Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ...

скачать книгу Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение

монтировать на одной поверхности, а электромеханический преобразователь — на противоположной. Однако датчики и преобразователи можно размещать и в различных местах. Еще одна возможность состоит в использовании одного элемента и в качестве датчика, и в качестве привода. Такие элементы называют самосчитывающими пьезопре-образователями [3].
...
Выше отмечалось, что конструкция может иметь сложное динамическое поведение, и для активного воздействия на нее необходим набор датчиков и электромеханических преобразователей. Датчики измеряют деформацию структуры, а электромеханические преобразователи создают силы, подавляющие колебания. Если силы являются следствием произведенных датчиками измерений, то мы имеем систему управления с обратной связью. Эти силы влияют на поведение системы, изменяя показания датчиков. Про такие системы говорят, что они имеют замкнутый контур управления или просто замкнутый контур. В отсутствие обратной связи их называют системами управления с открытым контуром.
...
Простейшей иллюстрацией системы управления может служить автомобиль, движущийся по прямой улице. Датчиками являются глаза водителя, которые следят за дорогой, а силовым приводом - руки. В открытом контуре управления руль должен быть установлен так, чтобы колеса автомобиля были строго параллельны улице. Если в начальный момент времени автомобиль двигался вдоль улицы, то и дальше он будет двигаться вдоль нее. Однако маловероятно, что начальное положение автомобиля было строго параллельно улице. Кроме того, улица может иметь боковой наклон, возможен боковой ветер, а улицы практически никогда не являются прямыми. По этим причинам без замкнутого контура управления автомобиль довольно быстро столкнется с фонарным столбом. Управление в данном случае осуществляет водитель. Он следит за положением автомобиля и поворачивает руль, чтобы автомобиль оставался на дороге. Такая система управления с обратной связью обеспечивает успешное движение автомобиля по дороге, несмотря на наличие поворотов и внешние воздействия.
...
Как сильно нужно повернуть руль, если датчик выдает некоторый сигнал, указывающий на отклонение от правильного направления? Отношение величины управляющей силы к величине сигнала датчика называют коэффициентом усиления системы управления. Если руль поворачивают несильно (небольшой коэффициент усиления), для коррекции ошибки потребуется большое время. С другой стороны, если его повернуть излишне сильно (большой коэффициент усиления), реакция системы будет очень резкой, и угол отклонения колес от нулевого положения изменит знак. В результате движение автомобиля станет колебательным.
...
монтировать на одной поверхности, а электромеханический преобразователь — на противоположной. Однако датчики и преобразователи можно размещать и в различных местах. Еще одна возможность состоит в использовании одного элемента и в качестве датчика, и в качестве привода. Такие элементы называют самосчитывающими пьезопре-образователями [3].
...
Выше отмечалось, что конструкция может иметь сложное динамическое поведение, и для активного воздействия на нее необходим набор датчиков и электромеханических преобразователей. Датчики измеряют деформацию структуры, а электромеханические преобразователи создают силы, подавляющие колебания. Если силы являются следствием произведенных датчиками измерений, то мы имеем систему управления с обратной связью. Эти силы влияют на поведение системы, изменяя показания датчиков. Про такие системы говорят, что они имеют замкнутый контур управления или просто замкнутый контур. В отсутствие обратной связи их называют системами управления с открытым контуром.
...
Простейшей иллюстрацией системы управления может служить автомобиль, движущийся по прямой улице. Датчиками являются глаза водителя, которые следят за дорогой, а силовым приводом - руки. В открытом контуре управления руль должен быть установлен так, чтобы колеса автомобиля были строго параллельны улице. Если в начальный момент времени автомобиль двигался вдоль улицы, то и дальше он будет двигаться вдоль нее. Однако маловероятно, что начальное положение автомобиля было строго параллельно улице. Кроме того, улица может иметь боковой наклон, возможен боковой ветер, а улицы практически никогда не являются прямыми. По этим причинам без замкнутого контура управления автомобиль довольно быстро столкнется с фонарным столбом. Управление в данном случае осуществляет водитель. Он следит за положением автомобиля и поворачивает руль, чтобы автомобиль оставался на дороге. Такая система управления с обратной связью обеспечивает успешное движение автомобиля по дороге, несмотря на наличие поворотов и внешние воздействия.
...
Как сильно нужно повернуть руль, если датчик выдает некоторый сигнал, указывающий на отклонение от правильного направления? Отношение величины управляющей силы к величине сигнала датчика называют коэффициентом усиления системы управления. Если руль поворачивают несильно (небольшой коэффициент усиления), для коррекции ошибки потребуется большое время. С другой стороны, если его повернуть излишне сильно (большой коэффициент усиления), реакция системы будет очень резкой, и угол отклонения колес от нулевого положения изменит знак. В результате движение автомобиля станет колебательным.
...
Рисунок 3.9 демонстрирует реакцию автомобиля на внезапное ступенчатое изменение его направления в этом случае. Поведение является колебательным вследствие очень резкой реакции системы на изменение внешних параметров. Характеристикой скорости реакции системы является время релаксации, за которое при ступенчатом изменении координаты отклонение снижается в заданное количество раз (обычно до 2 или 5% от исходной величины). Если продолжать увеличивать коэффициент усиления, то в некоторый момент амплитуда колебаний начнет расти. Такое поведение системы, называемое неустойчивым, иллюстрируется рис. 3.10. Неустойчивое поведение замкнутой системы управления, очевидно, крайне нежелательно и его следует избегать любой ценой.
...
Существует множество параметров, влияющих на рабочие характеристики активной системы управления. Очень важно, чтобы датчики точно измерили амплитуду колебаний структуры, а электромеханические преобразователи создали соответствующую управляющую силу. Для их характеризации вводят понятия наблюдаемости и управляемости [14]. Для контроля системы необходимо знать, как ведет себя система при резонансных частотах. В параграфе 3.1.2 отмечалось, что датчик, помещенный в узел некоторой гармоники, не может влиять на ее амплитуду. Поэтому для описания поведения всех гармоник необходимо увеличивать количество датчиков. Кроме того, если балка может изгибаться в горизонтальной плоскости, такой изгиб не регистрируется датчиками, измеряющими деформацию в вертикальной плоскости. Аналогично, если электромеханический преобразователь создает силу в узле некоторой гармоники, то она гаситься не будет, и при помощи этого преобразователя управлять данной гармоникой невозможно. В то же время использование двух или нескольких правильно размещенных преобразователей позволяет управлять большинством гармоник. Очевидно, что для замкнутого контура управления большое значение имеет форма гармоники.
...
Рисунок 3.9 демонстрирует реакцию автомобиля на внезапное ступенчатое изменение его направления в этом случае. Поведение является колебательным вследствие очень резкой реакции системы на изменение внешних параметров. Характеристикой скорости реакции системы является время релаксации, за которое при ступенчатом изменении координаты отклонение снижается в заданное количество раз (обычно до 2 или 5% от исходной величины). Если продолжать увеличивать коэффициент усиления, то в некоторый момент амплитуда колебаний начнет расти. Такое поведение системы, называемое неустойчивым, иллюстрируется рис. 3.10. Неустойчивое поведение замкнутой системы управления, очевидно, крайне нежелательно и его следует избегать любой ценой.
...
Существует множество параметров, влияющих на рабочие характеристики активной системы управления. Очень важно, чтобы датчики точно измерили амплитуду колебаний структуры, а электромеханические преобразователи создали соответствующую управляющую силу. Для их характеризации вводят понятия наблюдаемости и управляемости [14]. Для контроля системы необходимо знать, как ведет себя система при резонансных частотах. В параграфе 3.1.2 отмечалось, что датчик, помещенный в узел некоторой гармоники, не может влиять на ее амплитуду. Поэтому для описания поведения всех гармоник необходимо увеличивать количество датчиков. Кроме того, если балка может изгибаться в горизонтальной плоскости, такой изгиб не регистрируется датчиками, измеряющими деформацию в вертикальной плоскости. Аналогично, если электромеханический преобразователь создает силу в узле некоторой гармоники, то она гаситься не будет, и при помощи этого преобразователя управлять данной гармоникой невозможно. В то же время использование двух или нескольких правильно размещенных преобразователей позволяет управлять большинством гармоник. Очевидно, что для замкнутого контура управления большое значение имеет форма гармоники.
...
Работа системы управления основана на анализе влияния управляющих сил на отдельные гармоники колебаний структуры. Обычно на основании сигнала датчиков определяют амплитуду отдельных гармоник, а управление основано на воздействии создаваемых электромеханическими преобразователями сил на каждую гармонику. Управляющие усилия создают систему сил, действующих на структуру. Амплитуды гармоник вычисляют, исходя из сигналов нескольких датчиков, учитывая форму гармоник и местоположение датчиков. Альтернативный способ состоит в обработке сигналов, полученных при различных частотах колебаний. Вместо множества датчиков можно использовать один датчик, сделанный из пьезоэлектрической пленки, способной производить пространственное фильтрование сигнала [7].
...
После размещения датчиков и электромеханических преобразователей необходимо определить алгоритм создания управляющих сил, вычисленных на основе измеренных амплитуд колебаний. Если датчики и преобразователи сгруппированы в пары, то самый простой способ управления состоит в создании преобразователем силы в ответ на величину получаемого сигнала (одноприводный регулятор). Второй путь состоит в анализе сигнала нескольких датчиков и определении управляющих сил для всей системы преобразователей, что называют мультиприводным регулированием. Очевидно, что первый способ регулирования гораздо проще, а второй, если он работает правильно, должен быть более эффективным.
...
В принципе одноприводный регулятор аналогичен амортизатору, в котором энергию поглощает вязкая жидкость. Если датчик и преобразователь расположены в одном месте, а в качестве управляющего сигнала используется математическая производная координаты (или деформации) датчика, которая преобразуется в управляющую силу, система действует аналогично жидкостному демпферу. Достоинством однопривод-
...
Работа системы управления основана на анализе влияния управляющих сил на отдельные гармоники колебаний структуры. Обычно на основании сигнала датчиков определяют амплитуду отдельных гармоник, а управление основано на воздействии создаваемых электромеханическими преобразователями сил на каждую гармонику. Управляющие усилия создают систему сил, действующих на структуру. Амплитуды гармоник вычисляют, исходя из сигналов нескольких датчиков, учитывая форму гармоник и местоположение датчиков. Альтернативный способ состоит в обработке сигналов, полученных при различных частотах колебаний. Вместо множества датчиков можно использовать один датчик, сделанный из пьезоэлектрической пленки, способной производить пространственное фильтрование сигнала [7].
...
После размещения датчиков и электромеханических преобразователей необходимо определить алгоритм создания управляющих сил, вычисленных на основе измеренных амплитуд колебаний. Если датчики и преобразователи сгруппированы в пары, то самый простой способ управления состоит в создании преобразователем силы в ответ на величину получаемого сигнала (одноприводный регулятор). Второй путь состоит в анализе сигнала нескольких датчиков и определении управляющих сил для всей системы преобразователей, что называют мультиприводным регулированием. Очевидно, что первый способ регулирования гораздо проще, а второй, если он работает правильно, должен быть более эффективным.
...
В принципе одноприводный регулятор аналогичен амортизатору, в котором энергию поглощает вязкая жидкость. Если датчик и преобразователь расположены в одном месте, а в качестве управляющего сигнала используется математическая производная координаты (или деформации) датчика, которая преобразуется в управляющую силу, система действует аналогично жидкостному демпферу. Достоинством однопривод-
...
ного регулятора является то, что он демпфирует все частоты колебаний. Увеличение коэффициента усиления приводит к увеличению степени демпфирования. Если датчик и преобразователь расположены в разных точках и некоторые гармоники не демпфируются, то в системе может возникнуть неустойчивость. Вероятность этого особенно высока, если для некоторой гармоники фазы колебаний датчика и преобразователя имеют противоположный знак.
...
Обратная связь, определяемая величиной скорости смещения (производной), эффективно демпфирует колебания. Если имеется дополнительный канал управления, в котором управляющая сила пропорциональна величине смещения, устойчивость системы увеличивается еще больше.
