Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные требования, классификация и обзор методов исследования функциональных устройств с цепной трехполюсной структурой 25
1.1. Общие сведения и классификация преобразователей цепной трехполюсной структуры 25
1.2. Обзор и классификация методов исследования устройств с цепной трехполюсной структурой .33
1.3. Основные требования к построению функциональных устройств цепной структуры и постановка задачи исследований 37
Выводы по главе I 39
Глава 2. Анализ элементов и устройств с цепной трехполюсной структурой методом функций преобразования 40
2.1. Анализа статических характеристик преобразователей с неоднородной цепной трехполюсной структурой 40
2.2. Исследование чувствительности преобразователей с ЦТС 50
2.3. Анализ устройств с однородной цепной структурой и преобразователей с распределенными параметрами 51
2.4. Анализ мостовых структур, корректирующих звеньев и трансформаторных преобразователей систем управления 55
2.5. Анализ канала преобразования информации из устройств с сосредоточенными и распределенными параметрами 60
2.6. Исследование структур цифро-аналоговых преобразователей 62
2.7. Эффективность использования метода функций преобразования при исследованиях преобразователей цепной структуры 68
Выводы по главе II 71
Глава 3. Синтез функциональных устройств систем управления и устройств вычислительной техники по заданным техническим характеристикам методом функций преобразования 73
3.1. Синтез фазовых преобразователей по заданным статическим характеристикам 75
3.2. Синтез автогенераторных RC – преобразователей с сосредоточенными параметрами по виду структуры, числу плеч и частоте выходного сигнала 83
3.3. Синтез частотных преобразователей с распределенными параметрами .91
3.4. Синтез регулируемых каскадных масштабных преобразователей из резисторов одного номинала .96
3.5. Общие вопросы синтеза устройств ЦТС с учетом требований к рабочим характеристикам и условию согласования в СУ 99 Выводы по главе III .103
Глава 4. Проектирование и моделирование устройств вычислительной техники и систем управления с цепной структурой .105
4.1. Разработка метода прогнозирования повреждений устройств с однородной распределенной структурой 105
4.2. Исследование резонансных свойств преобразователей и устройств систем управления 109
4.3. Исследование методических погрешностей моделирования устройств с распределенными параметрами 114
4.4. Проектирование устройств с нормированной погрешностью выходных характеристик 120
4.5. Разработка метода диагностики измерительных преобразователей с неоднородной цепной структурой 123
4.6. Исследование влияния нагрузки на выходные параметры частотных датчиков 129
Выводы по главе IV .133
Глава 5. Разработка алгоритмов, программ и интерфейсов для исследований характеристик преобразователей и устройств с цепной структурой 135
5.1. Разработка алгоритмов исследования и инженерной методики расчета функциональных устройств с цепной структурой .135
5.2. Разработка алгоритма программы «КP.EXE» и интерфейса исследование амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик цепных RC-преобразователей 140
5.3. Разработка алгоритмов исследования, программы «Dopusk» и инженерной методики расчета допусков на элементы ЦАП по заданной погрешности выходного напряжения .152
5.4. Разработка алгоритмов исследования, программы «DeltafотС» и инженерной методики расчета влияния отклонений значений элементов фазирующей RC- цепочки (чувствительности) на функцию преобразования и частоту квазирезонанса 159
5.5. Разработка алгоритмов исследования и программы вычисления средней частоты квазирезонанса фазирующих цепочек из резистивных и емкостных датчиков .168
Выводы к главе V 176
Глава 6. Разработка принципиально новых устройств систем управления, обладающих высокими качественными и эксплуатационными показателями .177
6.1. Разработка способа измерения уровня и массы жидкости при изменении положений резервуара и устройства
для его осуществления 177
6.2. Разработка способа измерения средней температуры неоднородной среды с использованием терморезисторов как элементов фазирующей цепочки генераторов 186
6.3. Разработка научных основ измерения номинальных значений синусоидальных сигналов и принципиально нового функционального частотомера для частотных датчиков 195
6.4. Разработка быстродействующего измерителя температуры газов ГТД 205
6.5. Разработка цифрового термометра для струйно-акустических датчиков ГТД 214
6.5.1. Разработка цифрового термометра на дискретных элементах .214
6.5.2. Разработка цифрового термометра на программируемых устройствах 217
6.6. Разработка устройств для измерения средней температуры газов ГТД при использовании различных типов преобразователей .223
6.6.1. Измеритель средней температуры с термопреобразователями 223
6.6.2. Измеритель средней температуры с
частотными датчиками 230 Выводы по главе VI 232
Заключение .234
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы .239
Список сокращений и условных обозначений 240
Список литературы
- Обзор и классификация методов исследования устройств с цепной трехполюсной структурой
- Анализ мостовых структур, корректирующих звеньев и трансформаторных преобразователей систем управления
- Синтез автогенераторных RC – преобразователей с сосредоточенными параметрами по виду структуры, числу плеч и частоте выходного сигнала
- Исследование методических погрешностей моделирования устройств с распределенными параметрами
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Наиболее распространенной структурой, реализующей широкий класс преобразователей систем управления (СУ) и устройств вычислительной техники (ВТ, является цепная трехполюсная структура (ЦТС). Это цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и первичные преобразователи с частотным и фазовым выходом, вторичные преобразователи частота – код и фаза – код, масштабные преобразователи и корректирующие звенья, схемы замещения большого класса преобразователей с распределенными параметрами (ПРП) и линий связи, модели электрохимических процессов, устройств различной физической природы и т. д.
