автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система стендовых испытаний изделий автомобильной промышленности

г 7 1997

На правах рукописи

ВАСИЛЬЧУК АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ УДК 658.516:658.524

ИНФОРМАЦИОННО - ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ ИЗДЕЛИЙ

АВТОМОБИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальность 05.11.16 - Информационно - измерительные системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 1997

Работа выполнена в АО "КОНВЕРСИЯ - ЛАДА - СЕРВИС" Научный руководитель: действительный член Метрологической академии РФ доктор технических наук профессор Молотов П. Е.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Ведущая организация - АО "Завод имени Тарасова" (г. Самара)

Защита состоится " ^ " ил<3кА 1997 года в д_ часов на заседании диссертационного совета Д.063.16.01 при Самарском государственном техническом университете по адресу: 443010, г.Самара, ул. Галактионовская, 141. ауд. 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета.

доцент Нестеров В. Н.; кандидат технических наук, старшин научный сотрудник Скрипицын Г. К.

Автореферат разослан " ЯЗ " с^п^уимЗ^ 1997 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д.063.16.С кандидат технических наук, доцент

В.Г.Жиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Современное состояние Российского автомобилестроения характеризуется в основном влиянием двух факторов: увеличением годового объема выпуска автомобилей, обусловленного постоянным, несмотря на сложное экономическое состояние страны, потребительским спросом, и непрерывным ужесточением требований к выпускаемой продукции, определяемым все более увеличивающейся конкуренцией со стороны импортируемой техники, а также постоянно повышающимися параметрами экологической безопасности.

В последние годы в Российском, а также в зарубежном автомобилестроении наметилась тенденция развития стендового и диагностического оборудования, объемы производства которого в настоящее время постояшо растут.

Средства для измерений и обработки информации в современном стендовом оборудовании в связи с непрерывно усложняющимися задачами испытаю«! и диагностики узлов автомобилей уже сейчас представляют собой сложные измерительные комплексы.

В связи с этим проблема создания информационно - измерительных систем (ИИС) стендового оборудования для обработки измерительной информации в реальном темпе испытаний автомобилей и их агрегатов является актуальной.

Цель работы.

Целью работы является разработка и исследование информационно - измерительной системы стендовых испытаний автомобилей в целом и их отдельных узлов.

Задачи исследований.

В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи:

- определение тенденций в развитии информационно - измерительных систем стендового оборудования в автомобилестроении;

- исследование информационных характеристик измерительных сигналов в стендовых испытательных комплексах;

- разработка алгоритмического обеспечения и структурных схем устройств предварительной обработки информации ИИС стендового оборудования;

- исследование характеристик алгоритмического обеспечен™ устройств предварительной обработки информации ИИС стендового оборудования;

- исследование погрешностей устройств предварительной обработки информации ИИС стендового оборудовать.

Методы исследования.

В работе использованы следующие методы: теории информации, системного анализа полученных данных, дифференциального и интегрального исчисления, теории дискретного г - преобразования, теории вероятностей.

Научная новизна работы.

Теоретически доказано, что априорный закон распределения измерительных сигналов при проведении испытаний автомобильных двигателей на токсичность отработавших газов имеет тенденцию приближаться к логарифмически - равномерному закону, что подтверждено в диссертации результатам! обработки значительного объема экспериментальных данных.

На основании анализа результатов обработки данных показано, что априорные законы распределения основной группы измерительных сигналов также имеют характер логарифмически - равномерного закона.

Предложен оптимальный и квазиоптимальный законы квантования измерительных сигналов в устройствах предварительной обработки информации ИИС стендового оборудования.

Разработан новый метод определения коэффициентов сплайн - аппроксимации измерительного сигнала в устройствах предварительной обработки информации при произвольном числе точек аппроксимации сплайн - фильтра.

Разработан аналоговый интерфейс ИИС стендовых испытаний узлов автомобилей на основе универсальных аналого - цифровых устройств предварительной обработки информации, а также схем для стандартного протокола обмена данными с центральным компьютером системы.

Практическая ценность работы.

Метод определения коэффициентов параболической и кубической сплайн -аппроксимации сигналов позволяет находить коэффициенты аппроксимации при произвольной степени аппроксимирующего полинома и любом числе значений весовой функции аппроксимирующего фильтра. Это позволяет достаточно просто определить для аппроксимации конкретного измерительного сигнала наиболее подходящую функцию.

Разработанные схемы функциональных аналого - цифровых устройств предварительной обработки информации, а также устройств со сплайн - аппроксимацией измерительных сигналов ИИС стендовых испытают могут быть построены на стандартной микроэлектронной и микропроцессорной базе с использованием основных способов аналого - цифрового преобразования, что упрощает инженерное проектирование таких устройств.

Методика оценки погрешностей устройств предварительной обработки информации ИИС стендовых испытаний позволяет выбрать структуру таких устройств, а также соответствующую элементную базу, удовлетворяющие заданной величине инструментальной погрешности.

Схема ИИС стендовых испытаний изделий автомобильной промышленности, имеющая трехуровневую структуру, может быть использована при решении основной группы задач стендовых испытаний автомобильных двигателей, ходовой части и кузовов автомобилей, что снижает затраты на проектирование и разработку таких ИИС.

