Размещено на http://www.allbest.ru/

ІФНТУНГ

Оцінка апаратурних засобів адаптивної оптимізації автоматизованих систем контролю та діагностики

вул. Карпатська, 15, м. Івано-Франківськ, 76019, тел. 4-80-00

Анотації

Рассмотрены вопросы практической реализации квазиоптимального приема дискретных сообщений с искажениями и минимизации межканальных помех в многоканальных вторичных преобразователях

Questions of practical realization of discrete messages' optimumreception with distortions and minimization of interchannel handicapes in multichannel secondary converters are considered in the article

У зв'язку з тим, що передача даних в розосереджених системах контролю параметрів об'єктів в нафтогазовій промисловості завжди діє в умовах недостатньої апріорної інформації про властивості завад в каналах, апаратурні засоби таких систем повинні підлаштовуватись до конкретних умов функціонування, тобто бути адаптивними. Актуальність проблеми проектування сучасних схем контролю і діагностики диктується також значним підвищенням вимог до їх характеристик і параметрів, основними з яких є завадозахищеність та ефективність. Їх реалізація досягається удосконаленням методів формування, передачі і обробки інформації.

Значні успіхи у вирішенні цих завдань досягнуті в сучасній теорії і техніці зв'язку. Однак специфіка систем контролю і діагностики полягає в неминучому застосуванні процедур вимірювання величин, значення яких сумірне з завадами природного і штучного походження. Тому оптимізація таких систем на основі сучасних положень теорій завадозахищеності, інформації та кодування є не завжди конструктивною при реалізації, або їх реалізація має труднощі.

Застосування різноманітних методів комбінованих типів модуляції і кодування сигналів датчиків та вибір привабливого методу обробки інформації в багатоканальних автоматизованих системах контролю технологічних параметрів промислових об'єктів розглянуті в [1,2].

Відзначено, що при статистично-обчислювальному усередненні сигналів і оптимальному узгодженні перетворювачів в багатоканальних цифрових системах контролю та діагностики можна досягнути значного виграшу в точності при високій швидкодії, надійності і завадозахищеності порівняно з іншими методами.

Суть методу полягає в обміні запасу швидкодії на підвищення точності системи при незмінному загальному часі процесу вимірювання величин. Граничні можливості методу визначаються, з одного боку, значенням “мертвого” часу пристроїв, при якому похибка вимірювання збільшується до , а, з іншого боку, - періодом повторення дії завади і зазвичай залежать від імовірного значення середньоквадратичної похибки окремого вимірювання.

Як відомо, в основі оптимального алгоритму виявлення корисних сигналів у вторинних перетворювачах вимірювальних пристроїв найчастіше застосовується операція визначення скалярного добутку сигналів [3,4].

При адитивній суміші корисного сигналу і завади на вході

вихідний сигнал перетворювача описується рівнянням:

де: -- опорні сигнали; і -- спектри інформаційних і опорних сигналів; -- тривалість сигналу.

Якщо -- рівномірні цифрові повідомлення з однаковою енергією, а , то вихідний сигнал перетворювача, що визначається функцією взаємної кореляції між тими складовими вхідного сигналу та всіма тими опорними сигналами , буде за значенням максимальним

Такі перетворювачі реалізуються або на основі кореляторів із часовим розподілення каналів з опорними сигналами , або на цифрових узгоджених фільтрах (з частотним поділом каналів) з імпульсною реакцією , [5-7], де - постійний множник.

В цих перетворювачах математично і фізично опорні сигнали в часовому і частотному просторі доцільно реалізовувати у вигляді поліномів Лежандра, Лаггера, Ерміта, Уолша та інших [8]

де: -- коефіцієнти розкладання вагової функції в кореляторах або регульовані коефіцієнти передачі узгодженого фільтра; -- базисні ортогональні функції поліноміальних рівнянь;

порядок інтерполяційного полінома.

В кореляторах базисні сигнали створюються спеціальним генератором, а в перетворювачах із узгодженими фільтрами визначають коефіцієнти передачі фільтра.

При спотворенні вхідного сигналу

отримуємо

де:

-- коефіцієнт передачі фільтра перетворювача.

Сукупність параметрів при утворює матрицю , яка відрізняється від матриці вихідного сигналу перетворювача при відсутності спотворень. Похибку визначення параметрів корисного сигналу можна розрахувати із рівняння [3]

.

Вона дорівнює:

при часовому розділенні каналів

,

при частотному розділенні каналів

,

де:

-- множина частот, що охоплює простір спектра сигналу на виході; -- передавальна функція каналу для корисного сигналу;

-- імпульсна реакція каналу; -- спектр адитивного шуму; -- момент відліку сигналу ().

Вирази для за формою для обох систем не відрізняються один від одного. При заданих , і , величина є багатомірною вигнутою вниз функцією змінних , тобто мінімізація величини зводиться до отримання оптимального мінімуму функції багатьох змінних. Оптимізація процесу знаходження мінімуму величини може бути здійснена таким вибором вагових функцій , щоб за спектром вони найменш відрізнялись від . Ця операція є операцією адаптивного регулювання величини і встановлення таких регульованих коефіцієнтів , щоб

; ;

З точки зору простоти технічної реалізації знаходження мінімуму краще виконувати за алгоритмом скорішого спуску, який зводиться до одночасної зміни всіх коефіцієнтів на величини, що пропорційні компонентам градієнта функції і протилежні за знаком.

Структурні схеми обох систем (з розділенням каналів за часом і частотою) реалізуються на однотипних пристроях: коректуючого блока і блока настройки. Коректуючий блок складається з регуляторів зміни коефіцієнтів передачі і каскаду (генератора) базисних коефіцієнтів передачі (сигналів). До блока настройки входять генератор еталонних імпульсів (ГЕІ), блок порівняння сигналів та управляючий блок. Управляючий блок порівнює між собою вхідний і вихідний сигнали перетворювача і після накопичення сигналу розбалансу в накопичуючому пристрої (НП) змінює параметри регуляторів.

При виборі структурної схеми вторинних вимірювальних перетворювачів систем контролю з оптичними каналами передачі інформації перевагу слід надавати перетворювачам з частотним розділенням каналів (рис.1). Це пояснюється тим, що через вибірність фільтрів в перетворювачах з частотним розділення каналів міжканальні перехідні завади не залежать від передавальної функції тракту. На противагу цьому в перетворювачах з часовим розділенням каналів в них породжується паразитна інтерференція сигналів. Для боротьби з нею вводять захисні інтервали часу між виборкою сигналів, що призводить до неефективного використання частотного діапазону перетворювача. квазіоптимальний перетворювач багатоканальний

Доведення цього твердження розглянуто в [9] на прикладі двоканальної системи, в якій існують ортогональні нормовані сигнали і з ортогональними спектрами і ,

Перехідна міжканальна завада визначається з рівняння

де

При нормуванні в межах що означає відсутність перекриття АЧХ фільтрів, отримуємо Але у зв'язку з непрямокутністю АЧХ реальних реалізацій фільтрів

для

де - коефіцієнти передачі АЧХ фільтрів обох каналів на частоті , де перетинаються їх частотні характеристики (рис. 2). На рисунку позначені точки, що відповідають ідеальним перетворювачам з частотним і часовим поділом каналів.

Рисунок 1 -- Структурна схема адаптивного оптимального перетворювача з частотним розділенням каналів

В той же час відомо, що збільшення вибірності фільтрів завжди призводить до підвищення групового часу затримки сигналу. Залежність від часу затримки фільтра можна визначити із рівняння

Рисунок 2 -- Перехідна міжканальна завада

Результати розрахунку цієї залежності при і зображені на рис. 3.

Наведені результати дають змогу розв'язати задачу синтезу оптимального перетворювача цифрових повідомлень при дії на них термодинамічних шумів і завад, що призводять до лінійних спотворень корисного сигналу при заданих значеннях вибірності цифрових фільтрів і групового часу затримки сигналу.

Рисунок 3 -- Залежність перехідних завад від часу затримки фільтра

Література