автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Модификация модели и создание алгоритма преобразования обощенных параметров пассивных датчиков

Клюев Ачексеи Леонидович

МОДИФИКАЦИЯ МОДЕЛИ И СОЗДАНИЕ АЛГОРИТМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОБОБЩЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ПАССИВНЫХ

ДАТЧИКОВ

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем

управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 С Ш 2015

005570039

Курск 2015

005570039

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки Российской Федерации Титов Виталий Семенович

Официальные оппоненты: Ющенко Сергей Петрович, доктор

технических наук, профессор, НИИЦ (г. Курск) ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, главный научный сотрудник

Крыжевич Леонид Святославович,

кандидат технических наук, Курский государственный университет, доцент кафедры математического анализа и прикладной математики

Ведущая организация: Волгоградский государственный

технический университет (г. Волгоград)

Защита диссертации состоится 1 июля 2015г. в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.105.02, созданного на базе Юго-Западного государственного университета по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94 (конференц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Юго-Западного государственного университета, адрес сайта http://www.swsu.ru/ds/diss-swsu/.

Автореферат разослан «29» мая 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета "V ~ Титенко Евгений Анатольевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное состояние промышленного производства характеризуется внедрением мощных по функциональным возможностям автоматизированных систем сбора, обработки информации и управления процессами. Составной частью автоматических систем и устройств автоматизации технологических процессов являются узлы, осуществляющие получение информации о ходе протекания того или иного процесса, его параметрах, внешних влияющих факторах. Эти данные чаще всего получают с помощью датчиков. В качестве моделей датчиков часто используют пассивные многоэлементные двухполюсники (МДП) с известной структурой RLC типа. На основании значений их параметров делают выводы о состоянии систем различного назначения и оценивают их характеристики. Это обусловливает важность задачи однозначного преобразования неизвестных параметров многоэлементных RLC двухполюсников в электрический сигнал.

Существенный вклад в изучении вопросов, связанных с измерением параметров электрических цепей, внесли Ф.Б. Гриневич, В.Ю. Кнеллер, К.Б. Карандеев, А.В. Светлов, А.И. Мартяшин, А.Д. Нестеренко, A.M. Мелик-Шахназаров, В.М. Шляндин, П.П. Чураков, Г.А. Эпштейн, Л.И. Волгин и др. Разработано значительное количество способов и устройств определения параметров МДП с возбуждением измерительной схемы (ИС) импульсами как в виде скачка напряжения, так и сложной формы, в частности, в работах Г.И. Передельского разработана теория измерителей параметров многоэлементных двухполюсников с питанием импульсами сигнала в виде степенной функции времени.

Применение импульсного питания преобразователя параметров МДП имеет ряд достоинств: свойство раздельного уравновешивания, низкое потребление энергии от источника питающих импульсов, возможности расширения функций. Однако большинство известных алгоритмов преобразования основаны на громоздком математическом аппарате и имеют узкоспециализированный характер.

Более универсальным подходом к построению преобразователей параметров пассивных RLC-двухполюсных цепей является метод обобщенных параметров системной функции измерительной схемы, для возбуждения которой в качестве тестового сигнала применяются импульсы напряжения или тока, имеющие вид степенной функции времени, описанный в работах Иванова В.И., Титова B.C. и др. авторов. Были разработаны теоретические основы применения унифицированных величин, характеризующие электрические параметры МДП, и созданы на их основе универсальные алгоритмы идентификации пассивных двухполюсных электрических цепей с известной схемой замещения, позволяющие увеличивать число контролируемых параметров.

В то же время в указанных выше работах не нашли отражения аспекты разработки моделей и алгоритмов преобразования параметров широкого

класса объектов, в схемах замещения которых содержатся индуктивные элементы, замыкающие цепь на постоянном токе, а также емкостные элементы, создающие обрыв цепи для постоянного тока. Кроме того, представляет интерес исследование применения в устройствах преобразования параметров МДП частотно-независимых двухполюсных цепей (ЧНДП) для повышения функциональных возможностей преобразователей, а также модели и способы построения многоэлементных ЧНДП с использованием обобщенных параметров.

Таким образом, расширение функциональных возможностей аппаратных средств параметрической идентификации пассивных многоэлементных датчиков на основе метода обобщенных параметров является актуальной научно-технической задачей.

