Введение к работе
. . ,- ' ,
'. '. і ;
і, ; _ Актуальность теми. Интенсивное развитие, промышленности и
""~связанное с ним увеличениеобъемов промышленных выбросов, загрязняющих окружающую среду,.- становится все более ощутимым для экологического равновесия многих, регионов страны. Обострилась проблема загрязнения среды промышленными выбросами, для которых характерно несоответствие предельно допустимых санитарных норм современным требованиям. ,- ,
Контроль загрязнения атмосферы требует высокоточного, быстродействующего и автоматического анализа концентрации вредных газообразных веществ. Осуществить его позволяют газоаналитические приборы, оснащенные современными средствами микропроцессорной техники.
Существенное значение для решения задач синтеза автоматизированных систем аналитического контроля и наблюдения имеет разработка их математического, алгоритмического и программного обеспечения, позволяющего не только добиться требуемой динамической точности результатов измерения и натурных испытаний, но и модернизировать методики анализа состава и свойств сложных газовых смесей, достичь качественно нового уровня аналитического контроля и обеспечить полную автоматизацию измерений.
При этом перспективным представляется разработка принципиально новых типов газоанализаторов, представляющих собой интегрированный аналитический прибор, включающий вычислительное устройство, реализуемое на средствах микропроцессорной техники.
Целесообразность использования микропроцессоров(МП). в электрохимических газоанализаторах обусловлена возможностью алгоритмической коррекции динамических погрешностей приборов, что позволяет существенно улучшить метрологические характеристики последних. Однако, известные алгоритмы, используемые для коррекции динамической погрешности, нельзя считать совершенными, поскольку они в основном ориентированы на конкретные приборы и учитывают нормальные условия эксплуатации. Поэтому возникает необходимость разработки и исследования новых универсальных и надежных алгоритмов коррекции динамической погрешности средств измерение СИ). Кроме того, актуальной является разработка унифицированных схем базового программного обеспечения МП для коррекции динамической погрешности с учетом, с
- 4 -одной стороны, метрологических и эксплуатационных требований, и с другой - необходимости функционирования вычислительного устройства в режиме реального времени.
Диссертационная работа выполнена в рамках госбюджетной НИР Ташкентского государственного технического . университета имени Абу Райхана Беруни " Создать и ввести в эксплуатацию системы автоматизации процессов производства и управления в народном хозяйстве на основе интеграции АСУ различного уровня, применяя вычислительную технику и микропроцессорные средства" ( N Гос. per. 01870030008 ).
Цель работы состоит в разработке алгоритмических методов и программно-технических средств коррекции динамической погрешности - восстановления входного воздействия электрохимических газоанализаторов по искаженным выходным данным для систем автоматизированной обработки экспериментальной информации.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использованы методы теории оптимальной динамической фильтрации и идентификации динамических объектов и систем, элементы теории автоматического управления, математические, методы моделирования и обработки результатов наблюдений, методы автоматизации исследований И программирования. Полученные теоретические результаты подтверждены как машинным моделированием на ЭВМ, так и экспериментально в промышленных условиях.
Объектом исследования явились электрохимические газоанализаторы, коррекция динамической погрешности которых позволяет улучшить их метрологические и эксплуатационные характеристики.
Научная новизна:
разработан базовый алгоритм восстановления входного сигнала электрохимического газоанализатора и определена область его использования;
разработан универсальный метод, позволяющий рекуррентно восстанавливать входной сигнал при априори неизвестных параметрах влияющих( мешающих) факторов;
разработаны структуры программного обеспечения(ПО) МИ для совместного и раздельного восстановления входного сигнала, определения и уточнения неизвестных параметров мешающих факторов;
предложена формализованная схема реализации комплекса алгоритмов восстановления входного сигнала с учетом априорных
- 5 -данных о параметрах мешающих факторов, позволяющая повысить эффективность диалогового взаимодействия системы с экспериментатором.
Практическая ценность исследования. В работе создан комплекс алгоритмов и программных средств, позволяющий исследовать динамические погрешности СИ и применить его в системах автоматизированной обработки экспериментальных данных. Отдельные модули, адаптированные для целей конкретного использования, оформлены в виде постоянной памяти на МП серии К-580.
Разработанные программные средства гарантированно обеспечивают улучшение метрологических характеристик динамических СИ до уровня зарубежных аналогов и уменьшение времени измерения входного воздействия прибора.
Научное и техническое значение решения задачи обеспечивает повышение эффективности экспериментальных исследований за счет сокращения сроков экспериментального этапа исследования, повышения метрологических характеристик СИ и снижения материальных затрат на осуществление эксперимента.
