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
Приборы и методы измерения механических величин

Диссертационная работа:

Свистунов Борис Львович. Структурно-алгоритмические методы синтеза средств инвариантного измерения параметров электрических цепей : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.11.01 : Пенза, 2004 360 c. РГБ ОД, 71:04-5/393

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение. 4

Глава 1. Постановка задачи синтеза структур и алгоритмов инвариантных средств измерения (ИСИ) параметров электрических цепей (ЭЦ). 27

1.1. Общие вопросы синтеза ИСИ ЭЦ. 27

1.2. Описание состояния и поведения ЭЦ как объекта измерительного эксперимента. 45

1.3. ЭЦ как объект измерительного эксперимента с позиции теории

систем. 52

1.4. Управляемость и наблюдаемость ЭЦ в составе комплекса ЭЦ измерительная схема. 64

1.5. Выработка стратегии измерительного эксперимента — синтез метода измерения. 71

Выводы по главе 1. 80

Глава 2. Анализ методов обеспечения инвариантности применительно к задаче синтеза ИСИ параметров ЭЦ. 81

2.1. Общие положения. 81

2.2. Постановка базовой задачи обеспечения инвариантности. 82

2.3. Классификация методов обеспечения инвариантности в ИСИ параметров ЭЦ. 96 Выводы по главе 2. 115

Глава 3. Синтез ИСИ параметров ЭЦ со структурно-алгоритмической избыточностью. 117

3.1. Общие положения. 117

3.2. Адаптивные ИСИ с физической моделью ЭЦ. 118

3.3. Адаптивные ИСИ с математической моделью ЭЦ. 165

3.4. ИСИ с промежуточным преобразованием в частотно-временной сигнал 203

Выводы по главе 3. 210

Глава4.Числовые измерительные преобразователи для ИСИ параметров ЭЦ. 212

4.1. Общие положения. 212

4.2.Алгоритмические аспекты разработки числовых измерительных преобразователей. 218

4.3. Разработка алгоритма автоматического формирования ХИ. 234

4.4. Выбор числа и вида характеристик иммитанса. 239

Выводы по главе 4. 240

Глава 5. Анализ погрешностей ИСИ и разработка путей их снижения. 242

5.1. Общие вопросы анализа погрешностей ИСИ со структурно-алгоритмической избыточностью. 242

5.2. Характеристика требований к совокупности промежуточных величин. 248

5.3. Интервальная оценка погрешностей измерения параметров ЭЦ. 252

5.4. Вероятностная оценка погрешностей измерения параметров ЭЦ. 267

5.5. Организация избыточности в ИСИ параметров ЭЦ как способ снижения погрешности измерения. 276

Выводы по главе 5. 282

Основные результаты и выводы по работе.

Список сокращений. 284

Список литературы, 285

Приложение.

Сведения о внедрении.  

Введение к работе:

Состояние проблемы. Развитие методов и средств измерений
является мощным рычагом повышения эффективности
производства и качества продукции. Сложность современных
технологических процессов, а также промышленных изделий и
природных объектов подразумевает необходимость измерения их
многочисленных параметров и характеристик различной

физической природы.

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 обязательности рассмотрения последних как многомерных, многокомпонентных объектов. В числе ОИ видное место занимают пассивные электрические цепи (ЭЦ), которые формально представляют собой обширный класс непрерывных систем.

Перечень задач, при решении которых необходимо получение информации о параметрах ЭЦ — активном сопротивлении, емкости, индуктивности и взаимоиндуктивности, постоянной времени, добротности и др. — чрезвычайно широк и включает измерение параметров эквивалентных схем электрорадиоэлементов — резисторов, конденсаторов, моточных изделий, измерение выходных величин параметрических датчиков, определение свойств и характеристик веществ, материалов и процессов в химии, биологии, когда ОИ представляется в виде ЭЦ. Одной из важнейших задач, измерительных экспериментов (ИЭ), включающих ЭЦ как ОИ, является осуществление раздельного независимого измерения каждого из параметров ЭЦ. В частном случае необходимо обеспечить независимость результата измерения одного из параметров от остальных, не подлежащих измерению в данном опыте.

Разработка указанной проблемы неразрывно связана с развитием техники измерений параметров ЭЦ и имеет обширную историю. Значительный вклад в теорию и практику раздельного получения информации о параметрах ЭЦ внесли работы научных

fUC. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

коллективов, руководимых Т. М. Алиевым, Э. М. Бромбергом, Л. И. Волгиным, Ф. Б. Гриневичем, К. Б. Карандеевым, В. Ю. Кнеллером, Л. Ф. и К. Л. Куликовскими, Б. Я. Лихтциндером, А. И. Мартяшиным, А. М. Мелик — Шахназаровым, Э. К. Шаховым, Ю. А. Скрипником, В. М. Шляндиным, Г. А. Штамбергером и другими.

Разработанные принципы построения СИ параметров ЭЦ с
подбором воздействия на исследуемую цепь, с физической
компенсацией влияния неинформативных параметров, с
временным выделением информации и др., позволили создать
СИ, характеризующиеся широтой диапазонов измерения,
достаточно высокой степенью инвариантности к

неинформативным параметрам и относительно высокими точностными характеристиками. В то же время, как показали исследования и опыт практического использования этих СИ, достигнутые характеристики являются в ряде случаев предельными, т. к. принципиально ограничиваются используемыми способами обеспечения инвариантности по каждому параметру ЭЦ. Это обстоятельство обусловило необходимость поиска новых путей построения СИ параметров ЭЦ, превосходящих известные по совокупности метрологических и эксплуатационных характеристик.

Предлагаемое направление совершенствования СИ параметров ЭЦ, состоит в их рассмотрении как управляемых динамических систем (УДС) и, соответственно, в применении для синтеза и анализа СИ концептуального и математического аппарата технической кибернетики и теории систем. Рассматривая исследуемую ЭЦ как многопараметровый пассивный объект, можно представить его реакцию на опорное (возбуждающее) электрическое воздействие в виде сложного электрического сигнала. Выделив в последнем составляющую определяемую параметром ЭЦ, измеряемым в данном ИЭ, можно считать другие составляющие сигнала возмущениями. Компенсация возмущений есть специфическая задача, успешно решаемая в теории автоматического управления и конкретно — в теории инвариантности УДС. Основные положения этой теории были сформулированы в трудах выдающихся отечественных ученых: академиков Н. Н. Лузина, Б. Н. Петрова, В. С. Кулебакина и др. Вопросам применения положений теории

инвариантности для построения СИ уделяется значительное внимание.

Понимание сходства задачи раздельного измерения параметров ЭЦ и обеспечения инвариантности в УДС послужило в семидесятые годьХХ в. толчком для разработки СИ параметров ЭЦ, получивших название «инвариантные» в смысле обеспечения независимости результата измерения от неинформативных (не измеряемых в данном опыте) параметров исследуемой ЭЦ безотносительно к способу ее обеспечения. Уже первые применения идей теории инвариантности для построения СИ подтвердили перспективность данного направления. Пионерская роль в области применения положений теории инвариантности к измерению параметров ЭЦ принадлежит Пензенской школе ученых — измерителей (В. М. Шляндин, А. И. Мартяшин, Э. К. Шахов, Е. П. Осадчий). На данном направлении уже более тридцати лет при непосредственном участии автора проводятся исследования и ведутся разработки соответствующих СИ. Создана гамма измерительных приборов и преобразователей, а также контрольно-измерительных систем различного назначения на их основе.

Вместе с тем, сложность проблемы обеспечения
инвариантности в измерительной технике в целом,
многочисленность и разнообразие теоретических и практических
задач, связанных с разработкой, исследованием и практическим
применением инвариантных СИ (ИСИ) параметров ЭЦ,
постоянное совершенствование методов и средств обработки
информации, прежде всего числовых, оставляют для
исследования обширное поле деятельности в наиболее
перспективном направлении развития структурно-

алгоритмических методов синтеза СИ.

На основе накопленного опыта оказалось возможным и целесообразным обратиться к разработке обобщенного подхода к проблеме обеспечения инвариантности в технике измерения параметров ЭЦ, прежде всего с целью поиска перспективных путей построения ИСИ, базирующихся на фундаментальных положениях теории УДС, теории инвариантности, с одной стороны, и на современных достижениях в области измерительной техники и информационных технологий — с другой.

Цель исследований. Теоретическое обобщение и развитие
методов построения ИСИ параметров ЭЦ на основе положений
теории инвариантности, разработка способов и средств
получения информации, обеспечивающих взаимную

инвариантность результатов измерения по каждому из параметров ЭЦ и обладающих совокупностью повышенных характеристик; теоретическое и экспериментальное исследование соответствующих измерительных средств, а именно:

1. Постановка и формализованное описание базовой задачи обеспечения взаимной инвариантности результатов измерения параметров ЭЦ (раздельного независимого отсчета).

  1. Выявление специфики реализации канонических форм инвариантности применительно к задачам раздельного измерения параметров ЭЦ, преимущественных областей их использования в этих задачах, условий и ограничений, накладываемых на их техническую реализацию.

  2. Теоретическое обоснование методов построения ИСИ на основе положений теории инвариантности; формулировка соответствующих условий инвариантности результатов измерения.

  3. Анализ реализуемости условий инвариантности и степени достижения инвариантности посредством предложенных способов.

  4. Синтез обобщенного подхода к проектированию ИСИ параметров ЭЦ и разработка алгоритмов его реализации.

  5. Разработка концепции алгоритмического и программного обеспечения числовых ИСИ на базе средств цифровой вычислительной техники.

  6. Развитие методов и методик оценки погрешностей многопараметровых ИСИ и выявление на этой основе перспективных направлений совершенствования ИСИ.

  7. Разработка и внедрение ИСИ параметров ЭЦ в составе автономных приборов и информационно-измерительных систем различного назначения.

9. Внедрение результатов научных исследований в
учебный процесс в виде соответствующих разделов
лекционных курсов, курсового и дипломного

проектирования, лабораторного практикума, учебных пособий, диссертационных работ.

Методы- исследований. Методологическую основу работы
составили положения теории систем в целом и УДС в частности,
теории сигналов, теории инвариантности, теории

идентификации, теории информационно — измерительных систем, а также методы математического анализа, вычислительной математики, организации натурных и компьютерных экспериментов и обработки экспериментальных данных, математического и имитационного моделирования.

Научная новизна:

  1. Развиты и обоснованы с позиций теории инвариантности методы получения информации о параметрах ЭЦ; предложен обобщенный подход к проблеме обеспечения инвариантности на основе организации в СИ избыточности.

  2. Выделено в качестве перспективного структурно — алгоритмическое направление совершенствования методов и средств инвариантного измерения параметров ЭЦ;

  3. Сформулированы и формализованы условия обеспечения инвариантности результатов измерения к неинформативным или не подлежащим измерению в данном ИЭ параметрам ЭЦ как обусловленности матрицы, описывающей ОИ — ЭЦ и разрешимости системы аппаратурно составляемых уравнений, являющихся уравнениями промежуточного преобразования в дополнительно организуемых в структуре ИСИ параллельных и/или последовательных каналах обработки;

  4. Предложена классификация методов обеспечения инвариантности при измерении параметров ЭЦ, основывающаяся на способах организации в ИСИ структурной и алгоритмической избыточности;

  5. Разработаны и исследованы новые классы многоканальных ИСИ с параметрическим доопределением и

с уравновешиванием по частоте, синтезированы реализующие их структуры измерительных устройств и преобразователей параметров ЭЦ;

6. Поставлена и решена задача описания процессов образования и анализа погрешностей для числовых ИСИ, разработана оригинальная методика анализа погрешностей с учетом трансформирования погрешностей преобразования «параметр-сигнал» и погрешностей промежуточных преобразований. Выработаны рекомендации по выбору параметров КО, разработаны способы- автоматической компенсации погрешностей программными средствами.

Практическое значение:

  1. Разработаны основы теории, проектирования и практической реализации нового класса измерительных устройств и системно ориентированных измерительных преобразователей, обеспечивающих решение ряда нерешенных ранее измерительных задач производственного и исследовательского плана.

  2. Результаты научных исследований составили теоретическую и практическую основу для создания комплекса ИСИ параметров ЭЦ, и построения на этой базе систем измерения- и контроля измерения давления, перемещения, температуры, силы и других физических величин, обладающих комплексом технико-эксплуатационных характеристик, превосходящих существующие.

Новизна и оригинальность выполненных разработок подтверждается тем, что все они выполнены на уровне изобретений (защищены 50 авторскими свидетельствами).

  1. Разработана методика синтеза и инженерного проектирования ИСИ параметров ЭЦ и анализа их погрешностей.

  2. Результаты научных исследований в виде методов и методик, практические разработки используются в учебном процессе В ПО и нашли отражение в ряде учебных пособий, разделах лекционных курсов,

лабораторных установках, курсовых и дипломных работах студентов соответствующих специальностей.

Реализация работы. Результаты научных исследований и практические разработки используются рядом научных групп в Пензенском государственном университете и в других научно-исследовательских организациях России при исследованиях и разработках ИСИ. Отдельные вопросы теории и практической реализации ИСИ послужили темами для трех кандидатских диссертаций, подготовленных и защищенных под руководством автора. Результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных автором в качестве научного руководителя, ответственного исполнителя или исполнителя, внедрены на промышленных предприятиях и в научно-исследовательских учреждениях в виде автономных измерительных устройств и преобразователей, используемых в контрольно-измерительных системах различного назначения:

  1. Преобразователь для измерения и контроля сопротивления и емкости 2-х и 3-х элементных электрических цепей в составе специализированного тестера для контроля монтажа печатных плат — на предприятии п/я А — 7438, г.Санкт-Петербург.

  2. Измерительный преобразователь перемещения на базе индуктивного дифференциального датчика перемещений типа ДПК-01 в составе цифрового микрометра ЦМ1 для рабочего места контролера механического цеха ПО «Пенздизельмаш», завода «Автозапчасть», г.Пенза и ПО «Электромеханика», г.Пенза.

  3. Комплекс измерительных преобразователей давления в цилиндре дизельного двигателя и перемещения поршня цилиндра на базе индуктивного датчика давления и потенциометрического датчика перемещения в системе для измерения среднего индикаторного давления на ПО «Пенздизельмаш», ПО «Пензкомпрессормаш» и для одноканального измерителя во ВНИИПТХиммаш, г.Пенза.

  4. Измерительные преобразователи индуктивности и емкости в составе двухканального измерителя перемещений (по изменению индуктивности) и диэлектрической проницаемости (по изменению емкости в жидкостной среде

зазора между датчиком и исследуемой поверхностью) в составе прибора для исследования явления кавитации вращающихся деталей различного профиля — во ВНИИПТХиммаш, г.Пенза.

  1. Преобразователи давления на базе датчиков типов ДДИ и ДП в составе многоканальной системы измерения, контроля и оперативной регистрации параметров быстро протекающих процессов в замкнутом объеме при высокой температуре — на предприятии п/яА — 7677, г.Воронеж.

  2. Система контроля и измерения механических параметров при производственных испытаниях ленточных машин марки Л250-1, Л2-50-220 и Л2-50-220У (определение напряжения хлопковой ленты в зоне плетения — в узле раскатной рамки, измерение зазоров между нажимными валиками и рифлеными цилиндрами — в узле вытяжного прибора) — в ОАО «Пензтекстильмаш», г.Пенза.

  3. Система автоматического контроля технологических параметров — ЗАО «ПенЗа», АМО ЗИЛ, г.Пенза.

  4. Преобразователь индуктивности в сейсмических датчиках для комплексных систем безопасности (Государственный музей-заповедник «Царское село» и др.) — в НПП РАСТ-Т, г.Пенза, а также в средстве обнаружения «ГОНГ» - в НИКИРЭТ, г.Заречный.

  5. Блок контроля технических параметров мельничных комплексов УПМК-ПМ-300, Поволжье ВТ2-01. - в ОАО «Пензмаш», г.Пенза.

  6. Система контроля параметров движения (программные продукты и аппаратные средства) и локомотивный скоростеметр — в ОАО «Электромеханика», г.Пенза, Локомотивном депо Москва-пасс. Октябрьской ж.д.

  7. Измерительный преобразователь емкости в частоту для датчика давления в системе управления промышленными манипуляторами — в п/я Р-6380, г.Пенза.

  8. Цифровой измеритель расхода масла на угар и мощности дизелей типа ПДГ-49; ИИС контроля энергетических параметров дизельгенераторов — в ОАО «Пенздизельмаш», г.Пенза.

  1. Стенд производственного контроля параметров электрорадиоэлементов — в ФГУП «Пензенское ПО «Электроприбор», г.Пенза.

  2. Устройство измерения и допускового контроля технологических параметров станков с ЧПУ — в ОАО «Пензенский центр технического обслуживания металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ», г.Пенза.

  3. Измерительный преобразователь RLC — параметров сложных электрических цепей в цифровом многофункциональном измерительном приборе — в ОНИЛАЭиК, г.Пенза.

  4. Преобразователь индуктивности датчика перемещения в частоту в составе цифрового микрометра — в ООО «Станкосервис М», г.Москва.

  5. Цифровой измеритель отношения давления в двигателях внутреннего сгорания и комплекс КИП для приемно-сдаточных испытаний - в ОАО «Пензкомпрессормаш», г.Пенза.

  6. Гамма системно ориентированных преобразователей неэлектрических величин на базе параметрических датчиков в составе аппаратуры комплексного контроля оборудования — в ГУЛ «Пензенский завод «Автомедтехника», г.Пенза.

  7. Преобразователи угла поворота в унифицированный сигнал на базе параметрических датчиков в виде гибридных ИС (серия 427ПА) и ГИС АЦП для вращающих трансформаторов (в рамках ОКР «Камышит» для специзделий) — в НИИЭМП, г.Пенза.

Экономический эффект в ценах 1991г. составил 1 миллион 970 тыс. руб. После 1991г. экономический эффект не оценивался.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, результаты проведенных исследований, опыт практического применения разработок докладывались и получили одобрение научной общественности на ряде Международных, Всероссийских, Всесоюзных, Республиканских, региональных и отраслевых научно-технических (НТ) симпозиумов, конференций, семинаров.

Публикации, По теме диссертации опубликовано 123 работы, 3 монографии; 6 учебных пособий; 39 статей, 25 тезисов докладов и получено 50 авторских свидетельств.

Структуре и объем диссертации. Диссертация состоит из 5 глав, основных результатов и выводов по работе и приложения. Общий объем работы — 311 листов. Библиография - 319 наименований.

Подобные работы
Кузнецов Евгений Николаевич
Структурные методы повышения точности измерения параметров электрических цепей
Ушенина Инна Владимировна
Аппаратно-программный комплекс для измерения параметров электрических цепей
Кострикина Инна Анатольевна
Методы и средства измерений электрических параметров материалов для оценивания влажности
Черепанов Виктор Яковлевич
Методы и средства метрологического обеспечения измерений параметров теплообмена и теплоносителей
Бабаев Сергей Сергеевич
Разработка координатного метода и средства измерения угла и параметров отклолнений формы конических поверхностей деталей машин
Дулов Олег Александрович
Методы и средства измерения шумовых и малосигнальных параметров мощных биполярных транзисторов для целей контроля их качества
Рущенко Нина Геннадиевна
Исследование и разработка методов решения задачи синтеза высокооднородного магнитного поля в МР-томографе
Бирюков Сергей Владимирович
Методы и средства измерения напряженности электрических полей, обеспечивающие уменьшение погрешности и расширение пространственного диапазона измерения
Кузнецова Елизавета Петровна
Разработка методики и средств измерения давления под движителями сельскохозяйственной техники
Измайлов Акрам Мехти оглы
Прецизионный частотно-временной датчик скорости звука и гидрологические средства измерения на его основе

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