автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Анализ и синтез цепных трехполюсных структур преобразователей систем управления и устройств вычислительной техники методом функций преобразования

На правах рукописи

ГУЛИН Артур Игоревич

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ЦЕПНЫХ ТРЕХПОЛЮСНЫХ СТРУКТУР ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ МЕТОДОМ ФУНКЦИЙ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 7 АПР 2014

Уфа 2014

005547309

Работа выполнена на кафедре телекоммуникационных систем ФГБОУ «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Официальные оппоненты: д-р техн. наук, профессор

Прохоров Сергей Антонович, зав. кафедрой информационных систем и технологий ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет . им. С.П. Королева»

доктор технических наук, профессор Шарнин Леонид Михайлович, зав. кафедрой автоматизированных систем обработки информации и управления ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева КАИ»

д-р техн. наук, профессор Ушаков Петр Архипович, профессор кафедры конструирования радиоэлектронной аппаратуры ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет км. М.Т. Калашникова»

Ведущая организация: ОАО «Концерн «Автоматика» (г. Москва)

Защита диссертации состоится «23» мая 2014 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д- 212.288.02 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу:

450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12, актовый зал ученого совета (1 корпус). Телефон (347) 273-77-92, факс: (347)272-29-18, e-mail: adminugatu.ac.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГАТУ и на сайте http://www.ugatu.ac.ru в разделе «Наука»

Автореферат разослан «¿3-» ^-^¿ffict 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р. техн. наук, доцент

А.В. Месропян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования. Наиболее распространенной структурой, реализующей широкий класс преобразователей систем управления (СУ) и устройств вычислительной техники (ВТ, является цепная трехполюсная структура (ЦТС). Это цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и первичные преобразователи с частотным и фазовым выходом, вторичные преобразователи частота - код и фаза - код, масштабные преобразователи и корректирующие звенья, схемы замещения большого класса преобразователей с распределенными параметрами (ПРП) и линий связи, модели электрохимических процессов, устройств различной физической природы и т. д.

Теория о ЦТС получила развитие благодаря работам таких отечественных ученых как Асеев Б.П., Белецкий А.Ф., Лангин A.A., Смолов В.Б., Веников В.А., Новицкий П.В., Островский JI.A., Сигорский В.П., Харкевич A.A. и многих других специалистов, а также ряда зарубежных (Абрахаме Д., Беллерт С., Гиллемин Э.А., Калахан Д.А., Карни Ш., Кауэр В., Мэзон С., Пароди М. и др.).

Очевидно, что увеличение количества плеч устройств ЦТС и схем замещения ПРП позволяет расширить диапазон, увеличить точность преобразования и уменьшить методическую погрешность моделирования. Однако, анализ подобных структур при числе плеч более восьми традиционными методами затруднителен, а при использовании нелинейных элементов - практически невозможен. К настоящему времени не разработаны и методы исследования ЦТС, имеющих в своем составе неоднородные и распределенные схемы, с применением ПЭВМ, во всяком случае, достаточно общие. Отсутствие приемлемого метода исследований ЦТС затрудняет проведение анализа резонансных состояний сложных преобразователей с частотно-зависимыми элементами. Важность решения этой задачи возрастает с использованием специальных методов линейного кодирования для передачи информации от преобразователей, когда возникает необходимость учета влияния частотно-зависимых цепей на временные задержки, изменения амплитуд многоуровневых кодов и т.п.

Как известно, одним из основных элементов интегральной схемотехники является ЛС-структура, представляющая собой ЦТС с распределенными параметрами. Весомый вклад в разработку методов анализа и синтеза RC-структур и устройств на их основе внесли отечественные и зарубежные учёные, среди которых можно отметить Агаханяна Т.М., Знаменского А.Е., Колесова JI.H., Ниг-матуллина Р.Ш., Гильмутдинова А.Х., Ушакова П.А., Гутникова B.C. и др., а также Castro P., Fuller W., Kaufmann W., Garrett S.,Orchard H., Wang D., Lancaster P., Mine H., Marinov С. и т.д. Однако современные методы и средства анализа и синтеза не позволяют оценивать методическую погрешность и разработать приемлемые методики моделирования схем замещения подобных структур.

Использование частотных датчиков ЦГС совмещает простоту и универсальность, свойственную аналоговым устройствам, с точностью и помехоустойчивостью, характерными для датчиков с кодовым выходом. В настоящее время получены аналитические выражения для частоты и затухания, подобных ЦТС лишь для преобразователей с числом плеч ие более восьми.

Не решены также вопросы синтеза каскадных делителей напряжения из сопротивлений одного номинала, ЦАП с воспроизводимыми выходными характеристиками в зависимости от допуска на разброс параметров его элементов, дискретных фазовращателей, многозвенных ЛС-генераторов и диагностики преобразователей ЦТС в процессе их производства и эксплуатации.

Перспективность ЦТС заключается и в том, что на их основе можно создавать различные функциональные устройства измерения и обработки электрических сигналов, более точные модели физических, электрических и электрохимических объектов. Например, без дополнительных вычислительных операций производить быстрое усреднение в реальном масштабе времени показаний температуры, уровня, давления и других физических величин, передавая информацию по двухпроводной линии связи, с использованием однотипных датчиков в качестве элементов фазирующих цепочек RC- или LC- генераторов.

Однако применение ЦГС в различных отраслях промышленности сдерживается из-за отсутствия современной теоретической базы их исследования. Так, например, газотурбинные двигатели (ГТД) нашли широкое применение не только в авиации, где они являются основными силовыми установками летательных аппаратов, но и в нефтяной и газовой промышленности при продувке и очистке магистральных продуктопроводов. Температура газа перед турбиной ГТД является одним из основных параметров, определяющих тяговые характеристики и ресурс двигателя, работающего на предельных режимах вблизи функциональных и прочностных ограничений. Необходимо отметить, что увеличение температуры лопаток ГТД на 5 К приводит к перерасходу топлива и уменьшению ресурса ГТД примерно на 10%, а скорость изменения температуры газов на переходных режимах может достигать 400 Юс за время не более 0,5 -И,0 с. Существующие СУ ГТД, основанные на измерении терморезистивными или термопарными датчиками из-за низкого быстродействия, порядка 10 + 12 с, не удовлетворяют современным требованиям. В связи с этим, создание быстродействующих систем регулирования температуры газового потока ГТД, позволяющих исключать аварийные режимы работы двигателя, является актуальной задачей. Измерение температур газов в ГТД струйно-акустическими датчиками увеличивает быстродействие на три порядка. Однако, выходной полигармонический сигнал, в котором вторая гармоника по уровню значительно превышает первую из-за резонансных свойств последующего пьезопреобразователя, усложняет селекцию и обработку информативного параметра. Применение часто-

томера номинальных значений, построенного на преобразователе ЦТС, позволит не только выделять первую гармонику, но и проводить функциональную обработку аналогового сигнала без дополнительных вычислительных операций за один период измеряемой частоты, повышая быстродействие СУ ГТД.

Поэтому разработка научных основ создания современных методов исследования класса преобразователей ЦТС с целью построения новых и совершенствования известных средств ВТ и СУ представляется своевременной и актуальной задачей, решение которой имеет важное практическое значение.

Степень разработанности. До настоящего времени отсутствует методология исследований, позволяющая создавать способы и устройства измерения:

- уровня жидкости при изменениях положения резервуара;

- средней температуры с использованием большого количества датчиков (нескольких сот) и без вычислительных устройств;

- номинальной частоты в широком диапазоне с функциональной обработкой аналогового сигнала от датчиков с частотным выходом;

- температуры газов ГТД с быстродействием, превышающим на три порядка при использовании термопреобразователей.

Целью работы является развитие теории ЦТС на основе нового метода анализа и синтеза, позволяющего анализировать весь тракт преобразования и передачи информации, и на базе этого создавать принципиально новые способы и средства измерения с улучшенными характеристиками.

Предмет исследований: анализ, синтез и диагностика устройств с ЦТС, методы и алгоритмы повышения эффективности исследований тракта преобразования информации.

Объект (область) исследования: преобразователи и устройства с однородной, неоднородной, распределенной цепными трехполюсными структурами и их комбинированные соединения.

Задачи исследований:

1. Создание методологии исследования (анализа, синтеза и диагностики) функциональных устройств различного назначения с однородной и неоднородной ЦТС независимо от их схемного исполнения.

2. Разработка метода анализа преобразователей ЦТС, как с сосредоточенными, так и с распределенными параметрами, а также их комбинированных соединений с целью улучшения технических и эксплуатационных характеристик.

3. Разработка метода синтеза многозвенных схем фазовых и частотных КС- и ¿С-преобразопателей с дискретной и аналоговой регулировкой выходных характеристик, а также каскадных декадных делителей напряжения из сопротивлений одного номинала и ЦАП с заданной погрешностью преобразования.

4. Разработка метода моделирования КС- и ЬС — ПРП с минимально возможным количеством звеньев, для допустимой методической погрешности в

заданном диапазоне частот, и одновременно удовлетворяющей критериям равенства функции преобразования (ФП) и входного (выходного) иммитанса.

5. Создание математического; алгоритмического и программного обеспечения анализа характеристик функциональных устройств с ЦТС различной сложности, в том числе содержащих нелинейные элементы.

6. Создание на основе ЦТС и метода ФП нового класса устройств и способов с улучшенными техническими характеристиками и усовершенствование известных для измерения: номинальной частоты в широком диапазоне от датчиков с частотным выходом; уровня жидкости при изменениях положения резервуара или топливного бака; температуры и температурных полей при использовании множества (до нескольких сот) датчиков.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались основы теории цепей и функций комплексных переменных, методы кон-тинуант, графов и структурных чисел, ФП и принцип дуальности преобразования, теории рядов и дифференциального исчисления. При разработке программного обеспечения и моделирования на ПЭВМ использованы языки высокого уровня (С+, VBA), пакеты прикладных программ Mathematica и MathCAD.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Создана методология исследования с единых позиций функциональных устройств различного назначения, вызванная отсутствием универсального теоретического исследовательского инструментария для анализа, синтеза и диагностики преобразователей и устройств с ЦТС с однородной и неоднородной ЦТС независимо от их схемного исполнения.

