Ультразвуковой планшетный преобразователь графической информации с активным рабочим органом

I. Актуальность выбранной тематики исследований.

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года предусмотрено «.опережающими темпами развивать производство приборов и датчиков систем комплексной автоматизации сложных технологических процессов,. увеличивать производство приборов, оборудования, средств автоматизации для проведения научных исследований, расширять автоматизацию проектно-конструкторских и научно-исследовательских работ с применением вычислительной техники «/4−5/.

Внедрение цифровой вычислительной техники в системы управления выдвигает на первый план проблему связи цифровых средств с объектами, параметры которых в большинстве случаев характеризуются величинами, являющимися непрерывными функциями времени. Непосредственное использование и обработка таких функций в цифровых устройствах невозможны, и следовательно необходимо преобразовать аналоговые сигналы в цифровые. Преимущества цифровых методов обработки информации могут быть реализованы в полной мере лишь в том случае, когда преобразователи не вносят в эти системы ограничений по точности и быстродействию. Поэтому решение поставленных задач неразрывно связано с ростом интенсивности исследований, направленных на создание новых и усовершенствование имеющихся преобразователей и устройств ввода в ЭВМ различных видов информации, в особенности графической, являющейся в настоящее время одной из наиболее распространенных. Это обусловлено тем, что графическая форма обладает наибольшей наглядностью и обеспечивает быстрое восприятие человеком изучаемых процессов и явлений, а в ряде случаев может являться единственно доступной для исследования. Легкость восприятия и наглядность при оперативном анализе позволяют быстро выбирать иэ общего массива те данные, которые представляют непосредственный интерес.

Использование ЭВМ для анализа графической информации (ГИ) находит в настоящее время все большее распространение. Оперативная обработка больших массивов графических данных стала практически невозможной без их широкого использования, и эффективный анализ ГИ с помощью вычислительных машин требует включения в состав периферийных устройств ЭВМ аппаратуры преобразования и ввода графических данных. Преобразователи ГИ в составе вычислительных комплексов находят применение при решении эадач машинного проектирования, автоматизации научно-технических экспериментов, для получения данных при автоматизации технологической подготовки производства и т. д.

В зависимости от способа выделения элементов изображения преобразователи ГИ разделяются на автоматические и полуавтоматические. Ввод ГИ с помощью автоматических устройств требует разработки комплекса сложных программ, реализующих описание и распознавание изображения. Автоматическое преобразование предъявляет также высокие требования к качеству нанесения ГИ и ее носителя. Все это значительно усложняет структуру систем автоматического преобразования, приводит к увеличению эксплуатационных расходов, повышает их стоимость. Кроме того, невозможность устранения принципиальных технических трудностей считывания, например, графических изображений с необходимой алфавитно-цифровой информацией, ограничивает использование автоматических преобразователей. Отсутствие в настоящее время эффективных способов оптического считывания изображений больших размеров также сдерживает использование автоматических систем преобразования ГИ.

Современное развитие науки и техники все убедительнее доказывают, что наиболее совершенные системы управления на данном этапе могут быть созданы лишь путем сочетания лучших свойств технических устройств и человека-оператора. Поэтому более широкое распространение получили системы, в которых преобразование ГИ осуществляется с помощью полуавтоматических планшетных преобразователей, а задача описания и распознавания изображений решается человеком. Проблема создания полуавтоматических преобразователей графической информации (ППГИ) стимулируется также проникновением ЭВМ в различные исследования на их творческом этапе, когда решается вопрос выбора того или иного варианта из множества возможных. Например, при решении задач проектирования в некоторых системах рабочее поле планшета используется в качестве «чертежного стола», а изготовление (или изменение) изображения на документе может совмещатся во времени с его преобразованием. В этом случае человек оперативно взаимодействует с машиной, которая в процессе итерационного поиска выполняет количественные вычисления, строит необходимые зависимости, определяет соответствие заданным численным критериям и т. д. При этом устройство отображения, входящее в состав комплекса, визуально воспроизводит преобразованное изображение, что позволяет оператору контролировать процесс и при необходимости делать изменения вводимой информации. В качестве устройств отображения наиболее широко используются экранные дисплеи, обеспечивающие связь человека с машиной. При этом не исключена возможность совмещения в дисплее функций как преобразования, так и визуализации ГИ путем использования в качестве планшета непосредственно экран дисплея /24,31/.

Использованный таким образом диалоговый режим работы, при котором ППГИ является своего рода рабочим инструментом общения пользователя с ЭВМ, позволяет значительно повысить эффективность.

— 8 процесса и всей системы в целом.

Для примера можно указать на один из методов автоматизации топологического проектирования /15/. Процесс проектирования происходит при непосредственном взаимодействии разработчика I (рис. B. I). с дисплеем 2, с помощью которого осуществляется ввод в ЭВМ 3 и вывод из нее информации, отображаемой в графической форме. Далее на этом рисунке приняты следующие обозначения: 6 — набор типовых топологических структур, 7 — фотонаборная установка, 8 -графопостроитель, 4 и 5 — операции анализа топологии и коррекции, проводимые разработчиком I. Интерактивная система топологического синтеза предназначена для получения фотошаблонов при изготовлении печатных плат, интегральных микросхем и т. д. Указанные системы позволяют весьма существенно повысить производительность труда разработчика и обеспечивает при этом большую гибкость и оперативность проектирования.

Другим примером может служить использование ППГИ в системах управления проводки наклонных скважин /I/. Заданный проект точности проводки достигается в результате контроля и управления траекторией движения породоразрушающего инструмента — долота. Рагработанные новые методы и устройства контроля геометрических параметров скважин отличаются совмещением во времени и информационного и технологического процессов, что позволяет своевременно выработать управляющие воздействие для коррекции траектории долота. Система, созданная для этой цели состоит из измерителей 3-х пространственных углов: зенитного угла О, азимута =/и угла J5 ориентации отклонителя долота (рис.В.2). Показания измерителей преобразуются и по каналу связи 2 выводятся на поверхность. Наглядное отображение информации о направленности траектории может осуществляться как дисплеем 3, так и с помощью втоЛ.

UK.

ПЕБ.

1Z jT lwu.

JS v 7 S.

Рис.ВЛ. Структурная схема интерактивной системы топологического синтеза. С с*: it 2.

JTJ sz.

J>

J4 lb 5 6.

— N 4 —N -^.

V -? -?

In' 7.

Рис.В.2. Структурная схема системы управления проводки наклонных скважин. ричных носителей информации (самописцы 4), которая затем вводится оператором с помощью ППГЙ 5 в ЭВМ 6, куда заранее введена информация о расчетной траектории скважины. На основе анализа имеющихся данных в узле 7 вырабатываются корректирующие воздействия, управляющие долотом I.

Использование в режиме «диалога» не исключает, однако, широкого применения ППГИ и в разомкнутых системах. О диапазоне использования ППГЙ может свидетельствовать наличие устройств в составе систем управления в различных областях человеческой деятельности: в медицине, биологии, машиностроении, геофизике и т. д.

В качестве примера можно привести также систему контроля работы нефтяных скважин с использованием средств вычислительной техники. Исходной информацией для анализа состояния скважины является динамограмма или ваттметрограмма, позволяющая судить о различных видах неисправностей глубинного штангового насоса (ГШН), а также вычислять дебит скважины. Диагностирование неисправностей ГШН, таких как утечка в приемной и нагнетательной частях насоса, откачка жидкости с газом, заклинивание плунжера и т. д., можно реализовать на ЭВМ с помощью известных алгоритмов /I/. Информация о процессах в скважине выводится на экран дисплея или на вторичный носитель /I/ и затем с помощью ППГИ вводится в ЭВМ.

Одной из наиболее перспективных сфер применения СУ с ППГИ следует назвать научный эксперимент. Наличие ППГИ расширяет границы творчества экспериментатора, позволяет осуществлять гибкое оперативное управление ходом эксперимента, активно воздействовать на те или иные явления и процессы как при помощи управления с ЭВМ, так и самим вручную, пользуясь результатами и данными, представляемыми машиной. И в том, и в другом случае система замыкается через экспериментатора, который имеет возможность принять необходимое решение в каждой конкретной ситуации. Не останавливаясь на конкретных примерах, можно указать физику, химию, биологию, измерительную технику и т. д. как возможные области внедрения рассматриваемых систем.

