автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Параметрический синтез информационно-измерительных систем с мультипликативным взаимодействием измерительных каналов

Введение.

Глава. 1. Анализ современных информационно-измерительных систем с мультипликативным взаимодействием измерительных каналов. . 11 Г Г Анализ управляющих систем, осуществляющих косвенные измерения .И

1.2. Анализ методов количественной оценки погрешностей измерений в информационно-измерительных системах, предназначенных для косвенных измерений.

1.3. Анализ моделей измерительной информации.

1.4. Обсуждение результатов анализа и постановка задачи.

Глава 2. Математическое описание погрешности динамических измерений в обобщенной информационно-измерительной системе с мультипликативными связями между измерительными каналами.

2.1. Линеаризация информационно-измерительной системы, содержащей мультипликативные связи между измерительными каналами.

2.2 . Погрешность линеаризации информационно-измерительной системы.

2.3. Математическая модель формирования погрешности в обобщенной информационно-измерительной системе, содержащей мультипликативную нелинейность.

Выводы.

Глава 3. Погрешность обработки информации в типовой информационно-измерительной системе содержащей мультипликативные связи между измерительными каналами.

3.1. Внутренняя структура ИИС и математические модели ее компонент.

3.2. Погрешность динамических измерений ИИС при измерении некоррелированных сигналов.,.

3.3. Погрешность динамических измерений ИИС при измерении коррелированных сигналов.

Выводы.

Глава 4. Исследование метрологических характеристик ИИС с мультипликативными связями между измерительными каналами.

4. Г Проверка адекватности математических моделей.

4.ЬЬ Имитационное моделирование как метод проверки адекватности моделей.

4.1.2 Гармоническая модель измеряемых сигналов.

4.1.3. Метод моделирования измеряемых сигналов на основе гармонического разложения.

4.1.4. Погрешность моделирования измеряемых сигналов

4.1.5. Анализ методических погрешностей гармонического метода моделирования измеряемых сигналов с заданными корреляционными свойствами.

4.1.6. Проверка адекватности математических моделей . . . 105 4.2. Исследование метрологических характеристик информационно-измерительных систем с мультипликативным взаимодействием измерительных каналов.

Выводы.

Повышение степени автоматизации управления современным производством, усложнение технологических процессов, увеличение объемов информации, подлежащей обработке, привело к необходимости контролировать все более и более сложные параметры технологических и производственных процессов - так называемые технико-экономические показатели (ТЭП). Особенностью этих показателей является то, что зачастую не существует датчиков или приборов, позволяющих непосредственно получить их значения, в связи с чем оценка значения технико-экономического параметра осуществляется посредством косвенных измерений. В качестве примера таких показателей можно привести коэффициенты полезного действия отдельных агрегатов или устройств. Для измерения текущих значений ТЭП в современных управляющих комплексах используются информационно-измерительные системы (ИИС), осуществляющие основные стадии процедуры измерения: формирование измерительного сигнала от измеряемой физической величины; его нормирование, аналого-цифровое преобразование нормированного измерительного сигнала для получения цифровых результатов измерения, предварительная обработка результатов измерений; вычисление значения технико-экономического показателя, представление пользователю результатов измерения. При этом возникает проблема рациональной обработки информации в информационно-измерительных системах, поскольку ИИС имеют сложную структуру, состоят из нескольких измерительных каналов, содержащих как аналоговые устройства, так и программно реализованные алгоритмы преобразования измерительной информации. Еще одним отличием ТЭП от параметров технологических процессов, измеряемых прямым образом, является наличие динамической связи между входящими в расчетную формулу величинами, что приводит к необходимости включения в структуру ИИС программных компенсирующих звеньев.

Сложность системы, использование дорогостоящего оборудования, большие временные затраты времени и средств на создание и внедрения ИИС приводит к необходимости проработки вопросов расчета и проектирования измерительных систем. Особенно важным представляется решение проблемы параметрического синтеза, то есть выбора параметров функциональных элементов ИИС, обеспечивающих заданную точность измерений, поскольку решение задачи структурного синтеза во многом обусловлено перечисленными выше преобразованиями измерительной информации, осуществляемых в ИИС, что привело к унификации ее структуры, в связи с чем можно говорить о параметрической оптимизации типовой многоканальной ИИС, осуществляющей косвенные измерения.

Разработка теории расчета ИИС, осуществляющих косвенные измерения, должна стать основой для создания эффективных методов проектирования информационных подсистем АСУТП, позволив оптимизировать ее метрологические характеристики, создавать САПР для проектирования, сократить временные затраты на этапе проектирования, что позволяет сделать вывод об актуальности решаемой в данной работе задачи.

Поставленная задача решалась в рамках

- региональной научно-технической программы "Научные, технические, экономические и экологические проблемы г.Волжского" по программе Н.Р.200 "Вузовская наука регионам" Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации;

- единого заказа-наряда, финансируемого Минобразования РФ из средств федерального бюджета (темы: 32 ВАЭ/02-Б-96, № 2/07-Б-99);

- выполнения хоздоговоров № 2/5-97 с Нижневолжрыбвод и № 2/09-99 с Волгоградским осетровым рыбоводным заводом. т-ч и о

В результате проведенных исследований для достижения поставленной цели в работе удалось решить следующие задачи:

1. Исследовать структуру информационно-измерительных систем, предназначенных для измерения технико-экономических показателей производства.

2. Разработать математическую модель погрешности обработки измерительной информации в программно-аппаратных информационно-измерительных системах с мультипликативным взаимодействием измерительных каналов.

3. Разработать методику имитационного моделирования многоканальных информационно-измерительных систем.

4. Доказать адекватность разработанных математических моделей процессам, происходящим в реальных информационно-измерительных системах.

5. Исследовать метрологические характеристики ИИС по полученным математическим моделям.

6. Разработать методику параметрического синтеза программно-аппаратных ИИС, обеспечивающих выбор оптимальных параметров структурных составляющих ИИС с точки зрения минимума среднеквадратичной погрешности обработки информации.

Научная новизна результатов проведенных исследований состоит в следующем:

1. Предложена математическая модель информационно-измерительной системы с мультипликативным взаимодействием каналов;

2. Предложены математические модели формирования погрешности в ИИС с мультипликативным взаимодействием каналов для различных режимов ее функционирования, которые легла в основу исследования метрологических характеристик ИИС подобного рода, а также используются при параметрическом синтезе измерительных систем.

3. Исследованы метрологические характеристики многоканальных нелинейных ИИС с мультипликативным взаимодействием измерительных каналов; результаты исследований положены в основу разработанной методики расчета оптимальных ИИС.

Проведенные исследования являются теоретической базой для создания алгоритмического и программного обеспечения систем автоматизированного проектирования информационно-измерительных систем; результаты исследований могут быть обобщены для анализа и синтеза многоканальных нелинейных ИИС с функциями преобразования, отличными от мультипликативной.

Наибольшую практическую ценность представляют:

1. Методика параметрического синтеза программно-аппаратных информационно-измерительных систем, обеспечивающих заданную точность получаемых оценок технико-экономических параметров.

2. Методика имитационного моделирования многоканальных нелинейных ИИС, позволяющая проводить эксперименты по исследованию характеристик ИИС на имитационной модели в условиях, наиболее приближенных к реальным.

3. Аналитические соотношения, позволяющие оценить метрологические характеристики ИИС с мультипликативным взаимодействием измерительных каналов.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель информационно-измерительной системы с мультипликативным взаимодействием каналов

2. Математическая модель погрешности обработки информации в обобщенной программно-аппаратной ИИС с мультипликативным взаимодействием измерительных каналов.

3. Математические модели погрешности обработки информации в типовой программно-аппаратной ИИС с мультипликативным взаимодействием измерительных каналов, разработанные для различных внешних условий ее эксплуатации.

4. Методика параметрического синтеза программно-аппаратных ИИС с мультипликативным взаимодействием измерительных каналов, обеспечивающих заданную точность получаемых оценок технико-экономических параметров.

В качестве теоретической основы исследований были использованы теория случайных функций, теория автоматического управления, методы оптимизации и имитационного моделирования.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и трех приложений.

Выводы

Методом имитационного моделирования на ЭВМ была доказана адекватность полученных в предыдущих главах математических моделей реальным информационно-измерительным системам. При этом особое внимание было уделено моделированию внешних по отношению к ИИС воздействий - полезных сигналов и помех. Для генерации измеряемых сигналов был использован гармонический метод моделирования систем случайных стационарных систем. Был дан анализ погрешности моделирования, результаты которого легли в осцову алгоритма расчета параметров моделирующего алгоритма в приложении 2.

Исследование математических моделей позволило выявить следующие особенности ИИС:

1. Не существует оптимального значения периода опроса датчика в системе (точнее, это значение равно 0). Однако, в области малых погрешность обработки информации практически не зависит от уменьшения периода опроса, в связи с чем оптимальным периодом опроса датчика в ИИС является такое его значение, которое, при обеспечении погрешности измерений, близкой к минимальной, позволяет разгрузить вычислительные мощности ИИС.

2. В связи с тем, что каждый канал ИИС испытывает воздействие собственных помех, существуют оптимальные параметры для каждого из цифровых фильтров, входящих в структуру измерительных каналов системы.

3. На погрешность обработки информации в системе существенно влияют динамические свойства объекта управления: погрешность тем больше, чем больше временное рассогласование сигналов, измеряемых в разных точках объекта управления.

