4 times and 1, 5 times respectively and improve the outlook of coatings with
a copper-tin alloy.
Key words: copper-tin alloy, non-stationary mode of electrolysis, cathode vibration, electromagnetic field, technological parameters, kinetic curves, mathematical
model.
Введение
Покрытия сплавом медь-олово, содержащие 20–30 % олова, обладают
достаточно высокой микротвердостью и низким коэффициентом трения. Такие покрытия применяются в качестве защитно-декоративных в различных
областях промышленности. Высокая износостойкость наряду с низким значением переходного электросопротивления позволяет использовать их в радиоэлектронной аппаратуре [1–3].
Разработано значительное количество электролитов для электроосаждения сплава медь-олово, однако подавляющее большинство из них не отвечает требованиям стабильности в условиях длительной эксплуатации. Кроме того, имеющиеся электролиты часто обладают низкой скоростью электроосаждения и низким выходом по току [4, 5].
В настоящее время для улучшения качества покрытий и повышения
скорости осаждения в электрохимических производствах применяют покачивание катодных штанг. Система покачивания катодных штанг предназначена
для удаления газовых пузырьков, выделяющихся на поверхности обрабатываемых деталей во время покрытия и для снижения концентрационной поляризации. Режим работы известных установок (≈10–40 покачиваний в минуту)
не позволяет эффективно снижать диффузионные ограничения, которые при
высоких плотностях тока значительно ухудшают качество покрытий [1].
Поэтому в работе для интенсификации процесса электроосаждения
сплава медь-олово применены вибрация катода и наложение на электролит
магнитного поля. Применение таких режимов позволяет повысить скорость
электроосаждения за счет интенсификации прикатодных процессов.
Методы исследования
Вибрация катода создавалась на установке (рис. 1), состоящей из двух
катушек на магнитопроводе с небольшим воздушным зазором. В зазоре между катушками располагается железный сердечник, являющийся одновременно катододержателем. Каждая катушка питается через однополупериодный
выпрямитель. Один конец катододержателя крепится к корпусу магнитопровода с помощью шарнирного соединения. При подаче напряжения на катушки магнитное поле, возникающее в них, вызывает колебания катододержателя. Величина колебания катода зависит от величины напряжения, подаваемого на катушки.
Наложение на электролит электромагнитного поля осуществлялось
с помощью установки (рис. 2), состоящей из катушки, подключенной к источнику тока, которая расположена под гальванической ванной.
Engineering sciences. Machine science and building
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
2
6
5
4
1
3
Рис. 1. Схема виброустановки: 1 – опора; 2 – катушки с сердечником;
3 – электролизер; 4 – анод; 5 – катод; 6 – катододержатель
4
1
5
2
3
Рис. 2. Схема электромагнитной установки: 1 – гальваническая ванна;
2 – металлический сердечник; 3 – катушка; 4 – анод; 5 – катод
94
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
В катушке помещен стальной С-образный сердечник, служащий также
опорой для катушек. При подключении катушки к источнику напряжения в
сердечнике создается переменное или постоянное магнитное поле в зависимости от источника тока.
На рис. 3 представлена принципиальная схема установки для магнитогидродинамической активации электролита, которая включает в себя гальваническую ванну 3, регулируемый насос 4 и электромагнитное устройство.
Электромагнитное устройство состоит из корпуса 5, в который помещен
электромагнит. В зазоре между полюсами электромагнита расположены полимерные трубы 8, через которые циркулирует электролит. Активация осуществляется следующим образом. В начале процесса включают электромагнитное устройство и насос для перекачивания электролита. После магнитогидродинамической активации всего объема электролита начинают процесс
электролиза.
1
2
3
4
5
6
7
8
Рис. 3. Схема установки для магнитогидродинамической активации электролита:
1 – аноды; 2 – катод; 3 – гальваническая ванна; 4 – регулируемый насос; 5 – корпус;
6 – катушки; 7 – сердечник; 8 – трубопровод из полимерных труб
Изучение кинетических закономерностей электроосаждения сплава
медь-олово при вибрации катода и наложении на электролит электромагнитного поля (МП) проводились на потенциостате IPC-Pro из щавелевокислого
электролита следующего состава (г/л): медь сернокислая пятиводная 20–25,
олово сернокислое 3–10, аммоний щавелевокислый 45–55, ацетат натрия
15–25, желатин 0,1–0,2, антиоксидант 0,5, ванилин 0,5, рН 3,5–6, катодная
плотность тока 0,2–0,7 А/дм2.
Engineering sciences. Machine science and building
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Результаты исследования
Для изучения влияния вибрации катода и наложения на электролит
магнитного поля на процесс электроосаждения сплава медь-олово были исследованы кинетические и технологические закономерности.
Потенциодинамические исследования показали, что применение нестационарного электролиза существенно влияет на кинетику электроосаждения
сплава медь-олово (рис. 4).
5
4
3
2
1
Рис. 4. Потенциодинамические поляризационные кривые выделения сплава
медь-олово: 1 – на стационарном режиме; 2 – после магнитогидродинамической
активации; 3 – в переменном магнитном поле; 4 – при 40 °С;
5 – с применением вибрации катода
Поляризационные кривые показывают, что кривая выделения сплава
при стационарном режиме (кривая 1) имеет предельную плотность тока при
плотности тока до 0,7 А/дм2. Блестящие покрытия осаждаются при плотности
тока 0,2–0,7 А/дм2, при более высокой плотности тока – матовые и шероховатые, плохо сцепленные с основой. Вибрация катода (кривая 2) ведет к деполяризации примерно на 300 мВ и повышению предельной плотности тока до
3,5А/дм2. Кривая выделения сплава после магнитогидродинамической обработки (кривая 2) смещена на 10 мВ в положительную сторону и также имеет
предельную плотность тока, аналогично стационарному режиму. Следовательно, магнитогидродинамическая активация не оказывает значительного
влияния на процесс электроосаждения сплава. Кривая выделения сплава
в переменном магнитном поле в рабочем диапазоне плотности тока (кривая 3)
