автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование каналов передачи измерительной информации в условиях замираний сигнала

На правах рукописи

БОЙКО АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ В УСЛОВИЯХ ЗАМИРАНИЙ СИГНАЛА

05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ставрополь - 2009

003468158

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Ставропольский государственный университет» на кафедре прикладной математики и информатики

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Федоренко Владимир Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ковалев Вячеслав Данилович

доктор технических наук, профессор Слюсарев Геннадий Васильевич

Ведущая организация: ФГУП «Научно-исследовательский институт

специальных информационно-измерительных систем», г. Ростов-на-Дону

Защита состоится 21 мая 2009 года в 16 часов 30 минут на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.256.08 при Ставропольском государственном университете по адресу: 355009, г. Ставрополь, ул. Пушкина, 1, ауд. 416 (1а).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ставропольского государственного университета.

Автореферат разослан апреля 2009 года.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.256.08 кандидат физико-математических наук, доцент —— Л .Б. Копыткова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Современный характер развития производства в различных отраслях хозяйственной деятельности определяется исключительной важностью своевременной и достоверной информации о реальном состоянии промышленных (технических и технологических) объектов. Указанная информация обеспечивает не только нормальную (штатную) работоспособность объекта, но и безопасность обслуживающего персонала, а также экологию окружающей среды. Низкий уровень достоверности информации приводит к неадекватным (ошибочным) реакциям, примерами последствий которых могут служить авария на Чернобыльской атомной электростанции, а также недавние события на промышленных и технических объектах последних лет.

Информация о состоянии сложных промышленных объектов (к числу которых относятся тепловые электростанции и котельные) появляется на основе измерения сотен, а то и тысяч технологических параметров. Для обеспечения их измерения, а также дистанционной передачи на пункты диспечерского управления используются системы контроля объектов, которые, согласно руководящим документам (РД 153-34.1-35.127-2002, РД 153-34.0-] 1.201-97, РД 34.11.408-91 и др.), можно разбить на три группы: 1) телеметрические системы; 2) системы технологической сигнализации (аварийной и предупредительной); 3) информационно-измерительные системы.

В состав указанных систем входят каналы передачи измерительной информации, имеющие различные названия в зависимости от вида системы: каналы телеизмерений, каналы передачи извещений либо просто, измерительные каналы. Поэтому объектом диссертационных исследований выбран обобщенный для различных систем контроля канал передачи измерительной информации (КПИИ), представляющий собой функционально объединенную совокупность средств измерений и линии связи (ЛС), по которым проходит один последовательно преобразуемый информативный сигнал, выполняющий законченную функцию измерения.

На достоверность принимаемой измерительной информации оказывают влияние, как погрешности агрегатных средств измерений, так и помехи, присутствующие в линии связи. По признаку воздействия на полезный снгнап выделяют следующие классы помех:

1) аддитивные помехи - суммируемые с полезным сигналом;

2) мультипликативные помехи - умножаемые на сигнал.

Характерным проявлением мультипликативных помех является стохастическое замирание сигнала, как следствие случайного изменения коэффициента передачи сигнала в линии связи. Это может привести, например, к ложному срабатыванию аварийной сигнализации либо пропущенному сигналу о предаварийной ситуации на объекте.

Учитывая наибольшую опасность данного класса помех, целью диссертационных исследований является повышение достоверности контроля тех-

нологических параметров промышленных объектов в условиях замираний сигнала в каналах передачи измерительной информации.

Предмет исследования - методы моделирования каналов, обеспечивающие повышение помехоустойчивой передачи измерительной информации в линии связи с замираниями сигналов.

Проведенный анализ нормативно-технической документации по метрологическому обеспечению измерительных каналов ряда промышленных объектов (в частности, тепловых электростанций, подстанций и котельных) свидетельствует об отсутствии требований к учету помех в линии связи при измерении технологических параметров.

Тагам образом, актуальность темы диссертационной работы определяется необходимостью разрешения противоречий, обусловленных следующими двумя основными группами факторов.

Первая группа факторов - ряд практических противоречий между наличием в составе систем контроля промышленных объектов линий связи, подверженных воздействию мультипликативных помех (с одной стороны), приводящих к замиранию измерительного сигнала, и, с другой стороны, отсутствием в нормативной документации для промышленных и технических объектов требований к учету помех в ЛС при измерении технологических параметров (например, в руководящем документе РД 34.11.321-96).

Вторая группа факторов - недостаточный уровень развития методических основ постановки и решения задач моделирования каналов передачи измеритель-нон информации в составе систем дистанционного контроля промышленных объектов. Указанный недостаток проявляется, прежде всего, в наличии противоречия между необходимостью учета и оценки помех в ЛС при проектировании и метрологическом обеспечении измерительных каналов и фактическим отсутствием математических моделей КПИИ, учитывающих влияние помех (в том числе, мультипликативных) на достоверность контроля технологических параметров.

И если аддитивные помехи можно учесть, используя правила нормирования и суммирования погрешностей, то для учета мультипликативных помех подобные правила и методики отсутствуют. Для того, чтобы разработать подобные методики учета затуханий измерительных сигналов в линии связи, необходимо осуществить математическое моделирование измерительных каналов с учетом влияния характеристик всех агрегатных средств и линии связи на точность и достоверность контроля технологических параметров. Данные рассуждения и состазляют основную проблематику практики построения и эксплуатации КПИИ, а также теории их адекватного моделирования.

Для разрешения указанных противоречий предлагается постановка научной задачи в следующей формулировке: «Совершенствование метода помехоустойчивой передачи измерительной информации в линии связи с. компенсацией стохастичности общих замираний сигнала на основе комплексного применения технологий аналитического и компьютерного моделирования измерительных каналов с целью повышение достоверности контроля технологических параметров промышленных и технических объектов».

Для решения поставленной общей научной задачи была проведена ее декомпозиция на ряд следующих частных задач:

1. Аналитическое моделирование канала передачи измерительной информации с нелинейным преобразованием сигнала, поступающего от датчика, для условий общих замираний.

2. Оптимизация угла отсечки выходного тока нелинейного элемента (НЭ) с учетом классов точности измерителей амплитуд гармонических составляющих сигнала на выходе канала.

3. Составление нормативной метрологической модели КГТИИ, устанавливающую связь между показателями достоверности контроля технологического параметра, характеристиками вероятностного описания составляющих канала и значениями контрольных допусков на параметр.

4. Компьютерное моделирование канала передачи измерительной информации при расчете номиналов его элементов и проверке функционирования канала в целом.

5. Формирование методики моделирования КГГИИ в телеметрических системах для условий замираний сигналов.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе научных задач использованы методы спектрального анализа сигналов, теории вероятностей и случайных процессов, математического программирования и имитационного моделирования. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и шести приложений.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе теоретических результатов и формулируемых на их основе выводов обеспечивается строгостью производимых математических выкладок, базирующихся на аппарате спектрального анализа и математического программирования. Справедливость выводов относительно эффективности предложенных методов подтверждена математическим и имитационным моделированием.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые на основе спектрального анализа нелинейно искаженных сигналов предложен комплекс аналитических моделей канала передачи измерительной информации в виде зависимостей отношения амплитуд гармоник на выходе линии связи с замираниями сигнала от значений угла отсечки выходного тока НЭ, а также от уровня электрического сигнала, поступающего с датчика измеряемой физической величины.

: ••,2... При решении задачи минимизации погрешности косвенных измерений отношения амплитуд гармоник на выходе канала разработан алгоритм выбора оптимального угла отсечки тока нелинейно искаженного сигнала на входе линии связи с замираниями.

3. Впервые получено аналитическое выражение для вероятности ложной сигнализации при дистанционном контроле объекта с равномерным распределением значения параметра, нормально распределенной погрешностью измерения и релеевским распределением уровня сигнала в линии связи.

4. Предложено использование средств компьютерного моделирования Electronics Workbench - для подбора номиналов элементов схемы КПИИ, разработанной на уровне изобретения, и Lab VIEW - для оценки работоспособности схемы канала в целом.

5. В рамках единой методики моделирования канала передачи измерительной информации составлен алгоритм комплексного применения результатов схемного проектирования системы сигнализации отклонения технологического параметра, аналитического расчета режимов работы ее элементов и проверки функционирования с помощью современных компьютерных средств.

Практическая значимость. Разработанный комплекс математических моделей измерительных каналов и алгоритмов расчета их метрологических характеристик составляет основу метода обеспечения помехоустойчивой передачи измерительной информации в линии связи с компенсацией общих замираний сигналов. Положительность решений по схемной реализации данного метода подтверждены патентами на полезную модель и изобретение.

На защиту выносятся:

1. Аналитические модели канала передачи измерительной информации с нелинейным преобразованием сигнала, обеспечивающим детерминированность уровня сигнала на выходе линии связи с мультипликативными помехами.

2. Алгоритм выбора оптимального угла отсечки тока нелинейно искаженного сигнала с учетом классов точности измерителей амплитуд его гармоник на выходе линии связи с замираниями.

3. Нормативная метрологическая модель КПИИ, устанавливающая связь между эксплуатационными допусками на технологический параметр, показателями достоверности его контроля и характеристиками вероятностного описания составляющих канала с законами распределения: равномерным -для параметра, нормальным - для погрешности измерения и релеевским - для уровня сигнала в линии связи.

4. Результаты компьютерного схемотехнического моделирования КПИИ средствами Electronics Workbench и Lab VIEW при расчете элементов канала и проверке его функционирования в целом.

5. Методика моделирования канала передачи измерительной информации в телеметрических системах для условий замираний сигналов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 4-й межвузовской научно-практической конференции (НПК) «Вузовская наука сегодня» (Ставрополь, СФ МГУПИ, 2006 г.), 5-й международной НПК «Теория, методы проектирования, программно-техническая платформа корпоративных информационных систем» (Новочеркасск: ЮР-ГТУ, 2007 г.), 3-й международной НПК «Информационные системы, технологии и модели управления производством» (Ставрополь: СтГАУ, 2007 г.), 3-й международной научно-технической конференции (НТК) «Инфотелеком-муникационные технологии в науке, производстве и образовании» (Ставрополь: СевКавГТУ, 2008 г.), 11-й региональной НТК «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь: СевКавГТУ, 2007 г.), 52-й научно-

методической конференции «Университетская наука - региону» (Ставрополь: СГУ, 2007 г.), а также на научных семинарах в Московском государственном университете приборостроения и информатики, Ставропольском государственном университете, Северо-Кавказском государственном техническом университете и Ставропольском военном институте связи ракетных войск.

Публикации. Полученные автором результаты достаточно полно изложены в 13 научных работах, среди которых 5 статьи, опубликованных в журналах «Системы управления и информационные технологии», «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности», «Инфокомму-никационные технологии» и «Информационные технологии моделирования и управлении», 6 материалов докладов на научных конференциях и 2 патента РФ (на полезную модель и изобретение).

Реализация результатов исследования. Основные результаты исследований внедрены (что подтверждено соответствующими актами):

в научном учреждении - научно-исследовательском институте специальных информационно- измерительных систем в виде «Методики моделирования каналов передачи измерительной информации в телеметрических системах для условий замираний сигналов» - в рамках опытно-конструкторской работы «Зарядье-2Б» (акт о реализации от 13.01.2009 г.);

в учебном процессе при подготовке и проведении учебных занятий по дисциплинам в Ставропольском военном институте связи ракетных войск (акт о реализации от 2.10.2008 г.).

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и б приложений. Ее основное содержание изложено на 149 страницах текста, проиллюстрировано 36 рисунками и И таблицами. Библиографический список содержит 118 наименования.

Личный вклад автора в совместных работах: результаты аналитического моделирования канала передачи измерительной информации; постановка и решение оптимизационной задачи по минимизации погрешности косвенных измерений отношения амплитуд гармоник; аналитическое выражение для вероятности ложной сигнализации при контроле объекта в условиях аддитивной нормально распределенной погрешности измерения и мультипликативной помехе в линии связи с релеевским замиранием; результаты моделирования КТТИИ в Electronics Workbench; комплексное представление аналитической, нормативной метрологической и имитационных моделей КПИИ в единой методике моделирования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследований, научная задача, определена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе представлен обзор каналов передачи измерительной информации в составе телеметрических систем (ТМС), системы технологической сигнализации и информационно-измерительные систем. Определен объ-

7

ект исследования - канал передачи измерительной информации с помощью аналоговых сигналов, являющийся составной частью указанных систем.

Анализ требований нормативной документации к метрологического обеспечению измерительных каналов свидетельствует об отсутствии дифференцированного подхода к оценке составляющих КПИИ: датчиков (как основных измерительных устройств) и средств передачи и преобразования сигналов (в составе линии связи). .•■■•■■■, Характеристикой, отражающей степень доверия к полученным в процессе измерения результатов (при сравнении их с установленными допусками на параметры), является достоверность контроля. В ее формировании участвует большое количество факторов: точность измерения контролируемых параметров; надежность и помехоустойчивость измерительного канала; глубина контроля; надежность объекта контроля, выраженная в виде законов распределения контролируемых параметров; методика измерения параметров и т.д.

Обзор методов моделировании КПИИ для дистанционного контроля технических и технологических объектов позволяет выделить следующее противоречие: с одной стороны, существующие (и отраженные в нормативных документах) модели измерительных каналов, как совокупности средств измерений, не учитывают особенностей помеховой обстановки в линии связи (составляющей КПИИ); с другой стороны. модели каналов связи, разработанные в рамках теории связи и управления, не позволяют осуществить расчет метрологических характеристик измерительных каналов, в том числе, достоверность дистанционного контроля технологических объектов.

Суть предлагаемой в диссертации технической идеи сводится к следующему способу компенсации стохастичности замирания сигнала в канале передачи измерительной информации. При существующем подходе измеряемый технологический параметр в датчике преобразуется в напряжение определенного уровня V, которое передается через линию связи с известным значением коэффициента передачи ц <1. На выходе канала определяется погрешность измерения <т (с учетом метрологических характеристик элементов канала). При дополнительном учете характеристик изменения технологического параметра, а также установленных для него допусков возможен расчет оценки достоверности контроля параметра. Но если коэффициент передачи изменяется случайным образом, то результаты измерений будут ошибочны, однако это не учитывается в существующих методиках оценки точности и достоверности контроля.

Для обеспечения достоверности дистанционного контроля объектов предлагается некоторое изменение состава измерительного канала: к выходу датчика подключается электронный нелинейный элемент (например, транзистор), который из исходного напряжения ¿7 формирует два сигнала: и 32, передаваемые по линии связи. В случае общих замираний уровни данных сигналов изменяются пропорционально коэффициенту передачи

При поступлении данных сигналов на соответствующие входы делителя амплитуд (в числителе и знаменателе выражения /л!?,/^ ) значения коэффициента передачи сокращаются. На выходе делителя присутствует детерминиро-

ванная величина, определяемая только значением входною напряжения U, а следовательно - значением измеряемого технологического параметра объекта. Таким образом, компенсируется случайность замирания информативного сигнала на выходе канала. Указанная техническая идея метода компенсации замираний сигнала в КПИИ нашла воплощение в схемных решениях, на которые получены патенты Российской Федерации на полезную модель на изобретение.

Применительно к предлагаемому объекту исследования частные задачи следуют из необходимости теоретического обоснования элементов КПИИ и режимов его функционирования, выполненного комплексом методов математического и компьютерного моделирования. С этой целью необходимо провести исследования в рамках частных задач диссертационной работы:

1. Обосновать выбор гармоник нелинейно искаженного сигнала, выделяемых полосовыми фильтрами на приемной стороне КПИИ. Для этого следует провести спектральный анализ сигнала при различных углах отсечки и исследовать чувствительность отношения амплитуд различных гармонических составляющих сигнала к изменению угла отсечки выходного тока нелинейного элемента.

2. Рассчитать режим работы нелинейного элемента для номинального значения технологического параметра. Определить соотношения значений постоянной составляющей напряжения U0 на входе НЭ (формируемого из напряжения на выходе датчика), амплитуды Um синусоидального сигнала и крутизне S вольттамперной характеристики (ВАХ) НЭ выбирается рабочая точка на ВАХ (угол отсечки 0 выходного тока НЭ), при котором погрешность измерения отношения амплитуд гармоник будет минимальной.

3. Найти значения рабочих допусков для контролируемого технологического параметра на выходе КПИИ с целью минимизации вероятности ложной сигнализации. Обеспечить учет влияния флуктуации технологического параметра, мультипликативных помех в канале и случайных погрешностей измерения на показатели достоверности контроля. Составить нормативную метрологическую модель КПИИ, устанавливающую связь между эксплуатационными допусками на параметр, показателями достоверности контроля параметра объекта и характеристиками вероятностного описания составляющих канала.

4. Определить номиналы элементов устройств, составляющих канал передачи измерительной информации, при которых обеспечивается оптимальное значение угла отсечки выходного тока НЭ. Традиционно для этой цели использовался графо-аналитический метод расчета, однако менее трудоемким и наглядным является применение программных продуктов схемотехнического моделирования, в частности, Electronics Workbench. Проверить адекватность разработанных моделей реальным условиям с использованием среды графического программирования LabVIEW. Все это составляет содержание задачи компьютерного моделирование КПИИ при расчете элементов канала и проверке его функционирования в целом.

5. Составить правила и алгоритм комплексного применения результатов проектирования, расчета и проверки функционирования элементов КПИИ в рамках задачи но формированию методики моделирования КПИИ в телеметрических системах для условий замираний сигналов.

Во второй главе проведено аналитическое моделирование канала передачи измерительной информации с нелинейным преобразованием сигнала.

В типовом измерительном канале датчик, находящийся в непосредственной близости от объекта контроля, осуществляет преобразование измеряемой физической величины в электрический сигнал, передаваемый по линии связи. С целью устранения неопределенности измеряемого напряжения на приемной стороне, обусловленного случайными замираниями сигнала, предлагается дополнительное преобразование сигнала на входе канала осуществлять с помощью нелинейного элемента, работающего в режиме угла отсечки выходного тока 0 < к. При этом положение рабочей точки на вольт-амперной характеристике НЭ с крутизной S определяется как напряжением запирания Е3, так и измеряемым напряжением U0 исследуемого сигнала с выхода датчика.

При дополнительной подаче на вход НЭ синусоидального напряжения с амплитудой Um зависимость его выходного тока /(*), разложенного в ряд Фурье на гармонические составляющие с амплитудами Imk, от угла отсечки 0 отражает рабочую динамическую модель НЭ, являющегося элементом КПИИ:

ос

/(/) = + s ^rnk cos(äc#) = SUm (cos cot - cos©) x (1)

i= 1

i[sin(0) - 0cos(0)] y, 2[sin(A0)cos(0) - к cos(*©)sin(0)] , л} h яф2 -ij[i-cos(©)] iJj •

Как следует из выражения (1), отношение любых двух гармоник 1тк равны отношению соответствующих коэффициентов Берга ак = 1тк /I „жс и определяются только углом отсечки 0, т.е. Imk¡Im¡ =at/a/ = Xu(ß)> гДе к, / = 1,2,...; к-¿ I. При этом следует выделить интервалы значений 0, соответствующие как возрастанию, так и снижению значений ак. Для определения указанных интервалов необходимо выявить точки экстремумов зависимостей ак{0), А = 1,2,.... Рассматривая оптимизационную задачу с целевой функцией ак (©) —» extr и ограничением 0 < 0 < ж, легко определить ее решения &к = arg extrak(@), которые для случая к = 1,...,5 представлены в табл. 1.

Таблица 1 - Результаты расчета экстремальных значений коэффициентов Берга ак при соответствующих углах отсечки 0

Вид Номер гармоники к

экстремума 1 2 3 4 5

а, =0,536 а2 =0,276 «3=0,185 а4=0,139 а5=0,11

шах ©* =2тг/3 ©2 =7Г/3 ©з=2Я/9 ©4 = 7Г/6 ©5 =2л/\5

а2= 0 аъ=-0,046 аА =-0,042 а4=-0,012

min — ®2=Я 0*з=2лг/3 ©4 =л/2 ©5 = 2к/5

В табл. 2 представлены диапазоны значений угла отсечки в

пределах которых целесообразно измерять отношения гармоник Хк! = 1 тк Рт! ■ Отмеченные диапазоны выбирались из условия монотонного возрастания уровня гармоники в числителе отношения Хи (здесь наиболее подходящей является первая гармоника 1тХ с возрастающей амплитудой в диапазоне © е [0,2тг/3]) при монотонном спаде уровня гармоники в знаменателе отношения Хи ■

Таблица 2 - Диапазоны изменения значений угла отсечки 0Я + 0 !( между

Номера гармоник Начало диапазона Конец диапазона

©я у(н) ■ ЛИ 0* ли

!т\Рт2 60° 0,391/0,276 120° 0,536/0,092

40° 0,28/0,185 120° 0,536/- 0,046

30° 0,215/0,139 90° 0,215/- 0,042

^т\/Лн5 24° 0,174/0,11 72° 0,174/- 0,012

Выбор первой и третьей гармоник позволяет учитывать наибольший диапазон изменения угла отсечки 0 е [40°, 120°], но диапазон положительных

значений зависимости «3(0) ограничен углом отсечки 0 = 90°, при котором а3 = 0. Кроме того, с учетом неоднородности канальных замираний сигнала в частотной области целесообразно рассмотреть отношение соседних по частоте гармоник I¡1 т1 при варьировании ут ла отсечки в несколько меньшем

(по сравнению с /т1//,и3) диапазоне 0 б [б0°, 120°].

Таким образом, детерминированная модель КПИИ на участке «выход НЭ - выход делителя» определяется зависимостью отношений амплитуд первой и второй гармоник нелинейно искаженного сигнала, прошедшего через линию связи с коэффициентом передачи /1(1), от угла отсечки 0:

Мы 3-[в-С05(е)-5ш(в)]

/С]2 ~~

(2)

р1т2 БЦг©)«^©)- Зсофе^Ц©)' На участке «вход НЭ (выход датчика) - выход делителя» аналитическая детерминированная модель КПИИ определяется выражением:

V 3 -1агсс°4(^- Ц>)А/„] - [(£, - и0)/ит]-л/1 - (Е - иЩ\

Л12 ~ [г---тГ •

Модель учета классов точности измерителей амплитуд гармоник, выраженных через абсолютные погрешности и Д2> представлена выражением для абсолютной погрешности косвенных измерений отношения гармоник:

л2

т2 У

12

V 1т2

\2

Зл-

г^зш3!©)

№ +

9[© - С05(©) • 51п(©)]2 4зт6(®) 2

х(0)

Х1в)

12 , о 0 о

Рисунок 1- Зависимости значений абсолютной погрешности косвенных измерений отношения гармоник от 0 тока при а)Д\!ц1т =0,5, ¡л1т =0.1; б) Л,//*/т =0,1; А2/ц1т =0,1; в) Д,////„ =0,1, А 2////,„ =0.5

Как видно из рис. 1, где представлены зависимости величины Ах от угла отсечки 0, выраженного в радианах, при различных соотношениях величин А1/ц[т, А2////„,, существуют оптимальные значения 0*, при которых: 0 = аг§ттД^(©, Дь А2,ц1т). Решение оптимизационной задачи находится из выражения:

д7

©у |соз(©*). 8т(©*). [8т2(0*)+1].

(5)

Приведенные исследования позволяют предложить следующий алгоритм расчета оптимального угла отсечки тока нелинейного элемента при передаче измерительной информации в канале с общими замираниями сигнала:

1. По технической документации (формуляру) определяется класс точности прибора, т.е. обобщенная характеристика, выражаемая допускаемой основной погрешностью у средства измерения. Для прибора с равномерной шкалой указанная погрешность, выраженная в процентах, определяется формулой как для приведенной погрешности: у = (А/X к, ) • 100%, где Хк - некоторое нормирующее значение, например, предельное значение шкалы.

2. По максимально возможному значению уровня до • /т, амплитуды ¡'-й

гармоники на выходе измерительного канала с коэффициентом передачи ДО определяем предельное значение нормирующей величины X .

3. Рассчитываются значения абсолютных основных погрешностей А,приборов, измеряющих амплитуды гармоник: А, = у • -Уд,,/100%.

4. Используя выражение (5) по соотношению г = Л1/Д2 определяется оптимальное значение угла отсечки 0* выходного сигнала нелинейного элемента.

, К третьей главе приведен расчет показателей вероятностного описания моделей канала передачи измерительной информации для условий замираний сигнала и погрешности измерения.

