Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Автоматизация измерений, контроля и испытаний. Курсовое проектирование
.pdf
К.П. ЛАТЫШЕНКО
В.В. ГОЛОВИН
АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ,
КОНТРОЛЯ И ИСПЫТАНИЙ
Курсовое проектирование
Саратов
2013
2
УДК 621.9
ББК 30.10
Л 27
Рецензенты: кафедра «Измерительные системы и измерительные техно-
логии» Московского государственного
открытого университета;
канд. техн. наук В.А. Патрикеев, НПО «Химавтоматика»
Латышенко К.П.
Л 27 Автоматизация измерений, контроля и испытаний: Курсовое
проектирование / К.П. Латышенко, В.В. Головин. — Саратов: Издательство «Вузовское образование», 2013. — (Высшее образование). —
166 с. — Док. опубл. не был. — Доступ с сайта ЭБС IPRbooks.
Приведены задания к курсовой работе и показаны примеры её выполнения.
Учебное пособие предназначено студентам, обучающимся по специальностям
220301 и 200503, изучающим дисциплины «Автоматизация измерений, контроля
и испытаний», «Автоматизация аналитического контроля», «Автоматизация городского контроля» и др.
УДК 621.9
ББК 30.10
© К.П. Латышенко, В.В. Головин
3
Введение
Испытания проводят практически на всех этапах жизненного цикла
объекта – начиная с научно-исследовательской разработки и заканчая его
эксплуатацией. Они обеспечивают объективную оценку результатов
научно-исследовательской и опытно-конструкторской разработок
(НИОКР), качества изготовления, надёжности, ремонтопригодности и
эксплуатационных свойств готовой продукции. Испытания должны
установить соответствие продукции требованиям заказчика, определить
возможность и целесообразность НИОКР, а также работ по постановке
этой продукции на производство.
Испытания (ГОСТ 16504–81) – это экспериментальное определение
количественных и (или) качественных характеристик свойств объекта
испытаний как результат воздействия на него при его функционировании, при моделировании объекта и (или) воздействий.
Основная цель испытаний состоит в объективной оценке качества
продукции.
Экспериментально определять характеристики свойств объекта при
испытаниях можно с помощью измерений, анализов и диагностирования,
органолептических методов, путём регистрации определённых событий
при испытаниях и т.д.
Характеристики свойств объекта при испытаниях могут оцениваться,
если задачей испытаний является получение количественных и качественных оценок, а могут контролироваться, если их задачей является
установление соответствия характеристик объекта заданным требованиям. В этом случае они сводятся к контролю.
Измерение – это процесс нахождения значения физической величины
опытным путём с помощью специальных технических средств.
Контроль – операция, заключающаяся в определении соответствия
измеряемых величин допускам, установленным на их значения для обеспечения нормального функционирования технического объекта или процесса.
Суть контроля сводится к осуществлению двух основных этапов:
1. Получение информации о фактическом состоянии некоторого объ-
екта, о признаках и показателях его свойств. Эту информацию можно
назвать первичной.
2. Сопоставление первичной информации с заранее установленными
требованиями, нормами, критериями, т.е. обнаружение соответствия или
несоответствия фактических данных требумым. Информацию о рассо-
4
гласовании (согласовании) фактичских и требуемых данных можно
назвать вторичной.
Важнейшим признаком любых испытаний является принятие на ос-
нове их результатов определённых решений.
Другим признаком испытаний является задание определённых условий испытаний (реальных или моделируемых), под которыми понимают
совокупность воздействий на объект и режимов функционирования объекта.
Автоматизировать процесс испытаний можно с помощью измери-
тельных систем.
Измерительная система (ИС) – это совокупность измерительных, свя-
зующих, вычислительных компонентов, образующих измерительные каналы, и вспомогательные устройства (компоненты измерительной системы), функционирующие как единое целое, предназначенная для следующих операций (ГОСТ Р 8.596–2002):
– получения информации о состоянии объекта с помощью измери-
тельных преобразователей в общем случае множества изменяющихся во
времени и пространстве величин, характеризующих это состояние;
– машинной обработки результатов измерений;
– регистрации и индикации результатов измерений и результатов их
машинной обработки;
– преобразования этих данных в выходные сигналы системы в раз-
ных целях.
Измерительный канал системы – это конструктивно или функцио-
нально выделяемая часть информационной системы, выполняющая законченную функцию от восприятия измеряемой величины до получения
результата измерений, выражаемого числом или соответствующим ему
кодом, один из параметров которого – функция измеряемой величины.
Измерительные каналы могут быть простыми и сложными. В простом измерительном канале реализуется прямой метод измерения путём
последовательных измерительных преобразований. Сложный измерительный канал в первичной части представляет собой совокупность нескольких простых измерительных каналов, сигналы с выхода которых
используют для получения результата косвенных, совокупных или совместных измерений или пропорционального ему сигнала во вторичной
части сложного измерительного канала.
Структурная схема измерительного канала информационной измерительной системы показана на рис. 1.
Обычно входная величина Х является функцией времени, поэтому запишем её в следующем виде X(t). На выходе аналогового первичного из-
5
мерительного преобразователя (ПИП) получаем отклик Y(X, t), который
0
0
0
,0
...,2,1,0,),(
)(
jtt
njjtttY
jtY
.
(1)
X(t)
ПИП
ЭВМ
АЦП
>
Ŷ(X, t)
Y(X, t)
ΔY(X, t)
отличается от номинального Ŷ(X, t) на величину погрешности по выходу
ΔY(X, t) = Y – ΔY(X, t). Эта погрешность суммируется с номинальным
сигналом (см. рис. 1). Помеха ΔY моделирует не только погрешность измерительного преобразователя (ИП), но и электрические наводки в соединительных проводах, влияние пульсаций давлений и расхода, температуры в технологических трубопроводах и т.п.
Рис. 1. Измерительный канал ИС
Поскольку в ИС много каналов, то их обслуживание распределено во
времени и каждый канал периодически с заданным интервалом времени
t0 подключается на короткое время к ЭВМ, в результате чего непрерывная функция Y(X, t) преобразуется в последовательность импульсов, модулированных по амплитуде функции Y(X, t). На рис. 2 показано квантование по времени функции Y(X, t), выполняемое коммутатором, в результате чего на его выходе образуется решётчатая функция
Следующее преобразование, которому подвергается сигнал измери-
тельной информации, – квантование по уровню, выполняемое аналогоцифровым преобразователем (АЦП). При этом амплитуды Y(jt
сов преобразуются в число N(jt
), выраженное в кодах, которыми опери-
0
рует ЭВМ (рис. 3).
) импуль-
0
6
Рис. 2. Квантование входного сигнала Y(t) во времени
t
Y
Функция Y(t)
Решётчатая
функция
Y
t
Функция Y(t)
Квантованный сигнал
Рис. 3. Квантование входного сигнала Y(t) по уровню
Из ранее изложенного следуют задачи, решаемые измерительным каналом ИС:
– комбинирование сигнала;
– квантование сигнала Y по времени;
– квантование сигнала Y по уровню;
– фильтрация сигнала Y от помехи ΔY;
– восстановление сигнала X(t) по Y(jt0) или N(jt0), т.е. интерполяция;
– оптимизация погрешностей.
Решение именно этих, а также некоторых других задач рассматривается в настоящем учебном пособии.
7
Существует много различных программных продуктов для математических расчётов, моделирующих процессы, происходящие, в частности,
в ИС. Это, например, Maple V, который называют системой символьных
вычислений, или системой компьютерной алгебры. MathLab – система,
предназначенная для выполнения инженерных и научных расчётов и высококачественной визуализации полученных результатов. Пакет Mathematica позволяет осуществлять широкий спектр символьных преобразований, включающих, наряду с другими, операции математического анализа, дифференцирование, интегрирование и интегральные преобразования, разложение в ряды, решение дифференциальных уравнений и т.п.
Statistica – интегрированная система комплексного статистического анализа и обработки данных в среде Windows.
Рассмотрим более подробно среду MathCad, которую и будем использовать в данном пособии. MathCad представляет собой интегрированную среду для выполнения, документирования и обмена результатами технических вычислений. Она служит средством вычислений, анализа и написания отчётов во всех отраслях науки и техники.
Записывая большинство математических формул в рабочем документе MathCad, как это делают на листе бумаги, можно тут же получить ответ. Совмещая текст, графику и формулы, записанные в привычном для
нас виде, документ MathCad выглядит как страница учебника или научной статьи. При этом стоит внести изменения в любую из формул, как
MathCad перестроит все графики, вычислит новые результаты и т.п.
Можно анимировать (от лат. anima, animus – душа, жизнь, дух) любой
график, записав его эволюцию при изменяющихся значениях параметров, а затем воспроизвести полученную мультипликацию даже со звуковым сопровождением.
Использование возможностей MathCad является чисто рутинным (от
фр. routine – навык, косность) делом и не требует никакого программирования. Вычислительные возможности MathCad могут быть существенно расширены за счёт использования встроенных функций.
Развитие технологии производства, усложнение научных исследований привело к необходимости одновременного измерения, контроля и
анализа нескольких десятков, сотен и тысяч параметров. Всё это способствовало созданию сложнейших автоматических систем измерений, испытаний и контроля.
Поэтому всё более возрастающие требования предъявляются к качеству подготовки специалистов, а это в свою очередь связано с проблемой
повышения эффективности обучения студентов в высшей школе.
8
Курсовая работа составлена в соответствии с программами дисциплин «Автоматизация измерений, контроля и испытаний», «Автоматизация аналитического контроля», «Автоматизация городского контроля», в
ней использован многолетний опыт преподавания на кафедре «Мониторинг и автоматизированные системы контроля» (МАСК) МГУИЭ. Авторы полагают, что студенты изучили такие дисциплины как «Промышленная электроника», «Информатика», «Метрология», «Методы и средства измерений» и «Теория автоматического управления», поэтому ряд
вопросов, нашедших детальное отражение в указанных курсах, не освещены в настоящей работе.
Она состоит из введения и десяти глав.
В первой главе рассмотрено нормирование сигналов измерительной
информации.
Во второй главе показаны примеры разложения измерительного сигнала.
Третья глава посвящена дискретизации и квантованию сигналов измерительной информации.
В четвёртой главе рассмотрена фильтрация измерительной информации, даны варианты заданий и пример их выполнения.
В пятой главе изложены сведения об интерполяции экспериментальных данных, приведены варианты задания и показан пример линейной и
кубической интерполяции исходных данных.
В шестой главе рассмотрена экстраполяция и даны варианты заданий
по экстраполяции.
В седьмой главе рассказано об аппроксимации данных, даны варианты заданий и пример линейной и полиномиальной аппроксимации исходных данных.
В восьмой главе рассмотрены методы оптимизации, заключающиеся
в поиске экстремума той или иной функции, даны варианты заданий и
приведены примеры поиска экстремума (максимума) методами сканирования, дихотомии, золотого сечения и квадратичной интерполяции.
В девятой главе рассмотрена обработка результатов измерений.
В десятой главе показан пример выполнения курсовой работы.
Курсовая работа состоит из девяти заданий, в которых требуется:
– нормировать измерительный сигнал;
– разложить сигнал измерительной информации;
– провести дискретизацию и квантование сигнала;
– рассчитать характеристики фильтра;
– произвести линейную или кубическую интерполяцию данных;
– произвести экстраполяцию данных;
9
– осуществить аппроксимацию экспериментальных данных;
– определить заданным методом экстремум функции;
– обработать результаты измерений.
10
ГЛАВА 1. НОРМИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО
Электрические сигналы
Пневма-
тический
сигнал,
кПа
Постоянный
ток, мА
Постоянное
напряжение,
мВ
Переменное
напряжение,
В
Частота,
кГц
0 – 5
0 – 20
4 – 20
0 – 10
0 – 20
0 – 50
0 – 1.000
0 – 5.000
0 – 10.000
0 – 2
0 – 8
2 – 4
4 – 8
0 – 100
20 – 100
min
X
minmax
minmax
XX
XX
СИГНАЛА
По виду энергии носителя сигналов (франц. signal, нем. signal, от лат.
signum – знак) в канале связи изделия в системе ГСП делят на электрические, пневматические, гидравлические, комбинированные и другие.
Электрическая ветвь ГСП отличается высокой унификацией и лёгкостью связи с ЭВМ. В агрессивных и легко воспламеняющихся средах
предпочтительной оказывается пневматическая ветвь, которая в настоящее время теряет свою актуальность. В гидравлической ветви ГСП ценными являются преобразователи и исполнительные механизмы, осуществляющие точные перемещения при больших перестановочных усилиях.
В качестве примера в табл. 1.1 приведены основные виды унифици-
рованных аналоговых сигналов.
Таблица 1.1
Основные виды унифицированных сигналов ГСП
в выходной Y, размер информативного параметра которого соответствует
стандартному диапазону (см. табл. 1.1) по формуле
Y =
Нормирующий преобразователь (рис. 1.1) приводит входной сигнал X
+ (X – X
min
)
, (1.1)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]