автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование и разработка цифровых устройств вычисления параметров сигналов переменного тока

^ С .4

) АПР ^^анкт-петербургский государственный электротехнический университет

На правах рукописи

Альшевокий Александр Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ и РАЗРАБОТКА цифровых УСТРОЙСТВ ВЫЧИСЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

Специальность: 05.13.05 - Элемента и устройства

вычислительной техники и систем управления.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации иа соискание ученой степени кандидата технических неук

Санкт-Петербург - 1993

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном елоктротехническом университете

Научный руководитель -доктор технических наук профессор УГРШОВ Е.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ЧЕРНЯВСКИЙ Е.А. кандидат технических наук, доцент ЖУКОВ К.Г.

Ведущая организация -Санкт-Петербургский Государственный технический университет

Защита диссертации состоится " " 1993 г.

в/^ 'часов 1;а заседании специализированного совета К 063.36.04 Свшст-Петербургекого Государственного электротехнического университета по адресу: 197376,Санкт-Петербург, ул.Проф.Попова, 5.

с диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " " 1993 г>

Учений секретарь специализированного совета

Юрков В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Без автоматизации различных процессов производства и эксплуатации, без автоматического контроля и управления технологическими процессами, процессами контроля работоспособности и качества изготовления невозможно уже представить любое производство. Современный атап автоматизации опирается на революцию в электронно-вычислительной технике и ее элементной базе. Применение современных средств вычислительной техники для решения задач определения параметров сигналов переменного тока (ОПТ), характеризующих различные состояния в контролируемых объектах, либо самом производстве, повышает качество продукции или эффективность функционирования и позволяет перейти на новый качественно более высокий уровень' развития.

Вычисление параметров ОПТ, таких как среднеквадратическоэ значение (СКЗ), активная мощность (АМ) и другие находит применение в различных областях: при анализе качества электроэнергии в сетях как промышленных,так и автономных объектов; при управлении запуском и контролем за работой электрогенераторов; в устройствах релейной защиты электроэнергетических систем; в системах контроля качества асинхронных электродвигателей; при контроле технологических параметров бурения электробурами и в ряде других областей.

Анализируемые сигналы характеризуются рядом свойств. Это квазипериодичность входных сигналов, определяемая повторяемостью во времени и незначительным изменением периода этого повторения, составляющим в худшем случае 1055-2056. Значение же его вали'шни моиет колебаться от единиц до десятков милисекунд для разных объектов. Это и полигармоничность сигналов, амплитуда и фаза отдельных гармоник которых могут меняться в произвольные моменты времени.

При этом к устройствам определения параметров СПТ предъявляются высокие требования по точности и быстродействию. Так, пош-шение точности определения мощности электроагрегата в 300 Мвт на 0,1% позволяет снизить издержки, обусловлеш'ые перерасходом топлива, на 90 тысяч рублей ежегодно в ценах восьмидесятых годов. Повышение же наряду с этим и быстродействия, в устройствах про-тивоаварийной автоматики например, позволит более эффективно

загрузить линии влекропередачи. Одновременно келательно чтобы оти устройство обладали нивкой стоимостью, высокой надежность*; функционирования и требовали мвлых аппаратных затрат.

Вопросам построения вычислителей параметров СПТ посвящен целой ряд монографий и публикаций. Однако, в большинстве работ рассматриваются время-импульсные или аналого-цифровые вычислители, которые обладают аппаратной простотой и имеют низкую стоимость. Одновременно, все авторы подчеркивают перспективность цифровых вычислителей параметров СПТ, выделяя их быстродействие, высокую точность, возможность одновременной обработки нескольких сигналов и вычисления многих параметров параллельно. С другоР стороны, отмечают их аппаратную сложность и высокие требования по быстродействию к отдельным элементам.

Бурное развитие в последние года цифровой техники и ее еле-ментной бавы, появление однокристальных микроэвм (ОМЭВЫЬ БИС ОЗУ, ПЗУ и различных адаптеров, а также новые разработки высокоточных и скоростных линейных преобразователей АЦП и ЦАЛ мохе! повволить решить задачу вычисления параметров СПТ цифровыми устройствами, обладающими небольшой аппаратной сложностью. Попытю решить вту проблему чисто инженерными методами приводят к необходимости применения слокных быстродействующих даже в современном понятии влементов.что в итоге снижает и надежность устройст;