...
Для обеспечения высокой устойчивости слоистого материала к динамическим воздействиям желательно иметь закрытую систему управления. Систему управления, реагирующую на смещение определенных точек [19], называют регулятором с обратной связью по координате [11,6]. Однако и в этом случае желательно дополнительно использовать жидкостной демпфер.
...
Работа регулятора с отрицательной обратной связью основана на предположении, что колебания структуры могут быть описаны суммой независимых гармонических колебаний. Колебания структуры раскладываются на сумму независимых колебаний, и каждое гармоническое колебание описывают моделью из пружины, демпфера и массы. Регулятор создает силы, подавляющие колебания. Силы, соответствующие каждой гармонике колебаний, создаются электромеханическими преобразователями. Рассмотрим работу регулятора с отрицательной обратной связью по координате для одной гармоники. Регулятор вводит в электрическую схему прибора вторую степень свободы. Он эквивалентен массе, пружине и демпферу и управляется колебаниями структуры. Сила, создаваемая электромеханическим преобразователем, пропорциональна амплитуде колебаний. Коэффициент пропорциональности между
...
ного регулятора является то, что он демпфирует все частоты колебаний. Увеличение коэффициента усиления приводит к увеличению степени демпфирования. Если датчик и преобразователь расположены в разных точках и некоторые гармоники не демпфируются, то в системе может возникнуть неустойчивость. Вероятность этого особенно высока, если для некоторой гармоники фазы колебаний датчика и преобразователя имеют противоположный знак.
...
Обратная связь, определяемая величиной скорости смещения (производной), эффективно демпфирует колебания. Если имеется дополнительный канал управления, в котором управляющая сила пропорциональна величине смещения, устойчивость системы увеличивается еще больше.
...
Для обеспечения высокой устойчивости слоистого материала к динамическим воздействиям желательно иметь закрытую систему управления. Систему управления, реагирующую на смещение определенных точек [19], называют регулятором с обратной связью по координате [11,6]. Однако и в этом случае желательно дополнительно использовать жидкостной демпфер.
...
Работа регулятора с отрицательной обратной связью основана на предположении, что колебания структуры могут быть описаны суммой независимых гармонических колебаний. Колебания структуры раскладываются на сумму независимых колебаний, и каждое гармоническое колебание описывают моделью из пружины, демпфера и массы. Регулятор создает силы, подавляющие колебания. Силы, соответствующие каждой гармонике колебаний, создаются электромеханическими преобразователями. Рассмотрим работу регулятора с отрицательной обратной связью по координате для одной гармоники. Регулятор вводит в электрическую схему прибора вторую степень свободы. Он эквивалентен массе, пружине и демпферу и управляется колебаниями структуры. Сила, создаваемая электромеханическим преобразователем, пропорциональна амплитуде колебаний. Коэффициент пропорциональности между
...
координатой (амплитудой колебаний) и контролирующей силой называют жесткостью фильтра. Эквивалентная схема регулятора приведена на рис. 3.11. Жесткость фильтра может быть как постоянной, так и изменяться системой управления.
...
Заметим, что собственную частоту колебаний и степень демпфирования электрической части регулятора можно изменять с помощью системы управления. Работа фильтра нуждается в знании амплитуд всех гармоник колебаний. Пока частота фильтра ниже частоты колебаний структуры, регулятор работает стабильно. Из этого следует несколько выводов.
...
Для устойчивой работы системы контроля необходимо знать лишь собственные частоты системы и не требуется определять тип гармоник и декремент затухания. Согласно работам [5, 15], единственными характеристиками структуры, которые необходимо измерять достаточно точно, являются частоты собственных колебаний структуры. Декременты затухания и формы гармоник точно определить очень трудно, однако эти параметры также влияют на поведение структуры с замкнутой системой управления.
...
Поскольку для одной степени свободы колебания механической и электрической систем связаны, увеличение затухания электрического фильтра увеличивает демпфирование механических колебаний структуры. Кроме того, увеличение потерь не приводит к снижению устойчивости системы.
...
Потенциальным недостатком регуляторов с отрицательной обратной связью по координате является предположение о независимости различных мод колебаний, что обосновано лишь при небольшой амплитуде и частоте колебаний. Однако этот недостаток компенсируется тем, что амплитуда высокочастотных колебаний, как правило, бывает небольшой. Тем не менее о нем следует помнить. Сравнение регулятора с отрицательной обратной связью по координате с регуляторами, основанными на других принципах, дано в работах [16, 4].
...
Выше были рассмотрены методы регулировки, основанные на величине смещения и ее производной. Однако имеются и другие способы регулирования, на которых может быть основан контроль колебаний интеллектуальных структур. Рассмотрим принцип работы линейного квадратичного стабилизатора (ЛКС). Его работа основана на предположении, что управляющее усилие является линейной комбинацией так называемых состояний системы. Состояниями называют характеристики, однозначно описывающие поведение системы, и обычно они включают комбинацию смещений и скоростей. Хотя количество состояний может быть очень большим, в интеллектуальных структурах легко можно использовать требуемое количество датчиков. Параметром оптими-
...
координатой (амплитудой колебаний) и контролирующей силой называют жесткостью фильтра. Эквивалентная схема регулятора приведена на рис. 3.11. Жесткость фильтра может быть как постоянной, так и изменяться системой управления.
...
Заметим, что собственную частоту колебаний и степень демпфирования электрической части регулятора можно изменять с помощью системы управления. Работа фильтра нуждается в знании амплитуд всех гармоник колебаний. Пока частота фильтра ниже частоты колебаний структуры, регулятор работает стабильно. Из этого следует несколько выводов.
...
Для устойчивой работы системы контроля необходимо знать лишь собственные частоты системы и не требуется определять тип гармоник и декремент затухания. Согласно работам [5, 15], единственными характеристиками структуры, которые необходимо измерять достаточно точно, являются частоты собственных колебаний структуры. Декременты затухания и формы гармоник точно определить очень трудно, однако эти параметры также влияют на поведение структуры с замкнутой системой управления.
...
Поскольку для одной степени свободы колебания механической и электрической систем связаны, увеличение затухания электрического фильтра увеличивает демпфирование механических колебаний структуры. Кроме того, увеличение потерь не приводит к снижению устойчивости системы.
...
Потенциальным недостатком регуляторов с отрицательной обратной связью по координате является предположение о независимости различных мод колебаний, что обосновано лишь при небольшой амплитуде и частоте колебаний. Однако этот недостаток компенсируется тем, что амплитуда высокочастотных колебаний, как правило, бывает небольшой. Тем не менее о нем следует помнить. Сравнение регулятора с отрицательной обратной связью по координате с регуляторами, основанными на других принципах, дано в работах [16, 4].
...
зации в Л КС-регуляторе является взвешенная сумма требуемой и реальной управляющей силы. Эта процедура позволяет достичь компромисса между взаимнопротиворечивыми требованиями снижения амплитуды колебаний и энергетических затрат на контроль.
...
В этом параграфе приведены простейшие примеры контроля колебаний в интеллектуальных структурах. В первом примере рассматривается изгиб консольной балки, на поверхности которой установлена пьезоке-рамическая пара датчик/преобразователь. В следующих примерах рассматриваются более сложные конструкции. В частности, анализируется контроль колебаний, возникающих при повороте гибкой балки электродвигателем. Такие движения типичны для робототехники. Применение системы управления с замкнутым контуром, использующей пьезо-керамические датчики и электромеханические преобразователи, значительно увеличивает эффективность работы электродвигателя.
...
В следующем примере исследуется демпфирование колебаний, возникающих при повороте рамы, моделирующей конструкцию спутниковых солнечных батарей. При повороте таких структур появляется вибрация, обусловленная изгибными и крутильными модами колебаний. Крутильные колебания не удается подавить лишь при помощи управления двигателем. Пьезокерамический регулятор, установленный на корпусе рамы, увеличивает затухание крутильных колебаний примерно в 10 раз. Таким образом, использование подхода интеллектуальных структур решает задачу подавления колебаний, чего не удается добиться при помощи обычных демпферов. Увеличение потребления мощности при этом оказывается минимальным.
...
В третьем примере моделируется демпфирование колебаний спутниковой антенны. В таких структурах легко возникают колебания большой амплитуды. Использование концепции интеллектуальных структур и в этом случае является недорогим и естественным способом борьбы с колебаниями.
...
В последнем примере рассмотрены плоские пластины, широко применяемые в панелях фюзеляжа самолетов и пола автомобилей. С такими колебаниями обычно борются, вводя дополнительные внутренние или поверхностные демпфирующие слои. Недостатками демпфирующих слоев из вязкоупругих материалов являются их вес, зависимость эффективности работы от температуры эксплуатации и создаваемые ими экологические проблемы. Использование интеллектуальных структур решает все три проблемы.
...
Эти примеры демонстрируют эффективность использования интеллектуальных структур для подавления колебаний в случаях, когда стандартные демпферы малоэффективны. С точки зрения теории управле-
...
зации в Л КС-регуляторе является взвешенная сумма требуемой и реальной управляющей силы. Эта процедура позволяет достичь компромисса между взаимнопротиворечивыми требованиями снижения амплитуды колебаний и энергетических затрат на контроль.
...
В этом параграфе приведены простейшие примеры контроля колебаний в интеллектуальных структурах. В первом примере рассматривается изгиб консольной балки, на поверхности которой установлена пьезоке-рамическая пара датчик/преобразователь. В следующих примерах рассматриваются более сложные конструкции. В частности, анализируется контроль колебаний, возникающих при повороте гибкой балки электродвигателем. Такие движения типичны для робототехники. Применение системы управления с замкнутым контуром, использующей пьезо-керамические датчики и электромеханические преобразователи, значительно увеличивает эффективность работы электродвигателя.
...
В следующем примере исследуется демпфирование колебаний, возникающих при повороте рамы, моделирующей конструкцию спутниковых солнечных батарей. При повороте таких структур появляется вибрация, обусловленная изгибными и крутильными модами колебаний. Крутильные колебания не удается подавить лишь при помощи управления двигателем. Пьезокерамический регулятор, установленный на корпусе рамы, увеличивает затухание крутильных колебаний примерно в 10 раз. Таким образом, использование подхода интеллектуальных структур решает задачу подавления колебаний, чего не удается добиться при помощи обычных демпферов. Увеличение потребления мощности при этом оказывается минимальным.
...
В третьем примере моделируется демпфирование колебаний спутниковой антенны. В таких структурах легко возникают колебания большой амплитуды. Использование концепции интеллектуальных структур и в этом случае является недорогим и естественным способом борьбы с колебаниями.
...
ния использование интеллектуальных структур имеет дополнительные преимущества, поскольку позволяет конструктору оценить реакцию структуры на прикладываемую нагрузку сразу во многих точках. Кроме того, всегда лучше создавать управляющие усилия при помощи большого количества распределенных по структуре электромеханических преобразователей. Они могут быть размещены практически в любой точке, что улучшает управление системой. Использование интеллектуальных структур позволяет уменьшить время затухания колебаний примерно в 10 раз величины и снизить расход энергии.
...
Консольная балка представляет собой элемент, входящий в состав разнообразных конструкций (балок, пластин и оболочек). Рассмотрим консоль, контролируемую системой управления с замкнутым контуром и состоящую из датчика, электромеханического преобразователя и логического устройства управления с регулируемыми параметрами. Такие балки входят в сложные модульные структуры типа стропильных ферм. При использовании модульных элементов облегчена замена одной или нескольких секций фермы. Если конструкция, состоящая из множества программируемых элементов, имеет запас прочности, потеря одного элемента не обязательно приводит к выходу из строя всей конструкции. На рис. 3.12 показана управляемая консольная балка, состоящая из восьми слоев стеклопластика. Вблизи заделанного конца балки во второй и седьмой слои стеклопластика введен пьезокерамический материал, как показано на рис. 3.13.
...
Данный пример иллюстрирует эффективность использования интеллектуальных конструкций. Система контроля включает датчики, электромеханические преобразователи, усилитель мощности и электрическую схему, введенные внутрь.и установленные на поверхности балки.
