Измерительная система на основе нерекурсивных фильтров с оптимальной коррекцией погрешности динамического измерения

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.

1. Hessling J. P., Measurement Science and Technology, 2008, vol. 19(7), 075101. https://doi.org/10.1088/0957-0233/19/7/075101

2. Hessling J. P., Measurement Science and Technology, 2008, vol. 19(8), 084008. https://doi.org/10.1088/0957-0233/19/8/084008

3. Hessling J. P., Measurement Science and Technology, 2009, vol. 20(5), 055106. https://doi.org/10.1088/0957-0233/20/5/055106

4. Kollar 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.1988.13941

5. Vester R., Percin M., and van Oudheusden B., Measurement Science and Technology, 2016, vol. 27(9), 095302. https://doi.org/10.1088/0957-0233/27/9/095302

6. Neelamani R., Choi H., Baraniuk R., IEEE Transactions on Signal Processing, 2004, vol. 52(2), pp. 418–433. https://doi.org/10.1109/TSP.2003.821103

7. Shen X. A., Walter G. G., Numerical Functional Analysis and Optimization, 2002, vol. 23(1-2), pp. 195–215. https://doi.org/10.1081/NFA-120003678

8. Fan J., Koo J.-Y., IEEE Transactions on Information Theory, 2002, vol. 48(3), pp. 734–747. https://doi.org/10.1109/18.986021

9. Qian, A., Applied Mathematics and Computation, 2008, vol. 203(2), pp. 635–640. https://doi.org/10.1016/j.amc.2008.05.009

10. Dichev D., Koev H., Bakalova T., Louda P., Measurement Science Review, 2014, vol. 14(4), pp. 183–189. https://doi.org/10.2478/msr-2014-0025

11. Dichev 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-2014-0001

12. Dichev D., Koev H., Bakalova T., Louda P., Measurement Science Review, 2015, vol. 15(1), pp. 19–26. https://doi.org/10.1515/msr-2015-0004

13. Dichev D., Koev H., Bakalova T., Louda P., Metrology and Measurement Systems, 2016, vol. 23(4), pp. 555–565. https://doi.org/10.1515/mms-2016-0041

14. Dichev 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.2019.8936039

15. Rossi G. B., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2012, vol. 61(8), pp. 2097–2106. https://doi.org/10.1109/TIM.2012.2197071

16. Rossi 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.2015.7151503

17. Saggin B., Debei S., Zaccariotto M., Measurement, 2001, vol. 30(3), pp. 223–230. https://doi.org/10.1016/S0263-2241(01)00015-X

18. Shestakov A. L., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 1996, vol. 45(1), pp. 250–255. https://doi.org/10.1109/19.481342

19. Shestakov 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_0008

20. Shestakov A. L., ACTA IMEKO, 2019, vol. 8(1), pp. 64–76. https://doi.org/10.21014/acta_imeko.v8i1.568

21. Yurasova E. V., Biziaev M. N., Volosnikov A. S., Procedia Engineering, 2015, vol. 129, pp. 764–769. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.12.101

22. Yurasova 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/ctcr160106

23. Volosnikov A. S., Shestakov A. L., ACTA IMEKO, 2016, vol. 5(3), pp. 24–31. https://doi.org/10.21014/acta_imeko.v5i3.294

24. Bizyaev 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_0012

25. Yurasova 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_0043

26. Franklin G. F., Powell J. D., Workman M. L., Digital Control of Dynamic Systems (3rd Edition), Addison-Wesley, 1998, 742 p.