Целью диссертационной работы является модификация существующих моделей, создание нового алгоритма и аппаратных средств для систем сбора, первичной обработки информации о состоянии технологического процесса и расширение базы объектов измерения.

Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Анализ существующих математических моделей и алгоритмов преобразования параметров Л£,С-двухполюсников с импульсным питанием на основе метода обобщенных параметров системной функции измерительной цепи;

2. Модификация модели двухполюсной цепи с нулевым и бесконечным сопротивлением на постоянном токе и разработка алгоритма преобразования обобщенных параметров датчиков;

3. Разработка модели частотно-независимых двухполюсников (ЧНДП) в рамках метода обобщенных параметров, а также вариантов реализации ЧНДП и преобразователей на основе ЧНДП;

4. Экспериментальное исследование вариантов практической реализации устройств преобразования параметров многоэлементных датчиков с уравновешиванием напряжений и токов в измерительной схеме, оценка погрешности разработанных моделей.

Объект исследования: средства параметрической идентификации многоэлементных пассивных датчиков.

Предмет исследования: модели, алгоритм и аппаратные средств идентификации двухполюсных цепей на основе метода обобщенных параметров.

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

- модифицированная модель системной функции и алгоритм преобразования параметров двухполюсных МХ-цепей с нулевым и бесконечным сопротивлением на постоянном токе, позволяющие расширить область применения метода обобщенных параметров;

- модель частотно-независимых двухполюсников (ЧНДП) в рамках метода обобщенных параметров и варианты реализации ЧНДП, а также аппаратных

средств с применением ЧНДП, позволяющие упростить процедуры идентификации датчиков за счет использования особенности метода ЧНДП; - схемные решения и экспериментальные исследования преобразователей параметров многоэлементных датчиков на основе разработанных моделей.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы теории электрических цепей, оптимизации, схемотехнического моделирования и математического анализа. Основные теоретические результаты проверены и подтверждены экспериментальными исследованиями путем математического моделирования.

Практическая значимость работы:

1. Модифицирована системная функция комплексной проводимости двухполюсников с коротким замыканием и комплексного сопротивления двухполюсников с обрывом цепи, что позволяет расширить область применения метода обобщенных параметров для идентификации многоэлементных датчиков.

2. Создана модель частотно-независимых двухполюсников и предложены варианты реализации ЧНДП и преобразователей на основе ЧНДП, упрощающие аппаратуру и процедуру параметрической идентификации датчиков.

3. Разработаны устройства определения параметров многоэлементных пассивных двухполюсников.

Диссертационная работа выполнена в рамках грантов Президента: для поддержки молодых кандидатов наук: МК-1099.2012.8 «Разработка научных и реализационных основ создания интеллектуальных оптико-электронных систем при ограниченных вычислительных ресурсах аппаратных средств»; для поддержки научной школы: НШ-2357.2014.8 «Исследование и разработка комплексного анализа видеоизображений для задач управления сложными техническими системами на основе адаптивных нейро-нечетких систем ввода с мягкими вычислениями».

Реализация и внедрение. Разработанный в диссертационной работе метод преобразования параметров многоэлементных пассивных двухполюсных (ЯЬС-цепей) и созданная на его основе математическая модель линейных двухполюсников, имеющих многоэлементную схему замещения, содержащую резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы прошли промышленное апробирование в ООО «Кшеньагро».

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс по направлению подготовки «Информатика и вычислительная техника», а именно:

- при проведении лекционных, лабораторных и практических занятий по дисциплине «Электротехника, электроника и схемотехника» используются разделы диссертационной работы, связанные с формированием тестовых импульсов сложной формы и устройств уравновешивания сигналов КЬС-датчиков;

- в курсе «Основы теории цепей и сигналов» используются разделы диссертационной работы, содержащие теоретические материалы о селекции

отдельных составляющих сложных измерительных сигналов.

На защиту выносятся:

1. Модифицированная модель системной функции комплексной проводимости двухполюсного датчика с коротким замыканием и комплексного сопротивления с разрывом цепи на постоянном токе и алгоритм параметрической идентификации пассивных датчиков с коротким замыканием и разрывом цепи.

2. Модель частотно-независимых двухполюсников (ЧНДП) в рамках метода обобщенных параметров.

3. Схемные решения преобразователей параметров датчиков с коротким замыканием и обрывом цепи между полюсами, а также с применением ЧНДП и устройства определения параметров многоэлементных пассивных двухполюсников.