...
Рис. 3.12. Схематическое изображение балки с программируемой системой управления. Длина, ширина и толщина балки равны 479, 33 и 2 мм соответственно.
...
ния использование интеллектуальных структур имеет дополнительные преимущества, поскольку позволяет конструктору оценить реакцию структуры на прикладываемую нагрузку сразу во многих точках. Кроме того, всегда лучше создавать управляющие усилия при помощи большого количества распределенных по структуре электромеханических преобразователей. Они могут быть размещены практически в любой точке, что улучшает управление системой. Использование интеллектуальных структур позволяет уменьшить время затухания колебаний примерно в 10 раз величины и снизить расход энергии.
...
Консольная балка представляет собой элемент, входящий в состав разнообразных конструкций (балок, пластин и оболочек). Рассмотрим консоль, контролируемую системой управления с замкнутым контуром и состоящую из датчика, электромеханического преобразователя и логического устройства управления с регулируемыми параметрами. Такие балки входят в сложные модульные структуры типа стропильных ферм. При использовании модульных элементов облегчена замена одной или нескольких секций фермы. Если конструкция, состоящая из множества программируемых элементов, имеет запас прочности, потеря одного элемента не обязательно приводит к выходу из строя всей конструкции. На рис. 3.12 показана управляемая консольная балка, состоящая из восьми слоев стеклопластика. Вблизи заделанного конца балки во второй и седьмой слои стеклопластика введен пьезокерамический материал, как показано на рис. 3.13.
...
Данный пример иллюстрирует эффективность использования интеллектуальных конструкций. Система контроля включает датчики, электромеханические преобразователи, усилитель мощности и электрическую схему, введенные внутрь.и установленные на поверхности балки.
...
Рис. 3.12. Схематическое изображение балки с программируемой системой управления. Длина, ширина и толщина балки равны 479, 33 и 2 мм соответственно.
...
Источником питания является обычная девятивольтовая батарея, что подчеркивает малое потребление мощности. Толщина одного слоя стекловолокон равна толщине пьезокерамической пластины, являющейся одновременно датчиком и электромеханическим преобразователем. Поэтому введение пьезокерамики в слой стекловолокон не изменяет форму балки.
...
На обе поверхности пьезокерамической пластинки наложены плоские медные выводы с клеящейся нижней поверхностью, функция которых состоит в передаче электрического сигнала. Выводы приклеены к пластинке на всей ее длине, и электрический контакт сохраняется, даже если она раскалывается. Во втором и седьмом слоях стекловолокон делаются прямоугольные вырезы, размер которых соответствует размеру пьезокерамической пластинки. Пьезокерамика с выводами помещается в этот вырез и закрывается слоями стекловолокон. Поскольку выводы очень тонкие, для них вырезы в слоях стекловолокон не делаются.
...
Регулятор установлен на поверхность балки. Он состоит из электронной аппаратуры, управляющей его работой, как описано в параграфе 3.2. Поскольку механические характеристики слоев стеклопластика имеют разброс, система управления должна обеспечивать эффективное демпфирование колебаний и быть устойчивой по отношению к их вариации.
...
Система управления контролирует отдельные гармоники колебаний, используя обратную связь по координате (параграф 3.3.3). Рисунок 3.14 демонстрирует колебания кончика балки, положение которого измерялось расположенным вблизи нее зондом. Введение системы контроля уменьшило время затухания от 30 до 3 с, что соответствует увеличению эффективности демпфирования примерно в 10 раз. Дополнительное потребление энергии составило лишь 0,038 Вт.
...
Источником питания является обычная девятивольтовая батарея, что подчеркивает малое потребление мощности. Толщина одного слоя стекловолокон равна толщине пьезокерамической пластины, являющейся одновременно датчиком и электромеханическим преобразователем. Поэтому введение пьезокерамики в слой стекловолокон не изменяет форму балки.
...
На обе поверхности пьезокерамической пластинки наложены плоские медные выводы с клеящейся нижней поверхностью, функция которых состоит в передаче электрического сигнала. Выводы приклеены к пластинке на всей ее длине, и электрический контакт сохраняется, даже если она раскалывается. Во втором и седьмом слоях стекловолокон делаются прямоугольные вырезы, размер которых соответствует размеру пьезокерамической пластинки. Пьезокерамика с выводами помещается в этот вырез и закрывается слоями стекловолокон. Поскольку выводы очень тонкие, для них вырезы в слоях стекловолокон не делаются.
...
Регулятор установлен на поверхность балки. Он состоит из электронной аппаратуры, управляющей его работой, как описано в параграфе 3.2. Поскольку механические характеристики слоев стеклопластика имеют разброс, система управления должна обеспечивать эффективное демпфирование колебаний и быть устойчивой по отношению к их вариации.
...
Система управления контролирует отдельные гармоники колебаний, используя обратную связь по координате (параграф 3.3.3). Рисунок 3.14 демонстрирует колебания кончика балки, положение которого измерялось расположенным вблизи нее зондом. Введение системы контроля уменьшило время затухания от 30 до 3 с, что соответствует увеличению эффективности демпфирования примерно в 10 раз. Дополнительное потребление энергии составило лишь 0,038 Вт.
...
Имеются и другие методы демпфирования колебаний. Похожие рабочие характеристики могут быть достигнуты и с помощью слоя вязко-упругого материала. Однако следует иметь в виду, что активные консольные балки могут подавлять колебания и в более сложных конструкциях, когда другие методы борьбы с колебаниями оказываются значительно менее эффективными.
...
Хотя эта задача является относительно простой, изучение влияния системы управления на поведение гибкой балки при ее повороте приводит к очень интересным выводам. Поворот производится вокруг некоторой оси аналогично повороту двери. Отметим, что такие движения широко встречаются в робототехнике, космической технике (например, в солнечных батареях) и авиации (рулевые плоскости). Поворот осуществляется при помощи электродвигателя, который приводит в движение механический привод и перемещает балку в нужном направлении. Направление поворота совпадает с направлением изгиба балки, как показано на рис. 3.15.
...
В этом параграфе рассмотрено влияние пьезокерамической пары датчик/преобразователь на колебания, возникающие при повороте балки. Пьезокерамический регулятор был установлен на поверхность балки. Исследование привело к двум важным выводам. Во-первых, активный элемент позволил снизить потребление энергии мотора приблизительно на 30%. Во вторых, система контроля повышает точность угла поворота.
...
Имеются и другие методы демпфирования колебаний. Похожие рабочие характеристики могут быть достигнуты и с помощью слоя вязко-упругого материала. Однако следует иметь в виду, что активные консольные балки могут подавлять колебания и в более сложных конструкциях, когда другие методы борьбы с колебаниями оказываются значительно менее эффективными.
...
Хотя эта задача является относительно простой, изучение влияния системы управления на поведение гибкой балки при ее повороте приводит к очень интересным выводам. Поворот производится вокруг некоторой оси аналогично повороту двери. Отметим, что такие движения широко встречаются в робототехнике, космической технике (например, в солнечных батареях) и авиации (рулевые плоскости). Поворот осуществляется при помощи электродвигателя, который приводит в движение механический привод и перемещает балку в нужном направлении. Направление поворота совпадает с направлением изгиба балки, как показано на рис. 3.15.
...
В этом параграфе рассмотрено влияние пьезокерамической пары датчик/преобразователь на колебания, возникающие при повороте балки. Пьезокерамический регулятор был установлен на поверхность балки. Исследование привело к двум важным выводам. Во-первых, активный элемент позволил снизить потребление энергии мотора приблизительно на 30%. Во вторых, система контроля повышает точность угла поворота.
...
Рассматривается тонкая алюминиевая балка, поворачиваемая электродвигателем, управляемым с помощью пьезокерамического регулятора. Значительное улучшение рабочих характеристик достигается за счет точного контроля угла поворота пьезоэлектрическим датчиком и использования системы подавления колебаний. Контроль осуществляли при помощи линейно-квадратичного стабилизатора, описанного в параграфе 3.3.4. Похожая активная балка описана в работе [6].
...
Результаты экспериментов приведены на рис. 3.16. Управление мотором при помощи пьезокерамического регулятора позволяет снизить необходимое усилие двигателя, что дает возможность уменьшить его мощность при сохранении скорости поворота. Использование еще одного регулятора позволяет не только значительно увеличить демпфирование колебаний (рис. 3.16), но и улучшить управляемость процессом.
...
Этот результат неудивителен, если рассмотреть проблему управляемости. Система с двумя контролирующими сигналами управляется лучше, чем с одним. В идеальном случае система управления с обратной связью должна контролировать все основные гармоники колебаний. Однако и при помощи небольшого количества пьезокерамических регуляторов можно хорошо контролировать колебания. Эта мысль иллюстрируется в следующих параграфах.
...
Рассмотрим поворот рамы, имеющей большую податливость при кручении. Система управления с обратной связью (замкнутая система управления) значительно улучшает функциональные характеристики конструкции при таком действии, причем выигрыш увеличивается по мере
...
Рассматривается тонкая алюминиевая балка, поворачиваемая электродвигателем, управляемым с помощью пьезокерамического регулятора. Значительное улучшение рабочих характеристик достигается за счет точного контроля угла поворота пьезоэлектрическим датчиком и использования системы подавления колебаний. Контроль осуществляли при помощи линейно-квадратичного стабилизатора, описанного в параграфе 3.3.4. Похожая активная балка описана в работе [6].
...
Результаты экспериментов приведены на рис. 3.16. Управление мотором при помощи пьезокерамического регулятора позволяет снизить необходимое усилие двигателя, что дает возможность уменьшить его мощность при сохранении скорости поворота. Использование еще одного регулятора позволяет не только значительно увеличить демпфирование колебаний (рис. 3.16), но и улучшить управляемость процессом.
...
Этот результат неудивителен, если рассмотреть проблему управляемости. Система с двумя контролирующими сигналами управляется лучше, чем с одним. В идеальном случае система управления с обратной связью должна контролировать все основные гармоники колебаний. Однако и при помощи небольшого количества пьезокерамических регуляторов можно хорошо контролировать колебания. Эта мысль иллюстрируется в следующих параграфах.
...
Рассмотрим поворот рамы, имеющей большую податливость при кручении. Система управления с обратной связью (замкнутая система управления) значительно улучшает функциональные характеристики конструкции при таком действии, причем выигрыш увеличивается по мере
...
ее усложнения. Поворот вызывает появление изгибных и крутильных колебаний. В раму вставлены два активных элемента, которые используются одновременно как датчики и электромеханические преобразователи в замкнутом контуре системы управления. Система управления одновременно поворачивает раму и подавляет ее колебания. Результаты показали, что управление лишь двигателем без активного демпфера повышает эффективность поворота и подавляет изгибные колебания рамы, но не позволяет подавить крутильные колебания. С крутильными колебаниями можно активно бороться с помощью активных элементов. Подробное описание такого регулятора дано в работе [16].
...
Рама состоит из тонкостенных алюминиевых трубок диаметром 6,35 мм и толщиной стенки 1,24 мм. Трубки соединены алюминиевыми болтами, как показано на рис. 3.17. Рама крепится на стальном валу. Тахометр, измеряющий угловую скорость поворота рамы, находится в корпусе мотора. На вал установлен потенциометр, сигнал которого пропорционален углу поворота. Вся конструкция крепится к бетонному блоку, обеспечивающему жесткость конструкции, как показано на рис. 3.17.
...
Таблица 3.1. Собственные частоты и декременты затухания поворачивающейся рамы при одновременном управлении двигателем и регулятором
...
Испытания позволили определить, где следует располагать электромеханический преобразователь, чтобы добиться лучшего поведения рамы. В частности, плохая управляемость поведением рамы при некоторых положениях преобразователя указывает на необходимость дополнительных преобразователей. В табл. 3.1 приведены результаты теоретических расчетов и экспериментальные значения частот и декрементов затухания колебаний рамы с замкнутой системой управле-
...
Рис. 3.18. Колебания, возникающие в активном стержне при повороте рамы с системой управления, следящей лишь за двигателем.
...
Испытания позволили определить, где следует располагать электромеханический преобразователь, чтобы добиться лучшего поведения рамы. В частности, плохая управляемость поведением рамы при некоторых положениях преобразователя указывает на необходимость дополнительных преобразователей. В табл. 3.1 приведены результаты теоретических расчетов и экспериментальные значения частот и декрементов затухания колебаний рамы с замкнутой системой управле-
...
Рис. 3.18. Колебания, возникающие в активном стержне при повороте рамы с системой управления, следящей лишь за двигателем.
...
ния, действие которой определяется величиной скорости смещения, как описано в параграфе 3.3.2. Результаты показывают хорошее согласие теоретических расчетов и экспериментальных данных. Обращает на себя внимание низкое демпфирование торсионных и плоскостных колебаний. Качество работы замкнутой системы управления характеризуется декрементом затухания. В случае управления лишь двигателем декремент затухания мал для трех мод колебаний, а именно двух крутильных мод и колебаний в плоскости пластины. Это показывает, что управление одним лишь двигателем не позволяет эффективно подавить колебания, что иллюстрируется рис. 3.18, на котором видны слабозатухающие торсионные колебания с большим временем релаксации.
...
Из-за невозможности эффективно бороться с крутильными колебаниями рамы лишь при помощи управления мотором на корпус рамы установили второй пьезокерамический регулятор. Это сильно улучшило поведение системы, что иллюстрируется табл. 3.2, сравнивающей поведение рамы, управляемой только двигателем и двигателем вместе с пьезоэлектрическим регулятором. Таблицы 3.1 и 3.2 иллюстрируют высокую эффективность дополнительного пьезоэлектрического регулятора. Поворот рамы вызывает появление торсионных и плоскостных колебаний. Попытка управлять ими лишь при помощи двигателя оказалась неэффективной. Однако введение второго пьезокерамического регулятора позволило эффективно демпфировать эти колебания, что иллюстрируется рис. 3.19.
...
Рис. 3.19. Поведение рамы при ее повороте, контролируемом двигателем и активным пьезоэлектрическим регулятором.
...
В этом параграфе представлены теоретические и экспериментальные результаты исследования системы контроля колебаний спутниковой антенны, форма которой показана на рис. 3.20. Антенна имеет восемь гибких ребер, в структуру которых встроены активные пьезоэлектрические датчики и преобразователи. Колебания антенны характеризуются рядом близких собственных частот, причем две гармоники являются вырожденными, т.е. их резонансные частоты совпадают. Система управления такой антенны должна иметь несколько активных регуляторов. Периодичность структуры антенны приводит к тому, что малые неточности при производстве элементов структуры могут привести к большим изменениям ее динамического поведения [18]. В то же время симметричность структуры антенны является неидеальной, что затрудняет моделирование ее поведения методом конечных элементов. Поведение антенны описывалось моделью, основанной на экспериментальных частотных характеристиках [4]. Эта модель необходима для создания системы управления с отрицательной обратной связью по координате, которая, как отмечалось выше, одновременно демпфирует все гармо-
...
Рис. 3.19. Поведение рамы при ее повороте, контролируемом двигателем и активным пьезоэлектрическим регулятором.
...
В этом параграфе представлены теоретические и экспериментальные результаты исследования системы контроля колебаний спутниковой антенны, форма которой показана на рис. 3.20. Антенна имеет восемь гибких ребер, в структуру которых встроены активные пьезоэлектрические датчики и преобразователи. Колебания антенны характеризуются рядом близких собственных частот, причем две гармоники являются вырожденными, т.е. их резонансные частоты совпадают. Система управления такой антенны должна иметь несколько активных регуляторов. Периодичность структуры антенны приводит к тому, что малые неточности при производстве элементов структуры могут привести к большим изменениям ее динамического поведения [18]. В то же время симметричность структуры антенны является неидеальной, что затрудняет моделирование ее поведения методом конечных элементов. Поведение антенны описывалось моделью, основанной на экспериментальных частотных характеристиках [4]. Эта модель необходима для создания системы управления с отрицательной обратной связью по координате, которая, как отмечалось выше, одновременно демпфирует все гармо-
...
Рис. 3.19. Поведение рамы при ее повороте, контролируемом двигателем и активным пьезоэлектрическим регулятором.
...
ники колебаний. Благодаря точности теоретической модели, результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными. Этот пример представляет собой уникальное решение проблемы контроля систем, имеющих близкие собственные частоты колебаний.
...
Геометрическая форма антенны показана на рис. 3.20. В пятое и восьмое ребра встроены плоские пьезокерамические датчики прямоугольной формы. Противоположные поверхности пьезокерамики служат электродами. Каждое ребро крепится к основанию антенны при помощи жесткой втулки и гибкой проволоки, создающей необходимое натяжение. Ребра первоначально были плоскими, но в процессе сбора они приобрели изогнутую форму.
...
Частотные характеристики антенны в интервале 9—19 Гц показаны на рис. 3.21. В этом интервале частот имеются семь близких резонансных пиков. Второй набор резонансов имеется в области 30 Гц. Эти наборы резонансов соответствуют первой и второй гармоникам собственных колебаний отдельных ребер. Антенна имеет восемь ребер, и естественно было бы ожидать появление восьми резонансных пиков. Однако на рис. 3.21 наблюдается лишь семь пиков, и это означает, что один из них является вырожденным, т.е. имеется два независимых гармонических колебания одинаковой частоты. Существование вырожденного резонансного пика (частотой 11,01 Гц) означает, что для управления и контроля системы требуются по меньшей мере два независимых регулятора [13].
...
Для выбора активных ребер, обеспечивающих лучшую управляемость системой, определяли коэффициенты управляемости, значения которых приведены в табл. 3.3 для различных пар ребер. Эти коэффициенты аналогичны коэффициентам, приведенным в табл. 3.2 для поворачиваемой рамы, однако в табл. 3.3 приведены нормированные значения коэффи-
...
ники колебаний. Благодаря точности теоретической модели, результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными. Этот пример представляет собой уникальное решение проблемы контроля систем, имеющих близкие собственные частоты колебаний.
...
Геометрическая форма антенны показана на рис. 3.20. В пятое и восьмое ребра встроены плоские пьезокерамические датчики прямоугольной формы. Противоположные поверхности пьезокерамики служат электродами. Каждое ребро крепится к основанию антенны при помощи жесткой втулки и гибкой проволоки, создающей необходимое натяжение. Ребра первоначально были плоскими, но в процессе сбора они приобрели изогнутую форму.
...
Частотные характеристики антенны в интервале 9—19 Гц показаны на рис. 3.21. В этом интервале частот имеются семь близких резонансных пиков. Второй набор резонансов имеется в области 30 Гц. Эти наборы резонансов соответствуют первой и второй гармоникам собственных колебаний отдельных ребер. Антенна имеет восемь ребер, и естественно было бы ожидать появление восьми резонансных пиков. Однако на рис. 3.21 наблюдается лишь семь пиков, и это означает, что один из них является вырожденным, т.е. имеется два независимых гармонических колебания одинаковой частоты. Существование вырожденного резонансного пика (частотой 11,01 Гц) означает, что для управления и контроля системы требуются по меньшей мере два независимых регулятора [13].
...
Для выбора активных ребер, обеспечивающих лучшую управляемость системой, определяли коэффициенты управляемости, значения которых приведены в табл. 3.3 для различных пар ребер. Эти коэффициенты аналогичны коэффициентам, приведенным в табл. 3.2 для поворачиваемой рамы, однако в табл. 3.3 приведены нормированные значения коэффи-
...
Рис. 3.21. Частотные характеристики активной антенны с отрицательной обратной связью (сплошные линии — расчет, штриховые - эксперимент).
...
циентов управляемости, максимальное значение которых равно единице. Коэффициенты определяются методом, описанным в работах [12, 13] для случаев одиночных и вырожденных резонансов. В таблице выделены минимальные значения коэффициента управляемости для каждой пары активных ребер. При размещении регуляторов на первом и пятом ребрах наименьшее значение коэффициента управляемости максимально. Таким образом, использование этих активных ребер гарантирует наилучшие характеристики системы управления.
...
Здесь не обсуждается влияние на работу регулятора неконтролируемых высокочастотных гармоник, поскольку по мере увеличения коэффициента усиления регулятора нестабильность возникает именно для первых наиболее низких резонансных частот [6]. Программа оптимизирует работу регулятора для получения наилучших функциональных характеристик. Она снижает сумму затрат на реакцию антенны на единичное импульсное воздействие и затрат на систему контроля. Ниже приведены данные для системы с первым и пятым активными ребрами. Преобразователи имеют несколько фильтров, соответствующие различным частотам. Использование нескольких фильтров не приводит к заметному увеличению стоимости системы. Отметим, что резонансные пики являются близкими, а система управления не контролирует высокочастотные гармоники. Поэтому для каждого резонансного пика используется только один фильтр. Предположив, что затраты на реагирование и контроль имеют одинаковый вес, определяем, что оптимальный фильтр имеет собственную частоту 70,2 радиан-1 и декремент затухания 0,56.
...
На рис. 3.22 приведено сравнение экспериментальных данных, описывающих поведение антенны при наличии активной системы управления и без нее. Приведены также результаты теоретических расчетов. Значительное увеличение демпфирования было достигнуто для всех гармоник лишь с помощью регуляторов на двух активных ребрах.
...
Рис. 3.22. Сравнение систем управления с открытым и замкнутым контурами (эксперимент - штриховая линия, расчет - сплошная линия)
...
Здесь не обсуждается влияние на работу регулятора неконтролируемых высокочастотных гармоник, поскольку по мере увеличения коэффициента усиления регулятора нестабильность возникает именно для первых наиболее низких резонансных частот [6]. Программа оптимизирует работу регулятора для получения наилучших функциональных характеристик. Она снижает сумму затрат на реакцию антенны на единичное импульсное воздействие и затрат на систему контроля. Ниже приведены данные для системы с первым и пятым активными ребрами. Преобразователи имеют несколько фильтров, соответствующие различным частотам. Использование нескольких фильтров не приводит к заметному увеличению стоимости системы. Отметим, что резонансные пики являются близкими, а система управления не контролирует высокочастотные гармоники. Поэтому для каждого резонансного пика используется только один фильтр. Предположив, что затраты на реагирование и контроль имеют одинаковый вес, определяем, что оптимальный фильтр имеет собственную частоту 70,2 радиан-1 и декремент затухания 0,56.
...
На рис. 3.22 приведено сравнение экспериментальных данных, описывающих поведение антенны при наличии активной системы управления и без нее. Приведены также результаты теоретических расчетов. Значительное увеличение демпфирования было достигнуто для всех гармоник лишь с помощью регуляторов на двух активных ребрах.
...
Рис. 3.22. Сравнение систем управления с открытым и замкнутым контурами (эксперимент - штриховая линия, расчет - сплошная линия)
...
Здесь не обсуждается влияние на работу регулятора неконтролируемых высокочастотных гармоник, поскольку по мере увеличения коэффициента усиления регулятора нестабильность возникает именно для первых наиболее низких резонансных частот [6]. Программа оптимизирует работу регулятора для получения наилучших функциональных характеристик. Она снижает сумму затрат на реакцию антенны на единичное импульсное воздействие и затрат на систему контроля. Ниже приведены данные для системы с первым и пятым активными ребрами. Преобразователи имеют несколько фильтров, соответствующие различным частотам. Использование нескольких фильтров не приводит к заметному увеличению стоимости системы. Отметим, что резонансные пики являются близкими, а система управления не контролирует высокочастотные гармоники. Поэтому для каждого резонансного пика используется только один фильтр. Предположив, что затраты на реагирование и контроль имеют одинаковый вес, определяем, что оптимальный фильтр имеет собственную частоту 70,2 радиан-1 и декремент затухания 0,56.
...
