Электротехника

Исследованы взаимосвязи электрического поля приземного слоя атмосферы с геофизическими процессами с помощью радиотехнических и радиофизических методов и средств. Общая постановка задачи спектрального оценивания процесса, анализируемого в данной работе и состоящего из помехового фона и частично детерминированного гармонического сигнала (лунно-солнечные приливные эффекты), формулируется следующим образом: необходимо по данным дискретных измерений вертикальной составляющей напряженности электрического поля приземного слоя на конечном интервале времени получить достоверную оценку амплитуды спектральных компонент на известных частотах лунно-солнечных приливов. Доказана перспективность применения радиотехнического метода корреляционного квадратурного приемника при решении задачи оценки амплитуды электрического поля на частотах лунно-солнечных приливов.

Рассматривается задача вычисления спектральной плотности волнового процесса на основе данных от антенной решетки переменной конфигурации. Такая антенна представляет собой совокупность точеных датчиков, которые движутся в пространстве с постоянными скоростями относительно лабораторной системы отсчета и относительно друг друга. Предложен способ преобразования исходных данных, позволяющий устранять неоднородный доплеровский сдвиг в отдельных узлах решетки. Предложена реализация такой вычислительной процедуры для случая дискретных временных рядов.

Представлены линейные динамические модели биологических тканей. Приведены результаты оценок параметров моделей и соответствующих дисперсий для различных биологических тканей в состоянии "норма" и "патология". Разработанные модели могут быть использованы на практике в различных областях науки и техники, в том числе и в медицине.

Одним из перспективных направлений в области фундаментальных исследований признано создание интеллектуальных биомехатронных технологий различного назначения. Развитие робототехники вызвало появление различного рода тактильных датчиков, предназначенных для геометрического распознавания предметов окружающего пространства. В связи с возрастающими требованиями по надежности и качеству актуальной становится задача обнаружения скрытых дефектов, проявляемых, в частности, через различные сбои в аппаратуре, включая датчики. Поэтому целью исследования является предложение различных методов активной диагностики, а также информативных параметров, позволяющих обнаруживать и регистрировать сбои. Рассмотренные и предложенные в работе методы и средства обнаружения и регистрации сбоев в аппаратуре позволяют ставить на повестку дня вопросы разработки, создания и эксплуатации бессбойной аппаратуры с модернизацией существующих ГОСТов по надежности.

Объектом исследования являются конструкции чувствительных элементов (ЧЭ) и измерительных модулей (ИМ) полупроводниковых датчиков давления. Предмет исследования – процессы оптимизации и унификации номенклатуры ЧЭ и ИМ датчиков физических величин. Целью работы является уменьшение себестоимости датчиков физических величин без снижения уровня их технических характеристик и показателей надежности. Разработаны конструктивно и функционально законченные унифицированные ЧЭ и ИМ датчиков статических и динамических давлений. Проведен анализ себестоимости датчиков, изготовленных на базе унифицированных ЧЭ и ИМ.

Расширение динамического и частотного диапазонов измерения параметров виброколебаний относится к важным задачам совершенствования аппаратуры виброакустической диагностики и мониторинга сложного технического оборудования. В ряде случаев необходимый результат достигается путем одновременного использования двух датчиков, отличающихся значениями коэффициентов преобразования или рабочими диапазонами частот. Однако такое решение не всегда технически выполнимо. Целью данной работы является создание пьезоэлектрических акселерометров, предназначенных для измерения в двух перекрывающихся динамических или частотно-динамических диапазонах. На примере преобразования ускорения в электрический сигнал с использованием прямого пьезоэффекта рассмотрены основные принципы построения двухдиапазонных электромеханических преобразователей акселерометров. Проведен анализ особенностей их работы в режимах измерения напряжения и заряда. На основе предложенных критериев конструирования разработаны и экспериментально исследованы варианты макетных образов двухдиапазонных акселерометров.

К числу широко известных и перспективных методов оценки частотно-временных характеристик сигналов относятся методы, основывающиеся на построении и анализе функции неопределенности. В задачах радионавигации и оценки местоположения источников радиоизлучения такими характеристиками являются взаимная временная задержка и относительный доплеровский сдвиг частоты, возникающие при распространении сигнала от источника до разнесенных в пространстве приемников. Функция неопределенности в данном случае используется для одновременной оценки задержки и доплеровского сдвига частоты. На основе расчета взаимных временных задержек построен разностно-дальномерный метод оценки местоположения объектов, а значение доплеровского сдвига частоты используется для оценки скорости движения излучающего объекта. Одной из серьезных проблем, возникающих при практическом применении функции неопределенности, является большой объем вычислений, требующихся для ее расчета. Основной целью данной работы является разработка вычислительно эффективного метода расчета функции неопределенности с использованием параллельных вычислений на графических процессорах.

Предметом исследования является параллельная работа автономных однофазных инверторов тока на общую индукционную печь. Тема исследования: анализ переходных и установившихся электромагнитных процессов при оперативной адаптации структуры многомодульного источника питания индукционной печи к изменяющимся в процессе плавки параметрам нагрузки. Цель работы: повышение эффективности использования силового оборудования, его надежности и срока службы. Исследования проводились с использованием системы компьютерного моделирования PSIM.

Рассмотрены причины возникновения систематических погрешностей информационно-измерительной системы измерений биений вала на базе датчика с бегущим магнитным полем. Для анализа причин возникновения погрешностей использована компьютерная модель, разработанная авторами с использованием среды MatLAB. Приведены результаты исследований погрешности реальной информационно-измерительной системы.

Приведены исследования характера переходных процессов при управлении инерционными объектами с запаздыванием. Экспериментально определены параметры переходных процессов и степень их влияния на величину инерционного роста регулируемой величины при воздействии на объект одиночным импульсным сигналом. Предложена зависимость для определения величины инерционного роста от выявленных параметров.

Рассматривается актуальная задача многовариантной совместной оптимизации выбора мощностей передатчиков и частотно-территориального планирования на местных и технологических сетях радиосвязи со звездообразной топологией и повторным использованием частот. Впервые разработано математическое и программное обеспечение для решения указанной задачи оптимизации. Для оценки эффективности оптимизации проведены результаты обширных вычислительных экспериментов с использованием разнообразных моделей сетей с топологией "звезда".

Предлагается применение метода цифрового спектрального оценивания Прони для уменьшения времени измерения параметров комплексного сопротивления высокоомных электрических цепей устройствами на основе измерительных схем с коммутируемыми опорными элементами.

Описывается новый метод осуществления метрологического самоконтроля в интеллектуальном акустическом пьезоэлектрическом датчике, а также технических средств, автоматически реализующих этот метод. Представлены результаты практических исследований, которые подтверждают возможность реализации описанного метода, а также применение его для мониторинга сложных объектов.

Синтезированы математические модели нелинейных элементов преобразователей "угол-параметр-код" с учетом параметров, влияющих на точность. Показана взаимосвязь моделей и установлены аналитические зависимости между точностными характеристиками для удобства их анализа и учета. Обоснована целесообразность использования имитаторов сигналов синусно-косинусного вращающегося трансформатора при анализе данных о точностных и функциональных возможностях аналого-цифровых преобразователей сигналов вращающегося трансформатора. Синтезированы алгоритмы анализа данных о точностных характеристиках аналого-цифровых преобразователей сигналов вращающегося трансформатора.

Интеллектуальные системы контроля показателей качества электроэнергии стартовых комплексов требуют использования высокоточных средств измерения. В работе проводится анализ ряда известных способов повышения точности аналого-цифрового преобразователя сигма-дельта архитектуры, а также рассматриваются предложенные авторами способы повышения точности данного типа аналого-цифрового преобразователя в составе средств измерения наземных комплексов и бортового оборудования.

Проведен анализ прецизионных аналого-цифровых преобразователей, показаны основные достоинства, недостатки и проблемы их использования. Обоснован комплексный подход к разработке, который позволяет получать эффективные решения задачи синтеза прецизионных аналого-цифровых преобразователей для информационно-измерительных систем ракетно-космической техники.

Рассмотрен процесс распространения света в многомодовом оптическом волноводе, который используется в волоконно-оптическом датчике давления. Рассмотрены уравнения Максвелла для упрощенной геометрии изгиба оптического волокна. Использованы методы статистического моделирования, например метод Монте-Карло, для расчета множества траекторий, опираясь на решение чисто геометрических задач нахождения точек пересечения и использования условий Френеля в случае рефрагирующей точки отражения или условия отражения от поверхности с двумя радиусами кривизны в случае туннелирующей точки отражения. Результат работы позволит эффективно спроектировать и смоделировать чувствительный элемент датчика.

Проектирование преобразовательных устройств (в частности, сварочных инверторов) связано с необходимостью выполнения требований по их электромагнитной совмести. Для решения этой задачи необходимо оценить спектральный состав фидерных токов преобразователя. На примере сварочного инвертора переменного тока частоты 30 кГц показан способ осуществления такой оценки путем компьютерного моделирования процессов в схеме. Достоверность полученной картины спектра выходного тока инвертора подтверждена результатами испытаний физического образца. Приведены зависимости, отражающие связь спектральной мощности и ширины спектра со скважностью импульсов тока. Показано, что в момент обрыва электрической дуги в спектре на частоте около 5 МГц появляются новые составляющие значительной амплитуды.

Описан принцип построения электромагнитной системы двухкоординатного датчика для измерения величины и направления смещения вала. Получены математические зависимости индуктивностей обмоток двухкоординатного датчика.

Рассматриваются способы анализа и построения модели джиттера с использованием метода сингулярно-спектрального анализа ("Гусеница").

Предлагается алгоритм поиска экстремума статической характеристики инерционного объекта по текущим измеренным значениям его входного и выходного сигналов с использованием рекуррентной процедуры метода наименьших квадратов, в результате которой оценивается коэффициент передачи объекта, а затем с использованием прямых методов поиска нуля функции находится его нулевое значение.

Описывается методика проектирования [сигма][дельта]-модуляторов высоких порядков, основанная на аналитическом определении области значений коэффициентов обратной связи модуляторов для обеспечения устойчивого режима работы, расчета их значений с учетом допусковых значений и критерия минимума среднеквадратического отклонения шума квантования. Приводится пример проектирования [сигма][дельта]-модулятора третьего класса.

Рассматривается алгоритм выделения пауз в речевом сигнале. Разработанный алгоритм основан на использовании теории активного восприятия, адаптированной к анализу речевых сигналов. Результаты проведенных экспериментов подтверждают возможность использования предложенного алгоритма для решения поставленной задачи.

Рассмотрены вопросы аппроксимации сигналов и функций сложной формы по экстремумам на основе разложения на знакопеременные составляющие. Показано, что на основе аппроксимации "колокольными импульсами" могут быть определены спектральные, времячастотные и другие характеристики сигналов, что является основой ее применения в технических системах.

Разработана информационно-измерительная система мониторинга качества электрической энергии. Система позволяет как измерять, так и корректировать коэффициенты гармонических искажений по току и напряжению.

Описана цифровая система фазовой синхронизации с равномерной дискретизацией и аналогово-цифровым преобразованием до петли фазовой автоподстройки. На основе метода D-разбиения определены области асимптотической устойчивости рассматриваемой системы третьего порядка. Выявлены области значений параметров k[1], k[2], k[3], при которых все корни характеристического уравнения линейного приближения рассматриваемой дискретной нелинейной системы на комплексной плоскости находятся внутри единичной окружности.

Предложены декомпозиционные математические модели резонансного вентиля и циркулятора на магнитных нанокомпозитах. Математические модели построены при помощи автономных блоков в виде прямоугольных параллелепипедов с диэлектрическими наносферами и магнитными частицами (строгая модель) и эффективных значений компонентов тензора магнитной и скаляра диэлектрической проницаемостей (упрощенная модель). Наблюдается хорошее совпадение результатов моделирования, полученных при помощи строгой и упрощенной моделей.

Предложен универсальный способ реализации компенсатора типовыми звеньями промышленных контроллеров за счет их последовательного соединения. Рассмотрено влияние вида передаточной функции возмущающего воздействия на переходный процесс.

Изучено влияние нагрузки на гармонический состав тока и напряжения в основной сети электроснабжения. Выявлены источники, которые вызывают искажение кривых тока и напряжения, и получены соответствующие гармонические спектры.

Предложен метод расчета операционных усилителей на основе использования топологических графов, что позволяет резко сократить объем вычислений за счет перехода от принципиальных электрических схем узлов средств измерений непосредственно к графам и к функциям преобразования.

На основе теории непрерывно-дискретных систем предложена методика синтеза [сигма][дельта]-АЦП с многоуровневым ЦАП на основе широтно-импульсного модулятора, отличающихся высокой линейностью преобразования. Приведены результаты имитационного моделирования.

Предлагается методика применения параметрического спектрального анализа, в основе которой лежит рекуррентная процедура метода наименьших квадратов. В основе рекуррентного метода предложено применить расчетные параметры средства измерений, что сокращает объем вычислений.

Проведено исследование погрешностей селектора октантов, входящего в структуру АЦП сигналов синусно-косинусного вращающегося трансформатора. Изложены основные принципы и особенности работы селектора октантов. Получены и представлены аналитические зависимости погрешностей. Даны рекомендации по использованию данных зависимостей при метрологическом обеспечении производства. Предложен способ повышения точности работы селектора октантов.

Приводится расчет магнитной силы в воздушном зазоре электрической машины любого типа на основе введения понятия эквивалентного тока.

Разработана новая конструкция волоконно-оптического датчика давления на туннельном эффекте, технологический процесс сборки которого упрощен в сравнении с базовой конструкцией, в два раза уменьшены габаритные размеры.

На основе теории непрерывно-дискретных систем предложена методика синтеза [сигма][дельта]-модулятора с многоуровневым ЦАП на основе широтно-импульсного модулятора, отличающегося высокой линейностью преобразования и низким уровнем флуктуационного шума. Приведены результаты имитационного моделирования.

Проведены исследования радиофизических характеристик образцов Ni-Zn-ферритовых радиопоглощающих материалов, полученных по различным технологическим режимам. Установлено влияние микроструктуры на радиофизические характеристики испытуемых материалов.

Рассматривается метод определения длительности переходного процесса в [сигма][дельта]-АЦП с [дельта]-модулятором высокого порядка, находящимся в режиме хаотических колебаний. Приводятся математические модели, уравнения для расчета переходных процессов, результаты исследования и рекомендации по выбору оптимальных параметров структуры.

Рассмотрены тензопреобразователи давления на основе керамики и полупроводникового чувствительного элемента со структурой кремний на сапфире. Проведены исследования нелинейности и вариации выходного сигнала, температурного дрейфа керамических преобразователей с использованием различных видов керамики. Температурная погрешность керамических тензопреобразователей оказалась существенно ниже, чем у серийно выпускаемых преобразователей давления, а точности керамических и серийно выпускаемых тензопреобразователей сравнимы.

Приводится описание автоматизированной системы аппроксимативного корреляционно-спектрального анализа случайных процессов, с помощью которой осуществляется моделирование случайных процессов с заданным видом корреляционной функции, аппроксимация корреляционных функций и спектральных плотностей мощности ортогональными функциями Бесселя, оценка по параметрам модели обобщенных корреляционно-спектральных характеристик.

Описывается метод синтеза многофазных автономных инверторов напряжения на основе использования генетических алгоритмов. Задача синтеза решалась по критерию минимума коэффициента несинусоидальности выходного напряжения автономных инверторов напряжения со ступенчатой модуляцией. Целью работы является автоматизация процесса поиска новых схемных решений в данном классе преобразовательных устройств.

Рассмотрены основные теоретические проблемы анализа и синтеза интегрирующих измерительных преобразователей гетерогенной структуры, относящихся к нелинейным разомкнутым и замкнутым импульсным системам. Анализируется возможность применения теории непрерывно-дискретных систем для синтеза измерительных преобразователей неоднородной структуры.

Приводится описание декомпозиционного джоульметрического метода с воздействием разнополярными импульсами тока различной амплитуды на объект исследования и его применение для контроля состояния биологических объектов. Рассматриваются принципы построения джоульметрических информационно-измерительных систем и дается описание джоульметрического комплекса, применяемого для оценки состояния биологических тканей и жидкостей человека.

На основе анализа механизма возникновения погрешности от краевых эффектов в интегрирующих АЦП проведена систематизация структурно-алгоритмических методов ее снижения. Предложены методы ее полной компенсации путем введения поправок в цифровом, аналоговом и аналого-цифровом виде. Рассмотрены варианты схемной реализации интегрирующих АЦП, свободных от погрешности от краевых эффектов.

Обоснована целесообразность создания многофункциональных аппаратно-программных комплексов для формирования и измерения параметров импульсных сигналов, сформулированы принципы их построения. Рассмотрены способы создания моделей сигналов для математического и схемотехнического моделирования измерительных электрических цепей.

На основе теории непрерывно-дискретных систем предложен метод синтеза цифровых акселерометров с неоднородной природой физических величин. Проводится моделирование и исследование синтезированных структур с использованием системы Matlab.

Рассматриваются новые методы и средства раздельного определения параметров двухполюсных электрических цепей по мгновенным значениям переходных процессов, обеспечивающие сокращение времени измерения. Приводятся результаты анализа влияния погрешности квантования мгновенных значений сигналов на погрешность измерения параметров.

Рассмотрены проблемы, возникающие при получении ЭМГ-сигналов с поверхности кожи для биоэлектрического управления протезами, а также возможные пути их решения. Проведен анализ конструкций поверхностных электродов, рассмотрены их преимущества и недостатки, предложена оптимальная конструкция электрода. Рассмотрены теоретические аспекты построения усилителей биоэлектрических сигналов, особенности их практической реализации с учетом особенностей получения ЭМГ-сигнала. Предложен вариант реализации концепции "активного электрода".

Предложены математические модели амплитудных и амплитудно-частотных характеристик вакуумного емкостного делителя высоких высокочастотных напряжений. Теоретически обосновывается правомочность применения разрабатываемого алгоритма к измерениям динамических характеристик ДН высоких высокочастотных напряжений.

Проанализированы перспективы развития интегрирующих аналого-цифровых преобразователей, реализующих единичные и ступенчатые весовые функции.