Конспект лекцій для студентів базового напрямку 0913 " Метрологія та вимірювальна техніка" стаціонарної та заочної форм навчання
 Скачать 0.92 Mb.
|
|
ВИМІРЮВАЛЬНО- ІНФОРМАЦІЙНІ СИСТЕМИ (ВІС) КЛАСИФІКАЦІЯ ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ Класифікація вимірювальних систем, розглянута і систематизована згідно з різними критеріями [2], подана на рис. 4. Класифікація систем "згідно із застосуванням" виділяє: - вимірювальні системи; - системи контролю (тестування); - системи діагностики. Умови, які виконують ці системи, вже були описані. Класифікація "згідно із ступенем автоматизації" виділяє такі властивості: - ручне керування; - низький ступінь автоматизації; - середній ступінь автоматизації; - великий ступінь автоматизації. У літературі можна зустріти також інші умовні класифікації. Слід пам'ятати, що цілісність системи утворюють: - конструкція, основні елементи якої визначаються структурою і технологією виконання (англ. hardware); - програмний продукт (англ. software), який прив'язаний до концептуальної складової роботи системи. Ступінь використання цих двох складових може визначити поділ систем на: - системи жорсткої структури (з перевагою апаратурних рішень чи англ. hardware); - системи гнучкої структури (з перевагою програмних рішень чи англ. software). Інший поділ, що має істотне значення, стосується внутрішньої інтеграції системи, яка може працювати у режимі "on-line" (у дійсному часі) чи "off-line" (у власному часі). Застосовується також поділ системи по роботі: у відкритій петлі (англ. open loop) і у замкнутій петлі (англ. closed loop) зворотного зв'язку. Систему, яка працює в умовах "off-line", можна вважати такою, що може працювати у довільному часовому інтервалі і не обмежена ніякими умовами. 16 Система "on-line" має деякі обмеження (визначені умови роботи у точно встановленому часовому діапазоні), наприклад, контроль, виконаний під час технологічного процесу, є однією з технологічних операцій. Умови технологічного процесу (визначаються після відповідних технологічних операцій) встановлюють часовий інтервал, в якому повинні контролюватись результати виконаних операцій. Якщо результати контролю (чи тестування) будуть зареєстровані чи пізніше інтерпретовані персоналом, а після виконання цього контролю продукт віддається на подальшу технологічну операцію, то маємо справу з роботою в умовах "online" - відкритої петлі. Коли результати контролю використовуються одразу для коригування технологічного процесу, то це може означати, що вимірювальна система працює в умовах "on- line" із замкнутою петлею. У зв'язку з цим з'являється нова класифікація, пов'язана з синхронізацією роботи системи з середовищем на роботу: - у власному часі (англ. person time) - у реальному часі (англ. real time). 17 Жорстка (hardware) Гнучка (software) Ручне керування Автоматичне керування Діагностично-вимірювальні системи Контрольно-вимірювальні системи Інформаційно-вимірювальні системи Режим роботи “у дійсному часі ” (on-line) Режим роботи “у власному часі ” (off-line) Режим роботи “у відкритій петлі ” (open loop) Режим роботи “у замкнутій петлі ” (closed loop) Робота в реальному часі Робота у власному часі Статичні вимірювання і контроль Динамічні вимірювання і контроль Великі, уніфіковані Малі, уніфіковані Аналогова Цифрова Застосування Ступінь автоматизації Структура системи Внутрішня інтеграція системи По роботі зворотнього зв’язку Синхронізація з довкіллям За видом вимірювань і контролю Ступінь уніфікації Спосіб перетворення інформації Вимірювальні системи Критерії класифікації Рис. 4. Узагальнена класифікація вимірювальних систем. 18 Перший випадок стосується лабораторних умов досліджень, де часові інтервали строго не регламентовані, другий - автоматизованого процесу виготовлення продукції, коли часові інтервали тестувань є визначеними апріорі [3]. Класифікація щодо видів вимірювань і контролю приводить до поділу систем на: - параметричних вимірювань (статичні та динамічні вимірювання); - функціонального контролю (статичний та динамічний контроль). Спостерігається тенденція до поєднання обох видів - параметричних вимірювань і функціонального контролю в одну систему. КЛАСИФІКАЦІЯ ВIС "ЗГІДНО ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ" В залежності від призначення вимірювальних систем розрізняють інформаційно-вимірювальні, контрольно- вимірювальні, та діагностично-вимірювальні системи (рис.4). Завданням інформаційно-вимірювальної системи є визначення розмірів вимірюваних величин – параметрів досліджуваного об’єкту, тобто кількісного оцінювання процесів, що відбуваються в об’єкті. Такі системи переважно використовують в наукових дослідженнях. Якщо стоїть питання встановити чи параметр (параметри) об’єкту є в нормі чи ні, то виникає потреба реалізації формування нижнього та верхнього допустимих рівнів для кожного з параметрів об’єкта, порівняння результатів вимірювань з цими