АСУ

Преобразование технологической информации (Лекция)

 

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Управляемость технологического процесса

2. Преобразование технологической информации

 

1. Управляемость технологического процесса

Функционирование АСУТП неразрывно связано с переработкой потока технологической информации. Поэтому специалист по автоматизации должен знать общие положения по информационному обеспечению процесса управления, общие принципы получения и преобразования технологической информации, включая переход от аналоговой к цифровой форме представления информации, способы кодирования сигналов, передачи информации и защиты ее от помех. Специалист должен уметь на основе известной структуры АСУТП, требований по точности измерения и поддержания выходных параметров системы определять объем каждой из типов информации (априорная, технологическая), рассчитывать разрядность устройств измерения, преобразования и передачи информации, выбирать наиболее целесообразный код по условиям точности, оценивать пропускную способность каналов связи.

Для реализации целенаправленного и результативно протекающего технологического процесса он должен быть управляемым. Это означает, что в процессе функционирования технологического объекта необходимо осуществлять непрерывные воздействия на исполнительные органы, чтобы при внешних возмущениях обеспечить получение необходимого единственного результата.

Другими словами, под управляемостью системы понимаем свойство системы иметь управляющие воздействия, которые позволяют перевести систему из заданного начального состояния в требуемое состояние за конечной отрезок времени.

 Дадим математическую интерпретацию и поясним понятие управляемости.

 Рассмотрим динамическую систему, для характеристики который используется вектор состояния Х, координатами которого является совокупность переменных состояния:

 т.е. - вектор состояния.

 

Аналогично - вектор управления.

В этом случае динамическая система описывается управлением состояния вида:

, где =1,2,… (1.1)

 

 Воспользуемся понятием фазового пространства, в котором состояние объекта управления изображается точками. Для случая, когда фазовое пространство не имеет наглядной графической интерпретации. Когда  фазовое пространство переходит в фазовую плоскость

 

Рис. 1 Фазовая плоскость

Рис.2 Фазовая траектория движения динамической системы из точки в точку  

 

Любое изменение вектора n переводит объект управления в некоторое новое состояние.

            Если в фазовом пространстве  задано два множества Г₁ и Г₂, то система (1) называется управляемой относительно Г₁ и Г₂, если существует такое допустимое управление, которое конечный отрезок времени переводит изображающую точку Х системы (1) из множества Г₁ в множество Г₂.

Если объект, управляемый, то следующим этапом изучения объекта является определения допустимого уровня качества управления технологическим процессом. Во многих случаях качество управления оценивается на вероятных свойствах самого объекта путем вычисления энтропии Н (степень неупорядочности объекта) или подсчета энтропии объекта (при неравновероятных исходах) по выбранным признакам усредненных значений энтропии – иначе расчета математического ожидания. Чем меньше энтропия, тем выше качество управления. Обычно энтропия Н изменяется от 0 до 1.

Отсюда следует, что управление объектом должно быть тем более совершенным (качественным), чем больше мы хотим снизить начальную неупорядочность его функционирования по выбранным признакам. Таким образом, количественной характеристике степени снижения неупорядочности объекта (уменьшению энтропии) можно поставить в соответствие величину, характеризирующую необходимый для этого объема управления.

Для количественной оценки необходимого объема управления введена величина, численно равная изменению энтропии и называется информацией:

 

 (2)

 

Наиболее часто употребляемой единицей информации является двоичная единица (дв. ед), которая называется бит. Она (бит) определяет объем информации , необходимый для исключения одного из двух равновероятных исходов.

Получение информации о технологическом объекте управления осуществляется по различным каналам связей. Связь управляемого устройства (УУ) с оператором может быть прямая (оператор - УУ) и обратная (УУ - оператор). Любая информация может быть представлена только на каком-либо материальном носителе (магнитные ленты, диски, графические изображения на чертежах т.д.) обычно в АСУТП это сигнал в виде импульса тока или напряжения, передаваемые по проводам. Информация с одного носителя на другой переносится с помощью считывания и записи. Комплекс вопросов, связанных с приемом информации оператором от УУ (обратная связь) изучается специальной наукой – инженерной психологией, которая рассматривает, оператора как звено в замкнутой системе управления. Связь УУ с технологическим объектом управления также может быть прямая (УУ – ТОУ) и обратная (ТОУ – УУ).

 Прямая связь. По этому каналу исполнительным элементом технологического объекта передаются воздействия от управляемого устройства. Основные задачи этого канала – преобразование управляемого сигнала в управляющее воздействие, пригодное по своей природе и виду для подачи его на управляющий вход исполнительного органа технологического объекта управления.

Обратная связь. Эта связь предназначена для получения информации о текущем состоянии технологического объекта, которая необходима для выработки управляющей информации. Канал обратной связи включает в себя первичные преобразователи контролируемого параметра в сигнал (датчики) и вторичные преобразователи сигнала датчика в сигнал, форма которого позволяет ввести его в управляющее устройство. При этом используются преобразования непрерывных (аналоговых) сигналов в цифровые, когда непрерывно изменяющийся технологический параметр преобразуется в дискретную комбинацию выходных сигналов, представляющую собой цифровой код. Такое аналого-цифровое преобразование выполняется первичным импульсным или кодовым датчиком, либо первичный датчик дает на выходе разность потенциалов, которая вторичным преобразователем преобразуется в код.

 

2. Преобразование технологической информации

Материальным носителем информации является сигнал, который помимо информации несет также некоторою энергию, полученную от источника информации. Эта энергия воздействует на приемник. Сигнал носителей внешней (априорной и исходной) информации должен передавать сведения о задачах и целях управления. Сигналы текущей информации, вырабатываемые датчиками должны обеспечивать необходимую простоту и высокую достоверность преобразования технологического параметра в сигнал. В преобразовании сигналов можно выделить два аспекта: преобразование природы, формы и параметров сигнала (модуляция, квантование и др.); установление однозначного соответствия между отдельными видами сигналов и состояниями управляемости контролируемого параметров (кодирование: состояние-сигнал; перекодирование: сигнал-сигнал; диодирование: сигнал-состояние).

 

Виды и форма сигналов

Для управления АСУТП наиболее часто используются электрические сигналы, реже – механические, гидравлические, пневматические. Классификация представления сигналов в АСУТП приведена на рис.3

В соответствие с классификацией сигналы делятся на две группы:

аналоговые или непрерывные, способные в определенном диапазоне находиться в бесконечно большом количестве состояний;

дискретные, способные в определенном интервале находиться в конечном числе состояний (ток в цепи, коммутируемой реле; выходной сигнал логического элемента и т.д.) Аналоговые сигналы могут быть потенциальными с линейным и нелинейным преобразованием первичного состояния и частотным (гармоническим), отрабатывающим изменение первичного состояния соответствующим изменением амплитуды, частоты или фазы сигнала. Дискретные сигналы бывают квантовыми по уровню времени. Квантование сигналов по уровню сводится к замене текущих значений непрерывного сигнала конечным числом его уровней.

Рис.3. Классификация представления сигналов

 

                                   а)                                                                                   б)

Рис. 4 Квантование сигналов по уровню (а) и времени (б)

 

На рис 4а показан непрерывный сигнал у(t), который в результате квантования заменяется ступенчатой функцией _. Разность уровней Δy(t) называется разрешающей способностью сигнала или шагом квантования по уровню.

Пока сигнал не изменится на Δy(t), преобразователь фиксирует предыдущее значение его уровня. Если в интервале времени t_i до t_i+1 приращение сигнала не выходит за пределы шага квантования в одну или другую сторону, то прибор фиксирует постоянное значение у_{i .}

Шаг квантования определяется требуемой точностью измерения и обеспечивается разрешающей способностью квантуемого преобразователя. Чем выше разрешающая способность преобразователя, тем меньше шаг квантования. Он зависит от допустимой относительной погрешности измерения δ:

 

 

Число уровней квантованного сигнала с учетом нулевого вычисляется по формуле

 (4)

Количество информации (в битах), содержащееся в таком сигнале составит

С учетом (1.3) и (1.4) получим объем информации в зависимости от допустимой погрешности:

 (5)

 

Квантование непрерывного сигнала по уровню позволяет ограничить конечным числом бесконечное множество измерений. В этом случае система в большей степени защищена от помех.

Квантование непрерывного сигнала у(t) во времени сводится к замене большого числа значений непрерывного сигнала конечным числом мгновенных значений, фиксируемых через определенный промежуток времени . Последний называется шагом или периодом квантования по времени и может быть постоянным или переменным.

 

Кодирование сигналов

Кодирование сигналов служит для обмена информацией между отдельными составляющими АСУТП, ее обработки и хранения с требуемой точностью и надежностью.

Кодирование состоит в использовании кода – универсального способа отображения информации при ее передаче, обработка и хранении. Код представляет собой систему соответствий между элементами сообщений и сигналами, при помехе которых эти элементы можно зафиксировать.

 По соображениям простоты технической реализации явное преимущество на стороне когда с n=2 (n – число символов в разделе или основание кода), при котором для хранения, передачи и обработки информации необходимы дискретные элементы с двумя устойчивыми состояниями («да» - «нет», «включено» - «отключено»). Поэтому двоичный код получил широкое распространение в цифровых устройствах контроля и управления.

Переход от десятичной к другим системам (10→2, 10→8, 10→16) удобнее всего производить по методу деления. По этому методу исходное число в десятичной системе последовательно делится на основание числа искомой системы. Остатки от деления образуют результат перевода, причем старший разряд соответствует последнему остатку, а младший – первому остатку.