автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Синтез программных фильтров для систем непосредственного цифрового управления

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СХЕМ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ аналоговых схем обработки информации

1.2. Анализ цифровых схем обработки информации

1.3. Анализ гибридных схем обработки информации

1.4. Постановка задачи синтеза оптимальных программных фильтров

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ В ПРОЦЕССОРНЫХ КАНАЛАХ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

2.1. Математическое описание форМ1фования динамической погрешности

2.2. Математическая модель полезного сигнала и помехи

2.3. Проверка на адекватность математических моделей

2.3.1. Проверка математической модели сигнала

2.3.2. Проверка математической модели формирования динамической погрешности

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ ПРОГРАММНЫХ ФИЛЬТРОВ С ПРОИЗВОЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ

3.1. Математическая модель формирования динамической погрешности

3.2. Цроверка математической модели

3.3. Разработка и исследование алгоритма оптимизации программного фильтра с произвольной структурой

3.4. Выводы

ГЛАВА 4. СИНТЕЗ ПРОГРАММНЫХ ФИЛЬТРОВ С ФИКСИРОВАННОЙ

СТРУКТУРОЙ

4.1 .Математическая модель формирования динамической погрешности . 86 4.2. Проверка математической модели на адекватность

Эффективное функционирование современных производств во всех отраслях промышленности тесно связано с применением систем управления, которые способствуют повышению технико-экономических показателей производства, так как непосредственно влияют на оперативность, точность и качество управления технологическими процессами.

Одной из наиболее важных задач этих систем управления является получение и обработка текущей информации о ходе технологического процесса. Крупномасштабность технологических установок и многотоннажность технологического оборудования, входящего в состав современных производств, предъявляют повышенные требования к системам управления и, в частности, к средствам измерения и обработки информации, являющихся их составной частью, гарантирующей максимальное быстродействие и достоверность измерительной информации, поступающей в алгоритмы управления.

Эти требования успешно могут быть выполнены при включении в состав систем управления специально для них созданных информационно-измерительных систем (ИИС), особенностью структуры которых является [ 77 ] многоканальность и параллельность приёма, передачи и первичной обработки информации с объекта управления. Поэтому обеспечение систем управления эффективными ИИС является актуальной проблемой, решение которой развивается по двум основным направлениям. Первое - синтез аппаратных информационно-измерительных систем, представляющих собой аналоговые схемы обработки информации, с помощью которых производятся операции над непрерывно изменяющимися переменными, представленными в той или иной физической (аналоговой) форме. Второе направление - синтез программно-аппаратных ИИС, в которых цифровые схемы обработки информации используются для решения задач управления, цифрового моделирования, обработки статистических данных, выделения полезных сигналов, а также обеспечивают преобразование входных аналоговых сигналов в набор цифровых данных.

В последнее время, в связи с широким использованием микро-процессоров и микро-ЭВМ на их основе, в практику создания программно-аппаратных ИИС всё больше внедряются программируемые контроллеры, а вместе с ними гибридные схемы обработки информации, позволяющие использовать преимущества как аналоговой, так и цифровой обработки данных.

Как известно, [ 77, 78, 79, 80 ] ИИС, независимо от того, для каких целей она создаётся, представляет собой совокупность информационно-измерительных каналов (ИИК). В условиях применения программируемых контроллеров реализация ИИК с заданными техническими характеристиками существенно упрощается из-за замены некоторых технических узлов ИИК их программными прототипами. При этом метрологические характеристики ИИК не только не утрачивают своей актуальности, но приобретают ещё большее значение. Одновременно приоритет актуальности приобретают задачи анализа и синтеза программно-аппаратного обеспечения ИИС.

Таким образом, целями представленной диссертационной работы являются:

- повышение надежности каналов передачи информации и точности обработки информации;

- улучшение качества управления технологическими процессами системами прямого цифрового регулирования.

Поскольку для решения поставленных целей одной из первостепенных задач является повышение точности измерительной информации, то основным объектом исследования является программно-аппаратный канал обработки информации. Так как исследуемые каналы обработки информации представляют собой программно-алгоритмический аналог реального канала, то вторым не менее важным объектом исследования является сама измерительная информация.

При этом научная новизна выполненных исследований заключается в следующем:

- предложено операцию фильтрации измерительной информации в канале обработки производить путем свертки этой информации с динамической характеристикой программного фильтра, заданной в виде массива весовых коэффициентов;

- предложены математические модели эталонного канала обработки информации и реального программно-аппаратного канала;

- предложена математическая модель процессов формирования динамической погрешности в программно-аппаратном канале обработки информации.

В качестве результатов проведенных исследований наибольшую практическую ценность представляют:

1) программа для имитационного моделирования схемы выделения погрешности в информационно-измерительном канале (ИИК), которая обеспечивает имитацию функционирования ИИК в условиях, наиболее приближенных к реальным, т. е. с учетом помехи, искажающей полезный сигнал с заданными характеристиками;

2) программа имитации сигналов и помех, которая позволяет проверить на адекватность математические модели обрабатываемых сигналов, искаженных помехами;

3) методика синтеза оптимальных программных фильтров;

4) пакет прикладных программ «Фильтр АСУ», который позволяет быстро и качественно найти оптимальные параметры ИИК для сигналов с заданными характеристиками и в работу которого заложены разработанные математические модели.

Основные научные результаты, выносимые на защиту, формулируются следующим образом:

1) выбран и обоснован критерий оптимальности функционирования программно-аппаратного канала в виде интегрального соотношения;

2) разработана математическая модель эталонного и реального каналов обработки информации и отдельных элементов схемы выделения погрешности;

3) проведен анализ свойств измерительной информации и на его основе предложены математические модели сигналов, обрабатываемых НИК, и помехи;

4) разработана математическая модель формирования динамической погрешности в программно-аппаратном канале, которая использована в качестве критерия оптимальности для синтеза программных фильтров;

5) для частного, но распространенного, случая использования в канале обработки информации экспоненциального фильтра разработана математическая модель формирования динамической погрешности в НИК, которая использовалась для проверки на адекватность предложенных математических моделей.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Основной объем диссертации изложен на 125 страницах машинописного текста. Список используемой литературы состоит из 94 наименований на 8 страницах. Диссертация содержит 38 рисунков, 4 таблицы и приложение на 25 страницах. Общий объем работы 158 страниц сквозной нумерации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В диссертационной работе представлены результаты исследований, на основе которых можно решать проблемы проектирования информационно-измерительных систем для управляющих комплексов.

Цели представленной диссертационной работы - повышение надежности каналов передачи информации и точности обработки информации и улучшение качества управления технологическими процессами системами прямого цифрового регулирования - достигнуты за счет исключения из структуры канала обработки информации аналоговых технических средств, каждое из которых содержит в своей структуре фильтр, и замены их одним программным продуктом, реализующим ту же функцию фильтрации, что и исключаемые аналоговые устройства. При этом впервые предложено операцию фильтрации измерительной информации в канале обработки производить путем свертки этой информации с динамической характеристикой программного фильтра, заданной в виде массива весовых коэффициентов.

По результатам исследований можно сделать следующие выводы.

1. На основе анализа литературных источников и свойств каналов обработки информации выбран и обоснован критерий оптимальности функционирования программно-аппаратного канала - корреляционная функция динамической погрешности; разработана математическая модель формирования динамической погрешности в программно-аппаратных каналах обработки информации, содержащих операцию фильтрации, которая адекватно описывает происходящие в канале явления и эффекты.

2. Анализ классической схемы выделения погрешностей позволил сформулировать требования к основным свойствам каналов и их элементов и на их основе предложить математические модели эталонного и реального каналов обработки информации и отдельных элементов схемы выделения погрешностей, адекватно описывающие свойства программной фильтрации.

3. Проведен анализ свойств измерительной информации и на его основе предложены математические модели сигналов и помех, обрабатываемых ИИК, которые позволяют проводить имитацию работы измерительного канала в условиях, наиболее приближенных к реальным; математические модели сигналов могут быть применены для анализа свойств широкого класса обрабатываемой информации в управляющих комплексах.

4. Для частного, но распространенного, случая использования в канале обработки информации экспоненциального фильтра разработана математическая модель формирования динамической погрешности в ИИК, которая использовалась для проверки на адекватность предложенных математических моделей.

5. Основные модели, расчетные соотношения и программы реализации этих моделей (программа для имитационного моделирования схемы выделения погрешности, программа имитации сигналов и помех, программа имитации каналов измерения) положены в основу методики проектирования оптимальных программных фильтров для каналов обработки информации в системах управления.

6. Разработанные методики синтеза оптимальных программных фильтров с произвольной и фиксированной структурами положены в основу пакета прикладных программ, позволяющего быстро и качественно найти оптимальные параметры функционирования информационно-измерительного канала систем управления.

Рассмотренные основные результаты и выводы позволяют классифицировать диссертационную работу как решение важной научной проблемы синтеза программно-аппаратных информационно-измерительных систем, содержащих процессорные каналы обработки информации с оптимальным программным фильтром.

1. Абабий В. В., Негурэ В. В. Цифровой фильтр. Приборы и системы управления, 1996, N 11, с. 38-39.

2. Аналоговая и аналого-цифровая вычислительная техника. Сборник статей под ред. В. П. Ушакова, вып. 1, М.: Советское радио, 1968. 320 с.

3. Аналоговая и аналого-цифровая вычислительная техника. Сборник статей под ред. В. П. Ушакова, вып. 5, М.: Советское радио, 1973.-264 с.

4. Аналоговые электроизмерительные приборы. / Под ред. А. А. Преображенского. М.: Высшая школа, 1979. - 351 с.

5. Анисимов Б. В., Голубкин В. Н., Петраков С. В. Аналоговые и гибридные ЭВМ: Учебник для студ. вузов спец. "Электронные вычислительные машины". М.: Высшая школа, 1986. - 288 с.

6. Белова Д. А., Кузин Р. Е. Применение ЭВМ для анализа и синтеза автоматических систем управления. М.: Энергия, 1979.

7. Быков Ю. М. Основы обработки информации в АСУ химических производств: Теория и расчет информационных подсистем. Л.: Химия, 1986. (Серия "Химическая кибернетика") -152 с.

8. Быков Ю. М. Теория информационных каналов АСУ: Конспект лекций. -М.: МИХМ, 1976, ч. 1. 38 с, ч. 2. - 48 с.

9. Быков Ю. М., Трояновский В. М. О количественной оценке эффективности алгоритмов управления. Приборы и системы управления, 1977, N 3, с. 17-19.

10. Васильев Ф. П. Численные методы решения экстремальных задач. М., 1980.

11. Вешцель Е.С. Теория вероятностей.- М.: Наука, 1969, 576 с.

12. Вострокнутов Н. Г., Евтихиев Н. Н. Информационно-измерительная техника (теоретические основы). М.: Высшая школа, 1977.-232 с.

13. Гибридные вычислительные машины и комплексы: Респуб. меж-вед. сб. науч. трудов. Киев: Наукова думка, 1984. - 103 с.

14. Гутников В. С. Фильтрация измерительных сигналов. Л.: Энерго-атомиздат. Ленингр. отделение, 1990. -192 с.

15. Детков А. Н. Оптимизация алгоритмов цифровой фильтрации смешанных марковских процессов при сопровождении маневрирую-щего объекта. Теория и системы управления, 1997, N 2, с. 73-80.

16. Иванов И. А., Чемоданов Б. К., Медведев В. С. Математические основы теории автоматического регулирования: Учеб. пособие для вузов; Под ред. Б. К. Чемоданова. М.: Высшая школа, 1971.-808 с.

17. Игнатов В. А. Теория информации и передача сигналов. М.: Советское радио, 1979.-278 с.

18. Карманов В. Г. Математическое программирование, 2-е изд. М., 1980.

19. Кнорринг В. Г. Пути развития теории измерений. (Уроки П.В. Новицкого). Приборы и системы управления, 1997, N 9, с. 22-23.

20. Козин Е. С., Чернояров А. Н., Токарева О. С. Автоматизированная система для газовой хроматографии. Приборы и системы управления, 1996, N 7, с. 2325.

21. Крамер Г. Математические методы статистики. Перевод с англ. под ред. Колмогорова А. Н. - М.: Мир, 1975. - 648 с.

22. Куликовский Л. Ф., Купер В. Я. Методы и средства измерений: Учебное пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 448 с.

23. Куликовский Л. Ф., Морозов В. К. Основы информационной тех-ники. М.: Высшая школа, 1977. - 360 с.

24. Методы электрических измерений: Учеб. пособие для вузов. / Л. Г. Жура-вин, М. А. Мариненко, Е. И. Семенов, Э. И. Цветков; под. ред. Э. И. Цветкова. -Л.: Энергоатомиздат, 1990.

25. Метрология. Термины и определения. ГОСТ 16263-70. Гос. Комитет стандартов Совета Министров СССР, М. : 1982. 52 с.

26. Минскер И. Н., Ицкович Э. Л. Методы анализа АСУ химико-технологическими процессами. М., 1990.

27. Моисеев Н. Н., йванилов Ю. П., Столярова Е. М. Методы оптимизации. -М., 1978.

28. Новицкий П. В. Методология измерений. Проблема накопления опыта разработчиков методов и программ измерений и испытаний. / Всес. науч.-техн. конф. "Методология измерений" П-13.0.91. Матер, конф. Л.: Изд. ЛГТУ, 1991.

29. Новицкий П. В., Заграф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, 1991.

30. Орнатский П. П. Автоматические измерения и аналоговые и цифровые приборы. Киев: Вшца школа, 1980. - 558 с.

31. Орнатский П. П. Теоретические основы информационно-измерительной техники. Киев: Вища школа, 1983. - 455 с.

32. Петров В. П. Проектирование цифровых систем контроля и управления. -М.: Машиностроение, 1967. 459 с.

33. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. / К. Хартман, Э. Лецкий, В. Шефер и др. М.: Мир, 1977. - 552 с.

34. Полак Э. Численные методы оптимизации. Перевод с англ. Ерешко Ф. й. - М.: Мир, 1974.-375 с.

35. Пугачев В. С. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления. ГИФМЛ, М., 1960. - 883 с.

36. Розенберг В. Я. Введение в теорию точности измерительных систем. М.: Советское радио, 1975. - 304 с.

37. Розенберг В. Я., Кропотов С. В. Анализ погрешности систем обработки измерительной информации. Измерительная техника, 1977, N 5, с. 38-39.

38. Ротач В. Я. Автоматизация настройки систем управления. М.: Энергоатом-издат, 1984. - 271 с.

39. Румшинский JI. 3. Элементы теории вероятностей. М.: Наука, 1970. - 254 с.

40. Сальников В. Ю., Соловьев М. А. Простой АЦП для ЮМ PC. Приборы и системы управления, 1996, N 2, с. 47-48.

41. Свиридова О. В. Программный имитатор процессорных измерительных каналов. Тезисы доклада городской науч.-техн. конф. молодых ученых, Волжский, май, 1995.

42. Свиридова О. В. Синтез цифровых фильтров с фиксированной структурой. -Тезисы доклада городской науч.-техн. конф. молодых ученых, Волжский, май, 1996.

43. Свиридова О. В. Синтез оптимальныъх фильтров с произвольной структурой. Тезисы доклада городской науч.-техн. конф. молодых ученых, Волжский, май, 1997.

44. Cea Ж. Оптимизация. Перевод с франц. - М., 1973.

45. Синицын И. Н. Условно оптимальная фильтрация и распознавание сигналов в стохастических дифференциальных системах. Автоматика и телемеханика, 1997, N 3, с. 124-126.

46. Сольницев Р. И. Автоматизация проектирования систем автоматического управления: Учеб. для вузов по спец. "Автоматика и уп-равление в техн. системах". М.: Высшая школа, 1991.

47. Темников Ф. Е., Афонин В. А., Дмитриев В. И. Теоретические основы информационной техники. М.: Энергия, 1979,- 512 с.

48. Фиакко А. В., Мак-Кормик Г. П. Нелинейное программирование. Методы последовательной безусловной минимизации. Перевод с англ. - М., 1972.

49. Фиок А., Кабьяти Ф., Савино М. Промышленные и метрологические аспекты цифровых средств измерений. Приборы и системы управления, 1996, N 4, с. 42-46.

50. Цветков Э. И. Основы теории статистических измерений. Л.: Энергоатом-издат, 1986. - 254 с.

51. Цветков Э. И. Методические погрешности статистических измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1984. -144 с.

52. Цветков Э. И. Нестационарные случайные процессы и их анализ. М.: Энергия, 1973.- 129 с.

53. Цветков Э. И., Конок А. Ф. Спектральный и корреляционный анализ нестационарных случайных процессов. М.: Изд. стандартов, 1970. 102 с.

54. Цветков Э. И., Коверкин И. Я. Анализ и синтез измерительных систем. Л.: Энергия, 1974. -155 с.

55. Цветков Э. Й. Методы электрических измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 287 с.

56. Цветков Э. И. Погрешности масштабирования результатов измерения процессорными измерительными средствами. Измерительная техника, 1976, N10, с. 6-7.

57. Цветков Э. И. Процессорные измерительные средства. Л.: Энергоатомиздат, 1989. - 221 с.

58. Цветков Э. И. Основы математической метрологии. Приборы и системы управления, 1996, N 11, с. 41-42.

59. Цифровая обработка информации на основе быстродействующих БИС. / Гомкрелидзе С. А., Завьялов А. В., Мальцев П. П., Соколов В. С.; Под ред. ДомрачеваВ. Г. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 133 с.

60. Цифровая имитация автоматизированных систем. М.: Наука, 1983. - 260 с.

61. Цифровая и аналоговая обработка и формирование сигналов передачи и приема информации: Межвуз. сборник науч. трудов. / Воронежский политехнический институт. Воронеж, 1989. - 171 с.

62. Цифровая имитация автоматизированных систем. М.: Наука, 1983. - 260 с.

63. Цифровая информационно-измерительная техника: Межвуз. Сборник науч. трудов. / Пензенский политехнический институт. Пенза, 1989. -171 с.

64. Цифровая вычислительная техника и программирование: Сборник статей; Под ред. А. И. Китова. Выпуск 1. М.: Советское радио, 1966.

65. Цифровая вычислительная техника и программирование: Сборник статей. Под ред. А. И. Китова. Выпуск 2. М.: Советское радио» 1967.

66. Цифровая вычислительная техника и программирование: Сборник статей. Под ред. А. И. Китова. Выпуск 4. М.: Советское радио, 1968.

67. Цифровая вычислительная техника и программирование: Сборник статей. Под ред. А. Н. Китова. Выпуск 5. М.: Советское радио, 1969.

68. Цифровая вычислительная техника и программирование: Сборник статей. Под ред. А. Й. Китова. Выпуск 6. М.: Советское радио, 1971.

69. Цифровая вычислительная техника и программирование: Сборник статей. Под ред. А. И. Китова. Выпуск 8. М.: Советское радио, 1974.

70. Цифровая и вычислительная техника: Учебник для вузов. / Евреинов Э. В., Бутыльский Ю. Т., Мамзелев И. А. и др.; Под ред. Еврей-нова Э. В. М.: Радио и связь, 1991. -464 с.

71. Швецкий Б. И. Электронные цифровые приборы. Киев, Техшка, 1981.247 с.

72. Шевчук В. П. Автоматическая обрботка графиков с помощью микро-ЭВМ. -Каучук и резина, 1984, N 8, с. 30-32.

73. Шевчук В. П. Программно-аппаратные информационно-измерительные системы: Учеб. пособие. / ВолгГТУ, Волгоград, 1995.- 136 с.

74. Шевчук В. П. Методы прогнозирования качества регулирования системами непосредственного цифрового управления. М.: ЦНИИ ТЭИнефтехим, 1988.-64 с.

75. Шевчук В. П., Муха Ю. П. Прикладные методы для автоматизированного проектирования АСУТП. Часть 1. Методы проектирования информационных подсистем АСУТП: Учеб. пособие. / ВолгГТУ, Волгоград, 1992. 78 с.

76. Шевчук В. П., Муха Ю. П. Прикладные методы для автоматизированного проектирования АСУТП. Часть 2. Методы проектирования управляющих подсистем АСУТП: Учеб. пособие. / ВолгГТУ, Волгоград, 1992. 78 с.

77. Шевчук В. П. Теория информационных каналов систем управления. Часть 3. Математические основы описания линейных и нелиней-ных программно-аппаратных каналов обработки информации: Учеб-ное пособие. / ВолгГТУ, Волгоград, 1993. 112 с.

78. Шевчук В. П. Определение периода опроса датчиков для информационных каналов АСУ ТП. Автоматизация и КИП в нефтепере-рабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: ЦНИИТЭИнефтехим, вып. 6,1981, с. 8-11.

79. Шевчук В. П. Автоматизация проектирования и конструирования в производстве РТИ. М,: ЦНИИТЭИнефтехим, 1987. - 56 с.

80. Шевчук В. П. Исследование динамических погрешностей ИЙС в системах автоматического управления по косвенным показателям. Докт. диссертация. -Волжский, 1995, 390 с.

81. Шевчук В. П., Свиридова О. В. Математическая модель измерительного сигнала в процессорных каналах обработки информации / Волгоград, гос. техн. ун-т. Волгоград, 1996. - 15 е.: ил. - Деп. в ВИНИТИ № 1072 - В96 от 02.04.96.

82. Шевчук В. П.,Свиридова О. В. Типовой алгоритмический модуль обработки информации для процессорных информационно-измери-тельных систем / Волгоград. гос. техн. ун-т. Волгоград, 1996. - 15 е.: ил. - Деп. в ВИНИТИ № 1333 -В96 от 23.04.96.133

83. Шелдон С. Л., Чанг. Синтез оптимальных систем автоматического управления. Перевод с англ. под ред. Солодовникова В. В. - М.: Машиностроение, 1964.-440 с.

84. Шенброт И. М., Алиев В. М. Проектирование вычислительных систем распределенных АСУТП. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 88 с.

85. Шенброт И. М. и др. Оперативно-календарное планирование химических производств в автоматизированных системах управ-ления. М.: Химия, 1977.

86. Шляндин В. М. Цифровые измерительные приборы и преобразователи. М.: Высшая школа, 1973. - 280 с.

87. Шумни X. Цифровые измерительные системы. Приборы и системы управления, 1996, N 5, с. 48-50.

88. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. Пере-вод с англ. под ред. Райбмана Н. С. - М.: Мир, 1975. -345 с.

89. Юлиус Т. Ту. Цифровые и импульсные системы автоматического управления. Перевод с англ. под ред. Солодовникова В. В. - М.: Машиностроение, 1964.-703 с.