Модификация модели и создание алгоритма преобразования обобщенных параметров пассивных датчиков (стр. 1 )

ЮГО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

МОДИФИКАЦИЯ МОДЕЛИ И СОЗДАНИЕ АЛГОРИТМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОБОБЩЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ПАССИВНЫХ ДАТЧИКОВ

05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Диссертация

На соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки Российской Федерации,

Курск 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ  9

1. РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ИЗМЕРЕНИЙ ДВУХПОЛЮСНЫХ RLC ЦЕПЕЙ С ИМПУЛЬСНЫМ ПИТАНИЕМ  11

1.1 Новые модели и алгоритмы преобразования параметров RLC-двухполюсников c импульсным питанием на основе метода обобщенных параметров системной функции  11

1.2 Обобщенные параметры системной функции измерительной схемы  21

1.3 Эквивалентные преобразования обобщенных параметров  30

1.4 Обобщенные параметры частотно-независимых двухполюсников  44

2. РАСШИРЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРОВ ПАССИВНЫХ ДАТЧИКОВ  49

2.1 Идентификация пассивных двухполюсников с коротким замыканием между полюсами на постоянном токе  49

2.2 Определение параметров пассивного rlc-двухполюсника с разрывом цепи на постоянном токе  55

3. МОДИФИКАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРОВ ПАССИВНЫХ ДАТЧИКОВ НА ОСНОВЕ ЧАСТОТНО-НЕЗАВИСИМЫХ ЦЕПЕЙ  60

3.1 Виды частотно-независимых двухполюсников и их особенности  60

  3.1.1 Частотно-независимые двухполюсники последовательного типа  60

  3.1.2 Частотно-независимые двухполюсники параллельного типа  62

  3.1.3 Частотно-независимые двухполюсники на основе секций с разнородными реактивными элементами  64

3.2 Варианты схем преобразования обобщенных параметров RLC датчиков на основе частотно-независимых двухполюсников  67

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ УСТРОЙСТВ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ RLC-ДВУХПОЛЮСНИКОВ  85

4.1 Примеры экспериментов и вычислений  85

ЗАКЛЮЧЕНИЕ  103

Актуальность работы. Современное состояние промышленного производства характеризуется внедрением мощных по функциональным возможностям автоматизированных систем сбора, обработки информации и управления процессами. Составной частью автоматических систем и устройств автоматизации технологических процессов являются узлы, осуществляющие получение информации о ходе протекания того или иного процесса, его параметрах, внешних влияющих факторах. Эти данные чаще всего получают с помощью датчиков. В качестве моделей датчиков часто используют пассивные многоэле­ментные двухполюсники (МДП) с известной структурой RLC типа. На основании значений их параметров делают выводы о состоянии систем различного назначения и оценивают их характеристики. Это обусловливает важность задачи однозначного преобразования неизвестных параметров многоэлементных RLC двухполюсников в электрический сигнал.

Существенный вклад в изучении вопросов, связанных с из­мерением параметров электрических цепей, внесли , , -Шахназаров, , и др. Разработано значительное количество способов и устройств определения параметров МДП с возбуждением измерительной схемы (ИС) импульсами как в виде скачка напряжения, так и сложной формы, в частности, в работах разработана теория измерителей параметров многоэлементных двухполюсников с питанием импульсами сигнала в виде степенной функции времени.

Применение импульсного питания преобразователя параметров МДП имеет ряд достоинств: свойство раздельного уравновешивания, низкое потребление энергии от источника питающих импульсов, возможности расширения функций. Однако большинство известных алгоритмов преобразования основаны на громоздком  математическом аппарате и имеют узкоспециализированный характер. 

Более универсальным подходом к построению преобразователей параметров пассивных RLC-двухполюсных цепей является метод обобщенных параметров системной функции измерительной схемы, для возбуждения которой в качестве тестового сигнала применяются импульсы напряжения или тока, имеющие вид степенной функции времени, описанный в работах , и др. авторов. Были разработаны теоретические основы применения унифицированных величин, характеризующие электрические параметры МДП, и созданы на их основе универсальные алгоритмы идентификации пассивных двухполюсных  электрических цепей с известной схемой замещения, позволяющие увеличивать число контролируемых параметров.

В то же время в указанных выше работах не нашли отражения аспекты разработки моделей и алгоритмов преобразования параметров широкого класса объектов, в схемах замещения которых содержатся индуктивные элементы, замыкающие цепь на постоянном токе, а также емкостные элементы, создающие обрыв цепи для постоянного тока. Кроме того, представляет интерес исследование применения в устройствах преобразования параметров МДП частотно-независимых двухполюсных цепей (ЧНДП) для повышения функциональных возможностей преобразователей, а также модели и способы построения многоэлементных ЧНДП с использованием обобщенных параметров.

