Настена КР. Контрольная работа по дисциплине Измерительные информационные системы
 Скачать 158.82 Kb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «Тюменский индустриальный университет» Институт геологии и нефтегазодобычи Кафедра кибернетических систем КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА по дисциплине «Измерительные информационные системы» Вариант № Выполнил: ст.гр. АТПбз Ф.И.О. студента Проверил: ст.преподаватель каф. КС Лапик Н.В. Тюмень ТюмИУ 2021 1.Назначение и виды измерительных систем. Примерная структурная схема ИС показана на рис. 15.1. Основными частями ИС являются: - компьютер с периферийными устройствами; - программное обеспечение, представляющее собой совокупность взаимосвязанных программ, написанных на алгоритмических языках разного уровня; - интерфейс; - формирователь испытательных сигналов, который воздействует на объект измерения с целью получения измерительных сигналов. Каждый такой сигнал вырабатывается с помощью последовательно соединённых ЦАП и преобразователя напряжение- испытательный сигнал;  - измерительные каналы системы, которые предназначены для измерения и преобразования сигнала в цифровую форму. Структура измерительного канала существенно зависит от решаемой задачи. При обработке нескольких измерительных сигналов одним АЦП в состав канала включают коммутатор, предназначенный для поочерёдного подключения сигналов ко входу АЦП. По функциональному назначению информационные системы делят на измерительные, автоматического контроля (САК), технической диагностики (СТД), распознавания образов (СРО), телеизмерительные (ТИС) (от грсч. - вдаль, далеко и измерений). СТД - система автоконтроля, в которой устанавливается не только факт работоспособности, но и определяется место нахождения отказа, а также осуществляется локализация неисправности. Для поиска неисправностей применяют последовательный, комбинационный метод и различные сочетания последовательно-комбинационного метода, согласно которым разрабатывается программа поиска. ТИС - совокупность технических средств на приёмных и передающих сторонах и каналах связи для автоматического измерения одного или совокупности параметров на расстоянии. По организации алгоритмов функционирования ИС деляг на системы с жёстким, заранее заданным алгоритмом функционирования, программируемые и адаптивные системы. В жёстких системах алгоритм функционирования ИС не меняется и любое изменение реализуемой функции ИС требует изменения её структуры. Таким образом, эти ИС имеют узкую специализацию. К ИС с жёстким алгоритмом функционирования можно отнести радиолокатор кругового обзора или спутник- наблюдатель, траектория движения которого обусловлена законами механики. В программируемых системах алгоритм их работы изменяется в соответствии с заранее заданной программой, которую составляют в зависимости от условий функционирования объекта исследования. В зависимости от способа организации передачи информации между функциональными узлами системы различают цепочечную, радиальную, магистральную или смешанную структуру ИС (см. п. 15.4). В зависимости от числа измерительных каналов измерительные системы могут быть одно-, двух-, трёх- и многоканальные. По принципу действия ИС бывают сканирующие, многоточечные, мультиплицированные и параллельного действия. Сканирующие ИС (рис. 15.2) используют для исследования однородных информационных полей: температурных, радиационных и других, при этом датчик системы перемещается в пространстве. Такие системы имеют возможность определять значение параметров в любой точке, линии уровня, значение, расположение и форму экстремумов и т.п.  Рис. 15.2. Сканирующая ИС Основным элементом этих систем является сканирующий датчик, который может быть контактным или бесконтактным. В зависимости от траектории движения датчика сканирующие системы бывают с жёстко запрограммированной траекторией движения датчика или адаптивные, когда траектория сканирования может измениться в зависимости от получаемой информации. Сканирующие ИС могут использовать активный датчик или пассивный. Примером системы, использующей пассивный датчик (второй случай), служит система определения солёности воды, включающая в себя кондуктометр и терморезистор для определения температуры воды. Сканирующие системы могут быть точечными или матричными. Точечные содержат датчик, измеряющий сигнал на элементарной площадке, и перемещающийся от одной площадки к другой. Матричные системы имеют множество датчиков, составляющих матрицу. Такой системой, например, является компьютерный томограф (от греч. тоцоа - ломоть, слой и .. .урафю - пишу), т.е. устройство для исследования внутренней структуры объекта путём получения с помощью вычислительных методов его послойных изображений (томограмм) и измерения физических характеристик вещества в любой локальной области выделенного слоя по результатам просвечивания различными видами проникающего излучения. В многоточечных (мультиплексорных) ИС ПИП размещены сразу во всех точках информационного поля. Подключение датчиков к каналу осуществляется при помощи системных коммутаторов - мультиплексоров. В зависимости от количества физических величин, подлежащих измерению, многоточечные ИС имеют одно-, двух- и многоступенчатую систему коммутаторов. Одноступенчатую систему используют при числе датчиков менее 500, а трёхступенчатую - более 5.000. Например, на Чиркейской ГЭС, которая сооружена на реке Сулак в Буйнакском районе Дагестана, в системе контроля за состоянием тела плотины использовано около 10.000 датчиков. Для опроса большого количества датчиков используют несколько вариантов. Циклический (от греч. kjkXo<="" p=""> Адресный (от франц. adresse) опрос - когда наряду с медленно изменяющимися величинами имеют место быстро протекающие процессы. Инициированный (франц. initiative, от лат. initium - начало) опрос - когда в зависимости от веса (значимости) измеряемого параметра по запросу датчика осуществляется его измерение. Достоинством системы является меньшее количество оборудования по сравнению с ИС параллельного действия, возможность наращивания числа измеряемых параметров. К недостаткам системы относятся пониженные точность и быстродействие из-за использования мультиплексоров. Мультиплицированные ИС (система с развёртывающим уравновешиванием или с общей мерой) применяют в том случае, когда число измеряемых однотипных параметров доходит до нескольких десятков (рис. 15.3). Фактически мультиплицированная ИС представляет собой совокупность одноканальных ИС, объединённых общей образцовой мерой {ОМ), устройствами сравнения (УС), одним блоком управления (БУ) и блоком индикации {БИ). Эти системы имеют меньшее число элементов по сравнению с ИС параллельного действия, обеспечивая практически то же быстродействие. Её недостатком является усложнение элементов сравнения. Коммутация (новолаг. commutator, от лаг. commuto - меняю, изменяю) - эго соединение одного из М источников сигнала с одним из N приёмников. Устройство, осуществляющее такое соединение, называют мультиплексор (англ, multiplexer, от лат. multiplex - сложный).  Рис. 15.3. Мультиплицированная ИС ИС параллельного действия (многоканальные ИС) представляет собой многоканальную ИС с использованием микропроцессора (МП) (рис. 15.4). Это один из наиболее распространённых видов систем, обладающая высоким быстродействием, надёжностью, независимым управлением каждым каналом измерения, отсутствием коммутаторов, возможностью обслуживания одного или нескольких каналов без прерывания работы всей системы. К её недостаткам относятся повышенная сложность и стоимость. Для большинства ИС характерна многоуровневая структура, достоинствами которой являются: - унификация микропроцессоров и связей между ними, что позволяет сократить время разработки и легко перестраивать систему под конкретные задачи; - разветвлённая сеть подсистем нижнего уровня, что повышает надёжность системы в целом и даёт возможность обрабатывать данные в режиме реального времени; - разделение функций между подсистемами верхнего и нижнего уровня, что позволяет снизить требования к быстродействию отдельных подсистем; - значительное упрощение и унификация программного обеспечения, что даёт возможность заменять или модернизировать отдельные подсистемы нижнего уровня, не нарушая системы в целом.  Рис. 15.4. ИС параллельного действия Ещё одной разновидностью ИС является АСНИ - автоматизированная система научных исследований. Она представляет собой комплект измерительной и управляющей аппаратуры для автоматизации научных исследований. Научные исследования - это познавательный процесс, результатом которого является информация, необходимая для решения определённой задачи или проблемы. АСНИ позволяет выполнять следующие задачи: - измерение необходимых параметров объекта исследования; - сбор результатов измерений, передача их на расстояние и ввод в ЭВМ; - первичная обработка информации; - визуальное и графическое отображение информации; - сжатие информации; - сортировка, накопление и хранение упорядоченной информации в виде банков данных; - автоматическое регулирование параметров эксперимента; - программное и программно-логическое управление исследуемым объектом и условиями эксперимента для физического моделирования заданного режима исследования; - математическое моделирование исследуемого объекта. Для АСНИ характерны следующие свойства: - уникальность решаемых задач; - изменчивость задач, объектов исследования, структуры системы и её математического обеспечения; - нерегулярность режима эксплуатации; - широкие пределы измерений: - повышенные требования к точности измерений; - большое число ПИП; - высокое быстродействие; - большой объём памяти. Хочется обратить внимание читателя на ещё одну разновидность систем - интеллектуальную (информационную). К этим системам относят: - информационно-справочные и информационно-поисковые; - обеспечивающие автоматизацию документооборота и учёта, в том числе бухгалтерского; - автоматизированные системы управления; - экспертные. Интеллектуальные системы успешно работают в следующих отраслях знаний: - представление знаний в различных предметных областях; - обработка естественного языка; - экспертные системы. - имитация на ЭВМ процессов обучения человека; - разработка методов автоматизированного проектирования; - интеллектуальные системы автоматизированного проектирования (САПР); - системы поддержки принятия решений; - разработка автоматизированных процедур доказательства теорем в различных разделах математики. 17. Модель измерительного канала информационно-измерительной системы. Особенности. Модель ИО Основное назначение этого компонента – моделирование массива исходных данных, неискаженных погрешно стями ИК. Он должен включать в себя все математические модели ИО, известные на момент разработки ИИС. При этом закладывается возможность пополнения набора подобных моделей. Моделирование предполагает, что ИО полностью соответствует используемой для его описания математической модели, то есть моделируемый массив является идеальным как в смысле отсутствия погрешностей измерений, так и в смысле полной адекватности самой математической модели. Такие модели могут быть различными для различных классов ИИС и измерительных задач. Они включают: – математические модели, содержащие ограничения на динамические характеристики исследуемых сигналов (спектры или абсолютные значения производных), используемые в системах регистрации и измерения функционалов; – функциональные модели, определяющие вид уравнения связи между исследуемыми физическими величинами и задающие вид измеряемых параметров; – линейные операторы преобразования сигналов с функциональными моделями характеристик этих операторов; – нелинейные безынерционные операторы преобразования сигнала с функциональными моделями функций преобразования; – случайные величины с заданными числовыми характеристиками или функциональными моделями законов распределения; – случайные процессы с функциональными моделями спектрально-корреляционных характеристик. В результате моделирования ИО будут сформированы массивы отсчетов исследуемых физических величин, точно соответствующие используемому математическому описанию объектов. Шаг дискретизации по времени, пространству и другим аргументам, как и всегда при метрологических исследованиях, должен быть в несколько раз меньше, чем в реальной ИИС. В процессе моделирования, естественно, должна предусматриваться возможность задания различных параметров функциональной модели ИО. В реальных каналах передачи данных на сигнал действует сложная помеха и дать математическое описание принимаемого сигнала практически невозможно. Поэтому при исследовании передачи сигналов по каналам применяются идеализированные модели этих каналов. Модель канала Гауссовский канал . Помеха в нем аддитивна и представляет собой эргодический нормальный процесс с нулевым математическим ожиданием. Гауссовский канал достаточно хорошо отражает лишь канал с флуктуационной помехой. При мультипликативных помехах используют модель канала с релееевским распределением. При импульсных помехах применяется канал с гиперболическим распределением. Модель дискретного канала совпадает с моделями источников ошибок. Существует ряд математических моделей распределения ошибок в реальных каналах связи, такие как Гильберта, Мертца, Мальденброта и др. Модели измерительного канала. Раньше средства измерительной техники проектировались и изготовлялись в основном в виде отдельных приборов, предназначенных для измерения одной или несколько физических величин. При проектировании ИИС по заданным техническим и эксплуатационным характеристикам возникает задача, связанная с выбором рациональной структуры и набором технических средств для ее построения. Структура ИИС в основном определяется методом измерения, положенным в ее основу, а количество и тип технических средств - информационным процессом, протекающим в системе. В связи с тем, что в ИИС третьего поколения обработка информации осуществляется в основном универсальными ЭВМ, являющимися структурным компонентом ИИС, и при проектировании ИИС они выбираются из ограниченного ряда серийных ЭВМ, то информационная модель ИИС можно упростить, сведя ее к модели измерительного канала (И.К). Группа технических средств узла 1 включает в себя весь набор первичных измерительных преобразователей, а также унифицирующие (нормирующие) измерительные преобразователи (УИП), осуществляющие масштабирование, линеаризацию, преобразование мощности и т.д.; блоки формирования тестов и образцовые меры.В узле 2, в случае наличия аналого-дискретных ветвей, располагается другая группа средств измерения: аналого-цифровые преобразователи (АЦП), коммутаторы (КМ), служащие для подключения соответствующего источника информации к И.К. или устройству обработки, а также каналы связи (К.С.).Третья группа (узел 3) объединяет в своем составе преобразователи кодов (ПК), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и линии задержки (ЛЗ).Таким образом, информационная модель И.К. ИИС позволяет перейти к его структуре по схеме, которая для ветви 0-1-2-32-42 имеет следующий вид (рис. 4.11):  Рис. 4.11. Структурная схема измерительного канала ИИС На рис.4.11 сделаны обозначения ПП – первичный преобразователь; ПК – преобразователь кодов; Кл – ключевой элемент управляемого коммутатора КМ. Приведенная структура И.К., реализующая метод прямых измерений, показана без управляющих работой коммутационным элементом и АЦП связей. Она является типовой, и на ее основе строится большинство многоканальных ИИС, особенно ИИС дальнего действия. Интерес представляют методы расчета И.К. для различных рассмотренных выше информационных моделей. Строгий математический расчет не возможен, но используя упрощенные методы подхода к определению составляющих результирующей погрешности, параметрам и законам распределения, задаваясь значением доверительной вероятности и учитывая корреляционным связи между ними можно составить и рассчитать упрощенную математическую модель реального измерительного канала. Примеры расчета погрешности каналов с аналоговым и цифровым регистраторами рассмотрены в работах П.В. Новицкого. |