close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Метод и устройство экспресс-контроля электротехнических параметров для систем управления производством пропорциональных электромагнитов

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Ланкин Антон Михайлович
МЕТОД И УСТРОЙСТВО ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫХ
ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ
Специальность: 05.13.05 – Элементы и устройства
вычислительной техники и систем управления
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Новочеркасск – 2018
2
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова».
Научный руководитель
доктор технических наук, профессор
Горбатенко Николай Иванович
Официальные оппоненты:
Шпрехер Дмитрий Маркович
доктор технических наук, доцент,
ФГБОУ ВО «Тульский государственный
университет», профессор кафедры
«Электротехника и электрооборудование»
Лавров Валерий Александрович
кандидат технических наук,
АО НПК «Северная заря», заместитель
генерального директора по качеству
Ведущая организация
ФГБОУ ВО «Национальный
исследовательский
университет «МЭИ»»
Защита диссертации состоится «15» марта 2018 г. в 10.00 часов на заседании объединенного диссертационного совета Д.999.064.02 на базе
Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ)
имени М.И. Платова и Южного федерального университета по адресу: 346428,
Ростовская область, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, ауд. 149.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени
М.И. Платова» и на сайте http://www.npi-tu.ru.
Автореферат разослан __ _____ _____ г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
канд. техн. наук, профессор
Иванченко Александр Николаевич
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Современные гидравлические приводы – сложные
мехатронные устройства на базе гидравлических исполнительных механизмов, пропорциональных электромагнитов (ПЭ) и электронных систем управления, причем, именно параметры ПЭ определяют точность и быстродействие
привода в целом.
Возрастающие требования к точности, быстродействию, миниатюризации и
энергоэффективности ПЭ требуют постоянного совершенствования технологического процесса производства. Перспективным направлением обеспечения высокого уровня выхода кондиционных изделий является создание систем управления
процессом производства на базе устройств экспресс-контроля, позволяющих на
ранних стадиях выявлять тенденции нарушений технологического процесса изготовления не только всего изделия, но и составляющих его деталей.
ГОСТ 19264-82 определяет анализируемые при приемо-сдаточных испытаниях характеристики электромагнитов управления, к которым относятся и ПЭ, однако данные характеристики не являются достаточно информативными для управления технологическим процессом, и их определение в процессе производства
трудоемко. Нарушение режимов технологического процесса наиболее явно проявляется в изменении значений электротехнических параметров деталей ПЭ. Известные методы определения таких параметров требуют применения специальных
сенсоров, поэтому не могут быть реализованы при испытаниях готовых изделий.
Необходим новый подход к получению измерительной информации о нарушении
технологического процесса производства ПЭ, позволяющий свести к минимуму
объем натурных испытаний и использовать современные возможности моделирования и обработки информации.
Таким образом, актуальной проблемой является повышение эффективности систем управления производством ПЭ, решение которой достигается путем разработки метода и устройства экспресс-контроля электротехнических
параметров, позволяющих оперативно получать измерительную информацию,
необходимую и достаточную для своевременного принятия решения о корректировке технологических операций процесса производства ПЭ.
Работы по данной тематике ведутся российскими и зарубежными учеными.
В работах таких авторов как Гордон А.В., Сливинская А.Г., Ковалев О.Ф. показана связь большинства характеристик электромагнитов с динамической характеристикой намагничивания (ДХН). В работах зарубежных авторов E.
Kallenbach, M. Ruderman показано как влияют различные отклонения электротехнических параметров ПЭ на форму ДХН. В работах авторов Горбатенко Н.И.,
Гречихин В.В. разработан и исследован метод натурно-модельных испытаний
4
применительно к задаче определения магнитных характеристик ферромагнитных материалов. Динамическая характеристика намагничивания может быть получена путем использования в качестве первичного измерительного преобразователя рабочей обмотки ПЭ. Предлагается проводить экспресс-контроль ПЭ по
электротехническим параметрам, полученным в результате анализа ДХН.
Актуальность работы подтверждается ее соответствием приоритетному
направлению развития науки, технологий и техники РФ «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика» и перечню критических технологий (утвержденным указом Президента РФ № 899 от 07.07.11 г.), а также
стратегии научно-технологического развития Российской Федерации по
направлению: «Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и
способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта» (утвержденной указом Президента РФ № 642 от 01.12.16 г.). Работа выполнялась в рамках научного направления Южно-Российского государственного политехнического
университета (НПИ) имени М.И. Платова «Теория и методы построения
устройств и систем управления, контроля и диагностики» (утвержденного решением ученого совета университета от 28.09.2011 г.); проекта №
2.7193.2017/8.9 «Разработка научных основ проектирования, идентификации и
диагностики систем высокоточного позиционирования с применением методологии обратных задач электротехники» выполняемого в рамках базовой части
государственного задания; проекта № 1.2690.2014/K «Методы решения обратных задач диагностики сложных систем (в технике и медицине) на основе
натурно-модельного эксперимента», выполняемого в рамках проектной части
государственного задания, а также с использованием оборудования центра коллективного пользования "Диагностика и энергоэффективное электрооборудование ЮРГПУ (НПИ)".
Следует отметить и многолетнее международное творческое сотрудничество двух научных школ Технического университета Ильменау (Германия) и
ЮРГПУ(НПИ), в рамках которого и выполнялась эта диссертационная работа.
Объектом исследования является система управления технологическим
процессом (ТП) производства ПЭ.
Предметом исследования является принципиально новый элемент системы управления, представляющий собой устройство экспресс-контроля ПЭ
в процессе их производства.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование метода и устройства экспресс-контроля электротехнических параметров
5
пропорциональных электромагнитов, позволяющих оперативно получать измерительную информацию, необходимую для эффективного управления их производством.
Для достижения поставленной цели в рамках диссертационной работы
решены следующие основные задачи:
- разработка научных основ экспресс-контроля электротехнических параметров для систем управления производством ПЭ;
- разработка нового способа измерения ДХН ПЭ, позволяющего повысить
точность определения электротехнических параметров;
- разработка методики выявления изделий, ДХН которых содержит информацию, необходимую для выработки управляющих воздействий на технологическое оборудование;
- построение математической модели, связывающей ДХН с электротехническими параметрами деталей ПЭ;
- разработка устройства экспресс-контроля электротехнических параметров для систем управления производством ПЭ.
Научной новизной обладают следующие результаты работы:
1.Метод экспресс-контроля электротехнических параметров, который в
отличие от известных, основан на измерении, проецировании и анализе динамических характеристик намагничивания ПЭ путем комплексного использования методов снижения размерности измерительной информации, классификации и построения регрессионной модели на латентных структурах, что позволяет с высоким быстродействием и малыми аппаратными затратами получать
достоверную информацию о нарушениях технологического процесса.
2. Новый способ измерения динамической характеристики намагничивания электротехнических изделий, основанный на натурно-модельном эксперименте, позволяющий получить результат измерения в виде аппроксимирующего выражения, что повышает точность определения электротехнических параметров.
3. Методика снижения размерности динамической характеристики намагничивания ПЭ, основанная на проецировании исходных данных в пространство главных компонент меньшей размерности без потери значимой информации.
4. Методика выявления изделий, динамическая характеристика намагничивания которых содержит информацию, необходимую для выработки управляющих воздействий на технологическое оборудование.
5. Регрессионная модель на латентных структурах, связывающая ДХН в
пространстве главных компонент и электротехнические параметры ПЭ.
6
Практическая значимость результатов диссертации. Разработано, исследовано и внедрено устройство экспресс-контроля электротехнических параметров ПЭ, реализующее разработанный метод и предназначенное для применения в составе системы управления производством пропорциональных
электромагнитов. Устройство позволяет определить степень отклонений значений электротехнических параметров выпускаемых ПЭ от заданных, что дает
возможность эффективного управления процессом производства, обеспечивающего повышение выхода качественных изделий.
Результаты диссертационной работы используются: на предприятии АО
«Шахтинский завод Гидропривод» при управлении производством со-временных гидроприводов; в учебном процессе ЮРГПУ (НПИ) при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Приборостроение»; а так же при выполнении проекта по теме № 2.7193.2017/8.9 «Разработка научных основ проектирования, идентификации и диагностики систем высокоточного позиционирования с применением методологии обратных задач электротехники», выполняемого в рамках базовой части государственного задания.
Методы исследования и достоверность полученных результатов. Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации,
обеспечивается применением: методов натурно-модельного эксперимента, гармонического баланса, главных компонент, классификации, оптимизации; теории
измерений, математической статистики, математического моделирования с использованием пакетов прикладных программ LabVIEW, MicroCap и Statistica; хорошим согласованием теоретических положений с результатами экспериментальных исследований; корректностью допущений, принимаемых при математическом моделировании и при разработке устройства; использованием метрологически аттестованного оборудования при проведении экспериментальных исследований разработанного устройства; критическим обсуждением основных результатов работы с ведущими специалистами в области магнитоизмерительной
техники и систем управления.
