1. Основные понятия об информационно-измерительных системах (ИИС) и их классификация.
Информационно-измерительная техника (ИИТ) – предназначена для получения опытным путем количественно определенной информации об объектах. Основными процессами, позволяющими получить такую информацию, являются обнаружение событий, процессы счета, измерения, контроля, диагностики.
Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. В процессе измерения получается численное отношение между измеряемой величиной и некоторым значением, принятым за единицу сравнения.
Под контролем понимается установление соответствия между состоянием (свойством) объекта контроля и заданной нормой, определяющей качественно различные области его состояния. В результате контроля выдается суждение о состоянии объекта контроля.
Во многих случаях для восстановления нормальной работы объекта необходимо выявить элементы, послужившие причиной его неправильного функционирования. Такое направление развития методов и средств контроля работы технических устройств называется технической диагностикой.
Счет, т.е. определение количества каких-либо событий или предметов, в ИИТ относительно редко имеет самостоятельное значение и чаще входит составляющей в процессы измерения, контроля и т.д.
Все перечисленные процессы включают восприятие техническими средствами исследуемых (измеряемых, контролируемых) величин, часто с преобразованием в некоторые промежуточные величины, сравнение их опытным путем с известными величинами, с описаниями состояний или свойств объектов, формирование и выдачу результатов в виде именованных чисел, их отношений, суждений, основанных на количественных соотношениях.
В ИИТ наиболее важную роль играет процесс измерения, являющийся основным путем получения количественной информации.
Измерительные системы (ИС) – совокупность функционально объединенных средств измерений, средств вычислительной техники и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации о физических величинах, свойственных данному объекту, в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. Примерами могут служить системы, развернутые на крупных предприятиях и предназначенные для контроля технологического процесса производства какого-либо изделия.
В зависимости от назначения ИС разделяют на измерительные, контролирующие, управляющие. По числу измерительных каналов системы подразделяют на одно-, двух-, трех- и многоканальные.
Важной их разновидностью являются информационно-измерительные системы. Под информационно-измерительными системами (ИИС) понимаются системы, предназначенные для автоматического получения количественной информации непосредственно от изучаемого объекта путем процедур измерения и контроля, обработки этой информации и выдачи ее в виде совокупности именованных чисел, высказываний, графиков и т.д., отражающих состояние данного объекта. ИИС должны воспринимать изучаемые величины непосредственно от объекта, а на их выходе должна получаться количественная информация об исследуемом объекте.
В ИИС объединяются технические средства, начиная от датчиков и кончая устройствами выдачи информации, а также все программы, как необходимые для управления работой собственно системы, так и позволяющие решать в ИИС измерительные и вычислительные задачи, а также управлять конкретным экспериментом.
Таким образом, существует несколько разновидностей ИИС:
Собственно информационно-измерительные системы – получение количественной информации о значениях контролируемых физических величин путем их прямых совокупных измерений с последующей ее обработкой, предоставлением оператору и передачей другим потребителям.
Информационно-измерительные системы автоматического контроля – установление соответствия между состоянием объекта и заданной нормой и выработка суждения о данном и (или) будущем состоянии объекта.
Информационно-измерительные системы технической диагностики – контроль состояния различных технических устройств, обнаружение их отказов и определение неисправных элементов.
Информационно-измерительные системы распознавания образов – определение соответствия между исследуемым объектом и заданным образом, в качестве которого может быть «человек», «символ», «нормальное состояние объекта» и т.п.
Телеизмерительные системы – информация о значениях измеряемых величин передается от объекта контроля, расположенного на значительном расстоянии.
Для описания ИИС, объяснения состава функциональных частей и элементов, их назначения и взаимосвязи в системе применяются структурные схемы. Описание ИИ и входящих в них функциональных элементов может производиться с помощью функциональных схем, разъясняющих протекающие в них процессы.
Обобщенная структурная схема показана на рис.1.