Целью работы является исследование и разработка, способо! улучшения характеристик цифровых вычислителей параметров ОПТ испольвувдих равномерную дискретизацию входных сигналов по времени (ЦВРД).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи определение теоретических возмоеностой цифровых вычислителей па раметров СПТ при идеальных характеристиках всех его элементов разработка обобщенной структурной схемы многоканального ИВРД выявление структурных возможностей распараллеливания проиессо; шчисления с целью приближения к теоретическим предельным харек теристихам ЦВРД; исследование и разработка элементов и узло ЦВРД с улучшенными характеристиками и методов, позволящих перэ распределять вычислительные ресурсы между отдельными функцию нальньаи блоками; анализ погрепнсстей ЦВРД, который позволяв предварительно оценить' точность устройства и кг которого следу!: схемные• рэпеная;*/сДОспечив&хвдв повдаение точности; ■ ■ вкссеримвн

тальнов и модельное исследование характеристик ЦВРД.

Методы исследования. Наущше результат!/, полученные в диссертационной работе, обоснованы математическими выводами на основе классических методов дифференциального и интегрального исчисления, теории гармонического анализа и синтеза. Также применены аппарат теории надежности и теории погрешностей и элементы теории моделирования. Основные теоретические выводы подтверждаются результатами моделирования на ЦВМ и экспериментальных исследованийv

Научная новизне В процессе решения поставленных задач получены следующие результаты: разработана обобщенная структурная схема ЦВРД, варианты которой по представленному алгоритму (методике) могут быть реализованы применительно к различным задачам; предложены методы повышения быстродействия и надежности многоканальных ЦВРД, а также разработаны структуры.реализующие их путем распараллеливания процессов вычисления; разработан ряд оригинальных структурных решений отдельных узлов ЦВРД; выполнен анализ погрешностей устройств данного класса, позволивший предложить метода повышения точности как отдельных узлов ЦВРД, гак и всей структуры в целом при неизменных погрешностях ее элементов.

Практическая ценность. Проведенные исследования показали реализуемость ЦВРД для вычисления всех рассматриваемых в работе параметров одной сети промышленной частоты при числе отсчетов мгновенных значений в периоде равном 16 и приведенной погрешности 0,2%- 0,5% на 4-10 интегральных микросхемах.

Выполненный аналйз погрешностей позволил получить приближенные оценки и точные выражения для отдельных составлявших. Это делает возможным варьирование типами микросхем в окончательной практической разработке с целью изменения точности или перераспределения погрешностей между отдельными блоками.

Внедрение результатов работы. Результаты работы были использованы при разработке многоканального ЦВРД для вычисления параметров трех трехфазных сетей и контроля за состоянием как в этих сетях, так и в сигналах управления энергетическими устройствами. Многоканальный преобразователь был разработан на кафедре вычислительной техники ЛЭТИ в рамках заказа на научно-исследовательскую работу от ВНИИ электроизмерительных приборов по программам ' "Микропроцессоры и микро-ЭВМ" и "Развитие системных

средств в XI пятилетке".

Отдельные влементы исследования применялись в устройствах вычисления иных параметров с аналогичными входными сигналами, а также в случаях, когда разрабатываемые устройства имали подобную ЦВРД структуру, что отражено в. соответствующих актах о внедрении результатов диссертационной работы. Общий экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составил 86.4 тысячи рублей в год в ценах до 1 января 1990 года.

Две из вылолненых по результатам диссертации разработок были представлены на Ленинградский областной конкурс ВНТО приборостроителей в 1987 и 1988 гг., им были присуждены вторые премии. Кроме того, ряд полностью законченных программно-аппаратных средств был передан в фонд стандартных и прикладных программ для микропроцессоров. • .

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- второй всесоюзной научно-технической конференции " Микропроцессорные системы", Челябинск, 1988г.

- всесоюзной конференции "Современное состояние аналитического приборостроения в области анализа газовых сред и радиоспектроскопии", Смоленск, 1991г.

- второй, третьей и четвертой республк -зских научно-технических конференциях "Устройства преобразования информации для контроля и управления в энергетике, Харьков, 1985,1988 и 1992 г.

- зональном семинаре "Микропроцессоры в системах контроля и управления" , Пенза, 1989г.

- 39, 41 и 43 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, ЛЭТИ им.В.И.Ульянова (Ленина), Ленинград , 1986,1988 и 1990 г.г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 17 печатных работ, в том числе получено 7 авторских свидетельств.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 116 наименований, и 7 приложений. Осношая часть работы :зложена на 180 страницах машинописного текста. Работа содержит 63 рисунка а 1С таблиц,

5.

