Телемеханика. Телемеханика_4. Конспект лекций для студентов специальности 153 01 07 Информационные технологии и управление в технических системах
 Скачать 1.58 Mb.
|
|
1.6 Адаптивные телеизмерительные системы Адаптивные телеизмерительные системы (АТИС) (лат. adaptio – прино- ровление, приспособление) называют такие системы, в которых сбор, обработ- ка и передача информации автоматически изменяются в зависимости от изме- нения характеристик входных сигналов, внешних условий, состояния контро- лируемого объекта или других причин. Развитие и применение адаптивных телеизмерительных систем (АТИС) обусловлено рядом факторов. Непрерывно возрастающие потоки измеритель- ной информации при научных исследованиях, контроле технологических про- цессов, испытаниях различных объектов приводят к необходимости расшире- ния полосы частот в канале связи, к увеличению времени обработки измери- тельной информации при помощи ЭВМ, к увеличению объема памяти запоми- нающих устройств. Все это увеличивает стоимость аппаратуры и затрудняет ее эксплуатацию, иногда существенно задерживает выдачу необходимой измери- тельной информации. В то же время не вся измерительная информация являет- 68 ся одинаково ценной. По некоторым опубликованным данным [4] около 90 % расходов на получение и обработку измерительной информации в радиотеле- метрических системах тратится на избыточную информацию. Поэтому одной из важнейших задач передачи телеметрической информации является сокра- щение избыточной измерительной информации или более кратко сжатие данных. По функциональному признаку АТИС могут быть разнесены на следую- щие группы: системы со сжатием данных, системы с самообучением, системы с перестраиваемой структурой. Системы со сжатием данных можно разделить на две группы: системы с уменьшением числа координат сообщения и системы с уменьшением объема каждой координаты. При достаточно высоких требова- ниях к точности измерений уменьшение объема каждой координаты, как пра- вило, не дает существенного сжатия данных. Системы, основанные на сокра- щении числа координат, могут быть классифицированы по нескольким призна- кам. По принципу действия – алгоритму их работы – эти системы могут быть разделены на следующие группы: системы с адаптивной коммутацией, систе- мы с адаптивной дискретизацией, системы с автоматически регулируемой ча- стотой равномерной дискретизации. В зависимости от наличия задержки в пе- редаче измерительной информации системы могут быть разделены на две группы: системы, работающие в реальном масштабе времени, т.е. выдающие информацию практически без задержки; системы, выдающие информацию с задержкой, обусловленной наличием буферной памяти. Системы с самообучением и перестраиваемой структурой в настоящее время почти не изучены. Сокращение числа координат сообщения заключается в следующем. Из- меряемая величина ) (t x аппроксимируется некоторой функцией ) (t x , обычно называемой базисной, иногда воспроизводящей, осуществляется сравнение ) (t x и ) (t x в соответствии с принятым критерием верности. В моменты време- ни, в которые разность ) (t x и ) (t x – погрешность аппроксимации достигает максимального, еще допустимого значения, передаются координаты ) (t x , яв- ляющиеся существенными. По этим координатам, в соответствии с принятой моделью ) (t x , на принимающей стороне реализуется восстановление непре- рывной функции ) (t x по ее дискретным значениям, при этом погрешность ап- проксимации не превосходит допустимого значения. При оценке качества АТИС используются следующие критерии: кон- структивные, метрологические, экономические. Конструктивный критерий показывает техническую осуществимость данной системы. К нему относятся: число измерительных каналов при задан- ной пропускной способности линии связи, необходимая скорость передачи при заданном допустимом времени задержки, используемый способ сжатия ин- формации и его техническая реализация, техническая возможность восстанов- ления переданной информации на приемной стороне АТИС. 69 Число каналов зависит от используемого способа сжатия, причем чем больше коэффициент сжатия, тем большее число каналов может иметь си- стема: c сл и K f f F N × D + D D = , (1.79) где F D – полоса частот линии связи; и f D и сл f D – полоса частот, занимаемая измерительной и служебной ин- формацией соответственно; К с – коэффициент сжатия. Метрологический критерий показывает достижимую точность представ- ления на выходе системы. К нему относятся: показатель верности или крите- рий приближения к входной функции, значение погрешности представления информации и вероятность появления этой погрешности, значение дополни- тельной погрешности, появляющейся от введения устройств сжатия в многока- нальной телеметрической системе, помехоустойчивость системы. Экономический критерий показывает целесообразность введения адап- тации, т.е. определяет экономический выигрыш от сжатия информации. В дальнейшем основное внимание будет уделено передающим устрой- ствам АТИС со сжатием данных, так как из-за введения адаптации приемная часть практически остается той же, что приведена и на рис. 1.34. 1.6.1. Телеметрические системы с адаптивной дискретизацией. Прин- цип действия систем с адаптивной дискретизацией заключается в исключении несущественных координат, что может быть реализовано с помощью специ- альных устройств – адаптивных временных дискретизаторов (АВД). Структур- ная схема АТИС с цифровым АВД показана на рис. 1.40. Устройство работает следующим образом. Входные сигналы от датчиков поочередно через комму- татор поступают на АЦП, где происходит преобразование аналогового сигнала в код. Параллельный код входного сигнала сравнивается в цифровой схеме срав- нения (СС) с кодом предыдущего отсчета, поступающего от многоканального запоминающего устройства (ЗУ), которое переключается вместе с коммутато- ром блоком управления (БУ). Если значение входного сигнала отличается от значения предыдущего от- счета на величину, превышающую порог срабатывания, который устанавлива- ется в зависимости от заданной допустимой погрешности max d , то СС выдает сигнал на схему запуска (СЗ) коммутатора и коммутатор останавливается на данной точке, одновременно открывается ключ (К) и цифровой эквивалент с АЦП подается в устройство защиты от ошибок (УЗО) и записывается новое значение в ЗУ. В УЗО кодовая комбинация кодируется в корректирующем коде и подается в блок считывания (БС). БС передает в линию связи синхрокод, ад- рес датчика с существенным отсчетом и цифровой эквивалент телеметрируе- мого параметра. После окончания передачи БС открывает СЗ и коммутатор Выход # Адрес АВД n+2 такт Адресный режим 2 3 2 _ Безадресный режим Пуск # Адрес Стоп 1 3 Опрос Рис. 1.40. Структурная схема КП телеметрической системы c адаптивной дискретизацией Датчик 1 Ключ 1 Устройство защиты от оши- бок Дешифратор Счетчик Блок считыва- ния Датчик n Аналого- цифровой преобразова- тель Коммутатор Блок управле- ния Запоминающее устройство Формирова- тель уставки Схема сравнения Ключ 2 Схема запуска Формирова- тель синхро- сигнала 70 71 опрашивает следующий датчик. Если же значение отсчета входного сигнала не отличается от значения предыдущего отсчета, т.е. отсчет является избыточным, то СС не срабатывает, коммутатор не останавливается и через определенное время коммутатор подключает ко входу АЦП очередной датчик. При этом БС может передавать в линию связи специальный сигнал (маркер), свидетель- ствующий о том, что на данной позиции погрешность не достигла максималь- ного значения. Подобным образом происходит опрос всех датчиков. При фиксированном значении допустимой погрешности аппроксимации, т.е. при фиксированном значении уставки, в устройстве возможно появление больших погрешностей аппроксимации, значительно превышающих допусти- мые, при появлении очереди из нескольких заявок. Для исключения случаев появления аномальных погрешностей использу- ется обратная связь по погрешности. Для осуществления обратной связи в устройстве предусмотрены: счетчик, ключ 2, дешифратор и формирователь уставки. Счетчик подсчитывает число неизбыточных отсчетов, а опрос его производится на n+2 такте БУ посредством открытия ключа 2. И если число, зафиксированное счетчиком, укажет на возможность появления аномальных погрешностей, дешифратор с выхода 1 выдаст сигнал на формирователь устав- ки, который устанавливает новый порог срабатывания схемы сравнения. Таким образом, в следующем цикле будут опрошены датчики, у которых погрешность будет наибольшей. Так как параметры входных сигналов передаются вместе с их адресами, то при высокой активности входных сигналов (много неизбыточных отсчетов) адаптивная адресная передача может оказаться невыгодной. Например, пере- дача всех параметров в одном цикле опроса вместе с адресами является, без- условно, менее рациональной, чем передача тех же параметров в определенном порядке без адресов. Для учета аналогичных ситуаций используется ранее рас- смотренный счетчик с другим допустимым числом неизбыточных отсчетов, которое фиксируется дешифратором (выход 2). В каждом цикле опроса коммутатора подсчитывается число неизбыточ- ных отсчетов счетчиком и сравнивается с допустимым числом этих отсчетов (это условие выполняет дешифратор), рассчитанным из условия равенства объ- ема сигнала при сжатии и при безадресной передаче без сжатия по заранее из- вестной последовательности: M N K N M N c log ) log (log = × + , (1.80) где N – число измерительных каналов (источников сообщений); M – число уровней квантования сигнала; K c – коэффициент сжатия по отсчетам за цикл опроса. 72 Из (1.80) можно получить значение коэффициента сжатия, при котором адаптивная и неадаптивная системы будут иметь одинаковую эффективность (граничный случай): 1 log log + = M N K гр c (1.81) При гр c c K K > эффективной будет адаптивная система с адресами, а при гр c c K K < большую эффективность будет иметь неадаптивная безадресная си- стема. В том случае, когда в каком-либо цикле опроса количество неизбыточных отсчетов достигает заданного, сигнал с выхода 2 дешифратора отключает раз- ряды адреса в БС, открывается на постоянно (на один цикл) схема запуска, осуществляется преобразование параллельного кода параметра в последова- тельный и передача его в канал связи. Таким образом происходит безадресная неадаптивная передача информации. Одновременно с неадаптивной передачей в СС происходит сравнение от АЦП и ЗУ и в счетчике подсчитывается число неизбыточных отсчетов за цикл опроса, если число таких отсчетов оказывается меньше допустимого, то устройство переходит в следующем цикле на режим адаптивной работы с адре- сацией отсчетов. При этом возможен переход в режим с повышенным значени- ем уставки. Для правильной расшифровки информации на приемной стороне системы кроме кода адреса и параметра необходимо передавать информацию в виде определенной кодовой комбинации о том, какая будет передача – адресная или безадресная. Учитывая, что длина цикла в зависимости от активности входных сооб- щений может меняться, то возможен вариант передачи кода конца цикла. Для согласования характеристик входного потока сообщений с характери- стиками канала связи возможна постановка буферного запоминающего устрой- ства в БС. Известно, что погрешность телеметрической системы, ее быстродей- ствие и полоса частот канала связи связаны следующей зависимостью: ) 1 log( log ш P P F T M + D = , (1.82) где Т – период дискретизации; F D – полоса частот канала связи; ш P P, – мощности соответственно сигнала и шума в канале; Это выражение показывает, что при сохранении заданной погрешности уменьшение полосы частот канала связи приводит к увеличению периода дис- кретизации сигнала во времени, т.е. к уменьшению быстродействия. Это об- стоятельство позволяет предложить самый простой способ сжатия по полосе частот канала связи, заключающейся в записи всей информации в буферное за- поминающее устройство (БЗУ) со скоростью, соответствующей максимальной 73 частоте дискретизации сигналов во времени. Считывание информации осу- ществляется при этом с меньшей скоростью в соответствии с полосой пропус- кания частот канала связи. 1.6.2. Телеметрические системы с адаптивной коммутацией. Принцип действия систем с адаптивной коммутацией заключается в следующем. Выби- рается некоторая частота опроса измерительных каналов АТИС и при помощи специальных устройств-анализаторов активности сигналов (ААС) определяет- ся канал с наибольшей погрешностью. Значения измеряемой величины в этом канале и передаются на ПУ. Тактовая частота передачи измерительной инфор- мации по каналу связи остается постоянной, меньшей чем при равномерной временной дискретизации, этим и достигается сжатие данных. Сигналы изме- рительной информации каждого канала сопровождаются так называемой ад- ресной посылкой, указывающей номер измерительного канала. Структурная схема передающего устройства АТИС с адаптивной коммутацией и цифровым ААС приведена на рис. 1.41. Устройство работает следующим образом. По окончании считывания предыдущего отсчета БС выдает сигнал на БУ, разрешающий прохождение импульсов управления с БУ на коммутатор измерительных сигналов. Ко входу АЦП подключается первый измерительный канал, где преобразуется в цифро- вой эквивалент, который записывается в буферное запоминающее устройство (БЗУ), и одновременно поступает на один из входов цифровой схемы сравне- ния (СС). На второй вход этой схемы с ЗУ поступает цифровой эквивалент предыдущего значения. Разностный цифровой сигнал, пропорциональный те- кущей погрешности, подается в блок выделения максимальной погрешности (БВМП). И в блоке памяти адресов (БПА) фиксируется код первого канала. При дальнейшем поступлении импульсов управления из БУ коммутатор опра- шивает подряд все датчики. Схема сравнения определяет текущие значения погрешностей, и их циф- ровые эквиваленты поступают по очереди на БВМП. Если цифровой эквива- лент очередной погрешности превышает цифровой эквивалент погрешностей предыдущих каналов, то БВМП выдает импульс в БПА, в который записывает- ся адрес данного канала. По окончании опроса всех датчиков БУ производит опрос БПА. Адрес ка- нала с максимальной погрешностью подается через ключ 2 в БЗУ и БС. Одно- временно сигналом из БУ открывается ключ 1, через который из БЗУ поступит в УЗО кодовая комбинация измерительного канала, у которого максимальная погрешность. Закодированная кодовая комбинация в помехозащищенном коде поступает в БС. Блок считывания формирует кадр, т.е. передает в канал связи синхрокод, адрес датчика с максимальной погрешностью и его цифровой экви- валент. После чего по сигналу с БС начинается новый цикл. Если будет зафик- сировано несколько каналов с одинаковой максимальной погрешностью, то в первую очередь будет опрошен канал с меньшим номером. Выход А АС n+2 такт Пуск Считывание Адрес Запись Адрес ееее Рис. 1.41. Структурная схема КП телеметрической системы c адаптивной коммутацией Датчик 1 Буферное запомина- ющее устройство Устройство защиты от ошибок Блок памяти адресов Блок выделения максимальной погрешности Блок считы- вания Датчик n Аналого- цифровой преобразова- тель Коммутатор Блок управле- ния Запоминающее устройство Схема сравнения Ключ 2 Формирователь синхросигнала Ключ 1 74 75 Достоинством данной схемы является то, что она может полностью быть реализована на элементах цифровой техники, а в случае применения микро- контроллеров позволит программными методами изменять частоту опроса дат- чиков, а также вводить обратную связь по погрешности и определять очеред- ность передачи информации от измерительных каналов. В общем случае адаптивная коммутация представляет собой способ изме- нения частоты опроса источников измерительных сообщений в соответствии со скоростью изменения входного сигнала. 1.6.3. Телеметрические системы с автоматическим регулированием частоты опроса датчиков. Рассмотренную выше АТИС с адаптивной комму- тацией целесообразно использовать с случае, когда входные сигналы системы некоррелированы, так как иначе возникают значительные дополнительные по- грешности из-за ожидания в очереди и уменьшение этих погрешностей требует принятия специальных мер (например введения обратных связей), что услож- няет систему. При сильной корреляции входных сигналов, т.е. в случае, если входные сигналы меняются одновременно, возможно использование метода автоматического регулирования частоты опроса датчиков, позволяющего по- лучить сжатие по отсчетам при меньших аппаратурных затратах. Структурная схема КП телеметрической системы с автоматическим регулированием часто- ты опроса датчиков приведена на рис. 1.42. В данном устройстве все каналы опрашиваются поочередно друг за дру- гом по сигналам блока управления через коммутатор. Частота опроса опреде- ляется синтезатором частот. Входные сигналы от датчиков поочередно посту- пают на АЦП, где происходит преобразование аналогового сигнала в k- разрядный код. Параллельный код входного сигнала сравнивается в цифровой схеме сравнения с кодом предыдущего отсчета своего канала, поступающего от многоканального запоминающего устройства. Если значение входного сигнала отличается от значения предыдущего отсчета на величину, превышающую порог срабатывания, который определя- ется допустимой погрешностью, то на входе СС появляется логическая едини- ца, которая поступает в счетчик. Таким образом, за полный цикл в счетчике будет зафиксировано число неизбыточных отсчетов. Кодовая комбинация с выхода АЦП в параллельном виде поступает в УЗО и одновременно через ключ 2, который управляется импульсами от БУ, записывается в многоканаль- ное ЗУ и будет участвовать в сравнении в следующем цикле. Кодовые комби- нации, закодированные в помехозащищенном коде, из УЗО поступают в БС, где преобразуются в последовательный код и совместно с синхросигналом по- ступают в передатчик. После окончания передачи информации от всех каналов БС запускает БУ и цикл повторяется. Блок управления после преобразования информации от всех каналов через ключ 1 опрашивает счетчик неизбыточных отсчетов. Дешифратор выдает пропорциональный записанному в счетчике числу сигнал на синтезатор частот, который изменяет частоту тактовых им- пульсов (скорость опроса датчиков). Таким образом, частота опроса датчиков зависит от суммарной допустимой погрешности по всем каналам. |