Введение к работе
Актуальность темы. В современных радиоэлектронных системах широко применяются устройства и системы с импульсным принципом действия и, в частности, на основе широгно-импульсной модуляции (в дальнейшем ШИМ-снстемы). ШИМ-системы обладают специфическими свойствами, значительно затрудняющими их описание и анализ. Эти свойства обусловлены наличием нелинейных элементов — широтно-импульсных модуляторов и, как правило, значительным (на несколько порядков) разбросом постоянных времени протекающих в них процессов. Последнее обстоятельство позволяет выделить из ШИМ-систем отдельный класс объектов — жесткие ШИМ-снстемы, в которых длительности переходных процессов в аналоговых частях намного больше периодов коммутации импульсных элементов. Благодаря высоким функциональным, энергетическим и массогабаритным показателям жесткие ШИМ-снстемы используются для приема, обработки и передачи информации, а также для преобразования параметров электрической энергии. Класс жестких ШИМ-систем представлен такими радиотехническими объектами, как системы передачи данных, перестраиваемые фильтры, мощные ключевые генераторы, импульсные усилители с широтным регулированием (класс D), регуляторы, преобразователи и стабилизаторы напряжения для источников вторичного электропитания, системы цифрового кодирования, системы управления электроприводами и т. д.
Ввиду широкого практического использования и исключительной важности выполняемых функций ШИМ-системы занимают особое место в составе современных радиоэлектронных средств, в связи с чем к ним предъявляются повышенные требования в плане снижения затрат на разработку и изготовление при обеспечении заданного уровня качества. Удовлетворение этих требований зависит от многих факторов, важнейшими из которых являются интеграция стадий проектирования и производства, разработка п применение усовершенствованных методов и средств технического контроля, включая активный контроль, использование таких математических моделей, которые бы позволили оперативно и с высокой точностью оценивать, контролировать и настраивать параметры этих устройств.
Применение существующих методов и средств моделирования и технического контроля для обеспечения заданного уровня качества радиотехнических устройств исследуемого класса приводит к неоправданно высоким затратам, связанным с продолжительностью и стоимостью их просктіфованпя и производства. Из-за сильных нслинеиностси, присущих устройствам этого класса, объект, изготовленный по результатам оптимизации параметров используемых в настоящее время математических моделей, не обладает расчетными показателями качества. Малейшие отклонения параметров от расчетных, что всегда имеет место, приводят к
недопустимо большим рассогласованиям моделируемых и реальных сигналов. Положение усугубляется и тем обстоятельством, что для создания адекватной модели требуется с исключительно высокой точностью определять моменты переключения ключевых элементов. Однако специфика жестких ШИМ-систем такова, что для достижения установившегося состояния требуется повторение сотен и даже тысяч периодов, что приводит к накоплению ошибки моделирования и потере необходимой точности. Отмеченные трудности проявляются и при проведении контроля функциональных параметров устройств исследуемого класса, когда требуется получить оценки параметров по измеренным сигналам.
Следствием этого является применение сложных нелинейных моделей, имеющих невысокое быстродействие, ориентированных на решение отдельных, частных задач, и не обеспечивающих приемлемое согласование моделируемых и экспериментальных данных. Положение приходится исправлять добавлением многочисленных натурных испытаний и использованием слабо обоснованных предположений о статистических характеристиках шумов, действующих на объект и влияющих на результаты измерений. Однако такой подход имеет целый ряд серьезных недостатков.
