автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Алгоритмы адаптации параметров измерительной системы к минимуму оценки динамической погрешности

На правах рукописи

РГБ ОД

СОЛДАТКИЯА Екатерина Валерьевна

- - ЛЕН 2Г..1

АЛГОРИТМЫ АДАПТАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ К МИНИМУМУ ОЦЕНКИ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ

Специальность 05.13.14. — «Системы обработки информации а управлениям-

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск — 2000

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Информационно-измерительная техника» Южно-Уральского государственного университета.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор Шестаков АЛ.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, зрофессор Казаринов Л.С.; кандидат технических нате, Кощеев А. А.

Ведущее предприятие — федеральное государственное унитарное предприятие «Государственный ракетный центр -«КБ им. академика В.П. Макеева», г. Миасс.

Защита состоится 29 июня 2000 г., б 15®® ч, на заседании диссертационного совета Д053.13.06 при Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. Ленина, 76 (ауд. 244).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 26 мах 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

¿ т.н., профессор '( ¡Ахи^^с У слогов.МЛ

%36<Г. ЬгЛ - то, иг. О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема повышения точности, несомненно,— одна из гентральных а измерительной технике. Ее успешное решение не только всегда явилось необходимым условием дальнейшего совершенствования средств измере-шй, но и оказывало стимулирующее влияние на многие смежные отрасли науки, -ехники я эксперимента, испытывающие потребность в точных измерениях. Изме->ения, выполняемые в динамическом режиме, например в наземных испытателыто-вмерительных комплексах, характеризуются динамичесхой погрешностью, обу-этовленной инерционностью первичного измерительного преобразователя и слу-¡айньши шумами, присутствующими на его выходе. Данная составляющая по-решности измерения оказывается существенно больше всех других составляющих югрешности. В случае сопряжения испытательных комплексов с современными «числительными средствами и введения дополнительной математической обработки результатов испытаний можно значительно повысить точность измерений, 'лучшить метрологические характеристики испытательных систем и значительно )зсширить функциональные возможности существующих датчиков. Это повышает ффективность испытаний при создании новых образцов техники без дополнительных материальных затрат.

Поэтому актуальным является вопрос разработки динамических моделей изме-йтельных систем с настраиваемыми параметрами и алгоритмов обработки данных вшамических измерений, оптимально настраивающихся по точности под оценку [инамической погрешности. Внедрение таких алгоритмов и их прикладного ггро-раммного обеспечения позволит создавать интеллектуальные системы со спесоб-юстью к индивидуализации своих параметров под реальные условия проведения змерений и конкретный экземпляр системы.

Объектом исследования являются линейные измерительные системы, в кото-ых динамическая погрешность является основной составляющей общей погреш-:ости.

Предметом исследования являются методы, средства и алгоритмы построения змерительных систем с модальным управлением динамическими, методы по-троения самонастраивающихся измерительных систем и алгоритмы эффективного меньшения оценки динамической погрешности измерения.

Цель работы заключается в повышении динамической точности информаци-нно-измерительных систем на основе динамических моделей измерительных сис-

тем с модальным управлением динамическими характеристиками к алгоритмов адаптации их параметров к минимуму оценки динамической погрешности.

Методы исследования базируются на использовании методов структурной теории автоматического управления, градиентного метода синтеза самонастраивающихся систем управления, численных методов решения экстремальных задач. Устойчивость системы анализировалась по прямому методу Ляпунова. Экспериментальные исследования выполнены с помощью моделирования на компьютере.

Достоверность в обоснованность. Математические модели и алгоритмы, предложенные в работе, основаны на фундаментальных положениях теории систем автоматического регулирования. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена корректным применением математического аппарата, использованием современных вычислительных средств, совпадением результатов восстановления экспериментального измеряемого сигнала с использованием двух различных алгоритмов, результатами моделирования восстановленного сигнала.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. На основе динамической модели измерительной системы с модальным управлением динамическими параметрами и дополнительным каналом оценки динамической погрешности, учитывающей присутствие реальных шумов и помех, приведенных к выходу первичного датчика, разработан и исследован новый алгоритм подстройки параметров измерительной системы на основе метода прямого поиска. -

2. На основе градиентного метода построения самонастраивающихся систем разработана и проанализирована динамическая модель самонастраивающейся измерительной системы динамических параметров. Выявлены факторы, влияющие на устойчивость полученной измерительной системы. Создан новый алгоритм самонастройки динамических параметров измерительной системы к минимуму оценки динамической погрешности.

3. Разработана и'исследована динамическая модель самонастраивающейся измерительной системы динамических параметров с подстройкой только одного динамического параметра измерительной системы. ' ,

Прагсгаческая ценность полученных результатов заключается в следующем:

1. Разработанный алгоритм настройки динамических параметров па основе метода прямого поиска позволяет уменьшить динамическую погрешность измерения Алгоритм предусматривает контроль адекватности динамической погрешности I оцени! этой погрешности, учитывающие априорную информацию о частотны?

свойствах измеряемого сигнала, сигнала шума и динамических характеристиках измерительной системы, что повышает достоверность полученных результатов.

2. Разработанный алгоритм самонастройки динамических параметров измерительной системы обеспечивает существенное уменьшение динамической погрешности измерений и обладает свойством адаптации к минимуму оценки динамической погрешности в условиях отсутствия априорной информации о частотных свойствах измеряемого сигнала и сигнала шума, присутствующего на выходе первичного датчика.

3. Проведена модификация алгоритма самонастройки динамических параметров измерительной системы для самонастройки одного динамического параметра, что упрошает схему расчета яарамегров измерительной системы и позволяет уменьшить динамическую погрешность измерений для датчика любого порядка

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались а обсуждались на: Всероссийской научно-технической конференции студентов ч молодых ученых «Информационные и кибернетические системы управления и их элементы» (г. Уфа, 1996г.); Второй Всероссийской научно-техничесхой конференции «Методы и средства измерений физических величин» (г. Нижний Новгород, 1997г.); Всероссийской научно-технической конференции «Новые методы, технические средства я технологии получения измерительной информации» (г. Уфа 1597г.); 52 научно-технической конференции при Южно-Уральском государственном университете (г. Челябинск, 2000г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований а разработок опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (103 наименований) а ориложе-пия. Основная часть работы содержит 160 е., 54 рис., 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована 1ель и задачи исследования, указаны научная новизна и практическая ценность голученных результатов.

В первой главе рассмотрены структуры информационно-измерительных сис-ем и проведен анализ состояния исследовг гий в области теории динамических омерений. До настоящего временя получили развитие методы восстановления шиамичесяи искаженного сигнала яа основе метода регуляризации А.Н. Тихоне-

ва, приводящие к необходимости использовать обратное преобразование Фурье, представленные, например, в работах Грановского В.А. и Солопченко Г.Н., и методы восстановления на основе численного решения интегрального уравнения свертки. Наиболее полно этот метод решения рассмотрен в работах А-Ф. Верлань.

При этом во всех работах присутствует только точечная оценка динамической погрешности, а при измерении быстроизменяющихся сигналов необходима оценка динамической погрешности восстановления измеряемой величины как функции времени. Практически отсутствуют результаты по оценке погрешности измерения по имеющемуся выходному сигналу средства измерения и информации о его динамических характеристиках. Не ставились специально вопросы эффективной коррекции динамической погрешности с пониженной чувствительностью к наличию шумов первичного измерительного преобразователя. Более того, в реальных информационно-измерительных системах характеристики шумов, присутствующих в выходном сигнале датчика, известны приближенно и могут изменяться в процессе измерения. Не достаточно разработаны вопросы адаптации параметров датчиков и измерительных систем к условиям проведения эксперимента, большинство результатов получено для систем с постоянными параметрами. Это ограничивает точность измерительных систем характеристиками аппаратуры и не позволяет использовать вычислительный потенциал этих систем для существенного улучшения их метрологических характеристик.

В настоящее время анализ динамических погрешностей рассматривается часто как самостоятельная .проблема. Ряд методов анализа динамической погрешности приведен в работах В.А. Грановского. Вопросы определения коэффициентов передаточных функций средства измерения по экспериментальным данным и понижения порядка передаточной функции рассматривается в работах В.В. Леонова.