Основные положения, выносимые на защиту:
- метод экспресс-контроля электротехнических параметров для систем
управления производством ПЭ, основанный на измерении, преобразовании и
анализе ДХН путем комплексного использования методов проецирования,
классификации и моделирования;
- способ измерения ДХН электротехнических изделий на основе натурномодельного эксперимента;
- методика снижения размерности ДХН ПЭ, основанная на проецировании исходных данных в пространство главных компонент;
7
- методика выявления изделий, ДХН которых содержит информацию, необходимую для выработки управляющих воздействий на технологическое оборудование ТП;
- регрессионная модель на латентных структурах, связывающая ДХН в пространстве главных компонент и электротехнические параметры деталей ПЭ;
- принцип действия, структура, электрические схемы и программное обеспечение устройства контроля электротехнических параметров для систем
управления производством ПЭ.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты исследований докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Международной
научной конференции по проблемам управления в технических системах
CTS'2017 (г. Санкт-Петербург, 2017 г.), Международной научно-практической
конференции The Second International Conference on Eurasian scientific
development (Vienna, Austria 2014 г.), Международных научно-практических
конференциях Пром-Инжиниринг (г. Челябинск, 2015 г., 2016 г.), Международной научно-практической конференции «Инженерные и научные приложения
на базе технологий NI (NIDays)» (г. Москва, 2015 г.), Международной научнотехнической конференции «Технологiя-2013» (г. Северодонецьк, 2013 г.), а
также на научных семинарах кафедры «Информационные и измерительные системы и технологии» ЮРГПУ (НПИ).
Реализация и внедрение результатов работы. Практические и теоретические результаты работы внедрены:
- на предприятии АО «Шахтинский завод Гидропривод»;
- в учебном процессе на кафедре «Информационные и измерительные системы и технологии» ЮРГПУ (НПИ).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 14 печатных
работах, в том числе 3 публикации в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень рекомендуемых ВАК, 6 публикаций в изданиях, входящих в
базу цитирований Scopus, 1 статья, опубликованная в издании, входящем в базу
цитирований Web of Science, 2 патента РФ на изобретения и 2 свидетельства о
регистрации программного продукта.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, четыре
главы, заключение, библиографический список из 86 наименований и приложения. Общий объем, включая приложения, составляет 168 страниц машинописного текста и содержит 82 иллюстрации.
8
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, изложены цели и задачи
диссертационной работы, научная новизна и ее практическая ценность.
В первой главе «Анализ технологического процесса производства пропорциональных электромагнитов и постановка задач исследования» рассмотрены особенности ПЭ, проанализированы характеристики, определяемые
при их приемо-сдаточных испытаниях, и электротехнические параметры деталей
ПЭ. В качестве интегральной характеристики выбрана ДХН. Предложено использовать рабочую обмотку ПЭ в роли первичного измерительного преобразователя.
Рассмотрен ТП производства ПЭ (рис. 1), основными этапами которого
являются операции: изготовление якоря, ярма, флянца, магнитного шунта;
намотка и пропитка обмотки; а также сборка изделия.
Готовые изделия
Изготовление
якоря
Изготовление
ярма
Изготовление
флянца
Изготовление
магнитного
шунта
Намотка и
пропитка
обмотки
Сборка
изделия
УУОЯК
УУОЯР
УУОФ
УУОШ
УУОО
УУОС
Исходные
материалы
УИКМ
АРМО
УКЭП
Оператор
Рис.1. Структурная схема системы управления ТП производства ПЭ
Проведен анализ существующей системы управления, содержащей:
устройство измерения и контроля качества материалов (УИКМ); устройство
управления оборудованием изготовления якоря (УУОЯК), ярма (УУОЯР),
флянца (УУОФ), магнитного шунта (УУОШ); устройство управления оборудованием намотки и укладки обмоток (УУОО), устройство управления оборудованием сборки изделия (УУОС). Предложено ввести в структурную схему
управления ТП устройство экспресс-контроля электротехнических параметров ПЭ (УКЭП). С помощью последнего производится измерение ДХН готовых
электромагнитов, по результатам анализа которых определяются их электротехнические параметры: количество витков обмотки wo, магнитная индукция насыщения материала якоря Bя, магнитная индукция насыщения материала ярма Bяр и
магнитная индукция насыщения материала корпуса Bк.
9
Проводится анализ изменений значений электротехнических параметров в
соответствии с правилами построения карт Шухарта для всех выпускаемых изделий. Полученные значения электротехнических параметров и результаты их анализа поступают на автоматизированное рабочее место оператора (АРМО). Оператор оценивает ситуацию и осуществляет управление ТП с помощью устройств
управления оборудованием технологическими операциями с целью исключения
появления некондиционных изделий. Управление осуществляется путем корректировки технологических режимов работы намоточного оборудования, а также
оборудования механической и термической обработки.
На основании результатов анализа ТП сформулированы требования со
стороны системы управления, предъявляемые к разрабатываемому устройству экспресс-контроля параметров ПЭ:
1. Время контроля одного ПЭ не более 5 с. Время контроля одного ПЭ
не более 5 с. Данное время учитывает нахождение готового ПЭ на этапе экспресс-контроля, и включает в себя: подключение устройства экспресс-контроля, получение первичной измерительной информации и ее анализ. Выбрано исходя из скорости конвейерной линии производства ПЭ.