Во-первых, затруднен выбор совокупности контролируемых параметров, так как моделируемая цепь из-за наличия ключевых элементов изменяет свою топологию. Во-вторых, получаемые оценки контролируемых параметров, как правило, являются смещенными из-за наличия шумов и сильных нелинейностей, присущих объекту и модели. В-третьих, оценивание и коррекция контролируемых параметров исследуемых импульсных устройств выполняется недопустимо медленно, так как для компенсации влияния шумов, неизбежно присутствующих в реальных сигналах, требуется проведение серий измерений с последующей фильтрацией и (или) усреднением результатов. Наконец, в-четвертых, из-за отсутствия преемственности результатов моделирования и контроля, применения разных, не связанных между собой математических моделей, на каждом этапе проектирования приходится практически заново решать задачи контроля и настройки параметров радиотехнических устройств класса жестких ШИМ-систем. Как следствие, повышается продолжительность контроля, снижается его точность и достоверность, ухудшаются экономические показатели. Все это ведет к тому, что обеспечение требуемого уровня качества устройств исследуемого класса из-за использования существующих методов контроля достигается ценой неоправданно высоких затрат на их разработку и изготовление.
Из вышесказанного следует, что имеется насущная потребность в создании методов и средств математического моделирования радиотехнических устройств класса жестких ШИМ-систем как базы для совместной разработки устройств исследуемого класса и новых методов их контроля, которые бы позволили сократить затраты на проектирование и произвол-
ство при обеспечении заданного уровня качества этих устройств. Эта задача находится в рамках крупноіі научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение и решаемой в диссертационной работе.
Решаемая проблема: сокращение затрат на проектирование и производство импульсных радиотехнических устройств при обеспечении заданного уровня качества путем применения новых методов и средств математического моделирования и усовершенствованных методов контроля функциональных параметров этих устройств.
Научной целью исследования является разработка теоретических основ синтеза математических моделей и методов контроля функциональных параметров радиотехнических устройств класса жестких широтно-им-пульсных систем, использование которых позволяет решить проблему сокращения затрат на проектирование и производство этих устройств за счет повышения достоверности, сокращения продолжительности и снижения трудоемкости проведения контроля.
Для достижения поставленной цели в процессе исследований было необходимо решить следующие задачи:
определить системообразующие структурные единицы, называемые базовыми структурами и используемые для описания устройств исследуемого класса на функциональном уровне;
разработать методики декомпозиции эквивалентных схем радиотехнических устройств класса жестких ШИМ-снстсм на базовые структуры и синтеза базовых моделей с учетом результатов декомпозиции;
разработать средства синтеза математических (аналитических) моделей радиотехничесгагх устройств исследуемого класса;
разработать модели конкретных устройств класса жестких ШИМ-снстем и исследовать их быстродействие и точность;
разработать концепцию применения математических моделей радиотехничесгагх устройств класса жестких ШИМ-систем, обеспечивающую снижение затрат на их проектирование и производство;
разработать методы построения математических моделей исследуемых устройств по наблюдаемым данным (методы идентификации жестких ШИМ-систем);
разработать быстродействующие методы контроля функциональных параметров радиотехнических устройств класса жестких ШИМ-систем, основанные на параметрической идентификации и характеризуемые высокой достоверностью получаемых оценок;
разработать программные средства для реализации контроля радиотехнических устройств класса жестких ШИМ-снстем на основе идентификационных экспериментов и имитационного моделирования.
Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования, изложенные в диссертационной работе, основаны на использовании математического аппарата, соответствующего решаемым задачам: теории импульсных систем, цифровой обработки сигналов, систем авто-
матичсского регулирования, параметрической идентификации, спектрального и корреляционного анализа.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.
-
Разработано математическое описание ШИМ на основе амплитудно-импульсной модуляции (преобразование ШИМ-АИМ), позволяющее строить АИМ-модели жестких ШИМ-систсм, характеризуемые высокими быстродействием и точностью, независимостью параметров от сигналов моделируемых устройств.
-
Разработаны теоретические основы синтеза математических моделей радиотехнических устройств класса жестких ШИМ-систем, в результате чего получены новые универсальные средства построешія аналитических моделей, описывающих устройства с широтио-импульсныыи модуляторами разностными уравнениями с постоянными (не зависящими от сигналов) коэффициентами.
