CC BY
36
Романченко А.Ф. Romanchenko A.F.
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Сервис транспортных систем» Уфимского государственного университета экономики и сервиса, Россия, г. Уфа
i
Мухамадиев А.А. Mukhamadiev A.A.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Информационно-измерительная техника» Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа
УДК 621.317
ФОРМИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ФИЛЬТРАЦИЕЙ ПОМЕХ ЗА СЧЕТ ОРГАНИЗАЦИИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛА
В статье предлагается формировать информационные характеристики первичных преобразователей с фильтрацией помех за счет организации преобразования сигналов. При этом для преобразования сигналов предлагается перейти в область нестационарных процессов. Показаны методы организации нестационарного энергетического состояния первичных преобразователей за счет коммутации входного воздействия и дополнительной энергетической составляющей. Классифицированы варианты коммутационного функционирования первичных преобразователей. Проанализировано изменение энергетического состояния информационной системы при отсутствии коммутационных воздействий на первичные преобразователи. Рассмотрена система организации преобразования входного воздействия, позволяющая решать проблемы независимости выходного информативного сигнала от воздействия помех. Выявлена зависимость чувствительности от помех в схемах преобразования первичных преобразователей. На основе предложенной организации коммутационного режима преобразования входного сигнала показана возможность устранения влияния «белого» шума на выходной контролируемый сигнал первичных преобразователей.
Ключевые слова: сигнал, первичный преобразователь, преобразование, фильтрация, помехи, энергетическое состояние.
FORMATION OF INFORMATION CHARACTERISTICS OF PRIMARY CONVERTERS WITH A FILTRATION OF HINDRANCES AT THE EXPENSE OF THE ORGANIZATION OF TRANSFORMATION OF A SIGNAL
The article offers information form characteristics of transducers with noise filtering through the organization of signal transduction. As for the conversion of signals is proposed to move to the area of non-stationary processes. The methods of non-stationary energy state organization transducers due to switching of the input action and an additional energy component. Classified options for switching the operation of transducers. Analysis the change of the energy state of an information system in the absence of switching effects on the transducers. We consider the system of organization transformation input action to address issues of independence informative output signal from interference. The dependence of the sensitivity of the interference patterns in the transformation of transducers. Based on the proposed organization of the switching mode conversion of the input signal is shown the possibility of eliminating the influence of «white noise» in the controlled output signal transducers.
Key words: signal, the transducer, conversion, filtering, noise, energy state.
Проектирование систем управления сложными объектами неразрывно связано с поиском методов и технических средств снижения уровня влияния помех на информационные характеристики первичных преобразователей (1111), контролирующих параметры технологических процессов. Потеря информации о параметрах управляемых технологических процессов на начальных этапах ее преобразования на дальнейших этапах ее преобразования не может быть восстановлена аппаратными и программными средствами.
Проблема повышения информационной производительности может эффективно решаться, если найти возможности по уменьшению уровня помех на выходе ПП за счет перспективных методов преобразования сигналов в информационной системе 1111.
Один из перспективных принципов при организации преобразования входных сигналов заключается в переходе в область нестационарных процессов [1, 2], организуемых на ПП, при выделении полезной информации о входных воздействиях на ПП из значений характеристик нестационарных энергетических процессов, генерируемых в ПП.
Такие процессы преобразования входных воздействий могут быть организованы методом организации нестационарного энергетического состояния ПП за счет коммутации: входного воздействия (рис. 1, а); дополнительной энергетической составляющей (рис. 1, б). В этом случае формируется выходной импульс изменения выходного сигнала У совместно с наложенными на него помехами Р .
Рис. 1. Методы организации нестационарного энергетического состояния ПП за счет коммутации: а) входного воздействия; б) дополнительной энергетической составляющей
Возможны различные варианты (рис. 2) коммутационного функционирования ПП с учетом всех возможностей ее информационной системы. При этом возможны варианты коммутации и по промежуточным сигналам х х х3 ...хя информационной системы ПП.
Изменение энергетического состояния ПП осуществляется между уровнями значений у1 и у2 (пере-пад Ду), что позволяет генерировать параметры «прогноза» а конечного энергетического состояния ПП через интервалы времени При этом значение у0 соответствует конечному установившемуся энергетиче-
Коммутация энергетического
состояния ПП
Коммутирование координаты Коммутирование дополнительной энергетической составляющей
Оо > т о
о
О X
5 с* 3
5 о н
Ох о
^ СО I
□
I с
(их х
Х=[ : III й
□ ох
ЙО -О* X а
XX о но с Я1 Е=[Х ю
ОХ 3 VIII н
X
01 X
\
1 X
о
т п
о н
11 п
X н I X >
Л =1
п
> [)
о п
V ¥
01 сС XX
1-е
ох X
[Ц : О I- й
110 о о
V у
гЯ
О
п н
п X
п 01
(II
01
X С)
1
(11 (11
т о
01 11
У н
о 01
т
о т
> О
N н
X 1
01 (и
(1 >
(и
01 к
\ С)
1
0) л
1 н
01 о
> |П
о о
а
1 гА
X П
X Н
к Т
о (11
|_ У
и (11
=1 к
С)
(и
X X
X
01 т
=1 л
(и
т (Ъ
т н
1= 1=
си з х а I л 01 н X ¥ 01 7)
х а га н о
Рис. 2. Варианты коммутационного функционирования ПП
скому состоянию информационной системы, функционально связанному с уровнем контролируемой входной координаты х. Полезная информация выделяется из характеристик ^ и ^ выходного импульса. Кривые 1, 2, 3 показывают характер изменения энергетического состояния информационной системы при отсутствии коммутационных воздействий на ПП (рис. 3).
/ "Ьг
-=-Е>
Рис. 3. Характер изменения энергетического состояния информационной системы при отсутствии коммутационных воздействий на ПП
Рассматриваемая система организации преобразования входного воздействия позволяет решать проблемы [3, 4] независимости выходной информативной координаты t0 от воздействия помех Р
Под действием помех на выходе схемы преобразования будет формироваться, наряду с полезным выходным сигналом, помеха Р которая в общем случае будет складываться из двух составляющих:
Р = Р + е,
(1)
где Р^ - мощность помех, формирующихся под действием доминирующей составляющей; е - мощность помехи в виде «белого шума» с равномерной спектральной составляющей.
При дальнейшем рассмотрении процесса формирования характеристик информационной системы ПП важным является случай, когда
Р >> е, (2)
ч 4 '
94
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3, т. 9, 2013
и основная задача заключается в устранении влияния Р на процесс выделения полезной информации на выходе информационного канала. Влияние составляющей £ помехи, как видно из неравенства (2), в этом случае будет существенно меньше на фоне доминирующей помехи и на данном этапе не рассматривается.
При всех вариантах воздействия полезного сигнала и помех на информационную систему очевидным является преимущественно различный характер воздействия [3] полезного сигнала х и помех Р на характеристики выходного импульса 1111 (рис. 4).
если выполняется условие:
/
//X1 ß?X
. -tl . . At? .
. . ■ 0 -
Л У
t
G>
откуда следует
U =
Лу
Лу
1 tgßl y(t) 11 = о'
Лу = Лу
tg ß2 У2 (t ) I t = 0 "
=
At1 = -At2
или
d у( )]= d )]
dq dq
Чувствительность схемы преобразования ПП по помехе q может быть представлена в виде
Ъ>1 (()]+ d Ь 2 (а)]
* * = -
dq
и очевидно, что для обеспечения нечувствительности длительности импульса (() от составляющих q необходимо, чтобы выполнялось условие
S = 0.
9
С учетом очевидной взаимосвязи частоты / коммутации с длительностью импульса:
/к =
10
Тогда соотношение для чувствительности схемы преобразования по частоте / коммутации от доминирующей помехи находится в виде
Г Л2 / .Ь ^ \
Рис. 4. Характер воздействия полезного сигнала х и помех Рq на характеристики выходного импульса ПП
При изменении значений полезного сигнала х и помехи q0 исходный выходной импульс 1 (см. рис. 4) изменяет свою форму и примет состояние 2. Из рис. 4 видно, что
А У
* А = ~т ,
ч
А У
* ^2 = ~Т ,
S f -
s q -
1
t +1
V 1 2 J
dt л dt _
1 ■ + -
dq dq
или
sq = fk
s*1 + S *2
При изменении действия доминирующей помехи на Лq (APq) меняется крутизна кривых у() и у() переходных процессов изменения энергетического состояния между уровнями у1 и у2 на углы Л^ и Лв2. Это приводит к изменению составляющих ¿2 и t1 выходного импульса длительностью на Л^ и Л^2:
А, = dIУli)]Аq,
dq
А,2 = М^.
dq
Длительность выходного импульса ¿0 не будет меняться при действии доминирующей помехи Лq,
где: Sql - чувствительность по времени t1 относительно помехи q(PSq2 - чувствительность по времени ¿2 относительно помехи q(P).
Функции преобразования полезного сигнала х и помехи Р информационной системой разные вследствие различий в их физическом характере воздействия, либо различных точек приложения, и является очевидным:
О Ч Ч- Я ? 2 Я х Ч Я х ,
где Я X - чувствительность ПП по времени составляющей 11 относительно полезного сигнала х; ЯХ2 -чувствительность ПП по времени составляющей ¿2 относительно полезного сигнала х.
Таким образом, при рассматриваемом режиме коммутации энергетического состояния информационной системы ПП длительность импульсного сигнала ¿0 (выходная координата ПП в коммутационном режиме функционирования) будет зависеть от изменений выходного сигнала Лх и не будет зависеть от изменений доминирующей помехи Лq.
Вышеприведенный подход к устранению влияния доминирующей погрешности Р на длительность (() выходного импульса может быть распространен и на другие режимы коммутации [1].
Организация коммутационного режима преобразования входного сигнала позволяет также устранить
2
2
влияние «белого» шума е на выходную контролируемую координату 1111 [4].
Действительно, выходной сигнал ПП, с наложенным на него «белым» шумом, на выходе ПП изменяется, как показано на рис. 5.
I ИЛ ■
tt
Ш7 W
V Y(t) ч 1
—► <1 *— -с „ <;
Рис. 5. Выходной сигнал ПП
В реальных условиях на выходной полезный сигнал Увых накладывается помеха е, которую часто очень сложно выделить и отфильтровать традиционными известными методами. Однако при рассматриваемой организации преобразования входного сигнала на выходе ПП во времени изменяется (см. рис. 2) суммарный (результирующий) сигнал 7вых + е. При этом, как видно из рис. 1, скорость изменения результирующего выходного сигнала и полезного сигнала Увых между фиксированными уровнями У ' и У " одинакова. Следовательно, и время
вых вых
изменения результирующего выходного сигнала и полезного выходного сигнал будет равно одному и тому же значению
При этом необходимо, чтобы соблюдались следующие условия:
- уровень помехи е на интервале регистрации полезного входного сигнала не должен меняться;
- действующая помеха е не должна влиять на динамику изменения энергетического состояния системы преобразования.
Характер формирования и физическая природа действующих наряду с полезным сигналом помех обеспечивают в большинстве известных технических случаев выполнение вышеприведенных условий.
После регистрации контролируемого параметра однозначно связанного с уровнем входного воздействия, система преобразования приводится в исходное энергетическое состояние, то есть выводится на исходный уровень энергетического состояния, обеспечивающего уровень выходного сигнала Увых'. После этого повторяют процесс нарастающего изменения энергетического состояния
с достижения результирующим выходным сигналом уровня Г ", при котором снова осуществляется коммутация энергетического состояния системы преобразования. Новое значение t интервала изменения результирующего выходного сигнала Гвых + е между уровнями значений Гых' и Г" будет характеризовать новое значение входного воздействия и не будет зависеть от уровня действующих помех е.
Предложенная организация преобразования входного сигнала дает эффект при наличии помех с равномерной спектральной плотностью.
Необходимо, в процессе преобразования информации, в условиях нестационарного энергетического состояния ПП, технически обеспечивать выделение тех изменений в динамических характеристиках информационной системы ПП, которые зависят от значения входной координаты и не зависят от уровня действующих, наряду с полезным входным сигналом, помех. При этом осуществляется рост отношения «полезный сигнал / шум» и возрастает информационная производительность ПП.
Следует иметь в виду, что рост информационной производительности (пропускной способности) ПП при создании условий для фильтрации помех как доминирующих, так и малого уровня с равномерной спектральной составляющей осуществляется без изменения конструктивных особенностей преобразователя, что часто снимает ограничения по технологическим факторам.
Список литературы
1. Романченко А.Ф. Информационно-измерительные системы нестационарного энергетического состояния [Текст] / А.Ф. Романченко. - Уфа: УТИС, 2000. - 173 с.
2. Романченко А.Ф. Принцип высокоскоростного преобразования информационных потоков первичными преобразователями [Текст]/ А.Ф. Романченко // Вестник АН РБ. - 2005 г. - Том 10. - № 2. - С. 12-15.
3. Романченко А.Ф. К вопросу фильтрации помех при преобразовании сигнала [Текст] / А.Ф. Романченко, Р.Р. Тазетдинов // Инновации и перспективы сервиса: Сб. матер. Межд. научн. техн. конф. -Уфа: УГАЭС, 2006 г. - С. 15-17.
4. Патент № 2351937 Российская Федерация, МПК7 G01 P 5/12, G01N25/00. Способ преобразования сигнала [Текст] / А.Ф. Романченко, Р.Р. Тазетдинов; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимская государственная академия экономики и сервиса» (ГОУ ВПО «УГАЭС») (RU). - № 2008107232/09; заявл. 26.02.2008; опубл. 10.04.2009. - Бюл. № 10.
96 — Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3, т. 9, 2013
