2.2 Устройства получения информации
Устройства получения информации предназначены для сбора и преобразования информации без изменения ее содержания о контролирующих и управляющих параметрах технологических процессов. К устройствам получения информации о состоянии процесса относятся чувствительные элементы или датчики, измерительные и нормирующие преобразователи. К этой же группе устройств относятся релейные (позиционные) преобразователи.
Измерительный преобразователь это совокупность чувствительного элемента, измерительного и нормирующего преобразователей. Нормирующие преобразователи переводят выходной сигнал измерительного преобразователя с естественным выходом в унифицированный сигнал.
В настоящее время наиболее распространенные выходные сигналы: величины постоянного и переменного токов, напряжения, импульсы, модулированные по амплитуде, ширине, фазе или частоте и давление воздуха. Величины основных унифицированных сигналов установлены соответствующими стандартами и приведены в табл. 2.2.
Таблица 2.2 –Унифицированные сигналы преобразователей
Для организации
введения данных из датчиков необходимо
осуществить опрос датчиков и определить
значение измеряемых величин согласно
показателям датчиков. Режим получения
данных с объекта управления реализуется
с помощью циклического и адресного
опроса датчиков. При циклическом опросе
датчики периодически опрашиваются в
предварительно заданной и установленной
последовательности. При этом в каждом
цикле (такте квантования) отдельные
датчики опрашиваются несколько раз
через промежутки времени
.
Результаты
опросов усредняются, и средние значения
запоминаются. После этого через промежуток
времени, который равен периоду
квантования
,
весь процесс повторяется, т.е. датчики
снова опрашиваются
раз с дискретностью
,
и результаты опроса усредняются. Для
большей точности желательно,
чтобы
при ограничении
.
При адресном
опрашивании по адресу, указанному
оператором или определенному автоматически,
опрашивается один или несколько датчиков.
Для использования результатов опрашивания
в алгоритмах управления необходимо
определить истинные значения измерительных
величин согласно показателям датчиков.
Исходный сигнал датчика с истинным
значением
измерительного параметра X
в общем случае заменяется нелинейной
зависимостью вида
.
Для определения измерительной величины
X
по показателям датчика
разработано много алгоритмов.
При линейной характеристике датчика значение измерительной переменной определяется следующим образом
,
(2.17)
где
- нижняя и верхняя границы шкалы
измерительного параметра;
- нижняя и верхняя
границы выходных сигналов датчика;
х - текущее значение параметра X;
у - выходной сигнал датчика текущего значения параметра х при каждом опросе.
При квадратичной характеристике датчика значения параметра определяются формулой
. (2.18)
Если зависимость У от Х аналитически определить невозможно, то для определения истинного значения измеряемого параметра используются аппроксимирующие полиномы
, (2.19)
где
- постоянные коэффициенты, которые
определяются таким образом, чтобы
погрешность аппроксимации (2.19) не
превышала допустимого значения во всем
интервале измеряемого параметра
и сигнала
,
полученного с датчика.
Оценка точности
представления сигналов.
Реальный
физический сигнал
,
снимаемый с выхода датчика, превращается
в соответствующий цифровой код. Связь
между реальным сигналом
и точным невозбужденным значением
сигнала на выходе датчика
может быть представлена в виде
, (2.20)
где
- погрешность, которая вызвана
несовершенством динамической
характеристики
датчика;
- высокочастотный
низкого уровня шум на выходе датчика;
- возможные сбои
в работе датчика;
- случайная помеха,
которая обусловлена дрейфом коэффициентов
характеристики датчика в результате
старения и других причин.
Влияние высокочастотной помехи может быть уменьшено применением алгоритмов усреднения, которые реализуют функции выделения постоянной составляющей сигнала в реальном времени и фильтрации случайных выбросов.
Для реализации фильтров высокочастотных помех применяется алгоритм усреднения с бесконечной памятью. Допустим, что на сигнал постоянной величины накладывается случайная помеха так, чтобы измерительный сигнал, который снимается с датчика, был равен
. (2.21)
Определим значение
постоянного сигнала
по методике наименьших квадратов
. (2.22)
Благодаря
минимизации функции потерь
из
условия
, получаем усредненную оценку
. (2.23)
Алгоритм усреднения
в рекурентной форме получается путем
вычитания предыдущей оценки
из (2.23):
. (2.24)
Рассмотренный
алгоритм не применяется для оценки
сигнала
,
который изменяется медленно. В этом
случае применяется алгоритм усреднения
с ослабленной памятью. В предыдущем
алгоритме предусматривалось, что
оцениваемая координата
в интервале
измерений остается постоянной. В этом
случае в отдельные измерения
входят значения с одинаковыми весами,
независимые от дискретного времени
.
Если нужно отследить медленно изменяющийся
сигнал
,
то новым измерениям необходимо увеличить
вес сравнительно с теми, которые были
получены раньше. Усредненная оценка
параметра
, (2.25)
где величина
выбирается порядка 0.95.
Алгоритм усреднения получим в виде
, (2.26)
где
- усредненное значение сигнала
,
снимаемого с датчика.
Для устранения
применяют алгоритмы перехода
контролирующего
параметра за допустимые границы.
Простейший алгоритм базируется на
отбраковке следующего опрошенного
сигнала
при выходе его за известный диапазон
изменения
.
Если известная погрешность сигнала
и диапазон изменения
,
то значение сигнала
при
-м
опросе бракуется, если для него не
выполняется условие
.
(2.27)
При
этом
заменяют предыдущим по времени
небракованным значением сигнала
.
Более тщательное устранение сбоев
выполняется с учетом диапазона
и скорости изменения
при известной погрешности сигнала
.
При этом сигнал
бракуется, если не выполняется хотя бы
одно из неравенств:
(2.28)
. (2.29)
При преобразовании в АЦП аналогового сигнала в цифровой код возникает погрешность округления, которая равняется половине последнего верного разряда кода числа, которую условно можно отнести к составной .