Шивринский В.Н. (под редак.) Проектирование приборов, систем и измерительно-вычислительных комплексов

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ПРИБОРОВ, СИСТЕМ

ИЗМЕРИТЕЛЬНО-

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ

КОМПЛЕКСОВ

Конспект лекций

для студентов специальности

Авиационные приборы и ИВК

Сост. В. Н. Шивринский

Ульяновск

2009

УДК 681.518.3(076)

ББК 34.9я73

П 55

Рецензент профессор кафедры «Вычислительная техника» факультета

информационных систем и технологий Ульяновского государственного

технического университета доктор технических наук В. Н. Негода

Одобрено секцией методических пособий

научно-методического совета университета

П 55

Проектирование приборов, систем и измерительно-вычислительных

комплексов : конспект лекций для студентов специальности 20010365

/ сост. В. Н. Шивринский. – Ульяновск : УлГТУ, 2009. – 116 с.

Конспект лекций составлен в соответствии с рабочими программами курсов

«Основы проектирования приборов и систем» и «Проектирование измерительно-

вычислительных комплексов»; знакомит студентов с устройством различных измери-

тельных информационных систем, принципами их построения и применения, мето-

дами проектирования.

Приведенный материал предназначен студентам для самостоятельного изучения

дисциплин, а также преподавателям, ведущим занятия по аналогичным предметам.

Методические указания подготовлены на кафедре ИВК.

УДК 681.518.3(076)

ББК 34.9я73

 В. Н. Шивринский, составление, 2009

 Оформление УлГТУ, 2009

Предисловие

Конспект лекций составлен на основе курсов «Основы проектирования

приборов и систем» и «Проектирование измерительно-вычислительных ком-

плексов», читаемых автором. Лекции подготовлены по материалам, изложен-

ным в литературе [1-23]. Учебным планом по дисциплине «Основы проектиро-

вания приборов и систем» предусмотрено 68 часов аудиторных занятий, из них

лекций – 34 час, лабораторных работ – 16 часов, практических занятий – 18 ча-

сов, 92 часа для самостоятельной работы, экзамен в седьмом семестре; по дис-

циплине «Проектирование измерительно-вычислительных комплексов» преду-

смотрено 102 часа аудиторных занятий, из них лекций – 34 часа, лабораторных

работ – 51 час, практических занятий – 17 часов, 48 часов для самостоятельной

работы, курсовой проект и экзамен в восьмом семестре.

Выписка из ГОС ВПО по направлению подготовки дипломированного спе-

циалиста 20010365 – «Авиационные приборы и ИВК»:

Индекс: ОПД.Ф.08, всего часов – 160. Основы проектирования приборов и систем :

классификация приборов – измерительные, следящие, информационные, управления; функ-

циональная структура приборов, функциональные устройства, блоки; условия и режимы ра-

боты; характеристики качества приборов и систем (погрешность, надежность, информацион-

ная емкость, статические и динамические характеристики); измерительные сигналы, их виды

и типы, модели сигналов; структурно-математические модели процессов в приборах; преоб-

разование измерительных сигналов в приборах; прибор как каскад преобразователей; типы

преобразователей и преобразование ими сигналов; линейные и нелинейные преобразователи;

информационные аспекты преобразования сигналов; количество информации, потери ин-

формации при преобразовании сигналов; преобразователи различных физических величин и

полей; взаимность и обратимость преобразователей; уравнения и параметры преобразовате-

лей; помехозащищенность; взаимодействие преобразователей с внешней средой; методы

расчета статических и динамических характеристик приборов, оценка погрешностей, расчет

надежности; этапы проектирования, методы и средства автоматизации проектных процедур,

методы вариантного проектирования, системные подходы к проектированию, функциональ-

но-параметрическое проектирование, конструкторско-технологическое проектирование, раз-

работка конструкций, создание проектной документации.

Методические указания разработаны в соответствии с УМК и направлены

на освоение следующих разделов учебных дисциплин: основные понятия и оп-

ределения, характеристики средств измерений; основные этапы проектирова-

ния приборов и ИИС; основы проектирования авиационных приборов; расчет

характеристик приборов и систем; расчет погрешностей приборов и систем;

общая характеристика измерительно-вычислительных комплексов; средства

получения информации; средства управления, обработки и хранения информа-

ции; средства системного обмена и оперативно-диспетчерское оборудование;

субкомплексы.

В работе излагаются принципы построения и проектирования авиационных

приборов, измерительно-вычислительных комплексов и информационных из-

мерительных систем. В результате изучения дисциплин студенты должны при-

обрести знания об основных структурах, алгоритмах работы, характеристиках

измерительно-вычислительных комплексов авиационных приборов и информа-

ционных измерительных систем. Объем этих знаний должен быть достаточным

для оценки метрологических характеристик, выбора и организации совместной

работы функциональных блоков приборов и информационных систем конкрет-

ного применения.

Лекции являются основной и эффективной формой учебного процесса в

высшей школе. Лектор обращает внимание студентов на исходные положения,

на принципиальные стороны, относящиеся к тому или иному вопросу.

Конспект лекций предназначен студентам для глубокой самостоятельной

проработки, а также преподавателям, ведущим занятия по аналогичным дисци-

плинам.

Глава 1. Основные термины и определения

Введение

Измерительная техника является важнейшим фактором научного и техни-

ческого прогресса во всех областях народного хозяйства. Электроизмеритель-

ная техника, как часть измерительной техники, имеет особое значение благода-

ря широким возможностям, которые делают ее универсальной.

Электрическими методами измеряются практически все физические вели-

чины – электрические и неэлектрические. Диапазон измеряемых физических

величин довольно велик: силы тока – от 10

-16

А до сотен тысяч ампер; напряже-

ния – от 10

-9

В до десятков миллионов вольт; сопротивления – от сотых долей

микроома до 10

Ом и т. д.

Разнообразны условия измерений – от благоприятных условий метрологи-

ческих лабораторий до очень тяжелых промышленных, полевых, транспортных.

Различны и требования к точности результатов измерений. Еще сравнительно

недавно измерения электрических величин с погрешностями, не превышающи-

ми 0,1-0,01%, производились только в лабораторных условиях. В настоящее

время такая точность необходима и при промышленных измерениях.

Проникновение микропроцессоров в измерительную технику улучшило

многие характеристики средств измерений, придало им новые свойства. С по-

мощью микропроцессорных систем достигаются многофункциональность при-

боров, упрощение управления измерительной процедурой, автоматизация регу-

лировок, самокалибровка и автоматическая поверка, улучшение метрологиче-

ских характеристик, выполнение вычислительных операций, статистическая

обработка результатов наблюдений, создание программируемых, полностью

автоматизированных приборов.

В современной промышленности для оптимального управления технологи-

ческими процессами требуется получение информации о большом числе пара-

метров объектов, а также оперативная обработка этой информации. Это приве-

ло к появлению и развитию сложных систем, предназначенных для автоматиче-

ского сбора и переработки информации. Такие системы получили название из-

мерительных информационных систем (ИИС).

Предмет курса, понятие «измерение»

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их

единства и способах достижения требуемой точности.

Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с

помощью специальных технических средств.

Физическая величина – свойство, общее в качественном отношении для

многих физических объектов, но в количественном отношении – индивидуаль-

ное для каждого объекта. Например, электрическое напряжение – это свойство

в качественном отношении общее для всех источников электрической энергии

– от гидроэлектростанции до батарейки наручных часов; в количественном от-

ношении напряжения источников различны.

Значение физической величины – оценка физической величины в виде неко-

торого числа принятых для нее единиц. Например, значение напряжения (не

«величина напряжения»!) 220 В. Число 220 называется числовым значением,

В – вольт – единица напряжения.

Истинное значение физической величины – значение физической величины,

которое идеальным образом отражает в качественном и количественном отно-

шениях соответствующее свойство данного объекта. Истинное значение прак-

тически недостижимо.

Действительное значение физической величины – значение, полученное

экспериментальным путем и настолько приближенное к истинному, что для

данной цели может быть использовано вместо него.

Единица физической величины – физическая величина, которой по опреде-

лению присвоено значение 1. Единицы физических величин делятся на основ-

ные, выбираемые произвольно при построении системы единиц, и производ-

ные, образуемые в соответствии с уравнениями связи с другими единицами

данной системы единиц.

Система единиц физических величин – совокупность основных и производ-

ных единиц, относящаяся к некоторой системе величин. В нашей стране дейст-

вует ГОСТ 8.417-81 «Единицы физических величин», которым установлено

обязательное применение Международной системы единиц СИ, принятой в

1960 году 11 Генеральной конференцией по мерам и весам.

Проектирование приборов, систем и измерительно-вычислительных ком-

плексов – дисциплины знакомят студентов с устройством различных измери-

тельных информационных систем, принципами их построения и применения,

методами проектирования.

Прежде чем рассматривать непосредственно методы измерений, остано-

вимся на понятии «измерение» в общем смысле слова. Измерение – это процесс

сравнения двух величин и выражение результата измерения цифрой, имеющей

размерность.

Структурные схемы средств измерений

Структурная схема элементарной базовой системы измерения представ-

лена на рис. 1.1. Здесь Ч – чувствительный элемент, который воспринимает

воздействие объекта; М – мерный элемент, хранитель эталона; СР

– сравни-

вающий элемент {сравнивает две величины X

(t) и X

эт

(t)}; И – исполнительный

элемент – конечный элемент, несущий сигнал в необходимой форме.

Рис. 1.1. Структурная схема элементарной

базовой системы измерения

В результате измерения получим именованное число. Например, размер де-

тали Х

из

=20 мм, а задано Х

=18 мм. Разность ∆=Х

из

–Х

=20–18=2 мм, где ∆ – от-

клонение от нормы. Одного процесса измерения мало, необходимо вести кон-

троль. Определяя отклонение ∆, мы определяем, например, необходимую пода-

чу для снятия излишнего металла (2 мм). В простейшем случае эти операции

выполняет человек. При автоматизации производственных процессов операция

контроля поручается самому измерительному прибору.

Структурная схема элементарной базовой системы контроля представле-

на на рис. 1.2. Схема содержит систему измерения и задающий элемент З – за-

датчик нормы измеряемой величины, а также CР

– второе сравнивающее уст-

ройство.

Рис. 1.2. Структурная схема элементарной

базовой системы контроля

Контроль является составной операцией: а) измерение величины,

б) сравнение измеряемой величины с нормой. Результатом является не величи-

на, а отклонение ее от нормы.

Задающий сигнал Х

(t) может быть 3-х видов: 1) const; 2) f(t) – заданная

функция времени; 3) f(t) = ? – неизвестная функция. В первом случае речь идет

о стабилизирующем контроле, когда определяется отклонение от постоянной

величины. Во втором случае определяется отклонение от заданной функции

времени f(t) – программный контроль. В третьем случае определяется отклоне-

ние от заранее неизвестной, но существующей функции – следящий контроль.

Если полученное в процессе контроля отклонение от нормы подать на вход

автоматического устройства (например, автоматического станка), то получим

схему автоматического регулирования, с помощью которой отклонение от нор-

мы не будет превышать заданного значения (в идеальном случае стремится к

нулю).

Структурная схема элементарной базовой системы регулирования пред-

ставлена на рис. 1.3. Здесь СК – система контроля, ПР – преобразователь.

Рис. 1.3. Структурная схема элементарной

базовой системы регулирования

В данном случае осуществляется регулирование по ∆ или по (∆/Х) = ε

(ε

–

рассогласование), т.

е. процесс (объект) регулируется по отклонению.

Так же, как и для системы контроля, Х

(t) может быть трех видов: 1) const;

2) f(t) – заданная функция времени; 3) f(t) = ? – неизвестная функция. В первом

случае речь идет об автомате стабилизации, 2) – о программном регулировании,

3) – о синхронно-следящем регулировании.

Воздействовать на вход объекта или на процесс можно и с помощью систе-

мы управления.

Структурная схема элементарной базовой системы управления представ-

лена на рис. 1.4. Здесь ω

упр

– сигнал управления (с какого-то носителя инфор-

мации, например магнитной ленты). Управление рассматривается как воздейст-

вие на управляемый процесс по определенной программе.

Рис. 1.4. Структурная схема элементарной

базовой системы управления

Для управления современными технологическими процессами, объектами

приходится измерять несколько параметров (может быть несколько сотен) и по

ним принимать решение о воздействии на объект.

Чем выше уровень автоматизации, тем больше различных вычислительных

операций выполняют сами приборы. В этом случае необходимым звеном в сис-

теме измерения является вычислительное устройство.

Виды измерений

Измерения могут быть прямыми, косвенными, совокупными, совместными.

При прямых измерениях процесс измерения производится над самой измеряе-

мой величиной, имея в виду то или иное ее проявление.

При косвенных измерениях значение искомой величины Х определяется

расчетным путем на основании прямых измерений других величин, связанных с

измеряемой известной зависимостью.

При совокупных измерениях значения нескольких искомых величин опреде-

ляются на основе прямых или косвенных измерений других величин путем ре-

шения системы соответствующих уравнений.

При совместных измерениях производят одновременно измерения двух или

нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними.

Виды погрешностей измерений и источники их появления

Обязательными компонентами любого измерения являются: 1) физическая

величина, значение которой нужно измерить; 2) единица физической величины;

3) метод измерения; 4) средство измерения; 5) наблюдатель (ЭВМ); 6) условия

окружающей среды; 7) результат измерения.

Погрешность вызывается совместным изменением перечисленных выше

компонент в процессе измерения физической величины.

Результат измерения Х представляет собой лишь оценку измеряемой вели-

чины, в нем заключена некоторая погрешность

∆ = Х – Х

. (1.1)

Так как истинное значение Х

неизвестно, то

∆ = Х – Х

. (1.2)

Здесь Х

– действительное значение измеряемой величины; ∆ – абсолютная

погрешность измерения.

Часто погрешность выражается в относительных единицах, %

δ = (∆/Х) ⋅100 ≈ (∆/Х

) ⋅100. (1.3)

Точность измерений – это качество измерений, отражающее близость их

результатов к истинному значению измеряемой величины.

Количественно точность измерений может быть выражена значением, об-

ратным модулю относительной погрешности: Т = 1/δ . Высокая точность из-

мерений соответствует малым значениям погрешности.

Погрешности косвенных измерений

Пусть результат измерения Х есть функция некоторых величин A, B, C, ...,

полученных в результате прямых измерений с погрешностями ∆A, ∆B, ∆C, ... .

При этом считаем, что «первичные» погрешности ∆A, ∆B, ∆C, ... малы по срав-

нению со значениями самих величин и взаимно независимы. Итак, имеем

X = f(A, B, C, ...) . (1.4)

Здесь A = A

+ ∆A, B = B

+ ∆B, C = C

+ ∆C, ...; A

, B

, C

, ... – истинные

значения измеренных величин.

Раскладывая уравнение (1.4) в ряд Тейлора, ограничиваясь первыми члена-

ми разложения и вычитая из полученного уравнения уравнение (1.4), получим

выражение для погрешности косвенных измерений в следующем виде

∆X = (∂f/∂A)⋅∆A + (∂f/∂B)⋅∆B + (∂f/∂C)⋅∆C + ... (1.5)

Коэффициенты ∂f/∂A, ∂f/∂B, ∂f/∂C, ... называют коэффициентами влияния,

показывающими степень влияния первичных погрешностей ∆A, ∆B, ∆C, ... на

результирующую погрешность ∆Х.

Иногда текущие значения первичных погрешностей ∆A, ∆B, ∆C неизвест-

ны, а известны лишь их предельные значения. В этом случае погрешность кос-

венных измерений вычисляют по уравнению (1.6).

∆X = ±

...C)C/f(B)B/f(A)A/f(

222222

+∆⋅∂∂+∆⋅∂∂+∆⋅∂∂

(1.6)

Систематические погрешности

Систематическими называют погрешности, остающиеся постоянными или

изменяющиеся по определенному закону при повторных измерениях одной и

той же величины. Они могут быть изучены, результат измерения может быть

уточнен или путем внесения поправок, если числовые значения этих погрешно-

стей определены, или путем применения таких способов измерения, которые

дают возможность исключить влияние систематических погрешностей без их

определения.

Случайные погрешности

Случайными называют погрешности, изменяющиеся случайным образом

при повторных измерениях одной и той же величины. Случайные погрешности

не могут быть исключены из результатов измерений как систематические по-

грешности. Однако при проведении некоторого числа повторных измерений

теория вероятности позволяет несколько уточнить результат, т. е. найти значе-

ние измеряемой величины более близкое к истинному, чем результат одного

измерения.