Метод одновременного контроля частот в бортовых радиотехнических устройствах наземного применения

С каждым годом к подвижным наземным объектам предъявляются все большие требования. Их используют не только для передвижения и перевозки грузов, но и для решения целого ряда специальных задач (уборка мусора, валка леса, выполнение дорожно-строительных работ и т. д.). Это приводит к необходимости установки на подвижный объект целого ряда технологического и вспомогательного оборудования, которое отбирает часть мощности его силовой установки (двигателя). В то же время, для управления самим подвижным объектом на него устанавливается или в ближайшее время будет установлено большое число разнообразных систем. Согласно работе [1] это такие системы как:

— спутниковая система навигации;

— автономная система навигации;

— система определения массы груза;

— система определения осевых нагрузок;

— система записи маршрутных данных;

— телевизионная система обзора (для бронированных машин);

— система, сигнализирующая о препятствии сзади;

— система управления зеркалом заднего обзора;

— система наблюдения за мертвыми зонами обзора;

— система антиблокировки колес;

— система индикации давления в шинах;

— система контроля положения груза;

— система записи «истории» эксплуатации автомобиля (черный ящик);

— система автоматической стабилизации скорости движения;

— система управления подвеской;

— система управления двигателем;

— система управления передачей.

Одновременно с этим возникает необходимость уменьшения количества вредных выбросов в атмосферу и повышения экономичности двигателей.

Для успешного решения всех этих задач подвижные объекты оснащаются всевозможными радиотехническими устройствами управления на основе микропроцессоров. Данные устройства можно разделить на два основных вида: устройства, управляющие каким-либо определенным узлом или какой-либо определенной подсистемой подвижного объекта, и интегрированные многомашинные информационно-управляющие системы. Примером первого вида может служить устройство управления двигателем, установленным на некоторых автомобилях ВАЗ-2108, ВАЗ-2109 [2], которое управляет зажиганием и впрыском и служит заменой подобных устройств, собранных без использования вычислителя. Второй вид предназначен для комплексного управления движением машины, управления технологическим оборудованием, управления предпусковой подготовки двигателя, электроснабжением и защитой цепей потребителей электроэнергией, контроля параметров и сигнализации об аварийных состояниях узлов и агрегатов шасси и технологического оборудования. Примером данной системы может служить система управления машиной лесозаготовительного комплекса (СУ МЛЗК) [3]. В первом случае устройство опрашивает и управляет узко ограниченным числом датчиков и исполнительных механизмов, а во втором все функции системы распределены между отдельными вычислителями, что уменьшает нагрузку на каждый вычислитель в отдельности. Как правило, все агрегаты и узлы подвижного объекта очень инертны и в сочетании с высокой производительностью процессора возникает избыточность производительности микропроцессора радиотехнической системы управления.

Многие из систем, устанавливаемых на подвижные наземные объекты, например такие, как навигационная система, система охлаждения двигателя, система управления трансмиссией и целый ряд других, требуют для своей работы получение информации о частоте оборотов тех или иных узлов подвижного объекта. Для решения задач управления этими системами возникает необходимость в контроле и обработке частот одновременно с нескольких датчиков, обеспечив при этом диапазон контролируемых частот от 0 до 3−5 кГц и максимальную простоту частотомера. В настоящее время для этих целей используют аппаратные микросхемы таймера, число которых пропорционально количеству контролируемых частот и приводит к увеличению массы и габаритов системы управления.

Для качественного управления всеми системами и подсистемами подвижного наземного объекта, необходим метод, который без усложнения схемы позволяет контролировать одновременно несколько частот в диапазоне от нуля герц до нескольких килогерц.

На сегодняшний день существует несколько методов для измерения и контроля частоты. Это такие методы, как метод дискретного счета, гетеродинный метод, резонансный метод, метод преобразования частоты в напряжение, метод сравнения с частотой другого источника [5−10].

Сущность гетеродинного метода заключается в сравнении частоты исследуемого напряжения с частотой напряжения перестраиваемого гетеродина, который заранее проградуирован. Измерение в данном случае сводится к перестраиванию частоты гетеродина до момента получения на выходе смесителя нулевых низкочастотных биений, которые фиксируются по индикатору. Как правило, данный метод используется на диапазонах высоких и сверхвысоких частот. Для того, чтобы применить данный метод для контроля одновременно нескольких частот, необходимо будет для каждой частоты вводить свой смеситель и гетеродин, что приведет к значительному увеличению габаритов, веса и стоимости изделия.

Резонансный метод основан на использовании явления резонанса в колебательной системе. Он заключается в сравнении измеряемой частоты с частотой собственных колебаний контура или резонатора, заранее проградуированного. Этот метод применяется в радиочастотном диапазоне и в области сверхвысоких частот. Основным препятствием для использования данного метода в радиотехнических системах управления является сложность в создании эталонного колебательного контура, перестрой!:?, которого осуществляется электронным способом. При измерении одновременно нескольких частот возникает необходимость в создании нескольких колебательных контуров, что также, как и в случае с гетеродинным методом, приводит к увеличению габаритов, веса и стоимости изделия.

Методы сравнения применяются главным образом для градуировки и поверки генераторов сигналов, задающих генераторов и т. д. Данные методы основаны на сравнении частоты с образцового генератора с исследуемой частотой. Применение данных методов в радиотехнических системах управления невозможно, так как сравнение происходит визуально.

В различных системах управления чаще всего используют два основных метода для измерения частоты: метод преобразования частоты в напряжение и метод дискретного счета.

Метод преобразования частоты в напряжение производит преобразование неизвестной частоты в пропорциональное ей напряжение. Измерение частоты происходит посредством измерения напряжения и последующим пересчетом значения напряжения в значение частоты. Преобразователи частота-напряжение часто применяют в системах автоматического управления сцепления, устройствах автоматического управления переключения передач, антиблокировочных системах тормозными механизмами автомобилей. Их также используют во многих других системах управления агрегатами двигателя [4]. Недостатком данного метода является большая динамическая погрешность на низких частотах. При использовании данного метода для измерения нескольких частот, также, как и в других случаях, возникает необходимость для каждой частоты применять свой преобразователь частота-напряжение.

Другим методом, широко используемом в системах управления, является метод дискретного счета. Существуют две основные разновидности данного метода. Первый из них это метод прямого счета. В данном методе вырабатывается определенный эталонный промежуток времени и за этот промежуток времени подсчитывается количество периодов неизвестной частоты. Метод прямого счета применяется на частотах от 100Гц и выше. На более низких частотах для получения приемлемого результата возникает необходимость увеличивать период эталонной частоты, что приводит к увеличению времени измерения и чаще всего оказывается недопустимым. Вторая разновидность этого метода — метод определения мгновенных значений. В данном методе эталонными промежутками времени заполняется период исследуемого сигнала, а частота определяется как величина обратная периоду. Как правило, применяется данный метод на частотах, не превышающих 100Гц. На более высоких частотах возникает необходимость в значительном увеличении эталонной частоты, что мало приемлемо.

В недавнее время был разработан метод особо точного измерения частоты вращения, который основан на записи кодов контрольных установок в ПЗУ [11]. Данный метод позволяет непрерывно и в реальном масштабе времени осуществлять контроль частоты, благодаря чему динамическая погрешность измерения минимально возможна. Недостатком этого метода является необходимость установки в систему управления большого объема ПЗУ, что во многих системах, особенно построенных на однокристальных ЭВМ, это крайне нежелательно.

Таким образом, целью данной работы является разработка метода одновременного контроля частот в бортовых радиотехнических устройств наземного применения, позволяющего упростить аппаратные средства бортовых радиотехнических устройств, уменьшив тем самым их стоимость, габариты и вес. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Анализ особенностей радиотехнических устройств управления на основе микропроцессоров, анализ методов и способов контроля частот, времени контроля частот, диапазона контролируемых частот, максимально возможного количества контролируемых частот, анализ основных факторов, влияющих на выбор алгоритма контроля частот.

2. Разработка алгоритмов для метода одновременного контроля частот, разработка метода выбора алгоритма контроля частот, разработка структурной схемы унифицированной встроенной радиотехнической системы управления подвижным наземным объектом.

3. Проведение экспериментальных исследований алгоритмов одновременного контроля и метода выбора алгоритма контроля частот.

4. Внедрение результатов работы.

Научной новизной является:

1. Разработан метод одновременного контроля частот в бортовых радиотехнических устройствах наземного применения, основным отличием которого от существующих методов является то, что он позволяет одновременно контролировать несколько частот, и реализуется не аппаратным, а программным путем.

2. Разработан метод выбора алгоритма контроля частот в зависимости от диапазона контролируемых частот и производительности процессора, что позволяет обосновать принципиальную возможность определения нескольких частот и осуществить контроль с наименьшими затратами аппаратных средств. б.

3. Для метода одновременного контроля частот получена математическая модель для определения зависимости предельной допускаемой относительной погрешности измерения от контролируемой частоты, а также формулы для определения возможного диапазона контролируемых частот, и максимального возможного количества контролируемых частот каждым из алгоритмов.

4. Разработаны структурные схемы бортовой радиотехнической системы управления подвижным наземным объектом, которые в отличие от существующих зарубежных и отечественных систем управления автомобильным оборудованием являются унифицированными, что позволяет осуществлять настройку системы управления под конкретную модель подвижного наземного объекта путем замены программы центрального вычислителя.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанный метод одновременного контроля частот в радиотехнических устройствах управления подвижным наземным объектом и реализованная с его использованием информационно-управляющая система позволяют упростить схему системы управления, повысить ее эксплуатационные качества, уменьшить стоимость, габариты, вес и энергопотребление.

Практические результаты работы внедрены на предприятии ОАО «СКБ ПА» в системе управления машинами лесозаготовительного комплекса и на предприятии НТФ «Дека» в системе управления колесными шасси изделия БТР-80, а также в учебном процессе на кафедре «ПМ и САПР» и на кафедре «ПАУ» Ковровской государственной технологической академии. Внедрение результатов подтверждено соответствующими актами.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно — технической конференции и Российской школе молодых ученых и специалистов. «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий». Москва — Сочи 1999 г. На международной конференции и российской научной школы «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий». Сочи 2000 г. На международной конференции и российской научной школы «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных, электронных и лазерных технологий». Сочи 2001 г. На четвертой международной научно — технической конференции «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов». Ульяновск 2001 г.

Положенные в основу метода одновременного контроля часто'1 алгоритмы и программы официально зарегистрированы Роспатентом.

Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ N 2 002 610 844. «Одновременное измерение нескольких частот электрического сигнала» (авторы Жокин Л. Г., Шалумов A.C.), выданное Российским агентством по патентам и товарным знакам 29.05.2002 г.

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 1 информационный листок, 6 тезисов докладов, 3 статьи.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников, приложений.

4.6 Выводы.

1. Были определены основные цели унифицированной радиотехнической системы управления подвижным наземным объектом. Основной целью данной системы является повышение эксплуатационных свойств подвижного наземного объекта, повышение его «живучести» в экстремальных условиях эксплуатации, продление срока службы его агрегатов и узлов.

2. Было определено, что система управления должна решать ряд задач: сбор информации с датчиков о текущем состоянии узлов и агрегатовуправление нагрузкамиподдержание интерфейса с водителем, диагностирование состояния датчиков и исполнительных элементов, обеспечение работы подвижного наземного объекта в нештатной ситуации, т. е. после выхода из строя каких — либо узлов и агрегатов.

3. Было выявлено, что на структуру радиотехнической системы управления подвижным наземным объектом влияют два основных вида факторов: внутренние и внешние.

4. Были представлены возможные варианты структурных схем, унифицированных систем управления подвижных наземных объектов.