ERBI7HWOco

УДК 621.391

Проектирование локальных и адаптивных измерительных систем: методические указания к выполнению междисциплинарного проекта / Сост.: Б. Я. Авдеев, В. В. Алексеев, Е. М. Антонюк, В. С. Коновалова, П. Г. Королев. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015. 32 с.

Представлены методические рекомендации по выполнению междисциплинарного проекта. Перечислены основные дисциплины, на основании которых выполняется проект. Приведены компетенции, вырабатываемые в процессе проектирования. Даны рекомендации по выбору темы проекта и сформулированы требования по его оформлению.

Предназначены для студентов, обучающихся по направлению 200100.68 «Приборостроение».

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОГО ПРОЕКТА

Настоящие методические указания предназначены для студентов магистратуры, обучающихся по направлению подготовки «Приборостроение» (магистерские программы «Локальные измерительновычислительные системы» и «Адаптивные измерительные системы»).

В соответствии с учебными планами № 786 и 787 междисциплинарный проект выполняется студентами в 3-м семестре на базе ранее изученных и изучаемых в текущем семестре дисциплин. Целью междисциплинарного проекта является приобретение навыков по систематизации и интеграции приобретенных знаний [1].

Задачами междисциплинарного проекта являются:

–формирование способности проводить обзор и обоснование выбора путей решения поставленной задачи на основе знаний, полученных в смежных областях науки и техники;

–формирование способности применения знаний, умений и навыков, полученных в смежных дисциплинах, для анализа и (или) синтеза предложенных решений.

Тема междисциплинарного проекта должна представлять собой современную техническую задачу, основанную на нескольких дисциплинах учебного плана подготовки магистров по направлению «Приборостроение», причем 1–2 дисциплины должны быть из перечня общих обязательных дисциплин в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом [2], а 2–3 – из так называемых вариативных дисциплин, относящихся к конкретной магистерской программе.

2. ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ДИСЦИПЛИН УЧЕБНЫХ ПЛАНОВ

Выполнение междисциплинарного проекта предусматривает знание нижеперечисленных дисциплин, которые были изучены ранее или изучаются в 3-м семестре.

Метрология

Рассматриваются основные понятия и определения в метрологии, виды и методы измерений, погрешности измерений и обработка результатов измерений; изучаются принципы действия аналоговых и цифровых средств

3

измерений; процедуры нормирования метрологических характеристик средств измерений [3].

Современные проблемы электроники и микропроцессорные системы

в приборостроении

Дисциплина направлена на изучение принципов действия и техники построения электронных узлов различных приборов на базе современных электронных и микропроцессорных средств. Изучаются особенности работы электронных систем в контрольно-диагностических приборах при решении задач генерации сигналов с заданными характеристиками, а также обработки принятых сигналов с применением последних достижений в области аналоговой и цифровой схемотехники. Особое внимание уделяется вопросам автоматизации процессов обработки сигналов и управления работой приборов с помощью современных программно-управляемых контроллеров.

Информационные технологии в приборостроении

В рамках дисциплины студенты знакомятся с ролью и значением современных информационных технологий в жизни общества. Обучаются использованию компьютерных технологий для поиска информации, оформления научно-технической документации и электронных документов (публикаций). Изучают азы применения мультимедиа-технологий для создания информационных ресурсов на базе программных средств при формировании и редактировании интерактивных элементов мультимедиа-

средствами web-технологий (FrontPage, Java, Macromedia Flash и др.).

Осваивают имитационное моделирование процессов, объектов, систем в приборостроении, информационные технологии при создании аппаратнопрограммного обеспечения приборных систем (в среде графического программирования LabVIEW), цифровую обработку сигналов [4], [5].

Математическое моделирование в приборных системах

Дисциплина посвящена вопросам математического моделирования динамических систем и процессов, задачам формализации и структурирования априорной измерительной информации в интеллектуальном информационном продукте, а также задачам применения универсального математического аппарата в виде дифференциальных

4

уравнений, матричных преобразований и стохастических процессов с использованием программного обеспечения Excel, MathCAD, MATLAB.

3. ДИСЦИПЛИНЫ МАГИСТЕРСКИХ ПРОГРАММ

При выполнении междисциплинарного проекта студентам потребуются знания, полученные ими при изучении перечисленных ниже дисциплин одной из магистерских программ.

3.1. Магистерская программа «Локальные измерительно-вычислительные системы»

Локальные измерительно-вычислительные системы

Современные локальные измерительно-вычислительные системы (ЛИВС) представляют собой сложные программируемые структуры, обеспечивающие контроль состояния, анализ характеристик, моделирование и прогнозирование локальных и распределенных объектов и процессов. Архитектура построения ЛИВС полностью определяется выбранным приборным интерфейсом и функциональными возможностями измерительных средств. В дисциплине подробно рассматриваются вопросы организации основных типов современных интерфейсов и принципов построения ЛИВС на их основе; рассматриваются принципы построения программируемых измерительных устройств и их включения в систему. Отдельное внимание уделяется принципам построения измерительновычислительных устройств как важному перспективному классу измерительных преобразователей. Рассматриваются вопросы структурной организации ЛИВС.

Рассматриваются вопросы проведения измерений в реальном времени с помощью программируемых средств измерений (измерительных каналов) [6]. С этой целью анализируются основные виды измеряемых сигналов и принципы построения измерительных каналов для их измерения [7]. Приводится их классификация. Рассматриваются одноканальные и многоканальные измерения (совместные, совокупные). Рассматриваются вопросы построения расписания работы многоканальной ЛИВС, работающей в реальном времени [8].

5

Планирование измерительного эксперимента

Рассматриваются принципы и методы измерительного эксперимента; объекты и задачи исследования; обобщенная схема проведения эксперимента и сопровождающие информационные процессы подготовки, проведения и обработки результатов эксперимента; факторное пространство; поверхность отклика; показатели качества эксперимента.

Рассматривается математический аппарат, применяемый в теории планирования эксперимента, основанный на теории вероятностей и математической статистике, теории случайных функций, теории принятия статистических решений, дисперсионном анализе, регрессионном анализе и др., необходимый для решения задач планирования и оценки результатов экспериментов [9].

Изучаются латинские и греко-латинские квадраты; рандомизация планов; планы первого порядка; полный факторный эксперимент; однофакторный и дробный факторные эксперименты; симплекс-планы; планы второго порядка; симметричные и несимметричные планы; центральный композиционный эксперимент; планирование экстремальных экспериментов, градиентные и неградиентные методы. Определяются модели исследуемых объектов, линейные и нелинейные регрессионные модели.

Производится обзор существующего программного обеспечения, предназначенного для анализа результатов измерений, полученных при выполнении экспериментов разного целевого назначения [10].

Моделирование измерительно-вычислительных систем

Курс посвящен изучению методов моделирования и методик построения моделей сигналов, поступающих от измерительных преобразователей, приборов и систем. Изучается моделирование сигналов с заданными характеристиками (случайные стационарные и нестационарные процессы с заданной спектральной плотностью мощности). Рассматриваются структура и средства среды графического программирования LabVIEW.

Рассмотрены вопросы построения моделей измерительных каналов, изучаются также особенности создания виртуальных измерительных систем.

Предполагается, что, изучив данный курс, магистрант сможет решать проблемы, возникающие при разработке измерительных устройств и систем с применением методов машинного моделирования. Навыки создания компьютерных моделей приобретаются в процессе выполнения

6

лабораторных работ. Предполагается, что полученные знания и навыки студент сможет использовать при работе над магистерской диссертацией.

Интегрированные системы на основе геоинформационных технологий

Врамках дисциплины студенты знакомятся с вопросами сбора, анализа

ипредставления на тематической карте пространственно-распределенной информации с использованием геоинформационных систем (ГИС). Студенты изучат основы построения пространственных моделей объектов и процессов на основе ГИС, а также принципы построения баз пространственных данных

иосновы их обработки. Рассматривается технология построения ГИСпроектов, направленных на решение задач мониторинга распределенных в пространстве технических и природных систем.

3.2.Магистерская программа «Адаптивные измерительные системы»

Адаптивные измерительные системы

Определяются основные задачи, решаемые адаптивными информационно-измерительными системами (АИИС), направленные на повышение эффективности сбора и передачи измерительной информации. Определяются критерии оценки эффективности работы АИИС.

Рассматриваются методы обработки сигналов в каналах АИИС: оптимальная обработка сигналов на основе принятия статистических решений, фильтрация сигналов в АИИС, адаптивные фильтры, адаптивная временная дискретизация, оптимизация алгоритмов.

Рассматриваются методы обработки сигналов в многоканальных АИИС; адаптивная коммутация на основе адаптивной временной дискретизации; адаптивная коммутация по критерию максимальной погрешности аппроксимации; адаптивно-циклическая коммутация [11], [12].

Рассматриваются вопросы применения специализированного программного обеспечения Xilinx Foundation и ISE для проектирования адаптивных систем на ПЛИС.

7

Телеизмерительные системы

Рассматриваются основные вопросы теории построения телеизмерительных систем (ТИС), характеристики и погрешности ТИС, классификация ТИС по различным признакам. Даются рекомендации по оптимизации канала передачи измерительной информации.

Моделирование адаптивных систем

Курс посвящен изучению методов моделирования и методик построения моделей сигналов измерительной информации, адаптивных информационноизмерительных систем и их компонентов. Изучается моделирование сигналов с заданными характеристиками (случайные стационарные и нестационарные процессы с заданной спектральной плотностью мощности). Изучаются структура и средства среды графического программирования LabVIEW National Instruments.

В рамках дисциплины рассматриваются вопросы построения моделей измерительных каналов, также изучаются особенности создания виртуальных измерительных систем.

Освоив данный курс, магистрант приобретет навыки создания компьютерных моделей в процессе выполнения лабораторных работ, сможет решать проблемы, возникающие при разработке измерительных устройств и систем с применением методов машинного моделирования. Предполагается, что полученные знания и навыки студент сможет использовать при работе над магистерской диссертацией.

Обработка пространственных данных

В рамках дисциплины студенты знакомятся с вопросами создания интегрированных систем по сбору, анализу и представлению пространственно-распределенной информации с использованием геоинформационных технологий. Студенты изучат основы построения интегрированных систем с использованием пространственных моделей объектов и процессов, а также основы создания баз пространственных данных и принципы их обработки на основе геоинформационных технологий. Рассматривается технология построения ГИС-проектов, направленных на решение задач мониторинга распределенных в пространстве технических и природных систем.

8

Синтез измерительных процедур

с параметрической и алгоритмической адаптацией

Изучаются процедуры синтеза измерений с параметрической и алгоритмической адаптацией в условиях изменения измерительной ситуации с использованием баз знаний и необходимых систем вывода. Отличие таких процедур от традиционных – в способности автоматически синтезировать алгоритмы измерений для текущих ситуаций. Рассматриваются процедуры метрологического синтеза на основе полного и частичного перебора, последовательной оптимизации, а также с использованием метода подавления доминирующих компонент полной погрешности. Специальный раздел посвящен методам принятия решений при синтезе процедур измерений с алгоритмической адаптацией (наличие или отсутствие подавления случайных погрешностей, наличие или отсутствие коррекции систематических и стабильных погрешностей, а также погрешностей из-за смещения результата измерений).

4. КОМПЕТЕНЦИИ, ВЫРАБАТЫВАЕМЫЕ В ПРОЦЕССЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

В процессе проектирования студент должен приобрести и упрочить следующие компетенции.

Общекультурные компетенции:

∙способность совершенствовать и повышать свой интеллектуальный и общекультурный уровень;

∙способность к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности;

∙способность самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности.

Профессиональные компетенции:

∙способность использовать результаты освоения фундаментальных и прикладных дисциплин магистерской программы;

9

∙способность осознать основные проблемы своей предметной области, определить методы и средства их решения;

∙способность профессионально эксплуатировать современное оборудование и приборы в соответствии с целями магистерской программы;

∙способность анализировать, синтезировать и критически резюмировать информацию;

∙способность оформлять, представлять и докладывать результаты выполненной работы;

∙способность осуществлять проектную деятельность в профессиональной сфере на основе системного подхода;

∙готовность анализировать состояние научно-технической проблемы и определять цели и задачи проектирования приборных систем на основе изучения мирового опыта;

∙способность проводить патентные исследования для обеспечения патентоспособности проектируемых изделий;

∙способность проектировать приборные системы и технологические процессы с использованием средств автоматизации проектирования;

∙готовность проводить технико-экономические обоснования принимаемых технических проектных решений;

∙способность принимать решения по результатам расчетов по проектам

ирезультатам технико-экономического анализа эффективности проектируемых приборных систем;

∙способность оценить уровень показателей качества и инновационные риски коммерциализации проектируемых приборных систем;

∙готовность разрабатывать методические и нормативные документы, техническую документацию на объекты приборостроения, а также осуществлять системные мероприятия по реализации разработанных проектов и программ;

∙способность организовать современное метрологическое обеспечение технологических процессов производства приборных систем и разрабатывать новые методы контроля качества выпускаемой продукции и технологических процессов;

∙способность сформулировать цели, определить задачи, выбрать методы исследования в области приборостроения на основе подбора и изучения литературных, патентных и других источников информации;

10