2. Возможность определять по результатам анализа ДХН значения электротехнических параметров (количество витков рабочей обмотки, отклонения
магнитных характеристик материалов деталей электромагнита) с погрешностью не более 5 %.
3. Возможность проводить анализ изменения значений электротехнических параметров для своевременного управления ТП с целью исключения выпуска брака.
4. Универсальность метода контроля ПЭ различных типов и габаритов.
Обоснована целесообразность экспресс-контроля ПЭ для систем управления процессом производства и определены задачи, подлежащие решению в
работе.
Во второй главе «Разработка метода экспресс-контроля электротехнических параметров пропорциональных электромагнитов» разработан метод
контроля, включающий в себя пять основных этапов. На первом этапе измеряется ДХН ПЭ. В связи с тем, что эта характеристика имеет сложный гистерезисный вид, на втором этапе снижается размерность анализируемой информации с
помощью метода главных компонент (МГК). На третьем этапе производится
классификация измеренных характеристик для выделения изделий, несущих информацию об устойчивых отклонениях ТП производства ПЭ. На четвертом этапе
определяются численные значения электротехнических параметров составных
10
частей ПЭ при помощи построения регрессионной модели на главных компонентах (ГК). На завершающем пятом этапе производится анализ изменения значений
электротехнических параметров в соответствии с правилами построения карт
Шухарта и определяются признаки их особой изменчивости, позволяющие выявлять устойчивые отклонения ТП.
Для снижения размерности анализируемой информации применен проекционный подход на основе МГК, который состоит в переходе от исходных переменных к новым величинам, которые представляют собой линейные комбинации исходных переменных, имеющих максимально возможные дисперсии.
Рассмотрено применение МГК к группе, содержащей k ДХН пропорциональных электромагнитов. На каждой исходной ДХН выбрано n фиксированных значений магнитного потокосцепления Ψd = d×DΨ :
DΨ = Ψmax/n ,
где Ψmax – максимально возможное значение потокосцепления для всех исследуемых характеристик, n – выбранное количество фиксированных значений
потокосцепления, d – номер точки.
Определены значения токов ij(Ψd), которые и являются элементами вектор-столбцов матрицы I размерности n ´ k , где k число исследуемых кривых:
é i1 (Y1 ) i2 (Y1 ) !
ê i (Y ) i (Y ) !
2
2
ê1 2
ê "
"
I=ê
êi1 (Y d ) i2 (Y d ) !
ê "
"
ê
êë i1 (Y n ) i2 (Y n ) !
i j (Y1 ) ! ik ( Y1 ) ù
i j (Y 2 ) ! ik (Y 2 ) úú
"
" ú
ú.
i j (Y d ) ! ik ( Y d ) ú
"
" ú
ú
i j (Y n ) ! ik (Y n ) úû
Связь между исходной матрицей I и матрицей ГК Z имеет вид:
Z = BT × I ,
где B – матрица собственных векторов; T – операция транспонирования матрицы.
Процедура проецирования заключается в нахождении наибольших дисперсий каждой ГК. Для этого находим матрицу дисперсий D матрицы Z:
D(Z) = BT × D(I) × B .
Учитывая, что дисперсия n cлучайных величин является их ковариацией,
предыдущее выражение можно записать в следующем виде:
D(Z) = BT × S × B .
11
Для нахождения ковариаций S рассчитан вектор выборочных средних по
строкам I d , а отклонения от среднего для каждого наблюдения сведены в
матрицу F, элементы которой сформированы следующим образом:
f dj = I j (Y j ) - I d ,
где d=1÷n, j=1÷k.
Тогда оценка ковариации S равна:
F × FT
S=
.
k -1
Для определения значимости той или иной ГК определено их участие в
общей дисперсии и выбраны только (n-l) ГК, общая дисперсия которых более
0,95. В результате преобразований матрица Z принимает следующий вид:
é z11
êz
Z = ê 12
ê !
ê
ë z1n -l
z21
z22
zk 1 ù
zk 2 úú
... ! ú
ú
... zkn -l û
,
...
...
!
z 2 n -l
где l – количество незначимых главных компонент.
Размерность матрицы Z значительно меньше размерности исходной матрицы I, обычно (n-l) =1÷3. Таким образом получаем новое пространство ГК, каждая точка которого представляет собой проекцию ДХН конкретного изделия.
На рис. 2 в качестве примера приведено семейство ДХН электромагнитов
одной конструкции с различным числом короткозамкнутых витков и их проекции в пространстве ГК (ДХН1-ДХН5 без дефектов, ДХН6-ДХН9 с дефектами).