практически не смещена относительно кривой при стационарном режиме.
Однако переменное магнитное поле повышает предельную плотность тока.
Повышение температуры электролита при стационарном режиме до
40 °С (кривая 4) ведет к деполяризации примерно на 100 мВ и повышению
предельной плотности тока до 1 А/дм2. Таким образом, исследования показали, что режим электролиза существенно влияет на кинетику электроосаждения сплава.
96
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
Концентрация олова в электролите, плотность тока и температура электролита значительно влияют на состав сплава, выход по току сплава и качество покрытия.
С увеличением концентрации сульфата олова в электролите от 3 до
10 г/л, при концентрации сульфата меди 20 г/л, плотности тока 0,5 А/дм2 и
температуре 20 °С содержание олова в сплаве возрастает от 19 до 30 %, выход сплава по току повышается с 95 до 99 % вследствие смещения потенциала электрода в сторону более положительных значений.
С повышением плотности тока с 0,2 до 0,6 А/дм2 при концентрации
сульфата олова в электролите 6 г/л и концентрации сульфата меди 20 г/л
наблюдается рост содержания олова в сплаве с 9 до 27 % и понижение выхода по току с 99 до 96 %, что связано со смещением потенциала электрода
в отрицательную сторону.
Увеличение температуры электролита с 20 до 40 °С при плотности тока
0,5 А/дм2 и концентрации сульфата олова в электролите 6 г/л приводит
к снижению содержания олова в сплаве с 24 до 18 %. Уменьшение содержания олова в сплаве связано со смещением потенциала электрода в сторону
потенциала выделения меди с увеличением температуры электролита.
Понижение рН с 5,5 до 3,5 при концентрации сульфата олова 6 г/л,
температуре 20 °С и плотности тока 0,5 А/дм2 вызывает снижение выхода по
току с 97 до 95,5 % и уменьшение содержания олова с 26 до 17 %, что связано
со смещением потенциала выделения сплава в сторону отрицательных значений. Увеличение рН с 5 до 6 ведет к быстрому окислению олова и соответственно к снижению выхода по току. Блестящие хорошо сцепленные с основой покрытия были получены при рН 4,5–5.
Вибрация катода значительно влияет на состав сплава, выход по току
сплава и качество покрытия.
С увеличением концентрации сульфата олова в электролите от 3 до
10 г/л при концентрации сульфата меди 20 г/л, плотности тока 2,5 А/дм2 и
температуре 20 °С содержание олова в сплаве возрастает от 35 до 45 %.
Увеличение плотности тока с 0,5 до 2,5 А/дм2 при концентрации сульфата олова в электролите 6 г/л и концентрации сульфата меди 20 г/л также
приводит к увеличению содержания олова в сплаве с 26,5 до 39,5 %.
Повышение температуры с 20 до 40°С при плотности тока 2,5 А/дм2 и
концентрации SnSO4 6 г/л приводит к снижению содержания олова в сплаве с
39 до 33,5 % вследствие увеличения доли тока, идущего на электроосаждение
меди.
Понижение рН с 5,5 до 3,5 при 6 г/л сульфата олова, при комнатной
температуре и плотности тока 2,5 А/дм2 наблюдается снижение содержания
олова с 41 до 34 %.
Выход по току при всех параметрах близок к 100 %. Блестящие золотисто-желтые покрытия были получены при плотности тока 0,5–2 А/дм2, а при
плотности тока 2,5 А/дм2 осадки становятся серебристыми. При плотности
тока выше 3 А/дм2 осаждаются темные порошкообразные покрытия. По сравнению со стационарным режимом вибрация катода увеличивает рабочую
плотность тока в 4 раза – с 0,5 до 2 А/дм2, расширяет диапазон содержания
олова в сплаве но 9–45 %, также улучшает некоторые физико-механические
свойства покрытия.
Engineering sciences. Machine science and building
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
При наложении на электролит переменного магнитного поля наблюдается повышение содержания олова в сплаве, повышение выхода по току сплава и
улучшение качества покрытия по сравнению со стационарным режимом.
С повышением плотности тока с 0,2 до 0,6 А/дм2 при концентрации
сульфата олова в электролите 6 г/л и концентрации сульфата меди 20 г/л
наблюдается рост содержания олова в сплаве с 13 до 30 %.
С увеличением концентрации сульфата олова в электролите от 3 до
10 г/л при концентрации сульфата меди 20 г/л, плотности тока 0,5 А/дм2 и
температуре 20 °С содержание олова в сплаве возрастает от 20 до 36 %.
Повышение температуры с 20 до 40°С при плотности тока 0,5 А/дм2 и
концентрации сульфата олова 6 г/л приводит к снижению содержания олова
в сплаве с 34 до 27 %, выход сплава по току понижается до 96 %.
При снижении рН с 5,5 до 3,5 при концентрации сульфата олова 6 г/л и
комнатной температуре, плотности тока 0,5 А/дм2 наблюдается снижение содержания олова с 29 до 23 %.
Выход по току при всех рассмотренных рН и содержаниях сульфата
олова близок к 100 %. Блестящие золотисто-желтые покрытия были получены при плотности тока 0,6 А/дм2. При дальнейшем повышении плотности
тока качество осаждаемых покрытий ухудшается.
С целью получения сплава, содержащего 20–25 % олова, было получено многофакторное уравнение регрессии, которое устанавливает зависимость
содержания олова в сплаве с входными параметрами, влияющими на процесс.
На содержание олова в сплаве (Y) влияют следующие факторы: CSnSO4 – концентрация сульфата олова в электролите, г/л; ik – катодная плотность тока,
А/дм2; t – температура, °С; pH электролита (табл. 1).
Таблица 1
Факторы, влияющие на состав сплава и их интервалы варьирования
Факторы
Концентрация
сульфата
олова в электролите, г/л
Катодная
плотность
тока, А/дм2
Температура
электролита,
°С
рН
электролита
Кодовое
Звездная
обозначение
точка
факторов
–2
Уровни факторов
Нижний Основной Верхний Звездная
уровень уровень уровень
точка
–1
0
+1
+2
Х1
2
4
6
8
10
Х2
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Х3
20
25
30
35
40
Х4
3,5
4
4,5
5
5,5
В табл. 1 приведены данные по процентному содержанию олова в сплаве, рассчитанные на основании химического анализа полученных сплавов, и
вычисленные на их основе коэффициенты уравнения регрессии.
98
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
После нахождения коэффициентов уравнения регрессии (табл. 2) была
проведена проверка на их значимость по критерию Стьюдента. Для этого были поставлены три параллельных опыта в центре плана (на основном уровне
для всех факторов). Результаты химического анализа полученных сплавов
показали: Y1 = 25; Y2 = 24,8; Y3 = 24,9.
Таблица 2
Значения содержания олова в сплаве и коэффициентов регрессии
Содержание олова в сплаве, %
Y1 = 12,6
Y9 = 21,5
Y2 = 17,4
Y10 = 23,2
Y3 = 25
Y11 = 30
Y4 = 42,5
Y12 = 46,4
Y5 = 7,5
Y13 = 18,5
Y6 = 12,8
Y14 = 20,8,
Y7 = 9,5
Y15 = 22,4
Y8 = 16,5
Y16 = 23,5
Коэффициенты уравнения регрессии
b0 = 21,88
b23 = –3,56
b1 = 3,51
b24 = –0,31
b2 = 5,09
b34 = 0,96
b3 = –5,44
b123 = –1,68
b4 = 3,91
b124 = –0,06
b12 = 1,74
b134 = –0,29
b13 = –1,54
b234 = 0,42
b14 = –0,82
b1234 = –0,31
В результате проверки незначимые коэффициенты уравнения регрессии
отбрасывались, а полученная модель проверялась на адекватность по критерию Фишера. Уравнение регрессии, адекватно описывающее влияние технологических факторов на содержание олова в сплаве медь – олово, имеет вид
y = 21,88 + 17, 4 Х1 + 5,09 Х 2 − 5, 44 Х 3 + 3,91Х 4 + 1,74 Х1 Х 2 −
−1,54 Х1 Х 3 + 3,56 Х 2 Х 3 − 1,68 Х1 Х 2 Х 4 .
(1)
Как видно из уравнения (1), на содержание олова в сплаве оказывают
влияние как единичные факторы: концентрация сульфата олова в электролите, плотность тока, температура и рН электролита, так и факторы взаимодействия: концентрация сульфата олова в электролите – плотность тока, концентрация сульфата олова в электролите – температура электролита, плотность
тока – температура электролита.
С целью практического удобства применения данного уравнениямодели произведем именное декодирование переменных факторов. Для этого
заменим переменные в уравнении на соотношения:
Х1 =
CSnSO4 − 6
2
i − 0, 4
t − 30
рН − 4,5
; Х2 = k
; Х4 =
; Х3 =
.
5
0,1
0,5
В результате получим:
y = 21,88 + 17, 4
+1,74
CSnSO4 − 6
2
i − 0, 4
t − 30
+ 5,09 k
− 5, 44
+ 3,91Х 4 +
0,1
5
CSnSO4 − 6 ik − 0, 4
CSnSO4 − 6 t − 30
− 1,54
+
2
0,1
2
5
CSnSO4 − 6 ik − 0, 4 рН − 4,5
i − 0, 4 t − 30
+3,56 k
− 1,68
.
0,1
5
2
0,1
0,5
Engineering sciences. Machine science and building
(1)
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Влияние факторов на содержание олова в сплаве позволяет в процессе
электроосаждения поддерживать состав сплава в заданных пределах путем
изменения режима осаждения (плотности тока, температуры электролита),
не прибегая к корректировке электролита.
Заключение
Таким образом, можно сделать вывод, что вибрация катода и наложение на электролит магнитного поля повышают выход по току, рабочую плотность тока в 4 и 1,5 раза соответственно и улучшают внешний вид покрытий
сплавом медь-олово.
Список литературы
1. Гальванические покрытия в машиностроении : справочник : в 2 т. / под ред.
М. А. Шлугера. – М. : Машиностроение, 1985. – Т. 1. – 240 с. ; Т. 2. – 248 с.
2. Бо нда р ь , В. В. Электроосаждение двойных сплавов / В. В. Бондарь,
В. В. Гриница, В. Н. Павлов // Итоги науки и техники. – 1979. – № 16. – 329 с.
3. Электролитическое осаждение сплавов / под ред. В. А. Аверкина. – М. : Машгиз,
1961. – 218 с.
4. К о с м о ди м а н с к а я, Л. В. Некоторые особенности процесса бронзирования из
сульфатных электролитов / Л. В. Космодиманская, К. М. Тютина, О. Е. Николаева, Ле Хюэ Хыонг, И. В. Одинокова // Технология неорганических веществ и материалов. – 2005. – № 11.
5. Патент РФ № 17.09.1997 20.05.1999. Электролит бронзирования / Лукомский Ю. Я.,
Кунина О. Л. – № 2130513 97115437/02.
References
1. Gal'vanicheskie pokrytiya v mashinostroenii: spravochnik: v 2 t. [Galvanic coatings in
mechanical engineering: in 2 volumes]. Ed. M. A. Shluger. Moscow: Mashinostroenie,
1985, vol. 1, 240 p.; vol. 2, 248 p.
2. Bondar' V. V., Grinitsa V. V., Pavlov V. N. Itogi nauki i tekhniki [Progress of science
and technology]. 1979, no. 16, 329 p.
3. Elektroliticheskoe osazhdenie splavov [Electrolytic deposition of alloys]. Ed.
V. A. Averkin. Moscow: Mashgiz, 1961, 218 p.
4. Kosmodimanskaya L. V., Tyutina K. M., Nikolaeva O. E., Le Khyue Khyong, Odinokova I. V. Tekhnologiya neorganicheskikh veshchestv i materialov [Technology of
non-organic substances and materials]. 2005, no. 11.
5. Patent Russian Federation № 17.09.1997 20.05.1999. Bronzing electrolyte. Lukomskiy
Yu. Ya., Kunina O. L. No. 2130513 97115437/02.
Глебов Максим Владимирович
инженер I категории, кафедра
технологии машиностроения,
Пензенский государственный
университет (Россия, г. Пенза,
ул. Красная, 40)
E-mail: MAC-simka@mail.ru
Виноградов Олег Станиславович
кандидат технических наук, доцент,
кафедра технологии машиностроения,
100
Glebov Maksim Vladimirovich
Engineer of I category, sub-department
of machine building technology, Penza
State University (40 Krasnaya street,
Penza, Russia)
Vinogradov Oleg Stanislavovich
Candidate of engineering sciences, associate
professor, sub-department of machine
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
Пензенский государственный
университет (Россия, г. Пенза,
ул. Красная, 40)
building technology, Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia)
E-mail: fox-bbs@mail.ru
Наумов Лев Васильевич
кандидат технических наук, доцент,
кафедра технологии машиностроения,
Пензенский государственный
университет (Россия, г. Пенза,
ул. Красная, 40)
Naumov Lev Vasil'evich
Candidate of engineering sciences, associate
professor, sub-department of machine
building technology, Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia)
E-mail: lvn-25@yandex.ru
УДК 621.357.504
Глебов, М. В.
Электроосаждение сплава медь-олово с использованием вибрации
и магнитного поля / М. В. Глебов, О. С. Виноградов, Л. В. Наумов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. –
2014. – № 1 (29). – С. 92–101.
Engineering sciences. Machine science and building
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
УДК 624.074
С. А. Чернов
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОНКОСТЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ,
ПОДКРЕПЛЕННЫХ СТЕРЖНЯМИ КОРОБЧАТОГО СЕЧЕНИЯ
Аннотация.
Актуальность и цель. При расчете методом конечных элементов оболочки и пластины, подкрепленных стержнями, в конечно-элементной модели
стержень представляет собой линию, наделенную соответствующими физическими и геометрическими характеристиками с расположением в плоскости конструкции. Особенности крепления стержня не учитываются. Наиболее часто используются стержни коробчатого квадратного сечения. Цель работы – обеспечить расчет подкрепленной оболочки и пластины стержнями
коробчатого квадратного сечения с использованием конечных элементов с
узлами по контурам сечений, соответствующим узлам крепления стержня.
Материалы и методы. Исследования проводятся на основе метода конечных элементов с использованием дискретных расчетных схем и программных средств.
Результаты. В стандартной конечно-элементной постановке с помощью
матриц переноса узловых сил и перемещений получены выражения в блочной форме матриц жесткости балочных конечных элементов с узлами по
контурам сечений, соответствующим симметричному креплению стержня и
в «шахматном» порядке. Моделирование подкрепленных конструкций, полнее отражающее силовое и кинематическое взаимодействие стержней, пластин и оболочек в узлах их соединения, реализовано в целевых программах
для ЭВМ.
Выводы. Подход к моделированию подкрепленной конструкции позволяет в ее конечно-элементной модели учесть условия крепления стержня коробчатого квадратного сечения, что полнее отражает особенности сопряжения КЭ. Программы расчета на ЭВМ можно рекомендовать для кинематического анализа различных металлических конструкций при оболочечностержневой и пластинчато-стержневой их идеализации.
Ключевые слова: оболочка, пластина, стержень, узлы по контурам сечений, матрица жесткости, подкрепленные конструкции, программа для ЭВМ.
S. A. Chernov
MODELLING OF THE THIN-WALLED STRUCTURES,
SUPPORTED WITH RODS OF BOX SECTION
Abstract.
Background. In the course of calculation of the method of final elements of
shells and plates, supported by rods, in a finite element model the ROD is a single
line with appropriate physical and geometrical characteristics located in a construction plane. The author didn’t take into account mounting features of rods.
The most oftenly used rods are of box square section. The aim of the work is to
provide the calculation of the shells and plates supported by rods of box square
section using finite elements with nodes along the contours of the sections equal
to the attachment points of the rod.
Matherials and methods. The research is based on the finite element method
using discrete calculation schemes and software.
102
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
Results. In a standard finite element formulation using the matrixes of nodal
forces transfer and displacements the author obtained the expressions in block
form of stiffness matrixes of rod finite element nodes along the contours of the
sections, corresponding to symmetrical mounting of a rod and the "chess" order.
Modeling of the reinforced constructions, more fully reflecting force and kinematic interaction of rods, plates and shells in the nodes of their connection, are
implemented in special computer programs.
Conclusions. An approach to modelling of the supported construction allows
in its finite element model to take into consideration the conditions of mounting
of rods of box square section, which better reflects the peculiarities of finite element linking. Compute calculation programs can be recommended for the kinematic analysis of various metal structures at shell-rod and plate-rod idealization.
Key words: shell, slab, rod, nodes along the section contour, stiffness matrix,
supported construction, computer program.
Введение
При расчете методом конечных элементов оболочки и пластины, подкрепленных стержнями, конечно-элементные (КЭ) модели задач рассматриваются с единых позиций как оболочечно-стержневые и пластинчато-стержневые
системы. КЭ оболочки моделируются как совокупность плоских элементов,
работающих в плоскости КЭ и на изгиб, пластины моделируются КЭ пластины,
работающими на изгиб. Стержень представляет собой линию, наделенную соответствующими физическими и геометрическими характеристиками.
В подкрепленной оболочке используется пространственный балочный
КЭ, а в подкрепленной пластине – балочный КЭ, работающий на изгиб и кручение. Эксцентриситет оси стержня по отношению к плоскости оболочки или
пластины, как правило, не учитывается, т.е. балочный КЭ располагается в их
плоскости, не учитываются и условия крепления стержня [1–4]. Наиболее часто используются стержни коробчатого квадратного сечения (труба профильная ГОСТ 8639–82), обладающие конструктивным преимуществом в сравнении с другими профилями. Рассматривается стержень коробчатого квадратного сечения с узлами по контурам сечений, соответствующими узлам его
крепления к оболочке и пластине. Матрицы жесткости стержней получены
переносом узловых сил и перемещений из узлов, расположенных по концам
оси стержня.
1. Учет эксцентриситета оси стержня
На рис. 1 представлен фрагмент оболочки, подкрепленной стержнем
коробчатого сечения и принятые положительные направления узловых сил и
перемещений.
Оболочка моделируется прямоугольными КЭ оболочки, а стержень –
пространственным балочным КЭ A − B . Узлы A , B расположены в центрах
тяжести поперечных сечений в начале и конце стержня. Ось X местной системы координат направлена вдоль оси стержня; оси Y , Z – главные оси
инерции сечения стержня.
Приведем векторы { PA } и { PB } узловых сил соответственно начала КЭ
A − B к узлу i , а конца – к узлу j , и получим матрицу  Ki − j  жесткости
балочного КЭ с этими узлами; Ai = Bj – эксцентриситет оси стержня.
Engineering sciences. Machine science and building
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Y
X
3
4
j
Положительные направления
узловых сил и перемещений
B.
Y
X
5
1
i
А.
2
2
Z
4
1
3
Z
6
Рис. 1. Фрагмент оболочки, подкрепленной стержнем
Уравнение равновесия балочного КЭ A − B сгруппируем и разобьем на
подматрицы по узлам A и B [2, 3]:
 РA   K AA
 =
 РB   K BA
K AB   Z A 
× ,
K BB   Z B 
где K AA ,…, K BB – подматрицы порядка 6 матрицы [ K A− B ] жесткости КЭ;
{PA } , {Z A } и {PB } , {Z B } – векторы сил и перемещений узлов A и B соответственно.
Перемножим сгруппированные элементы матриц:
{PA } = [ K AA ]{Z A } + [ K AB ]{Z B } ;
{PB } = [ K BA ]{Z A } + [ K BB ]{Z B } .
(1)
Согласно принятым положительным направлениям узловых сил и перемещений и правилу переноса сил из узла A в узел i вектор { Pi } сил в узле
i начала стержневого КЭ запишется в виде
PxA
 Pxi  

P  

P
yA
 yi  

 P  

P
zA
{Pi } =  zi  = 
,
 M xi  − PzA yi + M xA 
 M yi  

M yA

 

 M zi   PxA yi + M zA 
где yi – координата i -го узла.
Связь векторов { Pi } и { PA } узловых сил в начале КЭ в матричной
форме можно выразить следующим образом:
{Pi } = [ hi ]{PA} ,
где [ hi ] – матрица переноса сил i -го узла с координатой zi = 0 :
104
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
1
0

0
[ hi ] =  0

0

 yi
0 0
1 0
0 1
0 − yi
0 0
0 0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0 
0
.
0
0

1 
Тогда матрица переноса сил КЭ в узлы i , j определится выражением
h 
[ H ] =  hi  ;
 j
[ hi ] =  h j  ,
{ }
а связь векторов Pi − j
дующая:
и { PA− B } узловых сил КЭ в матричной форме сле-
{Pi− j } = [ H ]{PA− B } .
(2)
Из преобразований сил следуют преобразования перемещений:
{Z A− B } = [ H ]T {Zi − j } .
Подставив в выражение для вектора узловых сил (2) вектор
(1), с учетом (3) получим
(3)
{ P A− B }
{Pi− j } = [ H ][ K A− B ][ H ]T {Zi− j } ,
что определяет матрицу жесткости КЭ с узлами i и j , учитывающей эксцентриситет оси стержня по отношению к плоскости оболочки, в которых расположены и узлы сопряжения прямоугольных КЭ:
 Ki − j  = [ H ][ K A− B ][ H ]T .


