Принципы и алгоритмы информационных измерительных систем

Принципы и алгоритмы информационных измерительных систем

Информационные измерительные системы

ИИС - совокупность функционально объединённых измерительных, вычислительных, и др. вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, её преобразования, обработку с целью представления потребителю (В том числе ввода в АСУ) в требуемом виде, либо автоматического осуществления логических функций измерения, контроля, диагностирования, идентификации.

Информационным называется процесс, возникающий при установлении связи между источником и её приёмником. К основным процессам при этом относятся:

обнаружение и счёт;

измерение и контроль;

сбор и распределение;

распознавание и диагностика;

передача и хранение;

обобщение и отражение.

Виды и структуры ИИС

В зависимости от выполняемых функций ИИС реализуется в виде следующих систем:

1. Измерительные системы (ИС);

2. Системы автоматического контроля (САК);

3. Системы технической диагностики (СТД);

4. Системы распознавания образов (СРО);

5. Телеизмерительные системы (ТИС).

В зависимости от способа организации передачи информации между функционирующими блоками различают цепочечную, радиальную и магистральную структуры ИИС.

Любая ИИС с необходимыми возможностями, её технические и др. характеристики в решающей степени определяются объектом исследования, для которого данная система создаётся.

Назначение ИИС можно определить как целенаправленное оптимальное ведение измерительного процесса и обеспечение смежных систем высшего уровня достоверной информацией. Степень достижения функций ИИС принято характеризовать с помощью критериев измерения: точность, помехоустойчивость, надёжность, пропускная способность, экономичность, сложность, адаптивность и т.д.

Надёжность понятие

Надёжность - свойство изделия выполнять заданные функции или сохранять свои эксплуатационные показатели в заданном пределе технически требуемого промежутка времени.

Надёжность технических средств АС определяется следующими составляющими:

1. безотказностью;

2. ремонтопригодностью;

3. долговечностью;

4. сохраняемостью.

В надёжности используется понятия «отказ» и «наработка».

Отказ - неисправность, без устранения которой невозможно дальнейшее выполнение изделием всех или хотя бы одной из своих функций.

Наработка - продолжительность работы изделия.

Безотказность - свойство технических средств непрерывно сохранять свою работоспособность в течение некоторого времени и являющееся наиболее важной составляющей надёжности технических средств.

Ремонтопригодность - характеризует приспособленность технических средств к предупреждению, обнаружению и устранению последствий отказов путём проведения ТО и ремонта.

Долговечность - свойство технических средств сохранять работоспособность с необходимыми перерывами на ТО и ремонт до некоторого предельного состояния.

Сохраняемость - свойство технических средств сохранять эксплуатационные показатели в течение срока хранения и после этого срока и транспортировки.

АС. Фун-ции, задачи, алгоритм функ-ния и научно-тех ур-нь АС

АС - представляет собой организационную техническую систему, обеспечивающую вывод решения, на основе автоматизации информационных процессов в различных сферах деятельности и их сочетаний (управление, проектирование, производстве и т.д.). Функции АС - совместимость действий АС, представляющая собой направленное достижение определенной цели. Задача АС - функция или часть, представляющая собой формализованную совместимость автоматизированных действий выполнение которых приводит к результатам заданного уровня. Алгоритм функционирования АС - алгоритм задающий условия и последовательность действий компонентов АС при выполнении своих функций. Научно-технический уровень АС - показатель характеризующий степень соответствия технических и экономических характеристик АС с современным достижением науки и техники.

Основные компоненты ИИС

Состав и структура конкретной ИИС определяются общими техническими требованиями, установленными ГОСТами и частными требованиями, содержащимися в ТЗ на её создание. Информационные системы должны управлять измерительным процессом или экспериментом в соответствии с принятым критерием функционирования, выполнять возложенные на неё функции в соответствии с назначением и целью, обладать требуемыми показателями и характеристиками, быть приспособленной к функционированию с др. системой, допускать возможность дальнейшей модернизации и т.д.

Процессом функционирования ИИС является преобразование входной информации в выходную.

Математическое обеспечение - модели и вычислительные алгоритмы.

Программное обеспечение - гарантирует конкретную реализацию вычислительных алгоритмов и алгоритмов функционирования системы, а также охватывает круг решений, связанных с разработкой и эксплуатацией программ. Информационное обеспечение определяет способы и конкретные формы информационного отображения состояния объекта исследования в виде форм, документов, диаграмм, графиков, сигналов для представления обслуживающему персоналу и ЭВМ для дальнейшего использования в управлении.

Технические средства ИИС состоят из следующих блоков:

1. Множество первичных измерительных преобразователей (датчиков).

2. Множество вторичных измерительных преобразователей.

3. Множество элементов сравнения (мер).

4. Блока цифровых устройств.

5. Множество элементов описания (нормы).

6. Множество преобразователей сигнала, средств отображения, памяти и т.д.

Блоки технических средств 1-6 используются в цифровых измерительных системах, а в аналоговых информационных системах используются только 1, 2, 3 и 6 блоки.

Математические модели и алгоритмы для измерения ИИС

Математическая модель объекта измерений включает описание взаимодействия между переменами входа и выхода для установившегося и переходного состояния, т.е. модели статики и динамики, граничные условия и допустимое измерение переменных процессов. Если переменные объекты изменяются только во времени, то модели, описывающие свойства таких объектов, называются моделями с сосредоточенными параметрами.

Если переменные объекты изменяются как во времени, так и в пространстве, то они называются моделями с распределёнными параметрами.

Различают три основных метода получения математических моделей объектов исследования:

1. Аналитический.

2. Экспериментальный.

3. Экспериментально-аналитический.

В последние годы при создании ИИС широко используется математическое моделирование, реализующее цепочку:

- «объект» - «модель» - «вычислительный алгоритм» - «программа на ЭВМ» - «анализ результатов расчёта» - «управление объектом исследования».

Ядро вычислительного эксперимента - модель - алгоритм - программа калибрует и нормирует оптимальную модель объекта исследования.

Датчики

Датчики (первичные преобразователи) - основные средства измерений, преобразующие измерительную или контролируемую физическую величину (давление, усилие и т.д.) в выходной, обычно электрический сигнал, предназначенный для дальнейшей регистрации, обработки и передачи к исполнительному механизму.

Классификация датчиков

1. По назначению: силовые, скоростные, температурные и т.д.

Основные типы датчиков системы управления и контроля

2. По принципу действия:

- механические;

- электрические;

- тепловые;

- акустические;

- оптические;

- радиоактивные

3. По способу преобразования неэлектрических величин в электрические:

- активные (генераторные);

- пассивные (параметрические).

В генераторных датчиках энергия входящего сигнала преобразуется (без участия вспомогательных источников энергии) в энергию выходящего сигнала (ток, напряжение, эл. разряд).

При этом схема включения параметрических датчиков всегда имеет внешний источник питания.

4. По конструкции и принципу действия чувствительного элемента датчика:

- контактные;

- бесконтактные.

При этом в контактных датчиках чувствительный элемент взаимодействует непосредственно с контролируемым объектом, а в бесконтактных это взаимодействие отсутствует (фотодатчики, ультразвуковые и т.д.).

Показатели надёжности неремонтируемых изделий (невосстанавливаемых)

1. Вероятность безотказной работы - вероятность того, что в пределах определённого времени не произойдёт ни одного отказа. Определяется формулой:

,

где N(t) - количество исправных изделий в конце промежутка времени;

N0 - количество работавших изделий в начале промежутка времени.

2. Интенсивность отказа - вероятность отказа неремонтируемого изделия в единицу времени, отнесённое к среднему числу изделий, исправно работающих в данный отрезок времени:

,

где n(?t) - число изделий отказавших за время ?t;

Nср - среднее число изделий, исправно работающих в начале и в конце интервала ?t;

?t - промежуток времени, следующий после t, на котором определяется интенсивность отказа.

3. Средняя наработка до первого отказа - среднее значение наработки изделия в партии до первого отказа.

,

где Тi - время работы i-го изделия до первого отказа;

N0 - число испытываемых изделий.

Микропроцессор

Микропроцессор - законченная вычислительная система, интегрирующая память на кристалл ЭВМ; предназначена для обработки информации и управления этим процессом. Микропроцессор выполняется на основе одной или нескольких БИС (больших интегральных схем).

Устройство реализуется на кристалле площадью не более 4-6 см2.

АЛУ предназначена для выполнения арифметических и логических операций над данными в виде двоичных чисел. Данные, с которыми производятся операции называются операндами. Обычно в операции участвуют 2 операнда, один из которых находится в специальном регистре-аккумуляторе, а другой в регистрах РЗУ или в памяти микропроцессора.

УУ предназначено для выработки сигналов управления, обеспечивающих работу блоков микропроцессора. В состав УУ входит регистр команд ПК, в котором фиксируется выполняемая в данный момент команда.

РЗУ содержит несколько регистров общего назначения (РОН) и, в частности, счётчика команд СК, в котором фиксируется количество команд.

Команды, обеспечивающие реализацию заданного алгоритма обработки информации, образуют программу и выполняются в пошаговом режиме в строго записанной последовательности.

Каждая команда программы содержит информацию о том, что нужно делать, с какими командами, куда поместить результат операции (ШД, ША, ШУ).

Команды, адреса и операнды микропроцессора вызываются двоичными многоразрядными числами, представленными, как и во всех цифровых устройствах, комбинацией двух уровней напряжения.

Современный микропроцессор оперирует 8-, 16-разрядными числами. Программы могут быть записаны двумя способами:

1. Непосредственно в виде двоичных чисел;

2. При помощи языков программирования.

Техническое, математическое и метрологическое обеспечение АИИиК

Эталон - средство измерения, обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы с целью передачи её размера нижестоящим средствам измерений по поверочной схеме.

Метрологическое обеспечение предусматривает процедуры оценки метрологических характеристик, ускоренной самопроверки на основе соответствующих образцов и технических средств, алгоритмов и программ.

В широком смысле метрологическое обеспечение включает СИИ и К, теорию и методы измерений, испытаний, контроля, теорию и методы обеспечения точности средств измерений, методы и средства обеспечения достоверного контроля параметров и характеристик технических устройств, организационно-технические вопросы обеспечения единства и точности измерений, включая НТД.

Алгоритмы предусматривают выполнение процедур измерения физических величин, обработки результатов, реализации экспериментов и т.д.

Программы обеспечивают функционирование устройств АИИиК, в них содержаться инструкции по самоориентации комплексов и самоконтролю их блоков, а также подпрограмм для выполнения типовых процедур и решения типовых задач.

Измерительное средство - техническое устройство, используемое, используемое при измерении и имеющее нормированные метрологические характеристики (меры, измерительные приборы, установки, комплексы, системы).

Вычислительные устройства - совокупность функционально взаимосвязанных средств, обеспечивающих измерение, сбор, вычислительную обработку и распределение измерительной информации а системе управления промышленными предприятиями и объектами. В качестве вычислительных средств при АИИиК могут быть использованы: аналоговые, цифровые, гибридные вычислительные устройства, микро- и миниЭВМ.

В общем случае, используемые вычислительные средства обеспечивают автоматизацию процедур с момента начала измерения сигналов, поступающих в измерительный канал от датчика физических величин, до момента принятия решения об истинности результатов измерения.

Страницы: 1, 2