ром, поскольку в этом случае устройство более восприимчиво к нежелательным высокочастотным возмущениям.

Любой измерительный сигнал искажается возмущениями {disturbances) и шумом (noise) как в процессе формирования, так и передачи. Одна из основных проблем передачи сигнала - уменьшение влияния щума. Источники игума должны быть изолированы, или, в крайнем случае, их влияние должно быть снижено до минимально возможного уровня. Искажение сигналов или сообщений нгумом является не только проблемой организации интерфейса "процесс-компьютер", но проявляется при лю-быхтипах передачи информации (глава 9). Моделирование и описание 1пума обсуждаюсь в разделе ,3.6.1. Регуляторы обычно проектируются в расчете на наличие возмущений и шумов; в главе 6 будет показано, как регулирующий контур может уменьшить их влияние.

4.1.4. Передача измерительных сигналов

Аналоговые сигналы, вырабатываемые измерительными устройствами, обычно необходимо так или иначе преобразовать прежде, чем ввести их в компьютер. Сигнал в виде напряжения должен быть усилен так, чтобы соответствовать диапазону напряжений интерфейса компьютера. Более того, иногда уровень напряжения датчика должен быть CMCHieH, чтобы привести в соответствие минимальный уровень выхода датчика с миии.мальным напряжением интерфейса компьютера. Эта процедура называется согласованием сигнала. Она рассматривается в .этой и следующей главах.

При передаче аналоговых сигналов существуют специфические проблемы, обусловленные электрическими возмущениями. Сигнал, передаваемый от датчика по электрическому проводнику, может подвергнуться зашумлепию под влиянием среды из-за нежелательных связей резистнвного, индуктивного или емкостного характера. Этот шум может исказить исходный сигнал. Одно из возможных решений преобразовать аналоговый измерительный сигнал в последовательность импульсов, частота или продолжительность (ширина) которых известным образом связана с уровнем исходного сигнала, а затем передавать этот преобразованный измерите..!,-ный сигнал. Такой переход особенно полезен, когда внешний шум имеет ту же частоту, что и исходный сигнал. Последовательность импульсов может передаваться либо по электрическому, либо по волоконно-оптическому кабелю.

4.2. Характеристики датчиков

Датчик должен воспроизводить физическую величину максимально быстро и точно. Хотя чаще всего датчик выбирают исходя из надежности и удобства обс.пуживання, его точность, стабильность и повторяемость результатов остаются важнеГниими факторами. Основой работы управляющего компьютера является входная информация, по.этому точные и надежные измерения - это необходимое условие качества управления.

Большая часть характеристик датчика, которые приводятся в техническом описа-ади, - статические параметры. Эти параметры не показывают, насколько быстро и точно датчик может измерить сигнал, изменяющийся с больпюй скоростью. Свой-тва, отражающие работу датчика в условиях изменяющихся входных воздействий, Шываются динамическими характеристиками (dynamic characteristic). Они сущс-твенно влияют на работу системы управ.чения. Идеальный датчик мгновенно реаги-

В английском языке в слова "accuracy" и "precision", которые на русский язык нерево> ся одни.м и те.м же слово.м "точность", вкладываются несколько разные понятия. "AccW соответствует обще.му отсутствию погрепшостей измерения, в то вре.мя как "precision" о: леляет малый pa;j6poc результатов измерений относительно некоторого среднего :5наче1 которое может оказаться неточным из-за систематической погрешности, например смС ння. Таким образом, необходимы.м и достаточны.м является удовлетворение требования. ределяомо10 термином "accuracy".

рует па изменение измеряемой физической величины. На практике любому датчщ необходимо некоторое время на отработку нового входного сигнала. Очевиднее,; для адекватного отображения реальных изменений наблюдаемой величины вщ реакции датчика должно быть как можно меньнге. Это тот же самый принцип, щ,, рый применяется ко всей системе управления (компьютеру) процессом реальнсг времени в целом: временные характеристики физического процесса определяют бы,-родействие системы (производительность компьютера). Однако чаще требуг; компромисс между скоростью реакции датчика и его чувствительностью к шуму.

4.2.1. Погрешность и точность

Точность (accuracy) определяет разницу между измеренной и действительиойв! личиной; она может быть отнесена к датчику в целом или к конкретному его показ; нию Разрешение (resolution) - это наименьшее отклонение измеряемой величи.ч, которое может быть зафиксировано и отражено датчиком. Разрешение намнс? чаще, чем точность, указывается в технических описаниях. Точность датчика зави» не только от его аппаратной части, но йот остальных элементов измерительного ки плекса. Погрешность (ошибка) измерения (measurement error) определяется как pa; ница между измеренной и действительной величинами. Поскольку действительна величина неизвестна, в произвольном случае оценку точности можно сделать насс нове эталонных измерений или углубленного анализа данных.

Ошибки измерения можно классифицировать и, соответственно, моделирова: как детерминированные (или систематические) и случайные (или стохастически; Детерминированные ошибки связаны с неисправностью датчика, нарушением ус.:с ВИЙ его применения или процедуры измерений. Эти ошибки повторяются приказ дом измерении. Типичная систематическая ошибка - это смещение показам (reading offset или сдвиг (bias). В принципе, систематические опшбки устраняют: при поверках (calibration). Случайные ошибки, напротив, могут иметь самое разн происхождение. В большинстве случаев - это влияние окружающей среды (темпер туры, влажности, электрических наводок и т. п.). Если причины случайных ошиб: известны, то .эти ошибки можно компенсировать. Часто влияние возмущений хар* теризуют количественно такими параметрами, как средняя ошибка (mean em среднеквадратичная ошибка (mean quadratic error) или стандартное отклонен (standard deviation) и разброс (variance) либо погрешность ([ип]precision).

Разница между систематической и случайной ошибками иллюстрируется рис Нентр каждой мишени представляет собой истинное значение измеряемой вели"-: ны, а каждая точка - .это измерение. Сумма измерений характеризуется смещен и разбросом. Для хорошей точности обе характеристики должны быть малы.

На рис. 4.4 а ч в представлены смешенные результаты. Стандартное отклонен или разброс результатов отдельных измерений является мерой погрешности. Датч

с хорошей по[!торяемостью результата (или малой случайной ошибкой) имеет, очевидно, хорошую случайную нофешность, но не обязательно дает правильную выходную величину, поскольку сдвиг может существенно исказить результат, т. е. точность датчика невелика. Результаты измерений на рис. АЛ б иг имеют малую погренигость, но только результат, показанный на рис. 4.4 г, является точным.

»31шчение

время

знамение

время

знанение

время

Рис. 4.4. Иллюстрация смещения, 1Югрешности и точности

Центр каждой мипгепи представляет собой истинное значение измеряемой величины, аточки - рсзул1>тат из.мсрений. На диагра.м.мах справа истинная величина представлена прямой линией, на которую наложены результаты измерений. Точность измерения зависит как от смещения, так и от разброса: а ~ большое смещение + большой разброс =• низкая точность; б~ малое смещение -•- большой разброс = низкая точность; в - больитое смещение -•- .малый разброс -= низкая точность; ~ малое смешение -i- малый разброс = высокая точность