2. Матрицы жесткости
Рассмотренный подход к формированию матрицы  Ki − j  позволяет
учитывать особенности крепления стержня к оболочке. Пусть крепление
стержня выполняется сваркой. Различают симметричное крепление и
в «шахматном» порядке. При симметричном креплении стержня узлы 1–4
являются узлами сварки. В конечно-элементной модели подкрепленной конструкции необходимо, чтобы в этих узлах были расположены и узлы сопряжения прямоугольных КЭ. Получим матрицу [ K1−4 ] жесткости балочного
КЭ с этими узлами. Вектор { P1} узловых сил в узле 1 начала стержневого КЭ
запишется в виде
Engineering sciences. Machine science and building
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
PxA

 Px1  

P  
PyA

 y1  

 P  
P
zA
{P1} =  z1  =  P z − P y + M  .
xA 
 M x1   yA 1 zA 1
 M y1   − P z + M

xA 1
yA

 

 M z1  

PxA y1 + M zA
Связь векторов { P1} и { PA } сил 1-го узла и узла A в матричной форме
будет иметь вид
{P1} = [ h1 ]{PA } ,
где [ h1 ] – матрица переноса сил 1-го узла:
 1
 0

 0
[ h1 ] =  0

 − z1

 y1
0
0 0 0
1
0 0 0
0
1 0 0
z1 − y1 1 0
0
0 0 1
0
0 0 0
{ } { }
Тогда вектора узловых сил P1,2 , P3,4
0
0 
0
.
0
0

1 
узлов 1, 2 и 3, 4 КЭ опреде-
ляются следующими выражениями:
{P1,2 } =  H1,2  {PA} ; {P3,4 } =  H3,4  {PB } ,
где матрицы переноса сил узлов КЭ имеют вид
h 
h 
 H1,2  =  1  ;  H 3,4  =  3  .
 h2 
 h4 
Так как оболочка подкрепляется стержнями постоянного сечения, то
для матриц переноса узловых сил КЭ справедливы следующие соотношения:
[ H ] =  H1,2  =  H 3,4  .
С учетом одной матрицы [ H ] из преобразований сил следуют преобразования перемещений:
{Z A } = [ H ]T {Z1,2 } ; {Z B } = [ H ]T {Z3,4 } .
{ } { }
Выражения для векторов узловых сил P1,2 , P3,4 имеют следующий
вид:
{P1,2 } = [ H ][ K AA ][ H ]T {Z1,2 } + [ H ][ K AB ][ H ]T {Z3,4 } ;
106
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
{P3,4 } = [ H ][ K BA ][ H ]T {Z1,2 } + [ H ][ K BB ][ H ]T {Z3,4 } ,
что определяет матрицу порядка 24 жесткости балочного КЭ в блочной форме с узлами 1, 2 в начале стержня и с узлами 3, 4 в конце:
 HK AA H T
[ K1−4 ] = 
T
 HK BA H
HK AB H T 
.
HK BB H T 
(4)
Если сформировать следующую матрицу переноса сил КЭ:
H
0
[ H1−4 ] = 
0
,
H 
то в этом случае матрица [ K1−4 ] жесткости балочного КЭ будет вычисляться
по формуле
[ K1−4 ] = [ H1−4 ][ K A− B ][ H1−4 ]T .
(5)
Векторы узловых сил и перемещений КЭ соответственно имеют вид
 P1 
 Z1 
P 
Z 
 2
{P1−4 } =   ; {Z1−4 } =  2  .
 P3 
 Z3 
 P4 
 Z 4 
При креплении стержня к оболочке в «шахматном» порядке, например
в узлах 1 и 4, матрица порядка 12 жесткости балочного КЭ с этими узлами по
контурам сечений имеет следующий вид:
 h K hT
 K1,4  =  1 AA 1
 h4 K BA h1T
h1K AB h4T 
.
h4 K BB h4T 
(6)
По аналогии, если сформировать следующую матрицу переноса сил КЭ
с узлами 1 и 4:
h 0 
 H1,4  =  1
,
 0 h4 
тогда матрица  K1,4  жесткости балочного КЭ будет вычисляться по формуле
T
 K1,4  =  H1,4  [ K A− B ]  H1,4  .
(7)
Векторы узловых сил и перемещений КЭ соответственно будут равны
P 
Z 
 4
 4
{P1,4 } =  P1  ; {Z1,4 } = Z1  .
Пусть пластина моделируется прямоугольными КЭ, работающими на
изгиб, а стержень моделируется балочным КЭ A − B , работающим на изгиб и
Engineering sciences. Machine science and building
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
кручение. Система координат, положительные направления узловых сил, перемещений и их последовательность приведены на рис. 2.
X
Z
3
4
Положительные направления
узловых сил и перемещений
B.
Z
Y
X
2
1
Y 3
1
А.
2
Рис. 2. Фрагмент пластины, подкрепленной стержнем
Процедура вычисления матрицы жесткости балочного КЭ при изгибе
пластины полностью совпадает с вычислением при расчете оболочки.
В этом случае вектор { P1} сил в узле 1 начала стержневого КЭ будет
иметь вид
PzA
 Pz1  


 
{P1} =  M x1  = − PzA y1 + M xA  .

