Введение к работе
Актуальность проблемы
Развитие информационных технологий в измерительной технике открыло новые возможности для создания средств измерений, построенных с использованием сложных алгоритмов. Сегодня появились возможности практической реализации накопленного годами математического обеспечения. В настоящей диссертационной работе предлагается развитие описанной многими авторами теории адаптивных измерений.
Проблема повышения точности результатов измерений является важнейшим аспектом метрологии. В рамках теории измерений разработано множество различных методов повышения точности. В цифровых средствах измерений решение описанной задачи вышло на новый технический уровень. Адаптация позволяет управлять параметрами и алгоритмами повышения точности, делая их чувствительными к свойствам измеряемого сигнала. В данной диссертационной работе рассматривается адаптация алгоритмов измерений к текущему состоянию входного воздействия в части сглаживания аддитивных помех при различных видах изменения входного сигнала. Введение алгоритмической адаптации при измерении позволяет повысить точность измерений, а также достичь других положительных эффектов, среди которых можно назвать сокращение времени измерений.
Для получения представления о точности, достигаемой при реализации алгоритмической адаптации, требуется проведение развернутого метрологического анализа результатов измерений. В настоящей работе проводится развернутый метрологический анализ различных вариантов измерительных процедур с адаптивным сглаживанием аддитивной помехи, как на расчетной основе, так и с применением имитационного моделирования.
Возможность повышения точности результатов измерений вследствие применения исследуемых в работе алгоритмов измерительных процедур обуславливает ее актуальность.
Предметом исследования являются метрологические характеристики результатов измерений с адаптивным сглаживанием аддитивной помехи для входных сигналов различных видов.
Цель работы — разработка принципов организации измерений с адаптивным сглаживанием аддитивной помехи и алгоритмов исследования эффективности таких измерений.
В соответствии с поставленной целью в работе формулируются и решаются следующие основные задачи:
-
Исследовать и алгоритмически описать общие принципы сглаживания аддитивных помех;
-
Определить ситуации, в которых введение адаптации целесообразно; описать необходимый состав A3;
-
Разработать алгоритмическое обеспечение для организации измерений с адаптивным сглаживанием аддитивной помехи для постоянного сигнала, на основе усреднения;
-
Разработать алгоритмическое обеспечение для организации измерений с адаптивным сглаживанием аддитивной помехи для непостоянного сигнала, на основе методов восстановления функциональных зависимостей (в частности МНК);
-
Разработать алгоритмическое и программное обеспечение для проведения метрологического анализа измерений с адаптивным сглаживанием аддитивной помехи;
6. Провести метрологический анализ предложенных процедур.
Методы исследования основаны на использовании теории математической метрологии, имитационного моделирования, теории вероятности и математической статистики.
Научная новизна В результате проведенных исследований были достигнуты следующие научные результаты:
-
Предложено математическое обеспечение процедур сглаживания аддитивной помехи для постоянного и непостоянного сигнала: на основе усреднения и метода наименьших квадратов;
-
Сформулирована задача и предложен подход к формированию адаптивных алгоритмов повышения точности для непостоянного сигнала, расширяющие возможности методов сглаживания аддитивных помех, за счет приспособления к свойствам полезного сигнала и действующей помехи;
-
Разработаны правила адаптивного выбора алгоритма сглаживания аддитивной помехи, основанные на определении вида изменения полезного сигнала.
-
Разработано алгоритмическое обеспечение для проведения метрологического анализа результатов измерений с алгоритмической адаптацией измерений при возможном наличии аддитивных помех с применением имитационного моделирования. Разработано программное обеспечение, реализующее предложенные алгоритмы.
Практическая ценность
Результаты проведенных исследований расширяют возможности применения адаптивных измерений с алгоритмической адаптацией измерений при возможном наличии аддитивных помех. Сформулированное математическое обеспечение предоставляет возможность оценки метрологических характеристик средств измерений, построенных с применением различных адаптивных алгоритмов.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Алгоритмическое обеспечение измерений с параметрической адаптацией, реализующее механизм управления объемом выборки для алгоритмов сглаживания аддитивных помех.
-
Алгоритмическое обеспечение измерений с алгоритмической адаптацией, реализующее механизм управления включением процедуры сглаживания в состав измерительного эксперимента.
-
Алгоритмическое обеспечение измерений с адаптивным выбором процедуры сглаживания, реализующее механизм включения одной из возможных процедур сглаживания, в зависимости от вида изменения полезного сигнала.
-
Алгоритмическое обеспечение для проведения метрологического анализа измерений с адаптивным сглаживанием аддитивной помехи на расчетной основе и с использованием имитационного моделирования, позволяющее получить представление о достигаемой точности.
Внедрение результатов работы. Диссертационная работа является обобщением результатов, полученных автором в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина). ^
Материалы диссертации были использованы в научно-исследовательской работе «Разработка нормативной документации и создание мобильной лаборатории по анализу экологического состояния рабочих и учебных мест в учебных заведениях», выполненной ГНУ НИИ «Прогноз» по программе «Научное, научно-техническое и информационное обеспечение системы образования».
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации публиковались в Вестнике Метрологической академии (Северо-Западный филиал), а также докладывались на международных конференциях:
Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики — г. Новочеркасск, 2004;
Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах, 2004;
Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики — г. Новочеркасск, 2005
на кафедральных конференциях и семинарах.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 10 научных работ, из них — 7 статей и 3 работы в материалах'международных научно-практических конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 98 наимено-
ваний, и приложения. Основная часть работы изложена на ПО страницах машинописного текста. Работа содержит 32 рисунка и 20 таблиц.
В работе приняты сокращения: A3 — априорные знания; АП — аддитивная помеха; ИМ - имитационное моделирование; МНК - метод наименьших квадратов; МА — метрологический анализ.