На третьем этапе производим классификацию выпускаемых изделий на
изделия без отклонений и изделия с отклонениями параметров, так как изделия
без отклонений не несут информации о нарушениях ТП. Для этого применим
к ДХН, проецированным в пространство ГК, метод классификации – формальное независимое моделирование аналогий классов (ФНМАК).
ДХН6
0,15
ДХН7
0,03
ДХН1-ДХН5
ДХН1-ДХН5
0,1
ДХН9
0,05
0,01
1ГК
Ψ, Вб
0,05
ДХН6
ДХН7
-1,0000 -0,9995 -0,9990 -0,9985
-0,9980
-0,01
ДХН8
-0,03
ДХН9
0
0,0
0,1
0,2
0,3
I, А
0,4
0,5
ДХН8
2ГК
Рис. 2. Семейство ДХН и их проекции в пространстве ГК
-0,05
12
При реализации метода классификации используют параметры: размах h и
отклонение ν, которые для матрицы Z вычисляют по формулам:
2
æ zi ö
1 n 2
h = åç
ν = å zi ,
÷ ;
ç
÷
l n -l +1
1 è λi ø
где li – собственные значения матрицы Z; zi – элементы матрицы Z.
Используя обучающую выборку Zp, полученную путем проецирования p
ДХН, не имеющих отклонений, в пространство ГК, находим p значений размахов h1,….,hp и среднеквадратических отклонений v1,….,vp. По ним оцениваются
соответствующие им средние значения:
1 p
1 p
h0 = å hi ;
n 0 = ån i
p 1
p 1
n -l
и значения дисперсий:
1 p
Sh =
(hi - h0 )2 ;
å
p -1 1
1 p
Sn =
(n i -n 0 )2 .
å
p -1 1
Числа степеней свободы Nh, и Nv определяются по формулам:
2h0 2
2n 0 2
Nh =
Nn =
;
.
Sh
Sn
Расчетный коэффициент f, по которому проводится классификация, вычисляется по формуле:
h
ν
f = N h a + Nn a ,
h0
ν0
где ha и νa – соответственно размах и отклонение анализируемой ДХН.
Критическое значение коэффициента f определяется выражением:
fкрит = c-2 (a, Nh + Nn ) ,
-2
где c (a, N h + Nn ) – α-квантиль распределения хи-квадрат с N h + Nn степенями
свободы.
Классификационное правило в ФНМАК: образец принимается как принадлежащий к классу, если f < fкрит.
Для этих образцов значения электротехнических параметров не вычисляются, а принимаются равными номинальным значениям. Для остальных образцов на следующем этапе метода экспресс-контроля получают информацию о численных значениях электротехнических параметров деталей ПЭ, используя математическую модель, основанную на регрессии на латентных структурах (РЛС). Эта
модель связывает матрицу Z c координатами точек ДХН, проецированных в пространство ГК, и матрицу значений электротехнических параметров Y, характеризующих качество изготовления деталей ПЭ.
13
Для построения модели РЛС по обучающей выборке (Zо,Yо), находят матрицу коэффициентов множественной регрессии A:
А= Zо-1Yо.
Затем определяют параметры Y для очередного изготовленного электромагнита, используя вектор-столбец значений ГК Z:
Y = ZА.
Результаты проведенных экспериментальных исследований предложенного
метода экспресс-контроля ДХН электромагнитов показали, что погрешность
определения электротехнических параметров Y не превышает 5 %.
На завершающем шаге выполняется анализ значений электротехнических
параметров в соответствии с правилами построения карт Шухарта для всех
выпущенных образцов, результаты которого передаются на АРМО для принятия решения оператором о корректировке ТП. С целью повышения устойчивости МГК к грубым ошибкам, в работе предложено использовать аппроксимирующее выражения для описания формы ДХН ПЭ, проведены экспериментальные исследования и доказана эффективность такого подхода.
В третьей главе «Разработка способа измерения динамических характеристик намагничивания пропорциональных электромагнитов» предложен оригинальный способ измерения ДХН ПЭ, основанный на натурно-модельном эксперименте (патент РФ 2579868).
Для проведения натурно-модельного эксперимента построена математическая модель первичного измерительного преобразователя – рабочей обмотки ПЭ, основанная на методе гармонического баланса. Модель базируется
на уравнении цепи с нелинейной индуктивностью и аппроксимирующем ДХН
степенном полиноме:
ì
dY
;
ïu = iR +
dt
ï
m
ï
dY
i
(
Y
)
=
í
å1 kq Y q , при dt ³ 0;
ï
l
ï
dY
i
(
Y
)
=
k p Y p , при
< 0,
ï
å
dt
1
î
где u – напряжение, приложенное к рабочей обмотке ПЭ; R – сопротивление рабочей обмотки ПЭ; Ψ –потокосцепление; k – коэффициенты аппроксимирующих
полиномов; m и l – степени аппроксимирующих полиномов.
