автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка и исследование преобразователей импеданса с расширенными функциональными возможностями для систем управления и сбора данных

На правах рукописи

ХАСЦАЕВ Марат Борисович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ИМПЕДАНСА С РАСШИРЕННЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И СБОРА

ДАННЫХ

Специальность: 05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

>1 6 АВГ ¿0/2

Владикавказ - 2012

005046671

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский горнометаллургический институт (государственный технологический университет)»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Дедегкаев Альберт Гагеевич

Официальные оппоненты: Кармоков Ахмед Мацевич

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой материалов и компонентов твердотельной электроники КБГУ

Петров Юрий Сергеевич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической электротехники и электрических машин СКГМИ (ГТУ)

Ведущая организация: Научно-производственный комплекс

«Югцветметавтоматика», г. Владикавказ

Защита состоится 7 сентября 2012 г. в 1400 час. на заседании диссертационного совета Д212.246.01 при ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский горнометаллургический институт (государственный технологический университет)» по адресу: 362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, СКГМИ (ГТУ). Факс: (8672) 40-72-03. E-mail: info@skgmi-gtu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке СКГМИ (ГТУ).

Автореферат разослан «_».

2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.246.01 к.т.н., доцент

А.Ю. Аликов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Параметры импеданса (модуль, активная и реактивная составляющие, емкость, индуктивность, тангенс угла потерь, добротность и др.) характеризуют с высокой точностью свойства веществ, качество различных изделий и технологических процессов, примесей, содержащихся в растворах, в почве, качество продуктов питания, разнообразные изменения, происходящие в медико-биологических и физических объектах и пр. Для определения этих параметров необходимы прецизионные, быстродействующие преобразователи импеданса (ПИ) с широкими функциональными возможностями, с простой реализацией. Однако существующие ПИ часто не соответствуют этим требованиям (о чем еще будет сказано ниже), хотя являются важным и перспективным классом измерительных преобразователей. Они используются и как основные элементы локальных приборов, и как элементы информационно-измерительных систем, автоматизированных систем научных исследований, автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), систем диагностики и телеизмерений, систем контроля и первичного сбора данных, в других системах.

Широкое применение и развитие ПИ в течение ряда десятилетий обеспечивали работы крупнейших ученых страны, таких как: К.Б. Карандеев, Ф.Б. Гриневич, Л.Ф. Куликовский, A.M. Мелик-Шахназаров, Т.М. Алиев,

A.Д. Нестеренко, Г.А. Штамбергер, K.M. Соболевский, H.H. Шумиловский,

B.М. Шляндин, Б.И. Швецкий, СЛ. Эпштейн, Ю.В. Кнеллер и др.

Характерно то, что области применения ПИ непрерывно расширяются.

Но, несмотря на имеющиеся успехи в улучшении характеристик ПИ, существующие приборы и научные заделы, обеспечивающие их улучшение, явно не соответствуют требованиям все открываемым сферам применения ПИ, не отвечают требованиям ближайшего будущего. Причины: непрерывный и скачкообразный рост новых задач, нуждающихся в использовании ПИ, большие требования к ПИ, сложность задачи преобразования импеданса, отставание в теоретических исследованиях и пр.

Используемые на практике приборы характеризуются ограниченными функциональными возможностями, а также недостаточным быстродействием и т.д. В целом, в настоящее время отсутствует парк ПИ с высокими техническими и потребительскими характеристиками. В то же время развитие путей построения ПИ обусловлено потребностями различных отраслей народного хозяйства и задачами научных исследований.

Поиск путей устранения недостатков ПИ позволил выявить два наиболее перспективных направления улучшения характеристик ПИ, определенные как структурное и интеллектуальное. Первое предполагает изменение структуры ПИ, второе - внедрение в ПИ свойства человеческого интеллекта.

Было установлено, что одновременное применение в ПИ и структурного, и интеллектуального направлений приведет к существенному улучшению характеристик ПИ. Последнее определило цель диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является расширение функциональных возможностей ПИ на основе применения в них структурных способов и элементов искусственного интеллекта.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи исследования:

- разработка принципов улучшения характеристик ПИ на основе структурного подхода к изменению свойств базовых измерительных цепей (ИЦ) и разработка методологии совершенствования ПИ структурными способами;

- исследование и систематизация структурных способов для улучшения сходимости, чувствительности и линейности ПИ, а также обеспечения инвариантности к неинформативным параметрам элементов соединения (ЭС) и объектов исследования (ОИ), включая многоточечные измерения ОИ;

- разработка алгоритмов построения ПИ с улучшенными структурными способами характеристиками и используемых в режимах: уравновешивания, квазиуравновешивания и неуравновешивания;

- определение структурных составляющих ПИ, обеспечивающих его интеллектуализацию .

Объект исследования. Современные ПИ для систем управления и сбора данных.

Предмет исследования. Предметом исследований работы является комплексное улучшение ПИ на основе структурного подхода с реализацией в ПИ элементов искусственного интеллекта.

Методы исследования. Для решения поставленных задач и достижения цели диссертации использованы: структурный подход к обобщенному анализу и синтезу структур измерительных цепей, на основе которых строятся ПИ; методы математического анализа; основные положения теории графов; теории комплексного переменного; методы искусственного интеллекта.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработаны концепция построения ПИ с расширенными функциональными возможностями и соответствующие методы ее реализации с применением структурных способов и элементов искусственного интеллекта.

2. Предложены структурные способы, методика и алгоритм совершенствования ПИ, исследованы возможности их практического применения. Разработаны структурная и функциональная схемы интеллектуального ПИ (ИЛИ), а также структура интеллектуального интерфейса пользователя (ИИП).

3. Исследованы и разработаны модели квазиуравновешиваемых ПИ (КПИ) на основе линеаризованных четырехплечих мостовых измерительных цепей (МЦ), для которых выявлено существенное расширение их функциональных возможностей, особенно в режиме полууравновешивания. Разработаны графовые модели этих МЦ с улучшенными свойствами и принципы построения интеллектуальных КПИ (ИКПИ).

4. Исследованы возможности структурно-итерационного, структурно-алгоритмического методов и метода многоточечного измерения ОИ для построения ПИ, инвариантных к неинформативным параметрам ЭС, а также сформулированы и доказаны теоремы о возможности обеспечения инвариантности к неинформативным параметрам ЭС в ПИ.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Разработанные методология совершенствования ПИ, метод синтеза структурных способов и алгоритмы их реализации составляют высокоэффективный инструментарий для разработчиков измерительной аппаратуры.

2 Синтезированные в работе модели ПИ на структурном уровне позволяют проектировать целый ряд ПИ с хорошей сходимостью, чувствительностью, линейностью и новыми функциональными возможностями (включая режимы квазиуравновешивания и полууравновешивания), со свойствами инвариантности к неинформативным параметрам в режиме неуравновешивания.

3. Предложенные принципы интеллектуализации ПИ обеспечивают построение высокоэффективных ПИ и применимы во всех классах измерительных преобразователей.

4. Построенные схемы ПИ на основе МЦ в разных режимах ее работы перспективны и смогут найти широкое применение в АСУ ТП, в системах сбора данных, в системах автоматизации научных исследований и диагностики.

Достоверность результатов диссертационной работы, научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами математического моделирования, вычислительными экспериментами, а также результатами использования материалов диссертации на производстве.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы и практические рекомендации использованы при разработке АСУ 111 наГУП «Радуга» (г.Владикавказ) с ожидаемым экономическим эффектом

300 тыс.руб./год (2012 г.).

Научные и практические результаты диссертационнои работы также внедрены в учебный процесс в Северо-Кавказском горно-металлургическом институте, в Северо-Осетинском государственном университете.

Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими документами о внедрении.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и получили одобрение на VII Международной научной конференции «Устойчивое развитие горных территорий в условиях глобальных изменений», г.Владикавказ, 2010г., на V Международной конференции -выставке «Промышленные АСУ и контроллеры 2010: от А до Я», г.Москва, 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации кандидатских и докторских диссертаций.

