 |
Основные термины и определения
|
|
|
|
Система – множество взаимосвязанных элементов, каждый из которых связан прямо или косвенно с каждым другим элемен- том, а два любых подмножества не могут быть независимыми, не нарушая целостность, единство системы.
Информация (в широком смысле) – сведения об объекте, ко- торые получены в результате взаимодействия с ним. Информация передается при помощи сигналов, отображающих характеристики объекта.
Информационная среда – системно организованная совокуп- ность средств передачи данных, информационных ресурсов, про- токолов взаимодействия, аппаратно-программного и организаци- онно-методического обеспечения, ориентированная на удовле- творение потребностей пользователей в информационных услу- гах и ресурсах.
Измерительная информационная система (ИИС) – сово- купность функционально объединенных измерительных, вычис- лительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обра- ботки с целью представления потребителю (в том числе АСУ) в требуемом виде либо автоматического осуществления логиче- ских функций измерения, контроля, диагностирования, иденти- фикации (распознавание образцов).
Вход – часть ИИС или входящего в него устройства, блока, звена, на которую непосредственно подается воздействие извне (по отношению к данному устройству, блоку, звену).
Выход – часть ИИС или входящего в него устройства, блока, звена, которая в соответствии с алгоритмом функционирования непосредственно воздействует на последующее устройство.
Сигнал – обусловленное (заранее договоренное) состояние или изменение состояния представляющего параметра, отобра- жающее информацию, которая содержится в воздействии.
|
|
|
Непрерывный сигнал – сигнал, описываемый непрерывной функцией времени.
Дискретный сигнал – сигнал, описываемый дискретной функцией времени.
Комплекс технических средств – совокупность вычисли- тельных и управляющих устройств, средств преобразования, отображения и регистрации сигналов, устройств передачи и об- работки сигналов и данных, исполнительных устройств, доста- точная для выполнения всех функций ИИС.
Техническое обеспечение – комплекс технических средств, предназначенных для обеспечения работы измерительной ин- формационной системы.
Информационное обеспечение – совокупность системы клас- сификации и кодирования технологической и технико- экономической информации, сигналов, характеризующих состоя- ние объекта, массивов данных и документов, необходимых для выполнения всех функций ИИС.
Математическое обеспечение – совокупность методов, ма- тематических моделей и алгоритмов, необходимых для выполне- ния функций ИИС, представляемых в заданной форме.
Программное обеспечение – совокупность программ, обеспе- чивающая реализацию функций системы измерений и контроля над процессом или измерительным экспериментом, заданное функционирование комплекса технических средств ИИС и пред- лагаемое развитие системы.
Общее программное обеспечение – часть программного обес- печения ИИС технологического процесса, представляющая собой совокупность программ, поставляемых в комплекте со средства- ми вычислительной техники.
Специальное программное обеспечение – часть программно- го обеспечения, представляющая собой совокупность программ, разрабатываемых при создании системы, и включающая про- граммы реализации ее функций.
Организационное обеспечение – совокупность описаний функциональной, технической и организационной структур, ин- струкций и регламентов для оперативного персонала, обеспечи- вающая заданное функционирование.
|
|
|
Оперативный персонал – операторы, осуществляющие управление измерительным экспериментом в составе ИИС, и эксплуатационный персонал.
Совместимость ИИС – возможность взаимосвязанного функционирования ИИС разных уровней и различного функцио- нального назначения.
Надежность ИИС – способность системы выполнять функ- ции, сохраняя эксплуатационные показатели в установленных пределах в течение интервала времени при заданных условиях эксплуатации.
Устройство связи с объектом – совокупность устройств по- лучения и преобразования сигналов измерения и контроля, ком- мутации каналов передачи сигналов и исполнительных устройств.
Измерительная система – ИИС, предназначенная для функ- ций измерения и хранения информации. Измерительная система устанавливает соответствие между измеряемой величиной и ме- рой. Под мерой понимают средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.
Например, мерой является резистор, воспроизводящий сопротив- ление определенного размера с известной погрешностью.
Норма – установленные пределы допустимого изменения па- раметра, заданные обычно с помощью аналоговых или цифровых установок — нижний предел (НП) и верхний предел (ВП):
220 ± 10... 15 В.
Система телеизмерения – совокупность технических средств на приемных и передающих сторонах и каналах связи для автоматического измерения одного или ряда параметров на рас- стоянии.
Канал связи – совокупность линий связи и технических устройств на передающей и приемной частях системы.
Виртуальный информационно-измерительный прибор – это компьютер, оснащенный набором аппаратных и программных средств, выполняющий функции информационно- измерительного прибора или системы, максимально приближен- ный к решению задачи.
Интеллектуальные измерительные системы – системы, выполняющие функции измерения и контроля в реальном мас- штабе времени одновременно множества экспериментальных ве- личин.
Спектральная плотность – функция, описывающая распре- деление дисперсии стационарной случайной функции по непре- рывно изменяющейся частоте.
|
|
|
Стадии проектирования ИИС:
· предпроектные – технико-экономическое обоснование (ТЭО), техническое задание (ТЗ);
· проектные – техническое предложение (ТП), эскизный про- ект (ЭП), технический проект (ТП), рабочая документация (РД);
· стадии реализации – ввод в действие, анализ функциониро- вания, внедрение.
Метрологическое обеспечение – комплекс технических средств и программного обеспечения установления и применения научных основ, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.