2. Разработан метод анализа преобразователей ЦТС, отличающийся высокой вычислительной эффективностью и позволяющий выявлять наиболее чувствительные элементы, влияющие на выходные характеристики, а также несовпадающие амплитудный, фазовый и частотный резонансы, что актуально для коррекции влияния частотно-зависимых цепей на временные задержки, искажения амплитуд многоуровневых кодов и т. п. при использовании специальных методов линейного кодирования для передачи измерительной информации.

3. Разработан метод синтеза многозвенных схем фазовых и частотных RC- и ¿С-преобразователей с дискретной и аналоговой регулировкой выходных характеристик, отличающийся тем, что впервые получены аналитические выражения для определения частот квазирезонанса и затухания в зависимости от числа плеч, позволяющий создавать системы измерения различных физических величин с усреднением параметров от множества датчиков без дополнительных вычислительных устройств; а также каскадных декадных делителей напряжения для любой системы счисления и ЦАП из сопротивлений одного номинала с заданной погрешностью преобразования.

4. Разработан метод моделирования ЯС- и ЬС— ПРП, отличающийся отсутствием методической погрешности на одной частоте и позволяющий создавать модели с минимально возможным количеством звеньев, для допустимой методической погрешности в заданном диапазоне частот и одновременно удовлетворяющий критериям равенства ФП и входного (выходного) иммитанса.

5. Создано математическое, алгоритмическое и программное обеспечения и впервые предложен алгоритмы записи и получены рекуррентные соотношения для анализа характеристик функциональных устройств ЦТС различной сложности, в том числе содержащих нелинейные элементы, отличающиеся использованием малого числа команд, значительно сокращающие время использования ПЭВМ, позволившие создать программы и разработать интерфейсы пользователя для проведения широкого спектра исследований амплитудно- и фазо-частотных характеристик, влияния разброса параметров элементов на выходные характеристики ЦАП и рассчитать их допуск по заданной погрешности преобразования, влияния изменения параметров плеч на ФП и частоту и т. д.

6. Создан на основе ЦТС и метода ФП новый класс устройств и способов измерения уровня жидкости при изменениях положения резервуара или топливного бака; температурных полей физических сред при использовании множества (до нескольких сот) датчиков с усреднением результатов без дополнительных вычислительных устройств; номинальной частоты в широком диапазоне от датчиков с частотным выходом и усовершенствованы известные измерители температуры и средней температуры, позволяющие увеличить быстродействие, точность, расширить диапазон и проводить функциональную обработку результатов измерений.

Достоверность научных положений, теоретических результатов и выводов основывается на использовании признанных положений отечественной и зарубежной науки, корректном применении современных апробированных методов аналитического, численного и компьютерного моделирования, с использованием разработанного программного обеспечения, соответствием выводов анализа опытных данных результатам других авторов и экспериментальными исследованиями, выполненными для различных типов преобразователей ЦГС.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Теоретические исследования и научные результаты работы доведены до инженерных методик, рекомендаций, алгоритмов и прикладных программно-методических комплексов анализа, синтеза и диагностики ЦТС и устройств на их основе, пригодных для разработки преобразователей различного назначения и создания моделей ПРП, внедрены в промышленность: ОАО «Уфимский завод микроэлектроники Магнетрон», ОАО «Уфимский завод Промсвязь», ООО «ЧИП» (Уфа), ООО НПП «Термит» (Уфа), ООО НПФ «Корпоративные информационные системы» (Уфа), ООО НПО «Карат» (Уфа). Они позволяют

повысить эффективность этапов проектирования, сократить время настройки, регулировки и диагностики преобразователей ЦТС, а именно:

- программа «CAPCALC.EXE» анализа и расчета функций преобразования, чувствительности, входных и выходных иммитансов устройств с ЦТС дает возможность проведения полного анализа сложных схем преобразователей, моделировать их работу на ПЭВМ и рекомендуется использовать при разработке методик диагностики для выявления элементов с вышедшими за пределы отклонения параметрами.

- программа исследования электронно управляемого фазовращателя «КР.ЕХЕ» предназначена для разработки частотомеров номинальных значений на конкретный диапазон работы датчиков с частотным выходом.

- программа «Боршк» для расчета допусков на элементы ЦАП по заданной погрешности выходного напряжения позволяет определять границы отклонений параметров элементов по требуемой точности преобразования и рекомендуется для разработчиков элементной базы ВТ;

- программы «Оека/отС» расчета влияния отклонений значений элементов фазирующей Е.С- цепочки на ФП и среднюю частоту квазирезонанса позволяет создавать модели ПРП с заданной точностью в требуемой полосе частот с минимально возможным количеством звеньев и рекомендуется при создании систем измерения средних значений физических параметров от большого числа датчиков (от трех до нескольких сот).

Теоретические положения, модели и методы анализа и синтеза ЦТС используются в учебно-научной деятельности ФГБОУ ВПО "Уфимский государственный технический университет" при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплинам учебного плана направлений 210400 и 280100 «Устройства приема и обработки сигналов», «Радиоприемные устройства», «Автоматизированные системы управления и связь» при выполнении курсовых и дипломных проектов, подготовке аспирантов и магистрантов.

Положения выносимые на защиту:

1. Методология исследования (анализа, синтеза и диагностики) функциональных устройств различного назначения с однородной и неоднородной ЦТС независимо от их схемного исполнения.

2. Метод анализа преобразователей ЦТС, как с сосредоточенными, так и с ПРП, а также их комбинированных соединений с целью выявления путей улучшения технических и эксплуатационных характеристик.

3. Метод синтеза многозвенных схем фазовых и частотных ЯС- и ЬС-преобразователей с дискретной и аналоговой регулировкой выходных характеристик, а также каскадных декадных делителей напряжения из сопротивлений одного номинала и ЦАП с заданной погрешностью преобразования.

4. Метод моделирования RC- и LC- ПРП с минимально возможным количеством звеньев, для допустимой методической погрешности в заданном диапазоне частот, и одновременно удовлетворяющей критериям равенства ФП и входного (выходного) иммитанса.

5. Математическое, алгоритмическое и программное обеспечения анализа характеристик функциональных устройств с ЦТС различной сложности, в том числе содержащих нелинейные элементы.

6. Созданные на основе ЦТС новые способы, устройства и усовершенствованные известные с улучшенными техническими характеристиками для измерения: номинальной частоты в широком диапазоне от датчиков с частотным выходом; уровня жидкости при изменениях положения резервуара или топливного бака; температуры и температурных полей при использовании множества (до нескольких сот) датчиков.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на более чем семидесяти научных конференциях различного уровня. Среди них:

Пятая Всесоюзная межвузовская конференция «Теория и методы расчета нелинейных электрических цепей и систем» (Ташкент, 1975), Всесоюзная НТК «Измерительные информационные системы «ИИС-75» (Кишинев, 1975), Всесоюзная НТК «Вопросы теории и проектирования аналоговых измерительных преобразователей» (Ульяновск, 1978), Всесоюзная НТК «Методы и средства машинной диагностики ГТД и их элементов» (Харьков, 1980), Республиканская НТК «Структурные методы повышения точности, быстродействия и чувствительности измерительных устройств и систем» (Киев, 1981), Всесоюзная НТК «Новые электрошше приборы и устройства» (Москва, 1982), Всесоюзная НТК «Технологические пути экономии трудовых и материальных ресурсов и интенсификация производства в приборостроении» (Суздаль, 1983), Всесоюзное совещание-семинар «Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических устройств и систем» (Кишинев, 1983), 5-й Всесоюзный симпозиум «Проблемы создания преобразователей формы информации» (Киев, 1984), Всесоюзное совещание молодых ученых и специалистов «Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем» (Москва, 1987), Первая международная молодежная школа — семинар «Диагностика, информатика, метрология, безопасность-96 (ДИМЭБ)» (С.-Петербург, 1998), Девятая международная НТК «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2003), XXIX международная конференция «Information Technologies in Science, Education, Télécommunication and Business IT + SE' 2002» (Ялта-Гурзуф, 2002), VIII международная научно-методическая конференция вузов и факультетов телекоммуникаций (Москва, 2004), Третья - Восьмая международные научно-технические конференции «Проблемы техники и технологии теле-

коммуникаций» (Уфа - Самара - Казань, 2002 - 2012), «Proceedings of IEEE East-West Design&Test Symposium» 2012 (Kharkov, 2012), НТК с международным участием «Перспективные информационные техпологии в научных исследованиях, проектировании и обучении» (Самара, 2012), I международная (TV Всероссийской) НТК «Электропривод, электротехнология и электрооборудование предприятий» (Уфа, 2013), «Proceedings of IEEE East-West Design&Test Symposium» 2013 (Rostov-on-Don, 2013).

Основание для выполнения работы. Работа выполнена на кафедре телекоммуникационных систем УГАТУ в соответствии с гос. бюджетной НИР «Исследование процессов преобразования и передачи электромагнитной энергию), а также по хоздоговорным НИР на темы: «Автоматизированный информационно-измерительный и диагностический комплекс для иммуноскрининга» с Минприроды и ЧС РБ № 128/95; «Окружающая среда и здоровье населения РБ» с академией наук РБ № 112/АНБ; «Разработка мультиплексора потоков Е1» с ОАО БЭТО № АП-КС-13-05-ХГ; «Проектирование системы измерения температурных полей» с НПП «Термит» в рамках договора № АП-АП-06-01-ХК «Разработка аппаратно-программных комплексов для АСУ-ТП»; «Разработка частотомера для частотных датчиков» с НПО «Карат» № 14/2012.

Публикации. Основные теоретические положения, выводы и результаты по теме диссертации опубликованы в более 130 работах, в том числе: 14 статей в изданиях перечня ВАК, 7 патентов РФ из них 3 на группы изобретений способов и устройств, 4 свидетельства об официальной регистрации программ, 3 алгоритма, одна монография.

Личный вклад автора

Результаты, изложенные в диссертации, получены лично автором, вклад автора в работах, написанных в соавторстве, заключается в разработке аналитических методов анализа и синтеза измерительных и вычислительных устройств, разработке и реализации алгоритмов и программ исследования функциональных устройств различного назначения, проведении натурных экспериментов и компьютерного моделирования, обработке их данных и анализе полученных результатов, их обобщении в виде выводов и рекомендаций.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 355 страниц машинописного текста, библиографического списка из 278 наименований и 14 приложений на 88 стр., 7 актов внедрения. В работе содержится 103 рисунка, 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показано, что наиболее распространенной структурой, реализующей широкий класс преобразователей СУ и устройств ВТ, является ЦТС. Отсутствие обобщенного метода анализа и синтеза однородных, неоднородных,

распределенных и комбинированных структур преобразователей, позволяющего на этапе проектирования наиболее полно исследовать их различные характеристики, сдерживает совершенствование известных и создание принципиально новых элементов и устройств, включая разработку научных основ физических и технических принципов, имеющих важное народно-хозяйственное значение.