Реализация результатов работы проведена на АО "КОНВЕРСИЯ - ЛАДА -СЕРВИС" , а также в учебном процессе на кафедре конструирования радиоэлектронных аппаратов Самарского государствешого аэрокосмического университета.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международной деловой встрече "Диагностика - 94" (г. Ялта, 1994г), Международной конференции по морским технологиям и судостроению "Black Sea' 92" (Болгария, Варна, 1992г.), Республиканской научно - технической конференции "Теория цепей и сигналов" (г. Геленджик, 1996г), межотраслевой научно - технической конференции "Автоматизированные информационные системы при строительстве и эксплуатации сооружений и объектов жизнеобеспечения" (г. Самара, 1996г), на заседании Научного Совета Поволжского регионального научно - технического центра Метрологической академии РФ. Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введет«, пяти глав и заключения, изложенных на 157 страницах машинописного текста, в том числе содержит 48 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 110 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Исследование закона распределения измерительных сигналов, поступающих с датчиков стендов испыташы автомобильных двигателей, может быть выполнено с использованием математической модели процесса формирования измерительного сигнала, и позволяет разработать оптимальную шкалу квантования аналого - цифровых устройств преобразования и первичной обработки информа-iöffl ИИС испытательных стендов.

2. Использование для сжатия измерительной информации алгоритмов сплайн - аппроксимации позволяет определять не только оценки значений измерительных сигналов, но одновременно и других информативных параметров, в частности , оценки старших произволмх сигнала.

3. Предложенный метод исследования алгоритмов сшайн - аппроксимации измерительных сигналов позво агагроксимации при любой степени полинома и числе дискретных значений ляет определять коэффициенты полиномиальной аппроксимации при любой степени полинома и числе дискретных 'значений весовой функции аппроксимирующего фильтра, что упрощает выбор аппроксимирующей функции, удовлетворяющей заданной погрешности аппроксимации и наиболее удобной с точки зрения ее практической реализации в устройствах предварительной обработки информации ИИС стендовых испытаний.

4. Использование разработанных и исследованных схем устройств предварительной обработки измерительной информации позволяет строить на их основе универсальные ИИС стендовых испытаний с программируемыми характеристиками и структурой, предназначенные доя решения широкого класса задач испытаний двигателей, ходовой части и кузовов современных автомобилей

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, выявлены научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проведен анализ задач стендовых испытаний в автомобилестроении. Показано, что в настоящее время в автомобильном машиностроении значительно увеличиваются материальные затраты на проведение стендовых испытаний. Значительную часть стоимости разрабатываемого стендового оборудования составляют затраты на создание информационно - измерительных систем, входящих в состав испытательных комплексов. При проведении классификации ИИС современных испытательных стендов, используемых в автомобилестроении, в соответствии со спецификой задач измерения и обработки информации, выделены ИИС измерения механических параметров и ИИС для измерений физико - химических параметров, причем различие в математическом и аппаратном обеспечении этих двух групп обусловлено характеристиками измеряемых величин и потоков обрабатываемых данных. При рассмотрении ИИС последней группы определено, что ужесточающиеся экологические требования, а также существующая тенденция перехода на альтернативные виды топлива обусловили использование сложной современной аналитической техники в испытательных стендах двигателей и при проведении их диагностики. Поэтому необходимо создавать информационно - измерительные системы для обработки аналитической информации, обеспечивающей проведение многокомпонентного анализа состава отработавших газов в реальном темпе времени эксперимента.

При рассмотрении Ш1С стендовых исныташ-ш, в процессе которых проводятся измерения механических параметров, определена тенденция к снижению стоимости процесса тгих измерений и повышению оперативности получения результатов обработки информации на основе использования мультипроцессорных систем, обеспечивающих большую производительность обработки и имеющих высокие метрологические характеристики.

Для таких систем характерно использование предварительной обработки измерительной информации на нижнем уровне структуры с целью ее сжатия, фильтрации и т.д. с использованием специальных измерительных преобразователей, выполненных на базе современных микропроцессорных и микроэлектрон-Ш.1Х комплектую1Цих.

В связи с тем, что конфигурация и параметры средств предварительной обработки информации Ш1С стендового оборудовать во многом зависят от информационных характеристик измеряемых параметров ( динамического диапазона, частотного спектра и т.д.), то для создания оптимальной конфигурации таких средств необходимо проводить исследования информационных характеристик этих параметров.

На основании анализа рассмотренных задач обработки информшщи ИИС стендового оборудования и характеристик существующих систем измерения параметров, а также сбора и обработки данных при провело]ши стендовых испытаний формулируются цель и задачи исследований.

Во второй главе проно;пггся анализ информащюнных характеристик сигналов, формируем],!х датчиками стендового оборудовать.

На основании анализа информационных характеристик аналипгческих методов, применяемых при определешш состава и свойств отработавших газов автомобильных двигателей сделан вывод о том, что аналитические методы, имеющие высокую разрешающую способность по диапазонам измеряемых концентраций компонентов, имеют и высокую информационную способность, определяемую количеством информации, получаемой при выполнении аналитических измерений с испол1>зованием рассматриваемых методов. Однако практически все рассматриваемые методы имеют значительную информационную избыточность. Это обстоятельство определило необходимость исследования информационных характеристик аналитических сигналов, снимаемых с выходов аналитических приборов -хроматографов, спектрометров и т.д., используемых при анализе состава отработавших газов.

