Автореферат (1025995), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Диссертация состоит из введения, 4 глав,заключения и приложения. Изложена на 200 страницах машинописного текста,включая 47 иллюстраций, 11 таблиц и библиографический список, содержащий204 наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы, сформулирована цельисследования, приведено краткое содержание работы.В первой главе выполнен обзор работ, посвященных теоретическим иэкспериментальным исследованиям направления разработки насосоввспомогательного кровообращения (НВК), на основе которого былоустановлено, что от мембранных насосов пульсирующего типа большихразмеров и ненадежных, направление разработок в данной области перешло кустройствам роторного типа постоянного кровотока, максимально точнокопирующих естественное течение крови в сосудах.

Вместе с тем, известныеконструкции НВК имеют существенные недостатки. По этой причине в разныхстранах продолжаются многочисленные исследования в области созданияновых более эффективных и надежных конструкций НВК.У более ранних моделей НВК в качестве опоры выступаютгидродинамические, рубиновые, самоустанавливающиеся подшипники,погруженные в кровь, что существенно сказывается на повреждении клетоккрови. Магнитный подвес позволяет обеспечить бóльший, по сравнению сдругими видами подшипников, зазор, что допускает вращение ротора набольших скоростях с возникновением невысоких сдвиговых напряжений, чтопозволяет снизить показатель гемолиза клеток крови.

Установлено, чтообычные опоры скольжения или качения становятся концентраторамиосаждения форменных элементов крови, что ведет к возникновению тромбоза.Отсутствие контактных пар снижает риск возникновения застойных зон впротоке, что уменьшает риск тромбообразования. При проектировании насосовдлительного применения важным фактором риска поломки становитсямеханический износ.

Магнитный подвес обладает преимуществамибесконтактной опоры: высокой износостойкостью и эксплуатационнойнадежностью ввиду отсутствия трения, что продлевает срок службы устройства.Наличие бесконтактного подвеса ротора является основным критерием НВКтретьего поколения. Второй отличительной особенностью насосов новогопоколения является обеспечение работы в режиме пульсаций. Былоустановлено, что при длительном ношении подобных устройств у пациентовобнаруживаются осложнения, связанные с атрофией клапанов сердца,нарушением коронарного кровотока, охрупчиванием сосудов и, как следствие,внутренними кровотечениями. В этой связи задача создания пульсаций навыходе из камеры насоса становится одной из приоритетных при разработкеНВК нового поколения.4Стоит подчеркнуть, что работ по исследованию динамики роторааксиального НВК на АМП сравнительно мало, а в найденных не учитываютсянелинейности, сопряженные с зазором и электромагнитными силамиподшипников.

Пульсирующих аксиальных насосов вспомогательногокровообращения на мировом рынке пока нет. Открытой остается проблемаотсутствия математических моделей нелинейной динамики ротора аксиальногонасоса вспомогательного кровообращения на магнитных опорах. АМП широкоприменяются в станкостроении, в вакуумных системах, в высокоскоростноммашиностроении. Как правило, объекты имеют малый зазор, и в большинстверабот применяют линеаризованную у положения равновесия модельмагнитного подвеса. Однако нелинейные свойства магнитных подшипниковмогут приводить к динамике ротора, движение которого полностью отличаетсяот предсказанного линейной моделью. Ключевым моментом являетсяобеспечение устойчивого контролируемого поведения ротора в пульсирующихрежимах работы НВК.

Все вышесказанное определило цель настоящей работы.Обзор подходов к управлению нелинейными многомернымимногосвязными объектами дал основание предполагать, что применение методааналитического конструирования агрегированных регуляторов (АКАР)синергетической теории управления, позволяющего вводить целевыеаттракторы в фазовое пространство динамической системы, к которымнеизбежно устремляются все фазовые траектории системы и на которыхвыполняются задачи управления, гарантированно обеспечит требуемуюдинамику ротора НВК на АМП при минимальных энергетических итрудозатратах на перенастройку.Во второй главе, исходя из особенностей проектирования аксиальногонасоса вспомогательного кровообращения и условий его функционирования,предложена и обоснована расчетная схема и математическая модельнелинейной динамики ротора на активных магнитных опорах.Уравнения движения симметричного жесткого ротора, массой m = 12, 42г, длиной l = 22 мм, вращающегося с постоянной угловой скоростью Ω в двухрадиальных АМП А и АМП В, имеют видɺɺ + (ΩG − H D )qɺ + (−TbT CTb −ΩHS )q = TbT FAMB + Fext +Ω2Q v (t ).

(1)MqгдеTq = { xo , yo , α, β}– обобщенные координаты полюса ротора;M = diag ( m , m , I x , I x ) – инерционная матрица; G – кососимметричнаяматрица с двумя ненулевыми элементами (G )34 = −(G )43 = I z ; H D , H S –матрицы циркуляционных сил, обусловленные вращением в жидкостном слое;Tb – матрица преобразований; C – матрица, учитывающая влияниеэлектродвигателянаподвес;TFext = { Fx + Ax sin ( pt ) , Fy + Ay sin ( pt ), M x + Bx sin ( pt ), M y + B y sin ( pt )}– вектор внешних воздействий инерционного характера, обусловленныйдействием разнообразных ускорений, которым подвергается пациент в5повседневнойжизнииприпрофессиональнойдеятельности;TQ v (t ) = {me cos (Ωt ), me sin (Ωt ), γ ( I x − I z )cos(Ωt ), γ ( I x − I z )sin (Ωt )}–вектор обобщенных возмущающих сил вследствие наличия дисбалансов:статического, характеризуемого эксцентриситетом e , и динамического,Tхарактеризуемого угловым параметром γ.

FAMB = { FAx , FAy , FBx , FBy } –вектор магнитных сил подшипниковi +i 2 i −i 2 i +i 2 i −i 2 00AxAx − , F =F −F =k  0 Ay  − 0 Ay   ,FAx = FAx1 −FAx2 =kA   Ay Ay1 Ay2 A  δ− y  δ + y   δ−xbA  δ +xbA  bA bA  2222i +i  i −i  i +i  i −i  00Bx Bx   −  , FBy = FBy1 −FBy2 =kB  0 B y  − 0 By   ,FBx = FBx1 −FBx2 =kB  δ−xbB  δ +xbB  δ−ybB  δ + ybB  гдеk A = kB–конструктивныйпараметр;δ–радиальныйзазор;Tqb = { xbA , ybB , xbA , ybB } – вектор обобщенных координат центров опорныхучастков ротора; i0 – ток смещения; i A x , i Ay , i B x , iBy – управляющие токи.Контуры АМП одинаковые и расположены симметрично напротив друг другана концах ротора (Рис. 1).Рис.

1. Электромагнитные цепи радиальных подшипниковМатематическая модель нелинейной динамики ротора НВК вбезразмерном виде (с чертой обозначены безразмерные величины), записаннаяв форме дифференциальных уравнений первого порядка имеет вид60A=C + ΩH SqZ =  ɺ  ,qE,ΩG + H D Zɺ = AZ + B,0 ,B = T2Fext + Tb FAMB + Ω Q v ( t )T(2)Tгде q = { x1 , y1 , α1 , β1 } , qɺ = { x2 , y2 , α 2 , β2 } – координаты состояния; 0 4 –нулевая матрица; E 4 – единичная матрица.

Выделены характерные для целогокласса аппаратов вспомогательного кровообращения безразмерные комплексыIzml 2– критерии подобия: Π1 = , Π 2 =– включают конструктивныеIxIxпараметры ротора; Π K =cwηπl 3 r 2 l m / cmАМП и электродвигателя; Π H =IxkAP– конструктивные параметры– параметры гидродинамики. Здесь l –cm Rδ3длина ротора в безразмерном виде, c w – коэффициент сопротивления среды, η– динамическая вязкость крови, r – безразмерный радиус ротора, c m –жесткость электродвигателя, P – электрическая мощность, R – сопротивление,точкой обозначено дифференцирование по безразмерному времени.Третьяглавапосвященаразработкеэффективного нелинейногоуправления методом АКАР,способногообеспечитьтребуемую динамику роторавдвухпульсирующихрежимах работы НВК: врежиме пульсаций за счетугловых колебаний ротора ив режиме пульсаций за счетизмененияскоростивращения ротора. Критерииуправления в каждом случаесформулированы в видесовокупноститехнологическихинвариантов–целейуправления.ЗадачуРис.

2. Постановка задачи управленияуправленияположениемротора НВК на АМП можно представить в следующем виде (Рис. 2).7В режиме пульсаций за счет угловыхколебаний ротора угловая обобщеннаякоордината α1 должна изменяться погармоническомузаконусзаданнойамплитудой и частотой. Допустимый уголнаклона ротора в плоскости YZ Am = 0,02рад (Рис. 3). Частота заданных угловыхколебанийроторадолжнабытьРис.

3. Наклон ротора всинхронизирована с пульсом пациента. Впроточной части насоса длясоздания пульсаций кровотока медицинской практике нормальным являетсяпульс от 50 до 90 ударов в минуту. Дляотработки режима пульсаций за счет угловых колебаний ротора принятачастота 1 Гц. В качестве эталонной модели поведения ротора принята модельосциллятора Пуанкаре – автоколебательная симметричная нелинейная системавторого порядка, имеющую предельный цикл.

В соответствии с методом АКАРсформирована модель расширенной системы, которая описывает не толькодинамику управляемого объекта, но и предполагаемый класс возмущений.Стабилизация ротора осуществляется автоматическим управлением током,поступающим в обмотки электромагнитов и, соответственно, управлениемсилами магнитного притяжения, действующими на ротор, поэтомууправляющиетокиобозначеныкакуправленияu1 = iAx , u 2 = iBx , u3 = iAy , u 4 = iBy .Наихудшими возмущениями для нелинейных систем являются кусочнопостоянные возмущения со случайным изменением величины и знака. Длякомпенсации нежелательных внешних воздействий кусочно-постоянного игармонического характера использовался принцип интегральной адаптацииметода АКАР.

В исходную систему (2) введена оценка возмущенийTz = Fext +Ω2Q v ( t ) , где z = { z1 , z2 , z3 , z4 } – координаты расширеннойподсистемы, а модели возмущений имеют вид zɺ1 = µ1Φ тех1 , zɺ2 = µ 2Φ тех2 ,zɺ3 = µ 3Φ тех3 , zɺ4 = µ 4Φ тех4 , где µ 1 ,..., µ 4 – постоянные коэффициенты, Φ тех1 ,Φ тех2 , Φ тех3 , Φ тех4 – технологические инварианты (цели управления).Основной задачей управления положением ротора аксиального НВК наАМП является отработка заданного линейного и углового положения осиротора.

Для режима пульсаций за счет угловых колебаний роторатехнологические инварианты, отражающие задачу механического движения –позиционирование в заданное положение имеют видΦтех1 = x1 − x10 = 0, Φтех2 = y1 − y10 = 0, Φтех3 = α1 −αm1 = 0, Φтех4 = β1 −β10 = 0, (3)где x10 , y10 , α m1 , β10 – желаемые значения координат состояния.

Требуется,чтобы в процессе функционирования системы обеспечивалось постоянноезначение координат x1 = x10 , y1 = y10 , α1 = α m1 , β1 = β10 . За исключением8угловой координаты α 1 , изменяющейся по закону осциллятора Пуанкаре,координаты x1 , y1 , β1 должны быть равны нулю, т. е. x10 = 0, y10 = 0, β10 = 0.Таким образом, модель синергетического синтеза имеет видxɺ1 = x2 ;(−a1 + a2 )xɺ2 =−ΠH α 2 + x1 +β1 −ΠH Ωβ1 + RAx + RBx + z1;2yɺ1 = y2 ;(a − a )yɺ 2 =−ΠH β2 + y1 + 1 2 α1 +ΠH Ωα1 + RAy + RBy + z2 ;2αɺ 1 =α 2 ;ΠΠαɺ 2 =−Π1Ωβ2 + 2 (a1 − a2 ) y1 + 2 (a12 + a22 )(1 + km ) − 2a1a2 (1− km ) α1 + ...24+a1Π2 RAy − a2Π2 RBy + z3 ;βɺ = β ;(1)2ΠΠβɺ 2 = Π1Ωα 2 + 2 (−a1 + a2 ) x1 + 2 (a12 + a22 )(1 + km ) − 2a1a2 (1− km ) β1 −...24−a1Π2 RAx + a2Π2 RBx + z4 ,zɺ = µ Φ ;(1)1 тех1zɺ2 = µ2Φтех2 ;zɺ = µ Φ ;33тех3zɺ4 = µ4Φтех4 ;αɺ m1 = ωmα m2 +(4)s1 ( s1α m1 + s2αm2 )( Am2 −α 2m1 −α 2m2 )αɺ m2 =−ωmαm1 +Am2;s2 ( s1αm1 + s2α m2 )( Am2 −α2m1 −α 2m2 )Am2,где2222 i0 +u1   i0 −u1   i0 +u2   i0 −u2  RAx =ΠK  −  , R =ΠK  − ,δ −( x1 −a1β1) δ +( x1 −a1β1)  Bxδ −( x1 +a2β1) δ +( x1 +a2β1) 2222i+ui−ui+ui−uRAy =ΠK  0 3  − 0 3   , RBy =ΠK  0 4  − 0 4   .δ−( y1 +a1α1) δ +( y1 +a1α1) δ−( y1 −a2α1) δ +( y1 −a2α1) 9Здесь a1 , a2 – расстояние от полюса ротора до центров опор АМП А и АМП В;k m – конструктивный параметр электродвигателя.TДля синтеза управления u = {u1 , u2 , u3 , u4 } , обеспечивающеговыполнение заданных инвариантов (3), в соответствии с синергетическойконцепцией была введена параллельная совокупность макропеременныхψ1 = x2 −ϕ1 ,ψ2 = y2 −ϕ 2 ,ψ3 = α 2 −ϕ3 ,ψ4 = β2 −ϕ 4 ,(5)содержащая внутренние управления ϕ1 , ϕ 2 , ϕ3 , ϕ 4 , определенные в процессепроцедуры дальнейшего синтеза.

Характеристики

Список файлов диссертации