содержание работы.

Во введении обоснована актуальность теш, сформулирована цель диссертации, отмечены научная новизна и практическая значимость.

В первом разделе рассмотрен класс сигналов, представляющих входную информацию для устройств вычисления параметров ОПТ , и выделены их особенности. Приводен сравнительный анализ существу-кадих методов'И средств вычисления.

Информацию о вычисляемых параметрах в рассматриваемых устройствах получают в айда временных зависимостей тока и напряжения, формируемых генераторами тока, которые в большинстве своем вырабатывают сигналы в той или иной степени близкие к синусоидальным. Ввиду относительно медленных изменений характеристик этих сигналов во времени их можно описывать периодическими функциями, имеющими линейчатый спектр. Это позволит при исследованиях использовать более простой математический аппарат периодических функций, дискретное преобразование Фурье и др.. Частоты основной (первой) гармоники могут иметь разные значения в зависимости от области техники. Это 50 Гц, 200 Гц, 400 Гц, 500 Гц, 1000 Гц и 2000 Гц. Подавляющей большинство систем, особенно промышленных, имеют частоту 50 Гц.

Спектральный состав входных сигналов однозначно не определен. Согласно данный литературы козффшхиент несинусоидальности определяется несколькими десятками процентов, но ггри вычислениях необходимо учитывать"до 50 гаранте.

Набор вычисляемых параметров СПТ определен следующим: ОКБ токов и напряжений, активная, "раактивная" и полная мощность, коэффициент мощности и частота.

Анализ методов и средств вычисления показывает наличие двух резко отличающихся методов определения вшеприведенных параь»т-ров: с преобразованием вида энергии и без преобразования. Устройства с преобразованием в механическую, либо в тепловую анергию имеют низкие точность и быстродействие и, следовательно, неудобны для применения в системах автоматического контроля и управления (САК).

Первичные параметры (СКЗ тока и напрягкгая и АМ) могут быть вычислены как по математическим выражениям, их спрвдегяшин,

и на основе различных разложений исходных сигналов. Последнее (например, с использованием разложения в ряды Фурьо) потребует больших аппаратных и временных 8атрат и поэтому непригодно.

Вычислители параметров на основе математических определений, в которых вычисления осуществляются с использованием только аналоговых сигналов (как дискретные, так и непрерывные) имеют точность порядка 0,196 и время вычисления, равное в лучшем случае нескольким периодам входного сигнала. Использование цифровых эквивалентов подразумевает дискретность. Последнее может быть введено на любом этапе вычисления. Поэтому существуют цифровые вычислители и вычислители со смешанной формой представления информации. Вариация величины интервала дискретизации приводит к разным методам вычисления: статистическим, либо основанным на применении интеграла Стилтьеса, либо испоЛьзущих равномерную дискретизацию, либо другие. Статистические устройства позволяют-повысить частоту входных сигналов, а использование неравномерной дискретизации упрощает аппаратные средства. Однако, в этих случаях для достижения приемлемой точности требуется большое количество отсчетов, что увеличивает время их обработки и снижает быстродействие устройств.

Использование равномерной дискретизации позволяет воспользоваться рекурсивной формулой при вычислениях параметров.

г(г4) = 4 [г < г±> - г^-пя)]

где N - общее число отсчетов входного сигнала за т периодов, т -число периодов усреднения, - функция от мгновенного значе-

ния сигнала, - искомая величина в момент времени Введя

следящий режим работы, можно корректировать значения вычисляемых параметров (кроме частоты) после кавдого отсчета. То есть, такие устройства теоретически имеют наивысшее быстродействие. Использование цифровой, в отличие от смешанной, формы представления информации обладает и высокой точностью. Поэтому в САК, где требуется высокие быстродействие и точность целесообразно применение ЦВРД. С другой стороны, такие устройства аппаратно сложны и, следовательно, имеют низкую надежность.

Однако, несмотря на теоретические преимущества цифровых вычислителей параметров СПТ при проектировании и разработке возникает ряд вопросов. Это, выбор типа микроэвм при решении конкретной задачи, построение быстродействузсснх вычислителей на о снег-.«

[ тлеющихся элементов, улучшение их метрологических характеристик, повышение надежности и, конечно, построение простых с точки зрения аппаратурных затрат устройств. Эти\ а такав целый ряд других вопросов приводят к необходимости исследовать дашше проблемы.

