Лекции по Информационно-измерительным системам. Основные определения. Области применения иис, Л. 1, глава 1, с. 6

• Название: Основные определения. Области применения иис, Л. 1, глава 1, с. 6
• Дата: 20.06.2022
• Размер: 2.88 Mb.
• Имя файла: Лекции по Информационно-измерительным системам.doc
• Тип: Закон; #606935
• страница: 1 из 5

1. 
   ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИИС, [Л.1, глава 1, с.6].
   

Современная информационная техника - крупнейший раздел технической кибернетики — дисциплины, изучающей об­щие закономерности процессов целесообразного управления, полу­чения и преобразования информации в технических устройствах.

Информационная техника имеет колоссальное и непрерывно возрастающее значение в жизни человечества. Она решает огром­ный круг задач, связанных главным образом со сбором, перера­боткой, передачей, хранением, поиском и выдачей разнообразной информации человеку или машине.

В соответствии с основными функциями информационной тех­ники выделяются следующие ее ветви: информационно-измеритель­ная техника, вычислительная техника, техника передачи информа­ции (связи), техника хранения и поиска информации. Каждая из этих основных ветвей информационной техники имеет свои осо­бенности, принципы построения технических устройств. В то же время они объединяются общими теоретическими основами.
Остановимся несколько подробнее на информационно-измери­тельной технике (ИИТ). Она предназначена для получения опыт­ным путем количественно определенной информации о разнообраз­ных объектах материального мира. Основными процессами, позволяющими получить такую инфор­мацию, являются обнаружение событий, процессы счета, измере­ния, контроля, распознавания образов, диагностики.
Согласно ГОСТ 16263-70 измерение это нахождение зна­чения физической величины опытным путем с помощью специаль­ных технических средств. В процессе измерения получается чис­ленное отношение между измеряемой величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения.
Под контролем понимается установление соответствия меж­ду состоянием (свойством) объекта контроля и заданной нормой, определяющей качественно различные области его состояния. В результате контроля выдается суждение о состоянии объекта контроля.
Распознавание образов связано с установлением соответст­вия между объектом и заданным образом. Так же как и норма при контроле, при опознании образ может быть задан в виде об­разцового изделия или в виде перечня определенных свойств и значений параметров (признаков) с указанием полей допуска. Нужно заметить, что в целом ряде практических приложений по­нятия контроля и распознавания образов совпадают.
Во многих случаях для восстановления нормальной работы объекта необходимо выявить элементы, послужившие причиной его неправильного функционирования. Такое направление развития методов и средств контроля работы технических устройств называ­ется технической диагностикой.
Счет, т. е. определение количества каких-либо событий или предметов, в ИИТ относительно редко имеет самостоятельное зна­чение и чаще входит составляющей операцией в процессы измере­ния, контроля и т. д.
Во всех перечисленных процессах, используемых в ИИТ, име­ются общие черты. Все эти процессы обязательно включают вос­приятие техническими средствами исследуемых (измеряемых, кон­тролируемых) величин, весьма часто с преобразованием в некото­рые промежуточные величины, сравнение их опытным путем с известными величинами, с описаниями состояний или свойств объ­ектов, формирование и выдачу результатов в виде именованных чисел, их отношений, суждений, основанных на количественных со­отношениях.

В ИИТ наиболее важную роль играет процесс измерения, являющийся основным путем получения количественной информа­ции. Средства измерений известны со времен глубокой древности (Китай, Индия, Египет, Греция, Рим).

Человечество пришло к необходимости выработать особые приемы количественного выражения существенных для него свойств объектов с помощью именованных чисел, соответствующих опре­деленным долям выбранных мер.

По существу ни одно экспериментальное научное исследование, ни один процесс производства не может обойтись без измерений в той или иной форме, без получения того, что мы называем из­мерительной информацией. В настоящее время ни у кого не вызы­вает сомнения, что без должного развития методов и средств измерения невозможен прогресс науки и техники. Развитие современного научного эксперимента, включающего исследование космического пространства и элементарных частиц материи, глу­бин океанов и поверхности Земли, совершенствование промышлен­ного производства и средств комплексного управления производ­ством, развитие практически всех отраслей народного хозяйства и оборонной техники в значительной степени зависят от своевре­менного и качественного сбора измерительной информации, от должного уровня и опережающего развития средств измерения.
До недавнего прошлого арсенал средств измерительной техни­ки ограничивался неавтоматическими и автоматическими измери­тельными приборами, предназначенными для измерения одной ве­личины или небольшой группы однородных величин, обычно не из­меняющихся за цикл измерения. Нужно отметить, что и в настоя­щее время производство таких измерительных приборов составляет заметную долю продукции приборостроительной промышленности.
В настоящее время, в первую очередь в связи с резкой интенси­фикацией и автоматизацией процессов производства, усложнением и расширением фронта научных экспериментов, существенно изме­нились требования к средствам измерения. Новые требования связаны главным образом с переходом к по­лучению и использованию результатов не отдельных измерений, а потоков измерительной информации. Зачастую необходимо полу­чать информацию о сотнях и тысячах однородных или разнород­ных измеряемых величин, часть из которых может быть недоступ­ной для прямых измерений. Как правило, получение всего объема измерительной информа­ции должно выполняться за ограниченное время. Если эти функ­ции возложить на человека, вооруженного лишь простейшими измерительными и вычислительными устройствами, то в силу фи­зиологических ограничений он, даже при весьма значительной тренировке, не сможет их выполнять. Решение этой проблемы пу­тем увеличения обслуживающего персонала не всегда возможно, а там, где это возможно, в большинстве случаев экономически невыгодно. Уместно заметить, что из-за опасных условий экспери­мента или вредности технологического процесса участие человека-оператора может быть вообще недопустимым.

Таким образом, перед измерительной техникой была поставле­на проблема создания новых средств, способных разгрузить чело­века от необходимости сбора и обработки интенсивных потоков измерительной информации. Решение этой проблемы привело к появлению нового класса средств измерения — измеритель­ных систем (ИС), предназначенных для автоматического сбора и обработки информации.
Аналогично можно проследить развитие других средств ИИТ, приведшие к необходимости создания кроме ИС также систем автоматического контроля (САК), технической диагностики (СТД), распознавания (РС).

Совокупность перечисленных выше систем получила название информационно - измерительных информационных систем – ИИС. Под ИИС понимаются системы, предназначенные для автома-тического количественной информации непосредственно от изучаемого объекта путем процедур измерения и контроля, обработки этой информации и выдачи ее в виде совокупности именован-ных чисел, высказываний, графиков и т. Д., отражающих состояние данного объекта.
Измерительные информационные системы должны воспринимать изучаемые величины непосредственно от объекта, а на их выходе должна получатся количественная информация (и только информация) об исследуемом объекте;
ИИС существенно отличается от других информа-ционных систем (в частности от ИИС). Разумеется, информация, получаемая на выходе ИИС, используется для принятия каких – либо решений, однако использование информации обычно не входит в функции ИИС.
Итак ИИС – обобщающее понятие. Под ним подразумевается класс средств ИИТ, объединяющий системы измерения, контроля, технической диагностики и распознавания.
В области экспериментальной аэродинамики с помощью ИИС производится измерение аэродинамических ил, распределение давления, температур, расходов газов и других величин.

Экспериментальная прочность нуждается в измерении внешних сил, воздействующих на исследуемые объекты, и реакции на их действие (напряжение в материале, смещения и т. д.), характеристики самих объектов и т. п. в качестве основных экспериментальных средств применяются ИИС.

Географические экспериментальные исследования оснащены многочисленными ИИС, в которых реализуются эффективные методы исследования строения земной коры.

В океанографических исследования с помощью ИИС происходит измерение температур, химического состава, скоростей движения, давления в водной среде и т. п.