Личный вклад. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, диссертантом выполнены: теоретическое и экспериментальное исследования линеаризованных МЦ, разработка графовых моделей ПИ с новыми функциональными возможностями, математический анализ разработанных ПИ, решение вопросов внедрения ПИ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 178 стр. машинописного текста, 4 таблицы,54 рисунка, список литературы из 101 наименований (из них 17 - зарубежных источников информации), 2 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, дана общая характеристика выполненной работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен информационно-аналитический обзор современного состояния и развития ПИ. В главе дан анализ необходимости и важности решения задачи улучшения характеристик ПИ, причины, определяющие их недостатки, функции ПИ в многоканальной АСУ ТП. Входящая в состав АСУ ТП многоканальная система сбора данных с функциями управления приведена на рисунке 1. Из него видно, что система включает в себя флеш-микроконтроллера (МК), блок сопряжения с компьютером (ПК) - RS-232, буферный усилитель (БУ), стабилизатор напряжения (СН), а также источник опорного напряжения (ИОН), переключатель каналов, ключ (К), кварцевый резонатор (КР) и индикатор работы системы (ИР). В МК встроены АЦП. Частота работы МК задается внутренним тактовым генератором и стабилизируется при помощи внешнего кварцевого резонатора КР. Для выбора нужного канала измерения применен внешний переключатель каналов, что обеспечивает использование всего одного буферного усилителя БУ с переменным коэффициентом усиления, который зависит от состояния ключа К. ПИ, _ ГТО„ устанавливаются перед переключателем каналов и на выходе имеют аналоговые сигналы, на входы ПИ сигналы подаются от датчиков Д, -Д„. МК обеспечивает выработку сигналов управления исполнительными органами (ИО), подаваемые вначале на блок усиления управляющих сигналов (БУУС), а затем только на исполнительные органы. БУУС начинает выполнять функцию цепи обратной связи, а система из системы сбора данных перерастает в систему управления.

Исследованы важнейшие тенденции развития ПИ и определены их недостатки и достоинства, выбраны два наиболее перспективных направления улучшения характеристик ПИ, названные структурным и интеллектуальным. Обоснована целесообразность исследования выбранных путей улучшения

характеристик ПИ и показана их значимость. При этом структурный путь исключения недостатков составных частей ПИ основан на ввод в структуру ПИ дополнительных элементов и структурных связей без нарушения конфигурации исходной структуры ПИ, которой определялись их хорошие свойства, а путь интеллектуализации основан на внедрении в ПИ свойств человеческого интеллекта для существенного улучшения их характеристик.

Рисунок 1 - Многоканальная система сбора данных.

Предложена концептуальная модель улучшения характеристик ПИ структурными способами, приведенная на рисунке 2, и разработана соответствующая этой модели методология улучшения характеристик ПИ.

На модели ПИ, состоящей из ОИ, ЭС ОИ к ПИ, ИЦ, функционального преобразователя (ФП) показано их значение в определении свойств, возможностей и метрологических характеристик ПИ. Приведены также задачи 3-1 -3-4 и структурные способы СС-1 - СС-4. Выявлена зависимость особенностей составных частей ПИ с недостатками ПИ. Наивысшую приоритетность имеют задачи 3-3, связанные с улучшением характеристик ИЦ, а значит, наиболее важными структурными способами являются СС-3, обеспечивающие совершенствование ИЦ.

Основными положениями методологии являются:

1. Разработка концептуальной модели улучшения характеристик ПИ.

2. Определение путей улучшения характеристик ПИ по типам решаемых задач.

3. Синтез структурных способов улучшения характеристик ПИ.

4. Разработка структурных схем ПИ с улучшенными характеристиками на основе синтезированных структурных способов.

V V

ои \ / эс \ у

/

Уровни модели: 1

Рисунок 2 - Концептуальная модель построения ПИ с расширенными функциональными возможностями.

Достоинство методологии - развитие подхода для комплексного решения проблемы совершенствования характеристик ПИ, предусматривающего исключение недостатков составных частей ПИ с учетом их приоритетности.

В главе приведена классификация известных методов преобразования параметров импеданса и рассмотрено 9 структур, на основе которых построены существующие ПИ. Отмечена возможность улучшения характеристик ПИ разными структурными способами.

В главе рассмотрена и обоснована задача интеллектуализации ПИ с точки зрения улучшения характеристик ПИ и отмечена важность пути интеллектуализации приборных средств на современном этапе развития науки и техники. Поэтому вторым направлением улучшения характеристик ПИ в диссертационных исследованиях выбрана интеллектуализация ПИ. В работе дано определение интеллектуализации ПИ, так как до настоящего времени существуют различные трактовки понятия интеллектуализации приборных средств. В работе под интеллектуализацией ПИ понимается процесс реализации свойств человеческого интеллекта в ПИ. Выделены основные признаки, которыми следует характеризовать ИПИ. Это - умение обучаться; выполнение интеллектуальной обработки измерительной информации с возможностью формирования новых знаний, выявления новых процессов; осуществление автомагического выбора цифровых фильтров, реализованных программно. Функционирование ИПИ возможно при наличии в его структуре баз данных (БД), базы знаний (БЗ), ИИП.

По выбранным направлениям исследований сделан вывод, что оба направления являются наиболее перспективными и могут применяться по отдельности или совместно. При их совместном применении достигается мак-

симальный эффект в улучшении характеристик ПИ. Дополнительно следует отметить, что достоинства структурных путей и известных средств интеллектуализации еще связаны с возможностью их применения при реализации всех методов преобразования параметров импеданса в активные или цифровые величины, а значит во всех структурах существующих ПИ и во вновь разрабатываемых.

На основании проведенного анализа литературных источников определена цель диссертационной работы и сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена задаче улучшения сходимости, чувствительности и линейности ПИ структурными способами, анализу и систематизации структурных способов, разработке принципов построения ПИ с интеллектуальными способностями.

На основе сигнальных графов показана схема синтеза структурных способов улучшения характеристик (сходимости, чувствительности и линейности) ПИ, предусматривающая поиск способов изменения выходной величины

ПИ Ав в К2 Раз (¿7 - коэффициент, зависящий от переменных параметров ПИ), сохраняющих при этом исходное построение ветвей и условие равновесия для нулевых ПИ. Такое изменение выходной величины ПИ определяется недостатками ПИ (существенно изменяющиеся в пределах измерения чувствительности, плохая сходимость или (и) нелинейная зависимость выходного сигнала от измеряемой величины), которые, в свою очередь, связаны с характером зависимости выходной величины ИЦ Ав от ее переменных параметров: измеряемых (х,у) и регулируемых (р,я). Часто при классической структуре нулевого ПИ, представляемого графом с двумя параллельными ветвями, вид функции преобразования ПИ:

Ав=АэР(х,у,р,я)=[ К2(х,у,р,Ч)- К,(х,у,р,я)]Аэ,

где Р(х,у,р,я) - функция преобразования ПИ, К1 (х,у,р,я) и К 2 (х,у,р,я) -коэффициенты передач верхнего и нижнего ребер графа (К2=К'2 К2), определяется основными требованиями к функциональным и метрологическим возможностям необходимого ПИ. Обеспечив эти требования, зависимость передач К2 и К2 от переменных параметров ветвей графа, во многих случаях бывает нежелательной с точки зрения обеспечения хорошей сходимости, чувствительности или линейности. К примеру, если при этом в ветви с передачей К2 оказывается

участок с обратно пропорциональной зависимостью передачи К^ от регулируемой комплексной величины, то линии уравновешивания ПИ являются окружностями, из-за чего возникают все известные трудности с обеспечением хорошей сходимости и быстродействия в ПИ. При использовании ПИ в режиме неуравновешивания, его функция преобразования — нелинейная уже

при появлении передачи К^ с обратно пропорциональной зависимостью от параметра (х или у). В указанных случаях недостатки ПИ исключаются изменением Авна величину К. 2 ■ Анализ многих ИЦ показал, что изменение выходной величины ИЦ с сохранением исходного построения ветвей на величину К^ обеспечивает улучшение сходимости и быстродействия уравновешиваемых ПИ и линейную функцию неравновесным ПИ, а также изменение характера зависимости чувствительностей ПИ от переменных параметров (обеспечение постоянства или (и) повышение чувствительности). Предложенная методология синтеза структурных способов предопределила разработку всей совокупности возможных структурных способов с разными свойствами и особенностями, их систематизацию и системный анализ. В главе разработана методика применения структурных способов для улучшения сходимости, чувствительности и линейности ИЦ и ПИ. Рассмотрены примеры построения ПИ с улучшенными характеристиками на основе предложенной методики. Основные положения методики являются: формулировка задачи улучшения характеристик (сходимости, чувствительности или (и) линейности) ИЦ, как задачи изменения ее выходной величины на определенную величину (К-2), зависящую от переменных параметров ИЦ; построение

обобщенного графа по принципиальной или структурной схеме ИЦ (осуществляется переход от схемы к модели в виде графа); построение на основе графа в соответствии с одним из структурных способов нового графа - переход к новой структуре ИЦ, имеющей желаемые свойства (построение нового графа включает в себя такие шаги, как определение участка ветви в графе ИЦ, на коэффициент которого практически возможно и целесообразно изменение функции преобразования; выбор структурного способа в зависимости от нахождения участка ветви, на коэффициент которого необходимо изменить функцию преобразования, и свойств, которыми должен обладать ПИ; построение нового графа ПИ с использованием выбранного способа; проверка результата улучшения характеристики ПИ и повторение шагов в случае отсутствия желаемого результата); построение на базе полученного графа схемы ПИ (переход от графа к схеме ПИ). Алгоритм построения ПИ с улучшенными характеристиками, лежащий в основе данной методики, приведен на рисунке 3.

