Главная » 2014 » Сентябрь » 27 » Скачать Структурно-алгоритмические методы синтеза средств инвариантного измерения параметров электрических цепей. Свистунов, Борис бесплатно
5:47 AM
Скачать Структурно-алгоритмические методы синтеза средств инвариантного измерения параметров электрических цепей. Свистунов, Борис бесплатно
Структурно-алгоритмические методы синтеза средств инвариантного измерения параметров электрических цепей
Диссертация
Автор: Свистунов, Борис Львович
Название: Структурно-алгоритмические методы синтеза средств инвариантного измерения параметров электрических цепей
Справка: Свистунов, Борис Львович. Структурно-алгоритмические методы синтеза средств инвариантного измерения параметров электрических цепей : диссертация доктора технических наук : 05.11.01 Пенза, 2004 360 c. : 71 04-5/393
Объем: 360 стр.
Информация: Пенза, 2004
Содержание:
Структурно-алгоритмические методы синтеза средств инвариантного измерения параметров электрических цепей
Глава 1 Постановка задачи синтеза структур и алгоритмов инвариантных средств измерения (ИСИ) параметров электрических цепей (ЭЦ)
11 Общие вопросы синтеза ИСИ ЭЦ
12 Описание состояния и поведения ЭЦ как объекта измерительного эксперимента
13 ЭЦ как объект измерительного эксперимента с позиции теории систем
14 Управляемость и наблюдаемость ЭЦ в составе комплекса ЭЦ -измерительная схема
15 Выработка стратегии измерительного эксперимента — синтез метода измерения Выводы по главе
Глава 2 Анализ методов обеспечения инвариантности применительно к задаче синтеза ИСИ параметров ЭЦ
21 Общие положения
22 Постановка базовой задачи обеспечения инвариантности
23 Классификация методов обеспечения инвариантности в ИСИ параметров ЭЦ Выводы по главе
Глава 3 Синтез ИСИ параметров ЭЦ со структурно-алгоритмической избыточностью
31 Общие положения
32 Адаптивные ИСИ с физической моделью ЭЦ
33 Адаптивные ИСИ с математической моделью ЭЦ
34 ИСИ с промежуточным преобразованием в частотно-временной сигнал Выводы по главе
Глава4Числовые измерительные преобразователи для ИСИ параметров ЭЦ
41 Общие положения
42Алгоритмические аспекты разработки числовых измерительных преобразователей
43 Разработка алгоритма автоматического формирования ХИ
44 Выбор числа и вида характеристик иммитанса Выводы по главе
Глава 5 Анализ погрешностей ИСИ и разработка путей их снижения
51 Общие вопросы анализа погрешностей ИСИ со структурно-алгоритмической избыточностью
52 Характеристика требований к совокупности промежуточных величин
53 Интервальная оценка погрешностей измерения параметров ЭЦ
54 Вероятностная оценка погрешностей измерения параметров ЭЦ
55 Организация избыточности в ИСИ параметров ЭЦ как способ снижения погрешности измерения Выводы по главе
Введение:
Состояние проблемы. Развитие методов и совершенствование средств измерений и контроля является одним из мощных рычагов повышения эффективности производства и качества продукции.Сложность современного производства, технологических процессов, а также собственно промышленных изделий и разнообразных природных объектов подразумевает необходимость измерения и контроля их многочисленных параметров и характеристик различной физической природы. Осуществление многопараметрового мониторинга окружающей среды, природных процессов, нарастающее усложнение задач исследования биологических объектов еще более актуализирует развитие измерительной техники, диктует необходимость совершенствования технических и эксплуатационных характеристик измерительных устройств и систем, обеспечения их новых функциональных возможностей. Можно смело сказать, что создание и совершенствование информационноизмерительных систем есть важнейшее направление, решительным образом определяющее прогресс как естественных и технических наук, так и промышленного производства.Усложнение современных измерительных задач тесно связано с выраженным стремлением максимально полно и всесторонне описать исследуемый объект или процесс через параметры его модели.Естественно, что попытки создания все более адекватных (а, следовательно, более сложных) физических и математических моделей реальных объектов исследования с неизбежностью приводят к необходимости рассмотрения последних как многомерных, многокомпонентных объектов.При этом в общем случае все параметры модели объекта исследования (ОИ) являются информативными, т.к. несут информацию о тех или иных его свойствах. Отсюда неизбежно возникает задача раздельного, независимого измерения каждого из параметров ОИ. Вместе с тем в конкретных случаях некоторые параметры могут считаться неинформативными, не подлежащими определению в данном опыте, и рассматриваться как мешающие факторы, влияние которых должно быть устранено или снижено до приемлемого по заданным критериям уровня. В этом смысле задача синтеза средств измерений (СИ) сходна с задачей подавления влияния на результат измерения внешних возмущений, обусловленных, например, состоянием окружающей среды в зоне расположения объекта измерения и датчиков.Наконец, изменение в процессе измерения параметров и характеристик собственно СИ, включая параметры линий, связывающих его с ОИ, приводит к отклонению уравнения измерения от заданного вида и может поэтому рассматриваться также как влияющий фактор.Во всех рассмотренных случаях задача осложняется тем, что для возмущающих воздействий (какова бы не была их природа), как правило, априори неизвестны законы изменения и даже статистические характеристики.Традиционные решения измерительных задач рассмотренного плана основаны на использовании классической концепции измерений, которая предусматривает реализацию отображения каждой характеристики, параметра объекта в число с использованием отдельного преобразователя, обладающего свойствами селективности по данному параметру [1].Такой подход возможен и иногда эффективен при измерениях некоррелированных параметров различной физической природы, характеризующихся неперекрывающимися спектральными диапазонами, однако неперспективен и, зачастую, просто непригоден для использования в информационно - измерительных системах, ориентированных на исследование сложных многомерных объектов и процессов. Такие измерительные задачи относятся к классу интеллектуальных.Измерительная задача по определению [2] является интеллектуальной, если алгоритм ее решения априори неизвестен, а значит, нахождение решения невозможно без привлечения интеллектуальных действий.В измерительной технике необходимость в интеллектуализации в большинстве случаев возникает при переходе от скалярных измерений к векторным. При этом типовой является ситуация, когда один или несколько компонентов вектора параметров ОИ являются информативными, подлежащими измерению (преобразованию) и/или обработке в соответствии с поставленной «основной» измерительной задачей, а остальные компоненты несут информацию, описывающую сопутствующую ситуацию и их отношения с информационными компонентами — параметрами. Так, например, при измерении параметров многомерных ОИ, как правило, основной задачей является измерение заданных информационных компонентов л-^ , а дополнительная (интеллектуальная) задача состоит в обеспечении взаимной инвариантности (автономности) результатов измерения.Поскольку постановки основной и сопутствующих измерительных задач принципиально различны, расширение интеллектуальных возможностей (введение интеллектуальной обработки заданных компонентов вектора — логической, функциональной, сервисной, ранговой, ситуационной и др.) всегда связано с дополнительными затратами аппаратурных и/или програмно-временных ресурсов.Для измерительных задач рассмотренного уровня более приемлема современная концепция измерений, предусматривающая использование для одновременного отображения многих характеристик ОИ общего СИ с тесно связанными и многофункциональными воспринимающими элементами (сенсорами, датчиками) [3]. Возможности реализации последних при этом подходе уже не ограничены жесткими требованиями формирования на их выходах величин, зависящих только от одной из характеристик исследуемого объекта [4]. Важное достоинство новой концепции состоит в том, что трудности реализации СИ могут быть перенесены с аппаратной части, где они зачастую неразрешимы вовсе, на программную [4,5].Измерительная информация по каждой характеристике исследуемого ОИ для такого типа СИ получается, как правило, с использованием компьютерных технологий. Процедуру получения информации при этом часто называют «цифровой обработкой информации». Данный термин вряд ли отражает складывающиеся тенденции в области теоретических аспектов измерительных информационных технологий. Дело в том, что обобщающую информацию о значениях искомых характеристик несут не цифры, а число, так что представляется более плодотворной концепция числовых измерительных преобразований [6,7].Алгоритмы преобразований данного класса синтезируются на базе математических моделей, описывающих процессы сигналообразования, преобразования и обработки измерительной информации. Можно считать, что если искомое значение измеряемой величины получено в виде числового эквивалента, то процедуры его получения, в том числе и в средствах вычислительной техники, должны иметь статус измерительных.Это обстоятельство, в частности, требует серьезных теоретических разработок в области критериев соответствия средств обеспечения числовых измерительных преобразований понятию «средство измерений».Таким образом, можно утверждать, что современное направление развития измерительной техники является структурно-алгоритмическим.Одновременно совершенствование дискретных методов и средств обработки информации обусловливает развитие СИ по пути сокращения аналоговой части в структуре последних за счет перехода к числовой форме представления информации. Изменяются и требования к измерительным преобразователям в аналоговой части СИ. Отмеченное в [8] противоречие в развитии дискретных методов в принципиально аналоговой среде объектов физической природы стимулирует с одной стороны дальнейшее развитие специальных методов, а с другой осмысление степени отображения в технике дискретно-непрерывной двойственности физического мира [9]. Ведущееся сейчас автором рассмотрение соответствующих аспектов этой актуальной проблемы, безусловно, выходит за рамки настоящей работы.В числе ОИ видное место занимают пассивные электрические цепи (ЭЦ). ЭЦ представляют собой обширный класс непрерывных систем, достаточно удобный для изучения в силу того, что математический аппарат их анализа и синтеза весьма глубоко разработан. Однако непрерывный рост сложности ЭЦ и повышение ответственности измерительных экспериментов (ИЭ), включающих ЭЦ как ОИ, ставят перед теорией и практикой измерений качественно новые задачи. Перечень задач, при решении которых возникает необходимость получения информации о параметрах ЭЦ, - активном сопротивлении, емкости, индуктивности и взаимоиндуктивности, а также постоянной времени, добротности и др. — чрезвычайно широк и включает измерение параметров эквивалентных схем электрорадиоэлементов - резисторов, конденсаторов, моточных изделий, измерение выходных величин параметрических датчиков, определение свойств и характеристик материалов и процессов в электрохимии, биологии, геофизике, когда объект исследования представляется в виде ЭЦ и др. Ряд примеров применения, наиболее, по мнению автора, характерных и отражающих специфику задач данного круга, описан в [11-47]. Конечно, эти примеры далеко не исчерпывают перечень применений.Подчеркнем, что одним из важнейших аспектов задачи получения информации о параметрах ЭЦ является осуществление раздельного независимого измерения каждого из параметров ЭЦ. В частном случае необходимо обеспечить независимость результата измерения одного из параметров от остальных, не подлежащих измерению в данном опыте (последние условно можно считать неинформативными, по меньшей мере - в данном измерительном эксперименте).Разработка указанной проблемы неразрывно связана с развитием техники измерений параметров ЭЦ и имеет обширную историю.Значительный вклад в теорию и практику раздельного получения информации о параметрах ЭЦ внесли работы научных коллективов, руководимых Т.М. Алиевым, Э.М. Бромбергом, Л.И. Волгиным, Ф.Б. Гриневичем, К.Б. Карандеевым, В.Ю. Кнеллером, Л.Ф. и К.Л. Куликовскими, Б.Я. Лихтциндером, А.И. Мартяшиным, A.M. Мелик Шахназаровым, Э.К. Шаховым, Ю.А. Скрипником, В.М. Шляндиным, Г.А. Штамбергером и другими.Разработанные в этой области принципы построения СИ параметров ЭЦ с подбором воздействия на исследуемую цепь, с физической компенсацией влияния неинформативных параметров, с временным выделением информации и др. (ссылки на соответствующие работы даны ниже в тексте диссертации) позволили создать СИ, характеризующиеся широтой диапазонов измерения информативного параметра, достаточно высокой степенью инвариантности к неинформативным параметрам, относительно высокими точностными характеристиками. В то же время, как показали исследования и опыт практического использования этих СИ, достигнутые характеристики являются в ряде случаев предельными, т.к. принципиально ограничиваются используемыми способами обеспечения раздельного отсчета по каждому параметру ЭЦ. Это обстоятельство обусловило необходимость поиска новых путей построения СИ параметров ЭЦ, превосходящих известные по совокупности метрологических и эксплуатационных характеристик.Прогресс в данной области измерительной техники в настоящее время связан прежде всего с поиском новых и соверщенствованием существующих методов и средств измерений, синтезом оптимальных структур и алгоритмов функционирования последних [48-51]. При этом целесообразным является использование достижений смежных областей науки, техники и технологий.Одно из весьма перспективных направлений поиска путей развития измерительной техники, в частности, соверщенствования СИ параметров ЭЦ, состоит в их рассмотрении как управляемых динамических систем (УДС) и, соответственно, в применении концептуального и математического аппарата технической кибернетики и теории систем для синтеза и анализа подобных СИ. Рассматривая исследуемую ЭЦ как многопараметровый пассивный объект, можно представить его реакцию на опорное (возбуждающее) электрическое воздействие в общем случае в виде сложного электрического сигнала. Выделив в последнем составляющую (составляющие), определяемую параметром ЭЦ, измеряемым в данном ИЭ, можно считать другие составляющие сигнала влияющими факторами (возмущениями). С другой стороны, компенсация возмущений есть специфическая задача, успешно решаемая в теории автоматического управления и конкретно — в теории инвариантности УДС. Основные положения этой теории были сформулированы в трудах выдающихся отечественных ученых: академиков Н.Н.Лузина, Б.Н.Петрова, В.С.Кулебакина, академика АН УССР А.И.Кухтенко, проф.Г.В.Щипанова, проф. Г.М.Уланова и др. Под инвариантностью (в УДС) понимается достижение полной или частичной независимости координат управляемой системы (т.е. ее поведения и соответствующих выходных параметров) от действующих на нее возмущений [52-63].Вопросам применения положений теории инвариантности для построения СИ уделяется значительное внимание особенно в последнее время. В литературе накопилось достаточное количество примеров анализа и синтеза инвариантных СИ. Авторы многих работ, даже зачастую не употребляя термина «инвариантность», прямо или косвенно рассматривают вопросы использования идей теории инвариантности в той или иной области измерительной техники [64-97].Понимание сходства задачи раздельного измерения параметров сложных многопараметровых объектов в рассматриваемой области измерительной техники и обеспечения инвариантности в УДС послужило в семидесятые годы XV в. толчком для разработки СИ параметров ЭЦ, получивших позднее название «инвариантные» [98-109]. Инвариантность в этих приложениях понимается в смысле независимости результата измерения от неинформативных (не измеряемых в данном опыте) параметров исследуемой ЭЦ безотносительно к способу ее обеспечения.Уже первые попытки применения идей теории инвариантности для построения измерительных устройств и систем подтвердили перспективность данного направления развития измерительной техники.Пионерская роль в области применения положений теории инвариантности к измерению параметров ЭЦ принадлежит пензенской школе ученых - измерителей (В.М.Шляндин, А.И.Мартяшин, Э.К.Шахов, Е.П.Осадчий). На данном направлении уже более тридцати лет при непосредственном участии автора проводятся исследования и ведутся разработки соответствующих СИ. Основные результаты этих исследований, полученные к настоящему времени, изложены, например, в таких работах как [110-118]. Создана гамма оригинальных измерительных приборов и преобразователей, а также контрольноизмерительных систем различного назначения на их основе.Вместе с тем, сложность проблемы обеспечения инвариантности в измерительной технике в целом, многочисленность и разнообразие частных теоретических и практических задач, связанных с разработкой, исследованием и практическим применением инвариантных СИ (ИСИ) параметров ЭЦ, оставляют для исследования обширное поле деятельности, прежде всего в наиболее перспективном направлении поиска и развития структурно-алгоритмических методов совершенствования СИ. Для реализащ1и поставленных целей на основе накопленного опыта оказалось необходимым обратиться к разработке обобщенного подхода к проблеме обеспечения инвариантности в технике измерения параметров ЭЦ прежде всего с целью поиска перспективных путей построения СИ, базирующихся на фундаментальных положениях теории УДС, теории инвариантности, с одной стороны, и на современных достижениях в области измерительной техники и информационных технологий - с другой. Существуют также некоторые научно-технические проблемы, в частности - вопросы анализа методических погрешностей ИСИ со структурной и алгоритмической избыточностью, вопросы датировки отсчетов и динамических погрешностей при временном разделении каналов, а также ряд других, непосредственно связанных с инвариантным измерением параметров ЭЦ, которые не нашли к настоящему времени освещения в литературе или рассмотрены фрагментарно.Анализу результатов исследований в данной области измерительной техники, обобщению накопленного опыта, а также разработке, теоретическому и экспериментальному исследованию новых методов и средств инвариантного измерения параметров ЭЦ посвящена настоящая работа. Она обобщает тридцатилетний опыт научной и практической деятельности автора в этом направлении. Разработанные способы измерения и реализующие их СИ рассматриваются, как правило, применительно к измерению параметров двухполюсных двухэлементных ЭЦ. Последние представляют весьма обширный и практически наиболее значимый класс ЭЦ, т.к. именно в виде двухэлементных ЭЦ с достаточной для практики точностью представляются эквивалентные схемы реальных электрорадиоэлементов, а также схемы замещения выходных цепей параметрических датчиков. В то же время основные положения и выводы, полученные при разработке ИСИ параметров двухэлементных ЭЦ, как показывает практика, могут быть с успехом распространены и на более сложные случаи многоэлементных и многополюсных ЭЦ. Обоснования для проведения работы. Работа выполнялась в ходе реализации планов хоздоговорных и госбюджетных НИР Пензенского государственного университета (до 1993г. Пензенского политехнического института) в соответствии со следующими координационными планами и комплексными целевыми программами: - координационные планы научно-исследовательских работ АН СССР по проблеме «Измерительные процессы и системы» (шифр 1.12.15) на 1976-1980Г.Г.; (шифр 1.13.1)-на 1981-1985 г.г.; (шифр 1.12.8)-на 1986-1990Г.Г.; - целевая комплексная научно-техническая программа ГКНТ СССР О.Ц. 027 «Создание и развитие автоматизированных систем научных исследований и систем автоматизированного проектирования с применением стандартной аппаратуры КАМАК и измерительновычислительных комплексов» на 1986-1990г.г.; - общегосударственная программа создания и производства приборов и средств автоматизации для научных исследований на 1986-1995г.г. (программа 23 (шифр 23.18.И и 23.58.И) «Средства автоматизации для научных исследований и программного обеспечения»); - планы госбюджетных НИР ППИ - ПГТУ - ПГУ на 1995 - 2000 и 2000 - 2005 г.г.Актуальность проблемы. В числе ОИ видное место занимают пассивные электрические цепи (ЭЦ), информацию о значении параметров которых необходимо получать в самых различных областях науки и техники, при исследовании весьма обширного круга объектов, допускающих представление электрическими схемами замещения.ЭЦ как ОИ может быть охарактеризован 2 как обобщенными параметрами (добротность, постоянная времени и др.), так и параметрами элементов (сопротивление, емкость, индуктивность, взаимоиндуктивность). Эти параметры могут быть стационарными и нестационарными, линейными и нелинейными, сосредоточенными и распределенными, что обусловливает исключительное разнообразие и специфику методов измерения и средств их реализующих.В то же время существует проблема, общая для любых схем замещения ЭЦ и измерительных экспериментов. Суть этой проблемы состоит в необходимости обеспечения раздельного независимого измерения в общем случае каждого из параметров ЭЦ или, что то же, обеспечения инвариантности результата измерения соответствующего параметра к значениям других, неинформативных или не подлежащих измерению в данном опыте параметров ЭЦ. Современное состояние исследований и разработок в области СИ параметров ЭЦ характеризуется глубиной и полнотой проработки многих теоретических и практических вопросов, а также значительными успехами в создании аналоговых и цифровых приборов, вторичных преобразователей к параметрическим датчикам и др. Определенную лепту в теорию и практику данного направления внесли и работы автора. Вместе с тем, в связи с непрерывным возрастанием требований практики к точности, быстродействию, функциональным возможностям СИ, остаются актуальными задачи улучшения технических характеристик контрольноизмерительной аппаратуры, что обусловливает необходимость поиска новых путей ее построения и совершенствования, который требует теоретического обобщения наработанных подходов, определения их возможностей и ограничений, перспектив практического приложения, а также направлений дальнейших исследований.Указанные причины определили выбор направления диссертационной работы и обусловили ее актуальность.Предмет исследований. Инвариантные средства измерений (ИСИ) параметров ЭЦ. Общие закономерности их построения и методы синтеза.Структурно-алгоритмические методы совершенствования ИСИ параметров ЭЦ. Приложение методов обеспечения инвариантности в УДС к синтезу ИСИ, возможности и ограничения использования канонических форм инвариантности для раздельного измерения параметров ЭЦ. Развитие и совершенствование структур и алгоритмов многоканальных ИСИ с пространственным и временным разделением каналов. Способы организации и специфика числовых ИСИ. Вопросы анализа методических погрешностей многоканальных ИСИ с определением искомых параметров ЭЦ путем вычислений по множеству промежуточных величин. Вопросы датировки отсчетов в ИСИ с временным разделением каналов.Определение перспектив развития ИСИ параметров ЭЦ. Цель исследований. Теоретическое обобщение и развитие методов построения ИСИ на основе положений теории инвариантности, разработка на этой основе способов и средств получения информации о параметрах ЭЦ, обеспечивающих инвариантность результатов измерения по каждому из параметров ЭЦ и обладающих совокупностью повышенных технических характеристик; теоретическое и экспериментальное исследование соответствующих измерительных средств, а именно: 1. Постановка и формализованное описание базовой задачи синтеза ИСИ как задачи обеспечения взаимной инвариантности результатов измерения параметров ЭЦ (раздельного независимого отсчета).2. Формулировка условий принципиальной разрешимости базовой задачи как обусловленности соответствующей матрицы ОИ - ЭЦ и разрешимости системы аппаратурно составляемых уравнений, являющихся уравнениями промежуточного преобразования в дополнительно организуемых в структуре ИСИ параллельных и/или последовательных каналах обработки.3. Выявление специфики реализации кононических форм инвариантности применительно к задачам раздельного измерения параметров ЭЦ, преимущественных областей их использования в этих задачах, условий и ограничений, накладываемых на их техническую реализацию.4. Теоретическое обоснование методов построения ИСИ на основе положений теории инвариантности; формулировка соответствующих условий инвариантности результатов измерения; 5. Анализ реализуемости условий инвариантности и степени достижения инвариантности посредством предложенных способов; 6. Синтез обобщенного подхода к проектированию ИСИ параметров ЭЦ на основе введения в ИСИ избыточности. Разработка алгоритмов реализации метода с введением избыточности - временной, пространственной, аппаратурной, программной.7. Синтез соответствующих базовых структур ИСИ — с последовательным и параллельным промежуточным преобразованием. Разработка способов измерения как вариантов базового алгоритма с различным формированием уравнений промежуточных преобразований: вариацией пассивных параметров (исследуемой ЭЦ и измерительной схемы в целом), активных параметров (воздействия на ЭЦ, опорных сигналов), вариацией частотно - временных параметров по входу и по выходу.8. Исследование вопросов построения основных специфических узлов ИСИ - измерительных схем, узлов анализа и управления.9. Разработка концепции алгоритмического и программного обеспечения числовых ИСИ на базе средств цифровой вычислительной техники.10.Развитие методов и методик оценки погрешностей многопараметровых ИСИ и влияние на этой основе перспективных направлений совершенствования методов и средств ИСИ.
11.Разработка и внедрение ИСИ параметров ЭЦ в составе автономных приборов и информационно-измерительных систем различного назначения.12. Внедрение результатов научных исследований в учебных процесс в виде соответствующих разделов лекционных курсов, курсового и дипломного проектирования, лабораторного практикума, учебных пособий, диссертационных работ.Методы исследований. Методологическую основу работы составили положения теории систем в целом и УДС в частности, теории сигналов, теории инвариантности, теории идентификации, теории информационно измерительных систем, а также методы математического анализа, вычислительной математики, организации натурных и компьютерных экспериментов и обработки экспериментальных данных, математического и имитационного моделирования.Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем: 1. Развиты и обоснованы с позиций теории инвариантности методы получения информации о параметрах ЭЦ; предложен обобщенный подход к проблеме обеспечения инвариантности на основе организации в СИ избыточности.2. Выделено в качестве перспективного структурно — алгоритмическое направление совершенствования методов и средств инвариантного измерения параметров ЭЦ.
3. Сформулированы и формализованы условия обеспечения инвариантности результатов измерения к неинформативным или не подлежащим измерению в данном опыте параметрам ЭЦ как обусловленности матрицы, описывающей ОИ-ЭЦ и разрешимости системы аппаратурно составляемых уравнений, являющихся уравнениями промежуточного преобразования в дополнительно организуемых в структуре ИСИ параллельных и/или последовательных каналах обработки.4. Предложена классификация методов обеспечения инвариантности при измерении параметров ЭЦ, основывающихся на способах организации в ИСИ структурной и алгоритмической избыточности.5. Разработаны и исследованы новые классы многоканальных ИСИ с параметрическим доопределением и с уравновешиванием по частоте, синтезированы реализующие их структуры измерительных устройств и преобразователей параметров ЭЦ.
6. Поставлена и решена задача описания процессов образования и анализа методических погрешностей для числовых ИСИ; разработана оригинальная методика анализа погрешностей с учетом трансформирования погрешностей преобразования «параметрсигнал» и погрешностей промежуточных преобразований.Выработаны рекомендации по выбору параметров каналов обработки, разработаны способы автоматической компенсации погрешностей программными средствами.7. Разработан, апробирован и внедрен ряд оригинальных структур измерительных устройств, преобразователей в унифицированный сигнал, устройств допускового контроля параметров ЭЦ и выходных величин параметрических датчиков, обладающих комплексом технико-эксплуатащ1онных характеристик, превосходящих существующие, а также измерительных систем и комплексов на их основе.8. Поставлена и решена задача разработки программного обеспечения числовых измерительных преобразователей ИСИ сложных многоэлементных ЭЦ.
9. Определены перспективные направления развития техники инвариантного измерения параметров сложных ЭЦ. Результаты научных исследований составили теоретическую и практическую основу для создания комплекса ИСИ параметров ЭЦ, обеспечивающих инвариантность результатов измерения, и построения на этой базе систем измерения и контроля различного назначения.Новизна и оригинальность выполненных разработок подтверждается тем, что все они выполнены на уровне изобретений (защищены 50 авторскими свидетельствами).Практическое значение проведенных исследований заключается в разработке основ теории, проектировании, создании и практической реализации нового класса измерительных устройств и системно ориентированных измерительных преобразователей, обеспечивающих рещение ряда нерешенных ранее измерительных задач производственного и исследовательского плана, как то: • разработка ряда новых структур и алгоритмов ИСИ параметров ЭЦ, по совокупности технических характеристик, превосходящих известные; • устранение зависимости результатов измерений параметров ЭЦ от неинформативных в данном опыте параметров; • устранение влияния внешних влияющих факторов (температуры в зоне расположения датчика, параметров линии связи, изменения диэлектрической проницаемости среды и др.); • автоматическое отнесение результатов многоточечных измерений к фиксированным (заданным) временным сечениям; • повышение метрологической надежности контрольноизмерительной аппаратуры производственного и исследовательского назначения; • обеспечение использования современных информационных технологий в проектировании, производстве измерительной аппаратуры параметров ЭЦ, а также различных физических величин, воспринимаемых с помощью параметрических датчиков; • повышение производительности и улучшение условий труда работников научно-исследовательских учреждений и промышленных предприятий; • повышение качества учебного процесса при подготовке инженеров по соответствующим направлениям и специальностям в Пензенском государственном университете и родственных вузах.Предложенные решения позволили также значительно упростить структуры ИСИ, снизить требования к их базовым узлам, повысить быстродействие и помехоустойчивость.Разработана методика инженерного проектирования ИСИ параметров ЭЦ. Результаты проведенных научных исследований и выполненные практические разработки используются в учебном процессе и нашли применение в ряде учебных пособий, разделах лекционных курсов. лабораторных установках, курсовых и дипломных работах студентов соответствующих специальностей.Реализация работы. Результаты используются рядом научных групп в Пензенском государственном университете и в ряде других научноисследовательских организаций России при исследованиях и разработках ИСИ, измерительных преобразователей и систем различного назначения.Отдельные вопросы теории и практической реализации ИСИ послужили темами для трех кандидатских диссертаций, подготовленных под руководством автора. Результаты научно-исследовательских и опытноконструкторских работ, выполненных автором в качестве научного руководителя, ответственного исполнителя или исполнителя, внедрены на промышленных предприятиях и в научно-исследовательских учреждениях в виде автономных измерительных устройств и преобразователей, используемых в контрольно-измерительных системах различного назначения, в частности: 1. Преобразователь для измерения и контроля сопротивления и емкости 2-х и 3-х элементных электрических цепей в составе специализированного тестера для контроля монтажа печатных плат на предприятии п/я А - 7438, г.Санкт-Петербург.2. Измерительный преобразователь перемещения на базе индуктивного дифференциального датчика перемещений типа ДПК-01 в составе цифрового микрометра ЦМ1 для рабочего места контролера механического цеха ПО «Пенздизельмаш», завода «Автозапчасть», г.Пенза и ПО «Электромеханика», г.Пенза.3. Комплекс измерительных преобразователей давления в цилиндре дизельного двигателя и перемещения поршня цилиндра на базе серийного дифференциального индуктивного датчика давления ДДИ-21 и потенциометрического датчика перемещения в 6-ти канальной системе для измерения среднего индикаторного давления на ПО «Пенздизельмаш», ПО «Пензкомпрессормаш» и для одноканального измерителя во ВНИИПТХиммаш, г.Пенза.4. Измерительные преобразователи индуктивности и емкости в составе двухканального измерителя перемещений (по изменению индуктивности) и диэлектрической проницаемости (по изменению емкости в жидкостной среде зазора между датчиком и исследуемой поверхностью) в составе прибора для исследования явления кавитации вращающихся деталей различного профиля - во ВНИИПТХиммаш, г.Пенза.5. Быстродействующий (до 100 изм/с) преобразователь выходного параметра датчика давления (на базе датчиков типа ДДИ) в составе многоканальной системы измерения контроля и оперативной регистрации быстроизменяющегося давления в замкнутом объеме при высокой температуре - на предприятии п/яА - 7677, г.Воронеж.6. Система контроля и измерения механических параметров при производственных испытаниях ленточных машин марки Л250-1, Л250-220 и Л2-50-220У (определение натяжения хлопковой ленты в зоне плетения - в узле раскатной рамки, измерения зазоров между нажимными валиками и рифлеными цилиндрами - в узле вытяжного прибора)- в ОАО «Пензтекстильмаш», г.Пенза.7. Система автоматического контроля технологических параметров ЗАО «ПенЗа», АМО ЗИЛ, г.Пенза.8. Сейсмические преобразователи специального назначения в составе комплексных систем безопасности (Государственный музейзаповедник «Царское село» и др.) - в НПП РАСТ-Т, г.Пенза, а также в средстве обнаружения «ГОНГ» - в НИКИРЭТ, г.Заречный.9. Блок контроля технических параметров мельничных комплексов УПМК-ПМ-300, Поволжье ВТ2-01. - в ОАО «Пензмаш», г.Пенза.Ю.Система контроля параметров движения (программные продукты и аппаратные средства) и локомотивный скоростеметр — в ОАО «Электромеханика», г.Пенза.11.Преобразователь емкости в частоту для датчика давления в системе управления промышленными манипуляторами - в п/я Р6380, г.Пенза.12.Цифровой измеритель расхода масла на угар и мощности дизелей типа ПДГ-49; ИИС контроля энергетических параметров дизельгенераторов - в ОАО «Пенздизельмаш», г.Пенза.13.Стенд производственного контроля параметров электрорадиоэлементов - в ФГУП «Пензенское ПО «Электроприбор», г.Пенза.14.Устройство измерения и допускового контроля технологических параметров станков с ЧПУ - в ОАО «Пензенский центр технического обслуживания металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ», г.Пенза.15.Измерительный преобразователь RLC - параметров сложных электрических цепей в цифровом многоканальном измерительном приборе - в ОНИЛАЭиК, г.Пенза.1 б.Преобразователь индуктивности датчика перемещения в частоту - в 0 0 0 «Станкосервис М», г.Москва.17.Цифровой измеритель отношения давления в двигателях внутреннего сгорания и комплекс КИП для приемно-сдаточных испытаний - в ОАО «Пензкомпрессормаш», г.Пенза.18.Гамма системно ориентированных преобразователей неэлектрических величин на базе параметрических датчиков в составе аппаратуры комплексного контроля оборудования - в ФГУП «Пензенский завод «Автомедтехника», г.Пенза.19.Преобразователи угла поворота в унифицированный сигнал на базе параметрических датчиков в виде гибридных ИС (серия 427ПА) и ГИС АЦП для вращаюших трансформаторов (в рамках ОКР «Камышит» для специзделий) - в НИИЭМП, г.Пенза.Экономический эффект в ценах 1991г. составил 1970 тыс. руб. После 1991г. экономический эффект не оценивался. Кроме того, результаты диссертационной работы были использованы в разработках ряда СИ, выполненных в Пензенском региональном центре высшей школы (ПРЦ ВШ) и внедренных на предприятиях Пензенской области. Использование разработок подтверждается соответствующими справками, приведенными в Приложении.Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, результаты проведенных исследований, опыт практического применения разработок докладывались и получили одобрение научной общественности на ряде Международных, Всесоюзных, Всероссийских, Республиканских, региональных и отраслевых симпозиумов, конференций, семинаров: • Всесоюзный НТС «Вопросы теории и проектирования аналоговых измерительных преобразователей», г.Ульяновск, 1978; • Республиканская НТК «Структурные методы повышения точности, быстродействия и чувствительности измерительных устройств», г.Житомир, 1978; • Всесоюзная НТК «Информационно-измерительные системы», г.Баку, 1978, г.Ульяновск, 1989; • Республиканская НТК «Применение информационно-измерительных систем при эксплуатации авиационной техники», г.Киев, 1979; • Республиканский НТС «Методы и средства преобразования электрических величин в частотно-временные сигналы и их применение в цифровых средствах измерений», г.Пенза, 1980; • Республиканская конференция «Вопросы проектирования и теории преобразователей информации», г.Винница, 1982; • Республиканская конференция «Интегрирующие частотные и времяимпульсные преобразователи», г.Пенза, 1987; • 5-й Всесоюзный сипозиум «Динамические измерения», г.Ленинград, 1988; • Всесоюзная НТК «Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических измерительных систем», г.Таллин, 1989; • Всесоюзная НТК «Контроль и диагностика радиоэлектронной аппаратуры и изделий электронной техники», г.Пенза, 1990; • Всесоюзная НТК «Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления», г.Пенза, 1992, 1994; • Международная НТК «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов устройств и систем», г.Пенза, 1993; • Всероссийская НТК «Методы и средства измерений физических величин», г.Нижний Новгород, 1998, 2000; • XII Республиканская НТК «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», (Датчики-2О00), г.Судак, 2000; • Всероссийская НТК «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях», г.Бийск, 2000; • Международная НТК «Методы, средства и технологии получения и обработки информации», г.Пенза, 2000; • III Всероссийская научно-практическая конференция «Технические средства охраны и системы управления доступом», г.Пенза, 2000; • Международный симпозиум «Надежность и качество», г.Пенза, 2001,2002,2003. • Международная НТК «Концептуальные алгебраические логики, исчисления и нейроматематика в науке, технике и экономике», г.Ульяновск, 2002. • Междунароная НТК «Методы и средства измерения в системах контроля и управления», г.Пенза, 2002, 2003. • 7-ое Всероссийское НТ Совещание-семинар «Инженернофизические проблемы новой техники», г. Москва, 2003; • Международная НТК «Актуальные проблемы науки и образования», г. Пенза, 2003.Публикации. По теме работы опубликовано 123 работы, 3 монографии, 6 учебных пособий, 39 статей, 25 тезисов докладов, получено 50 авторских свидетельств.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 5 глав, основных результатов по работе и приложения. Общий объем работы 3\2 листов. Библиография 319 наименований.Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность своему Учителю — Заслуженному деятелю науки и техники РФ, Д.Т.Н., профессору МАРТЯШИНУ Александру Ивановичу - за постоянное внимание к работе, ценные замечания и советы по ее выполнению.