Разработка вопросов анализа динамической погрешности и ее коррекции методами структурной теории автоматического управления приведена в работах А.Л. Шестакова. Данный подход позволяет получить динамические модели измери-• тельных систем с модальным управлением динамическими характеристиками. Более того, при таком подходе возможно создание адаптивных измерительных систем, которые предполагают изменение своих динамических параметров на основе получаемой измерительной информации. Создание таких интеллектуальных измерительных систем якляегся перспективным направлением в области теории динамических измерений.

Учитывая сказанное, задача разработки динамических моделей измерительных систем с модальным управлением динамическими параметрами и алгоритмов об-

работки данных динамических измерений, оптимально настраивающихся по точности под оценку динамической погрешности и условия проведения измерений, является весьма актуальной. Успешное ее решение значительно улучшит метрологические характеристики и эффективность существующих дорогостоящих наземных испытательно-измерительных комплексов без значительных материальных затрат за счет глубокой математической обработки результатов измерений.

Во второй главе рассмотрена динамическая модель измерительной системы с модальным управлением динамическими параметрами и дополнительным каналом оценки динамической погрешности, учитывающая наличие приведенного сигнала шума на выходе первичного датчика. Разработан алгоритм настройки параметров измерительной системы на основе метода прямого поиска, адаптивный к минимуму оценки динамической погрешности. Получены условия достоверности динамической погрешности и оценки этой погрешности, учитывающие априорную информацию о частотных свойствах или спектральных плотностях измеряемого сигнала, сигнала шума и динамических характеристиках измерительной системы.

Настройка параметров измерительной системы с целью уменьшения динамической погрешности измерений невозможна без оценки динамической погрешности непосредственно в процессе измерения. Поэтому в работе использована динамическая модель измерительной системы с модальным управлением динамическими характеристиками, предложенная в работах А.Л. Шестакова, с дополнительным каналом оценки динамической погрешности. В модели учтено наличие приведенного сигнала шума на выходе первичного датчика.

Динамическая модель измерительной системы (рис. 1.) включает в себя полную динамическую модель датчика, выход которого связан с аналогичной полной динамической моделью, охваченной обратными связями с изменяемыми коэффициентами к^..........и дополнительный канал оценки динамической погрешности. Критерием настройки коэффициентов обратных связей измерительной системы кф, .....кп_х служит близость выходных сигналов датчика, и его модели.

Получено выражение для передаточной функции измерительной системы при отсутствии шума, приведенного к выход)' датчика:

г („1 У «-"У "о -К-'о) ш

где и(р) — изображение выходного сигнала датчика; £/*{р) — изображение выходного сигнала измерительной системы, приведенное к единичному коэффи-

циенту усиления; .....а]г а^, Ът.....Ъу Ь^ — постоянные коэффициенты

(т<п)\ Ъ'{р) — изображение высокочастотного шума на выходе датчика; р — комплексная переменная.

".(О

Риг. 1. Структурная схема измерительной системы динамических параметров

с каналом опенки динамической погрешвости '

Передаточная функция измерительной системы по приведенной шумовой со-гавляющей, определенная в отсутствие полезного входного сигнала имеет бед

где И' ч (р) — передаточная функция датчика.

Анализ зыражений (1) и (2) показывает, что, изменяя настраиваемые параметры .Сф, ..... 'Лп-У МОЖЕО получить любую желаемую передаточную функцию измерительной системы, причем каждый настраиваемый параметр влияет на один коэффициент передаточной функции. При изменении этих параметров изменяется и передаточная функция по приведенной шумовой составляющей, что приводит к усилению шума в выходном сигнале измерительной системы.

На вход канала опенки динамической погрешности измерительной системы полается сигнал, вид которого аналогичен виду сигнала на входе корректирующего устройства измерительной системы:

Vр) = Уд{р)~Ум<-п>\-1 *^)~и*(р)\ (р)+ У{р) = *ж{рУРдУ(р), (3)

где еис(Р) ~ ~ и*(р) — изображение погрешности измерительной системы.

Это позволило скорректировать оценку погрешности тем же способом, что к сигнал датчика.

Передаточная функция канала оценки динамической погрешности при отсутствии на выходе датчика шума имеет вид

«?*(,р)| Ь рт +...^Ь.р + Ьп

Iу г . 1 | _ т* Г 0 0 0

»

где е^ — кзооражение выходного сигнала канала опенки погрешности.

Передаточная функция канала оценки динамической по приведенной шумовой составляющей, определенная в отсутствие полезного входного сигнала имеет зид

ис

>д{р)Ч

Г (р)-^

ежО»)

шум

ПрУ^-Л-Ф (р))

и(р) = О Чр)-

- = 1-(Г (р>. {5"»

Передаточные функции (4), (5) имеют зид, аналогичный передаточным функциям измерительной системы и настраиваемые параметры канала оценки ¿д. к у ..., влияют на ее коэффициенты аналогичным образа«. Поэтому,

критерием настройки коэффициентов к^, к^, .... к^ _ ^ яа их оптимальнее для дайной оценки динамической погрешности измерительной системы значение можно считать минимум среднеквадратического отклонения сигнала оценки динамической погрешности, получаемой из дополнительного канала оценки.

При этом получение оптимальных передаточных функций IV^.(р) и (р)

требует управления всеми настраиваемыми параметрами. Для систем большого порядка прямое управление всеми к-, 1=0, л -1, параметрами сопряжено с большими вычислительными трудностями и на практике сложно реализуемо. Поэтому процесс подстройки параметров измерительной системы под оценку динамической погрешности, получаемой из дополнительного канала, осуществляется по одному обобщенному параметру — д, с которым связаны все нули и полюса в передаточной функции измерительной системы.

Изменение настраиваемого параметра приводит к изменению постоянных времени всей измерительной системы. С одной стороны, это уменьшает собственную динамическую погрешность измерительной системы за счет расширения полосы пропускания, а с другой стороны, происходит заметное усиление шума в выходном сигнале измерительной системы. Поэтому за оптимальное принимается то значение настраиваемого параметра, на котором достигается минимум среднеквадрати-ческого отклонения сигнала оценки динамической погрешности. Для нахождения минимума функции использован оптимальный последовательный алгорит-

мом поисха экстремума функции — модифицированный метод золотого сечения, который обеспечивает требуемую точность и скорость сходимости алгоритма к наилучшему значению настраиваемого параметра, при котором оценка динамической погрешности измерительной системы минимальна.

Существенным моментом в алгоритме поиска настраиваемого параметра измерительной системы, обеспечивающего минимальную суммарную динамическую погрешность, является текущий контроль достоверности оценки динамической погрешности получаемой из дополнительного канала оценки. Достоверность

сигнала оценки динамической погрешности, оценивается относительно истинной погрешности измерительной системы, для чего ограничена разность между изображениями Фурье истинного значения погрешности и ее оценкой, полученной из дополнительного канала динамической оценки:

\<ж[]а)-е^<а)\й€, (6)

где £ — максимально допустимое расхождение между истинной динамической погрешностью измерительной системы и ее оценкой из канала оценки.

И* выражения (6) было получено условие адекватной оценки собственно динамической погрешности при наличии гприорной информации о предельных частотах входного сигнала и сигнала шума:

1-е, £ V?

,, (/ш + (7)

1 | исУ сигн> I 1' '

где е. — малая величина; со — циклическая частота входного измеряемого

I СЦ£п

сигнала. Условие адекватной оценки шумовой составляющей погрешности при гармоническом шумовом сигнале принимает вид

где е^ — малая величина; а>ш — циклическая частота шумового сигнала.

Условия из выражений .(7) и (8) накладывают ограничения на максимальную частоту измеряемого сигнала и минимальную частоту сигнала шума, определяя, таким образом, границы применения алгоритма поиска оптимального параметра н требуя априорной информации об измеряемом и шумовом воздействии.

Если известны спектральные плотности или граничные частоты измеряемого воздействия и шума первичного измерительного преобразователя, то метод последовательного поиска в алгоритме настройки динамических параметров измерительной системы, адаптивном к оценке погрешности, применим и при случайном характере сигналов измерительной системы. В этом случае, ограничивая разность между спектральными плотностями сигналов истинной динамической погрешности и ее оценкой малой величиной, условия достоверности оценки динамической погрешности, на основании которой принимается решение об оптимальной точности измерительной системы примут вид

¿•Г1(а)П-!г От] ¡ее» при ы . <в>^и тх

Vк 1 I не" 1)2 е аин вип агя ш , (У)

(КгН2]?

-при ^ ^ пих. (Ю)

■ '

где Сгу к — малые величины; ^(ы) — спектральная плотность стационарного случайного информационного сигнала; — спектральная плотность 2

сигнала шума; — квадрат амплитудной частотной фуихыик дзтчикг;

I ,

Ягцсиь>) — квадрат амплитудной частотной функции измерительном системы. Выражения (9), (10) используются для контроля достоверности оценки динами-

и

ческой погрешности для случая известных спектральных плотностей измеряемого сигнала и шума измерительной системы.

Результаты цифрового моделирования процесса динамического измерения подтверждают эффективность разработанного алгоритма. Так, при гармоническом характере входного сигнала—£/(/)= и сигнала шума — К(/)=0,05-8ш(1200г), параметры которых удовлетворяют условиям (7) н (8), оценка динамической погрешности измерения уменьшилась на 59,8% по сравнению с измерением без дополнительной коррекции. При частотных параметрах шумового воздействия, выходящих за границы достоверности оценки динамической погрешности по условию (7)—^(0= 0,05 -бш (100/), уменьшение динамической погрешности составило 44,5%. Рассогласование между истинной динамической погрешностью и ее оценкой в начальной и 'конечной точке поиска не превышает 2%. При моделировании импульсного воздействия, заданного полупериодом синусоиды —Г7(/)=1 -8ш(8,5г) и гармоническом шумовом сигнале — (7(/)=0,05 -яп(1200/), динамическая погрешность измерения уменьшилась на 60,7%.

В третьей главе рассмотрена динамическая модель самонастраивающейся измерительной системы с модальным управлением динамическими параметрами и дополнительным каналом оценки динамической погрешности, учитывающая наличие приведенного сигнала шума на выходе первичного датчика, разработанная на основе градиентного метода построения самонастраивающихся систем. Рассмотрены вопросы обеспечения устойчивости самонастраивающейся измерительной системы. Получен модифицированный алгоритм самонастройки одного динамического параметра самонастраивающейся измерительной системы.

В главе рассмотрен общий случай самонастройки динамических параметров измерительной системы, когда подстройке подвертются все коэффициенты об- , ратных связей. Алгоритм ориентирован на случай подстройки параметров, когда спектральная плотность шума измерительного'канада постоянна и неизвестна или медленно изменяется со скоростью не превышающей скорость протекания переходных процессов в системе.

В основе самонастраивающейся измерительной системы лежит базовая Динамическая модель измерительной системы с модальным управлением динамическими характеристиками, представленная на рис. I. Выход датчика связан с аналогичной полной динамической моделью, охваченной обратными связями с изменяемыми коэффициентами £„(/), А",(?).....! ,(/), которые являются функциями

времени и изменяются независимо друг от друга в соответствии с.оценкой динамической погрешности.

При этом критерий настройки параметров специально сформированным сигналом оценки динамической погрешности, являющимся непрерывной функцией времени и зависящей от настраиваемых параметров.

В соответствии с методом градиента, мерой рассогласования движений выходной координаты реальной системы с выходом модели принята функция от сигнала оценки динамической погрешности, в виде

/(Г^^е*^))2, . (II)

где /(г) — критерий качества самонастройки, который зависит от входного воздействия, начального рассогласования координат модели и системы, а также от на-

страиваемых динамических параметров k.(t), /=0, л -1.

Алгоритм подстройки динамических параметров измерительной системы к.{f).

i=0, л -1 построен таким образом, чтобы в каждый момент времени изменение коэффициентов обратных связей было направлено на уменьшение величины /(/) как функции k.(t). Закон изменения настраиваемых параметров имеет вид

¿М') . 8 1(f) -г

где А = const — коэффициент усиления, определяющий скорость самонастройкк.

Производные функционала /(?) по настраиваемым параметрам определяются из выражений (11), (12) следующими выражениями:

Ш«*-«.!^. Mm. (и)

Сигнал с выхода канала оценки динамической погрешности из рнс. 1 можно за-шсать в виде

bo

(14)

■де Zj(r) Z^(t\ .... Z„(i) — координаты состояния канала оценки динамиче-жой погрешности.

Для построения алгоритма самонастройки динамических параметров был опре-1елен вед производных от компонент, входящие в выражение (14):

5 ум® г

а

где К.(г)=" '1м

е *,„(')

ао-лр('У

ь,

/а *.(,)

О . у

— выходные координаты линейных звеньев, на входе

•Я 1А- ;=Г

которых действует сигнал ((); /=0, п-1,

(16)

dZ.lt)/

где ?1;(/)= /дк-^) — выходные координаты линеиных звеньев при входном

ду (г) сигнале (- м

; 1=0, /7—1. Структурная схема, показывающая формиро-

вание настраиваемых параметров £-{*), приведена на рис. 2.

>'„<<) Измерительная система с самонастраивающимися по (1)^ динамической погрешности

*,«) г

I

II

! ъ-Щ

^тЧАЬ

динамическими параметрами структурно представляет собой нелинейную систему управления. Поэтому, для анализа ее устойчивости бы применен прямой метод Ляпунова. Линеаризованная | модель самонастраиваю-

щейся измерительной системы, отличается от устой-

МУ- Ч1Ю0Й динамической модели

П!..

«ь измерительной . системы, наличием дополнительных обратных связей, знак которых зависит от параметров Рис.-. Струкг>-рыЕл схема самонастройки [Х}—' невозмущенного движения зинамичес!сих парол!егров измер!ггельной системы системы, а величина про-

порциональна скорости са-

монастройки динамических параметров из выражения (12). Изменяя значение скорости самонастройки, можно обеспечить малые приращения возмущенного движения в дополнительных обратных связях системы относительно устойчивой системы, регулируя тем самым устойчивость самонастраивающейся измерительной системы.

В работе предложен модифицированный метод самонастройки динамических параметров измерительной системы на основе адаптации одного динамического параметра. С увеличением порядка дифференциального уравнения описывающего датчик резко возрастает количество и сложность контуров самонастройки динамических параметров. Вместе с тем эффективную настройку измерительной системы можно осуществить подстройкой одного параметра, влияющего на наибольшую постоянную времени — <гшах • В этом случае самонастраивающийся параметр К (г) аддитивно связан с коэффициентами характеристического уравнения звена, которые определяют наибольшую постоянную времени измерительной системы. Постоянные времени всех остальных звеньев, составляющих знаменатель передаточной функции датчика, изменятся з 7] раз одновременно с наибольшей постоянной

Вид функций f. (К (/)) о предел яется количеством звеньев первого я второго порядка в знаменателе передаточной функции датчика.

Алгоритм подстройки динамического параметра измерительной системы Kir)

с выхода канала оценки динамической погрешности имеет вид аналогичный (14) с настраиваемыми коэффициентами /=0, п—I.

Вид производной сигнала из выражения (14) по настраиваемому параметру:

При построении алгоритма самонастройки динамических параметров измерительной системы были последовательно определены и реализованы п виде структурных схем линейных звеньев сигналы изменения координат состояния модели датчика з зависимости от изменения настраиваемого динамнческого параметра и сигналы изменения координат состояния канала оценки динамической по-

времени:

где 7; =/^(1)), Т} =/2(ВД.

(17)

построен в соответствии с градиентным методом по выражениям (11)—(3 3). Сигнал

грешности в зависимости от изменения настраиваемого динамического параметра. Эти сигналы вошли в схему формирования самонастраивающегося динамического параметра К.(г), которая приведена на рис. 3.

Результаты цифрового моделирования процесса динамического измерения подтвердили эффективность разработанной самонастраивающейся измерительной системы. Так в случае самонастройки всех параметров измерительной системы, построенной на основе датчика второго порядка с постоянной времени Г =0,01 и коэффициентом демпфирования f=03, при входном сигнале— C/(i)=I-sin(10i) и сигнале шума—F(/)=0,05-sin(l00i), динамическая погрешность измерения уменьшилась на 84,2% по сравнению с измерением без дополнительной коррекции. Использование алгоритма самонастройки одного параметра при обработке модельных гармонических сигналов: входной измеряемый сигнал Î7(/)— 1-sin'v100i), сигнал шума F(/)= 0,05-sin(l ООО/), для датчика линейных ускорений, состоящего из двух звеньев первого' порядка с постоянными времени Г. = 5,7-Ю-** с,

Г^ = 3,6-10""^ с, и звена второго порядка с постоянной времени Г, = 4,7-10~^ с и

коэффнциёнтом демпфирования £ = 0,53 позволило уменьшить динамическую погрешность на 60% по сравнению с измерением без дополнительной коррекции.