-
Разработаны быстродействующие методы построения математических моделей радиотехнических устройств класса жестких ШИМ-систем по измеренным сигналам (методы идентификации жестких ШИМ-систсм), включающие выбор вида моделей среди заданного множества вариантов и оценку их параметров.
-
Разработана новіш концепция применения математических моделей радиотехнических устройств класса жестких ШИМ-систсм, позволяющая сократить затраты на проектирование и производство исследуемых устройств при обеспечении заданных показателей качества за счет рационального совместного использования априорной (анашггичсскис модели) и апостериорной информации (результаты измерений).
-
Предложены новые методы контроля параметров радиотехнических устройств с широтно-импульсным управлением, основанные на построении математических моделей объектов по измеренным сигналам и проверке соответствия объектов установленным техническим требованиям по построенным моделям, без использования самих контролируемых устройств.
На защиту выносятся следующие научные положения: 1. Теоретические основы синтеза математических моделей радиотехнических устройств класса жестких ШИМ-систем, включающие в себя:
построение исходных математических моделей в пространстве состояний на основе систем дифференциальных уравнений;
построение дискретных математических ШИМ-модслсй на основе разностных уравнений с переменными параметрами;
— математический метод описания широтно-импульсной моду
ляции иа основе амплитудно-импульсной модуляции (метод преобразова
ния ШИМ-АИМ);
— декомпозицию эквивалентных схем исследуемых радиотехнических
устройств на базовые структуры и построение АИМ-модслей базовых струк
тур;
-— построение АИМ-модслей жестких ШИМ-систем.
2. Методы построения дискретных математических моделей радио
технических устройств класса жестких ШИМ-систем на основе данных
измерений (методы параметрической идентификации), включающие:
выбор вида моделей (модельных структур) и контролируемых сигналов по результатам синтеза АИМ-моделсй объектов контроля;
предварительную обработку измеренных данных, определяемую выбранными модельными структурами;
оценку параметров моделей нелинейных устройств исследуемого класса на основе методов параметрической идентификации линейных систем.
-
Концепция применения математических моделей радиотехнических устройств класса жестких ШИМ-систем, определяющая виды математических моделей и последовательность их использования для контроля и настройки параметров этих устройств, позволяющая сократить затраты на их проектирование и производство при обеспечении заданных показателей качества.
-
Матемапгческие модели усилнтельно-прсобразошггслъныхустройств класса жестких ШИМ-систем на уровнях:
моделей эквивалентных схем исследуемых импульсных устройств в непрерывном времени;
дискретных моделей радиотехнических устройств с ШИМ с переменными коэффициентами (ШИМ-модели), полученных в результате дискретизации моделей эквивалентных схем;
дискретных аппроксимирующих моделей радиотехнических устройств исследуемого класса с постоянными, не зависящими от сигналов параметрами (АИМ-модели).
5. Методы контроля радиотехнических устройств класса жестких
ШИМ-систем, включающие:
оценку функциональных параметров и верификацию математических моделей объектов контроля с учетом статистических свойств выходных сигналов устройств и их моделей;
контроль параметров исследуемых устройств на основе имитационного моделирования (без использования самих объекта контроля);
прогнозирование выходных процессов контролируемых устройств;
оценку параметров и характеристик шумов, действующих на контролируемый объект.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Полученные в работе результаты являются теоретической и мстодолопічсской основой для создания автономных и встроенных средств активного контроля параметров
радиотехнических устройств с широтно-импульсным управлением. Эти результаты позволили:
выполнить автоматизированный синтез математических моделей радиотехнических устройств класса жестких ШИМ-систем;
выполнить контроль и настройку параметров устройств исследуемого класса в процессе проектирования и производства на основе функционально-однотипных процедур;
уменьшить продолжительность контроля за счет сокращения времени на: а) получение оценок контролируемых параметров не менее чем в 6.4 раза; а) имитационное моделирование (расчет процессов) не менее чем в 2.6 раза; в) всподшгатсльные операции в среднем на единицы минут (в зависимости от сложности объектов контроля и внешних условий);
при отношении «сигнал-шум» в пределах 10—40 дБ уменьшить ьсличішу 95-процситных доверительных интервалов не менее чем в 2.1 раза и увеличить достоверность контроля за счет уменьшения вероятности ошибок 1-го и 2-го рода с 0.42 до 0.05;
получить робастные оценки контролируемых параметров в присутствии внешних шумов;
— получить оценки параметров и характеристик шумов, действующих на исследуемое устройство;
выполнить одношаговое и многошаговое прогнозирование выходных сигналов радиотехнических устройств исследуемого класса по критерию минимума срсднсквадратичсской ошибки;
исследовать поведение контролируемых устройств с учетом технологического разброса их параметров с применением математических моделей, полученных по результатам идентификации, без использования самих объектов контроля;
повысить однородность выпускаемых радиотехнических устройств класса жестких ШИМ-систем за счет повышения точности и достоверности контроля;
сократить затраты на проектирование и производство радиотехнических устройств с широтно-импульсным управлением за счет сокращения трудоемкости контроля
Диссертационная работа обобщает результаты НИОКР, выполнявшихся в СПбГУЛП (ЛИАП) в рамках государственных программ с непосредственным участием автора в период с 1984 по 1998 гг. для предприятий, специализирующихся в создании импульсных радиотехнических устройств. По результатам этих НИОКР созданы аппаратные средства и разработано соответствующее программное обеспечение для реализации систем автоматизированного контроля этих устройств, в том числе класса жестких ШИМ-систем. Разработанные системы прошли испытания и внедрены на раде предприятий Санкт-Петербурга.
Результаты работы также внедрены в учебный процесс СПбГУЛП. Разработанные под руководством и при непосредственном участии автора автоматизированный измерительный комплекс на базе интерфейса КАМАК н автоматизированная контрольно-измерительная система на базе платы L1250 с сигнальным процессором ADSP2105, предназначенные для контроля и испытаний импульсных радиотехнических устройств, включая авиационные импульсные усилители и преобразователи различных типов, используются при выполнении дипломных работ, циклов лабораторных работ и практических занятий. Материалы диссертации вошли в учебные дисциплины «Автоматизированные измерительные комплексы», «Системы автоматизированного контроля параметров РЭА», «Приборы и техника эксперимента», «Компьютерный эксперимент».
Апробация работы и публикации. Материалы работы обсуждались на симпозиумах, конференциях и семинарах, основными среди которых являются:
Международный симпозиум по электромагнитной совместимости ЭМС-93 (г. Санкт-Петербург, 1993 г.);
Международный симпозиум по электромагнитной совместимости ЭМС-95 (г. Санкт-Петербург, 1995 г.);
International conference of informatics and control (St. Petersburg, Russia, 1997.);
Fourth International Conference on Unconventional Electromechanical and Electrical Systems. St. Petersburg, Russia, 1999.
II Всесоюзная научно-техническая конференция "Проблемы нелинейной электротехники" (г. Киев, 198+ г.);
I Всесоюзной конференции по теоретической электротехнике (г. Ташкент, 1987 г.);
III Всесоюзное научно-техническое совещание "Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей" (г.Таллинн, 1986 г.);
XII областная научно-техническая конференция по узловым проблемам радиотехники, электроники и связи (г. Ленинград, 1986 г.).
По теме диссертации опубликовано 32 научные работы в изданиях, где могут публиковаться научные результаты диссертационных исследований, в том числе 17 статей и докладов, 4 учебных пособия, 2 авторских свидетельства, 7 программ, зарегистрированных в ЦИФ Государственного фонда алгоритмов и программ. Во ВНТИЦ зарегистрированы 5 отчетов по НИОКР, связанных с темой диссертационной работы и выполненных с непосредственным участием автора за периоде 1984 по 1995 гг.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Общий объем составляет 309 страниц, в том числе 242 страшщы основного текста и 99 рисунков на 67 страницах. Список литературы включает 179 наименований.
