МОДЕЛИРОВАНИЕ, КОНСТРУИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ДАТЧИКОВ, ПРИБОРОВ И СИСТЕМ
MODELING, DESIGN AND PRODUCTION OF SENSORS, INSTRUMENTS AND SYSTEMS
Соколов С. В., Чуб Е. Г., Манин А. А.
АДАПТИВНАЯ ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ВОЗМУЩЕНИЙ В ДИСКРЕТНОЙ СИСТЕМЕ НА ОСНОВЕ НЕПЕРИОДИЧЕСКИХ ТОЧНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ … 3
Аннотация: Для комплексированных информационно-измерительных систем, использующих для оценки вектора состояния помимо непрерывных зашумленных наблюдений точные наблюдения, поступающие в случайные моменты времени, рассмотрен алгоритм адаптивного оценивания одного из наиболее критичных параметров фильтра – дисперсионной матрицы возмущений, действующих на систему. Преимуществом предложенного алгоритма является возможность аналитического определения данной дисперсионной матрицы по текущим точным наблюдениям и, как следствие, существенное повышение общей точности оценки возмущенного вектора состояния системы. Приведен численный пример, иллюстрирующий возможность эффективного практического использования разработанного алгоритма.
Ключевые слова: дискретный фильтр, адаптивное оценивание, дисперсионная матрица, непериодические точные наблюдения.
Sokolov S. V., Chub E. G., Manin A. A.
ADAPTIVE ESTIMATION OF PARAMETERS OF PERTURBATIONS IN A DISCRETE SYSTEM BASED ON NON-PERIODIC ACCURATE OBSERVATIONS
Abstract: For complex information-measuring systems that use to estimate the state vector, in addition to continuous noisy observations, accurate observations arriving at random times, an algorithm for adaptive estimation of one of the most critical filter parameters, the dispersion matrix of disturbances acting on the system, is considered. The advantage of the proposed algorithm is the possibility of analytically determining this dispersion matrix from current accurate observations and, as a result, a significant increase in the overall accuracy of the estimation of the perturbed state vector of the system. A numerical example is given illustrating the possibility of effective practical use of the developed algorithm.
Keywords: filter, adaptive estimation, dispersion matrix, non-periodic accurate observations.
Якимов В. Н., Машков А. В.
ОЦЕНКА ЧАСТОТНОГО СПЕКТРА НЕПРЕРЫВНОГО СИГНАЛА НА ОСНОВЕ БИНАРНОГО СТОХАСТИЧЕСКОГО КВАНТОВАНИЯ И ДИСКРЕТНО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКИ СПЕКТРАЛЬНОЙ ФУНКЦИИ КОРРЕЛЯЦИОННОГО ОКНА … 10
Аннотация: Рассмотрен цифровой алгоритм для вычисления коррелограммной оценки спектральной плотности мощности. В основу разработки алгоритма положено использование бинарного стохастического квантования для преобразования непрерывного сигнала в цифровую форму. Дано математическое обоснование разработки алгоритма с учетом применения функции корреляционного окна. Дискретно-событийная модель бинарного стохастического квантования позволила аналитически вычислить интегральное косинус преобразование Фурье в процессе перехода к коррелограммной оценке в дискретном виде. Практическая реализация алгоритма сводится к дискретно-временной обработке спектральной функции корреляционного окна, являющейся результатом вычисления интегрального косинус преобразования Фурье. Вид этих функций определяется только видом применяемых функций корреляционных окон. Все это повышает оперативность вычисления коррелограммной оценки спектральной плотности мощности. Эффективность разработанного алгоритма подтверждена имитационными экспериментами. Для примера приведены оценки спектральной плотности мощности, полученные с применением ряда наиболее известных функций корреляционных окон.
Ключевые слова: коррелограммный метод, спектральная плотность мощности, функция корреляционного окна, бинарное стохастическое квантование, дискретизация сигнала.
Yakimov V. N., Mashkov A. V.
FREQUENCY SPECTRUM ESTIMATION OF A CONTINUOUS SIGNAL BASED ON BINARY STOCHASTIC QUANTIZATION AND DISCRETE-TIME PROCESSING OF THE CORRELATION WINDOW SPECTRAL FUNCTION
Abstract: The article considers a digital algorithm for calculating the correlogram estimate of the power spectral density. The basis of the algorithm development was the use of binary stochastic quantization to convert a continuous signal into a digital form. The mathematical theory of the algorithm development using correlation window functions is given in detail. The discrete-event model of binary stochastic quantization allowed us to analytically calculate the integral cosine Fourier transform during the transition to the correlogram estimate in discrete form. As a result, the developed algorithm does not require preliminary calculation of correlation function estimates. The practical implementation of the algorithm reduces to discrete-time processing of the spectral function of the correlation window, which is the result of calculating the integral cosine of the Fourier transform. The type of these functions is determined only by the type of applied correlation window functions. A set of such functions can be preliminarily formed and arranged in the form of special collections or dynamic libraries of application routines that can be used taking into account the peculiarities of the spectral analysis performed. All this helps to increase the efficiency of calculating the correlogram estimate of the power spectral density. The effectiveness of the developed algorithm is confirmed using simulation experiments. As an example, estimates of the power spectral density obtained using a number of the most well-known correlation window functions are presented.
Keywords: correlogram method, power spectral density, correlation window functions, binary stochastic quantization, signal sampling.
Чипулис В. П.
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ МЕРОПРИЯТИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДВУХ МОДЕЛЕЙ ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЯ … 17
Аннотация: Рассмотрена задача оценки эффективности энергосберегающих мероприятий применительно к объекту – потребителю тепловой энергии. Ключевой процедурой при определении эффективности является сопоставление теплопотребления за два отопительных периода (анализируемый и базовый) с учетом выравнивания условий по температуре наружного воздуха. Предложены две модели теплопотребления объекта – нормативная и регрессионная. Показано, что получаемые при использовании этих моделей результаты могут отличаться не только количественно, но и качественно (наличие или отсутствие эффекта). Рассмотрение ведется на примере оценки теплопотребления конкретным жилым домом за два отопительных периода.
Ключевые слова: энергоэффективность, регрессионная модель, нормативное теплопотребление, отопительный период.
Chipulis V. P.
ASSESSMENT OF ENERGY-SAVING MEASURES USING TWO MODELS OF HEAT COMPSUMPTION SOCIOCYBERPHYSICAL TECHNOLOGIES
Abstract: The problem of estimation of efficiency of power saving up actions in relation to object - the consumer of thermal energy is considered. The key procedure in determining the efficiency is the comparison of heat consumption for two heating periods (analyzed and base), taking into account the equalization of the conditions for the outdoor temperature. To solve the problem, two models of object heat consumption are proposed - normative and regression. It is shown that the results obtained by using these models can differ not only quantitatively but also qualitatively (presence or absence of effect). It is proposed to use two models - normative and regression to solve the problem. Consideration is conducted on the example of an assessment of heat consumption by a particular residential house for two heating periods.
Keywords: energy efficiency, regression model, normative heat consumption, heating period.
Технологии социокиберфизических систем
Sociocyberphysical Technologies
Шумская О. О., Уздяев М. Ю.
МЕТОД ИДЕНТИФИКАЦИИ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ПО ГОЛОСУ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ … 21
Аннотация: Рассмотрен алгоритм идентификации человека в режиме реального времени на основе его голоса. Исследовались фильтры аудиосигналов, применяемые в предобработке звука, проведены эксперименты без предварительной обработки звука, а также эксперименты с фильтрами с конечной отдачей импульса и алгоритмом Log-MMSE. Вычислительные эксперименты показали независимость алгоритма от фразы, произносимой диктором, а также продемонстрировали хорошие результаты по идентификации человека с фильтрацией с конечной отдачей импульса при разных источниках записей базы данных и источника записи диктора, а также без предварительной фильтрации, но при единственном источнике записи всех записей.
Ключевые слова: идентификация, обработка голоса, фильтрация звука, распознавание диктора, распознавание звука.
Shumskaya O. O., Uzdiaev M. Yu.
VOICE-BASED METHOD FOR USER IDENTIFICATION IN REAL-TIME MODE
Abstract: This paper considers a novel real-time voice-based human identification algorithm. Audio-signal filters were researched, some experiments without preprocessing were fulfilled, as well experiments with filters, finite impulse response and Log-MMSE. Computational experiments showed, that the algorithm works as expected independently from the actual sentence, spelled by the speaker, and also demonstrated decent results in human identification with filters, finite impulse response on different sources from database of samples and recorded speaker voice, as well without prior filtration, but on single source of all recorded fragments.