рівнями і формування відповідного результату контролю. Такі функції виконують контрольно- вимірювальні системи. Отже, контрольно-вимірювальна система, крім кількісного оцінювання параметрів стану об’єкта, дає також якісну його характеристику: чи об’єкт (його параметри) є в нормі, чи ні. Якщо ж один чи декілька параметрів, що характеризують стан об’єкта, виходять за межі допуску, то виникає проблема встановлення причини такого стану. Відповідь на це питання дає діагностично-вимірювальна система. У такій системі результати діагностики отримують за допомогою відповідного збудження об’єкту і вимірювання та опрацювання реакцій на ці збудження. В залежності від виконуваних функцій ВІС розділяються на вимірювальні системи (ВС), системи автоматичного контролю (САК), системи технічної діагностики (СТД) і системи розпізнавання образів (СРО). Дана класифікація ВІС тісно пов'язана з поняттями вимірювання -контроль – діагностика. Вимірювання - це пізнавальний процес, який полягає у порівнянні шляхом фізичного експерименту даної величини X з якимось її значенням q x , прийнятим за одиницю порівняння. Головна мета вимірювання – визначення значення х фізичної величини X , тобто кількісної оцінки її розміру у вигляді x=N x ⋅ q x , де N x - числове значення величини X при прийнятому розмірі її одиниці q x . Даний алгоритм покладено в основу побудови вимірювальних систем, узагальнена функціональна схема яких зображена на рис.5 [2]. 19 Пристрій порiвняння 1 Пристрій порівняння 2 Пристрій порівняння n Одиниця вимірювання q x Відліковий пристрій Одиниця вимірювання q z Одиниця вимірювання q y Об’єкт дослідження X Y Z x=N x ⋅ q x y=N y ⋅ q y z=N z ⋅ q z q x q y q z ⋅ ⋅ ⋅ X, Y, Z – вимірювані величини x, y, z – результати Рис. 5. Узагальнена функціональна схема ВІС Контроль є відображенням якісної сторони властивостей досліджуваного об'єкта і полягає у встановленні відповідності між параметрами цього об'єкта і заданими нормами. Норми задаються у числовій формі, у вигляді зразків такої ж фізичної природи, як об'єкти, або їх імітаторів тощо. У системах автоматичного контролю (рис.6) здійснюється вимірювання фізичних величин, які характеризують стан об'єкта, і результати вимірювань порівнюються із значеннями, прийнятими за нормах[2]. При цьому проміжні результати вимірювань, на основі яких робиться висновок про відповідність між значеннями контрольованих величин Х та їх нормою Х N , можуть на вихід системи не поступати і не фіксуватися. У результаті контролю формується твердження про стан досліджуваного об'єкту – придатний чи не придатний до експлуатації. Якщо результат контролю є негативний, тобто об'єкт не придатний до експлуатації, то виникає питання про причини, що зумовлюють це. У цьому випадку виникає необхідність здійснення технічної діагностики стану об'єкта, тобто виявлення місць його пошкодження та вияснення їх причин. До складу системи технічної діагностики (рис.7), крім блоків вимірювань і контролю, входить блок діагностичних сигналів і блок вироблення відповіді[2]. 20 Одиниця вимірювання q x Об’єкт дослідження X Y Z x=N x ⋅ q x q x ⋅ ⋅ ⋅ Пристрій порівняння блоку вимірювання Пристрій порівняння блоку контролю Нормальне значення величини X N X N Вимірювання Контроль “Відповідає нормі” або “ Не відповідає … … Рис. 6. Узагальнена функціональна схема контрольно-вимірювальної системи. Блок діагностичних сигналів Блок вимірювання Блок контролю Блок вироблення відповіді Об’єкт дослідження X x “ні” “так” X Д X P Вихід X N Рис.7. Узагальнена структурна схема діагностично-вимірювальної системи. Якщо на виході блоку контролю одержано негативний результат, тобто значення величини X , що характеризує один із параметрів досліджуваного об'єкта, відхиляється від норми N X , то блок діагностичних сигналів виробляє відповідний діагностичний сигнал Д X , який подається на об'єкт. Блок вироблення відповіді сприймає сигнал відповіді 21 (реакції) P X об'єкта на діагностичний сигнал Д X і після його аналізу дає відповідь про причину відхилення контро- льованого параметра X від норми. Об'єктами технічної діагностики можуть бути будь-які технічні системи, однак СТДвикористовуються тоді, коли об'єкти діагнозу недоступні для безпосереднього спостереження і безпосередня участь людини неможлива, наприклад, у космічних і військових об'єктах. Класифікація ВІС можлива ще: 1) за видом вхідної інформації 2) за видом вихідної інформації 3) за принципом побудови За видом вихідної інформації: 1) видають кількісну інформацію (ВІС ) 2) видають якісну інформацію (наприклад, системи розпізнавання образів) За наявністю чи відсутністю каналів зв'язку: 1) системи ближньої дії 2) системи дальньої дії (телевимірювальні) Системи розпізнавання образів призначенні для встановлення інформаційної відповідності між досліджуваним об'єктом і заданим образом. Подібно як і норма при контролі, при розпізнаванні образ може бути заданий у вигляді зразкового об'єкта або переліку його певних властивостей і значень параметрів (ознак) з вказанням полів допуску. Сфера застосування систем розпізнавання образів надзвичайно широка: від класифікації дактилоскопічних відбитків і біологічних об'єктів до розпізнавання радіосигналів і порівняння голографічних зображень. Особливе місце серед ВІС займають телевимірювальні інформаційні системи (ТВІС), які відрізняються від вимірювальних систем і систем автоматичного контролю в основному довжиною каналу зв'язку. Інформація в ТВІС передається на великі віддалі - від сотень метрів до тисяч кілометрів. Канал зв'язку в ТВІС стає найменш надійною частиною системи і вимагає спеціального перетворення сигналів для забезпечення необхідної точності та завадостійкості передачі інформації. ВИЗНАЧЕННЯ ПОНЯТТЯ " ВИМІРЮВАЛЬНО- ІНФОРМАЦІЙНА СИСТЕМА". Сучасна інформаційно-вимірювальна техніка вирішує широке коло задач, пов'язаних із збором, перетворенням, передачею та зберіганням різноманітної інформації про стан фізичних об'єктів. Вимірювальна система об'єднує цілий ряд вимірювальних перетворювачів і приладів, кожний з яких виконує 22 відповідні йому функції[2]. При цьому вона являє собою не просто набір різних приладів, а об'єднання взаємозв'язаних вимірювальних і обчислювальних засобів, які спільно виконують якусь складну функцію або ряд функцій. Для вимірювальної системи характерним є автоматичне виконання всіх функцій, починаючи від відбору інформації з об'єкта вимірювання до одержання результатів вимірювань і введення їх в автоматизовану систему управління (АСУ) цим об′єктом. Згідно із загальноприйнятим визначенням, вимірювально-інформаційна система (ВІС) - це сукупність функціонально-об'єднаних засобів вимірювання, обчислювальної техніки, автоматики та інших допоміжних технічних засобів, об`єднаних лінією зв`язку, єдністю завдання та алгоритму керування з метою одержання вимірювальної інформації, її перетворення, обробки з метою представлення споживачеві (у тому числі для АСУ) у необхідній формі, або автоматичного виконання логічних функцій контролю, діагностики, ідентифікації. ПРИЗНАЧЕННЯ ВІС • виконання вимірювальних, інформаційних, логічних та обчислювальних функцій шляхом автоматичного одержання сигналів вимірювальної інформації про вимірювальні фізичні величини безпосередньо від об'єкту; • перетворення цієї інформації, передачі, обробки (за певним алгоритмом) логічними чи обчислювальними пристроями; • подача в необхідному вигляді та введенні в автоматизовані системи керування (АСК) з метою виконання функцій керування • одержанні кількісної інформації про значення фізичних величин шляхом прямих, опосередкованих, сукупних і сумісних вимірювань. С1 Сn Норм. Пристр.1 Код . прис т рі й Лінія зв`язку Ко мут . прис т рі й Спо ж.1 Норм. Пристр.n Спо ж.n 23 Рис.8.Структурна схема типової ВIС. На рис.8 представлена схема типової ВІС, в якій С1…Сn – сенсори (або інакше чутливі елементи, або датчики), які підключаються до відповідних нормувальних пристроїв) інформація з яких подається на кодувальний пристрій і через лінію зв’язку на комутатор, або комутуючий пристрій, який здійснює відповідну подачу даних до споживачів. На рис.9 представлена схема скануючої ВІС, яка відрізняється від типової в першу чергу тим , що є лише один! – С(сенсор) та канал зв'язку через які інформація подається на комутуючий пристрій, який здійснює відповідну подачу даних до споживачів. Рис.9.Структурна схема типової скануючої ВІС На рис.10 представлена схема мультиплікованої ВІС (що розгортається), в якій С1…Сn – сенсори, які підключаються до відповідних індивідуальних для кожного каналу пристроїв порівняння (ПП) вимірювальної величини з мірою, спільна для всіх каналів міра (М) тапристрою представлення інформації (ППІ), керованого пристроєм керування. На виході системи є оператор, який отримує інформацію про роботу мультиплікованоїВІС. Скан.C Лінія зв`язку Ко мут . прис т рі й Спож. 1 Спож. n 24 Рис.10. Структурна схема мультиплікованої ВІС, що розгортається. С1 ПП1 Сn ППn М Пр ис тр ій пре дс т ав ле ння Інф ормац ії ППІ О пе рат ор Пристрій керування 25 ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВІС Основними властивостями системи, котрі визначають її здатність виконувати своє призначення, є, зокрема: пропускна здатність; надійність; імовірність безвідмовної роботи; швидкодія; точність; інформаційна швидкість ВІС; технічна швидкість ВІС; ефективність; динамічний та частотний діапазони; чутливість; завадостійкість; складність; вартість; електромагнетична та екологічна сумісність; маса; габарити … Розглянемо деякі з цих властивостей: Пропускна здатність ВІС - максимальна кількість інформації, що може бути передана системою з заданою точністю за одиницю часу. У випадку неперервних сигналів, що характеризуються середньою потужністю Pc та наявністю впливу білого шуму, пропускна здатність С визначається за формулою К. Шеннона: ( ) ш c 2 P |