ОДЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Задерейко Александр Владиславович

УДК 681.325

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ КОРРЕКТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ КОСВЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В СИСТЕМАХ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05.13.05. - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание научной степени кандидата технических наук

Одесса - 1998

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Одесском государственном политехническом университете на кафедре “Автоматика и управление в технических системах”.

Научный руководитель: доктор технических наук Тихончук Сергей Тимофеевич, заведующий кафедрой автоматики и управления в технических системах Одесского государственного политехнического университета.

Официальные оппоненты : доктор технических наук, профессор Карповский Ефим Яковлевич, проректор Одесского государственного медицинского университета кандидат технических наук, доцент Препелица Георгий Петрович, заведующий кафедрой автоматизации гидрометеорологических измерений Одесского гидрометеорологического института.

Ведущая организация: НИИ “ШТОРМ”, г. Одесса

Защита состоится 9 июля 1998 года в 13:30 часов на заседании специализированного совета Д 41.052.01 по присуждению научных степеней Одесского государственного политехнического университета по адресу: 270044, г. Одесса, проспект Шевченко, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Одесского государственного политехнического университета по адресу: 270044, г. Одесса, проспект Шевченко, 1.

Автореферат разослан 4 июня 1998 года.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В современных системах контроля и управления различными объектами возникает необходимость преобразования их контролируемых параметров в измерительные сигналы, которые используются для формирования команд управления. На практике такое преобразование выполняется в измерительных системах (ИС) посредством использования измерительных преобразователей (ИП) - датчиков различного назначения. Характеристики ИП влияют на точностные характеристики ИС и естественным образом определяют качество контроля и управления. Однако, в силу наличия инерционности ИП и воздействия помех различного происхождения, измерительные сигналы претерпевают непрогнозируемые искажения. Традиционные подходы к снижению таких искажений позволяют добиться положительных результатов, но все они сводятся в конечном итоге к доработке уже существующих или разработке более совершенных конструкций ИП. Кроме этого их реализация, как правило, отличается высокой сложностью и в существующих технико-экономических условиях оказывается нецелесообразной из-за больших затрат.

В связи с этим на практике для обеспечения компенсации инерционности ИП и подавления действующих помех при минимуме затрат прибегают к структурной коррекции ИС. Её применение заключается во вводе в ИС корректирующих устройств (КУ). Свойства КУ выбираются таким образом, чтобы получить сигнал на его выходе наиболее близкий ко входному сигналу ИП. В этом случае возможно достижение такой степени компенсации инерционности ИП и подавления действующих помех, которая в конечном итоге обеспечивает требуемое качество контроля и управления. При этом не требуется внесение каких-либо изменений в системы контроля и управления, а затраты на разработку КУ неизмеримо малы по сравнению с затратами на реализацию традиционных подходов. Рассматриваемая задача компенсации инерционности ИП и подавления действующих помех является частным случаем общей задачи обработки результатов косвенных измерений, которая также может быть решена с использованием КУ.

Существующие структуры КУ, отвечая требованиям, предъявляемым к получению необходимой степени компенсации инерционности ИП (от 1,5 до 100 раз), не обеспечивают подавление действующих помех. Реализация известных подходов, обеспечивающих подавление КУ действующих помех, основана на применении низкочастотной фильтрации их входных и выходных сигналов. Это приводит к существенному возрастанию искажений ИС, а также аппаратных и стоимостных затрат на построение КУ. Вследствие этого, разработка и построение специализированных КУ, обеспечивающих компенсацию инерционности ИП и подавление действующих помех при минимуме затрат, представляет актуальную задачу, решение которой позволит повысить качество контроля и управления объектами.

Связь работы с научными программами, планами, темами

Исследования проводились в соответствии с проектами № 12.3/99, № 1/749, “Гибрид” Государственного фонда фундаментальных исследований Украины с 1992 г. по 1995 г., а также в рамках госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ ОГПУ.

Цель работы и задачи исследования

Цель диссертационной работы состоит в разработке структуры и методики расчёта параметров специализированных корректирующих устройств для обработки результатов косвенных измерений, обеспечивающих компенсацию инерционности измерительных преобразователей и подавление действующих помех, и их использование для повышения точностных характеристик систем контроля и управления.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать структуру специализированного КУ для обработки результатов косвенных измерений от ИП, которая обеспечивает компенсацию инерционности ИП и подавление действующих помех.