ZJÛ 2."Ю ХГ" m г M a."ltl ar*m vm и (Un I 4-шм , м , „I . т.л .

1&V

Рнс. 3. Структурная схема самонастройки динамического параметра измерительной системы

В четвертой главе рассмотрены вопросы программной реализации разработанных алгоритмов и представлены результаты экспериментального исследования процесса динамического измерения линейных ускорений с использованием датчика типа ВТ20.

оа I. с

Рис. 4. Результат восстановления сигнала:

V

- выходной сигнал датчика;

- восстановленный сигнал

\ \

\

\

Рес. 5. Опенка динамической погрешносга е * — конечное значение погрелшосш; — начальное значение погрешноств

•А*

05

0.35

ол

] - .

_________:_________ ................ --------- —.......

--------- --------

Рис. 6. Процесс подстройки параметра

нА? '

Рис. 7. Оценка динамической погрешности

О» с

Рис. Выхолныг сигналы измерительной систечы Рис. 9. Оценка истинной погрешности после восстановления и моделирование измерительной системы

Результаты обработки экспериментальных данных с выхода датчика линейных ускорений типа ВТ20 с использованием разработанного прикладного программного обеспечения, для случая настройки динамического параметра измерительной системы в соответствии с методом прямого поиска, показаны на рис. 4, 5. Оценка динамической погрешности измерения уменьшилась ка 42,9% по сражению с го-

мерением без дополнительной коррекции. Восстановление измеряемого сигнала с использованием алгоритма самонастройки динамического параметра, построенного на основе градиентного метода, показало аналогичные результата (рис. 6, 7) и позволило снизить динамическую погрешность восстановления входного сигнала датчика на 72,9% по сравнению с измерением без дополнительной коррекции.

Достоверность полученных результатов доказывается тем, что в результате восстановления входного сигнала датчика линейных ускорений с использованием двух различных алгоритмов настройки динамического параметра измерительной системы были получены хорошие совпадения восстановленных сигналов (см. рис. 4, 8). При этом, оптимальные значения настраиваемого параметра, полученные в результате выполнения алгоритмов, отличаются друг от друга на 4,2%. Для оценки истинной погрешности измерительной системы проведено моделирования измерительной системы, при поступлении на ее вход восстановленного сигнала. Результаты .моделирования приведены на рис. 8, 9. Разница в пиковых значениях результатов восстановления и моделирования отличаются не более чем на 0,16 м/с2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе рассмотрена задача обработки результатов измерений, выполненных б динамическом режиме, с адаптацией параметров измерительной системы к минимуму оценки динамической погрешности. На основе материалов теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в диссертационной работе, можно сформулировать следующие выводы и результаты:

1. Использование структуры измерительной системы с модальным управлением динамическими характеристиками, включающей в себя полную динамическую модель первичного датчика, на выходе которого присутствует неизвестный приведенный сигнал шума, и дополнительный канал оценки динамической погрешности, позволяет получить алгоритмы настройки параметров измерительной системы, уменьшающие динамическую погрешность измерения.

2. Адекватность динамической погрешности в оценки этой погрешности е алгоритме прямого поиска настраиваемых параметров достигается на основе априорной информации о частотных свойствах измеряемого сигнала, сигнала шума и динамических характеристиках измерительной системы.

3. Реализацию алгоритмов настройки динамических параметров измерительной системы к минимуму оценки динамической погрешности целесообразно проводить на основе прикладных программ обработки данных динамических измерений.

4. Разработай алгоритм настройки динамических параметров измерительной системы произвольного порядка на основе метода прямого поиска, адаптивный к минимуму оценки динамической погрешности. При этом настройка динамических параметров осуществляется по одному обобщенному параметру, с которым связаны все нули и полюса в передаточной функции измерительной системы.

5. Разработан алгоритм самонастройки всех динамических параметров измерительной системы, построенный на основе градиентного метода, позволяющий уменьшить динамическую погрешность измерения путем подстройки всех коэффициентов обратной связи модели датчика к оценке динамической погрешности непосредственно в процессе измерения или на этапе обработки данных. Алгоритм эффективно работает в условиях отсутствия информации о частотных свойствах измеряемого и шумового сигналов.

6. Разработан модифицированный алгоритм самонастройки коэффициентов обратных связей модели датчика на основе адаптации одного параметра, аддитивно связанного с коэффициентами характеристического уравнения звена, которые определяют наибольшую постоянную времени измерительной системы. Изменение остальных постоянных времени системы осуществляется пропорционально изменению наибольшей.

7. Проведенное цифровое моделирование и экспериментальное исследование показало эффективность разработанных алгоритмов. При обработке экспериментальных данных с выхода датчика линейных ускорений типа ВТ20 согласно алгоритму прямого поиска максимальное значение оценки динамической погрешности уменьшилось с 0,35 м/с" при нулевом значении настраиваемого параметра до

0.2 м/с2 при оптимальном значении настраиваемого параметра. Увеличение пиковых значений восстановленного сигнала составило в среднем 0,4 м/с2. При самонастройке динамического параметра на основе градиентного метода максимальное значение оценки динамической погрешности уменьшилось с 0,71 м/с2 в начальный момент времени до 0,2 м/с' в конце процесса. При этом увеличение пиковых значений восстановленного сигнала составило 0,4 м/с2.

НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Юрасова Е.В. Измерительная система динамических параметров с моделью первичного измерительного преобразователя для контроля выходных параметров электроустановок// Электробезопасность.— 1995.—ХаЗ.—С.9-16.

2. Шестаков AJI., Юрасова Е.В. Адаптивный измерительный преобразователь с самонастраивающимися по динамической погрешности динамическими параметрами// Всерос. научн.-техн. конф «Информационные и кибернетические системы управления н их элементы»: Тез докл.— Уфа, 1996.—С. 121.

3. Кречетова О.В., Шестаков АЛ., Юрасова Е.В. Измерительная система динамических параметров с моделью первичного измерительного преобразователя // ■Измерительные преобразователи и информационные технологии: Межвуз. сб. научи, тр. — Уфа, УГАТУ, 1996,—С.142-152.

4. Шесгаков A JI., Юрасова Е.В. Алгоритм коррекции динамической погрешности измерений в условиях случайных шумов измерительной системы // Всерос. научи. хонф. «Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации»: Тез. докл.— Уфа, 1997.—С.149-150.

5. Шестаков АЛ., Юрасова Е.В. Измерительный преобразователь с миниматьной динамической погрешностью // Элементы и приборы систем управления: Тем. сб. научн. тр.—Челябинск: ЧГТУ, 1996.—С.15-20.

6. Шестаков АЛ., Юрасова Е.В. Измерительная информационная система, адаптивная к характеристикам шумов первичного измерительного преобразователя, при случайном входном воздействии // Информационные устройства и системы управления: Тем. сб. научн. тр.—Челябинск: ЧГТУ, 1997.—С.22-28.

7. Шесгаков АЛ., Юрасова Е.В. Измерительный преобразователь с самонастраивающимися по динамической погрешности динамическими параметрами // II Всерос. науч.-техн, конф. «Методы н средства измерений физических величин»: Тез. докл. — Н. Новгород, НГТУ, 1997.—4.J.— С.93.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЧЕСКИЙ ОБЗОР СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ

ДАННЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ.

1.1 Современные способы построения измерительных систем.

1.2 Состояние исследований в области теории динамических измерений.

1.3 Выводы.

Глава 2. АЛГОРИТМ ПОДСТРОЙКИ ДИНАМИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

С МОДАЛЬНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

ДИНАМИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

НА ОСНОВЕ МЕТОДА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПОИСКА.

2.1 Динамическая модель измерительной системы с дополнительным каналом оценки динамической погрешности.

2.2 Алгоритм настройки параметров измерительной системы на основе метода прямого поиска, адаптивный к оценке динамической погрешности.

2.3 Достоверность оценки динамической погрешности измерительной системы при наличии априорной информации о спектральных плотностях измеряемого сигнала и шума.

2.4 Результаты моделирования измерительной системы второго порядка.

2.5 Выводы.

Глава 3. ДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ

ПОДСТРОЙКИ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ

ГРАДИЕНТНОГО МЕТОДА.

3.1 Динамическая модель самонастраивающейся измерительной системы с дополнительным каналом оценки динамической погрешности.

3.2 Алгоритм самонастройки параметров измерительной системы адаптивный к минимуму динамической погрешности.

3.3 Результаты моделирования измерительной системы второго порядка с самонастраивающимися по динамической погрешности параметрами.

3.4 Вопросы устойчивости измерительной системы с самонастраивающимися по динамической погрешности параметрами.

3.5 Динамическая модель измерительной системы с одним настраиваемым параметром.

3.6 Алгоритм самонастройки параметра измерительной системы адаптивный к минимуму динамической погрешности.

3.7 Результаты моделирования измерительной системы четвертого порядка с одним самонастраивающимся по динамической погрешности параметром.

3.8 Выводы.

Глава 4. ВОПРОСЫ ПРОГРАММНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ АЛГОРИТМОВ

И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ.

4.1 Описание процедуры обработки на ЭВМ результатов динамических измерений линейного ускорения на основе метода прямого поиска.

4.2 Описание процедуры обработки на ЭВМ результатов динамических измерений линейного ускорения на основе градиентного метода.

Измерения, выполняемые в динамическом режиме, например в наземных испытательно-измерительных комплексах, характеризуются динамической погрешностью, обусловленной инерционностью первичного измерительного преобразователя и случайными шумами, присутствующими на его выходе. Данная составляющая погрешности измерений оказывается существенно больше всех других составляющих общей погрешности. В случае сопряжения испытательных комплексов с современными вычислительными средствами и введения дополнительной математической обработки результатов испытаний можно значительно повысить точность измерений, улучшить метрологические характеристики испытательных систем и значительно расширить функциональные возможности существующих датчиков. Это повышает эффективность испытаний при создании новых образцов техники без дополнительных материальных затрат.

Динамический режим измерений характеризуется таким изменением измеряемой величины за время проведения измерительного эксперимента, которые влияют на результат измерения. Вследствие этого, в теории динамических измерений наибольшее значение имеют две проблемы: восстановление измеряемого сигнала, динамически искаженного средством измерения, и анализ динамической погрешности. Формирование теории динамических измерений как самостоятельного раздела метрологии началось в нашей стране в конце 70-х годов. Существенный вклад в развитие этой теории внесли С.М Мандельштам, Г.И. Солопченко, В.В. Леонов, В.А. Грановский, Г.И. Кавалеров, В.М. Хрума-ло, Г.И. Василенко, А.Н. Тихонов, А.Ф. Верлань, Ю.Е. Воскобойников и другие ученые.

До настоящего времени получили развитие методы восстановления динамически искаженного сигнала на основе регуляризации А.Н. Тихонова, приводящие к необходимости использовать обратное преобразование Фурье, представленные, например, в работах Василенко Г.И. [13], Солопченко Г.Н.[64], Тулинского О.В. [25], и методы восстановления на основе численного решения интегрального уравнения свертки. Наиболее полно этот метод решения рассмотрен в работах Верлань А.В., Сизикова B.C. [18]. Однако, эти методы не позволяют получить требуемую точность измерений в испытательно-измерительных системах, в частности, из-за трудности обработки длинных реализаций и проблем с получением импульсной переходной функции измерительной системы, соответственно. Кроме того, эти методы не позволяют вести синтез измерительных каналов по требуемым передаточным функциям и частотным характеристикам. При этом во всех работах присутствует одно предельное значение динамической погрешности для всей функции времени, что является слишком грубой оценкой. Для измерения быстроизменяющихся сигналов необходима оценка динамической погрешности восстановления измеряемой величины как функции времени. Это ограничивает точность измерительных систем характеристиками аппаратуры и не позволяет использовать вычислительный потенциал этих систем для существенного улучшения их метрологических характеристик.

В настоящее время анализ динамических погрешностей рассматривается часто как самостоятельная проблема. Ряд методов анализа динамической погрешности приведен в работе [24]. В работе [23] обсуждается вопрос введения типовых сигналов для анализа погрешности средства измерений. Вопросы определения коэффициентов передаточных функций средства измерения по экспериментальным данным и понижение порядка передаточной функции рассматривается в работах В.В. Леонова. Задача определения весовой и передаточной функции решается также в работах Г.Н. Солопченко.

Однако, все приведенные оценки определяются лишь одним значением максимальной погрешности, что на практике не всегда достаточно. Результаты анализа динамической погрешности имеются для передаточных функций 1-го и 2-го порядков. Практически отсутствуют результаты по оценке погрешности измерения по имеющемуся выходному сигналу средства измерения и информации о его динамических характеристиках. Не ставились специально вопросы эффективной коррекции динамической погрешности с пониженной чувствительностью к наличию шумов первичного измерительного преобразователя.

Разработка вопросов анализа динамической погрешности и ее коррекции методами структурной теории автоматического управления приведена в работах А.Л. Шестакова. Данный подход позволяет получить эффективные методы восстановления измеряемого сигнала, анализа и уменьшения динамической погрешности, времени ы^е оценки динамической погрешности измерения. В его рамках возможно проводить построение измерительных систем с модальным управлением динамическими характеристиками исходя из требований к заданной погрешности измерений. Более того, при таком подходе возможно создание адаптивных измерительных систем, которые предполагают изменение своих динамических параметров на основе получаемой измерительной информации. Создание таких интеллектуальных измерительных систем является перспективным направлением в области теории динамических измерений.

Учитывая сказанное, задача разработки динамических моделей измерительных систем с модальным управлением динамическими параметрами и алгоритмов обработки данных динамических измерений, оптимально настраивающихся по точности под оценку динамической погрешности, является весьма актуальной. Успешное ее решение значительно улучшит метрологические характеристики и эффективность существующих дорогостоящих наземных испытательно-измерительных комплексов без значительных материальных затрат за счет глубокой математической обработки результатов измерений. Кроме того, внедрение таких динамических моделей и алгоритмов, а также их прикладного программного обеспечения позволит создать интеллектуальные измерительные системы со способностью к индивидуализации своих динамических параметров под реальные условия проведения измерений и конкретную структуру первичного датчика.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью диссертационной работы заключается в повышении динамической точности информационно-измерительных систем на основе динамических моделей измерительных систем с модальным управлением динамическими характеристиками и алгоритмов адаптации их параметров к минимуму оценки динамической погрешности.

ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Для достижения цели диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих методов коррекции динамической погрешности измерений.

2. На основе динамической модели измерительной системы с модальным управлением динамическими параметрами, учитывающей присутствие шума, приведенного к выходу первичного датчика, разработать новый алгоритм подстройки динамических параметров этой системы на основе метода прямого поиска, адаптивный к минимуму оценки динамической погрешности.

3. Разработать динамическую модель и алгоритм самонастройки динамических параметров измерительной системы с модальным управлением динамическими характеристиками на основе градиентного метода.

4. Модифицировать полученную динамическую модель самонастраивающейся измерительной системы и алгоритм настройки динамических параметров для случая самонастройки одного динамического параметра измерительной системы, аддитивно связанного с коэффициентами характеристического уравнения звена, которые определяют наибольшую постоянную времени измерительной системы.

5. Осуществить программную реализацию, цифровое моделирование и экспериментальное исследование разработанных динамических моделей измерительных систем и алгоритмов настройки их параметров.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Разработка структурной схемы измерительной системы с модальным управлением динамическими характеристиками проводилась на основе метода модального управления. Устойчивость системы анализировалась по прямому методу Ляпунова. Разработка алгоритмов настройки и самонастройки динамических параметров измерительной системы проводилась на основе оптимального последовательного метода поиска экстремума функции и градиентного метода построения самонастраивающихся систем управления, соответственно. Исследование разработанных методов выполнены с помощью компьютерного моделирования.

НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. На основе динамической модели измерительной системы с модальным управлением динамическими параметрами и дополнительным каналом оценки динамической погрешности, учитывающей присутствие реальных шумов и помех, приведенных к выходу первичного датчика, разработан и исследован новый алгоритм подстройки параметров измерительной системы на основе метода прямого поиска.

2. На основе градиентного метода построения самонастраивающихся систем разработана и проанализирована динамическая модель самонастраивающейся измерительной системы динамических параметров. Выявлены факторы, влияющие на устойчивость полученной измерительной системы. Создан новый алгоритм самонастройки динамических параметров измерительной системы к минимуму оценки динамической погрешности.

3. Разработана и исследована динамическая модель самонастраивающейся измерительной системы динамических параметров с подстройкой только одного динамического параметра измерительной системы.

Практическая ценность полученных результатов заключается в следующем: 1. Разработанный алгоритм настройки динамических параметров на основе метода прямого поиска позволяет уменьшить динамическую погрешность измерения. Алгоритм предусматривает контроль адекватности динамической погрешности и оценки этой погрешности, учитывающие априорную информацию о частотных свойствах измеряемого сигнала, сигнала шума и динамических характеристиках измерительной системы, что повышает достоверность полученных результатов.

2. Разработанный алгоритм самонастройки динамических параметров измерительной системы обеспечивает существенное уменьшение динамической погрешности измерений и обладает свойством адаптации к минимуму оценки динамической погрешности в условиях отсутствия априорной информации о частотных свойствах измеряемого сигнала и сигнала шума, присутствующего на выходе первичного датчика.

3. Проведена модификация алгоритма самонастройки динамических параметров измерительной системы для самонастройки одного динамического параметра, что упрощает схему расчета параметров измерительной системы и позволяет уменьшить динамическую погрешность измерений для датчика любого порядка.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:

- Всероссийской научно-технической конференции студентов и молодых ученых «Информационные и кибернетические системы управления и их элементы» (г. Уфа, 1996г.)

- Второй Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» (г. Нижний Новгород, 1997г.)

- Всероссийской научно-технической конференции «Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации» (г. Уфа, 1997г.).

- 52 научно-технической конференции при Южно-Уральском государственном университете (г. Челябинск, 2000г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 7 печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (108 наименований) и приложения. Основная часть работы содержит 164 стр., 52 рис., 5 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе разработаны и исследованы динамические модели измерительных систем с модальным , управлением динамическими характеристиками и алгоритмы настройки их параметров к минимуму оценки динамической погрешности, полученной из дополнительного канала оценки. На основе материалов теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в диссертационной работе, можно сформулировать следующие выводы и результаты:

1. Использование структуры измерительной системы с модальным управлением динамическими характеристиками, включающей в себя полную динамическую модель первичного датчика, на выходе которого присутствует неизвестный приведенный сигнал шума, и дополнительный канал оценки динамической погрешности, позволяет получить алгоритмы настройки параметров измерительной системы, уменьшающие динамическую погрешность измерения.

2. Адекватность динамической погрешности и оценки этой погрешности в алгоритме прямого поиска настраиваемых параметров достигается на основе априорной информации о частотных свойствах измеряемого сигнала, сигнала шума и динамических характеристиках измерительной системы.

3. Реализацию алгоритмов настройки динамических параметров измерительной системы к минимуму оценки, динамической погрешности целесообразно проводить на основе прикладных программ обработки данных динамических измерений.

4. Разработан алгоритм настройки динамических параметров измерительной системы произвольного порядка на основе метода прямого поиска, адаптивный к минимуму оценки динамической погрешности. При этом настройка динамических параметров осуществляется по одному обобщенному параметру, с которым связаны все нули и полюса в передаточной функции измерительной системы. Получены условия адекватности динамической погрешности и оценки этой погрешности, учитывающие априорную информацию о частотных свойствах измеряемого сигнала, сигнала шума и динамических характеристиках измерительной системы.

5. Разработан алгоритм самонастройки всех динамических параметров измерительной системы, построенный на основе градиентного метода, позволяющий уменьшить динамическую погрешность измерения путем подстройки всех коэффициентов обратной связи модели датчика к оценке динамической погрешности непосредственно в процессе измерения или на этапе обработки данных. Алгоритм эффективно работает в условиях отсутствия информации о частотных свойствах информационного измеряемого сигнала и сигнала шума.

6. Разработан модифицированный алгоритм самонастройки коэффициентов обратных связей модели датчика на основе адаптации одного параметра, аддитивно связанного с коэффициентами характеристического уравнения звена, которые определяют наибольшую постоянную времени измерительной системы. Движение остальных постоянных времени системы осуществляется пропорционально изменению наибольшей.

7. Проведенное цифровое показало эффективность разработанных алгоритмов адаптации динамических параметров измерительной системы.

Так при применении алгоритма настройки динамических параметров измерительной системы, построенного на основе последовательного поиска, при гармоническом входном сигнале — U(t) = 1 • sin(8,5 • /) и гармоническом сигнале шума—V(t)= 0,05- sin(1200 •?), параметры которых удовлетворяют условиям достоверной оценки динамической погрешности, динамическая погрешность измерения уменьшилась на 59,8% по сравнению с измерением без дополнительной коррекции. При частотных параметрах шумового воздействия, выходящих за границы достоверности оценки динамической погрешности из условия — F(t)= 0,05 -sm(l00 уменьшение динамической погрешности составило 44,5%. Рассогласование между истинной динамической погрешностью и ее оценкой в начальной и конечной точке поиска составило не более 2%. При моделировании импульсного воздействия заданного полупериодом синусоиды—U(t) = 1 • sin(8,5 • t) и гармонического шумового сигнала на выходе датчика—V(t)= 0,05-sin(1200-t), уменьшение динамической погрешности измерения составило 60,7%.

Применение алгоритма самонастройки динамических параметров измерительной системы, построенной на основе датчика второго порядка, при гармоническом входном сигнале—U(t)= 1 • sin(l0 -t) и гармоническом сигнале шума— V(t) = 0,05 • sin(100 •/), позволило уменьшить динамическую погрешность измерения на 84,2% по сравнению с измерением без дополнительной коррекции. Использование алгоритма самонастройки одного параметра измерительной системы четвертого порядка позволило уменьшить динамическую погрешность на 60% по сравнению с измерением без дополнительной коррекции при гармоническом входном сигнале £/(*)=l-sin(l00 -t) и сигнале шума V(t) = 0,05 • sin(l 000 • t).

8. Обработка экспериментальных данных динамического измерения угловых ускорений при испытаниях с использованием датчика типа ВТ20 согласно алгоритмам настройки и самонастройки одного динамического параметра измерительной системы подтвердила эффективность и достоверность восстановления измеряемого сигнала.

При подстройке динамического параметра на основе метода прямого поиска максимальное значение динамической погрешности уменьшилось с 0,35 м/с при нулевом значении настраиваемого параметра до 0,2 м/с при оптимальном значении настраиваемого параметра, при этом увеличение пиковых значений восстановленного сигнала составило в среднем 0,4 м/с . При самонастройке динамического параметра на основе градиентного метода максимальное значение динамической погрешности уменьшилось с 0,71 м/с в начальный момент времени до 0,2 м/с в конце процесса. При этом увеличение пиковых значений вое-становленного сигнала составило 0,4 м/с .

150

Достоверность полученных оценок подтверждается следующими показателями: отклонение настраиваемого параметра от оптимального значения, полученного в результате применения алгоритмов, приводит к увеличению оценки динамической погрешности; моделирование восстановленного сигнала через измерительную систему привело к совпадению результатов первого и второго восстановления; оптимальные значения настраиваемого параметра, полученные в результате выполнения алгоритмов, отличаются друг от друга на 4,2%.

1. А.С. №1571514 (СССР), Измерительный преобразователь динамических параметров / А.Л. Шестаков // Открытия, изобретения.—1990.—№ 22.—С. 192.

2. А.С. № 1673990 (СССР), Измерительный преобразователь динамических параметров / В.А. Гамий, В.А. Кощеев, А.Л. Шестаков // Открытия, изобретения.—1991.—№ 12.—С. 191.

3. Андриянов А.В., Крылов В.В. Способ коррекции выходного сигнала измерительных приборов // Измерительная техника.—1975.—№4.—С.59-61.

4. Аранов П.М., Ляшенко Е.А., Ряшко Л.Б. Метод оптимального линейного оценивания для определения динамических характеристик средств измерения// Измерительная техника.—1991.—№ 11.—С .10-13.

5. Бакланов В.Ф., Леонов В.В., Скорик Г.С. Определение коэффициентов передаточной функции измерительной системы по известному входному воздействию и отклику // Метрология.—1977.—№7.—С.48-61.

6. Бараш В.Я. Оценивание погрешностей линейных аналоговых средств измерений в динамическом режиме // Измерительная техника.—1986.—№11.— С.14-16.

7. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления.—М.: Наука, 1975.— 768 с.

8. Блувштейн М.Г., Михайловский Г.А., СоколовГ.А. Адаптация измерительных систем // Измерительная техника.—1988.—№7.—С. 13-15.

9. Бойко М.В., Черушева Т.В. Об одном методе определения динамических характеристик линейных . систем // Измерительная техника.—1993.—№5.— С. 13-16.

10. Браилов Э.С. Поверка и аттестация информационно-измерительных и управляющих систем.— М.: Изд-во стандартов, 1988.—67 с.

11. П.Бромберг Э.М., Куликовский К.Л. Тестовые методы повышения точности измерения.—М.: Энергия, 1978.—321 с.

12. Вайсбанд М.Д. Приближенный метод расчета динамических погрешностей линейного преобразования // Измерительная техника.—1975.—№12.—С.22-24.

13. З.Василенко Г.И. Теория восстановления сигналов. О редукции к идеальному прибору в физике и технике.—М.: Сов. радио, 1979.—269 с.

14. Василенко Г.И., Тараторин A.M. Восстановление изображений.—М.: Радио и связь, 1986.—164с.

15. Васильев Ф. П. Лекции по методам решения экстремальных задач, Москва, 1974.—330 с.

16. Васильев Ф. П. Численные методы' решения экстремальных задач Москва, 1988.—364 с.

17. Вентцель Е.С. Теория вероятностей.—М.: Наука, 1969.— 576 с.

18. Верлань А.Ф., Сизиков B.C. Методы решения интегральных уравнений с программами для ЭВМ.—Киев: Наукова думка, 1978.— 291 с.

19. Воскобойников Ю.Е., Томсон Я.Я. Восстановление реализаций входных сигналов измерительной системы.— В кн. «Электродиффузионная диагностика турбулентных потоков».—Новосибирск: Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1973.—С. 66-96.

20. Гик Л.Д. Карандеев К.Б. Электрическая коррекция виброизмерительной аппаратуры.—Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1962.—130 с.

21. Гитис Э.И., Преобразователи информации для электронных цифровых вычислительных устройств.—М.: Энергия, 1968.—153 с.

22. Грановский А.В. Домницкий В.М., Соломоник В.А. Динамические измерения в отраслях энергетического, тяжелого и транспортного машиностроения //Измерительная техника.—1985.—№1.—С. 3-4.

23. Грановский В.А., Этингер Ю.С. Методика определения динамических свойств средств измерений // Метрология.—1974.—№10.—С.9-12.

24. Грановский В.А. Динамические измерения.—Л.: Энергоатомиздат, 1984.— 224 с.

25. Гулинский О.В. О численном решении некоторых некорректных задач теории управления// Автоматика и телемеханика.—1976.—№8.—С.66-80.

26. Гутников B.C. Анализ случайных погрешностей измерительных устройств в переходном режиме // Измерительная техника.—1979.—№5.—С.19-21.

27. ЗО.Земельман М.А. Автоматическая коррекция погрешностей измерительных устройств.—М.: Изд-во стандартов, 1972.—306 с.

28. Иванов В.А. Метрологическое обеспечение гидроприборов.—Л.: Судостроение, 1983.— 180 с.

29. Иванов В.К., Васин В.В., Танана В.П. Теория линейных некорректных задач и ее приложения.—М.: Наука, 1978.—206 с.

30. Иванов В.Н. //Приборы и системы управления.—1990.—№2.—С. 5-7.

31. Иванов В.Н., Кавалеров Г.И. Теоретические аспекты интеллектуализации измерительных систем// Измерительная техника.—1991.—№10.—С.8-10.

32. Иванов И. И. Методы вычислений на ЭВМ, Киев, «Наукова Думка», 1986.— 460 с.

33. Итерационные методы повышения точности измерений/ Алиев Т.М. и др.— М.: Энергоатомиздат, 1986.—254 с.

34. Иориш Ю.И. Виброметрия. Измерение вибрации и ударов. Общая теория, методы и приборы.—М.: Машгиз, 1963.—178 с.

35. Кавалеров Г.И., Мандельштам С.М. Введение в информационную теорию измерений.—М.: Энергия, 1974.—136 с.

36. Катков М.С. Синтез структур адаптивных измерительных преобразователей динамических характеристик и параметров объекта // Измерительная техника.—1994.—№9.—С. 12-14.

37. Карандеев К.Б.// Вестник АН СССР.—1961.—№10.—С.24.

38. Козырев Г.И., Куприянов И.В., Шкляр С.В. Микропроцессорная информационно измерительная система для оценивания параметров движения// Измерительная техника.—1993.—№12.—С. 18-20.

39. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров.—М.: Наука, 1974.—831 с.

40. Краус М., Вошни Э. Измерительные информационные системы.— М.: Мир, 1975.—310 с.

41. Кречетова О.В., Шестаков A.JL, Юрасова Е.В. Измерительная система динамических параметров с моделью первичного измерительного преобразователя // Измерительные преобразователи и информационные технологии: Сб. научн. тр. — Уфа, УГАТУ, 1996.—С. 142-152.

42. Крузнер А.Б. Восстановление входных сигналов средств измерений, описываемых линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами// Измерительная техника.—1990.—№2.—С. 12-13.

43. Лаврентьев М.М., Романов В.Г., Шишатский С.П. Некорректные задачи математической физики и анализа.—:М.: Наука, 1980.— 285 с.

44. Леонов В.В. Об определении погрешностей коэффициентов передаточной функции линейной системы// Радиотехника.—т.ЗО.—1975.—№4.—С.90-92.

45. Леонов В.В. Метод понижения порядков номиналов передаточных функций// Измерительная техника.—1980.—№10.—С. 16-18.

46. Марчук Г.И., Дробышев Ю.П. Некоторые вопросы линейной теории измерений // Автометрия—1977.—№3.—С.24-30.

47. Мандельштам С.М. Теория точности агрегативных средств электрических измерений: Автореф. дис. докт. техн. наук.—Л.:ВНИИЭП, 1974.—50 с.

48. Методика расчета метрологических характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем по метрологическим характеристикам компонентов. МИ 222-80.—М.: Изд-во стандартов, 1981.—23 с.

49. Методический материал по применению ГОСТ 8.009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений».—М.: Изд-во стандартов, 1988.—152 с.

50. Михлин С.Г. Курс математической физики.—М.: Наука, 1968.— 575 с.

51. Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных устройств.— Л.: Энергия, 1968.—287 с.

52. Новицкий П.В., Зоаграф И.А., Лабунец B.C. Динамика погрешностей средств измерений.—Л.: Энергоатомиздат, 1990.—263 с.

53. Новоселов О.Н., Фомин А.Ф. Основы теории и расчета информационно измерительных систем.—М.: Машиностроение, 1991.—483 с.57.0бщие требования к программным документам: ГОСТ 19.402-78.—М.: 1981.—3 с.

54. Основные термины в области метрологии: Словарь-справочник/ Юдин М.Ф., Селиванов М.Н. и др.—М.: Изд-во стандартов, 1989.—147 с.

55. Пинчевский А.Д. Метрологическое обеспечение информационных измерительных систем. Методологические и организационные основы.—М.: ВИСМ, 1990.—С.44-50.

56. Принципы построения и проектирования самонастраивающихся систем управления / Б.И. Петров, В.Ю. Рутковский, И.Н. Крутова и др.—М.: Машиностроение, 1972.—260 с.

57. Рыбин Б.С. Простые формулы для. динамических погрешностей в линейных измерительных системах// Измерительная техника.—1995.—№12.—С. 10-12.

58. Савелова Т.И. Об оптимальной регуляризации уравнений типа свертки с приближенными правыми частями и ядром // Журнал вычислительной математики и математической физики.—1978.—№1.—С.218-222.

59. Селиванов М.Н. О достоверности й недостоверности измерений // Измерительная техника.—1988.—№2.—С. 5-6.

60. Серегина Н.И., Солопченко Г.Н. Простой регуляризующий метод компенсации влияния аппаратной функции на результат измерения // Техническая кибернетика.— 1984.—№>2.—С. 166-172.

61. Симонов М.М., Васильев Е.А. Цифровой алгоритм восстановления входного сигнала // Измерительная техника.—1979.—№5.—С.29-32.

62. Симонов М.М., Бутко А.И. Метод-оптимизации регуляризующих алгоритмов динамической коррекции // Измерительная техника.—1990.—№2.— С.13-15.

63. Системы информационно-измерительные. Метрологическое обеспечение. Основные положения: ГОСТ 8.437-81. ГСИ.—М.: 1982.—24 с.

64. Соболев В.И. Концептуальная неопределенность погрешности измерений // Измерительная техника.—1996.—№5.—С.3-6.

65. Солопченко Г.Н. Определение параметров дробно-рациональной передаточной функции средств измерений по. экспериментальным данным // Метрология.—1978.—№5.—С.20-24.

66. Солопченко Г.Н., Челпанов И. Б. Компенсация динамических погрешностей при неполных сведениях о свойствах приборов и измеряемых сигналов// Метрология.—1979—№6.—С. 3-13.

67. Солопченко Г.Н. Обратные задачи в измерительных процедурах// Измерения, контроль, автоматизация.—1983.—№2.—С.32-46.

68. Ташеев Ф.К., Фрадкина М.А., Черногуз Н.Г., Шайн И.Л. Адаптивная помехоустойчивая система обработки измерительных сообщений // Измерительная техника.—1987.—№9.—С. 3-5.

69. Темников Ф.Е., Афонин В.А., Дмитриев В.И Теоретические основы информационной техники.—М.: Энергия, 1971.—429 с.

70. Теория автоматического управления: Нелинейные, системы управления при случайных воздействиях: Учебник для вузов/ А.В. Нетушил, А.В. Балтрушевич, В.В. Бурляев и др.; Под ред. А.В. Нетушила —М.: Высшая школа, 1983.—432 с.

71. Тихонов А.Н. Об устойчивости обратных задач.— Доклады АН СССР, 1943.—т. 39.—№5.—С.1341-1343.

72. Тихонов А.Н., Арсенин В.А. Методы решения некорректных задач.—М.: Наука, 1974.— 222 с.

73. Турчин В.Ф. Выбор ансамбля гладких функций при решении обратной задачи // Журнал вычислительной математики и математической физики.— 1968.—№1.—С. 24-30.

74. Федотов А.В., Компанейц А.Н. Индуктивное измерительное устройство с блоком обработки информации // Измерительная техника.—1986.—№2.— С. 10-11.

75. Филинский Ю.К. Анализ погрешностей измерительных преобразователей // Измерительная техника.—1979.—№5.—С24-26.

76. Харченко P.P. Коррекция динамических характеристик электроизмерительных приборов и преобразователей // Приборостроение.—1956.—№2.—С. 21-26.

77. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы.—М.: Энерго-атомиздат, 1985.—220 с.

78. Цветков Э.И. Процессорные измерительные средства.—JL: Энергоатомиз-дат, 1989.—340 с.

79. Цветков Э.И. Коррекция погрешностей при прямых процессорных измерениях и линейном аналоговом преобразовании // Измерительная техника.— 1990.—№7.—С.4-5.

80. Цветков Э.И. Метод встроенного контроля многоканальных измерительных систем // Измерительная техника.—1990.—№11.—С.8-10.

81. Черноруцкий Г.С., Шестаков A.JI. Прямой метод синтеза систем управления автоматического манипулятора: Тез. докл. II Всес. конф. «Робототехниче-ские системы».—ч.2.—Минск, 1981.—С.166-167.

82. Черноруцкий Г.С., Шестаков A.JI. Решение нелинейных уравнений при синтезе системы: В кн. «Следящие системы автоматических манипуляторов».— М.: Наука, 1987.—С.34-37.

83. Черноруцкий Г.С., Сибрин А.П., Жабреев B.C. Следящие системы автоматических манипуляторов / Под. ред. Г.С. Черноруцкого.—М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1987.—272 с.

84. Шафер Р.У., Мерсеро P.M., Ричарде М.А. Итерационные алгоритмы восстановления сигналов при наличии ограничений.—ТИИЭР.—1981.—т. 69.— №4.—С. 218—222.

85. Шестаков А.Л. Динамическая точность измерительного преобразователя с корректирующим устройством в виде модели датчика // Метрология.— 1987.—№2.—С.26-34.

86. Шестаков А.Л. Синтез оптимального по среднеквадратической погрешности корректирующего устройства измерительного преобразователя // Метрология.—1989.—№8.—С.3-8.

87. Шестаков А.Л. Измерительный преобразователь с коррекцией динамической погрешности на основе модели датчика: Тез. докл. зональн. научн.-техн. конф. «Датчики и средства первичной обработки информации».—Курган, 1990.—С. 35.

88. Шестаков А.Л. Измерительный преобразователь динамических параметров с оценкой погрешности: Тез. докл. Всес. конф. «Методология измерений».— Л.:ЛГТУ, 1991.—С. 137-138.

89. Шестаков А.Л. Коррекция динамической погрешности измерительного преобразователя линейным фильтром на основе модели датчика: Изв. вузов, Приборостроение.—1991.—№4.—С.8-13.

90. Шестаков А.Л. Анализ динамической погрешности и выбор параметров Измерительного преобразователя на ступенчатом, линейном и параболическом сигналах// Измерительная техника.—1992.—№6.—С.13-14.

91. Шестаков А.Л. Измерительный преобразователь динамических параметров с итерационным принципом восстановления сигнала // Приборы и системы управления.—1992.—№10.—С.23-24.

92. Шестаков А.Л. Измерительный преобразователь динамических параметров с самонастраивающимися коэффициентами II Информационные устройства и системы управления: Тем. сб. научн. тр.—Челябинск: ЧГТУ, 1994. —С.59-63.

93. Шестаков А.Л. Оценка достоверности результатов динамических измерений // Информационные устройства и системы управления: Тем. сб. научн. тр.— Челябинск: ЧГТУ, 1994.—С.63-68.

94. Шестаков А.Л., Юрасова Е.В. Измерительный преобразователь с минимальной динамической погрешностью // Элементы и приборы систем управления: Тем. сб. научн. тр.—Челябинск: ЧГТУ, 1996.—С. 15-20.

95. Шишкин И.Ф. О погрешности измерения // Измерительная техника.— 1987.—№2.—С. 3-8.

96. Юрасова Е.В. Измерительная система динамических параметров с моделью первичного измерительного преобразователя для контроля выходных параметров электроустановок/УЭлектробезопасность.—1995.—№3.—С.9-16.

97. Юревич Е.И. Теория автоматического управления.—JL: Энергия,1969.—375 с.

98. Tsvetcov E.I., Ivanov V.N., Kavalerov G.I. Programm of metrological support of measuring-computing means: IMECO.— Budapest, 1982.

99. Intelligent instrumentation products. The handbook of personal Computer Instrumentation for Data Acquisition. The Measurement and Control.— Burr.— Brown Corp. and Intelligent Instrumentation Inc., 1989.

100. Rhoads R.L., Ekstrom M.P. Removal of interfering system distortion by de-convolution.— IEEE Trans. Instrum. and Measur., 1969.—vol.17.—№4.—p. 333-337.

101. Silverman H.F., Pearson A.E. On deconvolution using the discrete Fourier transform.—IEEE Trans. Audi Electroacoust, 1973.—AU—21.—p. 112—118.

102. УТВЕРЖДАЮ Первый проректор Южно-Уральс» госу,1. УТВЕРЖДАЮ1.Й заметаетельg^/'Гелицын^.С, 2000 г.

103. АКТ ВНЕДРЕНИЯ результатов диссертационной работы Солдаткиной Екатерина Валерьевны

104. Комиссия в составе представителей ГРЦ им. В.П. Макеева

105. Беглова Ю.И., начальник отдела №64

106. Королева СВ. ведущий инженери представителей Южно-Уральского государственного университета

107. Шестакова А.Л. профессора, д.т.н.

108. Представители ЮУрГУ г.Челябинск ^^Зав. каф ИнИТ Шестаков A.JT.г1. Азсист. Солдаткина Е.В.

109. Представители ГРЦ им. В.П. Макеева г. Миасс

110. Нач. отдела 64 Беглов Ю.И Вед. инженер Королев1. УТВЕРЖДАЮ

111. Первый проректор Южно-Уральского " ^ ^ государстя&^{^вдго универ<?итета1. АКТоб использовании результатов диссертационной работы Е.В. Солдаткиной в учебном процессе Южно-Уральского государственного университета

112. Начальник учебного отдела Зав. Кафедрой ИнИТ Доцент кафедры ИнИТ1. Юртаев М.А.1. Шестаков А.Л.1. Зубцов П. А.jl » о5" 2000 г.