На основании нре.сположения о том, что концентрации компонентов отработавших газов, также и как концентрации всех веществ в природе, образовавшихся в результате всевозможных химических превращений, определяются законом действия масс

где р, - равновесная концентрация компонента .*,■,

р, - равновесная концешрация компонента у,, КР(Т) - конста1гга химического равновесия, . )/. - стехиометрические коэффициенты, выдвигается предположение о том, что априорный закон распределения концентрации р, интересующего компонента определяется законом распределения мультипликативной величины

где х,- - независимая случайная нормированная величина, имеющая произвольный закон распределения

Анализ распределения в сличит.) г показывает, что при наиболее часто встречающихся законах распределешы величин х, (равномерном, гауссовом, треугольном) закон распределения мультипликативной величины г при увеличении числа п сомножителей приближается к логарифмически - равномерному

График этого закона имеет гиперболический вид и характеризуется скошенностью влево. Проведение более детального анализа моментов функции распределения мультипликативной величины подтверждает это обстоятельство: в работе показано, что скошенность влево (характеризуемая третьим центральным моментом) мультипликативной ве.лтгчишл при увеличении числа сомножителей

г = Х]Х? . . . х,

<р( 1пг) = к = Сопя,

который может быть записан в виде

(2)

увеличивается, независимо от формы и величины скошенности законов распределения вели>пп1 х,.

Экспериментальная проверка подтвердила выдвинутые предположения о соответствии априорных законов распределения измеряемых величин в технике стендовых испытаний закону (2): функции распределения содержания окиси углерода и окислов азота в отработавших газах для разных типов двигателей ВАЗ, определенные но результатам обработки более 4000 измерений этих параметров, оказались близкими к логарифмически - равномерному закону распределения.

Полученные результаты позволили определить оптимальный с точки зрения теории информации закон квантования в измерительных аналоге - цифровых преобразователях ИИС стендовых испытаний, который для большинства приложений определяется постоянным знача шем относительной величины кванта 8 Ы, шкалы квантования:

АЫ1 - абсолютная величина 1 -го кванта;

хв, х„ -верхняя и шгжняя границы диапазона измерения.

Использование закона квантован) и (3) позволяет снизить объем информации при выполнении аналитических измерений состава отработавших газов, а также величину информационной избыточности рассмотренных аналитических методов. В связи с тем, что при проведении ряда аналитических измерений необходимо применять логарифмировать значений измеряемых сигналов, целесообразной является разработка логарифмирующих аналого -цифровых устройств предварительной обработки информации, закон квантования которых как раз соответствует закону (3).

Другим направлением исследований при решении задачи снижения избыточной информации при стендовых испытаниях является задача сжатия сигналов во временно]! области с использованием аш1роксимируюпц1х алгоритмов. В качестве аппроксимирующих функций в ИИС комплексов, особенно при реализации программ испытаний основных узлов автомобилей по дорожным циклам, как показал опыт, удобно использовать параболические и кубические сплайны.

Алгоритмы сплайн - анпроксимащш в первую очередь целесообразно применять в устройствах предварительной обработки информации ИИС вибростендов, а также стендов имитации комплексных дорожных испытаний

где

(3)

автомобилей. Целесообразность использования этих алгоритмов обусловлена возможностью оценки в реальном темпе времени эксперимента значений скоростей и ускорений вибропараметров, которые определяются коэффициентами функций сплайн - аппроксимации, а также возможностью использования этих аппроксимаций в исполнительных устройствах стендов. Результаты исследований, содержащихся в этой главе, позволили определить основные типы устройств предварительной обработки информации ИИС стендовых испытаний узлов автомобилей.

В третьей главе содержится разработка и исследование алгоритмов работы устройств предварительной обработки информации ИИС стендового оборудования.

Функциональные устройства предварительной обработки информации, в основе представляющие собой функциональные аналоге - цифровые преобразователи поразрядного уравновешивания, реализуют требуемую функциональную зависимость и имеют оптимальную или квазиоптимальную шкалу квантования. В общем случае етш реализуют зависимость

(=0

где И - число разрядов кода;

к, - его весовые коэффициенты.

Алгоритм определения цифры выходного кода на / - м шаге для такого аналою - цифрового преобразователя определяется выражением

где (Л - входное напряжение; и о - опорное напряжение; пу -двоичный код на выходе преобразователя: И

(5)

где - цифра Л-/' - го разряда выходного кода

В частных случаях, при логарифмическом или линейном преобразованиях, с помощью выражения (5) определяются алгоритмы, реализуемые соответствующими аналога - цифровыми измерительными преобразователями.

Алгоритмы для сплайн - аппроксимации сигнала, реализуемые устройствами предварительной обработки информации, предполагают использование на каждом п - м участке его дискретизации аппроксимацию гладкой функцией, в частном случае параболической:

ао(0 = вЛп],,+о|[л]'+яоМ'

где а0\п\, а\п\, а2[п] - коэффициенты аппроксимации, постоянные на дискретном участке.

Задача определения коэффициента а, [/г] может быть представлена как

задача нахождения функции цифрового фильтра:

яЛ»]=ф[«]]- (6)

Здесь /г [??] - сигнал на выходе некоторого цифрового фильтра:

7

И=[" -т\+Е^ ["+Н - (7)

т= 0 т=]

где (р - дискретные значения аппроксимируемой футшцш сигнала (р (?) ;

Ът - коэффициенты весовой функции фильтра.

