Національна академія наук України

Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка

Кочан Роман Володимирович

УДК 621.3.551

ВДОСКОНАЛЕННЯ КОМПОНЕНТІВ ПРЕЦИЗІЙНИХ РОЗПОДІЛЕНИХ ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ

05.11.16 – “Інформаційно-вимірювальні системи”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Тернопільській академії народного господарства Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Саченко Анатолій Олексійович,

завідувач кафедри інформаційно-обчислювальних систем та

управління Тернопільської академії народного господарства

Міністерства освіти і науки України, м. Тернопіль

Офіційні опоненти – доктор технічних наук, професор

Поджаренко Володимир Олександрович,

завідувач кафедри метрології і промислової автоматики

Вінницького національного технічного університету

Міністерства освіти і науки України, м. Вінниця

доктор технічних наук, професор

Пасічник Володимир Володимирович,

завідувач кафедри інформаційних систем і мереж

Національного університету “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України, м. Львів

Провідна установа: Державне підприємство “Науково-дослідний інститут метрології вимірювальних і управляючих систем” (ДП НДІ “Система”, м.Львів), відділ розробки теоретичних та методичних основ метрологічного забезпечення вимірювальних інформаційних систем та автоматизованих систем керування технологічними процесами.

Захист відбудеться 17.05.2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.35.226.01 у Фізико-механічному інституті ім. Г. В. Карпенка НАН України: 79601, м. Львів, вул. Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г. В. Карпенка НАН України: 79601, м. Львів, вул. Наукова, 5.

Автореферат розісланий 15.04.2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Погребенник В.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток мікроелектроніки, зростання функціонально-вартісних характеристик її продукції, зумовили використання її досягнень у вимірювальній техніці, телекомунікаціях, системах керування тощо. Одні з останніх досягнень – локальні та глобальні обчислювальні мережі, призвели до створення розподілених інформаційно-вимірювальних систем (РІВС). РІВС – набір просторово розділених, об'єднаних каналами зв'язку взаємодіючих модулів на базі процесорних елементів, кожен з яких обробляє сигнали певної множини різнорідних (різної конструкції, базованих на різних фізичних явищах) сенсорів для отримання достовірної інформації про параметри досліджуваного об’єкту, оцінки його стану, створення його моделі. РІВС випускають фірми Honeywell, Fluke та ін. Національний інститут стандартизації і технології США з 1995 р. впроваджує серію стандартів IEEE1451.1.. IEEE1451.5 на інтерфейси і структури апаратних та програмних компонентів РІВС.

Слід зауважити, що компоненти РІВС розвиваються нерівномірно. В той час, коли засоби обробки даних розвиваються за законом Мура традиційні сенсори мало змінюють свої параметри і тому виник значний розрив у точності компонентів, наприклад похибки сенсорів в 5...800 разів більші похибок інших блоків вимірювального каналу (ВК), що вказує на проблему сумісності, зумовлену не консервативністю сенсорів, а фізико-хімічними обмеженнями їх матеріалів і технологій виготовлення. В той же час розробка нових матеріалів і технологій виготовлення сенсорів вимагає тривалих, дорогих, трудомістких фундаментальних досліджень, розробки нових сенсорів різного типу та їх впровадження.

У цій ситуації підвищення точності одних компонентів ВК є економічно невиправданим, а інших – не веде до підвищення точності РІВС. Тому доцільно використати структурно-алгоритмічні методи вдосконалення РІВС, які дозволяють підвищити точність ВК в цілому за рахунок взаємодії компонентів. Перспективним є використання методів штучного інтелекту, а саме, нейронних мереж і генетичних алгоритмів. Але, як показав аналіз, існуючі компоненти ВК не пристосовані до виконання інтелектуальних функцій, а набори інтелектуальних функцій компонентів ВК, потрібних для підвищення точності результату, не сформовані. Тому вдосконалення компонентів ВК – пристосування їх до виконання інтелектуальних функцій, сформованих на базі досліджень РІВС, які реалізують корекцію похибок всіх компонентів ВК методами штучного інтелекту, є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Компоненти ВК РІВС вдосконалені під час виконання Тернопільською академією народного господарства науково-дослідних робіт, де автор був: виконавцем – 1) “Development of an Intelligent Sensing Instrumentation Structure”, фінансований фондом INTAS, грант INTAS-OPEN-97-0606 (1998-2001рр.); 2) “Розробка наукових основ створення інтелектуалізованих інформаційних систем дистрибутивної обробки сенсорних даних з використанням нейронних мереж”, фінансований МОН України, номер держреєстрації 0100U002790 (2000-2002рр.); 3) “Development of Intelligent Precision System for Thermal Objects Control”, фінансований НАТО по програмі “Cooperative Science and Technology”, грант PST.CLG.977647 (1999-2004рр.); відповідальним виконавцем – 4) “Investigation of the Intelligent Properties of Re-Configurable Network Capable Application Processor in Adaptive Distributed Instrumentation and Control Systems”, фінансований US Civilian Research and Development Foundation, грант UE2-2534-TE-03 (2004-2005рр.); 5) “Дослідження інтелектуальних властивостей процесора для мереж змінної конфігурації в адаптивній розподіленій апаратурі”, фінансований МОН України, номер держреєстрації 0104U006981 (2004-2005рр.).

Мета та задачі дослідження. Метою дисертації є вдосконалення вимірюваль-них і обчислювальних компонентів вимірювального каналу розподілених інформаційно-вимірювальних систем для підвищення точності результатів вимірювання шляхом взаємодії компонентів при корекції похибок і виконання ними інтелектуальних функцій – самоадаптації, самонавчання, дистанційного керування і перепрограмування, а також покращення завадостійкості та універсальності.

Для досягнення цієї мети в роботі необхідно розв’язати такі завдання:

· Провести аналіз інтелектуальних функцій відомих РІВС та їх компонентів;

· Запропонувати структуру РІВС, яка забезпечує покращення якості процедур корекції похибок всіх компонентів ВК за рахунок самонавчання і самоадаптації згідно заданої стратегії і тактики поведінки;

· Запропонувати методи і засоби дослідження характеристик похибки інтелектуальних РІВС;

· Провести дослідження змін в часі похибок запропонованої структури РІВС і сформулювати на їх базі вимоги до компонентів ВК;

· Вдосконалити основні компоненти ВК згідно сформульованих вимог;

· Реалізувати інтелектуалізовані РІВС на базі вдосконалених компонентів ВК та дослідити їх похибки.

Об’єкт дослідження: вимірювальні та обчислювальні компоненти вимірю-вального каналу прецизійних розподілених інформаційно-вимірювальних систем.

Предмет дослідження: методи і засоби корекції похибок всіх компонентів вимірювального каналу розподілених інформаційно-вимірювальних систем.

Методи дослідження: математичний апарат інтегрального і диференційного числення, положення теорій електричних кіл, вимірювань, похибок, теплопередачі, методи імітаційного та напівнатурного комп’ютерного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Синтезовано узагальнену структуру інтелектуалізованої системи, яка забезпечує покращення якості процедур корекції всіх компонентів вимірювального каналу (включаючи сенсори) за рахунок самонавчання і самоадаптації згідно заданої стратегії і тактики поведінки, що дозволило мінімізувати затрати на проведення процедур підвищення точності та визначити вимоги до метрологічного тестування таких систем.

2. Вперше синтезовано узагальнену структуру метрологічного програмного тесту (МПТ) – програмно-апаратного комплексу, застосування якого дозволяє дос-лідити властивості вимірювальних каналів інтелектуалізованих вимірювальних систем в пришвидшеному часі та сформулювати вимоги до їх компонентів.

3. Розроблено і досліджено основні прецизійні компоненти вимірювального каналу – оригінальний комутатор напруги низького рівня, а також прецизійний та завадостійкий аналого-цифрові перетворювачі (АЦП), з покращеними метрологічними характеристиками в робочих умовах, адаптивністю та мережевими функціями.

4. Запропоновано використати метод взаємного протиставлення резисторів подільника напруги для корекції інтегральної нелінійності аналого-цифрових перетворювачів, що дало змогу зменшити похибку нелінійності в 4…8 разів.

5. Розроблено мережевий прикладний процесор (МПП) з дистанційним пере-програмуванням і програмною реалізацією набору периферійних інтерфейсів, що базується на двопроцесорній архітектурі з розділенням між ними функцій реалізації інтерфейсів і виконання робочої програми, що гарантує заміну робочої програми через ці інтерфейси під час роботи.

6. Розроблено універсальний сторожовий таймер, що базується на особливостях обробки переривання від клавіатури в ІВМ сумісних комп’ютерах, і функціонування якого не залежить від операційної системи та програмного забезпечення сервера розподіленої системи.

7. Розроблено двокаскадний цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП), який, за рахунок раціонального розподілу функцій між каскадами, забезпечує прецизійне дослідження властивостей підсистем корекції похибок, самоадаптації та прийняття рішень інтелектуальних систем і впливу на них процесу самонавчання.

Практичне значення одержаних результатів

Запропоновану структуру інтелектуалізованої РІВС, яку, завдяки високій точності, самоадаптації, самонавчанню, реалізації стратегій мінімізації затрат при досягненні заданої точності і мінімізації похибки при неперевищенні заданих затрат, використано в прецизійних системах керування. Запропонований МПТ доцільно використати для атестації і метрологічного обслуговування РІВС. Вдосконалені компоненти (прецизійний комутатор напруги, адаптивний АЦП двотактного вагового інтегрування, мережевий прикладний процесор, прецизійний АЦП з корекцією нелінійності, сторожовий таймер і двокаскадний ЦАП), які завдяки універсальності, точності, адаптивним і мережевим властивостям, а також порівняно низькій вартості можуть застосовуватися в прецизійних РІВС.

Теоретичні та практичні результати дисертаційної роботи впроваджені:

· В інтелектуалізованій РІВС у складі системи керування температурою багатозонних термоагрегатів, яка, за рахунок автоматизованої повірки і нейромережевого прогнозу дрейфу сенсорів і корекції похибок всіх інших компонентів ВК, дозволяє зменшити похибку вимірювання температури до 0,8С в діапазоні 700-1300С при початковій похибці робочих сенсорів 2,9С і допустимій похибці взірцевого сенсора 0,6С.

· В системі контролю температурного режиму робочого еталона Вольта, де, за рахунок високої чутливості сенсорів (термісторів), похибку самонагріву знижено в 175 разів, а автоматизована повірка термісторів і нейромережевий прогноз їх дрейфу дозволив зменшити похибку вимірювання температури до 0,003С в діапазоні 28-32С при похибці взірцевого термометра опору 0,002С.

Особистий внесок здобувача. Усі положення, які становлять суть дисертації, були сформульовані та вирішені автором самостійно. В друкованих працях, опублікованих у співавторстві, автору дисертації належать: в [1, 11, 12] – розробка програмного забезпечення і проведення експериментальних досліджень; в [8, 10] –структура АЦП, алгоритми і програмне забезпечення, дослідження завадостійкості; в [3, 14, 15, 18, 19] – структури, алгоритми і програмне забезпечення описаних компонентів ВК; в [9, 13] – обґрунтування структури, основних співвідношень.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати дисертації доповідались на 24 науково-технічних конференціях, з них 23 – міжнародні.

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 35 наукових праць, з них: 8 – статті у фахових наукових виданнях, 2 – статті у наукових журналах, один – патент України. 11 наукових праць – одноосібні.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів та висновків, викладених на 137 сторінках, містить 51 рисунок і 10 таблиць, переліку посилань і додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі показано актуальність задачі, взаємозв’язок з науковими програмами, сформульовано мету і задачі дослідження, наукову новизну і практичну цінність роботи, наводяться дані про особистий внесок здобувача, апробацію роботи і публікації по темі дисертації.

Перший розділ присвячено аналізу властивостей і структур існуючих ІВС та їх компонентів і визначенню перспективних напрямків їх вдосконалення. Показано, що інтелектуальні (smart, intelligent) системи, які випускають провідні фірми, рідко мають функції, які можна віднести до інтелектуальних в сенсі вимірювань, звичайно ці функції не спрямовані на підвищення точності результату вимірювання і не формують “поведінку” системи відповідно до обраної тактики або стратегії підвищення точності. Відповідно компоненти таких систем також не пристосовані до виконання інтелектуальних функцій. Аналіз показав, що для інтелектуалізованих РІВС перспективна трирівнева ієрархічна структура, в якій нижній рівень виконує перетворення сигналів сенсорів в код, середній – веде всю поточну обробку сигналів сенсорів, верхній – підтримує виконання інтелектуальних функцій РІВС шляхом програмування властивостей нижнього і середнього рівня. Щодо компонентів ВК, визначено наступні напрями їх вдосконалення: (і) для комутатора – конструктивне спрощення термовирівнювача герконового реле і просторове усереднення; (іі) для АЦП – структурно-алгоритмічні методи підвищення точності (установка нуля і калібрування, програмна компенсація температурного коефіцієнту), завадостійкості (вагове інтегрування, дискретне усереднення) і мережевих властивостей, спеціалізовану обробку результатів перетворення (цензурування вибірки, адаптація міжкалібрувального інтервалу до умов експлуатації), конструктивно-технологічне підвищення завадостійкості; (ііі) для вузлів обробки сигналів сенсорів – дистанційне перепрограмування в процесі роботи, програмну реалізацію набору вживаних інтерфейсів; (iv) для верхнього ієрархічного рівня – побудову універсальних сторо-жових таймерів ліквідації зависань; (v) для засобів метрологічного забезпечення – побудову дешевого ЦАП, що дозволяє дослідити якість виконання інтелектуальних функцій системою. Загальна вимога – низька вартість вдосконалених компонентів.

У другому розділі синтезовано узагальнену структуру РІВС, яка, за рахунок виконання інтелектуальних функцій, забезпечує корекцію похибок компонентів ВК за індивідуальними математичними моделями (ММ) прогнозу на базі результатів їх калібрування або повірки. Обґрунтовано структуру метрологічного програмного тесту (МПТ), який дозволяє дослідити можливості інтелектуальних функцій систем щодо корекції різних складових похибки і обґрунтувати вимоги до компонентів ВК. Розроблено МПТ ВК температури, сформульовано вимоги до компонентів ВК РІВС.

Синтезована структура РІВС (рис. 1) виконує такі інтелектуальні функції:

1. Вузол обробки сигналів сенсорів ВОСС постійно коригує результати вимірювань N за наявними в базі даних БД індивідуальними ММ прогнозу поправок компонентів ВК (сенсора С, аналогової схеми АС, АЦП), побудованими блоком ММПП, які враховують вимірювану N і величини впливу (надходять з ВК величин впливу ВКВВ), а також час експлуатації (поступає з Таймера);

2. Блок оцінки похибок поправок ОПП постійно прогнозує індивідуальні похибки прогнозованих в п. 1 поправок за розміщеними в БД ММ, які побудовані блоком ММППП (відбивають неідеальність ММ блоку ММПП, визначену як відхилення прогнозу поправок від результатів повірки відповідних компонентів ВК);

3. ОПП постійно визначає індивідуальну сумарну похибку результатів вимірювань (згідно прогнозованих в п. 2 похибок прогнозу поправок і похибок інших елементів) і порівнює її з допустимою похибкою результатів вимірювань;

4. Якщо індивідуальна сумарна похибка результату вимірювань перевищує задану допустиму похибку, блок аналізу і прийняття рішення АПР аналізує ефективність доступних заходів уточнення ММ прогнозу поправок і похибок поправок компонентів ВК (повірка або калібрування, залежно від наявних засобів, надалі будемо вживати тільки повірка) і затрати на їх виконання, приймає рішення про повірку того компонента, яка достатньо підвищує точність при мінімумі затрат;

5. Блок реалізації прийнятих рішень РПР виконує прийняте АПР рішення, діючи на засоби повірки сенсора (ТВЗІР), АС (еВЗІР) або АЦП (ЕВЗІР);

6. Результати повірки і номінальні характеристики перетворення (ХП), розміщені в БД, поступають на блоки ММПП і ММППП, які уточнюють ММ прогнозу поправки і похибки поправки компонента ВК, що проходив повірку і заміняють відповідні поля в БД. Номінальні ХП служать також ВОСС для знаходження поточного значення вимірюваної величини Т*.

Рис. 1. Узагальнена структура інтелектуалізованої РІВС.

Пропонована структура РІВС, завдяки алгоритму роботи АПР, реалізує тактику мінімізації затрат на кожну повірку і одну із можливих стратегій – мінімальних затрат при заданій похибці або мінімальної похибки при заданих затратах.

Для взаємодії з ВК при напівнатурному моделюванні, пропонований МПТ має формувати і подавати на ВК тестові сигнали (ТС), відповідні до тестованого набору компонентів ВК. Процес дослідження ВК складається з трьох етапів: (і) формування набору ТС (вхідних і впливаючих величин, похибок, завад), які досліджують задану властивість інтелектуальної РІВС; (іі) визначення реакції досліджуваного ВК на дію набору ТС; (ііі) визначення метрологічних характеристик РІВС. Для пришвидшення досліджень ТС формуються згідно фізичного часу змін ХП компонентів ВК, а діють у пришвидшеному часі (пришвидшення не має торкатися величин, корекція яких прив’язана до реального часу, наприклад, завад). МПТ повинен складатися з трьох, відносно незалежних, програм: (і) формування наборів ТС імітації номінальних ХП компонентів ВК, їх похибок в заданих умовах, дії впливаючих величин і завад; (іі) зв’язку з досліджуваним ВК, яка подає сформовані ТС на входи компонентів згідно розроблених двох методів пришвидшення часу, приймає результати тестування і записує їх; (ііі) обробки отриманих при тестуванні результатів.

Структура програми формування наборів ТС має відповідати структурі ВК, її приклад для ВК сигналів термопар подано на рис. 2. Верхній ряд блоків представляє сам ВК і варіанти взаємодії МПТ з компонентами ВК через ЦАП. Наступні ряди блоків показують підпрограми: (і) імітації номінальних ХП компонентів (нижній, п’ятий ряд блоків); (іі) імітації основних похибок (другий ряд блоків) – якщо похибка має декілька складових, вони розміщені під нею; (ііі) імітації додаткових похибок (третій ряд блоків); (іv) імітації додаткових параметрів, які вносять похибку при взаємодії компонентів (наприклад, внутрішній опір). Використано адитивну модель формування вихідного набору ТС для того, щоби користувач міг “вмикати” складові, які дозволять дослідити задані властивості РІВС.

Рис. 2. Структура МПТ ВК сигналу термопар.

Більшість складових похибок імітують поліноми з випадковими коефіцієнтами виду де , - вхідний сигнал і чутливість компонента; - задані користувачем коефіцієнти полінома; - рівномірно розподілені в межах (–1,+1) випадкові числа. Дрейф термопар визначає зміна при експлуатації хімічного складу і кристалічного стану термо-електродів, тому дрейфує ціла ХП термопари, хоча вона експлуатується при одній температурі. Тренд дрейфу імітує поліном третього порядку з двома аргументами – температурою та часом експлуатації, причому = 0 при нульових аргументах

.

Нерівномірність дрейфу імітується накладанням на додаткової синусоїдальної складової , яка для кожної реалізації дрейфу має індивідуальні амплітуду , частоту і початкову фазу – . Шумова складова не характерна для дрейфу термопар, але вона формується при повірках за рахунок похибок ВК, тому для дослідження стійкості блоку АПР задається як . Всі складові перевіряються на неперевищення заданої дослідником як лінійна функція допустимої похибки.

Окремі блоки генерують завади загального і нормального виду, які мають однакову частоту, що міняється в заданих межах. Амплітуди і фази обох завад міняються незалежно. Результати досліджень змін в часі максимальних значень сумарної похибки ВК з допомогою МПТ представлені на рис. 3 і 4.

Рис. 3. Періодична повірка термопар з прогнозуванням дрейфу методом інтеграції апріорних даних

Рис. 4. Варіанти реалізацій методу інтеграції апріорних даних (рис. 3) при дії завад нормального виду

З рис. 3 видно, що можна виділити три періоди в ході побудови індивідуальних ММ корекції похибок компонентів ВК: (i) первинного накопичення даних про похибки компонентів ВК, протягом якого похибка ВК визначається частотою повірок/калібрувань, а не самоадаптацією та самонавчанням і залишається відносно високою; (ii) вдосконалення індивідуальних моделей корекції похибок компонентів ВК, коли похибка ВК поступово зменшується, а самоадаптація та самонавчання починають впливати на похибку, однак моделі корекції похибок компонентів ВК ще мають низьку точність і вплив методів штучного інтелекту на точність РІВС в цьому періоді проявляється слабо; (ііі) поступового уточнення індивідуальних ММ корекції похибок компонентів ВК, протягом якого властивості самоадаптації та самонавчання РІВС максимально впливають на її похибку, яка стає мінімальною. Наступає значне сповільнення темпу зменшення похибки РІВС, пов’язане з тим, що використаний метод корекції вичерпує свої можливості.

На рис. 4 показано результати досліджень, аналогічні рис. 3, але при дії завад. Як видно, недостатнє придушення завад повністю спотворює прогноз і веде до непрацездатності блоку АПР. Дослідження впливу різних співвідношень похибок компонентів ВК на похибку результату вимірювання дозволили сформулювати узагальнені інтелектуальні функції, які повинні виконувати компоненти ВК для досягнення високої точності результату вимірювання: (і) корекцію (з мінімальними затратами часу і праці) складових похибок апаратних компонентів – адитивних, мультиплікативних, нелінійних, температурних, часових; (іі) адаптивне зменшення шумової похибки, особливо при установці нуля і калібруванні; (ііі) покращення придушення завад (нормального виду та імпульсних) за рахунок адаптації до їх параметрів; (іv) можливість зміни стратегії і тактики при корекції похибок. Границя точності ВК визначається взірцевими засобами, які використовують для повірки/ калібрування ВК, тому доцільно: (і) нормувати похибки ВК окремо, без взірцевих засобів (РІВС можуть взаємодіяти з різними взірцевими засобами); (іі) потрібна точність ВК, з огляду економної експлуатації, повинна визначатися взірцевими засобами (вони повинні підключатися до вільних каналів РІВС). Крім того, необхідність покращення функціонально-вартісних показників РІВС вимагає забезпечення: (і) простоти і низької вартості компонентів ВК; (іі) їх гнучкості при побудові РІВС; (ііі) їх апаратної і програмної сумісності.

У третьому розділі запропонована конструкція термовирівнювача комутатора на герконових реле, що передбачає виконання контактних площадок 5 (рис. 5), в які впаяні контакти герконів 2, як довгих прямокутників з сторони плати 3, протилежної реле 1. Зазор між площадками 5 – мінімальний, а контакти 2 впаюють в отвори площадок 5 з надлишком припою, що створює напівциліндричні валики 6. Простір між ними заповнюють теплопровідною пастою 7 на базі окису берилію (КТП-8). Плату 3 покривають термоізоляційним компаундом 4. Такий термовирівнювач не вимагає складного технологічного обладнання, дорогих і дефіцитних матеріалів. Похибка комутатора при дії теплового потоку , де – залишкові е.р.с. окремих контактів 2 від температурного градієнту що, за тепловим розрахунком, становить С при значному тепловому потоці. Тоді , а . Похибка комутатора при розкиді вирівнюючих резисторів ±5% не більше 0,04 мкВ.

Рис. 5. Конструкція термовирівнювача комутатора.

Для вдосконалення АЦП двотактного інтегрування з ваговою функцією 1-2-1 промодельовано його роботу при дії завад нормального виду, вихідний код

де – коефіцієнт перетворення АЦП; Т1 – тривалість першого такту інтегрування; – вагові коефіцієнти; - час початку перетворення; Т2, Т3 – часи включення та виключення вагового резистора; UIN(t) – вхідна напруга, включаючи заваду; t – час.

Коефіцієнт придушення завад нормального виду при одному перетворенні

Рис. 6. Коефіцієнт придушення завад

нормального виду

Вдосконалений АЦП виконує наступні інтелектуальні функції: (і) корекцію температурної похибки опорної напруги; (іі) дистанційне/адаптивне встановлення міжповірного інтервалу з умови заданої точності; (ііі) дистанційне/адаптивне задання кількості перетворень, які усереднюють, і часу між ними для максимальної завадостійкості (при вимірюванні, установці нуля і калібруванні ці кількості задають окремо); (iv) дистанційне/адаптивне встановлення тривалості першого такту з умови максимальної завадостійкості; (v) дистанційне встановлення режиму цензурування вибірки. Інтелектуальні функції дозволили створити одноплат-ний 16-розрядний 8-канальний АЦП, що за метрологічними параметрами – клас 0,015, чутливість 0,5 мкВ, придушення завад нормального виду до 100 дБ (рис. 6), загального - 160 дБ, відповідає кращим, дорогим взірцям, а за вартістю – дешевшим.

На рис. 7 представлено структурно-принципову схему МПП. Як основний і інтерфейсний мікроконтролери МС і IRC використано АТ89С51 або сумісні (І87С51, Т87С251, АТ89С52). Як пам'ять програм і даних (RAM) використано ОЗП типу 62512. IRC програмно реалізує довільні два інтерфейси з набору RS232, RS485, SPI (для мереж верхнього та нижнього рівнів РІВС). RS232 і RS485 відрізняються тільки апаратними засобами RSHW, які створюють сигнали потрібної амплітуди. В МПП входять також регістр адреси RA і контролер переривань на базі схем “виключне АБО”. IRC, з допомогою портів Р0, Р2, реалізує також 8-ми бітний паралельний інтерфейс, що програмно конфігурується як LPT або ISA-8. Додатково МС взаємодіє з зовнішніми пристроями через свій порт Р1 і виводи Int0, Int1, Т0.

Рис. 7. Структура мережевого прикладного процесора.

Запропонований дешевий МПП за рахунок дистанційного перепрограмування в процесі роботи і програмної реалізації широкого набору часто вживаних інтерфейсів забезпечує велику гнучкість та виконання інтелектуальних функцій як довільних програм (бібліотечних або створених при експлуатації), базованих на методах штучного інтелекту при обмежених обчислювальних ресурсах за рахунок розподілу функцій між МПП і сервером РІВС і вчасної заміни програм роботи МПП.

Для прецизійних РІВС температури з термометрами опору запропоновано блок збору даних (БЗД) на базі сігма-дельта АЦП, який забезпечує дистанційне перепрограмування в процесі роботи, тобто суміщає АЦП і МПП (рис. 8). Він виконує наступні інтелектуальні фун-кції: (і) корекцію температур-ної похибки джерела опорної напруги; (іі) установку нуля і калібрування з адаптивним міжповірним періодом; (ііі) корекцію квадратичної скла-дової похибки нелінійності АЦП для точних вимірювань по методу заміщення. Тому в схему введено подільник з двох однакових резисторів і при корекції проводять їх взаємне протиставлення – вимірюють спади напруг на кожному резисторі і на їх сумі. Похибку нелінійності, згідно позначень рис. 9, знаходять з припущення .

Рис. 8. Структура БЗД з дистанційним перепрограмуванням.

Звідси похибка нелінійності АЦП визначається як . Відповідно поправку можна знайти у вигляді поліному другого порядку без вільного члена , де – результат перетворення; – коефіцієнти полінома, знайдені як розв’язок системи двох рівнянь, складених з умов (будемо вважати, що адитивна і мультиплікативна похибки вже скориговані). Розв'язавши цю систему, отримаємо значення коефіцієнтів :

Рис. 9. Графічна інтерпретація похибки нелінійності АЦП.

, .

Формула визначення поправки має вигляд .

Слід відзначити, що корекція нелінійності АЦП запропонованим способом має методичну похибку, пов’язану з нерівністю резисторів R1 і R2 подільника і приблизним характером зробленого раніше припущення. Тому значення похибки нелінійності відповідає напрузі або , а при складанні системи рівнянь це значення приписано напрузі (рис. 10). Очевидно, що значення методичної похибки залежить від розкиду опору резисторів R1 і R2, його можна визначити як . Прийнявши ; ; , запишемо ; . Підставивши значення , отримаємо

Рис. 10. Виникнення методичної похибки при корекції нелінійності

.

Оскільки та , з врахуванням , попередню формулу представимо як . Тому похибка корекції нелінійності визначається випадковою похибкою АЦП, а сумарна похибка 0,01% – часовим дрейфом джерела опорної напруги.

Для підвищення надійності роботи серверів РІВС на базі офісних комп’ютерів розроблено універсальний сторожовий таймер, який виконано як автономну систему на мікроконтролері, що періодично імітує натискання клавіш Caps Lock, Num Lock, Scroll Lock клавіатури. При відсутності відповіді (запалення світлодіодів) сервер скидається. Інтелектуальні функції таймера забезпечують: (і) незалежність функціо-нування таймера від операційної системи сервера; (іі) незалежність функціонування таймера від прикладного програмного забезпечення; (ііі) мінімальне навантаження на процесор сервера; (iv) мінімальний час взаємодії з сервером. Також забезпечено мінімальну складність і вартість самого таймера і вартість його підключення.

Для дослідження підсистем корекції похибок розроблено двокаскадний ЦАП (рис. 11), в якому функції каскадів розділено: перший імітує сталий сигнал, що відповідає номінальній ХП ВК, а другий – всі відхилення від неї. Тоді похибка досліджень визначається практично стабільністю першого ЦАП. Такий розподіл функцій між каскадами забезпечує точність метрологічних досліджень якості виконання інтелектуальних функцій на рівні 16...19 розрядів при використанні інтегральних 12-розрядних ЦАП. Вихідні напруги ЦАП при , , , , становлять та Еквівалентна розрядність ЦАП – , де . Слід відзначити, що старші розряди вхідних кодів DAC1 і DAC2 відіграють роль розрядів полярності: якщо вони лог. 0, то залежність і від кодів прямо пропорційна, якщо вони лог. 1 – ця залежність обернена. Дослідження показали, що при використанні мікросхем 12-розрядних здвоєних ЦАП BB7612, підсилювачів OP297, стабілізатора AD586 і резисторів С5-61 при еквівалентна розрядність становить 19, а нестабільність за 10 хв. не перевищує , що дозволяє дослідити всі підсистеми корекції похибок.

Рис. 11. Структурно-принципова схема двокаскадного ЦАП.

У четвертому розділі описано інтелектуалізовану РІВС, яку впроваджено в складі системи керування температурою печей термообробки інструменту Тернопільського радіозаводу “Оріон”. Система базується на запропонованих компонентах і забезпечує високу точність вимірювання температури за рахунок інтелектуальних функцій компонентів, використанні штучних нейронних мереж при прогнозі поправок на дрейф сенсорів , повірки робочих сенсорів по взірцевому та реалізації стратегії заданої похибки при мінімумі затрат. Похибка вимірювання температури не перевищує 0,8С в діапазоні 700... 1300С при похибці взірцевої термопари 0,6С.

Система прецизійного контролю температури робочого еталону Вольта, яка забезпечує похибку не більше 0,003С в діапазоні 28...32С при похибці взірцевого термометра опору 0,002С впроваджена у ВАТ СКБ МП. Особливістю системи є обмеження на потужність сенсорів. Термометри опору не дозволяють автоматизувати контроль, вимагають потенціометра ручного зрівноваження. Запропоновано використати в якості сенсора термістор, який періодично повіряється (коли еталон не експлуатується) за наявними взірцевими термометрами опору. В результаті потужність сенсора зменшено в 175 разів.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі розв’язано задачу створення набору вимірювальних і обчислювальних компонентів вимірювального каналу розподілених інформаційно-вимірювальних систем, які забезпечують високу точність вимірювання при низьких початкових і поточних затратах на реалізацію систем.

Основні результати роботи полягають в наступному:

1. Синтезовано узагальнену структуру інтелектуалізованої інформаційно-вимірювальної системи, яка забезпечує мінімум матеріальних затрат при корекції похибок всіх компонентів вимірювального каналу, включаючи сенсор, і покращення адаптації до параметрів дрейфу характеристик перетворення компонентів за рахунок самонавчання, що дозволяє реалізувати дві стратегії підвищення точності результатів вимірювання – мінімальних затрат при заданій похибці або мінімальної похибки при заданих затратах.

2. Вперше запропоновано метрологічні програмні тести, які дозволяють проводити метрологічні дослідження в режимі обмеженого часу і здійснювати моделювання процесу дії впливаючих факторів. На цій основі створено метрологічний програмний тест вимірювального каналу термопар і сформулювані основні вимоги до компонентів вимірювального каналу.

3. Запропоновано два варіанти термовирівнювача прецизійного завадостійкого герконового комутатора сигналів низького рівня, які, завдяки оригінальній простій конструкції і просторовому усередненню, забезпечують похибку комутації не більше 0,5 і 0,1 мкВ.

4. Вдосконалено аналого-цифрові перетворювачі напруги низького рівня – на базі двотактного вагового інтегрування і сігма-дельта перетворення, які передбачають дистанційне керування або перепрограмування в процесі роботи і забезпечують високу точність перетворення в робочих умовах за рахунок виконання інтелектуальних функцій. Останні передбачають корекцію адитивної, мультиплікативної, нелінійної та температурної складових похибки, та забезпечують високу завадостійкість, адаптивні властивості та зниження втрат часу при проведенні калібрування.

5. Вдосконалено структури двох обчислювальних компонентів вимірювального каналу: економічного мережевого прикладного процесора, що відповідає стандарту ІЕЕЕ-1451, і універсального сторожового таймера. Перший компонент, за рахунок можливості дистанційного перепрограмування в процесі роботи та програмної реалізації набору часто вживаних інтерфейсів, створює можливість динамічної заміни програм обробки сигналів сенсорів, що дозволяє використовувати методи штучного інтелекту при обмежених обчислювальних ресурсах, а також забезпечує універсальність і гнучкість при побудові розподілених інформаційно-вимірювальних систем. Другий компонент не вимагає виділеного каналу вводу/виводу і забезпечує незалежність функціонування від апаратного, системного та прикладного програмного забезпечення сервера, а також мінімальне навантаження на його процесор.

6. Вдосконалено двокаскадний цифро-аналоговий перетворювач, який за рахунок раціонального розподілу функцій між каскадами забезпечує прецизійне дослідження інтелектуальних функцій систем.

7. На базі вдосконалених компонентів розроблено і впроваджено:

–

–

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Турченко В.О., Кочан Р.В., Карачка А.Ф. Застосування нейронних мереж для прогнозування дрейфу характеристик перетворення сенсорів // Вісник Тернопільського державного технічного університету ім. І. Пулюя. 2000. – Т.5, № 4. – С. 102-108.

2. Кочан Р.В. Двокаскадний цифро-аналоговий перетворювач для метрологічних досліджень // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2003. - № 63. - С. 106-110.

3. Кочан Р.В. Бойко О.В. Система контролю температури робочого еталону Вольта // Вимірювальна техніка та метрологія. – 2003.- № 64. - С. 93-99.

4. Кочан Р.В. Покращений сторожовий таймер для керування режимом роботи комп'ютерів типу ІВМ РС АТ // Вісник Технологічного університету Поділля. - 2004. – Ч.1. - Т.2. - С. 79-82.

5. Кочан Р.В. Структура інтелектуальної системи збору і обробки сенсорних даних та її дослідження // Вісник Національного університету Львівська політехніка. Секція Теплоенергетика, інженерія довкілля, автоматизація. - 2004. - №506. - С. 221-229.

6. Кочан Р.В. Тестування інтелектуальних систем збору даних з допомогою метрологічного програмного тесту // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”. Секція Автоматика, вимірювання та керування. - 2004. - №500. - С.9-18.

7. Кочан Р.В. Мережевий інтегруючий аналого-цифровий перетворювач // Вісник Тернопільського державного технічного університету. – 2004. Т. 9. - №3. - С. 123-130.

8. Кочан Р.В., Кочан О.В. Прецизійний блок збору даних з дистанційним перепрограмуванням // Міжн. науково-техн. журнал “Комп’ютинг”. – 2004. – Т. 3. – № 3. - С. 82-92.

9. Пат. 2004032136 Україна, МПК Н01Н 51/00. Комутатор сигналів низького рівня: Кочан Р.В., Кочан В.В. Заявл. 23.03.2004.

10. Kochan R., Berezky O., Karachka A., Bojko O., Maruschak I. Development of the integrating analog to digital converter for distributive data acquisition systems with improved noise immunity // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. - 2002. – Vol. 51, №1. – Р. 96 – 101.

11. Sachenko А., Kochan V., Turchenko V., Kochan R., Tsahouridis K., Laopoulos T. Error Compensation in an Intelligent Sensing Instrumentation System // Proc. IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conf. (IMTC/2001). Budapest (Hungary), 2001, P. 869 – 875.

12. Kochan R., Sachenko A., Daponte P., Sobolev V., Kochan V. Design of embedded metrology subsystem for intelligent sensing instrumentation structure. Proc. IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conf. (IMTC/2002), Anchorage (Alaska, USA), 2002, P. 869 – 875.

13. Kochan R., Sachenko A., Kochan V., Pasichnyk R. Development of the simulation model of thermocouples // Proc. IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conf. (IMTC/2003), Vail (CO, USA), 2003, Р.1673-1677.

14. Kochan R., Lee K., Kochan V., Sachenko A.. Development of a Dynamically Reprogrammable NCAP. Proc. IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conf. (IMTC/2004), Como (Italy), 2004, Р. 1188-1193.

15. Kochan R., Kochan V., Sachenko A., Turchenko V. Development DAQ Module for Intelligent Sensor System. Proc. ISA/IEEE Sensors for Industry Conference (Sicon/02), 2002, Houston (Texas, USA), Р. 89 – 92.

16. Кочан Р.В. Розробка метрологічного програмного тесту для дослідження інтелектуальних інформаційно-вимірювальних систем // Зб. пр. міжн. наук.-практ. конф. “Мікропроцесорні пристрої та системи в автоматизації виробничих процесів” (МНПК МППСАВП-2003). - Хмельницький, 2003. - С. 34-40.

17. Kochan R. Approach to development metrological software test for verification intelligent instrumentation // Proc. of second IEEE international workshop on Intelligent Data Acquisition and Advansing Computing Systems (IDAACS’2003). - Lviv (Ukraine), 2003. Р. 168 – 173.

18. Kochan R., Kochan V., Lee K., Sachenko A. Approach to Improvement the Network Capable Application Processor, Compatible with IEEE1451 Standard. Proc. of second IEEE internation. workshop on Intelligent Data Acquisition and Advansing Computing Systems (IDAACS’2003). Lviv (Ukraine), 2003. P. 437 – 441.

19. Kochan R., Niemeyer J., Kryloshanski E., Sachenko A., Boyko O., Kochan V. Іmproved temperature control system of secondary voltage standard based on Weston standard cells // Proc. of 10th IMEKO TC7 International Symposium. - Saint-Petersburg (Russia), 2004, P.404-408.

АНОТАЦІЇ

Кочан Р.В. Вдосконалення компонентів прецизійних розподілених інформаційно-вимірювальних систем. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.16 – Інформаційно-вимірювальні системи. Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка Національної академії наук України. Львів, 2005.

Дисертацію присвячено вдосконаленню компонентів інтелектуальних розподілених інформаційно-вимірювальних систем, в яких висока точність вимірювального каналу досягається корекцією похибок всіх його компонентів. Для цього синтезовано узагальнену структуру такої системи і досліджено її методом напівнатурного моделювання в пришвидшеному часі з допомогою синтезованого метрологічного програмного тесту, на базі чого сформульовано вимоги до вдосконалюваних компонентів: (і) комутатора напруги низького рівня; (іі) аналого-цифрових перетворювачів (високочутливого та завадостійкого); (ііі) мережевого прикладного процесора, сумісного з стандартом ІЕЕЕ-1451; (іv) сторожового таймера. Для тестування інтелектуальних систем вимірювання температури з допомогою термопар розроблено метрологічний програмний тест та двокаскадний цифро-аналоговий перетворювач. Розроблено та впроваджено системи вимірювання температури багатозонних термоагрегатів і робочого еталону Вольта забезпечують в 3…5 разів меншу похибку вимірювання температури порівняно з відомими системами.

Ключові слова: розподілені інформаційно-вимірювальні системи, прецизійні комутатори сигналів сенсорів, прецизійні аналого-цифрові перетворювачі, завадостійкість, метрологічний програмний тест.

Кочан Р.В. Совершенствование компонентов прецизионных распределенных информационно-измерительных систем. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.16 – Информационно-измерительные системы. Физико-механический институт им. Г.В.Карпенка Национальной академии наук Украины, Львов, 2005.

Диссертация посвящена совершенствованию компонентов интеллектуальных распределенных информационно-измерительных систем, в которых высокая точность измерительного канала достигается коррекцией погрешностей всех его компонентов. Для этого синтезировано обобщенную структуру такой системы и исследовано ее методом полунатурного моделирования в ускоренном времени с помощью синтезированного метрологического программного теста, на базе чего сформулированы требования к совершенствованным компонентам: (і) коммутатора напряжения низкого уровня; (іі) аналого-цифровых преобразователей (высокочувствительного и помехоустойчивого); (ііі) сетевого прикладного процессора, совместимого со стандартом ІЕЕЕ-1451; (іv) сторожевого таймера. Для тестирования интеллектуальных систем измерения температуры с помощью термопар разработано метрологический программный тест и двухкаскадный цифро-аналоговый преобразователь. Разработанные и внедренные системы измерения температуры многозонных термоагрегатов и рабочего эталона Вольта обеспечивают в 3…5 раз меньшую погрешность измерения температуры в сравнении с известными системами.

Ключевые слова: распределенные информационно-измерительные системы, прецизионные коммутаторы сигналов сенсоров, прецизионные аналого-цифровые преобразователи, помехоустойчивость, метрологический программный тест.

Kochan R.V. Improvement of the components of precision distributed information measurement systems. – Manuscript.

Thesis for the candidate’s degree in technical science on 05.11.16 – Informating-Measurement Systems – Karpenko Physico-Mechanical Institute of National Academy of Science of Ukraine, Lviv,