Случайные стр.309-354 (Раздаточные материалы), страница 4

В зависимости от выполняемых функций из­мерительные системы можно условно разделить на три основных вида: измерительные системы измерения и хранения информации (условно назовем их прямыми измерительными системами), контрольно-измерительные (автоматического контроля) и теле­измерительные системы. К ИС относят также системы распозна­вания образов и системы технической диагностики, которые в радиоизмерениях не изучаются.

По числу измерительных каналов измеритель­ные системы подразделяются на одно-, двух-, трех- и многока­нальные (многомерные). Для совместных и совокупных измерений часто используют многоканальные, аппроксимирующие системы.

Наиболее бурно в настоящее время разрабатываются и вне­дряются прямые измерительные системы. Иногда эти системы называют гибкими измерительными системами (ГИС). Основной особенностью прямых измерительных систем является возмож­ность программным способом перестраивать систему для изме­рений различных физических величин и менять режим измере­ний. Изменений в аппаратной части при этом не требуется.

Прямые измерительные системы условно классифицируют как:

• информационно-измерительные системы (ИИС);

• измерительно-вычислительные комплексы (ИВК);

• компьютерно - измерительные системы (КИС).

Информационно-измерительные системы

Самым широким классом прямых измерительных систем яв­ляются информационно-измерительные системы (иногда их обо­значают термином измерительные информационные системы; аббревиатура одинакова — ИИС). Назначение ИИС определяют как целенаправленное оптимальное ведение измерительного про­цесса и обеспечение смежных систем высшего уровня достовер­ной информацией. Основные функции ИИС — получение изме­рительной информации от объекта исследования, ее обработка, передача, представление информации оператору или/и компью­теру, запоминание, отображение и формирование управляющих воздействий.

Информационно-измерительная система должна управлять измерительным процессом или экспериментом в соответствии с принятым критерием функционирования; выполнять возложен­ные на нее функции в соответствии с назначением и целью; об­ладать требуемыми показателями и характеристиками точности, помехоустойчивости, быстродействия, надежности, пропускной способности, адаптивности, сложности и прочее; отвечать эко­номическим требованиям, предъявляемым к способам и форме представления информации, размещения технических средств; быть приспособленной к функционированию с измерительными информационными системами смежных уровней иерархии и дру­гими ИИС, т.е. обладать свойствами технической, информацион­ной и метрологической совместимости, а также допускать воз­можность дальнейшей модернизации и развития. Процессом функционирования информационно-измерительной системы, как и любой другой технической системы, является целенаправлен­ное преобразование входной информации в выходную. Это пре­образование выполняют либо автоматически с помощью аппара­туры технического обеспечения, либо совместно — оперативным персоналом и аппаратурой технического обеспечения в сложных ИИС, ИВК и КИС.

Применение современных средств схемотехники (микро­схем, микропроцессоров и т.д.) коренным образом изменило принципы построения ИИС. Кроме того, методы достаточно обоснованного определения информационных потоков дают воз­можность уменьшить их избыточность. Это позволяет ставить задачу о возможно максимальном переносе обработки измери­тельной информации к месту ее формирования, т.е. перейти к конвейерной обработке измерительной информации в распреде­ленной ИИС. В целом такая система состоит из следующих ос­новных частей: системы первичных преобразователей (датчиков), устройств сбора и первичной обработки информации, средств вторичной обработки информации, устройств управления и кон­троля, устройств связи с другими системами объекта, накопите­лей информации.

По организации алгоритма функционирова­ния различают следующие виды информационно-измери­тельных систем:

• с заранее заданным алгоритмом работы, правила функцио­нирования которых не меняются, поэтому их можно использовать только для исследования объектов, работающих в постоян­ном режиме;

• программируемые, в которых изменяют алгоритм работы по
  заданной программе, составляемой в соответствии с условиями
  функционирования объекта исследования;

• адаптивные, чей алгоритм работы, а часто и структура, изменяются, приспосабливаясь к изменениям измеряемых величин и
  условий работы объекта;

• интеллектуальные, обладающие способностью к перена­стройке в соответствии с изменяющимися условиями функционирования и способные выполнять все функции измерения и
контроля в реальном масштабе времени.

Практически математическое, программное и информационное обеспечение входит в состав лишь ИИС с цифровыми вычислитель­ными комплексами.

Математическое обеспечение — аналитические (математи­ческие) модели объекта исследования (измерения) и вычисли­тельные алгоритмы.

В математическую модель объекта измерения входит описа­ние взаимодействия между переменными входа и выхода для ус­тановившегося и переходного состояний, т.е. модели статики и динамики, а также граничные условия и допустимое изменение переменных процесса. Форма записи математической модели может быть различна: алгебраические и трансцендентные урав­нения, дифференциальные уравнения и уравнения в частных производных. Могут использоваться переходные и передаточные функции, частотные и спектральные характеристики и пр. Разли­чают три основных метода получения математических моделей исследования ИИС: аналитический; экспериментальный; экспе­риментально-аналитический.

В последние годы при создании большинства ИС часто ис­пользуют математическое моделирование, реализующее цепочку: объект — модель — вычислительный алгоритм — программа для компьютера — расчет на компьютере — анализ результатов рас­чета - управление объектом исследования.

Алгоритм измерения может быть представлен программно, словесно, аналитически, графически или сочетанием этих мето­дов представления. Последовательность действий при этом не произвольна, а реализует тот или иной метод решения задачи.

Во всех случаях поставленная задача должна быть настолько точно сформулирована, чтобы не осталось места для различных двусмысленностей.

Программное обеспечение ИИС включает в себя системное и общее прикладное программное обеспечение, в совокупности образующее математическое обеспечение, реализуется про­граммной подсистемой. Системное программное обеспечение — это совокупность программного обеспечения компьютера, ис­пользуемого в ИИС, и дополнительных программных средств, позволяющих работать в диалоговом режиме; управлять измери­тельными компонентами; обмениваться информацией внутри подсистем комплекса; автоматически проводить диагностику технического состояния.

По существу, программное обеспечение ИИС представляет собой взаимодополняющую, взаимодействующую совокупность подпрограмм, реализующих:

• типовые алгоритмы эффективного представления и обработ­ки измерительной информации, планирования эксперимента и
  других измерительных процедур;

• метрологические функции комплекса (аттестацию, поверку,
  экспериментальное определение метрологических характеристик и т.п.);

• архивирование данных измерений.

Информационное обеспечение определяет способы и кон­кретные формы информационного отображения состояния объ­екта исследования в виде документов, диаграмм, графиков, сиг­налов для их представления обслуживающему персоналу и компьютеру для дальнейшего использования в управлении.

Всю измерительную систему в целом охватывает метрологи­ческое обеспечение (рис. 12.2).

Структура технической подсистемы ИИС состоит из следую­щих элементов:

• блока первичных измерительных преобразователей;

• средств вычислений электрических величин (измерительные компоненты);

• совокупности цифровых устройств и компьютерной техники
  (вычислительных компонентов);

• мер текущего времени и интервалов времени;

• устройств ввода-вывода аналоговых и цифровых сигналов с нормированными метрологическими характеристиками.

• блока вторичных измерительных преобразователей;

• совокупности элементов сравнения, мер и элементов описа­ния — норм;

• блока преобразователей сигнала, цифровых табло, дисплеев, элементов памяти и пр.;

• различных накопителей информации.

Кроме указанных, в систему может входить ряд устройств со­гласования со штатными системами объекта, с телеметрией и пр.

Важное значение имеет эргономическое, эффективное и на­глядное построение форм дисплея и управляющих элементов, называемых интерфейсом пользователя, обеспечивающих взаи­модействие оператора с компьютером. Эффективность интер­фейса заключается в быстром, насколько это возможно, развитии у пользователя простой концептуальной модели взаимодействия с ИИС. Другими важными характеристиками интерфейса пользо­вателя являются его наглядность и конкретность, что обеспечи­вают с помощью последовательно раскрываемых окон, раскры­вающихся вложенных меню и командных строк с указанием функциональных «горячих» клавиш.

В истории развития информационно-измерительных систем можно отметить ряд поколений.

Первое поколение характеризуется формированием концеп­ции ИИС и системной организацией совместной работы средств получения, обработки и передачи количественной информации. Это были в основном системы централизованного циклического получения измерительной информации с элементами вычисли­тельной техники. Данный период (конец 50-х —- начало 60-х го­дов прошлого столетия) называют периодом детерминизма, по­скольку для исследований в ИИС использовался аппарат аналитической математики.

Второе поколение связано с использованием адресного сбо­ра информации и ее обработки с помощью встроенных компью­теров. Элементную базу таких систем представляют микроэлек­тронные схемы малой и средней степени интеграции. Этот период (70-е годы прошлого века) характерен решением целого ряда вопросов теории систем в рамках теории случайных процес­сов и математической статистики, поэтому его принято называть периодом стохастичности.

Третье поколение отражается широким введением в инфор­мационно-измерительные системы БИС, микропроцессоров, микроЭВМ и промышленных функциональных блоков, совмес­тимых между собой по информационным, метрологическим, конструктивным, энергетическим и эксплуатационным характе­ристикам, а также созданием распределенных и адаптивных ИИС.

Четвертое поколение отличает появление гибких пере­страиваемых программируемых ИИС, что связано с развитием вычислительной техники. В элементной базе резко возрастает доля микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции.

Пятое поколение бурно развивается, что обусловлено появ­лением адаптивных, интеллектуальных и виртуальных измери­тельных информационных систем, построенных на базе персо­нальных компьютеров и современного математического и программного обеспечения.

Измерительно-вычислительные комплексы

Важной разновидностью ИИС являются измерительно-вычислительные комплексы — функционально объединенная с помощью специальной многоканальной магистрали система (со­вокупность) средств измерений, вычислительной техники, уст­ройств отображения информации и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения конкретной измерительной за­дачи. Основными признаками принадлежности измерительной системы к ИВК служат: наличие компьютера; программного управления средствами измерений; нормированных метрологи­ческих характеристик; блочно-модульной структуры, состоящей из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем.