Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор методов идентификации информационно-измерительных и управляющих систем
1.1. Задачи идентификации и особенности их решения 13
1.2. Общая постановка задачи идентификации информационно-измерительных и управляющих систем 16
1.3. Практическая реализация методов идентификации 22
1.4. Идентификация коэффициентов передаточной функции объекта с помощью испытательных сигналов в виде время-степенных функций 28
Глава 2. Формирование время-степенных сигналов и идентификация моделей і объектов и систем управления ' ;
2.1. Аналоговая реализация генератора испытательных сигналов 37
2.2. Принципы формирования испытательных сигналов при цифровой реализации генератора 61
2.3. Формирование системы испытательных сигналов для идентификации объектов первого и второго порядков 69
2.4. Формирование системы испытательных сигналов для идентификации моделей следящего привода и автоматической системы сопровождения объекта по направлению с помощью цифровых испытательных сигналов 84
Глава 3. Экспериментальное определение коэффициентов передаточной функций объектов при наличии помех
3.1. Обработка откликов объектов методами низкочастотной фильтрации 93
3.2. Обработка откликов объектов методами статистической обработки сигналов 98
3.3. Обработка откликов объектов методами вэйвлет- фил ьтрации 101
Глава 4. Способ идентификации навигационных параметров объектов с помощью испытательных сигналов 108
Заключение 115
Список литературы
- Общая постановка задачи идентификации информационно-измерительных и управляющих систем
- Идентификация коэффициентов передаточной функции объекта с помощью испытательных сигналов в виде время-степенных функций
- Формирование системы испытательных сигналов для идентификации объектов первого и второго порядков
- Обработка откликов объектов методами статистической обработки сигналов
Введение к работе
Актуальность проблемы. В современной науке и технике непрерывно увеличивается число задач, для решения которых используют информационно-измерительные и управляющие системы. К таким задачам можно отнести управление различными технологическими линиями или процессами, двигательными и генераторными установками, летательными аппаратами, контроль и измерение параметров, реализацию сложных научных экспериментов в астрофизике и ядерной физике. Развитие информационных технологий и элементной базы, а также повышение требований к качеству управления способствуют широкому применению информационно-измерительных систем. На рис. 1 представлены данные компании Rodel&Partner Consulting за 2005 год о доле затрат на внедрение информационно-измерительных систем в различных отраслях промышленности. Отмечается тенденция к увеличению присутствия информационно-измерительных и управляющих систем в промышленном управлении и по отраслям машиностроения.
Рис. 1. Оценка затрат по отраслям промышленности
К управляющим системам предъявляют высокие требования к качеству управления, для обеспечения которых необходимо получить точное математическое описание объекта. Сложность современных объектов управления часто настолько высока, что аналитических подходов к математическому описанию оказывается недостаточно для получения достоверной модели поведения объекта в предполагаемых условиях эксплуатации или при проведении научных экспериментов. Эти условия, как и свойства самого объекта управления, могут не соответствовать расчётным, изменяться с течением времени или быть неизвестными заранее. В таких случаях для получения точного математического описания используют различные методы, основанные на решении задач идентификации. Теоретические и практические вопросы идентификации объектов и систем управления рассматривались в работах таких учёных, как В. В. Солодовников, В. Я. Ротач и др. Поскольку задачи идентификации являются некорректными, возникают определённые сложности при наличии различного рода внешних воздействий, влияющих на погрешность задания исходных данных и приводящих к неустойчивым вычислительным процедурам.
Таким образом, с целью получения математического описания сложных объектов и систем управления с высокой степенью точности в реальных условиях эксплуатации, существует необходимость в разработке помехоустойчивых методов активной идентификации и соответствующего программно-аппаратного обеспечения.
Актуальность диссертационного исследования обусловлена необходимостью решать такие задачи с заданной точностью за короткое время, используя при этом относительно простые алгоритмы.
Объект исследования: объекты, входящие в состав информационно-измерительных и управляющих систем.
Предмет исследования:
методы активной идентификации параметров объектов и систем управления;
способы формирования активных входных воздействий;
методы активной идентификации параметров объектов при высоком уровне помех.
Целью работы является разработка помехоустойчивых методов активной идентификации информационно-измерительных и управляющих систем, а также устройств для формирования активных воздействий с заданной точностью.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:
анализ существующих методов идентификации информационно-измерительных и управляющих систем;
разработка устройства аналогового формирования испытательных сигналов специальной формы;
разработка программного обеспечения для цифрового формирования испытательных сигналов специальной формы;
разработка методики активной идентификации информационно-измерительных и управляющих систем с использованием испытательных сигналов специальной формы при высоком уровне помех;
разработка помехоустойчивого способа активной идентификации с использованием сигналов специальной формы для прецизионного измерения навигационных параметров объектов.
Методы исследования. В работе использованы методы имитационного моделирования, численные методы, методы статистической обработки данных, методы цифровой обработки сигналов.
Научная новизна. В диссертации разработаны и выносятся на защиту следующие основные положения:
-
Предложено устройство для формирования аналоговых испытательных сигналов в виде время-степенных функций, отличающееся использованием интеграторов с нелинейными элементами и цепями линеаризации их характеристик, управляемое микроконтроллером. В качестве нелинейных элементов предложено использовать полевые транзисторы с управляющим p-n переходом.
-
Предложена программная реализация алгоритма формирования цифровым способом испытательных сигналов в виде время-степенных функций.
-
Разработана помехоустойчивая методика активной идентификации параметров объектов, входящих в состав информационно-измерительных и управляющих систем с помощью испытательных сигналов специальной формы, отличающаяся применением алгоритмов фильтрации помех на основе вэйвлет-преобразований.
-
Разработан способ прецизионного измерения навигационных параметров объектов с использованием импульсных испытательных сигналов, отличающийся тем, что регистрация откликов осуществляется тремя идентичными каналами, расположенными в одной неподвижной приёмной системе и осуществляется измерение длительности откликов, а не всего частотного спектра.
Практическая значимость работы.
-
Устройство для формирования аналоговым способом испытательных сигналов специальной формы в широком диапазоне длительности, может быть использовано в составе информационно-измерительных и управляющих систем в подсистемах текущей идентификации параметров объектов. Устройство позволяет производить идентификацию коэффициентов передаточных функций объектов. На устройство подана заявка на полезную модель № 2006106473.
-
Разработанное программное обеспечение может быть использовано для формирования испытательных сигналов для идентификации объектов с передаточными функциями первого и второго порядков, в частности для идентификации системы следящего привода и систем азимутального и угломестного приводов радиотелескопа.
-
Методика идентификации информационно-измерительных и управляющих систем может быть использована для получения их точного математического описания при высоком уровне помех. Методика позволяет добиться высокой точности определения коэффициентов передаточных функций.
-
Способ прецизионного определения навигационных параметров объектов с использованием импульсных испытательных сигналов может быть использован при проведении экспериментов в астрофизике, а также в радио- и эхолокационных исследованиях. На способ получен патент РФ № 2254588.
Внедрение результатов работы.
Методика активной идентификации объектов автоматизации при высоком уровне помех, принята к внедрению в ОАО «Астраханское центральное конструкторское бюро».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на второй Всероссийской научно – технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий.» (Восточно – сибирский государственный технологический университет, Улан – Удэ, 2001 г.), на 6 Всероссийской научно - технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 2002 г.), на научно – практической конференции «Пути повышения эффективности АПК в условиях вступления России в ВТО» (Уфа, 2003 г.), на международной конференции «Электрификация сельского хозяйства». (Уфа, 2005 г.) на научно – технических конференциях профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета (Астрахань, 2002, 2003, 2004, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 84 рисунка, список литературы включает 101 наименование.
Общая постановка задачи идентификации информационно-измерительных и управляющих систем
На сегодняшний день информационно-измерительные и управляющие системы применяются во многих отраслях науки и техники для решения широкого спектра задач: управления технологическими процессами и объектами, автоматизации процесса измерений, управления транспортными средствами. Вне зависимости от области применения к этим системам предъявляются определённые требования по обеспечению максимального качества процесса управления [23, 43, 51, 53]. Любая управляющая система t состоит из двух основных частей: объекта управления и управляющей системы. Управляющая система осуществляет следующие функции: идентификация состояния объекта управления; выработка управляющего воздействия исходя из целей управления с учетом состояния объекта управления и окружающей среды; оказание управляющего воздействия на объект управления.
На качество процесса управления в реальных условиях влияет множество внешних факторов. Эти факторы могут быть разделены на следующие группы: характеризующие предысторию объекта управления и его актуальное состояние управления; технологические (управляющие) факторы; факторы окружающей среды; Факторы, отнесённые к первой группе, зависят непосредственно от свойств того или иного объекта. Технологические факторы зависят от воздействия на объект системы управления. Факторы, зависящие от свойств окружающей среды, могут определяться климатическими условиями, температурой, влажностью, механическими воздействиями и тоже должны быть учтены на стадии разработки систем управления. Очевидно, что на процессы управления в большей степени влияют факторы первой группы и при разработке систем автоматического регулирования динамическими объектами и процессами одной из главных задач является определение статических и динамических характеристик объектов управления. Знание этих характеристик объекта позволяет выбрать оптимальный закон управления им. Поэтому возникает необходимость решения задачи выработки управления (обратная задача распознавания, идентификации и прогнозирования) с учётом влияния различных факторов (возмущающих воздействий, начальных условий и т. д.) на характеристики объекта, что приводит к необходимости проведения экспериментов, позволяющих определить необходимый закон управления объектом автоматизации [3,8,15,16,64,65,71,77,82]. При этом предъявляются определённые требования к адекватности полученных данных, т. е. должна быть определена вероятность ошибки при отнесении распознаваемого объекта к определённому классу. Широкая номенклатура машиностроительной продукции, большое число измеряемых параметров, сложность правил и алгоритмов диагностирования, а также высокие требования к точности и надёжности оценки технического состояния и работоспособности объектов управления делают актуальным применение автоматизированных систем идентификации и диагностики объектов на базе информационных технологий [26,28,29,47,55,76,77,78]. Доступность современных ЭВМ позволяет проводить комплексный анализ сложных неисправностей оборудования, используя методы математического моделирования и идентификации динамических объектов [6,44,76,74,78]. Примером зарубежного опыта разработки таких систем может служить система типа «Дайджест», разработанная «Siemens» для диагностики паровых турбин электростанций различного типа [61]. Разработкой подобных систем занимаются такие крупные энергомашиностроительные фирмы как «Toshiba», «Hitachi» и др. Техническая информация, имеющаяся по этим системам, не позволяет судить об особенностях их функционирования.
В [15] приведена классификация объектов идентификации по следующим признакам: линейности или нелинейности; стационарности или нестационарности; дискретности или непрерывности; детерминированности или стохастичности; по количеству входных воздействий; по наличию априорной информации об объекте.
Решение задач идентификации проводится, как правило, в рамках некоторой математической модели исследуемого объекта. Оно состоит в определении либо коэффициентов дифференциальных уравнений, либо области, в которой действует оператор, либо начальных условий, либо сочетания приведенных выше причин [17,41].
Математические модели должны выбираться на основе компромисса между желанием точно описать состояние объекта и желанием иметь более простые модели, облегчающие решение основанных на них задач [3, 10, 25, 29, 30, 34].
Решение задачи построения математических моделей динамических систем составляет предмет теории идентификации, которая тем самым становится элементом общей научной методологии.
В большинстве случаев соотношения, описывающие взаимодействие различных составляющих динамической системы, задаются в виде систем алгебраических, дифференциальных (разностных), алгебро-дифференциальпых или интегральных уравнений. При моделировании динамических систем все численные характеристики изучаемого процесса можно разбить на два класса: не изменяющиеся в ходе процесса (константы) и меняющие свое значение (переменные).
Идентификация коэффициентов передаточной функции объекта с помощью испытательных сигналов в виде время-степенных функций
Для уменьшения влияния неточности исходных данных на результаты активной идентификации в работах [1, 2, 5, 52] рассмотрен метод идентификации динамических объектов с помощью испытательных сигналов в виде время - степенных функций со строго нормированными характеристиками, позволяющий избежать некорректности решения обратной задачи идентификации.
Идентификация объекта при использовании испытательных сигналов в виде время - степенных функций осуществляется в автоматическом режиме и обеспечивает получение информации в реальном масштабе времени за один активный эксперимент, который заключается в подаче испытательных сигналов на вход объекта и регистрации откликов на их воздействие после полного завершения переходных процессов.
Количество испытательных сигналов определяется видом передаточной функции и равно числу идентифицируемых коэффициентов.
Испытательные сигналы имеют формализованное математическое описание и представляют собой последовательность время - степенных функций с нарастающей на единицу степенью у каждой последующей функции V,(t) -(T)1, (6) где А - амплитуда входного сигнала; Т - интервал времени действия всех испытательных сигналов (интервал идентификации). Амплитуда входного сигнала выбирается, исходя из тех соображений, что входной сигнал должен быть достаточным для возбуждения объекта идентификации и в то же время не должен превышать максимально допустимого значения [15, 16].
Интервал времени действия всех испытательных сигналов принимается одинаковым. Он определяется в первом цикле эксперимента после подачи на вход объекта ступенчатого сигнала и регистрации отклика при условии завершения переходного процесса с заданной точностью.
Особенностью испытательных сигналов является то, что в точках регистрации откликов на их воздействие сам сигнал и все его производные, кроме старшей, принимают нулевое значение (рис. 2 а,б). В результате этой особенности каждый сигнал имеет свое автономное назначение и служит для определения соответствующего коэффициента передаточной функции
По зарегистрированным откликам и соответствующим вычислительным алгоритмам осуществляется расчет коэффициентов передаточных функций.
Далее приводятся алгоритмы формирования испытательных сигналов для различных структур объектов автоматизации, и иллюстрируется их действие с помощью ПП MathCad 2000. В качестве объектов автоматизации рассматриваются динамические звенья первого и второго порядков. Пусть объект автоматизации представляет собой апериодическое звено 1 -го порядка без запаздывания, описываемое передаточной функцией вида W(S)=IJTT- (? где k, а - коэффициент передачи и постоянная времени объекта, подлежащие идентификации. Для определения коэффициентов к и а требуется сформировать два испытательных сигнала [3]: 1 .ступенчатое воздействие для определения коэффициента к: V0 (t) = А Ф(ї), где А - амплитуда ступенчатого воздействия; Ф(г) единичная ступенчатая функция Хевисайда; 2.время - степенная функция первого порядка для определение постоянной времени Э: v,(t)=—(т) vl(t) = W = -A 1 dt T функции V,(t), второй испытательный сигнал; = const - первая производная время - степенной где А - амплитуда ступенчатого воздействия; Т - интервал идентификации. Таким образом, система испытательных сигналов для данного объекта примет вид, показанный на (рис. 2, а).
Формирование системы испытательных сигналов для идентификации объектов первого и второго порядков
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-2ЦАПп15, 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
Щ 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. Возможность 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,
І называемых динамическими анализаторами, в которых решены проблемы с эффектом наложения частот. Такие платы наиболее распространены на диапазон частот от 0 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 = 32767-кгивх/иоп Выходное напряжение 16-разрядного ЦАП равно: ивш = k2-U0!I-N/32767, где N - входной/выходной код АЦП/ЦАП со знаком, Uon величина опорного напряжения, k], k2 - коэффициенты передачи, зависящие от типа кодека.
Питание аналоговой части кодеков обычно равно +5 В (стандарт АС 97 допускает питание аналоговой части +3.3 В), поэтому рабочая точка сдвинута на величину Uon. Для +5 В кодеков значения U0u 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 (л/2-l)/32767 =43,2 мкВ при усилении / аттенюации 0 дБ). Для входных сигналов платы необходим контроль их максимальных значений. Если размах сигнала на входе кодека превысит его напряжение ь 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 0 - 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.
Обработка откликов объектов методами статистической обработки сигналов
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 сверхдлишюй 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.
При этом измеряется только о - составляющая скорости вдоль приемной 108 системы по дonплер-эффекту отдельными приемными системами. Этого v = v +V недостаточно для определения полного вектора скорости р D.
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 перекрываются, 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 р и расчет по ним вектора полной скорости с учетом радиальной составляющей скорости « и координат.
Наиболее важно и наглядно применение этого метода для радиолокации. Реализация способа в радиодиапазоне представлена на рис. 81, где Аи -излучающая антенна (лазерная для оптического диапазона), Агг - приемная антенная система (оптический телескоп) содержащая три приемных канала, V -скорость объекта у- угол наклона траектории к картинной плоскости (КП), ABCDEF - след траектории объекта. Зондирующий радиоимпульс Рм излучают антенной Аи, Временная зависимость мощности сигнала представлена на рис. 82, где tn - период колебаний, соответствующий несущей частоте, т - период амплитудной модуляции по доплеровскому сдвигу которого определяют V[ .
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 у и может быть представлена отрезком прямой, след ABCDEF которой на картинную плоскость описывается уравнением у = ах+Ь (28) где а-угловой коэффициент прямой; b-отрезок, отсекаемый прямой на оси OY. Временная зависимость эхо - сигналов в каналах показана на рис. 83.