Теория о ЦТС получила развитие благодаря работам таких отечественных ученых как Асеев Б.П., Белецкий А.Ф., Лангин А.А., Смолов В.Б., Веников В.А., Новицкий П.В., Островский Л.А., Сигорский В.П., Харкевич А.А. и многих других специалистов, а также ряда зарубежных (Абрахамс Д., Беллерт С., Гиллемин Э.А., Калахан Д.А., Карни Ш., Кауэр В., Мэзон С., Пароди М. и др.).
Очевидно, что увеличение количества плеч устройств ЦТС и схем замещения ПРП позволяет расширить диапазон, увеличить точность преобразования и уменьшить методическую погрешность моделирования. Однако, анализ подобных структур при числе плеч более восьми традиционными методами затруднителен, а при использовании нелинейных элементов - практически невозможен. К настоящему времени не разработаны и методы исследования ЦТС, имеющих в своем составе неоднородные и распределенные схемы, с применением ПЭВМ, во всяком случае, достаточно общие. Отсутствие приемлемого метода исследований ЦТС затрудняет проведение анализа резонансных состояний сложных преобразователей с частотно-зависимыми элементами. Важность решения этой задачи возрастает с использованием специальных методов линейного кодирования для передачи информации от преобразователей, когда возникает необходимость учета влияния частотно-зависимых цепей на временные задержки, изменения амплитуд многоуровневых кодов и т.п.
Как известно, одним из основных элементов интегральной схемотехники является RC-структура, представляющая собой ЦТС с распределенными параметрами. Весомый вклад в разработку методов анализа и синтеза RC-структур и устройств на их основе внесли отечественные и зарубежные учёные, среди которых можно отметить Агаханяна Т.М., Знаменского А.Е., Колесова Л.Н., Ниг-матуллина Р.Ш., Гильмутдинова А.Х., Ушакова П.А., Гутникова В.С. и др., а также Castro P., Fuller W., Kaufmann W., Garrett S.,Orchard H., Wang D., Lancaster P., Minc H., Marinov C. и т.д. Однако современные методы и средства анализа и синтеза не позволяют оценивать методическую погрешность и разработать приемлемые методики моделирования схем замещения подобных структур.
Использование частотных датчиков ЦТС совмещает простоту и универсальность, свойственную аналоговым устройствам, с точностью и помехоустойчивостью, характерными для датчиков с кодовым выходом. В настоящее время получены аналитические выражения для частоты и затухания, подобных ЦТС лишь для преобразователей с числом плеч не более восьми.
Не решены также вопросы синтеза каскадных делителей напряжения из сопротивлений одного номинала, ЦАП с воспроизводимыми выходными характеристиками в зависимости от допуска на разброс параметров его элементов, дискретных фазовращателей, многозвенных RC-генераторов и диагностики преобразователей ЦТС в процессе их производства и эксплуатации.
Перспективность ЦТС заключается и в том, что на их основе можно создавать различные функциональные устройства измерения и обработки электрических сигналов, более точные модели физических, электрических и электрохимических объектов. Например, без дополнительных вычислительных операций производить быстрое усреднение в реальном масштабе времени показаний температуры, уровня, давления и других физических величин, передавая информацию по двухпроводной линии связи, с использованием однотипных датчиков в качестве элементов фазирующих цепочек RC- или LC- генераторов.
Однако применение ЦТС в различных отраслях промышленности сдерживается из-за отсутствия современной теоретической базы их исследования. Так, например, газотурбинные двигатели (ГТД) нашли широкое применение не только в авиации, где они являются основными силовыми установками летательных аппаратов, но и в нефтяной и газовой промышленности при продувке и очистке магистральных продуктопроводов. Температура газа перед турбиной ГТД является одним из основных параметров, определяющих тяговые характеристики и ресурс двигателя, работающего на предельных режимах вблизи функциональных и прочностных ограничений. Необходимо отметить, что увеличение температуры лопаток ГТД на 5 K приводит к перерасходу топлива и уменьшению ресурса ГТД примерно на 10%, а скорость изменения температуры газов на переходных режимах может достигать 400 K/с за время не более 0,5 1,0 c. Существующие СУ ГТД, основанные на измерении терморезистивными или термопарными датчиками из-за низкого быстродействия, порядка 10 12 с, не удовлетворяют современным требованиям. В связи с этим, создание быстродействующих систем регулирования температуры газового потока ГТД, позволяющих исключать аварийные режимы работы двигателя, является актуальной задачей. Измерение температур газов в ГТД струйно-акустическими датчиками увеличивает быстродействие на три порядка. Однако, выходной полигармонический сигнал, в котором вторая гармоника по уровню значительно превышает первую из-за резонансных свойств последующего пьезопреобразователя, усложняет селекцию и обработку информативного параметра. Применение часто-
томера номинальных значений, построенного на преобразователе ЦТС, позволит не только выделять первую гармонику, но и проводить функциональную обработку аналогового сигнала без дополнительных вычислительных операций за один период измеряемой частоты, повышая быстродействие СУ ГТД.
Поэтому разработка научных основ создания современных методов исследования класса преобразователей ЦТС с целью построения новых и совершенствования известных средств ВТ и СУ представляется своевременной и актуальной задачей, решение которой имеет важное практическое значение.