Таким образом, расширение функциональных возможностей аппаратных средств параметрической идентификации пассивных многоэлементных датчиков на основе метода обобщенных параметров является актуальной научно-технической задачей.

Целью диссертационной работы является модификация существующих моделей, создание нового алгоритма и аппаратных средств для систем сбора, первичной обработки информации о состоянии технологического процесса и расширение базы объектов измерения.

Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи:

Анализ существующих математических моделей и алгоритмов преобразования параметров RLC-двухполюсников с импульсным питанием на основе метода обобщенных параметров системной функции измерительной цепи; Модификация модели двухполюсной цепи с нулевым и бесконечным сопротивлением на постоянном токе и разработка алгоритма преобразования обобщенных параметров датчиков; Разработка модели частотно-независимых двухполюсников (ЧНДП) в рамках метода обобщенных параметров, а также вариантов реализации ЧНДП и преобразователей на основе ЧНДП; Экспериментальное исследование вариантов практической реализации устройств преобразования параметров многоэлементных датчиков с уравновешиванием напряжений и токов в измерительной схеме, оценка погрешности разработанных моделей.

Объект исследования: средства параметрической идентификации многоэлементных пассивных датчиков.

Предмет исследования: модели, алгоритм и аппаратные средств идентификации двухполюсных цепей на основе метода обобщенных параметров.

Научная новизна результатов работы и основные положения, выносимые на защиту:

- модифицированная модель системной функции и алгоритм преобразования параметров двухполюсных RLC-цепей с нулевым и бесконечным сопротивлением на постоянном токе, позволяющие расширить область применения метода обобщенных параметров;

- модель частотно-независимых двухполюсников (ЧНДП) в рамках метода обобщенных параметров и варианты реализации ЧНДП, а также аппаратных средств с применением ЧНДП, позволяющие упростить процедуры идентификации датчиков за счет использования особенности метода ЧНДП;

- схемные решения и экспериментальные исследования преобразователей параметров многоэлементных датчиков на основе разработанных моделей.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы теории электрических цепей, оптимизации, схемотехнического моделирования и математического анализа. Основные теоретические результаты проверены и подтверждены экспериментальными исследованиями путем математического моделирования.

Практическая значимость работы:

1. Модифицирована системная функция комплексной проводимости двухполюсников с коротким замыканием и комплексного сопротивления двухполюсников с обрывом цепи, что позволяет расширить область применения метода обобщенных параметров для идентификации многоэлементных датчиков.

2. Создана модель частотно-независимых двухполюсников и предложены варианты реализации ЧНДП и преобразователей на основе ЧНДП, упрощающие аппаратуру и процедуру параметрической идентификации датчиков.

3. Разработаны устройства определения параметров многоэлементных пассивных двухполюсников.

Диссертационная работа выполнена в рамках грантов Президента: для поддержки молодых кандидатов наук: МК-1099.2012.8 «Разработка научных и реализационных основ создания интеллектуальных оптико-электронных систем при ограниченных вычислительных ресурсах аппаратных средств»; для поддержки научной школы: НШ-2357.2014.8 «Исследование и разработка комплексного анализа видеоизображений для задач управления сложными техническими системами на основе адаптивных нейро-нечетких систем ввода с мягкими вычислениями».

Реализация и внедрение. Разработанный в диссертационной работе метод преобразования параметров многоэлементных пассивных двухполюсных (RLC-цепей) и созданная на его основе математическая модель линейных двухполюсников, имеющих многоэлементную схему замещения, содержащую резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы прошли промышленное апробирование в .

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс по направлению подготовки «Информатика и вычислительная техника», а именно:

при проведении лекционных, лабораторных и практических занятий по дисциплине «Электротехника, электроника и схемотехника» используются разделы диссертационной работы, связанные с формированием тестовых импульсов сложной формы и устройств уравновешивания сигналов RLC-датчиков; в курсе «Основы теории цепей и сигналов» используются разделы диссертационной работы, содержащие теоретические материалы о селекции отдельных составляющих сложных измерительных сигналов.

На защиту выносятся:

Модифицированная модель системной функции комплексной проводимости двухполюсного датчика с коротким замыканием и комплексного сопротивления с разрывом цепи на постоянном токе и алгоритм параметрической идентификации пассивных датчиков с коротким замыканием и разрывом цепи. Модель частотно-независимых двухполюсников (ЧНДП) в рамках метода обобщенных параметров. Схемные решения преобразователей параметров датчиков  с коротким замыканием и обрывом цепи между полюсами, а также с применением ЧНДП и устройства определения параметров многоэлементных пассивных двухполюсников.

Соответствие паспорту научной специальности. Содержание диссертации соответствует п. 3 «Разработка принципиально новых методов анализа и синтеза элементов и устройств вычислительной техники и систем управления с целью улучшения их технических характеристик» паспорта специальности 05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления.