Введение к работе
Актуальность темы. На современном этапе развития устройств ввода аналоговой информации (УВАИ) в системах управления и контроля проблема улучшения метрологических характеристик является одной из основных. Энерговооружённость промышленных предприятий увеличивается примерно в 2 раза каждые 5 лет, для чего на производстве используются высокоэффективные импульсные преобразователи AC/DC, DC/DC, тиристорные регуляторы мощности и импульсные электроприводы. Соответственно, увеличивается количество источников помех и ухудшается электромагнитная обстановка. Широкое использование прецизионных УВАИ и энергоёмкого электрического оборудования выдвигает на первый план решение вопросов обеспечения их электромагнитной совместимости. Это касается построения помехоустойчивых УВАИ, которые могли бы обеспечить высокие метрологические характеристики в условиях воздействия мощных внешних электромагнитных полей. Совершенствование применяемых в промышленности методов измерения физических величин позволит повысить эффективность производства и качество выпускаемой продукции.
Можно отметить две основные области науки и техники, для которых важно повышение точности УВАИ в условиях индустриальных помех:
-
Промышленное производство, где важно поддержание медленных технологических процессов на заданном уровне с высокой точностью. Это касается производства высокотехнологичной продукции, полупроводниковых приборов, интегральных микросхем и т.д. Например, температура при изготовлении сапфирового стекла должна поддерживаться на уровне 2050±5 С (0,03 %).
-
Область физического эксперимента, где требуется проведение большого числа измерений в течение коротких промежутков времени (от сотен нс до десятков мкс). Это ввод информации в области ядерной физики, лазерной техники, ускорителей элементарных частиц, силовой электроники и т.д. Проводимые в этих областях опыты достаточно дорогостоящие и часто не могут быть повторены. Например, регистрация редких распадов каонов на ускорителем У-70 (3840 каналов, время измерения 5 мкс, 12 разрядов).
Для таких измерений требуется применять (12–16)-разрядные АЦП и уровень шумов и помех не должен превышать нескольких квантов, т.е. меньше 30–100 мкВ. Но реальный уровень шумов и помех всегда существенно выше (0,1–3 мВ). Таким образом, возникает определённое противоречие между требованиями по точности и достижимой точностью УВАИ.
Совершенствование элементной базы позволяет обеспечить точность измерений, которая ограничивается только погрешностью датчика, шумами и помехами в измерительной линии связи. Эффективным способом уменьшения влияния шумов и помех является использование алгоритмических методов их подавления. Однако применение алгоритмических методов требует наличия априорной информации об уровне помех, законах распределения амплитуд и длительностях помех. В литературе практически не представлены данные об уровне периодических и импульсных помех в линиях связи и на входах УВАИ систем управления и контроля технологических процессов на промышленных предприятиях, отсутствуют достоверные данные по законам распределения амплитуд и длительностей импульсных помех.
Актуальность проблемы, решаемой в диссертационной работе, определяется следующими обстоятельствами:
во-первых, необходимостью дальнейшего улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик прецизионных УВАИ, позволяющих получить точные и надёжные результаты измерений даже в очень сложной электромагнитной обстановке;
во-вторых, появлением современных микропроцессорных средств, предоставляющих возможность разработки и применения новых, более сложных и совершенных алгоритмов цифровой фильтрации, отличающихся улучшенными характеристиками;
в-третьих, необходимостью исследования механизма влияния импульсных помех на алгоритмы аналого-цифрового преобразования в УВАИ с целью минимизации влияния импульсных помех.
Задача построения помехоустойчивых УВАИ решается в условиях действия двух технически противоречивых тенденций. С одной стороны, это постоянно возрастающие требования практики к УВАИ, которые должны обладать все более низкими порогами чувствительности (десятки мкВ) при высоких требованиях к метрологическим характеристикам. С другой стороны совершенствование характеристик УВАИ сдерживается постоянным увеличением общего электромагнитного фона из-за роста энерговооружённости промышленных предприятий, транспорта и сферы бытовых услуг. В данном аспекте проблема помехоустойчивости УВАИ вот уже в течение последних 20–30 лет остаётся актуальной.
Вопросы по классификации помех, конструктивным методам построения помехоустойчивых УВАИ, простым алгоритмам обработки данных, обеспечивающие улучшение показателей помехоустойчивости, в целом нашли своё решение. Вместе с тем, имеется целый ряд задач, не нашедших убедительного решения из-за разнообразия требований, предъявляемых к УВАИ. К таким задачам, например, относится задача построения помехоустойчивых УВАИ и обработки полученных данных для быстрых физических экспериментов длительностью менее 100 мкс. Кроме того, нет оценок устойчивости основных алгоритмов аналого-цифрового преобразования к воздействию помех, нет сравнительного анализа алгоритмов нелинейной цифровой фильтрации и сглаживания помех.
Актуальность работы также подтверждается соответствием перечню критических технологий Российской Федерации (утверждённому Указом Президента РФ от 7 июля 2011 года № 899), а именно «Технологии информационных, управляющих, навигационных систем».
На основании вышеизложенного тема исследования является актуальной.
Степень разработанности темы диссертации. К настоящему времени в решении рассматриваемой проблемы достигнуты значительные практические и теоретические результаты. Большой вклад в развитие теории и практики построения помехоустойчивых УВАИ внесли коллективы отечественных учёных, руководимые в разное время: В.С. Гутниковым, Л.Ф. Куликовским, В.Н. Малиновским, П.В. Новицким, М.П. Цапенко, А.П. Стаховым, Б.Я. Швецким, Г.П. Шлыковым, В.М. Шляндиным, Л.Г. Журавиным, Э.И. Цветковым, John R. Barnes, Henry W. Ott, E. Habiger, T. Williams, K. Armstrong и др.
Объект исследования – промышленные УВАИ, измерительные системы для проведения научных исследований, цифровые измерительные приборы.
Предмет исследования – методы повышения точности измерений физических величин в условиях сложной электромагнитной обстановки.
Цель работы – улучшение метрологических и динамических характеристик канала УВАИ в условиях сложной электромагнитной обстановки путём анализа источников помех, функций влияния на составные части УВАИ, помехоустойчивости структур АЦП и применения специальных статистических методов обработки результатов измерений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выработать практические рекомендации по распределению погрешностей УВАИ с целью повышения их метрологических характеристик.
2. Оценить влияние электромагнитной обстановки на уровень помех по шинам заземления,
в измерительных кабелях и на входах АЦП, описать законы распределения помех и разработать
обобщённую модель помехи.
-
Оценить эффективность конструктивных методов уменьшения влияния помех (рациональная кабельная проводка, токовая передача сигналов 4–20 мА, гальваническая развязка, аналоговая фильтрация).
-
Оценить устойчивость основных алгоритмов аналого-цифрового преобразования к воздействию импульсных помех.
-
Провести сравнительный анализ алгоритмов нелинейной цифровой фильтрации и сглаживания помех и обосновать выбор оптимального алгоритма фильтрации.
Методы исследования
Основой для анализа и синтеза методов и алгоритмов являются теория вероятностей и теория случайных процессов, метрологический и статистический анализ, имитационное моделирование с использованием современных программных продуктов NI LabVIEW, NI Multisim, STATIS-TICA.
Научная новизна заключается в определении законов распределения амплитуд помех нормального и общего вида и синтезе обобщённой модели помехи на входах аналого-цифрового преобразователей; оценке помехоустойчивости наиболее распространённых алгоритмов аналого-цифрового преобразования; оценке помехоустойчивости алгоритмов обработки результатов многократных наблюдений в условиях воздействий индустриальных помех.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований на модельных и реальных сигналах и полученными сравнительными оценками эффективности предложенных алгоритмов. Экспериментальные исследования проводились с использованием поверенных современных измерительных приборов: осциллографов от Tektronix, GW Instek, Fluke, вольтметра АКИП, и модульной измерительной системы NI PXI (осциллографы, вольтметры, АЦП). Наибольшая полоса пропускания 200 МГц, наименьшая разрешающая способность 1,3 мкВ. Экспериментальные исследования были проведены по специально разработанным и утверждённым методикам.
Практическую ценность представляют следующие полученные результаты: модель помехи на входах аналого-цифровых преобразователях; методы и алгоритмы обработки зашумлённых сигналов для АЦП поразрядного кодирования; методы, алгоритмы и структуры адаптивных АЦП, решающих задачу оптимального измерения при воздействии случайных помех и используемых в УВАИ. Указанные результаты внедрены в разработках НКБ «МИУС» ЮФУ для ПАО «РКК Энергия» и ПАО «Гранит».
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Оптимальное распределение погрешностей при построении УВАИ;
-
Оценка законов распределения амплитуд импульсных помех по шинам заземления и на входах аналого-цифровых преобразователей, формирование модели помехи;
-
Сравнительная оценка эффективности алгоритмов аналого-цифрового преобразования к воздействию импульсных помех;
4. Разработка оптимальных алгоритмов обработки сильно зашумлённых сигналов для си
стем промышленной автоматизации и физического эксперимента.
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные её результаты обсуждались и получили положительные отзывы на 5-и конференциях: XII международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП 2016 (Саратов, 2016); XIII международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП 2016 (Новосибирск, НГТУ, 2016); XIV международная
конференция Инженерные и научные приложения на базе технологий NI NIDays – 2015 (Москва); всероссийская научно-техническая конференция молодых учёных, аспирантов и студентов конференции «Интеллектуальные системы, управление и мехатроника – 2016» (Севастополь, СевГУ, 2016); ХII всероссийская конференция молодых учёных аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление» ИТСАиУ-2014 (Ростов-на-Дону, ЮФУ, 2014).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание учёных степеней доктора и кандидата наук, 10 работ в других изданиях, 1 патент и 1 монография.
Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 144 страницах, включая 52 таблиц и 66 иллюстраций. Список использованной литературы включает 122 наименований. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и 4 приложений.