ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение..............................................................5
Глава 1. Современные подходы в теории и практике виброзащитных систем...............................................................16
1.1. Модели динамической оценки вибрационных систем..................17
1.2. Некоторые реализации в управлении вибрационными системами.......18
1.3. Систематизация разработок средств виброзащиты и виброизоляции...24
1.4. Направления развития технологий управления колебаниями..........27
1.5. Практические приложения, новые направления......................39
1.6. Задачи управления динамическим состоянием нестационарных технических систем...................................................48
1.7. Краткий обзор исследований управляемых систем с переменными параметрами и структурой.............................................52
1.8. Некоторые обобщения и постановка задач..........................58
Выводы по первой главе...............................................62
Глава 2. Структурные подходы в динамике виброзащитных систем 63
2.1. Элементы структурной теории виброзащитных систем................65
2.2. Особенности введения дополнительных связей......................69
2.3. Влияние дополнительных пассивных связей..................;......71
2.3.1. Определение реакций виброзащитной системы на внешние кинематические воздействия...........................................72
2.3.2. Поведение виброзащитных систем при ударных воздействиях.......78
2.3.3. Частотные характеристики одномерных виброзащитных систем 80
2.4. Обобщенный подход к построению виброзащитных систем на основе введения дополнительных связей.......................................82
2.5. Типовые звенья в структурных интерпретациях механических колебательных систем.................................................86
2.6. Активные устройства как типовые звенья виброзащитных систем 104
2.7. Последовательные соединения в дополнительных цепях.............119
2.8. Влияние каскадных соединений в виброзащитных системах..........124
2.9. Некоторые обобщения к развитию.................................126
Выводы по второй главе..............................................127
Глава 3. Обобщенные динамические связи, их формы и особенности взаимодействия с объектами виброзащиты..............................129
3.1. Двухзвенные рычажные механизмы в структуре возвратно-поступательного колебательного контура..............................130
3.2. Крутильные колебания в силовых передачах как задачи виброзащиты и вироизоляции....................................................... 135
3.2.1. Динамические свойства базовых моделей при различных типах возмущений..........................................................136
3.2.2. Системы с несколькими степенями свободы. Дополнительные связи через передачи......................................................138
3.2.3. Некоторые аналогии вращательных и поступательных колебаний....141
3
3.2.4. Использование планетарных механизмов в системе крутильных колебаний............................................................142
3.2.5. Использование вращательных механизмов передач в системе
возвратно-поступательных колебаний...................................145
3.3. Сравнительный анализ крутильно-колсбательиых систем при различных видах дополнительных связей..........................................148
3.3.1. Структурные интерпретации систем с дополнительными связями по относительному отклонению............................................148
3.3.2. Особенности реализации дополнительных связей по абсолютному отклонению...........................................................153
3.3.3. Система крутильных колебаний с дополнительными связями в виде механизмов рычажного двухзвенника....................................156
3.4. Система возвратно-поступательных колебаний с дополнительной активной связью в виде вращающегося рычажного двухзвенника...........162
3.5. Особенности введения дополнительных связей в виде механических колебательных структур...............................................167
3.6. Учет нелинейных свойств одномерных колебательных систем при
гармонических воздействиях...........................................171
Выводы по третьей главе..............................................176
Глава 4. Математические модели и подходы к оценке виброзащитных систем и способов введения обобщенных динамических связей............177
4.1. Способы введения дополнительных связей. Управление по отклонению объекта защиты.......................................................177
4.2. Исследование возможностей активных систем с управлением по возмущению...........................................................184
4.3. Влияние вида активной связи на эффективность виброзащитной системы и форму амплитудно-частотных характеристик...........................189
4.4. К учету нелинейных факторов для активной дополнительной связи....192
4.5. Влияние вида активной связи на переходные характеристики виброзащитной системы................................................196
4.6. Оценка эффективности виброзащитных систем с учетом связи между точками приложения сил и наблюдения за состоянием объекта защиты 203
4.7. Учет многомерности управляемых систем виброзащиты и виброизоляции при гармонических воздействиях.......................................213
4.8. О связи устойчивости и управления в построении активных систем....223
Выводы по четвертой главе............................................227
Глава 5. Активные электрогидравличсские виброзащитные системы, их принципы построения и динамические характеристики....................229
5.1. Особенности гидропривода в системах активной виброзащиты и виброизоляции........................................................229
5.2. Дифференциальные уравнения основных типовых элементов активных виброзащитных систем.................................................234
5.3. Структурные схемы активной электрогидравл и ческой виброзащитной системы с дроссельным сервомеханизмом................................241
4
5.4. Эффективность электрогидравлической активной виброзащитной системы в установившихся процессах...................................246
5.5. К оценке устойчивости активных электрогидравлических систем 264
5.6. Динамика активных электрогидравлических систем в переходных процессах.......................................................... 269
5.7. Экспериментальные исследования электрогидравлической активной виброзащитной системы................................................275
5.7.1. Описание экспериментальной установки и методики испытаний 275
5.7.2. Исследование системы в режиме вибрационных воздействий 279
5.7.3. Исследование системы в режиме ударных воздействий.............285
Выводы по пятой главе................................................287
Заключение..........................................................288
Основные выводы по работе............................................296
Список литерату ры...................................................297
Приложение..........................................................312
5
Введение
Рост производительности и эффективности работы машин, увеличение скоростей движения рабочих органов, снижение материалоемкости, повышение нагрузок вследствие вибраций и ударов, необходимость обеспечения надежности работы оборудования и безопасных условий труда -факторы, определяющие постоянное внимание к задачам виброзащиты и виброизоляции. Последнее составляет достаточно развитое и развивающееся направление современного машиноведения. Технические объекты, работа которых происходит в условиях интенсивного динамического окружения, характерны практически для всех отраслей промышленности и транспорта. Теоретические разработки в этих областях виброзащиты и виброизоляции во многом имеют междисциплинарный характер и опираются на методы теории механизмов и машин, теоретической механики, теории колебаний, теории управления, привлекая методы математического моделирования и информационные технологии для оценки, поиска и выбора рациональных проектно-конструкторских решений. Современные машины оснащаются быстродействующими и высокоточными системами автоматического управления, что позволяет в контроле за динамическим состоянием технических объектов использовать внешние источники энергии, а задачи обеспечения необходимого уровня вибрационных движений рассматривать как задачи обеспечения технологического качества [177].
Важнейшей проблемой для обеспечения надежности безопасности работы машин в условиях интенсивного вибрационного нагружения становится нахождение и определение возможностей управления их динамическим состоянием и доведение показателей до уровня, определенного нормативами [204].
Системы управления динамическим состоянием сложных технических объектов в последние десятилетия стали обычным проявлением понимания необходимости контролировать и нормировать степень внешнего воздействия на узлы и агрегаты машин, содержащих, гак или иначе, средства защиты, настраиваемые на возможность эффективной работы [210].
В динамике машин проблемам управления динамическим состоянием различных объектов уделяется значительное внимание.
Фундаментальные результаты по решению этих вопросов представлены в многочисленных трудах отечественных и зарубежных ученых: Артоболевского И.И., Бабакова И.М., Бабицкого В.И., Бидермана В.Л., Блехмана И.И., Болотина В.В., Бутенина Н.В., Вейца В.Д., Ганиева Р. Ф., Генкина М.Д., Гурецкого В.В., Ден-Гаргога Дж.11., Диментберга М.Ф., Елисеева С.В., Клюева В.В., Колесникова К.С., Коловского М.З., Кононенко В.О., Кренделла С., Ларина В.Б., Митропольского Ю.А., Неймарка Ю.И., Пальмова В.А., Пановко Я.Г., Первозванского A.A., Светлицкого В.А., Синева A.B., Тимошенко С.П., Троицкого В.А., Фролова К.В., Фурунжиева Р.И., Хвингия М.В., Цзе Ф.С., Челомея В.Н., Черноусько Ф.Л. и др.