Keywords: identification, voice processing, sound filter, speaker recognition, sound recognition.
***
Муранов А. А.
ОЦЕНИВАНИЕ СИСТЕМАТИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ УРОВНЕМЕРОВ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ РАСХОДОВАНИЕМ ТОПЛИВА ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ НА ЭТАПЕ ЛЕТНО-КОНСТРУКТОРСКИХ ИСПЫТАНИЙ … 28
Аннотация: Рассмотрены основные факторы, способствующие возникновению систематических составляющих погрешностей уровнемеров в системах управления расходованием топлива жидкостных ракет-носителей. Сформулирована и решена задача оценивания систематических составляющих погрешностей уровнемеров по результатам анализа работы систем на этапе летных испытаний. Предложена корректировка параметров алгоритмов систем для компенсации негативного влияния систематических составляющих погрешностей уровнемеров на качество управления.
Ключевые слова: ракета-носитель, летно-конструкторские испытания, система управления расходованием топлива, уровнемерные погрешности, доверительная вероятность и доверительный интервал.
Muranov A. A.
EVALUATION OF SYSTEMATIC COMPONENTS ERRORS OF LEVEL GAUGES IN CONTROL SYSTEMS OF A FUEL CONSUMPTION IN LIQUID LAUNCH VEHICLES AT THE STAGE OF FLYING-DESIGNER TESTS
Abstract: The main factors contributing to the emergence of systematic components errors of level gauges in the fuel consumption control systems of liquid launch vehicles are considered. The problem of estimation of systematic components of errors of level gauges by results of the analysis of work of systems at the stage of flight tests is formulated and solved. Correction of parameters of algorithms of systems for compensation of negative influence of systematic components of errors of level gauges on quality of control is offered.
Keywords: launch vehicle, flying-designer tests, control system of a fuel consumption, level measurement errors, confidence probability and confidence interval.
Маслов А. А., Прохоренков А. М., Совлуков А. С., Яценко В. В.
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА ДВУХ И ТРЕХ ВЕЩЕСТВ В ЕМКОСТЯХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ОТРЕЗКОВ ДЛИННОЙ ЛИНИИ … 34
Аннотация: Рассмотрены методы измерения положения границы раздела двух веществ в емкости, а также двух границ раздела трех веществ в емкости, например, воздуха и двух несмешивающихся жидкостей. Методы могут быть реализованы с применением одного отрезка длинной линии, в частности коаксиальной линии, измерением и совместным преобразованием временной характеристики распространения видеоимпульсов вдоль отрезка длинной линии и его резонансной частоты электромагнитных колебаний.
Ключевые слова: измерение, длинная линия, емкость, вещество, граница раздела.
Maslov A. A., Prokhorenkov A. M., Sovlukov A. S., Yatsenko V. V.
METHODS FOR MEASUREMENT OF INTERFACE POSITIONS BETWEEN TWO AND THREE SUBSTANCES IN TANKS VIA APPLICATION OF SECTIONS OF TEM TRANSMISSION LINES
Abstract: Methods for measurement of interface positions between two and three substances that are liquids with different densities in particular, in a tank one above the others are onsidered. The methods are realized via application of two sections of TEM (Transverse ElectroMagnetic) transmission lines that are coaxial transmission lines in particular. и измерением A temporal characteristic of electric pulses in a TEM line section and its resonance frequency of electromagnetic oscillations are measured and jointly processed for determination of interface positions.
Keywords: measurement, TEM transmission line, tank, substance, interface position.
Лурье М. С., Лурье О. М., Фролов А. С.
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОГРЕШНОСТИ ВИХРЕВЫХ РАСХОДОМЕРОВ НА ТРУБОПРОВОДАХ С КОРОТКИМ ПРЯМЫМ УЧАСТКОМ … 38
Аннотация: Рассмотрено влияние местных гидравлических сопротивлений в трубопроводе на гидродинамические характеристики потока с фиксированным прямым участком перед телом обтекания (ТО) вихревого расходомера. Анализ выполнен с применением численного моделирования гидродинамических явлений для трубопроводов с местными гидравлическими сопротивлениями в виде перехода 150…80, отводов 90 и 180 град. По результатам исследования приведены графики зависимости числа Струхаля (Sh) в исследуемом диапазоне скоростей потока для ТО вихревого расходомера от влияния гидравлических сопротивлений и без них. Оценка влияния гидравлических сопротивлений на погрешность измерения вихревого расходомера производилась по изменению числа Sh. Приведены диапазоны скоростей потока, при которых погрешность измерения вихревыми расходомерами с фиксированным прямым участком для всех рассматриваемых гидравлических сопротивлений остается в пределах ± 2 %.
Ключевые слова: гидравлические сопротивления, вихревой расходомер, численное моделирование, погрешность.
Lurie M. S., Lurie O. M., Frolov A. S.
HYDRODYNAMIC ERRORS OF VORTEX FLOWMETERS ON PIPELINES WITH A SHORT STRAIGHT SECTION
Abstract: The article considers the influence of local hydraulic resistances in the pipeline on the hydrodynamic characteristics of the flow with a fixed straight section in front of the flow body (MOT) of a vortex flow meter. The analysis was performed using numerical simulation of hydrodynamic phenomena for pipelines with local hydraulic resistances in the form of a junction 150…80, a tap of 90 and 180 degrees. According to the results of the study, graphs of the Strouhal number (Sh) in the studied range of flow rates for TH vortex flow meter from the influence of hydraulic resistances and without them are shown. Evaluation of the influence of hydraulic resistance on the measurement error of a vortex flowmeter was made by changing the number Sh. The ranges of flow rates at which the measurement error by vortex flow meters with a fixed straight section for all hydraulic resistances considered remains within ± 2% are given.
Keywords: hydraulic resistance, vortex flowmeter, numerical simulation, error.
Морозов В. П., Аликин К. А.
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЕ–ЧАСТОТА И ЧАСТОТА–НАПРЯЖЕНИЕ В КАНАЛЕ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ УДАЛЕННОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ … 44
Аннотация: Рассмотрена структура и характеристики оптоволоконного канала обратной связи для стабилизации напряжения на нагрузке путем управления выходным напряжением работающего на соединительную линию удаленного источника питания. Приведены расчетные соотношения для определения коэффициента передачи пропорционального звена регулятора напряжения. Экспериментально определена передаточная функция канала.
Ключевые слова: удаленная нагрузка, стабилизация напряжения, обратная связь, оптоволоконный канал, передаточная функция.
Morozov V. P., Alikin K. A.
VOLTAGE TO FREQUENCY AND FREQUENCY TO VOLTAGE CONVERSION IN THE NEGATIVE FEEDBACK CHANNEL FOR REMOTE POWER SOURCE
Abstract: In the paper, we discuss the structure and performances of negative feedback channel for load voltage stabilization by voltage regulation applied to a control of output voltage in remote power supply. Presented are relations for determination of transfer function controller s proportional section. Experimentally determined channels transfer function is given.
Keywords: remote load, voltage stabilization, feedback, optical fiber channel, transfer function.
Технологии нано- и микроэлектроники
Technologies of nano- and microelectronics
Масальский Н. В.
НАНОРАЗМЕРНЫЕ КРЕМНИЕВЫЕ ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ДЛЯ БИОСЕНСОРОВ … 48
Аннотация: Рассмотрена проблема применимости кремниевых цилиндрических полевых нанотранзисторов, выполненных на основе отечественного современного технологического процесса с топологическими нормами 65 нм, для разработки компактных биосенсоров. При помощи компьютерного моделирования рассчитаны электрофизические характеристики транзисторов с длиной канала (сенсорного элемента) 25…65 нм. Показана возможность достижения высокой чувствительности к изменению управляющего напряжения и линейности этой характеристики в зависимости от размеров канала.
Ключевые слова: биосенсор, кремниевый полевой нанотранзистор, вольт-амперные характеристики, TCAD, моделирование.
Masalsky N. V.
NANOSCALE SILICON FIELD EFFECT TRANSISTORS FOR BIOSENSORS
Abstract: The problem of applicability of silicon cylindrical field nanotransistors made on the basis of a domestic modern technological process with topological norms of 65 nm for the development of compact biosensors is discussed. Electrophysical characteristics of transistors with a channel length (sensor element) of 25…65 nm were calculated using computer modeling. The possibility of achieving high sensitivity to changes in the control voltage and linearity of this characteristic depending on the size of the channel is shown.
Keywords: biosensor, silicon field nanotransistor, volt-ampere characteristics, TCAD, simulation.
Жуков Д. А., Васильев Д. В., Орлов Е. П., Костюк Д. В., Амеличев В. В., Казаков Ю. В., Беляков П. А.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НИЗКОРЕЗИСТИВНЫХ ШУНТОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ АНИЗОТРОПНЫХ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ … 53
DOI: 10.25728/datsys.2020.2.10
Аннотация: Показана актуальность анизотропных магниторезистивных преобразователей магнитного поля с низкорезистивными шунтами для применения в условиях слабых магнитных полей. Представлены результаты экспериментальных исследований анизотропных магниторезистивных преобразователей магнитного поля с различными параметрами низкорезистивных шунтов и однослойных полосок из сплава FeNiCo. Рассмотрены конструктивно-технологические решения для повышения чувствительности, снижения гистерезиса и остаточно-эквивалентного магнитного поля.
Ключевые слова: анизотропный магниторезистивный эффект, преобразователь магнитного поля, магниторезистивная наноструктура, тонкопленочная технология.
Zhukov D. A., Vasilyev D. V., Orlov E. P., Kostyuk D. V., Amelichev V. V., Kazakov Yu. V., Belyakov P. A.
INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF STRUCTURAL AND TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF LOW-RESISTANCE SHUNTS ON THE CHARACTERISTICS OF ANISOTROPIC MAGNETORESISTIVE MAGNETIC FIELD TRANSDUCERS
Abstract: The relevance of anisotropic magnetoresistive magnetic field transducers with low resistance shunts for use in low magnetic fields is demonstrated. The results of experimental studies of anisotropic magnetoresistive magnetic field transducers with various parameters of low-resistance shunts and single-layer strips of FeNiCo alloy are presented. Structural and technological solutions have been established to increase sensitivity, reduce hysteresis and residual-equivalent magnetic field.
Keywords: anisotropic magnetoresistive effect, magnetic field transducer, magnetoresistive nanostructure, thin-film technology.
Пауткин В. Е., Недопекин Н. В.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТИ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ … 57
DOI: 10.25728/datsys.2020.2.11
Аннотация: Предложены технологические методики улучшения параметров поверхности кремниевых микромеханических резонаторов. Методики основаны на снижении шероховатости поверхности резонаторов путем химического полирования поверхности и термического окисления микронеровностей, возникающих при формировании кремниевых структур жидкостным анизотропным и плазмохимическим травлением кремния. Уменьшенная шероховатость поверхности резонаторов помимо повышения механической прочности повышает добротность микромеханических датчиков.
Ключевые слова: микромеханический датчик, чувствительный элемент, резонатор, шероховатость поверхности, добротность.
Pautkin V. E., Nedopekin N. V.
TECHNOLOGICAL METHODS FOR IMPROVING THE SURFACE PARAMETERS OF MICROMECHANICAL RESONATORS
Abstract: Technological methods for improving the surface parameters of silicon micromechanical resonators are proposed. The methods are based on reducing the surface roughness of the resonators by chemical polishing of the surface and thermal oxidation of the micro-irregularities that occur during the formation of silicon structures by liquid anisotropic and plasma-chemical etching of silicon. The reduced surface roughness of the resonators, in addition to increasing the mechanical strength, increases the quality factor of micromechanical sensors.
Keywords: micromechanical sensor, sensitive element, resonator, surface roughness, quality factor.
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ПУБЛИЦИСТИКА
SCIENTIFIC AND TECHNICAL PUBLICISM
Кнорринг В. Г.
ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗМЕРЕНИЕ КАК МОДЕЛЬ БИОЛОГИЧЕСКОГО ПОЗНАВАТЕЛЬНОГО АКТА … 61
DOI: 10.25728/datsys.2020.2.12
Аннотация: Общее сходство между человеческим познавательным актом и техническим измерением состоит в их двухэтапной структуре. Вначале формируются абстрактные знаки, затем эти знаки интерпретируются и в результате формируется модель реальности.
Ключевые слова: измерение, познание, знаки, интерпретация, модель реальности.
Knorring V. G.
TECHNICAL MEASUREMENT AS A MODEL OF BIOLOGICAL COGNITIVE ACT
Abstract: General similitude between human cognitive act and technical measurement consists in their two-stage structure. First, some abstract signs are produced, then the signs are interpreted to form a model of reality.
Keywords: measurement, cognition, signs, interpretation, model of reality.