Измерительные цифровые преобразователи параметров синусоидальных сигналов с использованием вычислительных операций
На правах рукописи
Дурновцев Сергей Николаевич
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ПАРАМЕТРОВ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ
05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Пермь, 2007
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»
| Научный руководитель – | кандидат технических наук, доцент Белоусов Владимир Васильевич, ГУ БР по Пермскому краю. |
| Официальные оппоненты – | доктор технических наук, профессор Тюрин Сергей Феофентович Пермская государственная сельскохозяйственная академия, кандидат технических наук Березняков Сергей Вадимович ОАО «Стар» |
| Ведущее предприятие – | ОАО «Научно-исследовательский институт управляющих машин и систем» |
Защита состоится «30» октября 2007 г. в 1600 на заседании Диссертационного совета Д 212.188.04 при Пермском государственном техническом университете по адресу:
614990, г.Пермь, Комсомольский проспект, 29, ауд. 423б.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Пермского государственного технического университета.
Автореферат разослан «__» __________ 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор технических наук, профессор А.А. Южаков
Общая характеристика работы
Актуальность темы и состояние проблемы
При создании современных систем автоматического управления, автоматизированных систем управления технологическими процессами должны быть решены задачи, связанные со сбором, преобразованием информации, поступающей от первичных источников – датчиков. Растущие требования к точности, быстродействию определяют необходимость в использовании для целей преобразования измерительных преобразователей различных сигналов, среди которых значительную долю занимают синусоидальные сигналы, характерные для датчиков скоростей вращения, вибраций, усилий, перемещений и т.д. Поэтому разработка и создание новых способов, алгоритмов и структурных измерительных преобразователей параметров синусоидальных сигналов, отличающихся повышенной точностью и быстродействием, является актуальной задачей.
Исследования по обеспечению высоких метрологических и эксплуатационных характеристик измерительных преобразователей выполнены в работах известных отечественных и зарубежных ученых: В.Б. Смолова, Э.И. Гитиса, П.В. Новикова, Э.И. Цветкова, Ч. Дрейпера, Ж. Макса, М. Краузе и др.
В последнее время одним из развивающихся направлений исследований является создание преобразователей, использующих в процессе преобразования вычислительные операции, применение которых позволяет достичь удовлетворения требований по быстродействию и точности преобразований. Однако в известных работах Б.Я. Авдеева, Н.И. Гаранина, О.М. Переверткина, А.А. Южакова и др. находят рассмотрение вопросы организации вычислительных процедур применительно к аналого-цифровым преобразователям с использованием методов преобразования, не ориентированных на особенности алгоритмов функционирования и системное сочетание с вычислительными процедурами.
С другой стороны попытки применить в процессах измерительных преобразований традиционные методы вычислений, направленные на восстановление сигналов, влекут за собой усложнение алгоритмов и структур преобразователей, а также характеризуются повышенной вычислительной сложностью, препятствующей зачастую их использованию в условиях жестких ограничений времени преобразования.
Решение проблемы следует искать в создании новых алгоритмов и структур измерительных преобразователей, которые были бы разработаны с учетом выполнения вычислительных операций. Вместе с тем в известной литературе не нашли должного развития и освещения вопросы, связанные с проектированием быстродействующих и высокоточных измерительных преобразователей, основанных на использовании вычислительных операций и учитывающих специфику преобразования параметров синусоидальных сигналов. Отсутствие в настоящее время известных разработок в области построения алгоритмических и структурных решений измерительных преобразователей этого класса требует создания способов преобразований, алгоритмов и структур преобразователей синусоидальных сигналов, основанных на применении вычислительных процедур.
Цель работы
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 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:
- исследование 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.
Практическая ценность работы
Практическая ценность работы, заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы при проектировании современных системных преобразователей параметров синусоидальных сигналов. Практическая значимость состоит также в предложенных способах и алгоритмах преобразования, разработанных типовых структурах преобразователей, обеспечивающих выполнение требований по точности и быстродействию, способах реализации механизмов адаптации по частоте измеряемого сигнала.
Реализация работы
Результаты, полученные в работе, были использованы при проектировании аппаратно-программного комплекса, выполняющего сбор и преобразование информации от первичных источников (датчиков), в составе системы автоматизации испытаний сложных изделий, разработанной для ОАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания» совместно с ЗАО «ИВС-сети». Научно-практические результаты работы были использованы в учебном процессе по специальным дисциплинам специальности 220101 Управление и информатика в технических системах Пермского государственного технического университета.