Алгоритм натурно-модельного эксперимента применительно к задаче
определения ДХН ПЭ состоит в следующем: на рабочую обмотку электромагнита подается напряжение заданной формы и измеряется зависимость тока во
14
времени iи(t). В математическую модель вводится значение напряжения и формируется выходной ток iм(t). С помощью оптимизационного алгоритма (метод
симплекс-оптимизации) изменением коэффициентов аппроксимации kq добиваются совпадения измеренного iи(t) и сформированного моделью электромагнита токов iм(t). Уровень различия токов iи(t) и iм(t) определяется по значению
функционала J:
n
J=
åI
m =1
( m)м
- I ( m )и
,
n
åI
m =1
( m )и
где I ( m ) и I ( m ) – (m)-ые гармоники измеренного и вычисленного на модели тои
м
Ψ, Вб
ков в обмотке ПЭ, n – количество используемых гармоник тока.
На каждой итерации оптимизации проверяется условие:
J £ε,
(1)
где e – погрешность измерения тока iи(t).
Если условие (1) не выполня0,2
ется, то изменяются параметры ма0,16
тематической модели, влияющие на
форму ДХН, вновь определяется за0,12
висимость iм(t) и проводится вычис0,08
ление функционала J. Если условие
2
0,04
(1) выполняется, то ДХН ПЭ найдена.
На рис. 3 приведены характеристики:
1
0
0
0,125
0,25
0,375
0,5
образцовая 1 и полученная с помоI,A
щью разработанного способа ДХН 2.
исследования
Рис. 3. ДХН: образцовая 1 и полученная Эксперементальные
с помощью разработанного способа 2
показали, что погрешность измерения ДХН ПЭ при использовании устройства, реализующего предложенный способ, не превышает 3 %.
В четвертой главе «Разработка устройства экспресс-контроля электротехнических параметров пропорциональных электромагнитов» разработаны структура, принцип действия, электрические схемы и программное
обеспечение устройства (патент РФ 2627559).
Устройство экспресс-контроля электротехнических параметров ПЭ, состоит из аппаратной (рис. 4) и программной (рис. 5) частей.
15
Ввод первичной
измерительной
информации
(i(t) и u(t))
УН
Определение ДХН (Ψ(i))
ПЭ
ПВВ
ИУ1
ПК
USB
Кобщейшине
системы
управления
ТП
ДТ
ИУ2
Рис. 4. Функциональная схема аппаратной
части устройства экспресс-контроля
Проецирование данных в
пространство ГК (Z) и
выделение ДХН с
отклонениями
Определение и анализ
электротехнических
параметров (wo, Bя, Bяр, Bк)
Вывод значений
электротехнических
параметров и результатов
анализа
Рис. 5. Алгоритм работы программной
части устройства экспресс-контроля
Аппаратная часть включает в себя плату ввода-вывода (ПВВ NI USB-6009);
усилитель напряжения (УН); измерительные усилители (ИУ1 и ИУ2); датчик
тока (ДТ), персональный компьютер (ПК). Программная часть включает в себя
подпрограмму определения динамической характеристики намагничивания
(ПОДХН), подпрограмму обработки информации (ПОИ), подпрограмму определения и анализа электротехнических параметров (ПОАЭП).
Аппаратная часть устройства предназначена для получения первичной измерительной информации (i(t) и u(t)), она работает следующим образом: ПОДХН
формирует цифровой код, определяющий форму и амплитуду приложенного к
ПЭ напряжения, который подается через USB-интерфейс на ПВВ. Напряжение с
выхода ПВВ усиливается с помощью УН и поступает на рабочую обмотку ПЭ.
Напряжение, приложенное к ПЭ поступает на ИУ1, а с ДТ сигнал, содержащий
информацию о токе в рабочей обмотке ПЭ, поступает на ИУ2. С выходов измерительных усилителей ИУ1 и ИУ2 сигналы подаются на ПВВ, где происходит их
оцифровка. Далее сигналы через USB-интерфейс поступают в ПК.
Используя первичную измерительную информацию и реализуя методику натурно-модельного эксперимента, ПОДХН производит расчет ДХН в
виде аппроксимирующего выражения. Результаты работы ПОДХН поступают в ПОИ, где происходит вычисление проекции ДХН в пространство ГК
и выделение ДХН с отклонениями. В ПОАЭП для ДХН с отклонениями вычисляются значения электротехнических параметров ПЭ и производится анализ изменения значений электротехнических параметров в соответствии с
правилами карт Шухарта.
16
Устройство экспресс-контроля
электротехнических параметров ПЭ
позволяет определять численные
значения электротехнических параметров деталей ПЭ, а также проводить анализ изменения значений
электротехнических параметров для
своевременного управления ТП, с
целью исключения выпуска брака.
