Основные исходные сведения
Характерным признаком развития технических и многих других искусственных систем является их постоянное усложнение. Сложность и усложнение являются следствиями объективного закона эволюции практически любых систем. Сложность системы прежде всего характеризуется числом ее элементов и числом связей между ними.
В частности, радиоэлектронные устройства и системы также развиваются в направлении непрерывного усложнения выполняемых ими функций, которые, в свою очередь, достигаются повышением сложности аппаратуры. При этом неизбежно возникают проблемы измерения, контроля и диагностики параметров, характеристик, а также технического состояния сложных радиоэлектронных систем и устройств как в процессе их эксплуатации, так и в процессе производства.
Повышение требований к точности измерений и их быстродействию привели к необходимости измерять и контролировать одновременно от сотен до нескольких тысяч различных физических величин и ограниченность возможностей человека в восприятии и обработке таких больших объемов измерительной информации стала основной причиной появления автоматизированных средств измерений и контроля.
В широком смысле, автоматизация - это комплекс технических, организационных и экономических мероприятий, дающий возможность вести процессы (производственные, технологические, информационные и т.д.) без непосредственного участия в них человека. В узком понимании, автоматизация - это применение технических средств автоматики для измерения, контроля и управления.
В зависимости от степени автоматизации различают системы автоматизированные и автоматические. В автоматизированных системах часть функций выполняется человеком-оператором, тогда как автоматические системы функционируют без участия человека.
Основная цель автоматизации - улучшение технических и экономических показателей процессов управления, измерения и контроля. Иногда осуществление некоторых процессов вовсе невозможно без автоматизации. Например, измерение быстропротекающих процессов, получение измерительной информации и управление в реальном масштабе времени, распознавание образов в диагностике.
Напомним, что измерение - это процесс нахождения значения физической величины опытным путем. В процессе измерения определяется численное отношение между измеряемой величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения.
Процесс установления соответствия между состоянием объекта и заданными нормами есть контроль. В результате контроля вырабатываются суждения типа «в норме» или «не в норме». Контроль возможен там, где состояние объекта можно описать в рамках заданных норм. Описание норм задается количественно в виде аналоговых и цифровых установок.
Управление - это процесс изменения состояния объекта, системы или некоторого процесса, ведущий к достижению поставленной цели. Цели или задачи управления могут быть различными, например, поддержание некоторого желаемого состояния системы при воздействии возмущающих факторов (изменения температуры, нестабильности источника питания и параметров радиоэлементов, помех и т.п.).
Процесс определения технического состояния объекта называют техническим диагностированием. Техническое диагностирование реализуется путем измерения количественных значений параметров, анализа и обработки результатов измерения и управления радиоэлектронных систем (РЭС) в соответствии с алгоритмами диагностики.
Системы диагностики предназначены для решения следующих задач: проверки исправности, проверки работоспособности, проверки функционирования и поиска дефектов. Например, тестовая диагностика микропроцессорных устройств, теплофизические методы диагностики интегральных микросхем, диагностика полупроводниковых приборов по избыточным электрическим шумам.
Системы для реализации рассмотренных выше процессов получили соответственно названия: системы измерения (ИС), системы контроля (СК), системы технической диагностики (СТД), системы распознавания (РС) и системы управления (СУ). Системы, в которых эти процессы автоматизированы, называются АИС, АСК, АСТД, АСУ.
Во многих случаях указанные системы являются составными частями или подсистемами более сложных информационных и управляющих систем. Так, если процессы управления основываются на измерительной информации о состоянии объекта управления, получаемой с помощью датчиков, то система управления включает в себя и систему измерения.
Более широкий класс информационных систем, объединяющих в себе функции систем измерения, контроля, распознавания и диагностики, получил общее название информационно-измерительных систем (ИИС). Информационно-измерительная система - это совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представления потребителю в требуемом виде либо автоматического осуществления функции контроля, диагностики, распознавания, идентификации. В рамках данного определения отдельно взятые системы АИС, АСК и АСТД можно считать специализированными ИИС.
К новым и важным разновидностям ИИС следует отнести также информационно-измерительные роботы. Они предназначены для получения и сбора информации в изменяющейся и неопределенной обстановке с возможностями автономного передвижения (исследование поверхности Луны и планет, поиск ископаемых на дне океана ; контроль, диагностика и сортировка радиоэлементов при их производстве.
В настоящее время сформировалось новое направление в метрологии и радиоизмерительной технике - компьютерно-измерительная система (КИС), а их разновидность – виртуальные измерительные приборы (виртуальные приборы).
Технология виртуальных приборов, позволяет создавать системы измерения, управления и диагностики различного назначения практический любой произвольной сложности, включая математическое моделирование и тестирование этих систем. Суть этой технологии состоит в компьютерной имитации с помощью программы реальных физических приборов, измерительных и управляющих систем.
Слово “виртуальный” не должно вводить в заблуждение читателя, поскольку приборы, реализованные по этой технологии, на самом деле являются реальными, работающими с реальными физическими входными сигналами. Виртуальность здесь понимается в смысле виртуальной имитации функций прибора математическими и программными методами. Например, виртуальный осциллограф по функциям эквивалентен реальному осциллографу, поскольку имеет физический вход для электрического сигнала. Преобразование сигнала в цифровой сигнал осуществляется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Дальнейшая обработка и управление сигналом, его отображение для наблюдения осуществляется программным способом. Такой осциллограф имеет виртуальный экран, виртуальные ручки управления (усиление, синхронизация, развертка и др.), графически отображаемые на экране монитора компьютера. Ручки, переключатели, кнопки виртуального прибора управляются с клавиатуры или посредством мыши.
Другим простым пояснительным примером может служить виртуальный генератор сигналов. Такой виртуальный генератор имеет электрический выход, входы для синхронизации, а также виртуальные ручки управления по функциям аналогичным как у обычного генератора. Выходные электрические сигналы (гармонический, пилообразный, прямоугольный, случайный и т.д.) формируются цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Генерация сигналов различной формы осуществляется программно математическими методами. Например, если для генерации синусоидального сигнала в реальном генераторе используется колебательный контур, включенный в цепь обратной связи усилителя, то в виртуальном генераторе гармонический сигнал получается математически непосредственно по соответствующей тригонометрической формуле для синусоиды. Ясно, что в этом случае генерируется почти идеальный синусоидальный сигнал без нелинейных искажений, с очень стабильной частотой и амплитудой, а также с известной начальной фазой. В реальном генераторе такие метрологические параметры практически недостижимы.
Преимущество технологии виртуальных приборов состоит в возможности программным путем, опираясь на мощь современной компьютерной техники, создавать разнообразные приборы, измерительные системы и программно-аппаратные комплексы.