Методы и средства измерительного преобразования скорости движения плазмы для информационно-измерительных и управляющих систем электродинамических ускорителей

В различных областях науки и техники возникает задача ускорения тел до больших (порядка нескольких километров в секунду) линейных скоростей.

В конце прошлого — начале нынешнего века круг задач, требующих высокоскоростного разгона тел, и успешно решаемых с помощью электродинамических ускорителей (ЭДУ), существенно расширился. Например, в экспериментальной физике с помощью техники высокоскоростного удара исследуются фазовые превращения вещества при сильных соударениях [1], анализируется возможность применения техники высокоскоростного разгона для решения задач управляемого термоядерного синтеза [2], моделируются на стендах высокоскоростные соударения метеоритных частиц и космического мусора с обшивкой космических аппаратов при исследовании прочностных свойств материалов. Еще одно применение ЭДУ в области космических исследований связано с запуском микрокосмических летательных аппаратов (микроКЛА) [3, 4]. В последнее время находят применение электродинамические установки обработки различных деталей высокоскоростными потоками низкотемпературной плазмы для упрочения деталей (например, работы ГНЦ РФ ТРИНИТИ, г. Троицк Московской обл. [5], МИФИ и др.). Еще одно современное применение ЭДУ связано с физическим моделированием процессов разрушения деталей проектируемого термоядерного реактора ITER для решения проблем долговечности и экологической безопасности реактора [6].

Идея использования для высокоскоростного (сотни и тысячи м/с) разгона тел ЭДУ восходит к началу прошлого века. В 1916 г. была предпринята первая попытка создать такой ускоритель на базе артиллерийского орудия, на ствол которого наносились обмотки из провода и по ним пропускался электрический ток. Тело, находящееся внутри ствола, последовательно втягивалось в катушки, получая ускорение и вылетая из ствола. В этих экспериментах тело массой 50 г удавалось разогнать до скорости только 200 м/с. Положенная в основу таких ЭДУ идея создания бегущего магнитного поля, увлекающего собой движущийся внутри соленоида сердечник-магнитопровод, стала основой такого класса электрофизических установок, как индукционные электродинамические ускорители. Другая перспективная разновидность электрофизических установок — кондукционные или плазменные (магнитоплазменные) ЭДУ. Такой ускоритель представляет собой систему, состоящую из источника электроэнергии (батареи конденсаторов, МГД — генератора, униполярного генератора, индуктивного накопителя и др.), коммутационных аппаратов и нагрузки в виде параллельных медных рельсов, обычно именуемых рельсотроном. В основу работы плазменных (рельсотронных) ЭДУ положено использование силы Лоренца, возникающей в результате взаимодействия электрического тока, протекающего по рельсам и плазменному образованию между ними, с создаваемым этим током магнитным полем. Плазма между рельсами ЭДУ возникает в результате взрыва тонкой металлической закоротки из фольги (так называемого инициатора), по которой кратковременно пропускается импульс тока от источника питания рельсотрона. Сила Лоренца заставляет образовавшееся плазменное облачко двигаться вдоль рельсов в режиме разгона с достижением скорости на участке внутренней баллистики порядка нескольких км/с. При этом в зависимости от назначения ЭДУ возможны два варианта его реализации. В первом случае из канала рельсотрона вылетает собственно плазма (например, для решения задачи упрочнения расположенных перед выходом канала рельсотрона поверхностей), а во втором — толкаемое плазмой тело (например, для имитации соударения метеоритных частиц массой несколько граммов или космического мусора с обшивкой космического аппарата). Настоящая диссертационная работа посвящена измерительному преобразованию параметров движения плазмы в системах управления именно кондукционными (рельсотронными) магнитоплаз-менными ЭДУ.

Актуальность темы

За рубежом вопросами изучения физических процессов в ЭДУ и их проектированием занимаются фирмы и университеты наиболее развитых стран (США, Великобритания, ФРГ, Япония, Австралия, Италия, Нидерланды). Среди них Los Alamos National Laboratory и Lowrence Livermore National Laboratory, Центр электромеханики и Институт передовых технологий Те1 хасского университета, Лаборатория им. Максвелла Сан-Диего, Westinghouse Electric Со. (США) — U.S. Defence Nuclear Agency (США) — Oxford University (США) — Defence Research Agency, Fort Halstead, Kent и AEA Technology Culham Laboratory Abingdon, Oxon (Великобритания), TZN Forschungsund Entwicklungszentrum.

GmbH и Мюнхенский Технический университет (ФРГ) — Tokio Institute of Technology, Kumamoto University, National Institute for Fusion Science, Institute of Space and Astronautical Science (Япония), National University (Австралия) — Universita di Perugia (Италия) — TNO PML-Pulse Phisics Laboratory (Нидерланды) и др. В США, начиная с семидесятых годов прошлого века и до настоящего времени, регулярно (как правило, раз в 2 года) проводятся международные симпозиумы и конференции, посвященные проблемам электродинамического ускорения плазмы и тел («Symposium On Electromagnetic Launch Technology (EML)», «Pulse Power Conference»), результаты которых публикуются в форме специальных выпусков или отдельных статей в авторитетных журналах, например, IEEE Transactions on Magnetics и др. Это свидетельствует о том, что за последние 25−30 лет интерес в научном мире к проблемам электродинамического ускорения плазмы и толкаемых ею тел не только не ослабевает, но и заметно усиливается.

В СССР, а затем в России, проблемами, связанными с теоретическими и экспериментальными исследованиями ЭДУ, активно занимались и продолжают заниматься такие организации, как Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН (г. Новосибирск) — Институт теоретической и прикладной механики СО РАН (г. Новосибирск) — Институт высоких температур АН СССР (г. Москва) — Шатурский филиал Института теплофизики экстремальных состояний Объединенного Института высоких температур РАН (г. Шатура Московской обл.) — Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе (г. Санкт-Петербург) — Филиал института атомной энергии им. И. В. Курчатова (ныне Государственный научный центр РФ «Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований» — ГНЦ РФ ТРИНИТИ, г. Троицк Московской обл.) — НИИ электрофизической аппаратуры им. Ефремова (ныне Институт проблем электрофизики РАН (г. Санкт-Петербург)) — Институт прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН (г. Москва), Институт прикладной механики и электродинамики Московского государственного авиационного институтаМосковский инженерно-физический институт (технический университет) — ЦНИИ машиностроения (г. Королев Московской обл.), ЛНПО «Союз» (г. Дзержинский Московской обл.) — ЦАГИ, НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете, ОКТБ «Старт» (г. Новочеркасск.

Ростовской обл.), Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) и др.

Среди активно исследуемых в различных исследовательских центрах мира проблем, связанных с техникой электродинамического ускорения, следует назвать, прежде всего, проблемы повышения энергоемкости ЭДУувеличения предельных скоростей разгона плазмы и тел (уже достигнуты высокие скорости разгона тел порядка б км/с [7], 8,5 км/с [8] и около 10 км/с [9]) — создания адекватных физических и математических моделей ПП с определением критериев его устойчивостиразработки методик расчета процессов ускоренияуменьшения потерь и других факторов, ограничивающих достижение предельных скоростей разгона (прежде всего, явления абляции, т. е. уноса вместе с плазмой частиц металла за счет эрозии рельсов под воздействием плазмы) — оптимизации коэффициента преобразования электромагнитной энергии в кинетическую (достигнутый его предельный уровень — 20−30%) — создания материалов электродов и изоляторов канала ЭДУ, обеспечивающих многократность работы ускорителя при сохранении выходных характеристик ЭДУ в повторных пусках. Исследованию этих вопросов посвящены труды отечественных и зарубежных ученых (Арцимович JI.A., Бабаков Ю. П., Башкатов Ю. JI., Велихов Е. П., Венгерский В. В., Галанин М. П., Гли-нов А.П., Глухих В. А., Додотченко В. В., Дрейзин Ю. А., Дробышевский Е. М., Железный В. В., Жуков Б. П., Иерусалимская И. В., Калихман С. А., Калюжный В. Е., Колядин Н. М., Кондратенко А. К, Кудрявцев А. В., Кузнецов В. М., Кузнецов М. М., Кучинский В. Г., Лотоцкий А. П., Леонов С. А., Минайлос А. Н., Нечаев Н. Н., Олейник Н. И., Осташев В. Е., Перков С. А., Письменный В. Д" Плеханов А. В., Полищук В. П., Полтанов А. Е., Полянский О. Ю., Рутберг Ф. Г., Сафонов В. И., Стадниченко И. А., Сурков А. С., Терентьев В. Г., Титов В. М., Шамраев И. М., Швецов Г. А., Школьников Э. Я. и др., Batten J.H., Brooks A.L., Deadrick F.D., Fowler C.M., Hawke R. S, Kemmey P. J., Marshall R.A., Parker J. K, Peterson O.R., Powel J. D, Usuba S., Weldon W.F. и др.).

В то же время, как за рубежом, так и в нашей стране, одной из важнейших проблем, находящихся в одном ряду с проблемами, перечисленными выше, до настоящего времени должного внимания не уделялось. Речь идет о проблеме обеспечения управляемого разгона плазмы и толкаемых ею тел, предполагающей возможность коррекции процесса разгона непосредственно во время эксперимента для достижения в конце участка внутренней баллистики (на выходе канала ЭДУ) заданной скорости разгона. Решение эта проблемы требует, в свою очередь, разработки соответствующих алгоритмов и технических средств управления разгоном и контроля параметров движения плазмы и тела в канале ЭДУ. В этой связи важнейшей задачей для ЭДУ становится обеспечение контроля параметров движения разгоняемой плазмы (тела). К таким параметрам относятся, прежде всего, скорость и положение тела (координата) на траектории внутренней баллистики (в канале рельсотрона ЭДУ) в процессе разгона. Тот факт, что проблема разработки методов измерительного преобразования параметров движения плазмы (тел) в ЭДУ долгое время оставалась вне зоны пристального внимания ученых и специалистов в области высокоскоростного разгона, связан с тем, что до недавнего времени для стендовых установок высокоскоростного разгона решалась задача неуправляемого разгона, при котором достаточно экспериментально фиксировать достигаемую скорость на выходе из рельсотрона без какой-либо коррекции скорости в процессе разгона. Неуправляемый разгон был особенно характерен для кон-дукционных ЭДУ первого поколения (80-е годы — начало 90-х годов прошлого века). На этом этапе развития техники высокоскоростного разгона на стадии экспериментальной отработки достаточно было иметь информацию о средних значениях скорости на базовом интервале пути между соседними датчиками положения разгоняемого тела. В основу техники контроля средней скорости был положен времяпролетный принцип измерения. Другой принцип измерения скорости — с использованием доплеровского эффекта на базе радиоинтерферометров не нашел широкого применения из-за сложностей технологического порядка (требование замены повреждаемых после каждого эксперимента одноразовых отражающих экранов, установленных на пути движения плазмы (тела) за пределами участка внутренней баллистики).

Начиная с 90-х годов XX века ряд применений ЭДУ потребовал вмешательства непосредственно в процесс разгона с целью управления скоростью в реальном времени. Эта проблема возникла в связи с тем, что одной из основных характеристик ЭДУ является стабильность скорости разгоняемой плазмы и тел (макрочастиц). Из-за влияния на процесс разгона различных случайных факторов повторяемость результатов экспериментов представляет серьезную проблему. Задача стабилизации скорости разгона тел может быть решена управлением процессом ускорения в реальном времени, на что одними из первых в работе [10] было обращено внимание отечественными учеными из Института прикладной механики и электродинамики МАИ и ЦНИИ Машиностроения Азановым И. Б., Александровым В. А., Обыденниковым С. С., Тютиным В. К., Хрусталевым М. М., Юдасом В. И. Задачи измерения параметров движения ускоряемой плазмы и тел в ЭДУ исследовались в трудах Зайцева В. Г., Михайлова А. А., Перкова С. А., Ценева С. В. Вопросам проектирования систем автоматического управления плазменным шнуром в ЭДУ посвящены работы Бутенко В. К., Ладикова-Роева Ю.П., Самойленко Ю. И. Однако данная тематика до сих пор содержит множество нерешенных задач, связанных с созданием информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) для ЭДУ и, прежде всего, измерительных преобразователей скорости (ИПС) движения плазмы как важнейших частей этих систем: отсутствие строго обоснованных методологии выбора принципа управления ЭДУ для обеспечения стабилизации скорости плазмы и анализа требований к точности ИПС как элемента системы управления ЭДУотсутствие формализованных требований к соотношению точности и быстродействия ИПСотсутствие обобщения' и систематизации известных методов и принципов построения ИПС применительно к задачам ЭДУотсутствие структурных и параметрических методов повышения помехозащищенности ИПСотсутствие результатов исследований влияния параметров системы «рельсотрон ЭДУ-датчики положения плазмы» на выходные сигналы датчиков ИПСотсутствие метрологического анализа ИПС и математических моделей системы «ЭДУ — ИПС» для проведения вычислительных экспериментов по исследованию точностных характеристик алгоритмов измерительного преобразования скорости плазмы в ЭДУотсутствие работ по измерительному преобразованию мгновенной скорости плазмы в ЭДУотсутствие методик параметрического и структурного синтеза ИПС.

Нерешенность указанных задач требует проведения дополнительных исследований в данной области, направленных, прежде всего, на повышение точности измерительного преобразования скорости движения плазмы в ЭДУ при реализации режима управляемого разгона. Сложность задачи заключается в том, что измерительная информация о параметрах движения должна поступать в канал управления в процессе разгона тела на участке внутренней баллистики, т. е. в течение первых нескольких сотен микросекунд после начала разгона.

Введение

в управляющую систему обратной связи по информационному параметру (скорости) позволило бы реализовать коррекцию закона движения плазмы (тела) на участке внутренней баллистики ЭДУ, в частности, поддерживать оптимальный (с точки зрения достижения максимума коэффициента преобразования электромагнитной энергии в кинетическую) закон движения (равноускоренное движение) плазмы и разгоняемого тела и достижение заданной скорости в конце участка внутренней баллистики на выходе канала ЭДУ.

Такая постановка задачи при реализации кондукционных ЭДУ второго поколения в общем случае требует измерения не средних, а мгновенных или, хотя бы, квазимгновенных значений скорости. В то же время в мировой практике до сих пор отсутствовали известные методы и устройства измерительного преобразования мгновенной скорости линейного перемещения тел, разгоняемых в ЭДУ. Впервые эта проблема стала исследоваться сначала в Особом конструкторско-технологическом бюро «Старт» (г. Новочеркасск, Ростовской обл.), а затем в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) совместно с ЦНИИ Машиностроения (г. Королев Московской обл.), под научным руководством и при непосредственном участии автора как ответственного исполнителя НИОКР. Накопленный перед этим опыт создания подсистем контроля параметров движения плазмы (тел) и в целом ИИУС для магнитоплазменных ЭДУ первого поколения совместно с ЛНПО «Союз», Филиалом института атомной энергии им. И. В. Курчатова, НИИ электрофизической аппаратуры им. Ефремова, Институтом высоких температур АН СССР и рядом других организаций позволил в ходе теоретических и экспериментальных исследований создать и внедрить на предприятиях различных отраслей ряд опытнопромышленных образцов измерительных преобразователей средней, квазимгновенной и мгновенной скорости (ИПС) как важнейшей составной части ИИУС ЭДУ первого и второго поколений. Кроме того, результаты научных исследований и ряд предложенных методов измерительного преобразования скорости разгона в ЭДУ были апробированы и многократно внедрены в смежной области электротехники (высоковольтной коммутационной технике), так же требующей решения задачи контроля параметров движения (контактов высоковольтных выключателей), что подтвердило универсальность предложенных подходов к измерительному преобразованию параметров движения.

Теоретическое обобщение результатов этих исследований и разработок составляют основу настоящей диссертационной работы.

В общем случае результаты измерительного преобразования параметров движения разгоняемого тела в канале ЭДУ должны выводится как по каналу регистрации (например, в виде графиков изменения скорости во времени и по координате), так и поступать в подсистему управления (САУ) ИИУС ЭДУ для формирования команд на подключение или отключение дополнительных источников энергии к рельсотрону и управления разгоном тела и стабилизации его скорости. Таким образом, ИПС является важнейшей составной частью ИИУС ЭДУ. Для управляемого разгона основной является задача измерительного преобразования скорости для формирования данных в канал управления ускорителем. ИПС в данном случае позволяет также решить также одну из типовых задач ИИС [11]- автоматический контроль достижения скоростью тела заданного значения. Предметом исследования в данной работе являются методы измерительного преобразования средней, квазимгновенной и мгновенной скорости разгона плазмы (тел) для решения задач неуправляемого и, особенно, управляемого разгона в кондукционных (магнитоплазменных) ЭДУ.

Актуальность темы

подтверждается ее поддержкой РФФИ (грант 08−08−667-а 2008 года по проекту «Разработка основ теории и методов проектирования систем автоматического контроля параметров движения плазмы в магнитоплазменных электродинамических ускорителях с управляемым разгоном»).

Основание для выполнения работы. Диссертационная работа выполнена на кафедре «Информационно-измерительная и медицинская техника» ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) — ЮРГТУ (НПИ).

Тема исследований связана с целевой комплексной научно-технической программой Министерства высшего образования РСФСР и Министерства машиностроения СССР «Качество и безопасность», утвержденной совместными приказами Минвуза РСФСР № 28/82 от 26.02.81 г. и Министерства машиностроения № 91/92 от 24.02.87 г., выполнялась в соответствии с «Перечнем Приоритетных направлений развития науки и техники и критических технологий федерального уровня» (раздел «Проблемы управления и автоматизации»), утвержденными Постановлением Правительства РФ от 17.04.95 г. № 360, с «Перечнем Критических технологий Российской Федерации», утвержденным Пре-зидентом Российской Федерации 21.05.06 г. № Пр-842 (разделы «Технологии обработки, хранения, передачи и защиты информации», «Технологии создания интеллектуальных систем навигации и управления») и по научному направлению ЮРГТУ (НПИ) «Теория и принципы построения информационно-измерительных систем и систем управления» (утверждено решением ученого совета университета от 25.01.03), а также по хоздоговорам и в сотрудничестве с рядом ведущих в данной области предприятий и организаций страны (ЛНПО «Союз», г. Дзержинский Московской обл. (НИОКР по х/д № 2683 от 17.01.83 г., х/д № 2683/1 от 07.05.84 г., х/д № 0786 от 20.11.85 г., х/д № 0788 от 30.12.87 г.) — ЦНИИ Машиностроения г. Королев Московской обл. (НИР по х/д № 0589 от 03.10.88 г., № 591 от 25.12.90 г.- НИОКР по х/д № 4540 от 10.10.91 г.- НИР по х/д № 26 от 20.06.92 г. по теме «МЕГА», НИР по х/д № 9303 от 14.10.93 г. по теме «АРКОС»), НИИ электрофизической аппаратуры им. ЕфремоваФилиалом института атомной энергии им. И. В. Курчатова, в настоящее время — ТРИНИТИ (г. Троицк) — Институтом высоких температур АН СССР, г. Москва), а также по хоздоговорам 9404 от 27.01.95 г., 9405 от 03.01.94 г., 1095 от 03.10.95 г., 9508 от 01.10.95, х/д № 9609 от 18.01.96 г., х/д № 9717/153 от 10.12.96 г., х/д № 9611 от 20.03.96 г., х/д № 1197 от 09.12.97 г., х/д № 9718 от 24.03.97 г. и др. с предприятиями смежной отрасли — электроэнергетики (ОАО «Ростовэнерго», ОАО «Кубаньэнерго», ОАО «Комиэнерго», ОАО «Сахалинэнерго», ОАО «Нижновэнерго» и др.).

Отдельные части работы выполнены в соответствии с тематикой по единым заказ-нарядам Минобразования РФ «Теоретические основы и математическое моделирование специализированных систем управления, измерения и диагностики» №−1.10.99.Ф, «Математические методы, модели и компьютерные технологии в электротехнике» №−1.6.99Ф, «Создание математических моделей сложных электромеханических систем на базе фундаментальных основ теории цепей и электромагнитного поля» №−1.7.99Ф, «Теория интеллектуальных информационно-управляющих систем и принципов построения мобильных робототехнических комплексов и мехатронных устройств» №−1.9.99Ф.

Целью диссертационной работы является создание научной базы проектирования измерительных преобразователей средней, квазимгновенной и мгновенной скорости разгона ПП как элементов ИИУС ЭДУ путем проведения комплекса теоретических исследований и разработки новых методов измерительного преобразования скорости, параметрического и структурного синтеза ИПС, что позволит повысить точность контроля скорости ПП и качество управления магнитоплазменными ЭДУ.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решались следующие основные задачи:

1. Выбор алгоритма управления ЭДУ для стабилизации скорости ПП и анализ требований к точности ИПС как элемента ИИУС ЭДУ.

2. Исследование закона движения ПП в ЭДУ методом вычислительного эксперимента и анализ требований к соотношению точности и быстродействия ИПС как элемента ИИУС.

3. Обоснование базового метода измерения скорости на основе анализа современного состояния проблемы контроля параметров движения ПП и тел в ЭДУ.

4. Разработка структурных и параметрических методов повышения помехозащищенности ИПС.

5. Исследование методом вычислительного эксперимента влияния на сигналы датчиков параметров системы «движущийся ПП — датчики положения» .

6. Метрологический анализ базового метода измерения скорости.

7. Разработка математической модели системы «ЭДУ — ИПС» и программ для вычислительных экспериментов по исследованию точности алгоритмов измерительного преобразования скорости движения 1111 в ЭДУ.

8. Разработка и исследование на ЭВМ методов измерительного преобразования квазгтгновенной и мгновенной скорости разгона ПП в ЭДУ.

9. Разработка методологии структурного и параметрического синтеза ИПС.

Методы исследования: В работе использован комплексный подход, основанный на теоретическом анализе и вычислительном эксперименте. При анализе использовались методы: теории дифференциального и интегрального исчисления, математического анализа, комбинаторного анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории статистических решений, теории электромагнитного поля, теории случайных процессов, теории нечетких множеств, теории многокритериального рангового анализа, метрологии, теории информации, теории оптимальных методов приема при флуктуационных помехах, теории параметрического и структурного синтеза систем, теории экспертных оценок. В вычислительном эксперименте использовалась, теория алгоритмов и программ, методы имитационного моделирования.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций сформулированных в диссертации, а также других полученных результатов, обусловлены:

1) применением фундаментальных законов теории электромагнитного поля (уравнения Максвелла), теории электрических и магнитных цепей (уравнения Кирхгофа, закон электромагнитной индукции), численных методов решения систем нелинейных дифференциальных уравнений, основных положений метрологии, теории управления (адаптивных алгоритмов управления), теории моделирования и вычислительного эксперимента, теории нечетких множеств (рангового анализа Саати), теории интеллектного управления и использования интеллектных компонент (нейронных сетей, эволюционных алгоритмов, anytime-алгоритмов), теории погрешностей, теории вероятностей и математической статистики, теории параметрического и структурного синтеза устройств и систем, теории вычислительного эксперимента;

2) корректным применением математического аппарата при выводе основных соотношений;

3) согласованием теоретических положений с результатами вычислительного эксперимента и физических экспериментальных исследований разработанных автором методов и технических средств в лабораторных и производственных условиях;

4) критическим обсуждением основных результатов работы с ведущими специалистами в области техники контроля параметров движения и техники высокоскоростного разгона на Всесоюзных, Всероссийских и Международных научных конференциях;

5) использованием при проведении экспериментальных исследований у заказчиков только поверенной высокоточной аппаратуры и аттестованных специальных измерительных стендов;

6) использованием в опытно-промышленных и промышленных образцах, широко внедренных в различных отраслях промышленности.

На защиту выносятся:

1. Принцип понижения динамической погрешности измерения скорости 1111 (тела) в ЭДУ с питанием от емкостного накопителя энергии, основанный на использовании режима измерения мгновенной скорости на участках квазиравномерного движения, соответствующих окрестностям точек перехода тока плазмы через нуль.

2. Комплексная математическая модель системы «магнитоплазменный ЭДУ— ИПС» для выполнения сравнительного анализа по точности алгоритмов вычисления скорости (структур ИПС), основанная на совместном использовании: модели движения 1111 в ЭДУ на базе модифицированной системы уравнений Ар-цимовичачисленной модели электромагнитного поля от тока в 1111- модели индукционного датчика положения проводника с токоммоделей различных алгоритмов вычисления скорости движения 1111.

3. Комплекс расчетных формул, обеспечивающих определение скоростных, временных параметров, положения движущегося ГШ и методических погрешностей измерения скорости с использованием различных вариантов времяпролетно-го метода.

4. Метод измерительного преобразования средней и квазимгновенной скорости, основанный на формировании промежуточных точек опроса между двумя группами датчиков положения путем попарной коммутации датчиков обеих групп и обеспечивающий повышение точности измерения на участках траектории между группами датчиков.

5. Метод координатной функции с рядом модификаций, обеспечивающих повышение его эффективности, для измерительного преобразования квазимгновенной и мгновенной скорости ПП, основанный на формировании специальной функции, зависящей только от положения 1111, и обеспечении ее инвариантности к сопутствующим параметрам и факторам.

6. Метод измерительного преобразования скорости ПП, основанный на использовании в качестве информативных параметров электрического тока в цепи 1111 и геометрического среднего сигналов датчиков положения, отличающегося зависимостью только от скорости и тока в цепи 1111 и инвариантного ко всем мешающим факторам, что позволяет повысить помехозащищенность ИПС за счет замены операции дифференцирования на операцию непрерывного измерения тока в цепи ПП.

7. Методики структурного и параметрического синтеза измерительных преобразователей средней, квазимгновенной и мгновенной скорости ПП, в том числе с применением элементов интеллектного управления.

8. Комплекс алгоритмов и программ для ЭВМ, структур и схемотехнических решений, реализующих предложенные математические модели и методы измерительного преобразования параметров движения для ИИУС ЭДУ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые предложен и теоретически обоснован простой алгоритм управления и стабилизации скорости ПП в ЭДУ с управляемым разгоном, основанный на измерении мгновенной скорости ПП и однократном расчете в процессе разгона ПП момента прекращения подвода энергии ЭДУ, который, в отличие от известного сложного алгоритма, основанного на измерении ряда параметров, в том числе средней скорости и ускорения ПП, не требует введения механизма памяти и выполнения в процессе разгона ПП многократного нтерагрюнного расчета момента прекращения подвода энергии к ЭДУ, что в результате обеспечивает упрощение и повышение надежности ИИУС ЭДУ при сохранении точности управления разгоном и стабилизации скорости ПП.

2. На основе выявленных и изученных особенностей закона движения ПП в рельсотроне ЭДУ сформулированы требования к соотношению точности и быстродействия ИПС, для обеспечения которого впервые предложено использование режима прерывистого измерения мгновенной скорости на участках квазиравномерного движения ПП, что позволило снизить до пренебрежимо малых значений динамическую погрешность измерения скорости и повысить точность ИИУС ЭДУ.

3. Впервые исследовано влияние параметров системы «движущийся ПП-датчики положения» на выходной сигнал ИД, что позволило разработать рекомендации по обоснованному выбору конструктивных параметров ИД и РРК на их основе для обеспечения требуемых точностных характеристик ИПС при реализации времяпролетного метода измерения скорости.

4. Впервые выполнен метрологический анализ основных погрешностей времяпролетного метода измерения скорости ПП в ЭДУ, в результате чего получены предельные оценки составляющих инструментальной погрешности измерения средней и мгновенной скоростис использованием информационного подхода установлена аналитическая зависимость между погрешностью интерполяции и числом датчиков положения в РРК, что позволяет при проектировании ИПС ИИУС ЭДУ определять количество точек опроса, обеспечивающее пренебрежимо малую погрешность интерполяции. На основе полученных аналитических зависимостей, связывающих динамическую погрешность с рабочим диапазоном скоростей и конструктивными параметрами РРК выработаны методические рекомендации по снижению динамической погрешности выбором соотношений параметров РРК и впервые установлено, что для минимизации динамической погрешности РЕВИ необходимо обеспечить нормализацию формы сигнала на выходе датчиков положения, приближая её- к форме гауссова сигнала, для чего предложено включать интеграторы на выходе ИД или использовать вместо последних датчики Холла.

5. Предложен, запатентован и исследован новый базовый метод измерительного преобразования скорости движения 1111 — «метод координатной функции», основанный на одновременном использовании выходных сигналов двух датчиков положения, между которыми движется 1Ш с последующим вычислением различных вариантов их функции отношения, что обеспечивает инвариантность КФ ко всем параметрам, кроме положения ПП, и на его основе разработан ряд запатентованных методов измерительного преобразования скорости движения 1JL11 (с использованием программируемой попарной коммутации датчиков положениясочетания нулевого, дифференциального и логометрического методов измерениягеометрического среднего сигналов датчиков положения), позволяющих существенно повысить точность ИПС ИИУС за счет перехода от измерения средней к измерению мгновенной (квазимгновенной) скорости разгона 1111.

6. Разработана новая методология структурного синтеза оптимальных ИПС, которая в отличие от известных подходов, основанных на синтезе структур по одному из критериев (минимума ошибки обнаружения объекта датчиками или минимума потери информации о параметрах сигнала датчиков в условиях помех), обеспечивает одновременное достижение указанных минимумов путем введения в состав включенного на выходе датчиков фильтра, оптимального по критерию минимума ошибки обнаружения сигнала, дополнительного корректирующего звена, обеспечивающего минимум потери информации о параметрах сигнала датчиков. При этом впервые решена задача структурного синтеза оптимального фильтра как составной части ИПС по предложенному критерию «двойного, минимума» и выведены соотношения, доказывающие эффективность объединения нескольких датчиков положения в каждом канале регистрации РРК для уменьшения вероятности ошибки обнаружения сигналов датчиков в условиях помех.

7. Впервые предложена комплексная математическая модель системы «ЭДУ — ИПС» с использованием модифицированной системы уравнений движения плазмы Арцимовича, модели электромагнитного поля движущегося проводника с током, модели ИД с интегратором на выходе, набора моделей алгоритмов определения скорости движения ПП, позволяющая проводить вычислительные эксперименты по исследованию точности различных алгоритмов измерительного преобразования скорости движения ПП в ЭДУ, что позволило выбрать оптимальный вариант структуры нейросетевой реализации ИПС, обеспечивающий минимальную методическую погрешность измерительного преобразования мгновенной скорости ПП.

8. Впервые предложен алгоритм параметрического синтеза РРК (РИК), обеспечивающий минимизацию суммарной погрешности измерения скорости, основанный на сочетании off-line-планирования для расчета и формирования первого интервала пути и оп-Нпе-планирования для расчета и формирования каждого последующего интервала пути между парами датчиков в РРК или точками опроса в РИК, что позволяет формировать оптимальный переменный шаг опроса в РИК с учетом результатов измерения времени прохождения ПП предыдущего интервала.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

1. Разработаны теоретические основы проектирования оптимальных измерительных преобразователей средней, квазимгновенной и мгновенной скорости для ИИУС ЭДУ, в том числе:

• получен комплекс расчетных формул для оценки метрологических параметров двух вариантов реализации времяпролетного метода измерения средней и квазимгновенной скорости при равноускоренном движении (при заданной базе или заданном временном интервале) и разработана инженерная методика выбора варианта времяпролетного метода, основанная на параметрическом синтезе элементов ИПС по критерию минимума методической погрешности;

• разработана инженерная методика графо-аналитического расчета минимально допустимого числа датчиков в РРК (точек опроса в РИК) при измерении, соответственно, средней и квазимгновенной скорости по заданной погрешности интерполяции;

• разработана номограмма в виде семейства графических зависимостей, связывающих динамическую погрешность ИВИ ИПС с рабочим диапазоном скоростей ИПС и конструктивными параметрами РРК;

• разработана инженерная методика параметрического синтеза РРК ИПС, позволяющая, задаваясь допустимой вероятностью ошибки обнаружения и порогом чувствительности регистратора сигналов с датчиков, определять оптимальные конструктивные параметры РРК (число датчиков и значения интервалов между ними);

• разработана инженерная методика структурного синтеза РРК ИПС по критерию минимальной вероятности ошибки обнаружения сигналов датчиков, основанная на интерактивной процедуре поочередного перехода от одного к другому варианту объединения датчиков, обеспечивающей выбор оптимальной структуры РРК.

2. На основании предложенной комплексной математической модели системы «ЭДУ-ИПС» разработан и зарегистрирован в Отраслевом фонде алгоритмов и программ программный комплекс MMVS для проведения исследования законов движения ПП в ЭДУ и различных алгоритмов измерительного преобразования средней, квазимгновенной и мгновенной скорости с оценкой их метрологических характеристик методом вычислительного эксперимента, что позволяет на стадии проектирования ИИУС ЭДУ обойтись без дорогостоящих натурных экспериментов на уникальных ЭДУ.

3. Разработана и зарегистрирована в Отраслевом фонде алгоритмов и программ компьютерная программа FuzzyRA V, позволяющая в интерактивном режиме решать задачи рангового анализа вариантов (методов) измерительного преобразования средней, квазимгновенной и мгновенной скорости без ограничений на количество критериев и сравниваемых вариантов.

4. Проведена апробация в смежной области электротехники разработанного метода координатной функции для контроля параметров движения контактов высоковольтных коммутационных аппаратов (в том числе мгновенной скорости), подтвердившая его эффективность, универсальность и перспективность при измерениях в широком диапазоне скоростей.

5. Разработаны структурные и функциональные схемы ряда ИПС, реализующие предложенные в работе методы измерительного преобразования средней, квазимгновенной и мгновенной скорости 1111 в ЭДУ.

6. На основе выполненных исследований:

• разработано и внедрено для предприятий различных отраслей (ЛНПО «Союз», г. Дзержинский Московской обл.- ЦНИИМаш, г. Королев Московской обл.) 7 типов и модификаций ИПС и ИИУС магнитоплазменных ЭДУ (ПР-ИД, ПР-РИ, ПС-РБХ-1, ПС-РБХ-2, ИИУС «ПРОЛОГ», ИИУС «Молния», ИИУС «Ис-1фа»), часть из которых включены в Отраслевой каталог продукцииразработано и внедрено в смежной области электротехники для ряда энергетических предприятий Литвы и РФ (ОАО «Ростовэнерго», ОАО «Кубаньэнерго», ОАО «Нижновэнерго», ОАО «Комиэнерго» и др.) 18 комплектов регистраторов параметров движения контактов высоковольтных выключателей («МАРС-1»), использующих предложенный в работе «метод координатной функции» для измерения мгновенной скорости;

• материалы диссертационной работы используются в учебном процессе ЮРГТУ (НПИ) в виде разделов курсов лекций «Измерительные информационные системы», при выполнении дипломных проектов по направлению 200 100 «Приборостроение».

Новизна и практическая ценность результатов диссертационных исследований подтверждена полученными авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ, программами ЭВМ, зарегистрированными в отраслевых фондах алгоритмов и программ (всего 25 охранных документов).

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на:

1. 1 -й межотраслевой научно-технической конференции по электро-динамическим ускорителям (г. Дзержинский Московской обл., май 1988 г.).

2. Зональном научно-техническом семинаре «Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления» (г. Пенза, январь 1991 г.).

3. Всесоюзной научной конференции «Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления» (г. Пенза, январь 1992 г.).

4. 1-й Всероссийской научно-технической конференции Российской метрологической академии «Состояние и проблемы технических измерений» (г. Москва, МГТУ им. Баумана, ноябрь 1994 г.).

5. XIV, XV, XVI сессиях семинара «Кибернетика электрических систем» РАН по тематике «Диагностика электрооборудования» (г. Новочеркасск, сентябрь 1992 г., сентябрь 1994 г., сентябрь 1996 г.).

6. IV Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» (Нижний Новгород, июнь 1999 г.).

7. Международной научно-технической конференции «Контроль, измерения, информатизация» (г. Барнаул, октябрь 2000 г.).

8. Международной научно — практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск, октябрь 2000 г.).

9. Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» — ММТТ-2000 (г. Санкт-Петербург), ММТТ-2002 (г. Тамбов), ММТТ-17 (г. Кострома, 2004 г.).

10. Международной научно — практической конференции «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими» (г. Новочеркасск, июль 2001 г.).

11. П-й Международной научно — практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск, сентябрь 2001 г.).

12. 4-й Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» (г. Ростов-на-Дону, октябрь 2001 г.).

13. Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы — IEEE AIS'03>> (п. Дивноморское, июль 2003 г.).

14. Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные САПР — CAD-2003, CAD-2004» (п. Дивноморское, июль 2003 г., 2004 г.).

15. Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы — IEEE AIS'04» (п. Дивноморское, июль 2004 г.).

16. Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НИИ) (г. Новочеркасск, май 2006 г., апрель 2007 г., апрель 2008 г.).

Личный вклад автора. Автору принадлежат постановка задач исследования, способы их решения, основные научные результаты, выводы и рекомендации. Им сформулированы идеи защищаемых методов и устройств измерительного преобразования скорости. Под руководством и непосредственном участии автора разработаны запатентованные аппаратные и зарегистрированные программные средства, реализующие полученные научные результаты. Выполненные в соавторстве работы подчинены общей постановке научной проблемы и предложенной автором концепции ее решения.

Публикации по теме диссертации. По результатам исследований опубликовано 93 печатных работы, в том числе 1 монография и 67 научных публикаций (из них 31 статья в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов докторских диссертаций), получено 23 авторских свидетельства СССР и патента РФ, 2 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ в Отраслевых фондах алгоритмов и программ.

Структура и краткое содержание диссертации по главам.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Она содержит 351 стр. основного текста, 100 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 235 наименований и 22 приложения.

Основные результаты диссертационного исследования:

1. Обосновано требование к точности ИПС как элементу ИИУС ЭДУ с управляемым разгоном (допустимая погрешность ИПС ±2,8%) при заданной погрешности управления ± 3,0% для реализации простого алгоритма управления ЭДУ с однократным расчетом момента подачи команды на прекращение подвода энергии к ЭДУ путем шунтирования его рельсового канала. Предложенный и обоснованный режим «прерывистого» измерения мгновенной скорости только на участках квазирав-номерного движения при питании ЭДУ от емкостного источника энергии в отличие от традиционного измерения скорости на всей траектории движения ПП позволяет снизить динамическую погрешность измерения скорости до пренебрежимо малых значений (±0,25%) при требовании к быстродействию ИПС — не более 3,0 мкс.

2. Исследование методом вычислительного эксперимента с использованием объемной численной модели ПП с током влияния на ЭДС ИД конструктивных параметров системы «движущийся 1111-датчики положения» впервые позволило строго обосновать выбор границ диапазона базового расстояния между соседними ИД в РРК для ИИУС ЭДУ при использовании времяпролетного метода измерения скорости.

3. Проведенное исследование составляющих инструментальной погрешности измерения скорости ПП в ЭДУ с использованием компьютерного моделирования позволило получить ее предельные оценки при измерении средней (±5,2%) и мгновенной (±1,7%) скорости. Полученные выражения для методической погрешности измерения скорости плазмы в ЭДУ времяпролетным методом позволили теоретически обосновать выбор равноускоренного движения в качестве расчетного режима, обеспечивающего минимальную методическую погрешность измерения скорости, и доказать, что при контроле скорости времяпролетным методом в ЭДУ с управляемым разгоном предпочтительным с точки зрения минимизации методической погрешности является вариант с заданным интервалом пути, а в ЭДУ с неуправляемым разгоном — вариант с заданным интервалом времени.

4. Разработанная и реализованная в виде набора программ комплексная математическая модель системы «ЭДУ-ИПС», основанная на совместном взаимосвязанном использовании модели движения ПП, модели электромагнитного поля от тока в ПП, модели ИД, модели алгоритма вычисления скорости, впервые позволила проводить сравнительный анализ по точности вариантов структуры ИПС методом вычислительного эксперимента на стадии проектирования ИПС ИИУС без многочисленных дорогостоящих натурных экспериментов на ЭДУ, в частности, при объединении комплексной модели с программой — нейроимитатором позволила провести выбор варианта структуры нейросетевого ИПС с подачей на вход нейросети значений логарифмо-логометрической КФ и ее производной по времени с получением на выходе значений скорости и доказать, что применение ИПС в качестве аппроксиматора повышает точность ИПС в несколько раз по сравнению с традиционной аппроксимацией КФ эмпирическими выражениями, причем, при увеличении числа слоев ИНС до 2,5 с 10 нейронами в каждом слое максимальная методическая погрешность ИПС может быть снижена до ±1,2%.

5. Полученный комплекс расчетных формул позволяет оценивать скоростные, временные параметры и положение (координату) движущегося ПП, а также методические погрешности измерения скорости при использовании двух вариантов времяпролетного метода: А х-const и A/-const в режиме равноускоренного движения, выбранного в качестве рабочего режима, обеспечивающего минимальную методическую погрешность измерения скорости ПП.

6. Разработанный метод измерительного преобразования скорости, основанный на формировании промежуточных точек опроса путем программируемой попарной коммутации датчиков, в отличие от традиционного времяпролетного метода обеспечивает возможность перехода от измерения средней скорости на интервале между двумя датчиками к измерению квазимгновенной скорости ПП при том же числе датчиков положения в РРК ИПС, что позволяет повысить точность измерения скорости и как следствие точность управления разгоном и стабилизации скорости ПП (тела).

7. Предложенные разновидности «метода координатной функции» для измерительного преобразования скорости, основанного на сочетании принципа «двух наблюдателей» и логометрического метода измерения, а также нулевого метода измерения с использованием КФ дифференциально-суммарно-логомст-рического типа и аппроксимацией сигнала датчика положения экспоненциальной функцией, в отличие от известных методов измерительного преобразования обеспечивают измерение квазимгновенной и истинно мгновенной скорости ПП в ЭДУ и, соответственно, повышенную точность измерения скорости ПП (тела) и управления ЭДУ.

8. Разработанный метод измерительного преобразования скорости ПП с использованием в качестве информативного параметра геометрического среднего сигналов датчиков положения, основанный на выявленной инвариантности этого параметра ко всем мешающим факторам и зависимости его только от скорости движения ПП и тока в ПП, в отличие от других методов измерительного преобразования мгновенной скорости позволяет повысить помехозащищенность ИПС за счет замены операции дифференцирования на операцию непрерывного измерения тока в ПП.

9. Разработанные методики параметрического и структурного синтеза ИПС, в том числе основанные на предложенном критерии «двойного минимума» при структурном синтезе и различных методах ИИ при параметрическом и структурном синтезе, в отличие от известных подходов позволили обоснованно определять оптимальные конструктивные параметры РРК (РИК) и структуру ИПС с обеспечением повышенной точности (за счет минимизации составляющих погрешности измерительного преобразования и компенсации различных составляющих погрешности), помехозащищенности (за счет минимизации потерь информации о параметрах сигналов датчиков положения и ошибки обнаружения сигнала оптимального фильтра на выходе датчиков ИПС), а также проводить с использованием аппарата нечетких множеств многокритериальный ранговый анализ и выбор оптимальных методов измерительного преобразования без привлечения сложного аппарата теории векторного синтеза технических систем.

10. На основе предложенных в диссертации новых методов и средств измерительного преобразования параметров движения ПП и тел в ЭДУ, обладающими элементами мировой новизны (23 авторских свидетельства СССР и патента РФ на изобретения) и методологии проектирования ИПС, отраженной в 67 публикациях и 2-х зарегистрированных программах ЭВМ, разработан ряд ИПС для ИИУС ЭДУ с относительной приведенной погрешностью измерения квазимгновеиной скорости ±2,5%, а мгновенной скорости ± 2,0% (на базе 2,5-слойной ИНС). Их использование при реализации простого алгоритма управления ЭДУ (с определением мгновенной скорости, без расчета ускорения и однократным расчетом момента подачи команды на шунтирование РК в режиме on-line и без коррекции его расчетного значения) обеспечивает погрешность управления разгоном ПП±-3,0%, а при реализации сложного алгоритма управления ЭДУ (с памятью, определением мгновенной скорости и ускорения ПП и несколькими коррекциями в режиме on-line расчетного значения момента подачи команды на шунтирование РК) +(1,0−3,0) %.

Особенностью диссертационного исследования, связанной с трудностями осуществления дорогостоящих физических экспериментов из-за специфики сложного и уникального объекта (магнитоплазменного ЭДУ), является активное использование вычислительного эксперимента. Это позволило в условияхограниченности исходных данных по мере перехода от одних аспектов исследования к другим накапливать и использовать данные по результатам вычислительного эксперимента. Именно поэтому экспериментальные исследования не сосредоточены традиционно на последнем этапе, а распределены по отдельным разделам диссертационной работы (глава 1, глава 2, глава 4, глава 5), что обусловлено логикой изложения. В то же время положительные результаты физических экспериментов по оценке работоспособности готовых схемотехнических решений на основе результатов выполненных исследований подтверждены производственными испытаниями в условиях заказчиков, удостоверенными многочисленными актами внедрения, приведенными в Приложении Щ.

