48. Обработка информации в асу тп. Связь интервала корреляции с частотой опроса первичных измерительных преобразователей.

x(t) – сигнал измерительной информации

g(t) – выходная величина преобразователя (полезный сигнал)

z – влияющие факторы

g(t) – смесь полезного сигнала и помехи

к – коммутатор

t – температура горячего спая – x

t0 – температура холодного спая z0

Если z0 - номинальная статическая характеристика

Далее идет квантование по уровню, в результате чего получаем y*(j t0)

Группа алгоритмов, хранящейся в ЭВМ в числовом значении параметра, называется первичная обработка информации.

Это

Контроль достоверности информации

Интерполяция и экстраполяция

фильтрация сигналов измерительной информации

Аналитическая градуировка датчиков

Коррекция восстановительных значений.

Функционирование АСУТП неразрывно связано с переработкой потока технологической информации. Получение информации о технологическом объекте управления осуществляется по различным каналам связей. Связь управляемого устройства (УУ) с оператором может быть прямая (оператор - УУ) и обратная (УУ - оператор). Любая информация может быть представлена только на каком-либо материальном носителе (магнитные ленты, диски, графические изображения на чертежах т.д.) обычно в АСУТП это сигнал в виде импульса тока или напряжения, передаваемые по проводам. Информация с одного носителя на другой переносится с помощью считывания и записи. Комплекс вопросов, связанных с приемом информации оператором от УУ (обратная связь) изучается специальной наукой – инженерной психологией, которая рассматривает, оператора как звено в замкнутой системе управления. Связь УУ с технологическим объектом управления также может быть прямая (УУ – ТОУ) и обратная (ТОУ – УУ).

Прямая связь. По этому каналу исполнительным элементом технологического объекта передаются воздействия от управляемого устройства. Основные задачи этого канала – преобразование управляемого сигнала в управляющее воздействие, пригодное по своей природе и виду для подачи его на управляющий вход исполнительного органа технологического объекта управления.

Обратная связь. Эта связь предназначена для получения информации о текущем состоянии технологического объекта, которая необходима для выработки управляющей информации. Канал обратной связи включает в себя первичные преобразователи контролируемого параметра в сигнал (датчики) и вторичные преобразователи сигнала датчика в сигнал, форма которого позволяет ввести его в управляющее устройство. При этом используются преобразования непрерывных (аналоговых) сигналов в цифровые, когда непрерывно изменяющийся технологический параметр преобразуется в дискретную комбинацию выходных сигналов, представляющую собой цифровой код. Такое аналого-цифровое преобразование выполняется первичным импульсным или кодовым датчиком, либо первичный датчик дает на выходе разность потенциалов, которая вторичным преобразователем преобразуется в код.

Материальным носителем информации является сигнал, который помимо информации несет также некоторою энергию, полученную от источника информации. Эта энергия воздействует на приемник. Сигнал носителей внешней (априорной и исходной) информации должен передавать сведения о задачах и целях управления. Сигналы текущей информации, вырабатываемые датчиками должны обеспечивать необходимую простоту и высокую достоверность преобразования технологического параметра в сигнал. В преобразовании сигналов можно выделить два аспекта: преобразование природы, формы и параметров сигнала (модуляция, квантование и др.); установление однозначного соответствия между отдельными видами сигналов и состояниями управляемости контролируемого параметров (кодирование: состояние-сигнал; перекодирование: сигнал-сигнал; диодирование: сигнал-состояние).

Виды и форма сигналов. Для управления АСУТП наиболее часто используются электрические сигналы, реже – механические, гидравлические, пневматические. Классификация представления сигналов в АСУТП приведена на рис.3

В соответствие с классификацией сигналы делятся на две группы:

аналоговые или непрерывные, способные в определенном диапазоне находиться в бесконечно большом количестве состояний;

дискретные, способные в определенном интервале находиться в конечном числе состояний (ток в цепи, коммутируемой реле; выходной сигнал логического элемента и т.д.) Аналоговые сигналы могут быть потенциальными с линейным и нелинейным преобразованием первичного состояния и частотным (гармоническим), отрабатывающим изменение первичного состояния соответствующим изменением амплитуды, частоты или фазы сигнала. Дискретные сигналы бывают квантовыми по уровню времени. Квантование сигналов по уровню сводится к замене текущих значений непрерывного сигнала конечным числом его уровней.

Рис.3 Классификация представления сигналов

а) б)

Рис.4 Квантование сигналов по уровню (а) и времени (б)

На рис 4а показан непрерывный сигнал у(t), который в результате квантования заменяется ступенчатой функцией _. Разность уровней Δy(t) называется разрешающей способностью сигнала или шагом квантования по уровню.

