Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка задачи разработки и исследования техничес ких и алгоритмических средств повышения эффективности многоуровневого контроля датчиков 10
1.1. Основные задачи контроля датчиков технологических параметров 10
1.2. Структура системы многоуровневого контроля 20
1.3. Критерии эффективности функционирования системы многоуровневого контроля 27
1.4. Предмет, задачи и методы исследования 47
2. Технические средства повышения эффективности контроля датчиков технологических параметров 51
2.1. Основные задачи создания устройств для идентификации датчиков температуры 51
2.2. Анализ существукщих средств контроля датчиков температуры 53
2.3. Анализ принципа действия и технических возможностей эталонного устройства контроля датчиков температуры в жидких средах 58
2.4. Высокочастотное устройство контроля датчиков температуры 61
3. Организация многоуровневого контроля датчиков техно логических параметров 80
3.1. Методика определения метрологических характеристик датчиков 80
3.2. Организация приоритетной обработки информации, поступающей с ЭВМ нижнего уровня 87
3.3. Метод оптимальной организации обработки сиг налов о контролируемых датчиках. 95
3.4. Исследование совместимости ЭВМ в МСКД 99
4. Исследование характеристик эффективности контроля 115
4.1. Связь параметра входящего потока системы многоуровневого контроля с характеристиками контролируемых датчиков 115
4.2. Исследование системы многоуровневого контроля типа 122
4.3. Оценка эффективности фзшкционирования системы многоуровневого контроля с разделенной па -мятью. 154
4.4. Оценка эффективности функционирования системы со многими информационными потоками. 158
5. Разработка технических средств.Экспериментальные результаты.Программное обеспечение многоуровнево го контроля 169
5.1. Вторичные измерительные преобразователи сигналов 169
5.2. Экспериментальное определение динамических характеристик датчиков технологических параметров 177
5.3. Программное обеспечение связи ЭЕМ 190
Выводы.199
Заключение , 204
Литература. 207
Приложение I.
- Структура системы многоуровневого контроля
- Анализ принципа действия и технических возможностей эталонного устройства контроля датчиков температуры в жидких средах
- Организация приоритетной обработки информации, поступающей с ЭВМ нижнего уровня
- Исследование системы многоуровневого контроля типа
Структура системы многоуровневого контроля
Рассматриваемая конкретная МСКД имеет трехуровневую иерархическую структуру [61J (Рис.1). На нижнем уровне находятся подсистемы непосредственного контроля датчиков, состоящие из устройств - -контроля, микро-ЭЕМ "Электроника-60", измерительной и вспомогательной периферии; на среднем - мини-ЭВМ СМ-4, к каждой из которых подключаются подсистемы нижнего уровня, контролирующие датчики одного типа; на верхнем уровне - вычислительный комплекс из двух ЭЕМ EG-I033 и одной АСВТ М-4030. В качестве связного процессора используется СМ-4.
Рассмотрим обобщенные функции, выполняемым каждым из уровней МСКД /"IIJ.На нижнем уровне происходит непосредственно сбор контрольной информации, предварительная обработка, пересылка результатов контроля на средний уровень.
На среднем уровне собирается, хранится и обрабатывается контрольная информация по данному типу датчиков, наиболее характерными являются функции ведения базы данных, подготовки программ контроля, подготовки выходных и итоговых документов по данному типу датчиков. К данному уровню предъявляются требования по обеспечению сохранности контрольных данных, обеспечения удобного доступа к данным от нескольких пользователей.
На верхнем уровне выполняются функции окончательной обработки поступающих результатов контроля, ведения мощной архивной базы данных, достаточно эффективного отображения имеющейся контрольной информации по всем датчикам. Вычислительный комплекс обеспечивает быстрый и удобный диалоговый доступ пользователей данного уровня, а также удаленных пользователей, с обеспечением защиты определенных массивов контрольной информации от несанкционированного доступа.
Связной процессор выполняет системные функции:- буферная обработка потоков контрольной информации;- концентрация данных ;- коммутация сообщений.мскд.
Нижний уровень МСКД состоит из пяти видов подсистем, каждый из которых осуществляет контроль датчиков одного типа:- датчиков вибрации и удара;вибрации и удара, каждая из которых контролирует определенные датчики в определенных режимах. Количество подсистем одного типа определяется количество контролируемых датчиков: от I до 10. Рассмотрим конкретные реализации подсистемы.- Контроль датчиков на устройстве ПВУ-3.
