Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Министерство образования и науки УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УКРАИНЫ

"Киевский политехнический институт"

Кондратов Владислав Тимофеевич

УДК 621.317.088.8

Основы теории автоматической коррекции систематические

погрешностей измерения физических величин при

нестабильной и нелинейной функции преобразования датчика

05.11.15 - метрология и метрологическое обеспечение

05.11.01 - приборы и методы измерения механических величин

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Киев - 2001

Актуальность темы исследования.

Работа выполнена в Институте кибернетики им. В.М. Глушкова Национальной академии наук Украины.

Научный консультант заслуженный деятель науки и техники Украины,

доктор технических наук, профессор

Скрипник Юрий Алексеевич

Киевский государственный университет технологий и дизайна

Министерства образования и науки Украины

профессор кафедры автоматизации и комп ютерних систем

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Клейман Александр Самуилович

ГНПО "Метрология" Госстандарта Украины

заведующий лабораторией эталонов времени и частоты

доктор технических наук, профессор Поджаренко Владимир Александрович

Винницкий государственный технический университет Министерства образования и науки Украины

заведующий кафедрой метрологии и промышленной политики

доктор технических наук, профессор Себко Вадим Пантелеевич

государственный политехнический университет Министерства образования и науки Украины

заведующий кафедрой приборов и методов неразрушающего контроля

Ведущая организация

Харьковский технический университет радиоэлектроники Министерства образования и науки Украины, кафедра метрологии и измерительной техники, г.Харьков

Защита состоится 05.06.2001 г., В 15 часовна заседании

диссертационного совета Д26.002.07 Национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт" по адресу:

03056, Киев-56, пр. Победы, 37.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НТТУ "КПИ" по адресу: 03056, Киев-56, пр. Победы 37.

Автореферат разослан 04.05.2001 г..

И.о.. ученого секретаря

диссертационного совета Рыжков Л.М..

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В современном промышленном производстве важное значение имеют технологические измерения и их метрологическое по-печение. На долю контрольно-измерительных операций в народном хозяйстве приходится около 25% общественно полезного времени, а в прибо-достройке и точном машиностроении эта доля возрастает до 40%. От точности измерений, выполненных в процессе разработки, производства и испытания промышленной продукции в значительной степени зависят технико-эконо-мические показатели и качество промышленной продукции. Повышение точности ц-ровых измерительных приборов (ЦИП) является одним из метрологических резервов в общей работе, направленной на повышение качества продукции.

Для решения ряда научно-технических задач актуальной стала проб-лема обеспечения такой точности измерений, которую можно было бы сравнить только с точностью эталонных мер. Особое значение приобретают разработки новых подходов к решению проблем высокоточных измерений величин непохожей физической природы, теоретическое обоснование новых методов изме-рения с автоматической коррекцией ошибок и их практическая реализация. В 70-80-х годах были предложены и развиты новые методы повышения точности средств измерения и новые методы повышения точности ре-зультатов измерения физических величин (ФВ): методы образцовых мер, методы обратного преобразования, структурно-алгоритмические методы, тестовые методы и т.д. . Известные отечественные школы Ф.Б.Гриневича, П.П.Орнатського, О.С.Клей-Мана, Ю.А. Скрипника, С.М.Маевського, С.Г.Таранова, Ю.М.Туза, В.Д.Цы-Делком, Ю.Ф.Павленка и других ученых, которые решают задачи коррекции пока-бок электрических и неэлектрических величин и вносят весомый вклад в их раз-виток. Необходимо также отметить важную роль в развитии теории коррекции по-хибок ученых стран СНГ: Т.М.Алиева, Е.М.Бромберга, Л.И.Волгина, Е.И.Гитиса, М.О.Земельмана, К.Л. Куликовского, П.В.Новицького и их учеников.

В теории и практике измерений до сих пор достаточно полно разра-ленные и освоены методы коррекции погрешностей измерения электрических величин с помощью датчиков с линейной функцией преобразования (ФП). Для неелек-трических ФВ и за нестабильной и нелинейной ФП (ОФП) датчика эти методы не обеспечивают высокой точности измерения из-за существенной методической похиб-ки. Важной особенностью датчиков с НПФ является их высокая чувствительность при низкой себестоимости изготовления. Большие технологические различия значений парамет-ров (до 15% и выше) и их нестабильность не позволяют реализовать высокую чувствительность этих датчиков без использования специальных методов коррекции пока-бок. Существующие методы коррекции ошибок не решают общей метрологической проблемы повышения точности измерения неэлектрических величин с помо-щью датчиков с НПФ.

В связи с этим актуальным является дальнейшее развиток основ теории авто-тический коррекции систематических погрешностей результатов измерения вели чин различной физической природы по нелинейной и нестабильной ФП датчика, тео-ретичне обоснование и решение этой проблемы.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа ис-нана соответствии с планами исследований НАН Украины в области естественных на-ук, которые выполнялись по постановлению ГКНТ и Министерства общего маши-нобудування СССР (НИОКР "Автоматизированная комплексная система для авто-матичного измерения индукции магнитного поля электромеханических изделий (МАГНИТ-М) "1986-1990 гг.), в рамках" Программы фундаментальных и пои-ных исследований "от 7 августа 1992 г. (ЧТЗ № 6/147/1 темы" МИД-37-УА "МО Украины), НИР" Разработка макетов измерениеювально-преобразовательных каналов с универсальными датчиками ", шифр темы 2.216. 01 1992-94 гг.), по Государственной научно-технической программе ГКНТ 6.8" Обновление и создание современной материально-технической базы научных учреждений и ведущих вузов Украины "(о-ект 6.8.203-92 "Разработка и исследование приборов для измерения влажности и температуры окружающей среды и концентрации кислорода в жидкости", шифр темы КН.216.04, 1992-1993 гг .; проект 6.8.280-92 "Разработка и исследование многоканальной информационно измерительных системы ", шифр темы КН.216.05, 1992-1993 гг .; проект 6.8.2 63-92 "Разработка и исследование портатив-ного измерителя жирности молока" (шифр темы КН.216.06, 1992 - 1994 гг.) В рамках Государственной научно-технической программы "Приборостроение Украины" (проект "Цифровой измеритель концентрации фенола в жидкости") , шифр темы ИП. 216. 03 1992-1994 гг. и проект 2.2.6.17 "Разработка измерителя концентра-ции поверхностно-активных веществ в воде", 1994-1996 гг.), в рамках Государственной научно-технической программы 5.07 (приказ ГКНТ Украины № 43 от 15 марта 1995) проект 05.07.00 / 364-95 "Разработка и внедрение электронного пор-тативного измерителя жирности молока "(Шифр темы КН.216.08, 1995-1996 гг.), По научным планам Института кибернетики им. Глушкова НАН Украины (НИР "Разработка и исследование автоматизированной системы контроля частотно-дисперсионных свойств новых материалов и веществ", шифр темы КН. 216. 07 1994-1996 гг., И НИР "Разработка интеллектуальных цифровых датчиков", шифр темы ВФ.215.01, 1996-1999 гг).

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является создание основ теории автоматической коррекции систематических погрешностей результатов измерений ния величин различной физической природы с нестабильной и нелинейной ФП дат чика, в том числе: разработка и теоретическое обоснование фундамента, основ, основных положений, основ теории и ее двух ветвей, разработка базовой совокупности методов и алгоритмов системной линеаризации общей функции преобразования (сФП) ЦИП, разработка и исследование методов нормированных направленных воз-вов (МНО-методов) и уравнений избыточных измерений контролируемых фи-зических величин (КнФВ), оценка эффективности автоматической коррекции ошибок, а также разработка, исследование и практическое решение существенных прикладных задач на базе этой теории.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:

1. Анализ, обобщение и разработка необходимой и достаточной базовой

совокупности классификаций физических систем (ФС) и процессов, типов связей между структурными элементами ФС, типов направленных воздействий, типов информативной избыточности, типов датчиков, свойств НФП, методов систем ной линеаризации ОФП ЦИП, методов создания информативной избытком -вост, методов определения оптимальных значений приростов ФВ, путей и методов повышения точности измерения, МНО-методов избыточных вы-мирювань т.

2. Обоснование выбора как научного фундамента методологии сис-темного подхода, информативной избыточности, инвариантности и систем ной линеаризации; создание первооснов и основных положений теории; виз-начение продолжительности локального участка графика НФП вблизи рабочей точки и ее минимизация; определение основных соотношений между приростами вход ной и выходной величинами датчика и параметрами его НФП; разработка подхода и получения необходимых и достаточных условий выбора значений Бинар-ных приростов ФВ и коэффициентов локальной линеаризации (КЛЛ).

3. Создание основных положений теории, в том числе: разработка ма-тематических моделей МНО-методов избыточных измерений и основных подходов к решению задач автоматической коррекции систематических пока-бок с нелинейной и нестабильной ФП датчика; установление закономерных связей между контролируемой и корректирующие ФВ при различных НПФ; раз-работка правил подбора КрФВ; разработка неитерационные и итерационных методов определения оптимальных по размеру бинарных приростов ФВ и их клас-си фи ка ция, разработка методов определения оптимальных значень КЛЛ и др.

4. Создание основ теории, а именно: разработка методов системной линеары-зации ОФП ЦИП, в том числе функционально-алгоритмических (ФАЛ-методов) разработка и исследование МНО-методов избыточных измерений с авто-ческой коррекцией систематических погрешностей результатов измерения ФВ при элементарных, сложных и составных ФП датчика, причем как на основе ал-горитмичних (ал) методов так и на основе ФАЛ-методов системной линеары-зации ОФП; разработка методов и алгоритмов оценки эффективности автоматической коррекции ошибок, получение уравнений избыточных измерений, уравнений погрешностей, уравнений числовых значений как для определения действительных значений КнФВ, так и реальных значений параметров НФП, значений квадрата и куба КнФВ т.

5. Решение существенных прикладных задач измерения ФВ с ис-ванием этой теории, а также разработка базовых структур ЦИП, которые реализуется ют МНО-методы избыточных измерений.

Научная новизна полученных результатов. Впервые научно обгрунтова лишь заложен фундамент и разработаны основы теории, основные положения и основы теории автоматической коррекции систематических погрешностей результатов изме-рения ФВ по нелинейной и нестабильной ФП датчика. Впервые разработаны соответствующие основные понятия и определения теории, методология автоматической ко-рекции систематических погрешностей для различных типовых НФП датчика. Дальнейшее развитие получили вариационные методы решения систем когерентных нели-ней не уравнений величин, обеспечивающих получение уравнений числовых значений для определения действительных значений КнФВ. Впервые проведена систематизация и разработана классификация исследовательских ФС, типов датчиков, типов свя-ков между структурными элементами ФС, направленных нормированных воздействий, с помощью которых достигается избыточность, типов корректирующих величин, собствен-тивостей НФП, путей и методов повышения точности, МНВ- методов авто-ческой коррекции систематических погрешностей и др. Дальнейшее развитие получила проблема системной линеаризации, которая нашла свое отражениея в разработке и классификации ФАЛ-методов системной линеаризации ОФП ЦИП.

Теоретическая ценность новой теории заключается в следующем:

1. Разработан прочный фундамент теории автоматической коррекции систе-прагматических ошибок результатов измерений ФВ при НФП, который объединяет методологию системного подхода, принцип инвариантности, информативную избыточность и системную линеаризацию общей ФП ЦИП.

2. Создан обобщенную аналитическую модель процесса избыточных вы -

мирювань КнФВ при НФП датчика на базе систем когерентных нелинейных

уравнений и предложены пути решения этих систем.

3. Разработана теория автоматической коррекции систематических погрешностей результатов измерения ФВ при НФП датчика дает возможность предложен-полнять и внедрить в измерительную технику новую концепцию создания высокочувствительных датчиков с управляемыми параметрами для широкого класса НФП и расширить класс измерительно-преобразовательных задач.

4. Разработаны и обоснованы необходимые и достаточные условия выбора

нормированных по значению бинарных приростов ФВ и КЛЛ, а также методы

определения их оптимальных значений для минимизации методических погрешностей.

5. Аналитически обоснована необходимость и целесообразность выбора при избыточных измерениях таких КрФВ, размеры которых связаны между со-бою как члены арифметического и / или геометрического ряда. Это обеспечивает вы-решения проблемы коррекции и получения уравнений избыточных измерений.

6. Разработанные МНО-методы и уравнения избыточных измерений без и с преобразованием масштаба по осям координат обеспечивают автома-на коррекцию систематических погрешностей для большинства известных НФП датчика (квадратурной, кубической, степенной, показательной и т.д.) и получения сис-темного эффекта по повышению точности измерения этими методами .

7. Расширено понятие функции эффективности коррекции (ФЭК) система политических ошибок при НФП датчика. Установлено два подхода к определению значений ФЭК с непосредственным и косвенным использованием результатив вы-мирювання ФВ, что дает возможность сравнивать между собой различные методы ко-рекции систематических погрешностей.

8. Разработанные теория и МНО-методы избыточных измерений обеспе-щих получения системного эффекта по повышению точности резуль-татов измерения ФВ на 2-3 порядка.

Практическое значение полученных результатов диссертационной работы по-ложится в следующем:

разработка инженерных приложений основ теории (формул, алгоритмов, зависимостей, уравнений избыточных измерений, уравнений погрешностей, ров ностей, графиков, условий и т.п.);

разработка МНО-методов избыточных измерений и доведенных до ин-женерного использования уравнений числовых значений, обеспечивающих авто-тический коррекцию систематических погрешностей результатов измерения ФВ по степенной, показательной, параболическими, мелко-линейный (Гипербий-лично), эллиптическими и другими НПФ датчика;

возможности получения не только действительного значения КнФВ, но и ее квад-рата, куба и т.п. с автоматической коррекцией ошибок, а также действительных значений параметров НФП датчика и тех погрешностей, корректируются;

использование формул замены величин и ФАЛ-методов линеаризации общей ФП ЦИП;

создание новой методологии построения интеллектуальных структурно-избыточных датчиков и биосенсоров с прямым и инверсным входами, би-нарных чувствительностью и с нормировано управляемыми параметрами НПФ;

создания принципиальных схем и базовых структур ЦИП с автоматической коррекцией ошибок результатов измерения ФВ с использованием однокрис-талевых микро-ЭВМ.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебных процессах ря-ду вузов Украины и научно-исследовательских и опытно-конструкторских ра-тах, которые были выполнены и использованы на предприятиях Минмашбуду Украины, ГКНТ Украины (в частности в Технологическом университете "Полесье", жи томирському инженерно-технологическом институте, АО "ИРВА" (г.Киев), Чер-каско НПО "Ротор" и т.д.), а также в научно-исследовательских работах, которые проводились в лаборатории научного приборо-строительство Института киберне-тики им. Глушкова НАН Украины.

Личный вклад соискателя. Научные положения и прикладные резуль-таты, содержащиеся в диссертационной работе, соискатель получил самостоятельно. В научных трудах, написанных в соавторстве, непосредственно диссертанту нале-жить следующее: в [2-4, 6, 7, 9-11, 13, 30, 42-45] - математическое описание методов вы-мирювання, разработка структурных схем измерителей и описание их работы, в [15] - обоснование методов и выбор алгоритмов обработки результатов измерений. В материалах [34-39] идеи изобретений принадлежат соавторам равной степени.

Апробация результатов диссертационной работы. Основные положения робо-ты докладывались и обсуждались на 32 научных и научно-технических конференциях, совещаниях, семинарах всесоюзного, республиканского и ведомственного уровней, в том числе на 12 международных научных конференциях. Основные из них: II Всесоюз. конф. "Метрологическое обеспечение ИИС и АСУТП" (Львов, 1988); III Всесоюз. совещание "Точные измерения энергетических величин: пере-менного тока, напряжения, мощности, энергии и угла фазового сдвига" (Ле-нинград, 1988); Всесоюз. науч.-техн. конф. "Развитие и внедрение новой техни-ки радиоприемных устройств обработки сигналов" (Горький, 1989); II Всес-юз. научно-техн. конф. "Измерение параметров формы и спектра радиотехны-ческих сигналов" (Харьков, 1989); Всесоюз. конф. "Методы обработки много-мерных сигналов в измерительных системах" (Одесса, 1991); Всесоюз. научно-техн. конф. "Структурно-алгоритмические методы повышения точности ра-диоизмерительных приборов и систем" (Севастополь, 1991); 7-й симпозиум "Проблемы создания преобразователей формы информации" (Киев, 1992); научно-техн. конф. стран СНГ "Измерительная техника в технологических про-цессом и конверсии производств" (Хмельницкий, 1992); II научно-техн. конф. "Измерительная и вычислительная техника в технологических процессах и конвер-сии производств" (Хмельницкий, 1993); I Украинский научно-техн. конф. "Метро-логическое обеспечение в вбласти электрических, магнитных и радиотехничес-ких измерений" (Харків, 1994); Перші міжнародні читання "Новые техноло-гии, материалы, оборудование (исследования, разработки, внедрение): посвя-щаются памяти М.П. Носова (Київ, 1995); Українська наук.-техн. конф. "Мет-рологическое обеспечение средств измерения больших длин и средств измере-ний геодезического назначения" (Харків, 1996); 6th Intern. Symp. on "Measu-rement and Control in Robotics (Brussels, Belgium, May, 9-11, 1996); Joint Conf. "IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference & IMEKO Technical Committee 7" (Brussels, Belgium, June, 4-6, 1996); 3rd Intern. Symp. on Measurement and Control in Robotics. AMMA-Via Vela 17 (Torino, Italy, September, 21-24, 1993); 4th Intern. Symp. on Measurement and Control in Robotics (Smolenice Castle, Slovakia, June, 12-16, 1995); Intern. Conf. on Quality Control by Artificial Vision (November, 10-12, 1998, Takamatsu, Kagawa, Japan); Intern. Symp. on "New Measurement and Calibration Methods of Electrical Quantities and Instruments (Budapest, Hungary, September, 16-17, 1996); 2d Japan-France Congress on Mechatronics (Takamatsu, Kagawa, November, 1-3, 1994); 3rd France-Japan Congress & 1st Europe-Asia Congress (October, 1-3, 1996).

Публікації. Основні положення та результати дисертації викладені в 156 наукових працях, у тому числі в 33 статтях фахових видань, 38 автор-ських свідоцтвах, 13 патентах України й Росії, 3 препринтах, 69 матеріалах і тезах доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, се-ми розділів, висновків, бібліографічного списку із 196 найменувань. Загаль-ний обсяг - 501 сторінка тексту. На 134 сторінках розміщені 60 рисунків, 38 таблиць, список літератури. Одинадцять додатків оформлені в окрему час-тину (книгу) на 791 сторінку.

ОСНОВНИЙ Зміст роботи

У вступі викладені основні уявлення щодо

Загрузка...

Страницы: 1 2 3 4