книги из ГПНТБ / Каверкин, И. Я. Анализ и синтез измерительных систем

И. Я. КАВЕРКИН, Э. И. ЦВЕТКОВ

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

«ЭНЕРГИЯ»

Ленинградское отделение 1974

Книга посвящена последовательному изло­ жению системотехнического подхода к разра­ ботке сложных измерительных систем. Рассмот­ рены основы системотехники и произведен ана­ лиз необходимого объема априорной информации. Рассмотрены методы оценки качества систем.

Показано, что техническим базисом совре­ менных методов проектирования измерительных систем является агрегатированный комплекс средств электроизмерительной техники (АСЭТ). Рассмотрены структура АСЭТ и принципы опти­ мизации его состава. В работе приведены ме­ тоды поиска оптимальных вариантов разраба­ тываемых систем и анализируются возможности повышения степени автоматизации проектиро­ вания.

Книга будет полезна специалистам в области средств электроизмерительной техники, в смеж­ ных областях, а также преподавателям, аспи­ рантам и студентам соответствующих специаль­ ностей.

30306-129

228-74

051 (01)-74

Рецензент Г. Н. Новопашенный

© Издательство « Э н е р г и я » , 1974

ВВЕДЕНИЕ

Современные тенденции развития электроизмери­ тельной техники определяются все более возрастаю­ щей ролью и сложностью процессов измерения, с кото­ рыми постоянно встречается практика научного экспе­ римента и промышленного производства.

Наряду с большим многообразием областей примене­

и организация потоков измерительной информации для обеспечения нормального функционирования сложных комплексов и систем. Все это обусловливает потребность в создании многофункциональных и многоканальных измерительных устройств, содержащих в своем составе элементы, обеспечивающие не только выполнение из­ мерительных преобразований, но также обработку полученной измерительной информации и развитые средства ее наглядного и компактного (без потерь ин­ формации) представления.

Такие устройства принято называть измерительными информационными системами (ИИС). Под ИИС пони­ мается [10] «совокупность технических средств электро­ измерительной техники, объединенных единством задачи и общим алгоритмом функционирования, характери­ зующаяся установленными оценками и предназначен­ ная для автоматического (автоматизированного) сбора информации непосредственно от объекта, ее преобразо­ вания, измерения, обработки, хранения и представле­ ния в форме, доступной для восприятия человеком и ввода в устройства управления объектом».

Накопление опыта разработки и эксплуатации из­ мерительных систем, развитие представлений об их воз­

3

можностях и особенностях делает необходимым выделение дополнительных признаков принадлежности средств из­ мерительной техники к классу ИИС. Особенно важно при этом учесть задачи метрологического обеспечения ИИС, и в первую очередь задачу определения результи­ рующих метрологических характеристик. Сопоставляя такие признаки ИИС, как сложность и многофункцио­ нальность, со спецификой двухуровневого проектиро­ вания и унификации технической базы, нетрудно сделать вывод, что ИИС должна состоять из устройств с норми­ рованными метрологическими характеристиками. Этим обеспечивается принципиальная возможность опреде­ ления метрологических характеристик ИИС по значе­ ниям метрологических характеристик составляющих их устройств. Введение в действие ГОСТ 8009—72 законо­ дательно закрепляет необходимость нормирования мет­ рологических характеристик измерительных средств та­ ким образом, чтобы обеспечить возможность определе­ ния метрологических характеристик ИИС, в состав кото­ рых эти средства входят. Следующий шаг должен быть направлен по пути разработки методов нормирования и определения результирующих характеристик, реали­ зующих созданные предпосылки.

Широкий диапазон применений ИИС и их разработки требуют решения ряда научных, технических и органи­ зационных задач. Специфика разработки и производства таких систем заключается в том, что приходится обра­ батывать большие массивы информации и выполнять значительный объем работы (в процессе проектирования

иизготовления) с затратой больших материальных и временных ресурсов. От качества создаваемых ИИС за­ висит эффективность функционирования комплексов и систем более высокого иерархического уровня — авто­ матизированных систем управления, информационных систем (связи, обнаружения полезных сигналов, опозна­ вания образов) и т. п. Становится необходимым приве­ дение в соответствие методов создания ИИС и их качества

стекущим уровнем научных и технических достижений

ихарактером задач, решаемых в процессе синтеза ИИС

исвязанных с их использованием.

4

К числу первоочередных проблем можно отнести следующие: переход к системотехническим методам про­ ектирования ИИС; создание технической базы для ИИС, обеспечивающей возможность их синтеза на основе агрегатирования; разработку типовых структурных ре­ шений и базовых моделей ИИС.

Настоящая книга имеет целью изложение основ современного подхода к созданию ИИС, анализ теку­ щего уровня в данной области и описание типовых реше­ ний. Книга состоит из четырех глав. В первой главе при­ водится общая характеристика измерений как вида обработки информации, рассматриваются информацион­ ная и структурная модели измерительной системы, а также излагаются основы системотехнического под­ хода к их синтезу. Кроме того, в этой же главе рассмот­ рен граф проектирования ИИС.

Во второй главе дается обзор и систематизация ме­ тодов формализованного представления массивов ин­ формации, используемых в процессе создания ИИС; излагается подход к оценке качества ИИС, а также обзор известных критериев и показателей.

Втретьей главе дается классификация ИИС и при­ водятся данные современных ИИС, представляющие широкий интерес.

Вчетвертой главе рассмотрены вопросы агрегати­ рования — основные принципы и задачи, а также структура и состав агрегатного комплекса средств электроизмерительной техники (АСЭТ).

от задач, решаемых во второй части. Первая часть по­ священа изложению основ системотехники применительно к ИИС, обсуждению общих вопросов проектирования и оценки качества ИИС, а также обзору уровня методо­ логии формализации информационных массивов. Во вто­ рой части рассматриваются известные структуры ИИС и принципы агрегатирования средств электроизмерительнойтехники, составляющих основутехнической базыИИС.

Различие задач и разнородность используемых ма­ териалов влечет за собой соответствующее несовпадение

5

Г Л А В А П Е Р В А Я

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ПРОБЛЕМЫ СИНТЕЗА

1-1. Измерения как вид обработки информации. Информационная и структурная модели

Основываясь на установившейся концепции измерений, т. е. исходя из того, что цель измерительной процедуры — получение количественных данных о значениях физических величин, рас­ смотрим в первую очередь отличие измерений от других способов получения количественных данных [31].

Подобная постановка вопроса обусловлена тем, что обработка информации, реализуемая широким классом средств, занимая все большее место в нашей деятельности, может базироваться на двух принципиально отличающихся друг от друга способах получения исходного массива данных. Один способ основан на проведении экс­ перимента с использованием реального объекта исследований. Другой — на использовании математической модели исследуемого объекта, построенной с помощью априорной информации.

Организация исследований при этом совершенно различна. Первый способ связан с проведением измерений. При использова­ нии же математических моделей в проведении измерений нет необходимости.

Вместе с тем, процедуры получения количественных данных о значениях физических величин (вне зависимости от способа по­ лучения) рассматриваются с единых позиций специальной матема­ тической дисциплиной — математической статистикой. В целях четкого определения общего и специфического в двух выделенных подходах рассмотрим эти вопросы подробнее.

Количественное значение некоторой характеристики (в общем случае многомерной) исследуемого объекта, получаемое с помощью установленного алгоритма, принято называть оценкой.

Пусть X — исследуемый объект, Х1 [х 1— оцениваемая харак­

где 5 — некоторый оператор, лежащий в основе определения оце­ ниваемой характеристики.

7

Например, при определении действующего значения напряжения электрического сигнала и (t) оценку получают с помощью оператора

Оценки первого вида получаются с использованием числовых массивов, являющихся составной частью априорной информации. Иначе говоря, получение оценки на основе вычислений предпола­ гает наличие математической модели исследуемого объекта X, пред­ ставляющей собой формализованную абстракцию.

