Содержание к диссертации
Введение
1. Существующие системы управления микроклима том в теплицах и методы определения точности его параметров 10
1.1. Роль автоматического управления микроклиматом теплиц для современного агропроизводства в аспекте энергосбережения 10
1.2. Способы управления микроклиматом тепличных помещений 11
1.3. Эволюция систем управления температурным режимом в технологических помещениях и тенденции их развития 15
1.4. Точность поддержания параметров микроклимата как показатель качества регулирования и экономической эффективности технологического процесса 21
1.4Л. Параметрическая чувствительность регуляторов микроклимата 21
1.4.2. Методы определения погрешности каналов определения параметров среды теплиц 23
1.5. Выводы 24
2. Выбор перспективных методов определения погрешности преобразования параметров в каналах регистрации путем сравнительного анализа 25
2.1. Показатели статической точности преобразователей, используемых в современных системах управления микроклиматом. 25
2.2. Выбор основания для классификации методов экспериментального определения характеристик погрешности (ЭО ХП) аналого-цифровых приборов 28
2.3. Сравнительный анализ существующих методов ЭО ХП с помощью оценочных функций на операторных моделях 31
2.3.1. Операторные модели процесса ЭО ХП аналого-цифровых приборов 32
2.3.2. Выбор и обоснование критериев сравнения для анализа методов ЭО ХП аналого-цифровых приборов. 33
2.3.3. Сравнительный анализ методов ЭО ХП аналого-цифровых преобразователей 36
2.3.4. Сравнительный анализ методов ЭО ХП цифро-аналоговых преобразователей 44
2.3.5. Сравнение методов ЭО ХП, использующих априорную информацию, с традиционными методами ЭО ХП 56
2.4. Выводы 58
2.5. Задачи исследования. 59
3. Анализ точности преобразования в каналах определения параметров среды теплиц 60
3.1 Описание накопления погрешностей в энергосберегающих СЛУ температурным режимом теплиц 60
3.1.1. Анализ статической погрешности преобразования в цепи последовательно соединенных звеньев 60
3.1.2. Общее соотношение для статической погрешности уставки оптимальной температуры в многоканальной ЭССАУ температурным режимом теплиц 63
3.2. Определение чувствительности выходной величины оп
тимального регулятора к погрешностям преобразования отдельных
измеряемых величин 66
3.3. Выводы 72
4. Методика экспериментального определения погрешностей нелинейности каналов измерения параметров среды теплиц 74
4.1. Структурные свойства характеристик преобразования и характеристик погрешности аналого-цифровых приборов 74
4.1.1. Структурные свойства однозначных функций одной переменной и операции над ними 74
4.1.2 Структурные свойства взвешенных сумм 78
4.1.3. Типовые структурные свойства характеристик преобразования и погрешности аналого-цифровых приборов и соотношения между ними 82
4.2. Анализ погрешностей каскадных кодоуправляемых делителей и преобразователей на их основе 85
4.2.1. Типовые схемы каскадных кодоуправляемых делителей 86
4.2.2. Структурные свойства характеристик погрешности каскадных кодоуправляемых делителей 89
4.2.3. Структурные свойства составляющих погрешности, обусловленные отклонением первичных параметров элементов 93
4.2.4. Структурные свойства составляющих погрешностей, обусловленных неидеальностью активных элементов 95
4.3. Методика эксперимента по определению характеристики нелинейности в канале измерения направления воздушных пото ков 98
4.3.1. Понятие разделимости функций и свойства разделимых функций 98
4.3.2. Построение алгоритма разделения погрешностей на непрерывной характеристике преобразования 101
4.3.3. Границы применимости методики разделения в условиях су-шествования неканонических составляющих функций. 104
5. Экспериментальное определение чувствительно сти и точности энергосберегающей САУ темпера турным режимом теплиц 108
5.1. Исследование функций чувствительности оптимальных регуляторов ЭССАУ методами планирования эксперимента 108
5.1.1. Построение опытно-промышленной ЭССАУ тепловым-режимом теплиц 108
5.1.2. Компьютерный задатчик для энергосберегающей системы автоматической оптимизации температурным режимом теплиц... ПО
5.1.3. Экспериментальное определение функции чувствительности регуляторов ЭССАУ 111
5.1.3.1. Постановка эксперимента 111
5.1.3.2. План эксперимента 112
5.1.3.3. Описание экспериментальной установки.. 113
5.1.3.4. Проведение эксперимента 113
5Л.3.5. Обработка результатов эксперимента... 114
5.1.3.6. Выводы 116
5.2. Экспериментальное определение погрешностей нелинейности в канале измерения направления воздушных потоков 116
5.2.1. Описание преобразователя направления воздушных потоков. 116
5.2.2. Описание измерительной схемы, плана эксперимента и процесса измерений 117
5.2.3. Обработка результатов измерений ... 122
5.2.4. Выводы 123
6. Экономическая эффективность повышения точности промышленной энергосберегающей САУ тепловым режимом теплиц
6.1. Задача определения экономической эффективности повышения точности функционирования ЭССАУ тепловым режимом... 124
6.2. Исходные данные для математического моделирования влияния точности поддержания оптимальных тепловых режимов ЭССАУ тепловым режимом на энергетический эффект ее применения. 125
6.3. Описание методики математического моделирования... 126
6.4. Результаты имитационного эксперимента по влиянию точности ЭССАУ тепловым режимом на энергетический эффект 127
7. Выводы, рекомендации и заключение 136
8. Литература
- Эволюция систем управления температурным режимом в технологических помещениях и тенденции их развития
- Выбор основания для классификации методов экспериментального определения характеристик погрешности (ЭО ХП) аналого-цифровых приборов
- Анализ статической погрешности преобразования в цепи последовательно соединенных звеньев
- Структурные свойства однозначных функций одной переменной и операции над ними
Введение к работе
Актуальностьтемы.
Обеспечение эффективности технологии в овощеводстве закрытого грунта тесно связано с решением задачи продовольственной безопасности страны. Только создание высокорентабельных тепличных предприятий может обеспечить устойчивость системы снабжения сельхозпродукцией независимо от климатических условий, колебаний рыночной конъюнктуры и природных аномалий. Особое значение технологии закрытого грунта приобретают в зонах рискованного земледелия, а также в условиях Крайнего Севера и приравненных к нему районах. Эффективность сельскохозяйственного производства закрытого фунта включает в себя целый ряд аспектов, в числе коих могут быть выделены и экономические, и"чисто технологические. Однако в наиболее концентрированном виде эффективность овощеводства закрытого грунта выражается в отношении энергозатрат производства к объемам, качеству и срокам получения товарной продукции сельскохозяйственного предприятия. Представляется весьма выгодным с экономической точки зрения создание эффективных, обоснованных и статистически достоверных моделей сельхозпроизводства, описывающих технологические процессы.получения товарной продукции в зависимости от параметров микроклимата, продолжительности технологического цикла, интенсивности выхода готовой продукции и т.п. в связи с энергозатратами на достижение какого-либо эффекта из числа указанных выше. На основе полученных моделей оказывается возможным построение систем автоматического управления микроклиматом, оптимизирующих параметры внутренней среды в соответствии в каким-либо из критериев эффективности. Такие системы названы "Энергосберегающими системами автоматического управления температурой в.теплице" (ЭССАУ). С учетом вышесказанного, следующим по значимости является вопрос о точности реализации применяемого критерия; другими словами, о точности поддержания регулятором внутреннего климата теплицы.
Анализ работ по системам автоматизации. [32,33,39,41...49] показывает, что к настоящему моменту точностные характеристик систем автоматического регулирования тепловых режимов в теплицах не-исследованы. Кроме того, отсутствует анализ влияния структуры и алгоритмического обеспечения систем на результирующую точность поддержания тепловых режимов. Методы определения погрешностей, как правило, не учитывают структурных свойств характеристик пре-
образования, в связи с чем затраты на реализацию таких методов неоправданно высоки.
Цель работы.
Целью работы является обеспечение энергосбережения в процессе управления температурным режимом теплицы за счет повышения точности функционирования системы управления.
Для достижения этой цели следует выполнить:
- теоретический анализ механизмов возникновения и накопления
ошибок в каналах определения параметров среды теплиц, анализ зако
номерностей, которыми описываются характеристики погрешностей со
ставляющих элементов.
- разработку методик экспериментального определения по
грешностей элементов, составляющих тракт передачи сигналов, несу
щих информацию о параметрах окружающей среды.
- экспериментальное определение функций чувствительности су
ществующего экстремального регулятора оптимальной температуры и
погрешностей элементов существующих энергосберегающих систем ав
томатического управления температурным режимом при помощи
разработанных методик.
Объект исследования
Объектом исследования являются процессы накопления погрешностей, при измерении параметров микроклимата теплиц и влияние их накопления на эффект энергосбережения.
Предмет исследования.
Предметом исследования закономерности возникновения погрешностей и влияния точности определения параметров на энергетический эффект от применения энергосберегающей САУ.
Методы исследования.
Методы дифференциального исчисления применялись на этапе теоретического исследования преобразования погрешностей в каналах определения параметров среды теплиц.
Метод имитационного моделирования на ЭВМ применялся с целью определения экономической эффективности повышения точности поддержания оптимальной температуры.
Методы прямых электрических измерений применялись при экспериментальных исследованиях точности элементов ЭССАУ.
Методы планирования эксперимента применялись при построении методики экспериментального исследования чувствительности регулятора ЭССАУ.
Методы статистической обработки измерений применялись для оценки статистической достоверности результатов, полученных при прямых измерениях.
Операторные модели использовались для сравнительной оценки методов исследования погрешностей каналов измерения среды теплиц.
Научная новизна работы.
Получены оценки функций чувствительности ЭССАУ температурным режимом в теплице.
Выполнен сравнительный анализ алгоритмов определения погрешностей в каналах преобразования параметров среды теплиц..
Разработана методика определения погрешностей нелинейности каналов регистрации параметров среды теплиц, выполнен анализ механизмов возникновения и трансформации погрешностей.
Практическая ценность.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили оценить точность функционирования ЭССАУ температурным режимом, и как следствие, обосновать выбор измерительных преобразователей.
Внедрение
Результаты работы внедрены на рижском научно-производственном объединении 'АЛЬФА', в ОАО "Совхоз Каштакский" Челябинской области, использованы в учебном процессе на факультете электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства ЧГАУ на этапе дипломного проектирования и магистратуры.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на VI Всесоюзной конференции "Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной информации" (Москва, ВНИИФТРИ, 1987), Всесоюзной школе-семинаре "Надежность и контроль качества РЭА"(Москва, ММИ, 1987), краевом научно-техническом семинаре молодых ученых и специалистов "Применение вычислительной техники в народном хозяйстве края" (Красноярск, 1986), ежегодных научно-технических конференциях ЧГАУ в 1996-2002 годах.
Публикации.
Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе 8 статьях (из которых 3 в центральных изданиях), 2 авторских свидетельствах.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы, приложений. Работа содержит 138 страниц основного текста, 15 иллюстраций и 7 таблиц. Список литературы включает 203 наименования на русском и иностранных языках
На защиту выносятся
Исследование функций чувствительности оптимального регулятора ЭССАУ.
Методика определения нелинейности элементов в каналах определения параметров среды теплиц.
3. Анализ структурных свойств характеристик преобразования и по
грешности каскадных кодоуправляемых делителей.
Сравнительный анализ методов определения погрешностей в каналах регистрации параметров среды теплиц.
Исследование влияния точности определения первичных параметров среды теплицы на энергетический эффект от применения энергосберегающей САУ температурным режимом.
Эволюция систем управления температурным режимом в технологических помещениях и тенденции их развития
Система позволяет анализировать связь температуры и влажности с урожайностью и выявлять аварийные ситуации, сократить затраты энергии на обогрев теплицы, выявить пути утечки тепла.
У прощенная структурная: схема предлагаемой системы показана на рис. 1.2. В этой системе компьютер может быть удален от системы сбора данных на расстояние до 1,5 км. Расстояние от датчиков температуры до устройства ввода данных в компьютер - до 500 м.
Системы оптимизации параметров микроклимата Изакова Ф.Я: и Поповой С.Л. [48,83,84] - энергосберегающие системы управления (ЭССЛУ) микроклиматом представляют собой алгоритмически совершенные устройства, обеспечивающие достаточно гибкое управление по нескольким критериям, каждый из которых может выбираться либо вручную, либо при определенных условиях автоматически самой системой. Эти системы разработаны на кафедре Автоматизации сельскохозяйственного производства ЧГАУ. Для оптимизации технологического цикла используются биометрическая; модель выращиваемой культуры огурца и тепловая модель культивационного сооружения. Знание тепловой модели теплицы позволяет использовать комбинированный алгоритм управления температурой. Знание биометрической модели растения позволяет оптимизировать тепловой режим с учетом протекания биологических процессов. Как показано в [83], экономический эффект экономии тепла при применении данной разработки может достигать 15%.
Принципы построения и алгоритмы.работы ЭССАУ воплощены Жданом А.Б. при экспериментальной эксплуатации построенной им энергосберегающей системы управления микроклиматом [32,33,38,39].
К сожалению, элементная база регулятора данной системы оказалась устаревшей на момент разработки опытного образца, что отражено в публикации [32], поэтому первым этапом представляемой диссертационной работы стал перевод уже известных алгоритмов на современ ную элементную базу [51]. Далее эти системы управления будут рассмотрены подробнее, поскольку исследуются в настоящей диссертационной работе.
Энергосберегающая = система управления микроклиматом животноводческих помещений, описанная в [3], построена на аналогичных принципах - она использует математическую модель продуктивности телят для управления температурным режимом по критерию наибольшей продуктивности. Однако элементная база данной системы на момент разработки системы оказалась более прогрессивной и как следствие более надежной, о чем косвенно свидетельствуют результаты ее применения в период опытной эксплуатации [3].
Заканчивая обзор систем управления микроклиматом, следует сказать, что развитие алгоритмов функционирования этих устройств достигло известного уровня совершенства, однако вопросы исследования точности поддержания параметров внутренней среды, особенно в.системах, оптимизирующих параметры внутренней среды по какому-либо критерию, не нашли достаточного отражения в рассмотренных исследованиях, в связи с чем такая постановка задачи является актуальной и имеет большое практическое значение.
Параметрическая чувствительность регуляторов микроклимата.
Как уже было отмечено, регуляторы современных систем управления микроклиматом являются устройствами с несколькими-входами, зачастую реализующими к тому же.весьма сложную функциональную зависимость выходной величины от входных. Поэтому становится важным вопрос о влиянии статических ошибок измерения входных параметров на результирующую точность управления.температурой: В литературных источниках [4,31,97] вопросы точности и чувствительности рассматриваются как правило в частотной или временной области, другими словами, постановка вопроса чувствительности относится к динамике систем управления.
Так, например, Емельянов Ю,И., Можаев Л.Л., Романовский-А.А. [31], рассматривают передаточную функцию системы в частотной области, а затем определяют коэффициенты влияния изменений параметров на передаточную функцию.
Розенвассер Е.Н. и Юсупов P.M. [97] рассматривают вектор в пространстве состояний системы во временной области: Y(t,a) (1.1) который называется основным движением динамической системы и вектор показателей качества: 1(a) (1.2) где J - вектор функционалов, определенных на множестве параметров а, Y - вектор переменных состояния системы, а - вектор параметров, влияющих на состояние системы, t - текущее время. Затем рассматривается вектор: ДУ( Y a + rf-Y a) (1.3) который называется дополнительным движением системы, вызванным изменением параметров. Дополнительные движения и соответствующие приращения показателей качества: AJ JAa + rt-Jta) (1.4) характеризуют изменения интересующих исследователя свойств системы при изменении соответствующих параметров. Затем вводятся частные производные: S&J,(tta) a/, (t,a) дак дак называемые функциями чувствительности дополнительных движений и показателей качества, соответственно, которые характеризуют степень влияния каждого из параметров на показатели качества системы.
Однако вопросы статической чувствительности регуляторов энергосберегающих систем автоматического управления температурой в теплице в литературе не рассматривались, в связи с чем изучение данного вопроса имеет теоретическое и практическое значение.
Выбор основания для классификации методов экспериментального определения характеристик погрешности (ЭО ХП) аналого-цифровых приборов
В соответствии с приведенной классификацией рассмотрим следующие группы методов: — методы, использующие постоянный тестовый сигнал, — методы, использующие линейно-изменяющийся тестовый сигнал, — методы с гармоническим тестовым сигналом, — методы со случайным тестовым сигналом. Методы, использующие постоянный тестовый сигнал.
В соответствии с определением, постоянный тестовый сигнал — сигнал постоянного уровня, величина которого известна с заданной степенью точности в течении заданного интервала времени. Источником постоянного тестового сигнала являются образцовые измерительные средства высокого класса точности — калибраторы, и компараторы постоянного напряжения того или иного принципа действия. В настоящее время находят применение калибраторы с прецизионным резистивным делителем и калибраторы, на основе широтио-импульсного модулятора. Рассмотрим структурные схемы некоторых из применяемых установок ЭО ХП с постоянным тестовым сигналом. Общим свойством каждого из методов с постоянным тестовым сигналом является-отслеживание исследуемого уровня квантования преобразователя с помощью того или иного механизма и последующее определение разности отслеженного и ближайшего из образцовых уровней постоянного напряжения, получаемого с помощью образцового средства.
Наивысшую точность при выполнении ЭО ХП АЦП из всех описанных в литературе методов обеспечивает автоматизированная; система Национального Бюро Стандартов США (НБС) [138,148], в которой в качестве образцового средства используется 20-разрядный ЦАП на основе резистнвного делителя, коммутируемого смоченными ртутью контактами. Данный образцовый ЦАП обеспечивает относительную погрешность воспроизведения шкалы образцовых уровней,-не превышающую 0.0001%. Наряду с возможностью определения всех статических составляющих погрешности преобразования установка обеспечивает возможность измерения.случайной составляющей.инструментальной погрешности. Суммарная неопределенность результатов измерения оценивается величиной 0.0004% за счет.влияния погрешности слежения: за уровнем квантования в контуре обратной связи, плюс ошибка квантования. Для слежения за исследуемым уровнем квантования используется цепь обратной связи, содержащая интегратор, направление интегрирования которого определяется результатом сравнения текущего зна чения выходного кода АЦП с установленным. В установившемся режиме на входе исследуемого преобразователя присутствует напряжение, среднее значение которого совпадает со значением истинного уровня квантования плюс погрешность слежения, которая определяется величиной перерегулирования в контуре обратной связи. Обычно перерегулирование не превышает 1/16 МЗР поверяемого преобразователя. После достижения установившегося режима отслеженное значение уровня квантования измеряется с помощью вспомогательного АЦП, Структурная схема установки НЕС приведена на рис. 2.2. Операторная модель метода имеет следующий вид:
Наиболее близкой к системе НБС по уровню обеспечиваемой точности определения характеристик погрешности АЦП является отечественная установка "Гамма Ц-16", предназначенная для ЭО ХП интегральной нелинейности [19]. Аналогичной структурой и параметрами обладает установка Burr-Brown [144]. Образцовым средством в установке "Гамма Ц-16" является 12-разрядный калибратор постоянного напряжения (ЦАП) на основе делителя с усреднением первичных погрешностей элементов (способ усреднения—аналоговый) и широтно-импульспой модуляцией. Образцовый ЦАП обеспечивает точность на уровне 20 двоичных разрядов. Фактически данное образцовое средство является эталоном линейности, поскольку долговременная стабильность воспроизводимых уровней мала и устройство содержит каналы компенсации линейных составляющих погрешности формируемого образцового уровня — масштаба ЦАПЧ и смещения нуля ЦАП0. Для слежения за исследуемым уровнем квантования используется специальный 8-разрядный ЦАП;.,. Для устранения влияния шумов используется усреднение отсчетов в каждой из поверяемых точек характеристики преобразования- Время установления каждого из образцовых уровней составляет 100 мс. Для исключения влияния нестабильности опорного напряжения образцового калибратора выполняется периодическая подстройка смещения нуля и масштаба преобразования. Начальное приближение уровня квантования устанавливается меньше исследуемого уровня на величину младшего разряда образцового ЦАП, а затем по алгоритму поразрядного приближения отыскивается истинное значение уровня. С помощью ЦАП слежения достигается разрешающая способность 5 мкВ. Время, затрачиваемое на ЭО ХП 12-14 разрядного интегрирующего АЦП составляет 2 мин» Структурная схема установки приведена на рис. 23- Операторная модель метода имеет вид: "Гамма Ц-16" Методы ЭО ХП, нспользуюшие линейно-изменящийся тестовый сигнал.
Достоинствами линейно-изменяющегося тестового сигнала, обуславливающими его использование для целей ЭО ХП АЦП, является функциональная простота-образцового средства, обеспечивающего по лучение тестового сигнала- Образцовое средство является интегратором на основе инструментального операционного усилителя,.обычно с каналом М-ДМ, и качественным интегрирующим конденсатором на основе синтетического диэлектрика. На современном уровне технологии-для серийных изделий может быть обеспечена линейность тестового сигнала на уровне 18 двоичных разрядов. Линейный тестовый сигнал в задаче ЭО ХП АЦП применяется в эксперименте "гистограммныи тест" [17,119,159], Гистограммным тестом называется способ ЭО ХП дифференциальной нелинейности АЦП линейно-изменяющимся сигналом, когда измерительная информация накапливается в виде "частостей" появления каждой из кодовых комбинаций на выходе преобразователя, запускаемого с постоянным периодом. Генератор запускающего сигнала АЦП не синхронизирован с запуском пилообразного сигнала. Частостью появления некоторой кодовой комбинации на выходе преобразователя называется количество выпадений этой комбинации за время отработки теста [159]. В силу независимости событий запуска преобразователя и события соответствия мгновенного значения входного напряжения уровням напряжения интересующего нас кванта при достаточном количестве отсчетов за время отработки теста частость появления некоторой кодовой комбинации пропорциональна ширине соответствующего ей кванта на характеристике преобразования. Будучи методом относительных измерений, гистограммныи тест пригоден только для целен ЭО ХП нелинейности. Точность определения, ширины квантов определяется средним количеством отсчетов; на.квант характеристики преобразования и поэтому обратна пропорциональна затрачиваемому времени. Результатом выполнения ЭО ХП по данному методу является характеристика погрешности дифференциальной нелинейности, выраженная в относительных величинах. Для получения ХП дифференциальной нелинейности, выраженной, в долях квантов, выполняется нормирование к относительной величине среднего кванта. Характеристика погрешности интегральной нелинейности может быть получена пересчетом по рекуррентному соотношению: Л-/м+ ,; /о-о (2.10) где fj—фактическая величина /-го уровня квантования, kg—ширина і-го кванта, выраженная в относительных единицах. Пересчет характеристики погрешности по соотношению (2Л0) не сопровождается профессивным накоплением погрешностей, поскольку погрешности определения относительной ширины соседних квантов не являются независимыми событиями, и погрешность от компарирования некоторого уровня квантования для последующего кванта равна по абсолютной величине и обратна по знаку погрешности от компарирования данного уровня для.предыдущего кванта.
Анализ статической погрешности преобразования в цепи последовательно соединенных звеньев
Анализ погрешностей каскадных кодоуправляемых делителей и преобразователей на их основе. Каскадные кодоуправляемые делители (ККУД) и преобразователи на их основе являются широкораспространенными элементами, что объясняется регулярностью структуры, высокой технологичностью в производстве, удобством технологической подгонки характеристики преобразования изделий, высоким быстродействием, хорошим уровнем повторяемости параметров; Каскадные кодоуправляемые делители используются и как самостоятельные задатчики аналоговой величины, и как элементы более сложных (каскадных, сегментированных) узлов ко-доуправляемого деления входной аналоговой величины, В установившейся практике проектирования и использования ПФИ характеристики погрешности ККУД как. правило, нормируются путем задания максимальных величин погрешностей в пределах всего диапазона преобразования, при этом структурные свойства характеристики погрешностей игнорируются и не используются, также как и не принимается никаких. мер по ограничению уровня неканонических составляющих характеристик погрешности ККУД с целью последующего использования структурных свойств канонических составляющих погрешности. Между тем канонические составляющие погрешности ККУД, т.е. характеристики -погрешности собственно каскадного делителя, обладают строгими структурными свойствами, обусловленными особенностями структуры их построения на основе, последовательного соединения одинаковых звеньев. Несмотря на большое количество известных схем к настоящему времени нашли применение почти исключительно схемы двоичных делителей. В:дальнейшем под ККУД будут пониматься только схемы двоичных каскадных кодоуправляемых делителей. 4.2.1. Типовые схемы каскадных кодоуправляемых делителей. Каскадным кодоуправляемьтм делителем (ККУД) называется электрическая цепь, предназначенная для операции управляемого кодом деления входной аналоговой величины напряжения или тока, в которой звенья одинаковой структуры соединены последовательно, а выходная аналоговая величина образуется путем суммирования выходных сигналов всех каскадов. Наряду с делителями на основе набора взвешенных резисторов, ККУД находят широкое применение в современной схемотехнике трактов аналого-цифрового ввода-вывода, как в качестве самостоятельных устройств и узлов, так и в качестве составной части более сложных элементов - сегментированных делителей- В зависимости от рода выходной аналоговой величины различают кодоуправляемые делители напряжения (КУДН) и кодоуправляемые делители тока (КУДТ), и, соответственно, каскадные кодоуправляемые делители напряжения (ККУДН) и каскадные кодоуправляемые делители тока (ККУДТ). В практике цифро-аналогового преобразования находят применения главным образом кодоуправляемые делители тока, что обусловлено целым рядом конструкторско-технологических преимуществ, среди которых следует назвать высокое быстродействие, обусловленное токовым режимом работы ключевых элементов, постоянство электротеплового режима делителя вне зависимости от преобразуемого кода, постоянство потребляемого тока источника входного аналогового сигнала, отсутствие шунтирующего действия нагрузки делителя; В дальнейшем под каскадным кодоуправляемым делителем будет пониматься каскадный кодоуправляемый делитель тока. Каскадные КУДТ выполняются либо как чисто пассивные цепи, либо строятся с использованием активных источников тока.
Принципиальные электрические схемы изделий, включающих ККУДТ, отличаются разнообразием схемотехнических и технологических особенностей, однако на основании анализа источников оказывается возможным выделить три типовые схемы каскадных кодоуправляемых делителей тока, которые использованы как в отечественных, так и в зарубежных изделиях микроэлектроники. К числу этих схем следует отнести схему простейшего пассивного ККУД, делитель с активными генераторами токов разрядов и делитель с активными генераторами равнономинальных токов и нормирующей матрицей.
Простейший пассивный ККУД представляет собой делитель, состоящий из одинаковых Г-образных резистивных звеньев с сопротивлениями R и 2R, так что входное сопротивление любого отрезка делителя постоянно и равно 2R. Ток, задаваемый от источника опорного напря жения, делится каждым из каскадов пополам,.так что на выходе делителя, образованном выходами элементарных делителей, возникает набор двоично -взвешенных выходных токов, которые суммируются на выходной токовой шине, подключенной к инвертирующему входу операционного усилителя. Выходные токи несуммируемых разрядов замыкаются на общую шину устройства (рис. 4.2} Каскадный КУДТ с активными генераторами токов содержит токо-задающую цель, представляющую собой простейший пассивный ККУД, выходные токи которого поступают на входы линейки биполярных транзисторов в схеме ОБ, коллекторные токи которых переключаются между выходной и земляной шинами делителя. Достоинством данной схемы в сравнении с предыдущей является исключение влияния остаточных параметров ключей в открытом состоянии, а также разброса остаточных параметров ключей, поскольку источником сигнала в каждой комм мути руемой цепи является генератор тока - коллекторный переход биполярного транзистора с общей базой. Выходные двоично-взвешенные токи суммируются аналогично предыдущей схеме ККУД (рис, 4,4),
Каскадный ККУД с активными генераторами равнономинальных токов и нормирующей матрицей содержит набор генераторов равных токов на основе биполярных транзисторов, коллекторные токи которых переключаются между земляной шиной и узловыми точками простейшего пассивного ККУД, который выполняет взвешенное суммирование сгенерированных.равнономинальных токов. Достоинством данной схемы по сравнению с предыдущей является равенство коллекторных то-ков,.что позволяет получать схемы ККУД достаточно большой длины (рис. 43).
Перечисленные типовые схемы ККУДТ находят применение в следующих интегральных ПФИ: 1. Простейший пассивный ККУД-К572 ПАЇ, ПА2, AD7520 Analog Devices. 2. Каскадный КУДТ с активными генераторами токов - К594ПА1. 3. Каскадный КУДТ с активными генераторами1 токов и нормирующей матрицей - К1108ПА1,.НИ080 Harris, DAC-01, DAC-2 Precision Monolithics» МС 1406 Motorola,.
Структурные свойства однозначных функций одной переменной и операции над ними
Если математическая модель, полученная с помощью плана первого порядка неадекватна, то необходимо переходить к планам более высокого, например второго порядка. К таким планам относятся ортогональные, (в том числе Хартли) и ротатабельные планы. Так как математическая модель, используемая для определения оптимальной температуры второго порядка, то необходимо использовать план второго порядка. Планы Хартли, представляющие собой разновидность ортогональных планов, хотя и с меньшей вероятностью обеспечивают получение адекватных моделей, используют в тех случаях, когда стремятся получить модель процесса при наименьших затратах времени и средств на проведение эксперимента.
Точки плана выбирались варьированием крайних значений выходных величин датчиков и последующей проверкой на существование в ней температуры, оптимальной по удельным энергозатратам (по значению дискриминанта из выражения (3.2,6). Все факторы, включенные в план эксперимента, регулируемые, В установке предусмотрены регулирующие органы, позволяющие изменять эти факторы по крайней мере в тех пределах, в которых это предусмотрено планом эксперимента.. Число повторностей эксперимента-4,
При выборе точек плана проверялось, чтобы значение квадратного корня в выражении для оптимальной температуры было достаточно большим, в противном случае измерение соответствующей оптимальной температуры давало очень высокую дисперсию ошибки.
Экспериментальная установка состоит из блока имитации и вычислителя оптимальной температуры в.теплице, который измерял сигналы имитатора. В блок имитации входят пять переменных резисторов, которые имитируют показание датчиков температуры воздуха, освещенности, влажности, скорости ветра и плотности потока солнечной радиации, а также тумблер переключения режима "день - ночь". Блок отображения информации представляет собой цифровой индикатор (в специализированном вычислителе) или монитор {в компьютерном вычислителе).
Согласно теории планирования [10] был составлен пятифактор-ный план эксперимента представленный в Приложении. Базовая точка плана эксперимента состоит из данных по указанным выше параметрам.
По этим значениям специализированный вычислитель выдавал на индикацию базовое значение оптимальной температуры. Далее на за данное значение изменялся один из параметров и вычислялось новое значение.оптимальной температуры. Значение параметра возвращалось к невозмущенному. Затем изменялся следующий параметр и так далее до исчерпания всех параметров,
В каждой точке плана находилась базовая оптимальная температура и 5 оптимальных температур при возмущенных параметрах. План эксперимента состоял из 32 точек. Число повторностей эксперимента -4,
Результаты измерений по специализированному вычислителю представлены в приложении 3.
По результатам эксперимента можно сделать выводы.о том, что на температуру, оптимальную по удельным энегрозатратам, в большей степени влияют наружная освещенность и влажность, что подтверждает теоретические расчеты.
Результаты измерений по компьютерному вычислителю представлены в приложении 5, 5,1.3.5. Обработка результатов эксперимента.
После проведения эксперимента вносим в таблицу его результаты уь уц,. Уш и yiv- Статистическую обработку покажем на примере третьей строчки плана эксперимента №1 по параметру наружной температуры воздуха. 1, Находим среднеарифметическое из m повторностей т у ==? "= №15 + 0,13 + 0,14 + 0,14) 0Д1 (5Л) р т 4 2. Находим квадраты отклонений (у] - уср)2 и также заносим в таблицу расчетов. 3- По каждой строчке плана находим сумму квадратов отклонений IX-n,J!=X 3=UM0-4 (5.2) М 1-Х где 1 - номер повторности опыта; п - номер строки 4. Находим построчную дисперсию Sn = 1 - =0,6-10- (53) m -1 м 5. Определяется сумма построчных дисперсий IX =0,05 (5.4) 6. Определяется расчетное значение критерия Кохрена Здесь S m„ —0,014 наибольшее значение Sn из всех строчек последнего столбца. 7. Полученное значение критерия Кохрена сравнивается с табличным значением- Если опыт воспроизводим, то
Для определения табличного значения критерия Кохрена [10] предварительно находим число степеней свободы 71=01-1=4-1=3, а у2= N = 32. Т.к. у2 = 32 и такого значения в таблице нет [10], то приходится применять интерполирование. В результате gmaXTaai = 0:19» Условие не выполняется, то есть опыт не воспроизводим. В этом случае рекомендуется одно из следующих решений: 1) увеличить число повторностей; 2) повысить точность определения выходной величины Y; 3) иногда целесообразно выходную величину вместо Y принять равной IgY или У, где г - дробное число. Результаты расчетов по специализированному вычислителю представлены в приложении 4. Результаты расчетов по компьютерному вычислителю представлены в приложении 6.
Результаты расчетов не удовлетворяют критерию статистической достоверности из-за больших величин дисперсий, что говорит о наличии шумов в каналах измерений или о несовершенстве имитатора.
Резисторы в имитаторе датчиков были заменены на двухступенчатые многооборотные СП5-35А, что позволило с высокой точностью выставлять значения симулируемых параметров,
В некоторых точках плана эксперимента дисперсия выходной величины оказалась ненулевой из-за близости нулю подкоренного выражения (3.2.6). Были изменены значение параметров в точках 9; 16, 18, 20, 22, 26. В точке 9 - наружная температура,16 - относительная влажность и скорость ветра, 18 - наружная температура, 20 - наружная температура, 22 « наружная температура, 26 - наружная температура. План эксперимента №2 представлен в Приложении 2.
Результаты измерений по плану эксперимента №2 при использовании компьютерного задатчика приведены в приложении 7. Результаты статистической обработки представлены в приложении 8.
Результаты расчетов показали нулевые дисперсии по всем каналам измерения, что свидетельствует о вычислительной устойчивости компьютерного задатчика, в отличие от вычислителя №1.
Результаты измерений по плану эксперимента №2 при использовании специализированного вычислителя приведены, в приложении 9; Результаты статистической обработки представлены в приложении 10. Они также показали отсутствие ошибки, что свидетельствует об отсутствии шумов в каналах измерения обоих вычислителей.
Большие значения дисперсий в первой серии экспериментов вызваны несовершенством задатчика параметров. 5.1.3.6. Выводы,
Результаты поставленного эксперимента свидетельствуют о высокой алгоритмической устойчивости вновь спроектированного задатчика, а также показывают соответствие экспериментальных значений чувствительности вычисленным.