Пока сигнал не изменится на Δy(t), преобразователь фиксирует предыдущее значение его уровня. Если в интервале времени t_i до t_i+1 приращение сигнала не выходит за пределы шага квантования в одну или другую сторону, то прибор фиксирует постоянное значение у_{i .}

Шаг квантования определяется требуемой точностью измерения и обеспечивается разрешающей способностью квантуемого преобразователя. Чем выше разрешающая способность преобразователя, тем меньше шаг квантования. Он зависит от допустимой относительной погрешности измерения δ:

, (1.3)

где - соответственно максимальный и минимальный уровни сигналов.

Число уровней квантованного сигнала с учетом нулевого вычисляется по формуле

(1.4)

Количество информации (в битах), содержащееся в таком сигнале составит

С учетом (1.3) и (1.4) получим объем информации в зависимости от допустимой погрешности: (1.5)

Квантование непрерывного сигнала по уровню позволяет ограничить конечным числом бесконечное множество измерений. В этом случае система в большей степени защищена от помех.

Квантование непрерывного сигнала у(t) во времени (рис.4,б) сводится к замене большого числа значений непрерывного сигнала конечным числом мгновенных значений, фиксируемых через определенный промежуток времени . Последний называется шагом или периодом квантования по времени и может быть постоянным или переменным.

Кодирование сигналов. Кодирование сигналов служит для обмена информацией между отдельными составляющими АСУТП, ее обработки и хранения с требуемой точностью и надежностью.

Кодирование состоит в использовании кода – универсального способа отображения информации при ее передаче, обработка и хранении. Код представляет собой систему соответствий между элементами сообщений и сигналами, при помехе которых эти элементы можно зафиксировать.

По соображениям простоты технической реализации явное преимущество на стороне когда с n=2 (n – число символов в разделе или основание кода), при котором для хранения, передачи и обработки информации необходимы дискретные элементы с двумя устойчивыми состояниями («да» - «нет», «включено» - «отключено»). Поэтому двоичный код получил широкое распространение в цифровых устройствах контроля и управления.

Переход от десятичной к другим системам (10→2, 10→8, 10→16) удобнее всего производить по методу деления. По этому методу исходное число в десятичной системе последовательно делится на основание числа искомой системы. Остатки от деления образуют результат перевода, причем старший разряд соответствует последнему остатку, а младший – первому остатку.

Например:

Преобразование 10→2 Преобразование 10→8

1479/2 = 739 (остаток 1) – младший разряд 1479/8 = 184 (остаток 7) – младший разряд

739/2 = 369 (остаток 1) 184/8 = 23 (остаток 0)

369/2 = 184 (остаток 1) 23/8 = 2 (остаток 7)

184/2 = 92 (остаток 0) 2/8 = 0 (остаток 2) – старший разряд

92/2 = 46 (остаток 0) N₈ = 2707

46/2 = 23 (остаток 0)

23/2 = 11 (остаток 1) Преобразование 10→16

11/2 = 5 (остаток 1) 1479/16 = 92 (остаток 7) – младший разряд

2.2 = 1 (остаток 0) 92/16 = 5 (остаток 12)

1/2 = 0 (остаток 1) – старший разряд 5/16 = 0 (остаток 5) – старший разряд

N₂ =10111000111 N₁₆ = 5C7

т.к. в шестнадцатеричной системе для изображения чисел применяются от 0 до 15 (всего 16 цифр); обозначение первых десяти цифр от 0 до 9 совпадают с десятичным, а остальные шесть цифр (от 10 до 15) обозначаются латинскими буквами A,D,C,D,E,F.

1. Измерительные преобразователи.

Чувствительные элементы, преобразующие контролируемую или регулируемую величину в выходной сигнал, удобный для дистанционной передачи или дальнейшей обработки, называется измерительным преобразователем. В сложной измерительной цепи, составленной из нескольких последовательно соединенных измерительных преобразователей, первый называется первичным преобразователем или датчиком. Входной сигнал первичного преобразователя является входным сигналом всей цепи, т.е. измеряемым сигналом.

Рис.1.3.1 сложная измерительная цепь

О – объект измерения,

ПП – первичный преобразователь (датчик),

ПрП – промежуточный преобразователь,

ИП – измерительный прибор.

Назначение промежуточного преобразователя ПрП:

Отделение датчика от измерительного прибора, в результате чего ИП можно разместить на щите оператора в нормальных условиях эксплуатации;

Уменьшение номенклатуры ИП за счет унификации промежуточного сигнала.

В таблице 1 приведены наиболее часто употребляемые унифицированные сигналы и пределы их измерения.

При выборе унифицированного промежуточного сигнала руководствуются главным образом длиной канала связи. При длине канала связи до 300м в качестве промежуточного сигнала можно использовать любой унифицированный сигнал.

Погрешности измерительных преобразователей.

Погрешность измерения – основная метрологическая характеристика измерительных преобразователей. Различают случайные, грубые и систематические погрешности.

Случайные погрешности изменяются случайным образом при многократных измерениях одного и того же параметра. Они принципиально не могут быть устранены при измерениях.

Грубые погрешности возникают вследствие неправильной организации процесса измерения (неправильного отсчета показаний прибора, выхода из строя какого-либо элемента измерительной цепи). Такие погрешности могут быть обнаружены и устранены.

Систематические погрешности закономерно изменяются или остаются постоянными при многократных измерениях одного и того же параметра. Они вызваны недостатками методов измерений и конструкций измерительных преобразователей. Эти погрешности могут быть обнаружены и устранены.

Абсолютная погрешность определяет точность измерения физической величины x:

где – абсолютная погрешность,

x₀ – точное значение величины,

x – измеренное значение величины.

Относительная погрешность определяет качество измерения физической величины:

На практике используют приведенную относительную погрешность:

где – максимальное значение диапазона измеряемой величины x.

Зависимость выходного сигнала измерительного преобразователя от его входного сигнала в установившемся состоянии называется статической характеристикой:

где         y – выходной сигнал,

x – входной сигнал,

f – известная функция,

x_n – порог чувствительности.

     – чувствительность измерительного преобразователя.

Нестабильность статической характеристики является источником двух видовых погрешностей:

дрейф нуля, т. е.

изменение чувствительности,

Если известны зависимости x_n(t) и k(t), то эти погрешности можно компенсировать:

дрейф нуля:

изменение чувствительности:

Задача первичной обработки данных.

Под первичной обработкой данных в системах реального времени понимается обработка данных, поступающих с выходов первичных преобразователей информации (датчиков).

Задачу первичной обработки данных можно сформулировать следующим образом: известны наблюдаемые (измеряемые) и содержащие ошибки действительные значения У вводимой физической величины, а также структура и погрешности У оборудования, входящее в состав измерительного канала (рис.1.4.1). Необходимо найти номинальные значения физической величины Х₀ или ее действительные значения Х.

Рис.1.4.1 к задаче первичной обработке данных

На практике задачи первичной обработки информации представляет собой комплекс следующих взаимно связанных задач.

масштабирование, калибровка, линеаризация характеристик оборудования измерительного канала;

контроль достоверности измеренных значений;

корректировка влияния ошибок измерения У и помех Х.

Рассмотрим эти задачи на примере одномерного измерительного канала с линейной статической характеристикой:

у = кх + m                                           (1.4.1)

где к, m – константа, масштабные коэффициенты.

Задача масштабирования состоит в определени масштабных коэффициентов в выражении (1.4.1).

Задача калибровки (градуировки) заключается в определении функции.

х = f(у)                                             (1.4.2)

Функция (1.4.2) называется калибровочной (градуировочной) функцией и определяется экспериментально или по характеристикам устройств.

Задача линеаризации состоит в апроксимации калибровочной функции в виде ломанной или полинома n-ой степени по заданным опорным точкам. Массив опорных точек называется калибровочной (градуировочной) таблицей.

Контроль достоверности измеряемых значений физической велечины заключается в проверке наличия возможных ошибок аппаратуры и контроль очевидных ошибок, например, дефектов датчиков, грубых ошибок измерения или явных несоответствий. Контроль достоверности измерений обычно осуществляется с помощью выражений:

                             (1.4.3)

где x_max, x_min – границы диапозона достоверности измеряемой величины Х;

X _-, X₊ – опасные границы изменения величины Х.

При решении задачи корректировки влияния ошибок измерения и помех различают:

статическую корректировку измеренных значений (компенсацию);

динамическую корректировку (фильтрацию, сглаживание).

Необходимость статической корректировки возникает при нестабильности масштабных коэффициентов К и М в выражении (1.4.1). Эффект "дрейфа нуля" измерительного канала связан, например, с изменением во времени масштабного коэффициента

М = M(t)                                              (1.4.4)

Масштабный коэффициент К определяет чувствительность измерительного канала и может изменяться, например, в зависимости от температуры

К = К(Т⁰С)                                          (1.4.5)

Если известны законы изменения масштабных коэффициентов (1.4.4) и (1.4.5), то задача компенсации решается в соответствии с выражением:

У = [К + К(T⁰C)]X + [M + M(t)]                         (1.4.6)

Динамическая корректировка измеренных значений реализуется двумя методами:

сглаживания измеренных значений за счет формирования средних:

                                             (1.4.7)