6.2. Роль информационных процессов
Информационным называется процесс, возникающий при установлении связи между источником и ее приемником. К ос- новным процессам при этом относятся: обнаружение и счет; из- мерение и контроль; сбор и распределение; распознавание и диа- гностика; передача и хранение; обобщение и отображение.
Информационные процессы занимают значительное место в общественной жизни человека. Во-первых, это повышение эф- фективности как в материальном производстве, так и в непроиз- водственной сфере; во-вторых, удовлетворение материальных и духовных потребностей, а также всестороннее развитие человека путем их использования как в быту, так и для улучшения условий труда, отдыха, укрепления здоровья, улучшения окружающей среды; в-третьих, обогащение духовной жизни.
Создать информационное общество – это значит:
· создать правовые, экономические, технологические, соци- альные и профессионально-образовательные условия для того, чтобы любая (кроме законом определенных тайн и секретов) ин- формация была доступна в любое время в любой точке любому потенциальному пользователю;
· создать технологические условия, аппаратные и программ- ные средства, телекоммуникационные системы, обеспечивающие доступность информации;
· обеспечить индустриально-технологическую базу для произ- водства в рамках международного разделения труда конкуренто-
способных информационных технологий; обеспечить первооче- редное развитие структур, институтов и механизмов, прежде все- го в науке и образовании;
|
|
|
· реализовать принцип фундаментального внедрения инфор- мации и информационных технологий в сферу производства, управления, культуры, науки, образования, транспорта и энерге- тики и др.
Когда в конце 1960-х годов в Японии в основном закончился период послевоенного восстановления и промышленной рекон- струкции, перед страной встал вопрос о выборе ее исторической перспективы.
Существовали две реальные альтернативы:
1) развитие индустрии, благосостояния, строительство ком- фортных дорог, жилья и т.д.;
2) развитие наукоемких и информационных технологий, ин- форматизация общества, включающая автоматизацию и роботи- зацию общества.
Япония выбрала второй путь и спустя четверть века оказалась наиболее процветающей страной мира. Японский опыт в той или иной модификации был учтен при выработке информационной по- литики во Франции (конец 1970-х годов), Великобритании (начало 1980-х годов), ФРГ (конец 1980-х годов) и т.д. Но ни одна из этих стран прямо не копировала японский опыт и японскую идеологию, так как каждая исходила из своих интересов, возможностей, ресур- сов, традиций, экономических и политических целей.
6.3. Виды и структуры измерительных информационных систем
В зависимости от выполняемых функций ИИС реализуются в виде:
1) измерительных систем (ИС);
2) систем автоматического контроля (САК);
3) систем технической диагностики (СТД);
4) систем распознавания образов (идентификации) (СРО);
5) телеизмерительных систем (ТИИС).
В зависимости от способа организации передачи информации между функциональными блоками (узлами) (ФБ) различают це- почечную, радиальную и магистральную структуры ИИС. В СТД, САК, СРО измерительная система входит как подсистема.
Любая измерительная информационная система с необходи- мыми функциональными возможностями, техническими и дру- гими характеристиками в решающей степени определяется объ- ектом исследования, для которого данная система создается.
Назначение измерительной информационной системы можно определить как целенаправленное оптимальное ведение измери- тельного процесса и обеспечение смежных систем высшего уровня достоверной информации. Исходя из этого основные функции из- мерительной информационной системы таковы: получение измери- тельной информации от объекта исследования, ее обработка, пере- дача, представление информации оператору и (или) ЭВМ, запоми- нание, отображение и формирование управляющих воздействий.
Степень достижения функций принято характеризовать с по- мощью критериев измерения. Измерительные информационные системы оптимизируют по многим частичным критериям, таким как точность, помехоустойчивость, надежность, пропускная спо- собность, адаптивность, сложность, экономичность и др.
|
|
|
6.4. Основные компоненты измерительных информационных систем
Состав и структура конкретной ИИС определяется общими техническими требованиями, установленными ГОСТом, и част-
ными требованиями, содержащимися в техническом задании на ее создание.
Измерительная информационная система должна управ- лять измерительным процессом или экспериментом в соответ- ствии с принятым критерием функционирования; выполнять воз- ложенные на нее функции в соответствии с назначением и целью; обладать требуемыми показателями и характеристиками точно- сти, надежности и быстродействия; отвечать экономическим тре- бованиям, предъявляемым к способам и форме представления информации, размещения технических средств; быть приспособ- ленной к функционированию с измерительными информацион- ными системами смежных уровней иерархии и другими ИИС и ИВК, т.е. обладать свойствами технической, информационной и метрологической совместимости; допускать возможность даль- нейшей модернизации и развития и др.
Упрощенная схема взаимодействия основных компонентов измерительной информационной системы представлена на рис. 6.1.
|
Процессом функционирования ИИС является целенаправлен- ное преобразование входной информации в выходную. Это пре- образование выполняется либо автоматически комплексом тех- нических средств (КТС) (техническим обеспечением), либо сов-
местно-оперативным персоналом и КТС в сложных ИИС, ИВК, измерительно-управляющих системах (ИИУС). Чтобы люди и комплекс технических средств могли функционировать опти- мально, необходимы соответствующие инструкции и правила.
Эту задачу выполняет организационное обеспечение. Матема- тическое, программное и информационное обеспечение входит в состав только ИИС, ИВК и ИИУС с цифровым вычислительным комплексом.
· Математическое обеспечение – это модели и вычислитель- ные алгоритмы.
· Программное обеспечение гарантирует конкретную реализа- цию вычислительных алгоритмов и алгоритмов функционирова- ния системы, охватывает круг решений, связанных с разработкой и эксплуатацией программ.
· Информационное обеспечение определяет способы и кон- кретные формы информационного отображения состояния объ- екта исследования в виде документов, диаграмм, графиков, сиг- налов для их представления обслуживающему персоналу и ЭВМ для дальнейшего использования в управлении.
Всю систему в целом охватывает метрологическое обеспечение.
Технические средства ИИС состоят из следующих блоков:
· множества первичных измерительных преобразователей (датчиков);
· множества вторичных измерительных преобразователей;
· множества элементов сравнения – мер;
· блока цифровых устройств;
· множества элементов описания – норм;
· множества преобразователей сигнала, средств отображения, памяти и др.
При наличии в составе ИИС ЭВМ информация к ЭВМ может поступать непосредственно от устройств обработки и (или) хра- нения.
6.5. Математические модели и алгоритмы измерений для измерительных информационных систем
Поскольку области применения ИИС весьма обширны (про- мышленное и сельскохозяйственное производство, медицина и космос, искусство и научный эксперимент, АСУТП и АСУ, связь и вычислительные системы), математические модели объектов чрезвычайно разнообразны. Однако методы математического мо- делирования позволяют одинаковыми формулами представлять различные по своей природе объекты и использовать для иссле- дования и решения задач оптимизации и синтеза ИИС электрон- но-вычислительные машины и ПЭВМ.
Математическая модель объекта измерения включает описа- ние взаимодействия между переменными входа и выхода для установившегося и переходного состояний, т.е. модели статики и динамики, граничные условия и допустимое изменение перемен- ных процесса.
Если переменные объекта изменяются только во времени, то модели, описывающие свойства таких объектов, называются мо- делями с сосредоточенными параметрами. Модели объектов ис- следований, переменные которых изменяются как во времени, так и в пространстве, называются моделями с распределенными параметрами.
Форма записи математической модели может быть различна: алгебраические и трансцендентные уравнения, дифференциаль- ные уравнения и уравнения в частных производных. Могут ис-
пользоваться переходные и передаточные функции, частотные и спектральные характеристики и др.
Различают три основных метода получения математических моделей объектов исследования:
· аналитический;
· экспериментальный;
· экспериментально-аналитический.
В последние годы при создании ИИС широко используется математическое моделирование, реализующее цепочку: «объект – модель – вычислительный алгоритм – программа для ПЭВМ – расчет на ПЭВМ – анализ результатов расчета – управление объ- ектом исследования».
Ядро вычислительного эксперимента: модель – алгоритм – программа калибрует и формирует оптимальную модель объек- та исследования. Алгоритм измерения может быть представлен словесно, аналитически, графически или сочетанием этих мето- дов.
Последовательность действий непроизвольна, а реализует тот или иной метод решения задачи. Во всех случаях она должна быть настолько точно сформулирована, чтобы не осталось места для различных толкований и двусмысленностей.
Так, Э. И. Цветков оценку измеряемой величины представляет выражением:
|
где Р – оператор, представляющий алгоритм измерений; Р (к) – сигнал, несущий информацию измеряемой величины о значений измеряемой величины; λ 0 – мера, образцовая величина, лежащая в основе операции сравнения.
Графически этот процесс представлен на рис. 6.2.
Тот же процесс М.П. Цапенко предлагает записать в форме содержательных логических схем алгоритмов (CJICA), которая отражает параллельную работу самостоятельных измерительных каналов:
< I 1>=: I 1 (x 01 / x 11 )I 1 (x 11 / x 21 )I 1 (x 21 / z 1 ) //...// < Ii >.
Наиболее простой и распространенной формой алгоритмической структуры является схема, приведенная на рис. 6.3.
|
|
l 0
Сравнение с мерой
Да
Рис. 6.2. К-сеть процедуры Рис. 6.3. Схема алгоритма измерения измерения величины
6.6. Разновидности измерительных информационных систем
Измерительные информационные системы, предназначенные для измерения и хранения информации, называются измеритель- ными системами (ИС).
Измерительные системы могут быть ближнего или дальнего действия. На вход системы поступает множество изменяющих во времени и (или) распределенных в пространстве величин. Упро- щенная классификация измерительных систем представлена на рис. 6.4.
Измерительные системы
|
|
|
Рис. 6.4. Упрощенная классификация измерительных систем
Наиболее распространены системы для прямых измерений.
Обобщенная структура ИС представлена на рис. 6.5.
Д С В Д
Рис. 6.5. Обобщенная структура измерительной системы для прямых измерений
Для всех ИС основными элементами являются первичные преобразователи {Д}, элементы сравнения {С}, меры {М} и эле- менты отображения информации {В}. Для совместных и сово-
купных измерений часто используются многомерные и аппрок- симирующие системы.
Характеристики измерительных систем. Важнейшими ха- рактеристиками ИС являются эффективность, полнота выполня- емых функций, достоверность, надежность, быстродействие, характеристики входов и выходов, метрологические характери- стики.
Эффективность. Под эффективностью понимается улуч- шение работы объекта при использовании системы. Ограничим- ся рассмотрением экономической эффективности систем, пред- ставляющих наибольший интерес для народного хозяйства. Приращение экономической эффективности можно выразить формулой
Э = Э1+ Э2,
где Э1 – экономический эффект от объекта в заданный промежуток времени без ИС; Э2 – экономический эффект от объекта в тот же заданный промежуток времени с применением ИС.
Экономический эффект целесообразно рассчитывать по обще- признанному критерию полных затрат.
Для сравнения различных измерительных систем удобнее ис- пользовать нормированный показатель эффективности, называе- мый коэффициентом эффективности:
h = Э 2- Э 1,
Эn - Э 1
где Эn – экономический эффект от объекта при использовании идеальной измерительной системы, выполняющей идеально все функции и при отсутствии на это затрат.
Коэффициент эффективности изменяется в пределах 0 < n < 1, который определяется и уточняется на нескольких этапах проек- тирования и эксплуатации системы.
На этапах проектирования (ТЭО, ТЗ, ТП, РД) производится предварительная оценка по ожидаемым данным, которая уточня- ется после ввода ИИС в эксплуатацию.
Полнота (глубина) выполняемых функций. Она показывает, какая часть контролируемого или управляемого объекта охвачена измерительной системой.
Коэффициент, характеризующий полноту:
P=Nb/N,
где N – общее число параметров объекта (например, контроля, измерения, управления); Nb – число параметров объекта, охвачен- ных ИС.
Достоверность. Достоверность относится к обобщенным ха- рактеристикам. Требования, предъявляемые к этому показателю, являются исходными для обоснования частных характеристик системы. Наиболее существенные факторы достоверности – точ- ность измерения контролируемых параметров, глубина контроля, надежность и помехоустойчивость работы всех устройств. С уменьшением достоверности возрастает вероятность неработо- способного состояния объекта контроля, измерения, управления при информации в системе в пределах допусков. Характерный пример низкой достоверности – работа с низкой помехоустойчи- востью в условиях помех. Аналогичная ситуация возникает при неудовлетворительной надежности системы и при недопустимо малой точности измерений.
Надежность. Критерий надежности и его числовые характе- ристики выбираются с учетом особенностей назначения ИС и характера решаемых задач.
К основным критериям надежности систем относятся:
· средняя наработка на отказ t;
· среднее время восстановления t в;
· средняя наработка до отказа t 0;
· интенсивность отказов λ;
· вероятность безотказной работы системы P(t) в течение за- данного времени t (вероятность восстановления F(tB));
· вероятность завершения проверки объекта или группы объ-
ектов (вероятность восстановления) F(tB) в течение заданного времени;
· коэффициент готовности системы Kr.
Для стационарных измерительных систем в народном хозяй-
стве широко используют критерии t 0, t в и частично Kr.
С целью уменьшения влияния ненадежности на работоспо- собность системы используют два основных метода самоконтроля в измерительной системе: программный и схемный аппараты.
Программный метод основан на использовании заранее отра- ботанных испытанных программ (тестов). Такой самоконтроль в основном позволяет проверить устройства системы, производя- щие обработку информации.
Схемный метод (самоконтроль) требует дополнительного оборудования (аппаратуры) для проверки системы. Одной из раз- новидностей схемного самоконтроля является применение кодов с обнаружением и исправлением ошибок. Методы самоконтроля требуют временной информационной или аппаратурной избы- точности.
Быстродействие. Быстродействие характеризуется средним временем выполнения операций (измерения, контроля, управле- ния, диагностики, поиска и т.п.). Для циклических систем быст- родействие характеризуется временем цикла t восп. Во многих слу- чаях при определении быстродействия необходимо учитывать среднее время выполнения вспомогательных операций tBосп, к ко- торым относится включение источников питания разогрева аппа-
ратуры, подключение кабелей и т.п. В таких случаях быстро- действие, например системы измерения, определяется выражени- ем:
tr=tвосп+tосн+tон,
где tосн – среднее время самого контроля и поиска неисправно- стей, tон – среднее время считывания или записи и анализа ре- зультатов.
Быстродействие в ряде случаев удобно характеризовать ин- формационным критерием – количеством информации, перераба- тываемой в единицу времени. Для систем контроля и измерения быстродействие:
x
å (H 0 i - Hi) B 1= i =1,
tk 0 + tn 0 H 0
где H0i – энтропия i -го параметра до начала контроля; Hi – эн- тропия i -го параметра после контроля; tk0 – время измерения
определяющих параметров;
стей.
tn 0 H 0
– время поиска неисправно-
В расчетах используется критерий Шеннона, учитывающий количество информации и возможности ее статистического коди- рования. Однако при расчете быстродействия во многих случаях целесообразно использовать критерий Хартли, учитывающий только физические возможности системы. Тогда быстродействие эквивалентной информационной емкости определяется по фор- муле:
B 2=
x
å logm
i =1,
tk 0 + tn 0 H 0
где m – число различных состояний, например число уровней квантования в дискретной системе.
Характеристики входов и выходов системы. Они включают в себя перечень и данные входов системы, а также характеристи- ки устройств отображения информации. К последним относятся данные диспетчерского щита и пульта, данные дисплеев и других средств отображения информации.
Характеристики технических средств. Эти характеристики включают в себя данные элементной базы (типы и серии микро- схем и других элементов), типы готовых блоков, устройств и вспомогательного оборудования, включая источник питания, а также условия эксплуатации системы.
Многоканальный ИС параллельного действия. Это один из наиболее распространенных видов ИИС, обладающих наиболее высокой надежностью, более высоким быстродействием при од- новременном получении информации, возможностью подбора средств измерений к замеряемым величинам, что может исклю- чить унификацию сигналов. Однако они имеют повышенные сложность и стоимость (рис. 6.6).
|
|
B1
М1
|
|
B n
М n
Рис. 6.6. Структурная схема многоканальной измерительной системы
Мультиплицированные (с общей образцовой величиной) ИС (рис.6.7). Системы предложены Ф.Е. Темниковым. Их еще называют системами с развертывающим уравновешиванием. Си- стемы имеют меньшее число элементов, чем параллельные ИС, но несколько меньшее быстродействие. В этих системах измери-
тельная величина сравнивается с линейно изменяющейся величи- ной. При фиксированных моментах начала развертки и равенстве х и хк может быть определен интервал времени tx, пропорцио- нальный значению хк..
В многоканальной системе возникают трудности в разделении сигналов от элементов сравнения. В этом случае прибегают к специальным мерам.
Сканирующие (последовательного действия) ИС. С помо- щью одного канала они выполняют последовательно измерения множества величин и имеют сканирующее устройство (СкУ), ко- торое перемещает датчик в пространстве (рис. 6.8).
Д1 B1
Д n B n
В
|
|
М
Рис. 6.7. Структурная схема Рис. 6.8. Структурная схема сканирующей мультиплицированной измерительной системы измерительной системы
При пассивном сканировании траектория движения может быть запрограммирована, при активном сканировании может изменяться в зависимости от получаемой измерительной ин- формации.
Сканирующие системы применяются для измерения темпера- турных полей, нахождения экстремальных значений исследуемых полей (давлений, механических напряжений и т.д.) или нахожде- ния одинаковых значений параметра. Недостаток систем – малое быстродействие.
Многоточечные (последовательно-параллельного дей- ствия) ИС
Их применяют в сложных объектах с большим числом изме- ряемых параметров (рис. 6.9). В этих системах при множестве
|
имеется всего один измерительный тракт (см.
рис. 6.9, а) и измерительный коммутатор SW либо множество
датчиков { Д } n и множество индикаторов { B } n (см. рис. 6.9, б).
i i i i
|
В
Д n
М
а
|
|
Д n B n
б
Рис. 6.9. Структурная схема многоточечной измерительной системы: а – с одним коммутатором; б – с двумя коммутаторами
Измерительные коммутаторы служат для согласования парал- лельных и последовательных элементов во времени. Они должны обладать определенными метрологическими характеристиками (погрешностью, быстродействием и др.). Лучшие по точности результаты дают контактные измерительные коммутаторы (10- 5…10-6), но они имеют низкое быстродействие, малое количество коммутируемых цепей и не работают по заявкам. Бесконтактные измерительные коммутаторы имеют более низкую точность (по- грешность составляет (10-3…10-4), но остальные показатели у них значительно лучше.
Недостаток систем – пониженное быстродействие и точность за счет использования ключей коммутаторов.
Многомерные ИС. Эти системы основаны на одновременном измерении различных свойств среды, зависящих от ее состава, с последующей математической обработкой результатов измере- ния. Измеряемыми могут быть, например, электропроводность и плотность, температура кипения и показатель преломления или удельный вес и т.д. Во всех случаях независимо от характера вы- полняемого расчета возможность измерения связана с возможно- стью составления системы независимых уравнений:
X1=f1(C1,C2,C3,...,Qi...Ck);
Xi=f1(C1,C2,C3,...,Qi...Ck);
Xk-1 = f1 (C1,C2,C3,..., Qi...Ck);
I= C1+ C2+ C3+... + C,.+... + ck,
где Х1..., Xi..., Xk-1 – измеряемые параметры анализируемой сре- ды, С1,С2,С3,..., Qi..., Ск– концентрации компонентов анализиру- емой среды, f1..., fi..., fk- 1 – функции, выражающие характер зави- симости измеряемых параметров от состава среды.
Выполнение функциональной независимости уравнений си- стемы обеспечивает принципиальную возможность ее решения, т.е. нахождения нужного Ск. Данные системы обеспечивают из- бирательное определение величин интересующего нас компонен- та в многокомпонентной среде путем применения недостаточно избирательных измерительных средств.
Аппроксимирующие измерительные системы (АИС).
Их применяют с целью количественной оценки или восста- новления исходной величины, являющейся функцией некоторого аргумента. Есть два пути выполнения этих измерений:
· измерение дискретной величины и восстановление ее путем аппроксимации с помощью многочленов;
· измерение коэффициентов многочленов, аппроксимирующих исходную функцию на всем интервале ее исследования.
Основные области применения АИС – это измерение стати- стических характеристик случайных процессов, характеристик нелинейных элементов, сжатие, фильтрация, генерация сигналов заданной формы.
6.7. Телеизмерительные системы
Система телеизмерения – совокупность устройств на прием- ных и передающих сторонах и каналах связи для автоматическо- го измерения одного или ряда параметров на расстоянии. Струк- турная схема представлена на рис. 6.10.
|
ООИ
Рис. 6.10. Структурная схема телеизмерительной системы
Особенности построения. Можно указать следующие основ- ные способы построения:
· по виду модуляции – интенсивные (тока, напряжения) вре- мяимпульсные (ВИМ и ШИМ), частотные (ЧИМ и ЧМ) кодоим- пульсные (двоичные и недвоичные) цифровые и адаптивные;
· виду телеизмеряемого параметра – аналоговые и цифровые;
· числу каналов связи – одноканальные и многоканальные;
· характеристике каналов связи – проводные, радиоканальные и волоконно-оптические;
· виду телеизмерения – непрерывные, по вызову, по выбору.
При этом могут производиться телеизмерения текущих, ста- тистических и интегральных значений параметров.