2. Разработать методику расчёта параметров специализированного КУ при подавлении действующих помех и компенсации инерционности ИП, моделируемых апериодическим звеном первого и второго порядков.

3. Получить дискретную модель специализированного КУ: разностные уравнения и соотношения для расчёта их параметров.

4. Провести экспериментальную оценку точностных характеристик ИС, при обработке результатов косвенных измерений аналоговым и дискретным вариантами специализированного КУ.

5. Выполнить экспериментальное исследование качества обработки специализированным КУ сигналов от ИП, моделируемых апериодическим звеном первого и второго порядков.

Научная новизна полученных результатов:

1. Разработана структура специализированного КУ для обработки результатов косвенных измерений от ИП, которая обеспечивает подавление действующих помех и компенсацию инерционности ИП.

2. Получены математические модели аналоговой и дискретной реализации специализированного КУ и разработана методика расчёта его параметров, которые обеспечивают подавление действующих помех и компенсацию инерционности ИП.

3. Получены оценки смещённой и несмещённой составляющих ошибки ИС и доказано, что зависимость результирующей ошибки ИС от параметра регуляризации α имеет экстремум, в котором она становится минимально возможной, т.е. разработанная структура специализированного КУ обладает регуляризирующими свойствами.

Практическая ценность полученных результатов:

Результаты диссертационной работы позволяют создавать специализированные КУ, которые обеспечивают подавление действующих помех и компенсацию инерционности ИП. Указанные специализированные КУ ориентированы на применение в существующих либо вновь создаваемых ИС для обработки результатов косвенных измерений, работающих в условиях с повышенным уровнем помех, что даёт существенных экономический и технический эффекты.

Реализация и внедрение результатов

Разработанное специализированное КУ внедрено автором на технологической линии по производству пищевых продуктов ЧП “СТАСЛА” в г. Херсоне в 1997 г.

Личный вклад автора

В диссертационной работе используются следующие результаты, полученные автором и опубликованные в совместных работах:

- в работах [2], [3] проведена оценка качества обработки специализированным КУ сигналов от ИП и показано, что реализация разработанной методики расчёта параметров специализированного КУ позволяет исключить использование низкочастотной фильтрации входного и выходного сигналов, а также декомпозицию на каскады при подавлении действующих помех и компенсации инерционности ИП, которые моделируются апериодическим звеном второго порядка.

- в работе [4] разработана структура специализированного КУ и методика расчёта его параметров. Доказаны регуляризирующие свойства специализированного КУ;

- в работах [6], [7] выполнено экспериментальное исследование точностных характеристик ИС, содержащей специализированное КУ.

Публикации

Основное содержание диссертационной работы отражено в 9 печатных работах, в том числе в 4 статьях, опубликованных в известных журналах и сборниках трудов, в 2 сборниках работ научных конференций, 3 статьи задепонировано.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на второй и третьей украинских конференциях по автоматическому управлению "Автоматика - 95", Львов, октябрь 1995 г., "Автоматика - 96", Севастополь, октябрь, 1996 г.

Структура и объём диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, и приложения. Общий объём работы составляет 107 страниц, 33 рисунка, список литературы содержит 117 наименований, 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и задачи исследований, изложены основные научные и практические результаты работы,

В первом разделе проводится аналитический обзор, в котором рассмотрены информационные аспекты ИС, источники возникновения искажений в ИС, существующие подходы к снижению и компенсации таких искажений, обосновываются задачи работы.

Во втором разделе разработана структура специализированного КУ для обработки результатов косвенных измерений (Рис.1), которая получена посредством введения звена динамической коррекции Wc(p) в цепь обратной связи известного КУ.

Рис. 1. Структура специализированного КУ.