Степень разработанности. До настоящего времени отсутствует методология исследований, позволяющая создавать способы и устройства измерения:
уровня жидкости при изменениях положения резервуара;
средней температуры с использованием большого количества датчиков (нескольких сот) и без вычислительных устройств;
номинальной частоты в широком диапазоне с функциональной обработкой аналогового сигнала от датчиков с частотным выходом;
температуры газов ГТД с быстродействием, превышающим на три порядка при использовании термопреобразователей.
Целью работы является развитие теории ЦТС на основе нового метода анализа и синтеза, позволяющего анализировать весь тракт преобразования и передачи информации, и на базе этого создавать принципиально новые способы и средства измерения с улучшенными характеристиками.
Предмет исследований: анализ, синтез и диагностика устройств с ЦТС, методы и алгоритмы повышения эффективности исследований тракта преобразования информации.
Объект (область) исследования: преобразователи и устройства с однородной, неоднородной, распределенной цепными трехполюсными структурами и их комбинированные соединения.
Задачи исследований:
-
Создание методологии исследования (анализа, синтеза и диагностики) функциональных устройств различного назначения с однородной и неоднородной ЦТС независимо от их схемного исполнения.
-
Разработка метода анализа преобразователей ЦТС, как с сосредоточенными, так и с распределенными параметрами, а также их комбинированных соединений с целью улучшения технических и эксплуатационных характеристик.
-
Разработка метода синтеза многозвенных схем фазовых и частотных RC- и LC-преобразователей с дискретной и аналоговой регулировкой выходных характеристик, а также каскадных декадных делителей напряжения из сопротивлений одного номинала и ЦАП с заданной погрешностью преобразования.
-
Разработка метода моделирования RC- и LC – ПРП с минимально возможным количеством звеньев, для допустимой методической погрешности в
заданном диапазоне частот, и одновременно удовлетворяющей критериям равенства функции преобразования (ФП) и входного (выходного) иммитанса.
-
Создание математического; алгоритмического и программного обеспечения анализа характеристик функциональных устройств с ЦТС различной сложности, в том числе содержащих нелинейные элементы.
-
Создание на основе ЦТС и метода ФП нового класса устройств и способов с улучшенными техническими характеристиками и усовершенствование известных для измерения: номинальной частоты в широком диапазоне от датчиков с частотным выходом; уровня жидкости при изменениях положения резервуара или топливного бака; температуры и температурных полей при использовании множества (до нескольких сот) датчиков.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались основы теории цепей и функций комплексных переменных, методы кон-тинуант, графов и структурных чисел, ФП и принцип дуальности преобразования, теории рядов и дифференциального исчисления. При разработке программного обеспечения и моделирования на ПЭВМ использованы языки высокого уровня (C+, VBA), пакеты прикладных программ Mathematica и MathCAD.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Создана методология исследования с единых позиций функциональных устройств различного назначения, вызванная отсутствием универсального теоретического исследовательского инструментария для анализа, синтеза и диагностики преобразователей и устройств с ЦТС с однородной и неоднородной ЦТС независимо от их схемного исполнения.
-
Разработан метод анализа преобразователей ЦТС, отличающийся высокой вычислительной эффективностью и позволяющий выявлять наиболее чувствительные элементы, влияющие на выходные характеристики, а также несовпадающие амплитудный, фазовый и частотный резонансы, что актуально для коррекции влияния частотно-зависимых цепей на временные задержки, искажения амплитуд многоуровневых кодов и т. п. при использовании специальных методов линейного кодирования для передачи измерительной информации.
-
Разработан метод синтеза многозвенных схем фазовых и частотных RC- и LC-преобразователей с дискретной и аналоговой регулировкой выходных характеристик, отличающийся тем, что впервые получены аналитические выражения для определения частот квазирезонанса и затухания в зависимости от числа плеч, позволяющий создавать системы измерения различных физических величин с усреднением параметров от множества датчиков без дополнительных вычислительных устройств; а также каскадных декадных делителей напряжения для любой системы счисления и ЦАП из сопротивлений одного номинала с заданной погрешностью преобразования.
-
Разработан метод моделирования RC- и LC – ПРП, отличающийся отсутствием методической погрешности на одной частоте и позволяющий создавать модели с минимально возможным количеством звеньев, для допустимой методической погрешности в заданном диапазоне частот и одновременно удовлетворяющий критериям равенства ФП и входного (выходного) иммитанса.
-
Создано математическое, алгоритмическое и программное обеспечения и впервые предложен алгоритмы записи и получены рекуррентные соотношения для анализа характеристик функциональных устройств ЦТС различной сложности, в том числе содержащих нелинейные элементы, отличающиеся использованием малого числа команд, значительно сокращающие время использования ПЭВМ, позволившие создать программы и разработать интерфейсы пользователя для проведения широкого спектра исследований амплитудно- и фазо-частотных характеристик, влияния разброса параметров элементов на выходные характеристики ЦАП и рассчитать их допуск по заданной погрешности преобразования, влияния изменения параметров плеч на ФП и частоту и т. д.
-
Создан на основе ЦТС и метода ФП новый класс устройств и способов измерения уровня жидкости при изменениях положения резервуара или топливного бака; температурных полей физических сред при использовании множества (до нескольких сот) датчиков с усреднением результатов без дополнительных вычислительных устройств; номинальной частоты в широком диапазоне от датчиков с частотным выходом и усовершенствованы известные измерители температуры и средней температуры, позволяющие увеличить быстродействие, точность, расширить диапазон и проводить функциональную обработку результатов измерений.
Достоверность научных положений, теоретических результатов и выводов основывается на использовании признанных положений отечественной и зарубежной науки, корректном применении современных апробированных методов аналитического, численного и компьютерного моделирования, с использованием разработанного программного обеспечения, соответствием выводов анализа опытных данных результатам других авторов и экспериментальными исследованиями, выполненными для различных типов преобразователей ЦТС.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Теоретические исследования и научные результаты работы доведены до инженерных методик, рекомендаций, алгоритмов и прикладных программно-методических комплексов анализа, синтеза и диагностики ЦТС и устройств на их основе, пригодных для разработки преобразователей различного назначения и создания моделей ПРП, внедрены в промышленность: ОАО «Уфимский завод микроэлектроники Магнетрон», ОАО «Уфимский завод Промсвязь», ООО «ЧИП» (Уфа), ООО НПП «Термит» (Уфа), ООО НПФ «Корпоративные информационные системы» (Уфа), ООО НПО «Карат» (Уфа). Они позволяют
повысить эффективность этапов проектирования, сократить время настройки, регулировки и диагностики преобразователей ЦТС, а именно:
- программа «CAPCALC.EXE» анализа и расчета функций преобразова
ния, чувствительности, входных и выходных иммитансов устройств с ЦТС дает
возможность проведения полного анализа сложных схем преобразователей, мо
делировать их работу на ПЭВМ и рекомендуется использовать при разработке
методик диагностики для выявления элементов с вышедшими за пределы от
клонения параметрами.
- программа исследования электронно управляемого фазовращателя
«КP.EXE» предназначена для разработки частотомеров номинальных значений
на конкретный диапазон работы датчиков с частотным выходом.
программа «Dopusk» для расчета допусков на элементы ЦАП по заданной погрешности выходного напряжения позволяет определять границы отклонений параметров элементов по требуемой точности преобразования и рекомендуется для разработчиков элементной базы ВТ;
программы «DeltafотС» расчета влияния отклонений значений элементов фазирующей RC- цепочки на ФП и среднюю частоту квазирезонанса позволяет создавать модели ПРП с заданной точностью в требуемой полосе частот с минимально возможным количеством звеньев и рекомендуется при создании систем измерения средних значений физических параметров от большого числа датчиков (от трех до нескольких сот).
Теоретические положения, модели и методы анализа и синтеза ЦТС используются в учебно-научной деятельности ФГБОУ ВПО "Уфимский государственный технический университет" при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплинам учебного плана направлений 210400 и 280100 «Устройства приема и обработки сигналов», «Радиоприемные устройства», «Автоматизированные системы управления и связь» при выполнении курсовых и дипломных проектов, подготовке аспирантов и магистрантов.
Положения выносимые на защиту:
-
Методология исследования (анализа, синтеза и диагностики) функциональных устройств различного назначения с однородной и неоднородной ЦТС независимо от их схемного исполнения.
-
Метод анализа преобразователей ЦТС, как с сосредоточенными, так и с ПРП, а также их комбинированных соединений с целью выявления путей улучшения технических и эксплуатационных характеристик.
-
Метод синтеза многозвенных схем фазовых и частотных RC- и LC-преобразователей с дискретной и аналоговой регулировкой выходных характеристик, а также каскадных декадных делителей напряжения из сопротивлений одного номинала и ЦАП с заданной погрешностью преобразования.
-
Метод моделирования RC- и LC – ПРП с минимально возможным количеством звеньев, для допустимой методической погрешности в заданном диапазоне частот, и одновременно удовлетворяющей критериям равенства ФП и входного (выходного) иммитанса.
-
Математическое, алгоритмическое и программное обеспечения анализа характеристик функциональных устройств с ЦТС различной сложности, в том числе содержащих нелинейные элементы.
-
Созданные на основе ЦТС новые способы, устройства и усовершенствованные известные с улучшенными техническими характеристиками для измерения: номинальной частоты в широком диапазоне от датчиков с частотным выходом; уровня жидкости при изменениях положения резервуара или топливного бака; температуры и температурных полей при использовании множества (до нескольких сот) датчиков.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на более чем семидесяти научных конференциях различного уровня. Среди них:
Пятая Всесоюзная межвузовская конференция «Теория и методы расчета нелинейных электрических цепей и систем» (Ташкент, 1975), Всесоюзная НТК «Измерительные информационные системы «ИИС-75» (Кишинев, 1975), Всесоюзная НТК «Вопросы теории и проектирования аналоговых измерительных преобразователей» (Ульяновск, 1978), Всесоюзная НТК «Методы и средства машинной диагностики ГТД и их элементов» (Харьков, 1980), Республиканская НТК «Структурные методы повышения точности, быстродействия и чувствительности измерительных устройств и систем» (Киев, 1981), Всесоюзная НТК «Новые электронные приборы и устройства» (Москва, 1982), Всесоюзная НТК «Технологические пути экономии трудовых и материальных ресурсов и интенсификация производства в приборостроении» (Суздаль, 1983), Всесоюзное совещание-семинар «Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических устройств и систем» (Кишинев, 1983), 5-й Всесоюзный симпозиум «Проблемы создания преобразователей формы информации» (Киев, 1984), Всесоюзное совещание молодых ученых и специалистов «Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем» (Москва, 1987), Первая международная молодежная школа – семинар «Диагностика, информатика, метрология, безопасность-96 (ДИМЭБ)» (С.-Петербург, 1998), Девятая международная НТК «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2003), XXIX международная конференция «Information Technologies in Science, Education, Telecommunication and Business IT + SE` 2002» (Ялта-Гурзуф, 2002), VIII международная научно-методическая конференция вузов и факультетов телекоммуникаций (Москва, 2004), Третья - Восьмая международные научно-технические конференции «Проблемы техники и технологии теле-
коммуникаций» (Уфа - Самара – Казань, 2002 – 2012), «Proceedings of IEEE East-West Design&Test Symposium» 2012 (Kharkov, 2012), НТК с международным участием «Перспективные информационные технологии в научных исследованиях, проектировании и обучении» (Самара, 2012), I международная (IV Всероссийской) НТК «Электропривод, электротехнология и электрооборудование предприятий» (Уфа, 2013), «Proceedings of IEEE East-West Design&Test Symposium» 2013 (Rostov-on-Don, 2013).
Основание для выполнения работы. Работа выполнена на кафедре телекоммуникационных систем УГАТУ в соответствии с гос. бюджетной НИР «Исследование процессов преобразования и передачи электромагнитной энергии», а также по хоздоговорным НИР на темы: «Автоматизированный информационно-измерительный и диагностический комплекс для иммуноскрининга» с Минприроды и ЧС РБ № 128/95; «Окружающая среда и здоровье населения РБ» с академией наук РБ № 112/АНБ; «Разработка мультиплексора потоков Е1» с ОАО БЭТО № АП-КС-13-05-ХГ; «Проектирование системы измерения температурных полей» с НПП «Термит» в рамках договора № АП-АП-06-01-ХК «Разработка аппаратно-программных комплексов для АСУ-ТП»; «Разработка частотомера для частотных датчиков» с НПО «Карат» № 14/2012.
Публикации. Основные теоретические положения, выводы и результаты по теме диссертации опубликованы в более 130 работах, в том числе: 14 статей в изданиях перечня ВАК, 7 патентов РФ из них 3 на группы изобретений способов и устройств, 4 свидетельства об официальной регистрации программ, 3 алгоритма, одна монография.
Личный вклад автора
Результаты, изложенные в диссертации, получены лично автором, вклад автора в работах, написанных в соавторстве, заключается в разработке аналитических методов анализа и синтеза измерительных и вычислительных устройств, разработке и реализации алгоритмов и программ исследования функциональных устройств различного назначения, проведении натурных экспериментов и компьютерного моделирования, обработке их данных и анализе полученных результатов, их обобщении в виде выводов и рекомендаций.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 355 страниц машинописного текста, библиографического списка из 278 наименований и 14 приложений на 88 стр., 7 актов внедрения. В работе содержится 103 рисунка, 11 таблиц.
Обзор и классификация методов исследования устройств с цепной трехполюсной структурой
К недостаткам всех методов следует отнести изучение дополнительных исходных предпосылок, необходимых для пользования и являющихся их основой. Так, например, у направленных графов – ветвь, передача, правила упрощения графа и т.д. У ненаправленных графов – дерево, минор пути, определитель системы и т.п. У методов, использующих ортогональные полиномы - полиномы, правила перехода от функции цепи к полиномам и наоборот, аппроксимация и т.д. Кроме того, вышеперечисленные методы, за исключением структурных и топологических, лишены логической взаимосвязи между структурой устройства и получением функций ЦТС (коэффициента передачи, и т.п.).
В связи с этим, разработка алгоритмов и методов исследования как отдельных функциональных устройств любой сложности и различного схемного исполнения, так и всего тракта преобразования информации совместно с линиями связи (комбинированная структура), все еще остается актуальной.
Из рассмотренного видно, что в настоящее время не разработан оптимальный метод исследования неоднородных цепных структур ИП, учитывающий их особенности и удовлетворяющий возросшим требованиям теории и практики, например, при проектировании интегральных ИП. В связи с этим предложен ряд специальных способов расчета цепных однородных схем, использующие ортогональные полиномы, гиперболические функции и цепные дроби. Необходимо отметить, что привлечение ортогональных полиномов для анализа цепных структур оправдано лишь применительно к ЭВМ, благодаря простоте организации алгоритмов вычисления. Кроме того, методы, математической базой которых являются гиперболические функции и ортогональные полиномы, исследуют структуры ИП различного назначения (ИП U/I , ИП I/I и т.д.) отдельно, при этом ограничиваясь рассмотрением лишь их определенных схем, т.к. исходным элементом анализа является звено (Г-, П-образное и т.п.), а не плечо - иммитанс.
В заключение отметим, что различные методы имеют определенные области применения, где каждый наиболее эффективен.
Так, расчеты преобразователей по уравнениям Кирхгофа дают возможность наиболее полного суждения о всей цепи. Однако, полученную систему, если она состоит больше чем из четырех уравнений, решать без применения ПЭВМ не рационально.
Метод последовательного исключения неизвестных (метод Гаусса [49] приводит к заведомо меньшему числу операций, чем прямое решение матричных уравнений методом определителей [50].
Направленные графы целесообразно применять при моделировании на аналоговых вычислительных машинах процессов в преобразователях, описываемых заданными уравнениями.
Использование ненаправленных графов дает возможность вычислять необходимые функции преобразователя без составления и решения уравнений. Вычисление главного определителя, входящего в топологический закон передачи, с помощью теории графов упрощается за счет исключения работы по вычислению отрицательных членов [48]. Однако, необходимо отметить, что во всех случаях применения графов выражение для коэффициента передач получается довольно сложным и неудобным для дальнейших исследований в общем виде (чувствительности, частоты квазирезонанса и т.д.), т.к. содержит произведение сумм Методы частичного анализа ИП, основанные на определении некоторых параметров преобразователя без детального расчета активных величин, действующих во всех плечах [51 - 62], важны при обработке экспериментов, определении влияния изменений одного из параметров преобразователя на выходные характеристики и т.п.
Необходимо отметить, что существующие методы громоздки, чувствительны к структуре (например, метод контурных токов и узловых напряжений) и не позволяют анализировать структуры с произвольным числом плеч. Расчет схем не использует условие согласования и не учитывает влияния нагрузки на преобразователи, что приводит к существенной погрешности расчета, зависящей от числа элементов схемы.
В связи с этим для исследования, анализа и синтеза ЦТС, а также для решения ряда вопросов по их применению при проектировании устройств СУ и ВТ и был разработан метод функций преобразования [63].
Необходимо подчеркнуть, что в работе рассматриваются ЦТС, состоящие, в основном, из линейных элементов. Для исследования динамических процессов в стационарном режиме в полученные выражения необходимо вводить [50] оператор Хевисайда – p. Нестационарные режимы рассчитываются с помощью обычных приемов операционного счисления.
Анализ мостовых структур, корректирующих звеньев и трансформаторных преобразователей систем управления
В соответствии с вышеизложенным, нами поставлены следующие задачи исследования: 1. Разработать метод анализа элементов и устройств ВТ и СУ, имеющих однородные, неоднородные и распределенные структуры, а также их комбинации. 2. Разработать алгоритмы исследования и инженерные методики расчетов характеристик функциональных устройств с цепной структурой. 3. Разработать метод синтеза устройств цепной структуры (преобразователей с частотным и фазовым выходом, линий задержек, ЦАП и т.д.) с сосредоточенными и распределенными параметрами. 4. Исследовать влияние параметров нагрузки на выходные характеристики преобразователей с частотным выходом. 5. Разработать методику диагностики и прогнозирования повреждений устройств с однородной и распределенной структурами. 5. Исследовать методическую погрешность моделирования устройств с распределенными параметрами и разработать методику проектирования устройств с нормированной погрешностью выходных характеристик. 6. Применить результаты анализа и синтеза ЦТС для разработки способов измерения различных физических параметров, не достижимых при использовании традиционных методов, и проектирования устройств, реализующих эти способы..
Выводы по главе I 1. Цепная трехполюсная структура является основой многих функциональных устройств систем управления и вычислительной техники и схем замещения устройств с распределенными параметрами и линий связи. 2. Все устройства с ЦТС относятся к одному из четырех видов измерительных преобразователей: ИП U/U, ИП U/I, ИП I/I, ИП I/U. 3. Традиционные методы анализа подобных структур и их соединений весьма громоздки как для применения, так и для изучения, либо применимы лишь для исследований преобразователей с однородной ЦТС. Наиболее краткий путь получения выражения коэффициента передачи для шестиплечей структуры имеет метод структурных чисел – 152 символа, использование матричной алгебры -186 символа. С увеличением числа плеч исследуемой структуры на одно звено (до восьми плеч), число вычислительных операций удваивается и далее растет в геометрической прогрессии. Анализа статических характеристик преобразователей с неоднородной цепной трехполюсной структурой
Анализ подобных структур традиционными методами теории цепей [64, 65] отличается большой трудоемкостью [37]. В связи с этим представляет интерес исследование преобразователей ЦТС с позиции понятия функций преобразования [63].
Как было установлено (см. табл. 1.1), все многообразие ЦТС представляет собой один из четырех видов ИП: потенциально-токовые ИП U/I; потенциально-потенциальные и; токово-потенциальные ИП I/U и токово-токовые ИП I/I. Рассмотрим физическую сущность метода функций преобразования (ФП) на примере потенциальных ИП. При исследованиях преобразователей неэлектрических величин используют принцип электрофизических аналогий [66 -70], позволяющий легко построить их электрические схемы замещения. Как известно назначение ИП преобразовывать входную величину в требуемую выходную и передавать ее далее по схеме. Следовательно, логично описывать его характеристики, да и последующих устройств, в направлении прохождения сигнала, а не обратными функциями (как это описывается в традиционной литературе) в виде коэффициента передачи или передаточной функции. Таким образом, метод ФП устанавливает логическую взаимосвязь между аналитическим описанием и физической сущностью работы ИП ЦТС.
Рассмотрим процесс формирования ФП у потенциальных ИП. Располагая пассивными элементом - сопротивлением Z1 и активным элементом (A0) – источником э.д.с. E0 , можно преобразовать э.д.с. E0 в ток I1 (Рисунок - 2.1.1, а). наличием широкого круга нерешенных вопросов, возникающих при их разработке (проектирование преобразователей с частотным и фазовым выходом с заданными статическими характеристиками и нормированной погрешностью выходных параметров, масштабных каскадных преобразователей из резисторов одного номинала и т.д.) и производстве (техническая диагностика преобразователей с неоднородной структурой) и эксплуатации (коррекция погрешности частотных и фазовых преобразователей от нагрузки; прогнозирование и определение неисправностей в устройствах СУ с однородными распределенными параметрами); существующими трудностями исследования характерных особенностей (методических погрешностей схем замещения преобразователей с распределенными параметрами (ПРП), резонансных состояний преобразователей с неоднородной структурой) и статических характеристик (определение выходных частот у первичных RC- и LC- преобразователей, ФП, чувствительности и т.д.) устройств СУ и ВТ, имеющих однородные, неоднородные и распределенные структуры, известными методами; г) необходимостью совершенствования методов анализа и синтеза цепных структур преобразователей устройств СУ и ВТ, отвечающих современным требованиям теории и практики создания СУ и позволяющих исследовать с малой трудоемкостью как однородные, так и неоднородные структуры ИП и ПРП любой сложности и различного схемного исполнения.
Синтез автогенераторных RC – преобразователей с сосредоточенными параметрами по виду структуры, числу плеч и частоте выходного сигнала
Среди масштабных преобразователей, например [126 - 129], используемых в разнообразных устройствах автоматики, вычислительной и измерительной техники делители, представляющие собой дискретные преобразователи напряжения, занимают особое место. Это объясняется многообразием выполняемых ими функций и тем, что вносимые делителями погрешности не компенсируются и являются составляющими, в значительной степени ограничивающими статические характеристики вычислительных устройств.
Известные в настоящее время однородные многоступенчатые каскадные схемы, во всех ступенях отсчета которых имеются сопротивления одного номинала, могут быть использованы только при создании компенсационных схем уравновешивания [73]. В качестве делителей напряжения их реализовывать нельзя, т.к. деление подводимого напряжения не может быть осуществлено в число раз кратному основанию системы счисления.
Основные требования, предъявляемые к делителям следующие: а) в делителях должно быть использовано минимальное количество номиналов элементов; б) достижение высокой точности отсчета; в) минимальное число органов регулировки и управления. Известные однородные схемы в качестве делителей использовать нельзя из-за невозможности получения кратности деления.
Для осуществления отсчета в системе счисления с основанием k необходимо [129], чтобы падение напряжения на сопротивлениях каждой секции двух соседних декад отличались в k раз. Поскольку все сопротивления секций в каждой ступени одинаковы, то протекающие через них токи такие должны отличаться в k раз. Кроме того, для использования схемы в качестве делителя напряжения, необходимо, чтобы её входное сопротивление было равно целому числу сопротивлений секций -k R.. На рисунке - 3.4.1.а приведена лестничная структура с регулируемыми параметрами плеч и её реализация (см. рисунок - 3.4.1.б) в виде однородной комбинированной (т.е. использующая двухзвенные и однозвенные схемы) каскадной схемы, которая может быть применена для создания компенсаторов и делителей напряжения (в последнем случае необходимо выполнить условие q = k+1). В качестве основных каскадов делителя использованы двухзвенные схемы, а последняя ступень отсчета построена по типу однозвенной. Первую ступень отсчета, содержащую qR сопротивлений, назовем основной, а остальные n ступеней - дополнительными.
Кроме сопротивлений секций R, схема имеет шунтирующие сопротивления R1 , R2, ... Ri и одно добавочное сопротивление Rд. С помощью этих сопротивлений осуществляется как заданное распределение токов в схеме, так и доводится до необходимой величины общее сопротивление каждой ступени шунтируемого участка. шунтирующее
Составим уравнения, связывающие эквивалентное сопротивление Rэi с сопротивлениями шунтируемых ступеней:
Особый интерес представляет однородная комбинированная каскадная схема при использовании двоичной системы счисления (k=2), так как в этом случае схема предельно упрощается, поскольку шунтирующие сопротивления отсутствуют. Таким образом, впервые синтезирована однородная комбинированная каскадная схема, позволяющая создавать не только масштабные делители, но и каскадные ЦАП из сопротивлений одного номинала R, взамен традиционных схем R/2R, что значительно повысит технологичность изготовления и точность преобразования [130]. Кроме того, положительным является то, что подобная структура сохраняет постоянство входного сопротивления схемы при различных положениях переключателей.
Общие вопросы синтеза устройств ЦТС с учетом требований к рабочим характеристикам и условию согласования в СУ Для синтеза устройств ЦТС наиболее часто используются схемы Кауэра [65, 131, 132], представляющие собой результат разложения функции входного иммитанса в непрерывную дробь.
Представляет интерес способ нахождения по виду заданной однородной ЦТС (ИП I/U, ИП I/I и т.п.) и его ФП числа плеч устройства и величин их иммитансов. Особенно это важно в связи с современным развитием микроэлектронных технологий производства устройств ВТ, широко используемых при разработках цифровых устройств различного назначения. Например, с помощью пассивных RC-цепей можно спроектировать устройство с практически любыми, в ограниченном диапазоне частот (времени), амплитудно-частотными и импульсными (переходными) характеристиками [111, 133 - 138].
Не останавливаясь на разработке функций устройств (проблема аппроксимации), т.к. назначение преобразователя (ИП U/U и т.д.) само уже говорит о структуре (см. раздел 2.1) и частично решает эту задачу автоматически, исследуем возможность использования ФП ЦТС для построения схем и определения номиналов элементов плеч (проблему реализации).
При синтезе четырехполюсников по заданной ФП задача реализации часто решается с помощью функции входного иммитанса [29] или с помощью полных и первичных параметров линии [103].
Рассмотрим условия, налагаемые на ФП при синтезе однородных ЦТС, состоящих из цепочки двухполюсников вида Т1 и Т2. Известно, что ИП U/U и ИП I/I не изменяют размерность преобразуемой активной величины, содержат четное число плеч п и являются взаимно-дуальными структурами. Входной иммитанс п-плечей ЦТС, определяемый выражением (2.1.10), можно представить в виде [63]
Исследование методических погрешностей моделирования устройств с распределенными параметрами
При реализации данного способа измеряемым информативным параметром каждого датчика является резонансная частота колебательного контура, содержащего такой датчик в качестве частотозадающего элемента. Для определения текущих значений уровня и массы сжиженного газа в емкости производят измерение уровня жидкости по величине электрической емкости первого радиочастотного датчика. Второе измерение уровня жидкости в уменьшенном или увеличенном снизу диапазоне его изменения по измеряемой величине электрической емкости второго радиочастотного датчика и измеряют электрическую емкость третьего радиочастотного датчика, располагаемого в газовой фазе верхней части емкости. Блок функциональной обработки сигналов, поступающих с радиочастотных датчиков, для определения искомых физических параметров сжиженного газа в емкости, определяет уровень и плотность газовой фазы. Недостатками подобного решения являются необходимость трех измерений, громоздкость вычислений, применимость в неподвижных горизонтально стоящих емкостях, а также использование специальных эмпирических или расчетных таблиц, характеризующих зависимость объема заполнения жидкостью от ее уровня при сложных формах емкости.
В устройстве для измерения уровня топлива в баке [225] установлен вертикально емкостной датчик - конденсатор с профилированными пластинами. При изменении уровня топлива поплавок перемещаясь, увлекает через магнитное поле ползун с токопроводящей перемычкой пластин конденсатора, изменяя емкость, включенную в контур генератора, частоту которого измеряют, отображая на индикаторе в единицах массы топлива. К недостаткам этого устройства относятся сложность конструкции датчика, не приспособленного к различным формам бака, наличие движущихся частей, что снижает надежность, и неприемлемая зависимость показаний уровня от положения топливного бака.
Попытка учета формы бака и контроля массы жидкости привела к разработке способа [226], который реализуется измерением частоты генератора (Рисунок
Рисунок - 6.1.1. Устройство измерения уровня жидкости с учетом формы бака Устройство 1 для измерения уровня жидкости 2 в баке 3 содержит корпус 4 с установленным в герметичной полости емкостным датчиком давления 5, подключенным к задающему генератору 6, соединенному через частотомер 7 с цифровым индикатором 8. Схема измерения устройства 1 снабжена процессором 9, программа которого выполнена с возможностью отслеживания формы внутренней полости бака 3. Герметичная полость разделена емкостным датчиком давления 5 на две, нижнюю 10 и верхнюю 11, герметичные полости. Термокомпенсация давления воздуха в полостях 10 и 11 достигается соответствующим подбором их объемов. При этом в этих полостях изменение давления от колебаний температуры уравновешивается. Нижняя мембрана 12 расположена в нижней герметичной полости 10 и является измерительной. Устройство 1 снабжено соединенной с нижней герметичной полостью 10 трубкой 13 со сквозным каналом для вертикального погружения ее на дно бака 3 с контролируемой жидкостью 2. В верхней герметичной полости 11 расположена верхняя мембрана 14 емкостного датчика 5. Герметичная полость датчика 5 снабжена трубкой 15 со сквозным каналом (отверстием) для соединения с атмосферой. С целью защиты датчика 5 от воздействия паров жидкости 2 и от воздействия атмосферы трубки 13 и 15 заполнены на 5-10 мм несмачивающей жидкостью (например, гель, ртуть и др.), образующей пробки 16 и 17 для отсечения герметичных полостей от паров жидкости и от атмосферы, которые могут менять свои диэлектрические свойства. Столбики из несмачивающей жидкости закрыты от вредных испарений с обеих сторон любым промышленным маслом, например Нигрол, Тад и др. Над верхней герметичной полостью 11 расположена электронная схема измерений (генератор 6 и т.д.). При измерении уровня жидкости 2 в баке 3 под давлением устройство 1 снабжено дополнительным каналом для установки в газовый массив бака, который также будет заполнен на 5-10 мм несмачивающей жидкостью. Устройство 1 снабжено магнитным элементом (не показан) для установки устройства 1 в любом выбранном положении и месте. Емкостный датчик давления имеет цилиндрическую форму с гибкими круглыми мембранами 12 и 14. Предлагаются варианты исполнения емкостного датчика давления в зависимости от стоимости изготовления, сложности применяемых технологий его изготовления и электронных схем обработки сигналов.
Для более точных измерений рекомендуется дополнительно использовать эталонный датчик давления с генератором, синтезатор и соответствующий процессор. Устройство крепится на баке посредством магнита, сообщается с жидкостью через опущенную в горловину трубку и содержит корпус с установленным в герметичной полости емкостным датчиком, подключенным к генератору, соединенному через частотомер с индикатором, а также процессор в схеме измерений, программа которого выполнена с возможностью отслеживания формы внутренней полости бака. Основным существенным недостатком способа и устройства является невозможность измерения уровня жидкости при наклонных положениях емкости
