Информационно-измерительные системы

Информационно-измерительная система (ИИС) – совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной ин- формации, ее преобразования, обработки с целью представления потреби- телю (в том числе ввода в АСУ) в требуемом виде, либо автоматического осуществления логических функций измерения, контроля, диагностирова- ния, идентификации (распознавание образов).

Любая ИИС обладает необходимыми функциональными возможно- стями, технические и другие характеристики в решающей степени опреде- ляются объектом исследования, для которого данная система создается.

Назначение ИИС можно определить как целенаправленное опти- мальное ведение измерительного процесса и обеспечение смежных систем высшего уровня достоверной информацией. Исходя из этого, основные функции ИИС таковы: получение измерительной информации от объекта исследования, ее обработка, передача, представление информации опера-

тору и (или) ЭВМ, запоминание, отображение и формирование управляю-

щих воздействий.

Степень достижения функций принято характеризовать с помощью критериев измерения. ИИС оптимизируют по многим частичным критери- ям, таким как точность, помехоустойчивость, надежность, пропускная спо- собность, адаптивность, сложность, экономичность и др.

Состав и структура конкретной ИИС определяется общими техниче- скими требованиями, установленными ГОСТом, и частными требования- ми, содержащимися в техническом задании на ее создание.

ИИС должна управлять измерительным процессом или эксперимен- том в соответствии с принятым критерием функционирования; выполнять возложенные на нее функции в соответствии с назначением и целью; обла- дать требуемыми показателями и характеристиками точности, надежности и быстродействия; отвечать экономическим требованиям, предъявляемым к способам и форме представления информации, размещения технических средств; быть приспособленной к функционированию с ИИС смежных уровней иерархии, т.е. обладать свойствами технической, информацион- ной и метрологической совместимости; допускать возможность дальней- шей модернизации и развития и др.

Упрощенная схема взаимодействия основных компонентов ИИС

представлена на рис. 1.1.

 

Организационное Оперативный обеспечение персонал

 

Входная Информационное информация обеспечение

Выходная информация

 

Техническое обеспечение ЭВМ

Программное обеспечение

 

 

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

 

 

Рис.1.1. Основные компоненты информационно-измерительных систем.

 

 

Процессом функционирования ИИС (как и любой другой техниче- ской системы) является целенаправленное преобразование входной ин- формации в выходную. Это преобразование выполняется либо автоматиче-

ски комплексом технических средств (техническим обеспечением), либо совместно-оперативным персоналом и КТС в сложных ИИС, измеритель- но-управляющих системах. Чтобы люди и комплекс технических средств могли функционировать оптимально, необходимы соответствующие инст- рукции и правила. Эту задачу выполняет организационное обеспечение.

Математическое, программное и информационное обеспечение вхо-

дит в состав только ИИС с цифровым вычислительным комплексом.

• Математическое обеспечение – это модели и вычислительные

алгоритмы.

• Программное обеспечение гарантирует конкретную реализацию

вычислительных алгоритмов и алгоритмов функционирования

системы, охватывает круг решений, связанных с разработкой и эксплуатацией программ.

• Информационное обеспечение определяет способы и конкретные

формы информационного отображения состояния объекта иссле-

дования в виде документов, диаграмм, графиков, сигналов для их представления обслуживающему персоналу и ЭВМ для дальней- шего использования в управлении.

Всю систему в целом охватывает метрологическое обеспечение.

Технические средства ИИС состоят из следующих блоков:

1) множества первичных измерительных преобразователей (датчи-

ков);

2) множества вторичных измерительных преобразователей;

3) множества элементов сравнения – мер;

4) блока цифровых устройств;

5) множества элементов описания – норм;

6) множества преобразователей сигнала, средств отображения, па-

мяти и др.

Блоки 1 – 6 используют в цифровых ИИС; блоки 1, 2, 3 и 6 – в анало-

говых ИИС.

При наличии в составе ИИС ЭВМ информация к ЭВМ может посту-

пать непосредственно от устройств обработки и (или) хранения.

Каждому конкретному виду ИИС присущи многочисленные особен- ности, определяемые узким назначением систем и их технологически- конструктивным исполнением. Ввиду многообразия видов ИИС до на- стоящего времени не существует общепринятой их классификации.

Наиболее распространенной является классификация ИИС по функ- циональному назначению. По этому признаку ИИС реализуются в виде: измерительных систем (ИС); систем автоматического контроля (САК); систем технической диагностики (СТД); систем распознавания образов (идентификации) (СРО); телеизмерительных систем (ТИС).