6
Задачи виброзащиты и виброизоляции, снижения уровня динамических воздействий на элементы машин, обеспечения надежной работы при комплексных динамических нагрузках на рабочие органы машин - это далеко не полный перечень современных актуальных направлений теоретических и экспериментальных исследований.
В известных работах рассматривались различные аспекты решения упомянутых выше проблем, связанных с уточнением математических моделей, введением в колебательные системы дополнительных связей, в т.ч. на основе использования внешних источников энергии и применения элементов автоматики. Существенное развитие в динамике машин получили методы и подходы теории систем и теории автоматического управления, включая и методы прямого управления динамикой процессов с
использованием средств вычислительной техники. От рассмотрения отдельных динамических явлений и процессов наметилась вполне определенная тенденция перехода к изучению вибрационных состояний объектов, формированию вибрационных полей [47], исследованию способов управления динамическим состоянием машин, точнее, взаимодействием между элементами машин [197]. Системные подходы и методология на этой основе позволяют развивать оригинальные направления в динамике машин и машиноведении.
Системный анализ предполагает рассмотрение задач виброзащиты, виброизоляции, гашения, демпфирования, стабилизации - поддержания определенных форм и уровней колебаний, вибрационных режимов или динамического состояния с использованием расчетных схем и математических моделей механических колебательных систем. В последние годы аппарат теории колебаний получил своё развитие не только в плане освоения новых формализованных технологий, но и выхода на новые постановки традиционных задач динамики управляемых систем. Последнее достигается введением в колебательные системы дополнительных неуправляемых и управляемых связей, учетом ряда специфических особенностей работы оборудования, условий его опирания и взаимодействия агрегатов. Как показано в ряде работ отечественных ученых, спектр динамических свойств колебательных систем может быть расширен, по сравнению с классическими представлениями, если использовать введение различных дополнительных обратных связей [84]. Последние реализуют в механических колебательных системах эффекты управления состоянием объекта защиты в соответствии с принципам управления по относительному и абсолютному отклонениям, внешнему возмущению [72].
В этом плане достаточно перспективными представляются структурные методы исследования, в основе которых лежат идеи использования особого класса математических моделей [66, 156, 196]. По существу, каждой колебательной системе сопоставляется структурная схема эквивалентной в динамическом отношении системы автоматического управления. При тождестве систем дифференциальных
7
уравнений моделей, полученных при обычном подходе и на основе структурных интерпретаций, последние обладают рядом преимуществ, особенно ощутимых при поиске новых конструктивно-технических решений. Развитие структурных методов позволяет построить систему обобщенных представлений о динамических свойствах колебательных систем с возможностями управления их динамическим состоянием путем введения дополнительных связей.
Актуальность научных исследований определяется значимостью и необходимостью учета влияния на работоспособность машин и их агрегатов вибраций, ударов, динамических взаимодействий, характерных для оценки технологического качества рабочих процессов. Проблемы вибрационной защиты, виброизоляции машин, оборудования, приборов и человека-оператора являются важными разделами междисциплинарного направления системного анализа, теории автоматического управления, теории механизмов и машин и современного машиноведения в целом. Методической основой для решения задач поиска, разработки, исследования технических средств защиты от вибраций и ударов является теория колебаний с её различными приложениями.
Вместе с тем, задачи введения дополнительных связей в механические колебательные системы, хотя и были представлены в ряде работ, но не получили еще систематического рассмотрения, в том числе, с позиций физической интерпретации дополнительных связей через механизмы преобразования движения и структуры других видов [69]. Поэтому представляется целесообразным накопленный опыт, развитые научно-методические, инженерно-технические наработки, апробированные в задачах виброзащиты и виброизоляции (в приложении к задачам «приборного» типа), использовать для поиска и разработки средств управления динамическим (точнее вибрационным) состоянием в системах, отражающих более детальные представления об их реальных свойствах. Особое значение приобретают вид и конструктивные варианты физических реализаций дополнительных связей, вводимых между взаимодействующими - инерционными элементами системы. Можно показать, что такой подход позволяет обобщенные задачи виброзащиты и виброизоляции [61] рассматривать как частные случаи более общих постановок задач управления динамическим состоянием сложных систем [71, 72,92, 96].
Использование структурных схем, работа с ними по определению передаточных функций или матрицы передаточных функций эквивалентны процедурам составления системы дифференциальных уравнений с использованием известных подходов на основе формализма Лагранжа. Структурная схема довольно просто может быть построена по известной математической модели. Поэтому непосредственное построение структурных схем на основе представленных расчетных схем условно заменяет вывод уравнений с соблюдением определенного формализма,
8
однако, это возможно лишь в меру того, насколько достаточным является опыт в составлении математических моделей.
Введение дополнительных связей в расчетных схемах приводит к изменению формы и содержания выражений для кинетической и потенциальной энергий, обобщенных сил и энергии рассеивания колебаний; меняется соответствующим образом и система дифференциальных уравнений. Если обратиться к структурным схемам, как аналогам дифференциальных уравнений, то дополнительные связи принимают форму дополнительных звеньев, включаемых или параллельно, или с учетом принципов обратной связи. Поскольку механизмы преобразования движения, реализующие дополнительные связи, различаются между собой с учетом конкретного вида звеньев, кинематических пар и возможностей их соединения, то актуальным представляется направление исследований в плане поиска некоторых общих свойств и особенностей. Это позволяет на обобщенной основе оценить предельные возможности в изменении спектра динамических свойств систем, учесть, в частности, те особенности, которые проявляются, если дополнительные связи представлены колебательными структурами.
Динамика управляемых систем, как направление современного машиноведения, позволяет в рамках общего методологического подхода выстраивать достаточно перспективный инструментарий поиска и разработки оригинальных решений, которые все шире находят применение для управления вибрационным состоянием технических объектов на транспорте, в робототехнике, создании вибрационных технологических машин, совершенствовании силовых передач машинных агрегатов.
Вместе с тем существует ряд трудностей, которые связаны с возможностями построения адекватных математических моделей, оценки роли и значения многомерных и нелинейных свойств элементов систем, выбором способов описания движения, оценкой возможностей изменения динамического состояния при выборе тех или иных конструктивнотехнических решений [5,131,176].
Несмотря на успехи ученых в решении многих проблем динамики машин, работающих в условиях вибрационного и ударного нагружения, до настоящего времени не получил должного развития системный подход, который можно было бы воспринимать как единую и цельную методологию разработки специализированных средств управления динамическим состоянием, что предполагает дальнейшие исследования колебательных систем в направлении динамического синтеза на основе структурных методов и аналитического аппарата теории автоматического управления.
Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы состоит в развитии и разработке новых подходов в задачах изменения и управления вибрационным состоянием машин, агрегатов и оборудования, основанных на методах структурного анализа и синтеза систем и введения в механические колебательные системы дополнительных обратных динамических связей различной природы.
9
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи.
1. Разработать новые подходы в технологиях изменения динамических свойст в технических систем путем введения в их структуры обобщенных динамических связей в виде механических цепей различной природы.
2. Разработать методы математического моделирования машин, агрегатов, оборудования, работающих в условиях интенсивного внешнего нагружения, использующие структурные представления и интерпретации систем защиты от вибраций и ударов.
3. Разработать методы динамического синтеза для задач управления вибрационным состоянием на основе введения дополнительных связей, создающих активные воздействия на объект защиты.
4. Развить методологические основы построения виброзащитных систем, дополнительные связи которых выступают в виде колебательных структур.
5. Провести сравнительный анализ возможностей систем защиты при различных видах и формах реализации дополнительных обратных связей и законах управления движением, а также провести экспериментальную проверку основных теоретических положений.
Решение рассматриваемых задач на основе программных реализаций позволяет разработать технологию автоматизированного поиска и расчета технических средств для построения систем виброзащиты и виброизоляции машин, агрегатов и оборудования.
Научная новизна результатов в целом заключается в создании методологии разработки способов и средств изменения динамического состояния и построения систем защиты машин и оборудования от вибраций и ударов на основе формирования сгруюуры систем и использования в их составе дополнительных связей и механизмов.
К наиболее существенным научным результатам относятся следующие.
1. Разработана методологическая база для построения аппарата динамического синтеза виброзащитных систем, включающих в свой состав дополнительные динамические связи.
2. Развиты методические подходы к построению структурных интерпретаций механических колебательных систем, рассматриваемые в качестве базовых расчетных схем, систем машин.
3. Предложен расширенный набор типовых элементов, которые могут рассматриваться в структуре вибрационных систем для расширения возможностей изменения динамических свойств. Разработана технология прогнозирования новых конструктивно-технических форм реализации дополнительных связей.
4. Разработана методика динамического синтеза виброзащитных систем, предполагающая обработку информации о динамическом состоянии объекта в соответствии с различными законами управления в дополнительных связях.
5. Предложена и разработана концепция и методика построения и расчета активных виброзащитных систем на основе использования электрогидравлических управляемых исполнительных механизмов.
10
В завершение научных исследований разработана основа для создания системы прикладного программного обеспечения в поддержку автоматизации проектирования, выбора и расчета виброзащитных систем машин и оборудования.
Практическая значимость и использование результатов работ состоит в том, что разработанная методология построения виброзащитных систем с использованием дополнительных обратных связей, в том числе и в виде механизмов, позволяет:
• сформировать комплекс математических моделей и алгоритмов расчета вибрационных систем доставляющие основу для посгроения пакетов прикладных программ автоматизации их исследования и проектирования;
• обоснованно решать задачи создания эффективных виброзащитных систем с учетом особенностей реализации;
• проводить инженерно-техническую реализацию изменения динамических свойств колебательных систем;
• выполнять экспертные оценки существующих систем защиты машин и оборудования от вибраций и ударов;
• создать научную базу в поддержку внедрения технологий комплексного неразрушающего контроля и вибродиагностики технических объектов;
• рекомендовать методику и реализовать принципы построения активной виброизоляции транспортных объектов, гашения упругих колебаний роботов и др.
Разработанный научно-методический комплекс, математическое обеспечение позволяет создавать программные комплексы, ориентированные на учет специфики задач виброзащиты и виброизоляции, чти, в частности, было реализовано в пакетах прикладных программ «ВИЗА» и «ПАМИР».
Результаты разработок использовались на ряде предприятий различных отраслей промышленности и транспорта. Пакеты прикладных программ были представлены и участвовали в конкурсе на соискание Государственной премии СССР в области науки и 'техники (1986 г.).
Основные положения, выносимые па защиту:
1. Концепция формирования, поиска и выбора способов и средств защиты машин и оборудования на основе введения в виброзащитные системы дополнительных связей.
2. Разработка виброзащитных систем нового типа, имеющих в своем составе дополнительные цепи в виде механизмов преобразования движения, активных гидравлических устройств и др.
3. Методология динамического синтеза, используемая для изменения состояния технических систем, основанная на использовании структурных подходов и структурных интерпретациях механических колебательных систем.
4. Результаты исследований, связанные с изучением особенностей динамических свойств колебательных систем с дополнительными связями.
5. Технология поиска, выбора и определения форм элементов и устройств, реализующих дополнительные связи, прогноза обнаружения элементов с необходимыми свойствами.
11
Программно-методический комплекс, реализующий методы анализа и синтеза механических управляемых систем в задачах виброзащиты и виброизоляции, закрепляет основные положения диссертации.
Достоверность и обоснованность полученных результатов основывается на применении апробированных методов теории колебаний, теории машин и механизмов, системною подхода в теории автоматического управления, а также на теоретических исследованиях, выполненных по договорам с предприятиями, на проведении экспериментального изучения, оценки которых по динамическим характеристикам систем оказались практически близки рассматриваемым модельным - представлениям..'
Результаты автора получены в рамках НИР, выполненных по Постановлению Президиума СО All СССР («Прикладные методы исследования виброзащитных систем»; гос. per. 79045477); Координационному плану НИР АН СССР на 1981-1985 г.г. по проблеме «Теория машин и систем машин», Приказу - Распоряжению МРП и СО АН СССР («Методы виброзащиты технических объектов»; гос. рег.81078263); Плану НИР АН СССР по фундаментальным проблемам машиностроения, Координационному плану НИР АН СССР на 1986-1990 г.г. по«проблеме «Теория машин и систем машин», Общесоюзной научно-технической программе «Надежность» на 1988-1990 г.г. и период до 1995 г. («Методы и системы автоматизированного исследования и проектирования виброзащитных систем»; гос. per. 01860055961); Проблемно-тематическому плану многостороннего научного сотрудничества Академий • наук социалистических стран 1986-1990 г.г. по проблеме' «Научные основы механики машин, конструкций и технологических процессов»; материалы, подготовленные с участием результатов исследований и разработок автора включены в 35 научных отчетов, прошедших государственную регистрацию и сданных заказчикам.
Апробация результатов. Основные положения проведенных в течение многих лет (1971 - 2008 г.г.) исследований и результаты, включенные в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на ряде (более 30) научных, научно-технических, научно-практических и других мероприятиях с участием отечественных и зарубежных специалистов. Наиболее значимыми из них явились: I, Ш Всесоюзные симпозиумы. «Влияние вибраций
различных спектров на организм человека и проблемы виброзащиты» (Москва, 1972, 1977 г.г.); I - IV Всесоюзные научно-технические конференции «Активные виброзащитные системы», «Теория и применение активных виброзащитных систем», «Механические управляемые системы», «Проблемы виброизоляции машин и приборов», (Иркутск, 1972 - 1989 г.г.); Всесоюзное научное совещание по проблемам виброизоляции машин и приборов» (Звенигород, 1986 г.); Пятый (Алма-Ата, 1981 г.), Шестой (Ташкент, 1986 г.) Всесоюзные Съезды по теоретической и прикладной механике; Первый (Алма-Ата, 1977 г.), Второй (Одесса,. 1982 г.) Всесоюзные Съезды по теории машин и механизмов; Третья Всесоюзная Четаевская
12
конференция по аналитической механике, устойчивости и управлению движением (Иркутск, 1977г.); Всесоюзная конференция «Проблемы нелинейных колебаний механических систем» (Киев, 1978 г.); Четвертая Всесоюзная конференция по оптимальному управлению в механических системах (Москва, 1982 г.); Шестая Всесоюзная конференция по управлению в механических системах (Львов, 1988 г.); Первое (Владимир, 1978 г.), Второе (Минск, 1981 г.) Всесоюзные совещания по робототехническим системам; Первая (Йошкар-Ола, 1978 г.), Четвертая (Волгоград, 1987 г.) Всесоюзные Конференции «Автоматизация поискового конструирования»; Всесоюзное совещание «Современные методы синтеза машин-автоматов и их систем» (Тамбов, 1981 г.); Всесоюзная конференция «Проблемы механики железнодорожного транспорта. Повышение надежности и совершенствование конструкции подвижного состава» (Днепропетровск, 1988 г.); VIII Международная конференция «Применение ЭВМ в технике и управлении производством» (Москва, 1987); Научный семинар «Проблемы управления- упругими мехатронными системами» (Иркутск, 1991 г.) XI Медународная научная- конференция, посвященная памяти академика М.Ф. Решетнева («Решетневские чтения», Красноярск, 2007 г.), «Обобщенные решения в. задачах управления» - IV Международный симпозиум, посвященный 80-летию академика РАН В.А.Ильина (Улан -Удэ, 2008 г. ) и другие. Работа неоднократно обсуждалась на семинарах ГКНТ по проблеме «Виброзащита машин и вибрационная техника», региональных научно-технических конференциях НТО; на заседаниях Ученого совета Иркутского вычислительного центра СО РАН (1976 - 1988 г.г.), Отдела робототехники, автоматизации и материаловедения, Автономного Отдела автоматизации и технической физики при Президиуме ИНЦ СО РАН (1988 - 1995 г.г.), научно-технических конференциях «Винеровские чтения» факультета Кибернетики Иркутского государственного технического университета (2000-2006 г.г.) и др.