Во втором разделе исследованы структуры многоканальных ЦВРД, рассмотрены различные методы снятия отсчетов мгновенных значений и способы получения цифровых эквивалентов, предложены структуры с улучшенными характеристика/ж по быстродействию и надеетостп, основанные наг мультипроцессорной реализации и использующие различные способы распараллеливания процесса вычисления. Исследованы отдельные узлы ЦВГД, определены требования к их характеристикам и предложены новые усовершенствованные структуры. Разработан ряд методик, позволяюадах перераспределять вычислительное мощности между отдельными узлами ЦВРД.

Необходимость определения параметров СПГ, на основе входной информации о напряжении и токе сети подразумевает наличие двух каналов преобразования формы представления информации. Однако, современные быстродействующие элементы: АЦП, устройства выборки и хранения и др., могут допускать поочередное снятие отсчетов, используя один канал. Кроме того, предположение о периодичности входных сигналов позволяет получать информацию о сигналах и процессам в различных периодах, относя ее к одному. Анализ всех: способов снятия отсчетов показал наличие дополнительных погрешностей, связанных с изменением вычисляемых параметров за время разновременного снятия отсчетов. Показано, что при одновременном поочередном снятии 'значений тока и напряжения дополнительная погрешность слабо зависит от скорости изменения параметров, а определяется быстродействием АЦП, частотой и спектром входного сигнала. При снятии всех отсчетов по напряжению, а затем по току, погрешность прямо пропорциональна скорости изменения ш-'шсляемого параметра. А при снятии чередующихся отсчетов (ток-напряжение-ток-...) погрешность является функцией полинома третьей степени от скорости. Разные способы снятия отсчетов требуют разных аппаратных затрат.

Анализ структур позволил построить обощенную схему и разработать методику выделения конкретной схемы из обобщенной при минимальных аппаратных затратах для решения конкретной задачи.

Повысить быстродействие устройств вычисления параметров СПТ,

что особенно необходимо при большом количестве входных сигналов, возможно| распараллелив процесс вычисления по входным сетям, поI параметрам, по отдельным отсчетам и группам отсчетов. В последнем случав требуется дополнительный интерфейс обмена данными мэвду отдельными вычислителями или их процессорами (ПЦО) для обеспечения объединения отдельных результатов в единый.

Во всех рассматриваемых структурах выход из строя хотя бы одного блока приведет к выходу из строя всего устройства. Сохранение принципиальной работоспособности (а не всей совокупности исходных характеристик системы) обеспечивается правильно органи-воввшшми параллельными структурами в мультипроцессорных вычислителях. При 8том основным методом распараллеливания долкно быть распараллеливание по отсчетам. В втом случав выход из строя какого-либо блока приведет к уменьшению числа отсчетов в периоде, либо увеличению времени вычисления после отключения неисправного блока, но все параметры могут быть определены.

Важную роль в формировании всех эксплуатационных характеристик системы принадлежит отдельным блокам. Основными узламв вычислителя являются ПЦО, АЦП и формирователи импульсов дискретизации (ФИ).

Процессор вычисляет все требуемые, параметры на основе цифровых кодов {лгновенных значений входных сигналов, усредняя их зе время Т - период входного сигнала.

Анализ выракения для вычисления активной мощности показал, что в общем случае можно сократить время усреднения до величие 1/2 в случае, если входные сигналы содераат только нечетные гар-даникн н не имеют постоянной составляющей. Это сократит как время определения параметра, так и уменьшит объем ОЗУ для хранена суммы цифрового интегрирования.

Однако время выдачи результата ввиду периодичности входны; сигналов не определяется временем усреднения. Гак как все пара метры инвариантны к начальному моменту усреднения, то, использу, следящий реким работы, можно получить результат после ' каадог отсчета. в этом случае требуется дополнительная память, органи зованная в структуру Р1?0. Чтобы устраненить зависимости времен выдачи результата и объема FIFO от числа отсчетов целесооСрэзд вычисление новых значений параметров осуществлять через к < отсчетов. * -' • ' '*" ' г

Совокупность элементарных операция, которые долеон выполнять процессор отсутствуе в дешевых ОМЭВМ. Алгоритшческая реолязпция вычислений не удовлетворяет по времени. Поэтому были наследованы таблично-алгоритмические методы с одной базовой табличной функцией. Приведены алгоритмы вычисления всей совокупности функций при одной табличной, определены объемы ПЗУ и время вычисления кадцой из операций. Определено, что наилучше параметр'! обеспз-чиввются при использовании базовой табличной функции у^х2.

Одни,! из важнейших блоков цифровых вычислителей является АЦП, параметры которого определяют допустимую степень искагэнзя входного сигнала высшими гармониками, а то км характеризуют в основной точность устройства. На точность влияют все статические' погрешности АЦП, а такге его апертурное время. Ввиду последнего могло использовать только параллельные АЦП или сочетвкзэ УВХ+АЦП. При построении точных быстродействующих преобразователей надо ориентироваться на комбинированные структура, тшсие как параллельно-последовательные АЦП и следягдиэ АЦП с многоразряднну приращением. Последний вариант предпочтителен ввиду меньших аппаратурных затрат и априорной известности информации о сигнала. В ЦВРД необходимо использовать структуру с предсказанием иэ по одному отсчету, а по нескольким, причем наилучший результат обеспечит предсказание по всем отсчетам в предыдущем периоде. Дополнительный блок Г1?0, используемый в данном случае, мояяо совместить с PIPO для следящего рекика и тем силам упростить схему.

В работе текг.9 рассмотрены структуры нелинейных АЦП поразрядного уравновешивания, имеющих квадратичнув характеристику п обеспечивающих вычисление функций, необходкгых при определенна параметров СПТ.

©И, используемые в вычислителях, вырабатывают сигналы моментов снятия мгновенных отсчетов и работают по принципу угяюгитэ-лей частоты (УЧ). Бользое количество цифровых УЧ по своему действия разнятся только алгоритмом обработки остатка от деления числа импульсов, которыми был заполнен период входного сигнала, на необходимое число отсчетов в периоде. Как показали исследования, при незначительном •усложнении по сравнении с простейштая УЧ, умножители- б которых остаток от деления тем или иным способом используется '¿о время формирования каздого из интервалов,

имеют нашеныйую погрешность и, следовательно, наиболее ириеиле-ш. Дал;>нейшэе уменьшение погрешности возможно лишь за счет повышения эталонной опорной частоты, а такке с помощью аналоговой коррекции положения выходного импульса, что возмокно для УЧ, у которих не производилось центрирование ошибки деле}, i. •

Упростить УЧ в вычислителях параметров ОПТ uozxn, удалив часть умножителя, которая определяет величину периода входного сигнала. Так, абсолютная погрешность определения постоянной составляющей сигнала при неравномерности отсчетов имеет вид 1 Sin i i г ir i

A w Н -^T1Ü7RTT4^) I Ч Сов^-Цц- gd+Cj) + u6TJ

гда II - число отсчетов в периоде входного сигнала, ST=-Nt/T, t -период генератора опорной частоты, используемого в умнокителе, Uq - круговая частота, 01 и ^ - амплитуда и фаза первой гармошки входного сигнала, tQ - начальный момент дискретизации.

Анализ атого выражения показывает,что если Cos(.) имеет постоянный знак, а это происходит на некоторых интервалах , то внше Д будет определяться исключительно знаком погрешности ум-носителя частоты. То есть изменение длительности интервала можно определить но знаку погрешности постоянной составляющей или по знаку самой составляющей, если в исходном сигнале она равнялась нулю. В етом случае нет необходимости определять длительность периода входного сигнала, а следует изменять интервал дискретизации в зависимости от величины А.

В третьом разделе рассмотрены основные источники погрешности ЦВРД. Для них получены приближенные верхние оценки, а для ряда источников погрешности - точные аналитические выражения. Предложены способы коррекции погрешностей и структуры их реализующие.

Та:; как основой для всех параметров являются ток и напряжение, го для того чтобы не приводить рассчеты для всех величин вначалэ были исследованы соотношения меаду погрешностями при вычислении кавдого из.параметров. Получено

SQ = as = SP = SI + SU; 5Ку = 2-(SU + SI) где SI, SU, SP, SQ, SS и SKjj - приведенные погрешности СКЗ тока, СКЗ напряжения, АЫ,"реактивной" мощности,полной мощности и коэф-Зшщента мощности соответственно. Далее анализ проводен для СКЗ н отдельно рассмотрены случаи некорректности приведенных соотношений.

Выделены следующие составляющие погрешности определения СКЗ.

Методические: ,

1. Погрешность , вызванная заменой непрерывного входного сигнала на конечное число мгновенных значений (погрешность дискретизации);

2. Погрешность 02, определяемая конечным числом уровней квантования АЦП»

И инструментальные:

3. Погрешность обусловленная статическими погрешностями АЦП - нелинейностью шкалы, напряжением смещения нуля и неидеальностью коеффщиента передачи;

4. Погрешность связанная с динамическими погрешностями АЦП - смещением моментов дискретизаций, изменением входного сигнала за время преобразования;

5. Погрешность б^, обусловленная отклонением от равномерного формирования импульсов УЧ внутри периода при запуске АЦП;

6. Погрешность обусловленная округлением вычислительных операций в процессе цифровой обработки в ПЦО;

7. Погрешность Оу, связанная с неидеальностью входных линейных аналоговых преобразователей.

Проанализированы все приведенные погрешности. Основные выводы состоят в следующем.

Погрешности вычисления среднего значения квадрата входного сигнала, вызванная дискретизацией.

00 00 шил

А = 1 1 Vе,

'шИ-к

е

'0*0

т=—о° к=—а> т&О

где Ск - комплексная амплитуда к-ой гармоники входного сигнала. Если спектр ограничен величиной 1, то при числе отсчетов больших 21, ошибка равна 0. Если во входном сигнале присутствуют только нечетные гармоники, и число отсчетов нечетно,то погрешность должна уменьшиться, так как пДО-к четно при т нечетном.

Отметим, что погрешность дискретизации тесно связана с погрешностью УЧ, который формирует отметки времени. Погрешность зависит от алгоритма работы умножителя. Поэтому были рассмотрены 3 типа умножителей и на этой основе сделаны выводы об оставшихся. Для простейших умножителей получено следущее выражение.

, |í¡ Sin ккаф | , , r]l ■ .

L " Sin N 'C0S K'o+V >+V+ltkST]

где - амплитуда к-ой гармоники квадрата входного сигнала. Анализ втого выражения показал, что при наихудшем сочетании гармоник входного сигнала график погрешности в ависимости от числа отсчетов N при неизменной частоте эталонного генератора имеет минимум при N = 3L+1.

Учитывая, что для ОПТ характерен малый коэффициент несинусоидальности, можно считать, что основную погрешность вносит 1 гармоника. Если правильно выбрать t0, то можно Д приблизить к 0. Поэтому определены значения М^, представлящве число импульсов генератора, которое нукно пропустить после пересечения входным сигналом нулевого порога, чтобы ¿=0 для разных УЧ.

При вычислении активной мощности необходимо учитывать и фазу кзаду током и напряжением, что также учтено. Получены различные вариации значений N^, позволящие упростить его вычисление.

Погрешности АЦП трансформируются с разными коэффициентами. Аддитивная составляющая трансформируется с коэффициентом 7^1 .который зависит от минимального значения аргумента. Для мультипликативной этот коэффициент равен 1,а для нелинейной - это коэффициент ашлитуды,который больше 1. Наибольший коэффициент у динамической погрешности АЦП.который превышает коэффициент амплитуда.

Оакбки нуля и масштаба могут быть частично скомпенсированы аппаратной подстройкой. Чтобы уменьшить остальные желательно снизить коэффициент агшлитуды,что и было сделано в предложенных структурах.

В четвертом разделе формулируются задачи экспериментального исследования, рассматриваются вопросы получения достоверных результатов, приводятся полученные результаты и выполняется их анализ. В разделе описываются конкретные практические разработки н определяются их характеристики.

Целью раздела являлось экспериментальное исследование основных составляющих погрешности и определение конкретных характеристик ЦВРД, построенных на современной элементной базе.

Так как все вычисления в ЦВРД выполняются в цифровой форме, то большинство погрешностей может быть выделено и определено с помощью цифрового моделирования, результаты которого проанализированы в разделе. Так,из зависимости погрешности, шзпаинл/7

ретизацией, от относительного числа отсчетов для разных входных сигналов- при использовании простейшего умножителя частоты получено, что реально существует мрнимум для некоторых функций, который был получен теоретически.

Зависимость погрешности, вызванной квантованием, для 9-ти и 10-ти разрядных АЦП и погрешности,вызванной "динамикой" АЦП были получены для набора входных функций. Моделирование подтвердило все полученные теоретические результаты«

Црактически были разработаны два устройства. Первое -однопроцессорная структура в рамках НИР,.- которая была аттестована. Результаты аттестации подтвердили расчетную точность и характеристики. Второй прибор, реализованный на 7 микросхемах, представляет собой модуль мультипроцессорного вычислителя, который определяет все параметры, за один период по 16 отсчетом о расчетной погрешностью 0,6%. Набором таких модулей можно как увеличить число фаз и сетей, так и количество отсчетов.