 

M zA
 M z1  

Связь векторов
форме имеет вид
{P1}
и
{PA }
узловых сил в начале КЭ в матричной
{P1} = [ h1 ]{PA } ,
где [ h1 ] – матрица переноса сил 1-го узла:
 1 0 0
[ h1 ] =  − y1 1 0 .
 0 0 1 
(8)
При креплении стержня к пластине в узлах 1–4 матрица [ K1−4 ] жесткости балочного КЭ вычисляется по формуле (4) или (5), где матрицы [ h ] пере-
носа узловых сил вычисляются по формуле (8). Порядок матрицы [ K1−4 ] равен 12.
В случае крепления стержня к пластине в «шахматном» порядке в узлах
1, 4 матрица  K1,4  жесткости балочного КЭ вычисляется по формуле (6)
или (7). Порядок матрицы  K1,4  равен 6.
Приведенные преобразования выполнены в местной системе координат.
108
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
3. Численная реализация
Подход к расчету тонкой подкрепленной пластины и оболочки реализован в целевых (объектно-ориентированных) программах [5, 6], предназначенных для анализа методом конечных элементов их напряженнодеформированного состояния, с использованием в конечно-элементной модели балочных, треугольных и прямоугольных КЭ [7]. Расчет может быть выполнен при действии распределенной нагрузки, сосредоточенных сил и заданных перемещений, с подкреплением стержнями или без. Возможен расчет
произвольной стержневой системы. Единицы измерений силы и длины выбираются расчетчиком и определяются соответствующими единицами измерений модуля упругости материала.
Общая характеристика программ: ЭВМ: IBM PC-совместимый ПК;
Язык: Fortran; ОС: Windows; объем: 53,2 Kб и 33,0 Kб исходного текста соответственно.
Согласно принятым узловым перемещениям при формировании матрицы жесткости КЭ оболочки используется подход, рассмотренный в работе [5],
при котором вводятся фиктивные (недостающие) степени свободы в каждый
узел, соответствующие углу поворота в плоскости КЭ. При численной реализации необходимо проверить наличие таких уравнений по элементам главной
диагонали соответствующей матрицы коэффициентов, равных нулю, и ввести
жесткость, отличную от нуля. В результате расчета в этом узле угол поворота
в плоскости КЭ будет равен нулю.
Заключение
Предлагаемый подход к моделированию подкрепленных конструкций
позволяет в конечно-элементной модели задачи учесть влияние эксцентриситета оси стержня и условия его крепления, что полнее отражает особенности
сопряжения КЭ. Программы расчета на ЭВМ можно рекомендовать для кинематического анализа цилиндрических и коробчатых конструкций, как правило, с внешним стержневым каркасом [8] и других различных соответствующих металлических конструкций. Следует отметить, что в подкрепленной
пластине и оболочке стержни работают на изгиб и кручение. В связи с чем
в приведенных сортаментах квадратных труб даны допустимые углы закручивания (скручивание стержней на 1 м длины стержня) для различных способов изготовления профилей.
Список литературы
1. П о с тн о в , В. А . Метод суперэлементов в расчетах инженерных сооружений /
В. А. Постнов, С. А. Дмитриев, Б. К. Елтышев, А. А. Родионов. – Л. : Судостроение, 1979. – 287 с.
2. П о с тн о в , В. А . Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций /
В. А. Постнов, И. Я. Хархурим. – Л. : Судостроение, 1974. – 485 с.
3. Г о р о д е ц к и й , А . С . Численная реализация метода конечных элементов /
А. С. Городецкий // Сопротивление материалов и теория сооружений. – Вып. ХХ. –
Киев : Будивельник, 1973. – С. 31–42.
4. М я ч е н к о в , В. И . Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов : справочник / В. И. Мяченков, В. П. Мальцев, В. П. Майборода
и др. – М. : Машиностроение, 1989. – 520 с.
Engineering sciences. Machine science and building
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
5. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006612561.
Оболочка как совокупность плоских элементов, подкрепленная тонкостенными
стержнями / Дьяков И. Ф., Чернов С. А., Черный А. Н. ; заявитель и правообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. – № 2006611769 ; заявл. 30.05.2006 ; зарег. в Реестре
программ для ЭВМ 20.07.2006. – М. : Роспатент, 2006.
6. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2012617590.
Изгиб пластины, подкрепленной стержнями / Чернов С. А. ; заявитель и правообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. – № 2012615327 ; заявл. 26.06.2012 ; зарег.
в Реестре программ для ЭВМ 22.08.2012. – М. : Роспатент, 2012.
7. З е н к е в и ч , О . Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич. – М. : Мир,
1975. – 541 с.
8. Ч е р н о в, С . А . О расчете методом конечных элементов емкости реактора на
стадии проектирования / С. А. Чернов, И. Ф. Дьяков // Известия высших учебных
заведений. Машиностроение. – 2007. – № 3. – С. 16–20.
References
1. Postnov V. A., Dmitriev S. A., Eltyshev B. K., Rodionov A. A. Metod superelementov
v raschetakh inzhenernykh sooruzheniy [Method of superelements in calculation of engineering structures]. Leningrad: Sudostroenie, 1979, 287 p.
2. Postnov V. A., Kharkhurim I. Ya. Metod konechnykh elementov v raschetakh sudovykh
konstruktsiy [Method of finite elements in calculation of ship structures]. Leningrad:
Sudostroenie, 1974, 485 p.
3. Gorodetskiy A. S. Soprotivlenie materialov i teoriya sooruzheniy [Strength of materials
and structural theory]. Issue XX. Kiev: Budivel'nik, 1973, pp. 31–42.
4. Myachenkov V. I., Mal'tsev V. P., Mayboroda V. P. et al. Raschety mashinostroitel'nykh konstruktsiy metodom konechnykh elementov: spravochnik [Calculation
of mechanical engineering structures by the method of finite elements: reference]. Moscow: Mashinostroenie, 1989, 520 p.
5. Certificate of official registration of computer program № 2006612561. Shell as a combination of planr elements, supported by thin-walled rods. D'yakov I. F., Chernov S. A.,