В первой главе проведена классификация измерительных преобразователей (ИП) цепной структуры, которые можно подразделить на трехполюсные и четырехполюсные. Трехполюсные ИП цепной структуры имеют общую для входа и выхода точку (Рисунок 1,а). Четырехполюсные ИП цепной мостовой и лестничной структуры (ЦЛС) симметричны относительно прохождения сигнала и общей точки между входом и выходом не имеют (Рисунок 1,6 и в). Структуры, которые симметричны относительно вертикальной оси называют структурно - симметричными. Ввиду большого разнообразия ИП цепной структуры, как по числу и схемам плеч, так и по видам структур, а также широкого диапазона их использования представляется целесообразным рассмотреть ИП по назначению (Рисунок 2), что позволит значительно упростить определение свойств вновь синтезированных ИП и выявить новые возможности их применения в других областях техники. ЦТС относятся к одному из четырех видов измерительных преобразователей: ИП и/и, ИП и/1, ИП///, ИП//С/.

(в\

Рисунок 1 — ЦТС (а), ЦЛС (б) и мостовая (в) структуры ИП

ЦТС достаточно широко рассматриваются в теоретических основах электротехники, электронике и многих других разделах теории цепей. Краткий обзор, классификация и анализ всех известных методов исследования ЦТС (метод

Рисунок 2 — Классификация цепных структур ИП по назначению

контурных токов, структурных чисел, топологических и т.д.) показал, что их использование уже при числе плеч структуры более пяти отличается излишней громоздкостью и трудоемкостью. В связи с этим и поставлена задача по созданию методологии, математического, алгоритмического и программного обеспечения исследования (анализа, синтеза и диагностики) ИП с ЦТС различной сложности, в том числе содержащих нелинейные элементы. Разработаны основные требования к построению функциональных устройств различного назначения с ЦТС независимо от их схемного исполнения.

Вторая глава посвящена разработке метода ФП для анализа элементов и устройств с ЦТС (Рисунок 3). ФП Кп представляет собой отношение активной входной величины к выходной. Учет числа плеч п ЦТС приводит к следующим закономерностям. Число п плеч ЦТС нечетное, если входная Ад и выходная В„ активные величины имеют различные размерности, и четное, если они одинаковы по размерности. Число п плеч ЦТС равно числу последовательно выполняемых преобразований входной активной величины А0 в выходную Вп. Им-

митансом продольного плеча Т, является сопротивление а действующей в плече активной величиной В, - ток I,. Иммитансом же поперечного плеча Т,

2вх1

^вхп

•О-4

-------о-

цгс

—о-

г.

Рисунок 3 - Входные иммитансы ЦТС

является проводимость У1, а действующей величиной В, - напряжение и,. Размерности активных величин в процессе преобразования от плеча к плечу чередуются. Анализ процесса и-кратного преобразования активной величины ^ позволяет найти выражение ФП для трехполюсных преобразователей как

= (!)

*=1

где Т€хк - к -тый входной иммитанс, являющийся ФП активной величины, действующей в £-1 плече, в активную величину, действующую в к -том плече, т.е.

В/,-1 _ _т Вк

и представляет собой цепную дробь, размерность которой совпадает с размерностью иммитанса А-того плеча. Чтобы найти ФП структуры, имеющей п плеч, необходимо, в соответствии с (1), перемножить п цепных дробей. Сложность указанной операции побудила к отысканию метода записи ФП без промежуточных выкладок. В результате анализа процесса преобразования активных величин в ЦТС получены формулы записи ФП для неоднородных ЦГС без решения громоздких уравнений с четным числом плеч п

п-2 п п-З п-1

(2)

/м

/•I />«*+] ¿=/+1 ч=р+1

где /=26—1; 6= 1,2, ...,0,5п, и для ЦТС с нечетным числом плеч п

л-г

+ Е Еда,

(3)

=1, р^к+1 к-1+1

где г = 1,2, ..., 0,5(и + 1).

Необходимо подчеркнуть, что полученные выражения, содержащие суммы произведений сомножителей-иммитансов, весьма удобны для дальнейших исследований различных характеристик целого класса всевозможных ИП ЦТС в общем виде.

Соотношения (2) - (3) приводят к рекуррентной формуле для ФП

КП=Т„К^+К^, (4)

где Г„ - иммитанс п- го плеча (для нечетных п - сопротивление 7, а для четных п проводимость У).

Нетрудно убедиться, что выражение для входного иммитанса (Рисунок 3)

равно Тк,, =-!—.

г х дК„ 18Т,

Используя принцип дуальности преобразования, получена формула и для выходных иммитансов ЦТС

г =-А_

8Кп1дТк'

При определении активных величин Б, , действующих в плечах ЦТС, можно воспользоваться выражением

где К1Ы - ФП части структуры, начинающейся с /-того плеча; Вп - активная величина, действующая в последнем плече. Дуальные активные величины ВД1, действующие в г-тых плечах ЦТС, определяются как Вл, = В,Т„

где Т, - иммитанс плеча, в котором действует активная величина В,.

Для определения чувствительности к изменениям параметров отдельных

С _ Т, 8Кл элементов получено выражение - „г ■

Кп

Полученная форма записи ФП удобна для исследования влияния одновременного изменения нескольких элементов устройства или чувствительность по отношению к многим элементам. В этом случае произведение иммитансов Пг/» по отношению к которым определяется чувствительность, рассматриваются как единый сомножитель, а выражение для чувствительности будет

? - № ж.

ПРП можно представить как однородные ЦТС (ОЦС) с большим числом звеньев. Для ПРП с четным числом плеч п выражением (2) примет вид

í=0

где Co,'¡„+¡ —число сочетаний из 0,5n + z элементов по 2i элемента;

Для определения ФП схем замещения ПРП с нечетным числом плеч, реализующих преобразование UII или HU выражение (3) примет вид

0.5(п-])

у _ \ 1 /-i2í+l

Aí. - 1 '

faO

где Cq'¡¿,+- число сочетаний из 0,5(w+l)+¿ элементов по 2i + 1 элемента;

Г, - сопротивление Z для Т-образных и проводимость У для П-образных звеньев ОЦС;

Т2 - проводимость Y для Т-образных и сопротивление Z для П-образных звеньев ОЦС.

Разработанные схемы замещения трансформаторов, корректирующих звеньев и длинных линий позволяют представить весь тракт преобразования и передачи информации как одна ЦТС, что значительно повышает эффективность исследований. Показана, на примерах анализа ЦТС, высокая вычислительная эффективность метода ФП по сравнению с традиционными методами.

В третьей главе на базе ФП разработан метод синтеза функциональных устройств систем управления по заданным техническим характеристикам.

Разработаны методики синтеза фазовых и частотных преобразователей с сосредоточенными и распределенными параметрами, регулируемых каскадных преобразователей из резисторов одного номинала. Рассмотрены общие вопросы синтеза устройств ЦТС с учетом требований к рабочим характеристикам и условию согласования в СУ.

Фазовые преобразователи используются при измерениях параметров электрического сигнала, получешюго от первичных датчиков различных физических величин. Наибольшее распространение для этих целей получили искусственные линии (ИЛ), замкнутые на волновое сопротивление Zc, в которых устанавливаются бегущие волны, позволяющие получать дискретные величины фазового сдвига от звена к звену (см. Рисунок 4).

° L 8 2 ^ 4 п — с ъ

С = -- = С ->- - с - ' 1 = R •-< —--—с

Рисунок 4 -LC-фазовращатель

Постоянная сдвига фазы Р на частоте со равна

Р = СОл/10С0,

где L0 и С0 - первичные параметры ИЛ, отнесенные к единице длины.

Для всей линии в целом с полной длиной I имеем Ln=L0l и СЛ=С0/, тогда

= (5)

Из (5) находим частоту <0о, при которой напряжения на входе и выходе линии сдвинуты на 180°, т.е. р

""'Ж (6)

С другой стороны впервые установлено, что частота, при которой происходит сдвиг фазы на к радиан в и-плечей ЦТС с сосредоточенными L и С параметрами, определяется из выражения

К

где hn - зависит от числа плеч п ИП и определяется из выведенной формулы

1=0,1...

где С "J,?', ' - число сочетаний из и-г-1 элементов по п -2г -1 элемента.

Из всех значений hn имеют физический смысл лишь те, которые не более •%/2, соответствующие двухзвенному (четырехплечему) фазовращателю. Приравняв выражения (5) и (6) находим взаимосвязь между распределенными параметрами ЦТС и сосредоточенными, используемыми в качестве дискретного фазовращателя на п /2 положений, т.е.

LC = hl

к1

Подобные фазовращатели дают возможность получать фазовый сдвиг на частоте со0 в пределах от 0 до 180° с шагом дискретности, определяемым числом звеньев п/2, т.е. Дер = 360° / п.

Сдвиг фазы на i -том звене равен

i

<p = 7i—.

п

При подаче на вход произвольной частоты со получим фазовый сдвиг \|/ Ф п

V = О)

Из выражений (6) и (7) находим влияние частоты переменного напряжения^ приложенного к входу фазовращателя, на пределы изменения сдвига фаз и шаг дискретности

v = *///0.

Из выражения (7) легко определить необходимое изменение частоты входного напряжения, чтобы получить фазовращатель на требуемый диапазон действия, что особенно важно при построении преобразователей номинальной частоты в код для датчиков с частотным выходом.

Многозвенные частотно-зависимые цепи, имеющие ЦТС, широко используются в СУ. Типичным примером являются датчики с RC- генераторами, выходная частота которых определяется квазирезонансом ЛС-цепи, Однако в настоящее время получены аналитические выражения для частоты и затухания подобных ЦТС лишь с числом плеч не более восьми. Частотный датчик, работающий как генератор с фазирующим четырехполюсником, представляет собой замкнутую систему с положительной обратной связью, содержащую колебательную систему в виде пассивной ЦТС одной из четырех видов ИП U/I, ИП U/U, ИП //£/или ИП 1/1 и активный преобразователь.

Рассмотрим вопрос определения частот квазирезонанса у четырех видов п- плечих ИП (Рисунок 6), составленных из RC - элементов и осуществляющих поворот фазы на 180°, которые наиболее часто используются при построении генераторов на однокаскадных усилителях.

Частота квазирезонанса определяется из мнимой части ФП фазирующего четырехполюсника при обращении её в ноль, т.е.

Ьп-^фц = 0.

Частота квазирезонанса для фазирующего ЦТС U/J (Рисунок 5,а) определяется выражением

0 RC

а для ЦТС I/U(Рисунок 5,6)

1

b„RC

где коэффициент Ьп зависит от числа плеч п ЦТС и вычисляется из уравнения

i

2Н)'6я'+1С0,5сп+3)+2/ =0, /=0,1...

где Cq^+3)+2í - сочетания из и-3+2г элементов по n-6+4i элемента;

i = 0,25(и + 1) - 1 - для четных 0,5(и+1); i = 0,25(и - 1) - 1 - для нечетных 0,5(и+1). Частоты квазирезонанса ИП I/U(Рисунок 5,6) и ИП U/I(Рисунок 5.г) описываются выражениями

К 1

=—Ъ и (оп =

л — - 1L KVn

RC 0 hRC

соответственно, где коэффициент к„ зависит от числа плеч ЦТС и определяется из уравнения

т

-.1+4;

¡=0,1...

/-11+41

где *-'о,5(л+1)+2/ - число сочетаний из 0,5(и+1 )+2; элементов по 1+4г элемента; т = 0,25(и + 1) - 1 - для четных .0,5(л+1); т = 0,250?" 1)" Дм нечетных 0,5(и+1).

R R R

O-czhhzzh—cz

\v\ с — -

с

Iп

с с

4Í "

а С

ГТ1—I

R

R

R

Т

In

h о-»-

С

А

с

R

R

R

| rf.

h о-»-

С

R R

ZZH-----EZhT-o

с-

Рисунок 5 - Схемы фазирующих ЦТС U/I (а, в) и ЦСI/U (б, г)

В работе получены формулы для вычисления частот квазирезонанса четырех возможных видов схем, представляющих ИП U/U и ИП1/1.

Синтезированная однородная комбинированная каскадная схема (Рисунок 6) позволяет создавать делители и компенсаторы напряжения с постоянством входного сопротивления при различных положениях переключателей и для любой системы счисления с основанием к:

Rd=R/k-

2 к к-2

R.

■-1 1 ДЯ, - (

■ _ S

Рисунок 6 - Однородный каскадный делитель напряжения

Особый интерес представляет однородная каскадная схема для двоичной системы счисления (к=2), так как в этом случае она предельно упрощается, поскольку шунтирующие сопротивления отсутствуют и получается ЦАП из сопротивлений одного номинала R, взамен традиционных схем R/2R, что значительно повысит технологичность изготовления и точность преобразования.

Представленный метод синтеза ИП I/U, ИП I/I и т.д. определяет число плеч устройства и величины их иммитансов сразу по двум критериям: значениям ФП и входного (выходного) сопротивления.

В четвёртой главе разработан способ прогнозирования неисправности устройств с однородной распределенной структурой, определяющий характер и место начинающегося повреждения; исследованы резонансные свойства преобразователей ЦТС, выявившие несовпадения амплитудных, фазовых и частотных критериев; исследованы методические погрешности моделирования устройств с распределенными параметрами традиционными способами и разработана методика их устранения. Разработаны методики проектирования устройств с нормированной погрешностью выходных характеристик, исследовано влияние нагрузки на выходные параметры частотных датчиков, позволяющие вносить коррекцию в процессе их проектирования.

Одна из важных проблем диагностики заключается в установлении возможности и условий однозначного определения неисправного элемента в ИП без его демонтажа. № всех функций ИП ЦТС для диагностики пригодны лишь те, которые можно измерить без демонтажа преобразователя, такие как имми-тансы (сопротивление в горизонтальных плечах Z или проводимость Y в вертикальных плечах структуры), действительная и мнимая составляющая напряжения в плечах преобразователя, модуль и фаза напряжения в них.

Для вычисления активных величин в плечах преобразователя используют рекуррентное соотношение

Bn-¡-2 =Tn-i-¡ Bn-i-i + В„, где B¡ - ток в продольных плечах (нечетные индексы) и напряжение в поперечных плечах ЦС (четные индексы).

Для определения активной величины Вп в последнем плече применяют формулу

Вп=Е0/К„. Модуль напряжения вычисляют по формуле

шосКУ,- = фти? +

Компьютерное моделирование и натурные испытания показали, что наиболее эффективной характеристикой для диагностики является использование значений напряжения в плечах ИП, измеренные на определенной частоте, которые сравнивают с расчетными данными, выявляя степень отклонения от нормы. В качестве примера, для иллюстрации точности диагностики, приведены результаты исследования фильтр ДК-45 на частотах от 10 до 55 кГц, схема которого приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Схема фильтра ДК - 45

и,(В) 1

0,5

Т,

и, (В) 1

0,5

Г, Т2 Тг Г4 Г5 Гй Г, а)

-► т,

0 Г, т2 тъ г„ т, Гб Г,

6)

Рисунок 8 — Изменение напряжений плеч Ы (а) и Ь7 (б) на частоте 10 кГц

Результаты экспериментов, приведенные на рисунке 9, где изображены зависимости напряжений Ut от изменения индуктивностей L1 (а) и L7 (б) на частоте 10 кГц на ± 50%, подтвердили техническую осуществимость предложенной методики диагностики, внедрение которой в производство в подобных операциях на порядки ускорило нахождение неисправного элемента и значительно улучшило качество выпускаемой продукции.

Аналитическое исследование ЦТС показало, что отклонение напряжения от нормы на неисправном элементе на два порядка больше, чем в других плечах преобразователя. Это позволяет обнаружить в ЦТС одиночные, двойные и даже тройные неисправности.

В пятой главе разработаны алгоритмы, программы и интерфейсы для исследования функциональных устройств с ЦТС произвольной сложности

Разработанная программы «КР.ЕХЕ» и предложенный интерфейс пользователя для исследования амплитудно- и фазо-частотных характеристик цепных ЛС-преобразователей с нелинейными элементами позволяют создавать электронно-управляемые линии задержки и фазовращатели, частотомеры и фазометры и тем самым совершенствовать техническую базу средств ВТ и СУ.

Программа Dopusk предназначена для определения границ (допуска) отклонения параметров элементов схемы ЦАП по заданной точности преобразования. Разработанный интерфейс пользователя (рисунок 9), позволяющий моделировать структуры ЦАП произвольной разрядности.

Ъ' Form?.

Ш№

№ R-G структура

С G-R структура

Сопротивление R = |ioo [ой

Проводимость G =■ l/foSo- |см 33

Число плеч п= |< Зшт. Погрешность у [з-5 %

Функц. преобраз. Kn= 11

Допуск R. % = -2.0 +2,0 Допуск G. % = -2.0 +2.0

Рисунок 9 - Интерфейс программы

На рисунке 10 представлены результаты исследования зависимостей влияния на допуск погрешности преобразования ЦАП ± 3% (а) и ± 7% (б) разброса параметров его элементов Л=100 Ом, 0= 0,2 См при различных значениях

числа плеч п.

а) б)

Рисунок 10 - Зависимость разброса параметров ЦАП при заданной погрешности преобразования ± 3% (а) и ± 7% (б)

Разработанный алгоритм исследования, интерфейс и программа «Беиа/отС», а также инженерная методика расчета влияния отклонений значений элементов фазирующей .КС-цепочки (чувствительности) на функцию преобразования и среднюю частоту квазирезонанса, позволяют создавать модели .КС-структур с заданной точностью в требуемом диапазоне частот и научные основы для разработки принципиально новых устройств СУ и ВТ.

Измерение и вычисление среднего значения параметра физической величины от многих датчиков для выработки управляющего сигнала СУ всегда являлась непростой задачей при расположениях большого количества датчиков на значительных площадях и расстояниях друг от друга. Метод ФП дал научную основу построения целого класса подобных ИП, использующих в качестве ФЦ емкостные и различные резистивные датчики. Программа анализа подобных схем ФЦ (Рисунок 11) позволяет проводить исследования с различными типами и количеством датчиков.

Результаты исследований ФЦ, составленных из емкостных датчиков уровня топлива типа «Стрела» или ЬЬБ-АР 20310 и сопротивлений 100 кОм, с помощью разработанной программы «Бека/отС» приведены на рисунке 12, где зависимость средней частоты от одновременного изменения параметров шести

датчиков уровня на ± 50% отображена сплошной линией, а пунктирные линии показывают влияние изменений параметров датчиков уровня на зону отклонений средней частоты ФЦ.

К Я К

С2

-си>

с„

с„

7г

ю Н-------1— %, с

0 10 20 30 40 50

Рисунок 12 — Зависимость средней частоты квазирезонанса ФЦ от изменения параметров шести датчиков уровня (пунктирные линии)

Рисунок 11 - Принципиальная схема фазирующей ЛС - цепочки ¿кГц

Приведенные в работе алгоритм расчета, программа «capcalc.exe» и интерфейс позволяют проводить исследования как однородные, так и неоднородные функциональных устройств с ЦТС любой сложности и схемного исполнения.

В шестой главе представлены принципиально новые устройства СУ, обладающие высокими техническими характеристиками. Разработаны способы измерения уровня и массы жидкости при изменении положений резервуара, средней температуры неоднородной среды с использованием терморезисторов как элементов фазирующей цепочки генераторов, измерения номинальных значений синусоидальных сигналов от частотных датчиков и устройства для их осуществления. Также разработан ряд быстродействующих устройств измерения температуры с термопреобразователями и струйно-акустическими датчи-

ками с усреднением показаний, цифровой термометр для струйно-кустических датчиков ГТД на дискретных элементах и программируемых устройствах.

Средства измерения средней температуры среды с неоднородным температурным полем предназначены для использования в СУ ГТД, управления технологическими процессами в биотехнологии и т.д. Разработанный способ и устройство представлено на рисунке 13. Измерение средней температуры на объекте 1 осуществляется следующим образом. Однотипные терморезисторы (датчики температуры) 2, равномерно размещают по контролируемой среде, соединяют с внешними конденсаторами для образования фазирующей цепочки 3, а совместно с усилителем 4 - задающий генератор 5, который соединяют через преобразователь частота-код 6 и микроконтроллер 7 с цифровым индикатором 8. При неравномерных колебаниях температуры контролируемой среды на объекте меняются значения сопротивлений терморезисторов, образующих фазирующую цепочку 3 генератора 5. В соответствии с величинами этих сопротивлений устанавливается частота генератора 5, которая преобразуется преобразователем частота-код 6 в код, а результат обрабатывается микроконтроллером 7 в единицы температуры и индицируется на индикаторе 8.

