Введение к работе
Актуальность темы. Основным средством измерения в условиях современного производства, промышленных и лабораторных испытаний различных объектов являются информационно-измерительные системы (ИИС). Ранее для таких систем, как правило, был характерен централизованный сбор и обработка измерительной информации.
В последние годы наметилась тенденция построения ИИС по принципам систем высокой готовности. Отличительной чертой таких систем является достижение необходимого уровня бесперебойного функционирования за счет построения решений на основе «конструктора». Такой подход к построению ИИС требует полного перехода на унифицированные многоточечные каналы связи (fieldbus - промышленные сети) и применение в каждом измерительном канале законченных аппаратных решений в виде интеллектуальных датчиков (ИД) или канальных процессоров (КП), обеспечивающих функциональную самостоятельность каждого измерительного канала.
При этом можно выделить два направления развития ИИС: на основе ИД и на основе КП. Согласно ГОСТ Р 8.673-2009 ГСИ интеллектуальный датчик - это адаптивный датчик с функцией метрологического самоконтроля. При этом, обладая вычислительными возможностями, интеллектуальный датчик способен не только изменять свои параметры и/или алгоритм работы в процессе эксплуатации датчика в зависимости от сигналов, содержащихся в нем преобразователей, но и осуществлять дополнительную обработку сигнала.
Вторым направлением развития ИИС является построение систем на основе канальных процессоров, которые производят предварительную обработку измерительной информации. Основное отличие канального процессора от интеллектуального датчика заключается в отсутствии в структуре первого самого датчика (сенсора). В результате чего применение канальных процессоров позволяет получать интеллектуальные устройства на базе существовавших принципах построения систем.
Оба направления развития ИИС достаточно широко освещены в литературе, например, в работах Новоселова О.Н., Самойлова Л.К., Свиридова В.Г., Ямасаки Х. и др. Однако широкое применение на практике они начали получать только в последние годы. Основной причиной этому послужил существующий уровень развития электронной элементной базы, на основе которой стало возможным реализовывать сложные алгоритмы предварительной обработки сигналов непосредственно в ИД и КП.
Одним из видов обработки измерительного сигнала в ИД и КП является низкочастотная фильтрация с целью подавления высокочастотных помех и устранения эффекта наложения спектров при оцифровке сигнала. Причем в ряде технических приложений часто требуется применение фильтров с перестраиваемой частотой среза. На сегодняшний день существует значительное количество управляемых фильтров как аналоговых, так и цифровых. Однако в большинстве случаев изменение параметров фильтров происходит по команде пользователя. Автоматическое изменение полосы пропускания фильтра, установленного в измерительном канале в соответствии с текущей граничной частотой сигнала, позволило бы повысить качество работы таких устройств, когда параметры входного сигнала не известны или изменяются во времени.
Таким образом, задачу разработки устройств для автоматической регулировки полосы пропускания управляемого фильтра в измерительном канале в соответствии с текущими параметрами сигнала можно считать своевременной, важной и актуальной.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка оптимальных устройств для автоматической регулировки полосы пропускания измерительного канала.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
исследование вопросов повышения помехоустойчивости ИИС за счет регулировки полосы пропускания фильтра в измерительном канале;
анализ структур измерительного канала с управляемыми фильтрами нижних частот;
исследование и разработка алгоритмов и структур устройств для автоматической регулировки полосы пропускания измерительного канала;
анализ погрешностей работы устройств для автоматической регулировки полосы пропускания измерительного канала;
сравнение эффективности работы и сложности реализации различных структур устройств для автоматической регулировки полосы пропускания измерительного канала;
исследование влияния помех на работу устройств для автоматической регулировки полосы пропускания измерительного канала.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы теории сигналов, теории погрешностей, аналитического, имитационного и натурного моделирования.
Научная новизна. В процессе работы над диссертацией получены следующие результаты:
показано, что автоматическая регулировка полосы пропускания фильтра в измерительном канале в условиях реального времени является реализуемым и эффективным способом повышения значения отношения сигнал/шум в измерительном канале для случая, когда фильтр подстраивает свои параметры к текущим динамическим свойствам сигнала;
разработаны структуры и алгоритмы устройств для автоматической регулировки полосы пропускания измерительного канала, позволяющие проектировать оптимальные устройства в конкретных ситуациях;
разработана программная модель устройств для автоматической регулировки полосы пропускания измерительного канала, которая дает возможность рассчитать оптимальные параметры для конкретных условий и оценить эффективность работы устройств;
исследовано влияние параметров разработанных устройств на погрешность определения текущей граничной частоты полезного сигнала, что позволило выработать рекомендации по повышению эффективности работы разработанных устройств.
Практическая значимость и внедрение результатов работы. Основными практическими результатами можно считать следующие:
разработан и внедрен программно-аппаратный комплекс по исследованию устройств для автоматической регулировки полосы пропускания измерительного канала;
разработаны и защищены патентом РФ структуры устройств для автоматической регулировки полосы пропускания измерительного канала;
разработана и защищена патентом РФ структура канального процессора с устройством для автоматической регулировки полосы пропускания измерительного канала для ИИС со сжатием данных.
Результаты диссертационной работы использованы в НИР, выполненной по заданию Министерства образования и науки РФ, а также внедрены в учебный процесс подготовки студентов Технологического института ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
Достоверность и обоснованность научных положений, результатов и выводов, приведенных в диссертационной работе, обеспечиваются корректным использованием математического аппарата, аналитическим, имитационным и натурным моделированием и достаточной апробацией материалов диссертации.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
алгоритм работы и устройство для автоматической регулировки полосы пропускания измерительного канала с переменным временем усреднения;
алгоритм работы и устройство для автоматической регулировки полосы пропускания измерительного канала с постоянным временем усреднения;
результаты исследования параметров устройств для автоматической регулировки полосы пропускания измерительного канала;
реализация канального процессора с устройством для автоматической регулировки полосы пропускания измерительного канала для ИИС со сжатием данных.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9 международных и 3 всероссийских конференциях, а также на ежегодных конференциях профессорско- преподавательского состава ТТИ ЮФУ с 2010 по 2011 годы.
Публикации. По теме исследований опубликованы 20 печатных работ, в том числе 6 научных статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 2 патента РФ на изобретения и 2 патента РФ на полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 87 наименований, и двух приложений. Основная часть работы изложена на 160 страницах машинописного текста, который поясняется 100 рисунками и 3 таблицами. Общий объем диссертации, включая приложения, составляет 176 страниц.
