автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Разработка алгоритмов синтеза измерительных каналов

На правах рукописи

Обоишев Михаил Юрьевич

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ СИНТЕЗА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ

Специальность: 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие

системы (приборостроение)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2004

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» имени В.И.Ульянова (Ленина).

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Алексеев В.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кондрашкова Г.А., кандидат технических наук, доцент Коршунов И.Л.

Ведущая организация - ОАО «НИИ Электромера» (ВНИИЭП).

Защита диссертации состоится « {0 » 11(1 2004 г. в часов

на заседании диссертационного совета Д 212.(238.06 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « » С&СГЯ^Я 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Юлдашев З.М.

' то

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Необходимость создания информационно-измерительных и управляющих систем, предназначенных для эксплуатации в условиях большого числа воздействующих величин, многообразие предъявляемых к ним требований существенным образом затрудняют задачу построения обладающих оптимальными характеристиками подобных систем вообще, и их измерительных каналов в частности. Проектирование измерительных каналов, обладающих оптимальными характеристиками, является очень трудоемкой задачей, автоматизация которой требует скорейшего решения.

Актуальность настоящей работы обусловлена необходимостью разработки алгоритмов и методики, позволяющих автоматизировать проектирование измерительных каналов, функционирующих в условиях, отличающихся от нормальных. Поставленная задача требует предварительной систематизации метрологических знаний и формализации постановки задания на проектирование.

Автоматизация структурного синтеза измерительных каналов информационно-измерительных и управляющих систем особенную актуальность приобретает при необходимости построения измерительных каналов, обладающих оптимальными характеристиками, при наличии большого количества предъявляемых к проектируемому измерительному каналу требований и при широкой номенклатуре измерительно-вычислительных средств.

Работа посвящена решению задачи синтеза (проектирования) измерительных каналов, построенных по блочно-модульному принципу на основе функционально законченных средств измерительно-вычислительной техники, эксплуатирующихся в условиях воздействия влияющих величин и обладающих оптимальными характеристиками.

Предметом исследования является задача проектирования измерительных каналов информационно-измерительных и управляющих систем, функционирующих в условиях, отличающихся от нормальных.

Целью работы является разработка алгоритмов и методики синтеза измерительных каналов, построенных на основе функционально законченных средств измерительно-вычислительной техники (измерительных модулей), эксплуатирующихся в условиях, отличающихся от нормальных.

В соответствии с поставленной целью в работе формулируются и решаются следующие основные задачи:

1. Обосновывается необходимый состав априорных знаний об используемых измерительных модулях и воздействующих на проектируемый измерительный канал величин (измеряемого сигнала и влияющих величин) на основе расчетных соотношений для оценки погрешности, вносимой измерительными модулями при преобразовании измеряемого сигнала, и модели оценки погрешности результата измерений на основе характеристик входя-

РОС НА и ИиНАЛЬНАЯ

БИЬ ' , Г:ТЕКД

гообрк

С.Оетерб^г

•ОТЕКА

щих в измерительный канал модулей.

2. Разрабатываются алгоритмы синтеза измерительных каналов, выполняющие сокращение пространства поиска возможных решений.

3. Разрабатываются алгоритмы формирования множества возможных решений поставленной задачи, их анализа и выбора среди них наилучшего.

4. На основе разработанных алгоритмов разрабатывается методика синтеза измерительных каналов, позволяющая на основе доступного измерительного ресурса построить измерительные каналы, обладающие оптимальными характеристиками.

Методы исследования основаны на общей теории оптимизационных задач, теории алгоритмов, алгоритмической теории измерений, методах расчета погрешностей и накопленных к настоящему времени опыте и результатах в области проектирования измерительных систем.

Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие научные результаты.

1. Обоснованы типовые способы задания характеристик влияющих величин, позволяющие на основе нормируемых метрологических характеристик измерительных модулей производить оценку вносимой измерительными модулями погрешности.

2. Предложена модель декомпозиции требований к метрологическим характеристикам аналоговой и цифровой частей измерительных каналов, базирующаяся на реализуемом каналом измерительном алгоритме.

3. Разработаны алгоритмы и методика синтеза, позволяющие автоматизировать процесс проектирования измерительных каналов, эксплуатирующихся в условиях воздействия влияющих величин, отличающихся от нормальных.

Практическая ценность. Обоснованный в работе состав априорных знаний и разработанные алгоритмы и методика синтеза позволяют автоматизировать проектирование измерительных каналов, построенных на основе функционально законченных средств измерительно-вычислительной техники, эксплуатирующихся в условиях воздействия на них влияющих величин.

На защиту выносятся:

1. Состав априорных знаний, позволяющих выполнить оценку вносимой измерительными модулями погрешности при преобразованиях сигнала в условиях функционирования, отличающихся от нормальных.

2. Модель декомпозиции требований к метрологическим характеристикам аналоговой и цифровой частей измерительных каналов на основе реализуемого измерительного алгоритма.

3. Разработанные алгоритмы и методика, позволяющие автоматизировать синтез измерительных каналов, удовлетворяющих предъявляемым требованиям и обладающих наилучшими характеристиками.

Достоверность результатов работы обеспечивается обоснованным применением теоретических положений и апробацией материалов работы на научно-технических конференциях и кафедральных семинарах.

Внедрение результатов. Диссертационная работа является обобщением результатов, полученных автором в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина).

Полученные в работе результаты использовались при выполнении НИР в НИИ Радиоэлектронных систем прогнозирования чрезвычайных ситуаций «Прогноз», что подтверждается соответствующим актом о внедрении.

Внедрение работы проводилось ОАО «НИИ Электромера» (ВНИИЭП).

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации публиковались в Известиях СПбГЭТУ «ЛЭТИ» «Приборостроение и информационные технологии», депонировались в ВИНИТИ, а также докладывались и обсуждались на Международных конференциях по мягким вычислениям и измерениям 8СМ2001 и 8СМ2004 (Санкт-Петербург, 2001 г. и 2004 г.), научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» (Санкт-Петербург, 2002 г.), научно-технической конференции «Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций» (Санкт-Петербург, 1999 г.), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Санкт-Петербург, 2000 - 2003 гг.), кафедральных семинарах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, из них - 1 статья, 4 депонированные рукописи, тезисы к 5-ти докладам на международных и российских научно-технических конференциях, 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Струкзура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, включающего 74 наименования, и двух приложений. Основная часть работы изложена на 122 страницах машинописного текста. Работа содержит 11 рисунков и 7 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, приводится общая характеристика работы, описаны выносимые на защиту положения, указана научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе формулируется решаемая в работе задача.

Рассмотрена обобщенная структура цифровой многоканальной информационно-измерительной системы (ИИС), описываемая моделью

ад=о(У(1»,

где Щ) ~ множество измеряемых ИИС величин; У(1:) = Р(Х(1;)) - множество результатов косвенных измерений; Х^) - множество входных сигналов

(входных величин); О, И - множество функциональных преобразований.

В работе решается задача структурного синтеза измерительных каналов (ИК) ИИС указанной структуры. Построение ИК осуществляется по блочно-модульному принципу на основе измерительных модулей (ИМ) из измерительного ресурса.

Предъявляемые к проектируемому ИК требования Т (задание на проектирование) формально записываются в виде

Т=[у«,Му = {^}, {П({оэп}) е Оогр}, у({юу})->ех1г], (1)

где у(0 измеряемая величина; Му - внешние условия; Е, - воздействующие величины; О - функции ограничения; Оогр - допустимый диапазон значений функций ограничения; V - критериальная функция; юп, <эч, - параметры ИК, входящие в функции Пиу, соответственно.

Целью является построение ИК, обеспечивающего минимальное (максимальное) значение критериальной функции и удовлетворяющего множеству накладываемых ограничений. Поставленная задача относится к задачам структурного синтеза Ж.

