автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Измерение параметров электрических сигналов на основе метода разложения на собственные числа с применением искусственных нейронных сетей

На правах рукописи

КОЗЛОВ Валерий Валерьевич

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ МЕТОДА РАЗЛОЖЕНИЯ НА СОБСТВЕННЫЕ ЧИСЛА С ПРИМЕНЕНИЕМ ИСКУССТВЕННЫХ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)

5 ДЕК 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2013

005543019

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент

Нефедьев Дмитрий Иванович

Официальные оппоненты: Чернецов Владимир Иванович,

профессор, доктор технических наук, Пензенский филиал ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет инновационных технологий и предпринимательства», заведующий кафедрой «Управление инновациями»; Солодимова Галина Анатольевна, кандидат технических наук, ОАО «НИИЭМП», начальник научно-технического центра испытаний и метрологического обеспечения

Ведущая организация - ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт"

им. М. В. Проценко» - НИКИРЭТ, г. Заречный Пензенской области

Защита диссертации состоится 25 декабря 2013 г., в 12.00 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан 22 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

€2—

Светлов Анатолий Вильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из направлений современной информационно-измерительной техники является применение виртуальных приборов для измерения параметров электрических сигналов, которые построены на базе ЭВМ и стандартной платы ввода аналоговых сигналов или микропроцессора с аналоговым вводом информации. Основным элементом этих узлов является аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Часто такие средства измерений (СИ) применяются в информационно-измерительных и управляющих системах, в которых ЭВМ используется для решения основной задачи, а измерение параметров, которые используются в этой системе, осуществляется в фоновом режиме.

Наиболее известными в области цифровых средств измерений в России являются работы В. М. Шляндина, Э. К. Шахова, В. С. Гутникова, П. П. Орнатского и учеников их школ; в области динамических измерений -Г. Н. Солопченко, В. А. Грановского. Сложные алгоритмы, применяемые в виртуальных средствах измерения и реализуемые на основе методов цифровой обработки сигналов, изложены в трудах известных зарубежных ученых: Б. Гоулда, Ч. Рейдера, Л. Рабинера, Ж. Макса и С. Л. Марпла-мл., а также российских: А. А. Ланнэ, Л. М. Гольденберга, А. Б. Сергиенко, Б. В. Цыпина, Н. В. Мясниковой и др.

Структура виртуальных средств измерения включает в себя блок масштабирования напряжения, аналого-цифровой преобразователь и компьютер, схему сбора данных, а целевая функция обработки зарегистрированных отсчетов сигнала реализуется программным способом. Очень часто цифровая обработка основана на аналитическом описании сигналов.

Существует много способов математического описания колебаний. В большинстве случаев такое описание применяется для аппроксимации сигнала. Вид математической модели выбирается на основе решения одной из поставленных задач - аппроксимация небольшим числом членов ряда, сжатие и восстановление информации, удобная форма для спектрального оценивания и т.д. Недостаточное внимание в литературе уделено модели, представляющей сумму колебательных и инерционных составляющих различной частоты, определение параметров которой позволяет решать широкий круг измерительных задач. Это измерения напряжения, включая гармонические составляющие широкополосного спектра; измерение параметров линейных цепей с сосредоточенными параметрами; измерение добротности; измерение частоты электромагнитных колебаний; измерение амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников; измерение параметров спектра и модулированных сигналов.

На практике не существует прямых математических методов, позволяющих связать параметры сигнала с результатами измерений (зарегистрированных дискретных отсчетов сигнала), однако с помощью методов пара-

метрического анализа на основе перехода к дискретному процессу можно определить параметры сигналов. Данные методы построены на решении авторегрессионного (АР) уравнения и, в частности, авторегрессионного уравнения скользящего среднего (ЛРСС).

Наиболее известными методами АР-оценивания являются методы: Юла-Уокера, в котором используется предположение о том, что собственные частоты исследуемого процесса могут быть определены при случайном воздействии на его входе; алгоритм Берга, в котором определяются ошибки предсказания вперед и назад и на их основе вычисляется коэффициент отражения; метод Прони, в основу которого заложена модель, представляющая сумму комплексных экспонент, позволяющая оценить физические параметры исследуемого процесса. Особый интерес представляет метод разложения на собственные числа, основанный на анализе собственных значений автокорреляционной матрицы сигнала. Ключевой операцией в этом методе является разделение информации, содержащейся в автокорреляционной матрице, на два векторных подпространства - сигнала и шума. Данное свойство предоставляет возможность применять предложенный метод при анализе силыюзашумлениых сигналов.

В основном эти методы нашли применение в области спектрального оценивания, а также для предсказания (экстраполяции). В настоящий момент из-за сложности алгоритмов в средствах измерения эти методы применения не нашли. Но с появлением современной компьютерной техники данное ограничение не является столь существенным. Реализация данных алгоритмов позволит измерять параметры электрических сигналов в условиях действия шумов и помех. Такие сигналы встречаются, например, в системах аварийной защиты энергонасыщенных объектов, таких как жидкостные ракетные и газотурбинные авиационные двигатели. Их работа происходит в условиях действия помех, создаваемых электрическими цепями систем управления двигателем, по которым осуществляется подача мощных сигналов, управляющих исполнительными элементами двигателя. Другим источником помех могут служить цепи питания переменного тока бортовой электроники.

Однако, так как реализация алгоритма по своей сути обеспечивает лишь вычисление параметров сигналов, остается актуальным вопрос обеспечения требуемой точности измерения.

Для возможности применения данных методов необходима метрологическая поддержка, включающая методику измерения. Следовательно, нужно создать методику, которая позволит оценить погрешность измерения, обеспечиваемую предложенным методом, и установить значения параметров оцифровки сигнала, при которой гарантируется необходимая точность.

Объект исследования - программно-аппаратные средства измерения и анализа параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех.

Предмет исследования - алгоритмы и методика измерения и анализа параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех на основе метода разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа с применением аппарата искусственных нейронных сетей, обеспечивающие измерение с требуемой точностью.

Цель работы - повышение точности измерения параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех на основе метода разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа с использованием искусственных нейронных сетей и практическая реализация программно-аппаратного комплекса.

Основные задачи исследования:

1. Анализ особенностей и преимуществ методов обработки измерительной информации в реальном времени при измерениях параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех.

2. Разработка алгоритма измерения и анализа параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех на основе метода разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа с применением аппарата искусственных нейронных сетей.

3. Анализ и оценка погрешностей измерения параметров электрических сигналов при применении метода разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа.

4. Разработка методики измерения параметров электрических сигналов на основе предложенного метода.

5. Обоснование структуры и разработка программно-аппаратного средства измерений и анализа параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теория измерений и методы цифровой обработки сигналов, методы статистического анализа, элементы теории планирования эксперимента, цифровой фильтрации, методы спектрального анализа, теория линейных электрических цепей и сигналов, математический аппарат искусственных нейронных сетей.

Научная новизна работы:

1. Доказана возможность использования метода разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа для повышения точности измерения параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех.

2. Предложена реализация алгоритма разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа на основе общности структуры АР-уравнения и искусственных нейронных сетей, позволяющая существенно упростить программную реализацию.

