Реферат: Автоматизированные измерительные и диагностические комплексы, системы

При использовании в устройствах ЭВМ одновременно со считыванием координат осуществляют обработку графических изображений по задан­ной программе.

Голографические ИС (ГИС). Основу датчиков составляют лазеры, представляющие собой когерентные источники света, когерентная опти­ка и оптоэлектронные преобразователи. Голографические измерительные системы отличаются высокой чув­ствительностью и повышенной точностью, что послужило основой широ­кого их применения в голографической интерферометрии. Голографическая интерферометрия обеспечивает бесконтактное измерение и одно­временное получение информации от множества точек наблюдаемой по­верхности с использованием меры измерения — длины световой волны, известной с высокой метрологической точностью.

Выполнение условий минимальной сложности ИС приводит к необ­ходимости последовательного многократного использования отдельных устройств измерительного тракта, а следовательно, к применению ИС параллельно-последовательного действия, которые носят название многоточечных ИС. Работа таких ИС основана на принципе квантования измеряе­мых непрерывных величин по времени.

Измерительные системы с общей образцовой величиной — мультипли­цированные развертывающие измерительные системы — содержат мно­жество параллельных каналов. Структура системы включает датчики и устройство сравнения (одно для каждого канала измерения), источник образцовой величины и одно или несколько устройств представления из­мерительной информации. Мультиплицированные развертывающие изме­рительные системы позволяют в течение цикла изменения образцовой величины (развертки) выполнять измерение значений, однородных по физической природе измеряемых величин, без применения коммутацион­ных элементов в канале измерения. Такие ИС имеют меньшее количество элементов по сравнению с ИС параллельного действия и могут обеспечить практически такое же быстродействие.

Статистические измерительные системы. Статистический анализ слу­чайных величин и процессов широко распространен во многих отраслях науки и техники. При статистическом анализе используются законы рас­пределения вероятностей и моментные характеристики, а также корреля­ционные спектральные функции.

Системы для измерения законов распределения вероятностей слу­чайных процессов - анализаторы вероятностей - могут быть одно- и много­канальными.

Одноканальные анализаторы вероятностей за цикл анализа реализации x(t) позволяют получить одно дискретное значение функции или плот­ности распределения исследуемого случайного процесса.

Многоканальные анализаторы позволяют получать законы распреде­ления амплитуд импульсов и интервалов времени между ними, амплитуд непрерывных временных и распределенных в пространстве случайных процессов и др. Многоканальные анализаторы широко используются в ядерной физике, биологии, геофизике, в химическом и металлургическом производствах. При этом используются аналоговые, цифровые и смешан­ные принципы построения анализаторов.

Существует два основных метода построения корреляционных изме­рительных систем. Первый из них связан с измерением коэффициентов корреляции и последующим восстановлением всей корреляционной функ­ции, второй - с измерением коэффициентов многочленов, аппроксими­рующих корреляционную функцию.

По каждому из этих методов система может действовать последова­тельно, параллельно, работать с аналоговыми или кодоимпульсными сиг­налами и в реальном времени.

Значительный класс статистических ИС - корреляционные экстремаль­ные ИС — основан на использовании особой точки — экстремума корре­ляционной функции при нулевом значении аргумента. Корреляционные экстремальные ИС широко применяются в навигации, радиолокации, металлообрабатывающей, химической промышленности и в других об­ластях для измерения параметров движения разнообразных объектов.

Выделение сигналов на фоне шумов, измерение параметров движе­ния, распознавание образов, идентификация, техническая и медицинская диагностика - это неполный перечень областей практического приме­нения методов и средств корреляционного анализа. В настоящее время подавляющий объем статистического анализа выполняется корреляцион­ными ИС, содержащими ЭВМ, либо отдельными устройствами со сред­ствами микропроцессорной техники.

Системы спектрального анализа предназначены для количественной оценки спектральных характеристик измеряемых величин. Существую­щие методы спектрального анализа основываются на применении частот­ных фильтров или на использовании ортогональных преобразований слу­чайного процесса и преобразований Фурье над известной корреляционной функцией.

Различают параллельный фильтровый анализ (полосовые избиратель­ные фильтры-резонаторы), последовательный фильтровый анализ (пере­страиваемые фильтры и гетеродинные анализаторы), последовательно-параллельный анализ.

Достоинства бесфильтровых анализаторов, основанных на определе­нии коэффициентов ряда Фурье, связаны с получением высокой разре­шающей способности, что позволяет их использовать для детального ана­лиза определенных участков спектра.

Системы для раздельного измерения взаимосвязанных величин при­меняются в следующих случаях:

·     исследуемое явление или объект характеризуется множеством неза­висимых друг от друга величин и при нали­чии селективных датчиков можно осуществить измерение всех значений

·     при независимых, но не селективных датчиках, сигналы на вы­ходе которых содержат составляющие от нескольких величин, встает задача выделения каждой измеряемой величины;

·     если элементы связаны между собой, то также необходимо осуществить раздельное измерение величин х.

Наиболее типичные задачи взаимно связанных измерений - измерение концентрации составляющих многокомпонентных жидких, газовых или твердых смесей или параметров компонентов сложных элек­тронных цепей без гальванического расчленения.

При раздельном измерении взаимосвязанных величин осуществляется воздействие на многокомпонентное соединение в целях селекции и измере­ния нужного компонента. Для механических и химических соединений существуют различные методики и средства такого раздельного измерения: масс-спектрометрия, хроматография, люминесцентный анализ и др.

Системы, измеряющие коэффициенты приближающих многочленов, называются аппроксимирующими (АИС) и предназначены для количест­венного описания величин, являющихся функциями времени, простран­ства или другого аргумента, а также их обобщающих параметров, опреде­ляемых видом приближающего многочлена.

Информационные операции в АИС выполняются последовательным, параллельным или смешанным способом. АИС реализуются с разомкнутой или замкнутой информационной обратной связью, в виде аналоговых или цифровых устройств.

При создании и использовании АИС выбирают тип приближающего многочлена и с учетом заданной погрешности аппроксимации определяют порядок функции.

Реализация задач АИС требует знания априорных сведений об исход­ной функции, учета метрологических требований к измерениям и др. При этом в качестве базисных функций могут быть выбраны ряды Фурье, разложения Фурье-Уолша, Фурье-Хаара, многочлены Чебышева, Лагранжа, Лежандра, Лагерра и др.

К основным областям применения АИС относятся измерение статис­тических характеристик случайных процессов и характеристик нелиней­ных объектов, сжатие радиотелеметрической информации и информации при анализе изображений, фильтрация-восстановление функций, генерация сигналов заданной формы.

Системы автоматического контроля (САК). Системы автоматичес­кого контроля предназначены для контроля технологических процессов, при этом характер поведения и параметры их известны. В этом случае объ­ект контроля рассматривается как детерминированный.

Эти системы осуществляют контроль соотношения между текущим (измеренным) состоянием объекта и установленной "нормой поведения" по известной математической модели объекта. По результатам обработки полученной информации выдается суждение о состоянии объектов конт­роля. Таким образом, задачей САК является отнесение объекта к одному из возможных качественных состояний, а не получение количественной информации об объекте, что характерно для ИС.

В САК благодаря переходу от измерения абсолютных величин к от­носительным (в процентах "нормального" значения) эффективность ра­боты значительно повышается. Оператор САК при таком способе коли­чественной оценки получает информацию в единицах, непосредственно характеризующих уровень опасности в поведении контролируемого объ­екта (процесса).

Как правило, САК имеют обратную связь, используемую для воздей­ствия на объект контроля. В них внешняя память имеет значительно мень­ший объем, чем объем памяти ИС, так как обработка и представление информации ведутся в реальном ритме контроля объекта.

Объем априорной информации об объекте контроля в отличие от ИС достаточен для составления алгоритма контроля и функционирова­ния самой САК, предусматривающего выполнение операций по обработ­ке информации. Алгоритм функционирования САК определяется пара­метрами объекта контроля. Например, существуют параметры, кратко­временное отклонение которых от "нормального" значения может по­влечь за собой возникновение аварийной ситуации; кратковременное от­клонение других параметров существенно не влияет на нормальный ход процесса и поведение объекта; третья группа параметров используется для расчета технико-экономических показателей (расход сырья, выход основ­ного продукта и т. д.).

По сравнению с ИС эксплуатационные параметры САК более высокие: длительность непрерывной работы, устойчивость и воздействие промыш­ленных помех, климатические и механические воздействия.

В настоящее время в основу классификации САК положена общая классификация ИИС с учетом специфики функций, выполняемых САК.

Системы автоматического контроля могут быть встроенные в объект контроля и внешние по отношению к нему. Первые преимущественно при­меняются в сложном радиоэлектронном оборудовании и входят в комп­лект такого оборудования. Вторые обычно более универсальны.

Системы технической диагностики (СТД). Они относятся к классу ИИС, так как здесь обязательно предполагается выполнение измеритель­ных преобразований, совокупность которых составляет базу для логичес­кой процедуры диагноза. Цель диагностики - определение класса состоя­ний, к которому принадлежит состояние обследуемого объекта.

Диагностику следует рассматривать как совокупность множества возможных состояний объекта, множества сигналов, несущих информа­цию о состоянии объекта, и алгоритмы их сопоставления.

Объектами технической диагностики являются технические системы. Элементы любого технического объекта обычно могут находиться в двух состояниях: работоспособном и неработоспособном. Поэтому задачей систем технической диагностики СТД является определение работоспособ­ности элемента и локализация неисправностей.

Основные этапы реализации СТД:

·     выделение состояний элементов объекта диагностики контролируемых величин, сбор необходимых статистических данных, оценка затрат труда на проверку;

·     построение математической модели объекта и разработка програм­мы проверки объекта;

·     построение структуры диагностической системы.

Элементы объекта диагноза, как правило, недоступны для непосред­ственного наблюдения, что вызывает необходимость проведения проце­дуры диагноза без разрушения объекта. В силу этого в СТД преимуществен­но применяются косвенные методы измерения и контроля.

В отличие от ИС и САК система технической диагностики имеет иную организацию элементов структуры и другой набор используемых во вход­ных цепях устройств и преобразователей информации. Входящий в состав структуры СТД набор средств обработки, анализа и представления информации может оказаться значительно более развитым, чем в ИС и САК. В СТД определение состояния объекта осуществляется программными средствами диагностики. При поиске применяется комбинационный или последовательный метод.

При комбинационном поиске выполняется заданное число проверок независимо от порядка их осуществления. Последовательный поиск свя­зан с анализом результатов каждой проверки и принятием решения на проведение последующей проверки. Системы технической диагностики подразделяют на специализированные и универсальные.

По целевому назначению различают диагностические и прогнозирую­щие СТД. Диагностические системы предназначены для установления точного диагноза, т. е. для обнаружения факта неисправности и локали­зации места неисправности. Прогнозирующие СТД по результатам про­верки в предыдущие моменты времени предсказывают поведение объекта в будущем.

По виду используемых сигналов СТД подразделяют на аналоговые и кодовые. По характеру диагностики или прогнозирования различают статистические и детерминированные СТД. При статистической оценке объекта решение выносится на основании ряда измерений или проверок сигналов, характеризующих объект. В детерминированной СТД пара­метры измерения реального объекта сравниваются с параметрами образцовой системы (в СТД должны храниться образцовые параметры прове­ряемых узлов). Системы технической диагностики подразделяют также на автоматические и полуавтоматические, а по воздействию на проверяе­мые объекты они могут быть пассивными и активными. В пассивной СТД результат диагностики представляется на световом табло либо в виде ре­гистрационного документа, т. е. результатом проверки является только сообщение о неисправности. При активной проверке СТД автоматически подключает резерв или осуществляет регулирование параметров отдельных элементов. Конструктивно СТД подразделяют на автономные и встроенные (или внешние и внутренние).

Системы распознавания образов (СРО). Предназначены для опреде­ления степени соответствия между исследуемым объектом и эталонным образом.

Для задач классификации биологических объектов и дактилоскопи­ческих снимков, опознавания радиосигналов и других создаются специаль­ные системы распознавания образов. Эти системы осуществляют  распознавание образов через количественное описание признаков, характеризую­щих данный объект исследования.

Процесс распознавания реализуется комбинацией устройств обработ­ки и сравнения обработанного изображения (описания образа) с эталон­ным образом, находящимся в устройстве памяти. Распознавание осущест­вляется по определенному, заранее выбранному, решающему правилу. При абсолютном описании образа изображение восстанавливается с задан­ной точностью, а относительное описание с набором значений отличитель­ных признаков (например, спектральных характеристик), не обеспечивая полное воспроизведение изображения.

Как пример СРО можно привести голографические распознающие системы (PC). В этих системах распознавание изображений осуществля­ется с относительно высокой скоростью (от 103 до 106 изображений в секунду благодаря параллельному анализу голограмм). Голографические PC нашли широкое применение при поиске химических элементов по спектрам их поглощения и в навигации при определении положения объ­екта по наземным ориентирам. В голографических PC удачно сочетаются высокая производительность оптических методов сбора и обработка инфор­мации с логическими и вычислительными возможностями ЭВМ.

Телеизмерительные информационные системы (ТИИС). Они отлича­ются от ранее рассмотренных в основном длиной канала связи. Канал связи является наиболее дорогой и наименее надежной частью этих сис­тем, поэтому для ТИИС резко возрастает значение таких вопросов, как надежность передачи информации.

Телеизмерительные ИИС могут быть одно- или многоканальными. Они предназначаются для измерения параметров сосредоточенных и рассредоточенных объектов. В зависимости от того, какой параметр несущего сигнала используется для передачи информации, можно выделить ТИИС:

·     интенсивности, в   которых  несущим параметром является значение тока или напряжения;

·     частотные (частотно-импульсные), в которых измеряемый параметр меняет частоту синусоидальных колебаний или частоту следования им­пульсов;

·     времяимпульсные, в которых несущим параметром является дли­тельность импульсов; к ним же относятся фазовые системы, в которых измеряемый параметр меняет фазу синусоидального сигнала или сдвиг во времени между двумя импульсами;

·     кодовые (кодоимпульсные), в которых измеряемая величина переда­ется какими-либо кодовыми комбинациями.

Системы интенсивности подразделяются на системы тока и системы напряжения в зависимости от того, какой вид сигнала используется для информации. Этим системам присущи сравнительно большие погреш­ности, и они используются при передаче информации на незначительное расстояние.

Частотные ТИИС имеют большие возможности, поскольку в них прак­тически отсутствуют погрешности, обусловленные влиянием линий связи, и возрастает дальность передачи информации по сравнению с системами интенсивности.

Время-импульсные системы по длительности применяемых для пере­дачи импульсов подразделяют на две группы: системы с большим перио­дом (от 5 до 50 с) и системы с малым периодом (менее десятых долей секунды).

Длиннопериодные системы применяются в основном для измерения медленно меняющихся неэлектрических величин (уровень жидкости, давление газов и др.).

Короткопериодные системы имеют большое быстродействие. Для передачи коротких импульсов требуется большая полоса частот, пропус­каемых каналом связи. В силу этого такие системы с проводными лини­ями связи (ЛС) используются редко.

В последнее время получили широкое развитие адаптивные ТИИС, в которых алгоритмы работы учитывают изменение измеряемой величи­ны или окружающих условий (воздействий).

Основная цель применения адаптивных ТИИС состоит в исключении избыточности выдаваемой системой измерительной информации и в со­хранении или оптимизации метрологических характеристик (помехоус­тойчивости, быстродействия, погрешностей) при изменении условий из­мерительного эксперимента.

В адаптивных ТИИС используются алгоритмы адаптивной дискрети­зации и могут быть использованы алгоритмы адаптивной аппроксимации.

Обобщенная структура ИИС

Рассмотренные выше измерительные информационные системы пока­зывают, что почти для каждого типа ИИС используется цепочка из аппарат­ных модулей (измерительных, управляющих, интерфейсных, обрабатываю­щих). Таким образом, обобщенная структурная схема ИИС содержит:

·     множество различных первичных измерительных преобразователей, размещенных в определенных точках пространства стационарно или перемещающихся в пространстве по определенному закону;

·     множество измерительных преобразователей, которое может состо­ять из преобразователей аналоговых сигналов, коммутаторов аналоговых сигналов, аналоговых вычислительных устройств, аналоговых устройств памяти, устройств сравнения аналоговых сигналов, аналоговых каналов связи, аналоговых показывающих и регистрирующих измерительных приборов;

·     группу  аналого-цифровых преобразователей, а также аналоговых устройств допускового контроля;

·     множество цифровых устройств, содержащее формирователи им­пульсов, преобразователи кодов, коммутаторы, специализированные цифровые вычислительные устройства, устройство памяти, устройство сравнения кодов, каналы цифровой связи, универсальные программируе­мые вычислительные устройства - микропроцессоры, микроЭВМ и др.;

·     группу цифровых устройств вывода, отображения и регистрации, которая содержит формирователи кодоимпульсных сигналов, печатающие устройства записи на перфоленту и считывания с перфоленты, накопите­ли информации на магнитной ленте, на магнитных дисках и на гибких магнитных дисках, дисплеи, сигнализаторы, цифровые индикаторы;

·     множество цифроаналоговых преобразователей;

·     указанные функциональные блоки соединяются между собой через стандартные интерфейсы или устанавливаются жесткие связи;

·     интерфейсные устройства (ИФУ), содержащие системы шин, интер­фейсные узлы  и интерфейсные устройства аналоговых блоков, служа­щие главным образом для приема командных сигналов и передачи ин­формации о состоянии блоков. Например, через интерфейсные устрой­ства могут передаваться команды на изменение режима работы, на под­ключение заданной цепи с помощью коммутатора;

·     устройство управления, формирующее командную информацию, принимающее информацию от функциональных блоков и подающее ко­манды на исполнительные устройства для формирования воздействия на объект исследования (ОИ).

Однако не для всякой ИИС требуется присутствие всех блоков. Для каждой конкретной системы количество блоков, состав функций и связи между блоками устанавливаются услови­ями проектирования.

ИНТЕРФЕЙСЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Общие понятия и определения

В настоящее время ИИС находят все более широкое применение в различных областях науки и техники. Они применяются в качестве компонентов сложных информационно-вычислительных комплексов и систем автоматизации. Особенно важную роль играют автоматические ИИС, ис­пользующие ЭВМ для программного управления работой системы.

Возросшие объемы проводимых измерений привели к широкому использованию программно-управляемых СИ. При этом возросшие требо­вания к характеристикам СИ оказали существенное влияние на методы сопряжения устройств, образующих ИИС.

Информационно-измерительные системы содержат ряд подсистем: измерительную, сбора, преобразования, предварительной обработки данных и подсистемы управления СИ в целом. Все подсистемы в ИИС соединены между собой в единую систему. Кроме того, ИИС в настоящее время проек­тируют на основе агрегатного (модульного) принципа, по которому уст­ройства, образующие систему, выполняются в виде отдельных, самостоя­тельных изделий (приборов, блоков). В составе ИИС эти устройства выпол­няют определенные операции и взаимодействуют друг с другом, переда­вая информационные и управляющие сигналы через систему сопряжения.

Для унифицированных систем сопряжения между устройствами, участ­вующими в обмене информации, стал общепринятым термин интерфейс (interface). Под интерфейсом (или сопряжением) понимают совокуп­ность схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов ИИС (ГОСТ 15971—74). Устройства подсоединяются к системе сопряжения и объединяются в ИИС по опреде­ленным правилам, относящимся к физической реализации сопряжении. Конструктивное исполнение этих устройств, характеристики вырабатывае­мых и принимаемых блоками сигналов и последовательности выдавае­мых сигналов во времени позволяют упорядочить обмен информацией между отдельными функциональными блоками (ФБ).

Под интерфейсной системой понимают совокупность логических уст­ройств, объединенных унифицированным набором связей и предназначен­ных для обеспечения информационной, электрической и конструктивной совместимости. Интерфейсная система также реализует алгоритмы взаи­модействия функциональных модулей в соответствии с установленными нормами и правилами.

Возможны два подхода к организации взаимодействия элементов системы и построению материальных связей между ними:

жесткая унификация и стандартизация входных и выходных пара­метров элементов системы;

использование функциональных блоков с адаптивными характерис­тиками по входам-выходам.

На практике часто сочетают оба подхода. Стандартизация интерфей­сов позволяет:

·     проектировать ИИС различных конфигураций;

·     значительно сократить число типов СИ и их устройств сопряжения;

·     ускорить и упростить разработку отдельных СИ и ИИС в целом;

·     упростить техническое обслуживание и модернизацию ИИС;

·     повысить надежность ИИС.

Применение развитых стандартных интерфейсов при организации ИИС позволяет обеспечить быструю компоновку системы и разработку программ управления СИ.

Основной структурной единицей ИИС является функциональный блок ФБ, который представляет собой один или несколько объединенных и взаимодействующих между собой измерительных преобразователей. Взаимодействие ФБ осуществляется через интерфейсные блоки ИБ по командам, организующим обмен данными. Команды управления форми­руются в управляющем блоке УБ и воздействуют на интерфейсные блоки через контроллер (К).

Страницы: 1, 2, 3