Файл: Каверкин, И. Я. Анализ и синтез измерительных систем.pdf

в системах автоматического управления. Измерения, результаты которых используются со сдвигом во времени, производятся, на­ пример, при всякого рода испытаниях (прочностных, термических и т. п.).

Таким образом, используя в качестве признаков, определяющих специфику процедуры измерений, объем априорной информации об объекте исследований и способ использования измерительной информации, получаем четыре различных вида измерений:

1. Измерения параметров объектов с известной моделью и реа­ лизацией полученных данных без сдвига во времени.

2. Измерения параметров объектов с известной моделью и реа­ лизацией полученных данных со сдвигом во времени.

S[x]

I----------------1

Рис. 1-2. Информационная модель системы

3.Измерения параметров объектов мало изученных и реали­ зацией полученных данных без сдвига во времени.

4.Измерения параметров объектов мало изученных с реализа­ цией полученных данных со сдвигом во времени.

Детальное рассмотрение базовых структурных схем выделенных групп измерительных средств (систем) будет приведено ниже. Обсудим некоторые общие аспекты современного подхода к измери­ тельным системам как подсистемам информационных средств более высокого иерархического уровня.

Рассмотрим информационную (рис. 1-2) и структурную (рис. 1-3) модели информационной системы. Заметим, что в данном случае эти модели представляют собой модификации математической мо­ дели, т. е. описывают объект логико-математическими средствами [20]. Различие заключается в том, что информационная модель

есть описание информационных потоков (сообщений и команд) и их преобразований в системе, а структурная — описание состава системы и характера взаимодействия функциональных узлов.

Принятые обозначения: т [х] — математическая модель ис­ следуемого объекта Х\ І г [Хх ], / 3 [Ä-Д —• потоки информации о ха­

10

рактеристике bei; S „ — оператор измерения значений характе­ ристики Лі Іх]; 5 В— оператор вычисления значений характе­ ристики Хх [х]; Ф Іх] — поток информации об исследуемом объекте, поступающий непосредственно в устройство, формирующее сужде­

или последовательности, являющиеся носителями потоков инфор­ мации І г [Ях] и І 2 [XJ; /Сг, Къ, К з — управляющие воздействия, являющиеся отработкой команд R x lx], R 2 [х], R 3 [х] соответ­ ственно.

Данная модель позволяет выделить измерительную часть (блок И) информационной системы и установить характер ее взаимодействия и взаимосвязи с остальными подсистемами.

Конструктивно измерительное устройство может быть выпол­ нено как составная часть всей системы или в виде автономного средства. В первом случае устройство называют измерительной частью информационной системы, а во втором — измерительной системой.

Естественно, измерительная система в отличие от измеритель­ ного прибора характеризуется рядом признаков, основные из кото­ рых следующие: многофункциональность (многоканальность); слож­

11

ный характер взаимодействия составных частей; наличие блоков (каналов), обладающих всеми признаками самостоятельного изме­ рительного устройства.

Несмотря на то что формальное определение измерительной системы, основанное на количественных оценках некоторой сово­ купности характеристик, в настоящее время еще не разработано и приходится ограничиваться приведенным качественным определе-

Рис. 1-4. Информационная модель измерительной системы

нием, на практике это определение оказывается, как правило, достаточным и позволяет успешно решать задачи разработки и изготовления измерительных систем.

Измерительная часть структурной модели информационной системы в общем случае связана с остальными подсистемами тремя каналами:

Рис. 1-5. Структурная модель измерительной системы

каналом поступления входного потока информации, носителем которого является і [Л.х ];

каналом выдачи данных о результатах измерений, по которому

идет поток информации Аі [х]\ каналом поступления команд R.

Рассмотрим информационную (рис. 1-4) и структурную (рис. 1-5) модели измерительной системы (измерительной части информаци­ онной системы).

Принятые обозначения: 5 Х— оператор преобразования вход­ ного потока информации Л [?ц] в поток І\ [Ац], из которого про-

12

ционально связанная с характеристикой Aj [х] (при прямых изме­

5і [Iі [Ki]] —/1 [A,j],

На рисунке R u Ri, Ri — потоки управляющих команд, от­ носящихся к операторам S lt S 2, S 3 соответственно; ПІ — преобра­

зователь электрического процесса jTIAJ в процесс і\ [А-і ], т. е. устройство, реализующее оператор S x; М — образцовая мера; К — компаратор (в совокупности устройства М и К реализуют

оператор S 2)\ П2 — преобразователь количественных данных Ö! [х]

в количественные данные Aj [х], при прямых измерениях отсут­ ствует; БПИ — устройство представления измерительной инфор­

мации; із [А,*] — процесс, являющийся носителем количественных данных (индикация, запись, код и т. п.); в совокупности устройства П 2 и БПИ реализует оператор S 3. "

Установление взаимосвязи измерительных систем с остальными подсистемами информационных систем и наличие информационной

иструктурной моделей измерительных систем обеспечивают воз­ можность формализованной постановки задачи создания новых средств на базе формализованного представления исходных данных

иунифицированных технических решений. При этом разработка унифицированных устройств, составляющих измерительные си­ стемы, ведется на базе обобщенных данных о требованиях, предъяв­ ляемых к измерительным системам по роду измеряемых характе­ ристик, точности, чувствительности, пределам измерений и другим ключевым параметрам.

Рассмотренные информационная и структурная модели измери­ тельных систем представляют собой наиболее общую форму опи­ сания их принципов построения и функционирования. Тот факт, что измерительные системы, как правило, суть многофункцио­ нальные и многоканальные устройства с большим количеством подсистем и развитой сетью внутренних и внешних связей, чрез­ вычайно усложняет решение вопросов их анализа и синтеза. В про­ цессе исследования измерительных систем приходится примирять

такие противоречивые факторы, как использование большого объема исходной информации с принятием обоснованных наилуч­

13

ших решений и разработка типовых решений при существенно разнообразных требованиях, предъявляемых к системам (по харак­ теру и числу решаемых задач, например).

Приведенная выше первичная классификация измерительных систем по объему априорной информации об объекте исследований и способу использования измерительной информации относится, по существу, к одноканальной системе, решающей одну задачу. Вводя в качестве характеризующих систему признаков еще пока­ затели числа каналов и числа решаемых задач (уровень многока­ нальное™ и многофункциональности), можно на основе приве­ денной выше классификации видов измерений получить удобную и достаточно общую классификацию типов измерительных систем.

Пусть /, Р, N и М — символы, обозначающие априорную информацию, способ использования измерительной информации, число каналов и число решаемых задач соответственно. Ограничи­

Заметим, что данная классификация позволяет в ряде случаев устанавливать относительную сложность систем без использования информации о характере решаемых задач и конкретных требованиях к значениям технических параметров (точность, быстродействие и т. п.). Так, например, можно построить следующую цепочку неравенств для произвольного показателя сложности С систем:

С (1, 1, 1, 1)< С (2, 1, 1, 1)< С (2, 2, 1, 1 )<

< С ( 2, 2, 2, 1 ) < С (2, 2, 2, 2).

14

При этом оговаривается только, что прочие характеристики более простой системы (характер решаемых задач, значения техни­ ческих параметров, накладываемые ограничения и т. п.) совпадают

необходимо, чтобы измерительная задача, реализуемая первой системой, входила в число измерительных задач, реализуемых второй системой.

Подобный подход к классификации систем и оценке уровня их сложности существенно облегчает систематизацию исходных дан­ ных при проектировании новых измерительных систем, что состав­ ляет необходимый элемент системотехнического подхода к их син­ тезу.

Из изложенного уже видно, что существенной особенностью проектирования измерительных систем является необходимость ис­ пользования и обработки больших массивов исходной (априорной) и промежуточной информации. Данная проблема являетс?Гобщей для всех областей техники, связанных с разработкой и изготовле­ нием сложных систем. Соответствующая научная дисциплина, посвященная общим вопросам проектирования сложных устройств (агрегатов), носит название системотехники и в настоящее время интенсивно разрабатывается."ОднаксГдо сего момента специалистам не удалось выработать ни единого подхода к проблеме, ни даже единой терминологии, хотя в свет вышло значительное число ра­

к синтезу измерительных систем и анализируются проблемы, под­ лежащие разрешению в целях обеспечения повышения уровня проектирования и, соответственно, качества создаваемых систем.

1-2. Основы системотехнического подхода к синтезу измерительных систем

Усложнение технических средств требует совершенствования методов их проектирования. Именно этим, как уже отмечалось, обусловлено интенсивное развитие новой научной дисциплины — системотехники, представляющей собой теорию проектирования | (разработки) сложных технических устройств.

В работе [33] приведены основные определения и дана общая постановка задачи нахождения оптимального варианта построения сложной системы, которых мы и будем придерживаться. Кратко постановка задачи сводится к следующему.

Система предназначена для решения совокупности задач, со­ ставляющих множество А = {at-}"a . Работа системы при решении

15