автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Реализация структур активных фильтров для систем управления

РГВ он

. 1 г окг

ОДЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

КАЗЕН-КАНЕМ БЕТРЕС

УДК 621.372.54

РЕАЛИЗАЦИЯ СТРУКТУР АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ .СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.13.05 - "ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ"

АВТОРЕ Ф К РА Т ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ, КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

ОДЕССА - 94

Диссертация является рукописью.

■ Работа выполнена на кафедре "Промышленная электроника" Одесского государственного политехнического университета

Научный руководитель:

академик, д. т. н. ,

профессор Налахон Валерий Павлович

Научный консультант:

- к.т.н, доцент Найко Геннадий Владимирович

Официальные оппопенты:

академик, д. т. н.,

профессор Парасочкин Владимир Александрович

« ^

к.т.н. Калинин Александр Иванович

Ведущая организация: . СКВ "Молния" г. Одесса

Защита состоится "27 * октября 1994 г. в 11 час. 00 пин. в аудитории 115У на заседании специализированного совета К-008.19.04 по присуждении ученых степеней кандидата технических наук Одесского государственного политехнического университета по адресу: 270044, г. Одесса, пр. Шевченко 1, ОГПУ.

С диссертацией.нояно ознакомиться в библиотеке университета.

? 2

Автореферат разослан " - -3 " сентября 1994 г.

Ваш отзыв в одной экзенпляяре, заверенный печатью, просим направлять по указанному вцще адресу. •

Ученый секретарь специализированного совета, х. т. и.

В. И.

КАПИНОС

-з-

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В состав любой системы автоматического упраплониа U/АУ) входят первичные преобразователи, управляющие устройства и исполнительные механизмы. Эффективность работы САУ суиестпенмо - зависит от точности обработки полезных сигналов первичных преобразователей, на которые всегда окаэыпают влияние различный помехи и шумы. Для устранения этого используются частотно-избирательные устройства, которые позволяют выделить • полегший сигнал на фоне аддитивных шумов и помех.

В настоящее время в САУ, работающих на низких частотах, наиболее целесообразно применять активные RC-фильтры (ARC Фильтры), имеющие преимущества по сраннени» с другими типами фильтров - возможность исполнения в микроэлектроннои исполнении, малые габариты и вес, высокая помехоустойчивость к шюшшм электромагнитным полям, простота и технологичность изготовления, легкая настройка и перестройка основных параметров и т.д.

В настоящее время не существует общей методики проектирования ABC-фильтров. Поэтому оптимальная реализация ARC-фняьтроп остается непростой инженерной задачей и требует от проектировщика больших знаний, опыта, а иногда, и интуиции. Существующие же системы автоматвэированого проектирования (САПР) и систем« модели рования могут применяться только иа заключительном этапе синтеза, когда уже известна конкретная принципиальная схема устройства.

, Исхода из вывеи'лложенного, поят раВоты является разработка методов и средств реализации оптимальных структур ARC-фильтрон для п' ваше чип метрологических характеристик систом управления.

Мятпгри исслецпяяиий, При ремонт поставленных задач использовались матричные подели описания линейных электронных схем.

I' ■•ды теории матриц', методы П(юехтирования баз данных, методы кодолировешия электронных схем, а так же экспериментальные исследования реализованных фильтров. На¥лшх»_.№ш«гшзславохи составляют;

- обобцвннчс матричные модели активных цепей о операционными усилит»ляии (ОУ),

- способ синтеза структурных схем активных цепей с ОУ на основе разработанных матричных моделей.

Практическую ценность работы состаплввт:

- методика инженерного проектирования структур АВС-фильтров;

- разработанная структура базы данных (БД) для САПР фильтров и пакет прикладных программ для управления этой БД.

Реализация результатов работы. Результаты работы в виде ««конченных программ использованы при выполнения госбюджетной работы "Разработка пакета прикладных программ автоматизированного проектирования ' аналоговых . активных фильтров" (номер государственной регистрации 01930027490), а так же используется в учебном процессе в Одесском государственном политехнической университете па кафедре "Промышленная электроника" в курсе "САПР устройств проиэлектроникв".

Публикации. По результатам исследований, выполненных в процессе работы ' над диссертацией, опубликовано две печатные Т>аботы и одна работа находятся в печати.

Апробация результате» работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались.на 1-ой Украинской конференции по автоматическому управлению "Автонатяяа-94"; не научно-технических семинарах профессорско-преподавательского состава кафедры "Промышленная электроника" Одесского государственного политехнического университета.

Диссертация состойг из введения, 4 глав, заклвчения, списка использованной литература из 88 наименований, приложения, содержит 133 страниц основного текста, иллюстрируемого рисунками на 65 странице.

1. Обобщенные матричные модели линейных цепей с повторителями на основе ОУ.

2. Реализация новых структурных схем частотно-«габирагельных устройств на основе ОУ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во пвапянии оВосиопыялатс.я актуальность рассматриваемой проблемы, сформулированы основные задачи работы, обоснованы пути достижения поставленной цели, перечислены основные научные положения, выносимые на зациту. ' • •

В первой главе рассмотрено ■ современное состояние вопросов проектирования я реализации АНС-фильтров, что необходимо дли правильной оценки достижений о области теории и практики их проектирования.* '

Анализ литературных источников по методам анализа и синтеза частотно-избирательных устройств» показал, что среди нножества существующих типов таких цепей а системах управления целесообразно использовать АИС-фильтры, потому что они имеют целый ряд преимуцеств по сравнению с другими типами Фильтров. При этом основными активными элементами ЛВС-Фильтров являются операционные усилители.

В главе показано, что в настоящее время не существует закон-

о .

ченной методики проектирования таких цепей. В подавлпицем боль-

о

панстве случаев синтез М?С-®ильтроп осуществляется эвристическими или эмпирическими путями,, которые практически невозможно

¿юркояизопать или автоматизировать. Это особенно относится к синтезу структурных схем ЛВС-цепей.

U i-лаое показано, что существующие специализированные или универсальные (САПР), а так же- системы моделирования невозиояно иопольаопать на начальном этапе реализации ARC-фильтров. Их применение возможно лишь на этапах параметрричеекого синтеза и оптимизации, когда уже известна принципиальная схема устройства.

Для решения 'задачи оптимальной реализации структур АКС-Филитроп целесообразно . использовать предложенные ранее цепи с полной топологической структурой (в таких схемах существуют все возможные связи между любыми двумя узлами через все виды двухполюсников, образующих элементный базис).

В процессе анализа способов представлении структурной схемы установлено, что для этих целей целесообразно использовать

матричные модели, . разработанные на кафедре промышленной

*

электроники над руководства академика Малахов В.П. При этом окапалось необходимым распространить такие модели на схемы подключения ОУ в качество повторителей (со сто процентной отрицательной обратной связью).

Все вышеизложенное позволило сформулировать в концо первой главы задачи, на которых целесообразно сосредоточить внимание в работе.

Ito птотой глава рассмотрены, матричные модели структурных схем АКС-цепей. При этом было лринято, что все ОУ являются идеальными, ь. частности, имеют бесконечно больной коэффициент усиления. Такое допущение при рассмотрении структурного синтеза вполне оправдано, т. к. речь идет только о свойствах структуры цепи, когда тип «значение параметров пассивных я активных элементов еще не известны. Параметры роальикх ОУ и пассивных элементов, необходимые

дпа анализа и моделирования схем, б/дут учитываться на после -дующих этапах синтеза Фильтров. Использование ей идеальных операционных усилите/юй (ИОУ) для структурного синтеза схем поаволиот существенно упростить соответствующую математическую модель цени.

Кроив того, как показывает проведенный в нерпой главе аналии, наиболее широко применяются на практике две модификации такого усилителя: ОУ с несимметричным и ОУ с дифференциальным входом, обоих случаях ОУ имеет несимметричный выход. Поэтому ti дальнейшей рассматривались только такие типы О У, Однако, как показано в работе, нетрудно рассмотреть соответствующие матричные модели активных цепей и при подключении других типов ИОУ.

В данной главе рассматриваются последовательны« подключении ИОУ (всеми нозножныяи способами и во всех возможных сочетаниях, вклячая также схемы с повторителями) к узлам пассивного п полюсиика с полной топологической структурой (это необходимо для рассмотрения таких схем с наиболее общих позиций) и получаемые в результате этого матричные модели активных схем.

Проведенный в главе анализ всех возможных сгюсобоц подключения выделенных типов ИОУ к п-полюсняку с полной топологической структурой- позволяет сделать следующие выводы: 1. При подклпчеиии ИОУ в качестве повторителей к некоторой активной схеме возможны три варианта структурных схем!

- новые структурные схемы активних цепей о повторителями;

- эквивалентные структурные схемы активных цепей с повторителикл, имеющие такую же матричную модель, что к некоторые Другие схемы без повторителей я с мепьиим числом активных элементов;

- физически нереализуемые схема активных цепей о повторителями, имеющие вырожденную (прямоугольную) матриц- .онторителей.

-ч/ (онмо структурные "схсмы активных цепей ножно получить:

- Коли любые выводы повторителя подключены к узлам, соотьстстиующам пассивной подсхеме (узлам блока О);

- Если выход поиторителя подключен к узлу, соответствующему иассионой подсхеме, а вход повторителя подключен к выходу ИОУ о несимметричным входом (блок Н);

- Кили вход повторителя подключен к любым узлам, соединенным о НОУ с дифференциальным входом (блок В), а его выход подключен к уилу, соответствующему пассивной подсхеме.

- Если вход повторителя подключен к узлам блока 0, а его выход -к узлам блока В. При этом можно использовать, только один повторитель или два повторителя, подключаемые к разным входам дифференциальных ОУ. Если же используется несколько повторителей, подключенных таким образом, схема является физически нереализуемой.

Но всех этих случаях столбцы, соответствующие узлам подключения выводов повторителя, будет представлять собой сумму 2-х столбцов и будет иметь поэтому составной помер. Это значит, что матрица проводимости схем с повторителями может иметь составной номер и любых столбцах, а не только в первой столбце блока В*, как это было в модели, предложенной ранее. На рис. 1 показана обобщенная. матричная иодоль АВС-цопей с ОУ (где: К и Ъ -количество повторителей, п - размерность блока В»). 3. При подключении ИОУ с несимметричным входом я выходом в качестве повторителя х 'ВС-цепи из матрицы проводимости исключаются строка и столбец с номерами, ' соответствующими узлу подключения этого ИОУ. При этом размерность матрицы уменмшетсяна единицу и, если перенумеровать ее строки и столбцы, то по се виду новозпожно определить факт использования повторителя.

Тк, —---- -1 ---

Нм

Вт ---- •

;;;; Вам

<а>

а, Кп

+ 1 ....

+2 ----

.... + <1+К)

-1 ----

-2

---- ~шк>

(б) (в)

В*« .

+(п+К) -С1+Ъ> .... -1

♦ <п+К) -(1Н1 .... -1

♦(а+К) -<т> .... -1

(г) ряс. 1

Другими словаки, схема о. такими включением ИОУ полностью эквивчлентна по своим свойствам некоторой другой схоно (б«э повторители), причем о меньшим числом узлов и активных элементов. Более того, такими яо свойствами будет обладать схемы, и

-101 1 >рнх пыхоц одного из' НОУ соединен параллельно входу другого (например, при подключениям выхода любого ИОУ ко входу ИОУ с синфазным входом), поэтому все такие схемы в дальнейшем не рассматривались.

4. При подключений повторителя так, что его выход соединен со входом ИОУ с несимметричным входом, матрица проводимости получаемой схемы имеет на единицу меньшую размерность и, при перенумерации уолов, имеет такую хе структуру, что и некоторая схема без понторитояя. В таких случаях из исходной матрицы (схемы) исключается (заземляется) узел, соответствующий выходу повторителя, а сам повторитель, аналогично п.3, просто исключается.

5. В случае подключения нескольких ИОУ любого типа к АйС-цепи •гак, что выход (вход) одного из ИОУ подключается параллельно выходу (входу) другого (например, непосредственное соединение выходов нескольких ИОУ), то получающиеся прямоугольные матрицы проводимости не соответствуют физически реализуемым схемам. Понтону и дальнейшем так жа не будут рассматриваться схема с такими способами подключения активных элементов.

Т.ЕйТьв-.хдиил посвящена вопросы разработки оптимальной структуры ГЩ для храпения информации о схемах АКС-фильтров о ОУ; рассматриваются возможные виды запросов к такой БД и алгоритмы автоматического увлечения информации о структурных и/или принципиальных схемах АИС-Фильтров, автоматической генерации новых структурных схем АБС-Фильтров с ОУ, соответствующих заданным схемным функциям и автоматической записи их в базу данных, проектирования. Пользователь может лишь изменить стратегию проектировании и получить тем самым другой набор схем.

Как показал проведенный анализ, для хранения информации о структурных и принципиальных схемах активных ЙС-фильтров .

целесообразио использовать реляционные базы данных.

В работе рассмотрена концептуальная " модель хранения я использования информации о структурных и/или принципиальных схем. Для этого, после сведения воедино списка атрибутов, использование которых предполагается в БД ARG-фильтров, было построено универсальное отноиение, описывающее предметную область.

Для устранения проблем аномалий обновления, вставки и удалений. характерных для СУБД, построенных на основе единственного универсального отяопения, была произведена декомпозиция этого отношения в нормальную Форму Бойса-Кодда (НФВК). Для этого были определены все функциональные зависимости (ФЗ), существующие между атрибутами универсального отношения. После этого были а несколько этапов (после проверок, находятся ля новые отношения в НФВК) удален» все избыточные <Ю с цепьА получения минимального покрытия исходного их набора. Кроме того, в работе проведена модификация получоного набора отношений для обеспечения простотн реализации СУБД исходя из конкретной предметной области.

На основании проведенного оптимального разбиения было разработана структура общей базы данных (п виде четырех связанных баз данных), предназначенной для хранения информации о реализуемых схемах ARC-Фильтров.

Разработанная СУБД отличается от Известных интерактивных систем баз данных тем, что пользователь не имеет непосредственного доступа к структуре данннх. Внбо1р схем иэ баэы данных происходит автоматически согласно заданной стратегии

Автоматический доступ к БД осуществляется с помощью специальной программы, которая формирует запрос к базе и получает набор схем согласно этому запросу, а также способна сохранять и/или извенять полученные структуры под другим именем.

При проектировании СУБД для системы ароектированния активных НС- фильтров было выделепо 6 запросов, позволяющих получить струк~ турные схемы ЛКС-цеией с заданными параметрами (размерность матрицы проводимости схемы, количество, тип и способы включения ИОУ, которые, по сути, определяют стратегию проектирования), получать предыдущие или последующие схемы согласно выбранной стратегии проектирования, сохранять рассматриваемые схемы и изменять их имена.

Следует отметить, что в ответ на некоторые запросы пользователя могут -автоматически выполняться специальные программы для генерации новых схем, не имеющихся на данный момент п базе данных, и для автоматического включения полученных схем в ВД. Таким образом, разработанная СУБД позволяют практически полностью автоматизировать процесс структурного проектирования АНС-Фильтров.

I

ВиЛ1ахвсЕТОй__хлааа проведен анализ изменения свойств схемы при подключении к ней повторителей напряжения на ОУ. Это необходимо для подтверждения правильного выбора стратегий и приоритетов при генерации различных охам о повторителями, сделанных в третьей главе на основании теоретических исследований.

Для исследований была выбрана схема 2-го порядка (рис.2.а), матричная модель которой содержала все вида блоков (&, Я и В) (рис.2.б). По заданной АЧХ рассчитаны Схемные функции я параметры пассивных элементов, Были проведены моделирование исходной схемы и схем а подключенный* повторителями в среде программы моделирования, а также экспериментальные исследования макета Фильтра." •

■На основание анализа результатов ' экспериментальных исследований, можно «¡делать следующие выводы:

1«1 >î * Vi 7 9 It

i т. -t» » 0 « 0 t

г -Vf л » » 9 «

i » Mf. ■ï. » t » •V

s . 0 » •T. « t •ï»

t 9 » vr„ -V »

s Í » » » * » .

к 0 » с «

W

-141. Подключение повторителей к узлам разных блоков схемы не оказывает никакого влияния на вид АЧХ. Это связано, скорее всего, о тип, что сами операционные усилители имеют входное сопротивление: порядна единиц иегаои, кроме того, входное сопротивление цели увеличивается ощо за счет присутствующей в ней отрицательной обратной связи и, следовательно, незначительно влияют на изменение матричной модели и соответствующих схемных Функций.

2. Только при подключении повторителей к узлам блока В наблюдается увеличение напряжения смещения и аумов, приведенных ко входу. Ото связано, с тем, что только в блоках В входы ОУ не заземлены и в таком случае неидеалыюсти входной цепи ОУ (напряжение смещении, разность входных токов, синфазное вхоцное сопротиплоние' и синфазный коэффициент усиления и т.д.) скааинаются в маскималыюй степени.,

3. Подключение повторителя к узлам блока D (показано на рис.2 пунктирной линией) позволяет намного увеличить входное сопротивление цепи, что является немаловажным фактором при проектировании различных активных схем.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 1. По результатам анализа литературных источников установлено, что для повышения метрологических характеристик САУ необходима разработка методов и средств оптимальной структурной реализации чаотатно-избирательных устройств.

?.. ¡\ли представления и описания структур активных фильтров жшосс-образно использовать матричные модели. В работе предложена матричная модель активной цепи С тйюиентной базой R, С, ОУ, учитывающая все возможные способы их подключения к ОУ, в тон число как повторителей,

3. На основании разработанной матричной модели получены новые

структурные схемы активных цепей е повторителями напряжения на-ОУ. *

4. Разработана Структура базы данных для хранения информации о различных схемах активных фильтров, алгоритмы и программы автоматической генерации новых структурных схем, соответствующих заданным схемным функциап и автоматической записи их в базу данных.

б. Для приоритетного выбора конкретных.структурных схем таких цепей при проектировании чаатотно-избирательных усилителей предложена стратегия автоматического пябора подходящих схем.

в. Экспериментальное исследование моделируемых АНС-фильтров, результаты которого по качественным п количественным показателям имеют хоровое согласование с данными теоретического анализа, подтверждают адекватность реальных физических процессов в спроектированных устройствах. '

ОСНОВНЫЙ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Малахов В.П., Кайко Г.В, Ветреа Мазей Канем. Автоматический синтез структур активных фильтров // Тез.. докл. первой Украинской Конф. по автоматическому управлению (Автоматика-94).-К. , 1994.-С 267.

2. Структурный синтез АВС-Фильтров с повторителями/ В. П. Малахов, Г.В Майко, Мазен Канем Бетрос и др.- Деп. в ГНТБ Укр. 18.08.93, М1771-УК93.

Аннотация

Мазен Канем Ветрес Реализация структур активных''фильтров для

систем управления.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технисчес-

ких наук по специальности 05.13.05 - элементы .и устройства

о

вычислительной техники и систем управления,

Одесский гос.

политехи, ун-т. Одесса. 1994.

-1в-

Писсертация на соисканио ученой степени кандидата технисчес ких наук по специальности 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники_ и систем управления. Одесский гос. политехи, ун-т, Одесса, 1904.

Диссертация содержит теоретические исследования в области реализации структур частотно-избирательных устройств для систем управления, а также результаты экспериментальных исследований. Разработана обобщенная матричная модель активных RC-цепбй о повторителями. Получены новые структурные схемы активных.цопой с повторителями напряжение) на 0У. Разработана структура базы данных для хранения информации о структурных схемах активных фильтров, алгоритмы и программы автоматической генерации новых структурных схсм.

Mazin Капеш Botrea. Elaboratioa of active filter structure

for control cystoma. . .

*

Dissertation for the candidate of science (technical) degree in speciality 05.13.05 "Elements end devices of computer's equipment and control systems"., Odessa state polVteohnio University, Odessa, 1994.

Dissertation work is dedicated to the theoretical research in field of actiye filter structure elaboration and experimental. The general matrix nodal of .the active circuits with repoatora wore obtained. The structure of data base for active circuits «as design, and the algorithms and prograns of autoaatical пая circuits synthesis «ore Bade.

Кл*гшвце___аааввх. частотно-аиб1эковий пристр1й, систами автоматичного коруванння, база данях, повторювач, матрица.

МП pu. ten, SS0' ЮС fiJ CbQt