автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка адаптивных модуляционно-интегральных идентификаторов в АСУ ТП

>Г6 од

I I Г 5 Н на правах рукописи

- Ткмошенкова Наталья Юрьевна

Разработка адаптивных модуляционно-интегральных идентификаторов в АСУ ТП

Специальность 05.13.01 - управление в технических системах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998 г.

Работа выполнена в Московском Энергетическом Институте (Техническом Университете)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Ягодкина Татьяна Владимировна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Лецкий Эдуард Константинович

кандидат технических наук, доцент Бочков Александр Федорович

Ведущая организация: АО Радиотехнический институт имени академика

Защита состоится "16" октября 1993 г. в 15 час. 00 мин. в аудитории Г-309 на заседании диссертационного совета K-053.I6.I8 в Московском энергетическом институте (техническом университете), адрес: Ш250, Москва, Е-250, ул.Красноказарменная, 14.

Ваш! отзывы в количестве двух экземпляров, заверенные и скрепленные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, г.Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан "А "сл.^Г^^ ^1998 г.

А.Л.Минца

/

Ученый секретарь Диссертационного СоЕета K-053.I6.I8 к.т.н., доцент

Нолотнов М.М.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Широкий диапазон практических приложений теории идентификации, применительно к технологии ультразвуковых медицинских исследований, радиолокации и производства радиокомпонентов является достаточным условием, подтверждающим целесообразность и актуальность дальнейших теоретических и экспериментальных исследований в этой области. Сложность подобных объектов .проявляется в многообразии и большом количестве внутренних структурных связей между координатами и технологическими параметрами, их нестационарности , малом времени переходных процессов (частотные характеристики исследуемых в данной работе объектов находятся в диаппазоне от от 1МГц до ЮГГц) и усугубляется влиянием различных возмущающих факторов и неконтролируемых помех высокого уровня в каналах измерения.

Задачей настоящей работы является создание на базе существующих модуляционно-интегральных алгоритмов новых алгоритмов, позволяющих получить возможно более точную математическую модель исследуемого объекта или модуляционной системы при ограниченной априорной информации и, что еще более важно, при ограничении на интервал наблюдения в присутствии индустриальных помех высокого уровня в измерительных каналах. При этом выделяются две основные проблемы: идентификация структуры и идентификация параметров. Для их решения требуется разработка более сложных адаптивных систем, создание которых сдерживается сложностью технической реализации и недостаточной проработкой теоретической базы алгоритмов идентификации до инженерного промышленного уровня.

Целью диссертационной работы является разработка адаптивных алгоритмов идентификации для АСУ ТП реального времени, обладающих минимальной сложностью технической реализации, с учетом ограниченности интервала наблюдения в присутствии помех высокого уровня и нестационарности параметров объекта.

В соответствии с указанной целью были определены следующие основные задачи исследования:

1. Экспериментальное исследование и теоретическое обобщение известных модуляционно-интегральных методов идентификации.

эффективно работающих при высоком уровне помех (отношение шум/сигнал - 30+60%), позволяющих на основе априорно известной информации о физических свойствах исследуемых процессов построить наиболее быстродействующие и надежные при помехах алгоритмы идентификации.

2. Синтез оптимальных по быстродействию и простых в технической реализации адаптивных цифровых фильтров, формирующих модулирующие функции в алгоритмах идентификации.

3. Разработка алгоритма идентификации объекта сложной структуры, исследование устойчивости, скорости сходимости и робастности алгоритма с учетом реальных ограничений на техническую реализацию.

4. Разработка алгоритма адаптивной цифровой коррекции асимметрии основного инструментального измерительного блока квадратурного разложения СВЧ радиосигналов.

5. Разработка адаптивных идентификаторов параметров радаокомпонентов на пьезоэлектрической пластине на промежуточных этапах межоперационного контроля в виде контроллеров-конструкторов на однокристальных ЭВМ.

Метода исследования : используются методы пространства состояний, модуляционно-интегральных преобразований,

функционального и тензорного анализа, численные методы и математическая статистика, быстрые алгоритмы цифровой фильтрации сигналов, современная теория идентификации адаптивных систем управления.

Научная новизна :

1. Синтезирован оптимальный по быстродействию и сложности технической реализации адаптивный цифровой фильтр с перестройкой постоянной времени фильтра в реально,м масштабе времени.

2. Предложен и экспериментально проверен алгоритм идентификации модуляционных систем сложной структуры за счет декомпозиции идентифицируемой модели относительно реперной точки огибающей импульсной переходной функции модуляционной системы на два кусочно-линейных агрэгата меньшей размерности.

3. Показана возможность цифровой коррекции асимметрии измерительных каналов БКР по результатам параметрической

идентификации, значительно улучшающей их точность.

4. Предложены адаптивные идентификаторы параметров пьезоэлемента в технологическом процессе изготовления.

Практическая ценность результатов :

1. Предложенная инженерная методика конструирования адаптивных идентификаторов АСУ ТП нашла применение на промежуточных этапах межоперационного технологического контроля, в диагностике и прецизионном измерении параметров радиокомпонентов на пьезоэлектрической подложке.

2. Предложена техническая реализация локальных адаптивных идентификаторов на базе микроконтроллера на однокристальной ЭВМ, опытно-конструкторская разработка рекомендована для промышленного применения в электротехнической и радиотехнической промышленности.

3. Предложен и экспериментально апробирован алгоритм параллельной структуры адаптивной идентификации и цифровой коррекции асимметрии квадратурных каналов обработки СВЧ модулированных радиосигналов, который полезен в задачах проектирования многоканальных оптимальных радиотехнических систем с адаптивными фазированными решетками.

4. Созданы универсальные агрегированные модели для декомпозиции сложных пространственно распределенных объектов на пьезоэлектрической подложке во временной области и разработаны алгоритмы и,программное обеспечение параметрической и структурной идентификации объектов. Их применение в учебном процессе позволяет улучшить подготовку специалистов для инженерной практики конструирования и применения АСУ реального времени.

Реализация результатов :

1. Разработанный макет адаптивного идентификатора параметров пьезоэлемента непосредственно в технологической .среде в виде автоматизированного стенда для непрерывного прецизионного измерения параметров пьезоэлементов в термокамере "Динар-М" для технологии испытаний надежности радиокомпонентов внедрен в НПО "ЭЛТО" для технологии испытаний надежности радиокомпонентов, что подтверждается актом внедрения результатов НИР и ОКР.

2. Разработанный ППП "Адаптивная идентификация динамики систем" внедрен в учебный процесс на кафедре АСОИ и У Таджикского

Технического Университета в цикле лабораторных работ, о чем имеется соответствующий акт.

3. Разработанное устройство для контроля собственной частоты пьезоэлемента в технологическом процессе изготовления подтверждено положительным заключением экспертизы ззяеки на получение патента на изобретение РФ.

4. Разработанное устройство для контроля частоты и добротности пьезоэлемента в технологическом процессе изготовления оформлено для экспертизы на получение патента РФ.

Апробация работы : Материалы диссертации докладывались на Всесоюзной студенческой научно - технической конференции "Автоматизация проектирования и конструирования в электронном машиностроении" (г.Москва, МИЭМ 1988г.), Международной молодежной научно-технической конференции "Актуальные проблемы информатики, управления, радиоэлектроники и лазерной техники" (Москва 1989г.), Научно практической конференции преподавателей, посвященной итогам научной деятельности университета (г.Душанбе, ТТУ 1994г.), Международной научно-практической конференции "Научно-технические нововведения и вопросы охраны окружающей среды" (г.Худжант 1996г.)

Публикации : Основные результаты исследований опубликованы в 8 научных работах.

Структура и объем работы : Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 151 наименований и двух приложений. Диссертация изложена на 187 страницах основного текста, содержит 66 рисунков и 9 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформированы основные цели и задачи исследования. Выделены две основные проблемы: идентификация структуры и идентификация параметров при ограниченной априорной информации и, что еще более важно, при ограничении на интервал наблюдения в присутствии индустриальных помех высокого уровня в измерительных каналах.

В первой главе проведен анализ современного состояния, проблем и перспектив теории идентификации для проектирования адаптивных

модуляционно-интегральных идентификаторов в АСУ ТП. Дается обоснование выбора класса моделей, в котором решается задача идентификации, и описание постановки задачи идентификации при ограничении нз интервал наблюдения и наличии помех.

При больших соотношениях шум/сигнал (30+60%) большинство известных алгоритмов идентификации теряет работоспособность. Их работа оказывается возможной только после предварительной обработки даншх, которая требует дополнительных временных затрат.

Модуляционно - интегральные метода отличаются помехоустойчивостью, благодаря свойствам модулирующей функции и оператору интегрирования. В основе модуляционно - интегральных методов лежит использование описания объекта в виде дифференциального уравнения:

<1ру а1"1 у с1ч"1и 4ч_ги

—г + а,——г + ...+ а„у = Ь.-г—г + Ь0-—о + ... + Ь„и, (1)

<11р 1сИ;р"1 р 1 2 с»4"2 4

где и - входной сигнал; у - выходной сигнал; 1 = 1,...,р) и

3 = 1.....ч) - неизвестные параметры. Линейные системы, в

которых а^ и ь^. со временем изменяются, т.е. ai(t), ь..= ь^), относятся к классу нестационарных систем.

Практическую реализацию "операторов идеального дифференцирования" или интегрирования для формирования системы алгебраических уравнений относительно неизвестных параметров затрудняют помехи в контролируемых сигналах. Кроме того метод многократного интегрирования требует знания начальных условий.

В качестве базового алгоритма параметрической идентификации взят метод модулирующих функций, который обобщен в виде метода скользящих модулирующих функций ( СМФ ) на технические обьекты в области АСУ ТП.

Введем в рассмотрение двумерные скользящие модулирующие функции Ф(^т), частные производные по т которых и сами функции Ф(1:,т:) удовлетворяют условию

= |Ф(*} и,1)1,^ = 0 , 1=0,1.....(р-1) (2)

н

и непрерывны внутри и на концах ограниченного интервала тн ( опе-

ративной памяти устройства идентификации ). Умножим правую и левую части дифференциального уравнения (1). описывающего исследуемый объект, на модулирующую функцию Ф(1;,т;) и проинтегрируем их почленно от ь - тн до ь. с учетом свойства модулирующих функций (2) получим нестационарное алгебраическое уравнение относительно идентифицируемых параметров объекта

£ а! С^) + С0(1;) = 2 ^ 1^.(1:) . (3)

1=1 3=0

где с т = (-о1 } <1т , ' (4)

1

= ./_ у(т)*Фт(1:,т)<П; , (5)

^н

= (-1)5 } иСс)»®^^ и.гМт . (6)

Для разрешения его относитеьно неизвестных параметров обьекта необходимо сформировать систему из ( р + ч + 1 ) уравнений вида

(3). Эти уравнения могут быть получены для точки обработкой контролируемых сигналов объекта системой из ( р + ц + 1 ) различных модулирующих функций и их производные в соответствии с

(4)+(6). Более простым вариантом технической реализации для стационарных объектов является фиксация уравнения (3) для ( р + ч + 1) различных моментов времени.

Будем рассматривать случай, когда число к сформированных уравнений вида (3), больше или равно числу неизвестных коэффициентов г = р + д + 1 .Из многих различных критериев для идентификации параметров а* и ь*. используем метод наименьших квадратов. Так называемая алгебраическая невязка в к - ом уравнении равна

е(к) = 2 С.(к)а? - 1 и,Ъ*. + Сп(к) , (7)

1=1 1 1 д=о3 3 и .

Критерий наименьших квадратов требует, чтобы а* и ъ*- выбирались из условия минимального значения для суммы квадратов невязок

г О

т.е. из условия минимума 2 е'-(к) . •

к=1

а

Пусть г р » ч * 2 1/2

Е = ( 2 (2 а-с. (к) - 2 ЬЛ.(к) + Сп(к)) ) (8)

к=1 1=1 11 з=0 д 3 и

Наша цель - минимизировать ЦеЦ2 или, что все равно, минимизировать Е2, потребуем поэтому, чтобы для к=1.....г

Э Е1-а а-

(9)

(10)

Беря производные и изменяя порядок суммирования, формируем нормальные уравнения МНК

2 ( 1 а?С- (к)С. (к) - 2 ЬДГ,(к)С. (к)) = - 2 Сп(к)а(к) (11)

к=1 1=1 1 1 К з=0 0 0 * • к=1 0 *

2 ( I а!с. (к)%(к) - 2 Ь*и.(к)и,.(к)) = - 2 Сп(к)и„(к) (12)

к=1 1=1 1 1 К з=0 3 11 к=1

Это система из г = р + ч + 1 линейных уравнений с г неизвестными а* и ь^ . В матричной форме такую систему можно записать в виде: и х = ь , (13)

где й - сформированная методом МНК квадратная матрица порядка г = р + ч + 1 ,

ь - вектор - столбец с г компонентами йс ^ и

О к

НС0(к)ик(к) '

х - идентифицируемый вектор - столбец с г компонентами.

Сформированную МНК систему нормальных уравнений решаем методом Гаусса с вращением, который обладает повышенной устойчивостью к ошибкам промежуточных вычислений.

Структурная схема алгоритма параметрической идентификации динамики объекта методом модулирующих функций и МНК приведена на Рис.1.

На первом этапе предварительного анализа и синтеза возможной архитектуры оптимального модуляционно - интегрального наблюдателя по обобщенному критерию,'включающему такие технические параметры как : 1) . быстродействие, 2) точность, 3) сложность технической

Рис.1 Схема идентификацию! динамики объекта

реализации, проанализируем четыре основных типа модулирующих функций, традиционно используемых в модуляционно-интегральных методах:

1. некогерентную с контролируемыми сигналами u(t ^ и z(t | модулирующую функцию Ф1 (ti) = с вынужденной привязкой к началу переходного процесса и геометрической вырожденностью структуры ( dn <E>1k(t) / dtn = (1/Тфк)п ®1k(t)) ;

2. модулирующую функцию = sin (u^tj^), которая неогра-ничена на конечном интервале наблюдения, однако изменив входной сигнал на видеоимпульс (единичный прямоугольный импульс) и выбрав интервал наблюдения достаточным, чтобы пе-

то

реходный процесс в обьекте закончился, можно сохранить основные положительные свойства метода модулирующих функций, обогатив зго возможностью ортогонализации базиса модулирующих функций ;

3. скользящую модулирувдуи функцию «3(t.T) с более сложной внутренней архитектурой,адекватной порядку сложности исследуемого обьекта, в классе цифровых НИХ - фильтров , например

%

$3(t,x) = sinn (t.io^tj)'! ) ;

4. скользящую модулирующую функцию в классе цифровых БИХ -

(t-T) _ft-Tl/T

фильтров, например Ф. (t,i) = -- е v ' Ф , что со-

4 (п-1)!Тфп

ответствует ИПХ непрерывного фильтра Пуассона п - го порядка

W(s) = -3-— .

(ТфЗ + 1)п

В диссертационной работе приведены результаты экспериментальных исследований влияния помех на точность идентификации для различных модуляционно-итегральных алгоритмов идентификации с учетом длительности и сложности технической реализации. Экспериментальные результаты и сравнительный анализ модуляционно-интегральных методов убедительно доказывают преимущество алгоритма СМФ в классе цифровых БИХ-фильтров, который обладает значительно большим быстродействием и помехоустойчивостью по сравнению с другими методами, прост в реализации и не требует проведения активного эксперимента.

Во второй главе проведен анализ влияния метода численного интегрирования и шага дискретизации на точность результатов идентификации, предложен и обоснован новый метод синтеза оптимальных по быстродействию БИХ фильтров, реализующих скользящие модулирующие функции.

Задача исследования поведения ошибки в операциях цифровой фильтрации очень сложна и является существенно нелинейной. При этом особое внимание следует уделять выбору шага квантования от, который должен быть подходящим как по отношению к характеристикам самого входного сигнала (динамическому диапазону, отношению

сигнал/шум и т.д.), так и по отношению к виду выполняемых операций.

Исследованы во временной и частотной области различные метода численного интегрирования. Наиболее подходящим для использования в методах модулирующих функций является метод прямоугольников, так как обладает высокой точностью и наименее сложен в реализации.

Разработан алгоритм расчета передаточных функций цифровых фильтров, основанный на методах преобразования аналоговых фильтров в цифровые и оптимизации синтезированного БИХ-фильтра с использованием имитационной модели в дискретной области и численных методов интегрирования на ЭВМ на последнем этапе проектирования. Структура синтезированного оптимального цифрового БИХ - фильтра показана на Рис.2.

Проверка правильности полученных результатов проводилась методом имитационного моделирования. Результаты сравнения быстродействия модуляционно-интегральных алгоритмов с использованием различных фильтров, доказывают преимущество синтезированного фильтра. Кроме того цифровой фильтр, показанный на Рис.г отличается от известных БИХ - фильтров Пуассона, Баттерворта, Чебышева возможностью быстрой адаптации динамической памяти в реальном масштабе времени. Это позволяет использовать синтезированный фильтр в адаптивных алгоритмах идентификации.

Рис.2 Структура оптимального цифрового БИХ - фильтра 2-го порядка.

Адаптивные алгоритмы являются наиболее перспективными в задачах одновременного оценивания состояния динамики объекта и идентификации с неполной априорной информацией. Даже в случае стационарности промышленных помех необходимо в" широком диапазоне

изменять динамическую память фильтра с целью повышения точности. Эта проблема 'значительно возрастает при идентификации нестационарных объектов. Экспериментальные результаты показывают, что при больших изменениях параметров объекта в систему идентификации для повышения ее точности и быстродействия необходимо вводить дополнительный контур самонастройки. Назначение этого контура - выбрать оптимальную динамическую память цифрового БИХ-фильтра, что эквивалентно оптимальной длине СМФ. Введение такого канала адаптации идентификатора расширяет возможности технической реализации за счет применения нестационарных СМФ.

В работе разработан новый способ непрерывного формирования условных алгебраических уравнений динамической системы, который позволяет идентифицировать нестационарные объекты, поскольку дает фактически конструктивный алгоритм адаптации по скользящему интервалу наблюдения, который может изменяться в широких пределах, зависящих от свойств используемых вычислительных блоков и специфики задачи идентификации. Приведены результаты идентификации пьезоэлемента в технологическом процессе изготовления. Изменение масштаба динамической памяти фильтра более чем в два раза существенно уменьшает алгебраическую невязку, и что очень важно при этом не возникает инструментальной погрешности, вызванной нестэционарностью фильтра. Зто достигается усложнением структуры алгоритма за счет включения комплексно сопряженного второго БИХ-фильтра.

В заключение второй главы приводятся экспериментальные результаты исследования адаптивного .модуляцконно-интегрального идентификатора инвариантного к коррелированным индустриальным помехам с использованием метода вспомогательной переменной при высоком уровне помехи. Инструментально этот вариант реализуется дополнением когерентной дискретной динамической моделью.

В третьей главе проведено • экспериментальное исследование адаптивного алгоритма идентификации структуры блока квадратурного разложения радиосигналов (БКР).

Цифровые радиотехнические блоки квадратурного разложения сигналов находят широкое применение в области радиотехники и электротехники для цифровой обработки сигналов. Кроме того, этот

функциональный модуль используется в данной работе как основной измерителышй блок для идентификации радиотехнических компонентов, например, монолитных кварцевых фильтров на ПАВ.

Полоса частот высокочастотных амплитудно модулированных сигналов x(t), характерных для фильтров на пьезоэлектрической подложке, как правило, значительно меньше несущей частоты f0. Особенностью высокочастотных колебаний

x(t> = am(t) oos[ 2 тс fQt + <|>(t) ] (14).

является "медленное" изменение их амплитуды am(t) и начальной фазы ф( t) за период i/fQ высокочастотных колебаний. Обозначая г тс f0 t + 4»(t) = Ф и используя формулы Эйлера

соз « = Re eJ'® = ( eJ® + )/2, (15)

выражение (14) представим в виде

x(t) = RelAttïe^V] = [AUJe^V + A^tJe'^Vl/a. (16) Здесь A(t ) = am(t) e«*1^ - комплексная амплитуда высокочастотного колебания, A*(t) = am(t) - ее комплексно - сопряженное зна-

чение. Произвольное высокочастотное колебание x(t) можно представить, таким образом в виде реальной части произведения комплексной амплитуды A(t) и высокочастотного комплексного множителя е^^оЧ либо в виде полусуммы аналогичных комплексно -сопряженных произведений. Комплексная огибающая является удобным средством описания информационной составляющей модулированных сигналов. Из этого представления вытекают соотношения для квадратурных составляющих на выходе БКР:

Ас(пТ) = AKooos(2lCf0nT + ф0) + п0(пТ) , (17)

As(nT) = AKa3in(2lCf0nT + Ф0 + Дф) + ng (пТ ), (18)

где а и ф0 - амплитуда и начальная фаза тестового сигнала на входе исследуемого БКР,

кс и Kg - коэффициенты усиления квадратурных сигналов, Дф - ошибка установки сдвига по фазе опорных сигналов, т - шаг квантования АЦП во времени,

пс(пТ) и па(пТ) - шумы квантования в АЦП квадратурных каналов. Не стационарность характеристик каналов БКР с АШ вызывает повышенный интерес к оценкам.влияния погрешностей, возникающих при этом, на качество цифровой обработки сигналов. Актуальность

исследовательских работ определяется необходимостью совершенствования как инструментальных средств, так и алгоритмов идентификации.

Целью исследования является анализ источников возникновения погрешностей при квадратурном разложении сигнала, а также методов их измерения и компенсации. Основным методом исследования является имитационное моделирование. При этом большое внимание уделяется вопросам идентификации БКР.

Адаптивный алгоритм оценки структуры, описывающий ШФ каналов БКР реализован итеративно, последовательно расширяя гипотезу о порядке вектора неизвестных параметров и сравнивая конкурирующие дискретные динамические модели (ДДМ) по критерию минимума среднеквадратичного отклонения (МСКО). Предлагается модифицировать адаптивный алгоритм идентификации структуры ИПФ БКР декомпозицией на две агрегированные ДДМ меньшей размерности, которые разделяются в точке экстремума ИПФ - "реперной точке" граничными начальными условиями. Представление модели в Биде кусочно-линейных агрегатов (КЛА), позволяет описать динамические характеристики канала БКР в классе параметрических аналитических моделей. Предположим идеальность частотных характеристик ПФ и ФНЧ канала БКР, тогда уравнения описывающие правую и левую часть ИПФ относительно реперной точки в этом случае имеют следующий вид:

sin и t

, при t>tR

(19) при t<tR

{ÖÜ1 I

О

{ein Cir(tn-t) -ф-В_- .при (tR-t)<tR (20)

о ,при (tR-t)>tR

С физической точки зрения это означает, что сигналы на выходе модели w*+ и w"-, будут развиваться во времени вправо и влево от момента tR. Продифференцировав дважды выражения (19) и (20), без учета сигнала w(t)=i при t=tR, получим относительно tR две параметрические модели, аппроксимирующие огибающие ИПФ БКР нестационарными дифференциальными уравнениями.

Адекватность полученных моделей проверялась как во временной.

так и в частотной области. Экспериментальная проверка теоретических результатов убедительно доказала надежность, устойчивость и робастность к шумам модификации адаптивного алгоритма идентификации ИПФ декомпозицией на две агрегированные динамические модели меньшей размерности.

В заключение третьей главы рассмотрены вопросы технической реализации схемы цифровой коррекции асимметрии каналов БКР с помощью алгоритма адаптивной модуляционно-интегральной идентификации.

В четвертой главе на базе разработанных адаптивных алгоритмов идентификации показаны возможности применения в инженерной практике АСУ технологии изготовления радиокомпонентов.

Адаптивный метод синтеза, учитывающий технологию изготовления необходимо дополнить алгоритмами идентификации более тонкой структуры и параметров радиокомпонентов непосредственно в технологической среде.

В работе на базе метода СМФ разработаны новые алгоритмы идентификции структуры и параметров огибающей ИПХ радиокомпонентов, используя экспериментально принцип агрегирования структуры динамической модели, который был сформулирован в третьей главе на основе метода комплексных огибающих, двустороннего преобразования Лапласа и адаптации оптимальных БЮС-фильтров. Приводятся описания разработанных систем технических и программных средств для решения задач идентификации структуры и параметров радиокомпонентов применительно к технологии их изготовления.

Разработан адаптивный модуляционно-интегральный идентификатор на базе двухуровневой агрегативной системы технических и программных средств для мэжоперационного контроля параметров фильтров на пьезоэлектрической подложке в технологическом процессе изготовления. Данное устройство позволяет оценить нестабильность фазы и несимметричность АЧХ в полосе пропускания фильтра. По результатам параметрической идентификации в САПР радиотехнических фильтров, можно осуществлять коррекцию исходной топологии.

Разработано устройство для прецизионного измерения параметров пьезоэлемента в технологическом процессе изготовления на различных

этапах межоперационной обработки, например таких как шлифовка, разбраковка кварцевых пластин, напыление электродов в резонаторах, исследование ТКЧ в термокамере. Целью создания данного устройства является повышение быстродействия и помехоустойчивости.

Рис.3 Блок - схема адаптивного идентификатора параметров пьезоэлемента в технологическом процессе.

Предложенное устройство представлено на Рис.3, где приведена блок-схема. Устройство содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, четырехполюсник 2 с возбуждающими электродами з и 4 и пьезоэлектрической пластиной 5 , усилитель 6, регистратор 7, состоящий из формирователя 8 и электронного счетчика 9, счетчик-делитель 1 о , второй формирователь импульсов 11, логическую схему ИЛИ 12, на первый вход которой поступает сигнал "пуск".

Отсутствие пауз в режиме усреднения и увеличение амплитуда сигнала импульсного отклика пьезоэлемента с адаптивной когерентной подкачкой энергии генератором прямоугольных импульсов через контур обратной связи повышает помехоустойчивость.

Экспериментальный макет разработанного устройства для измерения ТКЧ кварцевых пластин в термокамере "Динар-М" показал погрешность измерения на уровне 10 Гц для. пьезоэлементов с собственной частотой до 30 мГц. Быстродействие увеличилось в несколько раз , что позволяет -использовать в реальном масштабе времени в АСУ ТП изготовления пьезоэлементов.

В заключение четвертой главы приводится схема микропроцессорного идентификатора для измерения частотных характеристик в радиотехнических каналах с АЦП. Для технической реализации алгоритма диагностики и коррекции радиотехнических каналов, многофазных фазовых детекторов с АЦП его можно разбить на ряд подзадач, которые автоматически, полуавтоматически и вручную распределяются по параллельным процессорам. Одной из актуальных задач является оценка фазо-частотных характеристик цифрового канала. Техническая реализация коррелятора для оценки сдвига фаз в каналах фазавого детектора на микропроцессорной базе, в работе ориентирована на алгоритм СМФ совместно с интегральным МНК.

Результаты применения разработанных адаптивных модуляционно-интегральных идентификаторов, представленные в данной главе убедительно доказывают преимущества их использования в задачах АСУ ТП реального времени, обеспечивая высокую точность идентификации в присутствии индустриальных помех высокого уровня при минимальной сложности технической реализации.

Заключение содержит перечень основных результатов, формулировку решенной проблемы, характеристику практической значимости.

В приложениях содержатся документы подтверждающие внедрение результатов диссертации.

Основные результаты работы

1. Проведены экспериментальные исследования известных модуляционно-интегральных методов идентификации, эффективно работающих при высоком уровне помех (отношение шум/сигнал -30+Б0%), позволяющих на основе априорно известной информации о физических свойствах исследуемых процессов построить наиболее быстродействующие и надежные при помехах алгоритмы идентификации, которые доказали преимущества метода СМФ в классе БЮС-фильтров.

2. Синтезированы оптимальные по быстродействию и простые в технической реализации адаптивные цифровые фильтры, формирующие скользящие модулирующие функции в алгоритмах идентификации, с учетом нестационарности параметров объекта в присутствии помех высокого уровня.

3. Разработан алгоритм идентификации объекта сложной структуры, проведено исследование устойчивости, скорости сходимости и робастности алгоритма с учетом реальных ограничений на техническую реализацию.

4. Разработан алгоритм адаптивной цифровой коррекции асимметрии основного инструментального измерительного блока квадратурного разложения СВЧ радиосигналов.

5. Разработан ряд адаптивных идентификаторов параметров радиокомпонентов на пьезоэлектрической пластине на промежуточных этапах межоперационного контроля в виде контроллеров-конструкторов на однокристальных ЭВМ.

Публикации : Основные результаты исследований опубликованы в научных работах

1. Тимошенкова Н.Ю., Фатюшкина Е.Ф., Бабанин B.C. Система автоматизированного проектирования фильтров на поверхностных акустических волнах. // Всесоюзная научно-техническая конференция "Автоматизация проектирования и конструирования в электронном машиностроении'*- Москва, I988-I2C.

2. Тимошенкова Н.Ю. Идентификация пьезоэлемента в технологическом процессе. // Сборник докладов и сообщений Международной молодежной научно-практической конференции "Актуальные проблемы информатики, управления, радиоэлектроники и лазерной техники" - Москва, 1989-108с.

3. Тимошенкова Н.Ю. Адаптивный идентификатор параметров пьезоэлемента в технологическом процессе изготовления. // Материалы республиканской научно-практической конференции по проблемам фундаментальных наук и внедрения научных достижений в производство* - Душанбе, I996-56C.

4. Тимошенкова Н.Ю. Анализ быстродействия алгоритмов параметрической идентификации систем. // Материалы республиканской научно-практической конференции по проблемам фундаментальных наук и внедрения научных достижений в производство. - Душанбе, I996-58C.

5. Тимошенкова Н.Ю., Ли И.Т. Адаптивная идентификация экологических систем. // Международная научно-практическая конференция "Научно-технические нововведения и вопросы охраны

окружающей среди". - Душанбе, I996-I4IC.

6. Тимошенкова Н.Ю., Ягодкша Т.В. Адаптивный идентификатор параметров пьезоэлемента в технологическом процессе изготовления. // Материалы научно-практической конференции. - Москва, 1996-57с.

7. Тимошенкова Н.Ю., Тимошенков D.A. Мо дуляционно-интегральные метода' идентификации. Курс лабораторных работ. - Борисоглебск, I996-7IC. .

8. Тимошенкова Н.Ю., Тимошенков Ю.А. МКИ Патент . РФ на изобретение. Устройство для непрерывного измерения собственной частоты пьезо- элементов в технологическом процессе изготовления. БИ N19. - Москва, I995-I7C. '' '

Печ. л. -jt Z5 _Тираж WО Заказ

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.



МиикиБикии Энергетический Институт (Техническом Университете)

на правах рукописи

1'имошенкоьа Наталья Юрьевна

РАЗРАБОТКА АДАПТИВНЫХ МОДУЖЩОШО-ШТЕГРАЛЬШХ

ИДЕНТИФИКАТОРОВ В АСУ ТП

ЗОЕР'ТАдИЯ

на -соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность U5.I3.0I - управление и информатика в технических системах

Москва - 1УУВ г.

Содержание

Введение 7

Глава 1. Исследование модуляционно-интегральных алгоритмов идентификации и их анализ.

1.1 Анализ методов модулирующих функций для построения адаптивного идентификатора 14

1.2 Исследование алгоритма идентификации линейных динамических объектов методом экспоненциальной модуляции 27

1.3 Исследование алгоритма идентификации линейных динамических объектов с использованием синусоиды в качестве модулирующей функции 31

1.4 Исследование алгоритма идентификации линейных динамических объектов методом ОМФ в классе цифровых КИХ-филтров 34

1.5 Исследование алгоритма идентификации линейных динамических объектов методом СМФ в классе цифровых БМХ-филтров 39 Выводы по первой главе 43

Глава 2. Синтез оптимальных цифровых фильтров

2.1 Исследование влияния метода численного интегрирования

и шага квантования на результаты идентификации модуляционно--интегральными методами 44

2.2 Синтез оптимальных цифровых фильтров в модуляционно--интегральных алгоритмах параметрической идентификации 55

2.3 Разработка адаптивных систем параметрической идентификации длн АиЬ ш ьь Выводы по втииои главе у7

Глава 3. Разработка адаптивных идентификаторов радиотехнических блоков квадратурного разложения сигналов.

3.1 Идентификация цифровых радиотехнических блоков квадратурного разложения сигналов 78

3.2 Идентификация структуры параметрической модели БКР 95

3.3 Построение частотных характеристик канала БКР по результатам параметрической идентификации во временной области 108

3.4 Адаптивная коррекция погрешностей блока квадратурного разложения радиосигналов 119 Выводы по третьей главе 130

Глава 4. Применение адаптивных модуляционно-интегральных идентификаторов

4.1 Применение модуляционно-интегральных идентификаторов адаптации САПР радиокомпонентов к технологии изготовления 131

4.2 Устройство для непрерывного измерения собственной частоты пьезоэлемента в технологическом процессе изготовления 141

4.3 Цифровой идентификатор параметров пьезоэлемента в технологическом процессе 148 4-4 Микропроцессорный идентификатор для измерения частотных характеристик в радиотехнических каналах с АЦП 158 Выводы по четвертой главе 166 Заключение 167 Литература 170 Приложения 185

Список используемых сокращений

АСУ ТП автоматизированные системы управления технологическим процессом

АЦП аналогово-цифровой преобразователь

АЧХ амплитудно-частотная характеритика

БИХ бесконечная импульсная характеристика

БКР блок квадратурного разложения

БНИ буферный накопитель информации

БПФ быстрое преобразование Фурье

БФК блок формирования коэффициентов

ВКС взвешенная контрольная сумма

ВШП встречно-штыревой преобразователь

ДДМ дискретная динамическая модель

ДПФ дискретное преобразование Фурье

ЙПФ импульсная переходная функция

KMX конечная импульсная характеристика

КЛА кусочно-линейный агрегат

ЛЧМ линейная частотная модуляция

ШК метод наименьших квадратов

МО модуляционная система

МСКО минимум среднеквадратичного отклонения

НМР научно-исследовательская работа

ОКР опытно-конструкторская разработка

ПАВ поверхностные акустические волны

ПМГ1 параллельные микропрограммируемые процессоры

liiili пакет прикладных подпрограмм

ПФ полосовой фильтр

СБИО сверх быстродействующие интегральше схемы

ОВЧ сверх высокочастотный

СМФ скользящие модулирующие фуекции

УТК универсальшй технлогический контроллер

ФНЧ фильтр нижних частот

ФЧХ фазо-частотная характеристика

Введение

Широкий диапазон практических приложений теории идентификации, применительно к технологии ультразвуковых медицинских исследований, радиолокации и производства радиокомпонентов является достаточным условием, подтверждающим целесообразность и актуальность дальнейших теоретических и экспериментальных исследований в этой области. Сложность подобных объектов проявляется в многообразии и большом количестве внутренних структурных связей между координатами и технологическими параметрами, их нестационарности , малом времени переходных процессов (частотные характеристики исследуемых в данной работе объектов находятся в диаппазоне от от 1МГц до юГГц) и усугубляется влиянием различных возмущающих факторов и неконтролируемых помех высокого уровня в каналах измерения.

Задачей настоящей работы является создание на базе существующих модуляционно-интегральных алгоритмов новых алгоритмов, позволяющих получить возможно более точную математическую модель исследуемого объекта или модуляционной системы при ограниченной априорной информации и, что еще более важно, при ограничении на интервал наблюдения в присутствии индустриальных помех высокого уровня в измерительных каналах. При этом выделяются две основные проблемы: идентификация структуры и идентификация параметров. Для их решения требуется разработка более сложных адаптивных систем, создание которых сдерживается сложностью технической реализации и недостаточной проработкой теоретической базы алгоритмов идентификации до инженерного промышленного уровня.

Целью диссертационной работы является разработка адаптивных алгоритмов идентификаций для АСУ ТП реального времени, обладающих

минимальной сложностью технической реализации, с учетом ограниченности интервала наблюдения в присутствии помех высокого уровня и нестационарности параметров объекта.

В соответствии с указанной целью были определены следующие основные задачи исследования:

1. Экспериментальное исследование и теоретическое обобщение известных модуляционно-интегральных методов идентификации, эффективно работающих при высоком уровне помех (отношение шум/сигнал - 3060%), позволяющих на основе априорно известной информации о физических свойствах исследуемых процессов построить наиболее быстродействующие и надежные при помехах алгоритмы идентификации.

2. Синтез оптимальных по быстродействию и простых в технической реализации адаптивных цифровых фильтров, формирующих модулирующие функции в алгоритмах идентификации.

3. Разработка алгоритма идентификации объекта сложной структуры, исследование устойчивости, скорости сходимости и робастности алгоритма с учетом реальных ограничений на техническую реализацию.

4. Разработка алгоритма адаптивной цифровой коррекции асимметрии основного инструментального измерительного блока квадратурного разложения СВЧ радиосигналов.

5. Разработка адаптивных идентификаторов параметров радиокомпонентов на пьезоэлектрической пластине на промежуточных этапах межоперационного контроля в виде контроллеров-конструкторов на однокристальных ЭВМ.

Методы исследования I используются методы пространства состояний, модуляционно-интегральных преобразований,

функционального и тензорного анализа, численные методы и математическая статистика, быстрые алгоритмы цифровой фильтрации сигналов, современная теория идентификации адаптивных систем управления.

Научная новизна :

1. Синтезирован оптимальный по быстродействию и сложности технической реализации адаптивный цифровой фильтр с перестройкой постоянной времени фильтра в реальном масштабе времени.

2. Предложен и экспериментально проверен алгоритм идентификации сложной структуры модуляционных систем за счет декомпозиции идентифицируемой модели относительно реперной точки огибающей импульсной переходной функции модуляционной системы на два кусочно-линейных агрегата меньшей размерности.

3. Показана возможность цифровой коррекции асимметрии измерительных каналов БКР по результатам параметрической идентификации, значительно улучшающей их точность.

4. Предложены адаптивные идентификаторы параметров пьезоэлемента в технологическом процессе изготовления.

Практическая ценность результатов :

1. Предложенная инженерная методика конструирования адаптивных идентификаторов АСУ ТП нашла применение на промежуточных этапах межоперационного технологического контроля, в диагностике и прецизионном измерении параметров радиокомпонентов на пьезоэлектрической подложке.

2. Предложена техническая реализация локальных адаптивных идентификаторов на базе микроконтроллера на однокристальной ЭВМ, опытно-конструкторская разработка рекомендована для промышленного применения в электротехнической и радиотехнической промышленности.

3. Предложен и экспериментально апробирован алгоритм параллельной структуры адаптивной идентификации и цифровой коррекции асимметрии квадратурных каналов обработки СВЧ модулированных радиосигналов, который полезен в задачах проектирования многоканальных оптимальных радиотехнических систем с адаптивными фазированными решетками.

4. Созданы универсальные агрегированные модели для декомпозиции сложных пространственно распределенных объектов на пьезоэлектрической подложке во временной области и разработаны алгоритмы и программное обеспечение параметрической и структурной идентификации объектов. Их применение в учебном процессе позволяет улучшить подготовку специалистов для инженерной практики конструирования и применения АСУ реального времени.

Реализация результатов :

I. Разработанный макет адаптивного идентификатора параметров пьезоэлемента непосредственно в технологической среде в виде автоматизированного стенда для непрерывного прецизионного измерения параметров пьезоэлементов на базе микроконтроллера УТК-6М в термокамере "Динар-М" для технологии испытаний надежности радиокомпонентов внедрен в НПО "ЭЛЮ" для технологии испытаний надежности радиокомпонентов, что подтверждается актом внедрения результатов НИР и ОКР.

'¿. Разработанный ПГЗП "Адаптивная идентификация динамики систем" внедрен в учебный процесс на кафедре АСОИ и У Таджикского Технического Университета в цикле лабораторных работ, о чем имеется соответствующий акт.

о. газраиотанное устройство для контроля собственной частоты пьезоэлемента в технологическом процессе изготовления подтверждено

положительным заключением экспертизы заявки на получение патента на изобретение РФ.

4. Разработанное устройство для контроля частоты и добротности пьезоэлемента в технологическом процессе изготовления оформлено для экспертизы на получение патента РФ.

Апробация работы : Материалы диссертации докладывались на Всесоюзной студенческой научно - технической конференции "Автоматизация проектирования и конструирования в электронном машиностроении" (г.Москва, МЙЭМ 1988г.), Международной молодежной научно-технической конференции "Актуальные проблемы информатики, управления, радиоэлектроники и лазерной техники" (Москва 1989г.), Научно практической конференции преподавателей, посвященной итогам научной деятельности университета (г.Душанбе, ТТУ 1994г.), Международной научно-практической конференции "Научно-технические нововведения и вопросы охраны окружающей среды" (г.Худжант 1996г.)

Публикации : Основные результаты исследований опубликованы в научных работах [127,128,129,130,131,132,133].

Краткое содержание работы :

В первой главе диссертации дан краткий обзор существующих методов идентификации линейных стационарных и нестационарных динамических объектов и их сравнительный анализ, показывающий эффективность модуляционно-интегральных алгоритмов при высоком уровне индустриальных помех, дается обоснование выбора класса моделей, в котором решается задача идентификации, и описание постановки задачи идентификации при ограничении на интервал наблюдения и наличии помех. Приводятся результаты

экспериментальных исследований влияния помех на точность идентификации для различных модуляционно-интегральных алгоритмов идентификации с учетом длительности и сложности технической реализации.

Во второй главе производится оптимизация алгоритма идентификации по быстродействию за счет использования синтезированного градиентными методами цифрового фильтра. Приводятся экспериментальные данные для синтезированного фильтра 1,2 и з порядка. Предлагается алгоритм адаптивной идентификации, использующий свойства синтезированного цифрового фильтра. Анализ устойчивости, чувствительности и точности проведен при ограничении по точности представления не только коэффициентов синтезированного цифрового фильтра, но и выборок входного сигнала и результатов арифметических операций. Рассмотрены вопросы отказоустойчивости микропроцессорных систем идентификации.

В третьей главе проведено экспериментальное исследование адаптивного алгоритма идентификации структуры блока квадратурного разложения радиосигналов. Адаптивный алгоритм оценки структуры, описывающий ШФ каналов БКР реализован итеративно, последовательно расширяя гипотезу о порядке вектора неизвестных параметров и сравнивая конкурирующие дискретные динамические модели (ДДМ) по критерию минимума среднеквадратичного отклонения (МСКО). Предлагается модифицировать адаптивный алгоритм идентификации структуры ИПФ БКР декомпозицией на две агрегированные ДДМ меньшей размерности, которые разделяются в точке экстремума ИПФ. Адекватность полученных моделей проверялась как во временной, так и в частотной области. Рассмотрены вопросы технической реализации схемы цифровой коррекции асимметрии каналов БКР с помощью

алгоритма адаптивной модуляционно-интегральной идентификации.

В четвертой главе на базе разработанных адаптивных алгоритмов идентификации показаны возможности применения в инженерной практике АСУ технологии изготовления радиокомпонентов. Приводятся описания разработанных систем технических и программных средств для решения задач идентификации структуры и параметров радиокомпонентов применительно к технологии их изготовления.

ГЛАВА I

ИССЛЕДОВАНИЕ МОДУЛЯЦИОШО - ИНТЕГРАЛЬНЫХ АЛГОРИТМОВ ИДЕНТИФИКАЦИЙ И ИХ СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

1.1 Анализ методов модулирующих функций для построения адаптивного идентификатора

Современная теория адаптивных систем управления реального времени привлекает внимание специалистов в области системотехники своей актуальностью [2,25,40,57,77,80,102,106,111,113,118]. Этому способствует расширение технической базы микропроцессорных средств, развитие однокристальных арифметических устройств с плавающей запятой, увеличение быстродействия современных АЦП.

Необходимость разработки адаптивных идентификаторов для АСУ 'ТП диктуется требованиями повышения эффективности и качества технологических процессов производства. Так при производстве радиокомпонентов на пьезоэлектрической подложке на различных стадиях производственного процесса происходит последовательная обработка пьезоэлектрической пластины. Каждая из технологических операций сложна и ведет к экономическими затратам, а в некоторых случаях связана и с использованием драгоценных металлов. Возможность межоперационного контроля параметров радиокомпонентов позволит снизить брак и избежать ненужных затрат.

Однако разработка идентификаторов для контроля параметров радиокомпонентов на различных стадиях производства сдерживается сложностью обьекта идентификации и недостаточной проработкой

алгоритмов до инженерного промышленного уровня. Для подобных объектов характерны высокочастотные амплитудно модулированные сигналы. Частота сигналов может достигать десятков и даже сотен ГГц. Это определяет первое требование к разрабатыаемым идентификаторам - высокое быстродействие. Необходимость проведения идентификации в условиях реального производственного процесса, который характеризуется высоким уровнем неконтролируемых помех, определяет второе требование - помехоустойчивость. Массовый характер производства радиокомонентов и изменение параметров не только от изделия к изделию, но и в процессе обработки, и под воздействием факторов окружающей среды (н-р температуры) определяет необходимость легко приспосабливаться к изменению параметров обьекта - адаптивность.

Основой для построения адаптивных идентификаторов отвечающих этим требованиям является разработка алгоритмов идентификации, которые должны быть помехоустойчивыми, быстродействующими и легко приспосабливаться к изменению параметров объекта.

Выбор адекватного описания динамики систем на ЭВМ является важным моментом, который определяет всю дальнейшую исследовательскую работу. Линейные динамические системы могут быть описаны дифференциальными уравнениями, пе