Диссертация в целом обсуждена и одобрена Научно-методическим советом «Института современных технологий, системного анализа и моделирования» Иркутского государственного университета путей сообщения (2008 г.г.).
Публикации. По теме диссер'гации опубликовано 52 рабогы, в том числе монография, 20 статей в ведущих журналах, рекомендуемых ВАКом для публикации докторских диссертаций, программные разработки «ВИЗА» и «ПАМИР» зарегистрированы в государственном реестре программ для ЭВМ (ГОСФАП).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав, заключения, основных выводов по работе и приложения, в котором приведены документы, подтверждающие использование результатов работы на практике. Диссертация изложена на страницах машинописного текста, содержит рисунков и таблиц. Список литературы включает 230 наименований.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи работы, характеризуется научная новизна и практическая значимость результатов исследования.
13
В главе первой «Современные подходы в теории и практике виброзащитных систем» рассматривается современное состояние вопроса виброзащиты и виброизоляции машин и оборудования, анализируются существующие подходы и методы решения задач машиноведческой направленности. В настоящее время сложилась вполне определенная технология определения динамического состояния машин и машинных агрегатов, основанная на изменении параметров состояния, соответствующих методиках расчета, применении технических средств в виде амортизаторов, демпферов, гасителей колебаний. Существующие подходы опираются на стандарты, позволяющие решать конкретные классы задач ограничения или удержания в необходимых пределах параметров динамического состояния.
Традиционные подходы ориентированы на снижение уровня вибраций, ударов в источниках их происхождения или на создание виброзащитных систем, включающих в свою структуру объекты защиты вместе с теми техническими средствами, которые в той или иной степени способствуют изменению динамического состояния в нужном направлении. Именно в этом плане в последние годы наметился интерес к построению управляемых виброзащитных систем, связанных с использованием достаточно развитых технологий сбора и обработки информации о состоянии системы и введении управляющих воздействий в различной форме. Такие системы реализуют активную виброзащиту и виброизоляцию, используются для обеспечения надежности силовых передач машинных агрегатов, защиты прецизионного оборудования, транспортных средств, предотвращения нежелательных колебаний зданий, сооружений, в робототехнике и др.
Вторая глава «Структурные подходы в динамике виброзащитных систем» посвящена изложению основных научно-методических положений структурной теории виброзащитных систем. Рассматривается метод динамического синтеза виброзащитных систем и излагаются основные этапы их построения. Используя подход, основанный на введении в системы дополнительных динамических связей, раскрывается концепция структурных интерпретаций механических колебательных систем как систем автоматического управления динамическими состояниями. Это подводит понимание разработчиков к возможной конструктивно-технической реализации необходимых средств виброзащиты, обеспечивая задачи синтеза аппаратом системного анализа в обобщенном классе решений.
Показано, что средства пассивной и активной природы являются формами представления и развития обратных связей, вводимых в базовые модели колебательных систем. Рассматривается методологическое и алгоритмическое обеспечение решения задач динамического синтеза, связанное с представлением обратной связи в виде определенной цепи. Такая цепь, с одной стороны, описывается передаточными функциями частного вида из некоторого обобщенного выражения, с другой стороны, выявляется конкретными случаями реализации в рамках существования некоторого обобщенного механизма. Среди этих механизмов можно назвать устройства с преобразованиями движения, колебательные структуры, сервоприводы и т.п.
14
В третьей главе «Обобщенные динамические связи, их формы и особенности взаимодействия с объектом защиты от вибраций и ударов» рассмотрены динамические свойства виброзащитных систем возвратнопоступательных колебаний при введении дополнительных обратных связей в виде двухзвенных шарнирно-рычажных механизмов. Введены понятия приведенных жесткостей и масс системы, исследованы особенности свойств, определяемых конфигурацией механизма. Исследованы возможности изменения динамических свойств в системах крутильных колебаний, в составе которых имеются зубчатые, в. т. ч. планетарные механизмы, а также механизмы более сложной структуры, реализующими режимы преобразования движения в относительных перемещениях. Рассмотрены решения, обеспечивающие в системах с помощью механизмов эффекты динамического гашения, квазинулевой жесткости др. Изучаются вопросы построения каскадных систем. Предлагаются подходы к учету нелинейных свойств типовых звеньев виброзащитных систем с дополнительными связями на основе методов гармонической линеаризации.
Четвертая глава «Математические модели и подходы к оценке эффективности виброзащитных систем и способов введения обобщенных дополнительных связей» рассматриваются вопросы развития методологических позиций в задачах оценки эффективности и динамического синтеза виброзащитных систем при введении в их структуру дополнительных связей. Приводятся критерии эффективности введения дополнительных связей, которые оцениваются путем сравнения амплитудно-частотных характеристик, определения переходных функций, учета условий устойчивости систем. Обсуждаются вопросы влияния точек наблюдаемости и управляемости (точек приложения усилий), которые сказываются в определении дополнительных связей при построении виброзащитных систем. Решается задача синтеза управления, формируемого дополнительной обратной связью в виде одноосного воздействия интересующего динамического влияния на объект защиты.
В пятой главе «Активные электрогидравлические виброзащитные системы» рассматривается разработанная методология построения сложных систем защиты машин, оборудования и агрегатов, в которых дополнительные связи реализуются с помощью гидравлических механизмов (сервоприводов). Обоснованы методические основы построения математических моделей и структурных схем активных систем с учетом особенностей электрогидравлического следящего привода. Предложена методика построения зон эффективной работы систем защиты при выборе различных законов управления (обработки информации в цепях обратной связи), произведена сравнительная оценка возможностей систем управления при гармонических внешних воздействиях и в переходных режимах с учетом оценок устойчивости системы. Описаны опытная установка и методика испытаний, приведены результаты экспериментальных исследований образца (полу натурно го макета) активной электрогидравлической виброзащитной системы при вибрационных и ударных нагрузках.
15
Общая сравнительная оценка достигну тых результатов, предлагаемых и развиваемых методологических позиций представлена в «Заключении» диссертации. Рассмотрены вопросы построения виброзащитных систем с использованием средств вычислительной техники и программного обеспечения. Сформулированы основания для системного подхода к решению обобщенных задач виброзащиты и виброизоляции. Определена система требований и условий, обеспечивающих эффективность автоматизированных технологий научных исследований. Результаты построены на материалах создания пакета прикладных программ «ВИЗА», одной из первых крупных отечественных разработок, ориентированной на широкий класс задач вибродинамики управляемых механических систем.
Автор чтит память академика |К.В. Фролова (1932-2007 г.г.), который взял на себя труд научного руководителя во время моей стажировки (1982-1983г.г.) в Институте машиноведения РАН имени акад. Благонравова A.A. Выражаю благодарность заведующему лабораторией общей теории виброзащиты (ныне лаборатории «исследования и разработки средств виброзащиты «человек-машина»»), д.т.н., профессору A.B. Синеву за помощь и поддержку в период стажировки в ИМАШ, за заботливые отношения как научного авторитета в нашем многолетнем сотрудничестве.
Автор признателен Заслуженному деятелю науки и техники РСФСР,
д.т.н., профессору [Коловскому M.3J (1927-2002) - моему научному
оппоненту по кандидатском диссертации, одному из ведущих специалистов страны в динамике управляемых машин и нелинейной теории виброзащиты за постоянное внимание к исследованиям, за проявление инициативы в сотрудничестве с учителями и коллегами ленинградской школы механиков и управленцев - Блехманом И.И., рейцем В.Л,', Вульфсоном И.И., [Лурье А.и], Первозванским A.Â], Попковым В.И., | Смирновым ГЛ]
Благодарен академику В.М. Матросова за поддержку исследований в период работы в ИНЦ СО РАН (1976-1995 г.г.). Признателен д.т.н., профессору Хоменко А.П. - ректору Иркутского государственного университета путей сообщения за человеческую поддержку, за создание условий для завершения диссертации. Заслуженный деятель науки РФ, д.т.н., профессору С.В. Елисеев научный консультант диссертации заслуживает особые слова благодарности за долгую совместную службу и многолетнее партнерство, за большую и конкретную помощь в работе над диссертацией.
16
Глава 1. Современные подходы в теории и практике виброзащитных систем
В современной динамике машин, разработке технологических процессов и необходимого для их реализации оборудования расчетные схемы в виде механических колебательных систем получили широкое распространение [28, 48, 17]. Задачи виброзащиты и виброизоляции, вибрационной диагностики, акустической и волновой динамики связаны с той или иной оценкой параметров вибрационного состояния объектов различной сложности, поиском и расчетом средств управления состоянием доступных в инженерной практике [83, 84, 86, 88].
Для многих технических объектов необходимо, прежде всего, снижение энергии вибрации и ударов, передаваемых со стороны источника на защищаемый объект [28]. Борьба с вибрацией в источнике является лишь частичным решением проблемы из-за ужесточения требований к технологическому качеству, надежности и точности работы оборудования. Упругие элементы в системах защиты по-прежнему широко используется в практике, однако, в последние годы все чаще стали появляться и использоваться дополнительные устройства, позволяющие . повысить эффективность методов управления динамическим (вибрационным, в первую очередь) состоянием. Создана теория защиты объектов от вибраций и ударов с учетом нелинейностей [129], изучены возможности оптимизации виброударозащигных систем [20, 41, 52, 53], использования
последовательно-параллельных соединений элементов (каскадные системы) [162], применения устройств для преобразования движений [66, 50]. Использование методов фильтрации сигналов оказало серьезное влияние на разработку специфичных конструктивных решений, приведших к созданию механических фильтров [8, 69]. Механическая фильтрация связана с использованием дополнительных масс, в отношении которых возникает вопрос о том, возможно ли получение устойчивых эффектов гашения при малых материальных затратах.
Естественным развитием теории и практики виброзащиты стала разработка управляемых (или активных) виброзащитных систем [40, 65, 130, 159, 168, 178]. По-существу, активные виброзащитные системы являются системами автоматического управления вибрационным состоянием (вибрацией) объекта с целью снижения его до заданного уровня в определенных точках или области пространства, в заданном диапазоне частот или временной области для некоторого класса внешних воздействий. Объектом регулирования является машина и присоединенная к нему конструкция (фундамент, опора), источник информации - параметры вибрационного состояния объекта, а критерий эффективности управления -амплитуда вибраций или некоторый функционал, характеризующий виброактивность [28].
17
Б работе [41] приведена одна из первых классификаций управляемых виброзащитных систем или активных виброзащитных систем (АВЗС).
Классификация активных виброзащитных систем может быть проведена с учетом различных классифицирующих признаков, например, по принципу управления, то есть в зависимости от способов введения управляемых связей: по абсолютному и относительному отклонениям, по возмущению. В целом, идея классификации АВЗС на основе концепции обратной связи, как это было начато в работе [82], является достаточно конструктивной, поскольку совершенствование АВЗС, повышение их эффективности можно рассматривать как процесс развития и усложнения вводимых обратных связей [44, 78]. Последние изначально присутствуют во всех колебательных системах [66]; в простейших случаях они реализуются пассивными элементами (типа пружин и демпферов), однако, могут принимать и более сложные формы при введении дополнительных элементов (в виде механических цепей, устройств с преобразованием движения, механизмов и др.), что представлено, например, в работах [9, 162, 159, 50, 179].
Сложные формы дополнительных связей, по-сухцеству, реализуются как сервоприводы, технические особенности которых зависят от конкретных обстоятельств, определяющих задачи управления вибрационным состоянием объектов [158].
1.1. Модели динамической оценки вибрационных систем
В развитой форме системы виброзащиты и виброизоляции представляют собой достаточно сложные механические колебательные системы, математические модели которых могут быть представлены в виде различных систем дифференциальных уравнений движения, что предполагает естественные намерения поиска и оценки свойств решений [5]. Если не рассматривать аналитические подходы в динамике систем, проблематика которых достаточно подробно представлена в монографиях [15, 24, 26, 57], то можно было бы отметить вполне объяснимую тенденцию к линеаризации уравнений, поиску и разработке приближенных методов решения, что постоянно поддерживало интерес исследователей к аналитическому аппарату теории автоматического управления передачи сигналов, теории графов.
В задачах оценки динамического состояния систем защиты от вибраций и ударов, используются п- мерные цепные (или приводимые к ним) линеаризованные модели, которые чаще всего описываются матричновекторными уравнениями второго порядка вида
вф + Вф + G(p - F(г), (1-1)
где (р- л-мерный вектор обобщенных координат; 0,B,G - симметрические
матрицы, соответственно, инерционная, диссипативная и упругая; F(t)- п-
мерная вектор-функция внешних воздействий. Динамические системы
18
многих машин и агрегатов, например, силовые передачи могут рассматриваться как системы с малой диссипацией. Во многих случаях матрица в является диагональной, а в тех случаях, когда 0 имеет структуру, отличную от диагональной, всегда можно посредством невырожденного, модального по отношению к исходной инерционной матрице преобразования, трансформировать систему (1.1) к виду с диагональной инерционной матрицей [24].
Если в задачах виброзащиты, виброизоляции или управления динамическим состоянием объекта вводятся активные элементы, связанные с внешним источником энергии, то линеаризованная «-мерная модель со связями направленного действия может быть представлена матричновекторным дифференциальным уравнением первого порядка в нормальной форме
х = Ах + F(f) у (Ь2)
где х-п-мерный вектор состояния (фазовых координат) модели; А-вещественная или комплексная («хл)матрица произвольной структуры; F{t)- «-мерная вектор-функция внешних воздействий.