Химические, физические, биологические экспериментальные исследования основаны на огромном количестве разнообразных методов и их реализация с помощью ИИС. Это определение состава и характеристик объекта исследования и внешних воздействий, условий эксперимента и т. п.

Для применения метеорологии, для охраны окружающей среды созданы многочисленные ИИС, позволяющие получать и обрабатывать измерительную информацию о состоянии воздушной и водной сред, о солнечной радиации и т. п.

Особо, пожалуй, следует отметить ИИС, построенных для нужд метрологических исследований и метрологического обеспечения единства измерения в стране, так как такие ИИС должны обладать высокими метрологическими характеристиками.

Огромное поле при приложении ИИС представляют комплексные испытание машин, конструкций, приборов, оборудования. Испытание таких конструкций, как суда, летательные аппараты, двигатели, требуют создания сложных технических средств в целях получения необходимой, главным образом измерительной, информации.

Медицина оснащается современными ИИС, позволяющими получать и оценивать ряд физиологических и психофизических параметров человека. Можно предполагать, что количество ИИС, применяемых в медицине, будет резко возрастать.

(Для примера, в папке АЦП-центр устанавливаем Klingon.exe. Затем в папке /Klingon/ запускаем для просмотра файлы: prices_all.htm, products.htm, plats.htm, programs.htm, systems.htm, virtual_devices.htm)

2. 
   Структурная схема ИИС. Типовые функциональные блоки, [Л.1, глава 1, с.14].
   

1. 
   Обобщённая структурная схема ИИС.
   

Устройство управления может формировать командную ин­формацию {Фо*},принимать информацию {/*} от функциональ­ных блоков и подавать команды на исполнительные устройства 9 для формирования воздействия на объект исследования. Воздей­ствия могут быть, например, в виде электрических U, механиче­ских Р, тепловых Т°, оптических О, гидравлических Gи акустиче­ских А величин. Воздействия могут организовываться, во-первых, в целях создания соответствующих условий для проведения экспе­римента и, во-вторых, для уравновешивания

величин, действую­щих на входы датчиков. В последнем случае система называется замкнутой с компенсационной обратной связью, а формируемые воздействия — компенсирующими величинами.

Множество аналоговых преобразователей 2 содержит преобра­зователи 2.1 и нормирующие преобразователи 2.2 аналоговых сиг­налов (например, масштабные преобразователи, преобразователи вида модуляции), коммутаторы аналоговых сигналов 2.3, анало­говые вычислительные устройства (с обозначением F) 2.4, анало­говые устройства памяти 2.5, устройства сравнения аналоговых сигналов 2.6, аналоговые каналы связи (с обозначением КС) 2.7, аналоговые показывающие и регистрирующие измерительные при­боры 2.8.





Интерфейсные устройства ИФУ аналоговых блоков главным образом служат для приема командных сигналов и передачи информации о состоянии блоков (см. гл. 5). Например, через ИФУ могут передаваться команды на изменение режима работы, на подключение заданной цепи с помощью коммутатора. Между аналоговыми и цифровыми устройствами включено множество аналого-цифровых преобразователей 3.1 и аналоговых устройств допускового контроля 3.2.

К цифровым устройствам¹ 4 относятся формирователи импуль­сов 4.1, преобразователи кодов 4.2, коммутаторы 4.3, специализи­рованные цифровые вычислительные устройства 4.4 (с обозначе­нием CPU), устройства памяти 4.5, устройства сравнения кодов 4.6, каналы цифровой связи 4.7 (с обозначением КС), универсаль­ные программируемые вычислительные устройства — микропроцес­соры, микро-ЭВМ и т. п. — 4.8.

Группа цифровых устройств вывода, отображения и регистра­ции 5 содержит формирователи кодоимпульсных сигналов 5.1, пе­чатающие устройства 5.2, устройства записи на перфоленту 5.3 (ПЛ) и считывания с перфоленты 5.4 (также с обозначением ЯЛ), накопители информации на магнитной ленте 5,5 (МЛ) и магнит­ных дисках 5.6 (МД), дисплеи 5.7 (Д), сигнализаторы 5.8, цифро­вые индикаторы 5.9.

