Параметрический синтез измерительных каналов в автоматизированной системе управления технологическим процессом Данилов, Сергей Иванович

Введение к работе

Актуальность. Управление технологическими процессами невозможно без создания эффективных и надежных информационно-измерительных систем (ИИС), предназначенных для сбора и первичной обработки измерительной информации, которая в дальнейшем используется в алгоритмах управления для принятия решений.

Современные информационно-измерительные системы, функционирующие в составе автоматизированных систем управления (АСУ) технологическими процессами содержат в своей структуре микропроцессоры и микро-ЭВМ на их основе. Измерительные каналы (ИК) таких ИИС характеризуются наличием в тракте преобразования измерительной информации дополнительных операций: дискретизации во времени, квантования по уровню, предварительной цифровой обработки и восстановления. Наличие в структуре измерительных каналов наряду с анапоговыми преобразователями операций цифровой обработки измерительной информации, реализованных в виде программ ЭВМ, позволяет характеризовать их как программно-аппаратные.

Наряду с погрешностями, вносимыми аналоговыми преобразователями, программно-аппаратные измерительные каналы характеризуются наличием специфических погрешностей обусловленных перечисленными выше дополнительными операциями.

Информационная подсистема АСУ водоснабжением рыбоводного комплекса состоит из совокупности параллельных программно-аппаратных измерительных каналов, предназначенных для измерения содержания кислорода в воде, а также температуры, давления, расход?., уровня и показателя рН воды. В каждом из измерительных каналов выполняются следующие последовательные преобразования измеряемых величин: аналоговое преобразование измеряемой величины; дискретизация аналоговой величины по времени и преобразование дискретных значений в код; цифровая обработка дискретных кодированных значений с целью приведения их ко входу и фильтрации помех измерений; восстановление значений измеряемой величины в моменты времени не соответствующие моментам дискретизации.

При проектировании измерительных каналов в АСУ водоснабжением рыбоводного комплекса возникает задача обоснованного выбора значений периода дискретизации и параметров алгоритма цифровой фильтрации.

Существующие методы расчета периода дискретизации учитывают лишь погрешность, с которой может быть восстановлен непрерывный процесс по его

дискретным значениям. При этом не принимается во внимание тот факт, что в большинстве случаев в измерительных каналах между операциями дискретного отбора и восстановления находятся операции динамической обработки измерительной информации (в АСУ рыбоводным комплексом - операция фильтрации). Это приводит к тому, что рассчитанное значение периода дискретизации является далеким от оптимального, а точность получаемых результатов измерений -ниже требуемой. Таким образом, задача расчета оптимальных параметров типовых операций преобразования измерительной информации в программно-аппаратных измерительных каналах с учетом всей цепи осуществляемых преобразований является актуальной.

Поставленная задача решалась в рамках

- региональной научно-технической программы "Научные, технические,
экономические и экологические проблемы г.Волжского" по программе Н.Р.200
"Вузовская наука регионам" Министерства общего и профессионального обра
зования Российской Федерации;

единого заказа-наряда, финансируемого Минобразования РФ из средств федерального бюджета (темы: № ВАЭ/02-Б-96, № 2/07-Б-99);

выполнения хоздоговоров № 2/5-97 с Нижневолжрыбвод и № 2/09-99 с Волгоградским осетровым рыбоводным заводом.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются измерительные каналы информационно-измерительных систем, предназначенных для автоматизации контроля и управления технологическими процессами, а предметом исследования - погрешности получаемых с их помощью результатов измерений.

Цель работы. Целью диссертационной работы является решение задачи параметрического синтеза программно-аппаратных измерительных каналов, осуществляющих сбор и первичную обработку информации в АСУ водоснабжением рыбоводного комплекса.

Для достижения поставленной цели в работе требовалось решить следующие задачи:

1. Исследовать структуру измерительных каналов в АСУ водоснабжением рыбоводного комплекса.

2. Разработать математическую модель программно-аппаратного измерительного канала.

3. Разработать математическую модель погрешности цифровой обработки измерительной информации в программно-аппаратных измерительных каналах.

4. Проверить адекватность разработанных математических моделей про-

цессам в реальных измерительных каналах.

5. Разработать методику параметрического синтеза программно-аппаратных измерительных каналов, обеспечивающих заданную точность получаемых оценок измеряемых величин.

Методы исследования. При выполнении исследования использовались методы, базирующиеся на теории вероятностей, теории измерений, теории автоматического управления, а также методы оптимизации, математического и имитационного моделирования.

Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем:

5. Предложена математическая модель программно-аппаратного измерительного канала.

6. Предложена математическая модель погрешности цифровой обработки измерительной информации в программно-аппаратных измерительных каналах в установившемся динамическом режиме измерений.

7. Предложена математическая модель погрешности цифрового моделирования линейного аналогового измерительного преобразователя.

Практическая ценность. Из результатов исследования наибольшую практическую ценность представляют:

8. Методика расчета погрешности цифровой обработки измерительной информации в программно-аппаратных измерительных каналах.

9. Методика парачеірнческого синтеза программно-аппаратных измерительных каналов, обеспечивающих іадзнную точность получаемых оценок измеряемых величин.

10. Алгоритм расчета оптимальных параметров операций цифровой обработки измерительной информации в измерительных каналах заданной структуры.

11. Аналитические соотношения, которые могут быть использованы в качестве критериев оптимизации при параметрическом синтезе программно-аппаратных измерительных каналов.

Апробация работы. Оснонные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и городских конференциях, в том числе на I международной научно-теоретической и практической конференции "Проблемы и перспективы автоматизации производства и управления" (Ташкент, 1407г.), 1 международной конференции "Промышленность, технология, экология" (Москва, 1998г.), Международной научно-технической конференции "Методы и средства измерения в системах контроля и управления* (Пенза, 1999г.), Всероссийской научно-технической конференции "Новые ме-

тоды, технические средства и технологии получения измерительной информации" (Уфа, 1997г.), V всероссийской научно-технической конференции "Состояние и проблемы технических измерений" (Москва, 1998г.), И! Всероссийском симпозиуме "Математическое моделирование и компьютерные технологии" (Кисловодск. 1999г.), IV межвузовской научно-практической конференции студентов и молодых ученых г.Волгограда и Волгоградской области (Волгоград, 1998г.), Конференциях по региональной научно технической программе "Научные, технические, экономические и экологические проблемы г.Волжского" (Волжский, 1997г, 1998г.), II и Ш межвузовских научно-практических конференциях студентов и молодых ученых г.Волжского (Волжский, 1997г., 1998г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе, 3 статьи, 6 тезисов докладов международных и всероссийских конференций.

Основные положения, выносимые на защиту.

12. Математическая модель программно-аппаратного измерительного канала.

13. Математическая модель погрешности цифровой обработки измерительной информации в программно-аппаратных измерительных каналах в установившемся динамическом режиме измерений.

14. Методика расчета погрешности цифровой обработки измерительной информации в программно-аппаратных измерительных каналах.

15. Методика параметрического синтеза проіраммно-аппарагньїх измерительных каналов, обеспечивающих заданную точность получаемых оценок измеряемых величии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы, включающего 87 наименований, 5 приложений. Основная часть работы изложена на 128 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 26 рисунков и 3 таблицы.