4. Моделирование измерительного канала в программе Simulink

Любое моделирование подразумевает определенные допущения. Притом даже приближенная модель помогает лучше представить работу моделируемого прибора, исследовать его работу при различных воздействиях и определить, каким образом изменение определенных параметров сказывается на его работе.

На рис.16 представлена блок схема модели измерительного прибора. За единицу модельного времени взята 1 мс. Сигнал на выходе датчика в мА. На выходе усилителя и дальше, в вольтах.

Рис.16. Модель измерительного канала в Simulink

Сигнал с датчика моделируется блоком "Датчик" (рис.17).

Рис.17. Сигнал с датчика

Блок "Шум" имитирует вибрационные помехи дизельного двигателя (Рис.18). В данном случае это белый шум с подавленными частотами до 200 Гц (см пункт 3.2). Амплитуда помехи была принята во много раз больше информационного сигнала. Это было сделано для того чтобы нагляднее продемонстрировать свойства усилителя и фильтра нижних частот.

Рис.18. Сигнал с датчика без шума и с шумом

Блок "Усилитель" представляет собой интегратор с коэффициентом усиления, обеспечивающим требуемый диапазон выходного сигнала (0-4,8 В). Осциллограмма сигнала после усилителя представлена на рис. 19. Как видно из осциллограммы, усилитель, будучи интегратором, выполняет функцию фильтра. Это связано с тем что несмотря на высокую амплитуду импульса, длительность его невелика и интеграл от него так же мал.

Рис. 19. Сигнал на входе усилителя и на его выходе

Блок "Фильтр 2-го порядка" имитирует ФНЧ 2-го порядка с передаточной функцией:

где Кнч - статический коэффициент передачи, що - частота среза фильтра, Qf - добротность фильтра. Частота среза фильтра равна 250 Гц. Два фильтра 2-го порядка, включенные последовательно, образуют фильтр 4-го порядка. Осциллограмма сигнала после фильтра представлена на рис. 20. Как видно из осциллограммы, фильтр сильно искажает задний фронт сигнала. Это связано с тем, что при расчете частоты среза фильтра не было учтено, что сигнал неоднороден. Так, передний фронт имеет большее время нарастания, чем время падения заднего фронта и искажается не так сильно как задний фронт.

Рис. 20. Сигнал на входе ФНЧ 4-го порядка и на его выходе

Уменьшить искажения можно сдвинув частоту среза дальше в область высоких частот. Допустимый уровень искажения достигается при частоте среза в 2 кГц (рис 21).

Рис.21. Сигнал на входе ФНЧ 4-го порядка (fср=2 кГц) и на его выходе

Блок "АЦП" имитирует оцифровку сигнала (рис 22). Частота дискретизации 10кГц. В данном случае идет квантование лишь по времени, так как разрядность АЦП уже задана. Для диапазона 0-5 В сигнал квантуется 2^10=1024 значениями. При диапазоне 0,1-0,9 В, диапазон АЦП снижается до 983 значений. Тогда погрешность при оцифровке Pмах будет равна 1/983=0,001. Максимальная абсолютная погрешность при оцифровке равна одной десятой процента от верхней границы диапазона измерений. За верхнюю границу диапазона измерений берется 1,05*Pдоп. Идея в том что за максимально допустимое значение давления топливная система выходить не должна. Дефекты форсунки развиваются медленно и у обслуживающего персонала будет время назначить своевременное ТО.

Рис.22. Сигнал на входе АЦП и на его выходе

В ходе моделирования выяснилось, что усилитель отлично отфильтровывает высокочастотные импульсы с амплитудой во много раз больше информационного сигнала. Фильтр нижних частот с частотой срез в 250 Гц сильно искажает сигнал и снизить искажения можно сдвинув частоту среза до 2 кГц.