На рис. 3.22 приведено сравнение экспериментальных данных, описывающих поведение антенны при наличии активной системы управления и без нее. Приведены также результаты теоретических расчетов. Значительное увеличение демпфирования было достигнуто для всех гармоник лишь с помощью регуляторов на двух активных ребрах.
...
Рис. 3.23. Испытательный стенд для исследования эффективности демпфирования колебаний пластины в условиях неоднородного распределения температуры.
...
Этот пример иллюстрирует эффективность использования интеллектуальных структур для подавления колебаний в условиях изменения температуры окружающей среды. Рассматривается адаптивная система управления с обратной связью по координате, которая использует пье-зокерамическую пару датчик/преобразователь и температурный датчик (термистор). Особенность адаптивной системы контроля состоит в возможности регулирования коэффициента усиления [20]. Для демпфирования колебаний в автомобильных и авиационных панелях обычно используют внутренние или внешние слои вязкоупругого материала, недостатком которых является снижение их эффективности при повышенных температурах. Описанный ниже пример демонстрирует преимущество систем активного демпфирования колебаний в случае изменения температуры окружающей среды.
...
Работу системы управления исследовали при помощи стандартного испытательного стенда, используемого в автомобильной промышленности. Испытывали пластину из оцинкованной листовой стали размером 500 х 600 мм, контроль которой осуществляли при помощи 20 датчиков. Пластину крепили к основанию стенда 14 болтами, после чего к ней приложили изгибающий момент величиной 25 Н м. С учетом размера области крепления размер полезной площади пластины составлял 400 х 500 мм. Рисунок 3.23 демонстрирует метод испытания. Гашение колебаний производили при помощи коммерчески производимого регулятора размером 72,4 х 72,4 х 0,267 мм. Регулятор разместили в центре пластины, поскольку опасными являются лишь первые три - четыре гармоники колебаний. Пластину нагревали лампой мощностью 250 Вт,
...
Рис. 3.23. Испытательный стенд для исследования эффективности демпфирования колебаний пластины в условиях неоднородного распределения температуры.
...
Этот пример иллюстрирует эффективность использования интеллектуальных структур для подавления колебаний в условиях изменения температуры окружающей среды. Рассматривается адаптивная система управления с обратной связью по координате, которая использует пье-зокерамическую пару датчик/преобразователь и температурный датчик (термистор). Особенность адаптивной системы контроля состоит в возможности регулирования коэффициента усиления [20]. Для демпфирования колебаний в автомобильных и авиационных панелях обычно используют внутренние или внешние слои вязкоупругого материала, недостатком которых является снижение их эффективности при повышенных температурах. Описанный ниже пример демонстрирует преимущество систем активного демпфирования колебаний в случае изменения температуры окружающей среды.
...
Работу системы управления исследовали при помощи стандартного испытательного стенда, используемого в автомобильной промышленности. Испытывали пластину из оцинкованной листовой стали размером 500 х 600 мм, контроль которой осуществляли при помощи 20 датчиков. Пластину крепили к основанию стенда 14 болтами, после чего к ней приложили изгибающий момент величиной 25 Н м. С учетом размера области крепления размер полезной площади пластины составлял 400 х 500 мм. Рисунок 3.23 демонстрирует метод испытания. Гашение колебаний производили при помощи коммерчески производимого регулятора размером 72,4 х 72,4 х 0,267 мм. Регулятор разместили в центре пластины, поскольку опасными являются лишь первые три - четыре гармоники колебаний. Пластину нагревали лампой мощностью 250 Вт,
...
размещенной на высоте 300 мм от пластины и способной поднять температуру в ее центре до 70°С. При таком размещении лампы распределение температуры в пластине было неоднородным, причем она постепенно уменьшилась при удалении от центра.
...
Для демпфирования колебаний использовали адаптивную систему управления на основе регулятора с отрицательной обратной связью. Рисунок 3.24 показывает, что изменение температуры пластины приводит к значительному изменению частоты собственных колебаний. Для ряда температур с интервалом 2,5°С были заранее определены три возможных
...
размещенной на высоте 300 мм от пластины и способной поднять температуру в ее центре до 70°С. При таком размещении лампы распределение температуры в пластине было неоднородным, причем она постепенно уменьшилась при удалении от центра.
...
Для демпфирования колебаний использовали адаптивную систему управления на основе регулятора с отрицательной обратной связью. Рисунок 3.24 показывает, что изменение температуры пластины приводит к значительному изменению частоты собственных колебаний. Для ряда температур с интервалом 2,5°С были заранее определены три возможных
...
размещенной на высоте 300 мм от пластины и способной поднять температуру в ее центре до 70°С. При таком размещении лампы распределение температуры в пластине было неоднородным, причем она постепенно уменьшилась при удалении от центра.
...
Для демпфирования колебаний использовали адаптивную систему управления на основе регулятора с отрицательной обратной связью. Рисунок 3.24 показывает, что изменение температуры пластины приводит к значительному изменению частоты собственных колебаний. Для ряда температур с интервалом 2,5°С были заранее определены три возможных
...
значения коэффициента усиления регулятора. Коэффициент усиления изменяли согласно изменению температуры в центре пластины. Результаты исследования приведены на рис. 3.24. Заметим, что амплитуды первых трех гармоник колебаний остаются невысокими при всех температурах.
...
Вязкоупругие материалы ориентированы на демпфирование колебаний при фиксированной температуре эксплуатации и обычно неэффективны в случаях сильного изменения температуры. Использование активной адаптивной системы контроля позволяет устранить этот недостаток даже при весьма значительных изменениях температуры.
...
В этой главе описаны активные методы борьбы с колебаниями легких и гибких конструкций. Описаны основы теории колебаний. Даны примеры использования интеллектуальных структур для решения задачи контроля колебаний. В интеллектуальных структурах используется система управления с обратной связью, которая позволяет бороться с колебаниями без утяжеления конструкции и увеличения потребления энергии. Эффективность активного способа борьбы с колебаниями превосходит все другие способы.
...
Идеальная интеллектуальная структура на основании показаний датчиков оценивает внешние условия и учитывает свое собственное состояние. Она способна обнаружить появление неисправности или повреждения и принять меры для устранения или смягчения их последствий, изменяя свое статическое и динамическое поведение с помощью системы управления с обратной связью. Необходимыми условиями такого поведения являются способности получать информацию и реагировать, что аналогично способности живых организмов чувствовать и двигаться. Эти возможности обеспечивают сенсоры и электромеханические преобразователи (силовые приводы), которые должны быть встроены в конструкцию, что нужно учитывать уже на стадии проектирования.
...
В настоящее время разработано множество сенсоров, одни из которых измеряют значения параметров в отдельных точках, а другие - их средние значения в целой области. Каждый тип датчиков имеет свои преимущества и недостатки, и универсальная интеллектуальная структура должна использовать датчики обоих типов. Например, датчики, измеряющие локальные напряжения, необходимы для оценки запаса прочности, а при необходимости и для включения алгоритмов управления, позволяющих избежать разрушение конструкции. Эти датчики необходимы также для определения положения повреждения.
...
Для эффективного использования информации, получаемой различными датчиками, необходима адекватная методика обработки сигналов. В частности, требуются сложные алгоритмы распознавания образов. Для использования телеметрических данных необходима аналитическая система, дающая оценку степени опасности внешних условий и принимающая решение об ответных действиях. Для военной техники критической проблемой часто является нахождение цели, которую решают методами распознавания образов. Если информацию получают от нескольких датчиков, так называемый «вектор данных» преобразуют в информацию о местоположении и степени опасности дефекта. В ситуациях, когда информация поступает от датчиков различных типов, не-
...
Идеальная интеллектуальная структура на основании показаний датчиков оценивает внешние условия и учитывает свое собственное состояние. Она способна обнаружить появление неисправности или повреждения и принять меры для устранения или смягчения их последствий, изменяя свое статическое и динамическое поведение с помощью системы управления с обратной связью. Необходимыми условиями такого поведения являются способности получать информацию и реагировать, что аналогично способности живых организмов чувствовать и двигаться. Эти возможности обеспечивают сенсоры и электромеханические преобразователи (силовые приводы), которые должны быть встроены в конструкцию, что нужно учитывать уже на стадии проектирования.
...
обходимую информацию получают при помощи методов анализа данных. В этой главе описаны самые общие принципы анализа информации, получаемой от датчиков различного типа.
...
Интеллектуальная система использует сеть различных датчиков и процессор, который анализирует данные и принимает решение об определенных действиях. С анализом данных связаны проблемы создания систем автоматического контроля и искусственного интеллекта. Животные способны к обучению на основе своего опыта, и это свойство было бы желательно и для интеллектуальных структур. Создание искусственных нейронных сетей, аналогичных нервным сетям, является одним из подходов к решению этой задачи. Нейронная сеть может эффективно распознавать образы и играть значительную роль в интерпретации данных. Принципы работы одной из нейронных сетей описаны в Приложении.
...
Слово «интеллектуальный» применяют и к некоторым материалам. Хотя материал сам по себе действительно интеллектуальным согласно данному выше определению быть не может, он может быть адаптивным, что весьма желательно для интеллектуальных структур. Отметим также, что при моделировании поведения интеллектуальных структур важную роль играют компьютеры.
...
Целью настоящей главы является краткий обзор методов обработки и анализа информации применительно к интеллектуальным структурам и материалам. Описаны различные методы комплексного анализа информации в условиях разброса данных. Обсуждаются проблемы, которые возникают при создании интеллектуальных структур военного и гражданского назначения. В частности, анализ сигналов, получаемых от датчиков при общем контроле и контроле поврежденности интеллектуальных систем.
...
В случае интеллектуальных структур возникает проблема совместной работы датчиков и электромеханических преобразователей и приводов. Как отмечалось в работе [1], одно из наиболее простых решений задачи автоматического выявления цели состоит в передаче управления от широкодиапазонного датчика низкого разрешения к узкодиапазонному датчику высокого разрешения. Датчик с низким разрешением должен выявить участок поиска и передать управление другому датчику, имеющему более высокое разрешение и ищущему цель в области, выявленной на предыдущей стадии поиска. Аналогичная проблема возникает в интеллектуальных системах, в которых сигналы датчиков, характеризующих внутренние параметры системы или условия внешней среды, после обработки преобразуются в команды, передаваемые электромеханическим преобразователям, обеспечивающим реакцию на внешнее воздействие.
...
Так или иначе, перед обсуждением проблемы обработки и анализа сигналов желательно иметь представление о том, что представляют собой датчики и как они работают. Этот вопрос обсуждается в следующем параграфе.
...
обходимую информацию получают при помощи методов анализа данных. В этой главе описаны самые общие принципы анализа информации, получаемой от датчиков различного типа.
...
Интеллектуальная система использует сеть различных датчиков и процессор, который анализирует данные и принимает решение об определенных действиях. С анализом данных связаны проблемы создания систем автоматического контроля и искусственного интеллекта. Животные способны к обучению на основе своего опыта, и это свойство было бы желательно и для интеллектуальных структур. Создание искусственных нейронных сетей, аналогичных нервным сетям, является одним из подходов к решению этой задачи. Нейронная сеть может эффективно распознавать образы и играть значительную роль в интерпретации данных. Принципы работы одной из нейронных сетей описаны в Приложении.
...
Слово «интеллектуальный» применяют и к некоторым материалам. Хотя материал сам по себе действительно интеллектуальным согласно данному выше определению быть не может, он может быть адаптивным, что весьма желательно для интеллектуальных структур. Отметим также, что при моделировании поведения интеллектуальных структур важную роль играют компьютеры.
...
Целью настоящей главы является краткий обзор методов обработки и анализа информации применительно к интеллектуальным структурам и материалам. Описаны различные методы комплексного анализа информации в условиях разброса данных. Обсуждаются проблемы, которые возникают при создании интеллектуальных структур военного и гражданского назначения. В частности, анализ сигналов, получаемых от датчиков при общем контроле и контроле поврежденности интеллектуальных систем.
...
