Введение
Одной из наиболее важных проблем, возникающих при создании и эксплуатации судовых технических систем, является обеспечение требуемого качества и надежности управления в условиях возмущающих факторов, к которым относятся изменения параметров регулируемого процесса и среды функционирования системы.
Для управления сложными динамическими объектами используются методы и технологии искусственного интеллекта как средства борьбы с неопределенностью внешней среды.
Бурное развитие интегральной схемотехники привело к созданию принципиально новых измерительных преобразователей-интеллектуальных датчиков, содержащих в одном корпусе преобразователь и микропроцессор, что позволяет выполнять основные операции по преобразованию и повышению достоверности измерительной информации в месте ее возникновения.
Использование интеллектуальных датчиков (ИД) дает возможность по-новому подойти к распределению функций между основными элементами систем контроля и управления, в частности освободить центральный процессор от необходимости обработки больших объемов первичной информации.
ИД позволяет обеспечить выполнение соответствующих функций, повышающих информативность выходного сигнала, формирование потока данных с необходимой достоверностью на основе анализа достаточно большого числа результатов отдельных, относительно недостоверных измерителей.
ИД представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих отображение свойств объекта контроля или управления в виде некоторой структуры данных, формируемых в результате обработки выходного сигнала измерительного преобразователя по определенному алгоритму.
Можно дать следующее определение интеллектуального датчика: это датчик, обладающий способностью автоматической адаптации к источнику сигнала и окружающей среды, а также способностью контролировать свои функции, корректировать ошибки измерений.
Интеллектуальный датчик представляет собой электронное устройство, основанное на объединении чувствительных элементов, схем преобразования сигналов и средств микропроцессорной техники.
Использование микропроцессоров и однокристальных микро-ЭВМ непосредственно в составе датчиков обеспечивает возможность улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик.
Одним из основных принципов интеллектуального подхода к созданию исполнительных механизмов нового поколения заключается в переносе функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуальным (электронным, компьютерным и информационным) компонентам, которые легко перепрограммируются под новые задачи.
Для реализации интеллектуальных ИМ используются четыре основных функциональных блока:
• информационно-электрический функциональный преобразователь (ФП), включающий в себя контроллер управления движением и силовой электрический преобразователь;
• электромеханический ФП, включающий в себя электродвигатель и механическое передаточное устройство;
• электро-информационный ФП, стоящий в линии обратной связи ИМ и включающий в себя датчики напряжения и тока силового преобразователя;
• механико-информационный ФП, стоящий в линии обратной связи ИМ и включающий в себя датчики перемещения, частоты вращения, момента, силы.
Из выше сказанного следует, что при использовании новых технологий и методов обработки сигналов на хорошо известных принципах измерения создаются датчики со значительно лучшими свойствами.
Раздел 1. Понятие интеллектуального датчика. Принцип работы. Требования PC к интеллектуальным датчикам
1.1 Понятие об интеллектуальных датчиках
Новейшие средства микроэлектроники позволили помимо измерительных и подстроечных элементов интегрировать в датчики аналого-цифровые преобразователи и микропроцессоры, по-новому подойдя к проблеме распределения функций между элементами систем контроля и управления.
Объединение цифровых схем и микропроцессоров в одном устройстве позволяет производить не только усиление и коррекцию, но и часть обработки информации в самом датчике.
Такие интегральные датчики могут не только контролировать измеряемые величины, но и осуществлять их оценку, коррекцию по определенным критериям, контролировать свои собственные характеристики, работать в режиме диалога с центральной системой управления, принимать команды, передавать измеренные значения в цифровой форме, а также аварийные сообщения.
В отличие от интегральных датчиков, в которых на базе новых технологий осуществляется объединение чувствительных элементов со схемами их включения, а также линеаризация характеристик и термокомпенсация, датчики с встроенными вычислительными средствами принято называть интеллектуальными, учитывая многообразие их функций, возможности самоконтроля и двустороннего обмена информацией с системой управления.
Интеллектуальный датчик в силу особенностей своей структуры и расширенных функциональных возможностей позволяет обеспечить либо выполнение соответствующих функций, повышающих информативность выходного сигнала до необходимого уровня, либо формирование потока данных с необходимой достоверностью на основе анализа достаточно большого количества результатов отдельных, относительно недостоверных измерений. В результате реальные метрологические характеристики интеллектуальных ИП оказываются существенно выше характеристик датчиков в традиционном исполнении. Это связано с тем, что интеллектуальный датчик (ИД) является не просто датчиком, а представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих отображение свойств объекта в виде некоторой структуры данных, формируемых в результате обработки выходного сигнала первичного чувствительного элемента по определенному алгоритму.
Помещение технических средств обработки информации непосредственно к датчику логически оправдано тем, что каждый шаг обработки измерительного сигнала вдали от объекта измерения связан с увеличением погрешности измерения. В данном случае уместно заметить, что, интеллектуальный датчик имеет возможность согласования измерительного тракта с источником сигнала по чувствительности, динамическому диапазону, избирательности и подавлению помех различного вида. Он адаптирует свои параметры к внешним факторам и условиям, обеспечивает автоматический самоконтроль функционирования, осуществляет операции юстировки и тарировки, производит коррекцию погрешностей.
В автоматических системах управления и контроля интеллектуальные датчики выполняют следующие основные функциональные задачи:
-преобразование входного сигнала в сигнал требуемого вида с воспроизводимой функциональной связью между ними;
-преобразование полученного сигнала в форму, обеспечивающую помехозащищенную передачу к устройству обработки данных по каналу связи;
-избирательную регистрацию и предварительную обработку выходного сигнала;
-подавление существенных для решения данной задачи помех (возмущающих воздействий);
-реагирование на изменяющиеся условия в точках контроля;
-обеспечение и контроль собственного функционирования.
Эти задачи предопределяют те интеллектуальные свойства, которыми должен обладать датчик, а именно: -способность к самонастройке , т.е. изменению чувствительности и динамических характеристик в соответствии с диапазоном и скоростью изменения выходной величины, а также подавлению помех; -адаптивность к условиям окружающей среды;
Способность датчика или системы датчиков к самодиагностике, включая коррекцию ошибок. Исходя из этого можно дать следующее определение интеллектуального датчика- это датчик, обладающий способностью автоматической адаптации к источнику сигнала и окружающей среде, а также способностью контролировать свои функции, корректировать ошибки измерений, и представляющий собой электронное устройство, основанное на объединении чувствительных элементов, схем преобразования сигналов и средств микропроцессорной техники».
Интеллектуальный датчик представляет конструктивно объединенную совокупность ИП и электронного компьютера, размещенную в зоне действия измеряемых величин, воспринимающую заключенную в объекте информацию о размере этих величин, обеспечивающую автоматическое согласование собственных параметров с параметрами измеряемых величин и внешними условиями, а также автоматический контроль собственного функционирования и компенсацию отдельных составляющий погрешностей.
Структурные схемы интеллектуальных датчиков.
Структурная схема ИД зависит от структурных схем измерительных преобразователей, входящих в сосшв .датчика,
Ни рисЛ .iaпредставлено функциональная схема ИД, соотие-иггвующая структурной схеме датчика прямого преобразования. На рис. 1-1 а введенм следующие обозначения:
· первичный измерительный преобразователь с неэлектрическим входным сигналом
· промежуточный измерительный преобразователь.;
· электронный блок подготовки и первичной обработки измерительного преобразователя;
· аналого-цифровой преобразователь;
· источник питания;
· микро-ЭВМ:
· интерфейс.
Выходной сигнал первичного МП может непосрсдствено преобразоваться в цифровую форму. Перличиый ИП может быть объединен с аналого-цифровым преобразователем.
Соответствующая структура ИД представлена на рис. 1.1б, где 1 - первичный ИП; 2 -аналого-цифровой преобразователь; 3 - устройство выборки и храпения; 4 - кодирующее устройство; 5-источник питания; 6- микро-ЭВМ; 7 - интерфейс.
Для дискретных измерительных сигналов обычно применяетется более простая структура ИД, которая отличается несколько меньшими аппаратными затратами (см. Рис. 1.1 в, где 1 – чувствительный элемент; 2 - преобразователь и формировитнль счетного сигнала; 3 - блок формировании нормированных электрических импульсов; 4 -счетчик; 5 - микро-ЭВМ;