izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2022-10-19-25izmertech-1652Research ArticleОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯOPTICOPHYSICAL MEASUREMENTSИзмерительная система на основе нерекурсивных фильтров с оптимальной коррекцией погрешности динамического измеренияMeasuring system on a basis of non-recursive filters with optimal dynamic error correctionhttps://orcid.org/0000-0001-5579-6040ВолосниковА. С.VolosnikovA. S.

Андрей Сергеевич Волосников

Челябинск

Andrei S. Volosnikov

 Chelyabinsk

volosnikovas@susu.ruЮжно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)РоссияSouth Ural State University (National Research University)Russian Federation2022240520230101925Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1652

Дан обзор публикаций по теории динамических измерений. Рассмотрена проблема минимизации погрешности динамического измерения, составляющие которой обусловлены динамическими свойствами (инерционностью) датчика и аддитивным шумом на его выходе. Для решения проблемы предложен способ минимизации погрешности динамического измерения в результате одновременной коррекции указанных составляющих и разработана структура измерительной системы. Применение измерительной системы позволяет оценивать погрешность динамического измерения и уменьшать её путём одновременного восстановления и фильтрации входного измеряемого сигнала датчика. Предложена структура специального фильтра с предварительной коррекцией передаточной функции датчика для дальнейшей обработки измеренного сигнала. Обработка погрешности динамического измерения заключается в итеративном применении восстанавливающего фильтра с конечно-импульсной характеристикой (или не рекурсивного фильтра) и оценке динамической погрешности. Для датчика 2-го порядка проведено компьютерное моделирование разработанной измерительной системы. Получены оптимальные (по минимуму оценки динамической погрешности) значения порядка восстанавливающего фильтра для входных сигналов различного вида в присутствии аддитивного гауссова шума на выходе датчика. Продемонстрировано уменьшение динамической погрешности с применением разработанной измерительной системы. Полученные результаты будут полезны при измерениях параметров быстропеременных процессов, когда доминирующей является динамическая составляющая погрешности, обусловленная динамическими свойствами (инерционностью) датчика, а также аддитивными шумами на его выходе.

The problem of the dynamic measurement error estimation and compensation is considered. This type of error is determined by two components. The fi rest one is due to dynamic properties (inertia) of a sensor. The second one is due to the presence of an additive noise at the sensor output. The dynamic error reduction consists in simultaneous correction of these two components. The structure of the measuring system with the dynamic measurement error estimation is developed. Correction of the dynamic error is carried out by simultaneous restoration and fi altering of the measured sensor input signal. The structure of a special filter with a preliminary correction of the sensor transfer function to a form convenient for further processing of the measured signal is proposed. Further signal processing consists in the iterative application of a restoring FIR fi later with the dynamic error estimation. A computer simulation of the proposed measuring system for the second-order sensor was carried out. Optimal (in the sense of minimization of the dynamic error estimation) orders of the restoring filter are obtained for input signals of various types in the presence of an additive Gaussian noise at the sensor output. A decrease in the dynamic error estimation based on the proposed structure of the dynamic measuring system is demonstrated. The application fi eld of the results obtained is the measurement of fast-changing processes, when the dynamic component of the error, caused by dynamic properties (inertia) of the sensor, as well as additive noises at its output, is dominant.

датчикдинамическое измерениеоптимальная обработка сигналоврекурсивные фильтры с конечноимпульсной характеристикойпогрешность динамического измеренияsensordynamic measurementoptimal signal processingfinite impulse response filtersdynamic measurement errorработа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Челябинской области в рамках регионального проекта фундаментальных и прикладных научных исследований№ 20-48-740022 р_а_Челябинск «Методы регуляризации при обработке зашумленных данных в многоканальных измерительных системах».the work was supported by the Ministry of Education and Science of the Chelyabinsk region within the framework of the regional project of fundamental and applied scientifi c research no. 20-48-740022 r_a_chelyabinsk “Regularization methods for processing noisy data in multichannel measuring systems”.ReferencesHessling J. P., Measurement Science and Technology, 2008, vol. 19(7), 075101. https://doi.org/10.1088/0957-0233/19/7/075101Hessling J. P., Measurement Science and Technology, 2008, vol. 19(7), 075101. https://doi.org/10.1088/0957-0233/19/7/075101Hessling J. P., Measurement Science and Technology, 2008, vol. 19(8), 084008. https://doi.org/10.1088/0957-0233/19/8/084008Hessling J. P., Measurement Science and Technology, 2008, vol. 19(8), 084008. https://doi.org/10.1088/0957-0233/19/8/084008Hessling J. P., Measurement Science and Technology, 2009, vol. 20(5), 055106. https://doi.org/10.1088/0957-0233/20/5/055106Hessling J. P., Measurement Science and Technology, 2009, vol. 20(5), 055106. https://doi.org/10.1088/0957-0233/20/5/055106Kollar I., Osvath P., Zaengl W. S., Conference Record of the 1988 IEEE International Symposium on Electrical Insulation, Cambridge, MA, USA, June 5–8, 1988, pp. 359–363. https://doi.org/10.1109/ELINSL.1988.13941Kollar I., Osvath P., Zaengl W. S., Conference Record of the 1988 IEEE International Symposium on Electrical Insulation, Cambridge, MA, USA, June 5–8, 1988, pp. 359–363. https://doi.org/10.1109/ELINSL.1988.13941Vester R., Percin M., and van Oudheusden B., Measurement Science and Technology, 2016, vol. 27(9), 095302. https://doi.org/10.1088/0957-0233/27/9/095302Vester R., Percin M., and van Oudheusden B., Measurement Science and Technology, 2016, vol. 27(9), 095302. https://doi.org/10.1088/0957-0233/27/9/095302Neelamani R., Choi H., Baraniuk R., IEEE Transactions on Signal Processing, 2004, vol. 52(2), pp. 418–433. https://doi.org/10.1109/TSP.2003.821103Neelamani R., Choi H., Baraniuk R., IEEE Transactions on Signal Processing, 2004, vol. 52(2), pp. 418–433. https://doi.org/10.1109/TSP.2003.821103Shen X. A., Walter G. G., Numerical Functional Analysis and Optimization, 2002, vol. 23(1-2), pp. 195–215. https://doi.org/10.1081/NFA-120003678Shen X. A., Walter G. G., Numerical Functional Analysis and Optimization, 2002, vol. 23(1-2), pp. 195–215. https://doi.org/10.1081/NFA-120003678Fan J., Koo J.-Y., IEEE Transactions on Information Theory, 2002, vol. 48(3), pp. 734–747. https://doi.org/10.1109/18.986021Fan J., Koo J.-Y., IEEE Transactions on Information Theory, 2002, vol. 48(3), pp. 734–747. https://doi.org/10.1109/18.986021Qian, A., Applied Mathematics and Computation, 2008, vol. 203(2), pp. 635–640. https://doi.org/10.1016/j.amc.2008.05.009Qian, A., Applied Mathematics and Computation, 2008, vol. 203(2), pp. 635–640. https://doi.org/10.1016/j.amc.2008.05.009Dichev D., Koev H., Bakalova T., Louda P., Measurement Science Review, 2014, vol. 14(4), pp. 183–189. https://doi.org/10.2478/msr-2014-0025Dichev D., Koev H., Bakalova T., Louda P., Measurement Science Review, 2014, vol. 14(4), pp. 183–189. https://doi.org/10.2478/msr-2014-0025Dichev D., Koev H., Bakalova T., Louda P., Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2014, vol. 44(1), pp. 3–20. https://doi.org/10.2478/jtam-2014-0001Dichev D., Koev H., Bakalova T., Louda P., Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2014, vol. 44(1), pp. 3–20. https://doi.org/10.2478/jtam-2014-0001Dichev D., Koev H., Bakalova T., Louda P., Measurement Science Review, 2015, vol. 15(1), pp. 19–26. https://doi.org/10.1515/msr-2015-0004Dichev D., Koev H., Bakalova T., Louda P., Measurement Science Review, 2015, vol. 15(1), pp. 19–26. https://doi.org/10.1515/msr-2015-0004Dichev D., Koev H., Bakalova T., Louda P., Metrology and Measurement Systems, 2016, vol. 23(4), pp. 555–565. https://doi.org/10.1515/mms-2016-0041Dichev D., Koev H., Bakalova T., Louda P., Metrology and Measurement Systems, 2016, vol. 23(4), pp. 555–565. https://doi.org/10.1515/mms-2016-0041Dichev D., Zhelezarov I., Diakov D., Nikolova H., Miteva R., 2019 XXIX International Scientifi c Symposium “Metrology and Metrology Assurance” (MMA) Proceedings, Sozopol, Bulgaria, Sept. 6–9, 2019, pp. 01–04. https://doi.org/10.1109/MMA.2019.8936039Dichev D., Zhelezarov I., Diakov D., Nikolova H., Miteva R., 2019 XXIX International Scientifi c Symposium “Metrology and Metrology Assurance” (MMA) Proceedings, Sozopol, Bulgaria, Sept. 6–9, 2019, pp. 01–04. https://doi.org/10.1109/MMA.2019.8936039Rossi G. B., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2012, vol. 61(8), pp. 2097–2106. https://doi.org/10.1109/TIM.2012.2197071Rossi G. B., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2012, vol. 61(8), pp. 2097–2106. https://doi.org/10.1109/TIM.2012.2197071Rossi G. B., 2015 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC) Proceedings, Pisa, Italy, May 11–14, 2015, pp. 1516–1521. https://doi.org/10.1109/I2MTC.2015.7151503Rossi G. B., 2015 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC) Proceedings, Pisa, Italy, May 11–14, 2015, pp. 1516–1521. https://doi.org/10.1109/I2MTC.2015.7151503Saggin B., Debei S., Zaccariotto M., Measurement, 2001, vol. 30(3), pp. 223–230. https://doi.org/10.1016/S0263-2241(01)00015-XSaggin B., Debei S., Zaccariotto M., Measurement, 2001, vol. 30(3), pp. 223–230. https://doi.org/10.1016/S0263-2241(01)00015-XShestakov A. L., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 1996, vol. 45(1), pp. 250–255. https://doi.org/10.1109/19.481342Shestakov A. L., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 1996, vol. 45(1), pp. 250–255. https://doi.org/10.1109/19.481342Shestakov A. L., Advanced Mathematical and Computational Tools in Metrology and Testing X, Series on Advances in Mathematics for Applied Sciences, 2015, vol. 86, pp. 66–77. https://doi.org/10.1142/9789814678629_0008Shestakov A. L., Advanced Mathematical and Computational Tools in Metrology and Testing X, Series on Advances in Mathematics for Applied Sciences, 2015, vol. 86, pp. 66–77. https://doi.org/10.1142/9789814678629_0008Shestakov A. L., ACTA IMEKO, 2019, vol. 8(1), pp. 64–76. https://doi.org/10.21014/acta_imeko.v8i1.568Shestakov A. L., ACTA IMEKO, 2019, vol. 8(1), pp. 64–76. https://doi.org/10.21014/acta_imeko.v8i1.568Yurasova E. V., Biziaev M. N., Volosnikov A. S., Procedia Engineering, 2015, vol. 129, pp. 764–769. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.12.101Yurasova E. V., Biziaev M. N., Volosnikov A. S., Procedia Engineering, 2015, vol. 129, pp. 764–769. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.12.101Yurasova E. V., Bizyaev M. N., Volosnikov A. S., Bulletin of the South Ural State University. Ser. Computer Technologies, Automatic Control, Radio Electronics, 2015, vol. 16(1), pp. 64–80. https://doi.org/10.14529/ctcr160106Yurasova E. V., Bizyaev M. N., Volosnikov A. S., Bulletin of the South Ural State University. Ser. Computer Technologies, Automatic Control, Radio Electronics, 2015, vol. 16(1), pp. 64–80. https://doi.org/10.14529/ctcr160106Volosnikov A. S., Shestakov A. L., ACTA IMEKO, 2016, vol. 5(3), pp. 24–31. https://doi.org/10.21014/acta_imeko.v5i3.294Volosnikov A. S., Shestakov A. L., ACTA IMEKO, 2016, vol. 5(3), pp. 24–31. https://doi.org/10.21014/acta_imeko.v5i3.294Bizyaev M. N., Volosnikov A. S., Advanced Mathematical and Computational Tools in Metrology and Testing XI, Series on Advances in Mathematics for Applied Sciences, 2018, vol. 89, pp. 153–161. https://doi.org/https://doi.org/10.1142/9789813274303_0012Bizyaev M. N., Volosnikov A. S., Advanced Mathematical and Computational Tools in Metrology and Testing XI, Series on Advances in Mathematics for Applied Sciences, 2018, vol. 89, pp. 153–161. https://doi.org/https://doi.org/10.1142/9789813274303_0012Yurasova E. V., Volosnikov A. S., Advanced Mathematical and Computational Tools in Metrology and Testing XI, Series on Advances in Mathematics for Applied Sciences, 2018, vol. 89, pp. 427–438. https://doi.org/10.1142/9789813274303_0043Yurasova E. V., Volosnikov A. S., Advanced Mathematical and Computational Tools in Metrology and Testing XI, Series on Advances in Mathematics for Applied Sciences, 2018, vol. 89, pp. 427–438. https://doi.org/10.1142/9789813274303_0043Franklin G. F., Powell J. D., Workman M. L., Digital Control of Dynamic Systems (3rd Edition), Addison-Wesley, 1998, 742 p.Franklin G. F., Powell J. D., Workman M. L., Digital Control of Dynamic Systems (3rd Edition), Addison-Wesley, 1998, 742 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.