На рис. 6 изображен внешний вид
экспериментального образца устройства экспресс-контроля электротехнических параметров пропорциональных электромагнитов.
Рис. 6. Внешний вид экспериментального
Подпрограммы ПОДХН, ПОИ и
образца устройства экспресс-контроля
ПОАЭП реализованы в программэлектротехнических параметров ПЭ
ном пакете LabView (Свидетельства
о регистрации программ для ЭВМ: № 2015618611 и № 2015610308).
Основные технические характеристики разработанного устройства экспресс-контроля: погрешность определения электротехнических параметров ПЭ –
не более 5 %; время экспресс-контроля одного ПЭ - до 4 с; последовательный
интерфейс с ПК - USB; габаритные размеры - 450×450×200 мм; масса – 2,5 кг;
напряжение питания – 220 В; потребляемая мощность - не более 100 Вт.
Приведены методики инженерного расчета элементов принципиальной
схемы, результаты испытаний устройства экспресс-контроля электротехнических
параметров ПЭ. Исследована работа устройства на различных образцах ПЭ.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Предложен эффективный метод экспресс-контроля электротехнических параметров, основанный на измерении, преобразовании и анализе динамической характеристики намагничивания пропорциональных электромагнитов путем комплексного использования методов снижения размерности измерительной информации, классификации и построения регрессионной модели на латентных структурах.
Разработанный метод позволяет с высоким быстродействием и малыми аппаратными затратами получать достоверную информацию о нарушениях технологического процесса для управления им. Погрешность определения электротехнических
параметров деталей пропорциональных электромагнитов не превышает 5 %.
17
2. Предложен новый способ измерения динамических характеристик намагничивания электротехнических изделий, основанный на натурно-модельном эксперименте и заключающийся в использовании в измерительной процедуре математической модели объекта измерения. Способ позволяет получить результат измерения в виде аппроксимирующего выражения, что повышает точность определения электротехнических параметров.
3. Предложена методика снижения размерности динамической характеристики намагничивания пропорциональных электромагнитов, основанная на
проецировании исходных данных в пространство главных компонент меньшей размерности и позволяющая значительно уменьшить объем исходных
данных без потери значимой информации.
4. Предложена методика выявления изделий, динамические характеристики намагничивания которых содержит информацию, необходимую для выработки управляющих сигналов на технологическое оборудование, основанная на классификации с помощью формального независимого моделирования
аналогий классов.
5. Разработана регрессионная модель на латентных структурах, связывающая динамическую характеристику намагничивания и электротехнические параметры пропорционального электромагнита. Предложенная модель позволяет определять численные значения электротехнических параметров пропорциональных электромагнитов.
6. Разработан принцип действия, структура и электрические схемы
устройства экспресс-контроля электротехнических параметров для систем
управления процессом производства пропорциональных электромагнитов.
Предложено использовать в качестве первичного измерительного преобразователя устройства для экспресс-контроля электротехнических параметров - рабочую обмотку испытуемого пропорционального электромагнита для определения наиболее информативной характеристики – ДХН. Контролируемыми параметрами являются: количество витков рабочей обмотки wo, магнитные индукции насыщения материала якоря Bя, магнитная индукция насыщения материала
ярма Bяр, магнитная индукция насыщения материала корпуса Bк. Время контроля
электротехнических параметров одного пропорционального электромагнита
не более 5 с.
7. Разработано специальное программное обеспечение для реализации
метода экспресс-контроля электротехнических параметров пропорциональных электромагнитов в среде Labview, что существенно повышает надежность
и расширяет функциональные возможности устройства.
18
8. Результаты диссертационной работы используются: на предприятии
АО «Шахтинский завод Гидропривод» при разработке и производстве современных гидроприводов; в учебном процессе ЮРГПУ (НПИ) при подготовке
бакалавров и магистров по направлению «Приборостроение»; а так же при выполнении проекта по теме № 2.7193.2017/8.9 «Разработка научных основ проектирования, идентификации и диагностики систем высокоточного позиционирования с применением методологии обратных задач электротехники», выполняемого в рамках базовой части государственного задания.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в изданиях, индексируемых Web of Science
1. Горбатенко, Н.И. Определение вебер-амперных характеристик электротехнических устройств методом натурно-модельного эксперимента / Н.И. Горбатенко, В.В. Гречихин, М.В. Ланкин, А.М. Ланкин // Измерительная техника.
– 2016. – № 7. – С.45-48.
Публикации в изданиях, индексируемых Scopus
2. Lankin M.V. The study of the current form influence on measurement of the
weber-ampere characteristics / Lankin M.V., Lankin A.M. / IOP Conference Series:
Materials Science and Engineering. - 2016. - Т. 124. № 1. - P. 012032.
