Технические науки/6. Электротехника и электроника

К.т.н., доцент Раимова А. Т.

Оренбургский государственный университет, Россия

КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ

СПЕКТРАЛЬНО-ИМПУЛЬСНЫХ ДИСКРИМИНАТОРОВ

Генерирование испытательных сигналов и преобразование их формы осуществляется как в процессе разработки, настройки систем автоматики, так и в процессе диагностики их функционального соответствия определенному уровню требований. По мере совершенствования технологических процессов в качестве конечной цели представляется целесообразным выдвижения требования высокой степени повторяемости свойств и параметров выпускаемых изделий с преобразованием систем автоматизации в системы автоматической стабилизации параметров. Получение информации об изменениях параметров технологических и испытательных сигналов сложной формы в частотной области связано с использованием спектров в качестве объекта преобразования для реализации процедуры дискриминирования.

Исследование закономерностей, определяющих связи между изменениями параметров сигналов и изменениями амплитуд и фаз компонентов представляет значительный интерес, поскольку характер изменений спектров определяется формой технологического или испытательного сигнала и характером изменений измеряемых параметров.

Сопоставление огибающих амплитудного спектра, соответствующих исходной периодичности и периодичности, обусловленной вариацией параметра, путем их наложения (или машинного сравнения) позволяет выявить зоны гармоник, подвергающихся экстремальным изменениям.

На Рисунке 1 изображены огибающие амплитудного спектра |A_n|=f(n) последовательности сигналов в виде отрезка синусоиды с параметрами τ₀=T_n/2, U_m и Т=2π/ω при изменении скважности процесса от Т/τ₀=16 в сторону увеличения (Т/τ₀=18) и в сторону уменьшения (Т/τ₀=14), образующие зоны гармоник, подвергающихся экстремальным (максимальным и минимальным) изменениям при изменениях длительности импульса τ₀ и периода Т.

Рисунок 1 – Зоны экстремальных изменений гармоник

при вариациях параметров

Общий метод исследования экстремальных свойств спектров, обоснованный профессором В. Д. Шевеленко для широкого класса испытательных сигналов, показал, что минимальным изменениям амплитуды при вариации длительности импульсов относительно исходного значения τ₀=Т_n /2 подвергаются гармоники с номерами, удовлетворяющими уравнению:

, (1)

а максимальным – гармоники с номерами, удовлетворяющими уравнению:

. (2)

Однако представляется, что подход к дискриминированию должен заключаться в сравнении между собой любых разнородных величин, имеющих объективную связь. Возможности технического использования динамических особенностей спектров сигналов определяются качественными показателями, позволяющими сравнивать их с широко известными дискриминаторами параметров сигналов автоматических систем.

Применительно к последовательности импульсов и их суперпозициям изменение конкретных свойств проявляется в изменении уровня постоянной составляющей, амплитуды и фазы n-ной гармоники при изменении одного из параметров импульсного процесса. В результате исследований установлены закономерности, позволяющие обеспечить более высокую амплитудную чувствительность к изменениям информативного параметра по сравнению с амплитудными чувствительностями к изменениям остальных параметров сигналов вследствие воздействия дестабилизирующих факторов. В частности:

- чувствительность модуляционных компонентов спектра к изменениям модулируемого параметра может превосходить аналогичную чувствительность гармоник частоты повторения;

- выбор соотношений между параметрами импульсного и модулирующего процессов позволит увеличить амплитудную чувствительность к изменениям модулируемого параметра относительно амплитудной чувствительности к изменениям не модулируемых параметров.

Это важно для уменьшения относительных погрешностей методов дискриминирования отклонения параметров с использованием динамических особенностей спектров импульсов.

Возможность получения аномально высокой амплитудной чувствительности к изменениям длительности импульсов суперпозиции и уменьшения до нуля амплитудных чувствительностей к изменениям амплитуды импульсов и времени задержки между последовательностями импульсов позволяет повысить точность дискриминирования изменений длительности.

Сравнение результатов, полученных в случаях дискриминирования изменений длительности импульса τ и изменений времени задержки t_з для суперпозиции последовательностей прямоугольных импульсов одной полярности позволяет сделать вывод о полной аналогии. Целесообразно для этих суперпозиций указать лишь номера информационных гармоник n, обладающих аномальной чувствительностью к изменениям времени задержки t_з и минимальными амплитудными чувствительностями к изменениям амплитуды Е и длительности импульса τ при определенной частоте модуляции F.

Номера гармоник определяются для суперпозиции последовательностей:

- прямоугольных импульсов чередующихся полярностей:

и , где k =1,2,….; p =1,2,…; (3)

- треугольных импульсов одной полярности:

и , где k = 0,1,2….; p = 0,1,2,…; (4)

- прямоугольных импульсов кратных частот:

и , где k = 1,2,....; р = 0,1,2,.…. . (5)

Для отражения связи во времени между изменениями параметров и изменениями свойств динамического объекта вводится такой параметр, как быстродействие дискриминатора как преобразователя формы информации. Быстродействие спектрально-импульсного дискриминирования обусловлено конечной скоростью формирования изменений частотных компонентов при скачкообразном изменении параметров сигналов и скоростью переходных процессов в избирательных системах, используемых для извлечения информации из изменений амплитуды и фазы n-ой гармоники.

Уменьшение добротности избирательных систем с целью уменьшения времени переходного процесса сопровождается попаданием в полосу пропускания неинформативных гармоник с номерами n±k где k=l,2,3... , что приводит к модуляции амплитуды n-ой гармоники, вызывающей увеличение погрешности аппаратурных реализации. Поэтому имеют место преобразования над последовательностями импульсов, позволяющие увеличить быстродействие рассматриваемого класса устройств при сохранении высокой точности регистрации информационных изменений параметров импульсов.

При умножении частоты повторения исходной последовательности импульсов в ℓ раз и сохранении пропорциональности между изменениями длительности частоты повторения импульсов умноженной частоты повторения и изменениями длительности частоты повторения исходной последовательности возможно расширение полосы пропускания избирательной системы.

Увеличению быстродействия способствует так же возможность уменьшения добротности избирательной системы, используемой для выделения информационной гармоники, обусловленная спецификой структуры спектров прерывистых последовательностей. При этом увеличение быстродействия возможно в случае последовательностей импульсов по изменениям:

- постоянной составляющей при увеличении частоты повторения последовательностей импульсов;

- амплитуд и фаз гармоник при увеличении частоты повторения сигналов и увеличении полосы пропускания избирательной системы.

В случае модулированных последовательностей импульсов для увеличения быстродействия целесообразно на каждый импульс с измененным значением информативного параметра генерировать прерывистую последовательность импульсов с измененным значением одного из параметров, структура которой позволяет увеличить полосу пропускания избирательной системы, выделяющей информационную гармонику.

Таким образом, в результате проведенного анализа качественных показателей спектрально-импульсных дискриминаторов отклонений параметров можно сделать следующие выводы:

1. Возможность управлять положением и величиной экстремумов амплитудной чувствительности путем перехода от последовательностей импульсов к их суперпозициям, прерывистым и модулированным последовательностям импульсов позволяет обеспечить превышение амплитудной чувствительности к изменениям остальных параметров импульсного процесса вследствие воздействия дестабилизирующих факторов .

2. Аномально высокая чувствительность гармоник к изменениям параметров импульсного и модулирующего процессов позволяет синтезировать структуры усилителей малых изменений параметров электрических колебаний.

3. Увеличение быстродействия дискриминирования может быть достигнуто использованием прерывистых последовательностей сигналов, изменения одного из информативных параметров которых пропорциональны изменениям информативного параметра исходного импульсного процесса.

Литература:

1. Шевеленко, В. Д. Восстановление исходного сигнала формированием ортогонизирующих полиномов // Радиотехника / В. Д. Шевеленко, А. Т. Раимова, Е. В. Квитек. – № 7. – 2003. – С. 3 – 7.

2. Чижма, С. Н. Метод спектрального анализа сигналов в системах электроснабжения // Омский вестник / С. Н. Чижма, Р. И. Газизов. – Омск, 2013. – С. 198 – 201.

3. Раимова, А. Т. Некоторые направления стабилизации параметров переменного напряжения / Международная конференция «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» / А. Т. Раимова. – Оренбург, ОГУ, 2015. – С. 308 – 313.