Основные положения, выносимые на защиту
- способы развертывающего преобразования параметров синусоидальных сигналов;
- алгоритмы преобразования на основе использования вычислительных операций;
- способы реализации механизмов адаптации к частоте синусоидальных сигналов;
- структурная модель адаптивного системного преобразователя параметров синусоидальных сигналов;
- сравнительный анализ эффективности предложенных преобразователей параметров синусоидальных сигналов.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях:
- Дурновцев С.Н., Кулагина М.М. Анализ надежности функционирования деградирующей системы измерительных преобразователей // Тезисы докладов XXXII международной конференции «Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе IT + S&E05». – Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2005. – С. 81-82.
- Белоусов В.В., Дурновцев Д.Н. Измерительный преобразователь параллельной вибрации на основе датчика КД // Тезисы докладов XXXIII международной конференции, IV международной конференции молодых ученых «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе IT + S&E06». – Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2006. – С. 356.
- Белоусов В.В., Дурновцев С.Н. Преобразователь амплитуды синусоидального сигнала в цифровой код // Тезисы докладов XXXII международной конференции «Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе IT + S&E05». – Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2005. – С. 79-80.
Публикации
- 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.
- Андриевская Н.В., Байдаров А.А., Дурновцев С.Н. Измерение амплитуды гармонических сигналов // Информационные управляющие системы / Пермь, ПермГТУ, 2005. – С. 153–166.
- Дурновцев С.Н. Мультиплицированный преобразователь угловых и линейных перемещений на основе датчиков БСКТ // Системы мониторинга и управления / Пермь, ПермГТУ, 2006. – С. 18-22.
- Дурновцев С.Н. Измерительный преобразователь параметров вибрации на основе датчика КД // Системы мониторинга и управления / Пермь, ПермГТУ, 2006. – С. 23-31.
- Дурновцев С.Н. Адаптивный преобразователь частота – код // Вестник Казанского государственного университета имени А.Н.Туполева // 2007г. - №2 – С.35-37.
- Andrievskaja N.V., Baidarov A.A., Durnovtsev S.N. Measurement ob amplitude of harmonious signals // International scientific journal «Acta universitatis pontica enxinus», vol. IV, number 2, 2005. – P. 88–92.
Основные положения и результаты опубликованы в шести печатных работах.
Объем работы
Диссертация содержит 106 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 16 таблиц, список литературы из 54 наименований, 39 листов приложений и состоит из введения, пяти глав и заключения.
Содержание работы
Во введении
Обоснована актуальность применения в системах сбора и преобразования информации от первичных источников преобразователей синусоидальных сигналов, определена необходимость реализации цифровых преобразователей синусоидальных сигналов в классе системных преобразователей, использующих в процессе преобразования вычислительные операции. Сформулированы цель работы, задачи, определены научная новизна и практическая значимость результатов.
В первой главе содержится постановка основных проблем высокоточного и быстрого преобразования параметров синусоидальных сигналов и делается обзор существующих способов их решения.
Определены требования к методам преобразования параметров синусоидальных сигналов в современных системах сбора и преобразования информации от первичных источников – датчиков. Анализ показывает, что применяемые достаточно широко для целей преобразования амплитуды синусоидального сигнала методы прямого цифрового преобразования, обладают существенными недостатками в части обеспечения требований по точности, помехоустойчивости.
Это обстоятельство определило развитие цифровых преобразователей, основанных на применении методов косвенного измерения, обеспечивающих вычисление параметров синусоидального сигнала по временному ряду дискретных отсчетов мгновенных значений. При этом выдвигаются повышенные требования к быстродействию алгоритмов обработки отсчетов временного ряда, удовлетворение которых приводит к снижению точности результатов. В настоящее время значительное число алгоритмов определения амплитуды синусоидального сигналов базируется на вычислительных операциях, различающих обработки отсчетов с использованием преобразования Фурье. Наибольшее применение находит быстрое преобразование Фурье, обеспечивающее существенное сокращение времени вычислений. Однако анализ показывает, что использование вычислительных операций, основанных на преобразовании Фурье, требует значительного времени на вычисления. Кроме того, при выполнении мгновенных отсчетов требуется высокая частота преобразования прямого аналого-цифрового преобразователя (на 4-5 порядков выше частоты преобразуемого синусоидального сигнала). Отсюда возникают ограничения на использование этого метода в случае необходимости измерения параметров синусоидального сигнала частотой несколько килогерц. Кроме того, метод, основанный на преобразовании Фурье, становится неприемлемым при требованиях к измерению параметров за время, не превышающее значение одного периода синусоидального сигнала.
Известные методы и преобразования, обеспечивающие реализацию быстрых алгоритмов обработки, основаны на применении теоремы Михотина для формирования интегральных выборок. Вместе с тем, анализ показал, что точность алгоритма вычислений параметров синусоидального сигнала существенно зависит от точности значений интегральных выборок. Более того, приемлемые по быстродействию расчетов результаты достигаются при использовании аналого-цифровых процессоров.
Получившие в последнее время определенное распространение методы измерения амплитуды синусоидального сигнала с использованием К-отсчетов обеспечивают более простые и быстрые вычислительные операции, однако, требуют эталонного уравновешивающего сигнала, что в свою очередь снижает их возможности по обеспечению высокой точности.
Сопоставление методов преобразования параметров синусоидального сигнала с использованием вычислительных процедур осуществлено с использованием предложенного обобщенного критерия эффективности функционирования (
), представляющего в общем виде сепарательную функцию вида:
, (1)
где 
– весовые коэффициенты;
– приведенная погрешность преобразования;
– приведенные аппаратурные затраты;
– приведенная сложность вычислительных операций.
Выполненное сопоставление методов преобразования с использованием критерия (1) показало, что предпочтительным является метод, основанный на интегральных выборках. Однако указанные выше его недостатки не позволяют достичь его эффективного применения в современных преобразователях параметров синусоидальных сигналов. Фактически в известных отечественных и зарубежных публикациях на сегодняшний день отсутствуют разработки, обеспечивающие высокоточное и быстрое цифровое преобразование основных параметров синусоидальных сигналов – амплитудное значение, частота, фаза.
Проведенный анализ преобразователей параметров синусоидального сигнала построенных по известным методам с выполнением вычислительных операций показал, что актуальным является разработка алгоритмов функционирования и структур системного преобразователя с применением вычислительных операций, обеспечивающего высокую точность преобразования, малые аппаратурные затраты, обладающего большим быстродействием и не требующего уравновешивающего гармонического сигнала.
В заключении главы формируются задачи диссертационной работы.
Во второй главе выполнены разработки алгоритма и функциональной структуры цифрового преобразователя амплитуды синусоидального сигнала.
В основе предлагаемого алгоритма преобразования максимального значения амплитуды синусоидального сигнала в код положен метод получения мгновенных отсчетов с использованием развертывающего преобразования. Нахождение амплитуды сводится к решению уравнения вида:
, (2)
где 
– амплитудное значение синусоидального сигнала; 
– коэффициент наклона линейно изменяющегося развертывающего сигнала; 
– момент равенства во времени развертывающего и преобразуемого сигналов.
Функциональная структура цифрового преобразователя, реализующая предложенный метод представлена на рис. 1.
Рис. 1. Функциональная структура цифрового преобразователя амплитуды синусоидального сигнала
Процесс преобразования осуществляется циклически, в течение полупериода преобразуемого сигнала. В момент 
блок запуска (БЗ) обнуляет счетчик (СЧ), запускает генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) – 
, открывает ключ (КЛ) и импульсы частотой 
начинают подсчитываться СЧ. При достижении равенства 
сравнивающее устройство (СУ) закрывает КЛ. Состояние СЧ в момент 
определяется как 
. Вычислительное устройство выполняет операции по вычислению кода 
в соответствии с функцией преобразования вида:
. (3)
Положительные свойства предложенного метода: малое время преобразования (
); невысокая вычислительная сложность операций по определению 
; малые аппаратурные затраты и возможность реализации в стандартном аппаратурном базисе.
Предложена и реализована методика определения системных характеристик предложенного цифрового преобразователя, основанная на использовании метода цифрового моделирования. Выполненные на цифровой модели преобразователя исследования позволили установить зависимость относительной погрешности преобразования (
) от воздействия различных возмущающих факторов. Определено, что при увеличении частоты (
) и амплитуды (
) сигнала 
возрастает. Установлено также, что при возрастании 
относительная погрешность увеличивается. Вместе с тем при практических диапазонах изменения 
и 
требуемое для обеспечения ограничений вида 
значение 
не превышает нескольких МГц, что позволяет не предъявлять повышенные требования к аппаратурному базису реализации преобразователя.
Исследования составляющих погрешности преобразования, вызванных присутствием в преобразуемом сигнале высших гармоник, было проведено на математической модели преобразователя имитационным моделированием изменения частоты 
. Установлено, что девиация 
на интервале 
в диапазоне 
приводит к возрастанию 
на 0,005, что приемлемо при использовании преобразователя в широком классе промышленных систем автоматизации. Проведенные исследования по упрощению вычислительных процедур, обеспечивающих реализацию функции преобразования (3), позволили установить, что замена функции синуса разложением в ряд делает возможным сокращение числа операций, обеспечивая выполнение требований по точности (при 
= 0,01, число членов ряда составляет 4).
В третьей главе выполнены исследования по разработке алгоритма и структуры преобразователя, выполняющего совместное преобразование амплитуды и частоты синусоидального сигнала на основе предложенного способа двойного развертывающего преобразования и выполнения вычислительных операций.
В основу предлагаемого способа совместного преобразования 
и 
синусоидального сигнала 
положено использование временного развертывания, при котором уравновешивающие величины 
и 
формируются в соответствии с выражениями: 
и 
, где 
, 
и 
(рис. 2). Определение амплитуды и частоты синусоидального сигнала сводится к решению системы уравнений вида (4):
(4)
С учетом процедур кодирования временных интервалов 
и 
, 
, 
. Вычислительное устройство обеспечивает решение системы уравнений (5):
(5)
С использованием модели совместного преобразователя и произведено исследование его системных характеристик. С целью выявления рационального способа решения системы (5) выполнено моделирование работы совместного преобразователя с использованием различных численных способов: метода Ньютона, градиентного метода и модифицированного метода Ньютона. Установлено, что при сопоставимых значениях приведенных погрешностей преобразования и модифицированный метод Ньютона требует существенно большего времени на выполнение вычислительных операций. Отсюда при ограничениях на время преобразования использование этого метода становится неприемлемым при. Применение как метода Ньютона, так и градиентного метода обеспечивает сокращение времени вычислений более чем на порядок, что обеспечивает возможность преобразования синусоидальных сигналов с.
Рис. 2. Процесс совместного преобразования амплитуды и
частоты синусоидального сигнала
В результате исследований на моделях выявлена зависимость точности преобразований 
и 
от отношения 
. Показано, что рациональное отношение 
обеспечивается с учетом принятых значений 
, а также диапазонов изменения преобразуемых параметров 
и 
.
В четвертой главе содержатся постановка и решение задачи разработки алгоритма и структуры адаптивного преобразователя частоты синусоидального сигнала.
Выполненный анализ показал, что выполнение для преобразователей ограничений вида 
и 
в широком диапазоне изменения преобразуемых параметров составляет значительную проблему. Решение может найдено в классе адаптивных системных преобразователей. В основу преобразования положен метод временного преобразования, основанный на подсчете числа периодов эталонной частоты (
) в течение 
периодов 
измеряемой частоты. В общем виде функция преобразования имеет вид: 
. Для традиционных решений характерно постоянство 
и 
во всем диапазоне изменения 
. Однако при этом ограничение вида 
должно быть выполнено на верхней границе диапазона изменения 
. Поэтому 
должно быть выбрано, исходя из обеспечения заданной точности при 
. Отсюда код, формируемый на нижней границе диапазона изменения 
будет содержать значительную избыточность. Оценки показывают, что при диапазоне изменения 
1:500 длина кода
на нижнем пределе содержит практически двойную избыточность. В то же время необходимые значения 
составляют десятки МГц.
Предложенный метод временного преобразования частоты, меняющейся в широком диапазоне, основан на введении адаптации по отношению к величине 
. В качестве зависимой переменной должна приниматься 
, что позволяет выполнить условие 
. Установлено, что формирование текущих значений 
целесообразно проводить на основе некоторого вспомогательного параметра 
, определяемого в процессе преобразования: 
. Рассмотрены возможные способы формирования значений 
. Определено, что предпочтительным является вспомогательный параметр 
, который может быть вычислен, исходя из следующего выражения:
где 
– промежуточная эталонная частота, причем
.
Значение 
максимально при 
и равно величине 
При этом значение 
может быть определено на интервале одного периода – 
. Предложены способы определения значений 
по формируемым значениям 
. Установлено, что при использовании промежуточного параметра 
предпочтительным является мультипликативный способ, при котором 
формируется из 
в соответствии со следующим преобразованием:
, (6)
т.е. формируемое значение 
позволяет оценить величину интервала 
и сформировать 
. При 
, 
, 
и 
. Вид функции преобразования преобразователя предложенным способом формирования параметра адаптации представлен на рис. 3.
Приведем необходимые пояснения начального фрагмента функции преобразования, полагая (для определенности), что fх изменяется от 20 Гц при D = 256. Пусть fх возрастает от 20 Гц. Если 20 fх < 40 Гц, то на этом интервале K1 = 256, 
= 1, следовательно, из (6) fэт = эт min. Формирование кода 
в этом диапазоне осуществляется в соответствии с выражением (6):
= эт min 
; Тх max/2 < 
Тх max.
В точке b1 Тх = Тх max /2, 
= 2 и эт = 2 эт min, т.е. начиная с точки а2 (fх = 40 Гц) формирование кода 
в диапазоне от 40 Гц до 60 Гц производится удвоенной эталонной частотой:
= эт min 2
; Тх max /3 < 
Тх max/2.
В точке b2 
= Тх max/3, значение 
становится равным 3. Начиная с точки a3, формирование кода 
производится утроенной эт min и т.д.
В итоге функция преобразования представляет собой кусочно-составную зависимость 
= F(
). Число участков 
, т.е. определяется диапазоном измеряемого параметра.
Рис. 3. Функция преобразования адаптивного преобразователя
частоты синусоидального сигнала
Характерно, что с возрастанием fх (уменьшением Тх) значения 
(конечные точки участков) асимптотически стремятся к значению эт min Тх max.
За основу логической схемы алгоритма (ЛСА), описывающей процессы в рассматриваемых преобразователях, может быть взята ЛСА, характеризующая процесс в неадаптивных измерительных преобразователях.
С учетом специфических особенностей функционирования адаптивных преобразователей частоты синусоидального сигнала ЛСА в общем виде может быть представлена следующим образом:
,
где 0 – установить в исходное (нулевое) состояние счетчики подсчета Ki и Ni;
Fэт – формировать импульсы fэт;
S1, S2 – добавить единицу младшего разряда к ранее полученному коду (выполняется счетчиками: Сч1(Ki) и Сч2(Ni));
Е – считать двоичные коды со счетчиков Сч1(Ki) и Сч2(Ni);
B – вычислить по соответствующей формуле N =f(Сч1(Ki), Сч2(Ni));
P – логический оператор старт-импульса (начало временного интервала Тх),
P = 1 соответствует началу временного интервала;
P1, P2 – логические операторы стоп-импульсов (конца временного интервала), P1 = P2 = 1 соответствует концу временного интервала.
Ф(Fэт.пр.) – оператор формирования импульсов промежуточной эталонной частоты fэт. пр. ;
С(K) – оператор считывания значения вспомогательного параметра Ki;
Ф(Fэт (K)) – оператор формирования значения эталонной частоты 
.
Следует отметить, что полученный алгоритм преобразования рассматриваемого класса адаптивных преобразователей частоты синусоидального сигнала обеспечивает достаточно простую реализацию в аппаратурном базисе. Преобразователи реализуются на типовых узлах (счетчики, регистры, схемы сравнивания и т.д.).
Особенности функции преобразования N = F(fх) рассматриваемого класса преобразователей, адаптивных к параметрам входного сигнала, выражаются в неоднозначности формируемых на интервале 
значений кода (Ni). Поэтому полученный при завершении измерения отсчет является составным и включает значения Ki и Ni (код измеренного 
). При этом необходимо по известным Ki и Ni найти некоторое N, однозначно соответствующее 
во всем диапазоне измерения Тх. Значение N определяется посредством выполнения операции приведения:
,
где KD – значение K для последнего участка диапазона (в приведенном примере KD = 256). Операция приведения осуществляется вычислителем.
Рассчитанные для случая доп = 0, 1; D = 256; Tx max = 0,05с; fх= (20 5000 Гц) технические характеристики адаптивного и неадаптивного преобразователей приведены в таблице. Их сопоставление позволяет оценить преимущества адаптивного преобразователя.
| № | Технические характеристики | Неадаптивный | Адаптивный |
| 1. | Максимально допустимое Тизм | 0,05 с | 0,05 с |
| 2. | Относительная погрешность | 0, 1 % | 0, 1 % |
| 3. | Диапазон изменения fх | 20-5000 Гц | 20-5000 Гц |
| 4. | Эталонная частота fэт | 5106 Гц | 2104 - 5106 Гц |
| 5. | Макс. значение кода  | 250103 | 1103 |
| 6. | Время измерения | 0,05-0,0002 с | 0,05-0,0002 с |
В целом для предложенного адаптивного преобразователя характерно отсутствие избыточности кода Ni (на нижней границе D), что сокращает затраты на аппаратурную реализацию.
В пятой главе нашли отражение вопросы, связанные с практической реализацией рассматриваемых преобразователей и проведения исследований их характеристик в составе системы автоматизации испытаний. На основе полученных в работе теоретических результатов разработаны аппаратурно-программные модули основных измерительных каналов: скорости вращения, давления, вибраций. При этом использование предложенных алгоритмов и структур адаптивного преобразователя частоты синусоидальных сигналов позволило обеспечить для каналов частоты вращения абсолютное значение погрешности в диапазоне 0,1-2,0 об/мин. в диапазоне частот от 50 до 25103 Гц. Для каналов вибрации погрешность измерения амплитуды составляет 0,1 % в частотном диапазоне 50-3000 Гц. Для каналов угловых и линейных перемещений измерение амплитуды сигналов с датчиков типа БСКТ производится с погрешностью 0,01 %. В процессе практической реализации выполнено расширение полученных алгоритмов преобразования амплитуды для мультиплицированных преобразователей амплитуды синусоидального сигнала датчиков угловых и линейных перемещений. Мультиплицированный преобразователь выполнен в виде функционально законченного модуля, имеет 3 входных канала. Погрешность преобразования составляет 0,01%. Выполнена разработка и осуществлена реализация совместного преобразователя амплитуды и частоты синусоидальных сигналов датчиков вибраций. Исследования модуля указанного преобразователя в составе измерительных каналов вибраций САИ подтвердили его высокие метрологические и эксплуатационные показатели (величина относительной погрешности преобразования амплитуды и частоты составляет 0,01 %).
В заключении сформулированы основные результаты работы.
В приложении содержатся данные исследований на моделях и результаты практических исследований предложенных алгоритмов функционирования и структурных решений преобразователей параметров синусоидальных сигналов.
Основные результаты и выводы
С учетом тенденций развития методов и средств реализации современных измерительных преобразователей в работе решается актуальная научно-техническая задача создания комплекса алгоритмов и структурных решений высокоточных и быстродействующих преобразователей параметров синусоидальных сигналов в код на основе использования в процессе преобразования вычислительных операций.
В работе получены следующие основные результаты:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
- Белоусов В.В., Дурновцев С.Н. Аналого-цифровые преобразователи амплитуды синусоидального сигнала в цифровой код//Информационные управляющие системы: сб. науч. трудов. – Пермь: ПермГТУ, 2005. – С. 172-176.
- Андриевская Н.В., Байдаров А.А., Дурновцев С.Н. Измерение амплитуды гармонических сигналов//Информационные управляющие системы: сб. науч. трудов. – Пермь: ПермГТУ, 2005. – С. 153-166.
- Дурновцев С.Н. Мультиплицированный преобразователь угловых и линейных перемещений на основе датчиков БСКТ // Системы мониторинга и управления / Пермь, ПермГТУ, 2006. – С. 18-22.
- Дурновцев С.Н. Измерительный преобразователь параметров вибрации на основе датчика КД // Системы мониторинга и управления / Пермь, ПермГТУ, 2006. – С. 23-31.
- Дурновцев С.Н. Адаптивный преобразователь частота – код // Вестник Казанского государственного университета имени А.Н.Туполева // 2007г. - №2 – С.35-37.
- Andrievskaja N.V., Baidarov A.A., Durnovtsev S.N. Measurement ob amplitude of harmonious signals // International scientific journal «Acta universitatis pontica enxinus», vol. IV, number 2, 2005. – P. 88–92.