3. Lankin, M.V. Determination of error measurement by means of the basic
magnetization curve / M.V. Lankin, A.M. Lankin // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Т. 124. № 1. – P. 012031.
4. Gorbatenko, N.I. Application of the principal component analysis for control
of electrical products / N.I. Gorbatenko, A.M. Lankin, M.V. Lankin // Procedia Engineering. – 2016. – Т. 150. – P. 1027-1031.
5. Lankin, A.M. Determination of magnetic characteristics of alternative current
electrotechnical devices using the method of full-scale-model tests / A.M. Lankin, M.V.
Lankin, V.V. Grechikhin, D.V. Shaikhutdinov // Research Journal of Applied Sciences.
– 2015. – Т. 10. № 10. – С. 695-700.
6. Shaikhutdinov, D.V. Complex predict fault diagnostics of electromagnetic actuators based on the principle component analyses / D.V. Shaikhutdinov, A.M. Lankin,
N.D. Narakidze, V.V. Grechikhin, K.M. Shirokov, N.I. Gorbatenko // Research Journal
of Applied Sciences. – 2015. – Т. 10. № 10. – P. 555-557.
7. Lankin, A.M. Increase robustness of the method of diagnostics and identification of high-precision positioning systems / A.M. Lankin, V.V. Grechikhin, M.V.
Lankin // MATEC Web Conf. – 2017. – Volume 132. – P. 04001.
Публикации в журналах, включенных в перечень ВАК РФ
8. Ланкин, А.М. Аппроксимация динамической характеристики намагничивания электромагнитов / А.М. Ланкин // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 10-1. – С. 86-91.
19
9. Ланкин, А.М. Метод технологического контроля пропорциональных
электромагнитов гидроприводов / А.М. Ланкин // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 9-3. – С. 495-499.
10.
Ланкин, А.М. Проецирование динамических характеристик
намагничивания электромагнитов методом главных компонент // А.М. Ланкин
/ Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 9-3. – С. 420-424.
Патенты, свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ
11. Пат. 2579868 Российская Федерация, МПК G01R 33/12. Способ измерения вебер-амперной характеристики электротехнического изделия и устройство для его реализации / Ланкин А.М., Ланкин М.В.; № 2015100329/2; заявл.
12.01.2015; опубл. 10.04.2016, Бюл. № 10.
12. Пат. 2627559 Российская Федерация, МПК G01R 33/12. Устройство
измерения вебер-амперных характеристик электротехнических устройств
/Ланкин М.В., Ланкин А.М., Горбатенко Н.И., Клевец К.В.; № 2016140771;
заявл. 17.10.2016; опубл. 08.08.2017, Бюл. № 22.
13. Свидетельство № 2015618611 Российская федерация. Реализация симплекс-оптимизации: свидетельство об официальной регистрации программы
для ЭВМ / Ланкин А.М., Ланкин М.В., Тарасова Л.Г., Кучеров В.А. Заявл.
22.06.2015 Зарег. 12.08.2015.
14. Свидетельство № 2015610308 Российская федерация. Определение
погрешности измерения вебер-амперной характеристики: свидетельство об
официальной регистрации программы для ЭВМ / Ланкин А.М., Ланкин М.В.
Заявл. 06.11.2014 Зарег. 12.01.2015.
Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве заключается в следующем: в [1] исследован разработанный метод определения ДХН,
основанный на натурно-модельном эксперименте и предложена функция цели
для итерационного алгоритма определения ДХН; в [2] проведено планирование эксперимента и получены уравнения регрессии, отражающие зависимость
между погрешностью измеренных гармоник тока и погрешностью определения ДХН; в [3] и [14] разработан и экспериментально исследован алгоритм
нахождения погрешности определения ДХН и написана реализующая его программа; в [4] и [6] проведен анализ технологического процесса производства
электромагнитов, предложено осуществлять снижение размерности ДХН методом главных компонент, проведены экспериментальные исследования; в [7]
предложен способ повышения устойчивости метода главных компонент к грубым ошибкам, проведена эффективность предложенного способа; в [5] разработана модель пропорционального электромагнита в программном пакете
LabView; в [13] написана программа симплекс-оптимизации; в [11] предложен
алгоритм реализации способа измерения ДХН; в [12] предложена электрическая схема устройства измерения ДХН.
20
Автореферат
Ланкин Антон Михайлович
МЕТОД И УСТРОЙСТВО ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫХ
ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ
Подписано в печать __.__. 20__ г. Формат 60х84/16.
Бумага офсетная. Печать цифровая.
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 150 экз. Заказ № 47-6279.
Отпечатано в Издательско-полиграфическом комплексе «Колорит»
346430, г. Новочеркасск, пр. Платовский 82 Е
Тел. 8(863) 226-442, 8-918-518-04-29, e-mail: center-op@mail.ru
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа