Устройство для контроля объектов Советский патент 1992 года по МПК G06F15/46 

ния, накапливающие сумматоры 8, 12, группы элементов И 9,13,16, блок 15 вычитания, индикатор 17, генератор 18 тактовых импульсов, делитель 19 частоты и группу блоков 20 подавления помех. Устройство обеспечивает фильтрацию помех во входном сигнале с использованием автоматической подстройки. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для оценки технического состояния контролируемого объекта и прогнозирования времени вывода его на профилактику. Цель изобретения - повышение точности и достоверности контроля. Устройство содержит группу датчиков 1, коммутатор 2, блок 3 нормализации, аналого-цифровой преобразователь 4, накопитель 5, задатчик 6 коэффициентов экстраполяции результатов измерений, задатчик 10 оценки результатов измерений и задатчик 14 эталонов, блоки 7, 11 умноже

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для оценки технического состо- яния контролируемого обьекта и прогнозирования момента вывода его на профилактику.

Известно устройство для контроля технического состояния радиоэлектронных объектов, содержащее датчики параметров, коммутатор, нормализатор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый и второй блоки умножения, ключи с первого по седьмой, первый и второй блоки суммирования, блок алгебраического суммирования, блок памяти, блок задания эталонов, блок задания коэффициентов сглаживания, регистр сдвига, блок индикации, генератор тактовых импульсов и делитель частоты. В данном устройстве аппаратурно реализован метод последовательного экспоненциального сглаживания параметров для расчета оцененного и экстраполированного его значения 1.

Недостатками известного устройства являются сравнительно низкие точность и достоверность контроля, что обусловлено существенным влиянием уровня помех (ошибок измерения) на качество контроля.

Известен преобразователь цифровых сигналов в аналоговые, содержащий генератор тока, переключатель тока, суммирующий операционный усилитель и схему подавления помех, состоящую из дифференцирующей цепи, частотно-компенсированного делителя и операционного усилителя 2.

Недостатком известного преобразователя является низкая эффективность подавления помех, обусловленная отсутствием адаптации (оперативной перестройки) параметров схемы к изменению частотных спектров полезного сигнала и помехи, к тому же степень подавления помех в дан ном устройстве очень чувствительна к параметрам схемы (требуется острая настройка).

Кроме того, данную схему невозможно использовать для подавления помех по нескольким независимым информационным входам при произвольных амплитудно-частотных спектрах полезного сигнала и помехи в каждом из входов.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для контроля радиоэлектронных объектов, содержащее группу датчиков, коммутатор, блок нормализации, АЦП, накопитель, два задатчика коэффициентов, два блока умножения, два накапливающих сумматора, три группы элементов И,

задатчик эталонов, блок вычитания, индикатор, генератор тактовых импульсов, делитель частоты 3.

Недостатком данного устройства является существенная зависимость достоверности и точности контроля от уровня помех при измерении параметров объекта.

Цель изобретения - повышение точности и достоверности контроля за счет фильтрации помех во входном сигнале с

использованием автоматической подстройки.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для контроля радиоэлектронных объектов, содержащее группу датчиков,

коммутатор, блок нормализации, АЦП, накопитель, задатчики коэффициентов экстраполяции и оценки результатов измерений, первый и второй блоки умножения, первый и второй накапливающие сумматоры, три

группы элементов И, задатчик эталонов, блок вычитания, индикатор, генератор тактовых импульсов, делитель частоты, введена группа блоков подавления помех по числу контролируемых объектов, причем

каждый блок подавления помех содержит . узел выделения помех, элемент задержки, узел вычитания, узел измерения уровня остаточного шума и узел регулирования амплитудно-частотной характеристики (АЧХ)

фильтра.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства; на фиг.2 - диаграмма синхронизации работы блоков устройства; на фиг.З - графики АЧХ, спектра полезного сигнала и

спектра помехи; на фиг.4 - передаточная функция и логарифмическая АЧХ дифференцирующей цепочки.

Устройство содержит группу датчиков 1, коммутатор 2, блок 3 нормализации, аналого-цифровой преобразователь 4, накопитель 5, задатчик 6 коэффициентов экстраполяции результатов измерения, первый блок 7 умножения, первый накапливающий сумматор 8, первую группу 9 элементов И, задатчик 10 коэффициентов оценки результатов измерений, второй блок 11 умножения, второй накапливающий сумматор 12, вторую группу 13 элементов И, задатчик 14 эталонов, блок 15 вычитания, третью группу 16 элементов И, индикатор 17, гене- ратор 18 тактовых импульсов, делитель 19 частоты, группу блоков 20 подавления помех по числу контролируемых объектов, причем каждый блок подавления помех содержит узел 21 выделения помех, элемент 22 задержки, узел 23 вычитания, узел 24 измерения уровня остаточного шума, узел 25 регулирования АЧХ фильтра.

Устройство работает следующим образом,

Генератор 18 и делитель 19 выполняют функции синхронизатора устройства. Синхронизатор вырабатывает сигналы

.{A} Ai,A2A| ;{C} Ci,C2Cm;

{S}-81,82.83,84.

которые задают последовательность обработки информации о параметрах системы и синхронизируют работу узлов устройства. Группа датчиков представляет собой совокупность LTTI датчиков-измерителей параметров, информация от которых в аналоговой форме в виде изменяющегося уровня (амплитуды) тока (напряжения) поступает на блоки подавления помех.

Входной сигнал Uj1, поступающий от J- го датчика, является непрерывной во времени аддитивной смесью полезного сигнала Vj

и помехи Јj

+ .

При этом случайные процессы для различных параметров независимы, а ошибки измерения каждого из параметров в произвольный момент времени распределены по нормальному закону с нулевыми математи- ческими ожиданиями и известными дисперсиями .

Входной сигнал Uj1 поступает на узел 21 выделения помех и элемент 22 задержки. Узел 21 служит для того, чтобы с минималь-

ными искажениями выделить помеху Јj, не пропустив при этом полезный сигнал Vj. Селективные свойства блока 21 основаны на различии в спектрах полезного сигнала и

помехи. Если спектр полезного сигнала группируется в низкочастотной области (фиг.З), то спектр помехи группируется главным образом в высокочастотной области. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) блока 21 должна обеспечивать беспрепятственное прохождение только помехи. В качестве блока выделения флюктуации в простейшем случае может использоваться дифференцирующая цепочка RC с автоматически регулируемой величиной емкости С. На фиг.4 показаны принципиальная электрическая схема, передаточная функция и логарифмическая АЧХ дифференцирующей цепочки. Из выражения для передаточной функции видно, что подбором номиналов R и С можно обеспечить произвольное значение граничной частоты ufc (фиг.З). Так как в обшем случае полезные сигналы различных измеряемых параметров имеют различные спектры, то и номиналы цепочек RC по различным входам различны. В узле 23 вычитания формируется сигнал Uj, близкий к разности аналоговых сигналов

Uj«Uj1-Јj1.

Элемент 22 задержки служит для задержки входного сигнала на время, равное запаздыванию выходного сигнала узла 21 относительно входного. Запаздывание обусловлено инерционными свойствами дифференцирующей цепи RC и тем больше, чем больше значения номиналов R и С (ориентировочно 3RC). Элементы задержки дол- жны быть регулируемыми, на этапе настройки устройства для каждого из контролируемых параметров должна быть выставлена своя задержка, обеспечивающая

совмещение во времени сигналов Ј/ и Uj (не забывая, что оба сигнала являются непрерывными аналоговыми). Индикатором правильности настройки может служить достижение минимального уровня помех на выходе узла 23 вычитания.

Сигнал Uj на выходе блока 20 подавления помех отличается от полезного сигнала Vj на случайную величину fj, которая как и

исходная помеха §1, имеет нулевое математическое ожидание, однако дисперсия у нее существенно меньше

С&зм «(%

;ИЗМ

Узлы 24 и 25 представляют цепь обратной связи, которая служит для точной автоподстройки с целью минимизации значения

. При этом в узле 24 производится измерение уровня шума с учетом фазы отклонения от некоторого среднего уровня, выходное напряжение с выхода узла 24 в узле 25 усиливается, преобразуется в нужную форму и через исполнительный орган непосредственно воздействует на регулируемый орган узла 21 выделения помех - АЧХ фильтра.

В случае использования в качестве узла 21 дифференцирующей цепочки регулируемым блоком может являться переменная емкость С. Для этих целей могут использоваться варикапы типов КВС-111, КВ-102 и другие с диапазоном перестройки емкости до нескольких сотен пикофарад. В целом реализация цепи автоподстройки в узлах 24 и 25 аналогична известным цепям шумовой автоматической регулировки усиления (ША РУ), широко используемым в радиотехнических цепях и измерительной технике.

Таким образом, назначение блока 20 заключается в существенном уменьшении уровня помех во входном сигнале или, точнее, в уменьшении дисперсии помеховой составляющей (ошибок измерения) во входном сигнале.

Узел 23 вычитания двух аналоговых величин целесообразно реализовать на базе операционного усилителя с большим коэффициентом усиления (не менее 10000) и цепью отрицательной обратной связи через резистор. На два входных резистора операционного усилителя подаются уменьшаемое и вычитаемое. Подбором номиналов входных резисторов при этом компенсируется различие в степени ослабления сигналов при прохождении через блоки 21 и 22.

Коммутатор 2 осуществляет поочередной опрос выходов Lm блоков подавления помех и состоит из L-m схем электронной селекции, на каждый из которых поступают сигналы: от своего блока подавления помех; управляющие сигналы опроса {А} и {С}; сигналы синхронизации $2. Коммутатор выполнен на микросхемах типа КИО КТ 2 или КР 590 КН 2. Блок 3 нормализации осуществляет представление различных электрических величин контролируемых объектов в определенный масштаб напряжения и реализуется на операционном усилителе с изменяемым коэффициентом усиления. Последний автоматически устанавливается управляющими сигналами {А}, {С} в интервале действия сигнала S2. Изменение коэф- фициента усиления производится коммутацией резисторов в цепи обратной связи усилителя. АЦП 4 преобразует напряжение с выхода нормализатора в цифровой двоичный код. Накопитель 5 производит запись и хранение значений последних N измерений по каждому из m параметров всех L объектов контроля. Накопитель содержит L-m -N ячеек памяти. Записью и считыванием слов в накопителе управляют сигналы {А}, {С}, $2 и 5з делителя 19 частоты.

В блоке 11 умножения и втором накапливающем сумматоре 12 производится расчет оцененного значения j-ro параметра Uj

в соответствии с выражением

К

2, aiUij,-i 1,N;j 1,m,

i 1

(1)

где N - объем выборки (количество измерений);

Uij - результат 1-го измерения j-ro параметра;

а; - коэффициент оценки результата i-ro измерения.

В блоке 7 умножения и в первом накапливающем сумматоре 8 производится расчет экстраполированного значения j-ro

параметра Uj9 в соответствии с выражением

u.-i

и

1

aiaUij; i 1,N; j i,m, (2)

где ais - коэффициент экстраполяции результата i-ro измерения,

Значения коэффициентов ai и для каждого 1-го измерения рассчитываются предварительно на основании выражений

40

ai

61 -2N -2 (N + 1 ) N

, - 3(N +2)(N+3)-2l(4N+7) + 10l2 3|эN(N-1)(N-2)

Для записи и хранения коэффициентов ai и используются задатчики 10 и 6 соответственно, которые выполняют функции полупостоянных ЗУ емкостью N слов каждая.

В блоке 15 вычитания рассчитываются величины и знаки отклонений Д контролируемых параметров Uj от их номиналов (эталонов) UHj

55

AJ Uj - UHj.

(3)

Значения номиналов UHj хранятся в за- датчике 14 эталонов и по сигналам {А} и {С} делителя 19 частоты выдаются на блок 15 вычитания. Задатчик эталонов является постоянным запоминающим устройством емкостью LTTI ячеек памяти.

Индикатор 17 используется для визуальной оценки результатов контроля. По каждому параметру на индикаторе отобра- жается номер параметра объекта, верхние и нижние допуски отклонения от номинала, текущие отклонения оцененного значения Д- и прогнозируемое значение.

За счет расчета оцененного значения параметра Uj по выражению (1) удается снизить дисперсию на выходе блока 20 подавления помех до следующих значений дисперсий на выходе сумматора 12:

если параметр во времени описывается полиномом первой степени

2 ( 2N - 1 ) . ol-ойзм NVN+1f если параметр во времени описывается полиномом второй степени

лЗ-п2 . 3(3N2-3N+2) ,, 02-ОЙзм N(N + 1)(iM+2) W

Из выражений (4) и (5) следует, что с увеличением объема выборки N (N 3) дисперсия ошибок уменьшается.

После преобразования с выхода АЦП 4 двоичный код результата измерений j-ro параметра 1-го объекта записывается в накопитель 5, где хранится в течение N смежных циклов измерения. В такте Зз происходит считывание всех N измеренных значений параметра из накопителя 5 на блоки 11 и 7 умножения. Одновременно из задатчика 10 на второй блок 11 умножения считываются значения коэффициента ai, а из задатчика 6 на первый блок умножения 7 - значения коэффициентов . Полученные на выходах умножителей произведения arUij и ais Uij согласно выражениям (1) и (2) складываются соответственно на накапливающих сумма- торах 12 и 8.

В такте $4 оцененное значение параметра Uj с выхода сумматора 12 через вторую труп пу элементов И 13 выдается на блок 15 вычитания, где в соответствии с выраже- нием (3) сравнивается с его эталонным значением UHJ, считываемым из задатчика 14 эталонов.

Экстраполированное значение параметра Ujs с выхода первого накапливающе- го сумматора 8 через первую группу элементов И 9 передается на индикатор 17, где запоминается, преобразуется в аналоговую форму и в следующем такте Si поступает на отображение. В этом такте через

5

10

15

20

25

30

35 40 45

50

третью группу элементов 16 на индикатор 17 принимается величина AJ, которая отображается после аналогичного преобразования.

Одновременно с этими величинами осуществляется индикация границ допустимого значения параметра, формируемых в самом индикаторе 17.

В качестве задатчиков (блоки 6, 10, 14) целесообразно использовать постоянное ЗУ, что позволяет уменьшить время обращения (например, ПЗУ на микросхемах К 1607 РФ 1, К 1801 РЕ 1, К 1809 РЕ 1, К 573 РФ 3, К 501 РЕ 1 П). В качестве накопителя (блок 5) можно использовать микросхемы 132 РУ 1.185РУ4, 185 РУ 5, 541 РУ 1, матрицы ОЗУ К 176 РМ 1, КР507РМ 1.

В качестве блока 15 вычитания целесообразно использовать микросхемы 155 ИМ 1, 155 ИМ 2, 134 ИМ 5, К 176 ИМ 1, 564 ИМ 1, в качестве накапливающих сумматоров (блоки 8, 12)-микросхему К 502 ИС 1.

В качестве элемента задержки (блок 22) можно использовать серийно выпускаемые линии задержки следующих типов: МЛВ-1- 600, МЛЗ-0,5-600, МЛЗ-1-1200. МЛЗ-0,5- 1200. Все указанные линии задержки позволяют изменять время задержки с дискретностью 0,1 или 0,2 мкс.

В качестве базового объекта, имеющего аналогичную с прототипом структуру и функции, может быть принята система контроля и диагностирования СС-10, изготавливаемая датской фирмой СТЛ для судовых дизелей.

Технический эффект от использования предлагаемого устройства заключается в повышении точности и достоверности контроля за счет фильтрации помех во входном сигнале. Для количественной оценки выигрыша необходимо сопоставить значение дисперсий помеховых составляющих на входе и выходе устройства. Для определенности положим, что в качестве узла 21 выделения помех используется дифференцирующая цепь.

Если дисперсию помех (ошибок измерения) на входе устройства положить за 1, то использование цифровой обработки результатов измерений по методу фиксированного объема выборки позволяет снизить дисперсию ошибок оцененных значений параметров до значений 0,32-0,8. Указанный диапазон соответствует значениям N от 5 до 10 при описании параметра полиномами первой и второй степени. Таким образом, использование указанной системы в базовом объекте позволяет уменьшить дисперсию в среднем в 2 раза.

В предлагаемом устройстве оставлена по существу без изменения цифровая фильтрация, характерная для базового объекта, и связанное с этим уменьшение дисперсии в среднем в 2 раза. В предлагаемом устройстве входной сигнал дополнительно подвергается аналоговой фильтрации помех. Исходя из принципа работы блока 20 подавления помех, степень подавления помех определяется тем, насколько чисто узел 21 выделения помех восспроизведет помеху и не пропустит полезный сигнал. Исходя из частотных характеристик дифференцирующей цепи, можно утверждать, что часть спектра помехи, лежащая по оси частот граничной частоты Ok во , практически

КС

воспроизводится без помех

L(y)20lg-y- 20lg 1 0,

откуда

АН 1.

Считают, что основная энергия спектра полезного сигнала лежит в диапазоне час- 1

тот 0 а)

RC

Так как для данного диапазона частот справедливо соотношение

Цсо) 20 Ig К + 20 Ig со. то результаты значений АЧХ для границ и середины этого диапазона можно свести в таблицу

Из таблицы видно, что если спектр полезного сигнала имеет равномерное распределение в диапазоне частот от 0 до 1

-57Г- (имеет плоскую вершину), то ослабле- кс

ние энергии полезного сигнала произойдет в среднем в 2 раза. Однако данная оценка получена с большим запасом, так как спектры реальных полезных сигналов близки к колоколообразной форме и группируются в основном в низкочастотной области. Если принять, что в диапазоне частот от 0 до

ор„ сосредоточено 80% энергии спект lKU

ра полезного сигнала, то выигрыш будет составлять около 5 раз.

Если считать, что блоки 22 и 23 имеют широкие полосы пропускания, позволяющие без искажений воспроизводить входные сигналы (а это имеет место на практике), то в целом можно считать, что использование аналоговой фильтрации позволяет снизить дисперсию помех в 2-5 раз, а

использование предлагаемого устройства соответственно в 4-10 раз. Достичь этих цифр можно при условии правильного функционирования системы автоподстройки. Существенное повышение точности расчета

0 оцененных и экстраполированных значений приведет к снижению числа ошибочных решений при контроле текущего технического состояния объектов, а следовательно, повысит достоверность контроля.

5

Формула изобретения 1. Устройство для контроля объектов, содержащее группу датчиков, коммутатор, блок нормализации, аналого-цифровой пре0 образователь, накопитель, задатчики коэффициентов оценки результатов измерений и экстраполяции результатов измерений, два блока умножения, два накапливающих сумматора, три группы элементов И, задатчик

5 эталонов, блок вычитания, индикатор, генератор тактовых импульсов и делитель частоты, выход коммутатора подсоединен к информационному входу нормализатора, выход которого соединен с информацион0 ным входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с информационным входом накопителя, выход которого соединен с входами первых сомножителей двух блоков умножения, вход

5 второго сомножителя первого блока умножения связан с выходом задатчика коэффициентов экстраполяции результатов измерения, а выход - с информационным входом первого накапливающего суммато0 ра, выход которого соединен с первой группой входов первой группы элементов И, выходы которой связаны с первой группой информационных входов индикатора, вход второго сомножителя второго блока умно5 жения подключен к выходу задатчика коэффициентов оценки результатов измерений, а выход- к информационному входу второго накапливающего сумматора, выход которого соединен с первой группой входов вто0 рой группы элементов И, выходы которой связаны с входом уменьшаемого блока вычитания, вход вычитаемого которого связан с выходом задатчика эталонов, а выходы - с первой группой входов третьей

5 группы элементов И, выходы которой подключены к второй группе информационных входов индикатора, выход генератора тактовых импульсов соединен с входом делителя частоты, выходы которого соединены с управляющими входами коммутатора,

нормализатора, аналого-цифрового преобразователя, с входами управления записью и считыванием накопителя, задатчика коэффициентов экстраполяции результатов измерений, задатчика коэффициентов оценки результатов измерений, задатчика эталонов, с управляющими входами индикатора и с вторыми группами входов трех групп элементов И,отличающееся тем, что, с целью повышения точности и достоверности контроля за счет фильтрации помех во входном сигнале с использованием автоматической подстройки, в него введена группа блоков подавления помех по числу контролируемых объектов, информационные входы которых соединены с выходами датчиков, а выходы подключены к информационным входам коммутатора, соответствующий управляющий выход делителя частоты соединен с синхровходом, содержит узел выделения помехи, элемент задержки, узел вычитания, узел измерения

А, А Аь С,

S,lA,

п.т П П

п п п п п пп п п п t

b fas, П П П П П П П П

t

П П П

.д.

пп

п п

J

6,10)

Вц(6л.9,

к,,п)

п п п п ппа

пп

п п п

л

DQ.DCL

уровня остаточного шума и узел регулирования амплитудно-частотной характеристики фильтра, информационный вход блока подавления помех соединен с входом элемента задержки и с информационным входом узла выделения помехи, выход которого соединен с входом вычитаемого узла вычитания, вход уменьшаемого которого связан с выходом элемента задержки, выход узла вычитания соединен с выходом блока подавления помех и с входом узла измерения уровня остаточного шума, выход которого связан с входом узла регулирования амплитудно-частотной характеристики фильтра,

выход которого соединен с управляющим входом узла выделения помехи, синхровход блока подавления помех связан с входом синхронизации узла вычитания.

.д.

пп

п п

п п п

Фиг.Ј

л

DQ.DCL

Фиг.З

фиг.