При исследовании характеристик цифровых фильтров целесообразно применять дискретное г - преобразование. X - преобразование выражения для определения коэффициента определяется выражением Р[г)

«оИ=-

где Г [г]=Г1(г) + я1[г]+я0[2].

(8)

При гармоническом сигнале

где га

2п/

'X

ф[л] = вттпл,

относительная иловая частота;

N - число дискретных участков на период функции <р\п\;

(9)

точность аппроксимации в дискретных точках можно оценить по частотной и фазовой характеристиках сплайн - фильтра, получаемой исходя из выражения (8) при подстановке в него

При сравнительно небольшой погрешности сплайн - аппроксимации гармонического сигнала, что обычно имеет место в измерительных системах, выходной сигнал сплайн - фильтра можно считать близким к синусоидальному:

(10)

где Я,(р - модуль и фаза частотной характеристики сплайн - фильтра на частоте й7.

Значение средне - квадратичной погрешности аппроксимации определяется выражением

А ц = — | |лл/г л/л(та I - (р)| ¿Л = — - Я сох ср + -у --

(1 -н)2

■ + я(1 - сш-ф)

Анализ выражения (11) показывает, что минимальное значение погреишости Аа достигается при шлшмальном значении фазы а также при

мшшмальном отличии модуля частотной характеристики от единицы.

Для достижения минимальной погрешности (11) целесообразно искать функцию фильтра 1(г) такую, чтобы фазовая погрешность вообще была бы равна пулю:

ср(тп) = 0

Из рассмотрения выражения (7) сле,дует, что дня выполнения этого условия весовая функция фильтра должна быть симметричной.

Анализ частотных характеристик сплайн - фильтров, реализ\топщх алгоритмы параболической сплайн - аппроксимации, позволяет определить компактные формулы для определения коэффициентов аппроксимации измерительного сигнала для разного числа точек аппроксимации, т.е. при различном количестве дискретных значении весовой функции фильтра. Показано, что эти фильтры, удовлетво-

ряющие условию нулевой фазовой погрешности, должны иметь четное число точек аппроксимации.

В частности, параболические сплайн - фильтры с числом точек аппроксимации, равном четырем и шести (четырехточечный и шестигочечный фильтры) описываются выражениями соответственно

где а0[п] - значение аппроксимированного сигнала в п - й точке его дискретизации;

<р\п+У] - значения измеряемого сигнала на серединах участков его дискретизации.

Аналогичным образом определяются коэффициенты для других видов сплайн - аппроксимаций.

Для кубической сплайн - аппроксимации выражения для коэффициентов аппроксимирующей функции также определяются на основе предложенного метода. Показано, что соответствуюпще фильтры, удовлетворяющие условию нулевой фазовой погрешности, могут иметь лишь нечетное число дискретных точек весовой функции. В частности, пятиточечный сплайн - фильтр определяется следующими соотношениями:

= - Уъб<р[» - 2]+%6<р[" -1]+3%в<р И + +11 - Кб^"+2Ь

««и=-2) - %ч>[" - +2Мб<р["] - +ч ■+

+ %ср[»+2]-Х6<р[« + 3]; где аа[п],а\п\, а2[п},а-\п\ - коэффициенты кубического полинома, аппроксимирующего сигнал на и - м участке дискретизации;

(^п + /'] - значения сигнала в п - й дискретной точке.

Предложенный метод определения коэффициентов сплайн - аппроксимации может быть использован и при решении задачи сплайн - аппроксимации сигнала полиномами более высоких порядков.

На практике свойства цифровых фильтров удобно иллюстрировать их амплитудно - частотными характеристиками, переходными функциями, а также аппроксимациями измерительных сигналов конкретной формы.

Частотные характеристики параболических сплайн - фильтров двух - , четырех -, пяти - и шеститочечных (графики Н2, Н4, Н5, Н6).

я(7)

Ш(х)

0.6

™<1)

Ш(х)

~Н~ 0.4 Н£(х)

'■■К Т

Чч

Ч*. ^

>ч.

1

Рис. 1.

-1/

/ц

На рис. 1 представлены частотные характеристики параболических сплайн -фильтров для числа точек 2, 4, 5 и 6 в зависимости от относительной частоты гармонического сигнала

У-Уи*

где N - число дискретных отсчетов на периоде аппроксимируемого сигнала.

При сравнении этих частотных характеристик с аналогичными, полученными для других-известных аппроксимирующих фильтров с алгоритмом сглаживания

сигнала квадратичной и кубической параболой по методу наименьших квадратов, можно сделать вывод, что сплайн - фильтры имеют более широкую частотную характеристику по отношению к ее модулю. В частности, при использовании 5 значений на периоде гармонического сигнала ( / = 0.2 ) снижение модуля частотной характеристики для всех сглаживающих фильтров составляет не менее 20%, в то время как такой же параметр для предложенных параболических и кубического сплайн - фильтров не превышает 10%.

Для некоторых применений предложено использование простейшего двухточечного параболического сплайн - фильтра, с функцией Р\п] = <р[п + \] • (15)

Старший коэффициент параболической сплайн - аппроксимации в этом случае определяется формулой

а2М = = к(<р[п + 1]-а,1«1- а„[п!)-

В работе приведены примеры аппроксимации реальных сигналов, формируемых датчиками испытательных стендов, разработанными выше сплайн - фильтрами.

