Автореферат (Разработка моделей и алгоритмов синтеза и анализа проектных решений датчика давления летательного аппарата), страница 2

Результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах [19], включая статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ [1-4]. По результатамисследований получен патент на полезную модель [10].11. Структура и объем диссертационной работы.Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения,списка сокращений, библиографического списка (72 работы отечественных изарубежных авторов) и приложений. Общий объем диссертации – 149 страниц,включая 24 таблицы и 114 рисунков.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обосновывается актуальность темы диссертационнойработы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна ипрактическая значимость полученных лично автором результатов. Указаныположения, выносимые на защиту, сведения об апробации и основныхпубликациях.

Приведены сведения о структуре и объеме диссертации, данаобщая характеристика работы.В первой главе выполнен анализ и особенности системного подхода кпроектированию датчиков давления. Датчик давления рассматривается спозиции сложной системы, состоящей из различных подсистем с учетом ихсвязей и взаимодействий. Системный подход к проектированию подразумевает,что необходимо выполнить синтез структуры, установить связи и определитьпараметры с учетом заданных ограничений. Решаемые проектные задачиразбивают на уровни, которые отличаются степенью детализации. Такоеразбиение полностью соответствует системному подходу к проектированию.На рисунке 1 представлен датчик давления в соответствии с иерархическими7уровнями. На каждом следующем уровне подсистемы, с соответствующимисвязями рассматриваются отдельно.

Увеличивая степень детализации,изменяется перечень задач синтеза и анализа проектных решений. Для выбораальтернатив используются соответствующие показатели предпочтения. Такимобразом, для синтеза и анализа подсистем датчика давления требуетсясовместноефункционированиеСАПРразличногоназначения(CAE,CAD,CAM), а также управления данными проекта.Рисунок 1 – Обобщенная структура датчика давленияАнализ современных САПР показывает, что большинство из нихпредполагает параметрическую оптимизацию при заданной структурепроектируемого устройства. При этом не решаются задачи синтеза структуры.Таким образом, возникает проблема структурно-параметрического синтезасложной системы, оптимизации структуры и параметров подсистем.Для решения задачи структурно-параметрического синтеза всоответствии с системным подходом необходимо разработать обобщеннуюмодель датчика давления. Модель представляет собой агрегативную систему,которая разбивается на конечное число подсистем, сохраняя при этом связи,обеспечивающие их взаимодействие.

В результате сложная системапредставляется в виде иерархической структуры из объединенных подсистемразличных уровней (рисунок 1). При этом подсистемы являются частнымимакромоделями для выбора проектного решения. Процедуры синтеза и анализа8выполняются с разработанной макромоделью. Маршрут синтеза и анализапроектного решения представлен на рисунке 2.Рисунок 2 – Модифицированный маршрут синтеза и анализапроектного решения с использованием макромоделиДанный маршрут соответствует выбору проектного решения, какфункциональных модулей датчика, так и его конструкции. Полученные порезультатам моделирования характеристики и параметры являются исходнымиданными для следующего уровня проектирования.Также в данной главе для выделенного класса датчиков обоснованыосновные требования: диапазон измеряемого давления от -100 кПа до 100 МПа,нелинейность статической характеристики не более 5%, погрешностьизмерения до ± 0,05% от ВПИ, температурная погрешность до ± 0,1% от ВПИ,длительность переходного процесса не более 0,1 с.

К конструкции датчиковпредъявляют повышенные требования на стойкость к внешним механическимфакторам: к воздействию вибраций до 2000 Гц с ускорением 16g, квоздействию ударов с ускорением до 160 g, диапазон рабочих температур от 60°С до +85°С,Для обеспечения указанных требований был выполнен анализ первичныхпреобразователей давления, показаны достоинства и недостатки датчиковдавления с различными преобразователями, даны их техническиехарактеристики. Обосновано, что одним из наиболее перспективных первичных9преобразователей для выделенного классаемкостной, представленный на рисунке 3.являетсядифференциально-Рисунок 3 – Дифференциально - емкостной первичный преобразовательСтатические характеристики дифференциально-емкостного первичногопреобразователя и схемы преобразования электрических сигналов в цифровойкод обычно нелинейные, как результат - общая статическая характеристикадатчика давлениянелинейная.

При выборе структуры и физическихпараметров указанных элементов, с учетом заданных ограничений, требуемаястатическая характеристика достигается только с использованиемкорректирующего звена, что влияет на качество динамических характеристикдатчика давления. Дополнительно к конструкции датчика предъявляютсяжесткие требования на стойкость к внешним воздействующим факторам, приэтом также имеется ряд конструктивных ограничений.

Соответственнонеобходимо выполнить синтез и анализ конструкции датчика давления.В этой связи требуется решить следующие задачи:1. Разработать методику проектирования для выбранного класса датчиковдавления.2. Разработать системные, структурно – параметрические и расчетныемодели дифференциально - емкостного первичного преобразователя давления имодуля преобразования электрических сигналов в цифровой код, позволяющиеавтоматизировано рассчитывать статические и динамические характеристикидатчика давления с учетом внешних воздействующих факторов.3.

Разработать и исследовать в САПР инженерного анализа моделинесущих конструкций, электронных модулей и первичного преобразователя длявыбранного класса датчиков давления, обеспечивающих синтез и анализпроектных решений.104. Выполнить исследование точности и адекватности разработаннойметодики, а так же моделей и алгоритмов синтеза и анализа проектныхрешений, используя натурные испытания макетного образца датчика давления.Во второй главе разработаны структурно - параметрические модели дляавтоматизации синтеза и анализа параметров статических и динамическиххарактеристик для выделенного класса датчиков давления.Типовая структурная схема модели для статического режима измерениявыделенного класса датчиков давления представлена на рисунке 4. В еѐ составвходит последовательно соединенные звенья первичного преобразователя,модуля преобразования электрических сигналов в цифровой код имикроконтроллера.ПервичныйпреобразовательP(t)ΨΨ)АЦП∆C∆C)∆tМикроконтроллер∆t))PcodeP’codeP’code)y’y(t)К.З).Рисунок 4 – Структурная схема модели класса датчиков давления длястатического режима измеренияФункции преобразования анализируемых звеньев представлены в таблице1.

Здесь приняты следующие обозначения: ΔP - измеряемое давление, Ψ перемещение мембраны, R – радиус мембраны, h – толщина мембраны, E –модуль упругости материала мембраны, ∆С - разность емкостей междуэлектродами, ε0=8,85·10-12 Ф/м,εr - относительная диэлектрическаяпроницаемость, D0 - расстояние между электродами (обкладки конденсатора), a– ширина обкладок, ∆t - разность времѐн заряда и разряда емкостей, Uразр –напряжение, до которого разряжается емкость, Uзар – напряжение, до которогозаряжается емкость, Uпит – напряжение питания схемы, Rзар – резистор, черезкоторый заряжается емкость, Rразр – резистор, через который разряжаетсяемкость, Pcode - выходной код АЦП, y - выходной сигнал датчика давления,f к.з.( y ) - статическая характеристика корректирующего звена.

Полученарасчетная статическая характеристика схемы измеренияf p ( P; q , q2 ,..., q5 ) q q q (qP 3qP ) q (q5 4 3 216 21с.и.P 3q1P)(1)11и общая расчетная статическая характеристика датчика давления (СХДД)(2)y f ((q (qP 3 q P ) f к.з.( y)) .6 21Таблица 1. Зависимости преобразования измеряемого давления звеньев иих коэффициенты.Зависимостиf ( P)qCt2f( )f ( C)Коэффициенты3qPRPq11qqEh34q48 (Rзарy6(q2Pf (Pcode3q1fк.з.R3E hD0)40,170620 aU разр(ln(1ln(1U питPf ( t) qtcode5fp( P; q1 , q ,..., q )25с.и.q, q0,2793qC4(r31)U зар))U питRразрln(U разр))U зарq5 = constq6= q5·q4·q3P ),( y ))---При выборе параметров расчетной статической характеристики датчикадавления необходимо решить задачи синтеза - определить параметры q1, q2, …qn при которых еѐ отклонение от желаемой статической характеристики fж(x) наинтервале xн≤x≤xв не превышает заданного значения.

Задача анализа определить расчетную статическую характеристику y(x;q1,q2,... qn), имеющегоизвестные структурную схему и параметры, оценить еѐ отклонение от fж(x) приучѐте погрешностей параметров q1, q2,…qn и внешних воздействующихфакторов.Традиционно эти задачи решаются с помощью методов интерполяции,наименьших модулей и наименьших квадратов.