МОДЕЛИРОВАНИЕ, КОНСТРУИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ДАТЧИКОВ, ПРИБОРОВ И СИСТЕМ
MODELING, DESIGN AND PRODUCTION OF SENSORS, INSTRUMENTS AND SYSTEMS
Пальгуев Д. А.
КЛАССИФИКАЦИЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ОБМЕНА И ОБРАБОТКИ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ В СООТВЕТСТВИИ С СЕТЕВЫМИ МОДЕЛЯМИ OSI И TCP/IP … 3
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.6.1
Аннотация: Проведен анализ и классификация специализированной автоматизированной системы обмена и обработки радиолокационной информации с точки зрения применения протоколов сетевых моделей OSI (The Open Systems Interconnection model) и TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Для решения этой задачи совокупность применяемых протоколов привязывается к структуре специализированной системы. Указанная система использует только часть протоколов различных уровней сетевых моделей OSI и TCP/IP. Определение сочетания этих протоколов имеет важное значение для разработчиков и специалистов по эксплуатации подобных специализированных систем с целью классификации, диагностики, увеличения пропускной способности и поиска решений по подключению пользователей с различными техническими возможностями в современных цифровых сетях.
Ключевые слова: специализированная автоматизированная система, сетевые модели OSI, TCP/IP, радиолокационная информация, структура специализированной системы.
Palguev D. A. Classification of a specialized automated system of exchange and processing of radar information according to OSI and TCP/IP network models
Abstract: The analysis and classification of a specialized automated system for the exchange and processing of radar information from the point of view of using the protocols of the network models OSI (The Open Systems Interconnection model) and TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) is carried out. To solve this problem, the set of applied protocols is tied to the structure of a specialized system. This system uses only part of the protocols of various levels of the OSI and TCP/IP network models, and the definition of a combination of these protocols is important for developers and specialists in the operation of such specialized systems in order to classify, diagnose, increase bandwidth and find solutions for connecting users with different technical capabilities in modern digital networks.
Keywords: specialized automated system, network models OSI, TCP/IP, radar information, structure of a specialized system.
Филаретов Г. Ф., Ларин А. А.
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА EWМА-АЛГОРИТМА ОБНАРУЖЕНИЯ РАЗЛАДКИ ГАУССОВСКОГО ВРЕМЕННОГО РЯДА ПО МАТЕМАТИЧЕСКОМУ ОЖИДАНИЮ … 9
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.6.2
Аннотация: Рассмотрена задача обнаружения внезапного скачкообразного изменения (разладки) математического ожидания гауссовского временнóго ряда в реальном масштабе времени. Отмечается, что для решения данной задачи чаще всего используются последовательные параметрические алгоритмы. Приведено краткое описание такого рода алгоритмов и их основные характеристики, такие как среднее время между ложными тревогами, среднее время запаздывания подачи сигнала тревоги в случае появления разладки заданной фиксированного уровня, показатель эффективности контролирующей процедуры. Предложено для решения указанной задачи использовать контролирующий алгоритм на основе экспоненциально взвешенного скользящего среднего или EWMA-алгоритм (EWMA – Exponentially Weighted Moving Average). Отмечено, что, хотя данный алгоритм известен достаточно давно, но по факту, начиная с самых первых работ, он использовался как один из способов построения контрольных карт, а не как инструмент для обнаружения разладки. Цель данной работы – полномасштабное исследование характеристик EWМА-алгоритма, конечным результатом которого является обеспечение синтеза оптимальной процедуры обнаружения разладки. С помощью имитационного моделирования выявлены особенности выбора решающего порога для заданной величины среднего времени между ложными тревогами в зависимости от параметра экспоненциального сглаживания, контролирующего EWМА-алгоритма. Проведено сравнение эффективности EWМА-алгоритма с эффективностью аналогичной процедуры алгоритма кумулятивных сумм (CUSUM), продемонстрировавшее, что EWМА-алгоритм по своей эффективности в целом лишь весьма незначительно уступает CUSUM-алгоритму и вполне может быть использован в составе тех или иных мониторинговых систем.
Ключевые слова: разладка временнóго ряда, параметрические алгоритмы обнаружения разладки, алгоритм экспоненциально взвешенного скользящего среднего, вероятностные характеристики EWМА-алгоритма, синтез контролирующего алгоритма.
Filaretov G. F., Larin A. A.
RESEARCH AND DEVELOPMENT OF THE EWMA-ALGORITHM FOR DISORDER DETECTING OF THE GAUSSIANS TIME SERIES BY MATHEMATICAL EXPECTATION
Abstract: The problem of detecting a sudden abrupt change (disorder) by the mathematical expectation of a Gaussian time series in real time is considered. It is noted that sequential parametric algorithms are most often used to solve this problem. A brief description of such algorithms and their main characteristics is given, such as the average time between false alarms, the average delay time of an alarm in the event of a disorder for given fixed level, and the efficiency indicator of the control procedure. It is proposed to solve this problem using a control algorithm based on an exponentially weighted moving average or the EWMA algorithm (EWMA - Exponentially Weighted Moving Average). It is noted that, although this algorithm has been known for a long time, but in fact, starting from the very first works, it was used as one of the methods for control charts constructing, but not as a tool for disorder detection. The purpose of this work is a full-scale study of the characteristics of the EWMA algorithm, the end result of which is to provide the synthesis of an optimal procedure for a disorder detecting. With the help of simulation modeling, the features of choosing the decision threshold h for a given value of the average time between false alarms depending on the exponential smoothing parameter of the controlling EWMA-algorithm were revealed. The possibility of synthesizing the EWMA- algorithm with the highest speed has been established. A comparison of the characteristics of the optimized EWMA-algorithm and the CUSUM-algorithm similar in its purpose was carried out, which showed that the EWMA-algorithm in general is only slightly inferior to the CUSUM-algorithm in terms of its efficiency and can be used as part of various monitoring systems.
Keywords: time series disorder, parametric disorder detection algorithms, exponentially weighted moving average algorithm, probabilistic characteristics of the EWMA-algorithm, control algorithm synthesis.
Степановская И. А.
ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ОБЛИК ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ ДЛЯ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ “ЗЕЛЕНОЙ” ЭКОНОМИКИ … 15
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.6.3
Аннотация: “Зеленая” экономика, ориентированная на экономический рост при ограничениях на промышленное природопользование, значительно расширила задачи классического производственного экологического мониторинга (ПЭМ). Ключевой проблемой ПЭМ становится разработка стратегий технологической модернизации, направленной на экономический рост на фоне снижения экологических рисков. Решению этой проблемы способствует большие успехи в области цифрового макетирования и картографирования, открывающих новые возможности для анализа и визуализации экономического природопользования на уровне процессов формирования и пространственного распространения антропогенной нагрузки на природную среду. Представлена разработка перспективного облика ПЭМ нового поколения. Его основу составляет сочетание трех инновационных технологий: телекоммуникационной платформы для эколого-экономического Интернета вещей, 3D-макетирования экономического природопользования и системы сбора статистики эко-ориентированных показателей роста и развития “зеленой” экономики.
Ключевые слова: Интернет вещей устойчивого развития, “зеленая” экономика, эко-ориентированные показатели, производственный экологический мониторинг, трехмерная картография.
Stepanovskaya I. A.
PERSPECTIVE ENVIRONMENTAL IoT MODEL FOR “GREEN” ECONOMY MANAGEMENT APPLICATIONS
Abstract: The “green” economy, focused on economic growth with restrictions on industrial environmental management, has significantly expanded the tasks of classical industrial environmental monitoring (IEM). The essential problem of IEM is the development of strategies for technological modernization aimed at economic growth against the backdrop of reducing environmental risks. The solution to this problem is facilitated by great advances in the field of digital prototyping and mapping, which open up new opportunities for the analysis and visualization of economic environmental management at the level of the processes of formation and spatial distribution of anthropogenic pressure on the natural environment. The purpose of the article is to develop a promising image of a new generation of IEMs. It is based on a combination of three innovative technologies: a telecommunications platform for the ecological and economic Internet of things, 3D prototyping of economic environmental management, and a system for collecting statistics on eco-oriented indicators of growth and development of the “green” economy.
Keywords: “green” economy, environmentally oriented indicators, industrial environmental monitoring, 3D cartography
Тверской Ю. С., Муравьев И. К., Тверской Д. Ю., Гайдина Ю. А.
К ВОПРОСУ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА ЭФФЕКТИВНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ … 20
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.6.4
Аннотация: Выполнен краткий анализ постановок типовых задач теории автоматического регулирования и рассмотрена методика формирования вектора эффективных параметров технологического процесса/объекта. В основе развиваемого подхода лежит методология термодинамики необратимых процессов (метод потенциалов и координат) и представление объекта управления в виде математической модели “вход–выход”. Результат обобщенного термодинамического анализа эффективности процесса позволяет сформировать строго обоснованный вектор необходимых термодинамических координат для решения задач автоматизации. В качестве примера рассмотрена технология структурного синтеза многосвязной САУ ГТУ бинарного энергоблока.