Собственно ИС используются для различного рода комплексных ис- следований научного характера. Они предназначены для работы с объек- тами, характеризующимися до начала эксперимента минимумом априор- ной информации. Цель создания таких систем заключается в получении максимального количества достоверной измерительной информации об объекте для составления алгоритмического описания его поведения.

Обратная связь системы с объектом отсутствует или носит вспомога- тельный характер. Информация, полученная на выходе ИС, может исполь- зоваться для принятия каких-либо решений, создания возмущающих воз- действий, но не для управления объектом. ИС предназначена для создания дополнительных условий проведения эксперимента, для изучения реакции объекта на эти воздействия. Следовательно, использование информации не входит в функции ИС. Эта информация предоставляется человеку- оператору или поступает в средства автоматической обработки информа-

ции.

Для ИС характерны:

• более высокие по отношению к системам другого вида требования

к метрологическим характеристикам;

• более широкий спектр измеряемых физических величин и в осо-

бенности их количество (число измерительных каналов);

• необходимость в средствах представления информации - это свя-

зано с тем, что основной массив информации с выхода систем пе-

редается человеку для принятия им решения об изменении усло- вий проведения эксперимента, его продолжении или прекращении. Поэтому определяющим требованием является неискаженное, на- глядное и оперативное представление текущей информации с уче- том динамики ее обновления и быстродействия системы, обеспе- чивающее удобство восприятия и анализа человеком;

• большой объем внешней памяти для систем, в которых обработка

и анализ результатов измерений выполняются после завершения

процесса эксперимента с помощью набора различных средств об-

работки и представления информации.

Классификация ИС по функциональному назначению представлена на рис. 1.2, где:

"А" - ИС для прямых измерений, т. е. независимых измерений дис-

кретных значений непрерывных величин;

"Б" - статистические ИС, предназначенные для измерения статисти-

ческих характеристик измеряемых величин;

"В" - системы, предназначенные для раздельного измерения зависи-

мых величин.

Наиболее распространены системы для прямых измерений. Входны- ми в ИС для прямых измерений являются величины, воспринимаемые дат- чиками или другими входными устройствами системы. Задача таких ИС заключается в выполнении аналого-цифровых преобразований множества

величин и выдаче полученных результатов измерения.

 

Измерительные системы

 

«А» «Б» «В»

Многоканальные ИС Мультиплициро- ванные ИС Сканирующие ИС Многоточечные ИС

ИС для прямых измерений

Статистические

ИС

Раздельное изме- рение зависимых величин

 

ИС для измерения параметров рас- пределения слу- чайных процессов

 

Корреляционные

ИС

 

Системы спек-

трального анализа

Многомерные

ИС

 

Аппроксимирую-

щие ИС

 

Рис. 1.2. Классификация ИС по функциональному назначению

 

В рассматриваемых ИС основные типы измеряемых входных вели- чин могут быть сведены либо к множеству изменяющихся во времени t ве- личин {хi(t)}, i = 1,2,..., п,, либо к изменяющейся во времени и распреде- ленной по пространству S непрерывной функции x(t,S). При измерении не- прерывная функция x(t, S) представляется множеством дискрет x(ti, Sj), i =1,2,..., n, j =1,2,3.

Измерительные системы, производящие измерения дискрет функции x(t, S), основаны на использовании многоканальных, многоточечных, мультиплицированных и сканирующих структур.

Многоканальные системы параллельного действия объединяются в один из самых распространенных классов измерительных систем парал- лельного действия, применяемых во всех отраслях народного хозяйства. Основные причины столь широкого распространения многоканальных ИС заключаются в возможности использования стандартных, относительно простых, измерительных приборов, в наиболее высокой схемной надежно- сти таких систем, в возможности получения наибольшего быстродействия при одновременном получении результатов измерения, в возможности ин- дивидуального подбора СИ к измеряемым величинам. Недостатки таких систем – сложность и большая стоимость по сравнению с другими систе-

мами.

Мультиплицированные (с общей образцовой величиной) ИС име- ют меньшее число элементов, чем многоканальные параллельные ИС, но несколько меньшее быстродействие. В этих системах измерительная вели- чина сравнивается с линейно изменяющейся величиной. При фиксирован- ных моментах начала развертки и равенстве х и xk может быть определен интервал времени tx, пропорциональный значению xk. В многоканальной системе возникают трудности в разделении сигналов от элементов сравне- ния. В этом случае прибегают к специальным мерам.

В сканирующих ИС (ИС последовательного действия) – операции получения информации выполняются последовательно во времени с по- мощью одного канала измерения. Если измеряемая величина распределена в пространстве или собственно координаты точки являются объектом из- мерения, то восприятие информации в таких системах выполняется с по- мощью одного сканирующего датчика. Сканирующие системы находят применение при расшифровке графиков в медицине, геофизике, метроло- гии, при промышленных испытаниях, во многих отраслях народного хо- зяйства и при научных исследованиях затрачивается значительное время на измерение параметров графических изображений и представление ре- зультатов измерения в цифровом виде. Сканирование может выполняться непосредственно воспринимающим элементом или сканирующим лучом при неподвижном воспринимающем элементе. Такими элементами могут быть оптико-механические или электронно-развертывающие устройства. Недостаток систем – малое быстродействие.

Многоточечные ИС (ИС последовательно-параллельного действия) применяют в сложных объектах с большим числом измеряемых парамет- ров. В этих системах при множестве датчиков имеется всего один измери- тельный тракт и измерительный коммутатор. Недостаток систем – пони- женное быстродействие и точность за счет использования ключей комму- таторов.

По характеру взаимодействия системы с объектом исследования и обмена информацией между ними ИИС могут быть разделены на актив- ные и пассивные.

Пассивные системы только воспринимают информацию от объекта, а активные, действуя на объект через устройство внешних воздействий, позволяют автоматически и наиболее полно за короткое время изучить его поведение. Такие структуры широко применяются при автоматизации на- учных исследований различных объектов.

В зависимости от характера обмена информацией между объектами и активными ИИС различают ИС без обратной связи и с обратной связью по воздействию. Воздействие на объект может осуществляться по заранее установленной жесткой программе либо по программе, учитывающей ре- акцию объекта. В первом случае реакция объекта не влияет на характер воздействия, а следовательно, и на ход эксперимента. Его результаты мо- гут быть выданы оператору после окончания. Во втором случае результаты реакции отражаются на характере воздействия, поэтому обработка ведется в реальном времени. Такие системы должны иметь развитую вычислитель- ную сеть. Кроме того, необходимо оперативное представление информа- ции оператору в форме, удобной для восприятия, с тем чтобы он мог вме- шиваться в ход процесса.

Эффективность научных исследований, испытательных, поверочных работ, организации управления технологическими процессами с примене- нием ИИС в значительной мере определяется методами обработки измери- тельной информации.

Операции обработки измерительной информации выполняются в устройствах, в качестве которых используются специализированные либо универсальные ЭВМ. В некоторых случаях функции обработки результа- тов измерения могут осуществляться непосредственно в измерительном тракте, т. е. измерительными устройствами в реальном масштабе времени.

В системах, которые содержат вычислительные устройства, обработ-

ка информации может производиться как в реальном масштабе времени,

так и с предварительным накоплением информации в памяти ЭВМ, т. е. со сдвигом по времени.

При исследовании сложных объектов или выполнении многофактор- ных экспериментов применяются измерительные системы, сочетающие высокое быстродействие с точностью. Такие ИИС характеризуются боль- шими потоками информации на их выходе. Значительно повысить эффек- тивность ИИС при недостаточной априорной информации об объекте ис- следования можно за счет сокращения избыточности информации, т. е. со- кращения интенсивности потоков измерительной информации. Исключе- ние избыточной информации, несущественной с точки зрения ее потреби- теля, позволяет уменьшить емкость устройств памяти, загрузку устройств обработки данных, а следовательно, и время обработки информации, что снижает требования к пропускной способности каналов связи.

При проектировании и создании ИИС большое внимание уделяется проблеме повышения достоверности выходной информации и снижения вероятностей возникновения (или даже исключения) нежелательных си- туаций. Этого можно достичь, если на ИИС возложить функции самокон- троля, в результате чего ИИС способна осуществлять тестовые проверки работоспособности средств системы и тем самым сохранять метрологиче- ские характеристики тракта прохождения входных сигналов, проверять достоверность результатов обработки информации, получаемой посредст- вом измерительных преобразований, и ее представления.

Все более широкое развитие получают системы, предусматриваю- щие автоматическую коррекцию своих характеристик - самонастраиваю- щиеся (самокорректирующиеся) системы.

Введение в такие системы свойств автоматического использования результатов самоконтроля – активного изучения состояния ИИС – и при- спосабливаемое к изменению характеристик измеряемых сигналов или к изменению условий эксплуатации делает возможным обеспечение задан- ных параметров системы.