Измеритель­ный блок Измеритель­ный 5лок

Блок управления

Л/

Коммута­тор		Измеритель­ный блок		Блок пред­ставления
		1 Блок управления

Блок Д

Сканирующее устройство

Измеритель­ный блок

Блок пред­ставления

₁

Блок управления

Результаты измерений в системах первой группы иногда обрабатываются с запаздыванием, поэтому объем запоминающих устройств может быть зна­чительным.

В ряде случаев системы должны выполнять определенную статистиче­скую обработку результатов измерения, например распределять полученные значения по разным уровням. Для этого в системы должны входить устрой­ства задания уровней и сравнения.

В системах второй группы сопоставляются действительные значения параметров, характеризующих контролируемый процесс или объект, со значе­ниями этих параметров, принятыми за нормальные или допустимые. Эти зна­чения называют уставками. Системы этой группы часто называют систе­мами централизованного контроля [1]. Характер поведения объектов практи­чески известен заранее, а все его возможные состояния подразделяются, как правило, на нормальные и недопустимые («норма», «выше нормы» и «ниже нормы»). Информация, выдаваемая системами, носит качественный характер и отвечает на вопрос, находятся ли объекты в заданных режимах, либо вышли из него «вверх» или «вниз». Поэтому системы автоматического кон­троля могут быть менее универсальны, чем системы первой группы.

Часто промышленные системы автоматического контроля совмещают функции контроля, измерения и регулирования.

10.2. Преобразование измерительной информации в иис

Как указывалось (гл. 1), под преобразованием в измерительной технике понимается преобразование одной физической величины в другую, удобную для дальнейшего использования, передачи, обработки или представления. Этими операциями широко пользуются в ИИС. Действительно, для пере­дачи и ввода в систему измерительной информации от датчиков, для сравне­ния, обработки и воздействия на носители информации измерительных сиг­налов необходимо многократное их преобразование в удобную стандартную унифицированную форму. Превращения измерительного сигнала, получаемого от первичного измерительного преобразования, в такие сигналы состоят из трех операций независимых или совмещенных: собственно преобразования, модуляции и кодирования (см. 1-4).

Как известно (гл. 1) [31], теория преобразования измерительных сигналов, в том числе теория модуляции и демодуляции, теория кодирования и деко­дирования в настоящее время объединяются и составляют общую теорию сигналов (связи). Основным направлением исследований этой теории явля­ется анализ передачи сигналов при наличии помех для достоверной их пере­дачи от источника к приемнику.

Способность информационных устройств нормально функционировать-(т. е. получать, передавать, обрабатывать и представлять информацию) при наличии помех называется помехоустойчивостью.

Это очень важное свойство для ИИС, так как помехи, воздействуя на из­мерительный сигнал, приводят к увеличению погрешности измерения, т. е. по­нижают достоверность измерительной информации, выдаваемой системой.

Под помехой понимают любой дестабилизирующий фактор, действую­щий на сигнал и вызывающий потери информации, т. е. помеха — это причина возникновения погрешности или сбоя.

«

В теории связи для анализа влияния помехи структурные схемы систем принято изображать в таком виде, как показано на рис. 10-3, а, т. е. счи­тать, что помеха, не оказывая влияния на работу передающего и приемного устройств, воздействует только на линию связи.

В измерительной технике с точки зрения учета воздействия дестабилизи­рующих факторов удобно представлять ИИС в виде трех функциональных устройств (рис. 10-3,6), соответствующих зонам размещения аппаратуры, так как каждая из них характеризуется своими влияниями.

В / зоне устанавливаются датчики, а часто и устройства, преобразую­щие информацию к виду удобному для дальнейшей передачи. // зона — ли-

Помеха

а

	Линия связи

Помехи по зонам

УЧ»

Г

Объект
исследо-
вания

L

ния связи того или иного вида. В /// зоне располагается, как правило, ста­ционарная аппаратура, служащая для преобразования информации к виду удобному для ее восприятия.

В наиболее тяжелых условиях работает аппаратура, размещенная в пер­вой зоне. Дестабилизирующие факторы здесь определяются самим объектом исследования и метеорологическими условиями. В общем случае эта зона характеризуется большими изменениями температуры, ускорений, вибраций, ..агрессивным влиянием химической среды и т. д.