Ключевые слова: АСУТП, технологический процесс, термодинамика необратимых процессов, структурный синтез, эффективная САУ, газотурбинная установка.
Tverskoy Yu. S., Muravev I. K., Tverskoy D. Yu., Gaydina Yu. A.
TO THE QUESTION OF STRUCTURAL SYNTHESIS OF EFFECTIVE PROCESS CONTROL SYSTEMS
Abstract: The article provides a brief analysis of the formulations of typical problems of the theory of automatic control and considers the method of forming the vector of effective parameters of the technological process/object. The developed approach is based on the methodology of thermodynamics of irreversible processes (the method of potentials and coordinates) and the representation of the control object in the form of a mathematical model “input – output”. The result of a generalized thermodynamic analysis of the process efficiency makes it possible to form a strictly justified vector of necessary thermodynamic coordinates for solving automation problems. As an example, the technology of structural synthesis of a multi-connected automatic control system of a gas turbine of a binary power unit is considered.
Keywords: structural synthesis of control systems, problems of physical control theory, methodology of phenomenological thermodynamics.
Крылов А. А.
ОПТИМИЗАЦИЯ КАЛИБРОВОЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДЛЯ БЕСПЛАТФОРМЕННОЙ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ПОМОЩИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА … 33
DOI: HTTPS://DOI.ORG/10.25728/DATSYS.2022.6.5
Аннотация: Предложено решение задачи определения параметров калибровки микроэлектромеханических датчиков для навигационной системы с требуемыми параметрами. Рассмотрен способ нахождения максимально допустимых погрешностей при помощи генетического алгоритма. Проведен анализ выбора оптимального объема калибровки в зависимости от допустимых значений погрешности.
Ключевые слова: калибровка МЭМС-датчиков, алгоритм БИНС, генетический алгоритм.
Krylov A. A.
OPTIMIZATION OF MICROELECTROMECHANICAL SENSOR PARAMETERS FOR AN INERTIAL NAVIGATION SYSTEM USING A GENETIC ALGORITHM
Abstract: The paper proposes a solution to the problem of determining the calibration parameters of MEMS sensors for a navigation system with the required parameters. A method for finding the maximum permissible errors using a genetic algorithm is considered. The analysis of the optimal calibration volume depending on the permissible error values is carried out.
Keywords: MEMS sensor calibration, SINS algorithm, genetic algorithm.
Шельпяков А. Н.
ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА С МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА … 39
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.6.6
Аннотация: Представлены результаты исследования характеристик пневматического измерительного устройства с преобразованием выходного сигнала датчиком давления и микропроцессорным устройством для автоматизированных измерительных систем контроля размеров деталей. Представлены конструкция и элементы экспериментального измерительного устройства с пневматическим элементом типа сопло-заслонка, обладающего высокой чувствительностью, дифференциальным датчиком давления MPXV5004DP и выходным преобразователем на базе микропроцессора ATmega 328. Определены основные факторы, обеспечивающие точность измерения. Разработана и представлена схема экспериментальной установки для исследования характеристик измерительного устройства, а также методика и результаты исследования влияния указанных факторов на точность измерительного устройства.Исследовано влияние шумов на выходе пневматического преобразователя. Показано, что их уровень достигает существенных значений (до 240 Па), что приводит к погрешности измерения до 0,01 мм. Для снижения влияния шумов использован программный среднеарифметический фильтр с осреднением до 1000 последовательных результатов измерений давления на выходе пневматического преобразователя. Это позволило снизить колебания измеренных значений до 15 Па, погрешность 0,001 мм. Исследованы динамические параметры процесса преобразования сигналов. Так, время осреднения 1000 значений измерений не превысило 0,23 с, а суммарное время переходного процесса при изменении зазора составило 0,9…1,2 с.
Ключевые слова: пневматическое измерительное устройство, датчик давления, микропроцессорное устройство, погрешность измерения.
Shelpyakov A. N.
INVESTIGATION OF THE ACCURACY OF A PNEUMATIC MEASURING DEVICE WITH A MICROPROCESSOR OUTPUT SIGNAL CONVERTER
Abstract: The results of a study of the characteristics of a pneumatic measuring device with the conversion of the output signal by a pressure sensor and a microprocessor device for automated measuring systems for controlling the dimensions of parts are presented. The design and elements of an experimental measuring device with a pneumatic element of the nozzle-flap type with high sensitivity, a differential pressure sensor MPXV5004DP and an output converter based on an ATmega 328 microprocessor are presented. The main factors determining the measurement accuracy are determined. A scheme of an experimental setup for studying the characteristics of a measuring device has been developed and presented. The methodology and results of the study of the influence of these factors on the accuracy of the measuring device are presented. The study of the noise factor at the output of the pneumatic converter showed that their level reaches significant values (up to 240 Pa), which leads to a measurement error of up to 0,01 mm. To reduce the influence of noise, a software arithmetic mean filter was used with averaging up to 1000 consecutive pressure measurement results at the output of the pneumatic converter. This made it possible to reduce the fluctuations of the measured values to 15 Pa, with an error of 0,001mm. The dynamic parameters of the signal conversion process are investigated. Thus, the averaging time of 1000 measurement values did not exceed 0.23 s, and the total time of the transition process with a change in the z gap was 0.9…1.2 s. In conclusion, conclusions and recommendations are given for the construction of pneumatic measuring devices that provide high accuracy and dynamic characteristics when measuring the dimensions of parts.
Keywords: pneumatic measuring device, pressure sensor, microprocessor device, measurement error.
Совлуков А. С., Яценко В. В., Кайченов А. В.
РАДИОЧАСТОТНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ДВУХ СРЕД В ЕМКОСТИ С ИНВАРИАНТНОСТЬЮ К ИХ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ … 47
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.6.7
Аннотация: Рассмотрен радиочастотный метод измерения положения границы раздела различных сред, в частности жидкостей с разными плотностями, содержащихся в емкости одна над другой. Метод обеспечивает инвариантность результатов измерения к электрофизическим параметрам обеих сред. Метод реализуется с применением трех отрезков длинной линии, вертикально располагаемых в емкости. Каждый из этих отрезков длинной линии, например коаксиальной длинной линии, содержит горизонтальный участок на его нижнем конце, длина которого отлична от длины таких участков в других отрезках длинной линии.
Ключевые слова: измерение, радиочастотный, емкость, жидкость, граница раздела.
Sovlukov A. S., Yatsenko V. V., Kaychenov A. V.
RADIOFREQUENCY METHOD FOR MEASUREMENT OF INTERFACE POSITION BETWEEN TWO MEDIA IN A TANK INDEPENDENTLY ON THEIR ELECTRICAL PARAMETERS
Abstract: Radiofrequency method for measurement of interface position between two media that are liquids with different densities in particular, in a tank one above the other is considered. The method provides independence of measurement results on electrical properties of both media. is characterized by independence of measurement results on dielectric permittivity values of liquids. The methods can be applied for level measurement of oil products, liquefied gases, etc. The methods are realized via application of three two sections of TEM (Transverse ElectroMagnetic) transmission lines, of coaxial lines in particular. Each of these sections contains a horizontal part at its lower end. These horizontal parts have different lengths.
Keywords: measurement, radiofrequency, tank, liquid, interface position.
Безменов В. С.
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ УСТРОЙСТВА ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ДОЗИРОВАНИЯ КЛЕЕВЫХ КОМПОЗИЦИЙ … 52
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.6.8
Аннотация: Рассмотрен метод построения устройств многокомпонентного дозирования жидкостей на базе пневмоэлектронных дозаторов жидкостей с контролем отмеривания дозы по времени. Заданное соотношение расходов смешиваемых компонентов обеспечивается установкой дроссельных шайб в выходные каналы патрубков ввода компонентов в емкость-смеситель. Предлагаемое устройство позволит существенно упростить состав технологического оборудования систем стабилизации расходов компонентов и обеспечить возможность поддержания их заданного соотношения в широком диапазоне изменения, а также повысить качество смешения компонентов и расширить функциональные возможности устройств путем реализации операций порционного дозирования готового продукта.
Ключевые слова: многокомпонентное дозирование жидкостей, принцип отмеривания дозы по времени устройство смешения и дозирования компонентов. дроссельные шайбы, расходные резервуары, пневмоэлектронный блок управления, пневматические стабилизаторы расход компонентов в линиях их транспортирования в емкость-смеситель.
Bezmenov V. S.
AUTOMATED DEVICES FOR PREPARING AND DOSING ADHESIVE COMPOSITIONS
Abstract: A method for constructing multicomponent liquid dosing devices based on pneumoelectronic liquid dispensers with time-controlled dose measurement is proposed. The specified ratio of the flow rates of the components to be mixed is provided by installing throttle washers in the output channels of the component inlet pipes into the mixer tank. The proposed device will significantly simplify the composition of the technological equipment of the component flow stabilization systems and provide the ability to maintain their specified ratio in a wide range of changes, as well as improve the quality of mixing components and expand the functionality of the devices by implementing batch dosing operations of the finished product.
Keywords: multicomponent dosing of liquids, the principle of measuring the dose by time, the device for mixing and dosing components. throttle washers, flow tanks, pneumoelectronic control unit, pneumatic stabilizers flow of components in the lines of their transportation to the mixing tank.
Семенов В. С.
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ВИХРЕВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ В МАГНИТНЫХ НАНОТОЧКАХ … 59
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.6.9
Аннотация: Рассмотрена модель распределения намагниченности в магнитном наноточке. Эта модель представляет две области: внешнюю и внутреннюю. Во внешней области магнитной наноточки изменение намагниченности происходит в плоскости наноточки, а во внутренней области вектор намагниченности выворачивается перпендикулярно плоскости наноточки, образуя ядро вихря. Равновесное состояние данной конфигурации намагниченности определяется минимумом суммы обменной энергии и магнитостатической энергии. Определена зависимость между толщиной и диаметром наноточки.
Ключевые слова: магнитная наноточка, магнитный вихрь, аналитическая модель.
Semenov V. S.
ANALYTICAL REPRESENTATION OF THE VORTEX DISTRIBUTION OF MAGNETIZATION IN MAGNETIC NANODOTS
Abstract: In this paper, we consider a model for the distribution of magnetization in a magnetic nanodot. This model represents two areas: external and internal. In the outer region of the magnetic nanodot, the change in magnetization occurs in the nanodot plane, and in the inner region, the magnetization vector turns inside out perpendicular to the nanodot plane, forming the vortex core. The equilibrium state of a given magnetization configuration is determined by the minimum sum of the exchange energy and the magnetostatic energy. The relationship between the thickness and diameter of the nanodot is determined.
Keywords: magnetic nanodot, magnetic vortex, analytical model.
Иванов И. А., Иванова А. В., Этрекова М. О., Самотаев Н. Н., Облов К. Ю.
МИНИАТЮРИЗАЦИЯ КОРПУСНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КЕРАМИКИ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ДАТЧИКАХ … 62
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.6.10
Аннотация: Разработан, изготовлен и испытан миниатюрный планарный кремниевый МЭМС-термокаталитический газочувствительный датчик для обнаружения горючих газов с концентрациями до нижнего предела взрываемости. Для достижения минимального размера кремниевого МЭМС-термокаталитического газочувствительного датчика был применен миниатюрный металлокерамический сенсорный корпус собственной разработки в форм-факторе SOT-23 в качестве планарного устройства для поверхностного монтажа.
Ключевые слова: SMD, кремниевая МЭМС технология, керамическая МЭМС технология, газочувствительный датчик, монтаж методом перевернутого кристалла.
Ivanov I. A., Ivanova A. V., Etrekova M. O., Samotaev N. N., Oblov K. Yu.
MINIATURIZATION OF CERAMIC PACKAGE DEVICES FOR USE IN GAS-SENSITIVE SENSORS
Abstract: To ensure the mass production of sensor elements using modern microelectronic technologies, their miniaturization is necessary. To achieve the minimum size of a silicon MEMS thermocatalytic gas-sensitive sensor, a miniature metal-ceramic sensor package of its own design was used in the SOT-23 form factor as a planar device for surface mounting. A miniature planar thermocatalytic sensor for the detection of flammable gases with concentrations up to the lower explosive limit has been developed, manufactured and tested.
Keywords: SMD, silicon MEMS technology, ceramic MEMS technology, gas-sensitive sensor, installation by inverted crystal method.
***
УКАЗАТЕЛЬ СТАТЕЙ, ОПУБЛИКОВАННЫХ В ЖУРНАЛЕ “ДАТЧИКИ И СИСТЕМЫ” В 2022 г. … 67
INDEX OF ARTICLES PUBLISHED IN THE JOURNAL “SENSORS AND SYSTEMS” IN 2022