3. Разработана методика, позволяющая обеспечить измерение параметров гармонического сигнала с погрешностью не более 0,1 %, в диапазоне

относительных амплитуд от 0,1 до 1,0 при отношении сигнал/шум 30... 100 в условиях действия шумов и помех в виде гармонических составляющих.

4. Обоснована структура и разработан программно-аппаратный комплекс измерения и анализа параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех.

Практическая значимость работы состоит в разработке алгоритма и методики измерения параметров сигналов на основе метода разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа для реализации в цифровых средствах измерений. Использование разработанных алгоритма и методики в виртуальных средствах измерений позволит повысить точность измерения параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех при использовании типовых АЦП.

На защиту выносятся:

1. Теоретическое обоснование возможности применения метода разложения на собственные числа автокорреляционной матрицы сигнала для измерения параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех.

2. Алгоритм разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа на основе применения аппарата искусственных нейронных сетей.

3. Методика измерения параметров гармонических сигналов, реализующая возможность проведения измерений с погрешностью не более 0,1 % с использованием разложения автокорреляционной матрицы измерительных сигналов на собственные числа

4. Структура программно-аппаратного комплекса для измерения параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех.

Реализация и внедрение результатов.

Основные теоретические исследования и практические результаты работы внедрены:

- в системе сбора и обработки измерительной информации (НИР по заданию ОАО «НИИ Контрольприбор» (г. Пенза) «Исследование и разработка многоканальной системы контроля» в рамках государственной программы развития атомной энергетики до 2030 г.);

- в интеллектуальном функциональном модуле вторичного преобразователя для датчиков физических величин (НИР по заданию ОАО «НИИФИ» (г. Пенза) «Разработка методики цифровой фильтрации, алгоритмов и программного обеспечения интеллектуального функционального модуля» в рамках комплексной целевой программы на 2006-2015 гг. «Датчик ВВТ»);

- в функциональном модуле сбора и передачи данных от терморези-стивных датчиков температуры по двухпроводной сети (НИР по заданию ОАО «НИИФИ» (г. Пенза) «Разработка алгоритмов обработки сигналов для комплексов датчиковой аппаратуры» в рамках Федеральной космической программы России на 2006-2015 г.);

- при изготовлении и настройке макетных образцов контрольно-проверочной аппаратуры (ОКР по заданию ОАО «НИИФИ» (г. Пенза) «Разработка электрических схем и программного обеспечения многофункционального помехоустойчивого преобразователя для датчиков частоты вращения и контрольно-проверочной аппаратуры» в рамках Федеральной космической программы России на 2006-2015 г.);

- в информационно-измерительном комплексе для испытаний РКТ (НИР по заданию ОАО «НИИФИ» (г. Пенза) «Исследование принципов создания информационно-измерительных комплексов для высокоточных наземных аэрогазодинамических испытаний ракетно-космической техники» в рамках Федеральной целевой программы «Исследование и разработка по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы»).

Теоретические результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс кафедры «Информационно-измерительная техника» при проведении лекционных, лабораторных и практических занятий по учебным дисциплинам «Обнаружение и фильтрация сигналов в неразрушающем контроле», «Информационно-измерительные системы», «Цифровая обработка измерительных сигналов».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на МНТК «Современные проблемы оптимизации в инженерных приложениях» (Ярославль, 2005); НТК молодых ученых и специалистов «Датчики и системы» (Пенза, ФГУП «НИИФИ», 2008); МНТК «Методы, средства и технология получения и обработки измерительной информации» (Пенза, 2006, 2008, 2010); МНТК «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2007, 2008); МНТК «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса» (Самара, 2010); МНТК «Датчики и системы: методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (Пенза, 2012); ВНТК «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (Москва, 2012).

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 23 печатных работы, в том числе 3 статьи в изданиях перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 113 наименований. Работа низложена на 148 страницах машинописного текста, включая 43 рисунка, 8 таблиц и 5 актов внедрения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, кратко охарактеризовано состояние проблемы, сформулированы научная новизна, цель и основные задачи исследования, показана практическая значимость работы.

В первой главе рассматриваются подходы к созданию средства измерения на основе метода разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа. Рассмотрены виртуальные средства измерения параметров электрических сигналов, структура таких средств измерения, а также этапы проектирования. Самое главное при создании виртуальных средств измерения - обеспечение точности измерения, что должно поддерживаться метрологической методикой, обеспечивающей измерение параметров сигналов с требуемой погрешностью. Функциональные возможности виртуального СИ определяются программным обеспечением, а точность измерения - аппаратными средствами и методикой измерения, предъявляющей требования к параметрам регистрации, дискретизации и др.

Рассмотрены методы аналитического описания колебаний, широко используемые в измерительной технике: полиномиальная аппроксимация; с помощью системы линейно независимых колебаний; с помощью системы ортогональных ортонормированных функций; разложение в ряд Котельни-кова; преобразование Гильберта - для узкополосных сигналов; разложение сигналов в ряды по специальным функциям.

Наиболее подходящей для описания колебаний является модель, представляющая собой сумму колебательных и инерционных составляющих различной частоты, амплитуды, фаз и затуханий, определение параметров которой позволит решить широкий круг измерительных задач.

Прямые математические методы, позволяющие связать параметры сигналов с результатами измерения у» г = не существуют, т.е. нет ме-

тодов и алгоритмов, осуществляющих преобразование

Ы=>{ик,А, Щ,ак}, 1=0,1, ...ЛГ, к = 1,2,...р.

Эти параметры сигнала могут быть определены по его спектру, вычисляемому через преобразование Фурье. Однако этому преобразованию свойственны существенные недостатки: «размывание» частотной информации из-за эффекта конечной длины данных и, как следствие, неточное измерение частоты; ограничение частотного разрешения, т.е. способности различать спектральные линии двух или более составляющих; явление «утечки» - просачивание на соседние гармоники, что приводит к искажению спектра.

Всех этих недостатков лишены параметрические методы обработки сигналов, в которых осуществляется определение параметров сигналов на основе перехода от аналогового процесса к дискретному, описываемому авторегрессионным уравнением. АРСС-уравнение связывает дискретные отсчеты сигнала с его физическими параметрами, как и дифференциальное уравнение для аналоговых сигналов.

Выполнен обзор методов оценивания параметров авторегрессионной модели: Юла-Уокера, Левинсона-Дербина, Берга, Прони, разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа и др.

Метод разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа наилучшим образом соответствует задаче измерения параметров электрических сигналов в шумах, так как он исключает влияние шума путем разделения информации на два векторных подпространства -сигнала и шума и позволяет определить порядок аппроксимирующей модели.

Для гармонической составляющей в белом шуме наблюдаемым является процесс:

2 р

уп=хп+м>„= атхп_т + н>„ ,

т=1

где у„ - отсчеты наблюдаемого процесса; х„ - отсчеты сигнала; и>„ - отсчеты шума; ат — коэффициенты регрессии.

Подставляя хп_т = уп_т + м-п_т, это уравнение можно переписать в виде

2 р 2 р

X атУп-т = 2 ат™п-т ■ т-0 т=О

Запишем данное уравнение в матричном виде

УТА = Штк, (1)

где Ут = \у„ у„_! у„-2Р]; А = [а„ апЛ ап^Р}\ IV7 = |>„ н>„_2,,]; уравнение (1) можно переписать в виде

К,у А = А, (2)

представляющем собой собственное уравнение процесса. В этом уравнении автокорреляционная матрица К,, имеет разложение по собственным числам, минимальным из которых является а^, а связанный с ним собственный вектор А является собственным вектором этой же матрицы К,., и вектором АРСС параметров. Решение данного уравнения определяет значения АРСС -коэффициентов а„„ с помощью которых можно определить параметры сигналов.

Из вышесказанного следует, что данный метод позволяет решать задачу оценивания параметров колебаний, так как в нем удается перейти к физическим параметрам сигналов и одновременно устранить влияние шума за счет разделения информации на подпространство сигнала и шума.

Известно, что для виртуальных средств измерений предусмотрены двухэтапные оценки погрешностей регистрации и собственно обработки результатов измерений. Поставлена задача: используя математическое моделирование, создать методику измерения на основе метода разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа. Методика должна устанавливать оптимальные условия проведения измерений и, соответственно, обеспечивать требуемую точность измерений.

Во второй главе рассмотрены методы оценки параметров сигнала, основанные на анализе собственных значений автокорреляционной матри-

цы для случая гармонической составляющей в белом шуме, а также матрицы данных для случая экспонент в шуме. Проведен обзор оценок частоты в подпространстве сигнала, а также приведены причины улучшения характеристик методов, основанных на анализе собственных значений, которые заключаются в разделении информации, которая содержится в автокорреляционной матрице, на два векторных подпространства - сигнала и шума.

Автокорреляционная последовательность (АКП), состоящая из М комплексных синусоид, описывается как

м

= Е ^ ехр(у271/;а-л/) + Р„ДА-] , 1=1

где Р] - мощность г'-й синусоиды, рш5[/с] - аддитивный белый шум с дисперсией рщ.

Тёплицева автокорреляционная (р + 1) • (р + 1)-матрица в случае комплексных синусоид в белом шуме имеет следующую структуру:

м

= РоЛ

7=1

где I - единичная (р + 1) • (р + 1 )-матрица, р - порядок модели, а я,- - вектор сигнала размерности /7+1, несущий информацию о частоте г'-й синусоиды; () - означает комплексно сопряженная транспонированная матрица.

Матрицу можно представить как сумму автокорреляционной матрицы сигнала и автокорреляционной матрицы шума \УР:

м

^ , я \Ур=рВ11.

1=1

Матрица сигнала будет иметь следующее разложение по собственным значениям:

р+1 7=1

где Я., > Х2 > ■ ■ ■ > Хр+/ - собственные числа, а собственные векторы V, ор-тонормальны.

Разложение автокорреляционной матрицы на собственные значения можно использовать для получения спектральных оценок или улучшенных оценок частоты. Сохранение информации, которая соответствует собственным векторам подпространства сигнала, эффективно способствует увеличению отношения сигнал/шум, поскольку устраняет вклад мощности компонент подпространства шума.

На практике автокорреляционная последовательность, как правило, неизвестна, поэтому автокорреляционная матрица или матрица данных за-

меняются аппроксимациями пониженного ранга, записываемыми через главные собственные векторы

м

которые можно использовать вместо матрицы для вычисления оценок с пониженным содержанием шума благодаря устранению собственных векторов подпространства шума.

Выражение (2) представляет собой собственное уравнение, в котором автокорреляционная матрица К,, имеет разложение по собственным числам, минимальным из которых является а^,, а связанный с ним собственный вектор А является собственным вектором этой же матрицы К,, и вектором АРСС параметров. Решение данного уравнения определяет значения АРСС -коэффициентов ат, если известны значения автокорреляционной функции. Это уравнение составляет основу процедуры разложения на собственные числа и позволяет определить точные частоты и мощности р вещественных синусоид в присутствии белого шума, если точно известны 2р + 1 значений автокорреляционной функции. Так как известными являются только значения автокорреляционной функции, информация о фазе каждой синусоиды теряется.

После нахождения собственных векторов и соответствующих им собственных значений определяются коэффициенты полинома

22р+ах22Р-{+...+ а2р_х2 + а2р=й.

Корни = схр(/'2л/,'Дг), формируемые из этих коэффициентов, будут определять частоты синусоид

Л = ап^

1т 2,

1

2тгДг

В случае неизвестного числа синусоид, но если известны значения автокорреляционной функции, число синусоид р следует выбирать в качестве значения того порядка, при котором минимальное собственное значение уравнения (2) лишь незначительно отличается от минимального собственного значения для порядка р — 1.

После определения частот по корням полинома для А можно определить мощности синусоид. Значения автокорреляционной функции отД1:У(1) до Я}у(р) можно записать в матричной форме

РР = г, (3)

С05(2я/[Д?) • ак(2п/рА() "VI)"

р = ,Р = , г =

С08(271/¡МО • ■ со5(2%/ррМ) Л.

Матрица ^ состоит из членов, зависящих от частот синусоид, которые определяются посредством нахождения корней полинома. Мощности этих синусоид находятся посредством решения системы уравнений (3) относительно вектора мощности Р.

Так как точность метода зависит от порядка модели, то выполнен обзор методов определения порядка. Рассмотрены наиболее часто применяемые критерии и алгоритмы для определения порядка ЛР-модели: критерий на основе оценивания дисперсии, алгоритм Левинсона-Дербина, добавление к исходному сигналу эталонной составляющей, определение порядка с использованием линейного предсказания, критерий, основанный на анализе собственных значений.

В третьей главе показана возможность применения аппарата искусственных нейронных сетей в виртуальных измерительных приборах для измерительных задач. Выделены основные преимущества нейронных сетей, такие как простота использования, нелинейность, способность обучаться на множестве примеров в тех случаях, когда неизвестны закономерности развития ситуации, способность успешно решать задачи, опираясь на неполноту, искаженность, зашумленность и внутреннюю противоречивость входной информации, возможность безгранично наращивать мощность нейросисте-мы. Структура нейронной сети выбирается в соответствии с особенностями и сложностью задачи.

Алгоритм предложенного метода в оригинальном виде содержит сложные математические вычисления, такие как решение полиномиальных и степенных уравнений, что затрудняет его реализацию. Одной из наиболее трудоемких задач является нахождение минимального собственного числа и соответствующего ему собственного вектора. Для упрощения реализации данного алгоритма можно организовать расчет собственного вектора с помощью искусственных нейронных сетей, что позволит избежать многократных и сложных математических операций.

Структура нейронной сети позволяет получить на выходе непосредственно собственный вектор, состоящий из числа элементов заданного порядка, которые представляют собой коэффициенты характеристического полинома, аппроксимирующей функции сигнала, поданного на вход.

Обучение сети проводилось на дискретных отсчетах гармонического сигнала. Для каждой комбинации были взяты по 1000 отсчетов для каждого сигнала, по которым строилась корреляционная функция. При этом входные параметры амплитуды варьировались в диапазоне от 0,1 до 1,0 с шагом внутри интервала, равным 0,1, что обеспечивает равномерное изменение амплитуды во всем интервале значений. Число периодов варьировалось в пределах от 1 до 20.

Для выбора оптимальной структуры сети после ее обучения на вход подавались тестовые воздействия в виде гармонических составляющих с различными параметрами.

Результаты проведенных исследований показали, что для решения задачи определения собственного вектора автокорреляционной матрицы сиг-пала больше всего подходят трехслойные ИПС с различными функциями активации. В итоге была выбрана трехслойная ИНС, имеющая число нейронов в промежуточных слоях (10 в первом и 30 во втором); функция активации в первом и втором слое — сигмоидальная, а в третьем - линейная. Результаты определения параметров тестовых сигналов различными сетями показаны в табл. 1. (Значения амплитуды и частоты заданы в относительных единицах.)

Таблица 1

Определяемые параметры Амплитуда и= 1 Частота/= 9 11ачальная фаза ф = — 4 Амплитуда и = 1 Частота/= 19 Начальная фаза ф = 0 Амплитуда и= 0,16 Частота/= 7 Начальная фаза ф = — 2 Амплитуда «7=0,1 Частота/= 19 Начальная фаза ф = 0

и 1 и | г и I г и | Г

Незашумлепный сипгал

Значение 1,0004 8,9979 1,0009 19,0160 0,1602 6,9963 0,1000 19,0028

Погрешность, % -0,04 0,03 -0,09 -0,08 -0,09 0,01 0,00 -0,02

Сигнал в присутствии шума (соотношение сигнал/шум у = 100)

Значение 1,0005 9,0033 0,9989 19,0183 0,1601 7,0027 0,1002 18,9798

Погрешность, % -0,05 -0,04 0,10 -0,08 -0,06 -0,04 -0,02 0,04

Сигнал в присутствии шума, д = 30

Значение 1,0008 9,0033 0,9989 19,0183 0.1601 7,0027 0,1012 18,9798

Погрешность, % -0,09 -0,07 0,11 -0,08 -0,07 -0,06 -0,06 0,10

В рассмотренных примерах погрешность измерения параметров за-шумленных сигналов с использованием искусственной нейронной сети в основном не превышает 0,1%.

Недостаточно точное определение параметров, в особенности сильно зашумленных сигналов, обусловлено не только структурой сети, но и формированием обучающей выборки, так как обучение сети проводилось без воздействия шума. Для повышения точности необходимо формировать обучающую выборку, используя случайные данные либо смешивая случайные и детерминированные значения.

Также были предложены варианты использования искусственных нейронных сетей для определения порядка авторегрессионной модели с двоичным кодом на выходе. Один из них заключается в формировании двухуровневой сети, последовательно выполняющей операции по определению порядка авторегрессионной модели: сначала нахождения собственного вектора и по его значениям определения порядка АР-модели. Другой вариант представляет собой сеть архитектуры РИМ, которая сопоставляет вектор с тем классом, вероятность принадлежности к которому выше.

В четвертой главе исследуется погрешность определения параметров электрических сигналов при применении алгоритма разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа. В качестве параметров регистрации и оцифровки, влияющих на погрешность измерения, приняты число дискретных отсчетов сигнала, соотношение между периодом сигнала и временем измерения, количество разрядов АЦП и шаг дискретизации.

При исследовании применялась следующая дискретная модель сигнала: и, = ^1/1Я-со5(271-«-А/-/я + фт) + §<--, / = 1...ЛГ (4)

т-1 1

где /т, ит, фт - частота, амплитуда и фаза т-й гармоники сигнала соответственно; г - номера отсчетов сигнала (дискретное время); - значения аддитивного белого шума с нулевым математическим ожиданием и дисперсией стш = 0,1; ^ - отношение сигнал/шум; Ы— количество зарегистрированных дискретных отсчетов; Л/ — шаг дискретизации.

Для учета погрешности квантования модель (4) была преобразована следующим образом:

гоипс!^«,.]}

где round {х} — округление до ближайшего целого; d - количество разрядов АЦП с двоичным шагом квантования. С помощью данной функции в модель вносятся шумы квантования АЦП.

Для получения не частного, а общего результата при проведении эксперимента параметры сигнала и параметры регистрации задавались в относительных единицах. С целью получения предельной оценки погрешности амплитуда измеряемого колебания задавалась на уровне 0,1 от верхнего предела измерения. Амплитуды помех задавались выше для исследования более сложного случая. Частотные составляющие синусоидальных сигналов помех задавались некратными основной частоте. Частоты помех задавались выше и ниже частоты измеряемого сигнала. Так как неизвестно, какими они будут на практике, необходимо исследовать одновременно оба случая.

Исследования разделены на две группы: измерение параметров за-шумленпого гармонического сигнала; измерение параметров зашумленного гармонического сигнала при воздействии периодических помех.

Исследование погрешностей определения параметров гармонического сигнала проводилось отдельно для каждого влияющего фактора. К этим факторам относятся параметры регистрации (число периодов, длина реализации), оцифровки (шаг дискретизации, разрядность АЦП), условия воспроизведения сигнала (уровень шума, частота гармонической помехи, амплитуда и фаза сигнала). Исследование всех зависимостей проводилось одновременно, в

связи с этим значения влияющих факторов принимались такими, чтобы практически исключить их влияние на результат конкретного эксперимента.

При проведении измерительного эксперимента все реализации сигнала различны, так как шум, содержащийся в принятом колебании, имеет случайный характер. Поэтому случайный гауссов шум со срсднеквадратиче-ским отклонением (СКО), соизмеримым с амплитудой исследуемого сигнала и математическим ожиданием, равным нулю, задавался заново для каждой реализации. При моделировании соотношение сигнал/шум определялось как отношение амплитуды исследуемого сигнала к среднеквадратическому отклонению гауссова шума. Для каждой реализации находились погрешности определения параметров, а затем вычислялись средние относительные погрешности измерения амплитуды и частоты по всем реализациям.

В результате проведенных исследований выявлено, что можно выбрать условия регистрации оцифровки, при которых можно проводить измерение с требуемой точностью. Причем полученные в диссертации погрешности завышены, так как в процессе исследования специально создавались максимально наихудшие условия для обработки, например, сигнал квантовался по уровню, добавлялась шумовая компонента и близкие по частоте гармонические помехи. При обычных условиях погрешность измерения параметров может быть на порядок ниже, для чего предложена следующая методика.

Для характеристики метода предложено использовать коэффициент помехоподавления. При малых выборках отсчетов сигнала он составляет 4-5-5, а при увеличении длины выборки этот коэффициент стабилизируется и находится в диапазоне 5-^20. Причем этот коэффициент не зависит от распределения шумовой компоненты по равномерному или нормальному закону.

При измерении одной гармоники в присутствии небольшого шума достаточно четырех отсчетов исследуемого сигнала. Для сигналов в условии действия шумов и гармонических помех лучше применять длинные выборки отсчетов сигнала, чтобы определить параметры с достаточно высокой точностью. При дальнейшем увеличении числа отсчетов получаются статистически устойчивые оценки.

Для достижения минимального предела погрешности, составляющего сотые доли процента, необходимо воспользоваться результатами исследований погрешностей определения различных параметров в графической форме. Тогда методика измерения параметров будет включать в себя следующие действия: определение длины выборки сигнала и шага дискретизации, при этом требования к шагу дискретизации будут определяться частотными свойствами самого сигнала. Выбор разрядности ЛЦП исходя из полученных результатов должен составлять как минимум 6 бит.

