Введение к работе
Актуальность темы исследования. Параметры импеданса (модуль, активная и реактивная составляющие, емкость, индуктивность, тангенс угла потерь, добротность и др.) характеризуют с высокой точностью свойства веществ, качество различных изделий и технологических процессов, примесей, содержащихся в растворах, в почве, качество продуктов питания, разнообразные изменения, происходящие в медико-биологических и физических объектах и пр. Для определения этих параметров необходимы прецизионные, быстродействующие преобразователи импеданса (ПИ) с широкими функциональными возможностями, с простой реализацией. Однако существующие ПИ часто не соответствуют этим требованиям (о чем еще будет сказано ниже), хотя являются важным и перспективным классом измерительных преобразователей. Они используются и как основные элементы локальных приборов, и как элементы информационно-измерительных систем, автоматизированных систем научных исследований, автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), систем диагностики и телеизмерений, систем контроля и первичного сбора данных, в других системах.
Широкое применение и развитие ПИ в течение ряда десятилетий обеспечивали работы крупнейших ученых страны, таких как: К.Б. Карандеев, Ф.Б. Гриневич, Л.Ф. Куликовский, А.М. Мелик-Шахназаров, Т.М. Алиев, А.Д. Нестеренко, Г.А. Штамбергер, К.М. Соболевский, Н.Н. Шумиловский, В.М. Шляндин, Б.И. Швецкий, С.Л. Эпштейн, Ю.В. Кнеллер и др.
Характерно то, что области применения ПИ непрерывно расширяются. Но, несмотря на имеющиеся успехи в улучшении характеристик ПИ, существующие приборы и научные заделы, обеспечивающие их улучшение, явно не соответствуют требованиям все открываемым сферам применения ПИ, не отвечают требованиям ближайшего будущего. Причины: непрерывный и скачкообразный рост новых задач, нуждающихся в использовании ПИ, большие требования к ПИ, сложность задачи преобразования импеданса, отставание в теоретических исследованиях и пр.
Используемые на практике приборы характеризуются ограниченными функциональными возможностями, а также недостаточным быстродействием и т.д. В целом, в настоящее время отсутствует парк ПИ с высокими техническими и потребительскими характеристиками. В то же время развитие путей построения ПИ обусловлено потребностями различных отраслей народного хозяйства и задачами научных исследований.
Поиск путей устранения недостатков ПИ позволил выявить два наиболее перспективных направления улучшения характеристик ПИ, определенные как структурное и интеллектуальное. Первое предполагает изменение структуры ПИ, второе – внедрение в ПИ свойства человеческого интеллекта.
Было установлено, что одновременное применение в ПИ и структурного, и интеллектуального направлений приведет к существенному улучшению характеристик ПИ. Последнее определило цель диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является расширение функциональных возможностей ПИ на основе применения в них структурных способов и элементов искусственного интеллекта.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи исследования:
разработка принципов улучшения характеристик ПИ на основе структурного подхода к изменению свойств базовых измерительных цепей (ИЦ) и разработка методологии совершенствования ПИ структурными способами;
исследование и систематизация структурных способов для улучшения сходимости, чувствительности и линейности ПИ, а также обеспечения инвариантности к неинформативным параметрам элементов соединения (ЭС) и объектов исследования (ОИ), включая многоточечные измерения ОИ;
разработка алгоритмов построения ПИ с улучшенными структурными способами характеристиками и используемых в режимах: уравновешивания, квазиуравновешивания и неуравновешивания;
определение структурных составляющих ПИ, обеспечивающих его интеллектуализацию.
Объект исследования. Современные ПИ для систем управления и сбора данных.
Предмет исследования. Предметом исследований работы является комплексное улучшение ПИ на основе структурного подхода с реализацией в ПИ элементов искусственного интеллекта.
Методы исследования. Для решения поставленных задач и достижения цели диссертации использованы: структурный подход к обобщенному анализу и синтезу структур измерительных цепей, на основе которых строятся ПИ; методы математического анализа; основные положения теории графов; теории комплексного переменного; методы искусственного интеллекта.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
1. Разработаны концепция построения ПИ с расширенными функциональными возможностями и соответствующие методы ее реализации с применением структурных способов и элементов искусственного интеллекта.
2. Предложены структурные способы, методика и алгоритм совершенствования ПИ, исследованы возможности их практического применения. Разработаны структурная и функциональная схемы интеллектуального ПИ (ИПИ), а также структура интеллектуального интерфейса пользователя (ИИП).
3. Исследованы и разработаны модели квазиуравновешиваемых ПИ (КПИ) на основе линеаризованных четырехплечих мостовых измерительных цепей (МЦ), для которых выявлено существенное расширение их функциональных возможностей, особенно в режиме полууравновешивания. Разработаны графовые модели этих МЦ с улучшенными свойствами и принципы построения интеллектуальных КПИ (ИКПИ).
4. Исследованы возможности структурно-итерационного, структурно-алгоритмического методов и метода многоточечного измерения ОИ для построения ПИ, инвариантных к неинформативным параметрам ЭС, а также сформулированы и доказаны теоремы о возможности обеспечения инвариантности к неинформативным параметрам ЭС в ПИ.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
-
Разработанные методология совершенствования ПИ, метод синтеза структурных способов и алгоритмы их реализации составляют высокоэффективный инструментарий для разработчиков измерительной аппаратуры.
-
Синтезированные в работе модели ПИ на структурном уровне позволяют проектировать целый ряд ПИ с хорошей сходимостью, чувствительностью, линейностью и новыми функциональными возможностями (включая режимы квазиуравновешивания и полууравновешивания), со свойствами инвариантности к неинформативным параметрам в режиме неуравновешивания.
-
Предложенные принципы интеллектуализации ПИ обеспечивают построение высокоэффективных ПИ и применимы во всех классах измерительных преобразователей.
-
Построенные схемы ПИ на основе МЦ в разных режимах ее работы перспективны и смогут найти широкое применение в АСУ ТП, в системах сбора данных, в системах автоматизации научных исследований и диагностики.
Достоверность результатов диссертационной работы, научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами математического моделирования, вычислительными экспериментами, а также результатами использования материалов диссертации на производстве.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы и практические рекомендации использованы при разработке АСУ ТП на ГУП «Радуга» (г.Владикавказ) с ожидаемым экономическим эффектом
300 тыс.руб./год (2012 г.).
Научные и практические результаты диссертационной работы также внедрены в учебный процесс в Северо-Кавказском горно-металлургическом институте, в Северо-Осетинском государственном университете.
Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими документами о внедрении.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и получили одобрение на VII Международной научной конференции «Устойчивое развитие горных территорий в условиях глобальных изменений», г.Владикавказ, 2010г., на V Международной конференции - выставке «Промышленные АСУ и контроллеры 2010: от А до Я», г.Москва, 2010 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации кандидатских и докторских диссертаций.
Личный вклад. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, диссертантом выполнены: теоретическое и экспериментальное исследования линеаризованных МЦ, разработка графовых моделей ПИ с новыми функциональными возможностями, математический анализ разработанных ПИ, решение вопросов внедрения ПИ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 178 стр. машинописного текста, 4 таблицы, 54 рисунка, список литературы из 101 наименований (из них 17 – зарубежных источников информации), 2 приложений.
Похожие диссертации на Разработка и исследование преобразователей импеданса с расширенными функциональными возможностями для систем управления и сбора данных