Сигналы, поступающие с выходов аналитических приборов при определении токсичности отработавших газов (аналитические сигналы), во многих практических случаях могут быть представлены в виде Гауссовой функции

у = Ае 2а* , где А - амплитудное значение функции; а - параметр, характеризующий ширину функции.

Такой же функцией описываются профили выбоин на дороге, имитируемых соответствующими испытательными стендами, а также реакция на них подвески автомобиля.

На рис. 2 приведены графики аппроксимаций Гауссовой функции 4- точечным параболическим (у2) и 5 - точечным кубическим (уЗ) сплайнами при 5 участках аппроксимации на ширине пика. Как видно из этого примера, даже при таком ограниченном числе точек аппроксимации ее погрешность является для многих практических приложений вполне удовлетворительной.

Аппроксимация Гауссовой функции четырехточечным параболическим сплайном (у2) и пятиточечным кубическим сплайном (уЗ)

1.2 1 0.8

уОО

у2( х) 0.6

УЖх)

0.4 0.2 0

0 1 2 3 4 5

X

Рис.2 х = п

Достоинством рассмотренных сплайн - фильтров является также определение в реальном темпе времени значения первой и второй производной измерительного сигнала, которые, например, для кубического сплайна фактически равны соответствующим коэффициентам д./, а? в выражениях (14). Это позволяет при использовании таких фильтров в ИИС стендовых виброиспытаний определять значения виброскорости и виброускорения с целью планирования испытательного эксперимента.

В главе 4 рассмотрены структурные схемы устройств предварительной обработки информации ИИС стендовых испытаний, реализующих разработанные алгоритмы.

Схемы аналого - цифровых преобразователей с оптимальной и квазиоптимальной шкалой квантования, а также функциональных аналого - цифровых преобразователей строятся с использованием основных принципов аналого -цифрового преобразования - поразрядного уравновешивания, частотного преобразования, интегрирующего преобразования.

+ N ■

\

Схема аналога - цифрового преобразователя поразрядного уравновешивания с квазиоптимальной шкалой квантования, состоящая из схем определения порядка и характеристики выходного кода (в этом случае код на выходе преобразователя имеет представление с плавающей запятой) строится на базе узлов стандартных аналого - цифровых преобразователей - компараторов, преобразователей кода в напряжение, усилителей. Схема для определения порядка изображена на рис. 3 и состоит из двоичного преобразователя кода в напряжение ПКН, реверсивного регистра РПКН, управляющего преобразователем ПКН, регистра характеристики Р11, компаратора К и блока управления БУ.

Схема аналого - цифрового преобразователя поразрядного уравновешивания с автоматическим определением кода характеристики.

ПКН

и,

п„ ][

р

х ПКН

Рис. 3

В приведенной схеме определяется три разряда кода характеристики щ путем сдвига единицы (заранее записанной в реверсивный регистр РПКН) вправо или влево на 12л разряда, где 1 - номер шага уравновешивания. При этом напряжение обратной связи равно

иос = и0 2Акг 22*1 2к° = и0 2"* ,

где Па - опорное напряжение, подаваемое на схему ПКН; к^, к], ко-цифры кода характеристики пи .

-+ К

4 1 1 у. Г

| /1- \- ЬУ

В схемах такого рода преобразователей может быть использован один преобразователь ПКН кода в напряжение, часть разрядов которого используется в схеме определения кода характеристики, а другая часть - в схеме определения кода мантиссы.

В схемах универсальных функциональных аналого - цифровых преобразователей целесообразно использовать микропроцессорные схемы управления с зашитыми в их память табличными функциями.

Структурная схема преобразователя поразрядного уравновешивания, реализующего описанный алгоритм, в общем виде состоит из компаратора К, цифро -аналогового преобразователя (ЦДЛ) и микропроцессорного устройства (МП) (рис.4).

Структурная схема универсального микропроцессорного функционального аналого - цифрового преобразователя поразрядного уравновешивания.

Рис.4.

Микропроцессор при уравновешивании последовательно (/' = 0, 1, . . . , А ) реализует функциональную зависимость (5), а также управляет работой ЦАП.

Приводятся схемы логарифмирующего аналого - цифрового преобразователя, а также аналого - цифровых преобразователей с автоматическим определением кода характеристики с использованием частотного и интегрирующего преобразований.

Схемы устройств предварительной обработки информации, реализующие алгоритмы сплайн - аппроксимаций, могут быть как аналоговыми, так и аналого - цифровыми. Схемы аналоговых устройств могут быть как разомкнутыми, так и охваченными обратными связями. Эти схемы строятся на основе аналоговых

регистров сдвига, сумматоров, фиксатора уровня сигнала. Схемы замкнутых аналоговых устройств строятся на базе интеграторов, число которых равно порядку сплайн - функции.

Схема замкнутого аналогового устройства, реализующего простейший двухточечный алгоритм параболической сплайн - аппроксимации (15), изображена на рис. 5.

Схема устройства, реализующего двухточечный алгоритм параболической сплайн - аппроксимации сигнала.

а2 [п-1]

Рис.5.

В этой схеме параболическая сплайн - функция формируется на выходе цепи, состоящей из двух интеграторов И] и И2. На вход этой цепи поступает амплитудою - модулированный сигнал, снимаемый с выхода схемы фиксации СФ. Интервал дискретизации и сигнала х определяется генератором импульсов Г.

Универсальные схемы для сплайн - аппроксимации целесообразно строить на базе современных микропроцессорных контроллеров и микроЭВМ. В этом случае программное обеспечение микро-процессора определяется алгоритмами определения коэффициентов сплайн - аппроксимации (12) - (14).

При необходимости представления параболической сплайн - аппроксимации измеряемого сигнала в аналоговом виде используются приведенные в работе аналоговая, а также аналого - цифровая схемы сплайн - фильтров.

В главе 5 приводятся практические схемы устройств предварительной обработки информации ИИС стендовых испытаний.

Схема логарифмирующего аналога - цифрового преобразователя выполнена на 16 операционных усилителях 140УД6,4 коммутаторах К176КТ1, мультиплексоре К561КП2, регистре сдвига К564ИР13.

Операционные усилители выполняют функции масштабирующих усилителей и компараторов. Схема формирует на выходе 8 - разрядный двоичный код, время преобразования составляет 10 мс.

Теоретическое исследование статической погрешности такого преобразователя показало, что наибольшая составляющая погрешности определяется параметрами масштабирующего усилителя, определяющего старший разряд кода характеристики. Описанный преобразователь используется в канапе предварительного преобразования ИИС стенда определения токсичности отработавших газов двигателей ВАЗ.

Приведена также схема универсального аналоге - цифрового микропроцессорного преобразователя на основе микропроцессора PIC 16С84 фирмы Microchip, 16 - разрядного цифро - аналогового преобразователя AD660, компаратора на базе усилителя AD 811 фирмы Analog Devices.

Поразрядное преобразование в этой схеме осуществляется с использованием алгоритма определения 3 цифр характеристики и 5 цифр мантиссы.

Преобразователь может иметь линейную функцию преобразования, с определением выходного кода в форме с плавающей запятой, а также реализовать логарифмическую функцию. В последнем случае мантисса кода преобразуется в мантиссу логарифмического кода с помощью табличного преобразования. Вид преобразования, определяемый соответствующей программой, задается от центрального компьютера ИИС путем его программирования.

С центральной частью ИИС описанный преобразователь связан по последовательному каналу RS - 232, что обеспечивается микросхемой - адаптером последовательного порта ADM 230L.

Схема такого преобразователя используется в ИИС для разрабатываемого стенда имитации дорожных циклов испытаний автомобилей, а также виброиспытаний автомобилей и их узлов, при использовании ряда методов спектрального анализа. Такая ИИС включает в себя до 16 описанных микропроцессорных преобразователей, обрабатывающих сигналы, формируемые соответствующими датчиками вибропараметров, устанавливаемых в определенных точках кузова автомобиля.

В этом же разделе приводятся схемы устройств предварительной обработки информации, реализующих алгоритмы определения коэффициентов сплайн -аппроксимации измерительного сигнала.

Аналоговое устройство, реализующее алгоритм двухточечной параболической сплайн - аппроксимации, построено на основе двух интеграторов, схемы

фиксации и сумматора, выполненных на операционных усилителях К140УД10. Схема определяет коэффициенты параболической сплайн - аппроксимации в виде напряжений, а также формирует на выходе саму сплайн - аппроксимацию входного сигнала с отставанием на период дискретизации, задаваемый генератором и в данном случае равным 1 мс. Входной сигнал схемы - двухполярный, изменяющийся в диапазоне ± 1В. Разработшиая схема применяется в блоке предварительной обработки информации ИИС стендовых виброиспытаний, регулирующий поток информации в процессе эксперимента. Если на каком - либо этапе испытаний значения первой и второй производных вибросигналов, определяемых сплайн - аппроксиматором, не превышают установленных пороговых значений, то соответствующий поток информации считается избыточным и не подвергается обработке и регистрации в ИИС стенда. Такое решение задачи на практике существенно снижает загрузку ( на 20...30%) центрального компьютера ИИС стенда.

Описана также аналого - цифровая схема, реализующая алгоритм пятиточечной кубической сплайн - аппроксимации. Схема выполнена на базе микропроцессора PIC 16С84, 16 - разрядного аналого - цифрового преобразователя AD677 фирмы Analog Devices и представляет собой специализированный микроконтроллер.

Преобразованный в код сигнал, поступающий с последовательного выхода АЦП, периодически вводится в последовательный порт микропроцессора, программное обеспечение которого позволяет в реальном темпе времени эксперимента определить значения коэффициентов сплайн - аппроксимации с использованием выражений (14). Вычисленные значения коэффициентов передаются по последовательному каналу связи RS - 232 в центральный компьютер ИИС стенда, где записываются в память.

Дискретизация входного сигнала в описанной схеме осуществляется с помощью генератора, с частотой 1 кГц.

В этом же разделе работы содержится анализ погрешностей разработанных

схем.

Статическая погрешность логарифмирующего аналого - цифрового преобразователя определяется погрешностью квантования, а также инструментальной погрешностью схемы преобразователя.

Абсолютная погрешность квантования AUX определяется из выражения

об)

ANy dNy

где Uо - опорное напряжение, пу - выходной код преобразователя.

Отсюда следует

\t±Ux\*U0a"> .

Здесь Апу —величина кванта (равная цене младшего разряда выходного кода).

Относительная погрешность для такого преобразователя является величиной постоянной:

При использовании в схеме преобразователя операционных усилителей в качестве масштабирующих элементов, основными составляющими являются погрешности, вызванные нестабильностью их коэффициентов передачи , а также дрейфом нулевого уровня этах элементов.

Коэффициенты передачи усилителей, выполненных по инвертирующей схеме включения, определяются сопротивлениями резисторов А, Rot схемы:

Если значения относительных погрешностей сопротивлений схемы усилителей случайны и взаимно независимы (<5Д = 8) , то средне -квадратическое значение абсолютной погрешности Д и х преобразователя, приведенное ко входному сигналу С/, , определяется выражением

Например, при 3 К = 0,1% для рассматриваемой схемы это значение составляет а, я 2мкВ ■

Абсолютное значение погрешности, вызванной дрейфом нуля усилителей масштабирующих элементов, также максимально при их = ихтй , т.е. при А', = 1, и определяется выражением

SUх = —— = = Const •

Wx2 *U0 ПехрИО £¿1/, = AUh + 2 ДС7,П X' >

. J I =h i=ft-l j=h / j

где kj = exp(2'/) - коэффициент передачи j- го элемента.

Для рассматриваемой схемы значения напряжений дрейфа Д {] можно рассматривать как случайные и взаимно независимые величины. В этом случае средне - квадратическое значение погрешности равно

сг2 =^[At/j exp(0)]J +[ди1ехр(-4)]2 + [д!/0 ехр(-б)]2 + [ди_!ехр(-7)]2 +... ■

Отсюда видно, что в основном рассматриваемая погрешность обусловлена дрейфом Ш2 элемента, имеющего максимальный коэффициент усиления, а дрейфы остальных элементов ослаблены не менее, чем на два порядка. В частности, при значениях дрейфов нуля усилителей ДU2 = 1 мкВ, АС/, = ДС/0 = . .. = Д(7_4 = ЮмкВ средне - квадратическое значение абсолютной погрешности составляет около 1.5 мкВ.

Необходимо отметить, что погрешность квантования в рассматриваемом преобразователе может существенным образом влиять на его характеристики в целом. Погрешность квантования может оказаться много меньшей инструментальной погрешности; в этом случае необходимо в выходном коде определять число значащих разрядов. Число значащих разрядов мантиссы может быть определено с помощью выражения

U0 а'"'

АС/, = L 1пд> AU -2

где AU - оценка инструментальной погрешности; а- основание логарифма.

В частности, при а = 2 это выражение принимает вид

2т и„< 2~"' , (17)

AV.

где

"-UM 2<<Г

При величине V кратной двум, выполняется соотношение

-П.

где п] - целое число.

В этом случае из выражения (17) определяется алгоритм оценки числа значащих цифр мантиссы т :

2-(".-») < 2'"' , ши п1-т>пу ■

Погрешность аналоговых измерительных преобразователей другого типа, реализующих сплайн - аппроксимацию сигнала, определяется погрешностями запоминания значений сигнала аналоговыми регистрами, погрешностью суммирования сумматором и погрешностями, обусловленными дрейфами шггеграторов за время интегрирования.

В частности, схема, реализующая алгоритм двухточечной параболической сплайн - аппроксимации сигнала (рис. 5), с учетом погрешностей ее микроэлектронных комплектующих, описывается выражениями

а2 + Ках + Ка0 = КР + КА

где а о, а/, <32 - коэффициенты параболической сплайн - аппроксимации;

К - постоянный коэффициент (в конкретном случае К = 0,9);

д_г - величине дрейфа нуля интегратора И2 за время дискретизации;

д - величина дрейфа нуля интегратора И] совместно с дрейфом нуля схемы

фиксации СФ;

- погрешность сумматора 2 . Решение системы уравнений (18) определяет ъ - преобразование коэффициента а о в виде выражения

Дц14Х-1) Д„2г(1-г-2 К)

=

г3 +г{ЗК-2) + (1-К) г*+43К-2)+{1--К)

+ г1 +г(ЗК-2) + (1-К) ' Первые два члена в этом выражении определяют ъ - преобразование ошибок, обусловленных дрейфами Ди1 и Аи2, последний член определяет соответственно ошибку, вызванную дрейфом Д£.

Установившееся значение этих ошибок (при подаче на вход схемы единичного сигнала) определяется непосредственно из последнего выражения при выполнении г—» 1 :

К-1

При выбранном значении К первый член в этом выражении пренебрежимо мал. На практике дрейфы нуля интеграторов представляют собой случайные и взаимно независимые величины. В этом случае средне - квадратическое значение результирующей погрешности рассматриваемой схемы определяется формулой

А„=лК.2+де2 •

Следовательно, инструментальная погрешность рассматриваемой схемы определяется величиной дрейфа интегратора И2 за время дискретизации tÄ и суммарной погрешностью аналогового регистра сдвига и сумматора.

Аналогичным соотношением определяется инструментальная погрешность всех рассмотренных аналоговых схем сплайн - фильтров, охваченных отрицательными обратными связями. Наличие этих связей исключает накопление погрешностей интеграторов со временем, что является существенным достоинством этих схем.

