Седалищев В.Н. Методы и средства измерений электрических величин

Подождите немного. Документ загружается.

Система распознания образов применяют для распознания печатных,

рукописных фотографических материалов, рисунков, схем, речи, команд

выявления не нормативного состояния оборудования.

Главными целями распознавания образов являются расширение

возможностей автоматизации путем освобождения человека от операций,

который не может обеспечить необходимое быстродействие, надежность и

эффективность функционирования автоматизированных комплексов.

Распознавание образов определяется как процесс отнесения ситуаций

явлений, образов к одному из нескольких или многих заранее определенных

классов на основе анализа их характеристик. При распознавании возникают

взаимосвязанные задачи выбора параметров распознавания и задачи

нахождения и оценки качества решающей функции.

Для выбора параметров предварительно выделяют совокупность

признаков, характеризующих рассматриваемый образ. Эти признаки могут

быть представлены в виде точки

в многомерном пространстве, которое

называется пространством объекта, и характеризуются понятием вектором

объекта (

Вторая взаимосвязанная задача нахождения решающей функции

должна рассматриваться с учетом сведений об объектах.

Решающая функция должна удовлетворять следующим условиям:

•

0)( ≥Xf

, если объект принадлежит к одному классу;

•

0)( ≤Xf

, если объект принадлежит к другому классу.

Решающая функция позволяет найти гиперповерхность, разделяющую

многомерное пространство на классы.

Широко применяемый непараметрический (адаптивный) метод

распознавания базируется на итеративной процедуре оптимизации

параметров распознавания.

Принцип работы системы заключается в реализации следующей

последовательности действий: детектор признаков воспринимает

физическое воздействие, характеризующее объект, и выдает на выходе

совокупность

сигналов, несущих признаки (параметры) распознаваемого

образа. В случае необходимости в детекторе признаков производится

освобождение (фильтрация) от шумов (помех), нормализация по

геометрическим размерам и положению (масштабирование), координатные

преобразования и т.д.

Детектор признаков может быть выполнен, например, в виде

рецепторного фотоэлектронного поля с системой развертки для

распознавания образов или ЭВМ. В

блоке памяти хранятся программы

исходных, промежуточных и конечных данных, а также программы

функционирования. Особенность его состоит в необходимости хранения

описаний распознаваемых классов и запоминания значений оптимизируемых

параметров классификатора. Блок памяти может содержать оптические

маски, аналоговую память и др.

Решение о принадлежности определенной совокупности признаков

объекта к одному из хранящихся в памяти классу признаков принимает

классификатор. Это осуществляется в соответствии с принятым критерием

распознавания на основе сигналов, выдаваемых детектором признаков.

Критерием распознавания называется правило, по которому строится

гиперповерхность, разделяющая распознаваемые образы на классы в

пространстве признаков. Классификатор выполняется в виде

сети из

линейных пороговых элементов или вычислительного устройства.

Сравнение действительного образцового описания распознаваемых

классов и выработка сигналов ошибки производятся в устройстве сравнения.

Для функционирования распознающей системы необходимым

условием является наличие сведений о классах совокупностей объектов. Эти

сведения задаются заранее или возникают в процессе обучения, который в

этом случае предшествует процессу

классификации. В процессе обучения на

вход распознающей системы последовательно подаются признаки образов

класса, и если система при этом сообщает, к какому классу принадлежит

образ, то процесс называется обучением с учителем. Если система не

сообщает, к какому классу принадлежит образ, то процесс называется

обучением без учителя, или самообучением.

13.8 Статистические измерительные системы

Статистические измерения, или измерения вероятностных

характеристик случайных процессов, - это широкий круг методов и средств,

применяемых в различных областях экономики.

Под вероятностными характеристиками случайных процессов

понимается математическое ожидание, дисперсия, законы распределения

случайных величин (ЗРСВ), корреляционные и спектральные функции.

Рис. 13.3. Примеры реализации случайных процессов:

а — стационарный; б — нестационарный с переменным математическим

ожиданием; в — нестационарный с переменной дисперсией; г —

нестационарный с переменным математическим ожиданием и дисперсией.

Измерение математического ожидания осуществляется устройством,

структурная схема которого приведена на рисунке.

Для измерения дисперсии может быть реализована структурная схема

системы следующего вида.

Для измерения распределения вероятностей (а) и плотностей

распределения вероятностей (б) случайной величины (х) может быть

использована многоканальная аналоговая система, представленная на

рисунке.

Для определения корреляционной функции, может быть использована,

например, следующая структурная схема,

а для измерения автокорреляционной функции структурная схема вида:

Спектр мощности сигнала характеризует ее частотное распределение и

определяется следующим алгоритмом:

∫

−

= dtetxS

)(

. (13.4)

Системы спектрального анализа могут быть как с параллельным, так

и с последовательным сбором информации.

На рисунке приведена структурная схема анализатора мощности случайного

процесса.

При измерении нестационарного случайного процесса, прежде всего,

необходимо определить характер не стационарности, так как от этого

зависит методика измерения и определения числовых характеристик данного

процесса. Практически наиболее часто встречаются три основных типа

нестационарных случайных процесса, приведенные на рисунках.

Так как характеристики нестационарных случайных процессов зависят

от времени, то для

их определения в отличие от стационарных эргодических

случайных процессов необходимо располагать несколькими реализациями

данного процесса.

Пусть в результате независимых измерений получено N реализаций

случайного процесса. Для любого фиксированного момента времени

статистическая характеристика случайного процесса получится усреднением

по ансамблю реализаций. Поэтому, как и для полученных ранее соотношений

для статистических числовых характеристик случайных

величин можно

аналогично получить выражения для статистического математического

ожидания, среднеквадратического отклонения нестационарного случайного

процесса, например:

)(

Σ=

и т.п. (13.5)

Для определения параметров статистической корреляционной и

взаимной корреляционной функций необходимо рассматривать два

фиксированных момента времени, используя для вычислений статистических

характеристик полученные ранее усредненные значения СКО и

математических ожиданий.

13.9 Интеллектуальные информационно-измерительные системы

(ИИИС)

ИИИС способны выполнять все функции измерения и контроля в

реальном масштабе

времени.

Контроллерные функции можно подразделить на ряд подфункций:

• управление измерительной цепью, т.е. переключение каналов и

диапазонов подключение образцовых мер;

• управление измерительными усилителями. Обычно эти функции

выполняются чисто программными методами, иногда с участием

таймера – с помощью микропроцессора и портов ввода-вывода;

• управление АЦП;

• управление средствами общения с оператором. Сюда входят

управление клавиатурой, индикаторами, звуковой сигнализацией

и дисплеем;

• управление регистраторами, т.е. печатающими устройствами,

самописцами, графопостроителями, накопителями на магнитных

носителях;

• управление внешней памятью, т.е. быстродействующими

накопителями на магнитной ленте в режиме двустороннего

обмена на дисках и дополнительные внешние модули памяти.

вычислительным функциям относятся первичная, вторичная и

окончательная обработка данных, включая в себя:

• калибровку,

• нормализацию,

• масштабирование,

• фильтрацию,

• сжатие данных,

• распознавание,

• устранение ошибок,

• статистическую обработку,

• корреляционный, спектральный, амплитудно-временной анализ.

К тестовым функциям относятся обнаружение и локализация

неисправности, в большинстве случаев до типового

элемента. Известны три

класса тестирования:

• с применением внешних микропроцессорных средств;

• полностью автономное тестирование;

• комбинированное.

Для первого класса тестирования применяются специальные тестеры

микроЭВМ. Программы тестирования входят в программное обеспечение

тестера или самой системы.

Для второго класса функции тестирования чаще всего выполняет

основной процессор ИИИС, однако возможно наличие специального

микропроцессорного

узла, предназначенного только для автоматической

диагностики. В этом классе тестирование производится в двух основных

режимах: определение работоспособности, диагностика неисправности. При

этом хранение программы тестирования может быть осуществлено либо во

внешнем устройстве памяти или в тестовом ПЗУ.

Сервисные функции расширяют возможности измерительных приборов

и систем с всесторонними микропроцессорами или микроЭВМ,

увеличивающими

объем информации, число режимов измерений и

обработки, число параметров и их комбинаций, число дополнительных

директив, объем визуальной и звуковой информации, число альтернативных

вариантов измерений и обработки. При этом можно выделить ряд этапов

измерения и анализа с применением диалога: ввод задания, сбор и

предварительная обработка первичной информации, вторичная обработка и

интерпретация результатов, вывод результатов исследования для

интерпретации документации, архивации и управления.

Распределенная обработка данных позволяет распределять

вычислительные функции между программируемыми контроллерами.

Возможность распределения обработки данных обеспечивает высокую

надежность управления измерительной информационной системой. Это

позволяет системе осуществлять функции измерения и контроля «высокого

уровня» без использования больших и дорогостоящих ЭВМ. При автономном

функционировании

такая система обеспечивает непрерывные измерения и

контроль заданных параметров, сбор данных и обработку сигналов.

Модульная конструкция позволяет осуществлять постепенное расширение

существующей системы путем введения дополнительных модулей и

превращение ее в систему средств супервизор или цифрового управления

измерительным экспериментом путем включения в нее мини-ЭВМ.

ИИИС могут индивидуально программироваться на выполнение

специфических задач, используя программируемый терминал

(программатор) для ввода параметров конфигурирования. Системы обычно

имеют средства представления информации: дисплей для визуализации

мнемонических символов команд, цифровые индикаторы, дающие оператору

всю необходимую информацию, а также клавиши переключения видов

работы. Резервный блок питания обеспечивает сохранность программы при

отключении питания на длительный период времени.

• ИИИС

имеют следующие преимущества перед традиционными

измерительными системами:

• универсальность - стандартные интерфейсы обеспечивают

простое подключение к любым системам и оборудованию;

• высокую надежность на каждом системном уровне – применение

четко определенных и универсальных методов обеспечивает

безотказную работу;

• высокое быстродействие контуров управления процессами

измерения и контроля любого производства, а также высокая

скорость сбора

данных;

• взаимозаменяемость – поскольку интеллектуальные системы

выпускаются в виде стандартных устройств, индивидуально

программируемых в расчете на их специфические функции,

каждое из них может быть заменено другим того же

функционального назначения. Поэтому каждая система может

рассматриваться как резервная для любого типа систем того же

класса, что снижает число дополнительных резервных средств

измерения, контроля и регулирования и сводит к минимуму

аварийный период в маловероятном случае выхода из строя

какого – либо элемента.

Структуры и алгоритмы ИИИС интегрируют в себе лучшие качества

традиционных систем, но более насыщены микропроцессорной и

вычислительной техникой.

Применение ИИИС позволяет создать алгоритмы измерений, которые

учитывают рабочую, вспомогательную и промежуточную информацию о

свойствах объекта измерений, условия измерений, предъявляемые

специфические требования и накладываемые ограничения. Обладая

способностью к перенастройке в соответствии с изменяющимися

условиями

функционирования, интеллектуальные алгоритмы позволяют повысить

метрологический уровень измерений.

13.10 Компьютерные измерительные системы (КИС)

В настоящее время сформировалось новое направление в метрологии и

измерительной технике КИС и их разновидности, виртуальные

измерительные приборы (ВИП). КИС включает в себя компьютер,

работающий в режиме реального времени (в режиме on-line).

ПЭВМ используются не только как

вычислительные средства, но и как

универсальные измерительные приборы. КИС на основе ПЭВМ заменяют

стандартные измерительные приборы (вольтметры, осциллографы,

анализаторы спектра, генераторы и др.) системой виртуальных приборов.

Причем ряд этих приборов может быть активизирован (воспроизведен) на

одном ПЭВМ одновременно.

К отличительным особенностям и основным преимуществам КИС по

сравнению с МП приборами

относятся:

• возможность использования обширного фонда стандартных

программ, позволяющих решать широкий круг прикладных задач

измерений, исследования и обработки сигналов, сбор данных с

датчиков, управление различными промышленными установками;

• возможность оперативной передачи данных исследований и

измерений по локальным и глобальным компьютерным сетям

(например, по сети Internet);

• высокоразвитый графический интерфейс пользователя,

обеспечивающий быстрое освоение взаимодействия с системой;

• возможность использования внутренней и внешней памяти большой

емкости;

• возможность составления компьютерных программ для решения

конкретных измерительных задач;

• возможность оперативного использования различных устройств,

документирования результатов измерений.

В самом общем случае КИС может быть построена двумя способами: с

последовательной и параллельной архитектурой.

В КИС

с последовательной архитектурой (централизованные

системы) части системы, преобразующие анализируемые сигналы,

обрабатывают их в последовательном режиме. Поэтому вся соответствующая

электроника размещается на слотах компьютера. Достоинства такой

архитектуры построения КИС заключаются в том, что благодаря

использованию принципа разделения обработки по времени стоимость

системы не велика.

В КИС с параллельной архитектурой содержится ряд параллельных

каналов измерения, каждый из которых имеет собственные узлы

преобразования

анализируемых сигналов и только процессор компьютера

работает в режиме мультиплексирования. Подобный принцип построения

КИС позволяет проводить оптимизацию обработки сигналов в каждом

канале независимо. В такой системе преобразование сигналов можно

выполнять локально в месте расположения источника исследуемого сигнала,

что позволяет передавать сигналы от измеряемого объекта в цифровой

форме.

Взаимодействие между отдельными элементами

КИС осуществляется с

помощью внутренней шины ПЭВМ, к которой подключены как его внешние

устройства (дисплей, внешняя память, принтер, плоттер), так и

измерительная схема, состоящая из коммутатора и блока образцовых,

программно-управляемых мер напряжения и частоты.

С помощью ЦАП вырабатываются управляющие аналоговые сигналы,

интерфейсный модуль подключает измерительный прибор к магистрали

приборного

интерфейса. Контроллер устройства обеспечивает подачу

аналоговых сигналов с внешних датчиков на узлы системы.

Достаточно простые узлы КИС могут быть размещены на одной плате

ПЭВМ. Существуют и более сложные структуры КИС, в которых в

соответствии с решаемой задачей по установленной программе

коммутируются необходимые измерительные элементы, т.е. меняется

архитектура построения системы.

Одним

из элементов КИС является блок образцовых программно-

управляемых мер напряжения, частоты и др. В качестве встроенных

образцовых мер напряжения в КИС чаще всего применяют стабилитроны с

малым показателем температурного дрейфа.

В КИС предусмотрена возможность определения индивидуальных

функций влияния температуры на различные параметры виртуального

прибора: дрейф нуля, сопротивление переключателей, коэффициенты

передачи

различных структурных элементов. Непрерывный контроль

температуры блоков позволяет автоматически корректировать возникшие

погрешности измерений.

Одной из установившихся тенденций в области автоматизации

измерений является внедрение в практику измерений виртуальных сред

сбора и обработки информации. Это стало возможным благодаря

интенсивному развитию современных компьютерных технологий.

Виртуальные среды позволяют создавать программные модули обработки

данных, т.е

. виртуальные приборы, которые могут использоваться в практике

измерений наравне с реальными.

Практическим воплощением концепции виртуального инструмента

стала среда разработки программ labVIEW. Существенным отличием этой

среды программирования от большинства существующих является

использование в ней языка графического программирования. Кроме того, в

labVIEW имеется большая библиотека процедур и функций, универсальных

для большинства прикладных задач управления средствами измерений, сбора

и обработки данных. В целом labVIEW вобрал в себя

наиболее

перспективные подходы и решения современной технологии автоматизации

измерений.

Программы, созданные а среде labVIEW, имеют три основные

составные части: переднюю панель; блок-диаграмму и пиктограмму.

Передняя (лицевая панель) виртуального инструмента может

содержать графическое изображение кнопок, клавиш, регуляторов и других

органов управления и индикации. Конструирование лицевой панели сводится

к составлению картинки из различных

индикаторов и управляющих

элементов, находящихся в меню. Управление системой осуществляется

путем изменения положений переключателей, поворота ручек управления и

введения значений с клавиатуры.

Блок-диаграмма представляет собой графическое решение задачи. Она

составляется на графическом языке программирования. Затем встроенный в

labVIEW компилятор транслирует программу в машинный код.

Функциональными блоками, выбираемыми из меню, могут

являться блоки

элементарных алгебраических операций, функции сбора и анализа данных,

сетевые операции и др.

Пиктограмма является графическим представлением ВИП в блок-

диаграмме. Пиктограмма позволяет свернуть ВИП в объект, который можно

использовать в блок-диаграммах других ВИП в качестве функций.

Аппаратная составляющая ВИП, обеспечивающая ввод реальных

сигналов измерительной информации, может реализоваться

в виде

встраиваемых в компьютер сменных плат или в виде внешних устройств.

Внешние устройства сбора данных и управления (УСДУ) начали

разрабатывать и внедрять с появлением переносных портативных

компьютеров. В таких устройствах преобразование сигнала в цифровую

форму производится несколькими синхронизированными АЦП,

реализованными в виде единой матрицы логических элементов. Такие

устройства наиболее

удобны для использования в полевых условиях.

Таким образом, набор аппаратных и программных средств,

добавленных к обычному компьютеру и образующие ВИ, можно

рассматривать как основу компьютерных измерительных технологий (КИС).

Взаимодействие между отдельными элементами системы в КИС

осуществляется с использованием внутренней шины ПЭВМ, а стандартные

измерительные приборы могут заменяться виртуальными.

Характерной особенностью

КИС является их открытость. Так, при

использовании среды программирования labVIEW имеется возможность

создавать ВИ, работающие с реальным сигналом не только через плату сбора