Структуры и физическая реализация измерительных систем

Общие принципы моделирования измерительных систем

Моделированием измерительной системы (ИС) называется формулирование математической, структурной, функциональной и т. д. модели ИС.

Модель дает приблизительное описание явлений, происходящих в ИС, устанавливает связи между сигналами.

ИС состоит из элементов двух видов:

• а) активных носителей энергии, генерирующих физические величины (электрические аккумуляторы, источники света, сжатый воздух, усилители электрических сигналов и т. д.);
• б) пассивных, свойства которых выражаются величинами, не являющимися носителями энергии (механические конструктивные элементы, оптические элементы: фильтры, призмы, линзы, зеркала; электрические элементы: сопротивления, конденсаторы, катушки и т. д.).

Математическая модель ИС всегда определима, так как устройство с неизвестной моделью не может быть использовано как средство измерения. Кроме самой модели всегда определяется ее точность.

ИС как систему характеризуют входы и выходы. Входным сигналом является состояние измеряемой величины, вводимой в ИС. Входными сигналами служат также воздействующие величины, характеризующие условия работы ИС. Выходным сигналом являются показания прибора.

В системной интерпретации формулируют три задачи:

• 1) известны вход и модель системы — определить выход;
• 2) известны вход и выход — построить модель;
• 3) известны модель и выход — определить вход.

Каждое измерение — это решение третьей задачи.

Процесс измерения реализуется с помощью измерительного оборудования, включающего СИ и вспомогательные устройства (ВУ), которые в совокупности с объектом испытаний и приемником информации составляют ИС (рис. 6.19).

Рис. 6.19. Блок-схема измерительной системы.

Автономный измерительный прибор, предназначенный для измерения одной физической величины, обладает универсальностью и гибкостью в применении. Он без особых затруднений может быть использован для исследования достаточно широкого класса объектов, свойства которых представлены данной ФВ (даже составление и аттестация методики выполнения измерений не всегда требуются). Если необходимо одновременно измерять несколько ФВ x_t (в общем случае разнородных), то простейшее решение заключается в использовании соответствующего числа отдельных приборов (рис. 6.20) [6].

Рис. 6.20. Схема исследования сложного объекта с помощью автономных измерительных приборов.

Каждый прибор дает оценку соответствующей измеряемой величины:

где N_{ — число (цифра); q_{ — цена деления аналогового прибора или единицы младшего разряда цифрового прибора.

Для того чтобы можно было пользоваться результатами измерения, полученными в разных местах и в разное время, коэффициент q, приборов должен быть известным. Это достигается путем градуировки приборов.

Запоминание, обработку результатов измерений производит исследователь; контроль за ходом эксперимента осуществляют путем непосредственного наблюдения за объектом. При необходимости исследователь может изменять состояние объекта; изменения производятся либо по результатам уже проведенных измерений, либо по заданной в методике программе.

Очевидно, что методология исследования с помощью автономных приборов пригодна, как правило, для статичных объектов, или объектов, состояние которых меняется относительно медленно, когда скорость реакции исследователя-человека достаточна, а число измеряемых параметров невелико.

С развитием науки и техники предметами исследования становятся более сложные объекты с высокими скоростями измерения переменных состояния. Адекватные средства измерений могут быть, как правило, реализованы на основе ЭВМ, обеспечивающих необходимую скорость сбора и регистрации данных и их обработку в реальном масштабе времени.

В этом случае также можно воспользоваться совокупностью автономных измерительных приборов, имеющих цифровой выход. Но целесообразно использовать средства измерений в виде узлов, модулей и блоков, объединяя их с микропроцессорами и ЭВМ в многовходовую измерительную систему (измерительное устройство) по единому конструктивному замыслу (рис. 6.21).

Рис. 6.21. Схема исследования сложного объекта с помощью измерительной системы.

Измерительная система, выполняющая операцию x_t —> N_t, разделена на две части: аналоговую и цифровую.

Аналоговая часть осуществляет аналоговые и цифровые преобразования комплекса физических величин в их цифровые значения. Результат преобразования {N} поступает в цифровую часть (ЭВМ или спецвычислитель).

В цифровой части выполняется завершающий этап процесса измерения физических величин: получение их оценок Xi=N_t.

Алгоритмы и программы обработки составляются на основе модели объекта. Человек осуществляет лишь контроль за ходом измерения. Для этого результаты измерений и обработки могут выводиться на специальное видеоконтрольное устройство.

Если основной целью измерения является не исследование объекта, а управление состоянием объекта, в ЭВМ вводятся желаемые параметры модели объекта (уставки), а в программное обеспечение — алгоритмы и программы принятия решений и выработки управляющих воздействий.

Таким образом, средство измерения, по крайней мере на программном уровне, может интегрироваться с системой управления. При этом данные измерений сравниваются с заданной моделью (уставкой) и делается вывод о соответствии объекта (состояния объекта) модели.

В управляющих системах задача заключается в том, чтобы изменить объект, обеспечив его соответствие заданной модели (грубо говоря, «подогнать» объект под модель). Данная задача является обратной задаче исследований: «подогнать» модель под объект. В любом случае измерительный эксперимент призван разрешить диалектическое противоречие между объектом и его моделью.

Не все объекты имеют поля ФВ. В соответствии с этим объекты принято делить на активные и пассивные. Необходимое поле ФВ пассивного объекта создается путем воздействия на него физическим полем специального источника (возбудителя) (рис. 6.22). Объект или трансформирует известным образом поле возбудителя, или генерирует под его влиянием поле другой физической природы.

Рис. 6.22. Схема исследования пассивного объекта.

Применение возбудителей резко расширяет возможности эксперимента, так пространственно-временные характеристики возбуждающего поля могут быть заданы оптимальным образом для данной измерительной задачи.

Собственно объект исследования и возбудитель должны рассматриваться как единый объект, изучение свойств которого позволяет решить измерительную задачу.