ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Иосифов, Валерьян Павлович

Введение к работе

Актуальность темы. Интенсивное развитие сложных технических систем выдвигает новые требования, связанные с улучшением метрологических характеристик средств измерения (СИ) в расширенном диапазоне частот для измерительных преобразователей параметров датчиков в унифицированные электрические сигналы.

Реализация этих требований предусматривает решение задачи идентификации полных динамических характеристик СИ, имеющей ряд существенных особенностей, обусловленных: сложностью создания близких к характеристическим физических испытательных сигналов; отставанием развития испытательного оборудования от темпов развития СИ; трудностью аттестации входных воздействий из-за отсутствия СИ
с более высокочастотными динамическими характеристиками, чем испытуемые СИ; сложностью определения динамических характеристик СИ в ходе их эксплуатации.

Решение задачи определения полных динамических характеристик СИ (ГОСТ 8.009-84 – «Нормируемые метрологические характеристики средств измерений») затрудняется в условиях серийного производства средств измерений, когда фактически решаются две задачи: определение факта нахождения динамических характеристик в пределах допуска для данного типа СИ массового потребления и определение индивидуальных динамических характеристик СИ для уникального применения.

Вопросам развития теории динамических измерений и построения датчиковой аппаратуры посвящены работы Д. И. Агейкина, А. М. Азизова, А. Н. Гордова, А. В. Гориша, В. А. Грановского, В. Г. Домрачева, Ю. И. Иориша, К. Л. Куликовского, В. С. Мелентьева, Е. А. Мокрова, П. В. Новицкого, Г. П. Нуберта, С. А. Прохорова, В. Г. Свиридова, Г. Н. Солопченко, А. М. Туричина, Э. И. Цветкова, В. Е. Шатерникова и др.

Несмотря на значительные достижения в теории динамических измерений, известным способам определения полных динамических характеристик СИ присущи следующие недостатки:

применение классических методов спектрального анализа для сигналов с короткой длительностью неэффективно из-за недостаточного разрешения и явления утечки в спектральной области;

определение динамических характеристик СИ в процессе их эксплуатации, например для датчиков механических величин, встроенных в сложные системы, является дорогостоящей процедурой из-за невозможности полной остановки этих систем;

использование современного испытательного оборудования при отсутствии высокоточных и широкополосных СИ не позволяет с достаточной степенью точности оценить параметры тестовых воздействий.

Так как используемые при обработке откликов классические
и параметрические методы спектрального анализа обладают рядом известных недостатков, их выбор во многом определяется конкретными условиями регистрации-воспроизведения откликов на испытательные воздействия. Например, недостатки классических методов определения полных динамических характеристик наиболее выражены при откликах, имеющих короткую длительность, а параметрических – при малом отношении сигнал/шум. Данные особенности требуется учитывать как при формировании требований к испытательным сигналам и средствам регистрации откликов на испытательные воздействия, так и к способам их последующей обработки.

В связи с этим разработка способов определения полных динамических характеристик СИ с применением параметрических методов спектрального анализа по откликам с короткой длительностью, а также определение динамических характеристик для встроенных СИ в процессе эксплуатации в настоящее время является актуальной проблемой.

Цель диссертационной работы заключается в развитии теории и методологии определения динамических характеристик СИ на основе совершенствования методов параметрического спектрального анализа, обеспечивающих высокое разрешение и точность.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие основные задачи:

1. Выбор и обоснование математической модели динамических процессов, протекающих в СИ.

2. Разработка эффективных способов определения полных динамических характеристик СИ, использующих импульсное воздействие с короткой длительностью или ступенчатое воздействие с короткой длительностью переднего фронта.

3. Разработка и модернизация адаптивных методов параметрического спектрального анализа, ориентированных на обработку откликов с короткой длительностью.

4. Создание методики определения полных динамических характеристик СИ, основанной на применении разработанных и модифицированных методов параметрического спектрального анализа, а также методики коррекции динамических характеристик СИ в режиме их эксплуатации.

5. Реализация и внедрение разработанных методов определения полных динамических характеристик СИ, методов коррекции динамических характеристик в режиме эксплуатации СИ, теоретических и практических результатов исследования на предприятиях отрасли.

Методы исследований. Для решения поставленных задач применялись: теория линейных непрерывных и дискретных систем автоматического регулирования; методы идентификации систем; теория сигналов; теория аналоговой и цифровой фильтрации; теория вероятностей и математической статистики; численные методы; теория планирования эксперимента; статистический, регрессионный и спектральный анализ; теория погрешностей.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Предложены способы определения полных динамических характеристик СИ, основанные на параметрических методах спектрального анализа, использующие импульсное воздействие с короткой длительностью или ступенчатое воздействие с короткой длительностью переднего фронта, позволяющие по результатам одного эксперимента определять полные динамические характеристики СИ, в частности измерительных преобразователей параметров датчиков в унифицированные электрические сигналы, при сформулированных требованиях к длительности импульса или переднего фронта воздействия.

2. Созданы и исследованы адаптивные к шумам и промахам методы определения полных динамических характеристик СИ, позволяющие существенно уменьшить методическую и случайную составляющие динамической погрешности.

3. Разработана методика определения полных динамических характеристик СИ с использованием априорной информации об импульсной характеристике СИ, которая сводит задачу определения полных динамических характеристик к оцениванию параметров модели СИ (амплитуд, декрементов колебания, собственных частот, фаз), соответствующих физическим параметрам СИ.

4. Разработаны методологические принципы математического моделирования динамических процессов в СИ, позволяющие определять полные динамические характеристики СИ в режиме их эксплуатации.

5. Разработана методика оценивания параметров импульсного воздействия, обеспечивающая значительное расширение частотного диапазона определения полных динамических характеристик СИ.

6. Разработана методика определения полных динамических характеристик СИ в условиях серийного производства, основанная на параметрических методах спектрального анализа с использованием рекуррентных процедур и позволяющая существенно сократить вычислительные затраты.

Практическое значение и реализация результатов работы. Практическая значимость работы состоит в разработке и внедрении методов проектирования и определения полных динамических характеристик различных СИ, в том числе:

6. 1. методики аттестации датчиков переменного давления, внедренной в ОАО «НИИ физических измерений» (г. Пенза), которая позволила расширить частотный диапазон определения полных динамических характеристик датчиков переменных давлений до 1 МГц;

   2. методики обработки и интерпретации характеристик быстроменяющихся процессов для автоматизации результатов испытания уникального оборудования, реализованных в виде пакета прикладных программ, внедренных на НПО «Энергия» (г. Москва), что позволило расширить частотный диапазон определения полных динамических характеристик СИ и повысить качество диагностики сложных объектов;

   3. методики восстановления входного воздействия по отклику системы, внедренной в ОКБ «Точность» (г. Тула), которая позволила обеспечить идентификацию состояния сложной технической системы в реальном масштабе времени;

   4. устройства и программного обеспечения для обработки вибросигналов, измерительного блока в составе прибора для испытаний грунта, внедренных в ОАО «Лермонтовский проектно-изыскательский институт «Оргстройпроект» (г. Лермонтов, Ставропольский край), что позволило расширить функциональные возможности, повысить точность обработки сигналов, снизить материальные затраты и сократить время на проведение испытаний;

   5. устройства контроля и алгоритмов анализа объектов для определения неисправностей, внедренных во ФГУП «НИИ специальных информационно-измерительных систем» (г. Ростов-на-Дону), что позволило расширить функциональные возможности и обеспечить высокую точность определения параметров сигналов в автоматизированной контрольно-диагностической системе;

   6. устройства и методики определения полных динамических характеристик датчиков быстропеременных давлений, алгоритма диагностирования состояния сложной технической системы, которые внедрены в НИИ многопроцессорных вычислительных систем
      им. А. В. Каляева Южного федерального университета (г. Таганрог), что позволило расширить частотный диапазон определения этих характеристик, уменьшить погрешности их определения в динамическом режиме до 3 %, сократить затраты и время проведения испытаний и диагностики;

   7. методики определения полных динамических характеристик СИ и комплекса программ, внедренных в ОАО «Казаньоргсинтез» (г. Казань), что позволило определять динамические характеристики СИ в процессе их эксплуатации в составе сложного оборудования.

   Основные научные результаты, выносимые на защиту:

   6. 1. Методика определения полных динамических характеристик СИ по откликам с короткой длительностью с применением обобщенных математических моделей и априорной информации о СИ.

      2. Модифицированные параметрические методы спектрального анализа, адаптивные к шумам и промахам, позволяющие уменьшить погрешности определения полных динамических характеристик СИ.

      3. Методы коррекции частотных характеристик по результатам измерения на опорных частотах, в которых с целью уменьшения трудоемкости анализа используются результаты имитационного моделирования СИ.

      4. Способы определения полных динамических характеристик СИ по откликам на импульсные воздействия с короткой длительностью и ступенчатые воздействия с коротким фронтом, учитывающие временные характеристики самих воздействий, что позволяет расширить частотный диапазон и повысить точность определения полных динамических характеристик СИ.

      5. Методика и алгоритмическое обеспечение, реализующие адаптивные методы параметрического спектрального анализа для аттестации датчиков механических величин на импульсных и ударных стендах в условиях массового производства.

      6. Методика определения частотных характеристик СИ в режиме их эксплуатации на основе априорной информации о динамическом режиме.

      Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались: на всесоюзных научно-технических конференциях и зональных семинарах «Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления» (Пенза, 1986–1994); семинаре по теории машин и механизмов АН СССР «Прецизионная вибротехника – 88» (Каунас, 1989); научно-техническом семинаре «Сенсор» (Ужгород, 1989); Всесоюзной научно-технической конференции «Микроэлектронные датчики в машиностроении» (Ульяновск, 1990); научно-технической конференции «Надежность и высоконадежность» (Севастополь, 1991); III и IV всесоюзных совещаниях молодых ученых и специалистов с участием зарубежных ученых «Датчики и преобразователи информации систем контроля и управления» (Датчик–91, Датчик–92) (Москва, 1991, 1992); Второй Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов с международным участием «Контроль, управление и автоматизация в современном производстве» (КУА–90) (Минск, 1990); научно-техническом семинаре «Статистическая идентификация, прогнозирование и контроль радиоэлектронной аппаратуры» (Одесса, 1990); Х Всесоюзной конференции «Применение методов и средств тензометрии для измерения механических параметров» (Тензометрия–89) (Свердловск, 1989); Third International Symposium on Measurmentes and Control in Robotics (ISMCR`93) (Torino, Italy, 1993); Международной конференции «Технологии и системы сбора, обработки и представления информации» (Рязань, 1993); всероссийских научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Датчик–94 – Датчик–98) (Гурзуф, 1994–1998); 10-th Mediterian Electrotechnical Conference «Information Technology and Electrotechnology for the Mediterranean Countries» (Cyprus, 2000); Региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы внедрения информационных технологий» (Ессентуки, 2003); Международном юбилейном симпозиуме «Актуальные проблемы науки и образования» (Пенза, 2003); Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2004); International scientific conference «Information Technologies and Telecommunications in Education and Science» (IT&T ES’2005) (Turkey, 2005); научно-практической конференции «Инновационные технологии для нефтегазового комплекса» (Новосибирск, 2005); Второй Международной научно-технической конференции «Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании» (Кисловодск, 2006); Международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика» (Пятигорск, 2006); Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2011).

      Публикации. По результатам проведенных исследований и разработок, выполненных в процессе работы над диссертацией, опубликовано 96 печатных работ, в том числе 2 монографии и 17 работ в журналах из Перечня ВАК.

      Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 345 наименований и приложений. Общий объем работы – 312 страниц, 37 рисунков, 22 таблицы. Приложения на 67 страницах включают акты о внедрении и результаты экспериментальных исследований.

      Похожие диссертации на ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

      

      Разработка и исследование методов и аппаратуры для определения динамических характеристик средств измерений переменной температуры водных потоковКочарян Самвел Агасиевич

      

      Средства измерения вольт-фарадных характеристик полупроводниковых структурВареник, Юрий Александрович

      

      Разработка и исследование методов и средств измерения на основе позиционно-чувствительных фотоприёмниковАбакшина Ольга Александровна

      Разработка и исследовнаие метода и средств измерения объемной концентрации газовой фазы в двухфазных газожидкостныхпотокахАлексеев, Александр Алексеевич

      

      Методы и средства измерений электрических параметров материалов для оценивания влажности Кострикина Инна Анатольевна

      

      Методы и средства измерения напряженности электрических полей, обеспечивающие уменьшение погрешности и расширение пространственного диапазона измерения Бирюков Сергей Владимирович

      

      Методы и средства измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей в электроэнергетикеНефедьев Дмитрий Иванович

      

      Методы и средства измерения шумовых и малосигнальных параметров мощных биполярных транзисторов для целей контроля их качестваДулов Олег Александрович

      

      Методы и средства измерений электрических параметров процесса формирования покрытий при импульсном энергетическом воздействии в растворахБориков, Валерий Николаевич

      

      Разработка координатного метода и средства измерения угла и параметров отклолнений формы конических поверхностей деталей машин Бабаев Сергей Сергеевич