- •Технические средства систем автоматического управления
- •Введение
- •1. Разработка и изготовление средств автоматики
- •1.1. Выбор варианта технологического процесса
- •1.2. Технологичность конструкций блоков систем автоматики
- •Состав показателей технологичности электромеханических устройств сведен в табл. 1.2.6.
- •Коэффициент точности обработки
- •Состав показателей технологичности коммутационных устройств приведен в табл. 1.2.7.
- •Коэффициент повторяемости материалов
- •1.3. Обеспечение точности и надёжности технологических процессов.
- •Допуск размера замыкающего звена
- •Тп состоит из ряда технологических операций, поэтому его надежность оценивается по выражению
- •1.4. Прогнозирование и оптимизация технологических процессов.
- •Поскольку координатами вектора является градиент
- •1.5. Технология производства интегральных схем
- •1.6. Структура технологического оборудования микроэлектроники
- •1.7. Специфика высокочастотных печатных плат
- •1.8. Сборка электронных блоков на пп.
- •1.9. Автоматизированная установка компонентов на пп.
- •1.10. Технология поверхностного монтажа
- •1.11. Электромонтажные соединения в приборостроении
- •Физико-химические основы пайки
- •1.12. Намотка
- •1.13. Пайка групповым инструментом
- •1.14. Подготовительно-заключительные операции групповой пайки
- •1.15. Внутри- и межблочный монтаж
- •1.16. Ультразвук в технологии отмывки электронных блоков
- •1.17. Технология герметизации сау
- •2. Элементы средств автоматики
- •2.1. Параметры, не обладающие свойствами аддитивности
- •2.2. Датчики, области применения, требования.
- •2.3. Емкостные и индуктивные датчики.
- •2.4. Датчики электромашинного типа
- •2.5. Датчики вакуума и силовые датчики.
- •Э. Д. С. Во вторичной обмотке описывается выражением
- •2.6. Устройства сравнения значений параметров
- •2.7. Исполнительные устройства
- •2.8. Элементарные звенья систем автоматического управления
- •3. Структура средст автоматики
- •3.1. Общие характеристики
- •3.2. Структурные схемы сау и правила их преобразования
- •3.3. Автоматическое регулирование
- •3.4. Интегрированные автоматизированные системы управления
- •3.5. Функции эвм в контуре управления тп
- •4. Сбор и обработка информации
- •4.1. Обработка результатов мониторинга
- •4.2. Моделирование возмущенного движения транспортного средства
- •4.3. Испытания электронной аппаратуры
- •4.4. Оптимизация средств контроля и управления
- •Задача адаптации сао возникает в следующих случаях.
- •4.5. Оценка состояния эргатических систем управления
- •5. Применение средств автоматики
- •5.1. В пирометрии
- •5.2. Для камуфляжа информации
- •5.3. Для экстрагирования
- •5.4. В энергетике
- •5.5. В гальванотехнологии
- •5.6. Для резервирования информации
- •5.7. В массометрии
- •5.8. В навигации
- •5.9. В спорте
- •5.10. Для защиты прав потребителей;
- •5.11. Для оценки экологического состояния водоема
- •5.12. Для оценки работоспособности сердца человека
- •5.13. Для направленной кристаллизации расплава лейкосапфира
- •5.14. Для сейсмического зондирования дна водоёмов
- •5.15. Для акустического каротажа осадочного чехла
- •5.16. В управлении судном с глубоководным оборудованием на буксире
- •5.17. В управлении судном в режиме буксировки сейсмокосы
- •5.18. Для управления ориентацией космического аппарата
- •5.19. Для эргатических систем манипулирования
- •5.20. Для коррекции электроэнергии в искажающих системах
- •Заключение
- •Библиография
5.14. Для сейсмического зондирования дна водоёмов
Поиск источников минерального сырья в Мировом океане потребовал как новых средств передвижения в реальных условиях состояния окружающей среды (атмосферы и гидросферы), так и новых способов и средств разведки и добычи сырья. Росли дедвейт и размерения судов, их скорости, но сокращалась их управляемость, рос и экипаж управления судами торгового, научного и военного флотов. Но за ростом динамичности судов способности человека-оператора уже не поспевали. Настоятельная необходимость в повышении управляемости транспортных и геологоразведочных операций привела к расширению методов и средств сбора информации. Значительно возросли информационные потоки как о состоянии внешней среды, так и о состоянии средств транспортирования грузов (научно-исследовательского оборудования).
В процессе геофизических исследований дна водоема часть геофизического оборудования (источники и приемники сейсмоколебаний, глубоководные гидроакустические, фото и телевизионные средства) буксируются научно-исследовательским судном (НИС). При этом закон управления НИС необходимо реализовать с учетом:
а) возможности его коррекции по отклонению НИС от заданной линии профиля за счет влияния окружающей среды как на само НИС, так и на буксируемую им аппаратуру;
б) помехозащищенности алгоритма управления для ограничения числа перекладок руля;
в) работоспособности в условиях квантования измерений во времени и задержки в получении информации, а также систематических ошибок измерений;
г) необходимости производить процесс управления из любого начального состояния в условиях случайных ошибок измерений и ограниченности информации об объекте управления.
НИС, как объект управления по профилю (по траектории), пренебрегая углом дрейфа b, описывается уравнением вида
y(t)=q(t)y(t)+h(t)Uз(t), |
(5.14.1) |
где y(t) − отклонение НИС от заданной траектории; Uз(t) − управляющее воздействие к курсовым поправкам относительно заданного путевого угла Dyз; q(t) и h(t) − коэффициенты управления. Коррекция движения осуществляется по результатам сравнения заданного значения отклонения yз(t) с фактическим (полученным по результатам измерений) yи(t). Следовательно, между последовательностями сравнений yз(t) и y(tи) Uз(t)=const, а с учетом подверженности y(ti) воздействию помех x(ti),
yu(ti)=yз(ti)±x(ti), |
(5.14.2) |
но так как переменные состояния наблюдаемы лишь в моменты ti сравнения, то
y(ti+1)=q(ti) y(ti)+h(ti) Uз(ti), |
(5.14.3) |
а разностное уравнение определяется в виде
y(ti+1)=a(ti)[yз(ti)–yu(ti)±x(ti)+q(ti)y(ti)]. |
(5.14.4) |
Для классов распределений, близких к нормальному, оптимальную помехозащищенность обеспечивает алгоритм
ai=gijz, |
(5.14.5) |
Y=z/(1–f), |
(5.14.6) |
jz=0 при ½Dyi½£z и |
(5.14.7) |
jz=sig n(Dy) при ½Dyi½>z, |
(5.14.8) |
где f (0£f£1) – параметр близости распределения к нормальному; i – номер измерения; ±z – ширина зоны чувствительности (z=ks, здесь k – коэффициент энтропии, а s – среднеквадратическое значение ошибок измерения). Из соображений помехоустойчивости, минимизации числа перекладок руля и гистерезиса переменной состояния, равного 2z, ширину зоны допустимо ограничить величиной энтропии помех c£2z. Теперь скорость сноса Vсн и компенсация угла сноса yкомп (см. рис. 5.14.1) могут быть определены по разности между истинным и заданным значениями скорости:
Vсн=Vист–Vз. |
(5.14.9) |
Рис. 5.14.1
За произвольное время tz движения судна в зоне 2z среднее значение
Vсн=Vz+VзY, |
(5.14.10) |
где Vz=2z/tz, а VзY – измеренное значение скорости, перпендикулярное к касательной профиля.
Величина компенсации сноса НИС Dyкомп определяется из
Dyкомп =Dyр–Dyз, |
(5.14.11) |
где результирующее воздействие, определяемое из
sin Dyp=(½VзY½+½Vсн½)¤Vз. |
(5.14.12) |
Таким образом, закон управления НИС по заданному профилю принимает вид
Uз=KDj f1(Dy)+kuy f2(Dy) (Dy)dt+Dyкомп, |
(5.14.13) |
где
f1(Dy)=Dy+sup, если 2Nz£DyKDy<ê¥ê, |
f1(Dy)=Dyn, если 2(n–1)z£DyKDy£2nz при Dy<0, |
f1(Dy)=Dyn-1, если 2(n–1)z £DyKDy£2nz при Dy>0, |
f1(Dy)=Dy–suh, если –¥£DyKDy2Nzê; |
N=(N+1)k, k=1, 2, ..., 2N; |
f2(Dy)=1, если 0£DyKDy£2z и |
f2(Dy)=0, если 2z£DyKDy<¥; |
Здесь N − число зон шириной 2z, Dysup − ограничение управляющей стратегии Dyз; Dyn, Dyn+1 − определяются по переходному процессу переменной состояния; KDy, KDy − коэффициенты регулирования стратегии управления, а kuy – масштабирующий коэффициент усиления.
Повышение точности сейсмических исследований ограничивается качеством управления НИС в условиях нестабильности Vyсн, Vzсн буксируемой аппаратуры, в частности сейсмокосы (СК), выполняющей функции решетки рецепторов сейсмических колебаний, в вертикальной и горизонтальной плоскостях, ее отклонения от линии профиля до 300÷400 м (при 48¸96 канальной СК и протяженности 3¸6 103 м) и более.
При значительных боковых течениях, даже при условии точного движения судна-носителя по профилю, следует также учесть незначительную скорость буксировки (до 6 узлов) и глубину погружения буксируемой аппаратура (12÷18 м), что значительно ухудшает управляемость НИС. Уточнение положения СК в горизонтальной плоскости позволяет оценить и устранить статические ошибки, возникающие из-за наклона отражающих границ, шумов гидродинамического обтекания и вибрации (см. рис. 5.14.2 и 5.14.3, где отмечены –точка отражения сейсмосигнала от дна, – точки si)
Рис. 5.14.2
Рис. 5.14.3
Значение требуемого отклонения y0 НИС от заданного профиля для СК с n группами рецепторов (пьезоприемников сейсмоколебаний) определяется значениями азимутальных углов j(s) (угол между направлением на север и касательной к СК в точке si) в нескольких точках СК. Отклонение от заданного профиля любой точки si СК определяется по
y(s)=Dyс+ sin [j(s)–g]ds, |
(5.14.14) |
где g − путевой угол профиля; Dyc − отклонение НИС от заданного профиля.
Зная положение n точек si СК, её отклонение определяется по формуле
yi=Dyc+Dyi, |
(5.14.15) |
где Dyi= sin [j(s)–g]ds.
Условие близости si к заданному профилю определяется по формуле:
(1/n) (2y0+Dyi)/2=0, |
(5.14.16) |
откуда требуемое отклонение НИС от заданного профиля определяется по формуле
y0=(–1/2n) Dyi, |
(5.14.17) |
тогда координату СК относительно профиля можно оценить по формуле
y(s)=ya+ sin [j(s)–g]ds, |
(5.14.18) |
а функцию j (s), определяющую зависимость азимутального угла от соответствующей j-й точки СК (линейной решетки рецепторов) по информации от датчиков азимутального угла jj в нескольких точках СК оценивается полиномом вида
j(s)= j(s)jj, |
(5.14.19) |
здесь lj(s)=(s–s0)(s–s1) ... (s–sn)/(sj–s0)(sj–s1) ... (sj–sj–1)(sj–sj+1) ... (sj–sn). Интерполяционный полином степени n проходит через (n+1)-ю точку (sj, jj). В процессе управления сейсморазведочным НИС совокупность действия внешних сил и влияние буксируемой СК значительной (до 3·103 м и более) протяженности проявляются как многомерные и нестационарные внешние возмущения, не поддающиеся измерениям и влияющие на динамику НИС.
Модель динамики сейсморазведочного НИС в общем случае удовлетворительно соответствует выражению
XDM(t)=FDM{XDM, Um(t), Pm}, |
(5.14.20) |
где XDM – вектор состояния модели; Um(t) – вектор управления моделью, PM – вектор постоянных параметров модели с учетом влияния буксируемой СК. В реальных условиях поведение НИС, как правило, отлично от его модели, а наблюдаемая мгновенная разность между векторами состояния объекта XD(t) и модели XDM(t) имеет вид
E(t)=XD(t)–XDM(t) |
(55.21) |
и описывается выражением вида
(t)=Ф{X(t), Xм(t), U(t), Uм(t), P(t), Pм(t)}+ {X(t), t}, |
(5.14.22) |
где функция Ф(·)=F{X(t), U(t), P(t)}–F{XM(t), UM(t), PM(t)} – может обладать основными свойствами объекта, т. е. нелинейностью и нестационарностью. После ряда преобразований
E(t)=AME(t)+BM(t)UE(t)+WE(t), |
(5.14.23) |
где WE(t) – функция обобщенных возмущений, а AM и BM – матрицы параметров модели.
Ошибка управления ex(t) по заданной траектории определяется разностью между заданным Xz(t) и истинным X(t) состояниями НИС
ex(t)@exM(t)+exE(t), |
(5.14.24) |
где exM(t) – отклонение модели от заданной траектории, а exE(t) – взаимное отклонение модели и объекта от заданной траектории. Тогда решение задачи управления сейсморазведочным НИС можно представить в виде
U(t)=rоб{Xz(t), ex(t), P(t), t}, |
(5.14.25) |
но U(t)=UM(t)+UE(t), где UM(t)=rM{Xz(t), exM(t), PM, t}, UE(t)}=rE {E(t), AM, BM, WE(t), t}, rM – оператор управления в контуре с эталонной моделью, а rE – оператор управления в контуре с линейной моделью отклонения объекта и эталонной модели относительно последнего.