Применение данной методики измерения позволит избежать завышения требований к оборудованию и соответственно увеличения его стоимости. В частности, при выборе разрядности АЦП, например, 8-разрядный

АЦП с шагом дискретизации, выбранным по полученным зависимостям, позволит обеспечить такую же точность измерения, как и 12-разрядный АЦП.

Для определения числа отсчетов N необходимо использовать полученные графические зависимости. Для заданной погрешности измерения параметра на графике выбирается участок спада, где количество отсчетов сигнала обеспечивает заданную погрешность измерения. При количестве отсчетов от 100 до 500 обеспечивается погрешность измерения параметров на уровне не более 0,1 %. При увеличении количества отсчетов (более 500) погрешность измерения снижается и составляет 0,025 % и ниже, но при этом возрастает вычислительная сложность расчетов. Шаг дискретизации АЦП при этом следует выбирать исходя из соотношения At = n/(N ■ /шм).

Максимальное значение шага дискретизации ограничено теоремой Ко-

телышкова (А/тах ), а минимальный шаг находится как Aímin = ^max . Отсюда

Р

можно найти частотный диапазон, в котором возможно измерение частоты со-

1 „ , . 1

ставляющих сигнала, который определен неравенством-< / <-.

2р ■ At 2 At

Частотное разрешение «снизу» указывает на то, что существует минимальная измеряемая частота при выбранном шаге дискретизации. Можно расширить диапазон «нижних» частот, увеличив шаг дискретизации, но при этом частотный диапазон ограничится и «сверху» (/тах уменьшается). Для достижения более высокой точности измерения при воздействии гармонической помехи ее частота должна отличаться как минимум на 30 % от частоты измеряемого зашумленного сигнала.

В отсутствии случайной шумовой компоненты метод разложения на собственные числа позволяет определять параметры измеряемого сигнала при периодической помехе с частотой, сколь угодно близкой к частоте информативной составляющей.

Для примера приведем некоторые из полученных зависимостей погрешностей определения параметров от выявленных факторов (рис. 1).

В пятой главе рассмотрена практическая реализация метода разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа в программно-аппаратном комплексе (ПАК) для отработки технологий измерения, регистрации сигналов чувствительных элементов датчиков давления при воздействии влияющих факторов.

Программно-аппаратный комплекс выполнен на базе модульной системы NI CompactDAQ и среды программирования LabVIEWфирмы National Instruments с использованием четырехканального 24-разрядного АЦП N1 9237 и четырехканального 16-разрядного ЦАП N1 9263. Структурная схема комплекса представлена на рис. 2.

а)

б)

1

0.9

0.8

0.7

*

¡6

*• 0.5

3 0.4

0.3

0.2

0.1

0

.....I..... .. — -4-4= -т -

и:: III ..... .....

=Р .....1..... .....— ....... : "Г ..... ...... .....

....„., .....

г)

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

е)

Рис. 1. Результаты моделирования зависимости погрешности определения амплитуды

и частоты от:

а числа периодов сигнала; 6 - числа дискретных отсчетов сигнала: в - разрядности

АЦП; г - соотношения частот сигнала и помехи; д - уровня нормального шума; е коэффициентов подавления нормального и равномерного шума от числа отсчетов

ОС

(\№пс!о\л/з ХР, 1_аЬУ1Е\Л/ 8.2)

Рис. 2. Структурная схема программно-аппаратного комплекса

Для работы с мостовыми или полумостовыми схемами предназначен модуль N1 9237, позволяющий осуществлять оцифровку сигналов по четырем каналам. Каждый канал имеет независимый 24-битный АЦП и входной усилитель, позволяющие оцифровывать сигналы параллельно и независимо друг от друга с четырех датчиков. В данном модуле предусмотрено встроенное питание мостовых схем по четырем фиксированным значениям 2,5; 3,3; 5; 10В.

При необходимости использования промежуточных значений напряжений используется 16-битный ЦАП N1 9263, имеющий частоту дискретизации 100 кГц/канал. Данный модуль вывода имеет: четыре независимых аналоговых выхода с диапазоном сигнала ±10 В; быструю смену частоты дискретизации; двойную изоляцию для обеспечения помехоустойчивости и безопасности.

Обработка оцифрованных данных в программно-аппаратном комплексе реализуется в среде ЬаЬУ1Е1¥, которая имеет мощную математическую поддержку. Большой набор встроенных функций цифровой обработки одномерных и двумерных сигналов позволяет осуществлять сложную обработку информации во временной, частотной и пространственной областях. Это позволяет использовать алгоритмы различной степени сложности для оценки измеряемого параметра объекта исследования, повышения точности, а также для автоматизации процесса измерений и дальнейшей обработки результатов.

Рассматриваемый в диссертации метод взят за основу для реализации в ПАК функций анализатора спектра и автоматического определения по-

рядка модели. Анализатор спектра строится на основе коэффициентов авторегрессионного уравнения со скользящим средним

Ч Р

1=0 к=I

11о данным эксперимента (дискретным значениям х, и г — 1, 2, ..., Ы) можно оценить коэффициенты авторегрессии ак, к = 1,2,...,/; (гдер - порядок модели описываемого процесса) и скользящего среднего ¿>,,/ = 1,2,...,(?, которые в дальнейшем используются для оценки параметрического спектра:

где At - шаг дискретизации.

Коэффициенты регрессии в этом выражении представляют собой собственный вектор автокорреляционной матрицы.

Автоматическое определение порядка модели в комплексе реализовано на основе оценивания собственных чисел автокорреляционной матрицы исследуемого сигнала. При этом вычисляются собственные значения автокорреляционной матрицы заведомо большей размерности, чем порядок истиной модели, который определяется по степени значимости собственных чисел. Данный подход фактически связан с методом разложения на собственные числа, гак как показано, что в выражении (2) дисперсия шума о^, совпадает с минимальным собственным значением. Таким образом, можно производить вычисления собственных значений для последовательно возрастающих порядков, пока собственное значение перестанет изменяться при переходе к следующей итерации. Это и будет достижение правильного порядка.

Следует отметить, что программно-аппаратный комплекс для исследования измерительных сигналов, созданный на основе платформы N1 Compact DAQ, и разработанных алгоритмов, реализованных в программном обеспечении LabVIEW, имеет широкие функциональные возможности и позволяет осуществлять сбор и обработку информации в режиме реального времени, а также вести сопоставительный анализ данных, полученных и сохраненных в разные промежутки времени.

В заключении сделан вывод о перспективности использования метода разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа, в том числе и в виртуальных средствах измерений. В табл. 2 приведены погрешности измерения параметров сигналов при использовании типовых АЦП.

р

яя=

Характеристики АЦП

Наименование характеристик 8-битный (ЛА-н 10М8-500РС1, «Руднев-Шиляев» 12-битный (N1 Е-вепез, N1) 16-битный (N1 9215, N1)

Предел приведенной погрешности квантования -4-100% = 0,39% 2 -|-100% = 0,024% 2 1,2—[—100% = 0,002 % 21о

Время преобразования 2 нс 8 не 4,4 мкс

Максимальная частота сигнала 250 МГц 1,25 МГц 227 кГц

Погрешности определения параметров в присутствии шума квантования

Предел приведенной погрешности измерения напряжения (У, % 0,01 0,002 0,001

Предел относительной погрешности измерения частоты (, % 0,007 0,006 0,006

Погрешности определения параметров в присутствии гауссова шума, ц= 100 (для квантованного сигнала)

Предел приведенной погрешности измерения напряжения и, % 0,023 0,002 0,003

Предел относительной погрешности измерения частоты /' % 0,007 0,007 0,007

Погрешности определения параметров в присутствии гауссова шума, = 30 (для квантованного сигнала)

Предел приведенной погрешности измерения напряжения и, % 0,065 0,057 0,039

Предел относительной погрешности измерения частоты /, % 0,017 0,011 0,009

Коэффициент подавления равномерного и нормального шумов

Ы< 100 4...5

N> 100 15...20

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Показана возможность использования метода разложения на собственные числа автокорреляционной матрицы сигнала для измерения параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех.

2. Предложена реализация алгоритма измерения параметров сигналов с разложением автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа и использованием искусственных нейронных сетей, позволяющая упростить программную реализацию без существенных потерь точности измерения.

3. Разработана методика, позволяющая обеспечить повышение точности измерений параметров гармонических сигналов в условиях действия шумов. В рассмотренных примерах получена погрешность измерения параметров сигналов не более 0,1 %.

4. Рассчитан коэффициент помехоподавления шумов с нормальным и равномерным распределениями спектральной плотности. Для малых выборок коэффициент помехоподавления шумов равен 4...5, а при увеличении длины выборки стабилизируется и находится в диапазоне 15...20, что позволяет существенно уменьшить действие шумов и помех.

5. Обоснована структура и разработан программно-аппаратный комплекс измерения параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Козлов, В. В. О возможности использования аппаратно-программных средств «National Instruments» в задачах поверки измерительных трансформаторов / В. В. Козлов, Д. И. Нефедьев//Метрология. - 2008. -№ 8. -С. 31-^И.

2. Козлов, В. В. Применение методов цифрового спектрального оценивания в задаче измерения параметров сигнала / В. В. Козлов, Б. В. Цыпин, М. Г. Мясникова, С. В. Ионов // Измерительная техника. - 2010. - № 10. - С. 260-264.

3. Козлов, В. В. Определение параметров гармонических сигналов в условиях действия шумов и помех на основе метода разложения сигнала на собственные числа / В. В. Козлов // Современные проблемы науки и образования (электронный журнал). -2013. - № 6. - URL: http://www.science-education.ru/! 13-10860.

Публикации в других изданиях

1. Козлов, В. В. Методы определения порядка авторегрессионной модели / В. В. Козлов, М. Г. Мясникова // Современные проблемы оптимизации в инженерных приложениях : сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Ярославль. - 2005. - С. 354-364.

2. Козлов, В. В. Метод Прони и метод гармонического разложения Писаренко при определении параметров гармонического сигнала / В. В. Козлов // Информационно-измерительная техника : межвуз. сб. науч. тр. - Пенза : Изд-во Пепз. гос. ун-та, 2005. -Вып. 29.-С. 32-35.

3. Козлов, В. В. Измерение параметров гармонического сигнала в шумах / М. Г. Мясникова, Б. В. Цыпин, В. В. Козлов // Информационно-измерительная техника : межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: Изд-во Пепз. гос. ун-та, 2006. - Вып. 30. - С. 48-56.

4. Козлов, В. В. Возможность преобразования Фурье для измерения параметров сигнала / В. В. Козлов // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации («Измерения-2006»): материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. - С. 16-17.

5. Реализация метода гармонического разложения Писаренко на нейронных сетях // Информационно-измерительная техника : межвуз. сб. науч. тр. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2007. - Вып. 32. - С. 30-36.

6. Козлов, В. В. Автоматизированное рабочее место разработчика вир-туальных средств измерений / М. Г. Мясникова, Б. В. Цыпин, В. В. Козлов, С. В. Ионов // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2007. - С. 223-226.

7. Козлов, В. В. Лабораторный практикум по курсу ИИС на базе оборудования N1 CompactDAQ / В. В. Козлов, Б. В. Цыпин, Ю. М. Крысип, С. В. Ионов // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments : сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. - М. : РУДН, 2007. - С. 637-638.

8. Козлов, В. В. Использование нейронных сетей для определения порядка авторегрессионной модели / В. В. Козлов // Информационно-измерительная техника : межвуз. сб. науч. тр. - Иста : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2008. - Вып. 33. - С. 42 45.

9. Козлов, В. В. Определение амплитуды гармонического сигнала с помощью нейронных сетей / В. В. Козлов, С. В. Ионов // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации («Измерения-2008») : тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Изд-во Пепз. гос. ун-та, 2008. - С. 142-146.

10. Козлов, В. В. Многофункциональное виртуальное средство измерения / В. В. Козлов, Б. В. Цыпин, М. Г. Мясникова, С. В. Ионов, Д. С. Цибизов // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : тр. Междунар. науч.-техн. конф. -Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2008. - С. 163-166.

11. Козлов, В. В. Компьютерный осциллограф-анализатор для исследования сигналов разбаланса датчиков / В. В. Козлов, Б. В. Цыпин, М. Г. Мясникова, С. В. Ионов // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации («Измерения-2008») : тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2008. - С. 164-169.

12. Козлов, В. В. Линеаризация функции преобразования датчиков с помощью экспоненциальных функций / В. В. Козлов // Датчики и системы : тр. науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов ФГУП «НИИ физических измерений». - Пенза : ФНПЦ ФГУП «НИИ физических измерений», 2008. - С. 139-141.

13. Козлов, В. В. Компьютерный осциллограф для исследования сигналов разбаланса датчиков / В. В. Козлов, С. В. Ионов // Датчики и системы : тр. науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов ФГУП «НИИ физических измерений». - Пенза: ФНПЦ ФГУП «НИИ физических измерений», 2008. - С. 142-143.

14. Козлов, В. В. Исследование погрешности определения параметров сигнала методом гармонического разложения Писаренко с использованием искусственных нейронных сетей / В. В. Козлов, М. Г. Мясникова, С. В. Ионов // Информационно-измерительная техника : межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - Вып. 34. - С. 35-43.

15. Козлов, В. В. Определение параметров гармонических сигналов с помощью нейронных сетей / В. В. Козлов, М. Г. Мясникова, С. В. Ионов // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации («Шляндинские чтения-2010»): тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2010. - С. 74-77.

16. Козлов, В. В. Создание многофункциональных средств измерения физических величин для промышленных систем управления / В. В. Козлов, Л. А. Трофимов, М. Г. Мясникова, С. В. Ионов // Перспективные информационные технологии для авиации и космоса : тр. Междунар. конф. с элементами научной школы для молодежи. - Самара : Изд-во СамГТУ, 2010. - С. 102-104.

17. Козлов, В. В. Искусственные нейронные сети в задачах определения параметров гармонических сигналов / В. В. Козлов // Информационно-измерительная техника : межвуз. сб. науч. тр. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2011. - Вып. 36. - С. 169-175.

18. Козлов, В. В. Исследование погрешности определения параметров гармонического сигнала на основе метода разложения на собственные числа / В. В. Козлов, Б. Н. Маньжов, Е. А. Ломтев // Измерения. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2012. -№ 1.-С. 50-55.

