Upload
swain
View
81
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Пассивные электронные компоненты с фрактальным импедансом (элементы дробного порядка). ФГБОУ ВПО Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова. Фрактальная размерность. Объекты с евклидовой размерностью. D = 2. D = 3. D = 1. Объекты с фрактальной - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
ПАССИВНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
С ФРАКТАЛЬНЫМ ИМПЕДАНСОМ
(элементы дробного порядка)
ФГБОУ ВПО Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова
D = 1
D = 1,26
D = 2
D = 1,89
D = 3
D = 2,73
Фрактальная размерность
Объекты с евклидовой
размерностью
Объекты с фрактальнойразмерностью
Фрактальной (хаусдорфовой) размерностью объекта называется величина, определенная как
0
ln ( )
lnliml
N lD
l
где N(l) – количество элементарных фигур, покрывающих объект, l – размер элементарной фигуры
Дробное исчисление
где Г() – гамма функция,
0
1( ) ( ) ( ) ( )
(1 )
td df t D f t t f d
dt dt
1
0
( ) , x tx t e dt x
Производная дробного порядка (0 < < 1) по Риману-Лиувиллю
Дробное исчисление
Дробная производная по Грюнвальду-Летникову:
0
( ) ( ) ( 1) (( ) )m
jj
j
D f t t n f m j t
( 1) ( ( )) / ( ( ) ( 1))jjn j j
где t – шаг интегрирования,
Применяется для компьютерных вычислений
Преобразование Лапласа дробной производной (при нулевых начальных условиях ):
Дробное исчисление
0 ( ) ( ),tL d f t p F p
где p – комплексная частота,
F(p) – преобразование Лапласа функции f(t)
Дифференциальное уравнение дробного порядка
описывают поведение произвольной динамической системы дробного порядка.
Передаточная функция системы дробного порядка:
где - константы,
- произвольные вещественные числа.
Дробное исчисление
1 0
1 0
1 0
1 0
( ) ( ) ... ( )
( ) ( ) ... ( ),
n n
m m
n n
m m
a D y t a D y t a D y t
b D u t b D u t b D u t
1 0
1 0
1 0
1 0
...( ) ,
...
m m
n n
m m
n n
b p b p b pT p
a p a p a p
( 0,..., ), ( 0,..., )k ka k n b k m
( 0,..., ), ( 0,..., )k kk n k m
Динамика изданий по дробному исчислению
Аналоговое моделирование и обработка сигналов
Аналоговое моделирование систем дробного порядка широко применяется в биологии, электрохимии, механике и т.п. Аналоговые методы предпочтительно использовать и в случае быстро-действующих систем и быстропроте-кающих процессов, для которых решение нужно получить в режиме реального времени.
Компоненты для аналогового моделирования и обработки сигналов
Конденсаторы
( )( )
du ti t C
dt
Элемент дробного порядка
i(t) = Ru(t)
Резисторы
0( )RZ R j 11( ) ( )CZ j j
C
( )( )
| |c
d u ti t
Z dt
| |( ) ( )
( )
0 1
cF
ZZ j A j
j
10
Амплитудно-частотная характеристика фрактального импеданса для
вещественного показателя емкостной элемент
резистивный элемент
фрактальный элемент
lg Z
lg
0
0
11
Фазочастотная характеристика фрактального импеданса для вещественного показателя
емкостной элемент
резистивный элемент
фрактальный элемент
Z
lg
o90
1 0Z
0
0
4
2
o0Z
o90Z
12
Примеры объектов с фрактальным импедансом
Электрические цепи
RC-кабель
Электрохимическая ячейка
Полупроводниковые на основе геометрических фракталов
Примеры геометрических фракталов
Пример фрактального элемента на основе МОП-структуры
14
а – принцип образования;
б - микроструктура фрактальной среды, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа; в, г – конструктивные варианты
1 – непроводящая основа (матрица) с нанопроводниками, 2 – проводящие пластины, 3 – выводы элемента
Фрактальные элементы на основе нанопроводников
15
Резистивно-емкостной элемент с распределенными параметрами (RC-ЭРП)
Резистивно-емкостные элементы с распределенными параметрами являются пленочными аналогами RC-линий, конструктивные и технологические неоднородности в которых позволяют создавать дробные импедансы с различными показателями дробностепенной зависимости от частоты.
Многослойная конструкция RC-ЭРП
Тонкопленочные
16
Примеры реализации пленочных RC-ЭРП
Толстопленочные
Базовые конструкции элементов дробного порядка на основе RC-ЭРП ЭДП на основе отрезков RC-ЭРП
ЭДП со структурой слоев вида (R1-R3)-C-R
толстопленочный образец схема замещения
толстопленочный образец конструкция
Базовые конструкции элементов дробного порядка на основе RC-ЭРП
ЭДП на основе двумерного RC-ЭРП со структурой слоев вида R1-C-R2
ЭДП СВЧ-диапазона с импедансом = 0,25
1 – резистивный слой, 2 – планарный RC-ЭРП со структурой слоев вида R-C-0
схема замещения планарная конструкция
Универсальная конструкция для реализации от 0,01 до 0,22
R1-1
Z(p) R2-1
R1-2
R2-2
R1-3
R2-3
С
R1
R2
а б
Технологическая реализация фрактального элемента
Резистивный слой 1
Контактные площадки
Диэлектрик
Резистивный слой 2
Контактная площадка
Продольный разрез
Изменение показателя с изменением соотношения сопротивлений слоев (N)
Фазочастотные характеристики входного импеданса фрактального элемента при различных значениях N
Разработка и исследование алгоритмов и программ синтеза конструкций ЭДП с заданными частотными характеристиками
22
Метод конечных распределенных элементов
23
слой R
обкладкаслой G
слой C
x
y
0
Конструкция RC-ЭРП
Область разбиения на КЭ
КЭ-1
КЭ-2КЭ-3
[Y]x
1 2
4 3
5 [Y]y [Y]y
[Y]x 1 2
4 3
Ry Ry
Rx
Rx
[Y]x
1 2
4 3
5 [Y]y
[Y]x
КРЭ-1 КРЭ-2 КРЭ-3
Схема замещения фрагмента RC-ЭРП
Синтез двумерных RC-ЭРП с помощью генетического алгоритма
Начало операции скрещивания
Результат операции скрещивания
Пример работы программы синтеза
25
Разработка, изготовление и исследование характеристик ЭДП на
основе многослойной резистивно-емкостной среды
26
Первые результаты
27
тестовая подложкас толстопленочными ЭДП со
структурой слоев вида R-C-NR
Измеренные ФЧХ входного импеданса:
o
o( ) 37,5 ( 0,417);
2,5 ; 1,3 äåêàäûZ
Z
Mf
тестовая подложкас тонкопленочными ЭДП со
структурой слоев вида R-C-NR (нижний резистивный слой и
диэлектрик)
Разработка и исследование аналоговых операционных блоков
интегрирования и дифференцирования дробного
порядка на основе ЭДП
28
Результаты схемотехнического моделирования
29
FZ
FZ
Стенд для экспериментальных исследований ЭДП и устройств на их основе
АЧХ и ФЧХ входного сопротивления толстопленочного ЭДП
Временные диаграммы работы интегратора и дифференциатора дробного порядка
Временные диаграммы работы мультивибратора и генератора
дробного порядка
R3
R2
ЭДП
R1
ZF
В режиме мультивибратора
В режиме генератора гармонических колебаний
Разработка и исследование ПИД-регуляторов дробного порядка для
систем автоматического управления объектами с дробной динамикой
34
Пропорциональный интегрирующий дифференцирующий регулятор дробного
порядка (общие положения)
35
U(p)
Kp
Tip
Tdp
E(p)
0 0( ) ( ) ( ) ( )p i t d tu t K e t T D t t T D t t
= 1
= 1
ПД ПИД
ПИП
= 1
= 1
λ -δПИ Д
Уравнение работы
Карты рабочих областей ПИД- и ПИД-регуляторов
Экспериментальное определение математической модели объекта управления
(тепловая труба)
Стенд для снятия переходной характеристики
Математические модели объекта управления
0,8 0,9
1
1,873 0,3824 3,057FG ss s
Дробного порядка
СКО = 0,0332
Целого порядка
2
1
0,8129 0,1262 2,019IG ss s
СКО = 0,675
37
ПИД-регулятор целого порядка
ПИД-регулятор дробного порядка
100
72
28 25
Статическая ошибка
Перерегулирование
Время установления
100100
Сравнительная характеристика ПИД-регуляторов (по основным параметрам в %)
Разработка и исследование звеньев активных RC-фильтров высокого
порядка на RC-ЭРП
38
Пример синтеза звена активного RC-фильтра 6-го порядка на RC-ЭРП
39
Разработка и исследование алгоритмов и устройств аналоговой
фрактальной обработки электрических сигналов,
регистрируемых приборами медицинской диагностики.
40
Оценка фрактальных размерностей ЭКГ
41
Фрактальный фильтр 1
Фрактальный фильтр 2
Фрактальный фильтр N
Процессор Диагноз
Структура системы мониторинга в режиме реального времени
Применение фрактальных фильтров в инвариантных системах передачи
данных с широкополосными сигналами
42
Инвариантная система передачи информации с хаотическими сигналами
43
Фрактальный
фильтр
Научные публикации
1.П.А. Ушаков, К.Н. Леонов. Инвариантный способ передачи информации в системах с хаотическими сигналами // Вестник ИжГТУ, № 4, 2010. C. 92-96.
2.Д. А. Бекмачев, П. А. Ушаков. Алгоритм вычисления y-параметров многополюсных электронных компонентов на основе многослойной резистивно-емкостной среды // Вестник ИжГТУ, № 3, 2010. C. 97-98.
3.К.Н. Леонов, А.А. Потапов, П.А. Ушаков. Математическое моделирование системы передачи данных на основе хаотических сигналов с фрактальной размерностью // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2010. Т. 13. № 3. С.7
4.Potapov A. A., Ushakov P. A., Gil'mutdinov A. Kh. Elements, Devices, and Methods for Fractal Communication Technology, Electronics, and Nanotechnology // Physics of Wave Phenomena. 2010. V. 18, № 2. P. 119 - 142.
5.Ушаков, П.А. Y-матрица однородного обобщенного конечного распределенного элемента // Вестник ИжГТУ. 2008. № 4. С. 127 – 130.
6.Ushakov, P. A. Systems Concept and Components of Fractal Radio Electronics: Part II. Synthesis Methods and Prospects for Application / А.А. Potapov, A. Kh. Gil’mutdinov, P. A. Ushakov // Journal of Communications Technology and Electronics, 2008, Vol. 53, No. 11, pp. 1271–1314.
7.Ушаков, П.А. Системные принципы и элементная база фрактальной радиоэлектроники. Ч. II. Методы синтеза, модели и перспективы применения / А.А. Потапов, А.Х. Гильмутдинов, П.А. Ушаков // Радиотехника и электроника. 2008. Т. 53. № 11. С. 1347-1394.
8. Ushakov, P. A. Systems Concept and Components of Fractal Radio Electronics: Part I. Development Stages and the State of the Art / А.А. Potapov, A. Kh. Gil’mutdinov, P. A. Ushakov // Journal of Communications Technology and Electronics, 2008, Vol. 53, No. 9, pp. 977–1020.
9. Ушаков, П.А. Системные принципы и элементная база фрактальной радиоэлектроники. Ч. I. Этапы становления и состояние / А.А. Потапов, А.Х. Гильмутдинов, П.А. Ушаков // Радиотехника и электроника. 2008. Т. 53. № 9. С. 1033-1080.
10. Ушаков, П.А. Дробные операторы: критерии синтеза и реализация / А.Х. Гильмутдинов, М.М. Гильметдинов, П.А. Ушаков // Нелинейный мир. 2008. Т. 6. № 8. С. 452-463.
11.Ушаков, П.А. Применение резистивно-емкостных элементов с распределенными параметрами и фрактальной размерностью: прошлое, настоящее и будущее / А.Х. Гильмутдинов, А.А. Потапов, П.А. Ушаков // Нелинейный мир. Т.6. № 3. 2008. С. 183 – 213.
Научные публикации
12.Ушаков, П.А. Моделирование фрактальных процессов и объектов методом обобщенных конечных распределенных элементов / А.Х. Гильмутдинов, П.А. Ушаков // Нелинейный мир. Т.6. № 2. 2008. С. 114-120.
13.Ушаков, П.А. Распределенные резистивно-емкостные элементы с фрактальной размерностью: конструкции, анализ, синтез и применение / А.Х. Гильмутдинов, В.А. Мокляков, П.А. Ушаков // Нелинейный мир. 2007. Т. 5. № 10-11. С. 633-638.
14.Ушаков, П.А. Создание специализированной САПР RC-элементов с распределенными параметрами и устройств на их основе: Выбор методов анализа и синтеза, проблемы реализации / А.Х. Гильмутдинов, В.А. Иванцов, П.А. Ушаков // Радиотехника. 2008. № 2. С. 65-73.
15.Ушаков, П.А. Математические модели RC-элементов с распределенными параметрами со структурой слоев вида R-CG-NR / К.В. Красноперов, П.А. Ушаков, А.В. Филиппов // Вестник ИжГТУ, № 2, 2008. С. 93-96.
16.Ушаков, П.А. Перспективы применения RC-элементов с распределенными параметрами для аналоговой обработки сигналов, идентификации и управления фрактальными объектами и процессами / А.Х. Гильмутдинов, В.А. Мокляков, П.А. Ушаков // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2007. № 3. С. 24-29.
Научные публикации
17.Ушаков, П.А. Концепция и проблемы создания программного комплекса для анализа и синтеза устройств на основе RC-элементов с распределенными параметрами. II. / А.Х. Гильмутдинов, В.А. Иванцов, П.А. Ушаков // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2007. № 2. С. 93-97.
18.Ушаков, П.А. Концепция и проблемы создания программного комплекса для анализа и синтеза устройств на основе RC-элементов с распределенными параметрами. Часть 1. Концепция синтеза и анализ / А.Х. Гильмутдинов, В.А. Иванцов, П.А. Ушаков // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2007. № 1. С. 75-79.
19.Ушаков, П.А. Регулируемый активный RC-фильтр с распределенными параметрами // Датчики и системы. 2007. № 4. С. 34-36.
Научные публикации
Первоочередные задачи:
Отработка технологии изготовления многослойных RC-ЭРП со структурой слоев вида R1-C-R2 с воспроизводимыми характеристиками.
Поиск типовых конструктивных вариантов RC-ЭРП, обеспечивающих заданное значение в заданном диапазоне частот.
Разработка точных математических моделей всех конструктивных вариантов RC-ЭРП, учитывающих как конструктивные особенности RC-ЭРП, так и неидеальности электрофизических характеристик используемых материалов слоев.
Разработка методики подгонки значения ЭДП с заданной точностью в заданном диапазоне частот.
Поиск и исследование материалов для параметрических ЭДП.
Разработка теоретических основ проектирования типовых радиоэлектронных устройств на основе ЭДП.
Разработка алгоритмического и программного обеспечения и инженерных методик проектирования типовых устройств на ЭДП.
Спасибо за внимание!
53