Рисунок 13 - Схема измерения средней температуры

Микроконтроллер программно предусматривает установки значений минимальной и максимальной средней температуры среды, при достижении которых включают дополнительный режим индикации, привлекающий внимание оператора, и градуировочной характеристики зависимости частоты от средней температуры среды.

Использование датчиков и преобразователей с частотным выходом требует не только измерение частоты в определенном диапазоне, но и функциональной обработки сигнала. Стандартные частотомеры не пригодны для этих целей из-за отсутствия этой функции и из-за низкого быстродействия, а суще-

ствующие частотомеры номинальных значений имеют малый диапазон измерений и большие методические погрешности измерения.

Предложенный способ измерения номинальной частоты реализуется использованием фазовой автоподстройки номинальной частоты (ФАНЧ) аналогового сигнала с применением электронно-управляемого фазовращателя (ЭУФ), что повышает точность, т.к. отсутствует частотная расстройка между измеряемым и уравновешенным сигналами в момент измерения, и быстродействие, а также устраняет методическую погрешность измерения. Для расширения диапазона измерения, в качестве ЭУФ, предложена ЦТС, состоящая из и/2 КС-звеньев , где роль емкостей С выполняют варикапы, практически безынерционные элементы. Измерение номинальной частоты без промежуточных преобразований значительно упрощает схему, что повышает надежность устройства. Однако, до сих пор попытки использовать нелинейные элементы в этих целях ограничивались малыми диапазонами измерений. Применение ЦТС и способа развертывающего преобразования позволило расширить возможности использования нелинейных элементов в этих целях.

Измерение физического параметра от датчиков с аналоговым частотным выходом с помощью функционального частотомера номинальных значений (Рисунок 14) осуществляется следующим образом. Синусоидальный сигнал с выхода датчика поступает через ЭУФ и усилитель на первый вход компаратора фаз, на второй вход которого он поступает непосредственно. При включении частотомера одновибратор запускает ГПН, управляющий фазовращателем до

Рисунок 14 — Структурная схема функционального частотомера номинальных значений

равенства фаз на компараторе выдающем при этом команды через ключ на ГПН, останавливая его дальнейшее изменение, и на элемент И запирая прохождение импульсов от генератора опорной частоты на счетчик, число которых функционально пропорционально измеряемому физическому параметру. МК линеаризует зависимость значения физического параметра от частоты, который отображается на индикаторе в единицах измеряемой величины. Микроконтроллер программно предусматривает установки значений градуировочных характеристик различных типов датчиков.

В заключении подведены итоги исследований, изложены основные результаты, подтверждающие эффективность разработанного метода ФП.

В приложении представлены: примеры исследования цепных структур преобразователей различными методами, тексты разработанных программ исследований и расчетов различных характеристик и параметров преобразователей ЦТС и некоторые алгоритмы, а также документы, подтверждающие внедрение результатов работы в учебный процесс и производство.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Создана методология исследования (анализа, синтеза и диагностики) функциональных устройств различного назначения с однородной и неоднородной ЦТС независимо от их схемного исполнения.

Разработан эффективный метод ФП, позволяющий с единых позиций исследовать весь класс преобразователей и устройств с ЦТС.

Установлены новые аналитические соотношения по выявлению места и характера повреждений ПРП и линий связи, позволяющие определять неисправности изоляции или проводника по результатам двух измерений входного иммитанса на определенной частоте и постоянном токе, что легко реализуемо в виде отдельного измерительного устройства.

Создана методология диагностики преобразователей с неоднородной ЦТС без его демонтажа, позволяющая повысить производительность поиска неисправных или вышедших за пределы допуска параметров элементов преобразователей на порядок. Методология позволяет создавать методики диагностики для конкретных устройств и рекомендуется к использованию при производстве и эксплуатации преобразователей с ЦТС,

2. Разработан метод анализа преобразователей ЦТС, как с сосредоточенными, так и с распределенными параметрами, а также их комбинированных соединений с целью выявления путей улучшения технических и эксплуатационных характеристик.

Впервые получены формулы записи ФП по виду ЦТС без решения громоздких уравнений. Выражение ФП содержит лишь суммы произведений им-митансов структуры, что значительно упрощает вычисление чувствительности,

частот квазирезонанса и т. д., и рекомендуется разработчикам многозвенных преобразователей, измерительных генераторов, дискретных фазовращателей, а также в учебном процессе при изучении дисциплин ТОЭ, электроника, ТАУ, Измерительные преобразователи.

Показано, что вычислительная эффективность применения метода для определения коэффициента передачи, частоты квазирезонанса, чувствительности и т. д. возрастает в геометрической прогрессии с увеличением числа звеньев структуры по сравнению с традиционными методами исследования.

3. Разработан метод синтеза многозвенных схем фазовых и частотных КС- и ХС-преобразователей с дискретной и аналоговой регулировкой выходных характеристик, а также каскадных декадных делителей напряжения из сопротивлений одного номинала и ЦАП с заданной погрешностью преобразования.

Впервые получены аналитические выражения, устанавливающие взаимосвязь выходной частоты от числа плеч многозвенных преобразователей на сосредоточенных Л-, Ь- и С-элементах, что позволяют создавать дискретные фазовращатели, генераторы и синтезаторы частот на длинных линиях, а также системы измерения и контроля параметров физических полей с использованием большого количества датчиков и передачей информации по двухпроводной линии связи. Результаты исследований рекомендуется использовать в нефтяной промышленности, для контроля окружающей среды и в биотехнологии.

Предложена однородная комбинированная каскадная схема, пригодная для проектирования делителей напряжения при любой системе счисления, сохраняющая постоянство входного сопротивления при различных положениях переключателей и позволяющая создавать каскадные ЦАП с заданной погрешностью преобразования из сопротивлений одного номинала, взамен традиционных схем Л2Д что значительно повысит точность и технологичность изготовления.

4. Разработан метод моделирования ЛС- и ЬС— ПРП с минимально возможным количеством звеньев, для допустимой методической погрешности в заданном диапазоне частот, и одновременно удовлетворяющей критериям равенства ФП и входного (выходного) иммитанса.

Модели, работающие на одной частоте, создаются без методической погрешности. Метод рекомендуется использовать при исследовании систем управления с удаленными и протяженными объектами.

Установлено, что существующие методики моделирования ПРП создают значительные относительные методические погрешности даже на одной частоте от 10,5% до 3,1% при увеличении числа плеч модели от 6 до 40.

Показано, что метод ФП позволяет создавать трехполюсные модели, как трансформаторов, так и корректирующих звеньев из мостовых структур, что дает возможность рассматривать весь тракт преобразования и передачи измерительной информации по линиям связи в виде единой ЦТС.

5. Создано математическое, алгоритмическое и программное обеспечение анализа характеристик функциональных устройств с ЦТС различной сложности, в том числе содержащих нелинейные элементы.

Показано, что программы реализуются малым числом команд, значительно сокращающим время использования ПЭВМ при исследованиях ЦТС. Так, например, моделирование восемнадцатиплечей схемы, состоящей из ИС-звеньев, где в качестве емкости используются нелинейные элементы - варикапы, занимает 4 часа при использовании стандартного программного обеспечения и 1 час при использовании предложенного ПО.

Разработанные интерфейсы позволяют проводить широкий спектр исследований всех, востребованных в настоящее время, характеристик преобразователей внося соответствующие параметры плеч структуры, что представляет практическую ценность для разработчиков преобразователей и устройств СУ.

6. Создан на основе ЦТС и метода ФП новый класс устройств и способов с улучшенными техническими характеристиками и усовершенствованы известные для измерения: номинальной частоты в широком диапазоне от датчиков с частотным выходом; уровня жидкости при изменениях положения резервуара или топливного бака; температуры и температурных полей при использовании множества (до нескольких сот) датчиков.

Измерение уровня и количества жидкости осуществляется с использованием однотипных стандартных емкостных датчиков, при непрерывном изменении положения резервуара или топливного бака в пространстве, что актуально при использовании транспорта в условиях крайнего севера.

Измерение среднего значения температуры среды от множества термодатчиков (до нескольких сот), являющихся элементами фазирующей цепочки, реализуемого использованием лишь двухпроводной лиши связи. В случае использования термопар, например, для измерения температурного поля в 100 точках на расстоянии (в среднем) 100 м от измерительной системы потребовалось бы 20 км дорогостоящего термокомпенсированного провода;

Измерение температуры газов ГТД с использованием струйно-акустических датчиков (САД), повышает быстродействие на три порядка по сравнению с применением термопар, а в случае дифференциального их включения дополнительно в 3 - 4 раза, что позволяет исключать аварийные режимы работы двигателя и увеличить ресурс его работы;

Измерение температуры цифровым термометром с обработкой частот от струйно-акустических датчиков в диапазоне 5 кГц - 30 кГц, имеет погрешность измерения не выше 0,5 % и разрешающую способность 0,001 СС до 200°С и 0,1 СС до 1500°С, за счет оригинальной схемы линеаризации, и помехоустойчивостью от гармонических составляющих сигнала, присущих САД температуры;

Измерение номинальной частоты с функциональной обработкой аналоговых сигналов от частотных датчиков и с использованием принципа ФАПЧ, позволяет расширить диапазон, повысить точность и быстродействие измерения в 10 раз по сравнению с использованием процентных и обычных частотомеров.

Таким образом, в диссертационной работе решена важная научно-техническая проблема, имеющая значение в создании и совершенствовании теоретической и технической базы класса преобразователей ЦТС для средств вычислительной техники и систем управления, обладающих высокими качественными и эксплуатациошгыми показателями, обеспечивающих ускорение развития производства

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы

Разработанная методология исследований позволяет:

1. Приступить к созданию способа измерения объема жидкого или газообразного топлива в условиях невесомости, что актуально для космических летательных аппаратов.

2. Создавать ЦАП из сопротивлений одного номинала, а также ЦАП для троичной системы счисления, что значительно сократит количество используемых разрядов при сохранении точности преобразования.

3. Создавать электронно управляемые линии задержек различной номенклатуры для САУ и систем передачи информации.

