авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Помехоустойчивые методы идентификации информационно-измерительных и управляющих систем

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Сурков Денис Михайлович

Помехоустойчивые методы идентификации информационно-измерительных и управляющих систем

Специальность: 05.11.16 - информационно-измерительные и управляющие системы (в научных исследованиях)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата

технических наук

Астрахань 2006

Работа выполнена в: Астраханском государственном техническом университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Андрианова Людмила Прокопьевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Микитянский Владимир Владимирович

доктор технических наук, профессор

Сапельников Валерий Михайлович

Ведущая организация: ОАО Редкинский ОКБА (опытно-конструкторское бюро автоматики),

пос. Редкино, Тверская обл.

Защита состоится 20 декабря 2006 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ.212.009.03 при Астраханском государственном университете по адресу: 414056 г. Астрахань, Татищева, д.20а., конференц-зал.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 414056 г. Астрахань, Татищева, д.20а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета.

Автореферат разослан «18» ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертации-

оного совета ДМ.212.009.03

д.т.н., профессор И.Ю.Петрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современной науке и технике непрерывно увеличивается число задач, для решения которых используют информационно-измерительные и управляющие системы. К таким задачам можно отнести управление различными технологическими линиями или процессами, двигательными и генераторными установками, летательными аппаратами, контроль и измерение параметров, реализацию сложных научных экспериментов в астрофизике и ядерной физике. Развитие информационных технологий и элементной базы, а также повышение требований к качеству управления способствуют широкому применению информационно-измерительных систем. На рис. 1 представлены данные компании Rodel&Partner Consulting за 2005 год о доле затрат на внедрение информационно-измерительных систем в различных отраслях промышленности. Отмечается тенденция к увеличению присутствия информационно-измерительных и управляющих систем в промышленном управлении и по отраслям машиностроения.

Рис. 1. Оценка затрат по отраслям промышленности

К управляющим системам предъявляют высокие требования к качеству управления, для обеспечения которых необходимо получить точное математическое описание объекта. Сложность современных объектов управления часто настолько высока, что аналитических подходов к математическому описанию оказывается недостаточно для получения достоверной модели поведения объекта в предполагаемых условиях эксплуатации или при проведении научных экспериментов. Эти условия, как и свойства самого объекта управления, могут не соответствовать расчётным, изменяться с течением времени или быть неизвестными заранее. В таких случаях для получения точного математического описания используют различные методы, основанные на решении задач идентификации. Теоретические и практические вопросы идентификации объектов и систем управления рассматривались в работах таких учёных, как В. В. Солодовников, В. Я. Ротач и др. Поскольку задачи идентификации являются некорректными, возникают определённые сложности при наличии различного рода внешних воздействий, влияющих на погрешность задания исходных данных и приводящих к неустойчивым вычислительным процедурам.

Таким образом, с целью получения математического описания сложных объектов и систем управления с высокой степенью точности в реальных условиях эксплуатации, существует необходимость в разработке помехоустойчивых методов активной идентификации и соответствующего программно-аппаратного обеспечения.

Актуальность диссертационного исследования обусловлена необходимостью решать такие задачи с заданной точностью за короткое время, используя при этом относительно простые алгоритмы.

Объект исследования: объекты, входящие в состав информационно-измерительных и управляющих систем.

Предмет исследования:

  • методы активной идентификации параметров объектов и систем управления;
  • способы формирования активных входных воздействий;
  • методы активной идентификации параметров объектов при высоком уровне помех.

Целью работы является разработка помехоустойчивых методов активной идентификации информационно-измерительных и управляющих систем, а также устройств для формирования активных воздействий с заданной точностью.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:

  • анализ существующих методов идентификации информационно-измерительных и управляющих систем;
  • разработка устройства аналогового формирования испытательных сигналов специальной формы;
  • разработка программного обеспечения для цифрового формирования испытательных сигналов специальной формы;
  • разработка методики активной идентификации информационно-измерительных и управляющих систем с использованием испытательных сигналов специальной формы при высоком уровне помех;
  • разработка помехоустойчивого способа активной идентификации с использованием сигналов специальной формы для прецизионного измерения навигационных параметров объектов.

Методы исследования. В работе использованы методы имитационного моделирования, численные методы, методы статистической обработки данных, методы цифровой обработки сигналов.

Научная новизна. В диссертации разработаны и выносятся на защиту следующие основные положения:

  1. Предложено устройство для формирования аналоговых испытательных сигналов в виде время-степенных функций, отличающееся использованием интеграторов с нелинейными элементами и цепями линеаризации их характеристик, управляемое микроконтроллером. В качестве нелинейных элементов предложено использовать полевые транзисторы с управляющим p-n переходом.
  2. Предложена программная реализация алгоритма формирования цифровым способом испытательных сигналов в виде время-степенных функций.
  3. Разработана помехоустойчивая методика активной идентификации параметров объектов, входящих в состав информационно-измерительных и управляющих систем с помощью испытательных сигналов специальной формы, отличающаяся применением алгоритмов фильтрации помех на основе вэйвлет-преобразований.
  4. Разработан способ прецизионного измерения навигационных параметров объектов с использованием импульсных испытательных сигналов, отличающийся тем, что регистрация откликов осуществляется тремя идентичными каналами, расположенными в одной неподвижной приёмной системе и осуществляется измерение длительности откликов, а не всего частотного спектра.

Практическая значимость работы.

  1. Устройство для формирования аналоговым способом испытательных сигналов специальной формы в широком диапазоне длительности, может быть использовано в составе информационно-измерительных и управляющих систем в подсистемах текущей идентификации параметров объектов. Устройство позволяет производить идентификацию коэффициентов передаточных функций объектов. На устройство подана заявка на полезную модель № 2006106473.
  2. Разработанное программное обеспечение может быть использовано для формирования испытательных сигналов для идентификации объектов с передаточными функциями первого и второго порядков, в частности для идентификации системы следящего привода и систем азимутального и угломестного приводов радиотелескопа.
  3. Методика идентификации информационно-измерительных и управляющих систем может быть использована для получения их точного математического описания при высоком уровне помех. Методика позволяет добиться высокой точности определения коэффициентов передаточных функций.
  4. Способ прецизионного определения навигационных параметров объектов с использованием импульсных испытательных сигналов может быть использован при проведении экспериментов в астрофизике, а также в радио- и эхолокационных исследованиях. На способ получен патент РФ № 2254588.

Внедрение результатов работы.

Методика активной идентификации объектов автоматизации при высоком уровне помех, принята к внедрению в ОАО «Астраханское центральное конструкторское бюро».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на второй Всероссийской научно – технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий.» (Восточно – сибирский государственный технологический университет, Улан – Удэ, 2001 г.), на 6 Всероссийской научно - технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 2002 г.), на научно – практической конференции «Пути повышения эффективности АПК в условиях вступления России в ВТО» (Уфа, 2003 г.), на международной конференции «Электрификация сельского хозяйства». (Уфа, 2005 г.) на научно – технических конференциях профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета (Астрахань, 2002, 2003, 2004, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 84 рисунка, список литературы включает 101 наименование.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, перечислены основные научные результаты диссертации, приведены практическая ценность и область применения результатов. Дано краткое изложение по главам.

Первая глава посвящена обзору существующих методов идентификации информационно-измерительных и управляющих систем, анализу литературных источников, источников патентной информации.

При разработке систем управления основной задачей является определение динамических характеристик объектов управления. Применяют методы определения временных и частотных характеристик объекта. Временные методы делятся на активные и пассивные. Активные методы предполагают обработку отклика объекта на испытательный сигнал, в пассивных методах фиксируют естественное состояние объекта и производят обработку массива данных.

В результате анализа литературных источников, источников патентной информации, открытой документации разработчиков систем идентификации и диагностики по ведущим странам (Россия, США, Япония, страны Евросоюза) за 6 лет, можно сделать выводы о том, что:

    1. активные методы хотя и менее устойчивы к внешним воздействиям по сравнению с пассивными, последние не позволяют получить математическую модель объекта, пригодную для дальнейшего использования по данным его нормального функционирования;
    2. активные методы обладают высокой точностью получения математического описания объекта;

Известен способ (патент РФ № 97105434) активной идентификации параметров объектов автоматизации с использованием испытательных сигналов и устройство для его осуществления, позволяющие уменьшить влияние неточности исходных данных на результаты идентификации и время эксперимента. Устройство не позволяет изменять длительность испытательных сигналов в широких пределах, поэтому не может быть использовано для идентификации коэффициентов передаточных функций объектов управления с существенно различными постоянными времени. Сигналы имеют строгое математическое описание:

где i – порядок сигнала (число испытательных сигналов зависит от порядков полиномов числителя и знаменателя аппроксимирующей объект передаточной функции);

А - амплитуда входного сигнала, (выбирается так, чтобы входной сигнал был достаточным для возбуждения объекта идентификации и в то же время не превышал максимально допустимого значения);

Т - интервал времени действия всех испытательных сигналов (интервал идентификации), выбирается равным длительности переходных процессов в исследуемом объекте.

Особенностью испытательных сигналов является то, что в точках регистрации откликов на их воздействие сам сигнал и все его производные, кроме старшей, принимают нулевое значение. В результате этой особенности каждый сигнал имеет свое автономное назначение и служит для определения соответствующего коэффициента передаточной функции (ПФ). Форма сигналов и их производных показана на рис. 2.

Рис. 2. Испытательные сигналы и их производные

Во второй главе рассматриваются вопросы формирования время-степенных сигналов аналоговым и цифровым способами, приводятся экспериментальные данные по идентификации различных объектов, входящих в состав информационно-измерительных и управляющих систем.

Известное устройство для аналогового формирования время-степенных сигналов построено на основе последовательно соединенных интеграторов на операционных усилителях, подключаемых в зависимости от порядка формируемого сигнала. Постоянные времени интеграторов управляются коммутацией последовательно соединённых резисторов и устанавливаются в зависимости от длительности интервала идентификации T. При использовании устройства для проведения идентификации объектов с существенно различными длительностями переходных процессов возникает проблема, связанная с ограниченным диапазоном и большим шагом изменения постоянных времени для каждого интегратора, так как длительность испытательных сигналов определяется длительностью переходных процессов в идентифицируемом объекте. Чтобы изменять постоянную времени в более широких пределах, необходимо увеличивать количество резисторов, что приведёт к использованию коммутаторов с большим количеством выходов и повышению сложности устройства управления.

Для расширения диапазона изменения постоянной времени и уменьшения погрешности, связанной с технологическим разбросом параметров резисторов, предлагается использовать интеграторы на полевых транзисторах (ПТ) с управляющим p-n переходом (рис. 3).

В таком интеграторе изменение постоянной времени происходит за счёт изменения сопротивления канала полевого транзистора в зависимости от управляющего напряжения. Резисторы R2 и R3 улучшают линейность характеристики ПТ путём добавления напряжения 0.5Uси к Uзи.

Рис. 3. Схема интегратора на полевом транзисторе

Количественно степень нелинейности характеристик оценивалась с помощью вычисления коэффициента линейной корреляции. Адекватность предложенных решений подтверждена результатами имитационного моделирования интегратора на полевом транзисторе в программах MicroCAP V, Electronics Workbench 5.12. При использовании цепи линеаризации при изменении входного сигнала интегратора от 0 до 100 мВ начальные участки выходных характеристик ПТ имеют нелинейность 0.5% при сопротивлении канала ПТ 80 Ом и 0.7% при сопротивлении 80 Мом. Управляющее напряжение на затворе ПТ изменялось в диапазоне 0.2 – 5 В

Так как коммутация интеграторов и формирование управляющих напряжений должны осуществляться с высокой точностью, в качестве управляющего устройства предложено использовать микроконтроллер. На рис. 4 приведена структурная схема устройства для формирования сигналов в виде время – степенных функций, в качестве устройства управления использован микроконтроллер PIC16F84.

Устройство содержит: источник ступенчатых импульсов 1, коммутаторы 2, 5, 8, интеграторы с изменяемой постоянной времени на ПТ 3, 6, 9, цифроаналоговые преобразователи 4, 7, 10, аналоговый мультиплексор 11, микроконтроллер 12, блок установки начальных условий 13.

Предложенное устройство (рис. 4) отличается от известного (патент РФ № 97105434) тем, что в нём использованы интеграторы с изменяемой постоянной времени на ПТ (3, 6, 9), дополнительно введены цифроаналоговые преобразователи (4, 7, 10) для формирования аналогового управляющего напряжения для интеграторов и управляющий микроконтроллер 12.

Устройство формирования испытательных сигналов работает следующим образом: после подачи питания перед формированием каждого испытательного сигнала микроконтроллер 12 осуществляет установку начальных условий для интеграторов 3, 6, 9, формируя соответствующий управляющий сигнал на линии RВ7. Это позволяет свести к минимуму погрешности интегрирования и восстановить начальные условия перед формированием очередного испытательного сигнала.

Рис. 4. Структурная схема устройства формирования испытательных сигналов

На линиях RВ1 – RВ3 микроконтроллера 12 формируются сигналы управления коммутаторами 2, 5, 8, которые подключают интеграторы 3, 6, 9 в зависимости от того, какой испытательный сигнал необходимо сформировать и подать на вход исследуемого объекта. После этого на линии RА2 формируются сигналы, управляющие работой источника ступенчатых импульсов 1, который формирует первый испытательный сигнал в виде ступенчатого воздействия. Подача соответствующего сигнала на вход объекта осуществляется с помощью аналогового мультиплексора 11 с управлением по шине I2C.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.