Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Принципы построения, точностные характеристики и методы повышения точности магнитострикционных преобразователей положения .. 10
1.1. Принципы построения магнитострикционных преобразователей положения 10
1.2. Точностные характеристики магнитострикционных преобразователей положения 14
1.2.1. Статические характеристики 14
1.2.2. Систематические погрешности 15
1.2.3. Случайные погрешности 17
1.2.4. Дополнительные погрешности 17
1.2.5. Динамические характеристики 18
1.3. Методы повышения точности 19
1.3.1. Технологические методы повышения метрологических характеристик МПП 20
1.3.2. Принцип отражения ультразвуковой волны 23
1.3.3. Логометрические и дифференциальные магнитострикционные преобразователи положения 23
1.3.4. Модульное преобразование 27
1.3.5. Формирование временного интервала по экстремуму сигнала считывания 28
1.3.6. Применение микропроцессорного устройства 30
1.3.7. Помехоустойчивость магнитострикционных преобразователей положения 33
1.4. Выводы по первой главе 35
ГЛАВА 2. Исследование свойств сигнала с первичного преобразователя 37
2.1. Исследование причин возникновения случайной погрешности при обработке сигнала считывания 37
2.1.1. Обобщенная структура измерительного тракта 37
2.1.2. Определение составляющих случайной погрешности измерительного тракта и причин их возникновения 39
2.1.3. Оценка составляющих случайной погрешности измерительного тракта 40
2.2. Исследование спектральных свойств сигнала с первичного
преобразователя 46
2.2.1. Исследование в одной точке диапазона преобразования положения 46
2.2.2. Исследование по диапазону преобразования положения...51
2.2.3. Исследование влияния натяжения звукопровода 53
2.2.4. Исследование влияния параметров импульса тока записи.. 55
2.3. Исследование случайной погрешности преобразования с
восстановлением сигнала с первичного преобразователя по
стабильным гармоническим компонентам 58
2.3.1. Случайная погрешность непосредственного преобразования. 58
2.3.1. Случайная погрешность логометрического преобразования. 60
2.4. Выводы по второй главе 65
ГЛАВА 3. Метод уменьшения случайной погрешности на основе dsp технологий 66
3.1. Функциональная схема 66
3.2. Аппаратная реализация метода 68
3.2.1. Структурная схема измерительного тракта 68
3.2.2. Влияние шага дискретизации на точность преобразования положения 69
3.2.3. Влияние разрядности АЦП 70
3.2.4. DSP микропроцессоры 71
3.2.5. Быстродействующие АЦП 73
3.3. Алгоритм обработки сигнала и формирования результата преобразования 74
З.ЗЛ. Основной алгоритм функционирования DSP микропроцессора 74
3.3.2. Оценка временных затрат на реализацию алгоритма функционирования DSP микропроцессора и вычисление требуемого объема памяти 77
3.3.3. Алгоритмы идентификации полезного сигнала и связанные с ними затраты 82
3.3.4. Алгоритмы локализации и поиска главного экстремума... 87
3.4. Выводы по третьей главе 91
ГЛАВА 4. Разработка микропроцессорного магнитострикционного преобразователя положения и имитационное моделирование его работы 93
4.1. Аппаратная реализация преобразователя 93
4.1 1 Структурная схема микропроцессорного магнитострикционного преобразователя положения 93
4.1.2. Применение гибридного DSP микропроцессора 94
t 4Л.З. Формирователь импульса тока записи 95
4.1.4. Предварительный усилитель 96
4.1.5. Антиэлайсинговый фильтр 97
4.2. Имитационное моделирование работы устройства 98
4.2.1. Построение имитационной модели в инженерной лаборатории MATLAB 6.5 98
4.2.2. Имитационное моделирование устройства 101
4.3. Анализ эффективности метода уменьшения случайной
погрешности 104
4.3.1. Анализ влияния мощных импульсных помех и шума на преобразование положения 104
4.3.2. Оценка уменьшения величины случайной погрешности.. 106
4.3.3. Динамические характеристики 108
4.4. Выводы по четвертой главе 108
Заключение 110
Список использованных источников
- Точностные характеристики магнитострикционных преобразователей положения
- Определение составляющих случайной погрешности измерительного тракта и причин их возникновения
- Структурная схема измерительного тракта
- Структурная схема микропроцессорного магнитострикционного преобразователя положения
Введение к работе
* Магнитострикционные преобразователи положения (МПП) прочно
заняли свое место среди предлагаемых на рынке датчиков положения. Это обусловлено в первую очередь их высокой надежностью, устойчивостью к вибрационным воздействиям, а также большим диапазоном преобразований, при относительно невысокой стоимости [2J.
Мировыми лидерами в исследованиях, разработке и производстве МПП являются крупнейшие фирмы-производители датчиковой аппаратуры: MTS (США), Balluff (Германия), Schlumberger Industries (Франция) и др. Аналитики этих фирм насчитывают уже более 1500 областей использования МПП [49].
Исследования зарубежных и отечественных ученых, таких как Артемьев Э.А., Демин СБ., Надеев А.И., Шпинь А.П., Ясовеев В.Х. и др. привели к созданию множества способов реализации МПП, появлению структурных, технологических, алгоритмических методов улучшения их метрологических характеристик. Однако ужесточение требований к точностным и эксплуатационным характеристикам первичных преобразователей в современных системах автоматического управления требует поиска новых методов повышения точности МПП.
« Нашедшие в настоящее время широкое применение структурные,
технологические и алгоритмические методы повышения точности МПП, в основном, ориентированы на уменьшение систематической и дополнительной составляющих полной погрешности.
Развитие в последнее время интеллектуальных МПП наряду с их индивидуальной градуировкой приводит к тому, что главным критерием, обуславливающим достижение предельной точности МПП, является их случайная и динамическая составляющие полной погрешности.
Существующие методы уменьшения случайной погрешности, а так
f же интеллектуальные методы идентификации полезного сигнала на фоне
7 импульсных помех опираются на статистический анализ серии повторных отсчетов, что приводит к существенной потере быстродействия МПП и повышению динамической погрешности.
В связи с вышеизложенным, тема диссертационной работы, посвященная разработке методов повышения точности МПП за счет уменьшения случайной и динамической составляющей погрешности магнитострикционных преобразователей на основе спектрального анализа сигнала первичного преобразователя с использованием DSP технологий, является актуальной.
Цель исследования:
Уменьшение случайной погрешности и повышение помехозащищенности магнитострикционных преобразователей положения без потери их быстродействия.
Для достижения намеченной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
Исследование причин возникновения случайной погрешности магнитострикционных преобразователей положения.
Исследование спектральных свойств сигнала первичного преобразователя.
Исследование случайной погрешности преобразования с восстановлением сигнала первичного преобразователя по стабильным гармоническим компонентам.
Разработка метода уменьшения случайной погрешности магнитострикционных преобразователей положения на основе DSP (Digital Signal Processing - цифровая обработка сигналов) технологий.
Разработка алгоритмов идентификации промахов и полезного сигнала.
Разработка микропроцессорного преобразователя положения, реализующего метод уменьшения случайной погрешности
8 магнитострикционных преобразователей положения на основе DSP технологий.
7. Анализ эффективности применения разработанного метода. На защиту выносятся:
1. Результаты исследования спектральных свойств сигнала первичного преобразователя.
Метод уменьшения случайной погрешности магнитострикционных преобразователей положения на основе DSP технологий.
Алгоритмы идентификации промахов и полезного сигнала
Микропроцессорный преобразователь положения, реализующий метод уменьшения случайной погрешности магнитострикционных преобразователей положения на основе DSP технологий.
Результаты анализа эффективности применения разработанного метода.
Научная новизна:
Проведено исследование спектральных свойств сигнала первичного преобразователя, в результате которого установлено, что сигнал первичного преобразователя имеет стабильные дискретные спектральные плотности в области 2-7 гармоник, при временном окне равном длительности сигнала.
Исследована случайная погрешность преобразования с восстановлением сигнала первичного преобразователя по стабильным гармоническим компонентам. Подтверждена гипотеза нормального закона распределения случайной погрешности.
Разработан метод уменьшения случайной погрешности магнитострикционных преобразователей положения на основе DSP технологий.
Разработаны алгоритмы идентификации промахов и полезного сигнала.
5. Разработана имитационная модель микропроцессорного преобразователя положения, реализующего метод уменьшения случайной погрешности магнитострикционных преобразователей положения на основе DSP технологий, которая позволяет проверять работу алгоритмов метода, его помехоустойчивость, а также оценивать уменьшение случайной погрешности при его применении по экспериментальным данным с первичного преобразователя.
Практическую ценность имеют:
Метод уменьшения случайной погрешности магнитострикционных преобразователей положения на базе алгоритмов цифровой фильтрации сигнала первичного преобразователя.
Быстродействующие алгоритмы идентификации промахов и полезного сигнала.
Микропроцессорный преобразователь положения, реализующий метод уменьшения случайной погрешности магнитострикционных преобразователей положения на основе DSP технологий.
Точностные характеристики магнитострикционных преобразователей положения
Статические характеристики МПП определяются уравнением преобразования (1.1) и зависят от входного положения х, способа образования временного интервала (коэффициент чувствительности р) и типа ультразвуковых волн, скорости V определяемой (1.3) или (1.4). Однако, эта зависимость пригодна только для качественного анализа, так как полоса ее неопределенности, обусловленная неточностью задания значений Е и р по длине звукопровода составляет ±(з,24-ні0,61)%[107]. Следовательно, МПП относятся к индивидуально градуируемым изделиям. В этом ГОСТ 8.508-84 рекомендует задавать либо в табличной форме, либо в аналитической форме.
ГОСТ 8.508-84 при аналитическом описании статической характеристики по массиву экспериментальных данных, определенному в заданных точках диапазона преобразования, регламентирует порядок аппроксимирующего полинома не выше второго. Наиболее удобными для последующего использования в системе автоматического управления являются полиномы первого порядка — линейные модели статических характеристик первичных преобразователей. Физической сущности процессов в МПП соответствует линейная математическая модель статической характеристики вида [44, 57]: P(x) = a0+at -x (1.6)
В уравнении (1.6) коэффициент а0 имеет физический смысл аддитивной погрешности, обусловленной задержками сигнала в кабелях и электронных узлах, переходными процессами в зонах прямого и обратного магнитострикционного преобразования и т.п. В работах [54, 61, 64], где исследуются основные метрологические характеристики MI 111, в качестве причин возникновения статической погрешности преобразования указывается: 1) дисперсия скорости ультразвука в материале звукопровода Ml ill; 2) затухание ультразвуковой волны при распространении ее между входным и выходным электроакустическими преобразователями; 3) нестабильность волнового сопротивления звукопровода по его длине.
Первые два явления приводят к изменению формы и величины сигнала считывания МТШ на входе схемы фиксации временного положения этого сигнала и, как следствие, возникновению погрешности фиксации.
Нестабильность волнового сопротивления обуславливается рядом причин, в частности, наличием в материале звукопровода внутренних механических напряжений, неоднородностью материала и т.п. факторами, и, что наиболее существенно, имеет случайный характер. Поскольку значение скорости ультразвука в точке с координатой х определяет угол наклона статической характеристики МПП в данной точке, именно флуктуация величины скорости формирует поведение функции статической погрешности. На рис. 1.3. приведены графики распределения неоднородности волнового сопротивления по его длине для различных материалов.
Таким образом, каждый конкретный экземпляр МПП обладает статической погрешностью, закон распределения которой индивидуален и задан распределением неоднородности волнового сопротивления звукопровода, применяемого в данном МПП. Составляющие статической погрешности, обусловленные дисперсией скорости ультразвука и затуханием ультразвука при его распространении по звукопроводу МПП, могут быть рассчитаны теоретически, и поэтому легко скорректированы либо оптимальным проектированием параметров МПП, либо выбором схемы усиления и формирования импульса считывания, либо интеллектуальными алгоритмическими методами (например, с использованием в составе МПП микропроцессорных контроллеров и записью констант поправок в ПЗУ).
На основе изучения состава инструментальной погрешности цифровых МПП, проведенного в [17, 53] можно заключить, что механизм возникновения этой погрешности согласно центральной предельной теореме теории вероятностей создает условия для нормального распределения вероятностей ее значений. Экспериментальные исследования, проведенные и описанные [49], подтверждают гипотезу о нормальном законе распределения случайной составляющей погрешности МПП при различных методах формирования временных интервалов в различных конструкциях МПП.
Это, в частности, обусловлено тем, что влияние на случайную погрешность изменения амплитуды сигнала считывания, обусловленного затуханием ультразвука, неоднородностями звукопровода, непрямолинейностью объекта позиционирования, влиянием температуры и растягивающих напряжений, исключается применением типовой конструкции усилителя считывания с выделением экстремума сигнала считывания.
Поэтому в качестве оценки случайной составляющей погрешности МПП непосредственного преобразования принимается СКО.
Для оценки случайной погрешности логометрических МПП необходимо искать композицию законов распределения погрешности.
Определение составляющих случайной погрешности измерительного тракта и причин их возникновения
Нетрудно видеть, что случайная погрешность преобразователя любого типа будет однозначно связана со случайной погрешностью рассмотренного в п. 2.1.1. преобразования.
Случайная погрешность измерительного тракта складывается из следующих составляющих:
1. Случайная погрешность, обусловленная собственными шумами операционных усилителей электронных узлов, случайными разбросами задержек цифровых микросхем, нестабильностью параметров дискретных элементов и напряжения питания.
2. Случайная погрешность, вызванная флуктуациями ориентации магнитных моментов доменов структуры магнитострикционного материала звукопровода.
3. Электромагнитные наводки на катушку считывания и вход усилителя считывания в результате воздействия внешних переменных электромагнитных полей.
4. Погрешность квантования аналого-цифрового преобразования.
Основным источником первой составляющей случайной погрешности является блок формирователя измерительного интервала. Это объясняется тем, что блоки усилителя считывания и формирователя импульса тока записи имеют простые структуры и малое количество элементов в своем составе (однокаскадная схема усиления по напряжению в первом и импульсный ключ во втором), в отличие от формирователя измерительного интервала, который содержит многокаскадные схемы детектирования сигнала и так же его дальнейшего усиления для формирования фронта, устанавливающего выходной триггер. К тому же, ввиду того, что наименьшей случайной погрешностью обладают МПП в которых второй фронт формируется по главному экстремуму сигнала считывания (см. п. 1.3.5.), формирователь измерительного интервала в своем составе имеет дифференциатор, на вход которого подается сигнал с выделенным главным экстремумом (в нашем случае - минимумом, два других обычно режектируются).
Для оценки составляющих случайной погрешности был разработан и реализован экспериментальный комплекс для исследования измерительного тракта и сигнала с усилителя считывания. Структурно-функциональная схема экспериментального комплекса представлена на рис. 2.2:
В составе комплекса можно выделить, следующие функциональные блоки: ПП — первичный преобразователь; ФИТЗ - формирователь импульса тока записи; ФИИ - формирователь измерительного интервала; 17 - цифровой осциллограф серии Fluke 199; 19 - блок аналого-цифрового преобразователя время-код; 20 - персональная ЭВМ.
Экспериментальный комплекс функционирует следующим образом: Одновибратор 10, запускаемый, либо от кнопки 9, либо мультивибратором 8, имеющим частоту следования импульсов fH3M, формирует цифровой импульс. Схема одновибратора построена так, что имеется возможность регулировать длительность формируемого импульса. Данный импульс через гальваническую развязку 7 поступает на мощный ключ 6, имеющий в своем составе регулируемый источник напряжения, который подает в звукопровод 1 импульс напряжения. Применение в схеме ключа 6 мощного МДП-транзистора (MOSFET фирмы International Rectifier) позволяет формировать практически прямоугольный импульс в широком диапазоне напряжений (фронты 12-20 не при напряжении 3-150 В). Таким образом, учитывая постоянное омическое сопротивление звукопровода 1, данная схема формирует регулируемый по длительности и амплитуде импульс тока в звукопроводе 1. Кроме того, импульс тока записи фиксируется цифровым осциллографом 17. Одновременно, сформированный одновибратором 10 импульс устанавливает выходной триггер 18 формирователя измерительного интервала и запускает блок задержки 15, который запрещает сброс триггера 18, для избежания срабатывания схемы считывания по импульсу электромагнитной наводки (рис. 2.1. канал А слева). Первичный преобразователь ПП содержит звукопровод 1 длиной 1,5 метра, демпферы 2, постоянный магнит 3, связанный с объектом позиционирования, катушку считывания 4 и устройство регулируемого натяжения 5, Первичный преобразователь работает по принципу описанному в п. 1.1.
Сигнал считывания, наведенный в катушке считывания 4, поступает на широкополосный линейный предварительный усилитель II, где усиливается до рабочей амплитуды, этот сигнал фиксируется вторым каналом осциллографа 17 (рис. 2.1. канал А справа), В режекторе 12 выделяется часть сигнала считывания с главным экстремумом сигнала. Далее происходит аналоговое дифференцирование сигнала в дифференциаторе 13. Сигнал усиливается и приводится к цифровому виду в усилителе-формирователе 14 и посредством цифрового ключа "И" 16, который включается с задержкой после импульса тока записи, сбрасывает выходной триггер 18. Таким образом, на выходе триггера 18 формируется цифровой инвертированный импульс, ширина которого определяется временем от подачи импульса тока записи до прихода главного экстремума сигнала считывания, то есть временем прохождения ультразвуковой волны от постоянного магнита 3 до катушки считывания 4.
Аналого-цифровой преобразователь 19, устроенный по принципу последовательного счета импульсов следующих с частотой дискретизации, преобразует сформированный временной интервал в код. Предусмотрена возможность изменения частоты дискретизации. Полученный код передается по протоколу ЕРР в персональный компьютер 20.
Цифровой осциллограф 17 по протоколу RS232 импортирует осциллограммы в персональный компьютер 20, который обрабатывает их посредством специализированного программного обеспечения FlukeView ScopeMeter v.3.0.
Структурная схема измерительного тракта
Принципы формирования импульса тока записи и первичного преобразования остаются аналогично схеме на рис. 2.1а п. 2.1.1. Принцип получения информации отличается тем, что АЦП непрерывно цифрует усиленный ПУ и отфильтрованный антиэлайсинговым ФНЧ сигнал с первичного преобразователя и передает данные в DSP микропроцессор [122, 124], который согласно алгоритму своей программы производит обработку поступивших данных.
Основными элементами данной схемы, определяющими точность и быстродействие преобразования положения, будут DSP микропроцессор и быстродействующий АЦП.
Наиболее важными параметрами, определяющими точность преобразования положения, являются точность оцифровки отдельных отсчетов и ее частота. Это напрямую определяет требования, выдвигаемые к быстродействующему АЦП. Требования к DSP микропроцессору, помимо этого, определят программные алгоритмы обработки данных, которые будут рассмотрены ниже.
Шаг дискретизации сигнала с первичного преобразователя в первую очередь определяет точность вычисления коэффициентов конечного ряда Фурье и количество гармоник [35, 79]. Максимально различимая частота в спектре сигнала при этом: 2.г (3.1)
Таким образом, шаг дискретизации должен быть не больше половины периода возможных помех, способных повлиять на результат преобразования положения. Наряду с применением антиэлайсингового фильтра шаг дискретизации определяет его частоту среза.
При уменьшении шага дискретизации точность восстановления сигнала по стабильным гармоникам возрастает. На рис. 3.3. представлена зависимость дисперсии измеряемой величины от шага дискретизации.
Анализ зависимости показывает, что при уменьшении шага дискретизации точность преобразования положения увеличивается до определенного предела, который обусловлен малыми дисперсиями полезного сигнала. Таким образом, минимальная величина шага дискретизации ограничивается, во-первых, вычислительной емкостью, которая с ним связана, а во-вторых, случайной погрешностью самого полезного сигнала.
Влияние разрядности АЦП на результат преобразования положения оценить аналитически практически не представляется возможным ввиду сложности преобразования над результатами оцифровки. Однако очевидно, что разрядность АЦП должна обеспечивать достаточное разрешение между стабильными гармониками. Экспериментально установлено, что применение 10-разрядного АЦП (что составляет погрешность оцифровки ±5 мВ при опорном напряжении 5 В) вполне удовлетворительно позволяет получать требуемый результат при восстановлении функции.
DSP микропроцессоры или просто DSP (Digital Signal Processor) выделяются в отдельный класс микропроцессоров, ориентированных на цифровую обработку сигналов [124].
Пионером в разработке DSP считается компания Texas Instruments, которая в 1982 году приступила к серийному производству микросхем TMS320C10, установив де-факто новый промышленный стандарт DSP. Основными отличительными чертами данного класса микропроцессоров являются: способность выполнять операцию умножения с накоплением суммы, часто называемую МАС (от Multiply-Accumulate), за один цикл (single instruction cycle); способность совершать несколько обращений к памяти за один цикл; генерация адресов регистров параллельно с выполнением арифметических операций. Перечисленные особенности располагают использование, в отличие от процессоров общего назначения GPP (General Purpose Processor), гарвардской архитектуры, согласно которой программы и данные хранятся в раздельных запоминающих устройствах, и процессор может одновременно обращаться к двум банкам памяти через две различные шины. Следует отметить, что большинство современных GPP способно производить те же объемы вычислений, однако при этом цена и тактовая частота их намного выше, чем у специализированных DSP. Современные DSP выполняют операцию умножения с накоплением суммы менее чем за 5 не. На рис. 3.4. приведена диаграмма эволюции вычислительной скорости DSP.
Структурная схема микропроцессорного магнитострикционного преобразователя положения
1. Разработана конструкция Ml 111, позволяющая реализовать метод уменьшения случайной погрешности на основе DSP технологий.
Предложено использование гибридного DSP микропроцессора, объединяющего на одном кристалле DSP ядро и набор различных управляемых им периферийных устройств, в том числе и быстродействующий АЦП.
Разработана имитационная модель устройства, реализующая алгоритмы метода уменьшения случайной погрешности на основе DSP технологий. Модель способна обрабатывать как искусственно генерированные сигналы, так и экспериментальные данные сигнала считывания. Проведен анализ эффективности алгоритмов метода. Показано, что имитационная модель невосприимчива к шумам и импульсным помехам. Алгоритм идентификации полезного сигнала выделяет адекватное временное окно, содержащее требуемый сигнал считывания.
Проведен сравнительный анализ результатов экспериментальных преобразований, выделение экстремума в которых осуществлялось аналоговыми методами, и результатов преобразований разработанных алгоритмов, реализованных в имитационной модели. Уменьшение случайной погрешности составило 90%.
Задержка преобразования, которая обуславливает основные динамические характеристики устройства, составляет 1797 мкс. При этом время, обусловленное пробегом ультразвуковой волны по 5-й метровому, составляет 1667 мкс, а время обработки сигнала считывания микропроцессором 130 мкс.
Итогом диссертационной работы является разработанный метод уменьшения случайной погрешности магнитострикционных преобразователей положения на основе DSP технологий, в котором уменьшение случайной погрешности достигается восстановлением сигнала с первичного преобразователя по его стабильным гармоническим компонентам, а при идентификации сигнала считывания используются его спектральные свойства, что увеличивает помехоустойчивость преобразования. Предложена конструкция магнитострикционного преобразователя положения на базе DSP микропроцессора, применение которого позволяет реализовать разработанный метод.
Основные результаты и выводы работы состоят в следующем:
1. Рассмотрены существующие структурные, технологические и алгоритмические методы повышения точности МПП. Выявлено, что, в основном, эти методы ориентированы на уменьшение систематической и дополнительной составляющих погрешности. Установлено, что главными факторами, ограничивающими точность и надежность результата преобразования МПП, является их случайная погрешность и возможные промахи при преобразовании.
2. Разработан и реализован программно-аппаратный комплекс для экспериментальных исследований магнитострикционных преобразователей положения, программное обеспечение которого защищено свидетельством об официальной регистрации программы для ЭВМ.
3. Исследованы причины возникновения случайной погрешности магнитострикционных преобразователей положения. Выявлено, что основными причинами возникновения случайной погрешности цифровых МПП являются флуктуации магнитной ориентации доменов материала волновода и электромагнитные наводки, влияние которых обуславливают случайные колебания момента времени, соответствующего экстремуму сигнала на выходе усилителя считывания. Исследованы спектральные свойства сигнала первичного преобразователя, анализ результатов проведенных исследований показал наличие в его амплитудном и фазном спектре стабильных составляющих в области со 2-й по 7-ю гармоники, дисперсии амплитуд и фаз которых остаются минимальными как при изменении параметров преобразователя влияющих, на случайную погрешность, так при изменении диапазона преобразования.
