|
ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ СИГНАЛОВ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНА
Гомозов О. В.
Донецкий национальный технический университет, ФВТИ, ЭВМ
blackswanny@gmail.com
На сегодняшний день в угольной промышленности нашей страны, а также других стран, одной из острых проблем является обеспечение безопасности рабочих. Одной из основных причин аварий на шахтах является взрыв метана, в результате превышения его концентрации в рудничной атмосфере. Для предотвращения этого на шахтах применяются автоматизированные системы безопасности, фиксирующие и контролирующие состояние рудничной атмосферы. Применяемые на сегодняшний день системы являются морально и физически устаревшими, не соответствующими высоким стандартам безопасности и отказоустойчивости. В этом докладе исследована возможность создания новой системы контроля рудничной атмосферы на основе цифровой фильтрации с применением цифровых сигнальных процессоров(ЦСП). Показатели этой системы будут сопоставимы с современными, но она будет дешевле их. А преимущество перед устаревшими будет в надежности, помехоустойчивости, расширяемости, скорости обработки, легкой настройке и эксплуатации, малых размерах конечного устройства.
На данный момент в качестве системы контроля за рудничной атмосферой в шахтах Донбасса применяется аппаратно-программный комплекс КАГИ, разработанный Макеевским Научно-исследовательским институтом и Донецким национальным техническим университетом. Он состоит из датчиков метана (ДМ) с унифицированным токовым выходом, совместимые с аппаратом сигнализации (АС), УПИ (устройство приема и преобразования информации), МСКУ (микропроцессорного субкомплекса контроля и управления) и ПЭВМ оператора слежения. Аналоговые фильтры, применяемые в этой системе, являются устаревшими и сложными устройствами. Они требуют наладки при изготовлении и настройки при использовании. И у них есть множество неразрешимых недостатков:
- аналоговые элементы производятся с большими допусками, и это создает трудности при наладке устройств в серийном производстве.
- они подвержены воздействию температур, что ухудшает их характеристики
- детали быстро устаревают, из-за чего характеристики и свойства ухудшаются со временем, при этом необходимо периодически перенастраивать их , что значительно усложняет их эксплуатацию.
Это приводит к удорожанию стоимости производства и обслуживания таких систем, ухудшению показателей системы. Использование цифровых систем обработки сигналов (ЦОС) может решить эти проблемы. В докладе исследуется один из возможных подходов к решению этой задачи, основанный на рекурсивных БИХ-фильтрах[1][2]. Ниже перечислены основные исследуемые параметры:
- тип фильтра и его параметры фильтра
- частота дискретизации сигнала
- разрядность процессора и АЦП
- параметры алгоритма определения частоты
- время реакции фильтра (условное)
Исследование проводилось в системе моделирования MATLAB[3]. В результате исследования были получены следующие данные:
Тип фильтров: Рекурсивный БИХ- фильтр Чебышева 1 рода.
Причина выбора: При прочих одинаковых параметрах лучшие характеристики по подавлению сигналов (критерий в 40 Дб - в 100 раз меньше). Сравнение проводилось с аналогичными фильтрами Чебышева 2 рода, Баттерворта и Кауэра(эллиптический).
Параметры фильтров:.
Уровень пульсаций в полосе пропускания: 1Дб
Причина: максимально допустимый уровень(1,12 раза)
Уровень затухания в полосе задерживания: 19Дб
Причина: минимально необходимый для затухания соседних частот в 100 раз.
Частота дискретизации: 128КГц
Причина: минимально необходимая для выявления фильтруемой частоты по 5 и более отсчетам на период (128КГц/26КГц=4,92 отсчета на период)
Полосы пропускания:
полоса пропускания 14КГц: 12000 – 16000; задержания 14КГц: 11000 - 17000
полоса пропускания 20КГц: 18000 -22000; задержания 20КГц: 17000 - 23000
полоса пропускания 26КГц: 24000 – 28000; задержания 26КГц: 23000 29000
Причина: Значения выбирались в диапазоне +/- 3КГц для полосы задержания (+/-2КГц для пропускания) от частоты, как срединные между двумя соседними частотами – оптимальный случай.
Параметры квантования:
Разрядность данных: 16
Причина: Процессоры класса ЦСП и их аналоги имеют 16-разрядную логику.
Количество цифр после запятой: 9 (6 цифр для целой части и 1 для знака)
Причина: оптимально возможное и достаточное, чтобы не было переполнения и серьезных погрешностей в точности из-за шума квантования.
Количество разрядов представления входного сигнала(разрядность АЦП): 8
Причина: достаточное для достоверного представления, было проведено сравнение с 10 и 12 разрядами (традиционные АЦП).
Xарактеристики фильтров(рассчитаные согласно параметрам):
Порядок фильтров: 4
Время реакции фильтров: 0.641 мс для 14КГц, 0.570 мс для 20КГц, 0.516 мс для 26КГц, фиксировалось при стабильном появлении амплитуды.
Помехоустойчивость : максимально допустимая помеха – 5% от амплитуды сигнала, испытания проводились с использованием равномерно распределенной нормализованной помехи.
В результате моделирования системы были рассчитаны предварительные параметры системы, на основании которых может быть выбран ЦСП, АЦП и другие элементы. Применение алгоритмов ЦОС в данной системе позволяют:
- упростить и уменьшить оборудование системы контроля;
- уменьшить трудоемкость производства и наладки оборудования.
- повысить достоверность получаемых результатов;
- удешевить систему и сократить затраты на обслуживание системы;
- увеличить срок службы системы;
Список литературы
- Хемминг Р.В. Цифровые фильтры/Пер. с англ. В.И.Ермишина – М.:Советское Радио,1980.- 226с.
- Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов/ Пер. с англ.; Под ред. Ю.А. Александрова.- М.: Мир, 1978.- 836с.
- В. Дьяконов MATLAB 6: Учебный курс. СПб.: Питер, 2001. – 592 с.: ил.
- Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов. 2-е изд. – СПб.: Питер, 2006. – 751 с.: ил.
|