Последовательность решения поставленной в работе задачи может быть представлена в виде последовательности отображений

[Т, МаМх, ЗПО = {у(1) = Е(Х(1)), Му = }]->

-> МА'МА, (у(0 = $(х/1)))->{МВР}}-> 1С0.п,

где Т-задание на проектирование (1); МаМх - модели используемых измерительных модулей; ЗПО - знания о предметной области; у(1) - измеряемая физическая величина; Р - множество функциональных преобразований, лежащих в основе множества обеспечивающих определение у(1:) измерительных алгоритмов (ИА); ХО) - множество входных величин для множества возможных при измерении у(1) ИА; МА - множество ИА, обеспечивающих измерение у(0; Л/Ь*^ - .¡-тый ИА из множества МА; ^ - функциональное преобразование, лежащее в основе измерительного алгоритма МА^ х/1) - входной сигнал измерительного алгоритма МА^ МВР - множество возможных решений (множество возможных варианте построения ИК); 1Сош - ИК из МВР, обладающий оптимальными характеристиками и удовлетворяющий множеству О01Р накладываемых ограничений.

Измерительный канал 1Сош является решением поставленной задачи.

Рассмотрены основные модели расчета значений суммарных показателей качества ИК: аддитивная (2), мультипликативная (3) и вида метрологические характеристики (4)

®.=2>». (2) т

®с=П®ш. (3)

т

юс = Ду=((МА;,х^,МС), (4)

где (0С - значение суммарного показателя качества; сот - значение показателя

качества каждого элемента; ш - количество элементов, для которых производится расчет; Ду - погрешность результата измерения; МС - множество измерительных модулей, составляющих ИК, и их метрологические характеристики; { - функция, связывающая входящие в (4) параметры.

Функция ( расчета метрологических характеристик измерительного канала рассматривается во второй главе работы.

Поставленная в работе задача синтеза ИК относится к дискретным оптимизационным задачам в многомерном пространстве параметров. Приведена классификация и анализ существующих методов дискретной оптимизации. Показано, что для решения поставленной задачи следует использовать комбинации методов дискретной оптимизации. Вначале необходимо произвести сокращение пространства поиска возможных решений, после чего среди полученного множества решений выбирается оптимальное.

Для поиска Юопт ПРИ небольшом количестве вариантов реализации, сложных нелинейных моделях расчета суммарных показателей качества ИК, критериальной функции и функций ограничения наиболее перспективным признан метод полного перебора. В случаях, когда суммарные показатели качества, функции ограничения и критериальная функция имеют вид (2) -(4), для поиска 1С0пт может быть применен метод последовательной оптимизации, основанный на динамическом программировании.

Во второй главе рассматриваются модели внешних условий и модели метрологических характеристик ИМ и ИК.

Состав априорных знаний АЗ, являющийся исходным для синтеза ИК, представляется кортежем

АЗ ={МаМх, МаМ5, МаМА}, где МаМх, МаМ$, МаМА - априорные знания о характеристиках ИМ, воздействующих величинах и ИА, соответственно.

Проанализированы существующие способы нормирования метрологических характеристик ИМ, на основе проведенного анализа выбрана модель расчета погрешности, вносимой ИМ при преобразовании сигнала в условиях воздействия влияющих величин. Обоснован необходимый состав априорных знаний об используемых ИМ и воздействующих на проектируемый канал измеряемого сигнала и влияющих величин, позволяющий производить оценку погрешности, вносимой ИМ.

Когда случайная составляющая основной погрешности существенна, математическое ожидание М[А^ и дисперсия 0[Д^] погрешности, вносимой ИМ в условиях воздействия влияющих факторов, определяются в соответствии с выражениями

М[Д4]=М[Д0,]+ХЧ/55Г(^,)+ ЕМ (5)

I J

iz , j iz i

где А; - статическая составляющая погрешности при значениях влияющих

о

величин, отличающихся от нормальных; Aos, А о - систематическая и случайная составляющие основной погрешности, соответственно; - влияющие величины; \|/SSf(?;), \\i„ sf®, v|/„ sr(£,) - номинальные функции влияния влияющей величины на систематическую составляющую, среднеквадратическое отклонение случайной составляющей погрешности и на вариацию, соответственно; V|/Hsfm©, Ус sim(£) - наибольшие значения функций v^,, Sf (£,) и bf (£), соответственно; Нор - предел допускаемой вариации при нормальных условиях; ц -номинальная цена единицы наименьшего разряда цифрового или аналого-цифрового ИМ.

В выражениях (5) и (6) i-ые составляющие рассчитываются для влияющих величин Е,„ изменения которых учитываются как известные детерминированные отклонения от нормальных значений, j-ые составляющие -для величин, изменения которых учитываются как случайные величины или функции, обладающие своими математическим ожиданием и дисперсией. Рассмотрены правила расчета составляющих Mf^fs Sf и DJ^ Sf(4j)] в зависимости от нормируемых метрологических характеристик ИМ и способов задания характеристик влияющих величин.

С учетом динамической погрешности Adyn характеристики погрешности рассчитываются по формулам

M[Am]=M[A4], a[Am]=^/D[^] + D[AdyJ.

Границы интервала погрешности Дт, вносимой ИМ при преобразовании сигнала, определяются в соответствии с выражением

М[Ат] - кр-ст[Дт] < Дт <М[Ат] + кр-ст[Ат], (7)

где кр - коэффициент, зависящий от значения доверительной вероятности Р и закона распределения погрешности Дт.

Когда случайная составляющая основной погрешности пренебрежимо

мала

Am=±(Ao+SACJ+Ady„), (8)

j

где Ао - предел допускаемой основной погрешности ИМ; ACJ - предел допускаемой дополнительной погрешности, обусловленной отклонением влияющей величины от нормального значения.

Предложены модели концептуальной организации данных о характеристиках ИМ (измерительном ресурсе) и воздействующих величинах в базах данных, обеспечивающих хранение всей необходимой информации и отвечающих реляционному принципу построения.

Выполнен анализ погрешности ИК на основе погрешностей, вносимых

входящими в него ИМ. Реализуемое ИК уравнение измерений у(Ч) = Ях(1:)) с конкретизацией функций, выполняемых в аналоговой и цифровой частях ИК, может быть записано в виде

у(0 = [ЯРкЯи,Ям..Кт-..Я|] х(1), (9)

где Иг,, - измерительная процедура, выполняющая функциональное преобразование Рц в цифровой части ИК; , - измерительная процедура, выполняющая обратное преобразование Яи, = (Км...Ят...Я1)"1 в цифровой части ИК; Ям...Яш-1*1 - измерительные процедуры, выполняемые ИМ, составляющими аналоговую часть ИК. Процедура Ям соответствует аналого-цифровому преобразованию.

Погрешность результата преобразования сигнала ИМ, реализующим процедуру Ят, может быть представлена в виде суммы составляющих

Ахт+1(хт) = Дт(хт) + А11(хт), (10)

где Лхт, |(хт) - полная погрешность, вносимая ИМ; Ат(хт) - собственная погрешность ИМ; А'т (хт) - погрешность, трансформированная через измерительное преобразование, выполняемое ИМ; хт - величина сигнала на входе ИМ.

Наибольшее значение трансформированной погрешности определяется в соответствии с выражением

где Дт - оценка сверху собственной погрешности ИМ; Я ^ (хт) - гипотетическая функция преобразования ИМ; Хт = [хттш, хттах] - диапазон изменения сигнала на входе ИМ.

Значения хт тш и хт тах определяются согласно выражениям хгаш,п = ш|п([Ят.,...Я,]х), хттох = тах([Ят.,...Я,]х),

хеХ хеХ

где X - диапазон изменения сигнала х на входе ИМ, реализующего измерительную процедуру Я,.

Значение Дт оценивается в соответствии с выражениями (7) или (8) в зависимости от способа задания нормируемых метрологических характеристик ИМ.

При расчете Л'т при неизвестной Я ¡„ (хт) следует использовать номинальную характеристику преобразования Я^ (х„,) ИМ.

Оценка сверху допустимой погрешности на входе ИМ, реализующего процедуру Яи, определяется в соответствии с выражением

Дтт = тах

(11)

ДХп, ¿[Ахт+1 -Ат]-| тах

(12)

Лс.

Используя выражения (9) и (12), разработана модель декомпозиции

требований к метрологическим характеристикам цифровой и аналоговой частей ИК, в которой на основе требований к допустимой погрешности Ау измерения величины у и реализуемых в цифровой части ИК преобразованиях определены требования к предельно допустимому значению погрешности Дхц сигнала хц на входе цифровой части ИК

Дхц<шш

Л

(Ду-Д^/^к-Д,,,

/^4, (13)

ёх,

и 1

где Дрц, Д„ I - пофешности реализации функции Рц и обратного преобразования, соответственно.

Значение погрешности Ар„ оценивается как композиция двух составляющих: Дциц) обусловленной особенностями вычислений и способом реализации функции Рц, и Дцивх=Ахр„(ёРц/бХрц), обусловленной погрешностью Лхн, входного сигнала.

На основе выражений (10) и (11), значения Дхц и Ду оцениваются следующим образом

Лхц <шах[Ам + )•••)], (И)

<1хм скм_, ёх2

(1ЯГ (Ш.г

Ду<шах[ДРц+—*.(Д +_^.Дхц)], (15)

Рц Йхи ■

где Дм, Дм-Ь'-ч Дг> Д] - пофешности, вносимые составляющими измерительный канал ИМ и определяемые на основе выражений (7), (8).

Приведенные выражения (14), (15) представляют собой функцию { (4) расчета метрологических характеристик ИК.

В третьей главе разрабатываются алгоритмы синтеза измерительных каналов.

Разработанные алгоритмы ориентированы на применение рассмотренной в главе 2 модели пофешности, вносимой ИМ при преобразовании сигнала в условиях эксплуатации, отличающихся от нормальных, модели трансформации пофешности через измерительные преобразования и модели пофешности ИК.

Все разработанные в работе алгоритмы записаны на некотором «Си-подобном» языке с применением знаков операций над множествами. Используемая запись позволяет применять общеизвестные понятия условий, циклов, условных и безусловных переходов, встречающихся в вычислительных алгоритмах. В то же время, упрощенная запись операций над множествами дает возможность не столь детализировать алгоритм, как требовалось бы при его профаммной реализации.

Разработанные алгоритмы делятся на три фуппы: 1. Алгоритмы сокращения пространства поиска возможных решений путем отсева заведомо

непригодных для решения поставленной задачи ИМ. 2. Алгоритмы формирования множества возможных вариантов построения ИК (множества возможных решений - МВР). 3. Алгоритмы поиска окончательного решения из МВР.

Алгоритм А1 анализа условий функционирования измерительных модулей позволяет исключить из доступного разработчику измерительного ресурса ИМ, которые не могут функционировать в условиях Му= {£} A1:[{V£ V£s = £s(if(D4jiDis)return 0;)}} return 1], где E, - воздействующие на ИМ величины; ^s - величины, для которых введено ограничение на применение ИМ (влияющие величины); D^ - диапазон изменения величин D^ - допустимый диапазон изменения величин £,s.

Алгоритм А1 возвращает значение «1», если ИМ может функционировать в заданных условиях, и «0» в противном случае. После проверки всего измерительного ресурса алгоритмом А1 формируется множество MMS£ измерительных модулей, которые могут функционировать в условиях Мг

Алгоритм А2 позволяет исключить из рассмотрения модули, включение которых в ИК вызовет нарушение хотя бы одного из ограничений, рассчитываемых в соответствии с (2) или (3), независимо от значений характеристик других включаемых в него ИМ

А2: [{VQ V(0C (if(Q({<oc}) г fiorp) return 0;)} return 1].

Алгоритм A2 возвращает значение «0», если включение ИМ в измерительную цепь вызывает нарушение хотя бы одного из ограничивающих условий, и «1» в противном случае. Применяя А2 ко всем элементам MMSI^ множества MMS^, формируется сокращенный измерительный ресурс - множество MMS измерительных модулей. Все последующие алгоритмы применяются к множеству MMS.

В работе введен критерий физической и информационной совместимости ИМ между собой - функция совместимости CN(MCa, МСр), характеризующая возможность подсоединения модуля МСр к выходу модуля МСа. При проверке совместимости сравниваются следующие характеристики ИМ: 1. Вид носителя информационного сигнала. 2. Вид информационного сигнала. 3. Диапазон изменения носителя информационного сигнала. 4. Диапазон изменения информационного сигнала. 5. Входное и выходное сопротивления ИМ. 6. Интерфейсная совместимость для ИМ, информация которых представляется в цифровой форме. Функция совместимости CN определяется

{1, если к выходу ИМ МС а

можно подключить ИМ МСр; (16)

0, иначе.

Функция совместимости используется при формировании множества возможных вариантов построения ИК.

С целью упрощения алгоритма формирования множества возможных вариантов построения ИК разработаны алгоритмы выбора из MMS первич-

ных измерительных преобразователей (ПИП) и преобразователей аналоговой величины в цифровую форму (АЦП), которые могут использоваться при синтезе ИК - алгоритмы АЗ и А4, соответственно

АЗ: [УМС Ух, {¡Я[СМпип(хг МС,)= 1) 8Е = 8Е и МС,}],

А4: [УМС УЮТвх Ухц, {¡ДСЫ(МС„ 1№вхк)= 1 & АМС1<Лх,^)

АО = АО и МС,}],

где СЫпим - функция совместимости ИМ и входного сигнала х,; МС, - ьый ИМ из ММ8; БЕ - множество ПИП; ЮТвх - множество допустимых входных интерфейсов множества ОР реализаций цифровой части ИК (проблемы формирования множества ОР в работе не рассматриваются); ЮТВх к - к-ый тип входного интерфейса цифровой части ИК; АО - множество АЦП.

Условие Дмг, < Дхц, в алгоритме А4 следует из (14), учитывая, что Лмс. соответствует Дм. Значение Лхц , определяется в соответствии с (13) для каждого МА). Функция С1Чцип аналогична функции СЫ (16), но вместо характеристик МСа анализируются характеристики входного воздействия х,.

Применяя алгоритмы АЗ и А4 к множеству ММБ, формируются множества 8Е и АО, соответственно.

Для формирования множества возможных вариантов построения ИК вначале определяется множество МА измерительных алгоритмов, пригодных для решения поставленной измерительной задачи

МА={МА,} = {Л = [ИР1ЦК0,1КН)...К11Ч...К^зЧ}, (17)

где MAj - .¡-ый ИА в множестве МА; - ш-ая измерительная процедура в МА^

Каждый измерительный алгоритм MAJ из множества МА (17) представляется в виде разложения на элементарные измерительные операции (ИО)

у = 0,...0с...0|...01Х, (18)

где 0(; - ИО, соответствующая преобразованию аналоговой величины в цифровой код; О, - ¡-тая элементарная ИО; I - количество элементарных ИО в ИА.

Далее рассматривается часть разложения на элементарные ИО до аналого-цифрового преобразования включительно

хц=00...0,...0,х. (19)

Условие включения в неполную структуру 1С„ возможных реализаций аналоговой части ИК (под неполной структурой понимается часть ИК, выполняющая в разложении (19) последовательность измерительных операций 0,...0ь ¡<в) последующего измерительного модуля МСк может быть записано в виде

П,:[О, € ОМСк & ОмСк е Ос...О, & (СЫ(1С„,МСк) = 1)], (20) где Оме к - множество элементарных ИО, выполняемых МСк.

Номер ¡сгпт элементарной ИО, которую вновь полученная после включения измерительного модуля МСк неполная структура не выполняет, опре-

деляется на основе выражения

П2: [icrnm = min(i) {0С,...0, п ОМСк}]. (21)

Аналоговая часть измерительного канала полностью сформирована, если включенный измерительный модуль MCt е AD, и при этом определяемое в соответствии с П2 значение icrnm равняется (G+1).

Алгоритм формирования множества возможных вариантов построения ИК выполняется для каждого варианта реализации измерительного алгоритма MAj из множества МА. Алгоритм записывается в виде А5: [MAj [VSE VMC VIC VDP

if {П,(МСк, MAj, i, ICn) & (n2(MCv,IC„) = G+l)& & (MCk e AD) & (CN(IC„, DPq)= 1)} CMIQ - CMICj u TC„ u DPq]], где Пь П2 - условия включения ИМ в ИК в соответствии с (20), (21); DPq -q-ая возможная реализация цифровой части ИК.

Применяя алгоритм А5 к множесхву MMS для каждого измерительного алгоритма MAj, формируются множества CMICj. Множество возможных вариантов построения ИК для всех возможных ИА из множества МА представляет собой объединение

СМ1С = иСМ1С;.

1

При выборе в качестве метода поиска оптимального ИК метода полного перебора множества CMIC применяется алгоритм А6

А6: [VCMIC, if(VQ е О0гр & v = min) 1С0пт = СМ1С,].

Алгоритм может применяться при любом виде критериальной функции и функций ограничения и способах расчета значений суммарных показателей качества ИК. Алгоритм дает оптимальный на существующем измерительном ресурсе вариант ICom построения ИК.

В случаях, когда функции расчета суммарных показателей качества ИК и критериальная функция могут быть представлены в виде (2), (3) или (4) и когда в качестве накладываемых ограничений выступают условия вида

Юсв^СОштв, ыс в < С0тах о, СОт,„е<СОсв<Шп,ах0, (22)

где юсе - значение суммарного 0-го показателя качества ИК; comme, owe _ предельно допустимые значения 0-го показателя качества сосв, для поиска оптимального варианта построения ИК может быть применен метод последовательной оптимизации, основанный на динамическом програм-V мировании.

Для применения ускоренной оптимизации множество CMIC разбивается на подмножества СМТС,. В каждом из подмножеств CMICj выделяется совокупность подмножеств FMICj.i, для каждого из которых выполняется условие

VFMICj | G, 1 = const) Vk Vm [{Oa... Op} о0(FMICj,lKm)], (23) где Oa ... Op - последовательность элементарных ИО в разложении ИА в со-

ответствии с выражением (18); РМТС^ц - к-ый вариант построения ИК подмножества РМ1С^; РМ1С^ц_га - ш-ый ИМ в возможном варианте построения РМГСдк измерительного канала; 0(ЕМ1С^ит) - элементарные ИО, выполняемые измерительным модулем РМ1С^хт-

Запись (23) означает, что во всех элементах подмножества РМГС^ т-ый ИМ к-ого варианта построения ИК реализует выполнение последовательности одних и тех же элементарных ИО {Оа... Ор}.

В каждом из подмножеств РМ1С^| выделяется подмножество допустимых решений ОМ1С,.|, удовлетворяющих ограничивающим условиям (22) для всех суммарных показателей качества, рассчитываемых в соответствии с (2) и(3).

'рМГСы.м, е ОМ1С^и>т, если

Veo,

<

DlMaM^ {extr cüe(FMICJlkm),Qe(FMICjlkj})e Q0

теМ

FMICjj,^,,, i DMICjj^n,, если

Veo,

DÍMaM^ {extr ffl0(FMICjXk )})й Q0

m*=M nuw

где МаМдм - модель расчета значения суммарного показателя качества в соответствии с выражениями (2), (3); сое (FMICJiU,m), Юе (FMICj.i t w), - значение 6-го показа 1еля качества измерительных модулей FMICjAk,m и FMICJ;i,k,w, соответственно; Qoii'e - допустимый интервал принадлежности значения суммарного показателя качества юсе ИК, на значение которого накладывается ограничение.

Контроль метрологических характеристик проектируемого ИК в связи с нелинейностью модели (4) производится в процессе реализации метода последовательной оптимизации, основанном на динамическом программировании, в соответствии с выражением (12).

Выбор варианта IC^orn построения ИК, обладающего наилучшими характеристиками на множестве DMICj,, производится алгоритмом А7, учитывающим интерфейсную совместимость ИМ

А7: [1СУопт=A6{Vm VINFBX (m) ICom<m, INFBX(m))= =min[v(IC(m, INFBX(m)))]}], где 1NFBX (m) - множество типов входных интерфейсов ИМ в множестве DMICj.i, анализируемых на ш-ом шаге алгоритма; 1С0пт(т, 1№вх(т)) - множество получаемых на m-ом шаге оптимальных структур; IC(m, INFBx(m)) -множество анализируемых на ш-ом шаге алгоритма неполных структур.

Необходимость анализа всех типов интерфейсных связей на каждом шаге выполнения алгоритма обусловлена тем, что на предшествующих этапах реализации алгоритма оптимальный «путь» неизвестен, а на пройденных

с конца он полностью определяется формой представления входных данных на рассматриваемом этапе. Алгоритм предусматривает возврат к предшествующему шагу в случае, если ни одна из формируемых структур ТС(ш, INFux(m)) не удовлетворяет предъявляемым к метрологическим характеристикам ИК требованиям. Количество шагов алгоритма равняется количеству ИМ в каждом анализируемом варианте DMICjj.k-

Оптимальный вариант построения ИК определяется на основе сравнения алгоритмом А6 псевдооптимальных вариантов IC^om и вариантов построения ИК, не вошедших ни в одно из подмножеств FMICj i

Vj, 1 [ICüm =А6{(СМ1С n (IjFMICj.i)) и (UlCJlonT)}].

¡1 j.i

Четвертая глава посвящена разработке методики синтеза измерительных каналов на основе разработанных алгоритмов.

Рассмотрена методика формирования базы измерительных сигналов на основе априорных сведений об исследуемом физическом процессе и/или объекте. Показано, что физический процесс/объект характеризуется вектором

PR = {FV, DFV, DFVI, DINFVI, FFV(t), FVF}, где FV - множество физических величин, изменение которых во времени характеризует физический процесс/объект; DFV - предельный диапазон изменения физических величин; DFVI - диапазон измерений; DINFVI - динамика изменения значений физических величин в диапазоне измерений; FFV(t) -характер изменения значений физических величин во времени; FVF - характеристики взаимосвязи между отдельными величинами из множества FV.

Формирование априорных знаний MaMs осуществляется на основе задания на проектирование, априорных знаниях о свойствах исследуемого процесса/объекта, а также процессов, протекающих совместно с исследуемым, и объектов, в состав которых входит исследуемый объект.

На основе моделей оценки погрешности, вносимой ИМ при преобразовании сигнала в отличающихся от нормальных условиях эксплуатации, для рассмотренных способов задания нормируемых метрологических характеристик ИМ разработаны алгоритмы AM) и АМ2 оценки составляющих погрешности. Алгоритмы представлены в виде правил

ЕСЛИ (способ задания характеристик влияющей величины) ТО (способ оценки погрешности).

Алгоритмы AMi и АМ2 выполняются для каждой влияющей величины

Разработаны алгоритмы А8| и А82, позволяющие на основе AMi и АМ2, соответственно, производить оценку погрешности ИМ в условиях эксплуатации, отличающихся от нормальных

A8,:[W= {(АМО-К^.Ли + ЕВДч/,.,^)].