Заметим, что основным шагом алгоритма построения ПИ с улучшенными в желаемом направлении характеристиками является выбор структурного способа, так как в некоторых ПИ выделение участка с коэффициентом передачи, изменение на который выходной величины ИЦ обеспечивает желаемую зависимость ИЦ от переменных величин, составляет большую трудность.

В главе задача улучшения чувствительности ПИ структурными способами рассматривается на разных примерах и показывается, что чувствительность ПИ к отклонению любого скалярного параметра «с» определяется по формуле:

М^Щк^ск.-к,)^- .

дс дс Аэ

ас (к^)2

Так как в равновесном состоянии ПИ (К2- КО - 0, то следует:

или ^

дс ¿2 К2

где ¡3 - чувствительность к тому же параметру ПИ с исходной структурой (при К2=К^КЯ2).

На основе структурных способов в главе разработан класс МЦ с не только улучшенной сходимостью и чувствительностью, но и линеаризованных относительно измеряемых импедансов. Для ПИ, строящихся на основе МЦ, выявлены структурные способы с положительной обратной связью (ПОС), реализуемые без использования усилителей с большими коэффициентами усиления. Разработаны графовые модели МЦ с использованием комбинаций разных структурных способов.

В главе также исследованы вопросы практического построения ИПИ, в частности рассмотрен принцип построения ИПИ, предусматривающий дополнение обычного (исходного) ПИ блоками интеллектуализации, к которым относятся БД, БЗ, ИИП, блок интеллектуальной обработки и анализа данных (БИАД). Структурная схема построенного ИПИ на основе указанного принципа приведена на рисунке 4. Другой принцип построения ИПИ - это вначале улучшение характеристик ПИ структурными способами, а затем - интеллектуализация ПИ. В работе определены особенности БД и БЗ, необходимых для работы ИПИ, построенного как по первому принципу, так и по второму.

Рисунок 3 - Алгоритм построения ПИ с улучшенными характеристиками на основе структурных способов.

В главе показано, что построение БД и БЗ определяются во многом недостатками исходных ПИ. К примеру, при построении ИПИ на основе обычной уравновешиваемой МЦ необходимы одни БД и БЗ, а при использовании линеаризованной МЦ требования к БД и БЗ другие, они более простые. Последнее обеспечивает существенное упрощение ИПИ. В целом, оба принципа реализуются с использованием одинаковых элементов по назначению. Так, в

обоих случаях обязательными БД являются БД областей применения параметров импеданса в качестве информативных параметров, БД измеряемых (преобразуемых) параметров, БД моделей ОИ, БД методов преобразования, БД ИЦ, БД условий и режимов преобразования, БД измерительных сигналов, БД источников ошибок при измерениях и т.д. Проанализировано значение БЗ в ИПИ, для создания которой необходимо выполнить 5 процедур: идентификация решаемой ИПИ задачи (анализ всех классов задач преобразования импеданса, выделение подзадач и типовых ситуаций, оценка информационных, временных и вычислительных ресурсов, формулировка целей и задач построения ИПИ); концептуализация (выделение понятий и типов отношений, выявление механизма управления понятиями и уровня детализации, структуры, общей стратегии и области применимости для создания классификатора предметной области и протокола действий для различных ситуаций); формализация (построение понятий отношений в виде формализованной схемы, ориентированной на языки построения БЗ, разработка модели задачи); реализация (разработка правил и процедур, адаптация уже разработанных программных средств или создание нового программного обеспечения (ПО)); тестирование (необходимо для проверки адекватности разработанной системы). Разработана функциональная схема ИПИ и алгоритм его работы. Рассмотрены особенности ПО ИПИ.

Рисунок 4 - Структурная схема ИПИ.

Разработанный в главе ИИП представляет собой механизм самообучения ПИ при взаимодействии с пользователем и внешней средой дня решения задачи преобразования импеданса, для контроля состояния ПИ при различных действиях пользователя (при аварийных ситуациях и неадекватных действиях пользователя). ИИП обеспечивает сокращение времени разработки ПИ, времени на адаптацию к ПИ и упрощение взаимодействия с ним. В состав ИИП входят элементы и компоненты программы, способные оказывать воздействие на отношение пользователя с ПО. Он определяет средства отображения информации, отображаемую информацию в форматы и коды; командные режимы и язык пользователя - интерфейса; устройства и технологии ввода данных; диалоги, взаимодействия и транзакции между пользователем и компьютером; обратную связь с пользователем; поддержку принятия решений в конкретной предметной области и т.д. ИИП включает в себя БД: базовых понятий, определений, единиц измерений, типовых словосочетаний, сообщений, ситуаций, возникающих в процессе измерения. ПО ИИП должно обеспечивать выполнение функций анализа, синтеза, сравнения, обобщения, накопления, обучения всех составных элементов, участвующих в процессе взаимодействия с пользователем, обеспечивая тем самым интерфейсу интеллект. Главными функциями ИИП являются: анализ выполняемых действий пользователя, определение класса пользователя и его обучение в соответствии со степенью образования, оптимизация выполнения технических операций, опрос пользователя — формирование решения и выполнение команд для аппаратной части ПИ с выводом результатов измерений и т.д.

ИПИ также должен иметь в составе графический интерфейс пользователя (ГИП) — графическая среда организации взаимодействия пользователя с вычислительной системой. ГИП обеспечивает управление поведением вычислительной системы посредством визуальных элементов управления, включая окна, списки, кнопки, гиперссылки и т.д.

Третья глава посвящена исследованию возможностей расширения функций и улучшения характеристик КПИ структурными способами и построению высокоэффективных КПИ с улучшенными характеристиками различного назначения. Исследованы отдельные вопросы построения ИКПИ. Главным образом исследованы свойства и возможности обычных и линеаризованных структурными способами МЦ, описываемых выражениями:

аВ -Ь аВ - Ь аВху-Ь .

= ^(1 + ав::)(1 + ь);

Исследовано четыре типа МЦ с одной цепью ОС, в которых обратной связью охватывается ветвь сравнения или ветвь с ОИ. Показано, что большими функциональными возможностями МЦ обладают, когда с помощью

ФЧД устанавливается синфазность или квадратура между напряжением разбаланса и падением напряжения на одном из плеч МЦ. МЦ с ОС обладают большими функциональными возможностями. Они обеспечивают формирование как пассивной, так и активной величин постоянного или переменного тока, пропорциональных параметру импеданса, а по выходной активной величине определять отношения составляющих или одной из составляющих импеданса и т.д. Приобретаемые новые свойства МЦ зависят от применяемого структурного способа и от вида ОС и их числа. Наибольший интерес представляют МЦ с двумя ОС. Исследования этих МЦ подтвердили схожесть их свойств со свойствами известных полууравновешиваемых ИЦ.

В главе показано, что на основе линеаризованных МЦ возможно построение сравнительно простых ПИ с широкими функциональными возможностями. К примеру, ПИ модуля импеданса в широких пределах измерения и ПИ для преобразования не менее двух параметров импеданса (с отсчетом параметров по пассивной и по активной величинам) и т.д. Определено, что результаты исследований полууравновешиваемых МЦ могут быть перенесены на другие известные полууравновешиваемые ИЦ. Построены на моделях в виде графов всевозможные структуры МЦ с двумя ОС. На основании выявленных структур квазиуравновешиваемых МЦ построены варианты аналоговых ПИ, простых в реализации.

В главе показана и возможность целенаправленного улучшения характеристик известных полууравновешиваемых ИЦ и синтез структур ПИ на основе этих ИЦ. Для ИКПИ в главе рассматриваются особенности построения БЗ, вопросы использования знаний, отмечено, что знания должны модифицироваться по необходимости, возможна их интерпретация, формирование новых знаний. Указывается, что знания ценны не сами по себе, а возможностями их применения. В связи с этим современные методы представления знаний в БЗ представляют собой совокупность и взаимосвязанность средств формального описания знаний и манипулирования ими. В ИКПИ БЗ должна содержать исчерпывающий объем априорной и апостериорной информации о КПИ, информацию важную для измерения импеданса с использованием одного регулируемого органа, информацию об ОИ, метрологического анализа результатов измерения и пр. В БЗ ИКПИ должна формироваться и храниться информация о методах калибровки и тестирования, самодиагностики, о режимах измерения импеданса разных ОИ, о режимных параметрах ОИ. БЗ также должна хранить информацию о дестабилизирующих факторах, воздействующих на основные части ИКПИ, об эталонных значениях резисторов и конденсаторов, используемых для квазиуравновешивания КПИ и т.д.

Перспективной формой представления знаний в БЗ являются фреймы, благодаря своей универсальности и гибкости. Разработана фреймовая модель представления знаний и алгоритм (продукционное правило) функционирования БЗ ИКПИ для случая выборки модели ОИ:

5*, Р(г„/Ь 7У, £»/.

В главе рассмотрены и разработанные КПИ для экспресс-анализа экологического загрязнения горных территорий, контроля и управления технологическими процессами. Разработан ИКПИ для решения ряда задач, структурная схема которого представлена на рисунке 5. Он предназначен для измерения двух параметров импеданса во многих точках ОИ. В результате таких измерений и их обработки обеспечивается исключение влияния неинформативных параметров на точность измерения. В роли неинформативных параметров в главе рассматриваются импедансы соединительных проводов, им-педансы контактов и т.д. В ИКПИ используется структурно-алгоритмический метод повышения точности измерения импеданса, предполагающий и структурные изменения ПИ, и обработку измеренных данных по определенным алгоритмам. В схеме ИКПИ используется формирователь прямоугольных импульсов (ФПИ), блок управления МБ! и Мз2 (БУМ), источник двух сигналов: сигналов управления и измерительных сигналов (ИИС), блок интеллектуальной обработки измеренных данных (БО), устройства отображения информации (УОИ), БД, БЗ, интерфейс пользователя (ИП). Дополнением КПИ узлами: БО, БЗ, БД, ИП - становится возможным определение ряда параметров ОИ, а также существенное повышение точности их определения, решение задач самодиагностики и таким образом существенное повышение уровня интеллектуализации КПИ.

Четвертая глава посвящена исследованию задачи построения инвариантных ПИ на основе применения структурных способов. Инвариантность достигается к неинформативным параметрам, свойственным элементам соединения ОИ с ПИ. Разработанный в данной главе метод синтеза структурных способов, обеспечивающих инвариантность ПИ к неинформативным параметрам, определен как структурно-итерационный метод. Он предусматривает развитие структуры преобразований сигналов в ПИ с пошаговым приближением к структуре ПИ с требуемыми свойствами. Метод основан на использовании только двух дополнительных соединений на каждом шаге иге-рации и минимизации структурных преобразований сигналов по завершению всех итерационных шагов. Показано, что построение ПИ, инвариантного к неинформативным параметрам 2Л и 2и1, определяется классом ИЦ, лежащим в основе ПИ и видом зависимости выходной величины ИЦ от переменных параметров. Применение метода показывается на примере МЦ, формулируются и доказываются 3 теоремы о возможности формирования активной величины, независящей от неинформативных параметров. Доказательства этих теорем показали возможности построения инвариантных к импедансам ЭС при условии использовании дополнительных ЭС. В главе разработаны схемы синтеза графовых моделей инвариантных ПИ как с воздействием на напряжения питания, так и с воздействием на напряжение диагонали пита-

ния. Разработаны методика и алгоритм построения инвариантных ПИ на основе МЦ с применением структурно-итерационного метода.

Рисунок 5 - Схема квазиуравновешиваемого интеллектуального ПИ.

На основе синтезированных графовых моделей разработаны инвариантные ПИ с подключением ОИ по четырехпроводной и трехпроводными схе-

мами подключения. На основе МЦ с использованием разных структурных способов построено 12 структур инвариантных ПИ.

Существенная зависимость погрешности преобразования от величины определена для МЦ с двумя ОС. Формула расчета погрешностей

имеет вид:

я-(2.1

а графики зависимости погрешностей преобразования МЦ от 2Л и 2н1 в пределах одного поддиапазона при разных значениях 2Х показаны на рисунке 6.

В главе разработан ИПИ, имеющий важное значение для экологических исследований почвы, а также ИПИ для измерения импеданса металлизированных пленок с функциями сбора, регистрации, обработки, хранения и отображения результатов измерения.

________ъа+ гн2, [Ом]

Рисунок 6 - Графики зависимостей погрешностей преобразования 2Х МЦ от величин Zмlи Хи1

На рисунке 7 приведена структурная схема ИПИ, построенной на основе МЦ. Схема включает в себя верхнюю ветвь аЬ, состоящую из ОИ - 1, имею-

10

12

Рисунок 7 - Схема неуравновешиваемого ПИ на основе МЦ.

щего четыре вывода для связи с ПИ: токовые выводы 2 и 3 и потенциальные - 4 и 5, а также нижнюю ветвь а'Ь', состоящую из двух плеч с образцовыми импедансами 7 и 8. ОИ - 1 посредством токовых выводов 2 и 3 подключен к первому плечу верхней ветви МЦ ас. ПИ также состоит из образцового элемента 6, включаемого во второе плечо верхней ветви сЬ, дифференциального

усилителя 9, генератора напряжения 10, сумматоров 11 и 12, повторителей напряжения 13, 14, 15, 16, дифференциальных усилителей 17, 18 и 19, масштабного усилителя 20, блока сопряжения 21, микроЭВМ 22, блока управления 23. Выходное напряжение ПИ равно:

и,=и к*°2 "°з114,

Э 1 + 03К4

где С2=Ш2, 03=т3.

Выражение показывает, полную инвариантность выходного сигнала ПИ к неинформативным параметрам, существенно снижающим точность преобразования (измерения) импеданса ОИ с малыми значениями. В ПИ, помимо формирования команд управления, обеспечивается выполнение функций сбора, обработки, регистрации и хранения результатов измерения и т.д. Возможно выполнение и других функций.

Областью применения ПИ может быть широкий спектр измерительных средств, необходимых для исследования импедансных свойств ОИ.

Таким образом, в главе исследованы также области наиболее эффективного применения ПИ, построенных на основе неуравновешиваемых МЦ. Для этих областей разработаны ПИ с разными техническими средствами интеллектуализации ПИ.

В главе рассмотрены и вопросы автоматизации проектирования инвариантных ПИ, работающих в режиме неуравновешивания. Показано, что автоматизация проектирования наиболее просто реализуется при применении графовых моделей ПИ. Для автоматизации проектирования разработано правило проектирования графов с желаемыми свойствами и соответствующий алгоритм проектирования. Предложены методология и программное обеспечение на языке С++, необходимые для автоматизированного проектирования инвариантных ПИ.

В ПРИЛОЖЕНИИ приведены результаты исследования устойчивости МЦ с ОС и погрешностей линеаризованных ИЦ, а также приведены акты внедрения результатов работы в производство на ГУП «Радуга» (г.Владикавказ) и в учебный процесс в СК ГМИ (ГТУ) и СОГУ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработаны концептуальная модель и методология улучшения характеристик ПИ разных классов, основанных на применении структурного подхода и элементов искусственного интеллекта. Предложены методика и алгоритм улучшения свойств ПИ структурными способами, обеспечивающими повышение быстродействия до 10 раз по сравнению с ПИ с использованием координированного уравновешивания и увеличение чувствительности от 2 до

10 раз. Определена задача интеллектуализации ПИ и спектр расширения функциональных возможностей ПИ на основе решения этой задачи.

2. Исследованы и построены классы ПИ на основе МЦ, улучшенных структурными способами (с ООС и ПОС, а также с двумя ОС). Разработаны структурная и функциональная схемы ИПИ, его алгоритм работы, а также структура ИИП и требования к БД и БЗ ИПИ.

3. Показано расширение функциональных возможностей МЦ структурными способами в режимах квазиуравновешивания и полууравновешивания на основе графовых моделей, а также определены возможности построения ИКПИ, для которых предложена фреймовая модель организации БЗ в ИКПИ.

4. Выявлены перспективные области применения КПИ: экспресс-анализ экологического благосостояния горных территорий, контроль и управление технологическими процессами в составе АСУ ТП, контроль и управление качеством продукции, для которых разработаны схемы КПИ. Для этих областей применения ПИ дополнительно разработан метод многоточечного исследования объектов и предложены варианты его технической реализации.

5. Предложен структурно-итерационный метод для построения ПИ, инвариантных к неинформативным параметрам ЭС. Используя графовые модели МЦ, сформулированы и доказаны теоремы о возможности построения инвариантных МЦ, разработаны методика и алгоритм построения инвариантных ПИ на основе этих МЦ. В результате применения методики разработаны схемы ПИ с различными функциональными возможностями. В МЦ с двойной линеаризацией достигается увеличение точности измерения (преобразования) импеданса до 50%.

6. Исследована возможность автоматизации проектирования ПИ на примере автоматизации синтеза графов ИЦ с желаемыми свойствами и разработаны соответствующий алгоритм и ПО. Разработан макет ПИ в непрерывном диапазоне частот, экспериментальные исследования которого подтверждают достоверность теоретических положений. Результаты диссертации получили внедрение в учебный процесс и производство.

Таким образом, диссертация посвящена решению важной задачи, связанной с созданием ПИ с расширенными функциональными возможностями. Разработаны методики совершенствования ПИ структурными способами и средствами интеллектуализации, позволяющие строить ПИ на качественно новом уровне. Приведены итоги практического внедрения полученных научных положений и результатов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Хасцаев М.Б., Дряева Х.Ш., Максимова И.П., Хасцаев Б.Д. Структурный синтез преобразователей импеданса на основе автоматизированного

проектирования графов // Приборы и Системы. Управление, контроль, диагностика. 2010. №2. - С.25-28.

