ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в системах контроля и управления различными объектами в технологических процессах широко применяются измерительные системы (ИС), осуществляющие процесс преобразования информации о контролируемых параметрах объектов в
измерительные сигналы, используемые для формирования команд управления.
На практике, реализация такого процесса выполняется посредством использования измерительных преобразователей (ИП) - датчиков различного назначения.
Нетрудно заметить, что характеристики ИП влияют на точностные характеристики ИС, и естественным образом определяют качество контроля и управления объектами.
Постоянное повышение требований к качеству контроля и управления объектами неразрывно связано с повышением точности выполняемых преобразований в ИП [73], [74], [75].
Основным препятствием на этом пути является инерционность ИП и воздействие помех различного происхождения.
Инерционность ИП определяется физическими свойствами материалов, применяемых для их изготовления, а также особенностями их конструктивного исполнения.
Воздействие помех на объекты естественным образом искажает параметры, контролируемые ИП.
Вследствие этого возникают не прогнозируемые искажения измерительных сигналов.
Отметим, что задача обеспечения требуемого качества контроля и управления может быть успешно решена посредством
подавления действующих помех и компенсации инерционности ИП.
Существующие подходы к её решению позволяют добиться положительных результатов, но так или иначе сводятся в конечном итоге к доработке уже существующих или разработке более совершенных конструкций ИП.
Реализация таких подходов, как правило, отличается высокой сложностью, что в существующих технико-экономических условиях оказывается нецелесообразным из-за больших затрат.
В связи с этим на практике, для компенсации инерционности ИП и подавления действующих помех при минимальных затратах прибегают к структурной коррекции ИС [4], [72].
Её применение практически сводится к введению корректирующих устройств (КУ) в уже существующие ИС.
Свойства КУ выбираются таким образом, чтобы обеспечить степень компенсации инерционности ИП и подавления действующих помех, которая бы обеспечила
точностные характеристики ИС, удовлетворяющие требуемому качеству контроля и управления объектами [10], [41], [79], [98].
Такой подход является наиболее приемлемым вследствие низких затрат на разработку и построение КУ по сравнению с затратами на реализацию традиционных подходов.
Кроме этого, при структурной коррекции ИС не требуется внесение каких-либо изменений в существующие системы контроля и управления.
Выбор свойств КУ сам по себе является важным моментом и на практике сводится к реализации КУ процесса восстановления сигналов, под которым понимается такая обработка выходного сигнала ИП, которая позволяет получить сигнал на выходе КУ, наиболее близкий к входному сигналу ИП.
В этом случае, чем лучше достигается совпадение выходного сигнала КУ с входным сигналом ИП, тем выше степень компенсации инерционности ИП и подавления действующих помех, реализуемая КУ, и, следовательно, тем выше качество контроля и управления объектами.
Актуальность темы диссертационной работы Существующие структуры КУ, отвечая требованиям, предъявляемым к обеспечению необходимой степени компенсации инерционности ИП (от 1,5 до 100 раз), не обеспечивают подавления действующих помех.
Реализация известных подходов, обеспечивающих подавление КУ действующих помех, основана на применении низкочастотной
фильтрации их входных и выходных сигналов, и приводит к существенному увеличению стоимостных затрат на построение КУ [1], [60].
Понятно, что это в существующих технико-экономических условиях накладывает значительные ограничения на применение таких КУ в системах контроля и управления объектами.
Вследствие этого, разработка и построение специализированных КУ, обеспечивающих компенсацию инерционности ИП и подавление действующих помех, представляет собой актуальную задачу, решение которой позволит обеспечить повышение качества контроля и управления объектами при минимуме затрат.
Связь диссертационной 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 диссертационной 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, 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 обработки результатов косвенных измерений, 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 ошибки ИС, содержащей специализированное КУ и доказано, что зависимость результирующей ошибки ИС от параметра регуляризации α имеет экстремум, в котором она становится минимально возможной.
Вследствие этого, разработанное специализированное КУ обладает регуляризирующими свойствами.
Практическая ценность полученных результатов диссертационной работы:
Результаты диссертационной работы позволяют создавать специализированные КУ, которые обеспечивают компенсацию инерционности ИП и подавление действующих помех.
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 существенный и экономический и технический эффекты.
Использование результатов диссертационной работы Результаты диссертационной работы использованы на производственном объекте - технологической линии по производству пищевых продуктов ЧП “СТАСЛА” в г.
Херсоне, а именно: разработан блок компенсации инерционности термопреобразователей, установленных на поверхности
устройства охлаждения дымовых частиц для установки холодного копчения рыбы.
Указанный блок обеспечивает: прецизионный контроль за температурным режимом устройства охлаждения дымовых частиц в ходе технологического процесса; звуковую, цветовую сигнализацию об отклонениях задаваемого температурного режима устройства охлаждения дымовых частиц.
Личный вклад автора В диссертационной работе используются следующие результаты, полученные автором и опубликованные в совместных работах:
- в работах [91], [93] проведена оценка качества обработки специализированным КУ сигналов от ИП и показано, что реализация разработанной методики расчёта параметров специализированного КУ позволяет исключить использование низкочастотной фильтрации его входного и выходного сигналов, а также его декомпозицию на каскады при подавлении
действующих помех и компенсации инерционности ИП, моделируемых апериодическим звеном первого порядка.
- в работе [96] разработана структура специализированного КУ и методика расчёта его параметров.
Доказаны регуляризирующие свойства специализированного КУ;
- в работах [89], [92] проведено экспериментальное исследование точностных характеристик ИС, содержащей специализированное КУ;
Апробация результатов диссертационной работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на второй и третьей украинских конференциях по автоматическому управлению "Автоматика - 95", "Автоматика - 96" [38], [90].
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ [38], [39], [40], [89], [90], [91], [92], [93], [96].
Объём и структура диссертационной работы Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав,
заключения, списка
литературы, и приложения.
Общий объём работы составляет 107 страниц, 33 рисунка, 117 наименований литературы и 1 приложение.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, изложены основные научные и практические результаты работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
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 определены свойства КУ.
Представлена разработанная структура специализированного КУ (аналоговый вариант), для подавления действующих помех и компенсации инерционности ИП.
Разработана методика и получены соотношения для расчёта коэффициентов звена динамической коррекции
Wc(p) при подавлении специализированным КУ действующих помех и компенсации инерционности ИП, моделируемых апериодическим звеном первого и второго порядка.
Проведена аналитическая оценка точностных характеристик ИС, содержащей специализированное КУ, посредством расчёта соотношений для смещённой и несмещённой составляющей ошибки ИС, при реализации специализированным КУ разработанной методики.
Показано, что зависимость результирующей ошибки ИС от параметра регуляризации имеет экстремум, и существует такое значение параметра регуляризации
α, при котором она становится минимально возможной.
В третьем разделе осуществляется переход от аналогового специализированного КУ к его дискретному эквиваленту - цифровому специализированному КУ.
Отмечено, что наиболее эффективным методом, позволяющим добиться высокой адекватности цифрового КУ аналоговому прототипу КУ, является метод декомпозиции, так как он обеспечивает более точное совпадение в точках дискретизации с результатами, полученными с помощью исходной аналоговой ПФ, реализуемой КУ.
Получены разностные уравнения цифрового специализированного КУ, эквивалентные аналоговым ПФ, получаемым при реализации специализированным КУ разработанной методики.
Найдены соотношения для расчёта коэффициентов полученных разностных уравнений.
Отмечено, что разностные уравнения могут быть реализованы программным или аппаратным способом.
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 процесса с нормальным законом распределения на вход КУ соответственно.
Установлено, 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.
Вследствие этого, 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 представлены результаты обработки специализированным КУ сигналов от ИП при реализации полученных соотношений для расчёта коэффициентов звена динамической коррекции
Wc(p).
Для сравнительной оценки приведены аналогичные результаты, полученные посредством использования наиболее близкого аналога КУ без применения низкочастотной фильтрации входных и выходных сигналов.
В заключении представлены основные результаты исследований.
В приложении приведены документы, подтверждающие факты использования результатов диссертационной работы на технологическом объекте.
Основные положения, выносимые на защиту: 1.
Структура специализированного КУ для обработки и результатов косвенных измерений, обеспечивающая подавление действующих помех и компенсацию инерционности ИП.
2.
Математическая модель специализированного КУ и методика расчёта параметров звена динамической коррекции
Wc(p), которые обеспечивают подавление действующих помех и компенсацию инерционности ИП, моделируемых апериодическим звеном первого и второго порядка.
3.
Доказательство регуляризирующих свойств КУ.
4.
Экспериментальные оценки точностных характеристик ИС, содержащей специализированное КУ.
|