■ j

■ j i j

ZD[Vssf(^)])} ~> ( «J, ct[Aos], Hop, ц) —>

j

(M[AJ, D[AJ, D[A<jyn], P) Am]

и

A82:[V£ {AM2 -> ACJ} -> (До, IACJ, Adyn) A™]-

j

Алгоритмы A8| и A82 применяются в разработанных алгоритмах А4, А6, А7 для оценки собственной погрешности Дт входящих в ИК измерительных модулей в условиях эксплуатации, отличающихся от нормальных.

Разработана методика синтеза ИК, использующая разработанные в работе алгоритмы. Методика записывается в виде последовательности действий

1: {МаМх, МаМь, МаМЛ, Т};

2: VMCk: [if (Al(MCk) = 1) MMS4=MMS£ и MCJ; if (MMS£, = 0) goto 1 or return 0;

3: VMMS^k: [if (A2(MMS£k) = 1) MMS - MMS и MMS^J; if (MMS = 0) goto 1 or return 0;

4: SE = A3(MMS); if(SE = 0) goto 1 or return 0;

5: AD-A4(MMS); if (AD = 0) goto 1 or return 0;

6: VMA, [CMICj = A5(MMS, MA,)];

7: Vj CMIC = (J CMICj; j

8: if (CMIC = 0) goto 1 or return 0;

9: if (A6) goto 10; if (A7) goto 11;

10:1С0пт = A6(CMIC); goto 14;

11: V CM1Q [FMICjj DMICjj ];

12: Vj, 1 [ICjj опт=A7(DMICbi)];

13: Vj, 1 [Юопт = A6{(CMIC n(ljFMICji)) u (IjKW )}];

J.I jj

14: if (ICom = 0) goto 1 or return 0;

15: return ICorrr-

В случаях, если ни одно из получаемых множеств (MMSi;, MMS, AD, SE или CMIC) не содержит элементов для решения задачи, необходимо выполнить одно из действий: 1. Расширить измерительный ресурс МаМх. 2. Изменить предъявляемые требования Т. После выполнения указанных действий необходимо повторить операции по разработанной методике.

В результате выполнения действий по разработанной методике синтезируется ИК, созданный на основе существующего измерительного ресурса, обладающий оптимальными характеристиками, обеспечивающий измерение величины y(t) в условиях Му={^}и удовлетворяющий ограничениям П.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Обоснован необходимый состав априорных знаний об элементах измерительного ресурса, входном сигнале и влияющих величинах, позволяющий выполнить оценку погрешности, вносимой измерительным модулем при преобразовании сигнала в условиях функционирования, отличающихся от нормальных.

2. Разработана модель декомпозиции требований к метрологическим характеристикам цифровой и аналоговой частей измерительного канала, по-

1 зволяющая на основе:

- реализуемого измерительным каналом измерительного алгоритма;

- функций измерительного алгоритма, выполняемых в цифровой части измерительного канала;

- требований к погрешности результата измерений

предъявить требования к погрешности сигнала на входе в цифровую часть измерительного канала и осуществлять синтез аналоговой части измерительного канала независимо от цифровой.

3. Разработаны алгоритмы синтеза измерительных каналов, осуществляющие отсев заведомо недопустимых вариантов на основе заданных ограничений, условий функционирования и введенной функции совместимости, позволяющие значительно сократить пространство поиска возможных вариантов реализаций измерительных каналов.

4. Разработаны алгоритмы формирования множества возможных вариантов построения измерительного канала и выбора из них измерительного канала, обладающего оптимальными характеристиками.

5. На основе предложенных алгоритмов разработана методика автоматизированного синтеза измерительных каналов, обеспечивающая на основе измерительного ресурса синтез измерительных каналов оптимальной структуры и состава и удовлетворяющих накладываемым ограничениям, а также содержащая критерии изменения предъявляемых требований или расширения состава измерительного ресурса при невозможности построения измерительного канала, удовлетворяющего предъявляемым требованиям.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Алексеев В.В. Построение множества возможных вариантов решения задачи синтеза измерительной цепи / В.В. Алексеев, П.Г. Королев,

к М.Ю. Обоишев // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Приборостроение и информаци-

онные технологии. - 2002. - № 1. - С. 14 - 18.

2. Алексеев В.В. Принципы построения информационной базы для задач структурного проектирования ИИС на основе систематизации метрологических знаний / В.В. Алексеев, П.Г. Королев, М.Ю. Обоишев; СПбГЭТУ «ЛЭТИ».- СПб., 2001. - 32 с. - Деп. в ВИНИТИ 27.12.01, № 2693 - В2001.

3. Алексеев В.В. Формирование множества возможных вариантов по-

строения измерительного канала в задачах структурного проектирования / В.В. Алексеев, П.Г. Королев, М.Ю. Обоишев; СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - СПб., 2004. - 11 с. - Деп. в ВИНИТИ 18.05.2004, № 852 - В2004.

4. Алексеев В.В. Структурирование знаний для проектирования измерительных систем мониторинга окружающей среды / В.В. Алексеев, П.Г. Королев, М.Ю. Обоишев // Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций: Тез. докл. научно-техн. конф., 24-25 нояб. 1999 г. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 1999. - С. 21.

5. Алексеев В.В. Метод декомпозиции требований к метрологическим характеристикам аналоговой и цифровой частей измерительного канала / В.В. Алексеев, М.Ю. Обоишев; СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - СПб., 2004. - 8 с.-Деп. в ВИНИТИ 18.05.2004, № 850 - В2004.

6. Королев П.Г. Алгоритм отсева измерительно-вычислительных модулей на основе анализа условий функционирования в задачах структурного проектирования измерительных систем / П.Г. Королев, М.Ю. Обоишев; СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - СПб., 2004. - 4 с. - Деп. в ВИНИТИ 18.05.2004, № 851 -В2004.

7. Королев П.Г. Обеспечение контроля параметров окружающей среды в помещениях и на территориях образовательных учреждений / П.Г. Королев, М.Ю. Обоишев, H.H. Чибисова // Проблемы прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий: Тез. докл. научно-практич. конф., посвящ. 10-летию Научно-исслед. ин-та радиоэлектронных систем прогнозирования чрезвычайных ситуаций «Прогноз» СПбГЭТУ «ЛЭТИ». -СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2002. - С. 14 - 15.

8. Обоишев М.Ю. Метрологические аспекты оценки ресурса сложных технических систем / М.Ю. Обоишев // Проблемы прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий: Тез. докл. научно-практич. конф., посвящ. 10-летию Научно-исслед. ин-та радиоэлектронных систем прогнозирования чрезвычайных ситуаций «Прогноз» СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2002. -С. 66- 67.

9. Обоишев М.Ю. Организация баз измерительных знаний для задач структурного синтеза измерительных каналов / М.Ю. Обоишев // Мягкие вычисления и измерения: Сб. докл. Междунар. конф. 17-19 июня 2004 г. -СПб., 2004. - Том 2. - С. 29 - 32.

10. Обоишев М.Ю. Принципы построения информационной базы для автоматизации синтеза измерительных систем для экологического мониторинга / М.Ю. Обоишев // Мягкие вычисления и измерения: Сб. докл. Междунар. конф. 25-27 июля 2001 г. - СПб., 2001. - Том 2. - С. 21.

11. Обоишев М.Ю. Универсальный программный комплекс системы сбора экологической информации: Свидетельство об офиц. регистрации программы для ЭВМ № 2000611014 / М.Ю. Обоишев // ОБПБТ. - М.: ФИПС. -2001.-№ 1(34).-С. 23.

Подписано в печать 29.06.04. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 88.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

РЫБ Русский фонд

2006-4 8480

<ж

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ СТРУКТУРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ КАК ОПТИМИЗАЦИОННОЙ ЗАДАЧИ.

1.1 Основные аспекты постановки задания на проектирование.

1.2 Обобщенная постановка оптимизационных задач.

1.3 Анализ структуры цифровой информационно-измерительной системы.

1.4 Постановка задания на проектирование измерительных каналов и основные аспекты ее решения.

1.5 Построение критериальной функции и выбор метода оптимизации.

1.6 Основные типы моделей расчета суммарных показателей качества.

1.7 Классификация и анализ методов дискретной оптимизации.

1.7.1 Точные методы дискретной оптимизации.

1.7.2 Приближенные методы дискретной оптимизации.

1.7.3 Методы решения задач специальной структуры.

Выводы по главе 1.

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

СИНТЕЗА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ.

2.1 Априорные знания.

2.2 Методы оценки погрешности преобразования сигнала измерительными модулями в условиях воздействия влияющих величин.

2.3 Общие требования к базам измерительных данных.

2.4 Организация базы измерительных модулей.

2.5 Организация базы измерительных сигналов.

2.6 Способы формализованного описания измерительных алгоритмов.

2.7 Анализ погрешности реализации измерительных преобразований.

2.8 Модель погрешности измерительного канала цифровой информационно-измерительной системы.

Выводы по главе 2.

3 АЛГОРИТМЫ СИНТЕЗА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ.

3.1 Разработка алгоритма сокращения пространства поиска на основе анализа условий функционирования измерительных модулей.

3.2 Разработка алгоритма сокращения пространства поиска на основе анализа параметров измерительных модулей.

3.3 Анализ совместимости измерительных модулей между собой.

3.4 Разработка алгоритма поиска первичных измерительных преобразователей.

3.5 Разработка алгоритма поиска преобразователей аналоговой величины в цифровой код.

3.6 Разработка алгоритма формирования множества возможных вариантов построения измерительного канала.

3.7 Синтез оптимального измерительного канала с использованием полного перебора.

3.8 Использование ускоренной оптимизации при синтезе измерительного канала.

Выводы по главе 3.

4 РАЗРАБОТКА ОБОБЩЕННОЙ МЕТОДИКИ СИНТЕЗА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ.

4.1 Формализация описания физических процессов и формирование базы измерительных сигналов.

4.2 Правила расчета вносимой измерительными модулями погрешности в отличающихся от нормальных условиях эксплуатации.

4.3 Обобщенная методика синтеза измерительных каналов.

4.4 Применение разработанной методики при проектировании измерительного канала.

4.5 Использование результатов работы.

Выводы по главе 4.

Актуальность проблемы. Необходимость создания информационно-измерительных и управляющих систем, предназначенных для эксплуатации в условиях большого числа воздействующих величин, многообразие предъявляемых к ним требований существенным образом затрудняют задачу построения обладающих оптимальными характеристиками подобных систем вообще, и их измерительных каналов в частности. Проектирование измерительных каналов, обладающих оптимальными характеристиками, является очень трудоемкой задачей, автоматизация которой требует скорейшего решения. * Актуальность настоящей работы обусловлена необходимостью разработки алгоритмов и методики, позволяющих автоматизировать проектирование измерительных каналов, функционирующих в условиях, отличающихся от нормальных. Поставленная задача требует предварительной систематизации метрологических знаний и формализации постановки задания на проектирование.

Автоматизация структурного синтеза измерительных каналов информационно-измерительных и управляющих систем особенную актуальность приобретает при необходимости построения измерительных каналов, обладающих оптимальными характеристиками, при наличии большого количества предъявляемых к про-U ектируемому измерительному каналу требований и при широкой номенклатуре измерительно-вычислительных средств.

Работа посвящена решению задачи синтеза (проектирования) измерительных каналов, построенных по блочно-модульному принципу на основе функционально законченных средств измерительно-вычислительной техники, эксплуатирующихся в условиях воздействия влияющих величин и обладающих оптимальными характеристиками.

Предметом исследования является задача проектирования измерительных каналов информационно-измерительных и управляющих систем, функционирую-щ щих в условиях, отличающихся от нормальных.

Целыо работы является разработка алгоритмов и методики синтеза измерительных каналов, построенных на основе функционально законченных средств измерительно-вычислительной техники (измерительных модулей), эксплуатирующихся в условиях, отличающихся от нормальных.

В соответствии с поставленной целью в работе формулируются и решаются следующие основные задачи:

1. Обосновывается необходимый состав априорных знаний об используемых измерительных модулях и воздействующих на проектируемый измерительный канал величин (измеряемого сигнала и влияющих величин) на основе расчетных соотношений для оценки погрешности, вносимой измерительными модулями при преобразовании измеряемого сигнала, и модели оценки погрешности результата измерений на основе характеристик входящих в измерительный канал модулей.

2. Разрабатываются алгоритмы синтеза измерительных каналов, выполняющие сокращение пространства поиска возможных решений.

3. Разрабатываются алгоритмы формирования множества возможных решений поставленной задачи, их анализа и выбора среди них наилучшего.

4. На основе разработанных алгоритмов разрабатывается методика синтеза измерительных каналов, позволяющая на основе доступного измерительного ресурса построить измерительные каналы, обладающие оптимальными характеристиками.

Методы исследования основаны на общей теории оптимизационных задач, теории алгоритмов, алгоритмической теории измерений, методах расчета погрешностей и накопленных к настоящему времени опыте и результатах в области проектирования измерительных систем.

Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие научные результаты.

1. Обоснованы типовые способы задания характеристик влияющих величин, позволяющие на основе нормируемых метрологических характеристик измерительных модулей производить оценку вносимой измерительными модулями погрешности.

2. Предложена модель декомпозиции требований к метрологическим характеристикам аналоговой и цифровой частей измерительных каналов, базирующаяся на реализуемом каналом измерительном алгоритме.

3. Разработаны алгоритмы и методика синтеза, позволяющие автоматизировать процесс проектирования измерительных каналов, эксплуатирующихся в условиях воздействия влияющих величин, отличающихся от нормальных.

Практическая ценность. Обоснованный в работе состав априорных знаний и разработанные алгоритмы и методика синтеза позволяют автоматизировать проектирование измерительных каналов, построенных на основе функционально законченных средств измерительно-вычислительной техники, эксплуатирующихся в условиях воздействия на них влияющих величин.

На защиту выносятся:

1. Состав априорных знаний, позволяющих выполнить оценку вносимой измерительными модулями погрешности при преобразованиях сигнала в условиях функционирования, отличающихся от нормальных.

2. Модель декомпозиции требований к метрологическим характеристикам аналоговой и цифровой частей измерительных каналов на основе реализуемого измерительного алгоритма.

3. Разработанные алгоритмы и методика, позволяющие автоматизировать синтез измерительных каналов, удовлетворяющих предъявляемым требованиям и обладающих наилучшими характеристиками.

Достоверность результатов работы обеспечивается обоснованным применением теоретических положений и апробацией материалов работы на научно-технических конференциях и кафедральных семинарах.

Внедрение результатов. Диссертационная работа является обобщением результатов, полученных автором в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина).

Полученные в работе результаты использовались при выполнении НИР в НИИ Радиоэлектронных систем прогнозирования чрезвычайных ситуаций «Прогноз», что подтверждается соответствующим актом о внедрении.

Внедрение работы проводилось ОАО «НИИ Электромера» (ВНИИЭП).

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации публиковались в Известиях СПбГЭТУ «ЛЭТИ» «Приборостроение и информационные технологии», депонировались в ВИНИТИ, а также докладывались и обсуждались на Международной конференциии по мягким вычислениям и измерениям SCM2001 (Санкт-Петербург, 2001 г.), научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» (Санкт-Петербург, 2002 г.), научно-технической конференции «Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций» (Санкт-Петербург, 1999 г.), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Санкт-Петербург, 2000 - 2003 гг.), кафедральных семинарах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, из них -1 статья, 1 депонированная рукопись, тезисы к 4-м докладам на международной и российских научно-технических конференциях, 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. В печати находятся 3 депонированные рукописи и тезисы к докладу на международной научно-технической конференции.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, включающего 74 наименования, и двух приложений. Основная часть работы изложена на 122 страницах машинописного текста. Работа содержит 11 рисунков и 7 таблиц.

Выводы по главе 4

1. Разработана методика формирования базы сигналов, воздействующих на проектируемую информационно-измерительную систему. Методика основана на использовании априорных знаний об исследуемом физическом процессе.

2. Разработаны алгоритмы расчета погрешности составляющих измерительный канал модулей в реальных условиях эксплуатации.

3. На основе разработанных в главе 3 алгоритмов разработана обобщенная методика синтеза измерительных каналов, обеспечивающая синтез измерительного канала, обладающего оптимальными характеристиками, и удовлетворяющего накладываемым ограничениям на заданном измерительном ресурсе.

4. Приведены примеры применения разработанных алгоритмов и методики синтеза измерительных каналов и произведена оценка их эффективности для решения задачи проектирования каналов измерения температуры, эксплуатирующихся при различных условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Обоснован необходимый состав априорных знаний об элементах измерительного ресурса, входном сигнале и влияющих величинах, позволяющий выполнить оценку погрешности, вносимой измерительным модулем при преобразовании сигнала в условиях функционирования, отличающихся от нормальных.

2. Разработана модель декомпозиции требований к метрологическим характеристикам цифровой и аналоговой частей измерительного канала, позволяющая на основе:

- реализуемого измерительным каналом измерительного алгоритма;

- функций измерительного алгоритма, выполняемых в цифровой части измерительного канала;

- требований к погрешности результата измерений предъявить требования к погрешности сигнала на входе в цифровую часть измерительного канала и осуществлять синтез аналоговой части измерительного канала независимо от цифровой.

3. Разработаны алгоритмы синтеза измерительных каналов, осуществляющие отсев заведомо недопустимых вариантов на основе заданных ограничений, условий функционирования и введенной функции совместимости, позволяющие значительно сократить пространство поиска возможных вариантов реализаций измерительных каналов.

4. Разработаны алгоритмы формирования множества возможных вариантов построения измерительного канала и выбора из них измерительного канала, обладающего оптимальными характеристиками.

5. На основе предложенных алгоритмов разработана методика автоматизированного синтеза измерительных каналов, обеспечивающая на основе измерительного ресурса синтез измерительных каналов оптимальной структуры и состава и удовлетворяющих накладываемым ограничениям, а также содержащая критерии изменения предъявляемых требований или расширения состава измерительного ресурса при невозможности построения измерительного канала, удовлетворяющего предъявляемым требованиям.

1. Алексеев В.В. Структурное проектирование измерительно-вычислительных систем на базе уравнений измерений: Дис. на соис. уч. степ. докт. техн. наук / В.В. Алексеев. СПб., 1993. - 343 с.

2. Алексеев В.В. Построение множества возможных вариантов решения задачи синтеза измерительной цепи /В.В. Алексеев, П.Г. Королев, М.Ю. Обоишев // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Приборостроение и информационные технологии. -2002. -№1. С. 14-18.

3. Алексеев В.В. Формирование множества возможных вариантов построения измерительного канала в задачах структурного проектирования /В.В. Алексеев, П.Г. Королев, М.Ю. Обоишев; СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб., 2004. - 11 с.-Деп. в ВИНИТИ (в печати).

4. Алексеев В.В. Основы структурного проектирования измерительно-вычислительных систем / В.В Алексеев, П.Г. Королев, Н.С. Овчинников, Е.А. Чернявский. СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 1999. - 111 с.

5. Алексеев В.В. Метод декомпозиции требований к метрологическим характеристикам аналоговой и цифровой частей измерительного канала / В.В. Алексеев, М.Ю. Обоишев; СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб., 2004. - 8 с. - Деп. в ВИНИТИ (в печати).

6. АлинГ.Т. Разработка методов оптимизации структуры каналов информационно-измерительных систем: Дис. на соис. уч. степ. канд. техн. наук / Г.Т. Алин. СПб., 1994. - 172 с.

7. Арис Р. Дискретное динамическое программирование. Введение в оптимизацию многошаговых процессов / Р. Арис. — М.: Наука, 1969. 171 с.

8. Асадов Х.Г. Применение принципа параметрического уменьшения размерности для синтеза одного подкласса информационных систем планирования измерительного эксперимента / Х.Г. Асадов // Измерительная техника. 2003. -№ 6. - С. 3-6.

9. Белман Р. Динамическое программирование / Р. Белман. М.: Мир, 1960.-400 с.

10. Брахман Т.Р. Многокритериальность и выбор альтернатив в технике / Т.Р. Брахман. М.: Радио и связь, 1984. - 288 с.

11. БурковВ.Н. Комбинаторное программирование / В.НБурков, М.И.Рубинштейн. М.: Знание, 1977. - 64 с.

12. БыстровВ.А. Об эффективности решения одного класса задач дискретного программирования с помощью локального алгоритма / В.А. Быстров, О.А. Щербина // Кибернетика. 1987. - № 3. - С. 96-101.

13. ВентцельЕ.С. Исследование операций / Е.С. Вентцель. М.: Советское радио, 1972.-551 с.

14. Вентцель Е.С. Исследование операций: Задачи, принципы, методология / Е.С. Вентцель. М.: Высшая школа, 2001. - 206 с.

15. Вермишев Ю.Х. Методы автоматического поиска решений при проектировании сложных технических систем / Ю.Х. Вермишев. М.: Радио и связь, 1982.-152 с.

16. Вирт Н. Алгоритмы+структуры данных=программы / Н. Вирт. М.: Мир, 1985.-405 с.

17. Вирт Н. Алгоритмы и структуры данных / Н. Вирт. СПб.: Невский диалект, 2001. - 331 с.

18. Волкович B.J1. Об одной схеме метода последовательного анализа и отсеивания вариантов / B.JI. Волкович, А.Ф.Волошин // Кибернетика. 1978. -№4.-С. 98-105.

19. ГайковичА.И. Основы теории проектирования сложных технических систем / А.И. Гайкович. СПб.: МОРИНТЕХ, 2001. - 429 с.

20. Гафуров X.JI. Системы автоматизированного проектирования: Учеб. пособие / Х.Л. Гафуров, Т.Х. Гафуров, В.П. Смирнов. СПб.: Судостроение, 2000. -320 с.

21. ГенсГ.В. Дискретные оптимизационные задачи и эффективные приближенные алгоритмы / Г.В. Гене, Е.В. Левнер // Изв. АН СССР. Техническая кибернетика. 1978. - № 6. - С. 15-21.

22. ГОСТ 8.009-84. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. М.: Изд-во стандартов, 1988.-40 с.

23. ГОСТ 8.401-80. Классы точности средств измерений. Общие требования. М.: Изд-во стандартов, 1988. - 16 с.

24. Данилов С.И. Параметрический синтез измерительных каналов в автоматизированной системе управления технологическим процессом: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук / С.И. Данилов. Волгоград, 2000. - 16 с.

25. Еид М. Потенциальная точность измерительных автоматов / М. Еид, Э.И. Цветков СПб.: СЗО МА, 1999. - 80 с.

26. Земмельман М.А. О классификации погрешностей измерений / М.А. Зем-мельман // Измерительная техника. 1985. - № 6. - С 3-5.

27. Использование виртуальных инструментов LabVIEW / Ф.П. Жарков, В.В Каратаев, В.В. Никифоров, B.C. Панов. М.: Соломон-Р, Радио и связь, Горячая линия - Телеком, 1999. - 268 с.

28. Каверкин И.Я. Анализ и синтез измерительных систем / И .Я. Каверкин, Э.И. Цветков. Л.: Энергия, Ленинградское отд-ние, 1974. - 156 с.

29. Кнут Д. Искусство программирования для ЭВМ. Т.З: Сортировка и поиск / Д. Кнут. М.: Вильяме, 2001. - 822 с.

30. Коваленко А.Г. Алгоритмы интервалов и их применение для решения задач дискретной оптимизации многошаговых процессов / А.Г. Коваленко // Кибернетика. 1987. -№ 3.- С. 96-101.

31. Козаченко В.Ф. Микроконтроллеры: Руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров Intel MCS-196/296 во встроенных системах управления / В.Ф. Козаченко. М.: ЭКОМ, 1997. - 687 с.

32. Корбут А.А. Дискретное программирование / А.А. Корбут, Ю.Ю. Фин-келыптейн. М.: Наука, 1969. - 368 с.

33. Королев П.Г. Разработка алгоритмов оптимального проектирования измерительных систем: Дис. на соис. уч. степ. канд. техн. наук / П.Г. Королев. -СПб., 1993.- 163 с.

34. ЛевшинаЕ.С. Электрические измерения физических величин. (Измерительные преобразователи): Учеб. пособие для вузов / Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отд-ние, 1983. - 320 с.

35. Лион Курт С. Приборы для научных исследований. Электрические входные преобразователи / Курт С. Лион. М.: Машиностроение, 1964. - 276 с.

36. Липский В. Комбинаторика для программистов / В. Липский. М.: Мир, 1988.-213 с.

37. Мартин Дж. Организация баз данных в вычислительных системах. / Дж. Мартин. М.: Мир, 1980. - 662 с.

38. Методика проведения энергетических обследований (энергоаудит) бюджетных учреждений / Под ред. С.К. Сергеева. Нижний Новгород, 2000. - 61 с.

39. Методический материал по применению ГОСТ 8.009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений». М.: Изд-во стандартов, 1988. - 99 с.

40. Методы электрических измерений: Учеб. пособие для вузов / Л.Г. Жура-вин, М.А. Мариненко, Е.И.Семенов, Э.И. Цветков. Л.: Энергоатомиздат, Ле-нингр. отд-ние, 1990.-288 с.

41. МИ 222-80. Расчет метрологических характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем по метрологическим характеристикам компонентов М.: Изд-во стандартов, 1981. - 22 с.

42. Мирский Г.Я. Микропроцессоры в измерительных приборах / Г.Я. Мир-ский. -М.: Радио и связь, 1984. 161 с.

43. Митеев И.Г. Применение метода ветвей и границ к некоторым задачам дискретного программирования / И.Г. Митеев // ЖВМ и МФ. 1976. - Т. 17. -№2.-С. 27-43.

44. Михалевич B.C. Вычислительные методы исследования и проектирования сложных систем / B.C. Михалевич, В.Л Волкович. М.: Наука, 1982. - 286 с.

45. Михалевич B.C. Методы последовательной оптимизации в дискретных сетевых задачах оптимального распределения ресурса / B.C. Михалевич, А.И Кук-са. М.: Наука, 1983. - 207 с.

46. Моисеев B.C. Системное проектирование преобразователей информации / B.C. Моисеев. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. - 255 с.

47. НитИ.В. Линейное программирование / И.В. Нит. М.: Изд-во МГУ, 1978.-200 с.

48. Новицкий П.В. Оценка погрешностей результатов измерений / П.В. Новицкий, И.А. Зограф. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отд-ние, 1991. — 303 с.

49. Обоишев М.Ю. Организация баз измерительных знаний для задач структурного синтеза измерительных каналов / М.Ю. Обоишев // Мягкие вычисления и измерения: Сб. докл. Междунар. конф. 17-19 июня 2004 г. СПб., 2004 (в печати).

50. Обоишев М.Ю. Принципы построения информационной базы для автоматизации синтеза измерительных систем для экологического мониторинга / М.Ю. Обоишев // Мягкие вычисления и измерения: Сб. докл. Междунар. конф. 25-27 июля 2001 г.-СПб., 2001 г.-Том2.-С. 21.

51. Обоишев М.Ю. Универсальный программный комплекс системы сбора экологической информации: Свидетельство об офиц. регистрации программы для ЭВМ № 2000611014 / М.Ю. Обоишев // ОБПБТ. М.: ФИПС. - 2001. - № 1(34). -С. 23.

52. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы / П.П. Орнатс-кий. — Киев: «Вища школа», 1973. 552 с.

53. Основы метрологии и электрические измерения / Б .Я. Авдеев, Е.М. Анто-нюк, Е.М. Душин, ШЛО. Исмаилов и др. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отд-ние, 1987.-480 с.

54. РД-50-453-84. Методические указания. Характеристики погрешности средств измерений в реальных условиях эксплуатации. Методы расчета. М.: Изд-во стандартов, 1988. - 16 с.

55. Розенберг В.Я. Введение в теорию точности измерительных систем / В.Я. Розенберг. М.: Советское радио, 1975. - 304 с.

56. РомановВ.Н. Интеллектуальные средства измерений / В.Н.Романов, B.C. Соболев, Э.И. Цветков. М.: Ред. изд. центр «Татьянин день», 1994. - 280 с.

57. Руа Б. Проблемы и методы принятия решений в задачах со многими целевыми функциями. Вопросы анализа и процедуры принятия решений / Б. Руа. -М.: Мир, 1976.-218 с.

58. Сергиенко И.В. Математические модели и методы решения задач дискретной оптимизации / И.В. Сергиенко. Киев: Наукова думка, 1985. - 381 с.

59. Сергиенко И.В. Модели и методы решения на ЭВМ комбинаторных задач оптимизации / И.В Сергиенко, М.Ф. Капшицкая. Киев: Наукова думка, 1981.-287 с.

60. Сергиенко И.В. Приближенные методы решения дискретных задач оптимизации / И.В. Сергиенко, Т.Т. Лебедева. Киев: Наукова думка, 1980. - 275 с.

61. Сигал И.Х. Приближенные методы и алгоритмы в дискретной оптимизации: Учеб. пособие по курсу «Дискретная математика» / И.Х. Сигал. М.: МИИТ, 2000. - 106 с.

62. Современные проблемы теоретической метрологии / B.C. Александров, Л.И. Довбета, Т.Н. Сирия, Ю.В. Тарбеев. М.: ВИНИТИ, 1991. - 140 с.

63. Финкелынтейн Ю.Ю. Метод отсечения и ветвления для решения задач целочисленного линейного программирования / Ю.Ю. Финкельштейн // Известия АН СССР. Техническая кибернетика. 1971. - № 4. - С 23-31.

64. Хачатуров Р.В. Комбинаторные методы и алгоритмы решения задач дискретной оптимизации большой размерности / Р.В. Хачатуров. М.: Наука, 2000. -255 с.

65. Цветков Э.И. Алгоритмические основы измерений / Э.И. Цветков. — СПб.: Энергоатомиздат, 1992.-252 с.

66. Цветков Э.И. Метрологический анализ на расчетной основе / Э.И. Цветков // Вестник метрологической академии Северо-Западного Отделения. -Вып. 1. СПб.: Изд-во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, 1998. - С. 6 - 25.

67. Цветков Э.И. Процессорные измерительные средства / Э.И. Цветков. -Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отд-ние, 1989. 224 с.

68. Электрические измерения неэлектрических величин / A.M. Туричин, П.В. Новицкий, Е.С. Левшина и др. Л.: Энергия, 1975. - 556 с.

69. Toner A.H., White M.M. Virtual instrumentation: a solution to the problem of design complexity in intelligent instruments / A.H. Toner, M.M. White // Measurement and Control. 1996. - V. 29. - № 6. - P. 165 - 171.