Chernyy A. N.; applicant and rightholder – Ulyanovsk State Technical University,
submitted on 30.05.2006; registered in the Computer program register 20.07.2006.
no. 2006611769. Moscow: Rospatent, 2006.
6. Certificate of official registration of computer program №2012617590. Curve of a
plate, supported by rods. Chernov S. A.; applicant and rightholder – Ulyanovsk State
Technical University, submitted on 26.06.2012; registered in the Computer program
register]. 22.08.2012 no. 2012615327. Moscow: Rospatent, 2012.
7. Zenkevich O. Metod konechnykh elementov v tekhnike [Method of finite elements in
technology]. Moscow: Mir, 1975, 541 p.
8. Chernov S. A., D'yakov I. F. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Mashinostroenie
[University proceedings. Mechanical engineering]. 2007, no. 3, pp. 16–20.
Чернов Сергей Анатольевич
кандидат технических наук,
преподаватель, колледж экономики
и информатики, Ульяновский
государственный технический
университет (Россия, г. Ульяновск,
ул. Северный Венец, 32)
Chernov Sergey Anatol'evich
Candidate of engineering sciences, lecturer,
College of economics and computer
sciences, Ulyanovsk State Technical
University (32 Severniy Venets street,
Ulyanovsk, Russia)
E-mail: 727122@mail.ru
110
University proceedings. Volga region
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 1 (29), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
УДК 624.074
Чернов, С. А.
Моделирование тонкостенных конструкций, подкрепленных
стержнями коробчатого сечения / С. А. Чернов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2014. –
№ 1 (29). – С. 102–111.
Engineering sciences. Machine science and building
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Вниманию авторов!
Редакция журнала «Известия высших учебных заведений. Поволжский регион.
Технические науки» приглашает специалистов опубликовать на его страницах оригинальные статьи, содержащие новые научные результаты в области информатики, вычислительной техники, управления, электроники, измерительной техники, радиотехники, машиностроения, машиноведения, а также обзорные статьи по тематике журнала.
Статьи, ранее опубликованные, а также принятые к опубликованию в других
журналах, редколлегией не рассматриваются.
Редакция принимает к рассмотрению статьи, подготовленные с использованием текстового редактора Microsoft Word for Windows (тип файла – RTF, DOC).
Необходимо представить статью в электронном виде (VolgaVuz@mail.ru) и
дополнительно на бумажном носителе в двух экземплярах. Оптимальный объем рукописи 10–14 страниц формата А4. Основной шрифт статьи – Times New Roman, 14 pt
через полуторный интервал. Статья обязательно должна содержать индекс УДК, ключевые слова и развернутую аннотацию объемом от 100 до 250 слов, имеющую четкую
структуру на русском (Актуальность и цели. Материал и методы. Результаты. Выводы)
и английском языках (Background. Materials and methods. Results. Conclusions).
Рисунки и таблицы должны быть размещены в тексте статьи и представлены в
виде отдельных файлов (растровые рисунки в формате TIFF, ВМР с разрешением
300 dpi, векторные рисунки в формате Corel Draw с минимальной толщиной линии
0,75 рt). Рисунки должны сопровождаться подрисуночными подписями.
Формулы в тексте статьи обязательно должны быть набраны в редакторе
формул Microsoft Word Equation (версия 3.0) или MathType. Символы греческого и
русского алфавита должны быть набраны прямо, нежирно; латинского – курсивом,
нежирно; обозначения векторов и матриц прямо, жирно; цифры – прямо, нежирно.
Наименования химических элементов набираются прямо, нежирно. Эти же требования необходимо соблюдать и в рисунках. Допускается вставка в текст специальных
символов (с использованием шрифтов Symbol).
В списке литературы нумерация источников должна соответствовать
очередности ссылок на них в тексте ([1], [2], …). Номер источника указывается в
квадратных скобках. Требования к оформлению списка литературы на русские и
иностранные источники: для книг – фамилия и инициалы автора, название, город,
издательство, год издания, том, количество страниц; для журнальных статей, сборников трудов – фамилия и инициалы автора, название статьи, полное название журнала или сборника, серия, год, том, номер, страницы; для материалов конференций –
фамилия и инициалы автора, название статьи, название конференции, город, издательство, год, страницы.
К материалам статьи должна прилагаться следующая информация: фамилия,
имя, отчество, ученая степень, звание и должность, место и юридический адрес работы
(на русском и английском языках), e-mail, контактные телефоны (желательно сотовые).
Обращаем внимание авторов на то, что перевод имен собственных на английский язык в списке литературы осуществляется автоматически с использованием программы транслитерации в кодировке BGN (сайт translit.ru). Для обеспечения единообразия указания данных об авторах статей во всех реферируемых базах при формировании авторской справки при подаче статьи необходимо предоставить перевод фамилии,
имени, отчества каждого автора на английский язык, или он будет осуществлен автоматически в программе транслитерации в кодировке BGN.
Плата с аспирантов за публикацию рукописей не взимается. Рукопись, полученная редакцией, не возвращается. Редакция оставляет за собой право проводить редакторскую и допечатную правку текстов статей, не изменяющую их основного смысла, без согласования с автором.
Статьи, оформленные без соблюдения приведенных выше требований,
к рассмотрению не принимаются.
112
Документ
Категория
Другое
Просмотров
45
Размер файла
3 270 Кб
Теги
учебный, технические, 159, науки, высших, известия, заведений, регион, 2014, поволжский
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа