Измерительные цифровые преобразователи параметров синусоидальных сигналов с применением вычислительных операций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Дурновцев, Сергей Николаевич

• Дурновцев, Сергей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дурновцев, Сергей Николаевич

Введение.

1. Современные тенденции развития преобразователей параметров синусоидальных сигналов.

1.1. Кодирующие измерительные преобразователи амплитуды синусоидального сигнала.

1.2. Методы обработки временного ряда измерений амплитуды синусоидального сигнала.

1.2.1. Измерение амплитуды синусоидального сигнала с использованием преобразования Фурье.

1.2.2. Метод измерения амплитуды гармонических колебаний с использованием вычислительных операций на основе мгновенных отсчетов.

1.2.3. Метод измерения амплитуды синусоидальных сигналов на основе интегральных выборок.

1.2.4. Метод измерения амплитуды синусоидального сигнала с использованием отношения К отсчетов амплитуд.

1.3. Сопоставление методов измерения амплитуды синусоидального сигнала с применением вычислительных процедур.

1.3.1. Выбор целевой функции.

1.3.2. Анализ методов измерения амплитуды синусоидального сигнала.

1.4. Выводы.

2. Разработка и исследование алгоритма и структуры преобразователя амплитуды синусоидального сигнала.

2.1. Алгоритм преобразования и структура преобразователя амплитуды синусоидального сигнала.

2.2. Исследование преобразователя

2.2.1. Исследование модели ИПр для случая постоянной частоты измеряемого сигнала.

2.2.2. Исследование модели ИПр при меняющейся частоте исследуемого сигнала.

2.2.3. Исследование модели измерительного преобразователя по упрощению вычислительных процедур.

2.3. Выводы.

3. Разработка алгоритма и структуры преобразователя амплитуды и частоты синусоидального сигнала.

3.1. Алгоритм измерения и структура совместного преобразователя амплитуды и частоты синусоидального сигнала.

3.2. Исследование модели совместного преобразователя.

3.2.1. Решение системы уравнений методом Ньютона.

3.2.2. Решение системы уравнений градиентным методом.

3.2.3 Решение системы уравнений модифицированным методом Ньютона.

3.3. Решение системы уравнений с использованием разложения функции синуса в ряд.

3.4. Сопоставление методов выполнения вычислительных операций совместного определения амплитуды и частоты синусоидального сигнала.

3.5. Выводы.

4. Разработка алгоритма функционирования и структуры адаптивного преобразователя частоты синусоидального сигнала.

4.1. Принципы построения и функционирования адаптивных частотных преобразователей.

4.1.1. Способы измерения значений вспомогательного параметра^.

4.1.2. Способы формирования значений параметра адаптации.

4.1.2.1. Аддитивный способ формирования значений параметра адаптации.

4.1.2.2. Мультипликативный способ формирования значений параметра адаптации.

4.1.2.3. Сравнительная оценка способов формирований значения параметра адаптации.

4.2. Алгоритмическое описание процесса преобразования адаптивного преобразователя частоты синусоидального сигнала.

4.3. Алгоритмы вычисления измеренного значения кода.

4.4. Сравнительная оценка технических характеристик адаптивных и неадаптивных преобразователей частоты

4.5. Выводы.

5. Разработка и реализация преобразователей параметров синусоидальных сигналов в составе системы автоматизации испытаний.

5.1. Описание аппаратурного и программного обеспечения системы автоматизации испытаний.

5.1.1. Характеристика объекта автоматизации.

5.1.2. Назначение системы.

5.1.3. Структура системы.

5.1.4. Функционирование системы.

5.1.5. Результаты опытной эксплуатации САИ.

5.2. Разработка мультиплицированного преобразователя амплитуды датчиков угловых и линейных перемещений.

5.3. Разработка совместного преобразователя амплитуды и частоты сигналов датчика вибрации.

5.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Измерительные цифровые преобразователи параметров синусоидальных сигналов с применением вычислительных операций»

Информационные технологии играют возрастающую роль практически во всех сферах деятельности современного общества. С их помощью решается огромный круг задач, связанных главным образом с автоматизированным сбором, обработкой, передачей, хранением, поиском и представлением информации. При этом особое место в этом ряду занимает процесс измерения, предназначенный для получения количественно определенной информации об объектах материального мира. Это определяет актуальность создания и совершенствования измерительных преобразователей (ИПр), предназначенных для измерения параметров сложных динамических объектов и быстротекущих процессов. Таким образом, создание современных ИПр - важная, перспективная и актуальная задача.

Постоянное повышение требований к точности, быстродействию, информативности и другим характеристикам процессов сбора, измерения и обработки информации обусловливает необходимость создания и развития современных средств измерения и преобразования информации. Широкое применение средств цифровой вычислительной техники при построении ИПр ориентировано на обеспечение высоких метрологических и эксплуатационных характеристик ИПр. Указанные задачи нашли отражение в работах ведущих отечественных и зарубежных ученых: Смолова В.Б., Гитиса Э.И., Новикова П.В., Цветкова Э.И., Дрейпера Ч., Макса Ж., Крауза М., Вошни О. и др.

В настоящее время широкое применение нашли цифровые преобразователи параметров гармонических сигналов, базирующихся на методах цифровой обработки сигналов с применением преобразования Фурье и интегральных выборок на основе теоремы Михотина. Следует отметить, что основными недостатками подобных структур ИПр являются большие временные задержки на получение выборок, что уменьшает частотный диапазон и увеличивает вычислительную сложность алгоритмов, предъявляющих высокие требования к быстродействию используемой элементной базы.

При этом одной из основных по важности и сложности проблем является создание современных преобразователей параметров гармонического сигнала, использующих новые эффективные алгоритмы и структуры, ориентированные на применение вычислительных процедур. Указанная проблема применительно к аналого-цифровым преобразователям широко представлена в работах Авдеева Б.Я., Гаранина Н.М., Переверткина О.М., Южакова А.А. и др. Однако, поиск адаптивных алгоритмов измерения параметров синусоидального сигнала и разработка соответствующих структур ИПр не нашли достаточного отражения в литературе. В диссертационной работе эту проблему предполагается решать за счет применения совместных и адаптивных методов преобразования в реальном масштабе времени.

В работе решается актуальная научно-техническая задача разработки и исследования устройств преобразования параметров синусоидального сигнала и, в частности, алгоритмов измерения и структур преобразователей. Однако в известной нам литературе отечественных и зарубежных исследователей вопросы теоретического и экспериментального исследования преобразователей параметров синусоидального сигнала не получили достаточной проработки.

Целью работы является разработка и исследование структур и алгоритмов цифровых преобразователей параметров синусоидальных сигналов с применением вычислительных операций.

Указанная цель предполагает решение следующих научных задач:

- проведение классификации и анализа способов измерительных преобразований, основанных на применении вычислительных операций;

- разработка способов преобразования амплитуды и частоты синусоидальных сигналов, ориентированных на использование вычислительных операций;

- выполнение исследований функциональных моделей преобразователей параметров синусоидального сигнала;

- разработка алгоритмов преобразования для различных способов реализации механизмов адаптации к частоте синусоидального сигнала;

- построение структур преобразователей параметров синусоидального сигнала.

Методы исследования. В работе использована методология структурного анализа и проектирования, математический аппарат теории вероятностей, алгебры логики, теории автоматов и математического моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- выполнен анализ способов преобразования, основанных на применении вычислительных процедур, с учетом особенностей процесса преобразования параметров синусоидального сигнала;

- предложен способ развертывающего преобразования и исследована функциональная модель преобразователя амплитуды синусоидальных сигналов;

- предложен способ двойного развертывающегося преобразования, обеспечивающий совместное преобразование амплитуды и частоты синусоидального сигнала и исследована функциональная модель совместного преобразователя;

- получены новые алгоритмы широкодиапазонного адаптивного преобразования частоты синусоидальных сигналов, обеспечивающие повышение быстродействия преобразователя и сокращение информационной избыточности формируемого кода; - предложены способы формирования механизмов адаптации по отношению к изменяющейся частоте синусоидального сигнала и проведены исследования моделей широкодиапазонного адаптивного преобразователя частоты.

Корректность полученных результатов теоретически обусловлена приведенными доказательствами и утверждениями. Адекватность полученных расчетных значений доказана на основании экспериментальных данных.

Диссертация выполнена в рамках НИОКР «Разработка алгоритмов преобразования амплитуды сигналов в составе аппаратно-программного обеспечения системы автоматизации испытаний авиационных изделий» (договор № 55/6Д), осуществляемой ЗАО «ИВС-сети» в течение 2003-2005 г.г. с ОАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания». Разработанная система автоматизации испытаний внедрена в опытную эксплуатацию в ОАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания».

Основное содержание изложено в 9 печатных работах [5, 24-27, 47, 52-54] и докладывалось на ряде международных и региональных научно-технических конференциях.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Дурновцев, Сергей Николаевич

5.4. Выводы

1. Разработана и внедрена в опытную эксплуатацию многоуровневая адаптивная система автоматизации испытаний, обеспечивающая адаптивное преобразование с заданной точностью, индикацию, регистрацию и хранение текущих параметров авиационных агрегатов в процессе регулирования, доводки и проверки функциональных характеристик. Опытная эксплуатация подтвердила практическую реализуемость, достоверность, корректность принятых структурных решений преобразователей и эффективность применения для рассматриваемого класса систем предложенных алгоритмов измерения амплитуды и частоты синусоидального сигнала и основных теоретических результатов, полученных в настоящей работе.

2. Предложена аппаратурно-программная реализация преобразователя амплитуды синусоидального сигнала.

3. Апробация разработанных алгоритмов и архитектур в составе САИ в процессе эксплуатации:

- подтвердила полученные теоретические результаты о возможности создания преобразователя амплитуды синусоидального сигнала, обеспечивающего погрешность измерения не хуже 0,1 %;

- показала возможность применения для целей преобразования синусоидальных сигналов мультиплицированного алгоритма преобразования, что повысило пропускную способность в 3 раза по сравнению с многоканальными преобразователями;

- продемонстрировала практическую целесообразность построения адаптивных преобразователей частоты синусоидального сигнала в частотном диапазоне 50-3000 Гц при заданной погрешности преобразователя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенный в работе анализ и классификация методов преобразования, основанных на использовании вычислительных операций позволил сформулировать специфику функционирования современных преобразователей амплитуды и частоты синусоидальных сигналов в составе систем автоматизации испытаний. Показано, что для реализации сформулированных требований к преобразователям амплитуды и частоты необходимо использовать сложные вычислительные процедуры, реализуемые в реальном масштабе времени. Поэтому значительную актуальность приобретают теоретические и прикладные исследования, связанные с разработкой алгоритмов преобразователей амплитуды и частоты синусоидальных сигналов, позволяющих обеспечить достижение высокого быстродействия и точности.

Анализ показал, что для построения преобразователей амплитуды адаптивных по частоте синусоидального сигнала целесообразно использовать метод временного преобразования, т.к. процесс адаптации совмещен с основным процессом преобразования, что позволило обеспечить рост и улучшение характеристик преобразователя амплитуды, а также возможность адаптации его структуры к решаемым задачам и состоянию измеряемого процесса.

Показано, что особое место в создании преобразователей амплитуды синусоидального сигнала представляет реализация преобразователей на основе методов развертывающего преобразования.

Исследование моделей рассматриваемого класса преобразователей амплитуды и частоты синусоидального сигнала показало, что проблема реализации алгоритмов преобразования в режиме реального времени имеет принципиальное значение, а ее решение определяет дальнейший прогресс в теоретических исследованиях и практической реализации.

Проведен анализ и разработка вычислительных процедур преобразователя совместного преобразования амплитуды и частоты, использующих метод Ньютона, модифицированный метод Ньютона, градиентный метод полиномиального разложения функции синуса в ряд. Для указанных вычислительных процедур определены их практические характеристики, определяющие область рационального использования; исследованы ограничения на применение и разработана программная реализация.

Предложены и исследованы структуры преобразователей амплитуды и частоты синусоидального сигнала. Осуществлена их аппаратурно-программная реализация в составе системы автоматизации испытаний. В качестве практического использования результатов приведена реализация структуры системы автоматизации испытаний на современной программно-технической базе, использующей для измерения амплитуды и частоты синусоидальных сигналов разработанные автором преобразователи.

Учитывая вышеизложенное, в диссертационной работе получены следующие результаты:

1. На основе проведенного анализа и классификации способов измерительных преобразований параметров синусоидальных сигналов установлено, что известные преобразователи основываются на использовании вычислительных процедур, базирующихся на применении преобразований Фурье и теоремы Михотина, характеризующихся высокой вычислительной сложностью, значительным временем выполнения, что создает ограничения на их применение для осуществления преобразований в реальном времени.

2. Предложен и разработан способ развертывающего преобразования, на основе которого создана модель преобразователя амплитуды синусоидального сигнала. Особенностью предложенного преобразователя является возможность выполнения измерительных преобразований в течение полупериода синусоидального сигнала, а также относительная простота вычислительных операций в сочетании с невысокими аппаратурными затратами на реализацию. Проведенные на модели исследования позволили определить основные характеристики предложенного преобразователя и оценить рациональные трансформации функции преобразования, направленные на упрощение и ускорение вычислительных процедур.

3. Предложен и разработан способ двойного развертывающего преобразования, на основе которого создана модель совместного преобразователя амплитуды и частоты синусоидального сигнала, обеспечивающего преобразование на время менее полупериода. На моделях исследованы возможности использования различных методов численного решения системы исходных зависимостей и определены рекомендации по их рациональному применению. Разработаны алгоритмы преобразования и структура измерительного преобразователя совместного преобразования амплитуды и частоты синусоидального сигнала. Определены основные характеристики преобразователя.

4. Предложен и разработан способ адаптивного по отношению к изменяющемуся периоду преобразуемого сигнала преобразования «частота-код», обеспечивающий возможность преобразований частоты синусоидального сигналов, меняющей в широком диапазоне. Исследованы и реализованы различные механизмы адаптации эталонной частоты к меняющемуся значению периода синусоидального сигнала. Получены алгоритмы и структурные решения преобразователя. Исследования на моделях позволили установить отсутствие избыточности кода при изменении частоты в широком диапазоне и возможности выполнения преобразований за время, не превышающее половину периода синусоидального сигнала.

5. Разработанные способы измерительных преобразований, алгоритмы и структуры преобразователей параметров синусоидальных сигналов были положены в основу проектирования и реализации модулей измерительных каналов в составе системы автоматизации испытаний сложных объектов. В процессе практической реализации на основе теоретических разработок были реализованы оригинальные решения по созданию мультиплицированных преобразователей амплитуд синусоидальных сигналов от датчиков угловых и линейных перемещений. На основе алгоритмов совместного преобразования реализованы преобразователи параметров сигналов от датчиков вибраций. В целом экспериментальные исследования и опытная эксплуатация САИ подтвердили реальность и эффективность предложенных в работе теоретических положений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дурновцев, Сергей Николаевич, 2007 год

1. Кнорринг В.Г., Солопченко Г.Н. // Измерительная техника. Теория измерений как самостоятельная область знаний: характеризационные цели и задачи - 2003. - №6. - с. 13-17.

2. Цифровые адаптивные информационно-измерительные системы / Б.Я. Авдеев, В.В. Белоусов, И.Ю. Брусаков и др.; под ред. Б.Я. Авдеева и Е.А. Чернявского. СПб.: Энергоатомиздат, 1997. - 368 с.

3. Михотин В.Д., Шахов Э.К, Дискретизация и восстановление сигналов в информационно измерительных системах. Пенза: Пенз. политех, ин-т, 1982.

4. Гельман М.М. Аналого-цифровые преобразователи для информационно-измерительных систем. М.: Изд-во Стандартов, 1989. - 320 с.

5. Белоусов В.В., Дурновцев С.Н. Аналого-цифровые преобразователи амплитуды синусоидального сигнала в цифровой код // Информационные измерительные системы: Сб. науч. трудов. Пермь: ПермГТУ, 2005. -С. 172-176.

6. Цифровые электроизмерительные приборы / Под ред. В.М. Шлян-дина. М.: Энергия, 1972. - 335 с.

7. Гельман М.М. Дискретное преобразование и кодирование широкополосных сигналов // М.М. Гельман, Б.М. Степанов, В.Н. Филиппов. -М.: Радио и связь, 1985. 160 с.

8. Мартяшин А.И. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения / А.И. Мартяшин, Э.К. Шахов, В.М. Шлян-дин. М.: Энергия, 1976. - 106 с.

9. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). Определения, теоремы, формулы. 6-е изд., стер. -СПб.: Издательство «Лань», 2003. 832 с.

10. Хофманн Д. Техника измерений и обеспечение качества: Справочная книга / Пер. с нем. Под ред. Л.М. Закса, С.С. Кивилиса. М.: Энергоатомиздат, 1983. -472 с.

11. Цыпин Б.В. // Машиностроитель. Измерение параметров гармонических колебаний с помощью персонального компьютера 2001. - № 8. -С. 17-19.

12. Угольков В.Н. // Измерительная техника. Методы измерения сдвига фаз и амплитуды гармонических сигналов на основе интегральных выборок 2003. - №5. - С. 52-55.

13. А.С. 966889 СССР. Преобразователь амплитуды переменного напряжения в цифровой код / Кое E.JL, Матушкин Н.Н., Южаков А.А. // Открытия. Изобретения. 1982. № 38.

14. А.С. 2089919 Россия. Устройство для измерения амплитудных и фазовых характеристик гармонических сигналов / Б.Г. Калесхаев // Открытия. Изобретения. 1997. № 9.

15. Шастова Г.А., Коскин А.И. Выбор и оптимизация структуры информационных систем. М.: Энергия, 1972. - 256 с.

16. Цветков А.Г. Принципы количественной оценки эффективности радиоэлектронных средств. М.: Сов. радио, 1971.-201 с.

17. Мизин И.А., Уринсон JI.C., Храмешин Г.К. Передача информации в сетях с коммутацией сообщений. М.: Связь, 1972. - 319 с.

18. Девис Д., Барбер Д., Прайс У., Соломонидес У. Вычислительные сети и сетевые протоколы. М.: Мир, 1982. - 563 с.

19. Моисеев B.C. Системное проектирование преобразователей информации. JL: Машиностроение, 1982. - 255 с.

20. Lawrie D.H. Access and alignmeht of data in an array processor // IEEE Trans. Comput. 1975, v. C-24, No 12, p. 1145-1155.

21. Pease M.C. The indirect binari n-cube microprocessr array // IEEE. Trans. Comput. 1977, v.C-26, No 2, p. 458-473.

22. Patel J.H. Performance of processor-memory interconnections for multiprocessors // IEEE.Trans. Comput. 1981, v.C-30, No 10, p. 771-780.

23. Кондалев А.И., Багацкий B.A., Романов B.A. и др. Преобразователи формы информации для малых ЭВМ. Киев: Наукова думка.- 1982.312 с.

24. Andrievskaja N.V., Baidarov А.А., Durnovtsev S.N. Measurement ob amplitude of harmonious signals // International scientific journal «Acta univer-sitatis pontica enxinus», vol. IV, number 2, 2005. P. 88-92.

25. Андриевская Н.В., Байдаров А.А., Дурновцев С.Н. Измерение амплитуды гармонических сигналов // Информационные управляющие системы / Пермь, ПермГТУ, 2005. С. 153-166.

26. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. - 632 с.

27. Вержбицкий В.М. Численные методы (линейная алгебра и нелинейные уравнения): Учеб. Пособие для вузов. М. Высш. шк., 2000. - 266 с.

28. Бахвалов Н.С., Лапин А.В., Чижонков Е.В. Численные методы в задачах и упражнениях. Учеб. Пособие. / Под. Ред. В.,А Садовничего М.: Высш. шк. 2000.- 190 с.

29. Макаров Е.Г. Инженерные расчеты в Mathcad. Учебный курс. -СПб.: Питер, 2003. 448 с.

30. Матушкин Н.Н. Автореферат докторской диссертации «Методологические и теоретические основы проектирования адаптивных информационно-управляющих систем автоматизации испытаний средств управления газотурбинными двигателями». Пермь, 1997.

31. Матушкин Н.Н., Южаков А.А. Вопросы построения высоконадежных интеллектуальных преобразователей с перестраиваемой архитектурой // Тез. докл. XYIII школы-семинар по техн. диагностике. Пермь, 1994.-С. 37-39.

32. Кон Е.Л., Матушкин Н.Н., Южаков А.А. Адаптивный многоканальный преобразователь измерительной информации // Тез. докл. Всесоюзной НТК "Методы и микропроцессорные устройства цифрового преобразования и обработка информации". -М.: 1985. С. 34-35.

33. Орнатский П.П. Автоматические измерения и контроль. К.: Высш. шк., 1986. - 465 с.

34. Алиев Т.М., Тер-Хачатуров А.А. Измерительная техника. М.: Высш. шк., 1991.-384 с.

35. Адаптивные информационно-измерительные системы потоковой динамической архитектуры. Рук-ль работы Матушкин Н.Н. Программа "Технические университеты": Отчет о НИР / Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 1985.-56 с.

36. Киселев В.А., Кон Е.Л., Матушкин Н.Н., Южаков А.А. Измеритель цифровой скорости. Ас. СССР, № 1007009, БИ № 13, 1983.

37. Идентификация систем управления авиационных газотурбинных двигателей. Под ред. Д.В. Дедина. М.: Машиностроение, 1984. - 200 с.

38. Гитис Э.И., Пискулов Е.А. Аналого-цифровые преобразователи. М.: Энергоиздат, 1981. - 350 с.

39. Протокол Profibus DIN 19245, часть 1,2.

40. Гитис Э.И. Преобразователи информации для электронных цифровых вычислительных устройств. М.: Энергия, 1970. - 400 с.

41. Филиппов В.Г. Цифраторы перемещений. Воен. изд-во, 1965.

42. Южаков А.А. Автореферат кандидатской диссертации «Многоуровневая адаптивная информационно-измерительная система для стендовых испытаний топливно-регулирующей аппаратуры газотурбинного двигателя.-Л., 1987.

43. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы. М.: Энергия, 1974.-320 с.

44. Темников Ф.Е. Теория развертывающих систем. М.: Госэнерго-издат, 1963.

45. Дурновцев C.H. Мультиплицированный преобразователь угловых и линейных перемещений на основе датчиков БСКТ // Системы мониторинга и управления / Пермь, ПермГТУ, 2006. С. 18-22.

46. Шкаликов B.C. Измерение параметров вибраций. М.: Машиностроение, 1970.

47. Дмитриев Ю.Н., Моисеев Т.А., Пестов Н.Н., Суханов Е.Е. Измерительная виброустановка для снятия характеристик и градуировки датчиков вибрации // Информационные управляющие системы. Сб. науч. тр. / Перм. гос. техн. ун-т, Пермь, 2003. С. 167-170.

48. Быховский И.И. Основы теории вибрационной техники. М.: Машиностроение, 1968. - 362 с.

49. Дехтяренко Л.И., Турчаковская Л.Н., Турчаковский А.Н. и др. Теория выбрационных измерений. Киев: Наук. Думка, 1988. - 168 с.

50. Дурновцев С.Н. Измерительный преобразователь параметров вибрации на основе датчика КД // Системы мониторинга и управления / Пермь, ПермГТУ, 2006. С. 23-31.

51. Дурновцев С.Н. Адаптивный преобразователь частота код // Вестник Казанского государственного технического университета имени А.Н.Туполева // 2007г. - №2 - С.35-37.