2. Хасцаев М.Б., Хасцаев Б.Д. Квазиуравновешенный линеаризованный многоэлектродный преобразователь параметров импеданса для АСУ // Приборы и Системы. Управление, контроль, диагностика. 2010. №5. - С.36-38.

3. Хасцаев М.Б., Дряева Х.Ш., Хасцаев Б.Д. Аналоговый инвариантный преобразователь импеданса. // Приборы и Системы. Управление, контроль, диагностика. 2010. №6. - С.31-33.

Материалы международных конференций:

4. Хасцаев М.Б., Кожиев Х.Х., Хасцаев Б.Д. Метод многоточечного исследования загрязнения горных территорий и основы его реализации / VII Международная конференция «Устойчивое развитие горных территорий в условиях глобальных изменений». Владикавказ. 2010. С.22.

5. Хасцаев М.Б., Хасцаев Б.Д. Квазиуравновешенный линеаризованный многоэлектродный преобразователь параметров импеданса для АСУ. V международная конференция-выставка «Промышленные АСУ и контроллеры 2010: от А до Я». Москва -2010.

6. Хасцаев М.Б., Дряева Х.Ш., Хасцаев Б.Д. Аналоговый инвариантный преобразователь импеданса. V международная конференция-выставка «Промышленные АСУ и контроллеры 2010: от А до Я». Москва - 2010.

7. Хасцаев М.Б., Дряева Х.Ш., Максимова И.П., Хасцаев Б.Д. Структурный синтез преобразователей импеданса на основе автоматизированного проектирования графов. V международная конференция-выставка «Промышленные АСУ и контроллеры 2010: от А до Я». Москва - 2010.

В других изданиях:

8. Ханмагомедов А.Х., Хасцаев М.Б. Принципы создания системы поддержки принятия решений для объектов электроэнергетики // Сборник научных трудов СОО АН ВШ РФ. Владикавказ: «Терек» СКГМИ. 2009. №7. - С.6-9.

9. Ханмагомедов А.Х., Ханмагомедов В.Х., Хасцаев М.Б. Принцип расчета погрешности схемы измерения универсальных измерительных приборов // Сборник научных трудов СО О АН ВШ РФ. Владикавказ: «Терек» СКГМИ. 2009. №7. - С.9-11.

10. Хасцаев М.Б., Хасцаев Б.Д. Линеаризованное устройство для измерения параметров импеданса во многих точках объекта контроля // Труды Северо-Кавказского Горно-Металлургического Института (государственного технологического университета). 2011. №18. - С. 161-165.

11. Хасцаев М.Б., Карпенко Е.А., Томаев A.A., Хасцаев Б.Д. Устройство для последовательного измерения комплексных сопротивлений в точках объекта контроля // Труды молодых ученых ВНЦ РАН. 2011. №1. - С. 17-22.

12. Хасцаев М.Б., Ханмагомедов В.Х., Хасцаев Б.Д. Построение многоканальных систем сбора данных с измерительными преобразователями // Труды молодых ученых ВНЦ РАН. 2011. №2. - С.123-129.

13. Хасцаев М.Б., Карпенко Е.А., Томаев A.A., Малдзигати А.И., Хасцаев Б.Д. Электронный тахометр с цифровой индикацией И Сборник научных трудов СОО АН ВШ РФ. Владикавказ: «Терек» СКГМИ. 2011. №9. - С.70-72.

14. Хасцаев М.Б., Карпенко Е.А., Томаев A.A., Перепелицына A.C., Хасцаев Б.Д. Тахометр на основе микроконтроллера и его программное обеспечение // Сборник научных трудов СОО АН ВШ РФ. Владикавказ: «Терек» СКГМИ. 2011. №9. - С.72-76.

15. Хасцаев М.Б., Дедегкаев А.Г. Квазиуравновешиваемый преобразователь емкости и проводимости объектов в аналоговые величины // Труды молодых ученых ВНЦ РАН. 2012. №1. - С.25-27.

16. Хасцаев М.Б. Квазиуравновешиваемый преобразователь индуктивности и сопротивления объектов // Труды молодых ученых ВНЦ Российской академии наук. 2012. №1. - С. 28-31.

Подписано в печать 10.07.12. Формат 60x84 7i6. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Печать на ризографе. Усл. п.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № МЦ . Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Изд-во «Терек».

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ) 362021. Владикавказ, ул. Николаева, 44.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ РАСШИРЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ

ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ИМПЕДАНСА

1.1 .Задача улучшения характеристик преобразователей импеданса

1.2.Анализ путей улучшения характеристик ПИ

1.3.Структурные способы и их классификация

1.4.Улучшение характеристик ПИ на основе их интеллектуализации

1.5.Постановка задачи диссертационного исследования

1.6.Основные результаты

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ИМПЕДАНСА С УЛУЧШЕННЫМИ СТРУКТУРНЫМИ СПОСОБАМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ И ОСНОВ ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИИ ПИ

2.1 .Методы исследования

2.2.Синтез структурных способов целенаправленного изменения функции преобразования ИЦ, использование ИИ в ПИ

2.3.Разработка методики и алгоритма улучшения характеристик ПИ структурными способами и ее применение

2.4.Разработка ПИ на основе МЦ

2.5.Разработка ПИ на основе МЦ с обратными связями

2.6.Разработка интеллектуальных преобразователей импеданса

2.7.Разработка алгоритма интеллектуального анализа исходных данных

2.8.Основные результаты

ГЛАВА 3. ПОСТРОЕНИЕ КВАЗИУРАВНОВЕШЕННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ИМПЕДАНСА С РАСШИРЕННЫМИ

ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ

3.1.Задача улучшения характеристик квазиуравновешенных ПИ структурными способами

3.2.Анализ свойств линеаризованных МЦ в режиме квазиуравновешивания

3.3.Построение КПИ на основе линеаризованных МЦ в фазовом режиме квазиуравновешивания

3.4.Исследование полууравновешенных МЦ и построение

КПИ на их основе

3.5.Улучшение полууравновешенных ИЦ структурными способами

3.6.Разработка базы знаний для интеллектуальных КПИ

3.7.Исследование областей применения КПИ и их приборное обеспечение

3.8.Основные результаты

ГЛАВА 4.РАЗРАБОТКА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ И ИНВАРИАНТНЫХ К НЕИНФОРМАТИВНЫМ ПАРАМЕТРАМ ЭЛЕМЕНТОВ СОЕДИНЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ИМПЕДАНСА

4.1.Применение структурно-итерационного метода в проектировании ПИ с желаемыми свойствами

4.2.Построение инвариантных ПИ на основе МЦ

4.3.Разработка ПИ на основе структурных способов, интеллектуальных ПИ в режиме неуравновешивания и их применение

4.4.Структурный синтез графов с желаемыми свойствами на основе автоматизированного проектирования

4.5.Основные результаты

Широкое применение и развитие ПИ в течение ряда десятилетий обеспечивали работы крупнейших ученых страны, таких как: К.Б.Карандеев, Ф.Б. Гриневич, Л.Ф.Куликовский, А.М.Мелик-Шахназаров, Т.М.Алиев,

A.Д.Нестеренко, Г.А.Штамбергер, К.М.Соболевский, Н.Н.Шумиловский,

B.М.Шляндин, Б.И.Швецкий, С.Л.Эпштейн, Ю.В.Кнеллер и др. Характерно то, что области применения ПИ непрерывно расширяются.

Но, несмотря на имеющиеся успехи в улучшении характеристик ПИ, существующие приборы и научные заделы, обеспечивающие их улучшение, явно не соответствуют требованиям все открываемым сферам применения ПИ, не отвечают требованиям ближайшего будущего. Причины: непрерывный и скачкообразный рост новых задач, нуждающихся в использовании ПИ, большие требования к ПИ, сложность задачи преобразования импеданса, отставание в теоретических исследованиях и пр.

Используемые на практике приборы характеризуются ограниченными функциональными возможностями, а также недостаточным быстродействием и т.д. В целом, в настоящее время отсутствует парк ПИ с высокими техническими и потребительскими характеристиками. В то же время развитие путей построения ПИ обусловлено потребностями различных отраслей народного хозяйства и задачами научных исследований.

Поиск путей устранения недостатков ПИ позволил выявить два наиболее перспективных направления улучшения характеристик ПИ, определенные как структурное и интеллектуальное. Первое предполагает изменение структуры ПИ, второе - внедрение в ПИ свойства человеческого интеллекта.

Было установлено, что одновременное применение в ПИ и структурного, и интеллектуального направлений приведет к существенному улучшению характеристик ПИ. Последнее определило цель диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является расширение функциональных возможностей ПИ на основе применения в них структурных способов и элементов искусственного интеллекта.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи исследования:

- разработка принципов улучшения характеристик ПИ на основе структурного подхода к изменению свойств базовых измерительных цепей (ИЦ) и разработка методологии совершенствования ПИ структурными способами;

- исследование и систематизация структурных способов для улучшения сходимости, чувствительности и линейности ПИ, а также обеспечения инвариантности к неинформативным параметрам элементов соединения (ЭС) и объектов исследования (ОИ), включая многоточечные измерения ОИ;

- разработка алгоритмов построения ПИ с улучшенными структурными способами характеристиками и используемых в режимах: уравновешивания, квазиуравновешивания и неуравновешивания;

- определение структурных составляющих ПИ, обеспечивающих его интеллектуализацию.

Объект исследования. Современные ПИ для систем управления и сбора данных.

Предмет исследования. Предметом исследований работы является комплексное улучшение ПИ на основе структурного подхода с реализацией в ПИ элементов искусственного интеллекта.

Методы исследования. Для решения поставленных задач и достижения цели диссертации использованы: структурный подход к обобщенному анализу и синтезу структур измерительных цепей, на основе которых строятся ПИ; методы математического анализа; основные положения теории графов; теории комплексного переменного; методы искусственного интеллекта.

Научная значимость работы состоит в исследовании проблемы совершенствования характеристик ПИ структурными способами, в синтезе, анализе и систематизации этих способов, в разработке рекомендаций по их использованию, в разработке основ интеллектуализации ПИ.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработаны концепция построения ПИ с расширенными функциональными возможностями и соответствующие методы ее реализации с применением структурных способов и элементов искусственного интеллекта.

2. Предложены структурные способы, методика и алгоритм совершенствования ПИ, исследованы возможности их практического применения. Разработаны структурная и функциональная схемы интеллектуального ПИ (ИЛИ), а также структура интеллектуального интерфейса пользователя (ИИП).

3. Исследованы и разработаны модели квазиуравновешиваемых ПИ (КПИ) на основе линеаризованных четырехплечих мостовых измерительных цепей (МЦ), для которых выявлено существенное расширение их функциональных возможностей, особенно в режиме полууравновешивания. Разработаны графовые модели этих МЦ с улучшенными свойствами и принципы построения интеллектуальных КПИ (ИКПИ).

4. Исследованы возможности структурно-итерационного, структурно-алгоритмического методов и метода многоточечного измерения ОИ для построения ПИ, инвариантных к неинформативным параметрам ЭС, а также сформулированы и доказаны теоремы о возможности обеспечения инвариантности к неинформативным параметрам ЭС в ПИ.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Разработанные методология совершенствования ПИ, метод синтеза структурных способов и алгоритмы их реализации составляют высокоэффективный инструментарий для разработчиков измерительной аппаратуры.

2. Синтезированные в работе модели ПИ на структурном уровне позволяют проектировать целый ряд ПИ с хорошей сходимостью, чувствительностью, линейностью и новыми функциональными возможностями (включая режимы квазиуравновешивания и полууравновешивания), со свойствами инвариантности к неинформативным параметрам в режиме неуравновешивания.

3. Предложенные принципы интеллектуализации ПИ обеспечивают построение высокоэффективных ПИ и применимы во всех классах измерительных преобразователей.

4. Построенные схемы ПИ на основе МЦ в разных режимах ее работы перспективны и смогут найти широкое применение в АСУ ТП, в системах сбора данных, в системах автоматизации научных исследований и диагностики.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Концепция развития структурного подхода к улучшению характеристик ПИ.

2. Методы и алгоритмы синтеза структурных способов для:

- улучшения сходимости, чувствительности и линейности уравновешиваемых, квазиуравновешиваемых и неуравновешиваемых ИЦ, расширения их функциональных возможностей, упрощения реализации ПИ;

- обеспечения инвариантности к неинформативным параметрам ЭС, собственно, самих ОИ при специализированных импедансных измерениях.

3. Алгоритм построения ПИ с улучшенными характеристиками, с новыми функциональными возможностями на основе использования структурных способов.

4. Графовые модели улучшенных ПИ с ценными свойствами и возможностями, разработанных на основе МЦ и других ИЦ.

5. Принципы построения ПИ для случаев многоточечного измерения импеданса и интеллектуализации ПИ. Алгоритм работы ИЛИ, ИИП и интеллектуальной обработки данных.

Достоверность результатов диссертационной работы, научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами математического моделирования, вычислительными экспериментами, а также результатами использования материалов диссертации на производстве.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы и практические рекомендации использованы при разработке АСУ ТП на ГУП «Радуга» (г.Владикавказ) с ожидаемым экономическим эффектом 300 тыс.руб./год (2012 г.).

Научные и практические результаты диссертационной работы также внедрены в учебный процесс в Северо-Кавказском горно-металлургическом институте, в Северо-Осетинском государственном университете.

Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими документами о внедрении.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и получили одобрение на VII Международной научной конференции «Устойчивое развитие горных территорий в условиях глобальных изменений», г.Владикавказ, 2010г., на V Международной конференции - выставке «Промышленные АСУ и контроллеры 2010: от А до Я», г.Москва, 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации кандидатских и докторских диссертаций.

Личный вклад. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, диссертантом выполнены: теоретическое и экспериментальное исследования линеаризованных МЦ, разработка графовых моделей ПИ с новыми функциональными возможностями, математический анализ разработанных ПИ, решение вопросов внедрения ПИ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 178 стр. машинописного текста, 4 таблицы, 54 рисунка, список литературы из 101 наименований (из них 17 -зарубежных источников информации), 2 приложений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработаны концептуальная модель и методология улучшения характеристик ПИ разных классов, основанных на применении структурного подхода и элементов искусственного интеллекта. Предложены методика и алгоритм улучшения свойств ПИ структурными способами, обеспечивающими повышение быстродействия до 10 раз по сравнению с ПИ с использованием координированного уравновешивания и увеличение чувствительности от 2 до 10 раз. Определена задача интеллектуализации ПИ и спектр расширения функциональных возможностей ПИ на основе решения этой задачи.

2. Исследованы и построены классы ПИ на основе МЦ, улучшенных структурными способами (с ООС и ПОС, а также с двумя ОС). Разработаны структурная и функциональная схемы ИЛИ, его алгоритм работы, а также структура ИИП и требования к БД и БЗ ИЛИ.

3. Показано расширение функциональных возможностей МЦ структурными способами в режимах квазиуравновешивания и полууравновешивания на основе графовых моделей, а также определены возможности построения ИКПИ, для которых предложена фреймовая модель организации БЗ в ИКПИ.

4. Выявлены перспективные области применения КПИ: экспресс-анализ экологического благосостояния горных территорий, контроль и управление технологическими процессами в составе АСУ ТП, контроль и управление качеством продукции, для которых разработаны схемы КПИ. Для этих областей применения ПИ дополнительно разработан метод многоточечного исследования объектов и предложены варианты его технической реализации.

5. Предложен структурно-итерационный метод для построения ПИ, инвариантных к неинформативным параметрам ЭС. Используя графовые модели МЦ, сформулированы и доказаны теоремы о возможности построения инвариантных МЦ, разработаны методика и алгоритм построения инвариантных ПИ на основе этих МЦ. В результате применения методики разработаны схемы ПИ с различными функциональными возможностями. В МЦ с двойной линеаризацией достигается увеличение точности измерения (преобразования) импеданса до 50%.

6. Исследована возможность автоматизации проектирования ПИ на примере автоматизации синтеза графов ИЦ с желаемыми свойствами и разработаны соответствующий алгоритм и ПО. Разработан макет ПИ в непрерывном диапазоне частот, экспериментальные исследования которого подтверждают достоверность теоретических положений. Результаты диссертации получили внедрение в учебный процесс и производство.

Таким образом, диссертация посвящена решению важной задачи, связанной с созданием ПИ с расширенными функциональными возможностями. Разработаны методики совершенствования ПИ структурными способами и средствами интеллектуализации, позволяющие строить ПИ на качественно новом уровне. Приведены итоги практического внедрения полученных научных положений и результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе предложены методы и алгоритмы синтеза структурных способов, обеспечивающих улучшение большинства основных характеристик ПИ. Для этой цели предложены и средства интеллектуализации. Показано построение на основе синтезированных структурных способов и средств интеллектуализации ПИ с новыми свойствами, важных для решения широкого спектра научных и производственных задач.

1. Кнеллер В.Ю. Введение к тематической подборке статей. "Преобразователи параметров электрических комплексных величин в унифицированные сигналы" //Приборы и системы управления. - 1978. - №1. -С.18-19.

2. Хасцаев Б.Д. Введение в моделирование импеданса био-объектов и применение его информационных свойств в медицине и биологии. -Владикавказ: Терек. 1995. - 107 С.

3. Малиновский В.Н., Демидова-Панферова P.M., и др. Электрические измерения. /Под ред. В.Н.Малиновского. М.: Энергоатомиздат. - 1985.- 416 С.

4. Куликовский K.JL, Купер В.Я. Методы и средства измерений: Учеб. пособие для вузов.-М.: Энергоатомиздат. 1986. - 448 С.

5. Хасцаев Б.Д., Ханмагомедов В.Х., Хасцаев М.Б. Построение многоканальных систем сбора данных с измерительными преобразователями //Труды молодых ученых Владикавказского научного центра РАН. 2011. №2. -С.123-129.

6. Кнеллер В.Ю., Агамалов Ю.Р., Десова A.A. Автоматические измерители комплексных величин с координированным уравновешиванием. -М.: Энергия. 1975.- 169 С.7. http://www.agilent.ru8. http://www.glossary.ru

7. Мартяшин А.И., Шахов Э.К., Шляндин В.М. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения.- М.: Энергия. -1976.-392 С.10. http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv 06/stat 154.htm.

8. Кнеллер В.Ю. Обеспечение постоянства чувствительности и улучшения сходимости нулевых цепей структурным методом //Приборы и системы управления. 1977. - № 2. - С. 22-24.

9. Кнеллер В.Ю. Нулевая измерительная цепь. А. с. № 475557.- БИ. -1975.-№24.-С. 92.

10. Гайтон. Повышение линейности резистивного моста посредством обратной связи //Электроника. 1972. - № 22. - С. 65-66.- (Америка, русский перевод).

11. Лабунов В.А., Сокол В.А., Можухов A.A., Чукаев C.B. Линейный неуравновешенный мост постоянного тока с постоянной чувствительностью //Измерительная техника. 1978. - № 11. - С. 59-60.

12. Лейтман М.Б. К оценке линейности и выбору параметров неравновесных мостовых измерительных схем постоянного тока //Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1969. - т. XII. - № 11. - С. 23-27.

13. Ростоцкий, Висьневский. Линейный неуравновешенный мост постоянного тока //Приборы для научных исследований. 1977. - 48. - № 6. - С. 135-136.- (Америка, русский перевод).

14. Bridge Circuit. Патент Англии.- № 1190996. kl.GOlr 17/06. - 1967.

15. Werner H., Dominigue G., Gunther M. Schaltungs anordnung zur Linearisierung von Widerstands messunger. Патент ФРГ. № 2340191. - kl. GOlr 27/14.

16. Шумиловский H.H., Кнеллер В.Ю. Раздельное уравновешивание мостов переменного тока //Измерительная техника. 1958. - № 4. - С. 51-54.

17. Кнеллер В.Ю. Координированное уравновешивание, его особенности и возможности //Приборы и системы управления. 1971. - № 3. - С.15-18.

18. Швецкий Б.И. Раздельное уравновешивание мостов переменного тока. Диссерт. на соиск. учен, степени к.т.н. Львов. - 1951. - 167 С.

19. Карандеев К.Б., Гриневич Ф.Б. О построении мостов переменного тока с раздельным уравновешиванием /Труды конференции по электрическим измерениям и приборостроению. -Киев: Изд-во АН УССР. 1959. - 511 С.

20. Карандеев К.Б., Штамбергер Г.А. Квазизривноважени мости зминого струму. Киев: Вид. АН УССР. - 1960. - 187 С.

21. Штамбергер Г.А. Измерения в цепях переменного тока (методы уравновешивания).- Новосибирск: Наука, Сибирское отделение.-1972. 162 С.

22. Кнеллер В.Ю. Принципы построения преобразователей комплексных величин с самоуравновешивающимися цепями //Автоматика и телемеханика. -1971. -N2. -С.143-154.

23. Бурбело М.И. Квазиуравновешенные цепи для измерения электрических параметров емкостных датчиков влагомеров нефти и нефтепродуктов. Диссертация на соиск. учен. степ, к.т.н.- Ивано-Франковск. -1987. 183 С.

24. Гриневич Ф.Б. Модуляционные автоматические мосты переменного тока с амплитудно-фазовым детектированием //Измерительная техника. 1962.- № 11. С. 41-44.

25. Волков A.M. Обобщенный анализ уравновешивания мостовых схем переменного тока. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Киев. -КПИ. - 1963.-204 С.

26. Гаврилюк М.А., Соголовский Е.П. Четырехплечие мосты переменного тока. Львов: Вища школа. - 1975. - 176 С.

27. Krohn E.H. Impedance bridge circuit. Патент США.- N303950 С1.324-57. - 1962.

28. Файнгольд Р.Г. Автоматический мост для измерения параметров комплексных сопротивлений. A.c.N241528. БИ.- 1969.- N14.-C.42.

29. Кнеллер В.Ю. Устройство для измерения комплексных величин. A.c. N516973.- БИ.- 1976.- N21,- С.155.

30. Борхард, Холланд. Псевдомост новая схема для сравнения сопротивлений //Приборы для научных исследований.-1975.-N1.- С.75-79. -(Америка, русский перевод).

31. Громов С.С., Никитин Н.В. Повышение линейности и чувствительности неуравновешенных мостовых схем //Измерительная техника.- 1976.-N8.-С.76-77.

32. Фунаки Тэцус. Мостовая схема для измерения сопротивлений.-Японский патент. кл.105 А531. - № 51-29030.

33. Clinton H.H. Voltage regulating means for impedance bridge measuring circuit.- Патент США №3416 076.- CI. 324-57. 1966.

34. May V.H. Automatic self balancing operational amplifier impedance bridge.- Патент США. № 3593126.- CI. 324-57. - 1969.

35. Куликовский К.JI., Купер В.Я. Тестовые ИИС для измерения температуры//Сб.-Измерения, контроль, автоматизация /ИНФОРМПРИБОР. -1984. -№3(51). С. 14-21.

36. Алиев Т.М., Бромберг Э.М., Куликовский К.Л., Гасанов Э.М. Тестово-дифференциальные методы повышения точности измерительных систем //Сб.-Измерения, контроль, автоматизация /ИНФОРМПРИБОР. 1985. - №1(53). - С. 23-30.

37. Кнеллер В.Ю. Новый способ раздельного уравновешивания мостовых схем переменного тока//Измерительная техника.- 1965,- N 2.-С. 42-43.

38. Шаева Т.В., Гончаров Э.В. Устройство для определения переходного сопротивления электрод-кожа. А.с. 1641273 СССР.-МКИ 5 В 61 В 5/05 // А 61 М 39/02.-1991.

39. Саввин В.В. Способ двухэлектродного измерения электрического сопротивления биообъектов. А.с. 1204182 СССР. МКИ 4 А 61 В 5/05.-1986.

40. Pilkington Т., Eyubolu M., Waif P. Utilization of esophageal reference electrode to enhance impedance imagin /Images 21st Century: Proc. 11th Annu.Int.Conf.IEEE Eng. Med. and Biol. Soc., Seattle.Wash.Nov.9-12,- 1989.-Pt.2/6.- New York.- 1989.- P.482.

41. Сурду M.H., Салюк В.П., Курочкин Ф.Е., Бобров Н.В. Повышение точности измерений параметров комплексных сопротивлений четырехплечими мостами переменного тока //Измерительная техника. 1991. - № 3. - С. 30-31.

42. Волгин Л.И. Линейные электрические преобразователи для электроизмерительных приборов и систем. М.: Сов. радио.- 1971.-236С.

43. Гальперин М.В., Злобин Ю.П. Линейный преобразователь сопротивления напряжения на базе дифференциального операционного усилителя //Приборы и системы управления. 1976. - №7. - С. 42.

44. Грацианский И.Н., Шукшин Г.Ф. Многопредельный преобразователь сопротивления в напряжение постоянного тока на интегральных микросхемах /Труды МЭИ. Тематический сборник. Информационно-измерительная техника.- 1975.-вып. 254.-С. 59-68.

45. Воробьева Н.В., Аникин Г.Д., Кузьмин С.А. Повышение точности измерения импеданса при наличии слоя токопроводящей жидкости на поверхности биологической ткани /Чуваш.гос.ун-т. Чебоксары.- 1989.- 10.- Деп. в ВИНИТИ.- 1989.- N2841- В89.

46. Торнуев Ю.В., Хачатрян Р.Г., Хачатрян А.П., Махнев В.П., Осенний A.C. Электрический импеданс биологических тканей.-М.: Изд-во ВЗПИ. 1990.- 155 С.

47. Осадчий Е.П., Арбузов В.П., Ларкин С.Е. Преобразователь емкости датчика в напряжение //Приборы и системы управления.- 1995.- N1.- С.22-25.

48. Агамалов Ю.Р., Кнеллер В.Ю., Курчавов В.И. Преобразователь емкости и проводимости, работающий в непрерывном диапазоне частот //Приборы и системы управления. 1978. - №1. - С. 21-23.

49. Harris S.С. Digital reading impedance measuring arrangement.-Патент США, № 3445763, Cl. 324-57. 1965.

50. Harmut F. Schaltung zur Linearisierung einer nichtlinearen Kennlinie eines elektrischen Gebers.-Патент ФРГ.-№ 2.015.132.-kl. 421 -7/01. октябрь 1971.

51. Keller H. Temperatur / ström mebumformer mit einem Widerstandsthermometer.- Патент ФРГ.- № 2051.904,- kl. 421- 7/01.

52. Rawtuszko J. Minimalizacja btedow nieliniowosci czujnikow oporowych //Pomary, Automatyka, Kontrola.- 1977.- №9.- S.333.

53. Resistance Thermometr circuit. Патент Англии. - №1167398.-Ck. G1 N. - 1967.

54. Rose R. C. Compensating Power supply circuit for nonlinear resistance bridges. Патент США.- № 3406331-CI. 323-22.

55. Измерительный прибор с микропроцессорным управлением для термометрии с платиновым термометром сопротивления //Э.И. ВИНИТИ. -Контрольно-измерительная техника. - 1985. - №2. - С. 6-11.

56. Кнеллер В.Ю. Основы обобщенного анализа и синтеза измерительных цепей с уравновешиванием //Приборы и системы управления. 1974. - №3. - С. 14-18.

57. Кнеллер В.Ю. Особенности построения и возможности измерительных цепей с уравновешиванием //Приборы и системы управления. -1974. №4. - С. 18-22.

58. Kneller V.Ju. Synthesis of balanced a.c. measuring circuits /Practical measurement for improving efficiency.- IMEKO VII.- London.-1976-Preprint.-Vol. N2.- BEL/209.

59. Петров Б.И., Викторов B.A., Лункин Б.В., Совлуков A.C. Принцип инвариантности в измерительной технике. М.: Наука. - 1976.

60. Кнеллер В.Ю., Павлов A.M. Средства измерений на основе персональных ЭВМ //Сб. Измерения, контроль, автоматизация /ИНФОРМПРИБОР.- N3. - 1988. - С.З-14.

61. Цифровые мостовые схемы для пассивных измерительных преобразователей //ЭИ.-ВИНИТИ.-Контрольно-измерительная техника.-ТЧ19. -1987.-С.1-7.

62. Гаврилюк М.А., Соголовский Е.П., Походило Е.В., Хома В.В. Электронный цифровой измеритель CLR типа Е7-13 //Приборы и системы управления. 1990. - N8. - С.27-28.

63. Туз Ю.М. Структурные методы повышения точности измерительных устройств. Киев: Вища школа. - 1976.

64. Орнатский П.П. Теоретические основы информационно-измерительной техники. Киев: Вища школа. - 1983.

65. Кнеллер В.Ю. Состояние и тенденции развития средств автоматического измерения параметров цепей переменного тока //Сб.-Измерения, контроль, автоматизация /ИНФОРМПРИБОР.-М.-1993.-Ш-2.-С.13-22.

66. Kneller V.Yu. Automatic measurement or a.c. circuit parameters (instruments, theory, problems) /12-th IMEKO World Congress. Measurement and progress. Digest.- Vol.III. Beijing. - 1991.

67. Алиев Т.А., Шайн И.JI. Автоматический измеритель комплексного сопротивления биологически активных точек /Тез. докл. международной конф-ции "Измерительные информационные системы ИИС-94".-1994. М. - 1994. -С.110-112.

68. Paul G. Ranky. Smart sensors // Sensor Review. Vol. 22, Issue 4, 2002/ -P.312-318.

69. Васильев B.A. Принципы построения моделей измерительных приборов и систем // Приборы и системы. Управления, контроль, диагностика. 2003. №6. С.40-45.

70. Васильев С.Н. От классических задач регулирования к интеллектуальному управлению // Известия академии наук. Теория и системы управления. 2001. №1.-С.5-22.

71. Дапонте П., Гримальди Д. Искусственные нейронные сети в измерениях // Измерения, контроль, автоматизация. 1999. ЖЗ.-С.48-64.

72. Сапронов П.В. От автоматизации к интеллектуализации средств измерения // Автоматизация и современные технологии. 2004. №11.-С.23-25.

73. Сапронов П.В. Принципы построения преобразователей пассивных комплексных величин в активные электрические величины // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2005.№1. -С.25-32.

74. Сапронов П.В. Эволюция определения интеллектуальных средств измерения // Автоматизация в промышленности. 2005. №4. -С.67-68.

75. Сапронов П.В. Как измерять параметры цепей переменного тока? // Автоматизация в промышленности. 2006. №7. -С. 68.

76. Финкельстайн JI. Измерения в мягких системах // Датчики и системы. 2004. №10.-С. 61-67.

77. Финкельстайн JI. Интеллектуальные и основанные на знаниях средства измерений. Обзор основных понятий // Приборы и системы управления. 1995. №11. -С. 40-44

78. Шапот М. Интеллектуальный анализ данных в системах поддержки принятия решений // Открытые системы. 1998. №1.-С.30-35.

79. Голуб Ален И.С и С++. Правила программирования. М.: Восточная Книжная Компания.-1996.-272 с.

80. Шилдт Г. Программирование на С и С++ для Windows 95.- Киев: Торгово-издательское бюро BHV .-1996.- 400 с.

81. Ханмагомедов А.Х., Хасцаев М.Б. Принципы создания системы поддержки принятия решений для объектов электроэнергетики // Сборник научных трудов СОО АН ВШ РФ. Владикавказ: «Терек» СКГМИ. 2009. №7. -С.6-9.

82. Ханмагомедов А.Х., Ханмагомедов В.Х., Хасцаев М.Б. Принцип расчета погрешности схемы измерения универсальных измерительных приборов // Сборник научных трудов СОО АН ВШ РФ. Владикавказ: «Терек» СКГМИ. 2009. №7. С.9-11.

83. Хасцаев М.Б., Хасцаев Б.Д. Квазиуравновешенный линеаризованный многоэлектродный преобразователь параметров импеданса для АСУ. Доклад на V международной конференции-выставке «Промышленные АСУ и контроллеры 2010: от А до Я». Москва 2010.

84. Хасцаев М.Б., Дряева Х.Ш., Хасцаев Б.Д. Аналоговый инвариантный преобразователь импеданса. Доклад на V международной конференции-выставке «Промышленные АСУ и контроллеры 2010: от А до Я». Москва -2010.

85. Хасцаев М.Б., Дряева Х.Ш., Максимова И.П., Хасцаев Б.Д. Структурный синтез преобразователей импеданса на основе автоматизированного проектирования графов // Приборы и Системы. Управление. Контроль. Диагностика. 2010. №2. С.25-28.

86. Хасцаев М.Б., Хасцаев Б.Д. Квазиуравновешенный линеаризованный многоэлектродный преобразователь параметров импеданса для АСУ // Приборы и Системы. Управление. Контроль. Диагностика. 2010. №5. С.36-38.

87. Хасцаев М.Б., Дряева Х.Ш., Хасцаев Б.Д. Аналоговый инвариантный преобразователь импеданса. // Приборы и Системы. Управление. Контроль. Диагностика. 2010. №6. С.31-33.

88. Хасцаев М.Б., Карпенко Е.А., Томаев A.A., Хасцаев Б.Д. Устройство для последовательного измерения комплексных сопротивлений в точках объекта контроля // Труды молодых ученых ВНЦ Российской академии наук. 2011. №1. С.17-22.

89. Хасцаев М.Б., Карпенко Е.А., Томаев A.A., Малдзигати А.И., Хасцаев Б.Д. Электронный тахометр с цифровой индикацией // Сборник научных трудов СОО АН ВШ РФ. Владикавказ: «Терек» СКГМИ. 2011. №9. С.70-72.

90. Хасцаев М.Б., Карпенко Е.А., Томаев A.A., Перепелицына A.C., Хасцаев Б.Д. Тахометр на основе микроконтроллера и его программное обеспечение // Сборник научных трудов СОО АН ВШ РФ. Владикавказ: «Терек» СКГМИ. 2011. №9. С.72-76.

91. Хасцаев М.Б., Дедегкаев А.Г. Квазиуравновешиваемый преобразователь емкости и проводимости объектов в аналоговые величины // Труды молодых ученых ВНЦ Российской академии наук. 2012. №1. С.25-27.

92. Хасцаев М.Б. Квазиуравновешиваемый преобразователь индуктивности и сопротивления объектов. // Труды молодых ученых ВНЦ Российской академии наук. 2012. №1. С.28-31.100. http://www.quadtechinc.com/

93. Хасцаев М.Б Квазиуравновешиваемый преобразователь индуктивности и сопротивления объектов // Труды молодых ученых ВНЦ Российской академии наук. 2012. №1. С.- 47-51.