4. Разработать простой и надежный метод измерения массы жидких и сыпучих сред при их транспортировке.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ В рецензируемых журналах из списка ВАК

1. Гулин А.И. Анализ неоднородных цепных схем, составленных из трехполюсников / A.A. Кольцов, А.И. Гулин // Электричество. - 1975. - № 2. — С. 90-91.

2. Гулин А.И. Коэффициенты преобразования цепных трехполюсных структур / А.А.Кольцов, А.И. Гулин // Изв. вузов СССР - Приборостроение. -1975,-№ 9. -С. 31-34.

3. Гулин А.И. Диагностика измерительных преобразователей и устройств связи с неоднородной цепной структурой / А.И. Гулин // Контроль. Диагностика. - 2010. -№ 11. - С. 69-72.

4. Гулин А.И. Анализ амплитудно-фазочастотных критериев резонан-сов неоднородных ценных структур / А.И. Гулин // Вестник УГАТУ. Уфа -2011.-Т. 15. -№ 1 (41). — С. 123-125.

5. Гулин А.И. Исследование структур и выходных характеристик циф-роаналоговых преобразователей / А.И. Гулин // Датчики и системы. - 2011. - № 1. - С. 42-44.

6. Гулин А.И. Проектирование многозвенных RC-генераторов / А.И. Гулин //Изв. вузов Приборостроение. -2012.-Т. 56. -ЖЗ. - С. 14-18.

7. Гулин А.И. Исследование чувствительности и влияния нагрузки на выходные характеристики преобразователей и устройств с цепной трехполюс-ной структурой методом функций преобразования. / А.И. Гулин., Ж.А. Сухи-нец. // Вестник РГРТУ. - Рязань. - 2012. № 4 (выпуск 42). Часть 1. С. 39-43.

8. Гулин А.И. Исследование погрешности моделирования устройств с распределенными параметрами (опубл. на англ. языке) / Radioelectronics and Communications Sistems. - 2012. - Vol 55,- No. 5. - P. 233-237) / А.И. Гулин, Ж.А. Сухинец // Изв. вузов Радиоэлектроника. - 2012. - Т. 55. - № 5. - С. 51-56.

9. Гулин А.И. Измерение уровня и массы жидкости при изменении положений емкости / А.И. Гулин, Ж.А. Сухинец // Приборы и системы. Управление, Контроль, Диагностика. - 2012. - № 8 - С. 63-66.

10. Гулин А.И. Быстро действующий измеритель температуры газов в газотурбинном двигателе / А.И. Гулин II Авиакосмическое приборостроение. — 2012.-№ 9-С. 10-14.

11. Гулин А.И. Функциональный частотомер номинальных значений синусоидальных сигналов для частотных датчиков / А.И. Гулин, Ж.А. Сухинец // Приборы и системы. Управление, Контроль, Диагностика. — 2012. — № 9 — С. 33-37.

12. Гулин А.И. Измерение средней температуры неоднородной среды с использованием терморезисторов как элементов фазирующей цепочки генераторов / А.И. Гулин, Ж.А. Сухинец // Промышленные АСУ и контроллеры. -2012. -К« 10-С. 65-69.

13. Гулин А.И. Разработка алгоритмов анализа частотных свойств цепных RC- структур / А.И. Гулин, Ж.А. Сухинец, А.А.Абдулраб // Известия СПб ГЭТУ «ЛЭТИ». - С.-Петербург. -2013. - № 1. - С. 23-29.

14. Гулин А.И. Синтез преобразователей фазового сдвига для систем автоматического управления / Сапельников В.М., Сухинец Ж.А., Гулин А.И. // Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. - 2013. - № 1. - С. 15-26. [электронный ресурс]. URL: http://www.ogbus.ru/authors/SapelnikovVM/ SapelnikovVM_l .pdf

Монография

15. Гулин А.И. Анализ и синтез цепных структур методом функций преобразования / А.И. Гулин, Ж.А.Сухинец. - Deutschland, Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011. - 199 c.

Патенты

16. A.c. 636663 СССР, МКИ G09 В 23/02. Наглядное пособие по математике / A.A. Кольцов, А.И. Гулин (СССР). -№2365720/28-12; заявл. 28.05.77;. опубл. 08.12.78, Бюл. № 45. -2 е.: ил.

17. A.c. 909590 СССР, МКИ G01 К 13/02. Устройство для измерения температуры газового потока / A.C. Патлах, А.Г. Имамутдинов, А.И. Гулин (СССР).- №2937540/18-10; заявл. 09.06.80; опубл. 28. 02. 82, Бюл. №8.-2 с.:ил.

18. A.c. 1520360 СССР, МКИ G01 К 7/32. Цифровой термометр / А.И. Гулин, Н.М. Сафьянников, Е.П. Угрюмов, C.B. Забелина (СССР). №4223110,24-10; заявл. 06.04.87; опубл. 07.11.89, Бюл. № 41. - 3 е.: ил.

19. A.c. 1560985 СССР, МКИ G01 К 3/02. Устройство для измерения средней температуры / H. М. Сафьянников, А.В.Петров, А.И. Кушнир, А.И.Гулин, В.А.Ишал (СССР). - №4450434/24-10; заявл. 29.06.88; опубл. 30.04.90, Бюл. № 16. - 3 е.: ил.

20. Пат. № 2491517 Российская Федерация, МПК G 01 F23/26. Способ измерения уровня жидкости при изменении положении резервуара и устройство для его осуществления / Гулин А.И., Сухинец Ж.А. - № 2012111097/28; заявл. 22.03.12; опубл. 27.08.2013, Бюл. № 24. -9 е.: ил.

21. Пат. № № 2495390 Российская Федерация, МПК G 01 КЗ/02: G 01 К7/32. Способ измерения средней температуры неоднородной среды и устройство для его осуществления / Гулин А.И., Сухинец Ж.А. - № 2012114660/28; заявл. 12.04.2012; опубл. 10.10.2013, Бюл. № 28 - 8 е.: ил.

22. Пат. № 2503019 Российская Федерация, МПК G01R23/00. Способ измерения номинальной частоты синусоидальных сигналов и устройство для его реализации / Гулин А.И., Сухинец Ж.А.- № 2012133556/11; заявл. 03.08.2012; опубл. 27.12.2013, Бюл. № 36.-11 е.: ил.

Свидетельства о государственной регистрации программ и алгоритмов

23. Расчет параметров преобразователей цепной структуры // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002610748/22.05.2002. / Гулин А.И., Сухинец Ж.А., Мударисов Д.Ф. Роспатент. Москва. 2002.

24. Расчет частоты квазирезонанса и коэффициента передачи многозвенных RC- структур // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2003611147/15.05.2003. / Гулин А.И., Сухинец Ж.А., Мударисов Д.Ф., Хаников И.Р. Роспатент. Москва. 2003.

25. Расчет допусков на элементы цифро-аналогового преобразователя по заданной погрешности выходного напряжения // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2011616054/03.08.2011. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. / Гулин А.И., Сухинец Ж.А., Мударисов Д.Ф. Москва. 2011.

26. Исследование амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик цепных RC-схем // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2011616985/08.09.2011. Федеральная служба по интеллектуаль-

ной собственности, патентам и товарным знакам. / Гулин А.И., Сухинец Ж.А., Хасанов Р.Х. Москва. 2011.

27. Гулин А.И., Сухинец Ж.А., Хасанов Р.Х. Исследование частотных характеристик многозвенных RC-схем // Информационный бюллетень ЦИТиС, Per. №50201151265: Алгоритмы и программы, № 2012.03.0307.-РТО 61 с.

28. Программа моделирования влияния разброса параметров элементов ЦАП на погрешность выходных характеристик // Информационный бюллетень ЦИТиС, Per. № 50201151288: Алгоритмы и программы, № 2012.03.0313. - РТО 63 с. / Гулин А.И., Сухинец Ж.А., Мударисов Д.Ф.

29. Программа расчета преобразователей цепной структуры // Информационный бюллетень ВНТИЦ, Per. № 50200200246: Алгоритмы и программы, № 2, 2003. - РТО 11с./ Гулин А.И., Сухинец Ж.А., Мударисов Д.Ф. I

В других изданиях

30. Гулин А.И. Однородная комбинированная каскадная схема для компенсатора и делителя напряжения / В.М. Сапельников, А.И. Гулин // Новые измерительно-информационные устройства для нефтяной промышленности: сб. науч. тр. - Уфа: УНИ, 1968. - С. 101-104.

31. Гулин А.И. Анализ и синтез измерительных преобразователей цепных структур / A.A. Кольцов, А.И. Гулин // Измерительные информационные системы. Устройства и элементы: матер, всесоюзной конф. «ИИС-75». — Кишинев, 1975.-Т. 2. С. 50-51.

32. Гулин А.И. Цепные структуры и их применение в электроизмерительной технике / А.И. Гулин // Основы теории электроизмерительных цепей: сб. науч. тр. - Уфа: УАИ, 1976. - С. 80-83.

33. Гулин А.И. К анализу резонансных состояний цепных трёхполюсных структур / A.A. Кольцов, А.И. Гулин // Элементы информационно-измерительных устройств с распределенными параметрами: сб. науч. тр. - Уфа: БФАНСССР, 1976.-С. 14-19.

34. Гулин А.И. Измеритель температуры газов ГТД со струйными датчиками / А.Г. Имамутдинов, A.C. Патлах, А.И. Гулин // Методы и средства диагностики газотурбинных двигателей и их элементов: матер, всесоюзной науч. конф. - Харьков: ХАИ, 1980. - Т. 2. - С. 245-246.

35. Гулин А.И. Квадратичный усредняющий преобразователь частотно-импульсных сигналов / И.В. Герасимов, А.И. Гулин, Н.М. Сафьянников, Хлу-деневА.В. // Теория и проектирование систем автоматического управления и их элементов: межвуз. науч. сб.— Уфа: УАИ, 1983. - С. 141-145.

36. Гулин А.И. Исследование датчиков с распределенными параметрами и анализ комбинированных структур преобразователей / А.И. Гулин // Автоматизация и метрологическое обеспечение измерений в нефтяной промышленности: межвуз. науч. сб. - Уфа: УНИ, 1984. - С. 79-84.

37. Гулин А.И. Исследование цифро-аналоговых преобразователей для БЦВМ / А.И. Гулин Н Теория и проектирование адаптивных САУ: сб. науч. тр. - Уфа: БФАН СССР, 1984. - С. 113-116.

38. Гулин А.И. Проектирование частотных датчиков на базе RC- генераторов с фазирующим четырехполюсником / А.И. Гулин // Теория и проектирование САУ и их элементов: межвуз. науч. сб. -Уфа: УАИ, 1984. - С. 105-110.

39. Гулин А.И. Многоканальный вычислительный преобразователь для автоматизированной системы измерения параметров температурных полей / И.В. Герасимов, А.И. Гулин, А.И. Кушнир, Н.М. Сафьянников // Теория и проектирование САУ и их элементов: межвуз. науч. сб. - Уфа: УАИ, 1984. -С. 116-120.

40. Гулин А.И. Определение параметров длинной линии с повреждением / А.И. Гулин // Сложные электромагнитные поля и электрические цепи: межвуз. науч. сб.-Уфа: УАИ, 1984.-№ 12.-С. 131-134.

41. Гулин А.И. Помехоустойчивый измеритель температуры газового потока со струйно-акустическими датчиками / А.И. Гулин, P.M. Файрузов И.Л. Кузнецов // Теория и проектирование САУ и их элементов: межвуз. науч. сб. -Уфа: УАИ, 1985. - С. 78-82.

42. Гулин А.И. Высокотемпературное устройство ввода сигнала с термодатчиков / А.И. Гулин, P.M. Файрузов, А.Г. Имамутдинов // Средства измерений и автоматизации в нефтяной промышленности: межвуз. научно-тематич. сб.-Уфа: УНИ, 1985.-С. 31-33.

43. Гулин А.И. Структурная организация моделирования цифровых функциональных узлов автоматики / А.И. Кушнир, Н.М. Сафьянников, И.В. Герасимов, А.И. Гулин // Средства автоматизации технологических процессов: межвуз. науч. сб.-Уфа: УНИ, 1987.-С. 131-134.

44. Гулин А.И. Управляющая программа для моделирования импульсно-цифровых устройств / А.И. Кушнир, Н.М. Сафьянников, А.И. Гулин // Теория и проектирование САУ и их элементов: межвуз. науч. сб.- Уфа: УАИ, 1987. - С. 145-150.

45. Гулин А.И. Способ организации нелинейного преобразования пневматических сигналов / А.И. Гулин, В.В. Сальников, Н.М. Сафьянников // Измерительные элементы и системы управления в нефтяной промышленности: межвуз. науч. сб. - Уфа: УНИ, 1988. - С. 178-182.

46. Гулин А.И. Экономичный таймер с широко изменяемым временным интервалом. / А.И. Гулин, А.Л. Шульман // Теория проектирования САУ и их элементов: межвуз. науч. сб. - Уфа: УАИ, 1988. - С. 57-60.

47. Гулин А.И. Импульсно-цифровой усреднитель частоты. / А.И. Гулин, A.B. Петров // Теория проектирования САУ их элементов: межвуз. науч. сб. — Уфа: УАИ, 1989. - С. 91-95.

48. Гулин А.И. ГИС в здравоохранении на базе городских коммуникаций / А.И. Гулин, Ж. А. Сухинец // Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе: матер. 29 межд. конф. IT + SE' 2002. - Ялта - Гурзуф. - Москва: МГАПИ, 2002. - С. 370-372.

49. Гулин А.И. Интерактивные сети КТВ / А.И. Филимонов, Ж.А. Сухинец, А.И. Гулин // Отраслевой каталог «Технологии и средства связи». — М.: Изд-во Гротек, 2004. - С. 164-172.

50. Гулин А.И. Абонентское устройство системы цифрового интерактивного телевидения IP-STB и проблема передачи потокового видеоизображения на большие расстояния с высоким качеством / А.И. Гулин, P.M. Насретдинов // Электроника, автоматика и измерительная техника: межвуз. сборник. -Уфа: УГАТУ, 2007. - С. 216-223.

51. Гулин А.И. Обзор приставок цифрового телевидения / А.И. Гулин, P.M. Насретдинов // Телевидение и радиовещание. - 2007. - №5 - С. 48-50.

52. Гулин А.И. Достоинства и недостатки оптического волокна при анализе передачи потокового видео в магистральной сети кабельного телевидения / Гулин АЛ, Насретдинов РА1 /71 Ьукоемкие технологии. -2008. -Т. 9-№ 12-С. 34-36.

53. Гулин А.И. Разработка алгоритмов исследования RC-генераторов на ПЭВМ /А.И. Гулин, Е.С. Терхина // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: »матер. Ш межд. конф. - Уфа. - 2012. - С. 217-218.

54. Гулин А.И. Моделирование неисправностей преобразователей и устройств с однородной распределенной цепной структурой (опубл. на англ. языке) / А.И. Гулин, Ж.А. Сухинец // Труды IEEE Восток-Запад Проектирование и диагностика (EWDTS 2012: матер, десятого межд. симп. - Харьков:ХНУРЭ, 2012.-С. 130-133.

55. Гулин А.И. Устройство измерения средней частоты / Ж.А. Сухинец, Б.И. Садретдинов, А.И. Гулин // Перспективные информационные технологии в научных исследованиях, проектировании и обучении: сб. науч. трудов - Самара: СГАУ, 2012. - С. 61-62.

56. Гулин А.И. Синтез фазовых преобразователей по заданным техническим характеристикам / В.М. Сапелышков, Ж.А. Сухинец, А.И. Гулин // Электропривод, электротехнология и электрооборудование предприятий: сб. науч. трудов I мсад (IV Всероссийской) конф,- Уфа: «Нефтегазовое дело», 2013.-С. 254-260.

57. Гулин А.И. Анализа преобразователей с неоднородной цепной трех-полгосной структурой (опубл. на англ. языке) / Ж.А. Сухинец, А.И. Гулин // Труды IEEE Восток-Запад Проектирование и диагностика (EWDTS 2013: матер, одиннадцатого межд. симп. - Ростов на Дону: ХНУРЭ, 2013. - С. 283-286.

Диссертант

Гулин А.И.

ГУЛИН Артур Игоревич

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ЦЕПНЫХ ТРЕХПОЛЮСНЫХ СТРУКТУР ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ МЕТОДОМ ФУНКЦИЙ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Специальность 05.13.05 — Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано в печать 21.02. 2014. Формат 60x84 1/16 Бумага оберточная. Печать плоская. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 2,0. Уч. - изд. л. 2,0 Тираж 100 экз. Заказ № 96.

ФГБОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Редакционно-издательский комплекс УГАТУ 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12.

На правах рукописи

05201450940

ГУЛИН Артур Игоревич

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ЦЕПНЫХ ТРЕХПОЛЮСНЫХ СТРУКТУР ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ МЕТОДОМ ФУНКЦИЙ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

УФА 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................................................................

Глава 1. Основные требования, классификация и обзор методов исследования функциональных устройств с цепной трехполюсной структурой..............................................................25

1.1. Общие сведения и классификация преобразователей

цепной трехполюсной структуры................................................25

1.2. Обзор и классификация методов исследования

устройств с цепной трехполюсной структурой...............................33

1.3. Основные требования к построению функциональных устройств цепной структуры и постановка задачи исследований........37

Выводы по главе 1................................................................39

Глава 2. Анализ элементов и устройств с цепной трехполюсной структурой методом функций преобразования...................................40

2.1. Анализа статических характеристик преобразователей

с неоднородной цепной трехполюсной структурой.........................40

2.2. Исследование чувствительности преобразователей с ЦТС..........50

2.3. Анализ устройств с однородной цепной структурой и преобразователей с распределенными параметрами.......................51

2.4. Анализ мостовых структур, корректирующих звеньев

и трансформаторных преобразователей систем управления..............55

2.5. Анализ канала преобразования информации из устройств

с сосредоточенными и распределенными параметрами...................60

2.6. Исследование структур цифро-аналоговых

преобразователей...................................................................62

2.7. Эффективность использования метода функций преобразования при исследованиях преобразователей

цепной структуры..................................................................68

Выводы по главе II.................................................................71

Глава 3. Синтез функциональных устройств систем управления и устройств вычислительной техники по заданным

техническим характеристикам методом функций преобразования..............72

3.1. Синтез фазовых преобразователей по заданным

статическим характеристикам...................................................74

3.2. Синтез автогенераторных Я С- преобразователей с сосредоточенными параметрами по виду структуры,

числу плеч и частоте выходного сигнала.....................................82

3.3. Синтез частотных преобразователей с

распределенными параметрами................................................90

3.4. Синтез регулируемых каскадных масштабных преобразователей из резисторов одного номинала........................95

3.5. Общие вопросы синтеза устройств ЦТС с учетом требований

к рабочим характеристикам и условию согласования в СУ...............98

Выводы по главе III................................................................102

Глава 4. Проектирование и моделирование устройств

вычислительной техники и систем управления с цепной структурой.........104

4.1. Разработка метода прогнозирования повреждений

устройств с однородной распределенной структурой...................104

4.2. Исследование резонансных свойств преобразователей

и устройств систем управления..............................................108

4.3. Исследование методических погрешностей

моделирования устройств с распределенными параметрами..........113

4.4. Проектирование устройств с нормированной погрешностью выходных характеристик..................................119

4.5. Разработка метода диагностики измерительных преобразователей с неоднородной цепной структурой................122

4.6. Исследование влияния нагрузки на выходные

параметры частотных датчиков..............................................128

Выводы по главе IV............................................................132

Глава 5. Разработка алгоритмов, программ и интерфейсов для исследований характеристик преобразователей и

устройств с цепной структурой......................................................134

5.1. Разработка алгоритмов исследования и инженерной методики расчета функциональных устройств с

цепной структурой.............................................................134

5.2. Разработка алгоритма программы «КР.ЕХЕ» и интерфейса исследование амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик цепных /?С-преобразователей...............139

5.3. Разработка алгоритмов исследования, программы «Ооршк» и инженерной методики расчета допусков на элементы ЦАП по заданной погрешности

выходного напряжения.........................................................151

5.4. Разработка алгоритмов исследования, программы «Бека/отС» и инженерной методики расчета влияния отклонений значений элементов фазирующей ЯС- цепочки (чувствительности) на функцию

преобразования и частоту квазирезонанса................................158

5.5. Разработка алгоритмов исследования и программы вычисления средней частоты квазирезонанса фазирующих

цепочек из резистивных и емкостных датчиков..........................167

Выводы к главе V.................................................................175

Глава 6. Разработка принципиально новых устройств систем управления, обладающих высокими качественными