К основным дестабилизирующим факторам во // зоне относятся электро­магнитные поля, атмосферные влияния, иногда физико-химическая среда. В /// зоне основными дестабилизирующими факторами являются изменение температуры и напряжения питания.

По характеру воздействия помехи могут подразделяться на случайные и систематические.

Случайные помехи представляют собой последовательность импуль­сов, имеющих случайные амплитуды, длительности и время появления от­

дельных импульсов. При этом предполагают, что переходные процессы, обус­ловленные воздействием предыдущего импульса, успевают окончиться к мо­менту появления следующего импульса. Максимальное напряжение, обуслов­ленное импульсной помехой, на выходе какого-нибудь устройства, пропор­ционально ширине полосы пропусканий F этого устройства [42], а пиковая мощность — корню квадратному из полосы пропускания, т. е. £/_max=AF,

Систематические помехи могут иметь постоянные и изменяющиеся (например, прогрессирующие во времени) значения.

К первому виду помех можно отнести синусоидальные и флюктуацион-ные; ко второму — помехи, обусловленные медленным изменением темпера­туры, влажности и т. д.

Синусоидальные помехи представляют собой колебания одной частоты или сумму синусоидальных колебаний нескольких частот.

Флюктуационные помехи можно представить как наложение случайно распределенных во времени импульсов, имеющих случайные характеристики. Таким образом, флкжтуационная помеха представляет собой хаотически из­меняющееся непрерывное колебание. Мощность флюктуационной помехи про­порциональна ширине полосы пропускания приемного устройства, а эффек­тивное напряжение — корню квадратному из этой полосы, т. е. P=Af, U=fAF.

Следует заметить, что различие между флюктуационными и импульсными помехами определяется не только источниками помех, но также временем передачи сообщения и полосой пропускания систем. Так, например, при значительном уменьшении полосы пропускания импульсная помеха превра­щается во флюктуационную.

У различных ИИС помехоустойчивость различна, т. е. при одинаковых входных сигналах и одинаковых помехах выходные сигналы могут быть от­личны. Чем меньше отличие выходного сигнала от входного, тем большей помехоустойчивостью обладает система.

Современные ИИС работают, как правило, под воздействием большого числа дестабилизирующих факторов. Поэтому для нормального функциони­рования системы необходимо применять специальные меры по повышению ее помехоустойчивости. Однако любое повышение помехоустойчивости связано с введением избыточности, усложнением аппаратуры и т. д.

Наиболее разработаны методы повышения помехоустойчивости в теории связи. Однако многие из них можно использовать при построении как теле­измерительных систем, так и систем ближнего действия.

Для ИИС известны следующие методы, повышающие помехоустойчивость систем: 1) использование помехоустойчивых методов приема; 2) выбор поме­хоустойчивых видов модуляции; 3) помехоустойчивое кодирование (коррек­тирующие коды); 4) введение обратных связей; 5) обработка измеритель­ных сигналов по специальным алгоритмам.

Повысить помехоустойчивость можно и более просто — увеличить мощ­ность сигнала, что приведет к увеличению отношения сигнал: помеха. Од­нако это не всегда возможно. Кратко остановимся на методах преобразова­ния измерительных сигналов ИИС, повышающих их помехоустойчивость.

Источник информа­ции

Приемник информа­ции

///

Устройство

связи с объектом

1. При использовании помехоустойчивых методов приема информации, кроме экранирования электромагнитных помех, которые можно условно на­звать технологическими методами, в ИИС часто используют схемные методы борьбы с помехами. К ним относятся: симметрирование входов на измери­тельные преобразователи (иначе называемые «плавающими» входами); использование заграждающих фильтров, а также использование особых мето­дов кодирования измерительной информации (например, интегрирующих пре­образователей напряжения в код) и различных методов фильтрации приня­того сигнала (например, методом накопления [28]).

2. При выборе видов модуляции для измерительных сигналов в том или ином участке ИИС основное внимание уделяется их помехоустойчивости. Сравним два вида модуляции AM и ЧМ (см. 1.4) для случая, когда изме­ряемый параметр задан как x(t) —Лт5Ш Qt, помеха представляет собой «бе­лый шум», т. е. имеет равномерную спектральную плотность мощности С (о) в полосе частот от ш_с—Q до coc-ffi (со_с — частота несущих колебаний).

Модулированный сигнал для AM и ЧМ соответственно можно записать:

U_x(t) = [U_c+ AU (/)jcos <o_ct

и

t

Цх (t) = U_c cos J [ю_с + Лео (0] dt.

0

При AM модулирующая составляющая

AU (t) = kx (t) = AU_m sin Q t,

а ее средняя мощность

о ^г/2 AU²

P_c-[At/(/)]² = [Ac/_msinQ/p = — f (AU_m)²sin*Qtdt^ 2L ,

T ₀^J 2

где T=2n/Q.

Примем, что глубина полезной модуляции максимальна и равна единице, при этом AU_n=--U_c. Тогда Р_с = и\ / 2.

Средняя мощность помехи находится интегрированием величины dP= = G (со) dco — мощности, приходящейся на бесконечную узкую полосу частот:

Р_п = — f G(co)dco w f G(co)dco=^Gfi. ⁿ о о ⁿ i

Интегрировать в пределах больших, чем от 0 до 2, fi нет смысла, так как фильтр на выходе демодулятора, выделяющий низкочастотную составляю­щую, пропускает сигнал только в полосе 2fi. Отношение мощности сигнала к мощности помехи

(10-1)

V'Pn/AM 4GQ При ЧМ средняя мощность модулирующей составляющей

2 ³⁷² До²

Я_с = [Д(о (01² = — J (A©)»sin«D№-

Т б¹ 2

Найдем мощность, обусловленную помехой. Так как {28]

-со)² 1

С

то

Р_п = — G — J (to_c — со) d со = ^2G fi³. ^я U\ -<*с+° 3nU²_c

Тогда для этого случая отношение сигнал: помеха

М- = - Асо^. (10-2)

\РпУ_ЧМ ^4GQ3

Из сравнения выражений (10-1) и (10-2) видно, что при частотной моду­ляции относительное влияние помехи на выходе в Зр раз меньше, чем при амплитудной. Поскольку индекс модуляции p=Aco/fi обычно больше единицы, то относительное влияние помехи уменьшается в десятки и сотни раз. Од­нако следует помнить, что при частотной модуляции значительно расширяется спектр сигнала, что накладывает дополнительные требования на аппаратуру. Можно показать, что при импульсном носителе наименьшим отношением сигнал: помеха, т. е. наименьшей помехоустойчивостью, обладает амплитудно-импульсная модуляция, в то время как наиболее помехоустойчивой является фазово-импульсная модуляция.

3. Если говорить о помехоустойчивых методах кодирования, то, напри­мер, двоичный код не является помехоустойчивым. Действительно, если 1 пе­редается импульсом, а 0 его отсутствием, то помеха может либо разрушить 1, либо создать импульс, т. е. 1, там, где его не было. При изменении одного из символов кодовая комбинация перейдет* в какую-то другую и будет декоди­рована неправильно. Чтобы этого не произошло, применяют коды с обнару­жением ошибки и коды с исправлением ошибки. Такие коды называются кор­ректирующими.

Простейшим примером кода с обнаружением ошибки может служить двоичный код, построенный следующим образом:

Число Код с обнаружением Число Код с обнаружением десятков ошибки десятков ошибки

0 0000 0 6 ОНО О

1 0000 1 7 0111 1

2. 0010 1 8 1000 1

3. ООП 0 9 1001 0

4. 0100 1 10 1010 0

5. 0101 0

В каждой двоичной кодовой комбинации добавлен лишний символ 1 или 0 таким образом, чтобы число единиц в комбинации было четным. Тогда, если какой-то символ исказится, на вход декодирующего устройства придет нечетное число единиц и ошибка будет обнаружена. Подобный код позво­ляет обнаруживать только однократную ошибку, т. е. искажение одного сим­вола в кодовой комбинации. Если возможно одновременно искажение двух и более символов, применяют более сложные коды.

При построении многоканальных систем с временным или частотным раз­делением каналов соседние каналы влияют друг на друга, вызывая тем са­мым погрешность. Это влияние, а следовательно, и погрешность также зави­сят от вида модуляции и метода кодирования.

4. Обратная связь в ИИС является одной из мер по повышению помехо­устойчивости и в зависимости от назначения может охватывать те или иные узлы.

На рис. 10-4 приведена часть структурной схемы ИИС, позволяющая по­казать некоторые возможные способы введения обратной связи.

КдУ

Приемное устройство

В первом способе (/) обратная связь охватывает приемное устройство (усилитель мощности) и линию связи. Изменение сигнала на приемном конце, обусловленное помехами, благодаря ОС воздействует на приемное устрой­ство таким образом, чтобы изменение его режима скомпенсировало влияние

бых

'Ох

Передающее _Литя_ устройство связи

_{Е_}

ОС

Рис. 10-4

помех. Например, при повышении уровня помех в линии обратная связь вы­зывает увеличение выходной мощности каскада.

ИИС, в которых обратная связь выполняется вторым способом (//), можно разделить на системы с переспросом и системы со сравнением, кото­рые иногда называются системами с информационной обратной связью.

В системах с переспросом кодирующее устройство КцУ формирует ко­довые группы с дополнительными символами, служащими для обнаружения ошибки. Сформированные кодовые группы поступают для передачи в конеч­ный каскад и, кроме того, на определенное время запоминаются в кодирую­щем устройстве.

При обнаружении ошибки на приемном конце в линии ОС вырабатыва­ется сигнал, требующий повторения искаженной кодовой группы. Поскольку последняя группа хранится в памяти, ее повторение не вызывает трудностей.

Переспрос в подобных системах можно производить либо для отдельных символов кодовой комбинации, либо для всей кодовой группы в целом. Кроме того, переспрос может быть ограниченным, т. е. повторяться не более чем определенное число раз, и неограниченным. В этом случае сигнал повто­ряется до тех пор, пока кодовая группа не будет принята правильно. И, на­конец, в системах с переспросом решение о правильности приема п раз переспрошенной комбинации может быть вынесено как с учетом ранее полученных комбинаций, так и на основании анализа только последней при­нятой.

В системах со сравнением каждая принятая кодовая группа передается обратно по линии ОС, а в кодирующем устройстве эти группы сравниваются с посланными. Если посланная и принятая комбинация совпадают, то по ли­иии посылается сигнал-квитанция, свидетельствующий о правильной передаче. Если эти комбинации не совпадают, то передача искаженной кодовой группы повторяется. Таким образом, в системах со сравнением выявителем искаже­ния служит не приемник, как в системах с переспросом, а передатчик. Есте­ственно, что искажения в канале обратной связи должны быть много меньше, ■чем в прямом канале. Этот способ применяют тогда, когда на объекте иссле­дования нельзя поставить источник питания большой мощности, а мощность сигналов, посылаемых по каналу ОС, не ограничена.

Канал ОС в системах со сравнением загружен значительно больше, чем в системах с переспросом, так как в первом случае обратно посылается только сигнал, требующий повторения посылки, а во втором — все принятые сиг­налы.

5. Для исключения систематических и случайных помех в ИИС могут использоваться такие алгоритмы обработки измерительных сигналов в вычис­лительном блоке системы, как статистическое усреднение и сравнение с по­верочными сигналами, фильтрация с помощью различных фильтров, расчет связанных величин по уравнениям связи со статистической их обработкой и определением систематических и случайных отклонений и т. д. (см. 1.5).

" Однако любое усложнение алгоритмической цепи преобразования изме­рительных сигналов в ИИС наряду с повышением достоверности измеритель­ной информации, в частности от помех, может сопровождаться неоправдан­ным увеличением погрешностей в этих операциях преобразования, например вычисления, а также часто уменьшением быстродействия и тем усложнением (и удорожанием) систем, которое в свою очередь приводит к ухудшению надежности функционирования системы.

Поэтому при выборе преобразований в ИИС, т. е. при разработке общей алгоритмической цепи, которая определяет необходимые преобразования вход­ной информативной величины с целью достоверности получения искомой выходной величины, кроме помехоустойчивости системы, необходимо исполь­зовать те или иные критерии качества, эффективности, экономической целе­сообразности внедрения ИИС (см. 10.4). [28, 42].