Соответствие 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 5 международных, всероссийских и региональных конференциях: «Интеллектуальные и информационные системы» (Тула 2011); «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации. Распознование-2012» (Курск 2012); «Информационные системы и технологии» (Курск 2012); «Актуальные вопросы технических наук» (Москва 2014); «Математика и ее приложения в современной науке и практике» (Курск 2014).

Публикации по теме диссертации. Основные результаты выполненных исследований и разработок опубликованы в 10 научных работах, среди них 4 статьи в рецензируемых научных журналах и изданиях, а также 1 патент РФ на изобретение.

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 [1,5,6,9,10] предложен способ определения обобщенных параметров многоэлементных двухполюсников с включением в измерительную схему частотно-независимого двухполюсника, в [2,8] выявлена особенность применения метода обобщенных параметров в двухполюсниках с разрывом цепи, в [3] предложена модификация алгоритма измерения параметров пассивных двухполюсников с коротким замыканием между полюсами на постоянном токе, в [4] предложен вариант построения схем частотно-независимых линейных двухполюсников, через У-параметры.

Объем и структура работы. Диссертационная работы состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы. Работа

содержит 111 страниц текста и поясняется 42 рисунками и 3 таблицами; список литературы включает в себя 71 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель, задачи работы, научная новизна и практическая ценность результатов, перечислены положения выносимые на защиту

В 1-й главе изложены основные положения теории обобщенных параметров пассивных двухполюсных цепей - ЛЛС-двухполюсников.

При возбуждении многоэлементного датчика импульсом напряжения или тока, имеющего форму n-й степени, по окончании переходного процесса в измерительной цепи устанавливается сложный сигнал, составляющие которого имеют степенную форму с показателями от п до нуля. Амплитуды составляющих выходного сигнала представляются через так называемые «обобщенные параметры» объекта.

Унифицированные наборы обобщенных параметров являются эффективным инструментом для создания математических моделей алгоритмов идентификации параметров многокомпонентных пассивных датчиков в системах первичной обработки информации с возбуждением измерительной схемы степенными импульсами напряжения или тока.

Аналитические выражения с применением обобщенных параметров двухполюсных цепей для анализа измерительных процедур и вычисления искомых величин датчиков существенно упрощаются и становятся пригодными для широкого круга объектов измерения.

Однако в известных работах недостаточно уделено внимания особенностям моделей RLC двухполюсников, обладающих частотно-независимыми свойствами, которые находят применение в устройствах преобразования параметров. Так же не нашли отражения особенности процессов преобразования параметров объектов, схемы замещения которых содержат индуктивные и емкостные элементы в цепях между полюсами, т.е. двухполюсники с коротким замыканием и обрывом цепи на постоянном токе.

Таким образом, разработка моделей частотно-независимых двухполюсников (ЧНДП) и двухполюсников с нулевым и бесконечным сопротивлением на постоянном токе является достаточно актуальной задачей исследований.

2-я глава посвящена разработке алгоритма и схем устройств преобразования параметров объекта с нулевым и бесконечным сопротивлением, т.е. объектов, схемы замещения которых содержат элементы, создающие короткое замыкание или разрыв цепи между полюсами на постоянном токе.

При возбуждении пассивного многоэлементного датчика, операторное изображение комплексного сопротивления или проводимости представляется дробно-рациональной функцией

Нр)=ьь +ЬР+ЬгР2 +biP3 +-1ай+цр+а2р2 +аър} +..., (i)

импульсом напряжения или тока, имеющего вид функции п-й степени

4t) = Xmtn/C, (2)

по окончании переходного процесса в измерительной цепи устанавливается сложный сигнал, составляющие которого имеют степенную форму с показателями от п до нуля

-w1 , n\FxXmt*-x | [ n\Fn.xXmt | n\FnXm

где F0,Fi,...,Fn - «обобщенные параметры» объекта, определяемые рекуррентными соотношениями:

F0=b0/a0, Fi=(bl-alF0)/a0, F2=(b2-a1F0-aiFl)/a0,

F3 =(¿3 -a3F0 -a2Fx -«,F2)/a0,... . (4)

Амплитуды составляющих выходного сигнала представляются через «обобщенные параметры» объекта.

Системной функцией двухполюсника при возбуждении его импульсом тока является операторное изображение комплексного сопротивления Zip), а при воздействии импульсом напряжения — комплексная проводимость Y(р).

У двухполюсников с конечным (не нулевым и не бесконечным) сопротивлением на постоянном токе системные функции Y(p) и Z(p) содержат неравные нулю свободные члены, т. е. а0ф 0 и Ь0 ф 0, поэтому безразлично, какой тестовый сигнал - импульс тока или импульс напряжения используется для возбуждения ДП при измерении его параметров. Аппаратные затраты будут одинаковы: степень тестовых импульсов на единицу меньше числа элементов двухполюсника.

У двухполюсника с коротким замыканием между полюсами через индуктивный элемент в знаменателе выражения функции проводимости Y(p) этого ДП отсутствует свободный член а0

Y(p) = b0+blp + b2p2+.../aip + a2p2+a3p2+..., (5)

поэтому формулы (4) для определения обобщенных Y-параметров неприменимы. Предложено ввести модифицированную системную функцию проводимости

Y* (p) = b0+blp + b2p2 +.../ctl+a2p + a3p2 +..., (6)

а оператор 1 /р отнести к изображению входного импульса напряжения, что будет соответствовать повышению на единицу показателя степени тестового импульса.

Модифицированные Y-параметры имеют вид

Y* -ь0 у' -ь\~a2Y-\ у' _ Ь2~аХ\ -а2уа — > -"о - > -Ч - >

у* __ Ь3 ~аЛ ~а2У\

На рисунках 1 ,а и 1,6 представлены два примера схем трехэлементных ДП с коротким замыканием. Операторные изображения их проводимости имеют вид соответственно

У{р) = --

1' р Ь + рШС

я

о)

-1С

I- >

о б)

л с

я

о

г)

Рис. 1. Схемы трехэлементных ДП с коротким замыканием и разрывом цепи

на постоянном токе

Для унификации моделей ДП, так чтобы параметру У0 соответствовала степень выходного импульса, совпадающая со степенью входного сигнала, целесообразно сдвинуть обозначения индексов на единицу в меньшую сторону. При этом появляется У-параметр с отрицательным индексом.

Модифицированные У-параметры первого ДП равны У_1 = 1/Ь; Уи = 1/Я; У( = С, и для определения трех параметров достаточно импульса напряжения линейной формы и(1) = £/т///и. При этом ток ДП будет содержать все три составляющие

1(0 =

.ШвГ 2(„

, У0ит11

ъи„

1„

(8)

И 41 *и

У второго ДП модифицированные параметры проводимости равны У.1 = 1/Ь; У0 = 0; У1 = С; У2 = -ЯС2. Так как параметр У0 тождественно равен нулю и не содержит информации об элементах двухполюсника, потребуется тестовый импульс квадратичной формы. Ток ДП будет содержать также три составляющих:

Г ,(/тГ3 , 2Щтг 1 1У2ит

"" ' (9)

'(0=-

Зг г г

^ и и и

Старшая степень импульса тока на единицу выше степени напряжения. Это справедливо и для более сложных двухполюсников. Так, для

определения пяти Г-параметров достаточно импульсов напряжения третьей степени и ) = . Ток двухполюсника содержит пять составляющих

'дл\Ч . з ,з з л (10)

н' 1а 1и 'и 'и

При воздействии на «короткозамкнутый» ДП импульсом тока отсутствие свободного члена в числителе функции

г (р) = Ь0 + V + Ь2р2 +1ър3/а0 +.щр + а2р2 +а3ръ (11)

эквивалентно дифференцированию входного сигнала, т. е. понижению на единицу степени тестового импульса. Для компенсации этого эффекта необходимо повышать степень импульса входного тока.

У двухполюсника с обрывом цепи между полюсами через емкостной элемент в знаменателе функции 2(р) отсутствует свободный член а о:

г(р)=Ь0 +Ь1р+Ъ2р2 +.../а1Р + а2р2 +аъРъ +..., (12)

следовательно, сопротивление постоянному току 7о = со. Модифицированная системная функция сопротивления

2' {р) = Ь0+1\р+Ь2р2 +Ьъръ I щ+а2р + аър2 , (13)

а оператор 1 !р относится к изображению входного импульса тока, что будет соответствовать повышению на единицу показателя степени тестового импульса.

На рисунках 1,в и 1,г представлены две схемы трехэлементных ДП с обрывом цепи. Операторные изображения их комплексного сопротивления имеют вид соответственно

, 1 + рЯС + р2ЬС , V 1 + рПС + р2ЬС

р С ' р' Ь + рИЬС

Модифицированные 2-параметры первого ДП равны = 1 /С; У0 = Я; У1 = Ь, и для определения трех параметров достаточно импульса тока линейной формы ;(() = /тг/Г„. При этом напряжение на ДП будет содержать все три составляющие

„(Л -г-11т(2 , ,

иЦ)—-+-+-. (14)

-"и 'и 'и

У второго ДП модифицированные параметры сопротивления равны Ъл = 1/С; = 0; Ъ^ = Ь; Ъг = -Ь2/Я. Параметр тождественно равен нулю и не содержит информации об элементах двухполюсника, поэтому потребуется тестовый импульс квадратичной формы. Напряжение на ДП будет содержать также три составляющих

~ ' 05)

-"и 'и и

В выходном сигнале отсутствует импульс напряжения с показателем степени входного импульса тока.

У двухполюсника с обрывом цепи для постоянного тока между полюсами в числителе функции У(р) отсутствует свободный член Ь0:

У(р) = Ь1р + Ь2р2+Ь3р3+.../а0+а1р + а2р2+..., (16)

поэтому параметр У0 тождественно равен нулю и потребуется повысить степень тестового импульса напряжения. Таким образом, при питании ДП с разрывом цепи между полюсами импульсами тока аппаратные затраты меньше, чем при использовании тестовых импульсов напряжения. Так, для определения пяти 7-параметров достаточно импульсов тока третьей степени

г'(0 = ^т'3Ли • Напряжение на двухполюснике содержит пять составляющих "дДО-—7- + —Т- + —1-+ —з— + —-л—- (17)

н 'и 'я 'и 'и 'и

Таким образом, при выборе измерительной схемы и формы тестового сигнала следует учитывать зависимость необходимого показателя степени тестового сигнала и объема аппаратуры от конфигурации схемы замещения ДП: в преобразователях обобщенных параметров двухполюсников с коротким замыканием на постоянном токе предпочтение следует отдать схеме с возбуждением ДП импульсами напряжения, а в преобразователях обобщенных параметров двухполюсников с разрывом цепи между полюсами из-за наличия емкостного элемента рекомендуется применять возбуждение ДП импульсами тока. При этом обеспечивается упрощение аппаратуры и выражений для вычисления измеряемых величин.

Алгоритм работы устройства преобразования параметров многоэлементных ЮХ-цепей с разрывом цепи на постоянном токе представлен на рисунке 2.

В 3-й главе предложена модель частотно-независимых многоэлементных пассивных двухполюсников (ЧНДП) в рамках метода обобщенных параметров, определены пути построения схем ЧНДП и разработано устройство преобразования параметров датчиков с применением частотно-независимых двухполюсников. Нахождение условий частотной независимости Ш-С-двухполюсника в частотной области связано с решением громоздких уравнений.

Из выражения для системной функции двухполюсника в виде операторного изображения сопротивления или проводимости

р{р)=ьа +Ь\Р+ЬгРг +ЬъРЪ +-/аъ+цр+а2р1 +а}р3 +...

6, _ а,

видно, что при выполнении условий , л , ? „ >■••

°а ач "о "о

комплексное сопротивление (проводимость) двухполюсника становится вещественной величиной, не зависящей от частоты:

Все Е-параметры, кроме 20, равны нулю. При этом и комплексная проводимость является так же частотно-независимой:

12

л р\ =1/4 =4-

Путем подбора находятся значения резисторов

уравновешивания

ЯурлА— К>Р >< Кур.О-

Рис.2. Алгоритм работы устройства преобразования параметров многоэлементных ШХ-цепей с разрывом цепи или коротким замыканием на

постоянном токе

Все У-параметры ЧНДП, кроме У0 равны нулю. Изменяя величины я, и 6,, имеется возможность регулировать /-параметры в том числе, и изменяя их знак.

При воздействии на двухполюсник импульсом тока, имеющего форму функции л-й степени времени ;дп (0= Ал'" Аи > напряжение на двухполюснике представляет собой импульс такой же формы: "дп(0 = 2о/т'л/'и • Аналогично, при возбуждении ЧНДП импульсом напряжения вида ¡(дп(/)=[/тг"//ток двухполюсника будет иметь вид импульса п-й степени ;„п (г) = У0[/тг" Д".

Исследованы свойства частотной независимости составных двухполюсных цепей, содержащих последовательно или параллельно включенные ШХ-секции. Частотно-независимую цепь можно построить из двух и более многоэлементных ЛЬС-секций, у которых обобщенные параметры 2Ь 2Ъ 2Ъ, ... или У,, У2, Уз, ... с одинаковыми индексами имеют противоположные знаки.

Если последовательно с ЧНДП включить другой двухполюсник объекта измерения (ДПОИ), то частотная независимость объединенного двухполюсника будет обеспечена путем регулирования обобщенных 2-параметров ЧНДП:

ДГСИ1' ^ ^«мап дпои' ^ »мзп дпои'"* (20)

Настроив объединенный ДП на режим частотной независимости, определяются обобщенные /-параметры измеряемого ДПОИ.

Аналогично при параллельном соединении ЧНДП и ДПОИ суммируются их У-параметры

У = У +У У=У +У У=У +У

и устанавливая объединенный ДП в состояние частотной независимости, можно определить У-параметры ДПОИ.

4\

а

н

I с-

й

г-

и С

О"

и

6

Рис. 3. Схема частотно-независимого двухполюсника

На рисунке 3 представлена схема частотно-независимого двухполюсника, составленного из двух последовательно соединенных двухполюсных секций. Одна из них, ЯГСГЯ2-С2, имеет резистивно-емкостной характер, а другая, ЯГЬХ-Я4-Ь2, резистивно-индуктивный.

ЯС двухполюсника Я1-СГЯ2-С2 с комплексным сопротивлением

Ях+рЯ{Я2(С]+С2)

(р) =

1 + р\_ЯхСх + я2 (с, + с2)] + р2Я{С1Я2С2

и обобщенными /-параметрами, равными

г0=/гь z1=-JR12c1, 72 = Л2С2(Л,+Л2), 23=-Л,2С12[(Л1+Л2)2С,+Л22С2],

и ЛЬ двухполюсника Я3-Ь\-Я4-Ь2 с комплексным сопротивлением имеющего /-параметры

- А > ——

Л4 Л4

(22)

(23)

(24)

(25)

Выполнив сложения /-параметров обеих секций с одинаковыми индексами, получим выражения для обобщенных параметров ЧНДП

"4

"л

(26)

Регулировку элементов следует проводить в такой последовательности: параметр устанавливается резисторами Я1 и/или ЯЗ; параметр Ъ\ -конденсатором С1 и/или индуктивностью катушки ¿7; параметр -резисторами Я2 и/или Я4\ параметр - емкостью С2 и/или индуктивностью Ь2\

"в(г) Да

дпои

А.,

ни

1 ЧИЖ |

мо^—г

0

ни

ЧНДП

1 дпои

Рис. 4. Двухполюсники, объединенные последовательным и параллельным включением

Для настройки двухполюсника на режим частотной независимости в выражениях для регулируемых 2-параметров или У-параметров должны присутствовать разнополярные слагаемые, изменяя которые, можно устанавливать и положительные и отрицательные значения обобщенных параметров. При последовательном соединении двухполюсников суммируются их /-параметры, а при параллельном включении -У-параметры.

ЧНДП позволяют реализовать различные варианты преобразователей параметров с уравновешиванием напряжений или токов, причем применяется как раздельное включение ЧНДП и ДП объекта измерения, так и объединение указанных двухполюсников в одну ветвь.

Описанный способ и устройство его реализации отображены в измерителе параметров многоэлементных пассивных двухполюсников (патент РФ №2495440).

В 4-й главе представлены схемы устройств определения параметров многоэлементных пассивных двухполюсников, схема устройства преобразования параметров многоэлементных Ш.С-цепей с разрывом цепи на постоянном токе и результаты моделирования устройств преобразования параметров многоэлементных частотно-независимых двухполюсников с коротким замыканием и разрывом цепи постоянного тока.

Проведена проверка теоретических положений путем имитационного моделирования в программе МиШэта. Представлены результаты исследований в виде таблиц и выводов.

При уравновешивании частотно-независимого двухполюсника и двухполюсника объекта измерения (рис. 5) их У-параметры с одинаковыми индексами равны.

Учитывая выражения для У-параметров с одинаковыми индексами находим значения параметров МДП через элементы ПЧНД

У0 =гх =Я2г

У] = С[ = С] - —у,

2 _ о +

Г2 = г2с{ =

тъ

Уз = «?(/, - г22с,) = ^М^-^З )2 +Ьг) _ К2С2 (С[ + Сг) К2К} к2

Экспериментальная проверка, осуществленная имитационным моделированием посредством программы МиШйШ1, подтверждает работоспособность и высокую точность преобразователя.

Рис, 5. Устройство определения параметров многоэлементных пассивных

двухполюсников

В таблице приведены погрешности измерения.

Табл.1. Погрешности преобразования параметров в устройстве с _применением ЧНДП __

Параметр 1 С1 Г1 к

Погрешность % <0,001 0,005 0,01 0,1

На рисунке 6 представлена схема измерителя параметров пятиэлементного двухполюсника с разрывом цепи на постоянном токе с возбуждением импульсами тока третьей степени.

Выражение для пяти условий равновесия, с помощью которых вычисляют параметры ДПОИ, содержат значения сопротивлений регулируемых резисторов.

Параметр 2-1 содержит информацию о емкости С\, 7.» - о сопротивлении Я\, 21-о индуктивности Ь\, 2г - о сопротивлении Яг, 2з - о емкости Сг.

Погрешности определения значений параметров, на разных этапах преобразования, приведены в таблице 2.

Табл.2. Погрешности преобразования параметров датчиков с разрывом

цепи

Параметр с, Я, А С2

Погрешность % 0 0 0,1 1,1 7,5

В известных работах авторы идеализируют условия функционирования устройств преобразования параметров МДП, полагая, что можно неограниченно наращивать сложность схем объектов измерения. Эксперименты показали, что существуют объективные факторы, которые ограничивают число измеряемых параметров МДП. В реальных условиях амплитуды составляющих выходного сигнала измерительной цепи убывают с каждым этапом уравновешивания на один - два порядка. Так, при определении первого параметра напряжение составляет 3-10В, а пятого параметра - порядка единиц мкВ, что сопоставимо с напряжением шума в измерительных цепях. Таким образом, количество контролируемых параметров зависит от уровня помех, в частности электромагнитной обстановки на объекте контроля. В реальных условиях число контролируемых параметров составляет 5-6. В таблице 3 приведен анализ известных и разработанных в диссертации устройств параметрической идентификации пассивных многоэлементных датчиков.

Рис.6. Устройство преобразования параметров многоэлементных ШГ-цепей с разрывом цепи на постоянном токе

Табл.3. Сравнительный анализ различных устройств идентификации МДП

Устройства определения параметров

На основе На основе

Мосты с синусоидальным питанием На переходном процессе Мосты с импульсным питанием метода обобщенных параметров (прототип) метода обобщенных параметров (модифицированный)

Кол-во параметров <4 <4 <5 6 6

Унификация алгоритма Нет Нет Нет Да Да

Необходимость изменения конфигурации ИС Да Да Нет Нет Нет

Сложность вычислительных операций Высокая Очень высокая Высокая Малая Малая

Возможность

автоматизации с применением МПК Нет Да Нет Да Да

Возможность

измерения параметров в нетипичных Нет Нет Нет Нет Да

двухполюсниках

Погрешность при определенном п=3 0,05% 5% 1% <0,15% <0,1%

п=4 0,1% 10% 2% < 1,12% < 1,1%

количестве

параметров (на последнем параметре) п=5 Нет данных Нет данных Нет данных < 7,3% <7,5%

Как видно из таблицы, по основным показателям разработанные в диссертации устройства не уступают известным устройствам (необходимость изменения конфигурации ИС, возможность автоматизации с применением МПК, погрешность при определении параметров), а по таким показателям, как унификация алгоритма, сложность вычислительных операций и возможность измерения параметров нетипичных двухполюсников, существенно превосходят.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертации получено решение важной научной задачи расширения функциональных возможностей аппаратных средств параметрической идентификации пассивных многоэлементных датчиков на основе метода обобщенных параметров. Результаты исследований могут найти практическое применение в перспективных аппаратных средствах первичной обработки информации в системах управления различными технологическими процессами.

В ходе решения этой задачи получены следующие основные результаты:

1. Предложена модифицированная модель двухполюсной цепи с нулевым сопротивлением на постоянном токе при возбуждении его тестовым импульсом напряжения и двухполюсника с бесконечным сопротивлением на постоянном токе при возбуждении его тестовым импульсом тока, позволяющая находить значения параметров с погрешностью не более 7.5% на 5 параметре.

2. Разработан алгоритм преобразования обобщенных параметров датчиков с нулевым и бесконечным сопротивлением на основе модифицированной модели. Это позволило втрое расширить область применения созданных преобразователей на основе метода обобщенных параметров.

3. Предложены модели частотно-независимых двухполюсников (ЧНДП) в рамках метода обобщенных параметров, а также варианты реализации ЧНДП с последовательным и параллельным включением И_С секций.

4. Разработаны и исследованы схемы преобразователей на основе ЧНДП с регулированием 2-й У-параметров.

5. Основные теоретические результаты проверены путем моделирования в программе МиШ.чт. Исследование устройств преобразования обобщенных параметров пассивных 11ЬС-двухполюсников с числом элементов до шести подтвердило справедливость теоретических положений диссертационной работы. Выявлены факторы, определяющие предел количества измеряемых параметров.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи по перечню рецензируемых научных журналов и гаданий

1. Применение частотно-независимых цепей для определения обобщенных параметров многоэлементных RLC-двухполюсников [текст] / A.JI. Клюев, B.C. Титов, В.И. Иванов // Приборостроение. Специальный выпуск. 2013. - №6. - С. 81-87.

2. Определение параметров пассивных двухполюсников с разрывом цепи на постоянном токе [текст] / A.J1. Клюев, B.C. Титов, В.И. Иванов // Известия Юго-Зап. гос. ун.-та. Сер. Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. 2012. - №2. Часть 1. - С. 142147.

3. Идентификация пассивных двухполюсников с коротким замыканием между полюсами на постоянном токе [текст] / АЛ. Клюев, В.И. Иванов // Известия Юго-Зап. гос. ун.-та. Сер. Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. 2013. -№3. - С. 70-74.

4. Последовательные и параллельные схемы частотно-независимых RLC-двухполюсников [текст] / А.Л. Клюев, В.И. Иванов // Известия Юго-Зап. гос. ун.-та. Сер. Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. 2014. -№2. - С. 41-46.

Материалы конферен11ий

5. Алгоритмы идентификации многоэлементных двухполюсников на основе обобщенных параметров [текст] / Д.А. Голубов, А.Л. Клюев, A.C. Петров // Интеллектуальные и информационные системы: материалы Всероссийской научно-технической конференции:- Тула: Тульский государственный университет, 2011. - С. 45-47.

6. Способ измерения параметров n-элементной двухполюсной цепи [текст] / Д.А. Голубов, АЛ. Клюев // Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации. Распознование-2012: Сборник материалов X Международной научно-технической конференции:- Курск: Юго-западный государственный университет, 2012. — С. 86-88.

7. Применение потенциально-частотно независимого двухполюсника в измерителе с компенсацией тактов [текст] / А.Л. Клюев // Информационные системы и технологии: Сборник материалов I Региональной научно-технической конференции:- Курск: Юго-западный государственный университет, 2012.- С. 10-12.

8. Определение параметров пассивного RLC-двухполюсника с разрывом цепи на постоянном токе [Элект.] / В.И. Иванов, АЛ. Клюев // Актуальные вопросы технических наук: Сборник материалов

Международной научной конференции мктн-2014-011:- Москва, 2014.- С. 31-

9. Оптимизация параметров нуль-индикатора в измерителе многоэлементных пассивных двухполюсников [текст] / А.Л. Клюев // Математика и ее приложения в современной науке и практике: Сборник материалов IV Международной научно-практической конференции студентов и аспирантов:- Курск, 2014,- С. 130-138.

10. Пат. 2495440 Рос. Федерация, МПК G01R17/00. Измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников [Текст] / В.И. Иванов, B.C. Титов, А.Л. Клюев; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ). - №2012101590, заявл. 17.01.2012; опубл. 10.10.2013.

35.

Патент

-14 с.

Соискатель

Клюев А.Л.

ИД №06430 от 10.12.01

Подписано к печати

. Формат 60x84 1/16.

Печатных листов 1,0 . Тираж 100 экз. Заказ 120 . Юго-западный государственный университет. 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.