1.1. Информация и управление

Сущность физических явлений и процессов в технологической части автоматизированной системы описывается с использованием поддающихся учету физических величин, которые являются сигналами, изменяющимися во времени и пространстве. Физические величины представляют собой качественные и количественные характеристики, определяемые с помощью методов и средств измерения.

Под величиной понимается признак физического объекта, состояния или процесса, который можно характеризовать и определить количественно, т.е. измерить. Величина состоит из произведения результата (измеренного числа) на единицу измерения:

(1.1)

Например, сила тока I = 0,015 А. Очевидно, при изменении единицы измерения изменится и величина I = 15 мА.

Физическая величина несет в себе так называемую информацию.

1.1.1. Понятие информации.

Информация возникает в тех случаях, когда устанавливаются некоторые общие свойства предметов или явлений, появляются новые знания. Во всех материальных системах получение информации об объектах, процессах связано с взаимодействием с ними, с отражением свойств процессов, объектов в характеристиках и свойствах органов взаимодействия. Это дает основания характеризовать информацию как смысл, содержание отражения.

Первичным источником информации об окружающем нас мире является опыт (эксперимент). Эксперимент есть процесс наблюдения и измерения при заранее определенных условиях. Опыт состоит из отдельных испытаний. Испытание есть акт однократного наблюдения и измерения.

Исход эксперимента всегда случаен, так как если он предопределен, то проводить эксперимент бессмысленно Результатом проведения серии испытаний, которые составляют эксперимент, является некоторая модель процесса или явления, позволяющая формализовать описание этого процесса или явления или составить прогноз их поведения при различных условиях.

Под информацией понимают существенные и представительные характеристики процессов и объектов, выделенную сущность явлений материального мира. Понятие информации предполагает абстрагирование от многих свойств реальных событий и объектов, причем границы абстрагирования условны и определяются спецификой решаемых задач. Информация есть устраняемая неопределенность. Для ее количественного определения используется информационное содержание или мера неопределенности (энтропия). Для использования информации ее необходимо (хранить), передавать во времени и пространстве.

1.1.2. Представление информации.

Информация передается в виде сообщений. Сообщение – цифровые данные определенного формата, предназначенные для передачи. Это может быть файл базы данных, таблица, ответ на запрос, текст или изображение. Сообщение передается с помощью сигналов. Для обработки на компьютере (электронно-вычислительной машине – ЭВМ) информация представляется в виде данных.

Передатчик – устройство, являющееся источником данных.

Приемник – устройство, принимающее данные. Приемником могут быть прибор, компьютер, терминал или какое-либо цифровое устройство.

Любое сообщение имеет семантический смысл, который расшифровывает содержание информации для того, кто ее принимает. Обмен сообщениями происходит между людьми. При автоматизации процесса от семантики можно отказаться.

Носителями сообщений являются физические величины, например, электрический ток, напряжение, световые волны, магнитные состояния. Сигнал представляет собой измененный определенным образом носитель сообщения. Воздействие на носитель сообщения с целью получения сигнала называется модуляцией. Например, информация передается путем изменения во времени параметров гармонических колебаний электрического тока: амплитуды (амплитудная модуляция), частоты (частотная модуляция), фазы (фазовая модуляция), длительности импульсов и т.д.

Источники и формы информационных сообщений и соответствующие им сигналы бывают дискретными и непрерывными.

Дискретными называются такие сообщения, которые состоят из отдельных элементов (символов, букв, импульсов), принимающих конечное число значений. Примером дискретного сообщения могут служить команды в системах управления или телеграфные сообщения. Дискретные сообщения составляются из конечного числа элементов, следующих друг за другом в определенной последовательности

Непрерывными называются такие сообщения, которые могут принимать любые значения в определенных пределах. Непрерывные сообщения являются непрерывными функциями времени. Примером такого сообщения может служить информация о температуре, поступающая от непрерывного технологического процесса.

В реальных условиях с помощью дискретизации во времени и квантования по уровню можно заменить непрерывное сообщение дискретным.

Методологическая схема образования непрерывного и дискретного сигналов представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Методологическая схема образования сигналов

Непрерывные и импульсные сигналы могут быть детерминированными, то есть иметь функциональную зависимость значений сигнала от времени, или случайными, которые такой зависимости не имеют.

Любой сигнал может быть описан как функция времени S(t) или частоты F(w). Эти две функции связаны друг с другом функциональным преобразованием. Чем короче сигнал во временной области, то есть чем меньше его длительность, тем шире его частотный спектр. Для случайного сигнала спектр тем шире, чем быстрее изменяется сигнал во времени.

1.1.3. Информация в системе управления.

В процессе управления информация выступает в форме сигнала. Взаимодействие системы и сигнала характеризуется избирательностью: система реагирует не на всякий поступивший в нее сигнал, а лишь на те из них, которые соответствуют природе системы и необходимы для ее управления в данное время и в данных условиях.

В процессе работы элементов системы осуществляется преобразование информации.

Благодаря информационным процессам система способна осуществлять целесообразное взаимодействие с внешней средой и взаимодействие между собственными элементами, а также направлять движение системы к заранее заданной цели.

Процесс управления позволяет стабилизировать систему, сохранить ее функциональную определенность, поддержать ее в состоянии динамического равновесия со средой, обеспечить совершенствование системы. Все это может быть осуществлено за счет внутренних и внешних воздействий. Формой воздействия является информация.

С точки зрения функционального назначения устройств и систем можно выделить следующие информационные процессы:

• получение (отбор, измерение) информации;

• передача информации;

• обработка (преобразование) информации;

• представление (регистрация, отображение) информации;

• выработка управляющих воздействий (регулирование, управление).

Прохождение информации и основные этапы ее преобразования представлены на рис. 1.2. В качестве примера показан комплекс технических устройств, предназначенных для управления автоматизированным объектом.

Получение информации связано с восприятием и оценкой объекта или процесса. При этом полезная информация отделяется от так называемых шумов. Результатом восприятия является сигнал в форме, удобной для передачи или обработки.

Передача информации состоит в переносе ее на расстояние с помощью сигналов разной физической природы по механическим, акустическим, оптическим, электромагнитным и другим каналам связи. Чаще всего для передачи используются электромагнитные каналы связи с хорошо разработанной техникой передачи сигналов на расстояние.

Рис. 1.2. Схема преобразования информации

Обработка информации производится с помощью машин или устройств, осуществляющих аналоговые или цифровые преобразования поступающих величин и функций. Промежуточным этапом обработки является хранение информации в запоминающих устройствах.

Представление информации требуется в тех случаях, когда в процессе управления принимает участие человек. Оно заключается в демонстрации изображений, содержащих характеристики информации, циркулирующей в системе. Для этого используют различные устройства отображения информации и регистрирующие устройства.

Управляющее воздействие состоит в том, что несущий информацию сигнал осуществляет регулирование или управление с помощью исполнительных устройств, вызывая изменения в объекте управления. Управление представляет собой процесс сбора, передачи и обработки информации, а информационная система является обязательным элементом управляющей системы.

При включении технических средств в состав автоматизированного комплекса всегда учитываются их информационные характеристики: информационная емкость, пропускная способность, информационная производительность и т.д. Информационные характеристики определяются с использованием подходов и методов теории информации.