По результатам выполненных исследований разработаны структурные, функциональные и принципиальные схемы ряда ИПС, реализующих предложенные в работе методы измерительного преобразованияскорости плазмы в ЭДУ, изготовлены и внедрены на предприятиях страны 7 типов и модификаций ИПС, устройств и подсистем управления для ИИУС ЭДУ, в том числе:

— измерительный преобразователь средней скорости «ПР-ИД», основанный на предложенных модификациях времяпролетного метода измерения скорости, и предназначенный для использования в составе ИИУС магнитоплаз-менного ЭДУ;

— измерительный преобразователь квазимгновенной скорости «ПР-РИ», основанный на доплеровском эффекте с использованием предложенного способа повышения помехозащищенности (использование цифрового представления девиации частот), и предназначенный для применения в составе ИИУС магни-топлазменного ЭДУ;

— модификация блочно-модульного измерительного преобразователя средней скорости «ПС-РБХ», основанного на использовании распределенного регистрирующего контура для применения в составе ИИУС магнитоплазменно-го ЭДУ;

— модификация блочно-модульного измерительного преобразователя квазимгновенной скорости «ПС-РБХ», основанного на использовании распределенного измерительного контура с применением предложенного метода координатной функции (КФ DSL — типа) для применения в составе ИИУС магнито-плазменного ЭДУ;

— ИИУС магнитоплазменного ЭДУ типа «Молния» с использованием в качестве источника информации о скорости разгона плазмы в ЭДУ измерительного преобразователя средней скорости «ПР-ИД»;

— ИИУС магнитоплазменного ЭДУ типа- «Искра» с использованием в качестве источника информации о скорости разгона плазмы в ЭДУ доплеровского измерительного преобразователя квазимгновенной скорости «ПР-РИ»;

— ИИУС магнитоплазменного ЭДУ «ПРОЛОГ-1», использующая в качестве источника информации о текущей скорости разгона плазмы в ЭДУ модификацию измерительного преобразователя квазимгновенной скорости- «ПС-РБХ».

Подтверждена универсальность и возможность распространения предложенного в работе базового метода измерительного преобразования скорости МКФ при проведении измерений в широком диапазоне скоростей (от единиц м/с до единиц км/с) на смежные отрасли электротехники в результате разработки, изготовления и ряда внедрений (18 комплектов) на отечественных предприятиях РАО ЕС и за рубежом (Литва) измерительного преобразователя и регистратора мгновенной скорости контактов высоковольтных коммутационных аппаратов типа «МАРС-1».

Внешний вид основных из перечисленных средств измерительного преобразования скорости движения ПП и тел для ИИУС магнитоплазменных ЭДУ, а также регистратора скорости для объектов в смежной отрасли электротехники, разработанных и изготовленных под руководством и при непосредственном участии автора, показан на фотографиях, приведенных ниже.

Реализация, внедрение и опыт практической эксплуатации разработанных измерительных преобразователей параметров движения плазмы и тел в магнитоплазменных электродинамических ускорителях, в том числе с управляемым разгоном, подтвердили правильность основных результатов исследований, эффективность и универсальность разработанных методов измерительного преобразования параметров движения плазмы в ЭДУ, методологии структурного и параметрического синтеза ИПС.

Совокупность вынесенных на защиту положений и полученных в диссертационной работе результатов позволяет классифицировать их как научно обоснованные технические решения, вносящие значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области информационно-измерительных и управляющих систем для высокоскоростного разгона плазмы и тел с использованием магнитоплазменных ЭДУ, состоящие: в разработке новых методов измерительного преобразования квазимгновенной и мгновенной скорости разгона ПП для ИИУС магнитоплазменных ЭДУ, обеспечивающих повышение точности контроля и регистрации скорости и как следствие высокой точности управления разгоном и стабилизации скорости ПП при использовании простых алгоритмов управления.

Измерительный преобразователь скорости ПП типа «ПР-ИД» для ИИУС магнито-плазменного ЭДУ.

Измерительный преобразователь скорости ПП типа «ПР-РИ» для ИИУС магнито-плазменного ЭДУ.

Измерительный преобразователь скорости ПП типа «ПС-РБХ» для ИИУС магнктотазменного ЭДУ.

Регистратор скоростных характеристик типа «МАРС-1» для контроля параметров движения контактов высоковольтных коммутационных аппаратов.

Подсистема управления типа «ПС-ПЛУ» ИИУС «ПРОЛОГ-1» магиитоплазменного ЭДУ.

Блок высоковольтных формирователей импульсов управления типа «БВВП» для подсистемы управления ИИУС магиитоплазменного ЭДУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПО ОСНОВНЫМ РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ.

Проблема стабилизации скорости плазмы и разгоняемых тел в магнито-плазменных ЭДУ может быть решена управлением процессом разгона в реальном времени. Возможны два пути стабилизации скорости: первый из них связан с поиском новых методов и стратегий управления в условиях неточной информации о параметрах движения (координате, скорости и ускорении тела). В качестве такой информации используют средние на интервале пути между соседними датчиками положения значения скорости. Однако управление разгоном в реальном времени является сложной проблемой из-за быстроты процесса разгона, недостаточного знания сложных и нестационарных физических процессов, низкой точности математических моделей ускорителей, сложности реализации управляющих воздействий. В результате первый путь стабилизации скорости является очень трудоемким и связан с необходимостью проектирования сложных систем управления. Второй путь стабилизации скорости предполагает поиск новых методов измерительного преобразования квазимгновенной и мгновенной скорости разгоняемого тела. Повышение точности измерения за счет перехода от контроля средней скорости к контролю мгновенной скорости позволяет снизить требования к сложности и точности систем управления за счет использования более простых методов и стратегии управления. Такой подход является принципиально новым и, как показали результаты исследований, описанных в настоящей работе, весьма перспективным.

Следует заметить, что особое внимание, уделяемое в данной работе измерительному преобразованию квазимгновенной и мгновенной скорости с использованием РИК и предложенного «метода координатной функции» не означают, что задача измерения средней скорости разгона в канале ЭДУ с использованием РРК потеряла свою актуальность. В некоторых из многочисленных применений техники высокоскоростного разгона с использованием ЭДУ, где, например, не требуется решать баллистические задачи и можно ограничиться неуправляемым разгоном тел (первое поколение ЭДУ с неуправляемым разгоном), точность, обеспечиваемая при измерении средней скорости, может оказаться вполне достаточной. Если к тому же допустимо значительное увеличение количества датчиков положения в РРК (например, до нескольких десятков на протяжении длины рельсотрона), то, как показано в настоящей работе, относительная методическая погрешность, зависимость которой от координаты имеет падающий характер, на последних интервалах измерения может быть уменьшена весьма ощутимо. В других же применениях, связанных с необходимостью точного обеспечения заданных скоростных характеристик разгоняемых тел, например, в баллистической задаче электродинамического запуска микрокосмических летательных аппаратов и др., необходимо использование техники управляемого разгона (второе поколение ЭДУ). В таких случаях предпочтительно измерение мгновенной или квазимгновенной скорости.

В табл. 9 приведены сводные данные о точности разработанных в диссертационной работе измерительных преобразователей квазимгновенной, мгновенной скорости ПП и достигаемой при этом точности управления и стаt билизации скорости в зависимости от используемого алгоритма управления разгоном ПП в ЭДУ.