автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Метод, модели и алгоритмы идентификации многоэлементных пассивных RLC-датчиков

На правах рукописи

^ / V ж

і

и-

ГОЛУБОВ Дмитрий Александрович

МЕТОД, МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПАССИВНЫХ 1*ЬС-ДАТЧИКОВ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 АЛР 2013

Курск 2013

005052222

005052222

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет» на кафедре «Вычислительная техника» в совместной научно-исследовательской лаборатории Центра информационных технологий в проектировании РАН и Юго-Западного государственного университета «Информационные распознающие телекоммуникационные интеллектуальные системы».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки Российской Федерации Титов Виталий Семенович

Официальные оппоненты: Сизов Александр Семёнович

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации, Научно-исследовательский центр (г.Курск) ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, главный научный сотрудник

Бондарь Олег Григорьевич

кандидат технических наук, доцент, Юго-Западный государственный университет, доцент кафедры конструирования и технологии электронно-вычислительных средств

Ведущая организация: Тульский государственный университет

(г.Тула)

Защита диссертации состоится 29 марта 2013 г. в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.105.02 при Юго-Западном государственном университете по адресу: г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Юго-Западного государственного университета.

Автореферат разослан «28» февраля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.105.02 кандидат технических наук, доцент

Титенко Е. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Неотъемлемой частью современных автоматических систем и устройств управления производством и научных исследований являются узлы, осуществляющие получение информации о ходе того или иного процесса, его параметрах, внешних возмущающих факторах. Эти данные чаще всего получают с помощью датчиков, которые, как правило, представляют собой определенные разновидности электрических цепей, содержащих в своем составе пассивные элементы всех трех типов: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности. Среди разнообразных задач, решаемых информационно-измерительной и вычислительной техникой, важное место занимает задача определения параметров многоэлементных двухполюсных электрических цепей (МДП). Это объясняется тем, что методы и средства измерения параметров МДП могут быть использованы для определения параметров широкого круга датчиков физических величин, представляемых двухполюсными электрическими схемами замещения: при измерениях различных физических величин с помощью параметрических датчиков, определении характеристик процессов в электрохимии, электрофизике, биологии, медицине, контроле радиоэлементов и полупроводниковых структур, диагностике электронной аппаратуры.

Существенных результатов в изучении вопросов, связанных с определением параметров МДП, достигли Ф. Б. Гриневич, К. Б. Карандеев, В. Ю. Кнеллер, А. В. Светлов, А. И. Мартяшин, А. М. Мелик-Шахназаров, А. Д. Нестеренко, П. П. Чураков, В. М. Шляндин, Г. А. Эпштейн и др. В результате проведенных исследований решен ряд важных теоретических и практических вопросов, касающихся методов уравновешивания мостовых измерительных цепей, компенсационных измерительных цепей и прямого преобразования параметров двух-, трех- и четырехэлементных электрических цепей.

Выявленный перечень двухполюсных цепей содержит более 50 схем двух-, трех- и четырехэлементных двухполюсников. Еще больше существует пяти- и шестиэлементных двухполюсников. С ростом числа элементов, входящих в состав двухполюсной цепи, задача проектирования преобразователей становится гораздо более сложной, поскольку резко увеличивается число возможных вариантов схем цепей. Поэтому разработку алгоритмов преобразования параметров МДП целесообразно проводить не для конкретных вариантов схем цепей, а с более общих позиций - для определенного класса МДП, характеризуемого некоторой обобщенной схемой, с возможностью последующей конкретизации полученных алгоритмов применительно к конкретному варианту схемы МДП. Это обуславливает необходимость разработки нового метода определения параметров многоэлементных двухполюсных цепей и реализующих его математических моделей для идентификации более сложных двухполюсных ШС цепей с числом элементов до шести и выше.

Целью диссертационной работы является создание новых научно-технических решений, обеспечивающих упрощение и унификацию процедуры

параметрической идентификации пассивных датчиков, имеющих схему замещения в виде многоэлементных КЬС двухполюсников, увеличение числа измеряемых параметров и повышение точности определения параметров исследуемых двухполюсных цепей.

Диссертационная работа выполнена в рамках федеральных целевых программ с госбюджетным финансированием по грантам: 14.В37.21.0598 «Теоретические основы и методы использования распределенных и высокопроизводительных вычислительных систем для решения дискретных оптимизационных задач», а также хозяйственного договора № 1.187.12П; 14.В37.21.0621 «Высокоэффективные методы, алгоритмы и аппаратные средства коррекции ошибок в беспроводных каналах доступа к широкополосным мультимедийным услугам», а также хозяйственного договора № 1.124.12.

Актуальной научно-технической задачей является разработка метода обобщенных параметров многоэлементных двухполюсных цепей и создание моделей и алгоритмов функционирования аппаратных средств идентификации ЯЬС датчиков на основе этого метода.

Эта задача декомпозирована на следующие частные задачи:

• Анализ существующих алгоритмов и аппаратных средств определения параметров пассивных многоэлементных датчиков.

• Разработка метода обобщенных параметров многоэлементных пассивных датчиков.

• Разработка математических моделей для определения обобщенных параметров комплексного сопротивления, комплексной проводимости или передаточной функции измерительной схемы.

• Разработка алгоритмов определения //-параметров и У-параметров многоэлементных пассивных датчиков с уравновешиванием измерительных сигналов компенсирующими импульсами напряжения или тока и алгоритма прямого преобразования 2-параметров многоэлементных двухполюсников на основе метода обобщенных параметров, а также устройств для их реализации.

Научная новизна результатов работы и основные положения, выносимые на защиту;

1. Метод обобщенных параметров пассивных датчиков, схемы замещения которых представляют собой многоэлементные двухполюсные цепи, при возбуждении их импульсами напряжения или тока, имеющими форму степенной функции времени, позволяющий унифицировать алгоритмы параметрической идентификации широкого класса многоэлементных объектов, увеличить количество измеряемых параметров и повысить точность измерения за счет исключения погрешностей, обусловленных цепями коммутации формирователей тестовых сигналов различной формы. Ряд эквивалентных взаимных преобразований Я-параметров, У-параметров и 7-параметров, позволяющих упростить аналитические выражения на этапах формирования математических моделей и вычисления электрических параметров элементов двухполюсника.

2. Математические модели для определения обобщенных параметров комплексного сопротивления, комплексной проводимости или передаточной функции измерительной схемы при возбуждении двухполюсника сигналом, имеющим форму степенной функции времени, от одного генератора, позволяющие исключить цепи коммутации питающих сигналов, а также существенно снизить выбросы переходного процесса.

3. Алгоритмы определения Я-параметров и У-параметров многоэлементных пассивных датчиков с уравновешиванием измерительных сигналов компенсирующими импульсами напряжения или тока, разработанных на основе метода обобщенных параметров, а также устройств для их реализации.

4. Многокаскадный дифференциатор и многоканальный нуль-индикатор, предложенные для применения избирательного контроля отдельных составляющих измерительного сигнала, позволяющие существенно снизить погрешности измерений вследствие дрейфа остаточного неравновесия в каждой составляющей сигнала.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы теории электрических цепей, операторный метод и методы математического анализа и математического моделирования, теория управления

Практическая ценность работы. Разработанные математические модели для определения обобщенных параметров комплексного сопротивления, комплексной проводимости или передаточной функции измерительной схемы и алгоритмы параметрической идентификации многоэлементных пассивных датчиков на основе метода обобщенных параметров позволили расширить возможности информационных технологий в области измерения и контроля параметров объектов повышенной сложности с большим числом измеряемых и контролируемых параметров. Метод обобщенных параметров представляет возможность унификации измерительных процедур и аппаратных средств в устройствах первичной обработки данных от многоэлементных датчиков в сложных системах управления, например, бортовых или навигационных системах, которые функционируют в реальном времени.

Полученные в работе результаты являются основой для проектирования универсальных аппаратных средств определения параметров пассивных многоэлементных двухполюсников. Аппаратные средства, реализующие созданные алгоритмы, могут найти применение при создании автономных портативных измерительных устройств, предназначенных для измерения и контроля параметров широкого класса двухполюсных ШС -цепей.

Реализация и внедрение. Метод обобщенных параметров и созданные на его основе математические модели определения #-, У- и 7-параметров многоэлементных пассивных датчиков внедрены и прошли промышленное апробирование в ОКБ «Авиаавтоматика» Курского ОАО «Прибор». Результаты диссертационного исследования внедрены в ООО "ПП" Микрокод" в системе контроля за состоянием воздушной среды в производственных и складских

помещениях, где применяются датчики влажности, температуры и концентрации опасных газовых смесей.

Теоретические результаты исследования используются в учебном процессе кафедры «Вычислительная техника» Юго-Западного государственного университета в рамках дисциплин «Основы теории цепей и сигналов» и «Моделирование».

Внедрение и апробирование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Содержание диссертации соответствует п. 3. «Разработка принципиально новых методов анализа и синтеза элементов и устройств вычислительной техники и систем управления с целью улучшения их технических характеристик» паспорта специальности 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены и получили положительную оценку на 8 международных, всероссийских и региональных конференциях: «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (г. Курск, 2008г.); «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (г. Курск, 2008, 2010, 2012г.г.); «Информационно-измерительные, диагностические и управляющие системы» (г. Курск, 2009, 2011г.г,); «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (г. Курск, 2011г.); «Интеллектуальные и информационные системы» (г. Тула, 2011г.), на научно-технических семинарах кафедры «Вычислительная техника» Юго-Западного технического университета с 2008 по 2013г.г.

Публикации. Основные результаты выполненных исследований и разработок опубликованы в 16 научных работах, среди них 3 статьи в рецензируемых научных журналах и изданиях, 3 патента на изобретения.

Личный вклад соискателя. Все выносимые на защиту научные положения разработаны соискателем лично. В работах по теме диссертации, опубликованных в соавторстве, вклад соискателя состоит в следующем: в [1, 12, 14] разработаны математические модели параметрической идентификации многоэлементных пассивных двухполюсных цепей на основе метода обобщенных параметров, в [4] - модель для определения Я-параметров измерительной схемы и устройство для его реализации на основе метода обобщенных параметров, в [2, 5, 15,16] - модель для определения К-параметров МДП и устройство для его реализации на основе метода обобщенных параметров, в [6, 13] - модель для определения 7-параметров МДП и устройство для его реализации на основе метода обобщенных параметров, в [3] -разработка многокаскадного дифференциатора на ДС-звеньях без буферных каскадов.

Структура н обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 60 наименований,

четырех приложений. Работа изложена на 110 страницах машинописного текста, содержит 21 рисунок, 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертационной работы, определены цели и задачи исследований, сформулированы положения, выносимые на защиту, выделены основные результаты, имеющие научную новизну и практическую значимость.

В первой главе проведен обзор существующих алгоритмов и аппаратных средств определения параметров пассивных многоэлементных двухполюсников, который показал, что

1. Наибольшее число работ посвящено средствам определения параметров двухполюсных электрических цепей с помощью мостов переменного тока. Недостатки мостовых цепей с синусоидальным питанием заключаются в сложности и длительности процесса уравновешивания, а также взаимном влиянии каналов уравновешивания. Мосты с синусоидальным питанием являются сложными и дорогостоящими, так как включают в себя большое количество элементов уравновешивания, многозначные меры сопротивления, емкости и индуктивности.

2. Теоретически высокое быстродействие и возможности автоматизации обеспечивают способы построения измерителей параметров электрических цепей, основанные на анализе переходного процесса в измерительной схеме (ИС) при воздействии на нее скачком напряжения строго заданной амплитуды. Однако при реализации этих способов возникают препятствия, обусловленные необходимостью поиска места включения объекта измерения в измерительную схему и нахождения выражений для вычисления искомых параметров каждого конкретного варианта двухполюсника. Измерители с импульсным воздействием в виде скачка постоянного напряжения или импульса экспоненциальной формы, осуществляющие преобразование параметров в интервале времени переходного процесса, требуют подбора структуры и алгоритмов преобразования для каждого конкретного МДП путем перебора многочисленных вариантов, что неприемлемо при разработке преобразователей параметров сложных многоэлементных двухполюсных цепей с числом элементов до 6.

3. Находят применение также мостовые цепи с импульсным питанием, в которых для возбуждения ИС используются импульсы напряжения, имеющие форму степенной функции времени. На каждом этапе уравновешивания моста к нему поочередно подключают генераторы импульсов напряжения прямоугольной, линейно нарастающей, квадратичной, кубичной и т. д. формы. Параметры элементов находят расчетным путем по итогам уравновешивания после окончания переходного процесса в мостовой цепи. Такие мостовые схемы обладают рядом положительных свойств, в частности, свойством раздельного уравновешивания, но обладают и серьезными недостатками. Мостовые схемы с импульсным питанием характеризуются сложностью

аппаратуры, громоздкими аналитическими выражениями для условий равновесия и вычисления искомых параметров объекта измерения.

Существенным недостатком большинства известных алгоритмов преобразования параметров МДП следует признать то, что они являются узкоспециализированными. Это обуславливает необходимость создания новых научно-технических решений, обеспечивающих унификацию алгоритмов определения параметров многоэлементных двухполюсных цепей.

Во второй главе разработаны метод обобщенных параметров системной функции измерительной схемы, в которую включен двухполюсный объект измерения, и математические модели для определения обобщенных параметров комплексного сопротивления, комплексной проводимости или передаточной функции измерительной схемы на основе этого метода. Для идентификации параметров МДП необходимо выполнение следующих условий:

1. Воздействие на измерительную цепь должно быть таким, чтобы выходная реакция содержала несколько составляющих, каждая из которых, по возможности, содержала информацию только об одном из параметров объекта.

2. Составляющие выходной реакции должны обладать признаками, по которым их можно отселектировать и избирательно обработать.

Для линейной электрической цепи, дифференциальное уравнение которой может быть представлено в виде

аоУ+а1_ + а2—+... = Ь0х + Ь1—+Ь2—+..., (1)

указанным требованиям удовлетворяет тестовый сигнал, имеющий форму импульса, изменяющегося по закону степенной функции времени

(2)

где /„„„ - длительность, Хт- амплитуда импульса, п -целочисленный показатель степени. В этом случае реакция цепи после окончания переходного процесса представляет комбинацию импульсов, форма которых имеет вид степенной функции с показателями п, п - 1, ..., 1, 0.

Воспользуемся операторным методом решения дифференциального уравнения (1). Изображение выходного сигнала У(р) равно произведению изображения входного сигнала Х(р) на операторное изображение системной функции измерительной цепи

ъ0+ъ,р+ь2р

а0+а^р + а2р +... (3)

где а0, а,, а2 ... и 60,, Ь2 ... - коэффициенты дифференциального уравнения (1), которые определяются конфигурацией схемы замещения измеряемой цепи и значениями электрических параметров элементов объекта измерения:

У(р) = Х(р)Р(р). (4)

Операторное изображение входного сигнала (2) имеет вид

(5)

<èi I />

После подстановки X(p) в (4) выражение V(p) можно разложить на составляющие

d0 + dlP +

Сп [Р р" Р Р a0 + aip+a2p2 ,

Оригинал выходного сигнала описывается выражением

v(0= WV W-' +nlf2Xmr- (6)

ta Oj-IV/" (n-2Vt" tn

*ИМП V* / ИМИ v" / ИМП *ИМП

где vCB(/) - свободная составляющая, определяющая переходный процесс. Остальные слагаемые - импульсы с различными показателями степени, которые содержат информацию об искомых параметрах измеряемого двухполюсника.

Величины Fo, F\,...Fn представляют собой унифицированный набор обобщенных параметров объекта измерения. Их можно найти по рекуррентной формуле

Г F = ^ ~F°a> ; Fz - b~ ~ Fo°2 ~ ; Г ~F[(l2 ~FlC>x ... (7)

0 dg ' a0 a0 a0

Максимальное количество обобщенных параметров равно порядку дифференциального уравнения. Параметр F0 всегда определяет амплитуду импульса старшей степени, равной степени входного импульса, параметр F„ -амплитуду импульса с плоской вершиной. Размерность параметров Fo, Fu...Fn зависит от вида тестового сигнала x(t) и реакции v(/). Таким образом, метод обобщенных параметров заключается в использовании универсального набора величин, содержащих данные об электрических свойствах МДП. Применение обобщенных параметров унифицирует алгоритмы идентификации различных многоэлементных двухполюсных цепей и существенно упрощает аналитические выражения математических моделей объектов измерения.

На основе метода обобщенных параметров разработаны математические модели многоэлементных двухполюсников, которые можно разделить на три группы в зависимости от вида входного воздействия (напряжение или ток) и выходной реакции (напряжение или ток):

1. Входное напряжение - выходное напряжение. Модель идентификации обобщенных //-параметров передаточной функции Н(р) измерительной цепи имеет вид

t \ HJUj" nlH.Utп\Н U т ц гМ= 0 т +-!—=-+ ... +----

вых \ / п / П|.П

. (8)

2. Входное напряжение - выходной ток. Модель идентификации обобщенных К-параметров комплексной проводимости У{р) имеет вид

YnUj" . и!К£/„?""' n\YJJ„

М= 0 " (9)

с V / .п , 1х,,п .n v '

3. Входной ток - выходное напряжение. Модель идентификации обобщенных Z-параметров комплексного сопротивления Z(p) имеет вид

( \ zoL t" nlZJj"'1 n\zr

tn (n- 1)!,H tn

Все измерительные процедуры с применением обобщённых параметров производятся независимо от конкретной схемы двухполюсника. И только на заключительном этапе можно перейти к вычислению электрических параметров двухполюсника.

Определен ряд правил эквивалентных преобразований, позволяющих упростить анализ сложных двухполюсников. Так, при последовательном включении двухполюсных цепей их Z-параметры с одинаковыми индексами суммируются, а при параллельном соединении двухполюсников складываются их У-параметры с одинаковыми индексами, причем сложение осуществляется с учетом знака слагаемых параметров. Найдены также формулы взаимных преобразований Н-, Z- и У-параметров. Таким образом, обобщённые параметры содержат исчерпывающую информацию о двухполюснике.

В третьей главе рассмотрены алгоритмы определения обобщённых параметров измерительной схемы, в которую включен объект измерения, с уравновешиванием всех составляющих измерительного сигнала и синтезированного сигнала, который также содержит импульсы всех степеней -от п до нуля. Алгоритм определения Я-параметров в соответствии с выражением (8) предстаглен на рисунке 1. ИС представляет собой делитель, состоящий из образцового резистора и двухполюсника объекта измерения. Импульсы напряжения n-й степени поступают на вход ИС и на п-каскадный дифференциатор, который формирует импульсы (п-1)-й, (п-2)-й... и нулевой степени. Уравновешивание осуществляется поэтапно, начиная с сигнала старшей степени п. Микропроцессорный контроллер (МПК) методом последовательного приближения подбирает множительные коэффициенты (включая и выбор полярности) для достижения компенсации всех составляющих напряжения на двухполюснике. Для селекции контроля уравновешивания импульсов каждой степени разностный сигнал с выхода дифференциального усилителя подается на второй п-каскадный дифференциатор. Устройство для реализации алгоритма защищены патентом РФ №2390785.

В работе показано, что дифференциаторы можно построить на последовательно соединённых дифференцирующих RC-звеньях без буферных каскадов, если при равных значениях постоянных времени каждого каскада тДф1 = RjCi, Тдф2 = R2C2, Тдфз = R3C3, ... значения сопротивлений и емкостей выбирать согласно правилу

где ш<1. При ш«1 передаточные функции RC звеньев перемножаются. Дифференциатор на RC звеньях также защищен патентом РФ №2390785.

Рис. 1. Алгоритм уравновешивания напряжения на двухполюснике

синтезированным сигналом В третьей главе разработан также алгоритм определения К-параметров двухполюсника в соответствии с выражением (9) с уравновешиванием составляющих тока объекта измерения и компенсирующего тока. Алгоритм идентификации обобщенных К-параметров изображен на рисунке 2.

Источником питания двухполюсной цепи служат импульсы напряжения п-ой степени с выхода п-каскадного интегратора. Импульсы напряжения с выходов каждого каскада интегратора с помощью перемножающих цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) преобразуются в импульсы тока, которые используются для компенсации тока двухполюсника. Коды Л'д на цифровых входах ЦАП содержат информацию об Г-параметрах двухполюсника-

и„ив

'ЦАП -

•ЯцАП-^Отах

где ^цап " параметр ЦАП, Л^Ятах - максимальное число, равное 2т-1.

Так, для шестиэлементного двухполюсника тестовый импульс должен иметь 5-ю степень (п = 5).

Начало

.Ввод данных на генерирование прямоугольных импульсов напряжения

на выходах п-1-интеграторов формируются импульсы линейно, квадратично...п-1 изменяющегося напряжения

ш г зт г

вУ2Ці 6Ш

Образование всех составляющих импульса

прохождения через двухполюсник

Фирма импульсов тока выходных сигналов ЦАП

На выходе ОУ. после инвертиру юще го блока по завершении переходного процесса в схемо двухполюсника

Вывод кодов с ЦАП для получения обобщенных параметров

Рис. 2. Алгоритм преобразования обобщенных У-параметров Ток двухполюсника содержит шесть импульсов:

. УМ/ 5Y.ll,С 20У2и/ 60Узг/5Г2 12074С/5< 120Г5<У5 ',„(0 = < + < +—+—г-5-+—г—^ +—

/ / V I / V

имп имп имп имп нмп имп

Интегратор содержит пять каскадов. Если Ц> - амплитуда напряжения прямоугольного импульса на входе 1-го интегратора, то амплитуды сигналов на выходах интегратора равны

г,

2ТхТг

Е/, = и2=^^Г, из = ' и* =

Тх ' ' 2Т?2 ' ' 6Т{ГгТ3 здесь 77, Т2, ТЗ, Т4, Т5 - постоянные времени интеграторов.

Из условий равновесия находим значения К-параметров:

. V _ V _

> М _ „ .г ' ~

и г

О имп тг _

< и5 ~~

4 24ТХТ2Т3Т, ' 5 12ЩТ2Т}Т4Т5

К =

^НАп'^'спих ^ЦАП^Ошах. ^ЦАП^Лтах

у — Т^Т^Т^пі _ _ *2*3*4''5-"Р4 ■ у 1 ~ - -- * 4 ~~ п лг > 5

^Чідп ^о

т2і;т4т5мп

■^ЦАП^Оп

_Т,Т2Т3Т,Т^т

^ЦАП тах

Процессом уравновешивания токов управляет микропроцессорный контроллер путем последовательного приближения кодов на цифровых входах ЦАП, начиная с импульса тока старшей степени. Устройство для реализации алгоритма защищены патентом РФ №2390787.

Таким образом, разработанные в третьей главе алгоритмы позволяют сократить время определения обобщенных параметров, за счет сокращения количества итераций, исключить погрешности, обусловленные коммутацией источников тестового сигнала различной формы.

. В четвертой главе разработан алгоритм прямого преобразования ^-параметров в соответствии с выражением (10) при возбуждении двухполюсника импульсом тока п-й степени и выборкой п отсчетов напряжения на двухполюснике в п точках после окончания переходного процесса и решением системы п уравнений. Для снижения погрешности, обусловленной ошибками одиночных измерений, применяется интегрирование напряжения на двухполюснике.

Рис.3. Графики напряжения ит(1') (кривая а) и напряжения и„т(0 (кривая б) На рисунке 3 приводятся графики напряжения идп(0 (кривая а) и напряжения мИнг(У (кривая б). Заштрихованные участки под графиком ияп(1) соответствуют значениям интеграла на четырех смежных интервалах. Полученные значения интеграла подставляются в уравнения относительно величин 22, :

0

¡о '1 к и и

I

«инЛ'о^Ь

л

и инт

г0 - ¡1)

4 + 'А (V - 'о ) + 322 (/,2 - /02) + 673 (,, - ,0 )

кЛ^'гЬ-т"

г -А

4 + ('г "'0 + Зг2 -/,2) + 623 (/2 - г, )

Л

И ИНТ

г (г4-г4)

- 4 + г,(/33 -'!) + зг2 (,32 -ф 623 (/3 -,2) + г, - $) + зг2 (Г;-ф 623 (,4 - ,3)

Решение системы уравнений (11) относительно величин Z0) Т.2, позволяет вычислить обобщенные параметры двухполюсника. На заключительном этапе по найденным значениям 2-параметров вычисляются электрические параметры элементов двухполюсника. Устройство для реализации алгоритма защищены патентом РФ №2391675.

В пятой главе представлены результаты моделирования устройства определения У-параметров с уравновешиванием токов.

Рис. 4. Схема устройства для экспериментального исследования алгоритма определения обобщенных параметров шестиэлементного датчика

Количество интеграторов и дифференцирующих RC звеньев определяется числом измеряемых параметров. На рисунке 4 представлена схема измерителя шести параметров. Для регулирования амплитуд компенсирующих импульсов ТОКа ВМеСТО ЦАП ИСПОЛЬЗОВаЛИСЬ реЗИСТОрЫ RcompO,--,RcompS■ Условия равновесия шестиэлементного RC-двухполюсника имеют вид:

Y — ^ у = ^ Y = у = • у ^ШШк- Y =

0 R ' 1 /? ' 2 R ' 3 /? ' 4 '5 R

сошр5 сотр4 сотрЗ сотр2 comp I сотрО

Моделирование показало, что результаты определения первых трех параметров Y0,Yl,Y2 практически не содержат погрешности, а для параметров с индексами 3,4 и 5 заметно нарастали: для 0,05%, Y4 - 0,5%, YS- 5-7%.

Анализ показал, что источником этих ошибок являются отклонения формы импульсов на выходах интеграторов (Инт.1 - Инт5) от строго степенной. Так, реальный интегратор на операционном усилителе (ОУ) при возбуждении постоянным напряжением U0 вместо линейного напряжения вырабатывает экспоненту, которую можно разложить в ряд Тейлора:

„ (,) = - "о" + U°t2K

(K + \)RC 2{K+\fR2C2

В выходном сигнале, кроме линейной, содержится и квадратичная составляющая, которая в следующем каскаде даст кубичное напряжение и т.д. При уравновешивании импульсов старшей степени затрагиваются сигналы младших значений показателей степени, что и объясняет нарастающую погрешность с ростом степени импульса.

Второй важный результат эксперимента заключается в том, что даже при высокой чувствительности нуль-индикаторов (1мкВ) трудно обеспечить контроль равновесия токов. Дополнительным признаком равновесия в к-м канале служит форма сигнала неравновесия в следующем канале. При полном равновесии в к-м канале напряжение (А+1) канала имеет плоскую вершину, а при неравновесии - линейно изменяющуюся. Использование этого признака позволяет повысить чувствительность нуль-индикатора на порядок и может быть рекомендовано для практического применения.

Таким образом, подтверждена возможность определения параметров шестиэлементного двухполюсника с погрешностью около 1% по последнему, шестому параметру, что превосходит показатели известных измерителей.

На рисунке 4 в качестве примера приведен шестиэлементный датчик с разнородными (RLC) реактивными элементами. Операторное изображение проводимости данного двухполюсника имеет довольно сложный вид:

у / ч J_ +__pR,Cx+ p%Cx+ p'R,LxCxC2_

RLcV 7 Л, R, +p(L, + R2R}Cl) + p2(R2LiCl + RlLlCi+R,LiCl)+p'R^C^'

Двухполюсник состоит из двух параллельных цепей, поэтому обобщенные параметры проводимости Y0-Y\-Y2-Y-i-YA-Yb можно определить, суммируя У-параметры этих цепей:

Уо~—-; Yx-Cx\ Y2--R2C?; Y3 = R2Cf 'S

R2C, -Ь. 2 1 R.

i У

Y< = -R2q

R2Ct-

A

i Aci | Aci

r5 = Ä22c/

Ä2C, -

-AQ

ä2C, -

А

\2

R

+ Цс{с2.

з У

Видно, что Уо-параметр содержит информацию о сопротивлении Я,, Угпараметр - о емкости Сь Г2-параметр - о сопротивлении К2, Кз-параметр -об индуктивности К4-параметр - о сопротивлении К3, ^-параметр - о емкости Сг. После определения У-параметров вычисляются электрические параметры элементов датчика.

В таблице приведены сравнительные характеристики устройств, разработанных в диссертации, и существующих средств измерения многоэлементных двухполюсников.

Таблица

Сравнительный анализ различных устройств идентификации МДП

Устройства определения

Мостовой с На Мостовой с На основе

синусо- переход- импульс- обобщенных

идальным ном ным . параметров

питанием процессе питанием

Кол-во параметров <4 <4 <5 до 6

Необходимость

изменения да да нет нет

конфигурации ИС

Унификация алгоритма нет нет нет да

Возможность

автоматизации нет да нет да

с применением МПК

Точность п=3 0,05% 5% 1% < 0,05%

определения п=4 0,1% 10% 2% <0,1%

при п=5 - - - < 0,5%

п=6 - - - < 1%

Раздельное нет нет да да

уравновешивание

Таким образом, алгоритмы и аппаратные средства, созданные на основе метода обобщенных параметров, обеспечивают расширение функциональных возможностей аппаратуры параметрической идентификации многоэлементных пассивных двухполюсных электрических цепей по сравнению с известными прототипами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертации получила решение имеющая важное научное и производственное значение задача параметрической идентификации широкого класса объектов, имеющих схемы замещения в виде «-элементных пассивных двухполюсников. Результаты исследований могут быть положены в основу универсальных аппаратных средств первичной обработки сигналов в измерительно-вычислительных комплексах и системах управления.

В ходе решения данной задачи получены следующие основные результаты:

1. Разработан метод обобщенных параметров системных функций измерительной схемы многоэлементных пассивных двухполюсных цепей при возбуждении объекта измерения импульсами напряжения или тока, имеющими форму степенной функции времени, что позволяет унифицировать алгоритмы параметрической идентификации широкого класса многоэлементных объектов как в мостовых, так и не мостовых цепях и создавать преобразователи параметров многоэлементных датчиков, схемы замещения которых имеют вид многоэлементных двухполюсных цепей, в устройствах первичной обработки данных систем управления.

2. Разработаны математические модели для определения обобщенных параметров комплексного сопротивления, комплексной проводимости или передаточной функции измерительной схемы при возбуждении двухполюсника сигналом, имеющим форму степенной функции времени, от одного генератора, что позволяет исключить цени коммутации питающих сигналов, а также существенно снизить выбросы переходного процесса. Предложен ряд эквивалентных взаимных преобразований Я-параметров, У-параметров и 7-параметров, позволяющих упростить аналитические выражения на этапах формирования математических моделей и вычисления электрических параметров элементов двухполюсника.

3. На основе метода обобщенных параметров разработаны алгоритмы определения Я-параметров, Г-параметров и 2-парамстров многоэлементных пассивных датчиков с уравновешиванием измерительных сигналов компенсирующими импульсами напряжения или тока и прямого преобразования. Для избирательного контроля отдельных составляющих измерительного сигнала предложено применение многокаскадного дифференциатора и многоканального нуль-индикатора, что позволило существенно снизить погрешности измерений вследствие дрейфа остаточного неравновесия в каждой составляющей сигнала.

4. Имитационное моделирование созданных устройств идентификации объектов с числом параметров до шести подтвердило справедливость теоретических положений диссертации. Алгоритмы идентификации многоэлементных двухполюсников на основе обобщенных параметров обеспечили увеличение измеряемых параметров до шести и более, а также снижение погрешности измерения не больше 1%. В ходе экспериментальных исследований установлена возможность повышения чувствительности нуль-индикаторов и предложены рекомендации по условиям уравновешивания.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Статьи в рецензируемых научных журналах

1. Голубов, Д. А. Применение обобщенных параметров измерительной цепи для идентификации многоэлементных двухполюсников [Текст] / В. И. Иванов, В. С. Титов, Д. А. Голубов // Датчики и системы. — 2010. - № 8. - С. 43-45.

2. Голубов, Д. А. Преобразование параметров многоэлементных двухполюсников с уравновешиванием токов [Текст] / В. И. Иванов, В. С. Титов, Д. А. Голубов // Известия вузов - Приборостроение. - 2012. — №2. - С. 73-78.

3. Голубов, Д. А. Применение дифференцирующих устройств для селекции составляющих измерительного сигнала [Текст] / В. И. Иванов, В. С. Титов, Д. А. Голубов // Известия Юго-Западного государственного университета. - 2012. - №5, ч. 2. - С. 9-12.

Патенты

4. Пат. 2390785 Рос. Федерация, МПК7 G01R17/10. Способ измерения параметров многоэлементных пассивных двухполюсников и устройство для его реализации [Текст] / В.И. Иванов, B.C. Титов, Д.А. Голубов; заявитель и патентообладатель Курс. гос. техн. ун-т. - №2009105569/28; заявл. 17.02.09; опубл. 27.05.10, Бюл. №15. - 14 с.

5. Пат. 2390787 Рос. Федерация, МПК7 G01R 27/02. Измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников [Текст] / В.И. Иванов, B.C. Титов, Д.А. Голубов; заявитель и патентообладатель Курс. гос. техн. ун-т. - №2009117078/28; заявл. 04.05.09; опубл. 27.05.10, Бюл. №15. - 15 с.

6. Пат. 2391675 Рос. Федерация, МПК7 G01R 27/02. Способ и устройство измерения параметров многоэлементных двухполюсников [Текст] / В.И. Иванов, B.C. Титов, Д.А. Голубов; заявитель и патентообладатель Курс. гос. техн. ун-т. -№2009117011/28; заявл. 04.05.09; опубл. 10.06.10, Бюл. №16. - 13 с.

Статьи, материалы и тезисы докладов, опубликованных в трудах

Международных, Всероссийских и Региональных конференциях

7. Голубов, Д.А. Измеритель параметров четырехэлементных двухполюсников / Д.А. Голубов // «Информационно-измерительные, диагностические и управляющие системы»: сборник материалов международной научно-технической конференции. - Курск: Курск ГТУ, 2009. -С. 17-20.

8. Голубов, Д.А. Особенности измерения п-элементных двухполюсников с коротким замыканием и обрывом на постоянном токе / Д.А. Голубов // «Информационно-измерительные диагностические и управляющие системы»: сборник материалов II международной научно-технической конференции. - Курск: ЮЗГУ, 2011. - С. 212-215.

9. Голубов, Д.А. Измерительный преобразователь параметров многоэлементных двухполюсников с компенсацией токов / Д.А. Голубов // «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях»: сборник материалов II международной научно-практической конференции. - Курск: ЮЗГУ, 2011. — С. 102-107.

10. Голубов, Д.А. Применение компенсации обобщенных Z-параметров для измерения многоэлементных двухполюсников / Д.А. Голубов // «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации»: сборник материалов X международной научно-технической конференции. - Курск: ЮЗГУ, 2012. - С. 90-93.

11. Голубов, Д.А. Определение параметров двухполюсной цепи с компенсацией Z-параметров частотно-независимого двухполюсника / Д.А. Голубов // «Информационные системы и технологии»: сборник докладов I региональной научно-технической конференции. - Курск: ЮЗГУ, 2012. - С. 67- ' 70.

12. Голубов, Д.А. Применение обобщенных параметров для анализа импульсных мостовых цепей / Д.А. Голубов, В.И. Иванов, Г.И. Передельский // Сборник материалов VI-ой международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации». - Курск: Курск ГТУ, 2008. - С. 117-120.

13. Голубов, Д.А. Применение преобразователя «напряжение - ток» в измерителе параметров многоэлементных двухполюсников / Д.А. Голубов, В.И. Иванов, A.C. Петров // Сборник материалов IX международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации». — Курск: ЮЗГУ, 2010. - С. 102-104.

14. Голубов, Д.А. Алгоритмы идентификации многоэлементных двухполюсников на основе обобщенных параметров / Д.А. Голубов, A.JI. Клюев, A.C. Петров // Сборник материалов всероссийской научно-технической конференции «Интеллектуальные и информационные системы». - Тула: ТГУ, 2011.-С. 45-47.

15. Голубов, Д.А. Способ измерения параметров п-элементной двухполюсной цепи / Д.А. Голубов, A.JI. Клюев // Сборник материалов X международной научно-технической конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации». - Курск: ЮЗГУ, 2012. - С. 86-88.

16. Голубов, Д.А. Способ измерения параметров многоэлементной пассивной двухполюсной цепи / Д.А. Голубов, A.C. Петров // Сборник < материалов X международной научно-технической конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации». - Курск: ЮЗГУ, 2012. - С. 88-90.

Подписано в печать 27.02.2013 г. Формат 60x84 /16. Печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ Юго-Западный государственный университет. 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

ЮГО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ГОЛУБОВ Дмитрий Александрович

04201355412

МЕТОД, МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПАССИВНЫХ RLC-ДАТЧИКОВ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления

Диссертация на соискание академической степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации Титов B.C.

Курск 2013

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................4

Глава 1 СУЩЕСТВУЮЩИЕ АЛГОРИТМЫ И АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПАССИВНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ С ИМПУЛЬСНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ.................10

1.1. Алгоритмы определения параметров двухполюсных цепей.......10

1.2. Определение параметров ДП на переходном процессе.................11

1.3. Измерение параметров в установившимся режиме......................18

1.4. Основные результаты и выводы.....................................................21

Глава 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОБОБЩЕННЫХ

ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ДВУХПОЛЮСНЫХ ЯЬС-ЦЕПЕЙ 24

2.1 Унифицированный набор обобщенных параметров системных

функций измерительных схем...........................................................................24

2.2. Эквивалентные преобразования обобщенных параметров...........29

2.3. Основные результаты и выводы......................................................44

Глава 3 АЛГОРИТМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБОБЩЕННЫХ

ПАРАМЕТРОВ С УРАВНОВЕШИВАНИЕМ ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ 45

3.1. Способ определения параметров с компенсацией составляющих выходного напряжения............................................................45

3.2. Способ определения параметров с компенсацией составляющих выходного тока..........................................................................56

3.3. Мостовые схемы с квазиуравновешиванием..................................70

3.4. Основные результаты и выводы.....................................................73

Глава 4 АЛГОРИТМЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

ПАРАМЕТРОВ.....................................................................................................75

4.1. Некоторые алгоритмы идентификации двухполюсников с прямым преобразованием параметров.............................................................75

4.2. Основные результаты и выводы.........................................................86

Глава 5 МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ И АНАЛИЗ

ПОГРЕШНОСТЕЙ..............................................................................................87

2

5.1. Анализ источников погрешностей и методов повышения точности измерений параметров ДП.................................................................97

5.2. Исследование ограничений пределов измерений...........................97

5.3. Практические результаты.................................................................87

5.4. Основные результаты и выводы......................................................98

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................99

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................99

Приложение 1 СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПАССИВНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ И

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ....................................................108

Приложение 2 ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ

МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПАССИВНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ............109

Приложение 3 СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ...........110

Приложение 4 АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ.....................................................111

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Неотъемлемой частью современных автоматических систем и устройств управления производством и научных исследований являются узлы, осуществляющие получение информации о ходе того или иного процесса, его параметрах, внешних возмущающих факторах. Эти данные чаще всего получают с помощью датчиков, которые, как правило, представляют собой определенные разновидности электрических цепей, содержащих в своем составе пассивные элементы всех трех типов: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности. Среди разнообразных задач, решаемых информационно-измерительной и вычислительной техникой, важное место занимает задача определения параметров многоэлементных двухполюсных электрических цепей (МДП). Это объясняется тем, что методы и средства измерения параметров МДП могут быть использованы для определения параметров широкого круга датчиков физических величин, представляемых двухполюсными электрическими схемами замещения: при измерениях различных физических величин с помощью параметрических датчиков, определении характеристик процессов в электрохимии, электрофизике, биологии, медицине, контроле радиоэлементов и полупроводниковых структур, диагностике электронной аппаратуры.

Существенных результатов в изучении вопросов, связанных с определением параметров МДП, достигли Ф. Б. Гриневич, К. Б. Карандеев, В. Ю. Кнеллер, А. В. Светлов, А. И. Мартяшин, А. М. Мелик-Шахназаров, А. Д. Нестеренко, П. П. Чураков, В. М. Шляндин, Г. А. Эпштейн и др. В результате проведенных исследований решен ряд важных теоретических и практических вопросов, касающихся методов уравновешивания мостовых измерительных цепей, компенсационных измерительных цепей и прямого преобразования параметров двух-, трех- и четырехэлементных электрических цепей.

Выявленный перечень двухполюсных цепей содержит более 50 схем двух-,

трех- и четырехэлементных двухполюсников. Еще больше существует пяти- и

4

шестиэлементных двухполюсников. С ростом числа элементов, входящих в состав двухполюсной цепи, задача проектирования преобразователей становится гораздо более сложной, поскольку резко увеличивается число возможных вариантов схем цепей. Поэтому разработку алгоритмов преобразования параметров МДП целесообразно проводить не для конкретных вариантов схем цепей, а с более общих позиций - для определенного класса МДП, характеризуемого некоторой обобщенной схемой, с возможностью последующей конкретизации полученных алгоритмов применительно к конкретному варианту схемы МДП. Это обуславливает необходимость разработки нового метода определения параметров многоэлементных двухполюсных цепей и реализующих его математических моделей для идентификации более сложных двухполюсных ЯЬС цепей с числом элементов до шести и выше.

Целью диссертационной работы является создание новых научно-технических решений, обеспечивающих упрощение и унификацию процедуры параметрической идентификации пассивных датчиков, имеющих схему замещения в виде многоэлементных ЯЬС двухполюсников, увеличение числа измеряемых параметров и повышение точности определения параметров исследуемых двухполюсных цепей.

Диссертационная работа выполнена в рамках федеральных целевых программ с госбюджетным финансированием по грантам: 14.В37.21.0598 «Теоретические основы и методы использования распределенных и высокопроизводительных вычислительных систем для решения дискретных оптимизационных задач», а также хозяйственного договора № 1.187.12П; 14.В37.21.0621 «Высокоэффективные методы, алгоритмы и аппаратные средства коррекции ошибок в беспроводных каналах доступа к широкополосным мультимедийным услугам», а также хозяйственного договора № 1.124.12.

Актуальной научно-технической задачей является разработка метода обобщенных параметров многоэлементных двухполюсных цепей и создание

моделей и алгоритмов функционирования аппаратных средств идентификации КЬС датчиков на основе этого метода.

Эта задача декомпозирована на следующие частные задачи:

• Анализ существующих алгоритмов и аппаратных средств определения параметров пассивных многоэлементных датчиков.

• Разработка метода обобщенных параметров многоэлементных пассивных датчиков.

• Разработка математических моделей для определения обобщенных параметров комплексного сопротивления, комплексной проводимости или передаточной функции измерительной схемы.

• Разработка алгоритмов определения //-параметров и У-параметров многоэлементных пассивных датчиков с уравновешиванием измерительных сигналов компенсирующими импульсами напряжения или тока и алгоритма прямого преобразования 2-параметров многоэлементных двухполюсников на основе метода обобщенных параметров, а также устройств для их реализации.

Научная новизна результатов работы и основные положения, выносимые на защиту;

1. Метод обобщенных параметров пассивных датчиков, схемы замещения которых представляют собой многоэлементные двухполюсные цепи, при возбуждении их импульсами напряжения или тока, имеющими форму степенной функции времени, позволяющий унифицировать алгоритмы параметрической идентификации широкого класса многоэлементных объектов, увеличить количество измеряемых параметров и повысить точность измерения за счет исключения погрешностей, обусловленных цепями коммутации формирователей тестовых сигналов различной формы. Ряд эквивалентных взаимных преобразований Н-параметров, У-параметров и 2-параметров, позволяющих упростить аналитические выражения на этапах формирования математических моделей и вычисления электрических параметров элементов двухполюсника.

2. Математические модели для определения обобщенных параметров

ь

комплексного сопротивления, комплексной проводимости или передаточной функции измерительной схемы при возбуждении двухполюсника сигналом, имеющим форму степенной функции времени, от одного генератора, позволяющие исключить цепи коммутации питающих сигналов, а также существенно снизить выбросы переходного процесса.

3. Алгоритмы определения Я-параметров и У-параметров многоэлементных пассивных датчиков с уравновешиванием измерительных сигналов компенсирующими импульсами напряжения или тока, разработанных на основе метода обобщенных параметров, а также устройств для их реализации.

4. Многокаскадный дифференциатор и многоканальный нуль-индикатор, предложенные для применения избирательного контроля отдельных составляющих измерительного сигнала, позволяющие существенно снизить погрешности измерений вследствие дрейфа остаточного неравновесия в каждой составляющей сигнала.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы теории электрических цепей, операторный метод и методы математического анализа и математического моделирования, теория управления

Практическая ценность работы. Разработанные математические модели для определения обобщенных параметров комплексного сопротивления, комплексной проводимости или передаточной функции измерительной схемы и алгоритмы параметрической идентификации многоэлементных пассивных датчиков на основе метода обобщенных параметров позволили расширить возможности информационных технологий в области измерения и контроля параметров объектов повышенной сложности с большим числом измеряемых и контролируемых параметров. Метод обобщенных параметров представляет возможность унификации измерительных процедур и аппаратных средств в устройствах первичной обработки данных от многоэлементных датчиков в сложных системах

управления, например, бортовых или навигационных системах, которые функционируют в реальном времени.

Полученные в работе результаты являются основой для проектирования универсальных аппаратных средств определения параметров пассивных многоэлементных двухполюсников. Аппаратные средства, реализующие созданные алгоритмы, могут найти применение при создании автономных портативных измерительных устройств, предназначенных для измерения и контроля параметров широкого класса двухполюсных ЯЬС-цепей.

Реализация и внедрение. Метод обобщенных параметров и созданные на его основе математические модели определения Н-, У- и 2-параметров многоэлементных пассивных датчиков внедрены и прошли промышленное апробирование в ОКБ «Авиаавтоматика» Курского ОАО «Прибор». Результаты диссертационного исследования внедрены в ООО "ПП" Микрокод" в системе контроля за состоянием воздушной среды в производственных и складских помещениях, где применяются датчики влажности, температуры и концентрации опасных газовых смесей.

Теоретические результаты исследования используются в учебном процессе кафедры «Вычислительная техника» Юго-Западного государственного университета в рамках дисциплин «Основы теории цепей и сигналов» и «Моделирование».

Внедрение и апробирование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Содержание диссертации соответствует п. 3. «Разработка принципиально новых методов анализа и синтеза элементов и устройств вычислительной техники и систем управления с целью улучшения их технических характеристик» паспорта специальности 05.13.05 — Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены и получили положительную оценку на 8 международных,

8

всероссийских и региональных конференциях: «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (г. Курск, 2008г.); «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (г. Курск, 2008, 2010, 2012г.г.); «Информационно-измерительные, диагностические и управляющие системы» (г. Курск, 2009, 2011г.г.); «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (г. Курск, 2011г.); «Интеллектуальные и информационные системы» (г. Тула, 2011г.), на научно-технических семинарах кафедры «Вычислительная техника» Юго-Западного технического университета с 2008 по 2013г.г.

Публикации. Основные результаты выполненных исследований и разработок опубликованы в 16 научных работах, среди них 3 статьи в рецензируемых научных журналах и изданиях, 3 патента на изобретения.

Личный вклад соискателя. Все выносимые на защиту научные положения разработаны соискателем лично. В работах по теме диссертации, опубликованных в соавторстве, вклад соискателя состоит в следующем: в [1, 12, 14] разработаны математические модели параметрической идентификации многоэлементных пассивных двухполюсных цепей на основе метода обобщенных параметров, в [4] - модель для определения Я-параметров измерительной схемы и устройство для его реализации на основе метода обобщенных параметров, в [2, 5, 15, 16] - модель для определения У-параметров МДП и устройство для его реализации на основе метода обобщенных параметров, в [6, 13] — модель для определения Z-пapaмeтpoв МДП и устройство для его реализации на основе метода обобщенных параметров, в [3] - разработка многокаскадного дифференциатора на ЯС-звеньях без буферных каскадов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 60 наименований, четырех приложений. Работа изложена на 109 страницах машинописного текста, содержит 14 рисунок, 5 таблиц.

Глава 1 СУЩЕСТВУЮЩИЕ АЛГОРИТМЫ И АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПАССИВНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ С ИМПУЛЬСНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ

1.1. Алгоритмы определения параметров двухполюсных цепей

Применяемые в системах управления и автоматизации датчики физических величин совместно с линией связи, как правило, представляют собой многоэлементные пассивные двухполюсники. В устройстве сбора и первичной обработки информации необходимо определить параметры каждого элемента двухполюсника [1-7]. Это обусловливает важность задачи однозначного преобразования неизвестных параметров многоэлементных ЛЬС двухполюсников в электрический сигнал [61-63]. Выходной сигнал преобразователя состоит из нескольких составляющих, значение каждой из них несет информацию об одном или нескольких параметрах МДП [8-21]. Поэтому важное место занимает задача раздельного преобразования параметров пассивных многоэлементных двухполюсников, или селекции каждой из составляющих реакции объекта измерения на воздействие. В качестве питания измерительной схемы (ИС) используют как синусоидальное, так и импульсное воздействие.

В свою очередь, измерители с импульсным питанием различаются формой импульсов и алгоритмами преобразования параметров МДП. При использовании воздействия в виде скачка постоянного напряжения или импульса экспоненциальной формы измерения выходного сигнала осуществляют в интервале времени переходного процесса [24—31]; при воздействии на объект измерения импульсами напряжения или тока, имеющего сложную форму, анализ реакции ИС проводят в установившемся режиме по окончании переходного процесса [32-46]. Алгоритмы идентификации параметров МДП представлены на рисунке 1.

Рис. 1 Алгоритмы идентификации параметров МДП

1.2. Определение параметров ДП на переходном процессе

При использовании методов селекции с использованием временных характеристик переходного процесса известны решения для одно- и двухэлементных нерезонансных двухполюсников. Но уже для трех и более элементных двухполюсников известно только незначительное количество подобных решений. Следует рассмотреть возможность однозначного аналитического определени