Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Информационно-измерительные системы

Диссертационная работа:

Братцев Кирилл Евгеньевич. Разработка и исследование информационно-измерительных систем параметров двухполюсных электрических цепей : Дис. ... канд. техн. наук : 05.11.16 Пенза, 2005 201 с. РГБ ОД, 61:06-5/741

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Список сокращений 5

ВВЕДЕНИЕ 6

1. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИНЦИПОВ ПО
СТРОЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ПА
РАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ... 16

1.1 Анализ проблем концептуального проектирования

информационно-измерительных систем 16

1.2.Особенности задач измерения параметров ДЭЦ 21

1.3.Анализ методов преобразования параметров ДЭЦ 25

1.4.Алгоритмы обработки информации при измерениях

параметров ДЭЦ 32

1.5.Реализация способов и алгоритмов измерения

параметров ДЭЦ 4 6

1.5.1. Способ измерения составляющих сигнала ИЦ
фазочувствительными детекторами 4 6

1.5.2. Способ измерения по фазовым соотношениям 50
ВЫВОДЫ ПО 1 ГЛАВЕ 5 6

2. ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ДВУХПОЛЮСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПРИ СИНУСОИ
ДАЛЬНЫХ АКТИВНЫХ ВХОДНЫХ СИГНАЛАХ 57

2.1.Постановка задачи и обоснование методики ис
следований 57

2.2.Исследование алгоритмов измерения параметров
ДЭЦ по критерию обусловленности информативных
матриц 69

2.2.1. Исследование алгоритма измерения парамет
ров ДЭЦ, основанного на использовании полного
описания АФХ 71

  1. Исследование алгоритмов измерения параметров ДЭЦ, основанных на равенстве действительных, мнимых частей описания АФХ 7 5

  2. Исследование алгоритмов измерения параметров ДЭЦ, основанных на использовании описания квадратурных составляющих сигнала ИЦ 77

  3. Исследование алгоритмов измерения параметров ДЭЦ, основанных на использовании описания фазочастотной характеристики 80

  1. Сравнительный анализ алгоритмов измерения параметров ДЭЦ 82

  2. Исследование устойчивости алгоритмов измерения параметров ДЭЦ 90

ВЫВОДЫ ПО 2 ГЛАВЕ 93

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИИС ДЛЯ ДЭЦ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ИЗМЕРЕНИЕМ ФАЗОВОГО СДВИГА СИГНАЛА ИЦ 94

  1. Общие сведения 94

  2. Исследование функциональных возможностей ИИС

при измерениях параметров ДЭЦ на одной частоте 94

3.3. Исследование влияния случайных погрешностей
измерителей сигнала ИЦ Ю1

3.3.1.Результаты исследований при равномерном за
коне изменения погрешностей Х04

3.3.2. Результаты исследований при нормальном за
коне изменения погрешностей Юб

3 . 4.Исследование способов измерения фазы .... 110

ВЫВОДЫ ПО 3 ГЛАВЕ 125

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ РАЗРАБОТАННЫХ ИИС

МЕТОДАМИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 12 6

4.1.Общие сведения 12 6

4.2.Разработка базовой PSB-модели ИИС для иссле
дования погрешности измерения параметров ДЭЦ 127

4.3.Разработка и исследование моделей ИИС для
анализа переходных процессов при статических из
мерениях 133

4 ."4 . Исследование динамических характеристик ИИС при изменениях информативного и неинформативного

параметров ДЭЦ 137

  1. Исследование средствами пакета PSB . . . 139

  2. Исследование средствами пакета Simulink 14 6

ВЫВОДЫ ПО 4 ГЛАВЕ 152

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 155

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 157

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Разработанные MathCAD-программы 167

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Сведения о внедрении 194

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ АЦП ~ аналого-цифровой преобразователь АФХ - амплитудно-фазовая характеристика АЧХ ~ амплитудно-частотная характеристика ГСН - генератор синусоидального напряжения ДПФ - дискретное преобразование Фурье ДЭЦ - двухполюсная электрическая цепь И - индикатор результата измерения ИАВ - источник активного воздействия ИИС - информационно-измерительная система ИН - измеритель напряжения ИПТ - источник переменного тока ИТ - измеритель тока ИЦ - измерительная цепь МО - математическое ожидание МЭЦ - многополюсные электрические цепи НУ - нормирующий усилитель НЭ - нелинейный элемент ОИ - объект исследования ОСГ - обобщенный сигнальный граф ПТГ - потенциально-токовый граф ГІФ - передаточная функция PSB - Power System Blockset СИ - средства измерения СКО - среднеквадратичное отклонение СЛАУ - система линейных алгебраических уравнений УОИИ - устройство обработки измерительной информации УУ - устройство управления ФЧХ - фазочастотная характеристика ЦФ - цифровой фазометр

Введение к работе:

Проблема совершенствования метрологических и функциональных возможностей информационно-измерительных систем (ИИС) для решения научных и технологических задач была актуальной во все предыдущие времена и, очевидно, не потеряет актуальности в обозримом будущем. В науке повышение точности и быстродействия ИИС позволяет более подробно изучить свойства окружающего мира, т.е. способствует более- эффективному решению гносеологических проблем. В промышленном производстве улучшение метрологических характеристик ИИС, применяемых при контроле в технологических процессах, способствует повышению качества выпускаемых изделий.

Из всего многообразия задач, имеющих место при выборе метода измерения и алгоритма функционирования информационно-измерительных систем, в настоящей работе главное внимание уделено проблеме совершенствования метрологических характеристик измерительных преобразователей и устройств обработки полученной информации. При этом наибольшее внимание уделено решению задач измерения параметров многоэлементных двухполюсных электрических цепей и объектов исследования, схемы замещения которых представляются в виде пассивных двухполюсных электрических цепей, например, параметрические датчики, которые находят самое широкое применение при измерениях самых разнообразных физических величин [1, 2, 51, 92].

Исторически с конца XIX века и до 70-х годов XX века при измерении параметров электрических цепей и датчиков строились унифицирующие измерительные преобразо-

ватели в сигналы напряжения или тока, значения которых измерялись стрелочными приборами. Начиная с 70-х годов прошлого века, в связи с успехами микроэлектроники и вычислительной техники, все большее внимание стало уделяться построению микропроцессорных измерительных приборов и систем, кодированные сигналы которых помехоустойчивы при передаче по каналам связи. В настоящее время наиболее перспективными признаны информационно-измерительные системы и устройства, широко использующие для преобразования и обработки сигналов микроэлектронную и микропроцессорную технику.

Состояние проблемы. Развитие методов и средств измерений является мощным стимулом повышения эффективности производства и качества продукции. Сложность современных технологических процессов, рост требований к качеству промышленных изделий и потребность во всестороннем изучении природных объектов и явлений подразумевает необходимость измерения их многочисленных параметров и характеристик различной физической природы.

Постоянное усложнение измерительных задач связано со стремлением максимально полно и всесторонне описать объект исследования (ОИ) через параметры его модели, Создание все более адекватных (а, следовательно, более сложных) физических и математических моделей реальных ОИ приводит к необходимости рассмотрения последних в виде многокомпонентных систем, составленных из пассивных электрических R, L, С элементов с двумя выводами, т.е. виде двухполюсных электрических цепей (ДЭЦ).

При этом следует иметь в виду, что схемы замещения большинства дифференциальных датчиков можно рассматри-

вать как определенное (априори) соединение двух (трех) двухполюсных электрических цепей, т.е. в виде многополюсных электрических цепей (МЭЦ) с доступными для подключения полюсами. Последнее обстоятельство дает возможность ограничиться в дальнейшем исследованиями ОИ, представляемыми только ДЭЦ, и распространить полученные для ДЭЦ результаты на многополюсные электрические цепи при соблюдение очевидно, необходимых допущений [13, 68]. 'Перечень задач, при решении которых необходимо получение информации о значениях отдельных параметров многоэлементных ДЭЦ: активном сопротивлении, емкости, индуктивности и взаимоиндуктивности, постоянной времени, добротности и др., чрезвычайно широк. Он включает измерение параметров элементов сложных радиоэлектронных схем — резисторов, конденсаторов, моточных изделий; измерение выходных величин параметрических датчиков; определение свойств и характеристик материалов и веществ при исследовании процессов в химии, биологии и т.д. Одной из важнейших задач измерительных экспериментов является осуществление раздельного независимого измерения каждого из элементов ДЭЦ.

Решение указанной проблемы неразрывно связано с развитием техники измерений параметров ДЭЦ. Значительный вклад в теорию и практику раздельного получения информации о параметрах ДЭЦ внесли работы научных коллективов, руководимых Т.М.Алиевым, Э.М.Бромбергом, Ф. Б.Гриневичем, К.Б.Карандеевым, В.Ю.Кнеллером, Л.Ф. и К.Л.Куликовскими, Б.Я.Лихтциндером, А.И.Мартяшиным, А.И.Мелик-Шахназаро-вым, Ю. А.Скрипником, В.А.Сапельниковым, М.П.Цапенко,

В.И.Чернецовым, В. М. Шляндиным, Г. А. Штамб ерг ер ом Э.К.Шаховым и многими другими.

Разработанные принципы построения устройств измерения параметров ДЭЦ с подбором воздействия на исследуемую цепь, с физической компенсацией влияния неинформативных параметров, с временным выделением информации и др., позволили создать информационно-измерительные системы, характеризующиеся широтой диапазонов измерения, достаточно высокойстепенью инвариантности к неинформативным параметрам и относительно высокими точностными характеристиками.

Понимание сходства задачи раздельного измерения параметров ДЭЦ и обеспечения инвариантности послужило в семидесятые годы XX в. толчком для разработки измерительных систем параметров ДЭЦ, получивших название «инвариантные» в смысле обеспечения независимости результата измерения от неинформативных (не измеряемых в данном опыте) параметров исследуемого объекта измерений безотносительно к способу ее обеспечения [69]. Пионерская роль в области применения положений теории инвариантности к измерению параметров ДЭЦ принадлежит Пензенской и Самарской (тестовые методы измерения) школам ученых-измерителей (А. И. Мартяшин, К. Л. Куликовский) . На данном направлении создана гамма измерительных преобразователей и информационно-измерительных систем различного назначения.

В то же время, как показали исследования и опыт практического использования этих средств измерения (СИ), достигнутые характеристики являются в ряде случаев предельными для данного класса СИ. Это обстоятельст-

во обусловило необходимость поиска новых путей построения ИИС параметров ДЭЦ.

Кроме того, существует класс исследовательских задач, требующих измерять как параметры все более сложных радиоэлектронных схем, так и все более подробный, постоянно расширяющийся перечень параметров постоянно уточняющейся схемы замещения ОИ. Решение этих задач оказывается весьма успешным при использовании новых информационных возможностей, предоставляемых современными микроэлектронными средствами и информационными технологиями .

Цель исследований. Развитие методов построения информационно-измерительных систем параметров ДЭЦ и других объектов исследования, описываемых схемой замещения в виде ДЭЦ, разработка способов и алгоритмов получения и обработки информации, обеспечивающих взаимную инвариантность результатов измерения по каждому из информативных параметров ДЭЦ и обладающих совокупностью повышенных метрологических характеристик; теоретическое и экспериментальное исследование процессов измерения и обработки информативных сигналов путем привлечения средств моделирования на ЭВМ, а именно:

1. Постановка и формализованное описание задачи
обеспечения взаимной инвариантности результатов измере
ния параметров ДЭЦ (раздельного независимого отсчета).

2. Теоретическое обоснование методов построения ин
формационно-измерительных систем на основе положений
теории инвариантности; исследование ДЭЦ, имеющих раз
личную топологическую структуру, для определения воз
можности измерения параметров ДЭЦ на одной частоте.

  1. Синтез обобщенного подхода к проектированию ИИС параметров ДЭЦ и разработка алгоритмов его реализации.

  2. Разработка алгоритмического и программного обеспечения микропроцессорных элементов ИИС параметров ДЭЦ, разработка и обоснование имитационных моделей трактов преобразования параметров измерительных цепей и исследование погрешностей измерений.

  3. Проведение исследований динамических характеристик измерительных преобразователей и их помехоустойчивости по отношению к параметрическим помехам, возникающим в измерительных цепях ИИС.

  4. Разработка и внедрение измерительных преобразователей параметров ДЭЦ в составе автономных средств измерений (СИ) и ИИС различного назначения.

Методы исследований. Методологическую основу работы составили положения теории систем управления в целом и теории обобщенных сигнальных графов в частности, теории инвариантности и идентификации, а также методы математического анализа, вычислительной математики, теории планирования экспериментов и методов статистической обработки экспериментальных данных, математического и имитационного моделирования.

Научная новизна:

1. Развитие и обоснование с позиций информационных технологий концептуальных вопросов получения раздельной информации о параметрах ДЭЦ; классификация моделей измерительных цепей (ИЦ) для различных объектов измерения со схемой замещения в виде двухполюсных электрических цепей;

2. Обоснование в качестве перспективного информаци
онно-алгоритмического способа совершенствования методов
и средств инвариантного измерения параметров ДЭЦ;

3. Разработка и исследование алгоритмов обработки
измерительной информации в ИИС при измерении параметров
ДЭЦ;

4. Решение задачи описания процессов преобразования
и анализа динамических погрешностей ИИС и их помехо
устойчивости по отношению к параметрическим помехам.
Разработка способов автоматической компенсации погреш
ностей с помощью микропроцессорных средств и выработка
рекомендаций по проектированию ИИС.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Решение задачи концептуального проектирования
ИИС; обоснование, разработка и применение моделей объ
екта измерения с учетом имеющего конструктивного выбора
измеряемых величин, позволяющих эффективно прогнозиро
вать результаты измерений в соответствующих предметных
областях.

2. Принципы построения ИИС параметров ДЭЦ с исполь
зованием элементов микропроцессорной техники, разработ
ка и применение способов измерений на синусоидальных
воздействиях, что упрощает решение вопросов метрологи
ческого обеспечения.

3. Обоснование преимуществ алгоритмов измерения
коэффициентов операторного сопротивления передаточной
функции ДЭЦ по сравнению с алгоритмами прямого измере
ния параметров элементов двухполюсника. Это свойство
предложено учитывать и использовать при корректной по
становке задач измерений.

Л. Обоснование возможности измерения на одной частоте лишь двух параметров многоэлементной ДЭЦ.

5. Доказательство и решение задачи определения сред
неквадратичного отклонения случайной погрешности измере
ния фазы в зависимости от разрядности применяемых анало
го-цифровых преобразователей (АЦП) и объема выборки.

6. Исследование свойств ИИС параметров ДЭЦ как в
статике, так и в динамике, используя методы моделирова
ния "на основе пакета программ MATLAB и входящих в нее
пакетов Simulink и Power System Blockset.

Практическое значение:

1. Разработаны рекомендации по проектированию и
практической реализации алгоритмов функционирования ин
формационно-измерительных систем и системно-ориентиро
ванных измерительных преобразователей, обеспечивающих
решение измерительных задач производственно-техниче
ского и исследовательского плана.

  1. Разработаны теоретические и практические основы проектирования комплекса ИИС параметров радиоэлектронных схем и датчиков различных физических величин.

  2. Разработана методика имитационного моделирования и инженерного проектирования ИИС параметров двухполюсных радиоэлектронных схем и расчета ожидаемой погрешности измерения.

  3. Результаты научных исследований в виде методов и методик, практических разработок используются в промышленном производстве, научных исследованиях и учебном процессе и нашли отражение в ряде учебных пособий, разделах лекционных курсов, лабораторных установках, кур-

совых и дипломных работах студентов соответствующих специальностей.

Реализация работы. Результаты научных исследований и практические разработки внедрены в 000 НПП «Цифровые решения», ГУП ФНПЦ «Прибор» и используются в научных исследованиях и учебном процессе в Пензенском региональном центре высшей школы (филиале) Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства, в Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана и в других научно-исследовательских организациях России при исследованиях и разработках ИИС для датчиков различного типа и двухполюсных электрических цепей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, результаты проведенных исследований, опыт практического применения разработок докладывались и получили одобрение научной общественности на ряде Международных, Всероссийских, республиканских, региональных и отраслевых научно-технических симпозиумов, конференций, семинаров: на 4 9 Международной научно-технической конференции МАМИ, г. Москва, на конференции «Наукоемкие проекты и высокие технологии - производству 21 века», г. Пенза, 2005 г., на ежегодном Международном симпозиуме «Новые технологии в образовании, науке и экономике», г. Москва

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 4 статьи (из них 1 единолично) , 1 тезисы доклада, 2 учебных пособия с грифами Министерства образования и науки РФ в качестве учебных пособий для студентов высших учебных заведений.

Личный вклад. В 2-х статьях, написанных в соавторстве, автором рассмотрены вопросы выполнения расчетных разделов и обработки результатов статистического моделирования [24] (личный вклад 60%), разработки математических моделей и алгоритмов [27] (личный вклад 60%), в информационных листках отображены результаты разработки пакета прикладных программ для исследования динамических характеристик ИИС [63, 86] (личный вклад 60%); в опубликованных тезисах докладов [23] автором рассмотрены проблемы проектирования измерительных преобразователей, связанные с идентификацией и собственно измерением параметров объекта измерения {личный вклад 60%); в учебных пособиях автором рассмотрен принцип построения измерительных преобразователей параметров ДЭЦ в интервалы времени [28] и методики расчета погрешностей измерений [72] .

Подобные работы
Кирьяков Олег Владиленович
Разработка и исследование методов и средств оперативного управления биотропными параметрами в системах комплексной магнитотерапии
Максимов Николай Васильевич
Разработка и исследование автоматизированной системы испытаний низкочастотных многоканальных информационно-измерительных систем
Андреев Сергей Викторович
Исследование и разработка человеко-машинных систем управления автомобилем с использованием аппарата нечеткой логики
Полозов Станислав Валерьевич
Разработка и исследование информационно-измерительной системы поддержки принятия решений при диагностике и прогнозировании
Краячич Александр Валерьевич
Исследование и разработка информационно-измерительной системы для непрерывного мониторинга состояния прочности сложных механических конструкций
Муратов Ирек Мугазамович
Разработка и исследование информационно-измерительных систем контроля конвейерного оборудования
Артеменко Юрий Николаевич
Исследование и разработка информационно-измерительной системы радиотелескопа миллиметрового диапазона РТ-70
Агальцов Андрей Геннадиевич
Разработка и исследование лазерного преобразователя информации для системы непрерывного автоматического контроля точек росы
Чикуров Тимофей Георгиевич
Исследование и разработка многофункциональной диэлькометрической информационно-измерительной системы
Ключников Андрей Иванович
Исследование и разработка проблемно-ориентированных информационно-измерительных систем для определения расхода нефти и газа

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net