Получение оценки с помощью измерений предполагает исполь­ зование реального физического объекта. Количественные дан­ ные о значениях характеристики

[х] получаются с установлен­ ной точностью посредством срав­ нения некоторых реальных ве­ личин с образцовыми.

Место измерительной процедуры в решении общей задачи по­ лучения и использования информации видно из рассмотрения схемы, приведенной на рис. 1-1. В соответствии с этой схемой от исследуемого объекта X к измерительному устройству И поступает некоторый сигнал Y x (t), являющийся носителем измерительной информации. С помощью измерительного устройства сигнал Y х (t)

преобразуется в числовой массив М [х, t], представляющий собой результат измерения, т. е. оценку. На устройство обработки инфор­

мации (УОИ), кроме массива М [х, t], поступает поток информации

Ф (t). В результате обработки массива М [х, t] и потока ф (t) форми­ руется некоторое суждение об объекте или принимается решение г (f) о дальнейшей стратегии поведения системы (воздействие на объект X, если речь идет об автоматизированном управлении; выдача информации о свойствах объекта, если речь идет о научном эксперименте и т. п.).

Данная схема отображает тот факт, что измерения являются вспомогательной операцией, направленной на получение инфор­ мации, необходимой для выполнения задач более высокого иерар­ хического уровня.

Такая трактовка представляется единственно возможной в рам­ ках системотехнического подхода к анализу и синтезу средств измерительной техники, поскольку обеспечивает возможность уста­ новления требований, предъявляемых к измерительным устройствам, и ограничений, на них накладываемых.

8

Классификация модификаций и детализация схемы, приведенной на рис. 1-1, может быть произведена с разных позиций. Так, можно различать замкнутые и разомкнутые системы, системы с измере­ нием однородных и разнородных параметров, системы с полной и частичной автоматизацией и т. д. Например, в [26] рассматривается возможность классификации измерительных средств по виду объекта измерения («обобщенного продукта»). Выделяется три вида объек­ тов: энергетические, вещественные и информационные. Однако, если иметь в виду типизацию структурных схем сложных измери­ тельных средств (измерительных систем), то на данной основе про­ вести последовательную классификацию представляется затруд­ нительным. Данный подход может оказаться чрезвычайно плодот­ ворным для исследования специфики технических решений средств измерения параметров таких разных «обобщенных продуктов», как энергетический, вещественный и информационный в рамках типовых структур.

Представляется целесообразным различать виды измерительной процедуры и соответствующие группы измерительных средств по следующим двум признакам: объем априорной информации об объекте исследования; способ использования измерительной инфор­ мации.

В соответствии с первым признаком процедуры измерения можно разделить на два вида. Первый охватывает измерения параметров объектов, о которых точно известно, что они собой представляют с физической и технической точек зрения (построены модели), но отсутствуют количественные данные о некоторой совокупности параметров. Конечная цель измерения — получение количествен­ ных значений этих параметров.

Второй вид составляют измерения параметров объектов, физи­ ческие и технические свойства которых известны лишь прибли­ женно. При этом цель измерений — уточнение модели объекта по­ средством получения количественных данных о некоторой совокуп­ ности параметров. Процедура измерений при этом, вообще говоря, носит итеративный характер.

Примером измерений первого вида могут служить измерения в системах технической диагностики, опознавания образов и т. п. Второй вид измерений характерен, в первую очередь, для научных исследований.

По способу использования измерительной информации проце­ дуры делятся на измерения с реализацией данных без сдвига во вре­ мени и на измерения с использованием полученной информации со сдвигом во времени. В первом случае в качестве определяющих вы­ ступают такие технические особенности, как быстродействие и ор­ ганизация ввода измерительной информации в устройство обработки. Во втором — организация представления и хранения измеритель­ ной информации.

Примером измерений с использованием получаемых данных непосредственно по их получении могут служить все измерения

9