В этой же главе содержится анализ элементов современных средств информационно - измерительной техники и оценивается перспективность их использования при построении ИИС стендового оборудования, предназначенного для диагностики и испытаний изделий автомобильной промышленности. Наиболее целесообразным при построении схем устройств предварительной обработки информации является использование аналоговых комплектующих (операционных усилителей, аналого - цифровых и цифро - аналоговых преобразователей и т.д.) фирм Analog Devices и Burr - Brown, микропроцессоров фирмы Microchip, сигнальных микропроцессоров и аналоговых интерфейсов фирм Motorola и Hewlett -Packard. В качестве центрального компьютера (рабочей станции) ИИС с учетом эксплуатациошшх особенностей стендовых испытаний целесообразно использовать промышленный компьютер с комплектацией MicroPC фирмы Octagon Systems, совместимый с наиболее распространенной в России ветвью фирмы IBM. В этом же разделе работы приводится схема универсальной ИИС, имеющая трехуровневую структуру. В схеме ИИС использованы последовательные каналы передачи информации между ее блоками, образующие сеть типа Fieldbus. Описанная ИИС позволяет решать основную труппу задач сбора и обработки информации при проведении стендовых испытаний основных изделий автомобильной промышленности - двигателей, ходовой части, кузовов и других агрегатов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В процессе проведенных исследований получены следующие теоретические и практические результаты:

1. На основе анализа задач, решаемых при проведении испытаний изделий автомобильной промышленности, определены требования к устройствам предварительной обработки информации ИИС стендовых испытаний.

2. Экспериментально подтверждено теоретическое предположение о соответствии априорного закона распределения большой группы измерительных сигналов, формируемых датчиками испытательных стендов, логарифмически - равномерному закону распределения.

3 Разработанный метод определения коэффициентов сплайн - аппроксимации измерительных сигналов позволяет определять коэффициенты при произвольном числе точек весовой функции сплайн - фильтра и любой степени аппроксимирующего полинома.

4. Разработанные алгоритмы параболической и кубической сплайн -аппроксимации обеспечивают наименьшую погрешность аппроксимации гармонических сигналов по сравнению с другими подобными классами аппроксимирующих функций, а также позволяют определить оценки старших производных измеряемых сигналов.

5. Предложенные схемы аналоговых и аналого - цифровых устройств предварительной переработки информации позволяют использовать их в ИИС стендовых испытаний со сжатием измеряемых сигналов по диапазону и во времени, что снижает объем информации, обрабатываемой центральным компьютером системы и снижает его загрузку.

6. Исследование инструментальных погрешностей устройств предварительной обработки информации позволило сформулировать требования к их микроэлектронным комплектующим, а также определить основные метрологические характеристики устройств обработки ИИС стендовых испытаний.

7. На основании сравнительного анализа характеристик современных микроэлектронных и микропроцессорных комплектующих предложен базовый набор и определены рекомендации по их использованию при построении ИИС стендовых испытаний изделий автомобилестроения.

8. Разработана схема универсальной ИИС стендового испытательного комплекса, имеющая трехуровневую структуру с последовательными каналами передачи информации между ее уровнями и блоками, позволяющая решать основную группу задач сбора и обработки информации при проведении стендовых испытаний основных изделий автомобильной промышленности.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Васильчук A.B. Алгоритмы предварительной обработки измерительной информации для микропроцессорных систем диагностики и испытаний / Деп. в ВИНИТИ №2199-В96, -1996. - 16с.

2. Васильчук A.B. Сжатие информации в системах стендовых испытаний автомобильных двигателей / Деп. в ВИНИТИ №2201-В96, - 1996. - 6с.

3. Васильчук A.B. Функциональные измерительные преобразователи для измерительных систем стендовых испытаний машин и механизмов / Деп. в ВИНИТИ N2200-B96, - 1996. - 6с.

4. Vasilchuck A., Lange P. Microprocessor-based data acquisition system for ship diesel exhaust testing. - Proceedings of Technical conference on Ocean and Marine Engineering, Shipbilding, Marine Technology "Black Sea'92". Bulgaria, Vama, 1992.-p. 52-53.

5. Васильчук A.B. Компьютерные системы обработки аналитической информации для стендового оборудовшлга испытаний автомобильных двигателей / Деп. в ВИНИТИ №3239-В96, - 1996. - 16с.

6. Васильчук A.B. Информационно - измерительная система комплекса испытаний автомобильных агрегатов в процессе производства и технической диагностики / Деп. в ВИНИТИ №3240- В96, - 1996. - 9с.

7. Васильчук A.B. Информационные характеристики аналитических сигналов в системах диагностики и испытаний автомобильных двигателей / Деп. в ВИНИТИ №3241- В96, - 1996,- 6с.

8. Васильчук A.B. Средства первичной обработки сигналов в стендах контроля параметров автомобильных двигателей. - Тезисы докладов Республиканской научно - техн. конференции "Теория цепей и сигналов". - Геленджик, 1996. - с. 35.

9. Васильчук A.B. Техника измерений и обработки информации при проведении стендовых испытаний в автомобилестроении. - Труды поволжского отделения метрологической академии РФ. Том!. Самара, 1997. - с 5 - 35.

10. Васильчук A.B., Ланге ПК. Алгоритмическое обеспечение для микропроцессорных средств обработки информации в стендовых испытательных комплексах. - Тезисы докладов Межотраслевой научно - техн. конференции "Автоматизированные информационные системы при строительстве и эксплуатации зданий, сооружений и объектов жизнеобеспечения". - Самара, 1996. - С.43.

11. Васильчук A.B. Способы построения быстродействующих функциональных аналого - цифровых преобразователей для систем обработай измерительной информации / Деп. в ВИНИТИ №0241- В97,1997. - 6с.