и эксплуатационными показателями................................................176

6.1. Разработка способа измерения уровня и массы жидкости

при изменении положений резервуара и устройства

для его осуществления...........................................................176

6.2. Разработка способа измерения средней температуры неоднородной среды с использованием терморезисторов как элементов фазирующей

цепочки генераторов.............................................................185

6.3. Разработка научных основ измерения номинальных значений синусоидальных сигналов и принципиально нового функционального частотомера для

частотных датчиков...............................................................194

6.4. Разработка быстродействующего измерителя

температуры газов ГТД........................................................204

6.5. Разработка цифрового термометра для

струйно-акустических датчиков ГТД.......................................213

6.5.1. Разработка цифрового термометра на дискретных элементах.........................................................................213

6.5.2. Разработка цифрового термометра на

программируемых устройствах..............................................216

6.6. Разработка устройств для измерения средней температуры газов ГТД при использовании различных

типов преобразователей.........................................................222

6.6.1. Измеритель средней температуры с

термопреобразователями.......................................................222

6.6.2. Измеритель средней температуры с

частотными датчиками.........................................................229

Выводы по главе VI.............................................................231

Заключение............................................................................233

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы..............................238

Список сокращений и условных обозначений.................................239

Список литературы...................................................................240

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................266

Приложение 1. Примеры исследования цепных

структур преобразователей различными методами......................266

П. 1.1 Примеры расчета коэффициента передачи шестиплечей структуры ИП U/U методом

контурных токов...................................................................267

П. 1.2. Пример расчета коэффициента передачи

преобразователя с применением матричной алгебры......................267

П. 1.3. Расчет коэффициента передачи преобразователя

с помощью направленных графов.............................................268

П. 1.4. Пример расчета коэффициента передачи с

помощью ненаправленных графов............................................269

ПЛ.5. Расчет коэффициента передачи ИП U/Uс помощью

метода структурных чисел......................................................270

П. 1.6. Расчет частоты квазирезонанса однородной схемы

различными методами...........................................................271

Приложение 2. Программа «CAPCALC.EXE» анализа и расчета функций преобразования, чувствительности, входных и выходных иммитансов) устройств с цепной

трехполюсной структуры.......................................................274

Приложение 3. Программа исследования электронно

управляемого фазовращателя «КР.ЕХЕ»....................................295

Приложение 4. Программы «Dopusk» исследования и расчета допусков на элементы ЦАП по заданной П

огрешности выходного напряжения........................................301

Приложение 5. Программы «Delta/ЪтС» расчета влияния отклонений значений элементов фазирующей RC- цепочки (чувствительности) на функцию

преобразования и среднюю частоту квазирезонанса....................309

Приложение 6. Полный алгоритм программы «Оека/отС» вычисления средней частоты квазирезонанса фазирующих

цепочек из резистивных и емкостных элементов...........................316

Приложение 7. Акт внедрения в НПО «Карат»...........................347

Приложение 8. Акт внедрения в НПФ «КИС»..............................348

Приложение 9. Акт внедрения в НПФ «Термит»..........................349

Приложение 10. Акт внедрения «ЧИП»....................................350

Приложение 11. Акт внедрения в ОАО УЗМ «Магнетрон»..............351

Приложение 12. Акт внедрения в учебный процесс УГАТУ...........352

Приложение 13. Акт внедрения в ОАО УЗ «Промсвязь».................353

Приложение 14. Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве в рецензируемых научных изданиях........................354

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Наиболее распространенной структурой, реализующей широкий класс преобразователей систем управления (СУ) и устройств вычислительной техники (ВТ, является цепная трехполюсная структура (ЦТС). Это цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и первичные преобразователи с частотным и фазовым выходом, вторичные преобразователи частота-код и фаза-код, масштабные преобразователи и корректирующие звенья, схемы замещения большого класса преобразователей с распределенными параметрами (ПРИ) и линий связи, модели электрохимических процессов, устройств различной физической природы и т. д.

Теория о ЦТС получила развитие благодаря работам таких отечественных ученых как Асеев Б.П., Белецкий А.Ф., Лангин A.A., Смолов В.Б., Веников В.А., Новицкий П.В., Островский Л.А., Сигорский В.П., Харкевич A.A. и многих других специалистов, а также ряда зарубежных (Абрахаме Д., Беллерт С., Гиллемин Э.А., Калахан Д.А., Карни Ш., Кауэр В., Мэзон С., Пароди М. и др.).

Очевидно, что увеличение количества плеч устройств ЦТС и схем замещения ПРП позволяет расширить диапазон, увеличить точность преобразования и уменьшить методическую погрешность моделирования. Однако, анализ подобных структур при числе плеч более восьми традиционными методами затруднителен, а при использовании нелинейных элементов -практически невозможен. К настоящему времени не разработаны и методы исследования ЦТС, имеющих в своем составе неоднородные и распределенные схемы, с применением ПЭВМ, во всяком случае, достаточно общие. Отсутствие приемлемого метода исследований ЦТС затрудняет проведение анализа резонансных состояний сложных преобразователей с частотно-зависимыми элементами. Важность решения этой задачи возрастает с использованием специальных методов линейного кодирования для передачи информации от преобразователей, когда возникает необходимость учета влияния частотно-зависимых цепей на временные задержки, изменения амплитуд многоуровневых кодов и т.п.

Как известно, одним из основных элементов интегральной схемотехники является ЛС-структура, представляющая собой ЦТС с распределенными параметрами. Весомый вклад в разработку методов анализа и синтеза RC-структур и устройств на их основе внесли отечественные и зарубежные учёные, среди которых можно отметить Агаханяна Т.М., Знаменского А.Е., Колесова JI.H., Нигматуллина Р.Ш., Гильмутдинова А.Х., Ушакова П.А., Гутникова B.C. и др., а также Castro P., Fuller W., Kaufmann W., Garrett S.,Orchard H., Wang D., Lancaster P., Mine H., Marinov С. и т.д. Однако современные методы и средства анализа и синтеза не позволяют оценивать методическую погрешность и разработать приемлемые методики моделирования схем замещения подобных структур.

Использование частотных датчиков ЦТС совмещает простоту и универсальность, свойственную аналоговым устройствам, с точностью и помехоустойчивостью, характерными для датчиков с кодовым выходом. В настоящее время получены аналитические выражения для частоты и затухания, подобных ЦТС лишь для преобразователей с числом плеч не более восьми.

Не решены также вопросы синтеза каскадных делителей напряжения из сопротивлений одного номинала, ЦАП с воспроизводимыми выходными характеристиками в зависимости от допуска на разброс параметров его элементов, дискретных фазовращателей, многозвенных ЯС-генераторов и диагностики преобразователей ЦТС в процессе их производства и эксплуатации.

Перспективность ЦТС заключается и в том, что на их основе можно создавать различные функциональные устройства измерения и обработки электрических сигналов, более точные модели физических, электрических и электрохимических объектов. Например, без дополнительных вычислительных операций производить быстрое усреднение в реальном масштабе времени показаний температуры, уровня, давления и других физических величин, передавая информацию по двухпроводной линии связи, с использованием однотипных датчиков в качестве элементов фазирующих цепочек RC- или LC-генераторов.

Однако применение ЦТС в различных отраслях промышленности сдерживается из-за отсутствия современной теоретической базы их исследования. Так, например, газотурбинные двигатели (ГТД) нашли широкое применение не только в авиации, где они являются основными силовыми установками летательных аппаратов, но и в нефтяной и газовой промышленности при продувке и очистке магистральных продуктопроводов. Температура газа перед турбиной ГТД является одним из основных параметров, определяющих тяговые характеристики и ресурс двигателя, работающего на предельных режимах вблизи функциональных и прочностных ограничений. Необходимо отметить, что увеличение температуры лопаток ГТД на 5 К приводит к перерасходу топлива и уменьшению ресурса ГТД примерно на 10%, а скорость изменения температуры газов на переходных режимах может достигать 400 Юс за время не более 0,5 -4,0 с. Существующие СУ ГТД, основанные на измерении терморезистивными или термопарными датчиками из-за низкого быстродействия, порядка 10 + 12 с, не удовлетворяют современным требованиям. В связи с этим, создание быстродействующих систем регулирования температуры газового потока ГТД, позволяющих исключать аварийные режимы работы двигателя, является актуальной задачей. Измерение температур газов в ГТД струйно-акустическими датчиками увеличивает быстродействие на три порядка. Однако, выходной полигармонический сигнал, в котором вторая гармоника по уровню значительно превышает первую из-за резонансных свойств последующего пьезопреобразователя, усложняет селекцию и обработку информативного параметра. Применение частотомера номинальных значений, построенного на преобразователе ЦТС, позволит не только выделять первую гармонику, но и проводить функциональную обработку аналогового сигнала без дополнительных вычислительных операций за один период измеряемой частоты, повышая быстродействие СУ ГТД.

Поэтому разработка научных основ создания современных методов исследования класса преобразователей ЦТС с целью построения новых и

совершенствования известных средств ВТ и СУ представляется своевременной и актуальной задачей, решение которой имеет важное практическое значение.

Степень разработанности. До настоящего времени отсутствует методология исследований, позволяющая создавать способы и устройства измерения:

- уровня жидкости при изменениях положения резервуара;

- средней температуры с использованием большого количества датчиков (нескольких сот) и без вычислительных устройств;

- номинальной частоты в широком диапазоне с функциональной обработкой аналогового сигнала от датчиков с частотным выходом;

- температуры газов ГТД с быстродействием, превышающим на три порядка при использовании термопреобразователей.

Целью работы является разработка научных основ создания и исследования всего класса преобразователей ЦТС для совершенствования теоретической и технической базы СУ и ВТ повышением точности, быстродействия и расширением диапазона измерений номинальной частоты от датчиков с частотным выходом, уровня жидкости при колебаниях емкости, температуры и температурных полей физических сред с использованием множества датчиков.

Предмет исследований: анализ, синтез и диагностика устройств с ЦТС, методы и алгоритмы повышения эффективности исследований тракта преобразования информации.

Объект (область) исследования: функциональные устройства, содержащие преобразователи с однородной, неоднородной и распределенной ЦТС и их комбинированные соединения.

Задачи исследований:

1. Создание методологии исследования (анализа, синтеза и диагностики) функциональных устройств различного назначения с однородной и неоднородной ЦТС независимо от их схемного исполнения.

2. Разработка метода анализа преобразователей ЦТС, как с с