Потенциальная точность измерений с коррекцией на основе обратной связи с цифро-аналоговым преобразованием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Бушнак Ахмад Ражаб

• Бушнак Ахмад Ражаб
• кандидат технических наук
• 1995

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бушнак Ахмад Ражаб

Введение.

Глава 1. Итерационные измерения с использованием цифроаналогового преобразователя в цепи обратной связи.

1.1. Состояние проблемы.

1.2. Обшая характеристика исследуемой процедуры измерений.

1.3. Постановка задачи.

1.4. Выводы.

Глава 2. Коррекция погрешности, вносимой аналоговыми звеньями измерительной цепи.

2.1. Характеристики погрешности при постоянном входном воздействии.

2.2. Характеристики погрешности при меняющемся во времени входном воздействии.

2.3. Коррекция процессорной погрешности.

2.4. Выводы.

Глава 3. Количественный анализ характеритик погрешностей результатов итеративных измерений.

3.1. Организация машинного эксперимента (имитационного моделирования).

3.2. Экспериментальная проверка достоверности результатов имитационного моделирования.

3.3. Исследование характеристик погрешностей с помощью имитационного моделирования.

3.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Потенциальная точность измерений с коррекцией на основе обратной связи с цифро-аналоговым преобразованием»

Развитие измерительной техники в настоящее время определяется в основном двумя факторами: неразрывной связью со средствами использования результатов измерений- информационными и управляющими устройствами, и компьютеризацией. Последнее выражается во включении вычислительной мощности в состав измерительной цепи и выполнении части измерительной процедуры в числовой форме. Указанные факторы привели к интенсивному развитию алгоритмического обеспечения измерений и метрологического анализа полученных результатов, что позволяет, во-первых, повышать точность измерений, и, во-вторых, гибко учитывать требования, возникающие при использовании измерительных средств в составе современной информационной и управляющей техники, обеспечивающий автоматизацию научных экспериментов, испытаний и диагностики, мониторинга и управления.

В настоящее время требования, предъявляемые к результатам измерений, а также ограничения, накладываемые на процедуры и средства измерений, все в большей степени вытекают не из конструктивно-технологических возможностей, а из особенности использования результатов измерений и свойств объекта измерений. Вместе с тем, обострилась проблема повышения точности посредством преодоления ограничений конструкторско-технологического характера, поскольку они не позволяют реализовать возможности, открываемые компьютеризацией измерений. При этом определяющими оказываются ограничения, обусловленные несоответствием реализуемых и номинальных характеристик аналоговых измерительных средств (аналоговых звеньев измерительной цепи).

Цель настоящей работы заключается в исследовании возможности коррекции погрешностей из-за отличия реальных характеристик аналоговых звеньев измерительной цепи от номинальных с помощью итеративных измерений. При этом полученные аналоговые сигналы используются в качестве образцовых.

Актуальность подобных исследований определяется необходимостью повышения точности измерений при использовании измерительных устройств , в которых доминирующими являются погрешности, обусловленные отличием реальных характеристик аналоговых звеньев измерительной цепи от номинальных.

В работе помимо вывода расчетных соотношений для оценивания характеристик погрешностей результатов измерений с учетом и без учета погрешности квантования, предложен и исследован алгоритм одновременной коррекции погрешностей из-за отличия реальных характеристик аналоговых звеньев измерительной цепи от номинальных и динамических погрешностей из-за конечности быстродействия квантователя и процессора.

В качестве базовой использован аппарат математической метрологии, сформированный в [2,3,28,29,30], а также машинного моделирования, удостоверенные экспериментально.

Научная новизна заключается: в разработке алгоритмического описания итеративных измерений с коррекцией погрешностей из-за отличия реальных характеристик аналоговых звеньев измерительной цепи от номинальных; в разработке алгоритмического обеспечения метрологического анализа результатов итеративных измерений для постоянных и переменных входных воздействий без учета и с учетом квантования; в исследовании точностных возможностей итеративных измерений с коррекцией; в разработке и исследовании алгоритма одновременной коррекции погрешностей из-за отличия реальных характеристик аналоговых звеньев измерительной цепи от номинальных и динамических погрешностей из-за конечности быстродействия квантователя и процессора.

Практическая ценность работы заключается в разработке математического обеспечения итеративных измерений с коррекцией погрешностей и оценивания характеристик погрешностей. Математическое обеспечение метрологического анализа охватывает расчетные методы, имитационное моделирование и эксперимент.

Достоверность полученных результатов удостоверена экспериментально.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Бушнак Ахмад Ражаб

3.4. Выводы

1. Принятое формализованное описание алгоритма измерений и входных воздействий обеспечивает возможность проведения всестороннего количественного анализа эффективности коррекции с помощью имитационного моделирования.

2. Проведенный метрологический эксперимент подтвердил адекватность принятых моделей реальным объектам и достоверность результатов, полученных с помощью имитационного моделирования.

3. Результаты количественного анализа с помощью имитационного моделирования подтверждают высокую эффективность коррекции погрешностей, вносимых аналоговыми звеньями измерительной цепи при постоянном на интервале измерений входном воздействии.

4. С помощью имитационного моделирования удается провести оценку эффективности коррекции в случаях, для которых не получены расчетные соотношения (например, при случайном aJ и с учетом квантования).

5. При переменном входном воздействии эффективность итерационной процедуры существенно снижается.

6. Результаты имитационного моделирования подтверждают целесообразность одновременной коррекции погрешностей, вносимых аналоговыми звеньями измерительной цепи и динамических погрешностей из-за конечности быстродействия квантователя и процессора при близком к линейному изменению входного воздействия на интервале измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе были получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Впервые проведен детальный метрологический анализ результатов итеративных измерений с коррекцией погрешностей из-за отличия реальных характеристик звеньев измерительной цепи от номинальных;

2. Показано, что использование итеративных измерений с формированием квазиобразцовых сигналов с помощью ЦАП обеспечивает эффективную коррекцию погрешностей, обусловленных отличием реальных характеристик аналоговых преобразований от номинальных;

3.Определены предельные возможности итеративных измерений для постоянных и переменных входных воздействий без учета и с учетом квантования;

4. Проведено исследование эффективности предложенного алгоритма коррекции с подтверждением результатами машинных экспериментов, достоверность которых удостоверена физическим экспериментом;

5. Разработано алгоритмическое обеспечение количественного анализа характеристик погрешностей с использованием имитационного моделирования;

6. Показано, что конечность быстродействия квантователя и процессора приводит к появлению процессорной и итеративной динамических погрешностей, оказывающих влияние на эффективность коррекции погрешностей, вносимых аналоговыми звеньями измерительной цепи, при меняющейся на интервале выполнения итераций измеряемой величине;

7. Впервые проведено теоретическое исследование процессорной динамической погрешности и проведен анализ характеристик погрешностей результатов итеративных измерений с учетом этой компоненты полной погрешности;

8. Предложен алгоритм повышения эффективность итерационных измерений за счет выполнения одновременной коррекции погрешностей, обусловленных отличием характеристик аналоговых звеньев измерительной цепи от номинальных и процессорных и итерационных динамических погрешностей;

9. Определена область применения предложенного алгоритма коррекции процессорных и итерационных динамических погрешностей, основанного на предположении линейного изменения измеряемой величины на интервале измерений, который не может быть использован при существенном отличии этого изменения от линейного;

10. Проведена проверка результатов одновременной коррекции погрешностей, вносимых аналоговыми звеньями измерительной цепи, и процессорных и итерационных динамических погрешностей с помощью машинного эксперимента, который подтвердил результаты теоретических расчетов.

- из

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бушнак Ахмад Ражаб, 1995 год

1. Мирский Г.Д. Микропроцессоры в измерительных приборах.-М. Радио и связь, 1984г

2. Цветков Э.И. Процессорные измерительные средства.-Л., Энергоатомиздат, 1989г.

3. Цветков Э.И. Алгоритмические основы измерений.-СПб, Энергоатомиздат, 1992г.

4. Чернявский Е.А.Недосекин Д.Д.Алексеев В.В.Измерительно-вычислительные средства автоматизации производственных процессов -Л. Энергоатомиздат, 1989г.

5. Саченко A.A., Мильченко В.Ю., Кочан В.В. Измерение температуры датчиками со встроенными калибраторами.-М. Энергоатомиздат, 1986г.

6. Капиев Р.Э. Измерительно-вычислительные комплексы.-Л., Энергоатомиздат, 1988.

7. Земельман М.А. Автоматическая коррекция погрешностей измерительных устройств.-М., изд. стандартов, 1972г.

8. Бромберг Э.М., Куликовский К.Л. Тестовые методы повышения точности измерений.-М., Энергия, 1978г.

9. Алиев Т.Н., Тер-Хачатуров A.A., Шекиханов A.M. Итерационные методы повышения точности измерений. -М., Энергоатомиздат, 1986г.

10. Туз Ю.М.,Литвих В.В. Автоматическая коррекция погрешностей и решение функциональных возможностей цифровых вольтметров и мультиметров. Измерение, контроль, автоматизация. -М., 1988г. №2.

11. Туз Ю.М. Структурные методы повышения точности измерительных устройств.-Киев, Высшая школа, 1976г.

12. Попов В.С.,Шумаров Е.В. Способ коррекции погрешностейсредств измерений // Измерительная техника. -М.,1988, №2.

13. Литвих В.В. Ускорение сходимости итерационных алгоритмов коррекции погрешностей средств измерений // Измерительная техника. -М.,1989 , №1.

14. Чернов В.Г. Методы организации самокаллибровки в устройствах ввода аналоговых сигналов // Приборы и системы управления. -М. , 1990 NF7.

15. Алиев Т.М., Дамитов Д.И., Шекиханов А.М. Индекс эффективности итерационных алгоритмов коррекции погрешностей // Измерительная техника. -М.,1981, №4.

16. Цветков Э.И. Основы теории статистических измерений. -Л., Энергоатомиздат, 1986г.

17. Назаров С.В.,эБасуков А.Г., Измерительные средства и оптимизация вычислительных систем., Москва., Радио и связь 1990г.2222 т

18. Цебрст.М., Контрольно измерительная техкика. Москва., Энергоатомиздат. 1989г.2222222

19. Радченко А.Г. Анализ погрешности время-импульсных ЦАП с автокоррекцией погрешности.

20. Фабиан Л.Э-Х. Коррекция систематических инструментальных погрешностей, вносимых аналоговыми звеньями измерительной цепи. Канд.диссертация, -Л.,1989г.,ТЭТУ.

21. Шестаков А.Л. Коррекция динамической погрешности измерительного преобразователя линейным фильтром на основе модели датчика. Приборостроение, -М., Ы 1991г.

22. Савенков Э.И., Темега А.И., Шаталов A.C. Точность вычислительных устройств и алгоритмов. -М., Машиностроение, 1976г.

23. Желнов Ю.А. точностные характеристики управляющихвычислительных машин. -М., Энергоатомиздат, 1983г.

24. Лубочкин М.М., Павлович М.И., Соболев B.C. Метрологический анализ процессорных измерительных устройств с помощью имитационного моделирования: алгоритмы и требования к программному обеспечению // Измерения, контроль, автоматизация. -М., 1986, т.

25. Лубочкин М.М., Павлович М.И., Соболев B.C. Применение методов имитационного моделирования для метрологического анализа процессорных измерительных средств и их блоков // Измерения, контроль, автоматизация. -М., 1987, №1.

26. Максимей Н.В. Имитационное моделирование на ЭВМ. -М., Радио и связь, 1988г.

27. Крамер Г. Математические методы статистики. -М., ИЛ,1948.

28. Зедгенидзе Г.П., Гогсадзе Г.Ш. Математические методы в измерительной технике.-М. Изд. стандартов, 1970.

29. Стиков А.П. Введение в алгоритмическую теорию измерений.-М., Сов. радио, 1977.

30. Jawarski J. Matematytozne podstawy metrologie -Warszawa, WNT, 1979.

31. Характеристики полной погрешности с учетом округления при считывании и масштабировании

32. Четвертая компонента порождается округлением при считывании. В 3. показано, что отбрасывание q разрядов при использовании арифметики с фиксированной запятой приводит к появлению погрешности

33. Л л* =пд а., -(2Ч '-1) * п ^ г**1 \ (П1.1)1. О! 31 к ' 'причем1. Мдп х* . = (П1.2)1. О! Л 2и

34. Ю1/2ДП А*1 = (2Ч11-1).-^* (П1.3)01 л 2Уз

35. При использовании арифметики с плавающей запятой ql зависит от длины кодовой комбинации (цк), сформированной квантователем, и меняется в следующих пределах1. П1.4)- разрядность мантисты).Н1. При этомч1-х1 2 1 Д Лк

36. МД А . = У--У Г-Д А =(1--)01 5 1 Ь ч,.-ч„ + 1 ^ к ч-чтт + 1ч -1•=-(21 )-Ч„+1 и к ч-ч +1 9о к Н о Н ¿л1. Я =ч.т + 1 ^ Ч~1 ^к ^Н1. П1.5)ю д Л . 01 j 11. Г1а а +11. Чк ЧН1.Г'\Х1. Ч -1- = -(2 1 )1/21. П1.6)а = а -а ) ЧЧ1 Чк чн

37. Поскольку округление при считывании эквивалентно увеличениюинтервала квантоания в 2 раз и появлению систематической погрешности, равной сумме четырех компонент

38. Ю1/2да;. = £ Р1.Ю;/2[ДА;],1=11. П1.12)г а 2'ДАччгде р4=1. Ы(А ) dAj1. Г Ч 2 " Д А ч ч1. Гр-((1-1)2 '.АкЛ - ))

39. При использовании арифметики с плавающей запятой1. П1.13)1. ДА* . = j1ч-чн+11. Д А к1. П1.14)для ю1/2ДАл. также справедливо соотношение (2.68) В случае рассматриваемого сквозного примерад и =кГ 15— -А и.2 1, Са1. А и1Мли . =11. П1.16)

40. При использовании арифметики с фиксированной и плавающей запятой соответствено;1. Ю1/2ди*. = 2 1■А и-j к1 ^ ан~ Са12при а >Са (П1.17) ню1/2ди*. = 2 и1. J к1. Са-а.н1/2при Са>а„ (П1.18)Н

41. При использовании арифметики с фиксированной запятой;ю1/2ди*.J1. А И кч—Ч„+12 н