Структурно-математические модели преобразования в приборах и системах. Типы преобразования

Понятие модели.

Всякая реальная система (процесс или объект) характеризуется бесконечным числом признаков (переменных), что делает невозможным ее полное описание.

Реально при изучении используется ограниченное число признаков, определяемых конкретной необходимостью. Это реальное описание и называется моделью.

Модель – система, которая не отличается от моделируемого объекта в отношении некоторых его свойств, именуемых «существенными», и отличается от него в отношении других свойств, называемых «несущественными».

В теории моделирования различают 3 принципиально разных способа:

1) Полное моделирование – способ, обеспечивающий подобие движения материи во времени и в пространстве. Различие между объектом исследования и моделью в этом случае качественное (масштаб).

Теория подобия и теория размерностей: в теории подобия коэффициентами связи между моделью и объектом являются комплексы.

2) Неполное моделирование – способ, при котором протекание основных процессов, характеризующих изучаемый объект, подобно только частично.

3) Приближенное моделирование – способ, применяемый наиболее часто, при котором некоторые факты, влияющие на процесс, но не оказывающие на него решающего действия, либо вовсе не моделируются, либо моделируются приближенно.

 

Существуют модели, предполагающие, что между системой и средой нет обмена информацией (веществом). Такая система называется изолированной.

 

Существуют открытые системы, в которых есть взаимодействие с внешней средой.

Рис.8.5. Структура измерительной системы

 

Во всех моделях принято считать объект измерения неизменяемым, т. е. всегда предполагается, что существует истинное постоянное значение измеряемой величины

 

Рис.8.6. Прибор как согласующее устройство передачи информации

 

Э1+Э2 помехи

Прибор – согласующие устройство (подсистема системы измерений) передачи информации между объектом измерения и оператором.

На сегодняшний день существуют ИИС (информационно-измерительные системы) или ИВК (измерительно-вычислительный комплекс).

При постановке измерительной задачи всегда определяются:

- Объект измерения;

- Существенные свойства этого объекта (определяется измерительная величина с заданной погрешностью);

- Условия измерения.

Для получения оценок качества измерения и выработки требований к системам измерения используются различные модели измерительного процесса. Существуют 2 базовые модели:

- Классическая (каноническая);

- Вероятностная (информационная).

Каноническая модель измерительного процесса понимается как эксперимент, условия которого строго определены и соблюдены.

Реализуется при следующих ограничениях:

1) Измеряемая физическая величина сохраняет неизменно на протяжении всего цикла измерения свое истинное значение, которое можно охарактеризовать одним действительным значением, лежащим внутри интервала остаточной неопределенности (доверительного интервала) (теорема Котельникова).

2) Время измерения не ограничено и сравнение с мерой может выполняться принципиально как угодно долго.

3) Внешние условия, влияющие на результат измерения, точно определены.

Вероятностная модель принята при следующих ограничениях:

1) Измеряемая физическая величина рассматривается как случайный процесс, содержащий информацию об объекте измерения.

2) Измерение в общем случае рассматривается как последовательность операций, время которых ограничено и конечно. Непосредственное сравнение с мерой неосуществимо.

3) Характеристики измерительного устройства могут изменяться во времени и под влиянием внешних факторов (дрейф нуля).

Виды моделей средства измерения:

- Математическая;

- Натурная;

- Системная.

Системная модель – модель технической системы, учитывающая функцию и структуру.

 

Рис.8.7. Схема системной модели

Системная модель представляет собой объект, внутрь которого описание не распространяется.

Метрологи утверждают, что для построения математической модели средства измерения необходимо знать ее структуру.

Структура средства измерения, с точки зрения метрологии, подразделяется на 3 вида:

1) Измерительная цепь – совокупность элементов СИ, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала от входа до выхода и обеспечивающих все его преобразования.

2) Измерительный канал – измерительная цепь, образованная последовательным соединением СИ и других технических устройств, предназначенных для измерения одной величины и имеющих нормированные метрологические характеристики.

3) Измерительный тракт – совокупность измерительных каналов, предназначенных для измерения определенной величины и имеющих одинаковые метрологические характеристики.

Структурная схема – условное обозначение измерительной цепи (канала или тракта) с указанием преобразуемых величин.

 

Характеристики структурных элементов измерительных преобразователей.

Рис.8.8. Системы преобразования:

а) генераторной величины

б) параметрической величины

По типу выходного сигнала:

- активные, генерирующие физические величины;

- пассивные, выражающиеся величинами, не являющимися потоками энергии.

По виду связи между входной и выходной величиной:

- линейные;

- нелинейные.

В зависимости от влияния скорости изменения выходного сигнала ИП:

- статические;

- динамические.

 

Существует 3 способа соединения ИП:

1) Последовательное соединение

 

 

 

 

2) Параллельное соединение

 

 

 

3) Встречно-параллельное соединение