Данное устройство предназначено для воспроизведения параметров колебательного синусоидального движения с целью контроля датчиков вибрации. Она состоит из собственно ПВУ-3; образцового датчика (ОД) п контролируемых датчиков (КД); генератора синусоидальных сигналов ГЗ-ІІ0 (ГСС), частотомера 43-49(ЧМ); усилителя мощности Ж 2Ш или УУС-07(УМ); коммутатора измерительных сигналов Ф 799/1 (КИС); цифрового вольметра переменного тока В3-49(ЦВП), измерителя нелинейных искажений С6-8(ИНИ); блока формирования команд управления (ВШУ); устройства управления (УУ), в состав которого входят микро-ЭШ "Электроника-60", контроллер магистрали приборного интерфейса, магистраль приборного интерфейса,устройство сопряжения с ЭВМ СМ-4(УС), блока интерфейсных карт (И К),предназначенных для сопряжения магистрали приборного интерфейса (ПИ) с серийными средствами измерения и имитатора-индикатора (МП) магистрали ПИ, устройства ввода-вывода (УЕВ), в состав которого входят видеотерминал ВТА-2000, перфоратор ІШ-І50 и фотосчитывательFS-I50I. Работа установки происходит следующим образом: ГСС, контролируемый ЧМ, вырабатывает электрический сигнал заданной частоты и амплитуды, величины которых определяются программой контроля датчика, этот сигнал усиливается УМ, режимы которого могут меняться БФКУ и преобразуется в механические колебания установки ГЕВ-У. Контролируемый и образцовый датчики преобразуют механические колебания в электрические сигналы, которые через КИС подаются от контролируемого и образцового датчиков на ЦВП и ИНИ (Рис.2). Результаты измерения через Ж поступают в контроллер магистрали и далее обрабатываются в микро-ЭВМ "Электроника - 60".- Контроль датчиков на устройстве ИС-3309 (Рис.3). Данное устройство предназначено для градуировки датчиков вибрации на частоте 100 Гц в нормальных климатических условиях.
Контроль датчиков удара на устройстве 93I0I (Рис.4). Устройство 93I0I предназначено для градуировки датчиков удара в диапазоне от 10 до 10 м/с и состоит из собственно устройства 93I0I, ОД; Л КД, П+І аналого-цифровых преобразователейФ 7077/2 (АЦП), Л +1 запоминающих устройств (ЗУ), задатчика временных сигналов (ЗВС), ШКУ, УУ, УВВ и Л +1 ИК.- Контроль датчиков вибрации при температурном воздействии (Рис.5). В состав установки входят, кроме приборов, входивших в предыдущие установки, температурная камера типа 93I4B, ОД, расположенный в нормальных условиях и Л КД, расположенных в температурной камере. Температура в камере регулируется с помощью цифрового вольтметра постоянного тока В2-32 (ЦБ) и ВШ".
Контроль датчиков вибрации при воздействии акустического поля, осуществляется при помощи установки "Звук I". На рис.6 ЦВПІ, ЦВП2 - цифровые вольтметры; УМ - масштабный усилитель УМ-50А.
Анализ принципа действия и технических возможностей эталонного устройства контроля датчиков температуры в жидких средах
Эталонное устройство контроля датчиков температуры (Рис.20) состоит из основания I, на котором установлен двигатель 2; вала 3; приводимого во вращение двигателем; распределительного блока 5 (Рис.21), соединенного шлангами 6 с полостями 7; сосуда II для слива жидкости; измерительной схемы 9 и регистрирующего прибора 10. Распределительный блок 5, полости 7, одна из которой заполнена горячей водой, а другая - холодной, и сосуд II укреплены на основании I. Контролируемый датчик 4 жестко связан с вращающимся валом 3. Распределительный блок содержит систему отверстий, через которые, последовательно чередуясь, течет холодная и горячая жидкость; это обеспечивается тем, что половина из общего количества отверстий соединена с полостью, заполненной горячей жидкостью, а другая половина - отверстия, расположенные между предыдущими, - соединена с полостью, заполнений холодной жидкостью.
Датчик температуры 4 закрепляется на валу под распределительным блоком таким образом, чтобы чувствительный элемент оказывался под стекающими через системы отверстий струями. Выходной сигнал контролируемого датчика подается на токосъемник 8, контакты которого соединены со входом измерительной схемы. При вращении вала чувствительный элемент датчика последовательно омывается чередующимися струями холодной и горячей жидкости:/.
Частоту входного сигнала можно изменять двумя способами; либо изменением числа оборотов двигателя, либо порядком чередования соединительных шлангов с отверстиями в распределительном блоке. Так, например, соединив подряд половину отверстий с полостью, заполненной горячей жидкостью, а оставшуюся половину отверстий -со второй полостью, получим входной сигнал, период которого будет соответствовать длительности одного оборота вала двигателя.
В общем случае частота входного сигнала / , количество оборотов в минуту /7 и число отверстии к в распределительном блоке будут связаны соотношением:
В эталонном устройстве контроля датчиков температуры использовались двигатель типа ІШ-06І с регулируемым числом оборотов (до 3000 об/мин) и шлейфний осциллограф типа К-ІІ5.
Диаметры внутренней и внешней окружностей системы отверстий равны 60 см и 70 см соответственно, а количество отверстий изменялось от 2 до 20. Число оборотов двигателя определяется при помощи диска с отверстием, укрепленного на оси двигателя и расположенного между фотосопротивлением и лампочкой. Каждому обороту вала двигателя соответствует импульс на выходе фотосопротивления, фиксируемый регистрирующим прибором 10 . Температуры вытекающих холодных и горячих струй контролируются самими контролируемыми датчиками (при отсутствии вращения вала); для этой цели можно использовать два дополнительных датчика температуры, которые осуществляют контроль температур струй непосредственно в процессе исследования динамических свойств контролируемого датчика.
При помощи эталонного устройства были испытаны термопары типа ХК, термиоторы МТ-54, платиновые пленочные и никелевые проволочные термометры сопротивления. На рис.22,23 приведены типичные осциллограммы показаний контролируемых при помощи эталонного устройства датчиков.
Анализ использования эталонного устройства контроля датчиков температуры показал достоинства и недостатки устройства.
Основное достоинство устройства заключается в том, что, благодаря сравнительно небольшой массе вала 3, можно получить значительные скорости вращения вала с датчиком, а, следовательно, достичь высоких частот пульсаций температуры жидкости, имывающей контролируемый датчик. Это устройство позволяет достаточно корректно регламентировать как частоту входного сигнала, так и величину температурного импульса.
Недостаток описанного устройства контроля датчиков температуры состоит в том, что процесс омывания контролируемых датчиков температуры жидкостью носит сложный характер, обусловленный вертикальным движением и круговым перемещением самого датчика. Это обстоятельство приводит к некоторому затруднению при решении вопроса о том, к какому значению коэффициента конвективного теплообмена отнести результаты испытаний.
Так как форма входного сигнала при низких частотах близка к прямоутольной, то при определении частотных характеристик датчиков возникает необходимость в использовании гармонического анализа - в этом заключается второй недостаток этого устройства.
При частотах входного сигнала, превышающих 50 Гц форма выходного сигнала становится настолько сложной, что обработка этого сигнала для целей контроля датчиков становится практически невозможной.
Таким образом, в результате проведенного анализа установлено, что ни одно из существовавших ранее устройств и ни один из описанных принципов действия не могут быть использованы для контроля датчиков температуры в рассматриваемой МСКД.
В этом параграфе приводится описание разработанного в настоящей работе устройства контроля датчиков температуры в газовых потоках /Зі] . Насколько можно судить по публикациям за последние 30 лет, предлагаемое устройство по своим техническим характеристикам - частотному и температурному диапазонам - превосходит ранее разработанные установки. Причем, как будет видно из описания устройства, оно позволяет исследовать параметрические и нелинейные эффекты в средствах измерения.
Организация приоритетной обработки информации, поступающей с ЭВМ нижнего уровня
В предыдущем параграфе были рассмотрены алгоритмы определения метрологических характеристик контролируемых датчиков.В МС1ЭД данные алгоритмы реализуются в виде комплекса.программ, заложенных в ЭВМ разных уровней. Информация .для этих программ поступает в виде потока, состоящего из требований на обслуживание.
МСКД, с точки зрения теории многомашинных систем, представляет собой неоднородный вычислительный комплекс трехуровневой структуры, на верхнем уровне которой находится центральный вычислитель, реализованный на базе трех больших ЭВМ. Каждая из них работает в мультипрограммном режиме.
В настоящее время принято различать два режима мультипрограммной работы /"437 : пакетной обработки и разделения времени. В режиме пакетной обработки предполагается, что во внешней памяти системы имеется постоянно пополняемый набор задач. Специальная управляющая программа образует из этого набора пакет из двух или более задач. После этого начинает выполняться первая задача.
Если в ходе выполнения возникнет потребность в операциях ввода-вывода, то выполнение ее прерывается и передается управление управляющей программе, которая организует процесс обмена информацией между оперативной памятью и внешними устройствами и переход к выполнению второй задачи. С этого момента процессы обмена и счета происходят параллельно. Аналогичным образом может быть прервана и вторая задача, тогда управление может быть передано первой или третьей задаче и т.д.
Наиболее развитым режимом работы мультипрограммной системы является режим разделения времени, за основу которого взят принцип разделения времени ЭВМ, предложенный в 1959 г. английским математиком К.Стрейчі. Идея состоит в распределении полезного времени машины между несколькими ее пользователями путем выделения периодически каждому из них небольших порций (квантов) машинного времени. Пользователи одновременно и независимо друг от друга связываются с машиной через терминалы. При этом производительность системы остается на достаточно высоком уровне, простои процессора исключаются из-за большого числа запросов на вычисления. Из-за высокой частоты повторения квантов на обслуживание программ у каждого пользователя создается полная иллюзия единоличного владения машиной /"43, I02J .
Независимо от режима мультипрограммен работы каждой из ЭВМ вычислительного комплекса верхнего уровня М(Щ к ним поступают через связной процессор от ЭВМ среднего уровня требования, образующие очередь, обслуживание которой нужно организовать оп- тимальным образом.
Оптимальная организация мультипрограммной работы центрального вычислителя является одним из алгоритмических средств повышения эффективности функционирования МСВД. Повышение эффективности достигается путем разработки оптимального порядка обработки информации ЭВМ верхнего уровня МС1ЭД с учетом приоритета требований информационных потоков.
Рассмотрим подробнее вопросы организации очередей требований с приоритетами.Пусть в многоуровневой МСКД обслуживаются М(М У I) требований, отличающихся между собой некоторой степенью важности, длительностью обслуживания и стоимостью обслуживания. Для того,чтобы отличать классы, можно происвоить каждому классу свой приоритет или приоритетный индекс і ( 1 с М ), причем, I обозначает высший приоритете, а М - низший, дисциплина, согласно которой ЭВМ выбирает следующее требование на обслуживание, называется приоритетной дисциплиной.Приоритетные дисциплины бывают внесистемные и внутрисистемные.
При внесистемной дисциплине обслуживания выбор следующего требования для обслуживания определяется внесистемно, т.е., он может зависеть только от индекса приоритета, соответствующего классу, к которому принадлежит требование.
При внутрисистемной приоритетной дисциплине обслуживания выбор следующего требования для обработки осуществляется внутри-системно, т.е., он может базироваться полностью или частично на заключениях, касающихся текущего состояния системы, например, типа обслуженного требования или времени ожидания требования в текущий момент.
Если на обслуживании находится требование j -го класса, а в систему поступает требование с -го класса ( і С j ), то возможны различные варианты дисциплины обслуживания:- с абсолютным приоритетом, когда обслуживание требования / -го класса немедленно прерывается и начинается обслуживание требования L -го класса; - с относительным приоритетом, когда обслуживание требования / -го класса продолжается до полного завершения;- со смешанным приоритетом, когда система может выбрать случай абсолютного или относительного приоритета в зависимости от длительности времени обслуживания требования / -го класса.
Анализ литературы по теории очередей [42,43, 27, 44J показал, что методам назначения приоритетов требованиям уделяется мало внимания, хотя, как указывалось выше, оптимально спланированная работа вычислительной системы при помощи приоритетной дисциплины обслуживания повышает эффективность функционирования системы.
В некоторых работах предлагается приоритетная дисциплина обслуживания, при которой первым обслуживается то требование, среднее время обслуживания которого меньше или интенсивность обслуживания больше, т.е., приоритеты будут назначены в порядке убывания интенсивностей и :При известном времени обслуживания высший приоритет назначают требованию, длительность обслуживания которого меньше некоторой величины &Ї , второй приоритет - требованию с длительностью обслуживания Рассмотренная дисциплина обслуживания является внесистемной.
При внутрисистемной дисциплине обслуживания используется так называемый, динамический приоритет: требование для обслуживания определяется не только приоритетом, но и временем ожидания каждого требования, стоящего в очереди.Для исследуемой многоуровневой системы контроля датчиков технологических параметров характерна внутрисистемная дисциплина
Исследование системы многоуровневого контроля типа
Введем обоазнчения: t[ - интервал между моментами поступления последовательныхтребований; - интервал обработки одного требования в системе (интервал от начала обработки требования до момента готовности системы к обработке следующего требования); d - объем накопителя (максимальное число накапливаемыходновременно требований); Ґ - время нахождения требования в накопителе; М0 - интервал свободного состояния системы; A/f - интервал занятого состояния системы.
Из постановки задачи ясно, что Мо и М1 - случай ные величины , причем, МІ кратно (Рис.34).
Под вероятностью структурной потери требования, характеризующей относительную пропускную способность системы, будем понимать величину а , определяемую следующим образом:ожидания интервалов свободного и занятого состояний системы.
В выражении для числитель есть среднее число требований, обслуживаемых в одной непрерывной группе требований; знаменатель - среднее число требований, поступающих в систему. Строгий вывод формулы (16) подразумевает доказательство стационарности свободного и занятого состояний /"29,577 .
Для простоты будем считать, что ячейки памяти накопителя заполняются в порядке поступления требований.
Для определения среднего времени задержки требования в накопителе примем следующую формулу:где Е[Т[] - математическое ожидание времени занятого состояния I -й ячейки за интервал обработки одной непрерывной группы требований. Определение и X является основной целью исследования настоящей главы / 90 ] .В качестве математического аппарата исследования используется метод вложенных цепей Маркова. Применение этого метода в задачах массового обслуживания связано с именем Кендалла Д. [41,86] . - Отметим, что еще ранее этот метод, по существу, применял А.Я.Хин-чин / 74,927 .окончания обслуживаїіия требований и моменты окончаний свободногосостояния системы, а Фк,і - число тебований в системе вмомент ( k + o ) { О V& d ), тогда последователь ность %}гг является однородной цепью Маркова с матрицей переходных вероятностей
Для вычисления Е [МЛ удобно Р преобразовать следующим образом. Будем считать состояние Ук.о невозвратным и вычеркнем нулевую строку и нулевой столбец, соответствующий этоглу состоянию.
Состояние системы в образовавшейся совокупности определяется величиной Rk,s - числом ожидающих требований в момент ( к + 0 ) ( - - / ). Кроме того, изменим порядок написания строк и столбцов на обратный.
В результате получим матрицу порядка d : Запись матрицы в таком виде удобна тем, что при выделении первых R -строк и столбцов образуется матрица XR , соответствующая числу ячеек памяти накопителя, равному R Введем обозначения: /,s - вероятность того, что система находится в моментрк - вероятность того, что система в момент ( tk О )перевдет в свободное состояние; Н0($) вероятность того, что за время обслуживания не поступит ни одного требования. Пусть система каждый раз рассматривается с момента , соответствующего окончанию интервала свободного состояния системы, до момента выхода в невозвратное состояние, т.е. до возвращения в свободное состояние. Тогда очевидно, что
Введем матрицу-строку Dd » выражающую начальные условия (20).Переход системы от момента ii к моменту і к характеризуется произведением Д/ X . Все элементы матрицы Dd равны 0, кроме элемента с индексом d , равного I.Поэтому вероятность того, что система в течение, по крайней: мере, к шагов останется в занятом состоянии, равна сумме элементов матрицы Dd л или, с учетом свойств матрицыДля определения левой части (24) необходимо вычислить сумму элементов матрицы, являющейся пределом матричного рядаМатричный степенной ряд сходится, если для собственных чисел JUL матрицы X выполняется неравенство:(26)
Таким образом, в каждом конкретном случае требуется доказательство сходимости матричного степенного ряда. Определение сред него интервала занятого состояния системы сводится к нахоадению обратной матрицы ( Е - X ) и суммированию элементов последней строки этой матрицы. Как было ранее установлено, входящий поток МС1ЭД является простейшим. Требования входящего потока могут поступать в общую память от одного или нескольких пользователей. Для случая нескольких пользователей Д есть параметр суммарного информационного потока, который тоже является простейшим (суперпозиция простейших потоков) /"927 -. Элементы матрицы определяются вероятностями распределения Далее: Таким образом, ряд сходится при V оС Для определения матрицы {Е-л ) разложим ( В - X ) на две треугольные матрицы:
