水底姿態(tài)模擬裝置伺服控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

1.引言

安置在海底的儀器設(shè)備，經(jīng)常受到海流、魚群的擾動(dòng)而發(fā)生上升、回轉(zhuǎn)和搖擺運(yùn)動(dòng)，使原來的姿態(tài)發(fā)生改變，這給儀器設(shè)備的正常工作帶來了不確定因素。水底姿態(tài)模擬裝置通過升降機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和搖擺機(jī)構(gòu)模擬海洋儀器設(shè)備在海底的姿態(tài)，為實(shí)驗(yàn)室中海洋儀器設(shè)備的性能測(cè)試提供模擬環(huán)境。

圖1 水底姿態(tài)模擬裝置伺服控制系統(tǒng)原理圖

由于水底姿態(tài)模擬裝置的伺服控制系統(tǒng)直接影響升降機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和搖擺機(jī)構(gòu)的可靠性，進(jìn)而影響整個(gè)模擬裝置的可靠性，因此在設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)時(shí)必須考慮其可靠性設(shè)計(jì)。

2.伺服控制系統(tǒng)工作原理

水底姿態(tài)模擬裝置伺服控制系統(tǒng)原理如圖1所示。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)1通過數(shù)據(jù)采集卡2為控制器4發(fā)送指令和給定量，采集光電編碼器10、位置傳感器15和角度傳感器16的反饋信號(hào)，并為整個(gè)系統(tǒng)提供友好的人機(jī)界面；控制器4為系統(tǒng)提供控制指令和信號(hào)；電流調(diào)節(jié)放大器5、電壓/脈寬變換器6、基極驅(qū)動(dòng)器7和PWM功率驅(qū)動(dòng)器8主要實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的放大、轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)，以便精確控制交流伺服電機(jī)9的運(yùn)轉(zhuǎn)；升降機(jī)構(gòu)12、搖擺機(jī)構(gòu)13和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)14用于模擬儀器設(shè)備的姿態(tài)。

3.伺服控制系統(tǒng)可靠性框圖

可靠性框圖是系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的依據(jù)，它是以實(shí)線將若干獨(dú)立方塊連接起來組成一個(gè)整體的圖形[1]。其中，實(shí)線起連接方塊的作用，以表示整個(gè)方塊的次序和方向；方塊則表示系統(tǒng)中的獨(dú)立功能模塊，在系統(tǒng)中完成特定的功能。

根據(jù)上述工作原理圖可得水底姿態(tài)模擬裝置伺服控制系統(tǒng)的可靠性框圖，如圖2所示。

系統(tǒng)可靠性框圖中有兩個(gè)數(shù)據(jù)采集卡，其中數(shù)據(jù)采集卡2是備用卡，當(dāng)數(shù)據(jù)采集卡1出現(xiàn)故障時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡2才啟動(dòng)工作。

4.伺服控制系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型

4.1 各部件數(shù)學(xué)模型

圖2 水底姿態(tài)模擬裝置伺服控制系統(tǒng)可靠性框圖

大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，伺服控制系統(tǒng)中絕大部分部件及設(shè)備的壽命分布為指數(shù)分布[2]。指數(shù)分布情況下，部件的可靠性特征量計(jì)算公式如下[3]：

當(dāng)已知某部件的失效率λ和工作時(shí)間t時(shí)，可根據(jù)可靠度公式求得可靠度R。

4.2 串聯(lián)模型

由n個(gè)部件組成的串聯(lián)系統(tǒng)，假設(shè)系統(tǒng)中單個(gè)部件的可靠度為R1，R2，…，Rn，則整個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度R為：

4.3 并聯(lián)模型

由n個(gè)部件組成的并聯(lián)系統(tǒng)，假設(shè)系統(tǒng)中單個(gè)部件的可靠度為R1，R2，…，Rn，則整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度R為：

4.4 非工作儲(chǔ)備模型

非工作儲(chǔ)備系統(tǒng)中有n個(gè)部件組成，假定所有部件相同，而且壽命均服從故障率為λ的指數(shù)分布，故障監(jiān)測(cè)和轉(zhuǎn)換裝置的可靠度為1，則非工作儲(chǔ)備系統(tǒng)的可靠度R為：

由可靠性框圖可知，水底姿態(tài)模擬裝置伺服控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集卡部分是非工作貯備模型，其余都是串聯(lián)模型。

5.系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

5.1 系統(tǒng)可靠性分配

在進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性分配時(shí)，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)各分系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中的重要性、復(fù)雜性、技術(shù)難度、工作時(shí)間及環(huán)境條件等，以便更好地進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性分配[4]。本次水底姿態(tài)模擬裝置伺服控制系統(tǒng)的可靠性分配采用評(píng)分分配法，系統(tǒng)故障率目標(biāo)值其分配結(jié)果見表1。

5.2 可靠度計(jì)算

表1 可靠性分配結(jié)果表

表2 可靠度計(jì)算表

通過系統(tǒng)各部件的失效率和可靠性模型可計(jì)算出系統(tǒng)的可靠度。水底姿態(tài)模擬裝置伺服控制系統(tǒng)可靠度的具體計(jì)算如表2所示。

6.結(jié)束語

通過系統(tǒng)的可靠度計(jì)算表可以看出，水底姿態(tài)模擬裝置伺服控制系統(tǒng)的可靠度為0.98796，且系統(tǒng)各單元的可靠度均滿足了可靠性分配指標(biāo)。為進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠度，可采取以下措施：(1)提高各部件的可靠度，選擇質(zhì)量更好的部件或設(shè)備。鑒于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、控制器、伺服電機(jī)和變速箱的可靠度對(duì)整個(gè)伺服控制系統(tǒng)可靠性的重要性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選取可靠度較高的部件。升降機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和搖擺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在材料選擇、齒輪配合、部件聯(lián)接、裝置維護(hù)、應(yīng)力分布、機(jī)構(gòu)固定等方面進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以盡量提高其可靠度。(2)在適當(dāng)情況下考慮冗余設(shè)計(jì)方法[5]。(3)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)采取簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的方法，以最少的功能化模塊達(dá)到系統(tǒng)的功能要求。(4)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行日常維護(hù)和定期檢修。總之，整個(gè)伺服控制系統(tǒng)可靠性的提高，應(yīng)從設(shè)計(jì)、制造、使用及維護(hù)等各個(gè)方面進(jìn)行考慮。

[1]李守仁.可靠性工程[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2001.

[2]陳明,張京妹.控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2006.

[3]陳炳生.電子可靠性工程[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

[4]陸廷孝,等.可靠性設(shè)計(jì)與分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,2001.

[5]謝云葉.機(jī)電一體化系統(tǒng)與產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)分析[J].機(jī)電工程技術(shù),2004,33(7):27-31.