Методика анализа измерительных информационных систем на базе информационно-энергетических критериев

ВВЕДЕНИЕ

В программе научного развития страны одним из важнейших пунктов было усиленное развитие и разработка электронных устройств регулирования и телемеханики, исполнительных механизмов, приборов и датчиков, систем комплексной автоматизации сложных технологических процессов.

Ведущее место в реализации поставленных задач принадлежит информационно-измерительной технике на основе создания измерительных информационных систем (ИИС), осуществляющих получение, передачу, хранение, представление и воздействие информации на объект контроля и управления. В связи с этим особое значение приобретают эффективность и качество технических средств информационно-измерительной техники и, соответственно, разработка методов их оценки.

Измерительная техника, выросшая ранее в самостоятельную область науки и техники, в настоящее время все более дифференцируется как по области применения, так и по методам и средствам измерений. Наряду с созданием глубоких и стройных теорий в каждом из сложившихся направлений тенденция быстрого развития средств информационно-измерительной техники выдвигает необходимость разработки обобщенных методов оценки их эффективности и качества (на основе математического моделирования), позволяющих проводить анализ, оптимизацию и синтез любых измерительных информационных систем.

Наиболее удобным и приемлемым методом, при помощи которого можно описать и исследовать процесс измерения (а в более общем случае – процесс управления), является информационный метод. При этом для получения численных оценок и характеристик состояния и поведения системы пользуются аппаратом теории информации. Однако автоматические системы представляют собой динамические объекты с ограниченными энергетическими ресурсами. Эта отличительная особенность реальных систем не позволяет непосредственно использовать выводы теории информации, зародившейся в рамках теории связи, и требует развития основных ее положений применительно к специфике реальных измерительных информационных систем и систем управления.

Первые шаги в этом направлении были сделаны Л. Бриллюэном, сформулировавшим «негэнтропийный принцип» передачи информации, основной вывод которого заключается в том, что энергия является носителем измерительной информации, поэтому без потребления энергии от объекта измерения невозможно и само измерение.

Классическая теория информации В. А. Котельникова, К. Шеннона, А. Н. Колмогорова, Н. Винера применительно к задачам контроля и измерения развита в трудах А. Я. Хинчина, А. А. Харкевича, В. И. Тихонова, В. С. Пугачева, Р. Л. Стратановича и др.

А также разными учеными были созданы теоретические основы информационной теории измерений. Значительные успехи в объективном определении оценок эффективности и качества функционирования систем достигнуты И. В. Кузьминым.

В данном реферате рассмотрена обобщенная методика анализа измерительных информационных систем на базе информационно-энергетических критериев. Рассмотренные модели и методики могут быть применены не только к измерительным информационным системам, но и к широкому классу кибернетических объектов.

1.ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

И ИХ МОДЕЛИРОВАНИЕ.

Теория информации как сравнительно новое научное направление оказала существенное влияние на развитие практически всех наук, особенно теории и практики информационно-измерительной техники.

Измерение – одна из важнейших информационных процедур. Согласно определению, измерение – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств, а измерительная информация – полученные при измерениях значения физической величины. С точки зрения теории информации, измерительная информация уменьшает априорную неопределенность знания о состоянии объекта контроля.

Современный уровень развития науки, техники, промышленного производства обусловливает необходимость создания средств для реализации процедуры измерения большого количества физических величин, обработки и анализа результатов измерения. Такие средства измерения, представляющие собой совокупность измерительных и вспомогательных устройств, объединенных каналами связи и предназначенных для получения, преобразования и представления в необходимой форме измерительной информации об исследуемом объекте, получили название измерительных информационных систем (ИИС).

1. 1. Основные понятия и классификация ИИС.

Любая ИИС состоит из ряда взаимосвязанных подсистем: измерительных преобразователей, цепей, каналов, элементов, устройств. Средства измерений, входящие в качестве подсистем в ИИС, должны иметь сопоставимые метрологические, информационные, экономические характеристики, позволяющие рассчитать показатели ИИС в целом по заданным характеристикам подсистем.

С точки зрения логики функционирования информационных систем при измерении, контроле и управлении в них можно выделить следующие информационные процессы или фазы в цикле преобразования информации: получение (восприятие), передача, обработка, представление информации и воздействие на объект измерения, контроля и управления. Поскольку материальным носителем информации служит сигнал, а процессы получения и преобразования сигналов являются энергетическими, выделенные выше фазы преобразования информации следует рассматривать и как фазы преобразования сигналов, несущих информацию, и их энергии.

Восприятие информации заключается в формировании образа объекта, его опознании и оценке. Важной задачей этой фазы преобразования информативных сигналов является отделение от шумов, то в некоторых случаях (например, при работе в сложных производственных условиях, решении задач локации, радиосвязи, астрономии или проведении тонких физико-химических экспериментов) связано со значительными трудностями. В результате восприятия получается сигнал в форме, удобной для дальнейшей передачи и обработки.

Передача информации состоит в переносе ее на расстояние посредством сигналов различной физической природы по механическим, оптическим, акустическим, электромагнитным и другим каналам связи.

Обработка информации заключается в решении задач преобразования информации и производится при помощи устройств, осуществляющих аналоговые или цифровые преобразования сигналов. Промежуточным этапом обработки может быть хранение информации в устройствах с памятью.

Представление информации заключается в выдаче ее в численной, графической, звуковой или иной форме, содержащей ее качественные и количественные характеристики. Для этого используются различные устройства отображения информации: аналоговые и цифро-буквенные индикаторы, электронно-лучевые трубки, мнемосхемы и табло, графические регистрирующие устройства и т. п.

На основании полученной информации о состоянии объекта производятся выработка и воздействие на объект сигналов, изменяющих его состояние в соответствии с алгоритмом управления. Существуют и разомкнутые системы, в состав которых не входят устройства управления, выполняющие только функции контроля и измерения. Такими системами являются ИИС. В соответствии с характером информационных процессов в любой ИИС можно выделить устройства отбора, передачи, преобразования и отображения информации.

Измерительный канал представляет собой последовательную цепь измерительных преобразователей – устройств, в которых с заданными метрологическими характеристиками реализуется функциональное преобразование физических величин (сигналов).