авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

«Сурков, Денис Михайлович.    Помехоустойчивые методы идентификации информационно­измерительных и управляющих систем ...»

-- [ Страница 2 ] --

в случае аналоговой реализации генератора тестовых сигналов специальной формы возникает проблема, связанная с формированием величин постоянных времени для каждого интегратора, независимо от их схемотехники (классическая схема на ОУ, интеграторы на переключаемых конденсаторах, интеграторы с применением полевого транзистора), обусловленная необходимостью работы всех интеграторов по единой временной диаграмме и обеспечением требуемой точ1юсти результатов процедуры идентификации коэффициентов передаточной функции исследуемого объекта. Для решения этой задачи, а также для обеспечения согласованной работы интеграторов, входящих в состав аналогового генератора тестовых сигналов автором предложено использовать микроконтроллер в качестве устройства управления элементами схемы.

Одними из самых распространённых устройств этого типа являются микроконтроллеры семейства PIC производства компании Microchip (www.microchip.com).

На рис. 20 приведена структурная схема генератора сигналов специальной формы, необходимого для проведения активной идентификации динамических объектов с помощью сигналов в виде время-степенных функций [5].

Устройство содержит источник ступенчатых импульсов 1, его выход подключен ко входу первого коммутатора 2, первый выход которого подключен к первому входу аналогового мультиплексора 11, а второй - ко входу первого интегратора 3, выход которого подключен ко входу второго коммутатора 5, причём первый выход коммутатора 5 подключен ко второму входу аналогового мультиплексора И, а второй - к входу второго интегратора 6, выход последнего подключен ко входу третьего коммутатора 8, первый выход которого подключен к третьему входу аналогового мультиплексора 11, а второй — к входу третьего интегратора 9, выход которого подключен к четвёртому входу аналогового мультиплексора 11, выход которого подключен ко входу исследуемого объекта автоматизации. Кроме этого, устройство содержит цифроаналоговые преобразователи 4, 7, 10, аналоговые выходы которых подключены к интеграторам 3, 6, 9 соответственно, и микроконтроллер 12, порт которого RA2 подключен ко входу источника ступенчатых импульсов 1, порты RB1, RB2, RB3 подключены к управляющим входам коммутаторов 2, 5, 8 соответственно, порты RB4 и RB5 подключены к адресным входам цифроаналоговых преобразователей 4, 7, 10 и к адресным входам аналогового мультиплексора 11, порт RB7 подключен к блоку установки начальных условий 13 для интеграторов 3, 6, 9, Блок установки начальных условий выполнен на основе ключа на полевом транзисторе с управляющим р-п переходом, который соединяет источник постоянного напряжения и конденсатор для его заряда до напряжения, обеспечивающего требуемые начальные условия для всех интеграторов.

RAO 12 RA RA RA RBO RB RB RB RB RB RB RB Рис, 20, Структурная схема формирователя испытательных сигналов:

1-источник ступенчатых импульсов;

2,5,8 -интегральные коммутаторы;

3,6,9 интеграторы с изменяемой постоянной времени;

4,7,10 -цифроаналоговые преобразователи;

11 -аналоговый мультиплексор;

12-управляющий микропроцессор;

13-ключ установки начальных условий Устройство работает следующим образом: после подачи питания перед формированием каждого испытательного сигнала микроконтроллер (PIC16F84) осуществляет установку начальных условий для интеграторов 3, 6, 9, формируя соответствующий управляющий сигнал на линии RB7. Это позволяет свести к минимуму погрешности интегрирования и восстановить начальные условия перед формированием очередного испытательного сигнала.

На линиях RB1 - RB3 микроконтроллера 12 формируются сигналы управления коммутаторами 2, 5, 8, которые подключают интеграторы 3, 6, 9 в зависимости от того, какой иснытательный сигнал необходимо сформировать и подать на вход исследуемого объекта. После этого на линии RA2 формируются сигналы, управляющие работой источника ступенчатых импульсов 1, который формирует первый испытательный сигнал в виде ступенчатого воздействия.

Подача соответствующего сигнала на вход объекта осуществляется с помощью аналогового мультиплексора 11 с управлением по щине 1^С.

Кроме этого, микроконтроллер 12 осуществляет формирование цифрового кода, определяющего величину постоянной времени для каждого из интеграторов 3, 6, 9, который передаётся по шине 1^С на цифроаналоговые преобразователи 4, 7, 10, формирующие аналоговые сигналы управления величинами постоянных времени для каждого из интеграторов 3, 6, 9. В устройстве применяются ЦАП с последовательным вводом по протоколу 1^С, поэтому для передачи данных используется одна линия ввода - вывода RB (SDA), а RB5 используется для формирования тактового сигнала SCL. В отличие от прототипа устройство может работать как в автономном режиме, так и в режиме управления от внешней ЭВМ. В автономном режиме длительность пробных сигналов определяется величиной, запрофаммированной пользователем в ЭППЗУ микроконтроллера 12. В режиме управления от внешней ЭВМ микроконтроллер 12 получает необходимые данные с помощью последовательного интерфейса (шина 1^С). В качестве цифроаналоговых преобразователей в устройстве применяются 8-ми или 12-ти разрядные ЦАП с последовательным интерфейсом, поддерживающие протокол I^C. Выбор данного протокола последовательной передачи данных обусловлен высокой скоростью его работы и простотой аппаратной реализации.

При этом микроконтроллер постоянно работает в режиме "master" (осуществляет формирование тактового сигнала SCL и передачу данных по линии SDA), а остальные устройства в режиме "slave" (приём данных).

Устройство позволяет формировать пробный сигнал в виде ступенчатого воздействия, и три времястепенных пробных сигнала, что позволяет производить идентификацию коэффициентов передаточных функций объектов третьего порядка. В случае необходимости идентификации объектов более высоких порядков необходимо увеличивать число интеграторов.

Генератор сигналов специальной формы на базе PIC - контроллера может работать как в автономном режиме, так и в режиме управления от внешней ЭВМ. В автономном режиме длительность интервала идентификации Т определяется величиной, запрограммированной пользователем в ПЗУ контроллера. В режиме управления от внешней ЭВМ PIC - контроллер получает необходимые данные с помощью последовательного интерфейса (RS 232, шина 1^С). Автономный режим работы может быть использован при идентификации объектов одного класса, исходные данные для формирования сигналов определяются "прошивкой" PIC - контроллера.

В качестве цифроаналоговых преобразователей в генераторе применяются 8-ми или 12-ти разрядные ЦАП с последовательным интерфейсом, поддерживающие протокол 1^С. Выбор данного протокола последовательной передачи данных обусловлен высокой скоростью его работы и простотой аппаратной реализации. При этом микроконтроллер постоянно работает в режиме "master" (осуществляет формирование тактового сигнала SCL и передачу данных по линии SDA), а остальные устройства в режиме "slave" (приём данных).

Программное обеспечение микроконтроллера написано на языке ассемблера для микроконтроллеров PIC и обеспечивает формирование необходимых сигналов управления, а также передачу данных от микроконтроллера к периферийным устройствам по протоколу 1^С.

На рис. 21 приведён график зависимости сопротивления р-п перехода полевого транзистора PF5301 от напряжения на его затворе, полученный экспериментально. К отсчётам был применён алгоритм сплайн - интерполяции, встроенный в программный продукт MatLab.

/иии 1 1 11 • данные интерп J• п 2.6 2:62 2.64 2.66 2.68 2.7 2 72 ^ Рис. 21. Зависимость сопротивления канала ПТ от управляющего напряжения Зависимость является существенно нелинейной и аналитически трудно описываемой, поэтому целесообразпо по экспериментальным данным для конкретного полевого транзистора строить зависимость сопротивления перехода от управляющего напряжения, разбивать весь диапазон изменения сопротивления на необходимое число точек (максимум 256 для 8-ми разрядного ЦАП), по графику определять величину управляющего напряжения, соответствующего необходимой величине сопротивления перехода и составлять массив данных согласно табл. 8, в которую заносить порядковый номер ячейки памяти, величину управляющего напряжения на затворе U^, соответствующую этому номеру и интервал времени идентификации.

Сформированный массив данных записывается в память микроконтроллера (EEPROM) с помощью внешнего программатора. При недостаточном объёме памяти в схему генератора вводятся дополнительные микросхемы EEPROM, объём памяти которых зависит от числа точек, иа которые разбита зависимость иарис. 21.

Табл. 8. Структура данных в ЭСППЗУ(ЕЕРКОМ) микроконтроллера N Т из 1 1 байт байт 256 данных данных В режиме управления от внешнего устройства формирование необходимой величины интервала идентификации может осуществляться как с помощью передачи необходимых данных через последовательный интерфейс, так и с помощью импульсов, подаваемых на один из входов микроконтроллера. В качестве управляющего устройства может выступать внешняя ЭВМ или другое устройство, формирующего заданное число импульсов, соответствующее номеру ячейки памяти, содержащей требуемую величину постоянной времени Т интегратора.

Счёт импульсов может осуществляться с помощью формирования старт условия, после чего активируется процедура счёта импульсов, поступающих на один из входов микроконтроллера. После формирования внешней ЭВМ стоп условия микроконтроллер прекращает счёт импульсов, запоминает их число в регистре, по померу ячейки памяти N считывает восьмиразрядный код U3, соответствующей требуемой величине Т и передаёт этот код на 8-разрядный ЦАГТ по протоколу I2C, в результате чего ЦАП формирует иа затворе полевого транзистора аналоговое управляющее напряжение.

Устройство, блок-схема которого приведена на рис. 20, предназначено для формирования ступенчатого воздействия и сигналов первого, второго и третьего порядков. В случае необходимости формирования сигналов более высоких порядков, необходимо увеличить число интеграторов, а также применить коммутатор и мультиплексор на большее число входов.

в случае применения в генераторе сигналов восьмиразрядных ЦАП с полной шкалой 5В точность при формировании управляющего сопротивлением р-п перехода для каждого из полевых транзисторов U3 составит 20мВ (0.4%).