Е приложение вынесены некоторые математические вывода, а также материалы по внедрению результатов диссертационной работы и участию в конкурсах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В результате исследований получены следующие результаты:

1. Проведен анализ существующих методов и средств вычисления параметров СПТ. Показано, что в САК , в многоканальных и многофункциональных преобразователях наилучшую совокупность метрологических характеристик обеспечивают ЦВРД. При втом в таких структурах теоретическое время реакции на изменение вычисляемых параметров СПТ является минимально возможным, а наличие 'ШЭШ упрощает их с точки зрения аппаратных затрат.

2. Исследованы структуры многоканальных однопроцессорных ЦВРД, методы дискретизации и последовательности обработки входных сигналов. В результате предложена обобщенная структурная схема, покрывающая все существующие.

Разработана инженерная методика выделения из обобщенной схемы конкретной для решения, заданной задачи с минимальными аппаратурными затратами..' -',, • •'. ]/.'

3. Проведено , исследование", возможности- .построения ЦВРД не

основе мультипроцессорной архитектуры при различных способах распараллеливания процессов. Выполнен анализ, который позволил определить минимальное число отдельных процессоров при экономичном по аппаратурным затратам распараллеливании.

Многопроцессорная реализация дает как повышение быстродействия, так и возможность сохранить работоспособность устройства в целом при выходе отдельных модулей из строя. Разработана методика, позволяющая перераспределить вычислительные мощности в устройстве с некоторым возможным ухудшением отдельных характеристик, но с сохраненном общей работоспособности.

4. Исследованы отдельные узлы цврд, что позволило выявить источники погрешностей и причины, ограничивающие быстродействие. На этой основе предложены модификации структур, позволяющие повысить точность или/и быстродействие как отдельных узлов, так и цврд в целом, что подтверждено авторскими свидетельствами.

При етом были использованы: следящие режимы работы, таблично-алгоритмические методы вычисления, перераспределение функций мезду блоками, косвенное решение задач, выполняемых сокращаемым узлом и ряд других методов.

Косвенное решение особенно важно при использовании в ЦВРД кристаллов БИС, например, ОМЭВМ, с целью замены одних недостающих ресурсов на другие и сокращения тем самым аппаратных затрат. Все это позволило создать блоки, ориентированные на любую специфику конкретного применения и повысить вффективность работы ЦВРД

5. Рассмотрено влияние отдельных составляющих погрешностей, на точность вычислителей данного класса. Выполнен анализ полученных формульных выражений и оценок для ряда погрешностей, что позволяет не только на этапе проектирования достаточно точно оценивать погрешность устройства и осуществлять правильный выбор типов узлов и соотношений их параметров, но и предложить ряд способов коррекции отдельных составляющих погрешности. К -ним относятся следующие: подстройка фазы запуска АЦП с целью уменьшения погрешности, вызванной дискретизацией; удаление аддитивной составляющей путем определения среднего значения за период входного сигнала и вычитания его согласно спектральному представлении вычисляемого параметра и др..

6. Выполнено экспериментальное исследование, которое подтвердило реализуемость ЦВРД для частот 50 Гц при числе отсчетов.

не превншащем 16, с точностями 0,2 Ж -0,5Ж и небольшими аппаратными затратами и показвло близость теоретических, оценок и реальных значений погрешности. Разработан наращиваемый модуль ЦВРД на основе широкораспространенной ОМЭВМ К1816НЕ48, представлящий практическую ценность при разработке многоканальных и многофункциональных ЦВРД. Проведенная аттестация разработанного однопроцессорного шатрового вычислителя подтвердила расчетные характеристики и точностные параметры.

Публикации по теме диссертации.

1. Альшевский А.Н., Артамонов A.B., Угрюмов Е.П. Система для измерения параметров сети переменного тока на основе микроконтроллера "Электроника К1-20" // Микропроцессоры в системах контроля и управления: Тез.докл.научно-техн. семинара -Пенса, 1984.-С.34-35.

2. Альшевский А.Н., Смирнов A.M., Угршов Е.П. Вычислители параметров на однокристйльннх микроэвм // Микропроцессорные системы: Тез.докл.второй Всесоюзн. научно-техн. конф., г. Челябинск, 22-24 сент. 1988 г. - Челябинск: Челябинский политехи, ин-т, 1988. С.91.

3. Альшевский А.Н., Смирнов A.M., Угршов Е.П. Вычислитель параметров сигналов переменного тока на однокристальных микро-ЭВМ // Устройства преобразования информации для контроля и управления в энергетике: Тез. докл. третьей Республ. науч.- ток-конф. - Харьков, 1988. - С. 105-106.

4. Альшевский А.Н., Смирнов A.M., Угршов Е.П. Организация мультимикроконтроллерных систем измерения параметров сигналов переменного тока // Устройства преобразования ннформа1|ии для контроля и управления в внергетике: Тез. докл. четвертей Республ. науч.- тех. ков®. - Харьков, 1992. - С. 43-44.

5. A.c. 1081643 СССР, ШШ G06G 7/186. Интегратор / А.Б.Артамонов, А.М.Смирнов, А.Н.Жариков, А.Н.Альшевский (СССР),

Я 3362474/18-24; Заявл. 11.12.81; ОпубЛ; 23.03.84, Екл. Й 11.-1с.

6. A.c.-1547061 СССР, МКИ НОЗМ 1/46. Преобразователь напряжения в код / А.Н.Альшевский, A.M.Смирнов,.А.Х.Мурсзэв (ОХР). -й ¿396473/24;: Заявл. 24.03.S3; Опубл. 23.02.9С, Бел. Л 8, - 1с.

7. A.c.' .16261 ^О-.СССР,' МКИ .001 Я.19/25Цифровой измерит ель /

B.Б.СЦОЛО», Е.П.Угршов, A.U.Смирнов, А.Х.Мурсаов, А.Н.Аль-шевакЕЙ, В.Ы.Машенков и Б.А.Фуки (СССР). - А 4443684/24-21; Завал. 17.06.88; Опубл. 07.02.91, - Бюл. * 5.1с.

• 8. A.c. 1638653 СССР, ШШ G01R 21/06, 21/133 Электронный явыврвтель модности в анергии / А.Н.Альшевский, á.U.Смирнов <С$СР).- » 4607407/24-21; 8аявл. 22.11.88; Опубл. 30.03.91, Бал. » 12. ~ 1о.

9. А.о. 1679402 СССР, МКИ GQ1R 21/133. Цифровой измеритель активной мощности / Альшевский А.Н., Смирнов А.Н., Угршов Е.П. ' (СССР).- ß 4712299/21;3аявл. 29.06.89; Опубл. 23.09.91, Бвл.Я 35.-Ю.

. 10. Ыикропроцессорний комплекс для контроля параметров в сетях переменного шока / А.Н.Альшевский, А.Х.Мурсаев, А.М.Смирнов и др. // Развитие системных средств в олоктроприборостроешш. -Л. : ВНШЭП, 1988, С. 108-115. (Сб. иаучн. тр. Всесоюзи. на-учц.-нсслед. нн -т влэкгроаамер. приборов).

11. Цурсаав А.Х., Коротки М.И., Альшевский А.Н. Устройство ввода и предварительной обработки аналоговой информации для. из-ызрительно-вычнсмштельных систем в энергетике // Устройства про-1 оОразования информации для контроля и управления в энергетике:' Тез. докл. третьей-Ресиубл. науч.- техн.конф.- Харьков, 1988.-

C.83-84.

12. Угршов Е.П., Смирнов A.M., Альшевский А.Н. Микропро-" цзоооряая система контроля параметров сети переменного тока höi öaso микроконтроллера "Электроника K1-2Q" // Архитектура микроч процессорных систем' высокой производительности. - Л., 1936.

С.64-68. (Изв. Лешшгр. электротехн. ин-т; Вып.378).

13. Угрллав Е.Ц., t Смирнов A.M., Альшевский А.Н. Микрощхн цасооршй многоканальный комплекс для измерения и контроля iiapa-i мэтров Бноргетических систем // Устройства преобразования информации для контроля'и управления в энергетике: Тез. докл. второй Республ. науч.- тех. конф. - Харьков, 1985. - С. 123-125.

14. Цифровая обработка низкочастотных сигналов в однок-рзстальных микроконтроллерах серии К1816 / А.Н.Альшевский, ¿.Б.Артамонов, Ы.И. Коротин и др. // Микропроцессоры в системах контроля и управления: Тез. докл. зонального семинара, г.Пенза, 14 -15 сент. 1989г.- Пенза: Привода.Дом научн.-техн. пропаганды, 1939.-С.67-68.