19. Козлов, В. В. Определение параметров гармонического сигнала на основе метода разложения на собственные числа / В. В. Козлов, Е. А. Ломтев, С. Б. Шахов // Датчики и системы: методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации : тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2012. - С. 260-264.

20. Kozlov, V. V. Application of methods of digital spectral estimation in the measurement of the parameters of a signal / M. G. Myasnikova, В. V. Tsypin, V. V. Kozlov, S. V. Ionov// Measurement Techniques.-2011.-Vol. 53, № 10.-P. 1118-1124.

Научное издание

КОЗЛОВ Валерий Валерьевич

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ МЕТОДА РАЗЛОЖЕНИЯ НА СОБСТВЕННЫЕ ЧИСЛА С ПРИМЕНЕНИЕМ ИСКУССТВЕННЫХ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)

Распоряжение № 34/2013 от 21.11.2013

Редактор В. В. Чувашова Технический редактор Р. Б. Бердникова Компьютерная верстка Р. Б. Бердникова

Подписано в печать 22.11.2013. Формат 60x84'А?,. Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 931. Тираж 100.

Издательство ПГУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: ¡¡c@pnzgu.ru

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

^^ ji^ç/ На правах рукописи

0420145461: ^

КОЗЛОВ ВАЛЕРИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ МЕТОДА РАЗЛОЖЕНИЯ НА СОБСТВЕННЫЕ ЧИСЛА С ПРИМЕНЕНИЕМ ИСКУССТВЕННЫХ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05.11.01 - приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, доцент Д.И. Нефедьев

Пенза-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..................................................................................................................................................................5

ГЛАВА 1. ПОДХОДЫ К СОЗДАНИЮ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ НА ОСНОВЕ АЛГОРИТМА РАЗЛОЖЕНИЯ АВТОКОРРЕЛЯЦИОННОЙ

МАТРИЦЫ НА СОБСТВЕННЫЕ ЧИСЛА..............................................................................13

1.1 Виртуальные средства измерения....................................................................................13

1.2 Аналитическое представление сигналов..................................................................17

1.3 Методы оценивания параметров авторегрессионной модели................20

1.3.1 Оценивание параметров полигармонических сигналов....................20

1.3.2 Методы оценивания параметров авторегрессионной модели... 22

1.4 Основные задачи исследования..........................................................................................31

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1..........................................32

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА

ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ..............................................................................................................34

2.1 Методы оценки параметров сигнала основанные на анализе собственных значений........................................................................................................................34

2.2 Определение параметров сигнала методом разложения на собственные числа..................................................................................................................................43

2.3 Методы определения порядка авторегрессионной модели......................46

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2..........................................54

ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ НЕЙРОННЫХ

СЕТЕЙ В ЗАДАЧЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА..................55

3.1 Исследование возможности применения аппарата искусственных нейронных сетей в виртуальных измерительных приборах для измерительных задач..............................................................................................................................55

3.2 Обзор и анализ структур искусственных нейронных сетей......................59

3.2.1 Структура искусственной нейронной сети....................................................59

3.2.2 Классификация искусственных нейронных сетей................................64

3.2.3 Виды обучения искусственных нейронных сетей..................................65

. * » (

3.3 Реализация метода разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа на нейронных сетях......................... 66

3.4 Использование искусственных нейронных сетей для определения порядка авторегрессионной модели............................................ 73

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3..................... 78

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕГИСТРАЦИИ И ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ НА ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА НА ОСНОВЕ МЕТОДА РАЗЛОЖЕНИЯ НА СОБСТВЕННЫЕ ЧИСЛА...................................................... 80

4.1 Моделирование погрешностей измерения параметров сигнала.... 80

4.1.1 Моделирование влияния на погрешность числа периодов сигнала за время измерения................................................... 91

4.1.2 Моделирование влияния на погрешность количества

отсчетов............................................................................ 92

4.1.3 Моделирование влияния на погрешность разрядности АЦП.... 94

4.1.4 Моделирование влияния на погрешность амплитуды

сигнала............................................................................. 97

4.1.5 Моделирование влияния на погрешность начальной фазы сигнала............................................................................. 98

4.1.6 Моделирование влияния на погрешность частоты гармонической помехи......................................................... 100

4.1.7 Моделирование коэффициента подавления шума................. 102

4.2 Анализ результатов моделирования погрешностей измерения параметров сигнала................................................................ 105

4.2.1 Анализ влияния на погрешность числа периодов сигнала за время измерения...................................................................................... 105

4.2.2 Анализ влияния на погрешность количества отсчетов............ 107

4.2.3 Анализ влияния на погрешность числа разрядов АЦП........... 114

4.2.4 Анализ влияния на погрешность амплитуды сигнала............. 116

4.2.5 Анализ влияния на погрешность начальной фазы сигнала............117

4.2.6 Анализ влияния на погрешность частоты гармонической

помехи............................................................................................................................................................119

4.2.7 Анализ помехоподавления метода........................................................................121

4.3 Разработка методики для повышения точности измерения

параметров электрических сигналов......................................................................................123

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4..........................................126

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ

И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ............................................................................128

5.1 Практическая реализация метода разложения

автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа........................129

5.2 Внедрение теоретических результатов диссертационной работы... 137

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5..........................................143

Заключение............................................................................................................................................................144

Основные результаты и выводы по работе..............................................................................146

Список сокращений......................................................................................................................................147

Список литературы........................................................................................................................................148

Приложение. Акты внедрения............................................................................................................161

ВВЕДЕНИЕ

Одним из направлений современной информационно-измерительной техники является применение виртуальных приборов для измерения параметров электрических сигналов, которые построены на базе ЭВМ и стандартной платы ввода аналоговых сигналов или микропроцессора с аналоговым вводом информации. Основным элементом этих узлов является аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Часто такие средства измерений (СИ) применяются в информационно-измерительных и управляющих системах, в которых ЭВМ используется для решения основной задачи, а измерение параметров, которые используются в этой системе, осуществляется в фоновом режиме.

Наиболее известными в области цифровых средств измерений в России являются работы В. М. Шляндина, Э. К. Шахова, В. С. Гутникова, П. П. Орнатского и учеников их школ; в области динамических измерений -Г. Н. Солопченко, В. А. Грановского. Сложные алгоритмы, применяемые в виртуальных средствах измерения и реализуемые на основе методов цифровой обработки сигналов, изложены в трудах известных зарубежных ученых: Б. Гоулда, Ч. Рейдера, Л. Рабинера, Ж. Макса и С. Л. Марпла-мл., а также российских: А. А. Ланнэ, Л. М. Гольденберга, А. Б. Сергиенко, Б. В. Цыпина, Н. В. Мясниковой и др.

Структура виртуальных средств измерения включает в себя блок масштабирования напряжения, аналого-цифровой преобразователь и компьютер [75], схему сбора данных, а целевая функция обработки зарегистрированных отсчетов сигнала реализуется программным способом. Очень часто цифровая обработка основана на аналитическом описании сигналов.

Существует много способов математического описания колебаний[93].

В большинстве случаев такое описание применяется для аппроксимации

сигнала. Вид математической модели выбирается на основе решения одной

5

из поставленных задач - аппроксимация небольшим числом членов ряда, сжатие и восстановление информации, удобная форма для спектрального оценивания и т.д. Недостаточное внимание в литературе уделено модели, представляющей сумму колебательных и инерционных составляющих различной частоты, определение параметров которой позволяет решать широкий круг измерительных задач. Это измерения напряжения, включая гармонические составляющие широкополосного спектра; измерение параметров линейных цепей с сосредоточенными параметрами; измерение добротности; измерение частоты электромагнитных колебаний; измерение амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников; измерение параметров спектра и модулированных сигналов.

На практике не существует прямых математических методов, позволяющих связать параметры сигнала с результатами измерений (зарегистрированных дискретных отсчетов сигнала), однако с помощью методов параметрического анализа на основе перехода к дискретному процессу можно определить параметры сигналов. Данные методы построены на решении авторегрессионного (АР) уравнения и, в частности, авторегрессионного уравнения скользящего среднего (АРСС).

Наиболее известными методами АР-оценивания являются методы:

Юла-Уокера, в котором используется предположение о том, что собственные

частоты исследуемого процесса могут быть определены при случайном

воздействии на его входе; алгоритм Берга, в котором определяются ошибки

предсказания вперед и назад и на их основе вычисляется коэффициент

отражения; метод Прони, в основу которого заложена модель,

представляющая сумму комплексных экспонент, позволяющая оценить

физические параметры исследуемого процесса. Особый интерес представляет

метод разложения на собственные числа, основанный на анализе

собственных значений автокорреляционной матрицы сигнала. Ключевой

операцией в этом методе является разделение информации, содержащейся в

автокорреляционной матрице, на два векторных подпространства - сигнала и

6

шума. Данное свойство предоставляет возможность применять предложенный метод при анализе сильнозашумленных сигналов.

В основном эти методы нашли применение в области спектрального оценивания, а также для предсказания (экстраполяции). В настоящий момент из-за сложности алгоритмов в средствах измерения эти методы применения не нашли. Но с появлением современной компьютерной техники данное ограничение не является столь существенным. Реализация данных алгоритмов позволит измерять параметры электрических сигналов в условиях действия шумов и помех. Такие сигналы встречаются, например, в системах аварийной защиты энергонасыщенных объектов, таких как жидкостные ракетные и газотурбинные авиационные двигатели. Их работа происходит в условиях действия помех, создаваемых электрическими цепями систем управления двигателем, по которым осуществляется подача мощных сигналов, управляющих исполнительными элементами двигателя. Другим источником помех могут служить цепи питания переменного тока бортовой электроники.

Однако, так как реализация алгоритма по своей сути обеспечивает лишь вычисление параметров сигналов, остается актуальным вопрос обеспечения требуемой точности измерения.

Для возможности применения данных методов необходима метрологическая поддержка, включающая методику измерения. Следовательно, нужно создать методику, которая позволит оценить погрешность измерения, обеспечиваемую предложенным методом, и установить значения параметров оцифровки сигнала, при которой гарантируется необходимая точность.

Объект исследования - программно-аппаратные средства измерения и анализа параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех.

Предмет исследования - алгоритмы и методика измерения и анализа параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех на основе метода разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа с применением аппарата искусственных нейронных сетей, обеспечивающие измерение с требуемой точностью.

Цель работы - повышение точности измерения параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех на основе метода разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа с использованием искусственных нейронных сетей и практическая реализация программно-аппаратного комплекса.

Основные задачи исследования:

1. Анализ особенностей и преимуществ методов обработки измерительной информации в реальном времени при измерениях параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех.

2. Разработка алгоритма измерения и анализа параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех на основе метода разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа с применением аппарата искусственных нейронных сетей.

3. Анализ и оценка погрешностей измерения параметров электрических сигналов при применении метода разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа.

4. Разработка методики измерения параметров электрических сигналов на основе предложенного метода.

5. Обоснование структуры и разработка программно-аппаратного средства измерений и анализа параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теория измерений и методы цифровой обработки сигналов, методы статистического анализа, элементы теории планирования эксперимента, цифровой фильтрации, методы спектрального анализа, теория линейных электрических цепей и сигналов, математический аппарат искусственных нейронных сетей.

Научная новизна работы:

1. Доказана возможность использования метода разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа для повышения точности измерения параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех.

2. Предложена реализация алгоритма разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа на основе общности структуры АР-уравнения и искусственных нейронных сетей, позволяющая существенно упростить программную реализацию.

3. Разработана методика, позволяющая обеспечить измерение параметров гармонического сигнала с погрешностью не более 0,1 %, в диапазоне относительных амплитуд от 0,1 до 1,0 при отношении сигнал/шум 30... 100 в условиях действия шумов и помех в виде гармонических составляющих.

4. Обоснована структура и разработан программно-аппаратный комплекс измерения и анализа параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех.

Практическая значимость работы состоит состоит в разработке

алгоритма и методики измерения параметров сигналов на основе метода

разложения автокорреляционной матрицы сигнала на собственные числа для

реализации в цифровых средствах измерений. Использование разработанных

алгоритма и методики в виртуальных средствах измерений позволит

9

повысить точность измерения параметров электрических сигналов в условиях действия шумов и помех при использовании типовых АЦП.

Реализация и внедрение результатов.

Основные теоретические исследования и практические результаты работы внедрены:

- в системе сбора и обработки измерительной информации (НИР по заданию ОАО «НИИ Контрольприбор» (г. Пенза) «Исследование и разработка многоканальной системы контроля» в рамках государственной программы развития атомной энергетики до 2030 г.);

- в интеллектуальном функциональном модуле вторичного преобразователя для датчиков физических величин (НИР по заданию ОАО «НИИФИ» (г. Пенза) «Разработка методики цифровой фильтрации, алгоритмов и программного обеспечения интеллектуального функционального модуля» в рамках комплексной целевой программы на 2006-2015 гг. «Датчик ВВТ»);

- в функциональном модуле сбора и передачи данных от терморезистивных датчиков температуры по двухпроводной сети (НИР по заданию ОАО «НИИФИ» (г. Пенза) «Разработка алгоритмов обработки сигналов для комплексов датчиковой аппаратуры» в рамках Федеральной космической программы России на 2006-2015 г.);

- при изготовлении и настройке макетных образцов контрольно-проверочной аппаратуры (ОКР по заданию ОАО «НИИФИ» (г. Пенза) «Разработка электрических схем и программного обеспечения многофункционального помехоустойчивого преобразователя для датчиков частоты вращения и контрольно-проверочной аппаратуры» в рамках Федеральной космической программы России на 2006-2015 г.);

- в информационно-измерительном комплексе для испытаний РКТ

(НИР по заданию ОАО «НИИФИ» (г. Пенза) «Исследование принципов

создания информационно-измерительных комплексов для высокоточных

10

наземных аэрогазодинамических испытаний ракетно-космической техники» в рамках Федеральной целевой программы «Исследование и разработка по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы»).

Теоретические результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс кафедры «Информационно-измерительная техника» при проведении лекционных, лабораторных и практических занятий по учебным дисциплинам «Обнаружение и фильтрация сигналов в неразрушающем контроле», «Информационно-измерительные системы», «Цифровая обработка измерительных сигналов».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссе