Введение к работе
Актуальность работы. По мере развития информационно-измерительных систем (ИИС), усложнения объектов измерения, увеличения разнообразия решаемых задач в области мониторинга объектов ракетно-космической техники (РКТ) требуется совершенствование методов и средств измерений. Тенденция развития ИИС идет по пути увеличения количества датчиков, интенсивного внедрения новых технологий использования автономных безаккумуляторных радиодатчиков (АБР) в составе системы. Перспективность ИИС на основе АБР связана с возможностью таких систем решать большинство проблем, присущих проводным ИИС, таких как сложность установки, необходимость обслуживания, высокое энергопотребление, стоимость.
В настоящее время производство АБР слабо развито, но существует множество отечественных и зарубежных фирм, занимающихся разработкой и изготовлением радиочастотных идентификационных меток, на базе которых и строятся АБР. Наиболее известные из них: NXP Semiconductors, Motorola, Alien Technology, Applied Wireless RFID, Avery Dennision, Invengo, РСТ-Инвент, ГК «Систематика», ОАО «НИИМЭ и Микрон». Помимо выпуска радиочастотных идентификационных меток, большая часть этих фирм нацелена на освоение и развитие новых типов датчиков - автономных безаккумуляторных радиодатчиков.
Достижения отечественных научных школ в области построения и оптимизации ИИС связаны с именами таких ученых, как П. В. Новицкий, М. П. Цапенко, В. Г. Кнорринг, В. А. Грановский, А. В. Фремке, В. М. Шляндин, Е. П. Осадчий, В. П. Кузнецов, Ю. П. Иванов. Ими были заложены основные принципы построения систем, определения принципов внутрисистемного взаимодействия. Несмотря на значительные достижения в данной области, существуют нерешенные задачи, связанные с определением структуры ИИС, разработкой алгоритма функционирования, улучшением метрологических характеристик при ограниченном энергетическом ресурсе, особенно это относится к областям применения с жесткими требованиями к условиям функционирования, к примеру, в области РКТ.
Адаптация ИИС для решения задач РКТ требует значительной проработки. Повышенные требования к условиям функционирования накладывают жесткие ограничения на массу, габариты и ресурс системы. Применение АБР позволяет обеспечить все заданные требования,
но вместе с тем возникает ряд проблем, связанных со спецификой их функционирования.
Разработка ИИС на основе АБР для РКТ имеет ряд научных, технических, инженерных проблем, связанных с особенностью их применения. К примеру, очень важным является вопрос выбора структурно-алгоритмических решений, касающихся протокола обмена, количества датчиков и их конфигурации. Основной проблемой АБР являются низкие точностные характеристики. Эта проблема возникает в связи с ограничением, накладываемым на потребляемую мощность, обусловленным дистанционным питанием приборов. Другой важной задачей является выбор оптимального режима функционирования датчика по сложному составному критерию, который включает в себя эффективность использования энергии и достижимую погрешность измерений. Проблемным вопросом при разработке ИИС на основе АБР является оптимизация информационно-энергетических параметров беспроводных измерительных модулей.
Создание ИИС на основе АБР является перспективным и актуальным направлением в приборостроении. Применение АБР в составе ИИС позволит решить проблему установки большого количества датчиков в условиях ограниченного пространства и повысить ресурс работы системы. Вместе с тем существует множество нерешенных проблем, связанных с построением ИИС на основе АБР. Кроме вопросов, связанных со структурой ИИС и АБР, важным моментом является необходимость разработки методики расчета параметров АБР в составе системы.
Целью данной работы является создание новой распределенной информационно-измерительной системы мониторинга параметров объектов ракетно-космической техники на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками.
Основные задачи исследования:
-
анализ способов построения и систематизация информационно-измерительных систем на основе сетевых датчиков, адаптированных для задач ракетно-космической техники;
-
разработка структуры информационно-измерительной системы двигательной установки на основе автономных безаккумуляторных радио датчиков;
-
разработка математической модели автономного безаккумуляторного радиодатчика для решения задач повышения точности при условии минимального энергопотребления;
-
разработка инженерной методики расчета и оптимизации параметров информационно-измерительной системы на основе автономных безаккумуляторных радио датчиков;
-
разработка и экспериментальное исследование информационно-измерительной системы на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков, отвечающей требованиям высокой точности и низкому энергопотреблению.
Объектом исследования является информационно-измерительная система на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков для решения задач ракетно-космической техники.
Предметом исследования является структура информационно-измерительной системы на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков и выявление закономерности между энергетическими и точностными параметрами в виде информационно-энергетической функции обмена.
Методы исследования. В работе использованы основные положения теории обработки сигналов, численные методы, методы математической статистики, теория погрешностей, применены методы математического и компьютерного моделирования Matlab&Simulink.
Научная новизна работы:
-
разработаны математическая модель и методика получения количественных коэффициентов информационно-энергетической функции обмена для автономных безаккумуляторных радиодатчиков, основанные на общем принципе энергоинформационного обмена;
-
предложена модифицированная функция информационно-энергетического обмена, позволяющая производить расчет энергетических и временных параметров автономных безаккумуляторных радиодатчиков с учетом дополнительных источников помех в измерительном канале;
-
подтверждена возможность применения функции информационно-энергетического обмена для различного класса шумов, по результатам экспериментов и математического моделирования;
-
разработана программно-аппаратная реализация информационно-измерительной системы на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков, удовлетворяющая специфике применения в ракетно-космической технике.
Практическая значимость. Основные теоретические положения диссертации использованы ОАО «Научно-исследовательский институт физических измерений» при разработке макетных образцов информа-
ционно-измерительной системы двигательной установки на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков для решения задач ракетно-космической техники. Применение предложенных методов расчета параметров информационной энергетической функции обмена позволило обеспечить оптимальный с точки зрения затрачиваемой мощности и достижимой точности режим функционирования информационно-измерительной системы. Разработана инженерная методика расчета параметров информационно-энергетической функции. На защиту выносятся:
-
результаты теоретических и экспериментальных исследований информационно-энергетической функции обмена для автономных безаккумуляторных радиодатчиков на основе разработанной математической модели;
-
инженерная методика расчета оптимальных параметров информационно-энергетической функции обмена автономных безаккумуляторных радио датчиков;
-
структура и алгоритм функционирования информационно-измерительной системы на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков;
-
модифицированная функция информационно-энергетического обмена для расчета энергетических и временных параметров автономных безаккумуляторных радиодатчиков, учитывающая дополнительные источники помех в измерительном канале.
Реализация работы и внедрение результатов. На основе теоретических исследований и разработок внедрены в опытное производство ОАО «Научно-исследовательский институт физических измерений» беспроводные радиодатчики и приемопередающие модули: БД-ТВР (беспроводной датчик температурно-влажностного режима), МПДР 1 (модуль передачи данных с радиоканалом), ИМРК 1 (измерительный модуль с радиоканалом) - в ходе выполнения работ по договорам с ОАО «Российские космические системы» и работ, выполняемых по «Федеральной космической программе России на 2006-2015 гг.» и Федеральной целевой программе «Развитие оборонно-промышленного комплекса России на 2007-2015 гг.».
Опытные образцы БД-ТВР используются в составе системы мониторинга перевозок ценных и опасных грузов железнодорожным транспортом, используемой ОАО «Российские космические системы».
Опытные образцы системы МПДР 1 используются в ОАО «Научно-исследовательский институт физических измерений» для автомати-
зированного удаленного конфигурирования параметров и контроля параметров цифровых интеллектуальных датчиков.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Датчики и системы» (Пенза, 2009-2012), Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2009, 2011), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные технологии в науке, инженерии, управлении» (Таганрог, 2011, 2012), I Всероссийской научно-практической конференции «Устройства измерения, сбора и обработки сигналов в информационно-управляющих комплексах» (Ульяновск, 2011), V Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (Москва, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе пять работ в журналах из перечня рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК, семь печатных работ без соавторов, а также два свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего ПО наименований, изложена на 180 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, 7 таблиц.