На рис. 22 приведена электрическая принципиальная схема аналогового генератора испытательных сигналов.

Рис. 22. Электрическая принципиальная схема генератора с применением микроконтроллера Полевой транзистор VT3, включённый как управляемый микроконтроллером ключ, используется для установки начальных условий для интеграторов.

В качестве коммутирующего устройства в генераторе может быть использован аналоговый коммутатор ADG333A, имеющий в своём составе четыре идентичных ключа, управляемых логическими уровнями формируемыми микроконтроллером. В качестве ЦАП могут быть использованы AD5301 (8-ми разрядный), AD5311 (10-ти разрядный), AD (12-ти разрядный). Эти ЦАП предназначены для работы по протоколу I С. В качестве аналогового мультиплексора может быть применён ADG704. Все микросхемы производятся компанией Analog Devices. Характеристики этих микросхем доступны на официальном Интернет-сайте компании www.analog.com. Транзисторы VT1-VT4 типа PF5301, По результатам исследований подана заявка на полезную модель [101].

Для идентификации объектов с запаздыванием в систему идентификации предлагается ввести дополнительно компаратор, сравнивающий текущее значение амплитуды отклика объекта с заданным уровнем срабатывания AU, определяемым необходимой степенью точности измерения времени запаздывапия и счётчик тактовых импульсов, имеющий нулевое значение в начальный момент времени. В момент срабатывания компаратора формируется сигнал окончания работы счётчика, после чего определяется время запаздывания. Фиксация откликов объекта осуществляется в момент времени Т+т, где Т - интервал идентификации, т - измеренное время запаздывания. На основании имитационных экспериментов установлено, что применение методики идентификации коэффициентов передаточной функции с помощью сигналов в виде время - степенных функций для объектов с запаздыванием позволяет получить адекватные результаты.

2.2. Цифровая реализация гсисратора исиытательиых сигиалов Общие принципы формирования испытательных сигналов в виде время степенных функций для случая цифровой реализации генератора рассмотрены в работе [5].

Цифровая реализация генератора испытательных сигналов основана на использовании числовых алгоритмов. На рис. 23 приведена упрощённая структурная схема цифровой системы идентификации динамических объектов [5]. В её состав входят ЦАН, преобразующий код вычисленных на ЭВМ время степенных функций в аналоговый сигнал и АЦП, преобразующий отклик объекта в цифровой код. Так же как и для аналоговой реализации, важнейшим условием формирования время-степенных эталонных сигналов цифровым методом является неравенство нулю в точке регистрации высшей производной эталонного сигнала.

Динамический ЗВМ АЦП объект ЦАП Рис. 23. Структурная схема цифровой системы идентификации В работе [5] показан переход от аналогового к цифровому исполнению генератора тестовых сигналов.

Первый испытательный сигнал ^о L^^e J ~ ^ ' Н^м^кв / • Второй испытательный сигнал "-\) n _Л г Третий испытательный сигнал / s^i Четвёртый испытательный сигнал v,[n т ]= ^ - ^ 1 ^ " - О. [р (2" - \)- п т ] • Где А - амплитуда выходного сигнала генератора;

Т - период времени, в течение которого определяются коэффициенты передаточной функции объекта;

Ткв - период квантования сигналов по времени;

П и последовательность импульсов, П = О, 1, 2,..., (2"-1). Максимальное значение периода Т будет равно и ^тах ='^квV-" ~ Ч^ где п - разрядность ЭВМ.

Также описан алгоритм, реализующий генератор испытательных сигналов, позволяющий экспериментально определять время Т, а также формировать сигналы в виде время-степенных функций. Проведён анализ влияния следующих погрешностей при формировании сигналов в случае цифровой реализации: погрешность, вызванная неравенством показателя степени время степенной функции расчётному значению, погрешности, вызванные ограниченностью размера разрядной сетки и емкостью памяти процессора, погрешности квантования входных даьп1ых и констант постоянного запоминающего устройства, погрешности усечения машинного слова.

Как указывалось выше, для формирования испытательных сигналов в виде время - степенных функций при цифровой реализации используется система на базе ЦАП. Диапазон и метрологические характеристики формируемых испытательных сигналов в этом случае полностью определяются параметрами ЦАП. При использовании современной элементной базы формирование аналоговых сигналов по коду, рассчитанному на ЭВМ, не представляет большой проблемы. Для этой цели могут быть использованы специализированные платы ЦАП. Примером такого устройства может служить плата аналогового вывода ЛА-2ЦАПн15, разработанная Центром АЦП ЗАО «Руднев-Шиляев». Основные характеристики этой платы приведены в приложении 1. При этом использование специализированных плат ЦАП не всегда целесообразно из-за их высокой стоимости и сложности. В настоящее время широко доступны различные модели плат аналогового ввода-вывода для ЭВМ, обладающих, тем не менее, высокими эксплуатационными характеристики. Все эти платы построены на специализированных микросхемах (кодеках), специально предназначенных для кодирования и декодирования сигналов. Они выполняются по схемам преобразователей сигма - дельта [40]. Основные характеристики кодеков ведущих фирм производителей приведены в приложении 2. Таким образом, в составе ЭВМ, плата аналогового ввода-вывода может быть использована для формирования испытательных сигналов, регистрации откликов объекта, обработки полученных данных.

При использовании плат аналогового вывода необходимо помнить о следующих ограничениях:

- большинство плат способны регистрировать и формировать сигналы только переменного тока от нескольких герц до примерно 20 кГц (диапазон обрабатываемых сигналов зависит от конкретной модели) с 16 - разрядной разрешающей способностью. Возможпость применения плат аналогового ввода-вывода в системах контроля и регистрации данных определяется как разрешающей способностью, так и точностью АЦП/ЦАП. В случае недостаточной точности необходимо использовать специализированные платы.

Необходимо отметить, что существует тип плат сбора/обработки данных, называемых динамическими анализаторами, в которых решены проблемы с эффектом наложения частот. Такие платы наиболее распространены на диапазон частот от О до 20 кГц. Характеристики этих плат существенно выше.

Пример такой платы - А2150С фирмы National Instruments.

При использовании платы аналогового вывода в качестве генератора испытательных сигналов и для обработки отклика объекта возникает необходимость её сопряжения с внешними устройствами, а именно преобразователями электрического сигнала в соответствующую физическую величину для подачи на вход исследуемого объекта и преобразователем отклика объекта в электрический сигнал для последующей его обработки.

Необходимо исходить из того, что разрядность АЦП/ЦАП распространяется на полный размах входного/выходного сигнала. Идеальная характеристика преобразования АЦП равна:

N = 31161 •k,-u,, Выходное напряжение 16-разрядного ЦАП равно:

где N - входной/выходной код АЦП/ЦАП со знаком, Uon - величина опорного напряжения, к], кг - коэффициенты передачи, зависящие от типа кодека.

Питание аналоговой части кодеков обычно равно +5 В (стандарт АС' допускает питание аналоговой части +3.3 В), поэтому рабочая точка сдвинута на величину Uon. Для +5 В кодеков значения Uon составляет 2.0 - 2.5 В.

Кроме этого, возможно наличие деления/усиления сигналов по входам или выходам платы. Поэтому значение единицы младшего разряда определяется из амплитуды входного/выходного напряжения (если максимальное действующее значение такого напряжения указано или измерено как 1 В, то для 16 разрядного кодека единица младшего разряда равна (V2^-l)/32767 =43.2 мкВ при усилении / аттенюации О дБ).

Для входных сигналов платы необходим контроль их максимальных значений. Если размах сигнала на входе кодека превысит его напряжение питания, то вероятно возбуждение микросхемы. Чтобы этого избежать, можно использовать диодные ограничители.

В кодеках плат на входе каждого АЦП расположен усилитель с программируемым коэффициентом усиления. Его параметры сильно зависят от типа кодека. Наиболее распространённым вариантом является усилитель с коэффициентом усиления О - 20 дБ и шагом установки около 1.5 дБ. Разброс коэффициентов усиления может достигать 10 - 15 %. Необходимо усиливать сигнал до входа установленной в корпус компьютера платы, что также снижает влияние системных шумов.

Для определения коэффициентов передаточных функций динамических объектов автоматизации один канал платы формирует входное воздействие (непосредственно или через преобразователь), а второй канал - отклик объекта на входное воздействие (также непосредственно или через преобразователь).

Благодаря общему источнику опорного напряжения и высокой идентичности обоих каналов в такой измерительной системе ослабляются погрешности. Разрешающая способность в 16 разрядов обеспечивает высокий динамический диапазон.

Для формирования испытательных сигналов в виде время-степенных функций разработана программа «Генератор время-степенных сигналов», позволяющая формировать на выходе платы аналогового ввода-вывода ЭВМ (т.

н. звуковой платы) испытательные сигналы с требуемой амплитудой и длительностью. Выходные сигналы формируются в виде звуковых файлов формата WAVE. Данный формат был выбран вследствие того, что он является стандартным форматом звуковых файлов в ОС Windows 95, 98, ME, NT, 2000, ХР. Это позволяет использовать программу с любой звуковой платой, работающей под управлением вышеперечисленных операционных систем.

Программа " Генератор время-степенных сигналов " позволяет создавать текстовые файлы, содержащие информацию о сигнале, генерировать WAVE файлы на их основе и проигрывать WAVE файлы. Формирование цифровых отсчётов сигналов осуществляется в соответствии с формулой (6) с учётом заданной частотой дискретизации. Вид основного окна программы показан на рис. 24.

%f Генератор play J50 ^ A(x100) make FPS to wav Help Рис. 24. Вид основного окна программы Управление работой программы осуществляется при помощи кнопок "make" (генерация текстового файла, содержащего отсчёты сигнала), "to wav" (генерация WAVE файла на его основе), "play" (проифывание WAVE файла).

Для задания параметров сигнала используются поля "Т" (длительность интервала идентификации), "А (хЮО)" (амплитуда сигнала в процентах от максимальной, которая определяется типом используемого кодека), "п" (порядок сигнала). Частота дискретизации устанавливается с помощью поля "FPS". Программа имеет встроенную систему помощи, вызываемую при нажатии на кнопку «Help». Вид экрана подсказки приведён на рис. 25.

СПРАВКА Программа "Генератор" позволяет создавать текстовые файлы сшержашие информацию о сигнале, генерировать WAVE Файлы на и« основе и проигровать WAVE Файлы Основное управление осушествляется при тюмощи кнопок "play", "make","to wav".

"play" - проигрывание WAVE файлое "make" • генерация текстового информационного Файла "to wav" - генерация V/AVE Файла Для задания параметров сигнала используются поля " Т ", "А [чЮО]", " п ".ъ 'Т" • период [целое число) 'А (хЮО)" • амплитуда сигнала |в процентах от максимальной) 'п" • порядок сигнала Частсгта дискретизации устанавливается с помощью поля "FPS" Рис. 25. Вид экрана подсказки программы «Генератор время-степенных сигналов»

Основные функции программы реализованы на основе модуля IntToWav.pas, который может использоваться для проигрывания и генерации WAVE файлов.

Модуль позволяет создавать WAVE файлы, используя информационный файл, содержащий значения уровня сигнала выраженные в вещественных числах в дианазоне от -1 до 1. WAVE файл имеет формат Microsoft® PCM бит. Частота дискретизации может задаваться как в файле (первое значение) с данными, так и при генерации файла.

Процедуры модуля:

procedure MakeWave(InFileName:String);

Генерирует WAVE файл, используя данные из заданного файла. Имя выходного файла и частота дискретизации (если не заданна в файле) запрашиваются отдельно;

procedure PlayWave(WaveFileName:String);

Проигрывает WAVE файл, используя компонент TmediaPIayer;

procedure DoMakeWave(InFileName:String;

OutFileName:String;

FPS:LongInt);

Генерирует WAVE файл (имя задаётся пользователем), используя данные из заданного файла. Если FPS (частота дискретизации) не указано, то используется 44100.

Исходный текст программы на языке программирования Delphi 5 приведён в приложении 3.

На рис. 26, 27, 28, 29 показаны испытательпые сигналы, сформированные с помощью программы «Генератор время-степенных сигналов». Для отображения и обработки сигналов использовался пакет программ SpectraPLUS, производства фирмы Sound Technology (www.soundtechnology.com). На веб-сервере компании имеются полнофункциональные пробные версии с лицензией на 30 дней.

Рис. 26. Первый испытательный сигнал (ступенчатое воздействие) PlBlIl* 1 WWjiff,.

"»»

•1 a ff/ofl''" Lew • oMo Рис. 27. Второй испытательный сигнал Ec t * f Л^, a «: »., F, in a П Г 11 J Я) W7ao|50uurj]jj [_ Ц 3000( '1 1 0Ю 1 ::

—j • -.....

Mdoo •40 00( "«9,Ш 0,300 0400 t0 0606 -6.

O.I'OO 0 Trw.,e[g d ) «ISOHi 1 il M Э FFT Рис. 28. Третий испытательный сигнал ^ Lf^ t- ^ [iQQD ] j oios 0.200 0.300 0.400 eelde' oidu oioo i C H;

O 1В Bit Mano FFT09e pl Рис. 29. Четвёртый испытательный сигнал 2.3. Формирование системы иснытательиых сигналов для идентификации объектов иервого и второго норядков Пусть требуется произвести идентификацию коэффициентов передаточной функции объекта автоматизации вида Щр) = (21) Были выбраны следующие значения коэффициентов передаточной функции объекта: К0=0.5, Ь1 = 1, al=0.5.

Расчёты и построение графиков выполнялись в программном продукте MathCad 2000.

Для идентификации коэффициентов ПФ данного объекта необходимо сформировать три испытательных сигнала.

Первый испытательный сигнал представляет собой единичное ступенчатое воздействие, описываемое функцией вида хО(/) = 1 •Ф{1). Отклик объекта на первый испытательный сигнал показан на рис. 30.

1 i 0. 1.

0.83 ;

yO(t) 0. 0.67 \~ 0. j 0. 2. 0.67 1.33 3. Рис. 30. Отклик на ступенчатое воздействие Длительность интервала идентификации Т зависит от свойств объекта и определяется, исходя из величины отклонения амплитуды выходного сигнала объекта в момент времени t=T, от амплитуды того же сигнала в установившемся режиме. В идеальном случае, это отклонение должно быть равно нулю.

При Т=3 с, отклонение в процентах составит:

•100 = 0.3, где хО(Т) - амплитуда ступенчатого воздействия в момент времени t = Т;

уО(Т) - амплитуда выходного сигнала объекта при t = Т.

Второй испытательный сигнал описывается время-степенной функцией x\{t) = — -{T-t). Отклик объекта на второй испытательный сигнал показан на рис.31.

I i ' • i i \ 0. i \ 0. ' 1 ' j. ! ;

\ 0. ! : i 0..— yl(t) 0. 0. 0. 0. :......

-0. -0.2-0. 2.4 2.7 0.3 06 09 12 15 1.8 2. t Рис. 31. Отклик па второй пробный сигнал Третий испытательный сигнал описывается время-степепной функцией x\{t) =—J • (Т -1)^. Отклик объекта на третий испытательный сигнал показана на рис. 32.

0.88 Л 0. 0. •\-- :

0. 1. ;

y2(t) 0. 0.2В 0.16 i :

0. -0.08 — 1 • : • -0.2- 0. 2. 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 2.1 2. t Рис. 32. Отклик на третий пробный сигнал В конце интервала идентификации Т для каждого испытательного сигнала фиксируются величины откликов Уп(Т) объекта, где п - порядок испытательного сигнала. Величины откликов объекта в конце каждого интервала идентификации для первого, второго и третьего испытательных сигналов соответственно равны: '0(Г) = 0.501, у]{Т) =-0Ш2, у2(Т) =-0.026.

Расчётные значения коэффициентов степенного ряда (А = 1):

уО(Т) С0:=- СО =0. С1:=-Т- С1 = 0. С2 = -0. Параметры ПФ объекта:

коэффициент передачи К^ = 0.501;

коэффициенты полинома числителя Ь\ = 0.967;

коэффициенты полинома знаменателя al = ОЛИ.

Погрешности определения коэффициента передачи и коэффициентов полиномов числителя Ы и знаменателя al ПФ составили соответственно 0.1%, 3.3%, 2.3%.

Экспериментальная часть.

В качестве модели динамического объекта была выбрана пассивная RC-цень, схема которой приведена на рис. 33.

R -О о С и, х ивых в R -О Рис. 33. Модель исследуемого объекта На вход данной цепи с выхода звуковой платы ЭВМ подавались испытательные сигналы, сформированные с помощью программы «Генератор».

Параметры сигналов:

длительность - 3 с (выбрана исходя из результатов теоретического расчёта);

максимальная амплитуда сигналов - 2.5 В, Отклики объекта фиксировались и обрабатывались с помощью программы SpectraPLUS, Схема экспериментальной установки приведена на рис, 34. ЭВМ 1 с установленной программой «Генератор» использовалась для формирования испытательных сигналов, ЭВМ 2 с установленным пакетом SpectraPLUS использовалась для фиксирования и обработки откликов объекта на испытательные сигналы. В состав обоих ЭВМ входили звуковые платы, совместимые со стандартом АС'97 (см. приложение 2).

R A», i 1 Г— \ C ЭВМ1 ЭВМ M X Рис. 34. Схема экспериментальной установки Величины коэффициента передачи КО, постоянных времени al, Ы звена и номиналы его элементов связаны следующими соотношениями [33]:

a, = • С учётом приведённых выше соотношений, номиналы элементов звена должны иметь следующие значения: R1=R2=1 МОм, С1=1 мкФ.

Так как реальные величины сопротивлений резисторов и ёмкости конденсатора отличаются от расчётных, были произведены замеры их реальных значений с помощью цифрового мультиметра M890D, имеющего следующие погрешности (в соответствии с паспортными данными прибора):

• при измерении сопротивления в диапазоне до 2 МОм - (±0.8%±1.0);

• при измерении ёмкости в диапазоне до 2 мкФ - (±2.5%±5.0).

Были получены следующие значения: сопротивления резисторов Rl=985 КОм, R2=998 КОм;

ёмкость конденсатора С 1=1.2 мкФ. Таким образом, значения параметров передаточной функции исследуемого объекта равны:

• коэффициент передачи К0=0.497;

• коэффициент Ь1=1.098;

• коэффициент al=0.545.

Форма сигналов, сформированных с помощью ЭВМ 1, последовательно подаваемых на вход объекта, показана на рис. 35, 36, 37.

Ш 1• - - - — 1 » • •тот -•. :

'lOOOW' 1.000 гооо ш Trme (secondal Рис. 35. Ступенчатое воздействие I гв!Тор,(ГтГ)з) tdeo АЧООИ-х QiopDed rostPiocefs 160« More FFT^09E [rte Рис. 36. время-степенная функция первого порядка t g* M.»- View Ct'jm iJptof. i'j-iy ii'.-en.-e i|/tfCw He!p _J З.оао • 'P 3 ^ ^^^^ '"^ ° °'^° *\ i itri '•'*' [^ ^' cent full Sc«le Tinie(sMona3) Post Process 441Q0hU leBil Mono Frr4056Dlv Наг Рис. 37. Время-степенная функция второго порядка Отклик объекта на первый испытательный сигнал показан на рис. 38. При Т=3 с, отклонение амплитуды отклика объекта на единичное ступенчатое воздействие от амплитуды этого же отклика в установившемся режиме составило 0.5%.

IMICrttnnel I lOGOoei^ 2 0.1) Petcent -GO 000 • з' • ЮОООГ гопэ ) tioQ Рис. 38. Отклик объекта на единичное ступенчатое воздействие Величина отклика объекта в конце интервала идентификации в момент времени t=T составила 0.496.

Отклик объекта на второй испытательный сигнал показан на рис. 39.

Величина отклика в момент времени t=T составила -0.088.

LeflChinnei ES "^•"• "" " " ' ^' ICO ODD ч n 1 " ^ ^ " ^ • ^ ^ ^ ^ ^ ^ OQOO -saoDO •100 ООП o.doQ Рис. 39. Отклик объекта на второй испытательный сигнал Отклик объекта на третий испытательный сигнал показан на рис. 40.

Величина отклика в момент t=T составила -0.034.

Рис. 40. Отклик объекта на третий испытательный сигнал Таким образом, получили у0(Т)=0.496;

у1(Т)=-0.088;

у2(Т)=-0.034.

Значения коэффициентов степенного ряда:

' = 0. =-И = 0. = -0. С, = 2Т [ 1А Коэффициенты передаточной функции объекта:

А: ^ С„ = 0. а, = '-— = 0. 2-(-С,) + a, =1. =^ Погрешности определения коэффициентов передаточной функции объекта с учетом отклонений номиналов сопротивлений резисторов и ёмкости конденсатора, составили 0.4% для коэффициента передачи к, 6% для коэффициента полинома числителя Ы, 7% для коэффициента полинома знаменателя al. На рис. 41 приведены отклики объекта с расчётными значениями коэффициентов передаточной функции (yl(t)) и с определёнными в результате эксперимента (y2(t)).

V 0.2 — • 0. t.c 0. 0 1 2 Рис. 41. Сравнение откликов объекта на единичное ступенчатое воздействие:

1-рассчётный отклик;

2-отклик, полученный в результате идентификации Пусть требуется произвести идентификацию объекта второго порядка, описываемого передаточной функцией вида (22) W{p) = -р +\ cu Для идентификации коэффициентов передаточной функции данного объекта необходимо сформировать следующие испытательные сигналы:

• единичное ступенчатое воздействие;

• время-степенная функция первого порядка;

• время-степенная функция второго порядка.

Были выбраны следующие значения коэффициентов передаточной функции объекта : а2=1, а 1=2.

Отклик объекта на ступенчатое воздействие приведен на рис. 42.

Длительность интервала идентификации Т была выбрана равной 9 секундам.

При этом отклонение амплитуды отклика на единичное ступенчатое воздействие в момент времени t=T ('о(Г) = 0.999) от амплитуды того же отклика в установившемся режиме {х^(1) = \) составило (в процентах) 1, 1. !

j 0. !

yO(t) 0. 0. 0.2 — Ло 333 1.67 6.67 8. A jOj t Рис. 42. Отклик объекта на первый испытательный сигнал Отклик объекта на второй испытательный сигнал приведён на рис. 43.

Величина отклика объекта в конце интервала идентификации составила у,(Т) = 0.22\ А I) Рис. 43. Отклик объекта на второй испытательный сигнал Отклик объекта на третий испытательный сигнал приведён на рис. 44.

Величина отклика в момент времени t = Т составила Уг^^) - 0.073.

J 553^ !

0. / 1 \ !

у2(1) 0. 0. / Aо A Рис. 44. Отклик объекта на третий испытательный сигнал Расчётные значения коэффициентов степенного ряда составили:

А л, (Т^ С =-Т С, = 2! = 5. 2А Коэффициенты передаточной функции объекта идентификации к = Со= 0. а, = а, = а ' - ^ = 1. ' 2\-к ' Погрешности определения коэффициентов передаточной функции составили:

для коэффициента передачи - 0.1%, для коэффициентов полинома знаменателя - 1% (для al), 2% (для а2).

Экспериментальная часть.

В качестве модели объекта второго порядка использовалось последовательпое соединение двух интегрирующих звеньев, описываемое передаточной функцией вида W(s) = При проведении эксперимента постоянные времени интеграторов были выбраны равными, то есть Г, = Tj. Тогда передаточная функция исследуемого объекта примет следующий вид:

Таким образом, имеем и а^=Т^+Т^. Схема экспериментальной aj=T{rj установки приведена на рис. 45.

Известно, что постоянная времени интегрирующего звена определяется как T=RC. Номиналы сопротивлений резисторов R1, R2 и ёмкостей конденсаторов С1, С2 были выбраны следующими: R1=R2=1 МОм и С1=С2= мкФ. Таким образом, получили а^ = TJ'.^ = 1 и а, = Г, +Г2 = 2.

Как указывалось выше, реальные величины сопротивлений и ёмкостей отличаются от выбранных, поэтому с помощью цифрового мультиметра M890D (погрешности измерений которого также приведены выше) были произведены измерения номиналов элементов, входящих в схему на рис. 45. Номиналы элементов составили Rl=l.l МОм, R2-994 КОм, С 1=1.05 мкФ, С2=0.92 мкФ.

ЭВМ = С Рис. 45. Схема экспериментальной установки Испытательные сигналы, подаваемые на вход исследуемого объекта, показаны на рис. 46, 47,48.

Full Sca -100 0,00! 6.000 r,000 8, Рис. 46. Единичное ступенчатое воздействие lellClijn 100. •Ш 50. 1 ~^^^^^- ^^_ I I a •so.ooo I •,100. 2090 3.000 «dte 1000 ;

000 a 00»

0.000 1.000 5, Time teaco Рис. 47. Время-степенная функция первого порядка Lefl Channel 100. '•^•---^ -—,;

_..1..

.

-50.000 \ " I i -1QOOOO 6 0,Cf}0 1 000 2.000 3C..000 SOOO 6.000 7 Time attmm Рис. 48. Время-степенная функция второго порядка С помощью программного продукта SpectraPLUS фиксировались отклики объекта идентификации на испытательные сигналы.

На рис. 49 приведён отклик объекта на первый испытательный сигнал. В конце интервала идентификации, то есть в момент времени t=T=9c, была зафиксирована величина амнлитуды отклика, равная 0.99027. На рис. приведен отклик объекта на второй иснытательный сигнал. Величина отклика в конце интервала идентификации составила 0.21411.

LeilCtiannEl 100 " баооо / i i 5 0. i - i ;

•50. T" " •• i !

-100. t.OO0 2 ODD 0.000 эоао 4 000 sooo 6 000 7.000 eooo Time (eeconds) Рис. 49. Отклик на первый испытательный сигнал На рис. 51 приведён отклик объекта на третий испытательный сигнал.

Величина отклика в конце интервала идентификации составила 0.06423.

3.000 4000 5.000 6,0QO 7.000 Э.ООО Т1та l i M l ^ Рис. 50. Отклик на второй испытательный сигнал 50 000 \ " O.ODO I 6.000 7,000 9. Рис. 51. Отклик на третий испытательный сигнал Таким образом, значения откликов объекта идентификации на испытательные сигналы в конце каждого интервала идентификации составили уО(Т)= 0.99027, у1(Т)= 0.21411, у2(Т)= 0.06423. Значения коэффициентов степенного ряда:

Co = =-1. = 5. 2-А Значения коэффициентов передаточной функции объекта:

к = Со= 0. с, = 1. а, = о/- 1. 21к Погрешности определения коэффициентов передаточной функции объекта с учетом отклонений номиналов сопротивлений резисторов и ёмкости конденсатора, составили 1% для коэффициента передачи к, 5% для коэффициента полинома числителя al, 6% для коэффициента полинома знаменателя а2. На рис. 52 приведены отклики объекта с расчётными значениями коэффициентов передаточной функции (yl(t)) и с определёнными в результате эксперимента (y2(t)).

0. О 2.33 4. Рис. 52. Сравнение откликов объекта на единичное ступенчатое воздействие:

1-рассчётный отклик;

2-отклик, полученный в результате идентификации 2.4. Формирование системы исиытательиых сигналов для идеитификации моделей следящего иривода и автоматической системы сонровожцения объекта но ианравленню с иомощью цифровых иснытательных сигналов На рис. 53 иоказана структурная схема следящего нривода [И]. Первое звено в системе представляет собой потенциометр, входной величиной которого служит ошибка 5, а выходной-напряжение U5, подаваемое на вход усилителя. Это звено является безынерционным с коэффициентом передачи S• к, К S Рис. 53. Структурная схема следящего привода Второе звено представляет собой электронный усилитель, который также и.

можно считать безынерционным, с передаточным коэффициентом Третье звено - исполнительный двигатель и редуктор. Входной величиной этого звена является напряжение Uy, а выходной — угол поворота 9вых- За выходную величину третьего звена обычно принимают угловую частоту вращения выходного вала со, а затем добавляют интегрирующее звено.

Передаточная функция третьего звена К.

а передаточная функция интегрирующего звена *^ii -~.

Передаточная функция замкнутой системы для выходной величины D где D=K,K2% Аппроксимирующая функция имеет вид:

W(p) = + а,р + Г Для проверки алгоритма идептификации данной структуры системы автоматического управления примем следующие значения параметров звеньев, входящих в состав системы: Ki=2;

К2=3;

Кд=1.3;

T]vi=0.5. Коэффициенты передаточной функции системы с учётом выбранных выше значений равны:

Й2= — = 0.064;

а, = — = 0.128;

к = ].

Модель следящей системы приведепа на рис. 54.

п 1.3 • 1 • Tiansfsi Fen Подсистема Time формирования сигналов Scope Clod Display Рис. 54. Модель следящего привода в системе Simulink На исследуемую модель сигналы подаются с помощью подсистемы формирования сигналов, схема которой приведена на рис. 55. Система состоит из управляемого переключателя и подсистем чтения сигналов Signal_l-Signal_ (рис. 56) из соответствующих WAV-файлов. Сигналы сформированы с помощью программы «Геператор испытательных сигналов» и сохранены в формате WAV.

•-П Рис. 55. Подсистема формирования сигналов Ffom Wave File • ^ speech_dft.iAiav (22050Hz/1Ch/18b) Unbuffer Buffer From Wave File Рис. 56. Подсистема чтения данных из WAV -файлов Для идентификации объекта данной структуры необходимо сформировать три иснытательных сигнала. По результатам отклика системы на единичное стуненчатое воздействие интервал идентификации Т принимаем равным 8 с.

Отклики объекта на соответствующие воздействия составили X, =0.01591;

Хз =-0.00162;

Значения коэффициентов степенного ряда составили с.= -0. -0. Значения коэффициентов передаточной функции рассчитаны по формулам, приведённым в [5] для выбранной аппроксимирующей функции:

a, = - - ^ = 0.127;

= 0.068.

2!С„ Погрешности при определении коэффициентов передаточной функции следящей системы составили 0.5% для к, 1% для ai, 6% для аг.

Сравнение откликов на единичное ступенчатое воздействие показано на рис.

57.

А 1. / 0. t.c О о 1.67 3.33 Рис. 57. Переходные процессы следящего привода:

1-рассчётный отклик;

2-отклик, полученный в результате идентификации Рассмотрим процедуру идентификации приводов автоматической системы слежения за объектом по направлению (АСП), входящую в состав информационно-измерительной системы радиотелескона [45]. Структурная схема привода (азимутального, угломестного) представлена на рис. 58.

и Рис. 58. Структурная схема АСН Система содержит три обратные связи: по напряжению электромашинного усилителя (ЭМУ), по току и по частоте вращения двигателя. Первые две из них могут быть как положительными, так и отрицательными. Последняя обычно является отрицательной [И], Пренебрегая постоянными времени обмоток управления ЭМУ и электромагнитной постоянной времени цепи якоря исполнительного двигателя и тахогенератора, можно записать передаточные функции звеньев системы:

К.

• ЭМУ • ^л Стабилизирующий трансформатор является дифференцирующим звеном, j^ передаточная функция которого может быть принята:

Передаточная функция звена, осуществляющего положительную обратную связь по току нагрузки:

Так как обратные связи по частоте вращения, току нагрузки и обратная связь по напряжению ЭМУ включены на разные обмотки, необходимо привести их сигналы к задающей обмотке ЭМУ, После соответствующих подстановок и преобразований получим передаточную функцию замкнутой системы в виде, (23) где зависящие от Т'^=Т^^+К^,,уК'^;

P = \-Kj,,yr^;

К = К^^^уК^^К',,,., конструктивного исполнения системы.

Для проверки алгоритма идентификации объекта данной структуры примем следующие значения его параметров: Кэму=1;

Tq=l,5;

Кд=1,3;

Тм=0.5;

Кос=2;

Кс=2;

Гш=0,5, На рис. 59 показана модель системы в среде моделирования Simulink, входящей в состав MatLab 6.0.

По результатам отклика системы на единичное ступепчатое воздействие принимаем интервал идентификации Т равным 10 с. Аппроксимирующая функция замкнутой системы выбрана вида W(p) = — ClotK Oain OS Рис. 59. Модель АСН в системе Simulink Коэффициенты аппроксимирующей передаточной функции с учетом (23) определяются следующим образом:

(24) к = -ар;

Т' 6,=-^;

(25) (26) а, = К + р ' (27) К+р Для идентификации коэффициентов передаточной функции объекта необходимо сформировать три испытательных сигпала. Отклики объекта на соответствующие воздействия составили ^0 =0.4193;

X, = 0.0507;

X^ = 0.0079;

Xj =0.0012.

Значения коэффициентов степенного ряда составили с.

0 -0. 0 -1 Значения коэффициентов передаточной функции рассчитаны по формулам приведённым в [5] для выбранной выше аппроксимируюш,ей функции:

yt = Со =0.419;

QC СС 2! = 1.253;

3!

а, = 2!

J 3! = 0.575;

' СС 2!

6, = а, + - ^ = 0.044.

Сравнение откликов на единичное ступенчатое воздействие ноказано на рис. 60.

0. 0. 0. t,c О 1.33 2.67 Рис. 60. Отклики системы АСН:

1 -рассчётный отклик;

2-отклик, полученный в результате идентификации По рассчитанным значениям коэффициентов ПФ с учётом (23) -(27) нетрудно рассчитать коэффициенты передаточных функций динамических звеньев, входящих в состав системы регулирования. Погрешности при определении коэффициентов передаточной функции АСН составили: 1% для к, 4% для аь 3% для аг, 5% для Ь].

Выводы:

Во второй главе рассмотрен вариант аналоговой реализации генератора испытательных сигналов на каскадно соединённых интеграторах, приведены погрешпости формирования испытательных сигналов в зависимости от нестабильности напряжения питания, параметров операционного усилителя, номиналов элементов интеграторов, указаны недостатки такой реализации.

Рассмотрен вариант реализации генератора на переключаемых конденсаторах, указаны достоинства и недостатки такого решения. Предложен вариант реализации интегратора с изменяемой постоянной времени на основе управляемого напряжением нелинейного элемента, предложен способ линеаризации характеристики нелинейного элемента, произведена оценка отклонения этих характеристик от линейных. В качестве устройства управления интеграторами предложено использовать микроконтроллер. Описан алгоритм работы последнего, разработана электрическая принципиальная схема аналогового генератора испытательных сигналов.

Рассмотрены принципы формирования испытательных сигналов в виде время-степенных функций в случае цифровой реализации, в качестве устройства формирования сигналов предложено использовать звуковую плату для ЭВМ, имеющую в своём составе ЦАП и АЦП, рассмотрены достоинства и недостатки применения звуковых плат. Приведено описание разработанной автором программы «Генератор испытательных сигналов», позволяющей формировать сигналы для активной идентификации объектов автоматизации.

Рассмотрен программный продукт SpectraPLUS, позволяющий фиксировать и обрабатывать отклики объекта на испытательные сигналы. С помощью программы произведена процедура идентификации моделей объектов автоматизации в виде RC-цепей первого и второго порядков. С помощью сформированных профаммой сигналов произведена идентификация моделей следящего привода и автоматической системы регулирования частоты вращения вала двигателя с электромаши1П1ым усилителем. Рассчитаны пофешности определения коэффициентов передаточных функций для каждого объекта.

ГЛАВА 3. Эксиеримептальное определение коэффициентов передаточной функции объекта при паличии иомех Независимо от способа реализации генератора испытательных сигналов на практике часто приходиться сталкиваться с тем, что измеряемые сигналы сильно перемешаны с шумом, который может быть вызван различными внешними воздействиями или собственными шумами элементов схемы [35].

Поэтому возникает необходимость принятия мер по выделению полезного сигнала. В общем случае, эти меры направлены на увеличение отношения сигнал/шум.

В настоящем эксперименте мной рассматривалась возможность проведения идентификации коэффициентов передаточной функции объекта при наличии шумового сигнала. Схема эксперимента приведена на рис. 61, где Noise Generator- встроенный в пакет SpectraPLUS генератор шума.

Рис. 61. Схема экспериментальной установки Фильтрация зашумлённых откликов объекта осуществлялась с помощью программного продукта ASIA Version 2.12, Copyright © 1998, Written by: Jack Arditti, Alex Shechter, Eran Richardson, Yinon Levy. Данная программа является свободно распространяемой.

Пусть требуется произвести идентификацию объекта, описываемого передаточной функцией (21). Форма испытательных сигналов, подаваемых на вход объекта, приведена на рис. 46, 47, 48. Отклик объекта на первый испытательный сигнал показан на рис. 62. Соотношение сигнал/шум (SNR Signal to Noise Ratio) определялось с помощью SpectraPLUS и составило -3. Дб.

Рис. 62. Зашумлённый отклик на ступенчатое воздействие Так как задача идентификации является некорректной, малая погрешность измерения амплитуды отклика при наличии шумовой составляющей в сигнале приведёт к существенной погрешности определения коэффициентов передаточной функции исследуемого объекта. Очевидно, что для точного измерения амплитуды отклика объекта в конце первого интервала идентификации необходимо выделить полезный сигнал, то есть увеличить отношение сигнал/шум.

4.1. Обработка откликов объектов методами иизкочастотиой фильтрации Для этой цели решено было применить фильтр низких частот с конечной импульсной характеристикой (FIR Low pass filter). Чтобы определить параметры фильтра, с помощью программы SpectraPLUS были получены спектры защумлённого (рис. 63) и не защумлённого (идеального) (рис.64) откликов объекта на первый испытательный сигнал. Форма идеального отклика показана на рис. 38. Сравнив спектры этих откликов, было принято решение использовать фильтр низких частот со следующими характеристиками: верхняя частота фильтра 200Гц, затухание в полосе пропускания 0.02 Дб, затухание за пределами полосы пропускания - 50 Дб.

Рис. 63. Спектр первого защумлённого отклика Рис. 64. Спектр первого не защумлённого отклика После произведения процесса фильтрации с помощью программы ASIA, был получен сигнал, вид которого показан на рис. 65.

Рис. 65. Отклик объекта после фильтрации Амплитуда отклика объекта, подвергнутого фильтрации, в конце первого интервала идентификации составила 0.43796.

Рис. 66. Отклик объекта на второй испытательный сигнал На рис. 66 приведён отклик объекта на второй испытательный сигпал.

Используя аналогичные рассуждения и сравнивая спектры зашумлённого (рис.

67) и не зашумлённого (рис. 68) откликов объекта, было решено использовать ФНЧ со следующими характеристиками: верхняя частота фильтра 400Гц, затухание в полосе пропускания 0.02 Дб, затухание за пределами полосы пропускания - 50 Дб.

-MS jtft& IMS M ' iO ' i d ' 100 2^0 3U0. ' V»'m l.№' \.^ FteooannlHii Рис. 67. Спектр второго зашумлённого отклика 5С та 106 m зоо soo тоо i k юн з о к s o n TOXIUO»

за Рис. 68. Спектр второго не зашумлённого отклика В результате был получен сигнал, показанный на рис. 69. Амплитуда отклика в конце второго интервала идентификации составила -0.12996.

Рис. 69.0тклик на второй испытательный сигнал после фильтрации На рис. 70 приведён отклик объекта на третий испытательный сигнал.

Параметры ФНЧ: верхняя частота фильтра 500Гц, затухание в полосе пропускания 0.02 Дб, затухание за пределами полосы пропускания - 50 Дб.

Рис. 70. Отклик объекта на третий испытательный сигнал.mi - 1 —*-!

30 50 70 tO( Рис. 71. Спектр зашумлённого отклика на третий испытательный сигнал ^B^'^^^ !шт.

...

:

Overall Level = •Se.024B ^ -.

-20. -30 a 2\r OvQ!S-f -40. -5D. options., j -eo,D • • -BOO S,90. 1-100. -120. 1-130. I-UOG •150, ' M 1' г П -160, -170, •180. -1S0. -200,0 \ г6 0 300 • 500'7OB' iok зЬк 3№ 6 0K /ОК'ШС* 20!0K 30 ' 60 ' ?o' i 6o Рис. 72. Спектр не зашумлённого отклика на третий испытательный сигнал После фильтрации был получен сигнал, приведённый на рис. 73.

Амплитуда отклика в конце третьего интервала идентификации составила 0.08191.


i 100. 5C. "•x 1 Ш f 1 0Л - -j -so, '100. O.

Q • 1.0CO" Tirte (Seconds! ' '."''•';

Рис. 73. Отклик на третий испытательный сигнал после фильтрации Коэффициенты степенного ряда:

= 0. С, = 0. Cj =-0. Коэффициенты передаточной функции объекта:

к = 0. Ь, = 0. а, =1. Погрешности определения коэффициентов передаточной функции объекта составили соответственно 12%, 55%, 57%. Очевидно, что величины погрешпостей определяются наличием шумовой составляющей. В описанном выше экснерименте использован наиболее простой способ избавления от шумовой составляющей - применение фильтра низких частот для усреднения шума. Однако применение НЧ фильтра оказалось малоэффективным, носкольку сами сигналы включают в себя высокочастотные составляющие (это видно на рис. 64, 68, 72). В зависимости от длительности интервала идентификации, центральная частота испытательных сигналов может лежать в области высоких частот. В случае, если сам сигнал изменяется медленно, или является. 1 п статичным, плотность шумового сигнала определяется величиной —, где i частота полезного сигнала, поэтому сужение полосы пропускания и исключение из неё высокочастотных составляющих не принесёт ощутимого результата. Вследствие этого, рассматривается возможность применения более перспективных методов очистки сигналов от шумов с целью повышения точности процесса идентификации объекта автоматизации. В качестве таких методов могут быть использованы методы усреднения аналоговых сигналов, методы статистической обработки сигналов.

4.2. Обработка откликов объе1стов методами статистической обработки сигиалов Одним из вариантов очистки полезного сигнала от шумовых составляющих может стать нснользование специальных программных продуктов. Ниже рассматривается применение пакета программ Adobe Audition 1 производства компании Adobe. На сайте компании www.adobe.com доступна для свободного скачивания tryout-версия программы с лицензией на 30 дней.

Данный программный продукт выгодно отличается от аналогичных программ паличием широкого спектра средств, позволяющих повысить отношение сигнал/шум, в частности средствами статистической обработки сигналов.

На рис. 62, 66, 70 изображены отклики объекта, описываемого передаточной функцией (21) на испытательные сигналы. Нрименяя специальные средства программы Adobe Audition 1, а именно, средства статистической обработки сигнала, были получены очищенные от шума отклики, приведённые на рис. 74, 75, 76. Величины откликов объекта в момент окончания каждого интервала идентификации составили соответственно 0.49465,-0.0975,-0.0417.

Коэффициенты степенного ряда:

Со = 0. С, = 0. Q = -0. Коэффициенты передаточной функции объекта:

к = 0. А, =0. а, =1. Ногрешности определения коэффициентов передаточной функции объекта составили соответственно 0.4%, 12%, 18%. Очевидно, что в случае применения специальных средств обработки откликов, существенно уменьшаются погрешности определения коэффициентов передаточной функции объекта.

Lett Channel 100 000 f.

ел I 1 0 Г -SOOOB I / - 0.0 00 1.000 2 Time (seconds) Рис. 74. Отклик на первый испытательный сигнал после обработки Liaciianntl \ \ 50. 2 0 000 ' •100 OODO l.OM 2,000 Time fsecontis) Рис. 75. Отклик на второй испытательный сигнал после обработки —_»_.4!""*.™' - • — ' itooog ^ i Ч \ 60. « Seal ^—-— ^ ooco. i i -too O.I 00 1.000 Time (seconds) Рис. 76. Отклик на третий испытательный сигнал после обработки На рис. 77 приведены отклики объекта с расчётными значениями коэффициентов передаточной функции (yl(t)) и с определёнными в результате эксперимента (y2(t)).

j yl(O y2(t) 1 i ;

1.0 495.0 Рис. 77, Сравнение откликов объекта на ступенчатое воздействие 4.3. Обработка откликов объектов методами вэйвлет-фильтрации Более перспективным методом удаления помех может стать вэйвлет фильтрация зашумлённых сигналов. Термин «вэйвлет», введённый впервые Морле (Morlet), в переводе с английского означает «короткая или маленькая волна». Вэйвлеты занимают промежуточное положение между крайними случаями - синусоидой и импульсной функцией. Грубо вейвлеты можно представить как некоторые волновые функции, с помощью которых можно осуществлять преобразование Фурье локально по месту своего расположения.

С помощью вэйвлетов сигнал представляется в виде совокупности волновых пакетов, образованных на основе некоторой базовой функции. Математические основы теории вэйвлет - преобразования рассмотрены в [64, 65, 66, 61, 71, 77, 79]. При этом вэйвлеты имеют широкие возможности удаления шума из полезного сигнала. Шумовые компоненты рассматриваются в виде множеств локальных особенностей сигналов. Задавая некоторый порог для их уровня и срезая по нему детализирующие коэффициенты, можно не только уменьшать уровень шумов, но и устанавливать пороговые ограничения на нескольких уровнях разложения с учётом конкретных характеристик шумов и сигналов для различных типов вэйвлетов.

в работе рассматриваются возможности применения дискретного вэйвлет преобразования для удаления помех из зашумлённых откликов объектов. Для этого используются КИХ-фильтры и прореживание но времени: сигнал пропускается через два фильтра высокой и низкой частоты с передаточными функциями H(z) и G(z), соответственно, и одинаковой нормированной частотой среза, равной р/2, где р - число нулевых моментов, В результате фильтрации ширина спектра каждого сигнала на выходах фильтров уменьшается в два раза, и, соответственно, в два раза можно уменьшить частоту дискретизации высокочастотной и низкочастотной составляющих. Затем отсчеты высокочастотной составляющей, называемые вэйвлет-коэффициентами, запоминаются, а с низкочастотной составляющей происходит аналогичная операция. На каждом этапе происходит фильтрация низкочастотной составляющей, полученной на предыдущем этапе разложения, то есть разделение исходного спектра на две составляющие низкочастотную и высокочастотную [79].

Отсчеты сигналов на выходах фильтров с передаточными функциями H(z) и G(z) будут, соответственно, djk и Cjk. Здесь индекс j номер уровня, а к момент времени. Сигналы djk и C вычисляются по формулам:

j k где {hj} и {gj} импульсные характеристики фильтров.

Сложность вычисления дискретного вэйвлет-преобразования с помощью схемы субполосного кодирования линейна, т.е. число операций, необходимое для вычисления вэйвлет-разложения, линейно зависит от длины сигнала.

При обратном преобразовании низкочастотная Cj+2,k и высокочастотная dj+2,k составляющие донолняются нулями и пропускаются через КИХ-фильтры с передаточными функциями G*(z) и H*(z), определяемыми через G(z) и H(z).

Процедура заканчивается полным восстановлением исходного сигнала:

i к Для ТОГО, чтобы не происходило потери информации, коэффициенты {hj} и фильтров H(z) и G(z) должны обладать следующими свойствами:

+ 9.-2k9p^2^ )= 5., ^*2 A-2k Зашумлённые сигналы подвергаются обработке с помощью средств пакета MatLab. На рис. 78 изображена система, осуществляющая вэйвлет-фильтрацию откликов на основе цифровых фильтров.

Рис. 78. Система удаления шумов из сигналов на основе цифровых фильтров Блок From Wave File осуществляет ввод сигнала из файла DATAl.wav, содержащий зашумлённый отклик объекта с ПФ вида (21). Шумовая компонента представляет собой белый шум. Назначение блоков Buffer и Unbuffer очевидно. Блок Delay Alignment представляет собой подсистему, осуществляющую задержку каждой из четырёх составляющих исходного сигнала. Блок Soft Threshhold необходим для установки порогов фильтрации для каждой из четырёх составляющих.

Результаты обработки отклика объекта при наличии помех в виде белого шума приведены на рис. 79.

Рис. 79. Результаты обработки отклика на первый испытательный сигнал с помощью системы цифровых фильтров Верхний график представляет собой исходный сигнал, нижний - сигнал после очистки, средний - разность между этими сигналами. Как видно на рис.

79, система не позволяет полностью очистить сигнал от шума, а только уменьшает амплитуду последнего. Вследствие этого, применение данной системы фильтров не позволяет получить величину амплитуды отклика в конце интервала идентификации с требуемой точностью. Для этого необходимо увеличивать число уровней разложения исходного сигнала.

Вариантом решения данной проблемы может служить встроенная в систему MatLab функция wden для удалепия шумовой составляюпдей из одномерных сигналов, записанных в массивах X или непосредственно с использованием структуры вейвлет-разложения [С, L] на уровне N ортогональным вейвлетом 'wname'. Формат функции:

• [XD, CXD, LXD] = wden(X, TPTR, SORH, SCAL, N, 'wname'), • [XD, CXD, LXD] = wden(C, L, TPTR, SORH, SCAL, N, 'wname').

Функции возвращают очищенный от шума сигнал XD и структуру декомпрессии вейвлет-разложепия [CXD, LXD], полученную ограничением вейвлет-коэффициентов преобразования сигнала X, реконструкцией из которой и является сигнал XD. Для сигналов на рис. вычисляется только значение XD.

Параметры функций имеют следующее назначение.

TPTR - строковый параметр установки правила вычисления порогового значения для ограничения коэффициентов разложения:

- 'rigrsure' - адаптивный порог на основе алгоритма Штейна несмещенной оценки;

- 'heursure' - эвристический вариант порога по методу Штейна;

- 'sqtwolog' - универсальный порог - 'minlmaxi' - по минимаксной оценке.

SORH - строковый параметр установки гибкого ('s' - soft) типа порога очистки по правилу •• " " •"" ' •"" •", где ад - вэивлет коэффициепты разложения сигнала х, 8j - значение порога очистки;

или жесткого ('h' - hard) типа порога очистки. При гибком (или мягком) пороге заданное нороговое значение вычитается из значений коэффициентов (по модулю), при жестком (или твердом) пороге значения коэффициентов, меньшие пороговых значений (по модулю), обнуляются. SCAL - строковый параметр порогового перемасштабирования на уровнях:

- 'one' - перемасштабирования нет, применяется для сигналов типа ^(0 =-^0(0 + ^(0, где e(t) - белый шум [0,1];


- 'sin' - перемасштабирование выполняется с использованием оценки уровня шума но детализационным коэффициентам первого уровня разложения;

- 'mln' - перемасштабирование производится с использованием оценок шума для каждого уровня по своим детализациопным коэффициентам.

Программа производит очистку отклика от шума и выводит результаты на экран. Зашумлённые отклики записаны в файлах datal.wav, data2.wav, data3.wav. Очищенные от шума сигналы записываются в файлы outl.wav, out2.wav, out3.wav. Ниже приведён текст программы в среде MATlab:

x=wavread('c:\вэйвлeт\datal.wav');

N=20;

wl='sym8';

subplot(611);

plot(x);

ylabel('Signal 1');

axis([0,140000,0.4,1]);

xh=wden(x, 'heursure', 's', 'one', N, wl);

subplot(612);

plot(xh);

ylabel('Heursure');

axis([0,140000,0.4,1]);

x=wavread('c:\вэйвлeт\data2.wav');

N=20;

wl='sym8';

subplot(613);

plot(x);

ylabel('Signal 2');

axis([0,140000,-0.5,1]);

xh=wden(x, 'heursure', 's', 'one', N, wl);

subplot(614);

plot(xh);

ylabel('Heursure');

axis([0,140000,-0.5,1]);

\уау\уп1е(хЬ,'с:\вэйвл eT\out2.wav') x=wavread('c:\вэйвлeт\data3.wav');

N=20;

wl='sym8';

subplot(615);

plot(x);

ylabel('Signal 3');

axis([0,140000,-0.5,1]);

xh=wden(x, 'heursure', 's', 'one', N, wl);

subplot(616);

plot(xh);

ylabel('Heursure');

axis([0,140000,-0.5,l]);

wavwrite(xh,'c:\B3MBneT\out3.wav') Результаты работы программы показаны на рис. 80.

(О с го со 0. 17 ЛЛ (О I 0. Ъ 0. " *"""' « II ii ттщ g) О » -0. JfL о. iQ 3 и X -0. 1р |0. iо '^ -0. J2_ JfL 2 « 0. ^О X -0. 10 12 14;

к 10 i, Рис. 80. Результаты фильтрации откликов с помощью ортогонального вэйвлета 'sym8' В табл. 9 приведены результаты сравнения методов удаления шума из сигнала.

Таблица 9. Сравнение результатов обработки экспериментальных данных к Тип обработки 5,% bi сигнала к=0.497 а,=0. b,=1. 12 0.438 1.697 0. ФНЧ 12 0. 0.495 1.232 0. Статистическая обработка Вэйвлет-фильтрация 0.2 вэйвлет «Symlet» 0.496 1.149 0. 0.3 вэйвлет Мейера 0.500 1.150 0. вэйвлет 0.2 «Мексиканская 0.495 1.150 0. шляпа»

0.3 биортогональ-ные 0.500 1.149 0. вэйвлет Очевидно, что применение вэйвлет-преобразований для фильтрации откликов позволяет добиться максимальной точности определения коэффициентов передаточной функции исследуемого объекта.

Выводы:

В четвёртой главе рассматривались вопросы применения испытательных сигналов для проведения идентификации при наличии помех для моделей объектов автоматизации первого и второго порядков. Произведена проверка адекватности полученных результатов. Проведён сравнительный анализ методов фильтрации зашумлённых откликов, рассчитаны погрешности определения коэффициентов передаточных функций идентифицируемых объектов. Предложена инженерная методика очистки откликов от шумов с применением математического аппарата вэйвлет-преобразований.

ГЛАВА 4, Способ идентификации иавигациоииых иараметров объектов с помощью испытательиых сигпалов Проблема прецизионного определения параметров объектов возникает в различных областях науки и техники, например в области навигации, а именно, в задачах обнаружения, регистрации и сопровождения наземных объектов, морских и воздушных судов, космических аппаратов и тел.

Методика активной идентификации параметров объектов с помощью испытательных сигналов обладает высокой точностью, вследствие чего она может быть использована для решения подобных задач. Автором разработан способ прецизионного измерения навигационных параметров излучающих и отражающих объектов с помощью активных испытательных воздействий.

Известен способ, в котором для увеличения точности измерения координат используют апертурную обработку сигналов нескольких приемных систем разнесенных в пространстве (радиоинтерферометрия с длинной базой (РДБ) или со сверхдлинной базой (РСДБ)) [50], Он включает обработку сигналов по специальному алгоритму на несущей частоте. Технические и математические сложности обработки радиосигналов в фазовом пространстве, для которой необходимо измерение спектра в широкой полосе существенно ограничивают производительность этого способа и, фактически, исключают возможность работы в режиме реального времени, что важно при навигационных измерениях управляющими радиолокационными станциями. Эта же причина ограничивает область применения методов неподвижными объектами. Кроме того, разнесение антенн на большие расстояния, обеспечивающие получение высокой точности и необходимость использования дорогостоящей сверхточной аппаратуры синхронизации и согласования сигналов во времени на несущей частоте существенно ограничили область применения метода апертурной обработки сигналов топографическими съемками местности и небесной сферы, т-г V При этом измеряется только о - составляющая скорости вдоль приемной системы по допплер-эффекту отдельными приемными системами. Этого V =V +V недостаточно для определения полного вектора скорости *" °.

Техническая задача - создание способа, позволяющего увеличить производительность и точность измерения координат и вектора скорости, снизить стоимость и увеличить чувствительность за один пролет зоны видимости.

Технический результат - увеличение производительности и точности одновременного измерения координат и вектора скорости объектов локационным методом.

Он достигается тем, что облучение объекта и регистрация отраженного эхосигнала осуществляется тремя независимыми идентичными каналами, размещенными в одной неподвижной приемной системе (а не в нескольких), ДН (поля зрения) которых частично нерекрываются, осуществляется измерение длительности видеосигналов (а не частотного спектра) в каждом из каналов и временного сдвига их друг относительно друга, производится вычисление координат участка траектории объекта в картинной плоскости азимутальной составляющей скорости *' и расчет по ним вектора полной скорости с учетом радиальной составляющей скорости ^о и координат.

Наиболее важно и наглядно применение этого метода для радиолокации.

Реализация способа в радиодиапазоне представлена на рис. 81, где А„ излучающая антенна (лазерная для оптического диапазона), А„ - приемная антенная система (оптический телескоп) содержащая три приемных канала, V скорость объекта у- угол наклона траектории к картинной плоскости (КН), ABCDEF - след траектории объекта. Зондирующий радиоимпульс Р„ излучают антенной Аи. Временная зависимость мощности сигнала представлена на рис.

82, где t[i - период колебаний, соответствующий несущей частоте, х - период амплитудной модуляции по доплеровскому сдвигу которого определяют ^о.

Y Рис. 81. Схема способа прецизионной регистрации объектов ик t и Рис. 82. Зависимость мощности испытательного сигнала от времени Эхо-сигнал принимают приемной антенной системой Ап, содержащий три канала, центры диаграмм направленности которых разнесены в (КП) и частично пересекаются, как показано на рис. 81.

Сигнал отражается объектом, траектория которого наклонена к КП под углом Y и может быть представлена отрезком прямой, след ABCDEF которой на картинную плоскость описывается уравнением у = ах + Ь где а-угловой коэффициент прямой;

Ь-отрезок, отсекаемый прямой на оси 0Y.

Временная зависимость эхо - сигналов в каналах показана на рис. 83.

Пк •I !I, ! i i ! i !.

I • • I • I I I I I I I I I Tad Tab I •III I I I I I I •I ! I I I I I I, II I • ' I I I I • ' • t Tcf Рис. 83. Нример временной зависимости эхо-сигнала в каждом канале Начало и конец импульсов, представляющих эти сигналы, соответствуют точкам пересечения следа траектории и окружностей радиуса R (для нолностью идентичных каналов), которые получаются сечением диаграмм направленности картинной плоскостью. Уравнения окружностей в картинной плоскости:

(29) [x-kf+{y-mf =R'^ "^', (30) где к и т - смещение центров окружности относительно осей X и Y системы координат, выбранной в КП произвольно. Начало и ориентацию этой системы определяют по положению радиоосей каналов, калибровкой по радиоисточникам. Совместно с уравнениями проекции следа траектории ABCDEF на ось ОХ: V^-(T^-Tj)-(\ + a^)^ =x,-x/iJ = ABCDEF) выражения (29 31) составляют систему, связывающую времена г,^=(г,-г^) с неизвестными составляющими скорости V^,Vy, координатами объекта и радиусом ДН в картинной плоскости. Эта система имеет простое аналитическое решение:

у у^ V V 4V где TEF, TFCJ I^EBJ TED? ^DA - интервалы времени, в течение которых проекция объекта на картинную плоскость находится на интервалах, ограниченных точками Е и F, F и С, Е и В, Е и D, D и А;

Хо, уо - координаты объекта.

Простота выражений обеспечивает высокую производительность расчёта в сравнении с прототипом, так как обрабатывается видеосиг[1ал, а не весь частотный спектр.

Измеряют времена Г;

,г^ и их временной сдвиг друг относительно друга, подставляют их в уравнения (32 - 34) и находят Vx,Vy уравнения траектории (35). По координатам радиооси и места расположения приемной антенной системы, с использованием наклонной дальности и составляющей скорости i^ рассчитывают полный набор параметров: вектор полной скорости ^w координаты объекта.

Очевидно, что точность расчёта этих величин полностью определяется погрешностью измерения времён и значениями к и ш. На рис. 81 видно, что при увеличении к и т уменьшается площадь обзора (заштрихована), но при этом уменьшается амплитуда сигнала (чувствительность антенны падает к краю ДН) и, соответственно ухудшается точность измерения времён.

Нри оптимальном выборе к и т координаты будут определены с точностью (АХ, AY)«R. Так, если точность определения угловых координат объекта (от которых можно легко перейти к декартовым): азимута ф, угла места Р, определяется шириной диаграммы направленности G, то при использовании данного метода погрешность определяется какв^фф =^]в, где Г | « 1 и является функцией, не выражаемой аналитически. Эта функция зависит от разноса ДН, точности измерения длительности сигнала и рассчитывается по форме ДН. На рис. 84 показан пример результата расчёта траекторий по экспериментальным данным, полученным на специальном стенде [31].

Рис. 84. Траектории объекта в картинной плоскости На рис. 84 сплошной линией показана истинная траектория, пунктирной траектории, отличающиеся от истинной из за ошибки измерения времени на ±0.1%.

Граничные траектории соответствуют ошибкам в определении времени 0.1%, (к / R, m / R) = 0.3. Погрешность измерения координат уменьшается в ИЗ раз в сравнении с измерениями обычной антенной. Например, при регистрации эхо-сигнала дисковой антенной диаметром 100 метров (Боннский радиотелескоп), на длине волны 5 см погрешность составила ±1,8 угловых минуты, при использовании данной методики она составит ±0.2 угловых секунды. Другими словами, при заданной точности измерения применение данного способа позволяет использовать антенны меньших размеров, что особенно важно для бортовой аппаратуры в аэрокосмических применениях. Так как, обычно, фокальное пятно антенных систем суш;

ественно превышает размеры апертуры облучателей, установка трёх каналов увеличивает чувствительность радиолокационного метода, В оптическом диапазоне сложность обработки сигналов ПЗС матриц, представляющих фактически многоканальную приёмную систему, не позволяет осуществлять регистрацию движущихся объектов в режиме реального времени.

Использование данного способа в оптическом диапазоне позволяет определять координаты объектов по измерениям в областях спектра, для которых отсутствуют приёмники с позиционированием - УФ, далёкий ИК и рентгеновский.

При обследовании объекта, излучающего в радиодиапазоне, приём сигналов ведут на частоте, соответствующей максимуму его излучения, так что отпадает необходимость использования зондирующего импульса.

Выводы:

В данной главе предлагается способ прецизионного определения навигационных параметров излучающих и отражающих объектов, основанный на облучении объекта испытательными сигналами, приёме откликов системой с тремя идентичными каналами и решении системы простых алгебраических уравнений для определения координат и полного вектора скорости объекта.

Показано, что разработанный способ [100] обеспечивает высокую точность определепия павигационных параметров объектов, ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные результаты дисссртацнонной работы В работе выполнены системный анализ отечественных и зарубежных источников натентной информации и классификация существующих методов идентификации динамических объектов автоматизации, а также обозначены пути повышения точности и достоверности результатов процедуры активной идентификации объектов управления с помощью испытательных сигналов специальной формы на основе проведенных автором исследований и экспериментов.

Разработано устройство аналогового формирования сигналов в виде время - степенных функций, отличающиеся тем, что в качестве переменного сопротивления использован управляемый нелинейный элемент, позволяющий существенно расширить диапазон изменения постоянной времени интегратора, в качестве устройства управления применён микроконтроллер, работающий по оригинальному алгоритму. Устройство защищено приоритетом на полезную модель №2006106473.

Разработана профамма «Генератор время-степенных сигналов», позволяющая формировать испытательпые сигналы в виде время-степенных функций с требуемой амплитудой и длительностью. Программа позволяет генерировать сигналы в виде звуковых файлов формата wav и осуществлять вывод испытательных сигналов с помощью плат аналогового вывода.

Программа «Генератор время-степенных сигналов» опробована экспериментально при идентификации параметров RC-звеньев первого и второго порядков и моделей системы следящего привода и угломестного и азимутального приводов в системе автоматического сопровождения объекта по паправлению, входящей в состав управляющей системы радиотелескопа.

Погрешности результатов идентификации коэффициентов передаточных функций составили:

- для четырёхполюсника первого порядка: АКо=О.4%;

Aai=6%;

Abi=7%;

- для четырёхполюсника второго порядка: АКо=1%;

Aai=5%;

Аа2=6%;

- для следяшего привода: АКо=О,5%;

Aai=l%;

Аа2=6%;

-для угломестпого и азимутального приводов радиотелескопа: АКо=1%;

Aai=4%;

Аа2=3%;

Abi=5%.

Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования разработанной программы для идентификации объектов автоматизации с передаточными функциями первого и второго порядков, как без полинома числителя, так и с полиномом числителя.

Приведены результаты исследований алгоритмов идентификации объектов автоматизации при наличии внешних шумовых воздействий, имитируемых с помош,ью встроенного в программный продукт SpectraPLUS генератора шума, и установлено, что наличие шумов в отклике объекта приводит к значительным погрешностям результатов определения коэффициентов передаточных функций и необходимости фильтрации. Для повышения точности результатов идентификации исследованы различные способы фильтрации откликов:

- с помощью фильтра низких частот;

- с помощью статистической обработки;

- с помощью методов вэйвлет-фильтрации.

Установлено, что наибольшую точность при обработке зашумлённых откликов объекта обеспечивают ортогональные фильтры с конечной маской (вэйвлет типа «Symlet») Па основании проведённых исследований разработана инженерная методика активной идентификации объектов автоматизации различного назначения при наличии внешних шумовых воздействий. Произведён качественный и количестве1И1ый анализ влияния шумовых составляющих на точность идентификации параметров объектов автоматизации.

С использовапием методов активной идентификации с помощью испытательных сигналов специальной формы разработан способ прецизионного определения навигационных параметров излучающих и отражающих объектов, защищенный патентом РФ № 2254588, позволяющий увеличить производительность и точность одновременного измерения координат и вектора скорости объектов. Погрешность измерения координат уменьшается в 100 раз в сравнении с измерениями обычной антенной. При заданной точности измерения применение данного способа позволяет использовать антенны меньших размеров, что особенно важно для бортовой аппаратуры в аэрокосмических применениях.

Научная новизна теоретнческнх ноложеннй н результатов экснернментальных исследованнй, нолученных автором Для системного решения задач исследования автором представлена классификация существующих методов идентификации параметров объектов автоматизации, позволяющая наглядно и обозримо провести систематизацию средств для определения параметров объектов автоматизации различной структуры.

Предложено устройство для формирования аналоговых испытательных сигналов специальной формы на основе интеграторов с полевыми транзисторами с управляющим р-п переходом и с цепями линеаризации их вольтамперных характеристик, управляемое микроконтроллером и позволяющее производить идентификацию объектов автоматизации третьего порядка.

Разработана программная реализация алгоритма цифрового формирования испытательных сигналов специальной формы с помощью плат аналогового вывода и генерации выходных сигналов в виде звуковых файлов формата wav и аналоговым выводом этих сигналов, апробированная при идентификации моделей.

Получены результаты экспериментальных исследований алгоритмов идентификации объектов автоматизации различного назначения с фильтрацией откликов объекта при наличии номех на основе вэйвлет-преобразований.

Разработана инженерная методика активной идентификации параметров объектов автоматизации различного назначения с помощью испытательных сигналов специальной формы с применением алгоритмов фильтрации помех на основе вэйвлет-преобразований.

Разработан способ прецизионного определения навигационных параметров излучающих и отражающих объектов, защищенный патентом РФ № 2254588, позволяющий увеличить производительность и точность одновременного измерения координат и вектора скорости объектов.

Методы исследования, достоверность и обосиованиость результатов диессртациоииой работы Разработка теоретических положений и создание на их основе практических рекомендаций стало возможным благодаря комплексному использованию теоретических и экспериментальных методов исследования.

Решение ряда задач теории идентификации, поставленных в работе, стало возможным благодаря известным достижениям указанных научных дисциплин и не противоречит их положениям, базируется на строго доказанных выводах фундаментальных и прикладных наук, таких как математический анализ, математическая статистика, теория цифровой обработки сигналов, теория оптимизации и планирования эксперимента. Созданные методики идентификации объектов автоматизации согласуются с опытом их проектирования.

Разработанные технические решения опробованы экспериментально.

Экспериментальные исследования метрологически обеспечены и проводились на экспериментальной базе Астраханского государственного технического университета. Разработанные методики и алгоритмы установки опробованы и прошли испытания и успешно используются в опытно-конструкторском процессе в КБ. Результаты эксперимента и испытаний анализировались и сопоставлялись с известными экспериментальными данными других исследователей.

Достоверность научных положений, выводов и результатов работы подтверждена применением современных методов исследований, результатами проведённых НИР, адекватностью полученных теоретических и экспериментальных данных, а также практическим использованием результатов работы.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.