Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Стрельцов Олег Васильович
УДК 621.372.54.037.372
АКТИВНІ RC-ФІЛЬТРИ ВИСОКОГО ПОРЯДКУ
ЗІ ЗВОРОТНИМИ ЗВ'ЯЗКАМИ ДЛЯ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ ТА
КОНТРОЛЮ
Спеціальність 05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Одеса - 2001
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі "Комп'ютерні системи" Одеського державного політехнічного університету, Міністерства освіти та науки України .
Науковий керівник Заслужений діяч науки і техніки України, чл.кор. АПН України доктор технічних наук, професор Малахов Валерій Павлович Одеський державний політехнічний університетет, ректор, зав. кафедрою "Комп'ютерні системи"
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Ніколаєнко Василь Максимович Одеський державний політехнічний університет, кафедра "Конструювання та виробництва радіоапаратури"
кандидат технічних наук, професор Живиця Володимир Іванович Одеська державна академія холоду, Кафедра "Електротехніки та електронних пристроїв"
Провідна установа Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерства освіти і науки України, кафедра "Автоматизації і керування в технічних системах", м. Харків.
Захист відбудеться 30.05.2001 р. о 13 год.30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д41.052.01 в Одеському державному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка,1ауд.400-А
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеського державного політехнічного університету за адресою: м. Одеса, пр. Шевченка, 1.
Автореферат розісланий 30.04.2001 року.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради Ямпольський Ю.С.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. У процесі функціонування будь-якої системи керування необхідно робити оцінку параметрів, що контролюються, шляхом обробки в реальному масштабі часу зашумлених сигналів датчиків. Можливі два шляхи рішення цієї проблеми - централізована обробка на ПЕОМ даних, що надходять із датчиків по каналах зв'язку, і децентралізована (рівнобіжна) обробка сигналів по місцю їхнього одержання від датчиків за допомогою умонтованих мікропроцесорів.
Кожне технічне рішення має свої галузі застосування, але, у будь-якому випадку, застосування ПЕОМ і мікропроцесорів дозволяє підвищити ефективність функціонування системи керування.
При цьому необхідно відзначити, що всі інші ланки, що входять до складу будь-якої системи керування ѕѕ засоби збору і перетворення інформації (датчики і первинні перетворювачі), засоби передачі інформації (канали зв'язку), засоби підвищення перешкодостійкості системи, виконавчі механізми й ін. ѕѕ значно поступаються ПЕОМ по таких параметрах, як надійність, швидкодія, точність і т.д. Тому подальше удосконалювання і розвиток систем керування повинні грунтуватися на поліпшенні параметрів і якості реалізації всіх ланок таких систем.
Будь-яка система керування є динамічною і, отже, для її нормального функціонування необхідно застосування частотно-виборчих пристроїв, що дозволяють коректувати її амплітудно-частотну і фазочастотну характеристики. Крім цього, частотно-виборчі ланки дозволяють виділити корисний сигнал на фоні адитивних шумів і перешкод, що впливають на корисний сигнал при його передачі від датчиків, у результаті чого поліпшується перешкодостійкість усієї системи в цілому, підвищується надійність її функціонування.
Тому що частотно-виборчі пристрої є невід'ємною частиною систем і комплексів керування і контролю, то важливою задачею є удосконалювання електронних частотно-виборчих пристроїв цих систем шляхом поліпшення їх метрологічних і енергетичних характеристик, а також розширенням їхнього функціонального набору.
Останнім часом усе більш широке поширення одержують активні фільтри в інтегральному
виконанні. Порядок цих схем неухильно зростає. Таким чином, топологія і найкращий вибір зовнішніх елементів стають важливими етапами проектування оптимальних по характеристиках інтегральних схем (ІС). Характеристики таких ІС усе менше залежать від технології виготовлення активних елементів, тому що, у даний час точність їхнього виготовлення наблизилася до точності виготовлення пасивних елементів на підлозі кристала. Одним із напрямків поліпшення характеристик АФ на ІС стає оптимізація їхньої топології і вибору множини зовнішніх настроювальних і розрахункових компонентів.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Науково-дослідна робота з теми дисертації проводилася у рамках держбюджетної фундаментальної науково-дослідної роботи: № 260-64 "Матричні перетворення в теорії проектування різноманітних класів електронних ланцюгів" (реєстраційний № 0196U0223193). Результати науково-дослідної роботи з теми дисертації використані в ході виконання держбюджетної фундаментальної науково-дослідної роботи №371-64 "Оптимальний параметричний синтез аналогових частотно-виборчих елементів високого порядку для систем керування" (реєстраційний № 0199U001543).
Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є розробка загального методу параметричної реалізації активних фільтрів високого порядку зі зворотними зв'язками для підвищення метрологічних характеристик систем керування.
На основі аналізу існуючих методів параметричної реалізації й оптимізації параметрів елементів АФ ця мета досягається вирішенням таких задач:
Об'єкт досліджень ѕѕ активний RC-фільтр.
Предмет досліджень ѕѕ активні RC-фільтри високого порядку зі зворотними зв'язками для систем керування і контролю.
Методи досліджень грунтуються на: теорії матриць, за допомогою якої складається матриця провідностей і обчислюються визначники відповідних алгебраїчних доповнень; теорії електричних ланцюгів, що використовувалася при упорядкуванні компонентних рівнянь; теорії дошкульності, на основі якої вибиралися найкращі варіанти реалізації і виконувалося настроювання фільтра; теорії функціонального аналізу, що дозволила визначити критичні точки функції комплексного змінного для розрахунку максимального і сумарного розкиду значень передатної функції ланцюга.
Наукова новизна отриманих результатів складається в такому:
Практичне значення отриманих результатів.
Результати досліджень, отримані в дисертації, знайшли практичне застосування при розробці системи динамічного виміру маси зерна млина 3-х сортного помелу, що був упроваджений НВО "Харчопромавтоматика". Використання в системі активного RС-фільтра 6-го порядку зі зворотними зв'язками дозволило підвищити перешкодостійкість вимірювального каналу і домогтися необхідної точності виміру маси зерна.
Ряд положень дисертації використовується в навчальному процесі в курсах "Аналогова схемотехніка", "Системи проектування і моделювання електронних ланцюгів"
Особистий внесок здобувача складається в аналізі існуючих методів параметричної реалізації аналогових фільтрів. Автор запропонував оригінальну методику параметричної реалізації аналогових фільтрів високого порядку зі зворотними зв'язок на основі заданої структури і передатної функції ланцюга.
У опублікованих роботах із співавторами здобувачем виконано: у роботі [1] проведений аналіз доцільності застосування еквівалентних матричних перетворень для одержання топологічно еквівалентних схем; у [3] запропонований засіб вибору критичних точок для розрахунку чутливості коефіцієнтів схемної функції, визначена функція , що обмежує; у [5] описана модель топології за допомогою мови логічного програмування.
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися на Другій Всеукраїнській конференції "АВТОМАТИКА - 95", м. Львів.
Публікації. Основні результати роботи викладені в п'ятьох публікаціях, трьох ѕѕ із співавторами, двох ѕѕ самостійно, у тому числі, у трьох наукових спеціальних періодичних виданнях, однім науковому періодичному виданні і матеріалах наукової конференції.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох глав, шести додатків. Загальний обсяг дисертації ѕѕ 102 стор., кількість додатків ѕѕ 5. Дисертація містить 12 малюнків, 9 таблиць і список джерел із 71 найменування.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі обгрунтована актуальність теми, сформульована мета і задачі досліджень. Викладені основні наукові і практичні результати, отримані в роботі, основні положення, що виносяться до захисту.
У першому розділі розділі проведений стислий огляд існуючих типів фільтрів і елементного базису АФ. Визначено існуючи переваги фільтрів різного типу побудови. Розглянуто існуючі засоби параметричної реалізації АФ. Показано, що однією із значних проблем в цій галузі
є відсутність загальної формалізованої методики, як етапу параметричної реалізації, так і проектування АФ в цілому. Відзначено, що особлива увага останнім часом приділяється одержанню схем АФ некаскадної структури з повною множиною негативних зворотних зв'язків. Такі структури по-перше визначаються своєю низькою параметричною дошкульністю. Тому існує великий інтерес до складання загальної методики їх проектування. Визначено, що існує принципова різниця між методиками параметричної реалізації традиційних каскадних структур і структур високого порядку зі зворотними зв'язками, що є некаскадними. Показано, що однією із найсуттєвіших є проблема топологічної реалізації АФ високого порядку зі зворотними зв'язками. Тому пропонується звернути більш уваги на спеціальні моделі АФ, що дозволяють реалізувати генерацію множини топологічних варіантів реалізації структур, що відповідають заданої схемної функції.
На підставі викладеного пропонується використання деяких вже існуючих у виробництві алгоритмів настроювання фільтрів ще на етапі проектування. Наприклад, функціонального настроювання ланцюга, яке базується на матричному рівнянні:
, (1)
де Fi –схемні функції,
xj - компоненти ланцюга,
- функція дошкульності.
Та полягає в приведенні матриці дошкульності до діагональної, або трикутової матриці для реалізації алгоритму неітеративного настроювання.
Відзначено, що сучасні АФ провадяться в основному в інтегральному виконанні і для
таких схем "здібність до настроювання" і зручність розрахунку параметрів багато в чому залежать від обраної топології мікросхеми.
У розділі розглянуті основні існуючі САПР і програми параметричної оптимізації ARC-ланцюгів. Визначено, що сучасні САПР мають великі можливості у питанні автоматизації методики параметричної реалізації електронних схем, але вони існують, як правило, тільки для традиційних структур, і потребують складних засобів опису задачі релізації.
Другий розділ присвячений питанню параметричної реалізації АФ високого порядку із ЗЗ. Розглянуті питання і проблеми параметричної релізації активних RC-ланцюгів з низькою дошкульністю. У розділі зачеплені питання поліпшення методики параметричної реалізації такого типу схем.
Розглянуто варіанти провідностей гілки графа ARC-ланцюга з множини: {G, pC, G+pC} і відповідного йому формалізованої множини {0,1,10}. Введено спеціальні операції:
, , (2)
де операція ѕѕ відповідає додаванню ступенів що складають поліном схемної функції, а ѕѕ відповідає перемножуванню провідностей, що складають коефіцієнти полінома. Пропонується використовувати даний засіб опису й уявлення визначника матриці провідності схеми для формалізації процедури топологічної реалізації АФ високого порядку з ЗЗ.
Розглянуто проблему вибору активних та пасивних елементів фільтру, можливі критерії оптимальності параметрів активних і пасивних компонентів фільтра з точки зору його найкращої дошкульності.. Запропоновано набір критеріїв вибору найкращого варіанта топології фільтра:
загальна кількість гілок: отримані варіанти графів ланцюга можуть відрізнятися загальною
кількістю гілок (пасивних елементів ланцюга). У загальному випадку, чим менше цей параметр у даного варіанта ланцюга, тим краще;
- кількість конденсаторів: цей критерій, як правило, задається рівним степеню фільтра. У деяких ланцюгах, параметр може бути більше ступеня фільтра, проте такі ланцюги будуть менше стійкими;
- кількість рівнобіжних RC-гілок (загальна кількість резисторів) ѕѕ даний параметр залежить від конкретної топології фільтра і бажаної можливості його настроювання як у процесі проектування, так і при реалізації необхідних передатних функцій;
- сумарна багатопараметрична дошкульність: цей параметр може бути оцінено ще до визначення конкретних значень параметрів компонентів, як у символьному, так і в нормованому виді. Цей критерій можна вважати одним з основних, так, як по ньому можна судити який варіант топології ланцюга найбільше перспективний для створення стійких високостабільних схем у даних умовах проектування.
У розділі пропонуються загальні шляхи удосконалення методики параметричної реалізації активних RC-фільтрів високого порядку зі зворотними зв'язками: використання спеціальної топологічної моделі, та використання коефіцієнтів передатної функції для розрахунку та настроювання параметрів ланцюга Звернуто увагу на проблему оптимізації параметрів АФ високого порядку зі зворотними зв'язками. Визначені загальні шляхи вирішення проблем, пов'язаних з параметричною оптимізацією електронних ланцюгів цього типу.
Третій розділ присвячений детальному розгляду методики параметричної реалізації АФ високого порядку із ЗЗ. У главі запропонована спеціальна модель опису структури АФ у формі списку творів провідностей і відповідного йому списку значень цих провідностей. Передатну функцію між k-им та l-им вхідними і m-им та n-им вихідними вузлами ланцюга можна визначити як
. (3)
Будь-який визначник відповідний алгебраїчному доповненню матриці провідності:, (4)
де .
Схемна функція може бути еквівалентно подана у виді списку:
, (5)
З іншої сторони схемна функція, подана у виді відношення поліномів може бути подана у формі списку порядкових номерів ненульових коефіцієнтів поліномів.
, (6)
де n ѕѕ порядок фільтра.
А основна логічна операція моделювання ѕѕ зіставлення двох списків
. (7)
Запропоновано розділити процес параметричної реалізації на два основних етапи:
1. Топологічна реалізація, що полягає у виборі варіантів якісних значень гілок графа ланцюга, що задовольняють заданим критеріям. У роботі запропонована така методика топологічної реалізації:
1) Обчислення символьного визначника підматриць матриці провідності АФ відповідних вхідному і вихідному вузлам ланцюга, і перетворення його в логічний об'єкт (список);
) Перетворення передатної функції в символьному виді у список;
) Визначення початкових умов пошуку (первісно визначених типів провідностей) і топологічних обмежень (кількість конденсаторів, рівнобіжних RC гілок, пасивних компонентів і т.д.) і уявлення їх у виді логічних правил;
) Одержання наборів можливих варіантів топологічної реалізації ланцюга шляхом зіставлення "логічних зразків" визначників і передатної функції ланцюга;
) Якщо множина варіантів непуста, перехід до кроку 7;
) Визначення можливості і доцільності зміни початкових умов і обмежень, повернення до кроку 3;
) Здійснення вибору найкращого варіанта (варіантів) по додатковому критерію сумарної багатопараметричної дошкульності;
) Перехід до етапу компонентної реалізації.
2. Компонентна реалізація, що полягає у виборі множини розрахункових і настроювальних параметрів по сукупності критеріїв, формуванні на основі цієї множини компонентних рівнянь, рішенні цих рівнянь для одержання попередніх параметрів компонентів. Запропонована методика компонентної реалізації подана у виді сукупності таких кроків:
1) Визначення початкових даних, запровадження кількості резистивних гілок схеми активного фільтра, їхніх позначень і обмежень на ненастроювальні провідності.
) Запровадження символьних позначень коефіцієнтів поліномів передатної функції досліджуваного фільтра.
) Формування на основі введених даних матриці YKMatrix.
4) Розрахунок кількості провідностей при усіх введених коефіцієнтах із використанням отриманої матриці,
) Сортування таблиці кількості провідностей при усіх введених коефіцієнтах методом "попарної перестановки" у порядку зростання.
) Одержання результуючої відсортованої таблиці кількості провідностей при всіх коефіцієнтах.
) Розрахунок усіх можливих комбінацій що настроюються провідностей з урахуванням введених умов і обмежень.
) Одержання списку всіх отриманих результатів для подальшого розрахунку та моделювання
Показано, що еквівалентні матричні перетворення не вичерпують усіх можливих варіантів еквівалентних за схемною функцією та топологією ланцюгів, тому що, по-перше, порушують топологію ланцюга, а по-друге, що можливі еквівалентні ланцюги тієї ж топології з різноманітними якісними значеннями гілок НЗЗ. Приведені на рис.1 еквівалентні по схемній функції ланцюги неможливо одержати за допомогою еквівалентних матричних перетворень. На рис.1а приведена схема інтегральної ланки другого порядку мікросхеми MAX274. Інші чотири варіанти, що реалізують ту ж передатну функцію отримані за допомогою програми топологічної реалізації. Всі схеми мають однакову структуру, але різноманітну топологічну реалізацію.
Матриця YKMatrix ,наприклад для схеми рис.1а, має вигляд, що показано у таблиці:
Таблиця 1
Матриця YKMatrix
Коефіцієнти поліномів приведеної передатної функції Провідності резистивних гілок, що входять у компонентні рівняння 1- провідність входить у рівняння для коефіцієнта 0- провідність не входить у рівняння для коефіцієнта
(b2=1) G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 G9
b1
b0
a1
a0
Рис.1 Варіанти топологічної реалізації активної RC-ланки 2-го порядку
У четвертому розділі проведена експериментальна перевірка методики параметричної
реалізації ARC-ланцюгів високого порядку із ЗЗ. На рис.2 приведено приклад параметричної реалізації структури 4-го порядку з заданою схемною функцією й оптимізованої по набору НЗЗ.
Рис.2 Схема ланцюга АФ 4-го порядку з ЗЗ
Передатна функція структури:
(8)
За допомогою програми-аналізатора варіантів топології ланцюга проведений вибір найкращих варіантів топології по сукупності з такого можливого набору критеріїв:
1. Номінальна кількість конденсаторів (рівне порядку фільтра);
. Підстроювальні компоненти, тобто компоненти, провідність яких входить лише у вираження для одного коефіцієнта, повинні бути резисторами.
. Найбільше глибокі ЗЗ є частотно-незалежними (провідності гілок їм відповідні не містять реактивної складової);
. Максимальна кількість елементів - 26;
Визначено 10 максимально задовольняючих сукупності критеріїв рішень. Запровадженням
додаткового критерію сумарної параметричної чутливості деякі варіанти були відбраковані і визначені два оптимальних варіанти, які доведені у таблиці.
Таблиця 2
Обрані варіанти рішень для множин
символьних значень провідностей схеми
Варіанти рішень
а б
Y9_10=pC Y1_2=G Y7_8=G Y5_6=G Y3_4=G Y11_12=G Y13_14=G Y15_16=G Y11_16=G Y12_13=G Y14_15=G Y4_5=G Y3_8=G Y6_7=G Y2_3=G Y8_9=G Y10_11=G Y16_17=G+pC Y10_15=G Y2_11=G Y8_13=G+pC Y2_7=pС Y9_10=pC Y1_2=G Y7_8=G Y5_6=G Y3_4=G Y11_12=G Y13_14=G Y15_16=G Y11_16=G Y12_13=G Y14_15=G Y4_5=G Y3_8=G Y6_7=G Y2_3=G+pC Y8_9=G Y10_11=G Y16_17=G+pC Y10_15=G Y2_11=G Y8_13=G+pC Y2_7=G
По заданих вихідних параметрах фільтра проведений другий етап параметричної реалізації, результатом котрого стали розрахункові значення параметрів ланцюга, і варіантів набору настроювальних і розрахункових компонентів і їхніх значень.
У результаті роботи програми топологічної реалізації TOPSEEK (PSAF) і програми компонентної реалізації ACTFROJECT отримані кращі варіанти параметричної реалізації заданої структури (рис.3). Один із варіантів (рис.3а) по сукупності запропонованих у главі 3, критеріїв був обраний найкращим. Порівняльна перевірка властивостей обраних варіантів ланцюгів проводилася на їхніх моделях, отриманих за допомогою САПР PSPICE, що дозволяє з високим рівнем точності аналізувати властивості активних і пасивних компонентів в умови зміни різноманітних температурних, технологічних і шумових характеристик. Результати досліджень у виді графіків і схем подані на рис.4,5
Порівняльний аналіз показує ефективність роботи програм параметричної реалізації для поліпшення характеристик і параметрів ARC-ланцюгів високого порядку.
Рис.3 Варіанти моделей заданої схеми 4-го порядку
Рис.4 Амплітудно-частотні характеристики першого фільтра з варіантами підстановки настроювальних провідностей
Т(w) - АЧХ заданого фільтра;
Т1(w) - АЧХ фільтра з підстановкою значень першого набору настроювальних провідностей;
Т2(w) - АЧХ фільтра з підстановкою значень другого набору настроювальних провідностей;
Рис.5 Амплітудно-частотні характеристик і другого фільтра з варіантами підстановки настроювальних провідностей
Т(w) - АЧХ заданого фільтра;
Т1(w) - АЧХ фільтра з підстановкою значень першого набору настроювальних провідностей;
Т2(w) - АЧХ фільтра з підстановкою значень другого набору настроювальних провідностей;
ВИСНОВКИ
Виконана дисертаційна робота являє собою рішення комплексу задач, що мають наукове і практичне значення. Показано місце і роль систем автоматизованого керування (САК) в господарському комплексі України. Показано актуальність задачі параметричної реалізації оптимальних структур активних фільтрів високого порядку із ЗЗ, що здійснюють найбільше якісну фільтрацію сигналів і задовольняють високим вимоги по усталеності, стабільності і технологічності. Обгрунтовано доцільність використання АФ високого порядку в САК.
На основі аналізу літературних джерел, присвячених методам і засобам проектування й оптимізації частотно-виборчих елементів систем керування, визначено, що для поліпшення метрологічних характеристик САК необхідно вирішити ряд задач по параметричній реалізації АФ високого порядку із ЗЗ. Це дозволить підвищити ефективність систем керування і контролю за рахунок підвищення точності обробка сигналів від датчиків і формування сигналів керування, винятки впливу на ці сигнали дестабілізуючих чинників (перешкод) і виділення корисного сигналу на фоні шумів і перешкод. У роботі:
1. Встановлено необхідність розробки методики параметричної реалізації таких елементів із метою підвищення ефективності систем керування і контролю.
. Запропоновано методику параметричної реалізації ARC-ланцюгів високого порядку некаскадної структури.
. Розглянуто можливість застосування матричного символьного і логічного математичного апарата для рішення задачі вибору найкращого топологічного варіанта для заданої структури АФ високого порядку з ЗЗ.
. Розроблено методику топологічної реалізації АФ високого порядку із ЗЗ на основі логіко-
символьного опису структури.
. Розроблено методику компонентної реалізації ARC-ланцюга з урахуванням особливостей розрахунку і функціонального настроювання.
. Формалізовано й автоматизовані окремі етапи топологічної і компонентної реалізації АФ високого порядку із ЗЗ, розроблені алгоритми і програми їхньої реалізації.
. Проведено експериментальну перевірку автоматизованої процедури параметричної реалізації структури АФ високого порядку із ЗЗ у виді програм для ПЕОМ, що дозволяє знаходити найкращі топологічні і компонентні рішення для вихідної структури АФ.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Малахов В.П., Кельбас Д.Н., Стрельцов О.В. Поиск особых решений структурного синтеза активных фильтров высокого порядка // Труды Одесского политехнического университета. - Одесса: ОГПУ. - Вып.2. - 1997. - С. 83-85.
. О.В. Стрельцов. Оптимизация алгоритма настройки активных фильтров высокого порядка. // Труды Одесского политехнического университета. - Одесса: ОГПУ. - Вып.3. - 1999. - С. 170-173.
. В.П. Малахов, О.В. Стрельцов. Параметрическая оптимизация активных фильтров высокого порядка // Труды Одесского политехнического университета. - Одесса: ОГПУ. - Вып.1. - 2000. - С. 154-157.
. Стрельцов О.В. Постановка задачи параметрической оптимизации некаскадных фильтров высокого порядка.// Приднепровский научный вестник. - 1998. - №26(93). - С. 12-14.
5. Майко Г. В., Стрельцов О.В. Оптимальный параметрический синтез активных RC-цепей высоких порядков // Труды второй украинской конференции с автоматического управления (Автоматика - 95). - Львов, 1995. - С.114-115.
Стрельцов О.В. Активні RC-фільтри високого порядку для систем керування і контролю. - Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.13.05 - Елементи і пристрої обчислювальної техніки і систем керування. - Одеський державний політехнічний університет, Одеса, 2001. Дисертація присвячена питанню створення схем активних
фільтрів високого порядку для підвищення ефективності САК, точності обробки сигналів від датчиків і формування сигналів керування, виключенню впливу на ці сигнали дестабілізуючих чинників (перешкод). Особлива увага приділяється задачі одержання найкращого варіанта даної структури ARC-ланцюга високого порядку зі зворотними зв'язками зі зберіганням її топології і схемної функції, зручності виготовлення її в інтегральному виконанні, розрахунку і настроювання таких схем в умовах виробництва. Підготовлено математичний і алгоритмічний базис для комбінованого параметричного синтезу ARC-ланцюгів високого порядку.
Розроблено програми для етапів топологічної і компонентної реалізації активних RC-ланцюгів високого порядку.
Результати запропонованих рішень підтверджені математичним і схемотехнічним моделюванням за допомогою САПР PSPICE.
Ключові слова: активний фільтр високого порядку із зворотнім зв'язком, параметрична, топологічна, комбінована, компонентна реалізація, логіко-символьна модель.
Стрельцов О.В. Активные фильтры высокого порядка для систем управления и контроля. - Рукопись. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. - Одесский государственный политехнический университет, Одесса, 2001. Диссертация посвящена вопросу создания схем активных фильтров высокого порядка для повышения эффективности САУ, точности обработки сигналов от датчиков и формирования сигналов управления, исключения влияния на эти сигналы дестабилизирующих факторов (помех). Проведен анализ современного состояния проблемы проектирования активных RC-фильтров. Отмечены новые направления повышения эффективности проектирования, как за счет создания новых типов схем, так и за счет улучшения методик проектирования. Определены перспективные пути улучшения метрологических характеристик аналоговых частотно-избирательных элементов. Выделены типы АФ высокого порядка с обратными связями, для которых не существует обобщенной методики проектирования. Данные типы фильтров обладают рядом особенностей, наиболее важной из которых является высокая стабильность их выходных параметров (характеристик), т.е., их низкая чувствительность к изменению параметров активных и пассивных компонентов цепи. Особое внимание уделяется задаче выбора наилучшего варианта параметрической реализации структур ARC-цепей высокого порядка с обратными связями с сохранением их топологии и схемной функции, удобства изготовления их в интегральном исполнении, расчета и настройки таких схем в условиях производства. Обосновано представление АФ высокого порядка с обратными связями в логико-символьном виде, введено понятие символьно-логического отношения между определителем матрицы проводимости АФ и схемной функцией цепи представленной в специальном виде. Предложенный способ описания цепи АФ высокого порядка с обратными связями позволяет эффективно осуществлять поиск и выбор наилучшего варианта параметрической реализации ARC-цепи в рамках заданных критериев поиска, начальных условий и ограничений. Показано преимущество данного способа по сравнению с матричными преобразованиями и теорией графов для решения задачи поиска эквивалентных по структуре и передаточной функции схем. Предложено разделение процедуры параметрической реализации на два взаимосвязанных этапа: топологический, решающий задачу наилучшего взаимного расположения активных и реактивных проводимостей ветвей цепи; и компонентный, решающий задачу выбора компонентов для расчета и неитеративной настройки ARC-фильтров высокого порядка с обратными связями. Подготовлен математический и алгоритмический базис для комбинированного параметрического синтеза ARC-цепей высокого порядка. Выбраны и обоснованы критерии поиска и выбора наилучшего варианта топологической реализации цепи. Определены специальные матрицы и операции с ними для поиска и выбора наилучшего варианта множества настроечных и расчетных компонентов схемы.. Описаны особенности процедуры настройки и расчета компонентов ARC-цепей высокого порядка с обратными связями. Рассмотрены вопросы выбора активных и пассивных компонентов цепи. Показаны особенности постановки задачи параметрической оптимизации для АФ высокого порядка с обратными связями.
На основании полученных результатов предложена обобщенная методика параметрической реализации активных RC-фильтров высокого порядка с обратными связями. Разработаны алгоритмы и программы для этапов топологической и компонентной реализации активных RC-цепей высокого порядка. Получены улучшенные варианты реализации заданных структур АФ. Показано важное значение полученных результатов для проектирования активных фильтров
высокого порядка в интегральном исполнении, возможности улучшения их метрологических характеристик на основе предлагаемых методов.
Проведена экспериментальная проверка предложенной методики параметрической реализации активных RC-фильтров высокого порядка с обратными связями. Эффективность предложенных решений подтверждена результатами математического и схемотехнического моделирования. Разработанная методика была применена при разработке системы динамического измерения массы зерна.
Результаты диссертации могут быть внедрены не только в пищевой промышленности, но и во вторых отраслях хозяйственного комплекса Украины, которые применяют сбор и обработку информации первичных преобразователей, а также передачу информационно-измерительных и управляющих сигналов.
Ключевые слова: активный фильтр высокого порядка с обратными связями, параметрическая, топологическая, комбинированная, компонентная реализация, логико-символьная модель.
Streltsov O.V. Active RC-filters of the high order for control systems and monitoring. - Manuscript. The thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.13.05 - Elements and devices of computer facilities and control systems. - Odessa State Polytechnic University, Odessa, 2001. The thesis is devoted to a problem of creation of the circuits of active filters of the high order for a raise of effectiveness of automatic control systems (ACS), exactitude of handling of signals from transmitters and shaping of signals of control, eliminating of influence on these signals of the destabilizing factors (parasites). The special attention is given to the task of deriving of the best variant of the given structure of a ARC-circuit with feedback with preservation of its topology and circuit function, convenience of manufacture it in integrated technology, calculation and set-up of such circuits in the production conditions. The mathematical and algorithmic base for combined parametrical synthesis of ARC-circuits of the high order is prepared.
The programs for phases of topological and component realization of active RC-circuits of the high order are developed.
The outcomes of offered solutions are confirmed mathematically and by simulation with the help of CAD PSPICE.
Key words: an active filter of the high order with feedback, parametrical, topological, combined, component realization, logic-symbolical model.
Підп. до друку 20.04.2001р. Формат 60х84х16. Папір Copy Rex.
Ум.друк.арк.1.0 Тираж 110. Зам. 63
Надруковано у ПВКФ "Хоббіт"
м.Одеса, вул. Скісна,12