Завершая анализ применения рассматриваемых преобразователей, следует отметить еще одну важную область их использования — преобразователи перемещения тел в плоскости. В этом случае рабочий орган (РО) ППГИ путем жесткого контакта совмещается с перемещаемым телом, и траектория движения РО соответствует траектории тела. Рабочий конец РО при этом находится на поверхности планшета, причем последний располагается параллельно плоскости, в которой перемещается тело. Одна из важнейших областей широкого применения данного метода — оперативное диагностирование с помощью средств вычислительной техники динамических характеристик функционирования промышленных роботов — манипуляторов, подвижные части которых перемещаются с большой скоростью. В этом случае к преобразователю предъявляются более жесткие требования по быстродействию и динамической точности измерения с целью уменьшения влияния погрешностей самого преобразователя на результаты исследования объекта.

Рассмотренные выше отдельные примеры охватывают далеко не весь диапазон внедрения ППГИ в системы управления, но позволяет выявить основные направления широкого использования рассматриваемых систем. Среди них отметим следующие:

— системы управления технологическими процессами, в которых информация представляется в графической форме, преобразованию которой предшествует предварительный анализ ее человеком-оператором;

— системы автоматизированного проектирования, в которых информация характеризуется наличием большого количества пересекающихся кривых, совмещением графического и алфавитно-буквеиного материала;

— измерительно-вычислительные комплексы, в которых происходит преобразование информационных потоков в процессе решения задач, связанных с оперативной обработкой графической информации;

— системы управления научными исследованиями, в которых экспериментатор контролирует ход эксперимента;

— системы диагностики динамических характеристик промышленных роботов-манипуляторов;

— эрготехнические системы, в которых с помощью ППГИ проводятся эргономические и психологические эксперименты.

Указанные направления охватывают многие сферы науки и техники, что предопределяет повышенный интерес к разработкам и исследованиям, ведущим к созданию высокоэффективной аппаратуры преобразования и ввода в ЭВМ графических данных.

Известные в настоящее время ППГИ, используемые в вышеназванных системах, далеко не полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним по метрологическим, технико-экономическим и конструктивно-эргономическим параметрам. Поэтому возникает необходимость создания новых и повышения эффективности имеющихся ППГИ. Проведенный анализ показывает, что для этой цели наиболее перспективно использование ультразвукового (УЗВ) принципа построения ППГИ. Поэтому изыскание путей совершенствования УЗВ ППГИ и исследования, направленные на дальнейшее развитие их теории, улучшение технических (метрологических) характеристик и конструкций, несомненно, являются актуальными,.

4.8. ВЫВОДЫ.

В этом разделе даны выводы и результаты исследований, проведенных в данной главе:

1. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан и внедрен в ПГТ «С0ЮЗГАЗГЕ0ФИЗИКА» Измеритель Координат Пьезоакустический (ИКП). Разработанный ИКП предназначен для преобразования и ввода в ЭВМ ЕС графической геофизической информации и используется в АСУ геофизических исследований скважин для нефтегазовых месторождений шельфа Каспийского моря. Экономическая эффективность внедрения ИКП составляет 159,8 тыс. рублей в год на один комплект устройства.

2. Разработанный ИКП обладает повышенными метрологическими.

— 175 характеристиками и обеспечивает высокие быстродействие (0,008с) • и точность (0,25 мм) преобразования при низкой стоимости, технологичности изготовления, а также конструктивной простоте.

3. Разработана инженерная методика расчета элементов акустического узла УЗВ ППГИ с активным квазисосредоточенным рабочим органом.

4. Установлены границы увеличения диаметра щупа, обеспечивающие заданный уровень погрешности измерения.

5. Разработан встраиваемый в ИКП микропроцессорный блок для реализации алгоритмов коррекции погрешностей УЗВ ППГИ и предварительной обработки преобразуемой графической информации.

— 176.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данном раздела приведены основные выводы и результаты работы:

1. Установлено, что основным требованиям, предъявляемым к ППГИ, к числу которых относятся высокая точность и быстродействие преобразования, простота конструкции и технологичность, низкая стоимость и эргономичность, наиболее полно отвечают УЗВ ППГИ с активным РО и многоканальной параллельной измерительной структурой, в основе функционирования которых лежит развитый метод одноволнового цикла сканирующего УЗВ преобразования.

2. Установлено, что метрологические характеристики УЗВ ППГИ с активным РО инвариантны к углам отклонения РО от вертикали в пределах ~20°, что является его рабочими углами наклона, а также к углам поворота РО вокруг вертикали и вокруг своей оси.

3. Разработана математическая модель АУ УЗВ ППГИ с активным квазисосредоточенным РО. В данной модели впервые в полном объеме учтен нестационарный характер процессов, протекающих в АУ в каждом цикле преобразования. В результате анализа модели:

— установлено, что основными дестабилизирующими факторами, влияющими на метрологические характеристики преобразователя, являются неинвариантность усилия прижатия РО к поверхности планшета и нестабильность геометрических размеров и физических параметров сред элементов, входящих в состав АУ, а также затухание УЗВ волн в планшете;

— показано, что для обеспечения линейности преобразования УЗВ ППГИ в заданном динамическом диапазоне и повышения функциональной надежности устройства необходимо введение узкополосной частотной селекции выходного сигнала АУ, обеспечивающее подавление всех частотных составляющих сигнала, кроме несущей частоты.

— 177.

Разработана метрологическая модель УЗВ ППГИ, учитывающая комплекс его динамических и статических погрешностей. Модель построена на основе: теории информации и экспериментальных исследований погрешностей преобразователя. Установлено, что основными составляющими погрешности являются: погрешность коэффициента передачи АУ, вызванная неинвариантностью усилия прижатия РО к поверхности планшета и затуханием УЗВ волн в планшетеаппаратурная погрешность, вызванная неточностью установки РО оператором вследствие явления параллаксатемпературная погрешность, вызванная влиянием температуры на скорость распространения и коэффициент затухания УЗВ волн в планшете, а также на параметры пьезоэлементов и электронных схемметодическая погрешность, вызванная выбранным координатно-временным методом преобразования.

5. Предложены алгоритмические и структурные методы коррекции погрешностей УЗВ ППГИ и методы повышения помехозащищенности измерительных каналов преобразователя. Указанные методы позволяют:

— обеспечить помехозащищенность в каналах до 26 дБ;

— повысить статическую точность преобразователя в 3,5 раза. Показано, что суммарная приведенная погрешность УЗВ ППГИ не превышает 0,05% и определяется величиной аппаратурной погрешности преобразователя.

6. На основе математической модели разработана методика инженерного расчета АУ УЗВ ППГИ с активным РО, позволяющая упростить процесс проектирования данных преобразователей.

7. Разработана типовая методика поверки УЗВ ППГИ. Специфика УЗВ ППГИ как устройства ввода ГИ позволяет проводить поверку преобразователя при помощи ЭВМ. Данная методика может быть распространена на все известные подклассы планшетных ППГИ.

8. Предложена структура встраиваемого в ИКП микропроцессор

— 178 ного блока для реализации алгоритмов коррекции погрешностей преобразователя и предварительной обработки преобразуемой графической информации, что обеспечивает разгрузку основной ЭВМ и повышение эффективности ее использования.

9. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан и внедрен в ПГТ «СОЮЗГАЗГЕОФЙЗИКА» Измеритель координат пьезоакустический, характеризующийся высокой точностью (приведенная погрешность ^ 0,05%) и быстродействием (125 изм/с) и предназначенный для преобразования и ввода в ЕС ЭВМ графической информации. Экономическая эффективность внедрения ИКП обусловлена его повышенными метрологическими характеристиками и составляет 159,8 тыс. рублей в год на один комплект устройства.