Виды каналов: совмещенные каналы связи (КС) и линии связи (ЛС), симплексные КС; дуплексные (прямые и обратные) каналы связи (КС).
Установлены следующие классы точности устройств телеиз- мерений: 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0.
Сравнительная оценка систем телеизмерений ведется:
· по реально достижимой минимальной погрешности;
· помехоустойчивости;
· надежности системы;
· возможности работы с различными каналами связи;
· стоимости;
· возможности унификации и массового производства унифи- цированных устройств.
Лучшие системы – это системы кодоимпульсных телеизмерений. Поисковая система измерений. Она предназначена для пе- редачи на расстояние оперативно-технологической и производ- ственно-статистической информации в системах измерения кон- троля управления, а также в автоматизированных системах управления (АСУ) различных отраслей народного хозяйства тер-
риториально разобщенных объектов.
Система состоит из набора типовых функциональных узлов и блоков, выполненных в основном на интегральных микросхем и построенных на их базе комплексах телемеханических устройств. Эти комплексы выполняют функции передачи и приема инфор- мации, а также простейшей ее обработки на пункте управления (ПУ) и контролируемом пункте (КП).
На контролируемых пунктах источниками информации явля- ются разнообразные датчики измеряемых параметров, датчики
стояния объектов, машинные носители информации, устройства ручного ввода информации, сама аппаратура КП и ЭВМ.
На пункте управления источниками информации могут быть пульт управления двухпозиционными и многопозиционными объектами, датчики установок автоматических регуляторов, ма- шинные носители, ЭВМ и дисплеи.
Приемниками информации на ПУ являются различные прибо- ры на щите и пульте диспетчера или оператора, ЭВМ, дисплей и машинные носители информации.
В поисковой системе телеизмерений приняты:
• система приоритетов для различных видов информации с со- ответствующим разделением во времени при ее передаче;
• система приоритетов для различных КП с соответствующим во времени их обслуживанием;
• адресно-групповой метод передачи информации, облада- ющий широкими возможностями выбирать и изменять различное число КП, объемы и виды прерываемой информации;
• спорадические методы передачи дискретной и непрерывной информации;
• обработка информации, осуществляемая как устройствами для обработки, так и ЭВМ с учетом специфических особенностей используемых каналов связи (КС);
• унификация сопряжения;
• унификация конструктивной базы;
• агрегатирование технических средств.
Перечисленные принципы построения системы позволяют:
• сопрягать блоки и устройства с устройствами других ветвей;
• разрабатывать различные устройства телемеханики из огра- ниченного набора функциональных блоков;
• увеличивать серийность производства и сокращать стои- мость аппаратуры путем централизованного производства функ- циональных блоков с типовыми конструкциями;
• сокращать объем и сроки разработки, проектирования, а также упрощать эксплуатацию устройств телемеханики.
Функциональные блоки системы делятся на следующие груп- пы: источники информации; приемники информации; приемни- ки-источники.
Централи, блоки режима работы выполняют функции управ- ления и координации, позволяющие приемникам и источникам работать асинхронно.
Функциональные блоки подразделяются на инициативные и неинициативные. Инициативные блоки источники формируют сигнал запроса связи и содержат узлы наличия информации. Бло- ки-источники могут работать в неинициативном режиме – по ко- манде, поступающей на вход блока. К инициативным блокам от- носятся также блоки-приемники, формирующие сигнал запроса связи, например при обнаружении искажений в принятой инфор- мации. Кроме того, все функциональные блоки разделяются по выполняемым функциям на следующие группы, размещаемые на КП и ПУ (см. рис. 6.10):
· первичные преобразователи ПП;
· преобразователи кодов и сигналов (ПКС) для передачи и приема информации;
· блоки управления передачей и приемом отдельных видов информации;
· блоки обработки и отображения информации (ООИ);
· блоки режима работы, определяющие алгоритм устройства.
Преобразователи кодов и сигналов. К ним относятся моду- ляторы-демодуляторы для передачи и приема сигналов при рабо- те по каналу связи, узлы тактовой синхронизации, блоки повы-
шения достоверности, преобразователи последовательного кода в параллельный, устройства памяти.
Блоки управления передачей и приемом информации. Они включают в себя управление информацией: телеуправление (ТУ); телеинформацию статистическую (ТС); телеинформацию инте- гральную (ТИИ); телеинформацию текущую (ТИТ); производ- ственно-статистическую текущую (ПСИ) и кодовые команды (КК); устройства сопряжения с ПЭВМ.
Блоки обработки и отображения информации. К ним отно- сятся: преобразователи кодов, например в двоичный и двоично- десятичный; цифроаналоговые преобразователи, блоки масшта- бирования, сравнения кодов, цифровой индикации, управления цифровой регистрацией, управления фотосчитыванием; управле- ния памятью, воспроизведения сигналов светового табло.
Блок режима работы (централь). Блок координирует работу всех блоков, объединенных в устройство; реализует выбранную систему приоритетов; устанавливает связь между блоками по за- данной программе; контролирует заданную дисциплину передачи информации по каналу связи; формирует сигналы общей неис- правности, устройства и тактирующие сигналы для всех блоков.
Вспомогательные узлы. Это генераторы тактовых импульсов, распределители импульсов, усилители для выхода на реле и лам- пы накаливания и т. д. Предусмотрено и возможное расширение блоков системы. Генераторы тактовых импульсов рассчитаны на фиксированные скорости передачи информации по каналу связи.
6.8. Системы автоматического контроля
Система автоматического контроля устанавливает соответ- ствие между состоянием объекта контроля и заданной нормой без непосредственного участия человека. Соответствие может уста-
навливаться для данного или для будущего состояния (прогнози- рующий контроль).
Автоконтроль освобождает человека от утомительных рутин- ных операций в самых разнообразных сферах его деятельности: на транспорте, в сельском хозяйстве, при научных исследовани- ях, обучении и т.д.
Необходимым условием осуществления автоконтроля в лю- бом его применении является знание установленной нормы. Норма может быть выражена в количественной или качественной форме.
Функции систем автоконтроля. При автоконтроле, в отли- чие от автоматических измерений, нет необходимости знать чис- ленные значения контролируемых величин, достаточно устано- вить значения абсолютного или относительного допуска на от- клонение от нормы (например, не больше чем на 5, 10, 20% или на 10... 15%).
Отклонение за пределы установленной нормы вызывают пре- дупредительный, аварийный или другие сигналы. Формирование таких сигналов является одной из главных функций авто- контроля.
Система автоматического контроля – это комплекс устройств, осуществляющих автоматический контроль одной или большого количества величин, требующих значительной обра- ботки информации для суждения об отклонении от установлен- ной нормы, например, обработка изделий в результате статисти- ческой отработки результатов контроля.
Промышленные системы автоматического контроля различа- ют в зависимости от того, что в них контролируется: сырье, гото- вая продукция, процесс производства или процесс эксплуатации.
В реальных системах устанавливаемое допустимое отклонение от нормы, например в процентах, во много раз больше погрешно-
стей измерительных систем (5...20% вместо 0,2...2,5%), поэтому информационная емкость систем автоматического контроля соот- ветственно меньше, т. е. по сравнению с измерительными в них имеют место «сжатия» информации. В подавляющем большинстве случаев системы автоматического контроля совмещают функции контроля и измерения, так как являются контрольно- измерительными системами.
Структуры систем контроля. Структурные схемы систем ав- томатического контроля большого количества величин приведе- ны на рис. 6.11.
Д ФС
Н
|
Д1
SW ФС SW
|
Н Н
|
Рис. 6.11. Структурные схемы систем автоматического контроля
с аналоговой нормой: а – с одним коммутатором; б – с двумя коммутаторами
На рис. 6.11 а, б контролируемые величины в норме выража- ются в аналоговой форме. В отличие от рассмотренных ранее си- стем (см. рис. 6.9) здесь на элемент сравнения подается не мера, а норма, кроме того, на выходе сравнивающего устройства вклю- чено устройство формирования сигналов ФС, формирующее сиг- нал отклонения от заданной нормы, который отражается и (или) записывается.
Д1
SW B2
Д n
Н
|
Д1 B1
SW SW
Д n B2
Н
|
Рис. 6.12. Структурная схема многоточечной системы автоматического контроля: а – с одним коммутатором; б – с двумя коммутаторами
Схема на рис. 6.12, а может быть реализована с параллельным или последовательным сбором информации.
В первом случае она выражается в n параллельно работающих каналах автоконтроля с n датчиками, n элементами сравнения, n установками (нормами), n узлами ФС и n устройствами отобра- жения информации. В отличие от этого при последовательном сборе информации на выходе n датчиков и на входе n установок включаются коммутаторы, работающие синхронно и синфазно (рис. 6.12, б).
В системах автоконтроля, реализуемых по схеме на рис. 6.12, норма должна храниться в аналоговой форме, что связано с тех- ническими трудностями. Для устранения этого недостатка хране- ние нормы осуществляется в цифровой форме (магнитная и дру- гая запись), а между устройством хранения нормы и элементом сравнения включается цифроаналоговый преобразователь (рис. 6.13, а).
Возможен и другой вариант хранения нормы в цифровой форме, но с аналого-цифровым преобразователем на выходе дат- чиков и устройством сравнения в цифровой форме, например в виде дешифратора кодов (рис. 6.13, б).
Системы автоматического контроля часто выполняют допол- нительные функции, не имеющие прямого отношения к авто- контролю. К ним относятся:
· промежуточные преобразования сигналов;
· формирование тестовых (испытательных) сигналов;
· операция счета (изделий и т.п.);
· измерения (аналоговые или цифровые);
· математическая обработка результатов контроля для прогно- зирования и выполнения других операций;
· диагностические функции.
|
|
а
|
Н
|
Рис. 6.13. Структурные схемы систем автоматического контроля с включением цифроаналогового (а) и аналого-цифрового (б)
преобразователей
6.9. Системы технической диагностики
Автоматический поиск и локализация неисправностей (техни- ческая диагностика) относятся к автоконтролю, так как при этом устанавливается представление между состоянием объекта кон- троля и заданной нормой. Однако в рассмотренных ранее систе- мах автоконтроля устанавливался только факт работоспособного и неработоспособного состояний (параметры в норме или за гра- ницами нормы).
В системах технической диагностики ставится более сложная задача: не только установление факта работоспособности, но и нахождение местоположения отказа (локализация неисправно- стей). Это достигается специальными методами и способами поиска неисправностей, реализующимися алгоритмами диагно- стики.
Восстановление отказавшей системы или устройства в резуль- тате нахождения места повреждений достигается в современной аппаратуре заменой отказавшего модуля работоспособным. Раз- деление на типовые модули упрощает поиск неисправностей и эксплуатацию аппаратуры.
Общее число возможных состояний объекта контроля при разделении его на N функциональных элементов для принятых условий поиска:
S= 2N-l.
Определение такого большого числа состояний даже при N >7 связано с техническими трудностями. Поэтому ограничиваются предположением, что отказал только один из N функциональных элементов, т.е. ограничиваются одиночными отказами, число ко- торых:
Функциональные модели являются удобной формой пред- ставления объекта контроля для поиска неисправностей во мно- гих аналоговых и дискретных устройствах, за исключением, например, резервированных систем. В последнем случае исполь- зуется логическая модель объекта контроля, которая строится также на основе структурной схемы. Отличие заключается в том, что входные и выходные сигналы рассматриваются как логиче- ские переменные, принимающие только два возможных значе- ния: 0 и 1.
Cостояния объекта контроля определяются путем формально- го применения алгебры логики.
Для поиска неисправностей применяются методы: последова- тельный, комбинационный и различные сочетания последова- тельно-комбинационного метода, в соответствии с которыми раз- рабатывается программа поиска.
Последовательный метод. Последовательный метод заклю- чается в таком построении процедуры поиска неисправностей, при котором информация о состоянии отдельных функциональ- ных элементов вводится и логически обрабатывается последова- тельно. Реализация метода заключается в основном в определе- нии очередности контроля выходных параметров функциональ- ных элементов. Программа поиска при этом может быть жесткой или гибкой.
По жесткой программе контроль выходных параметров функ- циональных элементов осуществляется в заранее определенной последовательности. В отличие от этого по гибкой программе содержание и порядок последующих проверок зависят от преды- дущих результатов. Такая программа требует более сложной ло- гической обработки результатов контроля и применяется в ком- плексе с более производительными ЭВМ.
Системы для автоматического поиска неисправностей от- носят к отдельному классу систем технической диагностики, т. е. они отличаются более сложной логической частью, реализующей способы поиска неисправностей. Включение датчиков и структу- ра системы технической диагностики в остальном существенно не отличаются от систем автоконтроля или от измерительных систем.
Рассмотрим способы поиска и локализации неисправностей. Прежде всего для автоматического поиска неисправностей си- стемы или устройства должны обладать следующими свойствами (условиями для поиска):
· могут находиться только в двух взаимоисключающих раз- личных состояниях: работоспособном и неработоспособном (1 или 0);
· могут быть разделены на отдельные функциональные эле- менты, каждый из которых может одновременно находиться только в работоспособном или неработоспособном состоянии (1 или 0).
В связи с неограниченным разнообразием подлежащих диа- гностике устройств задачи автоматического поиска неисправно- стей можно решить только путем составления их упрощенных моделей и разработки методов диагностики на модели. Наиболее часто устройства представляют в виде функциональной или функционально-логической модели. Функциональная модель объекта контроля может отличаться от структурной схемы выбо- ром функциональных узлов и элементов. Так, при построении обычной структурной схемы исходят из закономерностей про- цессов, описывающих работу устройства. При построении функ- циональной модели для поиска неисправностей выбор функцио- нальных элементов (узлов) определяется точностью локализации неисправностей (например, с точностью до одного модуля).
Функциональная модель строится при определенных предпо- ложениях, которые в основном сводятся к тому, что для каждого функционального элемента заданы номинальные значения вход- ных и выходных сигналов, их функциональная зависимость и способ контроля. Функциональный элемент считается неисправ- ным, если при его номинальных входных сигналах выходные сигналы отличаются от номинальных.
Комбинационный метод. Данный метод требует более слож- ной обработки, так как вначале вводятся все результаты контроля параметров, а затем они логически обрабатываются.
Для реальных систем возможно большое разнообразие про- грамм поиска неисправностей, требуются большой объем ис- ходной информации о состоянии объектов контроля и сложная логическая обработка результатов контроля. Поэтому разрабо- таны приближенные способы построения оптимальных про- грамм поиска неисправностей. Эти программы в основном представляют собой многошаговый процесс поиска с выбором на каждом шаге лучшего варианта по экстремуму заданной функции предпочтения.
Перечислим некоторые распространенные способы построе- ния программ поиска неисправностей:
· способ последовательного функционального анализа;
· половинного разбиения;
· «время–вероятность»;
· с применением информационного контроля;
· построения программ методом ветвей и границ;
· построения программы поиска по иерархическому принципу;
· инженерный.
Способ последовательного функционального анализа был од- ним из первых способов построения программ поиска неисправ- ностей. Прежде всего при этом способе определяются основные
функции: генерирования сигналов на выходе устройства; приема и преобразования сигналов; отображения сигналов; управления; электропитания и др. Выполнение этих функций позволяет счи- тать, что и все устройство выполняет поставленные перед ним задачи.
Контроль работоспособности всего устройства зависит от контроля за выполнением всех перечисленных функций. Для это- го выбирают и контролируют параметры, от которых зависит вы- полнение основных функций. И если одна из перечисленных функций не выполняется по одному из контролируемых парамет- ров, возникает задача поиска неисправностей. При этом пара- метр, вышедший за границы допусков, рассматривается как функция других аргументов. Схему поиска неисправностей назы- вают деревом функций.
6.10. Системы распознавания образов
Распознавание образов применяется для автоматического рас- познавания печатных, рукописных и фотографированных знаков, текстов, рисунков и схем; для распознавания звуков речи, ко- манд, передаваемых голосом; для выявления некоторых ситуаций в сложных технических комплексах, таких как критическое или аварийное состояние и т.д.
Главными целями распознавания образов являются расшире- ние возможностей общения человека с машиной и расширение возможностей автоматизации путем освобождения человека- операт
|
|
|