Предложенный адаптивный алгоритм восстановления входного сигнала для электрохимической ячейки прибора "МИНДАЛЬ", реализованный в виде программного средства, вшитого в постоянную память МП, успешно применен для улучшения метрологических, эксплуатационных характеристик и повышения быстродействия прибора.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в Чирчлкском ОКБА НПО "йімав-томатика" при создании электрохимической ячейки газоанализатора "Миндаль" со встроенным МП и обеспечили подтвержденный годовой экономический эффект в 35 тыс. руб.
Разработанные алгоритмы, программные средства и методика их применения сданы в Республиканский ОФАП при АН Республики Узбекистан.
Разработанные алгоритмы и программные средства внедрены в учебный процесс в Ташкентском государственном техническом университете для студентов специальности 2103 -"Автоматизация технологических процессов и производств".
.Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: VI - УП - Всесоюзных межвузовских конференциях ' по теории и методам расчета нелинейных цепей и систем
(Ташкент, 1982г., 1983г. ); Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства решения задач в интегрированных АСУ" (Ташкент, 1984г.);научно-технической конференции "Методы и средства проектирования динамических систем с учетом требований корректности и грубости" (Одесса, 1986г.); Всесоюзном научно-техническом совещании "Теоретические и прикладные проблемы создания систем управления технологическими процессами" (Челябинск, 1990г.); III, IV Всесоюзных научно-технических конференциях "Математическое, алгоритмическое и техническое обеспечение АСУТП " (Ташкент , 1985,1988гг.);IV научном семинаре " Методы синтеза и прогнозирования ( Ташкент , 1989г ); региональной конференции "Моделирование и управление в технических системах'Ч Ташкент, 1991г.); на ежегодных научно-технических и практических конференциях профессоров и преподавателей, аспирантов и научных работников Ташкентского государственного технического университета имени Беруни ( Ташкент , 1978 - 199ІГГ ).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 научных трудов.
Личный вклад автора в работу состоит в непосредственном участии автора во всех этапах исследования: от общей постановки задачи, выполнения теоретических исследований, экспериментальных расчетов до программной реализации и внедрения разработанных автором программных средств в состав конкретного прибора.
Основные научные результаты, выносимые на защиту :
алгоритмический метод коррекции динамической погрешности электрохимических газоанализаторов,, построенный на концепциях современной теории управления и динамической фильтрации;
базовый алгоритм восстановления входного сигнала динамического СИ и построенные на его основе различные алгоритмы восстановления, учитывающие априорную информацию о параметрах и влияющих факторах, действующих на СИ;
методика использования алгоритмов восстановления входного сигнала в зависимости от характера и объема априорных данных о параметрах СИ;
метод коррекции динамической погрешности СИ. позволяющий одновременно восстанавливать входной сигнал и неизвестный
- 7 -шум измерений;
структура базового ПО МП для адаптивного восстановления входного сигнала;
алгоритмические решения и приемы, реализованные в программных средствах МП, позволяющие сократить необходимый объем памяти и увеличить быстродействие.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 112 наименований и приложений, изложенных на 142 страницах машинописного текста.
Содержание диссертации. Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели исследования, выделены положения, выносимые на защиту и приведено краткое содержание работы. В первой главе рассмотрена система автоматизированного мониторинга и выполнен анализ существующих методов измерения концентрации вредных газообразных веществ в природной среде и в воздухе производственных помещений, оценена эффективность алгоритмической коррекции динамической погрешности газоанализаторов. Рассмотрены особенности электрохимических газооаналн-заторов как сложной системы и предложена постановка задачи коррекции динамической погрешности с позиции современного аппарата теории управления . Во второй главе излагаются теоретические и практические вопросы применения алгоритмов коррекции динамической погрешности с помощью методов теории оптимальной динамической фильтрации и разработаны способы их' реализации в условиях параметрической неопределенности априорной информации о статистических характеристиках влияющих на 'СИ факторов. В третьей главе исследуются адаптивные методы восстановления входного сигнала электрохимических газооанализаторов в условиях частичной неопределенности или недостаточности априорной информации о статистических характеристиках влияющих факторов и реализован новый подход к решению задачи восстановления входного сигнала на основе наблюдателя Луэнбергера. В четвертой главе рассмотрены способы построения и выработаны конкретные программно-технические решения программного обеспечения микропроцессора, встроенного в электрохимический газоанализатор для коррекции динамической погрешности. Приведены' результаты экспериментальной проверки последних в производственных условиях. В приложении приведены тексты программ разработанных
- 8 -алгоритмов, акт внедрения и результаты промышленных испытаний.