Основное, в вычислительном плане, принципиальное отличие моделей (1.1) и (1.2) заключается в структурном характере их параметрических матриц: у цепных моделей матрицы 0,B,G - симметрические, а у моделей с направленными связями (активными) матрица А характеризуется произвольной, в общем случае несимметрической и не приводимой- к симметрической структуре. В тех случаях, когда система носит более сложный характер, то есть система не является цепочной, матрицы В и G могут становиться абсолютно плотными.
Структурные методы исследования, основанные на использовании математических моделей в виде графов, структурных схем, механических цепей [63], построенных с использованием дуальных элементов, четырехполюсников и многополюсников, стимулировали разработку методов автоматизированного исследования механических систем [84, 108], а также использование методов аналогового электромеханического моделирования.
1.2. Некоторые реализации в управлении вибрационными
системами
Инженерно-техническая реализация идей управления колебаниями привела к расширению традиционного круга задач теории колебаний в сторону необходимости оценки наблюдаемости и управляемости систем, учета устойчивости к возмущениям и запаздывания, разработки методов расчета сервомеханизмов (с гидро, пневмо, электроприводами и пр.).
По мере усложнения обратных дополнительных связей, повышения быстродействия средств ВТ, внимание к алгоритмам обработки информации стало доминировать, что, в определенной степени, привело к снижению
19
интереса к особенностям физических процессов, реализуемых силовыми устройствами - «актуаторами».
На рис. 1.1 приведены расчетные и структурные схемы, используемые для управления колебаниями различных объектов [227] в инженерной практике японских специалистов. Математические модели построены на основе преобразований Лапласа и имеют вид:
ОД) = ^
ОД = К,
У+2<ГП7>'
ms2 + cs + к
2 С £ S + — S + —
т
т
s2 +
т
(1.3)
(1.4)
т
т
а)
Input ^ Voltage
ю—►
Епог Driver Valve
ашр
Position
sensor
Position del 4-
б)
Block diagram
(0 Ваз;: control system
A.. .1 1
4 ni' tntl
I
(2)
(iifierentuior
4*
3
г.У.«л».1
-F
(3)
PFC
Рис. 1.1.Расчетная схема системы позиционирования (а), структурные схемы управления колебаниями в зависимости от вида корректирующего звена (б)
Управление динамическим состоянием исходной системы осуществляется, в конечном итоге, на основе схемы, приведенной на рис. 1.2 [228].
20
Рис. 1.2. Структурная схема управления с последовательным компенсатором
Управление формой и спектром колебаний прецизионного вибростола представлено расчетной схемой на рис. 1.3 а; структурная схема управления приведена на рис. 1.3 б [229, 230], что иллюстрирует особенности математического отображения, характерные для описанных выше подходов, использующих математические модели в виде выражений (1.2).
а)
-- т-г-'г-
./|Жч I. .
,я*3-
i'..j м*.
и I.».
Рис. 1.3. Расчетная схема (а) н структурная схема управлении (б) колебаниями
инерционного вибростола
Концепция введения активных элементов как дополнительных связей, работающих в параллельном соединении с известными упругими и демпфирующими элементами, рассматривалась многими, в частности, в работах [162, 28, 69] и ряде других, что стало достаточно обычным приемом подготовки модели к изучению вопросов, связанных с управлением динамическим состоянием. Однако в таком подходе, по мерс возникновения требований к учету особенностей получения и обработки информации, структурные интерпретации или структурные модели усложняются. В работе [211] рассматривается расчетная схема виброзащитной системы (рис. 1.4 а) с актуатором и датчиком для измерения скорости, а на рис. 1.4 б - ее структурная схема.
а)
L
±
uL|
Пп V _f х,
mi
Piezo
Tabic 1 Physical parameters
Value Unit
m2 453.59 kg
k2 7.16*10° N/m
c2 1.14*10' N-s/m
mi 4.54 kg
ki 3.33*10* N/m
21
б)
Рис.1.4. Расчетная схема системы (а) и структурная схема (б) управления движением
Математическая модель системы на рис. 1.4 имеет вид системы уравнений
'”2*2 + Сг (*2 -^) + к?.(Х2~Х\) = /а* + />
111
+ с2(х,-х2) + к2(х1-х2) = -к, {*, -(х0 + хы)} - /,
ал + а, с,
х7 = — -дп + —--------------
2 Ф) ф)
Ьл2 + Ьх$ + Ьа .
~*ёи'
(1.5)
(1.6)
О, = *|(с2 -Л)> «О = № -Л).
Ь2 — 2И| = С2 = ^2 —“Г /.'] (1 + ),
</(.?) = |т2У2 + (с2 + /2> + (А2 + /2,)} Цу2 + к,/'5 + *,(1+/)} +
+(ш24-2+*|/2'^ + *,/2){(С2 -^> + (*2 “/Л}, где /и=сг, }и =к2.
После ряда преобразований получим выражения, определяющие реакцию
(1.7)
системы на внешние воздействия
и тЛ2
х.
0_„ . >пгГ+ к,/^ + к,(\ -г/)
2 ~~ і ґ \ 0 л / \ ■'<!'* >
^(у) </Ду)
(1.8)
где ЛДу) = {/и2у2 +(с2 + Л'Л^ + (*2 +/2Л}{'»1-5'2 + *|/Ь+ *,(! + /;)} •
Учет динамических особенностей измерительного тракта производится по формуле
г=*'(*-“)= с,
І7/
где к, =
л/
КТ1 + К'(Т0 + 7І) а КТх+К\Тй + 1\)
К + К' 1 л: + г (1>9)
Г =
^ + атч^о+у;) м т3 л/+ рт; і<2 + іщ+гсті+у;) аг+г 1 лг+л:' к+а:'
*,*Л - • л/ і . і
л..
КТХ +К'(Т0+ТХ)
. Л =
КТх-гКг(Т0 + Тх) К + К’
>/=
КТХ + К\Тъ+Тх)
22
На рис. 1.5 (а,б,в) даны блок-схема датчика скорости, таблицы параметров.
а)
б)
Уаіие ІІпіІ
м 0.01
к 2.661 Ы/ш
т, 5.9883*10° 8
То 1.5914*1 О*1 8
1 ° 0 N -б/ш
Уаіис ІІпі1в
к. 50*10і У/т
кс 1.8944 -
кі 50 Ы/Л
Ка 500 а
К' 9472 Ы/т
Уаіис ІіїїІІ
Оріс 12.7* 10° т/У
Т<, ріс 3.18*10° Б
Сует 10 М/У
I <1.уст 7.96*10° Б
Рис.1.5. Структурная схема датчика (а), парамсірьі актуатора (б) и датчика (в)
Исследование динамики системы производится с использованием структурных схем управления состоянием для оценки уровня изоляции (рис.1.6 а), для оценки реакций на внешние воздействия (рис. 1.6 б).
Рис. 1.6. Блок-диаграммы оценки уровня изоляции (а), динамических реакций (б)
23
Для достижения необходимого динамического состояния, определяющего уровень шума, производимого объектом, то есть контроля за виброакустическим состоянием [217, 221], используются развитые системы сбора и обработки информации, включающие измерители шума (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Активная виброзащита с учетом контроля виброакустического фона
Области приложения идей управления колебаниями и активного виброгашения находят применение в защите высотных зданий [208], как это показано на рис. 1.8 (а, б, в).
Рис.1.8. Активная защита строительных сооружений от воздействий, вызывающих колебания: а - принципиальная схема введения акгивных воздействий; б - модель коиструкгнвного исполнения; в- принципиальная схема эксперимента.
В целом к настоящему моменту времени создан достаточно широкий арсенал средств виброзащиты различного назначения, разработаны методики анализа и синтеза; весомый вклад внесен работами отечественных ученых [28, 40, 51, 65, 66, 130, 162, 178]. В зависимости от используемых сервоприводов (исполнительных механизмов) выделяют активные виброзащитные системы (АВЗС): электромеханические, струйные,
электроструйные, электродинамические [158]. Классификация АВЗС может быть расширена по ряду признаков, поскольку проблемы изучения управляемых систем носят междисциплинарный характер. Специфика объекта виброзащиты, техническое исполнение приводов и систем управления привносят особенности в технологии создания АВЗС.
24
1.3. Систематизация разработок средств виброзащиты и виброзоляции
Задача изоляции подвижного основания от вибрационных воздействий достаточно широкого спектра может быть решена при использовании низкочастотных средств виброизоляции [118, 119, 46]. Однако, перемещение объекта защиты, сопровождающееся изменением нагрузок на механический агрегат, заставляет использовать достаточно жесткие виброизоляторы, обеспечивающие заданные ограничения па его перемещения относительно основания. Ограничение таких перемещений при использовании менее жестких виброизоляторов можно осуществить, используя возможности для относительной стабилизации. При этом качество виброизоляции для частот заданного диапазона может незначительно отличаться от пассивного варианта виброизоляции, если система обладает необходимыми свойствами частотной фильтрации. Использование пневматических управляемых опор, позволяющих совместить функции элементов систем виброизоляции и стабилизации (СВС), дает возможность компактных конструктивных решений [2, 14, 71, 88, 142, 180]. Исследования подобных СВС ограничено в основном одномерными вариантами [36, 180].
Проектирование систем защиты от вибраций и ударов чаще всего заключается в выборе необходимого количества амортизирующих элементов с требуемыми характеристиками и расположением их относительно изолируемого объекта, так, чтобы собственные частоты системы были ниже частоты возбуждения [119].
Традиционные методы виброзащиты основаны на использовании инерционных, диссипативных и упругих элементов, за которыми в закрепилось название «пассивные элементы». Слисок реализаций таких технических средств достаточно широк: амортизаторы, рессоры, пневморессоры,
пневмобаллоны и т.д. Сложные и часто противоречивые требования, предъявляемые к подобным системам, вызвали появление активных систем, являющихся, по существу, специальными системами автоматического управления динамическим состоянием защищаемых объектов, обладающих независимыми источниками энергии.
Объект защиты совместно с устройствами, помещенными между ним и основанием, образует виброзащитную систему (ВЗС). В конструктивном отношении их разделяют на два класса: нерегулируемые и регулируемые (рис. 1.9). К первым ]руппе относятся ВЗС, использующие пассивные средства: изоляторы (амортизаторы), демпферы, динамические гасители и ряд других технических устройств. Ко второй группе относят системы, содержащие специальные устройства, использующие внешние источники энергии. В свою очередь, регулируемые ВЗС образуются на основе применения различных активных элементов: электродинамических, электромагнитных,
гидравлических, пневматических и иных устройств.
25
Рис. 1.9. Классификация виброзащнтиых систем
Расположение гасителей колебаний на подвижном составе Табл. 1.1
Схема Расположение Гашение колебаний
Вертикально между буксой и рамой тележки Подпрыгивания и галопирования рамы тележки
ш 1 Наклонно между буксой и рамой тележки Подпрыгивания, галопирования и бокового перемещения ракмы тележки
Ш) ..л Вертикально между надрессорной балкой и рамой тележки Подпрыгивания и галопирования кузова
т 1 Наклонно между надрессорной балкой и рамой тележки Подпрыгивания, галопирования, бокового перемещения и виляния кузова
«5 Наклонно между рамой тележки и кузовом Пространственных перемещений кузова
26
В соответствии с работами [81, 123, 190] гасители колебаний могут быть классифицированы по энергетическим, силовым и конструктивным признакам и схемам их расположения, в частности, в приложении к подвижному составу в соответствии с табл. 1.1. Интересное направление исследований, связанных с использованием рычажных соединений и устройств с преобразованием движения представлено в работах [23, 32].
Классификация возможных подходов, отражающая комплексный характер проблемы виброзащиты, приведена на рис. 1.10.
Рис. 1.10. Классификация возможных подходов к решению комплексной проблемы виброзащиты
Активные ВЗС более приспособлены при реализации оптимальных управляющих функций [130, 41, 162] и их можно разделить на 3 группы:
1. ВЗС с изменяемыми параметрами;
2. ВЗС с сервомеханизмами;
3. ВЗС с переменной структурой.
Особенностью активных ВЗС, как и систем автоматического управления, является их замкнутость, т.е. наличие обратной связи между выходом и входом. В общем виде в такой системе можно выделить три составных части (рис. 1.11).: объект защиты (03), регулирующее устройство (РУ) и связи между ними [66, 28, 84].
Если структурные звенья и связи между ними в обычной пассивной ВЗС считать естественными или основными, то включение в се структуру любых других звеньев может рассматриваться как процесс наложения дополнительных связей с целью изменения динамических свойств всей системы или ее отдельных фрагментов.
Естественно, что выбор типов дополнительных связей и способ их включения в структуру должны производиться в соответствии с требованиями к системе защиты. В некоторых случаях эти требования могут быть удовлетворены путем введения в структуру системы, например, логических элементов переключения.
27
На рис. 1.12 показана расчетная схема пассивной ВЗС с дополнительной связью и ее структурный аналог (рис. 1.13). В более общем виде активная ВЗС может быть представлена структурной схемой с управлением общего вида, которая предполагает сбор и обработку информации о состоянии 03 (каналы управления 1,2,3 нарис. 1.14).
Рис. 1.11. Блок-схема Рис.1.12. Расчетная схема системы
виброзащнтной системы с дополнительной связью
Таким образом, задачи виброзащиты и виброизоляции естественным образом трансформируются в задачи управления динамическим состоянием ВЗС или управления колебаниями [72]. Последнее отражается в использовании математического аппарата структурных интерпретаций ВЗС как эквивалентных в динамическом отношении систем автоматического управления, дифференцированным по рассмотрению в системах соответствующих видов связей [83].
1.4. Направления развития технологий управлении
колебаниями
Управлением динамическим (вибрационным) состоянием в последние годы нашло применение и развивается в различных отраслях техники. Одновременно происходит процесс усложнения связей в системе защиты, что связано с измерением и обработкой информации, получают развитие и практическую реализацию нейронные сети.
АВЗС можно классифицировать по следующим признакам: по
принципу управления (но возмущению, по относительному и абсолютному отклонениям), по типу реализации управляющих воздействий (по типу «компенсаторных» устройств) и т.п.
28
Такой подход [25] может быть представлен, в частности, схемой на рис. 1.15.
Системы активной внброзащиты
Но типу управления
Неадапгинныс
ИсПпосстсвыс !—
Лла1тишыс
I.
По типу входного воздействия
По типу компенсаторных устройств
С управлением
но СИЛС
С управлением по перемещению
С управлением по
Энергетическим
критериям
С управлением по относительному перемещению Источника, нагрузки и суммарной силе
Гидравлическая
Пневматическая
-—| Электромагнитная
Мапштостоикшюнная
Механическая
Бсспоисконыс С управлением резонансного Режима возбуждения
Поисковые С автоматической стабилизацией коэффициента усиления
Рис. 1.15. Классификация систем активной внброзащиты
По характеру управления АВЗС подразделяются на неадаптивные и адаптивные [66]; и те и другие могут быть реализованы с использованием иейросетевых технологий [30], что отражает реально существующую тенденцию развития систем к усложнению дополнительных обратных связей: от простых механических элементов до системы сервоприводов с развитой схемой обработки информации о состоянии объекта защиты и его внешних контактов со средой, воспринимаемых на уровне вибрационных полей [47].
1.4.1. Активные виброзащитные системы с нейросетевым управлением
С введением сложных систем управления расширились возможности управления состоянием многомерных систем, имеющих развитую систему внешних воздействий, точек наблюдения и управления узлов настройки. Несмотря на пятидесятилетнюю историю развития теории и практики нейронных сетей, реальная разработка систем на их основе значительно активизировалась только в последние годы за счет успехов полупроводниковых технологий и появления принципиально новых физических принципов реализации элементов и узлов нейронных сетей.
Общие принципы построения нейронных сетей (НС) были заложены в начале второй половины 20 века в работах таких ученых, как: Д. Хебб, М. Минский, Ф. Розенблат. Первые нейросети состояли из одного слоя искусственных нейронов-персептронов. М. Минским был строго доказан ряд теорем, определяющих принципы функционирования нейронных сетей. Дальнейшее развитие теория нейронных сетей нашла в 70-80 годах в работах Б. Уидроу, Андерсона, Т. Кохонена, С. Гроссберга и др.
29
Этапы решения практически любой задачи в нейросетевом логическом базисе можно представить следующей последовательностью: формирование входного сигнала НС,
формирование выходного сигнала НС, формирование желаемого выходного сигнала НС, формирование сигнала ошибки и функционала оптимизации, формирование структуры нейронной сети, адекватной выбранной задаче, разработка алгоритма настройки НС, эквивалентного процессу решения задачи в нейросетевом логическом базисе, проведение исследований процесса принятия решения задачи. Всё вышеизложенное делает построение системы активной виброзащиты (САВ) с использованием нейросетевого подхода и на основе нейросетевого логического базиса одним из перспективных направлений реализации многоканальных и многосвязанных широкополосных САВ.
На рис. 1.16 представлены структурная схема простейшей колебательной системы с одной степенью свободы, которая закладывается в основу систем, в частности, активного гашения колебаний, которые представляют по характеру функций управления интерес для реализации нейросетевых технологий. Помимо пружины и демпфера использована обратная связь, состоящая из акселерометра, электропривода и схемы обработки сигнала.
В последние годы проблематика нейроуправления активно развивается. Одной из причин этого является то, что традиционные методы управления в основном опираются на теорию линейных систем, в то время как реальные объекты являются по своей природе нелинейными. В действительности, часто представляется сложным сделать работу оборудования полностью автоматической, а управление должно осуществляться людьми-операторами. Даже если будет разработана сложная система управления, структура и принципы работы которой будут недоступны для понимания оператором оборудования, надежность и безопасность такой схемы окажутся низкими, так как в процессе работы возможны непредсказуемые явления. Это может привести к нежелательным потерям, а также к авариям и .несчастным случаям. По этой причине широкое распространение в промышленной автоматизации получили пропорциональные интегрально-дифференциальные регуляторы (ГШД-контроллеры) из-за простоты их структуры и высокой надежности. В контроллерах этого типа оператор может управлять тремя параметрами, добиваясь улучшения показателей качества. Однако эти контроллеры имеют ряд недостатков. Например, при изменении рабочих точек требуется перенастройка контроллеров. На крупных предприятиях с непрерывным режимом работы при использовании таких контроллеров необходим тщательный контроль.
Обобщенная схема АВЗС, иллюстрирующая принцип активной компенсации вибрационных полей, обеспечивающих адаптационные свойства с учетом внешних воздействий, приведена на рис. 1.17.
30
р(0
т
к $ х
Корпус
'////>'77777
Рис. 1.16. Схема простой колебательной системы с одной степенью свободы
Регулятор
Рис. 1.17. Обобщенная схема, иллюстрирующая принцип активной компенсации вибрационных полей
На рис. 1.18 представлена общая классификация систем управления АВЗС, построенных на базе нейронных сетей, которые являются мощным методом имитации процессов и явлений, позволяющим воспроизводить чрезвычайно сложные зависимости.
Вместе с тем, нейронные сети, по свой природе, являются нелинейными, в то время как для построения моделей чаще всего используется линейный подход. В ряде случаев нейронные сети позволяют преодолеть "проблему размерности", обусловленное тем, что моделирование нелинейных явлений, в случае большого числа переменных, требует огромного количества вычислительных ресурсов.
Рис. 1.18. Классификация нсйросетевых СЛВ
Другая особенность нейронных сетей связана с тем, что они используют механизм обучения. Пользователь нейронной сети подбирает представительные данные, а затем реализует алгоритм обучения, который автоматически настраивает параметры сети. При этом от пользователя, конечно, требуется определенный набор эвристических знаний о том, как следует отбирать и подготавливать данные, выбирать нужную архитектуру сети и интерпретировать результаты, однако уровень знаний, необходимый для успешного применения нейронных сетей, гораздо скромнее, чем,
31
например, при использовании традиционных методов [31] в приложении к рассматриваемым проблемам.
Для примера, адаптивная система активного виброгашения на основе динамической линейной нейронной сети устанавливает значения весовых коэффициентов непосредственно во время обработки сигнала, вычисляя квадрат ошибки между выходным и желаемым сигналами. Линии задержки позволяют определить предысторию сигнала и сформировать опережающий сигнал, т.е. система прогнозирует, то, что будет дальше, максимальное время прогноза определяется количеством линий задержек и их значениями. На рис. 1.19 а,б приведена математическая модель и структурная схема такой системы, а на рис. 1.20 а, б представлены входной сигнал и результат компенсации [31].
Рис. 1.19. Модель системы (а) и ее структурная (б) схема
Рис. 1.20. Адаптивная система активного виброгашения на основе динамической линейной нейронной сети: а) входное воздействие; б) результат компенсации
По сути системы, построенные на базе линейных нейронных сетей, являются полными аналогами цифровых фильтров, построенных на линиях задержки. Основными достоинствами таких систем является быстрое обучение и адаптация, использование несложного алгоритма настройки весовых коэффициентов и работа как с детерминированными, так и со случайными сигналами. Недостаток состоит в том, что на основе этих сетей можно построить только линейные модели.
32
Известна разработка нейронной сети с прямым распространением сигнала и обратным распространением ошибки [30]. На рис. 1.21 а, б, в, г приведена модель этой системы с двумя слоями нейронов (из 8-ми нейронов с гиперболической тангенциальной функцией активаций, из нейрона с линейной функцией активации), а также входной сигнал и результат компенсации.
Рис.1.21. Адаптивная система активного виброгашения на нейронной сети с прямым распространением сигнала и обратным распространением ошибки а) модель системы; б) структура нейронной сети; в) входное воздействие; г)
результат компенсации
1.4.2. Активные системы виброизоляции с механизмами параллельной структуры
Перспективным направлением в разработке идей создания АСВ является использование, так называемых механизмов параллельной структуры [191]. Управление состоянием многомерной системы строится на основе исполнительных механизмов: электромеханических (рис. 1.22) или электрогидравлических (рис. 1.23) сервоприводов.
Рис. 1.22. Система с электромеханическим исполнительным механизмом с передаточной нарой «винт-гайка».
7 - объект виброзащиты; 2 - основание; 3,4- акселерометры на объекте и основании; 5- датчик относительного перемещения; 6 - регулятор;
7- электродвигатель; 8- усилитель мощности; 9 — ходовой винт; 10— гайка