Модификация модели и создание алгоритма преобразования обобщенных параметров пассивных датчиков (стр. 2 )

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены и получили положительную оценку на 5 международных, всероссийских и региональных конференциях: «Интеллектуальные и информационные системы» (Тула 2011); «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации. Распознование-2012» (Курск 2012); «Информационные системы и технологии» (Курск 2012); «Актуальные вопросы технических наук» (Москва 2014); «Математика и ее приложения  в современной науке и практике» (Курск 2014).

Публикации по теме диссертации. Основные результаты выполненных исследований и разработок опубликованы в 10 научных работах, среди них 4 статьи в рецензируемых научных журналах и изданиях, а также 1 патент РФ на изобретение.

Личный вклад соискателя. Все выносимые на защиту научные положения разработаны соискателем лично. В работах по теме диссертации, опубликованных в соавторстве, вклад соискателя состоит в следующем: в [72,76,77,80,81] предложен способ определения обобщенных параметров многоэлементных двухполюсников с включением в измерительную схему частотно-независимого двухполюсника, в [73,79] выявлена особенность применения метода обобщенных параметров в двухполюсниках с разрывом цепи,  в [74] предложена модификация алгоритма измерения параметров пассивных двухполюсников с коротким замыканием между полюсами на постоянном токе, в [75] предложен вариант построения схем частотно-независимых линейных двухполюсников, через Y-параметры.

Объем и структура работы. Диссертационная работы состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы. Работа содержит 111 страниц текста и поясняется 42 рисунками и 3 таблицами; список литературы включает в себя 71 наименование.

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние промышленного производства характеризуется внедрением мощных по функциональным возможностям автоматизированных систем сбора, обработки информации и управления процессами. В качестве моделей датчиков часто используют объекты, представляемые пассивными многоэле­ментными двухполюсниками (МДП)  с известной структурой RLC типа. На основании значений их параметров делают выводы о состоянии систем различного назначения и оценивают их характеристики. Преобразование неизвестных параметров МДП в электрический сигнал, безусловно, является важной задачей.

Значения составляющих выходного сигнала преобразователя несут в себе информацию об одном или нескольких параметрах многоэлементного двухполюсника. Поэтому важной задачей является раздельное преобразование параметров МДП. Для питания измерительной схемы (ИС) используется импульсное или синусоидальное воздействие.

Если на объект измерения воздействовать импульсами тока или напряжения, имеющего форму степенной функции,  анализ реакции измерительной схемы проводят по окончании переходного процесса в установившемся режиме.

При возбуждении ИС импульсами тока или напряжения, изменяющегося по закону n-й степени времени, выходной сигнал, имеющий степенную форму, содержит импульсы с показателями степени от n до нуля. Сигналы подобной формы можно селектировать с помощью дифференцирующих устройств. На данный момент разработано огромное количество устройств и способов определения параметров МДП с возбуждением мостовых цепей импульсами напряжения степенной формы. Мосты с импульсным питанием имеют ряд преимуществ: низкое потребление энергии, свойство раздельного уравновешивания, возможности расширения функций. Однако известные алгоритмы измерителей являются не достаточно универсальными и имеют «узкоспециализированный» математический аппарат. 

При реализации методов преобразования со сравнением осуществляется регулирование активных или пассивных величин с целью достижения заранее известных соотношений между обобщенными параметрами, характеризующими состояние равновесия ИС. Распространение получили схемы с компенсацией сигналов, в которых разность двух активных величин приводиться к нулю. Первая формируется в виде цепи преобразования многоэлементного двухполюсника. Вторая является вспомогательной цепью, в которой значение каждой составляющей компенсирующей величины регулируется пассивным элементом.

Быстродействующие методы измерений параметров многоэлементных цепей занимают важное место при решении задач диагностики контроля. Алгоритмы прямого преобразования параметров МДП предусматривают значительно меньшее количество операций в процессе измерения параметров, чем алгоритмы преобразования с уравновешиванием, но требуют выполнения математической обработки отсчетных величин. Однако эта проблема решается просто за счет интегрирования в аппаратуру измерителя современных средств вычислительной техники.

В устройствах преобразования параметров многоэлементных двухполюсных датчиков, схемы замещения которых представляют собой линейные пассивные двухполюсные цепи, для формирования компенсирующих сигналов напряжения или тока в процессе уравновешивания измерительной схемы широкое применение находят  частотно-независимые RLC?двухполюсники (ЧНДП). Как правило, конфигурацию ЧНДП авторы создают эвристическим путем на основе личного опыта и субъективных предпочтений [2,26]. В данной работе  предлагается рассмотреть «прозрачную» процедуру проектирования ЧНДП на основе обобщенных параметров пассивных двухполюсников с обоснованием условий применения составных частей схемы.

ГЛАВА 1. РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ИЗМЕРЕНИЙ ДВУХПОЛЮСНЫХ RLC ЦЕПЕЙ С ИМПУЛЬСНЫМ ПИТАНИЕМ

1.1 Измерители параметров RLC-двухполюсников c импульсным питанием

Для измерения параметров пассивного двухполюсника, имеющего многоэлементную схему замещения, его включают в электрическую цепь. При воздействии входного сигнала x(t) на подобную цепь происходит реакция v(t), которая позволяет определить параметры элементов двухполюсника. Для измерительных преобразований чаще всего выступают мосты переменного тока, которых питают, используя синусоидальное напряжение, и измерители с использованием импульсных  тестовых сигналов. Измерители с импульсным возбуждением различаются формой тестового сигнала (в виде скачка постоянного напряжения или импульсов сложной формы), методом преобразования (с компенсацией отдельных составляющих измерительного сигнала или прямым преобразованием) и временным интервалом измерений (на переходном процессе или в установившемся режиме).

Использование переходных процессов, возбуждаемых в измерительной схеме, для преобразования параметров пассивных многоэлементных двухполюсников авторы аргументируют широкими функциональными возможностями измерителей, высоким быстродействием и точностью измерений. Однако в реальных условиях эти характеристики трудно обеспечить. В качестве примера приводим схему преобразователя [32]. 

Рис. 1.1. Схема измерительного преобразователя параметров четырехэлементного двухполюсника на операционном усилителе

Измеряемый двухполюсник включен в цепь обратной связи операционного усилителя (ОУ), а образцовый резистор  R0 – во входную цепь. На вход измерительного преобразователя подают тестовый сигнал в виде скачка постоянного напряжения и в определенные моменты времени в течение переходного процесса осуществляют измерения мгновенных значений выходного напряжения, по которым вычисляют параметры элементов двухполюсника.  Операторное изображение выходного напряжения имеет вид

,

где

– операторное сопротивление двухполюсника объекта измерения. При подаче на вход измерительного преобразователя скачка постоянного напряжения с амплитудой Uвх в измерителе начинается переходный процесс. Подставим в формулу для Uвых (р) изображение входного воздействия   и определим оригинал выходного сигнала. Он содержит три составляющих: линейно изменяющегося, постоянного и экспоненциально затухающего напряжений:

.

С целью упрощения формул удобно ввести промежуточные величины:

;  ;  ;  .

Тогда выражение выходного сигнала примет вид

.

Для определения четырех неизвестных величин требуется система четырех уравнений, каждому из которых соответствует значение сигнала, измеренного в равноотстоящие моменты времени t = T; 2T; 3T; 4T. Обозначим их U1,U2, U3, U4 соответственно. Первоначально находим постоянную времени экспоненциальной составляющей

Затем определяем,,:

После этого вычисляем параметры двухполюсника

,,,        .