Выявленные особенности ИИС были учтены цри разработке методики параметрического синтеза ИИС с мультипликативным взаимодействием каналов, изложенной в приложении 1.

115

Заключение

В диссертационной работе представлены результаты исследования метрологических характеристик информационно-измерительных систем, содержащих мультипликативные связи между измерительными каналами, которые легли в основу разработанных методов параметрического синтеза ИИС подобного рода, обеспечивающих заданную точность измерения технико-экономических параметров производственных и технологических процессов. Были рещены следующие теоретические и практические задачи:

1. Получены математические модели процесса формирования погрешности в обобщенной и типовой ИИС, содержащих мультипликативные связи между измерительными каналами как функции от основных параметров ИИС (период опроса датчиков, постоянные времени цифровых фильтров, параметров аналоговых устройств входящих в состав ИИС измерительных каналов, динамических свойств объекта управления), а также параметров внешних воздействий на ИИС (измеряемых сигналов и помех).

2. Методом имитационного моделирования доказана адекватность полученных математических моделей процессам, протекающим в реальных ИИС.

3. С использованием полученных моделей исследованы метрологические характеристики информационно-измерительных систем. Получены зависимости среднеквадратичной погрешности обработки информации от различных параметров системы и параметров внешних воздействий.

4. Разработана методика параметрического синтеза ИИС с мультипликативным взаимодействием измерительных каналов, позволяющая на этапе проектирования информационных подсистем АСУТП подбирать оптимальные параметры ИИС при заданной стр}Лтре согласно выбранному критерию - минимуму среднеквадратичной погрешности обработки информации.

116

5. Предложена методика программного имитационного моделирования многоканальных ИИС, осуществляющих косвенные измерения, позволяющая моделировать воздействия внешней среды на исследуемый объект различной сложности - коррелированные и некоррелированные, что значительно повышает степень соответствия программной имитационной модели измерительной системе, работающей в реальных условиях.

6. Разработанные математические модели и методики были апробировании при проектировании информационных подсистем АСУТП системы водоснабжения рыбоводного комплекса, а также производства морфолина.

Разработанные математические модели и методики могут быть использованы как алгоритмическая основа при создании систем автоматизированного проектирования ИИС.

Обобщая результаты исследования, можно сделать вывод о том, что они представляют собой теоретическую и методологическую основу расчета параметров ИИС и поэтому могут быть полезны проектировщикам информационных подсистем АСУТП.

1. Антушев Г.С. Методы параметрического синтеза сложных технических систем. М.: Наука, 1989. - 88 с.

2. Баранов Л.А. Квантование по уровню и временная дискретизация в цифровых системах управления. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 304 с.

3. Бендат Д., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа.- М.: Мир, 1983. 312 с.

4. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных процессов. М.: Мир, 1989. - 464 с.

5. Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах. М.: Мир, 1986.-398с.

6. Быков Ю.М. Основы обработки информации в АСУ химических производств: Теория и расчет информационных подсистем. Л.: Химия, 1986.- 152 с.

7. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. - 576 с.

8. Волгин В.В., Каримов Р.Н. Оценка корреляционных функций в промышленных системах управления. М.: Энергия, 1979. - 80 с.

9. ГОСТ 8.009-72. ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. М.: Изд-во стандартов, 1972. - 38 с.

10. Ю.Грановский В.А. Динамические измерения: основы метрологического обеспечения. Л.: Энергоатомиздат, 1984. 220с.

11. П.Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л.: Энергоатомиздат, Ленинград, отд., 1990. - 288с.

12. Гусев В.Г. Методы исследования точности цифровых автоматических систем. М.: Наука, 1991.- 97с.

13. Данилов СИ. Параметрический синтез измерительных каналов в автоматизированной системе управления технологическим процессом:

14. Дис.канд. техн. наук: 05.11.16. Волжский, 2000. - 146 с.

15. Деч Ралф Нелинейные преобразования случайных процессов. М.: Сов.радио, 1965.-207с.

16. Дороговцев А.Я. Теория оценок параметров случайных процессов. -Киев : Вища школа, 1982. 192с17. жовинский А.Н., Жовинский В.Н. Инженерный экспресс-анализ случайных процессов. -М.: Энергия, 1979.

17. Заико А.И. Точность аналоговых линейных измерительных каналов ИИС. М.: Изд-во стандартов, 1987. - 135с.19.3емельман М.А. Метрологические основы технических измерений. М.: Изд-во стандартов, 1991. 227с.

18. Инструкция N 59 аппаратчику перегонки и получения товарного мор-фолина. ОАО "Волжский оргсинтез",1993

19. Исследования в области методологии метрологического обеспечения ИИС/ сб. науч. трудов. Львов: ВНИИМИУС, 1984. 84с.

20. Ицкович Э.Л. Контроль производства с помрш;ью вычислительных машин. -М.: Энергия, 1975. 417 с.

21. Кавалеров Г.И., Мандельштам СМ. Введение в информационную теорию измерений. М.: Энергия, 1974. - 375 с.

22. Коломейцев Л.А., Хрулло В.М. Номенклатура нормируемых характеристик ИВК и их контроль при испытаниях// Теоретические и прикладные исследования в области системных измерений: сб.науч. трудов. Львов: ВНИИМИУС, 1987. - с. 24-30.

23. Краус М., Вашны Э. Измерительные информационные системы. М.:1. Мир, 1975.-310 с.

24. Куликов Е.И. , Трифонов А.П. Оценка параметров сигналов на фоне помех. М. : Сов. радио, 1978. ~ 296с.

25. Куликовский Л.Ф., Заико А.И. Метод нормирования погрешностей информационно-измерительных систем//Измерительная техника.1981. №8.-0.16-19.

26. Луговой М.И. Связь точности прямых и косвенных измерение/Измерительная техника. 1988. - №5. - С.9-10.

27. Лясин Д.Н., Данилов СИ., Шевчук В.П. Критерий качества линейных программно-аппаратных информационно-измерительных каналов/ ВолгГТУ. Волгоград, 1999. - 16 с. - Деп. в ВИНИТИ 21.06.99, № 1990- В99.

28. Лясин Д.Н., Данилов СИ., Шевчук В.П. Оптимизация параметров линейных программно-аппаратных измерительных каналов в АСУТП/ ВолгГТУ. Волгоград, 1999. - 19 с. - Деп. в ВИНИТИ 10.06.99, № 1883- В99.

29. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ. М.: Радио и связь,1988.-232с.

30. Математическое обеспечение сложного эксперимента, т.1. Обработка измерений при исследовании сложных систем. Киев: Наук думка,1982. -304с.

31. Метрологическое обеспечение динамических измерений в ИИС//сб. науч. трудов. Львов: ВНИИМИУС, 1984. - 104с.

32. Миф Н.П. Модели и оценка погрешностей технических измерений.

33. М.: Изд-во стандартов, 1976. 143 с.

34. Пугачев В.И. Комбинированные методы определения вероятностных характеристик. М.: Сов.радио, 1973

35. Сенин А.Г. Распознавание случайных сигналов. Новосибирск: Наука, 1974.-76с.

36. Тихонов В.И. Нелинейные преобразования случайных процессов. М.: Радио и связь, 1986. 295с.

37. Фалькович СЕ. Статистическая теория измерительных радиосистем. М.: Радио и связь, 1981.-287с.

38. Цветков Э.И. Процессорные измерительные средства. Л.: Энерго-атомиздат, 1989. - 224 с.

39. Чернявский Е.А., Селиванов E.H., Сильвеструк Ю.А. Информационная теория средств измерений и контроля. Саратов: изд-во Соратовского университета, 1988. - 125с.

40. Шевчук В.П. Исследование динамических погрешностей ИИК в системах автоматического управления по косвенным показателям: Дис. д-ра техн. наук: 05.11.16. Волжский, 1995. - 390 с.

41. Шевчук В.П. Теория информационных каналов систем управления. Математические основы описания линейных и нелинейных программно-аппаратных каналов обработки информации: Учебное пособие.

42. Волгоград: ВолгГТУ, 1993.- 128 с.

43. Шевчук В.П., Лясин Д.Н., Данилов СИ. Принципы математического описания информационно-измерительных систем с мультипликативным взаимодействием измерительных каналов//В опросы физической метрологии. 2000. - № 2. С.28-41.

44. ЗО.Шевчук В.П., Данилов СИ., Лясин Д.Н. Принципы математического описания программно-аппаратных информационно-измерительных ка-налов//Вопросы физической метрологии. 1999. - № 1. С.21-34.

45. Шевчук В.П., Ковалева Т.Н. и др. Авт. свид. N 736418 СССР МКИ. Способ автоматического управления процессом абсорбции десорб-ции.-Опубл. 29.01.80.

46. Шевчук В.П., Муха Ю.П. Прикладные методы для автоматизированного проектирования АСУТП. Методы проектирования информационных подсистем: Учебное пособие. Волгоград: ВолгГТУ, 1992. - 80с.

47. Шевчук В.П., Попов В.А. и др. Авт. свид. N 589013 СССР МКИ. Способ управления процессом регенерации катализатора в стационарном слое. Опубл. Б.И. N 3, 1978.

48. Шелухин О.И., Беляков И.В, Негауссовские процессы. Спб.: Политехника, 1992.-312.

49. Шенброт И.М., Гинзбзфг М.Я. Расчет точности систем централизованного контроля. М.: Энергия, 1970. - 408 с. •

50. Яглом A.M. Корреляционная теория стационарных случайных функций. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 280с.122