Введение к работе
Актуальность, проблемы Стремительное развитее микроэлектроники и вычислительной техники в последние годы вызвало множество благотворны* и вместе с тем неожиданных изменений в смежных областях науки и техники, в том числе и измерительной. Почувствовав в руках таков могучее оружие, как микррпроцессорнне средства, разработчики измерительной техники развернулись в полную силу и создали средства измерений (СИ), обладающие принципиально новыми по-шенциалъныяи возможностями. Многократно возросшая вычислительная мощность аппаратной базы СИ повлекла многочисленные изменения в теории |й практике создания этих средств, и одновременно породила мноаество проблем.
в дополнение к успехам в области эргономики, расширению функциональных возможностей, возросшему уровню сервиса для потребителя и прочим достижениям процессорных СИ (ПрСИ), важные последствия повлекло включение процессора в измерительную цепь. Куда ае расходуется эта вновь приобретенная измерительными средствами вычислительная мощность? В первом приближении мокно выделить две тенденции: (1) усдоаненив измерительной процедуры с целью повышения качества измерений; (2)' усложнение измерительной процедуры в направлении появления новых видов измерений.
. Повышение качества измерений здесь понимается как стремление повысить точность измерения путем применения бодее утонченных оценок погрешности. Для этого направления характерен устойчивый процесс индивидуализации оценок погрешности. Простейший способ заключается в нормировании погрешности СИ и приписывании всем результатам измерения одного значения погрешности на основе имеющейся нормы.-Более сложный -введение зависимости погрешности от диапазона. Далее - са'мокалибровка и самоповерка с помощью встроенных образцовых средств, то, есть периодическая коррекция нормы. Наконец, возникает идея леиролоеического авжосопробоябекия - сопровождение каждого результата измерения индивидуальной оценкой погрешности. Потенциально, эта концепция может и должна быть реализована в ПрСИ, которые обладают потребной для этого вычислительной мощью.
Под нобили видами измерений подразумевается измерение таких
физических величин или характеристик, которые раньше не могли быть непосредственно получены как результат работы СИ. К ним, в частности, относятся и задачи измерения функциональных зависимое^ пей, которым в существенной степени посвящена работа. Вычислите-^ льные возможности ПрСИ позволяют взяться за решение таких задач.
Стремительное вторіение средств вычислительной и микропроцессорной техники не пропло безболезненно с точки зрения теории и практики измерений, в так же я метрологической науки. Зачастую для ПрСИ, способных выполнять достаточно сложные преобразования входных сигналов в измерительной цепи, не только не фиксированы способы нормирования петрологических характеристик, но даже отсутствует подходящая теоретическая база, которая позволила бы это сделать. Одним из симптомов этого является, в частности, затянувшаяся на годы дискуссия терминологического характера об интеллектуальных СИ. Согласно удачному определению В.И.Бунина, интеллектуальные СИ - это такие средства, для которых непригодно традиционное нормирование метрологических характеристик. Фактически, для более или менее сложных ПрСИ метрологический анализ измерительной цепи часто приходится проводить при их разработке индивидуально.
Понятно, что пробелы в теории, которые к тому же вызывают осложнения и в практике измерений, не могут не беспокоить. Задачи измерения функциональных зависимостей для метрологов интересны с нескольких точек зрения.
Во-первых, метрология сама выступает потребителем результатов функциональных измерений. Многие метрологические характеристики СИ должны нормироваться как функциональные зависимости (статическая функция преобразования, градуировочная характеристика, функции влияния, динамические характеристики и пр.).
Во-вторых, они интересны в контексте описанного выше процесса проникновения средств вычислительной техники в измерения и измерительную аппаратуру. Измерения функциональных зависимостей Относятся как раз к тому классу задач, который теперь потенциально может быть реализован непосредственно внутри ПрСИ.
В-третьих, на практике довольно часто используется обработка данных первичных измерений с помощью ЦВМ, имеющая целью восстановление имеющихся между ними функциональных зависимостей. Традиционно такие задачи относят к сфере интересов прикладной статисти-
ки, или теории идентификации, тем не менее, если сравнить технологию их решения с той, которая может быть реализована в ПрСИ, то существенные различия сводятся в основном к степени автоматизации сбора первичных измерений. С позиций метрологии эти различия несущественны, поэтому очевидно, что в обоих случаях могут применяться одни и те ид методы анализа погрешностей. В то же время в работах во теории идентификации, по мнении автора, редко уделяется должное внимание метрологическим вопросам, а если метрологический анализ и присутствует, то используются математические модели, не обладающие должной общностью, либо вообще неадекватные постановкам задач метрологического обеспечения подобных измерений.
Резюмируя, можно отметить, что задача разработки схем и методов метрологического анализа измерительных цепей современных сложных СИ (в частности, ПрСИ), несомненно, является актуальной. Такие схемы и методы будут иметь тем большую ценность, чем более широкий класс задач, решаемых ПрСИ, они смогут обеспечить.
Дэдь щ&ш. - во-первых, разработать достаточно общую схему метрологического анализа задач измерения функциональных зависимостей, решаемых с помощью ПрСИ; во-вторых, разработать метод решения конкретной задачи из этой области и провести с помощью разработанной схемы его метрологический анализ. В качестве такой конкретной задачи в работе была рассмотрена задача градуировки оптического абсорбционного-газоанализатора (ОАГ).
Ийімн. исследования - теоретические исследования, машинное моделирование на ЦВМ, на. заключительном этапе - практическое решение задач градуировки.. При теоретических исследованиях использовались результаты из области математического анализа, функционального анализа, классической теории аппроксимации, теория общей проблемы моментов, вычислительной линейной алгебры, математического программирования, прикладной статистики и метода Монте-Карло. При построении модели ОАГ также использовались физические законы поглощения излучения в газовых средах. *
Научная новизна. Новыми- являются следующие результата работы:
- разработанная в гл.t общая схема метрологического анализа
задач измерения функций посредством ПрСИ (об отличиях от традици
онного подхода подробнее сказано ниже, см. с.10-11);
- полученные в гл.2 теоремы об интерполяции линейно-
- A -
экспоненциальными многочленами в классе Функций со вполне моно-, тонной производной, и о границах погрешности такой интерполяции;
- разработанный в гл.З итеративный алгоритм, а также некоторые
небольшие улучшения известных алгоритмов для задач ННК и квадра
тичного программирования, например, алгоритма Хаусхолдера.
Практическая дшшиь работы заключается, во-первых, в выработке единого общего подхода к задачам метрологического сопровождения функциональных измерений посредством ПрСИ, а во-вторых, в разработке и реализации метода измерения статических функций преобразования и градуировочннх характеристик ОАГ. Хотя изложенная в гл.1 работы общая схема далее в.гл.2-4 детально разработана лишь для задачи градуировки ОАГ, ее общая логика, используемые формальные модели измерительных цепей, формулировки задач, приемы анализа погрешностей, определения понятий и терминология носят общий характер и применимы для любой задачи из данного класса.
реализация результатов исследования. Разработанный в работе метод решения задачи градуировки ОАГ был реализован в виде программы для ЦВМ, и внедрен на газоанализаторах, входящих в состав комплекса технических средств Государственного эталона молярной доли в НПО "ВНИИМ им.Д.И.Иенделеева", о чем имеется соответствующий акт внедрения.
Апробация работы, Основные и промежуточные результаты данной работы докладывались и обсуждались на:
Всесоюзной научно-технической конференции "Информационные измерительные системы" (г.Санкт-Петербург, 1991)1
Всесоюзной научно-технической конференции "Статистическая обработка экспериментальных данных" (г.Новосибирск, 1991)',
- IV Всесоюзном совещании по теоретической, метрологии
(г.Санкт-Петербург, 1989); .
Заседаниях городского семинара "Применение средств вычислительной техники в ЙИТ" (г.Санкт-Петербург, 1986-1993);
Семинарах кафедры и научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава института (г.Санкт-Петербург, кафедра ИИТ ЛЭТИ, 1986-1994)1
Публикации, В процессе подготовки диссертационной работы опубликовано 11 пачатных работ; из них - 2 статьи в общесоюзных журналах, 1 депонированная в ВИНИТИ рукопись, 3 тезисов докладов
на всесоюзных конференциях, 1 статья в меівузовском сборнике научных трудов, 4 статьи в сборниках научных трудов СПбГЭТУ.
QCHQBHH8 П0ЛРІШЯ диссертации, выносимые на защиту: .- общая схема метрологического анализа задач измерения функций посредством ПрСИ;
- метод и алгоритмы решения задачи градуировки ОАГ в сочетании с проведенным для них в соответствии с общей схемой анализом погрешностей.
Структура а аймж работы. Диссертационная работа состоит из предисловия, введения, четырех глав, заключения, одного приложения и списка литературы, включащего 100 наименований. Основная часть работы изложена на 171 странице машинописного текста. В работе содержится 2 рисунка, 11 таблиц.