Селективные замирания измерительного сигнала в линии связи рассматриваются как случайные мультипликативные помехи при измерении амплитуд гармоник нелинейно искаженного сигнала. При наличии большого числа независимых факторов влияния результат измерения гармоники сигнала на выходе линии связи представляют собой случайную величину,'распределенную по нормальному закону:-,

= -ехр[-(Л,| -^тк)2/2а2к], (6)

где о1 - дисперсия значений к-н составляющей тк, как случайной величины, в условиях быстрых замираний. В этом случае отношение измеренных значений амплитуд гармоник является случайной величиной, плотность распределения вероятностей которой описывается распределением Коши:

+ (7)

где ЗС|2 - координата центра распределения Коши, а отношение о] /ст2 характеризует ширину данного распределения.

Так как распределение Коши не имеет математического ожидания, то попытка определить координаты центра распределения отношений гармоник на выходе делителя как среднее арифметическое на практике приведет к очень большому разбросу. Так как для данного распределения определяющий дисперсию интеграл расходится, то оценка дисперсии, определяемая по экспериментальным данным, будет неограниченно возрастать по мере увеличения объема п этих данных. Достоинство энтропийной оценки ширины распределения (по сравнению с дисперсией) состоит в возможности ее определения без знания координаты центра распределения; следовательно, энтропийная оценка не будет содержать в себе ошибку определения этой координаты.

Энтропия распределения Коши

=1п(4/Г<7,/<72). (8)

Отсюда энтропийное значение погрешности Аэ = 2тг <Т] /ст2 равно половине энтропийного интервала неопределенности, границы которого ± Лэ соответствуют доверительной вероятности Рэ =0,899.

Если результаты измерения уровней первой и второй гармоник содержат арксинусоидальные погрешности, обусловленные помехой от наводки на вход прибора или линии связи синусоидального напряжения силовых цепей с частотой, например, 50 Гц, то на выходе делителя результат косвенного измерения Х\-> представляет собой случайную величину с плотностью распределением:

. КЬпЬЧ^г+Хп-О/^-Хп-Ъ-М*2}**]- (9)

Энтропия данного распределения равна Н(%12)= 1п(тг2 /т1//т2)> а энтропийное значение погрешности измерения отношения уровней двух гармоник ~Лэ=Я2/т1//т2« 4,93(7,/^.

Впервые получена формула для расчета вероятности ложной сигнализации (как показателя достоверности контроля) для условий распределений: равномерного - для контролируемого параметра I/ в пределах границ [А, В\, нормального -для погрешности измерения со среднеквадратическим отклонением ах; релеев-ского - для коэффициента передачи к = к0 сигнала в КПИИ:

оо р а-ию

О а -м /«•„(/>-(/)//'

¡4 + (а - р)2 - -

Ж).

1

р-а___

В-А 2 (В-Л)

(10)

- + (b - pf + №/K$ + <f,-aY\.

Здесь [a, Р] и \а, Ъ\ - границы контрольных допусков на входе и выходе КПИИ.

Исследована взаимосвязь вероятности ложной сигнализации и размеров контролируемых допусков на входе и выходе канала передачи измерительной информации.

В четвертой главе представлены результаты компьютерного моделирования КПИИ и предложения по его реализации для условий замираний сигнала.

Имитационное моделирование КПИИ с использованием средств Electronics Workbench (EWB) (рис.2-3) осуществляется в несколько этапов:

гт:

ю

?............и

"OWV oylta ■■... -ffi * :- - -.i

л****»-' L!iL_-ii3

•- - — V. . Cnrnrtwn •• " + " ■

HI

, D tè в v _ a,

i.> Statistics JAnalogl ! Oscilloscope founer ;

Отсечка -аналт спектра, ewb

2.S 2.0 -1.5

1.0 > 500.0m

Frequency (Hz)

Рисунок 2 -Результатами моделирования устройства формирования сигнала в нелинейном режиме с отсечкой тока средствами Electronics Workbench

Рисунок 3 - Схема моделирования КПИИ с нелинейным преобразованием сиг нала для условий замираний средствами Electronics Workbench

1) моделирование передающего устройства с НЭ и исследование влияния режимов работы и номиналов элементов схемы на форму выходного сигнала;

2) исследование приемной части КПИИ и подбор элементов полосовых фильтров, настроенных на гармоники нелинейно искаженного сигнала;

3) моделирование всего КПИИ с условиями замираний сигнала в линии связи и его последующей обработки на приемной стороне канала (рис.3).

Среда разработки лабораторных виртуальных приборов Lab VIEW позволяет осуществить имитационное моделирование КПИИ (рис. 4-5) с высокой степенью адекватности исследуемым процессам в ТМС (по сравнению с Electronics Workbench), а также с незначительными временными и материальными затратами (по сравнению с натурным испытаниями реальных средств измерений и связи).

После передачи

"К W

р detected signal '

А 1 гармоники после передачи * Отношение гармоник после передачи

шз

ь>

Сигнал с шумами

|ncreasirg frequency fliiUj

А 2 гармоники после передачи

Рисунок 4 - Блок-схема приемной часть КПИИ, моделируемого средствами графического программирования LabVIEW

'шидшив» iI

а)

б)

. .mm illllli -J в»**«-*»« ЩШШЛ

% Н

е)

г)

Рисунок 5 - Панели виртуальных приборов с графическим отображением сигналов элементов КПИИ, моделируемых в среде LabVIEW: эпюры нелинейно искаженного сигнала с нижней отсечкой (а); зависимость отношения амплитуд первой и второй гармоник от угла отсечки (б); временные эпюры первой и второй гармоник сигнала (в и г):

Представлена методика моделирования КПИИ для условий замираний сигнала с алгоритмом использования полученных результатов:

1. Выбор аппроксимационной модели вольт-амперной характеристики НЭ для решаемой задачи контроля объекта: модель ВАХ с кусочно-линейной аппроксимацией - для расчетов при больших амплитудах внешних воздействий

2. Определение положения рабочей точки на ВАХ, с учетом измерительного напряжения U0, обеспечивающей угол отсечки выходного тока в соответствии с рабочей динамической моделью НЭ вида (1).

3. Использование моделей КПИИ вида (2) и (3) для реализации метода компенсации общих замираний сигнала в линии связи в процессе расчета отношений амплитуд первой и второй гармоник сигнала на выходе канала.

4. Выбор угла отсечки 0* выходного сигнала НЭ, обеспечивающего минимизацию погрешности косвенных измерений отношения /„,//„2, используя модели (4) и (5) учета классов точности измерителей амплитуд гармоник.

5. Подбор элементов схемы, обеспечивающей значение 0*, в процессе компьютерного моделирования средствами Electronics Workbench.

6. Расчет энтропийных интервалов неопределенности Аэ для отношения уровней двух гармоник в случаях нормально распределенной и арксинусои-дальной погрешностей измерения.

7. Сравнительный анализ предлагаемого и традиционного методов дистанционного контроля объекта при подстановке значений энтропийных интервалов в выражение (10) для вероятности ложной сигнализации. В частном случае Ъах = к0(в - А), (/3 - а)/(в - Л) имеем — 0,14, т.е. выигрыш в достоверности контроля равен - Рэ)~ 1,4 раза (здесь Рэ = 0,899).

8. Адекватность предлагаемого комплекса моделей реальным условиям отрабатывается с помощью средств имитационного моделирования Lab VIEW.

Техническая реализация данной методики представлена в виде схемных решений, на которые получены два патента РФ; на изобретение и полезную модель.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе спектрального анализа нелинейно искаженных сигналов предложена аналитическая модель канала передачи измерительной 'информации в виде зависимостей отношения амплитуд гармоник на выходе линии связи от значения напряжения на ее входе, т.е. на выходе датчика измеряемой физической величины. Схемная реализация модели позволяет устранить неопределенность в уровне измерительного сигнала на выходе канала, обусловленную наличием мультипликативных помех, за счет компенсации стохас-тичности изменения коэффициента передачи в линии связи делителем амплитуд гармонических составляющих нелинейно искаженного сигнала.

2. Предложенный алгоритм оптимизации угла отсечки тока нелинейно искаженного сигнала, использующий в качестве целевой функции аналитическую модель КПИИ с учетом классов точности селективных вольтметров на выходе линии связи с замираниями, позволяет минимизировать погрешность косвенных измерений отношения амплитуд гармоник.

3. Впервые полученное аналитическое выражение для вероятности ложной сигнализации при дистанционном контроле объекта с равномерным распределением значения параметра, нормально распределенной погрешностью измерения и релеевским распределением уровня сигнала в линии связи является основой для создания нормативной метрологической модели КПИИ, устанавливающей связь между эксплуатационными допусками на параметр, показателями достоверности контроля технологического параметра и частными характеристиками вероятностного описания составляющих канала.

4. Предложения по использованию средств компьютерного моделирования Electronics Workbench (для подбора номиналов элементов схемы КПИИ, разработанной на уровне изобретения) и Lab VIEW (для оценки работоспособности схемы канала в целом) позволяют сократить временные и материальные затраты на проектирование и испытание канала передачи измерительной информации в составе телеметрических систем.

5. Разработанная методика моделирования канала передачи измерительной информации в условиях замираний сигналов, отражающая последовательность аналитического, компьютерного и метрологического моделирования в виде обобщенного алгоритма, позволяет обеспечить повышение достоверности контроля объекта в 1,4 раза за счет оптимизации угла отсечки выходного сигнала НЭ, подбора номиналов элементов КПИИ и установки контрольных допусков, соответствующих характеристикам погрешностей и помех в канале.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бойко, А.И. Преобразование измерительных сигналов при дистанционной передаче в каналах связи с общими замираниями [Текст] / А.И. Бойко, В.В. Федоренко, С.А. Корниенко // Инфокоммуникационные технологии. -Самара, 2007.-№ 3. - С. 129-131.

2. Бойко, А.И. Способ преобразования сигнала передачи телеметрической информации при диспечерском управлении буровыми работами [Текст] / А.И. Бойко, В.В. Федоренко // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - Москва, 2007. - № 6. - С. 12-15.

3. Бойко, А.И. Минимизации погрешности косвенных измерений в канале с нелинейным преобразованием сигнала [Текст] / А.И. Бойко // Системы управления и информационные технологии. - Воронеж, 2008. - № 4 - С. 75-78.

4. Патент 2349041 Российская Федерация, МПК H04J 1/20. Система многоканальной передачи сигналов [Текст] / Бойко А.И., Випограденко А.М., Федоренко-В.В.; заявитель и патентообладатель Северо-Кавказский гос.техн. ун-т. - № 2007129302/09; заявл. 30.07.2007; опубл. 10.03.2009, бюл. № 7. - 10 е.: ил.

, 5. Патент 68798 Российская Федерация, МПК Н02Н 3/00. Модель системы сигнализации отклонения технологического параметра [Текст] / Бойко АЛ., Краснокутский А.В., Федоренко В.В.; заявитель и патентообладатель Ставропольский воен. ин-т связи РВ. - № 2007124291/22; заявл. 27.06.2007; опубл. 27. П .2007, бюл. № 33.-7 е.: ил.

6. Бойко, А.И. Моделирование измерительного канала с нелинейным преобразованием сигнала для условий мультипликативных помех [Текст] / А.И. Бойко // Информационные технологии моделирования и управления. -Воронеж, 2007. - № 5. - С. 533-537.

7. Нечистяк, М.М. Имитационное моделирование процесса передачи телеметрической информации с учетом воздействия помех в среде LabView [Текст] / М.М. Нечистяк, А.И. Бойко // Информационные технологии моделирования и управления. - Воронеж, 2008. - № 9. - С. 1093-1097.

8. Бойко, А.И., Модель дистанционной передачи информации о текущих значениях технологических параметров [Текст] / А.И. Бойко, В.В. Федоренко // Информационные системы, технологии и модели управления производством: материалам 3 международной научно-практической конференции / Ставропольский государственный аграрный университет. - 2007. - С. 8-10.

9. Федоренко, В.В. Информационная система обучения метрологов на базе моделирующих программ Electronics Workbench и VisSim [Текст] / В.В. Федоренко, А.И. Бойко, А.И. Сивакозов // Теория, методы проектирования, программно-техническая платформа корпоративных информационных систем: материалы 5 международной научно-практической конференций I Южно-Российский государственный технический университет. - Новочеркасск, 2007. -С.73-74.

10. Бойко, А.И. Оптимизация угла отсечки нелинейно преобразованного сигнала в канале с мультипликативными помехами [Текст] / А.И. Бойко // Инфо-коммуникационные технологии в науке, производстве и образовании: материалы 3 международной научно-технической конференции. Часть 3/ Северо-Кавказский государственный технический университет. - Ставрополь, 2008. - С.106-108.

11. Бойко, А.И. О структуре интегрированных систем управления с реконфигурацией активных объектов [Текст] / А.И. Бойко, С.А. Ряднов // Вузовская наука сегодня: сборник научных трудов 4 межвузовской научно-практической конференции / Московский государственный университет приборостроения и информатики (филиал). - Ставрополь, 2006. - С. 47-49.

12. Бойко, А.И. Информационная теория измерительных систем в задаче интервального оценивания отношения гармоник нелинейно преобразованного сигнала [Текст] / А.И. Бойко // Вузовская наука - Северному Кавказу: материалы 11 региональной научно-технической конференции / Северо-Кавказский государственный технический университет. - Ставрополь, 2007. - С. 110-111.

13. Федоренко, В.В. Компьютерное моделирование вторичного преобразователя в канале передачи телеметрической информации [Текст] / В.В. Федоренко, А.И. Бойко // Университетская наука - региону: материалы 52 научно-методической конференции / Ставропольский государственный университет. - Ставрополь, 2007. - С. 247-249.

Работы [1]-[4] опубликованы в изданиях из перечня ВАК, рекомендуемого для опубликования основных научных результатов диссертаций.

Подписано в печать 13.04.2009 Формат 60x84 1/16 Усл.печл. 1,1 Уч.-изд.л. 1,02 Бумага офсетная_Тираж 100 экз._Заказ 140

Отпечатано в Издательско-полиграфнческом комплексе Ставропольского государственного университета. 355009, Ставрополь, ул.Пушкина, 1.

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ В СОСТАВЕ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1. Определение объекта исследования — каналов передачи измерительной информации.

1.2. Анализ сигналов передачи телеметрической информации по каналам связи.

1.3. Анализ требований нормативных документов к каналам передачи измерительной информации.

1.4. Выявление противоречия в существующих подходах к моделированию измерительных каналов и каналов связи.

1.5. Обзор существующих методов борьбы с замираниями сигнала в каналах связи.

1.6. Постановка научной задачи и частных задач исследования.

Выводы по главе 1.

2. ГРАФО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ С НЕЛИНЕЙНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ СИГНАЛА.

2.1. Анализ аппроксимационных моделей вольт-амперных характеристик нелинейных элементов в составе канала передачи измерительной информации.

2.2. Исследование отношений амплитуд гармонических оставляющих нелинейно искаженного сигнала в канале с общими замираниями

2.3. Оптимизация угла отсечки нелинейно преобразованного сигнала в канале передачи измерительной информации.

Выводы по главе 2.

3. РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВЕРОЯТНОСТНОГО ОПИСАНИЯ МОДЕЛЕЙ КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ УСЛОВИЙ ЗАМИРАНИЙ СИГНАЛА И ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ.

3.1. Вероятностное описание отношения двух нормально распределенных гармоник нелинейно искаженного сигнала.

3.2. Оценка параметров стохастической модели измерительного канала при описании распределением Коши.

3.3. Математическая модель формирования погрешности измерительного канала при арксинусоидальных помехах на входе делителя напряжений.

3.4. Расчет показателей достоверность контроля параметра на выходе измерительного канала с учетом аддитивной погрешности и мультипликативной помехи в линии связи.

Выводы по главе 3.

4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО РЕАЛИЗАЦИИ КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ УСЛОВИЙ ЗАМИРАНИЙ СИГНАЛА.

4.1. Моделирование элементов КПИИ с использованием программного продукта Electronics Workbench.

4.2. Результаты моделирования измерительного канала с мультипликативными помехами средствами Lab View. * ^

4.3. Методика моделирования каналов передачи измерительной информации в телеметрических системах для условий замираний сигналов.

Выводы по главе 4.

Современный характер развития производства в различных отраслях хозяйственной деятельности определяется исключительной важностью своевременной и достоверной информации о реальном состоянии промышленных (технических и технологических) объектов. Указанная информация обеспечивает не только нормальную (штатную) работоспособность объекта, но и безопасность обслуживающего персонала, а также экологию окружающей среды. Низкий уровень достоверности информации приводит к неадекватным (ошибочным) реакциям, примерами последствий которых могут служить авария на Чернобыльской атомной электростанции, а также события последних лет на промышленных и технических объектах.

Информация о состоянии сложных промышленных объектов (к числу которых относятся тепловые электростанции и котельные) появляется на основе измерения сотен, а то и тысяч технологических параметров. Для обеспечения их измерения, а также дистанционной передачи на пункты диспе-черского управления используются системы контроля объектов, которые, согласно руководящим документам (РД 153-34.1-35.127-2002, РД 153-34.011.201-97, РД 34.11.408-91 и др.), можно разбить на три группы:

1) телеметрические системы;

2) системы технологической сигнализации (аварийной и предупредительной);

3) информационно-измерительные системы.

В состав указанных систем входят каналы передачи измерительной информации, имеющие различные названия в зависимости от вида системы: каналы телеизмерений, каналы передачи извещений либо просто, измерительные каналы. Поэтому объектом диссертационных исследований выбран обобщенный для различных систем контроля канал передачи измерительной информации (КПИИ), представляющий собой функционально объединенную совокупность средств измерений и линии связи (JIC), по которым проходит один последовательно преобразуемый информативный сигнал, выполняющий законченную функцию измерения.

На достоверность принимаемой измерительной информации оказывают влияние, как погрешности агрегатных средств измерений, так и помехи, присутствующие в линии связи. По признаку воздействия на полезный сигнал выделяют следующие классы помех:

1) аддитивные помехи - суммируемые с полезным сигналом;

2) мультипликативные помехи - умножаемые на сигнал.

Характерным проявлением мультипликативных помех является стохастическое замирание сигнала, как следствие случайного изменения коэффициента передачи сигнала в линии связи. Это может привести, например, к ложному срабатыванию аварийной сигнализации либо пропущенному сигналу о предаварийной ситуации на объекте.

Учитывая наибольшую опасность данного класса помех, целью диссертационных исследований является повышение достоверности контроля технологических параметров промышленных объектов в условиях замираний сигнала в каналах передачи измерительной информации.

Предмет исследования - методы моделирования каналов, обеспечивающие повышение помехоустойчивой передачи измерительной информации в линии связи с замираниями сигналов.

Проведенный анализ нормативно-технической документации по метрологическому обеспечению измерительных каналов ряда промышленных объектов (в частности, тепловых электростанций, подстанций и котельных) свидетельствует об отсутствии требований к учету помех в линии связи при измерении технологических параметров.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы определяется необходимостью разрешения противоречий, обусловленных следующими двумя основными группами факторов.

Первая группа факторов — ряд практических противоречий между наличием в составе систем контроля промышленных объектов линий связи, подверженных воздействию мультипликативных помех (с одной стороны), приводящих к замиранию измерительного сигнала, и, с другой стороны, отсутствием в нормативной документации для промышленных и технических объектов требований к учету помех в JIC при измерении технологических параметров (например, в руководящем документе РД 34.11.321-96).

Вторая группа факторов — недостаточный уровень развития методических основ постановки и решения задач моделирования каналов передачи измерительной информации в составе систем дистанционного контроля промышленных объектов. Указанный недостаток проявляется, прежде всего, в наличии противоречия между необходимостью учета и оценки помех в JTC при проектировании и метрологическом обеспечении измерительных каналов и фактическим отсутствием математических моделей КПИИ, учитывающих влияние помех (в том числе, мультипликативных) на достоверность контроля технологических параметров.

И если аддитивные помехи можно учесть, используя правила нормирования и суммирования погрешностей, то для учета мультипликативных помех подобные правила и методики отсутствуют. Для того, чтобы разработать подобные методики учета затуханий измерительных сигналов в линии связи, необходимо осуществить математическое моделирование измерительных каналов с учетом влияния характеристик всех агрегатных средств и линии связи на точность и достоверность контроля технологических параметров. Данные рассуждения и составляют основную проблематику практики построения и эксплуатации КПИИ, а также теории их адекватного моделирования.

Для разрешения указанных противоречий предлагается постановка научной задачи в следующей формулировке: «Совершенствование метода помехоустойчивой передачи измерительной информации в линии связи с компенсацией стохастичности общих замираний сигнала на основе комплексного применения технологий аналитического и компьютерного моделирования измерительных каналов с г{елью повышение достоверности контроля технологических параметров промышленных и технических объектов».

Для решения поставленной общей научной задачи была проведена ее декомпозиция на ряд следующих частных задач:

1. Аналитическое моделирование канала передачи измерительной информации с нелинейным преобразованием сигнала, поступающего от датчика, для условий общих замираний.

2. Оптимизация угла отсечки выходного тока нелинейного элемента (НЭ) с учетом классов точности измерителей амплитуд гармонических составляющих сигнала на выходе канала.

3. Составление нормативной метрологической модели КПИИ, устанавливающую связь между показателями достоверности контроля технологического параметра, характеристиками вероятностного описания составляющих канала и значениями контрольных допусков на параметр.

4. Компьютерное моделирование канала передачи измерительной информации при расчете номиналов его элементов и проверке функционирования канала в целом.

5. Формирование методики моделирования КПИИ в телеметрических системах для условий замираний сигналов.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе научных задач использованы методы спектрального анализа сигналов, теории вероятностей и случайных процессов, математического программирования и имитационного моделирования. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и шести приложений.

Выводы по главе 4

1. Имитационное моделирование канала передачи измерительной информации с использованием средств Electronics Workbench осуществляется в несколько этапов: моделирование передающего устройства с нелинейным элементом и исследование влияния режимов работы и номиналов элементов схемы на форму выходного сигнала; исследование приемной части КПИИ и подбор элементов полосовых фильтров, настроенных на гармоники нелинейно искаженного сигнала; моделирование всего КПИИ с условиями замираний сигнала в линии связи и его последующей обработки на приемной стороне канала.

2. Среда разработки лабораторных виртуальных приборов Lab VIEW позволяет осуществить имитационное моделирование КПИИ с высокой степенью адекватности исследуемым процессам в телеметрических системах (по сравнению с Electronics Workbench), а также с незначительными временными и материальными затратами (по сравнению с натурным испытаниями реальных средств измерений и связи).

3. Эффективность использования среды LabVIEW при исследовании канала передачи измерительной информации состоит в том, что оставаясь в ее рамках, можно разрабатывать как математическую модель объекта, так и снабжать эту модель экспериментальными данными с помощью аппаратных средств ввода-вывода, сопряженных с реальным объектом.

4. В рамках единой методики моделирования канала передачи измерительной информации составлен алгоритм комплексного применения результатов схемного проектирования системы сигнализации отклонения технологического параметра, аналитического расчета режимов работы ее элементов и проверки функционирования с помощью современных компьютерных средств.

5. Техническая реализация результатов моделирования канала передачи измерительной информации в составе многоканальной телеметрической системы позволяет не только уменьшить воздействие мультипликативных помех в линии связи, но и более эффективно использовать выделенный для ТМС диапазон частот, что подтверждено патентом РФ на изобретение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе проведенных диссертационных исследований получены следующие научные положения, выносимые на защиту:

1. На основе спектрального анализа нелинейно искаженных сигналов предложена аналитическая модель канала передачи измерительной информации (в котором обеспечивается устойчивость к мультипликативным помехам за счет компенсации общих замираний сигнала в делителе напряжений гармонических составляющих) в виде зависимости отношения амплитуд гармоник на выходе линии связи от значения напряжения на ее входе, т.е. на выходе датчика измеряемой физической величины.

2. Предложенный алгоритм оптимизации угла отсечки тока нелинейно искаженного сигнала, использующий в качестве целевой функции аналитическую модель КПИИ с учетом классов точности селективных вольтметров на выходе линии связи с замираниями, позволяет минимизировать погрешность косвенных измерений отношения амплитуд гармоник.

3. Впервые полученное аналитическое выражение для вероятности ложной сигнализации при дистанционном контроле объекта с равномерным распределением значения параметра, нормально распределенной погрешностью измерения и релеевским распределением уровня сигнала в линии связи является основой для создания нормативной метрологической модели КПИИ, устанавливающей связь между эксплуатационными допусками на параметр, показателями достоверности контроля технологического параметра и частными характеристиками вероятностного описания составляющих канала.

4. Предложения по использованию средств компьютерного моделирования Electronics Workbench (используемого для подбора номиналов элементов схемы КПИИ, разработанной на уровне изобретения) и LabVIEW (для оценки работоспособности схемы канала в целом) позволяют сократить временные и материальные затраты на проектирование и испытание канала передачи телеметрической информации в составе телеметрических систем.

5. Разработанная методика моделирования канала передачи измерительной информации в условиях замираний сигналов, отражающая последовательность аналитического, компьютерного и метрологического моделирования в виде обобщенного алгоритма, позволяет обеспечить повышение достоверности контроля объекта в 1,4 раза за счет оптимизации угла отсечки выходного сигнала НЭ, подбора номиналов элементов КПИИ и установки контрольных допусков, соответствующих характеристикам погрешностей и помех в канале.

1. Адаптивные системы сбора и передачи аналоговой информации. Основы теории / А.Н. Дядюнов, Ю.А. Онищенко, А.И. Сенин. М.: Машиностроение, 1988. — 288 с.

2. Адаптивные телеизмерительные системы/Б.А. Авдеев, Е.М. Антонюк, С.Н. Долинов и др.; Под ред. А.В. Фремке. Л.: Энергоиздат, 1981. — 248 с.

3. Азизов А. М. Информационные системы контроля параметров технологических процессов. JL: Химия, 1983. - 328 с.

4. Алиев Т. М., Мелик-Шахназаров A.M., Тер-Хачатуров А.А. Измерительные информационные системы в нефтяной промышленности. М.: Недра, 1981.-351 с.

5. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Справочное пособие/ Под ред. С.В. Якубовского. М.: Радио и связь, 1985. - 432 с.

6. Андреев В. С. Теория нелинейных электрических цепей. М.: Радио и связь, 1982.-280 с.

7. Арютюнов П.А. Теория и применение алгоритмических измерений. -М.: Энергоатомиздат. 256 с.

8. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин. -М.: Дрофа, 2005.-415 с.

9. Ацюковский В.А. Философия и методология технического комплекси-рования. М.: «Петит», 2006. - 221 с.

10. Ю.Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. — М.: Высш. школа, 1983.- 536 с.

11. П.Басс Э.И., Дорогунцев В.Г. Релейная защита электроэнергетических систем. М.: Изд-во МЭИ, 2006. - 296 с.

12. Белоконь Р.Н., Кендаль В.Г., Кузнецов A.M. Контроль качества при наличии аддитивно-мультипликативной погрешности измерения.// Прикладная математика, 1971. - Вып. 3. - С. 117-223. (Иркутск).

13. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов: Пер с англ./ Под ред. И.Н. Коваленко. М.: Мир, 1971. - 408 с.

14. Бойко А.И. Минимизации погрешности косвенных измерений в канале с нелинейным преобразованием сигнала.// Системы управления и информационные технологии. 2008. - № 4 - С.75-78. Воронеж.

15. Бойко А.И. Моделирование измерительного канала с нелинейным преобразованием сигнала для условий мультипликативных помех.// Информационные технологии моделирования и управления. 2007. - №5.- С. 533-537. Воронеж.

16. Бойко А.И., Ряднов С.А. О структуре интегрированных систем управления с реконфигурацией активных объектов.// Сборник научных трудов 4 межвузовской НПК «Вузовская наука сегодня». СФ МГУПИ, 2006. С. 47-49. - г. Ставрополь: Изд-во «Мир данных».

17. Бойко А.И., Федоренко В.В. Способ преобразования сигнала передачи телеметрической информации при диспечерском управлении буровыми работами.// Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности.- 2007. № 6. - С. 12-15. Москва.

18. Бойко А.И., Федоренко В.В., Корниенко А.С. Преобразование измерительных сигналов при дистанционной передаче в каналах связи с общими замираниями.// Инфокоммуникационные технологии. — 2007. -№3.- С. 129-131. Самара: Изд ПГАТИ.

19. Бородачев Н.А. Основные вопросы теории точности производства. -М.: Изд-во АН СССР, 1950.

20. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Наука, 1980.-976 с.

21. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. — М.: Сов радио, 1977.-664 с.

22. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. -М.: Высш. шк., 2002. 575 с.

23. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М.: Высш. шк., 2000. - 480 с.

24. Виноградова И.А., Олехник С.Н., Садовничий В.А. Задачи и упражнения по математическому анализу. — М.: Изд-во МГУ, 1988. 416 с.

25. Галкин А.П., Лапин А.Н., Самойлов А.Г. Моделирование каналов систем связи. М.: Связь, 1979. - 96 с.

26. Городецкий Б.В., Фоменко В.К. Методы оценки достоверности контроля АСК // Известия ТРТИ. 1973. - № Ю. - С. 94-115. (Таганрог).

27. ГОСТ 16465-70. Сигналы радиотехнические измерительные. Термины и определения.

28. ГОСТ 19619-74. Оборудование радиотелеметрическое. Термины и определения.

29. ГОСТ 27300—87 Информационно-измерительные системы. Общие требования, комплектность и правила составления эксплуатационной документации.

30. ГОСТ 8.009-84. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. -М.: Госстандарт СССР, 1984.

31. ГОСТ Р 50775-95 (IEC 60839-1-1). Системы тревожной сигнализации. Часть 1. Общие требования.

32. ГОСТ Р 8.596-2002. ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения.

33. ГОСТ 23511-79 Радиопомехи индустриальные от электротехнических устройств, эксплуатируемых в жилых домах или подключаемых к их электрическим сетям. Нормы и методы измерений

34. ГОСТ Р 50009-92 Совместимость технических средств охранной, пожарной и охранно-пожарной сигнализации электромагнитная. Требования, нормы и методы испытаний на помехоустойчивость и индустриальные радиопомехи.

35. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Издательство физико-математической литературы, 1963.- 1108 с.

36. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. -М.: Наука, 1973.-228 с.

37. Дегтярев Ю.И. Методы оптимизации.- М.: Сов. радио, 1980. 272 с.

38. Долгов А.И.Справочник исследователя. Новочеркасск: НВИС, 2002. -246 с.

39. Дядюнов А.Н., Онищенко Ю.А., Сенин А.И. Адаптивные системы сбора и передачи аналоговой информации: Основы теории. М. : Машиностроение, 1988 . - 286 с.

40. Игнатов А.Н. Микроэлектронные устройства связи и радиовещания. — Томск: Радио и связь, Томское отделение, 1990. 400 с.

41. Иноземцев А .Г. Инженерная метрология и информационные технологии точных и узкополосных измерений. М. : Компания Спутник +,2006.-410 с.

42. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Лабораторный практикум на базе Electronics Workbench и MATHLAB. М.: СОЛОН-Пресс, 2004. - 800 с.

43. Катцель Дж. Управление аварийными сигналами //Control Engineering.2007. № 5.

44. Кеннеди Р. Каналы связи с замиранием и рассеянием: Пер с англ./ Под ред. И.А. Овсеевича. М.: Сов. радио, 1973. - 304 с.

45. Кириллов Н.Е. Помехоустойчивая передача сообщений по линейным каналам со случайно изменяющимися параметрами. — М.: Связь, 1971 . -256 с.

46. Кливленд П. Контроль состояния: контроль состояния становится более совершенным // Control Engineering. 2007. - № 10.

47. Кловский Д.Д., Конторович В.Я., Широков С.М. Модели непрерывных каналов связи на основе стохастических дифференциальных уравнений. М.: Радио и связь, 1984. - 248 с.

48. Коричнев Л.П., Королев В.Д. Статистический контроль каналов связи. М.: Радио и связь, 1989. - 240 с.

49. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). Определения, теоремы, формулы. СПб.: Изд-во «Лань», 2003. - 832 с.

50. Крахмалев А.И. Нормативная база для СКУД // Алгоритмы безопасности. 2008. - № 4. - С.7-9

51. Кудрицкий В.Д., Синица, М.А., Чинаев П.И. Автоматизация контроля радиоэлектронной аппаратуры. -М.: Сов. радио, 1977. 256 с.

52. Локотош Б.Н., Семенцов Г.Н. Автоматизация процесса бурения глубоких скважин. Львов: Вища школа, 1977. — 248 с.

53. Методы цифрового моделирования и идентификации стационарных случайных процессов в информационно-измерительных системах /А.Н.

54. Лебедев, Д.Д. Недосекин, Г.А. Стеклова, Е.А. Чернявский. Л.: Энер-гоатомиздат, 1988. - 64 с.

55. Моделирование многолучевых радиоканалов для анализа и синтеза систем передачи информации/ Под ред. В.Н. Сифорова. М.: Наука, 1978.- 170 с.

56. Метрология, стандартизация, сертификация и электроизмерительная техника/ Под ред. К.К. Кима. СПб.: Питер, 2006. - 368 с.

57. МИ 1317-2004. Рекомендация ВНИИМС. ГСИ. Результаты и характеристики погрешности измерений. Формы представления. Способы использования при испытаниях образцов продукции и контроле их параметров. -М.: ВНИИМС, 2004.

58. Надежность и эффективность в технике: Справочник. Т. 8: Эксплуатация и ремонт/ Под ред. В.И. Кузнецова и Е.Ю. Барзиловича. — М.: Машиностроение, 1990. 320 с.

59. Назаров Н.Г. Метрология. Основные понятия и математические модели. М.: Высшая школа, 2002. - 348 с.

60. Немировский А.С. Борьба с замираниями при передаче аналоговых сигналов. -М.: Радио и связь, 1984.-208 с.

61. Нечистяк М.М., Бойко А.И. Имитационное моделирование процесса передачи телеметрической информации с учетом воздействия помех в среде LabView.// Информационные технологии моделирования и управления». 2008. - № 9. - С. 1093-1097. Воронеж.

62. Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных устройств. Л.: Энергия, 1968. - 248 с.

63. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. — Л.: Энергоатомиздат, 1985. 248 с.

64. Новоселов О.Н., Фомин А.Ф. Основы теории pi расчета информационно-измерительных систем. -М.: Машиностроение, 1991. 336 с.

65. Основополагающие стандарты в области метрологического обеспечения. -М.: Изд-во стандартов, 1981.

66. ОСТ 25 1099-83 Средства охранной, пожарной и охранно-пожарной сигнализации. Общие технические требования и методы испытаний

67. Передача информации по радиоканалам, содержащим статистически неоднородные среды / Под ред. В.И. Сифорова. М.: Наука, 1976. -240 с.

68. Победоносцев В. А. Основания информметрии. — М.: Радио и связь, 2000. — 192 с.

69. Поляков П.Ф. Прием сигналов в многолучевых каналах. М.: Радио и связь, 1986.-248 с.

70. Поляков П.Ф. Широкополосные аналоговые системы связи со сложными сигналами. Радио и связь, 1981. -152 с.

71. Прокунцев А.Ф., Юмаев P.M. Преобразование и обработка информации с датчиков физических величин. М. : Машиностроение, 1992 . -285 с.

72. Раннев Г.Г. Практикум по математическим основам информационно-измерительной техники. М. : Изд-во МГОУ, 2006 . - 49 с.

73. Расщепляев Ю.С., Фандиенко В.Н. Синтез моделей случайных процессов для исследования автоматических систем управления. — М.: Энергия, 1981.-144 с.

74. РД 153-34.0-11.201-97. Методика определения обобщенных метрологических характеристик измерительных каналов ИИС и АСУ ТП по метрологическим характеристикам агрегатных средств измерений. М.: СПО ОРГРЭС, 1999.

75. РД 153-34.0-11.204-97. Методика приемки из наладки в эксплуатацию измерительных каналов информационно-измерительных систем. М: СПО ОРГРЭС, 1999.

76. РД 153-34.0-11.205-98. Методические указания. Измерительные каналы информационно-измерительных систем. Организация и порядок проведения калибровки. М.: СПО ОРГРЭС, 2000.

77. РД 153-34.1-35.127-2002. Общие технические требования к программно-техническим комплексам для АСУ технологическими процессами тепловых электростанций. — М.: ОАО энергетики и электрофикации «ЕЭС России», 2002.

78. РД 34.11.202-95. Методические указания. Измерительные каналы информационно-измерительных систем. Организация и порядок проведения метрологической аттестации. М.: СПО ОРГРЭС, 1997.

79. РД 34.11.207-89. Методика расчета метрологических характеристик каналов телеизмерений.-М.: Союзтехэнерго, 1989.

80. РД 34.11.321-96. Нормы погрешности измерений технологических параметров тепловых электростанций и подстанций. М.: ВТИ, 1997

81. РД 34.11.408-91. Типовая программа метрологической аттестации каналов телеизмерений оперативно-информационного комплекса автоматизированной системы диспетчерского управления. М: СПО ОРГРЭС, 1993.

82. РД 34.11.409-92. Типовые алгоритмы автоматизированной обработки экспериментальных данных метрологической аттестации и поверки измерительных каналов ИИС,- М.: СПО ОРГРЭС, 1993.

83. РД 34.35.101-88. Методические указания по объему технологических измерений, сигнализации и автоматического регулирования на тепловых электростанциях. М.: СПО Союзтехэнерго, 1988.

84. Рего К.Г. Метрологическая обработка результатов технических измерений. М. : Техника, 1987 . - 127 с.

85. Рубичев Н.А. Измерительные информационные системы. М. : Изд-во МИИТ, 2006. - 123 с.

86. Сердюков О.В., Корепанов И.А., Кулагин С.А. Система калибровки измерительных каналов АСУ ТП // Информатизация и системы управления в промышленности. — 2008. № 1 (9).

87. Сикарев А.А., Лебедев О.Н. Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов. — М.: Радио и связь, 1983.-216 с.

88. Сикорский А.Б., Назаров А.Н. Оценка помехоустойчивости систем радиосвязи в каналах с замираниями // Электросвязь. — 2004. N° 3. — С.40-42.

89. Соболев В.И. Информационно-статистическая теория измерений : измерение случайных величин и случайных векторов. М.: Изд-во МАИ, 2006.-119 с.

90. Современная телеметрия в теории и на практике /Назаров А.В., Козырев Г.И., Шитов И.В. и др. — СПб.: Наука и техника, 2007. 672 с.

91. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники/ Под ред. Б.Х. Кривицкого. Том 2. М.: Энергия, 1977. - 504 с.

92. Статистические методы обработки эмпирических данных. Рекомендации. -М.: Изд-во стандартов, 1978.

93. Тихонов В.И., Кульман Н.К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. М.: Сов радио, 1974,- 704 с.

94. Тихонов В.И., Миронов М.А. Марковские процессы. М.: сов радио, 1977.-488 с.

95. Тихонов В.И.Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983.-320 с.

96. Федоренко В.В. Бойко А.И. Компьютерное моделирование вторичного преобразователя в канале передачи телеметрической информации.// Материалы 52-й НМК «Университетская наука — региону». -Ставрополь: СГУ, 2007. С. 247-249.

97. Федоренко В.В., Винограденко A.M., Бойко А.И. Система многоканальной передачи сигналов.// Решение ФИПС о выдаче патента РФ на изобретение от 3.10.2008 г. по заявке № 2007129302/09.

98. Федоренко В.В., Краснокутский А.В., Бойко А.И. Модель системы сигнализации отклонения технологического параметра.// Патент РФ на полезную модель № 68798 от 27.11.2007 г., бюл. № 33, по заявке № 2007124291/22 (026450).

99. Фелпс Р. Измерять больше без проводов //Control Engineering. -2006. № 9.

100. Финк JI.M. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. радио, 1970.-728 с.

101. Харкевич А.А. Борьба с помехами. М.: Физматгиз, 1963.

102. Ц-02-94 (Т). Циркуляр о внесении изменений в объем технологических измерений, сигнализации и автоматического регулирования на тепловых электростанциях. М.: СПО ОРГРЭС, 1994.

103. ПО.Цапенко М.П. Измерительные информационные системы: Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование. М.: Энергоатом-издат, 1985.-439 с. 111. Цветков Э.И. Методические погрешности статистических измерений.

104. JL: Энергоатомиздат, 1984. 144 с.

105. Чекушкин В.В. Реализация вычислительных процессов в информационно-измерительных системах. Муром: МИ ВлГУ, 2005 . - 158 с.

106. Чернявский Е.А., Селиванов Е.П., Сильветсрук Ю.А. Информационная теория средств измерений и контроля. Саратов: Изд-во СГУ, 1988.- 125 с.

107. Шалыгин А.С., Палагин Ю.И. Прикладные методы статистического моделирования. — Л.: Машиностроение, 1986. — 320 с.

108. Шеннон К. Математическая теория связи. В кн.: Работы по теории информации и кибернетике. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1963.-С. 243-332.

109. Fedorenko V.V., Budko P.A., Vershkov N.A. Mathematical model of discrete communication channel under the influence of destabilizing factors // Engineering Simulation. 1998. - Vol. 15. - P. 77 - 83. (Printed in India).

110. Middleton D. Statistical physical Model of Electromagnetic Interference. - IEEE Trans., - 1977. - №3. - P. 106-127.

111. Price R., Green P. A communication technique for multipath channels. //Proc. IRE. 1957. - № 3. -P.555-573.