Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Распределенные измерительно-управляющие системы 9
1.1. Измерительно-управляющие системы 9
1.2. Распределенные измерительно-управляющие системы ... 21
1.3. Обзор и анализ существующих многопользовательских распределенных измерительно-управляющих систем 28
1.4. Постановка задач диссертации 43
1.5. Выводы по главе 45
Глава 2. Синтез многопользовательских распределенных измерительно-управляющих систем 46
2.1. Разработка математической модели многопользовательской РИУС 46
2.2. Исследование динамики функционирования многопользовательской распределенной измерительно-управляющей системы 70
2.3. Разработка методики проектирования РИУС на основе математической модели 82
2.4. Выводы по главе 90
Глава 3. Разработка программного обеспечения РИУС на основе модели, метода и методики 91
3.1. Унифицированная схема построения РИУС на основе технологий National Instruments
3.2. Программа анализа режимов функционирования многопользовательских РИУС 103
3.3. Аппаратно-программные комплексы с удаленным доступом 105
3.4. Комплекс универсальных компьютерных измерительных приборов 125
3.5. Организация учебного процесса на базе сетевых лабораторий 138
3.6. Выводы по главе 144
Глава 4. Экспериментальная проверка разработанных модели, метода и методики 145
4.1. Экспериментальная база исследований 145
4.2. Экспериментальная проверка разработанной математической модели многопользовательских РИУС 160
4.3. Выводы по главе 171
Заключение 173
Список литературы 176
Приложения 184
- Распределенные измерительно-управляющие системы
- Исследование динамики функционирования многопользовательской распределенной измерительно-управляющей системы
- Программа анализа режимов функционирования многопользовательских РИУС
- Экспериментальная проверка разработанной математической модели многопользовательских РИУС
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Усложнение технических устройств, происходящее от поколения к поколению, приводит к необходимости в процессе их разработки, производства и эксплуатации контролировать и измерять сотни, тысячи, иногда десятки тысяч параметров и характеристик. Современные измерительные системы в различных областях науки практически немыслимы без разнообразных технических средств, позволяющих автоматизировать сбор, накопление и обработку информации. Все выше перечисленные факторы обуславливают необходимость разработки и внедрения систем автоматизации в промышленность и научно-исследовательскую деятельность. Современные системы автоматизации, решающие задачи контроля с выраженными измерительными и управляющими функциями, называются измерительно-управляющими системами (ИУС).
Необходимость создания гибких, универсальных, точных и быстродействующих ИУС, обусловила применение компьютерных измерительных технологий (КИТ), использующих ЭВМ как элемент измерительно-управляющей системы на всех этапах сбора, обработки, отображения измерительной информации и формирования управляющих сигналов. В процессе решения производственных и научно-исследовательских задач часто возникает необходимость дистат^ионного контроля и управления объектом на основе распределенных измерительно-управляющих систем (РИУС). Это актуально в тех случаях, когда существует проблема целесообразности и возможности присутствия человека в зоне исследования и управления. В научно-образовательной деятельности организация удаленного доступа позволяет обеспечить возможность дистанционного выполнения научных и лабораторных экспериментальных исследований на реальном оборудовании.
Обеспечение коллективного доступа к уникальному оборудованию с возможностью изменения и задания индивидуальных конфигурации, параметров Ич траектории исследований нескольким пользователям осуществляется на основе распределенных измерительно-управляющих
5 систем коллективного доступа, или многопользовательских РИУС. Необходимость их разработки и создания обусловлена возрастающей стоимостью, сложностью и уникальностью используемого в качестве объекта исследования оборудования. Однако в процессе внедрения и эксплуатации многопользовательских РИУС возникают следующие проблемы, решение которых становится все более актуальным: ни один из разработчиков не указывает нагрузочную способность разработанной многопользовательской РИУС (максимально число одновременно работающих пользователей), не приведены эксплутационные затраты функционирования РИУС (объем передаваемого трафика); не указаны требования к пропускной способности каналов связи. В связи с этим практически невозможно быстро, качественно и обоснованно выбрать и обеспечить необходимые условия эксплуатации РИУС и, как следствие, спланировать и организовать научный эксперимент, производственный или учебный процесс, что может привести к возможным сбоям в работе. Малая распространенность многопользовательских РИУС связана с отсутствием общеизвестной методики (или способа) их проектирования, поэтому заранее невозможно оценить характеристики создаваемой системы, следовательно, невозможно оценить целесообразность и эффективность разрабатываемой РИУС. Вследствие этого в процессе проектирования становится актуальным решение следующих задач: синтез многопользовательской распределенной измерительно-управляющей системы с заданной нагрузочной способностью; определение требований к функциональным узлам на этапе проектирования; определение методов повышения нагрузочной способности.
Необходимость разработки и внедрения многопользовательских распределенных измерительно-управляющих систем определяет актуальность данной темы.
Целью работы является решение научно-технической задачи синтеза многопользовательских распределенных измерительно-управляющих систем с заданными качественными показателями функционирования.
Достижение поставленной цели предполагает решение следующих основных задач:
исследование зависимости показателей функционирования многопользовательских распределенных измерительно-управляющих систем от их параметров и режима эксплуатации;
разработка метода расчета качественных показателей функционирования РИУС;
формулировка требований к функциональным узлам РИУС и условиям эксплуатации с целью обеспечения заданных показателей функционирования;
разработка методики проектирования многопользовательских РИУС с заданными качественными показателями функционирования;
экспериментальная проверка и внедрение разработанных модели, метода, методики и программного обеспечения в практику промышленного проектирования и учебный процесс.
Методы исследования
При решении поставленных задач использовались методы теории массового обслуживания, теории вероятностей и математической статистики, методы компьютерного моделирования, современные достижения компьютерных измерительных технологий, статистические методы обработки результатов измерений, а также методы экспериментальных исследований.
Научная новизна
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
разработана математическая модель многопользовательской РИУС, учитывающая в отличие от раннее известных влияние длительности операций, выполняемых основными функциональными узлами (узлы преобразования и обработки измерительной информации), и режима эксплуатации на показатели функционирования РИУС;
определены аналитические выражения, описывающие зависимость нагрузочной способности и динамики . функционирования многопользовательских РИУС от длительности операций выполняемых их функциональными узлами и условий их эксплуатации;
разработана методика проектирования многопользовательских РИУС на основе математической модели отличающаяся, от известных тем, что позволяет определить требования к длительности операций,
7 выполняемых основными функциональными узлами проектируемой РИУС, с целью обеспечения работы заданного количества пользователей и/или динамики функционирования.
Основные научные результаты, выносимые на защиту
Модель режима функционирования многопользовательских РИУС, учитывающая длительности операций, выполняемых основными функциональными узлами (преобразования и обработки измерительной информации).
Метод расчета показателей функционирования РИУС на основе разработанной модели.
Методика проектирования распределенных измерительно-управляющих систем.
Унифицированная схема построения многопользовательских РИУС на основе технологий National Instruments, обобщающая и систематизирующая основные подходы к выбору аппаратного, разработке измерительного и сетевого программного обеспечения, а также комплекс программных средств, обеспечивающих автоматизацию процедур синтеза РИУС.
Практическая ценность работы
Результаты расчета нагрузочной способности позволяют обосновано выбрать и обеспечить необходимый режим эксплуатации РИУС, спланировать и организовать научный эксперимент, производственный или учебный процесс.
Созданная математическая модель многопользовательской РИУС позволяет оценить эффективность и целесообразность с точки зрения материальных и временных затрат, соответствующих заданной нагрузочной способности разрабатываемой РИУС на этапе её проектирования.
Применение математического моделирования на этапе проектирования позволяет определить требования к длительности операций, выполняемых основными функциональными узлами РИУС, и оценить динамику ее функционирования в соответствии с заданной нагрузочной способностью.
Реализация результатов работы
Разработанные в диссертации модель, метод, методика и программное обеспечение использовались при выполнении научно-исследовательских
8 работ, проводимых на кафедре «Приборостроение и телекоммуникации» Института инженерной физики и радиоэлектроники ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»; при выполнении Государственного контракта № П 273 «Развитие системы центров коллективного пользования с удаленным доступом» в рамках Федеральной целевой программы развития образования на 2006—2010 годы, также при выполнений программы развития ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» на 2007-2010 г. в рамках приоритетного направления «Информационно-коммуникационные технологии».
Основные результаты внедрены в практику промышленного проектирования РИУС, реализующих возможность выполнения научных и/или экспериментальных исследований в режиме многопользовательского удаленного доступа по сетям Internet/Intranet Регионального инновационного центра «Центр технологий National Instruments», в учебный процесс Сибирского федерального университета и десяти учреждений НПО и СПО, расположенных в 3 субъектах Сибирского федерального округа (Томская область, Новосибирская область, Красноярский край).
Апробация работы
Основные положения и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» (г. Красноярск, 2005-2008 г.), на Всероссийском конкурсе инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению развития науки и техники «Информационно-телекоммуникационные системы» (г. Москва, 2006 г.), на Всероссийском форуме «Образовательная среда - 2007» (г. Москва, 2007 г.), на Международном конгрессе-выставке «Global Education - образование без границ» (г. Москва, 2007 г., 2008 г.). Концепция типовых решений при построении автоматизированных лабораторных практикумов с удаленным доступом обсуждена и одобрена на заседании УМО по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в г. Санкт-Петербурге на базе СПбГТУ «ЛЭТИ» (2005 г.).
Распределенные измерительно-управляющие системы
Потребность в дистанционном контроле и управлении объектом, часто возникающая в процессе решения производственных и научно-исследовательских задач, обусловлена проблемой целесообразности и возможности присутствия человека в зоне исследования и управления (например, управление и мониторинг работы атомного реактора, управление робототехнической системой по исследованию трубопроводов, обезвреживание взрывных устройств, глубоководные исследования, управление космическими летательными аппаратами, станции экологического мониторинга, расположенные в труднодоступных местах, высокие напряжения, СВЧ- и рентгеновское излучение, нейтронные потоки и т. д.) [1, 21, 22, 26, 33]. В научно-образовательной деятельности организация удаленного доступа позволяет обеспечить возможность дистанционного выполнения научных и лабораторных экспериментальных исследований на реальном оборудовании, реализующуюся в виде систем автоматизированного лабораторного практикума с удаленным доступом (АЛЛ УД) [29, 42].
Режим дистанционного контроля и управления объектом осуществляется на основе распределенных измерительно-управляющих систем (РИУС). Они обеспечивают возможность удаленного доступа к системам автоматизации, дистанционное управление и контроль, возможность проведения экспериментальных исследований и управления в режиме реального времени. Обобщенная структура такой системы приведена нарис. 1.7.
Отличительная особенность данной системы состоит в том, что терминал пользователя (панель управления) удален непосредственно от измерительной части и объекта контроля. В качестве канала связи между терминалом пользователя и объектом управления может выступать телекоммуникационная сеть, радиоканал, спутниковый канал связи и т. д.
Примером применения РИУС в промышленности является автоматизированная система мониторинга работы ветроустановок, разработанная АОЗТ "ЦАТИ" в содружестве с ГУЛ НЛП "ВЕТРОЭН" [33]. Распределенная система мониторинга и управления работой ветроэнергетической станции (ВЭС), объединяющей десять ветроагрегатов, находящихся в Чукотском автономном округе - вблизи г. Анадырь, предоставляет возможность дистанционного контроля и управления ВЭС без присутствия оператора на пульте управления ВЭС по любым доступным каналам связи (модем, радиомодем, выделенная линия и т. д.). Структура станции приведена на рис. 1.12.
Идея построения многопользовательских систем дистанционного (коллективного) доступа возникла в начале 60-х годов XX века [43]. Она реализовывалась на базе интерактивных многотерминальных систем. В таких системах компьютер предоставлялся в распоряжение сразу нескольким пользователям. Каждый пользователь получал в свое распоряжение терминал, с помощью которого он мог вести диалог с компьютером. При этом время реакции вычислительной системы было достаточно мало для того, чтобы пользователю была не слишком заметна параллельная работа с компьютером и других пользователей.
В настоящее время данный алгоритм воплотился в построении многопользовательских РИУС. Они используются для обеспечения коллективного доступа к уникальному оборудованию с возможностью изменения и задания индивидуальных конфигурации, параметров и траектории исследований. Необходимость их разработки и создания связана с возрастающей стоимостью, сложностью и уникальностью используемого в качестве объекта исследования оборудования. В связи со сложностью разработки и реализации, особенностями объекта исследования и контроля многопользовательские РИУС находят часто ограниченное применение в промышленности, но в то же время получают широкое распространение в области автоматизации научных и лабораторных экспериментальных исследований.
В процессе исследований возникает ситуация, когда необходимо получить первичные результаты измерений, на основе которых принимается решение о направлении дальнейших исследований. Такой "диалог" между пользователем и РИУС может быть обеспечен только при условии, что система будет давать ответы с приемлемой для пользователя задержкой. Потребность в диалоге возникает также и в других случаях: в связи с уточнением введенных параметров измерения, при изменении режима функционирования объекта исследования, а также при работе по выработке решений на основе только что полученной в результате измерения информации. Такой диалог при большом числе пользователей возможен лишь при наличии режима разделенного времени. Принцип, лежащий в основе разделения времени, заключается в следующем: пользователь на фазу размышлений затрачивает значительно больше времени, чем длится фаза измерений. Так как циклы размышлений и обращения каждого пользователя к ресурсам РИУС не совпадают, то пользователи получают доступ к ресурсам РИУС практически незаметно друг для друга. Параметрами функционирования системы являются максимально возможное число одновременно работающих пользователей и динамика её функционирования.
По аналогии с вычислительными системами, работающими в режиме разделения времени, в многопользовательских РИУС желательно обеспечить преимущество запросам с малой длительностью обслуживания. Это связано с тем, что заявка, имеющая большое время обслуживания, может надолго занять ресурсы РИУС, полностью заблокировав систему. Однако в момент поступления заявки в систему ее трудоемкость (время обслуживания) неизвестна, поэтому применительно к РИУС можно выделить следующие базовые алгоритмы обслуживания запросов (дисциплины обслуживания) [53-55]:
Исследование динамики функционирования многопользовательской распределенной измерительно-управляющей системы
Рассмотрим полученные аналитические выражения применительно к анализу режима функционирования РИУС на примере следующих законов распределения времени обслуживания [68-70].
Нормированное среднее время ожидания результатов измерения /ожср I to6cn_cp при различных законах распределения t05Cn: 1 — M/D/1//N, 2 - MIUIVIN; 3 - MIMIVIN; 4 - MIYIVIN Анализируя данные зависимости, можно отметить очень медленный подъем при росте числа пользователей от 1; однако после прохода через переходную область нормирования функция ответа системы становится фактически линейной с наклоном, равным 1. Это поведение объясняется следующим образом: в области, где время ответа растет очень медленно, число пользователей настолько мало, что в периоды, когда пользователь требует обслуживания, обычно другие пользователи размышляют и поэтому не мешают ему [54].
В соответствии с данным уравнением может быть получена область допустимых значений 0бсл_сР в зависимости от выбранного режима эксплуатации РИУС, то есть если рассматривать функционирование многопользовательской распределенной измерительно-управляющей системы на заданном временном интервале At, то в соответствии с выражением (2.77) можно выявить величину 0бСЛ_ср, определяющую требования к длительности операций, выполняемых основными функциональными узлами, в соответствии с требованиями обеспечения работы заданного числа пользователей. На рис. 2.8 приведен график зависимости среднего времени обслуживания, от заданного числа пользователей N и числа измерений XQ, необходимого для обеспечения возможности выполнения эксперимента в течение одного часа. Рис. 2.8. Зависимость бсл_ср — J\AQ,N) Д, = звоос обеспечивающего возможность выполнения эксперимента на рассматриваемом промежутке времени
Таким образом, если возникает необходимость выполнения 30 пользователями (N=30) комплекса из 40 измерений (Х0 = 40), то время обслуживания не должно превышать величину 0бсл_сР = 3 с. (рис. 2.9). Рис. 2.9. Определение требований к обсл
Полученные взаимосвязи и зависимости также могут быть использованы для выбора режима эксплуатации готовой РИУС, то есть с помощью выражения (2.77) может быть решена обратная задача выбора режима функционирования РИУС с известным значением /обся_ср с целью обеспечения возможности выполнения исследований заданным числом пользователей N Следует также отметить, что система сохраняет свою работоспособность при N 7Vmax, но условие возможности выполнения пользователями за определенный промежуток времени необходимого числа измерений не выполняется.
Для решения задачи синтеза многопользовательских РИУС с заданными качественными показателями функционирования (Nmax, /0ж_Ср) в рамках диссертационных исследований разработана методика проектирования многопользовательских РИУС, основанная на применении результатов промежуточного анализа качественных показателей функционирования РИУС на базе математической модели, представленной в параграфе 2.1.
1. Общая характеристика объектов и задач исследования, включающая в свой состав: перечень выполняемых исследований; содержание исследований, наличие инструкций, указаний по их выполнению; описание и технические характеристики объекта исследования (электрические, конструктивные и т. д.). 2. Необходимые виды, методики проводимых измерений параметров и характеристик объектов исследования, состав средств измерения. 3. Функциональные возможности виртуальных панелей управления объектом исследования и средств отображения результатов измерения. 4. Степень автоматизации процесса исследования и участия в проведении измерении, управлении установкой, измерительными приборами. 5. Качественные показатели РИУС: динамика функционирования и нагрузочная способность.
Программа анализа режимов функционирования многопользовательских РИУС
Результаты диссертационных исследований были внедрены в работу Регионального инновационного центра «Центр технологий National Instruments» [45] при проектировании и создании распределенных измерительно-управляющих систем, используемых в области научных и/или экспериментальных исследований (аппаратно-программные комплексы с удаленным доступом) и функционирующих во многопользовательском режиме: «Электроника», «Схемотехника аналоговых электронных устройств», а также модернизации при ранее созданных: «Тракт усиления звуковой частоты», «Основы теории цепей».
Даная программа используется при проектировании РИУС на этапах предварительных расчетов. Функциональные возможности программы позволяют проводить поэтапное сохранение результатов расчета для проведения последующего сравнительного анализа. Графическое представление распределения t04 предоставляет возможность наиболее полно и качественно оценить динамику функционирования системы.
На основе разработанной в рамках диссертационных исследований методики была спроектирована серия аппаратно-программных комплексов с удаленным доступом, рассмотренные в следующем параграфе.
Аппаратно программные комплексы построены на основе унифицированной схемы построения РИУС, разработанной в рамках диссертационных исследований (рис. З.1.). В качестве объекта исследования выступают лабораторные установки и стенды. Функции метрологического обеспечения выполняют измерительные приборы, разработанные на основе многофункциональных плат сбора данных. Управление объектами исследования осуществляется по сетям Internet/Intranet при помощи виртуальных стендов, представленных на экране удаленного ПЭВМ.
Аппаратно-программный комплекс с удаленным доступом «Электроника» представляет собой совокупность объектных лабораторных модулей (модули исследуемых объектов) и модуля, который обеспечивает его сопряжение с платой сбора данных и управление объектными модулями. На базе АПК УД осуществляется выполнение 12 лабораторных работ в многопользовательском режиме с удаленным доступом для учреждений среднего и высшего профессионального образования по следующим дисциплинам: «Электроника», «Общая электротехника и электроника», «Полупроводниковые приборы», «Схемотехника электронных средств», «Электроника и микроэлектроника». Внешний вид и обобщенная структурная схема АПК представлены на рис. 3.9 [52].
Рис. 3.9. Аппаратно-программный комплекс с удаленным доступом «Электроника»: а - внешний вид; б - обобщенная структурная схема
На этапе проектирования аппаратно-программного комплекса для обеспечения функциональных возможностей, заданных техническим заданием, в состав АПК УД были включены: модуль «Диод» - два комплекта по четыре однотипных кремниевых и германиевых диода; модуль «Стабилитрон» - две группы по четыре однотипных стабилитронов; модуль «Полевой транзистор» - четыре однотипных полевых транзистора с изолированным затвором и каналом и-типа и четыре однотипных транзистора с /?-и-переходом и каналом / -типа; модуль «Биполярный транзистор» - четыре однотипных транзистора п-р-п-типа и четыре однотипных транзистора р-п-р-тииа [90, 92]. Разработанный аппаратно-программный комплекс обладает следующим исследовательскими возможностями.
При исследовании выпрямительных диодов измеряются прямая и обратная ветви ВАХ, статические и дифференциальные сопротивления и их зависимости от тока диода, параметры технологического разброса по току, напряжению и сопротивлению. Исследование работы диода на переменном токе осуществляется в простейшей схеме однополупериодного выпрямителя с изменяемой активной и активно-емкостной нагрузкой при различных значениях частоты сигнала и положения исходной рабочей точки. При этом рабочая точка выставляется пользователем визуально на ВАХ диода, измеряемой с помощью измерителя ВАХ, на которой отображается также и область изменения мгновенных значений тока и напряжения диода в динамическом режиме работы. Изменения токов и напряжений диода и нагрузки во времени индицируются на экране трехканального запоминающего осциллографа.
При исследовании стабилитронов измеряются прямая и обратная ветви ВАХ, нагрузочные характеристики и характеристики стабилизации, статические и дифференциальные сопротивления, параметры технологического разброса по току, напряжению и сопротивлению. Исследование работы стабилитрона на переменном токе осуществляется в схеме параметрического стабилизатора напряжения, на вход которого подаются переменная ЭДС с изменяемой частотой и амплитудой и ЭДС смещения, определяющие совместно со значением сопротивления нагрузки положение исходной рабочей точки на ВАХ стабилитрона. Исходное и мгновенное положения рабочей точки при этом отображаются на измеренной ВАХ стабилитрона. Изменения во времени токов и напряжений в схеме стабилизатора представляются в виде осциллограмм на экране трехканального запоминающего осциллографа.
Исследование полевых транзисторов включает измерение семейства статических передаточных и выходных ВАХ, динамических ВАХ, статических ВАХ группы однотипных полевых транзисторов для оценки их технологического разброса. Работа полевого транзистора на переменном токе исследуется в схеме простейшего усилительного каскада при гармоническом входном воздействии различной частоты и амплитуды и различных положениях исходной рабочей точки, задаваемых пользователем на измеренных динамических ВАХ полевого транзистора. На динамических ВАХ отображаются и мгновенные значения его токов и напряжений, обусловленные сигналом. Их изменения во времени представляются в виде осциллограмм на экране четырехканального запоминающего осциллографа. При исследовании полевого транзистора на переменном токе предусмотрен режим анимации с виртуально изменяемой нагрузкой по постоянному и переменному токам.
При исследовании биполярного транзистора измеряются семейства статических входных и выходных ВАХ и динамические входная и выходная ВАХ в схемах с общим эмиттером и общей базой, статические ВАХ группы однотипных биполярных транзисторов для оценки их технологического разброса. Исследование работы биполярного транзистора осуществляется в схеме усилительного каскада с общим эмиттером при гармоническом входном воздействии различной частоты и амплитуды и различных положениях исходной рабочей точки, задаваемых пользователем на измеренных динамических ВАХ биполярного транзистора. На динамических ВАХ отображаются и мгновенные значения его токов и напряжений, обусловленные входным сигналом. Их зависимости от времени выводятся на экран четырехканального запоминающего осциллографа. При исследовании биполярного транзистора на переменном токе предусмотрен режим анимации с виртуально изменяемой нагрузкой по постоянному и переменному токам.
Экспериментальная проверка разработанной математической модели многопользовательских РИУС
По данной формуле рассчитываются погрешности для каждого выходного параметра, в результате получается вектор погрешностей Е = (Ех,Е2,...,Ет). При превышении величины Е значения Етп= 0,15 [71] необходимо рассмотреть вопросы повышения точности математического описания режимов функционирования многопользовательской РИУС: проведение дополнительных исследований, направленных на анализ учета влияния разброса величины tCB; проведение серии дополнительных экспериментальных исследований поведения многопользовательской РИУС в наиболее вероятных режимах эксплуатации; определение закона распределения времени обслуживания для конкретной РИУС на основе экспериментальных исследований.
В соответствии с приведенной выше методикой были проведены испытания опытного образца АПК УД «Электроника» на базе ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». Был организован и обеспечен доступ к опытному образцу группе из 10 пользователей, одновременно работающих в течение одного академического часа и выполняющих комплекс состоящий из 40 измерений. Наблюдения проводились в течение 10 учебных занятий.
Значения времени ожидания t07KJ3KCTl, определяемые на основе специализированной подсистемы контроля основных этапов проводимого измерения, фиксировались и записывались автоматически (рис. 4.11).
Анализ результатов расчета относительных погрешностей параметров распределения /0ж полученных, на основе математического моделирования, позволяет сделать вывод о соответствии разработанной математической модели описанию режима функционирования рассматриваемой многопользовательской распределенной измерительно-управляющей системы в предположении описания времени обслуживания двухпараметрическим гамма-распределением (а=4 и (3=4). Величина погрешности моделирования Емм (4.2) может быть обусловлена разбросом величины tCB, которая при анализе была принятой равной 0,3 с, так как экспериментальные исследования проводились в локальной сети пропускной способностью 100 Мбит/с [46, 48], и её весомым вкладом в t0-x при данном режиме эксплуатации РИУС. Примененное гамма-распределение, позволяет обобщить некоторые подходы к описанию распределения /0бСЛ ввиду его универсальности (экспоненциальное и нормальное распределение можно рассматривать как частные случаи гамма-распределения) [68-70]. Следует отметить, что для повышения точности проводимого анализа моделируемой РИУС необходимо детальное исследование (возможно эмпирическим путем в процессе опытной эксплуатации) вида распределения времени обслуживания непосредственно для каждой РИУС.
Анализ режимов эксплуатации РИУС на основе математической модели (выражения 2.76-2.79) показывает, что при N— Nms0l вклад составляющей t04 в общее значение величины t0VK возрастает (рис. 2.7). Для оценки достоверности аналитических выражений, описывающих параметры распределения времени пребывания требования в очереди, проведена серия имитационных вычислительных экспериментов в системе GPSS WORLD [56].
1. Определены цели, задачи, объект и условия проведения экспериментальных исследований.
2. Разработана методика экспериментальной проверки разработанной математической модели на основе опытного образца многопользовательской РИУС исследования параметров и характеристик полупроводниковых приборов.
3. Проведена серия экспериментальных исследований динамики функционирования опытного образца многопользовательской РИУС. Определены экспериментальные значения математического ожидания и среднеквадратичного отклонения времени ожидания результатов измерения, которые сопоставлены с результатами математического моделирования. Значение относительной погрешности моделирования Емы составляет 0,12.
4. Проведена серия имитационных вычислительных экспериментов с целью проверки достоверности полученных аналитических выражений, описывающих параметры распределения /оч на примере нескольких режимов эксплуатации. Максимальное значение относительной погрешности расхождения результатов расчета параметров распределения t04 составляет 0,08.
5. С целью повышения точности математического описания режимов функционирования многопользовательских РИУС, в частности уменьшения погрешности расчета СКО, целесообразно проведение исследований, направленных на определение вида распределения to6csi конкретной анализируемой РИУС.
6. В целом результаты проведенных экспериментальных исследований подтверждают достоверность разработанной математической модели многопользовательской РИУС, на основе которой в рамках диссертационных исследований разработаны методы расчета показателей функционирования и проектирования многопользовательских РИУС.
1. Рассмотрены современные тенденции развития измерительно управляющих систем на основе компьютерных измерительных технологий, определяющие их широкое использование в различных областях науки и техники. Рассмотрены вопросы применения ИУС как средств автоматизации экспериментальных исследований в виде многопользовательских распределенных измерительно-управляющих систем с целью обеспечения возможности одновременной работы нескольким пользователям с уникальным оборудованием. Выявлен ряд проблем затрудняющих их внедрение и эксплуатацию.
2. В рамках диссертационных исследований предложено решение обозначенных проблем на основе математической модели многопользовательской РИУС, учитывающей в отличие от ранее известных влияние длительности операций, выполняемых основными функциональными узлами, на качественные показатели ее функционирования: нагрузочную способность (максимально возможное число одновременно работающих пользователей) и динамику функционирования (временная задержка между моментом отправления запроса на измерение и получением ответа).
3. Применение результатов расчета качественных показателей функционирования на основе разработанной математической модели позволяет обоснованно выбрать и обеспечить необходимый режим эксплуатации РИУС, спланировать и организовать научный эксперимент, производственный или учебный процесс.
4. На основе полученных аналитических выражений, описывающих взаимосвязь качественных показателей функционирования системы и ее параметров и режима эксплуатации, разработана методика проектирования многопользовательских РИУС, позволяющая в отличие от ранее известных определить требования к длительности операций, выполняемых основными функциональными узлами проектируемой многопользовательской РИУС, с целью обеспечения заданных качественных показателей функционирования, а также оценить на этапе проектирования целесообразность ее разработки с точки зрения материальных и трудовых затрат. 5. С целью унификации подходов к разработке систем в рамках диссертационных исследований были разработаны: унифицированная схема построения РИУС на основе технологий National Instruments, реализующая возможность выполнения лабораторных экспериментальных исследований в режиме многопользовательского удаленного доступа и систематизирующая основные подходы к выбору аппаратного обеспечения, разработке измерительного и сетевого программного обеспечения; программа анализа, визуализирующая математическое описание режимов функционирования многопользовательских РИУС, позволяющая в режиме реального времени отслеживать влияние параметров системы и режима эксплуатации на ее качественные показатели функционирования; а также программное обеспечение, реализующее базовые метрологические функции РИУС. На ряд разработанных программных продуктов получены свидетельства о регистрации в «РОСПАТЕНТе».
6. На основе результатов диссертационных исследований разработана и создана серия промышленных образцов измерительно-управляющих систем автоматизации научного и учебного эксперимента — аппаратно-программные комплексы с удаленным доступом: «Тракт усиления звуковой частоты», «Электроника», «Схемотехника аналоговых электронных устройств», успешно внедренные в учебный процесс Сибирского федерального университета и десяти учреждений НПО И СПО, расположенных в 3-х субъектах Сибирского федерального округа (Томская область, Новосибирская область, Красноярский край).
7. Экспериментальные исследования опытного образца многопользовательской распределенной измерительно-управляющей системы подтвердили правильность ее математического описания. Относительные погрешности расчета математического ожидания Емо и среднеквадратичного отклонения Еск0, составили: 0,1 и 0,12 соответственно.
8. Результаты диссертационных исследований внедрены в практику промышленного проектирования многопользовательских РИУС, реализующих возможность выполнения научных и/или экспериментальных исследований в режиме многопользовательского удаленного доступа по сетям Internet/Intranet Регионального инновационного центра «Центр технологий National Instruments» при ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».