В структурных схемах далее используются также обозначения элементов цифровой вычислительной техники, установленные ГОСТ 2.743-82. В частности, применяются следующие обозначения: регистр — RG, счетчик—СТ, устройства задержки во времени — DL, генератор — G(серии импульсов — Gn, непрерывной последо­вательности импульсов — GN, линейно изменяющегося сигнала—G/, синусоидального сигнала — GSJN, одиночного импульса — G1), дешифратор—DС, триггер—Т, память—М( ОЗУ—RAM, SAM, ПЗУ—ROM, ППЗУ—PROM), мультиплексор (цифровой коммутатор)—MUX, демультиплексор—DMXи др.

Кроме указанных на рис. 1.1 условных графических обозначе­ний в структурных схемах используются обозначения, приведенные в приложении 1.

Уместно отметить, что ЭВМ 4.8 могут взять на себя ряд пре­образований, выполняемых, например, в блоках 2.4, 2.5, 2.6, 4.2, 4.4, 4.6, 5.1, а также функции управления (блок 8). Эти преобра­зования, естественно, будут выполняться программным путем.
Конечно, не во всякой ИИС требуется присутствие всех при­веденных на рис. 1.1 блоков. Для каждой конкретной системы количество блоков, состав функций и связи между блоками долж­ны устанавливаться особо.
Нужно отметить, что в технической литературе можно встре­тить название компонентов ИИС, являющихся объединением не­скольких функциональных блоков. Так, например, объединение коммутаторов аналоговых сигналов и аналого-цифровых преоб­разователей иногда называют многоканальными АЦП.

Структурные схемы содержат важную информацию о системе, но эта информация не позволяет судить о последовательности, режимах, об алгоритмах работы данной системы. Это особенно относится к системам, основанным на использовании вычислительных комплексов, цифровых интерфейсов, содержащих микропроцессоры, ЭВМ и другие многофункциональные устрой­ства.
Ниже предлагаются и рассматриваются содержательные логи­ческие схемы алгоритмов (СЛСА), предназначенные для фор­мального описания работы ИИС, в том числе включающих малые ЭВМ. В СЛСА развиваются и конкретизируются идеи ЛСА при­менительно к специфике таких систем.

При разработке СЛСА предполагалось, что они должны: описывать функционирование как аппаратной, так и програм­мно-управляемой частей ИИС;
Обозначения информационных преобразований в СЛСА в ос­новном выполняются буквами латинского алфавита, а служебной информации — греческого. Аналоговая величина в общем виде обозначается буквой x, множество таких величин — X, цифро­вая — z, а множество цифровых величин — Z. Цифровое выра­жение конкретной аналоговой величины представляется в ви­де Dx.

Функциональные операторы получения, преобразования, пере­дачи, выдачи измерительной информации обозначаются І(/*). В скобках дается конкретное содержание таких операторов. Наи­более распространенное содержание операторов связано с опера­тивным хранением информации S(storage), выдачей, чтением ин­формации R (read), записью, регистрацией информации W (write), обработкой информации F (function) и СР (compute), операция­ми сравнения CR (comparison) и контроля СН (checking).

Обозначения операторов с перечисленными преобразованиями над Xи Z имеют вид: I(S : X), I(S:Z); I(R:X), I(R:Z); І(W:X), I(W:Z); І(F:X), I(CP:Z); І(CR:xi,xj), I(CR:zi,_Zj); I(CH:x), I(CH:z).

Преобразование сигналов записывается с указанием входных и выходных величин, разделенных наклонной трямой, причем указы­вается вид преобразования информации. Передача аналоговых и цифровых величин обозначается как I(x), I(X), I(z), I(Z).

2. 
   Структурная схема ИИС на примере контроллера SSJKS4.
   

3. 
   РАЗНОВИДНОСТИ ВХОДНЫХ ВЕЛИЧИН в ИИС, [Л.1, глава 2, с.25].
   

На входы ИИС может поступать большое количество одно­родных или разнородных по физической природе величин (меха­нических, электрических, тепловых и др.) и сопутствующих им влияющих величин (помех). Естественно, учет физических свойств входных величин и их количественных характеристик имеет боль­шое значение при создании и использовании ИИС. Однако в общей классификации ИИС, как уже говорилось, целесообразно со­средоточить внимание на особенностях исследуемых величин, опре­деляющих принцип действия ИИС с точки зрения системотехники.

Классификация входных величин по таким признакам приве­дена в табл. 2.1. Входные величины характеризуют исходный «материал», по­ступающий в ИИС, и, следовательно, в определенной мере позво­ляют определить, какие оценки могут быть получены при нали­чии этого «материала».

Таблица 2.1. Классификация входных величин (сигналов)

Классификационный признак	Классы
Количество величин	i = 1	i =>2
Поведение во времени	Неизменное	Изменяющееся
Расположение в простран­стве	Сосредоточенное в точке	Распределенное по про­странству
Характер величин	Непрерывный	Дискретный
Энергетический признак	Активные	Пассивные
Взаимосвязь помех с входными величинами	Независимые помехи	Помехи, связанные с входными величинами

Необходимо дать некоторые пояснения к классификационным признакам входных величин.

Количество величин i определяется суммой всех (в том числе однородных) величин. При i>2 входные величины могут быть как независимыми, так и взаимосвязанными. Заметим, что взаим­ная связь между исследуемыми величинами может быть весьма разнообразной.

Входные величины могут изменяться во времени и быть рас­пределенными в пространстве. В этих случаях следует говорить об исследуемых процессах, временных или пространственных функ­циях.

Под активными подразумеваются величины, способные оказы­вать энергетические воздействия на входные устройства системы. К ним, например, относятся электрический ток и напряжение, ионизирующие, световые, тепловые излучения, механические си­лы, давления и т. д.

Пассивны такие величины, как сопротивления электрических цепей, механические сопротивления, твердость, жесткость и т. п.

В табл. 2.1 речь идет о внешних по отношению к ИИС поме­хах. Часто они неотделимы от входных величин, так как физиче­ски вызываются теми же явлениями. Разграничение их с изучае­мыми величинами во многих случаях связано со значительными трудностями. Помехи могут характеризоваться теми же признака­ми, что и измеряемые величины; здесь же они лишь разделяются на независимые от входных величин и с ними связанные.

4. 
   КЛАССИФИКАЦИЯ ИИС ПО ПРИНЦИПАМ ПОСТРОЕНИЯ. РОЛЬ ЭВМ.
   

[Л.1, глава 2, с.29] .
В обобщенной структурно-функциональной схеме ИИС (см. рис. 1.1) показаны основные блоки ИИС и их взаимосвязь. Дале­ко не всегда необходимо использовать весь приведенный на рис. 1.1 состав блоков в конкретных системах. Нужно также иметь в виду, что для выполнения одних и тех же функций могут быть созданы системы, существенно различающиеся по структуре и алгоритму ра­боты.

Число возможных структурных вариантов систем при указан­ном на рис. 1.1 количестве функциональных устройств будет очень большим. Классифицировать это многообразие возможных струк­тур для ИИС в целом весьма затруднительно. Видимо, рациональ­но рассмотреть структуры измерительных, контрольных и других систем отдельно, в соответствующих частях книги, выделив основ­ные функциональные элементы этих систем. В общей же класси­фикации ИИС целесообразно остановиться на наиболее общих принципах их построения (табл. 2.3).

Сделаем краткие пояснения к классификационным признакам этой таблицы.

Наличие специального канала связи, обеспечивающего передачу качественной информации от объекта, находящегося на большом расстоянии, приводит к необходимости решения ряда специфичес­ких вопросов. В соответствии с этим нужно выделить специальный класс телеинформационно-измерительных систем (ТИИС)—ИИС дальнего действия.