В случае интеллектуальных структур возникает проблема совместной работы датчиков и электромеханических преобразователей и приводов. Как отмечалось в работе [1], одно из наиболее простых решений задачи автоматического выявления цели состоит в передаче управления от широкодиапазонного датчика низкого разрешения к узкодиапазонному датчику высокого разрешения. Датчик с низким разрешением должен выявить участок поиска и передать управление другому датчику, имеющему более высокое разрешение и ищущему цель в области, выявленной на предыдущей стадии поиска. Аналогичная проблема возникает в интеллектуальных системах, в которых сигналы датчиков, характеризующих внутренние параметры системы или условия внешней среды, после обработки преобразуются в команды, передаваемые электромеханическим преобразователям, обеспечивающим реакцию на внешнее воздействие.
...
Так или иначе, перед обсуждением проблемы обработки и анализа сигналов желательно иметь представление о том, что представляют собой датчики и как они работают. Этот вопрос обсуждается в следующем параграфе.
...
Под термином датчик может пониматься любой источник данных. В системах военного назначения информация может поступать по целому ряду каналов, в том числе и от людей, причем в этом случае анализ полученных данных наиболее сложен. В этой главе будет принято более узкое определение датчика, под которым мы будем понимать некоторую материальную конструкцию, которая характеризует внешние условия и внутренние параметры структуры некоторым количественным электрическим сигналом. В большинстве случаев сигналы датчиков обрабатываются некоторым устройством или компьютерной программой и используются для принятия решения. Это решение может состоять в необходимости выполнения действия самой системой, ее починки или замены.
...
Последовательность операций обработки сигнала в случае одного датчика приведена на рис. 4.1. Они могут быть охарактеризованы следующим образом.
...
Датчик. Выдает электрический сигнал, величина которого пропорциональна некоторому измеряемому параметру, характеризуещему структуру или внешние условия. В некоторых случаях сигнал может быть акустическим или тепловым. Примером датчика может быть малоинерционный акселерометр, размещенный на корпусе коробки передач автомобиля в целях определения ее работоспособности.
...
Под термином датчик может пониматься любой источник данных. В системах военного назначения информация может поступать по целому ряду каналов, в том числе и от людей, причем в этом случае анализ полученных данных наиболее сложен. В этой главе будет принято более узкое определение датчика, под которым мы будем понимать некоторую материальную конструкцию, которая характеризует внешние условия и внутренние параметры структуры некоторым количественным электрическим сигналом. В большинстве случаев сигналы датчиков обрабатываются некоторым устройством или компьютерной программой и используются для принятия решения. Это решение может состоять в необходимости выполнения действия самой системой, ее починки или замены.
...
Последовательность операций обработки сигнала в случае одного датчика приведена на рис. 4.1. Они могут быть охарактеризованы следующим образом.
...
Датчик. Выдает электрический сигнал, величина которого пропорциональна некоторому измеряемому параметру, характеризуещему структуру или внешние условия. В некоторых случаях сигнал может быть акустическим или тепловым. Примером датчика может быть малоинерционный акселерометр, размещенный на корпусе коробки передач автомобиля в целях определения ее работоспособности.
...
Предварительная обработка. Как правило, изменяющийся во времени сигнал датчика (величина напряжения) дает слишком большое количество данных, большая часть которых не нужна. Цель предварительной обработки сигналов состоит в разумном уменьшении количества сигналов, т.е. в уменьшении размерности вектора данных. В случае коробки передач эта стадия может состоять в преобразовании набора точек в зависимости от времени в спектр, описывающий доминирующие частоты колебаний коробки передач. Усреднение и выбор частотного интервала значительно уменьшают количество точек, описывающих спектральную кривую по сравнению с количеством точек временного ряда. Этот шаг обычно проводят на основе опыта и суждения технического работника. На этой стадии размер вектора данных уменьшается от многих тысяч до приблизительно ста.
...
Выделение признаков. Цель этой стадии обработки данных снова состоит в уменьшении размерности вектора данных и устранении избыточной информации. Несмотря на общность цели, эту стадию отличают от предыдущей, поскольку применяемые методы основаны на статистических методах и теории информации, а не на субъективном решении работника. На этой стадии обработки сигнала число координат вектора данных уменьшается примерно до десяти. Отметим, что определение небольшого количества значащих признаков является основной задачей любой программы распознавания образов, поскольку количество необходимой информации катастрофически растет с числом признаков. В случае коробки передач этот шаг состоит в выборе определенной линии частотного спектра, свидетельствующей о зацеплении соседних шестерен. Информацию могут содержать и дополнительные линии спектра, соответствующие более высоким гармоникам колебаний.
...
Обработка. Эта стадия является подготовительной к распознаванию образов и состоит в нормализации вектора данных относительно характерных признаков распознаваемого образа. Для нейронных сенсорных сетей значения всех характеристик должны лежать в интервале от -1 до +1. Однако могут использоваться и более сложные алгоритмы обработки. К примеру, информационные данные могут быть подвергнуты нелинейному преобразованию для описания их распределением Гаусса в целях оценки степени достоверности.
...
Распознавание образов. Эта стадия является самой главной. Характеристические векторы анализируют при помощи алгоритма обработки, который может классифицировать образ на основе проведенных измерений. Примером является компьютерная программа, определяющая тип неисправности и степень ее серьезности на основе спектральных данных, характеризующих поведение коробки передач.
...
Решение. Это заключительный этап, который может управляться компьютером или требовать человеческого вмешательства. На нем принимается решение о необходимых действиях. В случае коробки передач это решение, необходимо ли останавливать машину в зависимости от степени неисправности.
...
Предварительная обработка. Как правило, изменяющийся во времени сигнал датчика (величина напряжения) дает слишком большое количество данных, большая часть которых не нужна. Цель предварительной обработки сигналов состоит в разумном уменьшении количества сигналов, т.е. в уменьшении размерности вектора данных. В случае коробки передач эта стадия может состоять в преобразовании набора точек в зависимости от времени в спектр, описывающий доминирующие частоты колебаний коробки передач. Усреднение и выбор частотного интервала значительно уменьшают количество точек, описывающих спектральную кривую по сравнению с количеством точек временного ряда. Этот шаг обычно проводят на основе опыта и суждения технического работника. На этой стадии размер вектора данных уменьшается от многих тысяч до приблизительно ста.
...
Выделение признаков. Цель этой стадии обработки данных снова состоит в уменьшении размерности вектора данных и устранении избыточной информации. Несмотря на общность цели, эту стадию отличают от предыдущей, поскольку применяемые методы основаны на статистических методах и теории информации, а не на субъективном решении работника. На этой стадии обработки сигнала число координат вектора данных уменьшается примерно до десяти. Отметим, что определение небольшого количества значащих признаков является основной задачей любой программы распознавания образов, поскольку количество необходимой информации катастрофически растет с числом признаков. В случае коробки передач этот шаг состоит в выборе определенной линии частотного спектра, свидетельствующей о зацеплении соседних шестерен. Информацию могут содержать и дополнительные линии спектра, соответствующие более высоким гармоникам колебаний.
...
Обработка. Эта стадия является подготовительной к распознаванию образов и состоит в нормализации вектора данных относительно характерных признаков распознаваемого образа. Для нейронных сенсорных сетей значения всех характеристик должны лежать в интервале от -1 до +1. Однако могут использоваться и более сложные алгоритмы обработки. К примеру, информационные данные могут быть подвергнуты нелинейному преобразованию для описания их распределением Гаусса в целях оценки степени достоверности.
...
Распознавание образов. Эта стадия является самой главной. Характеристические векторы анализируют при помощи алгоритма обработки, который может классифицировать образ на основе проведенных измерений. Примером является компьютерная программа, определяющая тип неисправности и степень ее серьезности на основе спектральных данных, характеризующих поведение коробки передач.
...
Решение. Это заключительный этап, который может управляться компьютером или требовать человеческого вмешательства. На нем принимается решение о необходимых действиях. В случае коробки передач это решение, необходимо ли останавливать машину в зависимости от степени неисправности.
...
Из анализа рис. 4.1 следует вывод, что использование лишь одного датчика может привести к ошибкам. Если цепь обработки сигнала обрывается или возникает ошибка хотя бы на одной из стадий, принять правильное решение невозможно. Это является одной из основных причин желательности использования множества датчиков.
...
Анализ информации независимых источников сейчас превратился в самостоятельную науку, возникшую в результате попытки Министерства обороны Великобитании формализовать процедуру обработки информации, получаемой из различных источников. В качестве примера будет анализироваться ситуация на поле боя и оцениваться степень угрозы по данным, поступающих по различным каналам. Датчиком в этом случае является источник, который может быть физическим датчиком типа микроволновой антенны или просто человеком, принесшим некую информацию. Уже давно было понято, что основные принципы анализа независимых данных имеют не только военное применение. Первоначально их начали использовать в метеорологии и управлении движением транспорта, а затем в медицине и при неразрушающем контроле конструкций.
...
Таким образом, основная цель анализа информации состоит в обобщении данных, поступающих от нескольких датчиков, в целях принятия более надежного и уверенного решения, чем в случае одного датчика. Имеется несколько причин, по которым предпочтительнее использовать несколько датчиков [2].
...
Информация с каждого датчика поступает на центральный модуль, который устраняет избыточную информацию, поступающую от датчиков одного или различных типов. На рис. 4.3 приведена схема анализа информации, в которой выделение характерных признаков образа проводится независимо для каждого датчика.
...
Очевидно, что описанным выше способом неудобно описывать архитектуру методов анализа данных, поскольку такая схема слишком вдается в детали, не выявляя их основные черты. Логические цепи индивидуальных датчиков могут пересекаться в различных точках, и это означает, что имеется огромное количество конкретных схем анализа информации (рис. 4.4).
...
Операцию анализа поступающей информации можно описать ориентированным графом, в котором входные линии соответствуют датчикам, а выходные линии - принятым решениям. Информация, полученная при помощи датчиков, по мере прохождения через граф уплотняется и очищается на каждом уровне, становясь все более надежной. Как следствие, она изменяет свою природу. В вершинах графа происходит синтез и обработка информации различными методами, зависящими от положения и уровня вершины. Синтез информации проводится на следующих уровнях.
...
Синтез на уровне отдельных точек. Данные об отдельных точках (пикселях) от нескольких датчиков объединяются до предварительной обработки данных.
...
Синтез на уровне характерных признаков. Два или более предварительно обработанных сигнала комбинируются, в результате чего образуется вектор, описывающий некоторый характерный признак изображения. Комбинирование может состоять в простом увеличении размерности вектора данных или включать сложный нелинейный анализ.
...
Синтез на уровне изображения., Два или более вектора, описывающих некоторый характерный признак, объединяются и передаются на алгоритм распознавания образов.
...
Операцию анализа поступающей информации можно описать ориентированным графом, в котором входные линии соответствуют датчикам, а выходные линии - принятым решениям. Информация, полученная при помощи датчиков, по мере прохождения через граф уплотняется и очищается на каждом уровне, становясь все более надежной. Как следствие, она изменяет свою природу. В вершинах графа происходит синтез и обработка информации различными методами, зависящими от положения и уровня вершины. Синтез информации проводится на следующих уровнях.
...
Синтез на уровне отдельных точек. Данные об отдельных точках (пикселях) от нескольких датчиков объединяются до предварительной обработки данных.
...
Синтез на уровне принятия решения. Два или более решения или характеристики объединяются для принятия более надежного решения. Для этого можно использовать методы, описанные в работе [1] (рис. 4.5).
...
Для решения проблемы опознавания образов необходимо разработать общую терминологию, но не менее важно рассмотреть принципы работы стандартных моделей анализа данных. Термин модель здесь понимается как целостная методика, которая использует некие принципы комплексного анализа поступающих данных, принимает исходя из них решения, а затем предпринимает действия. Она может иметь обратную связь с принятыми решениями, вплоть до изменения принципов анализа. Это определение модели согласуется с приведенным в работе [3].
...
Первые попытки формализации процедуры анализа информации были предприняты в военной науке для решения проблем командования, проверки информации, связи и разведки. Эти усилия относятся к концу 70-х - началу 80-х годов. Первые публикации [4, 5] описывают иерархические структуры, архитектуру методов анализа и проверку предположений, т.е. все основные компоненты современных методов анализа данных. Главный шаг был сделан в 1990 году, когда отдел информации североамериканского Совета заведующих лабораторий (СЗЛ) стандартизировал процедуру анализа данных и сформулировал
...
Синтез на уровне принятия решения. Два или более решения или характеристики объединяются для принятия более надежного решения. Для этого можно использовать методы, описанные в работе [1] (рис. 4.5).
...
Для решения проблемы опознавания образов необходимо разработать общую терминологию, но не менее важно рассмотреть принципы работы стандартных моделей анализа данных. Термин модель здесь понимается как целостная методика, которая использует некие принципы комплексного анализа поступающих данных, принимает исходя из них решения, а затем предпринимает действия. Она может иметь обратную связь с принятыми решениями, вплоть до изменения принципов анализа. Это определение модели согласуется с приведенным в работе [3].
...
Первые попытки формализации процедуры анализа информации были предприняты в военной науке для решения проблем командования, проверки информации, связи и разведки. Эти усилия относятся к концу 70-х - началу 80-х годов. Первые публикации [4, 5] описывают иерархические структуры, архитектуру методов анализа и проверку предположений, т.е. все основные компоненты современных методов анализа данных. Главный шаг был сделан в 1990 году, когда отдел информации североамериканского Совета заведующих лабораторий (СЗЛ) стандартизировал процедуру анализа данных и сформулировал
...
стратегию обмена технической информацией [6, 7]. Позднее эта процедура была расширена [8] и включила обнаружение цели как одну из своих задач. Было дано следующее определение процедуры анализа данных: «Многоуровневый, многоцелевой процесс, направленный на автоматическое обнаружение цели, определение связей, взаимных корреляций и оценку информации, поступающей от одного или нескольких источников».
...
Структура предложенной процедуры анализа данных схематически представлена на рис. 4.6. Она представляет собой многоуровневую систему, состоящую из четырех (пяти, включая предварительную обработку) уровней [1].
...
Уровень 1. Уточняет положение и оценивает надежность идентификации цели посредством анализа информации, поступающей от отдельных датчиков.
...
стратегию обмена технической информацией [6, 7]. Позднее эта процедура была расширена [8] и включила обнаружение цели как одну из своих задач. Было дано следующее определение процедуры анализа данных: «Многоуровневый, многоцелевой процесс, направленный на автоматическое обнаружение цели, определение связей, взаимных корреляций и оценку информации, поступающей от одного или нескольких источников».
...
Структура предложенной процедуры анализа данных схематически представлена на рис. 4.6. Она представляет собой многоуровневую систему, состоящую из четырех (пяти, включая предварительную обработку) уровней [1].
...
Уровень 4. Непрерывно уточняет оценку ситуации, оценивает необходимость дополнительных источников информации и изменения процедуры оценки.
...
Для описания этой процедуры используются термины военной науки. Необходимо отметить ее схожесть с методикой Риттера, используемой для контроля степени поврежденности системы [9].
...
Уровень 1 модели Риттера соответствует уровню 1 модели СЗЛ; он обнаруживает возможную угрозу безопасности. Уровни 2 и 3 модели Риттера соответствуют уровню 2 модели СЗЛ; они определяют положение и степень повреждения. Наконец, уровень 4 модели Риттера аналогичен уровню 3 модели СЗЛ; он оценивает вероятные последствия угрозы.
...
В схеме Риттера отсутствует аналог уровня 4 модели СЗЛ, что является ее недостатком. При создании своей структуры Риттер старался описать различные уровни информации, поступающей от системы датчиков. Его целью не являлось создание целостного подхода к контролю степени поврежденности. Следуя модели СЗЛ, эту схему можно расширить и включить в нее уровень оценки степени работоспособности и активной замены датчиков.
...
Отметим, что при введении уровня 4 модели СЗЛ неявно предполо-галось, что начальные условия процедуры анализа данных были выбраны удачно. Специалистам в области контроля динамического поведения структур хорошо известно, что выбор точек расположения датчиков и электромеханических преобразователей имеет критическое значение для решения проблем динамики. Вопрос оптимального размещения датчиков и активных элементов будет обсуждаться ниже.
...
Еще одной особенностью модели СЗЛ является то, что «датчиками» могут быть люди [10]. В случае же интеллектуальной структуры ими обязательно являются материальные устройства. Это означает, что их перемещение нужно осуществлять механически. Решение этой проблемы состоит в размещении избыточного количества датчиков, что, естественно, приводит к удорожанию системы. Проблему контроля и замены работающих датчиков можно решить при помощи самопроверки датчиков [11-13] или введения специальных датчиков, контролирующих степень работоспособности основной сети [14].
...
Модель Бойда, называемая также циклом, первоначально была разработана для моделирования военного командования, и поэтому она, подобно модели СЗЛ, использует военные термины [15]. Однако область ее применимости гораздо шире. Четыре уровня этой модели называются наблюдение, ориентировка, решение и действие.
...
Ориентировка. Накопленная информация используется для оценки ситуации и потенциальных источников угрозы. Этот уровень охватывает сразу три уровня модели СЗЛ (1, 2 и 3). На нем объединяются сигналы различных датчиков, в том числе и разведданные.
...
Решение. Оцениваются возможные действия и делается выбор. Эти действия включают передислокацию датчиков и т.д. Очевидно, этот уровень включает уровень 4 модели СЗЛ, но на нем рассматривается также возможность действий за пределами системы.
...
Действие. Реализуются решения, принятые на предыдущей стадии. Модель СЗЛ не имеет аналогичного уровня, и поэтому модель Бойда является более общей. Последствия действий необходимо оценить, и система возвращается к фазе наблюдения, что замыкает цикл.
...
На практике, все четыре фазы цикла выполняются параллельно и непрерывно. Происходит непрерывное накопление данных, чтобы уточнить возникающую обстановку; решения и планы непрерывно изменяются и приводятся в действие. Как отмечено в работе [16], при выполнении боевой операции могут развиваться одновременно несколько связанных циклов. В этой работе также описывается приложение реального цикла к действию флота.
...
Модель Бойда, называемая также циклом, первоначально была разработана для моделирования военного командования, и поэтому она, подобно модели СЗЛ, использует военные термины [15]. Однако область ее применимости гораздо шире. Четыре уровня этой модели называются наблюдение, ориентировка, решение и действие.
...
Модель Бойда может служить основой процедуры анализа поступающей от датчиков информации применительно к интеллектуальным структурам. При контроле структуры решения, принятые на основе показаний датчиков, могут воздействовать на структуру, которая по отношению к системе датчиков является внешним объектом. Примером является использование сплавов с эффектом памяти формы для изменения профиля крыла в ответ на изменения параметров окружающей среды. Если система управления не предпринимает активных действий, как, например, при контроле жизнеспособности конструкции, для ее описания можно использовать модель СЗЛ. Если же система предпринимает активные действия, например чинит или включает исправные датчики, для ее описания больше подходит модель Бойда.
...
Это модель была предложена в работе [17] и «широко использовалась при анализе информации британским министерством обороны, но не была принята в других местах» [3]. Ее структура приведена на рис. 4.8.
...
Модель Бойда может служить основой процедуры анализа поступающей от датчиков информации применительно к интеллектуальным структурам. При контроле структуры решения, принятые на основе показаний датчиков, могут воздействовать на структуру, которая по отношению к системе датчиков является внешним объектом. Примером является использование сплавов с эффектом памяти формы для изменения профиля крыла в ответ на изменения параметров окружающей среды. Если система управления не предпринимает активных действий, как, например, при контроле жизнеспособности конструкции, для ее описания можно использовать модель СЗЛ. Если же система предпринимает активные действия, например чинит или включает исправные датчики, для ее описания больше подходит модель Бойда.
...
Это модель была предложена в работе [17] и «широко использовалась при анализе информации британским министерством обороны, но не была принята в других местах» [3]. Ее структура приведена на рис. 4.8.
...
На первый взгляд, модель напоминает схему работы одного датчика, приведенную на рис. 4.1. Однако это лишь видимость вследствие ее простого схематического изображения. Уровень считывания в модели водопада включает несколько датчиков. Также следует отметить стадию исследования ситуации, которая аналогична первым трем уровням модели СЗЛ. Как отмечено в работе [3], ее недостатком является отсутствие обратной связи, соответствующей уровню 4 модели СЗЛ. Таким образом, она является менее общей. В этой главе она обсуждается в связи с тем, что является одной из основных составляющих компонентов для описанной ниже общей модели.
...
В работе [3] приведен обзор описанных выше моделей анализа данных и отмечается, что каждая из них имеет недостатки. Пытаясь разработать модель, которая включила бы в себя общие черты существующих моделей анализа информации и преодолела бы их недостатки, авторы составили следующий список предъявляемых к ней требований. Идеальная модель анализа информации должна:
...
На первый взгляд, модель напоминает схему работы одного датчика, приведенную на рис. 4.1. Однако это лишь видимость вследствие ее простого схематического изображения. Уровень считывания в модели водопада включает несколько датчиков. Также следует отметить стадию исследования ситуации, которая аналогична первым трем уровням модели СЗЛ. Как отмечено в работе [3], ее недостатком является отсутствие обратной связи, соответствующей уровню 4 модели СЗЛ. Таким образом, она является менее общей. В этой главе она обсуждается в связи с тем, что является одной из основных составляющих компонентов для описанной ниже общей модели.
...
собой общую модель. Эта модель имеет уровни, аналогичные имеющимся в модели водопада, и циклическую структуру, напоминающую цикл Бойда. Схема этой модели изображена на рис. 4.9. Она синтезирует все описанные выше модели. Общая модель не ориентирована на решение оборонных проблем, что характерно для описанных выше моделей, не использует военной терминологии и включает лучшие особенности моделей СЗЛ, Бойда и водопада. Поэтому она лучше всего подходит для описания работы большинства интеллектуальных структур. Наличие уровня проверки обеспечивает анализ работоспособности датчиков и электромеханических преобразователей.
...
Выше мы обсудили структуру процедуры анализа данных. Теперь мы рассмотрим, как связаны разработка и эффективность работы интеллектуальных структур.
...
Первое, что следует понять на основании изучения процедуры анализа данных, - это необходимость иметь целостное представление рассматриваемой проблемы. Интеллектуальная система должна разрабатываться с учетом всех особенностей ее функционирования.
...
Можно возразить, что эти требования в значительной степени являются всего лишь здравым смыслом и описывают лишь то, что должны делать системы, осуществляющие обработку поступающей информации. Эти требования написаны для формализации требований к широкому ряду систем, работающих в зависимости от поступающей информации. В некотором смысле они походят на программы, ориентированные на объект, в отличие от традиционных программ, направленных на решение специфических задач.
...
Второй вывод, который следует из сопоставления различных методов обработки данных, состоит в том, что должны иметься операции проверки и анализа информации. Эти операции являются алгоритмами, соответствующими вершинам графа анализа информации. Ниже будет дан обзор некоторых наиболее общих методов такого анализа.
...
Сейчас в продаже имеются программы, предназначенные для автоматической обработки сигнала датчиков. В обзоре [18] приведен анализ таких программ вплоть до 1993 года. Хотя в нем описаны несколько устаревшие программы, он дает ясное представление о принципах их работы.
...
4.9. Детекция расслоений при помощи акустических волн
...
торым параметром системы и сообщают о его значительных изменениях. Модернизация состоит в использовании современных методов обработки сигнала.
...
Рассмотрим проблему поиска расслоений в пластине из композиционного материала при помощи ультразвуковой волны. В этом случае данные представляют временной ряд значений амплитуды ультразвуковых лэмбовских волн, характерных для распространения звука в тонких пластинах. Для более подробного знакомства с физическими принципами распространения таких волн можно рекомендовать работу [19]. Акустические методы детекции различных дефектов, включая расслоения, разрыв волокон и растрескивание матрицы в пластинах из композиционных материалов, описаны многими авторами [20-25]. Одна из сложностей данного метода неразрушающего контроля связана с особенностями распространения упругих волн. Распространение волны в пластине можно охарактеризовать произведением частоты волны на толщину образца (f t). При низких значениях этого параметра (для алюминия f t < \ МГцмм) в материале могут распространяться волны только двух типов, а именно основная симметричная (50) и антисимметричная (Aq).