Специализированное КУ реализует передаточную функцию (ПФ):

W_кп = 1 / W_вп(p) + aW_вп(p) - a + 1 + W_с^-1 (1)

где α - параметр регуляризации; W_ип(p) - ПФ ИП, моделируемая апериодическим звеном:

(2)

где T_k - коэффициенты, которые определяются экспериментально и характеризуют инерционность ИП;

W_с(р) - дробно-рациональная ПФ звена динамической коррекции:

(3)

Y(t), B(t) - соответственно входной и выходной сигналы специализированного КУ.

Выполнив необходимые подстановки в (1), запишем характеристическое уравнение специализированного КУ:

(4)

Для эффективной обработки сигналов от ИП, необходимо выбором ПФ звена динамической коррекции W_с(р) достигнуть повышения порядка ПФ ИС на n единиц таким образом, чтобы порядок ПФ звена динамической коррекции W_с(р) был больше, либо равным порядку ПФ ИП (n ≥ k). Величину n необходимо в каждом конкретном случае выбирать с учётом компромисса между повышением эффективности специализированного КУ с одной стороны, и возрастанием затрат на его реализацию с другой.

Для обеспечения апериодичного характера переходного процесса на выходе специализированного КУ, необходимо чтобы все коэффициенты характеристического уравнения (4) были положительными, а его корни были вещественными и отрицательными. Отметим, что коэффициенты T_k в (2) отличны от нуля и задаются априори. Полагая коэффициент h₀≠0, при любом количестве коэффициентов h_i=0 или их сокращении, всегда можно подобрать коэффициенты f_j звена динамической коррекции W_с(р) таким образом, чтобы все коэффициенты при степенях p^j в (4) были положительны. При этом, выбор коэффициентов f_j сводится к нахождению соотношений для расчёта их численных значений.

Получены соотношения для расчёта численных значений коэффициентов f_j звена динамической коррекции W_с(р), которое обеспечивает:

1) Подавление специализированным КУ действующих помех и компенсацию инерционности ИП, моделируемых апериодическим звеном первого порядка.

2) Компенсацию специализированным КУ инерционности ИП, моделируемых апериодическим звеном второго порядка.

3) Подавление специализированным КУ действующих помех наряду с компенсацией инерционности ИП, моделируемых апериодическим звеном второго порядка.

Отмечено, что реализация специализированным КУ разработанной методики расчёта параметров специализированного КУ позволяет исключить его декомпозицию на каскады при обработке результатов косвенных измерений от ИП, моделируемых апериодическим звеном второго порядка.

Получены соотношения для расчёта численных значений смещённой и несмещённой составляющих ошибки ИС, содержащей специализированное КУ при подаче на вход ИП единичного ступенчатого воздействия и случайного нормального процесса на вход КУ соответственно.

Рис. 2. Зависимость результирующей ошибки ИС от параметра регуляризации α.

Определено, что смещённая составляющая ошибки ИС возрастает, а несмещённая составляющая ошибки ИС уменьшается при увеличении параметра регуляризации α. Вследствие этого, зависимость результирующей ошибки ИС (суммы смещённой и несмещённой составляющих) от параметра регуляризации α имеет экстремум, в котором она становится минимально возможной (Рис.2). Тем самым доказано, что специализированное КУ обладает регуляризирующими свойствами.

Для определения параметра регуляризации α возможно использование известных критериев выбора. Далее в вычислительных экспериментах параметр регуляризации α определяется с помощью метода модельных эталонных примеров.

В третьем разделе осуществляется переход от аналогового специализированного КУ к его дискретному эквиваленту - цифровому специализированному КУ. Показано, что оно описывается линейным разностным уравнением:

(5)

где Y_n-j, B_n-j - значения входного и выходного сигналов цифрового КУ в моменты времени (n-j)h;

h - шаг дискретизации по времени;

L_j, K_j - коэффициенты разностного уравнения цифрового КУ.

Отмечено, что наиболее эффективным методом, позволяющим добиться высокой адекватности цифрового КУ аналоговому прототипу КУ, является метод декомпозиции, так как он обеспечивает точное совпадение в точках дискретизации с результатами, полученными с помощью исходной аналоговой ПФ, реализуемой КУ.

Смоделированы КУ на основе разностных уравнений, которые эквивалентны аналоговым ПФ, получаемым на основе соотношений для расчёта численных значений коэффициентов f_j звена динамической коррекции W_с(р), полученных во втором разделе.

Найдены соотношения для расчёта параметров полученных разностных уравнений. Отмечено, что разностные уравнения могут быть реализованы программным или аппаратным способами. Получены соотношения для расчёта численных значений смещённой и несмещённой составляющих ошибки ИС, содержащей цифровое специализированное КУ при подаче на вход ИП единичного ступенчатого воздействия и случайного нормального процесса на вход КУ соответственно. Определено, что смещённая составляющая ошибки ИС возрастает, а несмещённая составляющая ошибки ИС уменьшается при увеличении параметра регуляризации α. Отмечено, что аналогичные зависимости смещённой и несмещённой составляющих ошибки наблюдаются при увеличении шага дискретизации h. Таким образом, шаг дискретизации h является вторым параметром “естественной регуляризации”. Это позволяет при реализации цифрового специализированного КУ получить две степени свободы в выборе параметра регуляризации, что на практике существенно упрощает настройку цифровых КУ, обеспечивающую минимум искажений ИС.

В четвёртом разделе выполнено экспериментальное исследование точностных характеристик ИС, содержащей специализированное КУ. Разработано программное обеспечение в интегрированной среде MATLAB проведены вычислительные эксперименты для численной оценки качества обработки специализированным КУ сигналов от ИП.

На Рис.3 приведены экспериментальные зависимости величины ошибки от параметра регуляризации α для ИС (кривая 1), содержащей специализированное КУ, которое обеспечивает подавление действующих помех и компенсацию инерционности ИП, моделируемых апериодическим звеном первого (Рис.3,а,б) и второго порядков (Рис.3,в,г,д,е). Для сравнительной оценки приведены аналогичные зависимости величины ошибки для ИС (кривая 2), содержащей наиболее близкий аналог КУ (А.с. 1585807 СССР).

В качестве тестового сигнала на вход ИП подавалось единичное ступенчатое воздействие. Воздействие помех имитировалось случайным нормальным процессом с интенсивностью S, равной 5 % и 10 % от амплитуды выходного сигнала ИП.

Анализируя зависимости, приведённые на Рис.3, следует отметить, что применение в ИС разработанного специализированного КУ позволило добиться улучшения её точностных характеристик в 1,1 - 11 раз, по сравнению с ИС, содержащей наиболее близкий аналог КУ.

а) S = 5 % б) S = 10 %

в) S = 5 % г) S = 10 %

д) S = 5 % е) S = 10 %

Рис.3. Зависимость величины ошибки ИС при подавлении специализированным КУ действующих помех и компенсации инерционности ИП, моделируемых апериодическим звеном первого и второго порядка

На Рис.4,а приведен результат обработки специализированным КУ сигнала от ИП, моделируемого апериодическим звеном первого порядка. Для сравнительной оценки приведен аналогичный результат обработки, полученный с использованием наиболее близкого аналога КУ (Рис.4,б). Коэффициент компенсации инерционности ИП выбирался равным 10.

Рис.4. Результат обработки специализированным КУ сигнала от ИП, моделируемых апериодическим звеном первого порядка (1 - выходной сигнал ИП; 2 - выходной сигнал КУ).

Анализируя приведенные результаты обработки на Рис.4 следует отметить, что сигнал на выходе специализированного КУ, имеет меньшую амплитуду помех, чем сигнал на выходе наиболее близкого аналога КУ.

На Рис.5 приведен результат обработки сигнала, получаемого от термопреобразователя, установленного на технологическом объекте - устройстве охлаждения дымовых частиц для производства пищевых продуктов.

Постоянная времени термопреобразователя составляла 10 с. Коэффициент компенсации инерционности ИП выбирался равным 10.

Рис. 5. Результат обработки специализированным КУ сигнала от термопреобразователя (1 - реальная температура; 2 - выходной сигнал термопреобразователя; 3 - выходной сигнал специализированного КУ).

Сравнительный анализ выходного сигнала термопреобразователя (кривая 2) и выходного сигнала специализированного КУ (кривая 3) позволяет сделать вывод о том, что применение специализированного КУ в ИС позволило с высокой степенью точности получить измеряемые значения температур устройства охлаждения дымовых частиц.

Основные результаты исследований:

1. Проведён аналитический обзор наиболее известных КУ и определено, что эти структуры не обеспечивают подавление действующих помех.

2. Разработана структура специализированного КУ для подавления действующих помех и компенсации инерционности ИП, содержащая в цепи обратной связи звено динамической коррекции W_c(p).

3. Разработана методика расчёта параметров специализированного КУ и получены соотношения для расчёта коэффициентов звена динамической коррекции W_c(p) при подавлении действующих помех и компенсации инерционности ИП, моделируемых апериодическим звеном первого и второго порядков.

4. Проведена экспериментальная оценка точностных характеристик ИС, содержащей специализированное КУ, посредством нахождения соотношений для расчёта смещённой и несмещённой составляющих ошибки ИС для его аналоговой и дискретной реализации. Доказано, что структура специализированного КУ обладает регуляризирующими свойствами.

5. Обоснован метод перехода от аналогового специализированного КУ к цифровому специализированному КУ. Получены разностные уравнения, реализуемые цифровым специализированным КУ или программным способом и найдены соотношения для расчёта их параметров.

6. Выполнено экспериментальное исследование качества обработки специализированным КУ результатов косвенных измерений от ИП. Показано, что точностные характеристики ИС, содержащей специализированное КУ, выше в 1,1 - 11 раз объекте - устройстве охлаждения дымовых частиц для производства пищевых продуктов.

7. Реализация разработанной методики расчёта параметров специализированного КУ и полученных соотношений для расчёта коэффициентов звена динамической коррекции W_c(p) позволила исключить декомпозицию специализированного КУ на каскады при обработке результатов косвенных измерений от ИП, моделируемых апериодическим звеном второго порядка.

8. Результаты диссертационной работы использовались при разработке блока компенсации инерционности термопреобразовалелей, установленных на устройстве охлаждения дымовых частиц технологической линии для производства пищевых продуктов ЧП “СТАСЛА” в г. Херсоне.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Задерейко А. В. Динамическая коррекция косвенных измерений // УСиМ. — 1997. — № 4/5. — С. 84 — 86.

2. Тихончук С. Т., Задерейко А. В. Компенсация погрешностей измерительных преобразователей высоких порядков / Тр. Одес. политехн. ун­та. — 1997. — Вып. 2: Автоматика и системотехника. Радиоэлектроника. Экология. Экономика. Гуманитарные науки. — С. 48 — 51.

3. Тихончук С. Т., Задерейко А. В. Динамическая компенсация погрешностей измерительных каналов // Труды УНИИРТ. — 1996. — № 4. — С. 26 — 28.

4. Тихончук С. Т., Задерейко А. В. Специализированное корректирующее устройство для компенсации помех и инерционности измерительных преобразователей // Труды УНИИРТ. — 1997. — № 3. — С. 42 — 45.

5. Задерейко А. В. Динамическая коррекция измерений // Автоматика - 95 : Пращ 2 - I Укр. конф. з автоматичного керування (м. Львів, 26 - 30 вересня 1995 р.). — Льв1в: НВЦ "ШС", 1995. — Т.4. — С. 54.

6. Тихончук С. Т., Задерейко А. В. Динамическая компенсация погрешности измерительных преобразователей // Автоматика - 96: Пращ 3-1 Укр. конф. з автоматичного керування (м. Севастополь, 9-15 вересня 1996 р.). — Севастополь: СевГТУ, 1996. — Т. 2. — С. 173.

7. Задерейко А. В. Динамическая коррекция косвенных измерений / Одесский политехн. ун-т. — Одесса, 1995. Деп. в ГНТБ Украины 28.08.95, № 2005 — Ук95.

8. Тихончук С. Т., Задерейко А. В. Динамическая коррекция погрешностей измерительных преобразователей / Одесский политехн. ун-т. — Одесса, 1996. Деп. в ГНТБ Украины 01.04.96, № 827 — Ук96.

9. Тихончук С. Т., Задерейко А. В. Компенсация инерционности измерительных преобразователей высоких порядков / Одес. политехн. ун-т, — Одесса, 1996. Деп. в ГНТБ Украины 01.04.96. № 828 —Ук96.