Próbkowanie przypadkowe sygnałów w pomiarach wartości definiowanej przez operację uśredniania i całkowania

mgr inż. Jakub Kowalski

Promotor: dr hab. inż. Andrzej Bień, prof. nadzw. AGH
Dyscyplina: Elektrotechnika


Dla sygnałów systemu elektroenergetycznego, często pojawia się potrzeba analizy ich w szerokim paśmie, pomimo stosunkowo niskiej częstotliwości podstawowej. Przykładowo sygnał otrzymywany z falownika, mimo że przybliża sinusoidę o częstotliwości około 50Hz, jest syntezowany z częstotliwością nawet kilkudziesięciu kiloherców. Klasyczne podejście do estymacji wartości skutecznej takiego sygnału wymaga zastosowania bardzo szybkiego przetwornika oraz przetworzenia dużej ilości danych.

W pracy zaprezentowano metodę próbkowania losowego przeznaczoną do wyznaczenia parametrów sygnałów występujących w systemie elektroenergetycznym definiowanych przez operację uśrednianie lub całkowania. Zaletą tej metody jest możliwość wyznaczenia takich parametrów dla szerszego zakresu częstotliwości sygnału niż stosując próbkowanie równomierne.

Zaproponowana w pracy metoda opiera się uśrednianiu próbek pobranych w losowych chwilach czasu. Możliwe dzięki niej jest estymowanie parametrów sygnału przy użyciu tańszych rozwiązań układowych, z pominięciem nadmiarowej informacji o kształcie sygnału.

W rozprawie zaproponowano istotne parametry metody wpływające na jej prawidłowe działanie. W środowisku Matlab przeprowadzono serię eksperymentów symulacyjnych badających zależności uzyskanej niepewności od wpływu poszczególnych parametrów metody. Przedstawiono metodę prawidłowego doboru parametrów w zależności od zakresu możliwych częstotliwości sygnału wejściowego.

Skonstruowano dwa stanowiska pomiarowe do weryfikacji metody na sygnałach rzeczywistych. Pierwsze z nich bazujące na mikrokontrolerze STM32 umożliwiło zbadanie działania i skuteczności metody przy zastosowaniu tanich urządzeń pomiarowych obarczonych dużą niepewnością. Drugie stanowisko bazowało na platformie PXI firmy National Instruments. Wykorzystanie dedykowanego pomiarom systemu z FPGA oraz z szybką kartą pomiarową umożliwiło porównanie niepewności metody w stosunku do eksperymentów symulacyjnych.

Pełna wersja tekstu doktoratu: Doktorat_Jakub_Kowalski

1. Kowalski J.: Bezprzewodowy system akwizycji danych. Elektrotechnika i Elektronika, 2010 [wyd. 2011] t. 29 z. 1–2, s. 1–7.
2. Kowalski J.: Koncepcja wielokanałowego systemu rejestracji danych. Pomiary, Automatyka, Kontrola , 2011 vol. 57 nr 11, s. 1301–1303.
3. Kowalski J.: Właściwości przetwornika A/C mikrokontrolera STM32 . Modelowanie i symulacja systemów pomiarowych : materiały XVIII sympozjum, Krynica Zdrój, 18–21 września 2011, s. 67–74.
4. Kowalski J.: Właściwości przetwornika A/C mikrokontrolera STM32 . Informatyka Automatyka Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska, 2011 nr 4, s. 11–14.
5. Maj P., Barczewska K., Drozd A., Kowalski J.: Akcelerometryczny system badania i analizy chodu . Modelowanie i pomiary w medycynie MPM 2012 :materiały XI sympozjum : Krynica Zdrój, 13–17 maja 2012, s. 77–78.
6. Maj P., Barczewska K., Drozd A., Kowalski J.: Akcelerometryczny system badania i analizy chodu . Pomiary, Automatyka, Kontrola , 2012 vol. 58 nr 4, s. 327–330.
7. Kowalski J.: Pomiar wartości skutecznej z losowym próbkowaniem . Systemy pomiarowe w badaniach naukowych i w przemyśle : IX konferencja naukowa : Łagów, 17–20 czerwca 2012, s. 59-62.
8. Kowalski J.: Zastosowanie karty A/C z układem FPGA do szybkiej długotrwałej akwizycji danych . MKM'12 : XLIV Międzyuczelniana Konferencja Metrologów : Ustroń, 09–12 września 2012 r.
9. Kowalski J.: Low-cost experimental acquisition card . OWD 2012 : XIV international PhD workshop : Wisła, 20–23 October 2012 (Conference Archives PTETiS ; vol. 31), s. 240–241.
10. Kowalski J.: Didactic approach of bluetooth acquisition card . PPEEm 2012 : “Podstawowe Problemy Energoelektroniki, Elektromechaniki i Mechatroniki” : materiały XV jubileuszowego sympozjum : Gliwice, 11–13 grudnia 2012,Archiwum Konferencji PTETiS ; vol. 32), s. 68–69.
11. Obrączka A., Kowalski J.: Modelowanie rozkładu ciepła w materiałach ceramicznych przy użyciu równań różniczkowych niecałkowitego rzędu . PPEEm 2012 : “Podstawowe Problemy Energoelektroniki, Elektromechaniki i Mechatroniki” : materiały XV jubileuszowego sympozjum : Gliwice, 11–13 grudnia 2012,Archiwum Konferencji PTETiS ; vol. 32), s. 133–135.
12. Kowalski J.: Rozszerzenie pasma pomiaru wartości skutecznej za pomocą losowego próbkowania . PPEEm 2012 : “Podstawowe Problemy Energoelektroniki, Elektromechaniki i Mechatroniki” : materiały XV jubileuszowego sympozjum : Gliwice, 11–13 grudnia 2012,Archiwum Konferencji PTETiS ; vol. 32), s. 65–69.
13. Obrączka A., Kowalski J.: Heat transfer modeling in ceramic materials using fractional order equations . Advances in the theory and applications of non-integer order systems : 5th conference on Non-integer order calculus and its applications : [4–5 July 2013 Springer International Publishing, cop. 2013. — (Lecture Notes in Electrical Engineering vol. 257). s. 221–229.
14. Kowalski J., Bień A.: Wyznaczanie charakterystyki obwodów wejściowych współpracujących z przetwornikiem analogowo cyfrowym . MKM'2013 :XLV Międzyuczelniana Konferencja Metrologów : Głuchołazy, 08–11 wrzesień 2013 r.
15. Kowalski J., Bień A.: Zastosowanie w pomiarach elektroenergetycznych pomiaru wartości skutecznej przyrządem z próbkowaniem losowym . VI Kongres Metrologii pod hasłem Metrologia królową badań stosowanych : Kielce–Sandomierz, 19–22 czerwca 2013 r. s. 191–192.
16. Kowalski J., Bień A.: Watomierz z pseudolosowym próbkowaniem . Systemy pomiarowe w badaniach naukowych i w przemyśle : X konferencja naukowa : Łagów, 1–4 czerwca 2014, s. 55–58.