...
Акустическая волна излучается стандартным пьезокерамическим преобразователем, а ее амплитуда (или интенсивность) после прохождения через образец регистрируют оптоволоконным интерферометром. Схема испытаний пластины из композиционного материала приведена на рис. 4.10. Расслоение было создано при помощи тонкой тефлоновой пленки, помещенной между двумя слоями композита перед прессованием. Подробности могут быть найдены в работе [26]. Использование оптоволоконных интерферометров для контроля лэмбовских волн подробно опи-
...
торым параметром системы и сообщают о его значительных изменениях. Модернизация состоит в использовании современных методов обработки сигнала.
...
Рассмотрим проблему поиска расслоений в пластине из композиционного материала при помощи ультразвуковой волны. В этом случае данные представляют временной ряд значений амплитуды ультразвуковых лэмбовских волн, характерных для распространения звука в тонких пластинах. Для более подробного знакомства с физическими принципами распространения таких волн можно рекомендовать работу [19]. Акустические методы детекции различных дефектов, включая расслоения, разрыв волокон и растрескивание матрицы в пластинах из композиционных материалов, описаны многими авторами [20-25]. Одна из сложностей данного метода неразрушающего контроля связана с особенностями распространения упругих волн. Распространение волны в пластине можно охарактеризовать произведением частоты волны на толщину образца (f t). При низких значениях этого параметра (для алюминия f t < \ МГцмм) в материале могут распространяться волны только двух типов, а именно основная симметричная (50) и антисимметричная (Aq).
...
Акустическая волна излучается стандартным пьезокерамическим преобразователем, а ее амплитуда (или интенсивность) после прохождения через образец регистрируют оптоволоконным интерферометром. Схема испытаний пластины из композиционного материала приведена на рис. 4.10. Расслоение было создано при помощи тонкой тефлоновой пленки, помещенной между двумя слоями композита перед прессованием. Подробности могут быть найдены в работе [26]. Использование оптоволоконных интерферометров для контроля лэмбовских волн подробно опи-
...
сано в работе [25]. Вследствие периодического изменения коэффициента преломления возникают интерференционные явления и изменяется интенсивность ультразвуковой волны. Таким образом, распределение интенсивности акустической волны можно изучать при помощи чувствительного датчика.
...
Информацию о дефектах несет рассеянная акустическая волна. Интенсивность волны имеет весьма сложную временную зависимость вследствие отражения от границ образца и дефекта, и поэтому для детекции аномалии полезен метод автоматического распознавания образов. Анализ значительно упрощается, если распространяется волна лишь одного типа, например симметричная So.
...
Нейронные сети являются чрезвычайно мощным инструментальным средством распознавания образов [27]. Они используются и для детекции дефектов. Более подробно этот метод описан в Приложении. Искусственные нейронные сети (ИНС) аналогичны предельно упрощенной нервной системе. Они имеют прямую связь, т.е. сигналы распространяют сквозь них в одном направлении, от точек входа до точек выхода. Их используют для классификации и придания некоторого числового значения целому набору результатов измерений.
...
Если известна геометрическая форма и положение дефектов, можно предсказать распределение интенсивности рассеянной волны. При наличии таких исходных данных нейронная сеть может классифицировать дефекты. Эта возможность здесь не описана вследствие сложного характера взаимодействия акустической волны с расслоениями. Вместо этого часто используют метод, основанный на детекции аномалии. Сеть настраивают на форму сигналов при отсутствии дефектов, и программа при появлении дефекта сигнализирует о серьезном отклонении сигнала от исходного состояния. Этот метод не может классифицировать появляющиеся дефекты. Его достоинством является то, что исходная форма сигнала может определяться в предварительных экспериментах, что устраняет необходимость в сложной априорной теории. Примеры детекции аномалий в медицинской диагностике описаны в работе [28], а детекция дефектов в инженерных конструкциях - в работах [29, 30].
...
Принцип работы такой системы вполне очевиден. Дефект изменяет форму рассеянной волны. Отметим, что идентифицировать нужно лишь значительные изменения, которые не могут быть обусловлены флуктуа-циями или шумом измеряемого параметра.
...
Принятый здесь подход, описанный в работе [31], должен настроить сенсорную сеть на заданное распределение интенсивности. Он использует многослойную прямую сеть [32], которая способна воспроизвести на выходе распределение интенсивности, подаваемой на вход. Эта задача тривиальна, если сеть не имеет внутренних слоев с меньшим количе-
...
сано в работе [25]. Вследствие периодического изменения коэффициента преломления возникают интерференционные явления и изменяется интенсивность ультразвуковой волны. Таким образом, распределение интенсивности акустической волны можно изучать при помощи чувствительного датчика.
...
Информацию о дефектах несет рассеянная акустическая волна. Интенсивность волны имеет весьма сложную временную зависимость вследствие отражения от границ образца и дефекта, и поэтому для детекции аномалии полезен метод автоматического распознавания образов. Анализ значительно упрощается, если распространяется волна лишь одного типа, например симметричная So.
...
4.9. Детекция расслоений при помощи акустических волн
...
ством каналов, чем на входе (рис. 4.11). В противном случае сеть должна принимать во внимание существенные особенности распределения интенсивности. Тренировка сети осуществляется путем подачи на нее распределения интенсивности, соответствующей нормальным условиям, на которые накладываются шум, и на ее выходе запоминается сигнал.
...
компенсации изменения площади контакта между источником ультразвука и пластиной сигналы, соответствующие различным положениям источника, нормировали на амплитуду импульса в отсутствие дефекта. Из сигнала вычли средние значения сигнала, а также все случайные пики. Заключительный этап предварительной обработки состоял в уменьшении количества сигналов в 5 раз, в результате чего получили характеристический вектор с 50 независимыми координатами.
...
компенсации изменения площади контакта между источником ультразвука и пластиной сигналы, соответствующие различным положениям источника, нормировали на амплитуду импульса в отсутствие дефекта. Из сигнала вычли средние значения сигнала, а также все случайные пики. Заключительный этап предварительной обработки состоял в уменьшении количества сигналов в 5 раз, в результате чего получили характеристический вектор с 50 независимыми координатами.
...
4.9. Детекция расслоений при помощи акустических волн
...
Вторая стадия состоит в тренировке сети. Два крайних левых и крайних правых вектора данных принимались в качестве нормальных условий. Затем приступили к созданию процедуры детекции, нечувствительной к влиянию помех. Для этого создали обучающую последовательность, содержащую 250 вариантов каждой кривой, соответствующей сумме нормальных условий с нормально распределенным шумовым сигналом. Типичный сигнал бездефектной структуры показан на рис. 4.12.
...
После тренировки сенсорной сети источник последовательно перемещали слева направо с интервалом 5 мм. Зависимость полученного индекса аномалии от координаты источника приведена на рис. 4.13. Наличие дефекта вполне очевидно. Пунктиром на графике отмечен пороговый уровень, превышение которого свидетельствует о появлении дефекта. При определении порога предполагали, что шум характеризуется нормальным распределением, а порог полагали равным четырехкратному среднеквадратичному отклонению. Положение дефекта определяется областью превышения этого уровня.
...
Выше отмечалось, что детектор аномалии является диагностикой поиска повреждения первого уровня. Однако в некоторых случаях с его помощью можно получить и дополнительную информацию. Поскольку индекс аномалии зависит от координаты, диапазон надпороговых значений указывает на размер и положение дефекта. На рис. 4.13 четыре точки превышают пороговое значение, что соответствует ширине дефекта 40 мм. Реальная ширина была равна 15 мм. Слишком большое значение размера расслоения объясняется расхождением фронта волны при ее распространении через пластину.
...
В этом параграфе обсуждается оптимизация размещения датчиков. Эти же методы используют и для контроля работоспособности датчиков. Исследуемый метод описан в работах [33, 34]. Для описания поведения металлической пластины, моделирующей внешнюю обшивку самолета, применяли метод конечных элементов.
...
Рассмотрим пластину, в которой два края заделаны (С), а два других свободно оперты (SS), как показано на рис. 4.14. Приложенная нагрузка представляет комбинацию изгиба и нагружения в плоскости пластины. При моделировании поведения пластины методом конечных элементов использовали программу ABAQUS. При вычислениях брали регулярную решетку размером 30 х 30, состоящую из 900 прямоугольных элементов.
...
Вторая стадия состоит в тренировке сети. Два крайних левых и крайних правых вектора данных принимались в качестве нормальных условий. Затем приступили к созданию процедуры детекции, нечувствительной к влиянию помех. Для этого создали обучающую последовательность, содержащую 250 вариантов каждой кривой, соответствующей сумме нормальных условий с нормально распределенным шумовым сигналом. Типичный сигнал бездефектной структуры показан на рис. 4.12.
...
После тренировки сенсорной сети источник последовательно перемещали слева направо с интервалом 5 мм. Зависимость полученного индекса аномалии от координаты источника приведена на рис. 4.13. Наличие дефекта вполне очевидно. Пунктиром на графике отмечен пороговый уровень, превышение которого свидетельствует о появлении дефекта. При определении порога предполагали, что шум характеризуется нормальным распределением, а порог полагали равным четырехкратному среднеквадратичному отклонению. Положение дефекта определяется областью превышения этого уровня.
...
Выше отмечалось, что детектор аномалии является диагностикой поиска повреждения первого уровня. Однако в некоторых случаях с его помощью можно получить и дополнительную информацию. Поскольку индекс аномалии зависит от координаты, диапазон надпороговых значений указывает на размер и положение дефекта. На рис. 4.13 четыре точки превышают пороговое значение, что соответствует ширине дефекта 40 мм. Реальная ширина была равна 15 мм. Слишком большое значение размера расслоения объясняется расхождением фронта волны при ее распространении через пластину.
...
Для определения положения расслоения пластина была разделена на 36 областей, как показано на рис. 4.15. Модуль Юнга поврежденных элементов считали равным нулю. Количество дефектных элементов было равно девяти. Отметим, что размер дефекта мог быть и меньше, но цель работы состояла в оптимизации расположения датчиков, а не в диагностике дефекта.
...
Как было установлено в работе [33], наиболее легко детектируются деформации сдвига, которые для моделирования наиболее сложных условий нагружения не включали в условия нагружения. Места возможного расположения датчиков в субрешетке из 5 х 5 элементов показаны на рис. 4.16.
...
Структура нейронной сети подробно описана в работе [33]. Она имеет 36 выводов, по одному на каждую точку контроля повреждения. Вначале провели тренировку системы, проверили сенсорную сеть и оценили вероятность ошибки в определении положения дефекта.
...
Для определения положения расслоения пластина была разделена на 36 областей, как показано на рис. 4.15. Модуль Юнга поврежденных элементов считали равным нулю. Количество дефектных элементов было равно девяти. Отметим, что размер дефекта мог быть и меньше, но цель работы состояла в оптимизации расположения датчиков, а не в диагностике дефекта.
...
Как было установлено в работе [33], наиболее легко детектируются деформации сдвига, которые для моделирования наиболее сложных условий нагружения не включали в условия нагружения. Места возможного расположения датчиков в субрешетке из 5 х 5 элементов показаны на рис. 4.16.
...
Структура нейронной сети подробно описана в работе [33]. Она имеет 36 выводов, по одному на каждую точку контроля повреждения. Вначале провели тренировку системы, проверили сенсорную сеть и оценили вероятность ошибки в определении положения дефекта.
...
4.10. Оптимизация расположения датчиков и их контроль
...

Наплавка и напыление
Термическая обработка сплавов: Справочник
Цветные металлы и сплавы: Справочник
Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение
Индукционная наплавка твердых сплавов
Ультразвуковая дефектоскопия: Справ. пособие
Процессы цементации в цветной металлургии

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение