Лекция 4. Структурная схема информационно-измерительной и управляющей системы

Структурная схема информационно-измерительной и управляющей системы

Лекция 3.

На основании вышеизложенного и основываясь на иерархическом подходе можно представить обобщенную структуру ИУС, как техническая система как систему, в виде множеств двух видов - М_i – множество субъектов системы; S_ij – множество связей между субъектами системы, характеризующие отношение между ними и прохождение информации (описание типа и протокола передачи информации). Подобный подход справедлив для любой технической системы, к которым относится и ИУС, и возможен для других систем. На рис.1.2.1 представлена структура ТС как система множеств, где приняты следующие обозначения: М ₁- множество исследуемых объектов;

М ₂ - множество субъектов воздействия на М ₁ М ₃, и М ₄; М ₃

– множество преобразователей, обрабатывающих входную информацию; М ₄ – множество результатов преобразований информации (математический вид, электрический сигнал, оптический сигнал, видеоизображение, фото, и т.д. и т.п.); М ₅ - множество получателей информации из ТС и принятия решения (визуальное восприятие человеком, электрический датчик, какая-либо оптическая система управления, архив данных, и т.д. и т.п.); S ₁₂ - определяет характер взаимодействия между М ₁ и М ₂; S ₂₃ - определяет характер взаимодействия между М ₁È М ₂ и М ₃È М ₄, т.е. описывает передачу информации от объектов исследования на вход системы; S₃₄ - описывает характер передачи данных с выхода М ₃ на вход М ₄; S₄₅ – предполагает протокол обмена информации - интерфейс. Двусторонняя стрелка S ₁₂ и S ₂₃ справедлива для активных ТС (например, система активной локации объектов). Понятно, что ТС можно рассматривать как совокупность всех множеств и связей, представленных на рис.1.2.1, но не умаляя общности рассуждений и выводов в дальнейшем мы ограничимся определением ТС как совокупность множеств М ₃, и М ₄ со связями S ₂₃, S₃₄ и S₄₅, и по мере необходимости будем расширять.

В силу того, что элементы множеств М_i описывают непосредственно характеристики этих сред, то будем называть их абсолютными характеристиками, а элементы вида S_ij, описывающие характер отношений между вышеозначенными множествами, определим как относительные характеристики. В силу выбранного временного графика прохождения сигнала по элементам технической системы (последовательное, параллельное, параллельно-последовательное) общая погрешность преобразования является аддитивной величиной для одних параметров (), мультипликативной для других () и их сочетанием для третьих (), что и отражено соотношениями 1.2.1.

(1.2.1)

В структуре ТС можно выделить 3 вертикальных уровня рассмотрения, к каждому из которых могут, применимы соответствующие ему операции.

Уровень 1. Высший уровень описания ТС представлен множеством предметных сред М_i, описываемых абсолютными параметрами и совокупностью связей S_ij между множествами, характеризуемыми относительными параметрами.

Уровень 2. Средний, описательный, предметно-указательный, с определением конкретных составных частей множеств М_i.

Уровень 3. Низший, конкретно-технический - указываются реальные физико-технические параметры всех составных частей ТС.

В результате системного анализа ТС должны будут определены следующие её характеристики:

1. Целостность системы - это когда свойства ТС не могут быть приняты без учета, хотя бы некоторых свойств подсистем и наоборот. Представление о целостности ТС проявляются как через внутренние, так и внешние связи.

2. Структура ТС как совокупность внутренних и внешних связей системы.

3. Иерархичность ТС как соподчиненность функциональных свойств.

4. Границы ТС.

Структура ТС, представ-ленная на рис.1.2.1, может быть положена в основу представления информационно-измери-тельных и управляющих систем как систему, в виде множеств 2-го уровня описания, что и представлено на рис.1.2.2 для ИУС, у которой входная информация в виде оптического излучения (подобные системы в дальнейшем будем обозначать - ИУС_О). Подобные технические системы, как правило, могут быть отнесены к сложным системам с подсистемами разной физической природы [58,59,69]. На рис.1.2.3 представлены возможные по реализации структурные схемы ИУС, где приняты следующие обозначения: НО – наблюдаемый (исследуемый) объект; ПС – приёмная система: УПИ – устройство преобразования и представления информации; УУ – управляющее устройство; ВВ – внешние возмущения (пассивные или активируемые УУ). При этом: на рис. 1.2.3а представлена ИУС_О с учетом внешних возмущений; на рис. 1.2.3б представлена ИУС_О с учетом реакции объекта на внешние возмущения; на рис.1.2.3в представлена ИУС_О без учёта внешних возмущений.

В общем случае схема функциони-рования и взаимодействия ИУС_О с внешней средой может быть представлена как замкнутая динамическая система, к особенностям функционирования которой следует отнести:

· нестационарность внешних возмущений и, как следствие этого, нестационарность процессов измерения и управления;

· наличие в системе разнородных по физической природе связей;

· необходимость работы в реальном масштабе времени с необходимым быстродействием.

Все информационно-измерительные и управляющие системы:

1) по принципам формирования информационного сигнала и по результатам измерения ИУС разделяют: позиционные и программные.

2) по принципам управления объектом ИУС_О разделяют: по положению, скорости и ускорению, и комбинированные.

Для ИУС_О характерно выполнение следующих задач [2,3,5,63,70]:

1. Поиск и обнаружение информационного сигнала на фоне помех в заданной информационной области поиска.

2. Сбор и анализ информации.

3. Преобразование (адаптация) информации к виду для последующих действий.

4. Принятие решения об управлении.

5. Выработка управляющего сигнала.

6. Контроль и коррекция качества функционирования системы.

Обобщённая структурная схема ИУС_О представлена на рис. 1.2.4, где приняты следующие обозначения: НО – наблюдаемый подвижный объект; Иизл – искусственный или естественный источник облучения НО; П_ОС – приемная оптическая система; ПУ - пульт управления; Экст – экстраполятор; КСУ - контур стабилизированного управления; ОУ – объект управления; СОС – система обратной связи с ПС; ЦВМ – цифровая вычислительная машина (выполняет целевую функцию); _Т - вектор текущего положения объекта наблюдения; - оценка вектора текущего положения НО.

«Оператор» в данной системе выполняет функцию решающего правила и преобра-зующего звена, т.е. звена, которое прини-мает решение о последующем управлении на основании принятой информации и выпол-няет соответствующее преобразование.

Системотехнический уровень проектирования информационно-измерительных и управляющих систем.

Наиболее часто встречающиеся задачи при проектировании ИУС это:

1. Прямая задача Известно - внутренние свойства и связи системы, а также активные силы, действующие на неё. Определить поведение системы относительно окружающей среды (для механической системы - даны активные силы, действующие на систему, и связи, наложенные на частицы системы и на систему в целом; определить закон движения системы).

2. Обратная задача. Известно - элементы поведения или некоторые свойства поведения системы в окружающей среде. Определить причины такого поведения (для механической системы - даны кинематические элементы движения системы или некоторые свойства движения; определить силы, действующие на систему).

Одной из главных проблем проектирования, исследования и эксплуатации ИУС является перевод, предъявляемых к конкретной системе тактико-технических требований, на язык ее проектируемых, исследуемых и реализованных параметров. Для решения этой проблемы необходимо выполнить синтез, анализ и исследование как подсистем ИУС, так и системы в целом.

Основные этапы проектирования ИУС могут быть сформулированы следующим образом:

1. Постановка задачи на проектирование ИУС.

2. Обоснование технических требований ИУС.

3. Разработка технического задания на проектирование ИУС.

4. Технические предложения на ИУС (документированное обоснование физико-математической, схемотехнической, технической и экономической реализуемости изделия).

5. Выработка частных технических заданий на подсистемы ИУС.

По результатам пп.4 и 5 принимается решение либо на последующем этапе выполняется исследовательская работа, либо непосредственное проектирование ИУС, которое начинается с системотехнического уровня проектирования. При этом необходимо учитывать, что системотехнический уровень проектирования ИУС с единой исследовательской позиции базируется на следующих положениях:

1. Описание подсистем и элементов системы осуществляется с учетом их функционального назначения и роли в системе.

2. Специфика системы определяется внутренними взаимосвязями между подсистемами и элементами.

3. Неотделимость как внутренней, так и внешней среды от системы.

4. Функциональная целесообразность системы («полезность») по отношению к внешней среде.

Системотехнический уровень проектирования обеспечивается на основании известного технического задания на всю систему с последующей выработкой частных технических заданий на подсистемы. Для выполнения этого необходимо выполнить самый важный этап - прогнозирование результатов проектирования (как мера вероятности полноты и достоверности модельного аналога проектируемой ИУС) включающего в себя поиск ответов на следующие вопросы:

1. Составление структуры ИУС, которая базируется:

· на основе классификации ИУС;

· на выявленных физических законов и математических соотношений, на основании которых должна функционировать ИУС.

2. Иерархичность структуры исследуемой системы.

3. Прогнозирование результатов и определение возможных функциональных и параметрических ограничений на подсистемы и систему в целом, выполняя теоретические и экспериментальные исследования и моделирование.

4. Техническая реализуемость подсистем ИУС и системы в целом, предусматривая возможность заимствования частных схемотехнических решений из известных ИУС этого класса.

5. Разработка технических предложений на ИУС (обоснование физико-математической, схемотехнической, технической и экономической реализуемости ИУС) и частных технических заданий на проектирование отдельных подсистем.

В процессе проектирования ИУС используются методы натурного, полунатурного и математического моделирования.

В основе моделирования положены принципы:

1. Соответствие структуры системы моделей ИУС структуре направлений и задач исследований, проводящихся в интересах обоснования необходимости создания ИУС.

2. Структурно-функциональное подобие, т.е. ориентации математических моделей на подсистемы и ИУС в целом.

Подсистемы:

1. Оценка и прогнозирование характеристик подсистем ИУС.

2. Моделирование возможных вариаций подсистем ИУС.

На рис.1.3.1 представлена структура системы моделирования для анализа и синтеза ИУС. Из этой структуры видно, что от того, на каком уровне будут подготовлено методологическое и программное обеспечение, то такова и эффективность проведенного моделирования, а соответственно и «будущность» ИУС.

При этом надо учитывать, что существует три «направления» прогнозирования поведения системы - это ближнее, среднесрочное и дальнее, которые могут быть реализованы следующим образом:

· методом экстраполяции;

· методом экспертных оценок;

· математическим, физическим или имитационным методами моделирования

При этом необходимо учитывать, что детерминированная операция выполняется по определенным алгоритмам и результат не зависит от исполнителя, а результат при выполнении эвристической операции во многом определяется опытом и квалификацией исполнителя.

На рис.1.3.2 представлена возможная схема поэтапного моделирования при проектировании ИУС. Эффективность моделирования определяется теоретической, программной и технической базами, а отличительной чертой:

• наличие общей системы математических моделей проектируемой ТС;
• наличие системы автоматизации обмена информацией между отдельными программами;
• наличие личного архива и базы данных;
• возможность применения универсального языка общения;
• наглядное отображение результатов моделирования.

В целях недопущения перегрузки и снижение потерь информации в процессе моделирования необходимо обеспечивать согласование количества информации, циркулирующей в системе с возможностями её элементов, при удовлетворении её качества. Одним из эффективных способов борьбы с информационными перегрузками является агрегирование информации, которое состоит:

· в формировании нечеткого отношения сходства на множестве отметок трасс воздушных объектов;

· в определении множеств нечетко определенной цели при нечетких множествах ограничений нечетких подмножеств групп;

· в преобразовании матрицы нечеткого отношения сходства, с выделенными на нем подмножествами групп, в нечеткое отношение строгого предпочтения и выделении на нем четко не деноминируемых альтернатив;

· в уточнении сформированных групп с учетом нечеткого ограничения по скорости.

При этом необходимо учитывать, что алгоритм группирования, агрегирования информации требует введения признаков, а его эффективность целесообразно проверять на основе численного моделирования (в дальнейшем мы вернемся к этой проблеме).

На основе анализа научно-технической информации и опыта создания ИУС можно выделить два этапа, на которых возможно применение методов имитационного моделирования можно выделить следующие основные этапы:

1. Этап проектирования ИУС, включая теоретические и экспериментальные исследования.

2. Этап приемо-сдаточных испытаний ИУС.

В этой связи можно предложить иерархическую схему последовательности операций при создании ИУС методами имитационного моделирования (см. рис. 1.3.3). Из этой схемы видно, что при проведении приёмо-сдаточ-ных испытаниях (ПСИ) ИУС методами имита-ционного моделирования (ИМ) необходимо учитывать содержательную сторону при выполнении этапа проектирования системы, включая теоретические и экспериментальные исследования (на схеме это обозначено пунктирными стрелками). Необходимо заметить, что каждая операция при проведении имитационного моделирования ИУС должна быть однозначно определена. Следует также отметить, что приведённая на рис.1.3.3 последовательность справедлива, по нашему мнению, и для любой технической системы.