Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Синтез программных фильтров для систем непосредственного цифрового управления

Диссертация: Синтез программных фильтров для систем непосредственного цифрового управления
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Поскольку для решения поставленных целей одной из первостепенных задач является повышение точности измерительной информации, то основным объектом исследования является программно-аппаратный канал обработки информации. Так как исследуемые каналы обработки информации представляют собой программно-алгоритмический аналог реального канала, то вторым не менее важным объектом исследования является сама… Читать ещё >

Синтез программных фильтров для систем непосредственного цифрового управления (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СХЕМ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
    • 1. 1. Анализ аналоговых схем обработки информации
    • 1. 2. Анализ цифровых схем обработки информации
    • 1. 3. Анализ гибридных схем обработки информации
    • 1. 4. Постановка задачи синтеза оптимальных программных фильтров
  • ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ В ПРОЦЕССОРНЫХ КАНАЛАХ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ
    • 2. 1. Математическое описание форМ1фования динамической погрешности
    • 2. 2. Математическая модель полезного сигнала и помехи
    • 2. 3. Проверка на адекватность математических моделей
      • 2. 3. 1. Проверка математической модели сигнала
      • 2. 3. 2. Проверка математической модели формирования динамической погрешности
  • ГЛАВА 3. СИНТЕЗ ПРОГРАММНЫХ ФИЛЬТРОВ С ПРОИЗВОЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ
    • 3. 1. Математическая модель формирования динамической погрешности
    • 3. 2. Цроверка математической модели
    • 3. 3. Разработка и исследование алгоритма оптимизации программного фильтра с произвольной структурой
    • 3. 4. Выводы
  • ГЛАВА 4. СИНТЕЗ ПРОГРАММНЫХ ФИЛЬТРОВ С ФИКСИРОВАННОЙ СТРУКТУРОЙ
    • 4. 1. Математическая модель формирования динамической погрешности. 86 4.2. Проверка математической модели на адекватность

Эффективное функционирование современных производств во всех отраслях промышленности тесно связано с применением систем управления, которые способствуют повышению технико-экономических показателей производства, так как непосредственно влияют на оперативность, точность и качество управления технологическими процессами.

Одной из наиболее важных задач этих систем управления является получение и обработка текущей информации о ходе технологического процесса. Крупномасштабность технологических установок и многотоннажность технологического оборудования, входящего в состав современных производств, предъявляют повышенные требования к системам управления и, в частности, к средствам измерения и обработки информации, являющихся их составной частью, гарантирующей максимальное быстродействие и достоверность измерительной информации, поступающей в алгоритмы управления.

Эти требования успешно могут быть выполнены при включении в состав систем управления специально для них созданных информационно-измерительных систем (ИИС), особенностью структуры которых является [ 77 ] многоканальность и параллельность приёма, передачи и первичной обработки информации с объекта управления. Поэтому обеспечение систем управления эффективными ИИС является актуальной проблемой, решение которой развивается по двум основным направлениям. Первое — синтез аппаратных информационно-измерительных систем, представляющих собой аналоговые схемы обработки информации, с помощью которых производятся операции над непрерывно изменяющимися переменными, представленными в той или иной физической (аналоговой) форме. Второе направление — синтез программно-аппаратных ИИС, в которых цифровые схемы обработки информации используются для решения задач управления, цифрового моделирования, обработки статистических данных, выделения полезных сигналов, а также обеспечивают преобразование входных аналоговых сигналов в набор цифровых данных.

В последнее время, в связи с широким использованием микро-процессоров и микро-ЭВМ на их основе, в практику создания программно-аппаратных ИИС всё больше внедряются программируемые контроллеры, а вместе с ними гибридные схемы обработки информации, позволяющие использовать преимущества как аналоговой, так и цифровой обработки данных.

Как известно, [ 77, 78, 79, 80 ] ИИС, независимо от того, для каких целей она создаётся, представляет собой совокупность информационно-измерительных каналов (ИИК). В условиях применения программируемых контроллеров реализация ИИК с заданными техническими характеристиками существенно упрощается из-за замены некоторых технических узлов ИИК их программными прототипами. При этом метрологические характеристики ИИК не только не утрачивают своей актуальности, но приобретают ещё большее значение. Одновременно приоритет актуальности приобретают задачи анализа и синтеза программно-аппаратного обеспечения ИИС.

Таким образом, целями представленной диссертационной работы являются:

— повышение надежности каналов передачи информации и точности обработки информации;

— улучшение качества управления технологическими процессами системами прямого цифрового регулирования.

Поскольку для решения поставленных целей одной из первостепенных задач является повышение точности измерительной информации, то основным объектом исследования является программно-аппаратный канал обработки информации. Так как исследуемые каналы обработки информации представляют собой программно-алгоритмический аналог реального канала, то вторым не менее важным объектом исследования является сама измерительная информация.

При этом научная новизна выполненных исследований заключается в следующем:

— предложено операцию фильтрации измерительной информации в канале обработки производить путем свертки этой информации с динамической характеристикой программного фильтра, заданной в виде массива весовых коэффициентов;

— предложены математические модели эталонного канала обработки информации и реального программно-аппаратного канала;

— предложена математическая модель процессов формирования динамической погрешности в программно-аппаратном канале обработки информации.

В качестве результатов проведенных исследований наибольшую практическую ценность представляют:

1) программа для имитационного моделирования схемы выделения погрешности в информационно-измерительном канале (ИИК), которая обеспечивает имитацию функционирования ИИК в условиях, наиболее приближенных к реальным, т. е. с учетом помехи, искажающей полезный сигнал с заданными характеристиками;

2) программа имитации сигналов и помех, которая позволяет проверить на адекватность математические модели обрабатываемых сигналов, искаженных помехами;

3) методика синтеза оптимальных программных фильтров;

4) пакет прикладных программ «Фильтр АСУ», который позволяет быстро и качественно найти оптимальные параметры ИИК для сигналов с заданными характеристиками и в работу которого заложены разработанные математические модели.

Основные научные результаты, выносимые на защиту, формулируются следующим образом:

1) выбран и обоснован критерий оптимальности функционирования программно-аппаратного канала в виде интегрального соотношения;

2) разработана математическая модель эталонного и реального каналов обработки информации и отдельных элементов схемы выделения погрешности;

3) проведен анализ свойств измерительной информации и на его основе предложены математические модели сигналов, обрабатываемых НИК, и помехи;

4) разработана математическая модель формирования динамической погрешности в программно-аппаратном канале, которая использована в качестве критерия оптимальности для синтеза программных фильтров;

5) для частного, но распространенного, случая использования в канале обработки информации экспоненциального фильтра разработана математическая модель формирования динамической погрешности в НИК, которая использовалась для проверки на адекватность предложенных математических моделей.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Основной объем диссертации изложен на 125 страницах машинописного текста. Список используемой литературы состоит из 94 наименований на 8 страницах. Диссертация содержит 38 рисунков, 4 таблицы и приложение на 25 страницах. Общий объем работы 158 страниц сквозной нумерации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

В диссертационной работе представлены результаты исследований, на основе которых можно решать проблемы проектирования информационно-измерительных систем для управляющих комплексов.

Цели представленной диссертационной работы — повышение надежности каналов передачи информации и точности обработки информации и улучшение качества управления технологическими процессами системами прямого цифрового регулирования — достигнуты за счет исключения из структуры канала обработки информации аналоговых технических средств, каждое из которых содержит в своей структуре фильтр, и замены их одним программным продуктом, реализующим ту же функцию фильтрации, что и исключаемые аналоговые устройства. При этом впервые предложено операцию фильтрации измерительной информации в канале обработки производить путем свертки этой информации с динамической характеристикой программного фильтра, заданной в виде массива весовых коэффициентов.

По результатам исследований можно сделать следующие выводы.

1. На основе анализа литературных источников и свойств каналов обработки информации выбран и обоснован критерий оптимальности функционирования программно-аппаратного канала — корреляционная функция динамической погрешностиразработана математическая модель формирования динамической погрешности в программно-аппаратных каналах обработки информации, содержащих операцию фильтрации, которая адекватно описывает происходящие в канале явления и эффекты.

2. Анализ классической схемы выделения погрешностей позволил сформулировать требования к основным свойствам каналов и их элементов и на их основе предложить математические модели эталонного и реального каналов обработки информации и отдельных элементов схемы выделения погрешностей, адекватно описывающие свойства программной фильтрации.

3. Проведен анализ свойств измерительной информации и на его основе предложены математические модели сигналов и помех, обрабатываемых ИИК, которые позволяют проводить имитацию работы измерительного канала в условиях, наиболее приближенных к реальнымматематические модели сигналов могут быть применены для анализа свойств широкого класса обрабатываемой информации в управляющих комплексах.

4. Для частного, но распространенного, случая использования в канале обработки информации экспоненциального фильтра разработана математическая модель формирования динамической погрешности в ИИК, которая использовалась для проверки на адекватность предложенных математических моделей.

5. Основные модели, расчетные соотношения и программы реализации этих моделей (программа для имитационного моделирования схемы выделения погрешности, программа имитации сигналов и помех, программа имитации каналов измерения) положены в основу методики проектирования оптимальных программных фильтров для каналов обработки информации в системах управления.

6. Разработанные методики синтеза оптимальных программных фильтров с произвольной и фиксированной структурами положены в основу пакета прикладных программ, позволяющего быстро и качественно найти оптимальные параметры функционирования информационно-измерительного канала систем управления.

Рассмотренные основные результаты и выводы позволяют классифицировать диссертационную работу как решение важной научной проблемы синтеза программно-аппаратных информационно-измерительных систем, содержащих процессорные каналы обработки информации с оптимальным программным фильтром.

Показать весь текст

Список литературы

  1. В. В., Негурэ В. В. Цифровой фильтр. Приборы и системы управления, 1996, N 11, с. 38−39.
  2. Аналоговая и аналого-цифровая вычислительная техника. Сборник статей под ред. В. П. Ушакова, вып. 1, М.: Советское радио, 1968. 320 с.
  3. Аналоговая и аналого-цифровая вычислительная техника. Сборник статей под ред. В. П. Ушакова, вып. 5, М.: Советское радио, 1973.-264 с.
  4. Аналоговые электроизмерительные приборы. / Под ред. А. А. Преображенского. М.: Высшая школа, 1979. — 351 с.
  5. . В., Голубкин В. Н., Петраков С. В. Аналоговые и гибридные ЭВМ: Учебник для студ. вузов спец. «Электронные вычислительные машины». М.: Высшая школа, 1986. — 288 с.
  6. Д. А., Кузин Р. Е. Применение ЭВМ для анализа и синтеза автоматических систем управления. М.: Энергия, 1979.
  7. Ю. М. Основы обработки информации в АСУ химических производств: Теория и расчет информационных подсистем. Л.: Химия, 1986. (Серия «Химическая кибернетика») -152 с.
  8. Ю. М. Теория информационных каналов АСУ: Конспект лекций. -М.: МИХМ, 1976, ч. 1. 38 с, ч. 2. — 48 с.
  9. Ю. М., Трояновский В. М. О количественной оценке эффективности алгоритмов управления. Приборы и системы управления, 1977, N 3, с. 17−19.
  10. Ф. П. Численные методы решения экстремальных задач. М., 1980.
  11. Е.С. Теория вероятностей.- М.: Наука, 1969, 576 с.
  12. Н. Г., Евтихиев Н. Н. Информационно-измерительная техника (теоретические основы). М.: Высшая школа, 1977.-232 с.
  13. Гибридные вычислительные машины и комплексы: Респуб. меж-вед. сб. науч. трудов. Киев: Наукова думка, 1984. — 103 с.
  14. В. С. Фильтрация измерительных сигналов. Л.: Энерго-атомиздат. Ленингр. отделение, 1990. -192 с.
  15. А. Н. Оптимизация алгоритмов цифровой фильтрации смешанных марковских процессов при сопровождении маневрирую-щего объекта. Теория и системы управления, 1997, N 2, с. 73−80.
  16. И. А., Чемоданов Б. К., Медведев В. С. Математические основы теории автоматического регулирования: Учеб. пособие для вузов- Под ред. Б. К. Чемоданова. М.: Высшая школа, 1971.-808 с.
  17. В. А. Теория информации и передача сигналов. М.: Советское радио, 1979.-278 с.
  18. В. Г. Математическое программирование, 2-е изд. М., 1980.
  19. В. Г. Пути развития теории измерений. (Уроки П.В. Новицкого). Приборы и системы управления, 1997, N 9, с. 22−23.
  20. Е. С., Чернояров А. Н., Токарева О. С. Автоматизированная система для газовой хроматографии. Приборы и системы управления, 1996, N 7, с. 2325.
  21. Г. Математические методы статистики. Перевод с англ. под ред. Колмогорова А. Н. — М.: Мир, 1975. — 648 с.
  22. Л. Ф., Купер В. Я. Методы и средства измерений: Учебное пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986. — 448 с.
  23. Л. Ф., Морозов В. К. Основы информационной тех-ники. М.: Высшая школа, 1977. — 360 с.
  24. Методы электрических измерений: Учеб. пособие для вузов. / Л. Г. Жура-вин, М. А. Мариненко, Е. И. Семенов, Э. И. Цветков- под. ред. Э. И. Цветкова. -Л.: Энергоатомиздат, 1990.
  25. Метрология. Термины и определения. ГОСТ 16 263–70. Гос. Комитет стандартов Совета Министров СССР, М.: 1982. 52 с.
  26. И. Н., Ицкович Э. Л. Методы анализа АСУ химико-технологическими процессами. М., 1990.
  27. Н. Н., йванилов Ю. П., Столярова Е. М. Методы оптимизации. -М., 1978.
  28. П. В. Методология измерений. Проблема накопления опыта разработчиков методов и программ измерений и испытаний. / Всес. науч.-техн. конф. «Методология измерений» П-13.0.91. Матер, конф. Л.: Изд. ЛГТУ, 1991.
  29. П. В., Заграф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, 1991.
  30. П. П. Автоматические измерения и аналоговые и цифровые приборы. Киев: Вшца школа, 1980. — 558 с.
  31. П. П. Теоретические основы информационно-измерительной техники. Киев: Вища школа, 1983. — 455 с.
  32. В. П. Проектирование цифровых систем контроля и управления. -М.: Машиностроение, 1967. 459 с.
  33. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. / К. Хартман, Э. Лецкий, В. Шефер и др. М.: Мир, 1977. — 552 с.
  34. Э. Численные методы оптимизации. Перевод с англ. Ерешко Ф. й. — М.: Мир, 1974.-375 с.
  35. В. С. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления. ГИФМЛ, М., 1960. — 883 с.
  36. В. Я. Введение в теорию точности измерительных систем. М.: Советское радио, 1975. — 304 с.
  37. В. Я., Кропотов С. В. Анализ погрешности систем обработки измерительной информации. Измерительная техника, 1977, N 5, с. 38−39.
  38. В. Я. Автоматизация настройки систем управления. М.: Энергоатом-издат, 1984. — 271 с.
  39. JI. 3. Элементы теории вероятностей. М.: Наука, 1970. — 254 с.
  40. В. Ю., Соловьев М. А. Простой АЦП для ЮМ PC. Приборы и системы управления, 1996, N 2, с. 47−48.
  41. О. В. Программный имитатор процессорных измерительных каналов. Тезисы доклада городской науч.-техн. конф. молодых ученых, Волжский, май, 1995.
  42. О. В. Синтез цифровых фильтров с фиксированной структурой. -Тезисы доклада городской науч.-техн. конф. молодых ученых, Волжский, май, 1996.
  43. О. В. Синтез оптимальныъх фильтров с произвольной структурой. Тезисы доклада городской науч.-техн. конф. молодых ученых, Волжский, май, 1997.
  44. Cea Ж. Оптимизация. Перевод с франц. — М., 1973.
  45. И. Н. Условно оптимальная фильтрация и распознавание сигналов в стохастических дифференциальных системах. Автоматика и телемеханика, 1997, N 3, с. 124−126.
  46. Р. И. Автоматизация проектирования систем автоматического управления: Учеб. для вузов по спец. «Автоматика и уп-равление в техн. системах». М.: Высшая школа, 1991.
  47. Ф. Е., Афонин В. А., Дмитриев В. И. Теоретические основы информационной техники. М.: Энергия, 1979, — 512 с.
  48. А. В., Мак-Кормик Г. П. Нелинейное программирование. Методы последовательной безусловной минимизации. Перевод с англ. — М., 1972.
  49. А., Кабьяти Ф., Савино М. Промышленные и метрологические аспекты цифровых средств измерений. Приборы и системы управления, 1996, N 4, с. 42−46.
  50. Э. И. Основы теории статистических измерений. Л.: Энергоатом-издат, 1986. — 254 с.
  51. Э. И. Методические погрешности статистических измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1984. -144 с.
  52. Э. И. Нестационарные случайные процессы и их анализ. М.: Энергия, 1973.- 129 с.
  53. Э. И., Конок А. Ф. Спектральный и корреляционный анализ нестационарных случайных процессов. М.: Изд. стандартов, 1970. 102 с.
  54. Э. И., Коверкин И. Я. Анализ и синтез измерительных систем. Л.: Энергия, 1974. -155 с.
  55. Э. Й. Методы электрических измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 287 с.
  56. Э. И. Погрешности масштабирования результатов измерения процессорными измерительными средствами. Измерительная техника, 1976, N10, с. 6−7.
  57. Э. И. Процессорные измерительные средства. Л.: Энергоатомиздат, 1989. — 221 с.
  58. Э. И. Основы математической метрологии. Приборы и системы управления, 1996, N 11, с. 41−42.
  59. Цифровая обработка информации на основе быстродействующих БИС. / Гомкрелидзе С. А., Завьялов А. В., Мальцев П. П., Соколов В. С.- Под ред. ДомрачеваВ. Г. М.: Энергоатомиздат, 1988. — 133 с.
  60. Цифровая имитация автоматизированных систем. М.: Наука, 1983. — 260 с.
  61. Цифровая и аналоговая обработка и формирование сигналов передачи и приема информации: Межвуз. сборник науч. трудов. / Воронежский политехнический институт. Воронеж, 1989. — 171 с.
  62. Цифровая имитация автоматизированных систем. М.: Наука, 1983. — 260 с.
  63. Цифровая информационно-измерительная техника: Межвуз. Сборник науч. трудов. / Пензенский политехнический институт. Пенза, 1989. -171 с.
  64. Цифровая вычислительная техника и программирование: Сборник статей- Под ред. А. И. Китова. Выпуск 1. М.: Советское радио, 1966.
  65. Цифровая вычислительная техника и программирование: Сборник статей. Под ред. А. И. Китова. Выпуск 2. М.: Советское радио" 1967.
  66. Цифровая вычислительная техника и программирование: Сборник статей. Под ред. А. И. Китова. Выпуск 4. М.: Советское радио, 1968.
  67. Цифровая вычислительная техника и программирование: Сборник статей. Под ред. А. Н. Китова. Выпуск 5. М.: Советское радио, 1969.
  68. Цифровая вычислительная техника и программирование: Сборник статей. Под ред. А. Й. Китова. Выпуск 6. М.: Советское радио, 1971.
  69. Цифровая вычислительная техника и программирование: Сборник статей. Под ред. А. И. Китова. Выпуск 8. М.: Советское радио, 1974.
  70. Цифровая и вычислительная техника: Учебник для вузов. / Евреинов Э. В., Бутыльский Ю. Т., Мамзелев И. А. и др.- Под ред. Еврей-нова Э. В. М.: Радио и связь, 1991. -464 с.
  71. . И. Электронные цифровые приборы. Киев, Техшка, 1981.247 с.
  72. В. П. Автоматическая обрботка графиков с помощью микро-ЭВМ. -Каучук и резина, 1984, N 8, с. 30−32.
  73. В. П. Программно-аппаратные информационно-измерительные системы: Учеб. пособие. / ВолгГТУ, Волгоград, 1995.- 136 с.
  74. В. П. Методы прогнозирования качества регулирования системами непосредственного цифрового управления. М.: ЦНИИ ТЭИнефтехим, 1988.-64 с.
  75. В. П., Муха Ю. П. Прикладные методы для автоматизированного проектирования АСУТП. Часть 1. Методы проектирования информационных подсистем АСУТП: Учеб. пособие. / ВолгГТУ, Волгоград, 1992. 78 с.
  76. В. П., Муха Ю. П. Прикладные методы для автоматизированного проектирования АСУТП. Часть 2. Методы проектирования управляющих подсистем АСУТП: Учеб. пособие. / ВолгГТУ, Волгоград, 1992. 78 с.
  77. В. П. Теория информационных каналов систем управления. Часть 3. Математические основы описания линейных и нелиней-ных программно-аппаратных каналов обработки информации: Учеб-ное пособие. / ВолгГТУ, Волгоград, 1993. 112 с.
  78. В. П. Определение периода опроса датчиков для информационных каналов АСУ ТП. Автоматизация и КИП в нефтепере-рабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: ЦНИИТЭИнефтехим, вып. 6,1981, с. 8−11.
  79. В. П. Автоматизация проектирования и конструирования в производстве РТИ. М: ЦНИИТЭИнефтехим, 1987. — 56 с.
  80. В. П. Исследование динамических погрешностей ИЙС в системах автоматического управления по косвенным показателям. Докт. диссертация. -Волжский, 1995, 390 с.
  81. В. П., Свиридова О. В. Математическая модель измерительного сигнала в процессорных каналах обработки информации / Волгоград, гос. техн. ун-т. Волгоград, 1996. — 15 е.: ил. — Деп. в ВИНИТИ № 1072 — В96 от 02.04.96.
  82. В. П., Свиридова О. В. Типовой алгоритмический модуль обработки информации для процессорных информационно-измери-тельных систем / Волгоград. гос. техн. ун-т. Волгоград, 1996. — 15 е.: ил. — Деп. в ВИНИТИ № 1333 -В96 от 23.04.96.133
  83. С. Л., Чанг. Синтез оптимальных систем автоматического управления. Перевод с англ. под ред. Солодовникова В. В. — М.: Машиностроение, 1964.-440 с.
  84. И. М., Алиев В. М. Проектирование вычислительных систем распределенных АСУТП. М.: Энергоатомиздат, 1989. — 88 с.
  85. И. М. и др. Оперативно-календарное планирование химических производств в автоматизированных системах управ-ления. М.: Химия, 1977.
  86. В. М. Цифровые измерительные приборы и преобразователи. М.: Высшая школа, 1973. — 280 с.
  87. X. Цифровые измерительные системы. Приборы и системы управления, 1996, N 5, с. 48−50.
  88. П. Основы идентификации систем управления. Пере-вод с англ. под ред. Райбмана Н. С. — М.: Мир, 1975. -345 с.
  89. Т. Ту. Цифровые и импульсные системы автоматического управления. Перевод с англ. под ред. Солодовникова В. В. — М.: Машиностроение, 1964.-703 с.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!