Классификация ИИС
По организации алгоритма функционирования различают системы:
с заранее заданным алгоритмом работы, правила функционирования которых не меняются, поэтому они могут использоваться только для исследования объектов, работающих в постоянном режиме;
программируемые, алгоритм работы которых меняется по заданной программе, составляемой в соответствии с условиями функционирования объекта исследования;
адаптивные, алгоритм работы которых, а в ряде случаев и структура, изменяются, приспосабливаясь к изменениям измеряемых величин и условий работы объекта.
ИИС делятся на:
ИИС последовательного действия, когда один датчик последовательно помещается в поле однородных физических величин;
ИИС параллельного действия, имеющая множество датчиков, каждый из которых воспринимает свою физическую величину.
Кроме этого, существует еще несколько видов классификации ИИС, которые даны ниже.
Разделение ИИС по виду выходной информации

Функциональное назначение определяет вид выходной информации ИИС.
По виду выходной информации ИИС могут быть разделены на измерительные системы, на выходе которых получается измерительная информация (именованные числа, их отношения), и на системы, которые выдают количественные суждения о состоянии исследуемых объектов, – контрольные, диагностические, распознающие.
В метрологии и измерительной технике принято считать, что процесс измерительного эксперимента обязательно включает измерительные и, как правило, вычислительные процедуры. Под измерительными процедурами понимаются в первую очередь восприятие входных величин и преобразование измерительных сигналов, сравнение непрерывных сигналов с мерами и получение цифровых значений этих сигналов. К вычислительным процедурам относятся математические преобразования аналоговых, дискретных и цифровых сигналов в процессе измерения.
По существу ваттметры, счетчики электрической энергии, мостовые измерительные устройства, компенсаторы переменного тока, цифровые вольтметры переменного тока и т.п. являются устройствами, в которых операции измерения и обработки выполняются неразрывно. Если проанализировать работу любого средства измерения, то в нем всегда можно найти операции обработки. Так электроизмерительные магнитоэлектрические приборы, как правило, выполняют операции фильтрации и усреднения динамических составляющих, имеющихся в измеряемой величине или накладывающихся на нее.
Остановимся на определении основных целей измерения.
Измерение может быть направлено на нахождение значений входных величин (длины, массы, температуры, тока и т.п.). В этом случае, если учитывать характер взаимосвязи между входными величинами, то можно выделить ИС, предназначенные для измерения следующих величин:
независимых входных величин Х={[х1], [х2],…, [хn]}. В этом случае процесс измерения заключается в нахождении цифровых значений этих величин;
входных величин Q=(q1, q2,…, qn), непосредственное раздельное измерение которых невозможно.
Пример: ИС, предназначенные для измерения мощности, скорости, удельного веса;
Параметров зависимости {F[X()]} входных величин X()=x1(1), x2(2),…, xn(n) от заданного аргумента =1, 2,…, n.

Могут быть установлены цели измерения, связанные с измерением функций от входных величин f(X) или f(DX).
Пример: ИС, предназначенные для измерения коэффициентов корреляции, спектральной плотности мощности, температурных коэффициентов сопротивления и т.д.
В соответствии со сказанным целесообразно выделить ИС независимых входных величин, ИС зависимых величин, ИС функций от входных величин и ИС параметров зависимостей входных величин. Среди последних большую роль играют статистические ИС.
Классификация принципов построения ИИС
Классификационный признак Классы
Наличие специального канала связи Отсутствует Имеется
Порядок выполнения операций получения информации Последовательный Параллельный
Наличие контуров информационной обратной связи Разомкнутые системы Компенсационные (одно- и многоконтурные системы)
Изменение скоростей получения и выдачи информации Без изменения (в реальном времени) С изменением скоростей
Сигналы, используемые в ИИС Аналоговые Кодоимпульсные
Структурная и информационная избыточность Безызбыточные системы Избыточные системы
Адаптация к исследуемым величинам Неадаптивные системы Адаптивные системы

2. Многомерные и аппроксимирующие измерительные системы.
Многомерные измерительные системы
Система разделительного измерения взаимосвязанных величин
Если исследуемые явления или объект характеризуются множеством величин и они независимы друг от друга Х = { [Х1] , [X2] … [Xi] }, то можно при наличии селективных датчиков произвести измерения всех независимых величин [Xn]. При независимых, но неселективных датчиках сигналы на их выходах будут содержать составляющие от нескольких входных величин Хn и появляется задача в выделении (автономизации) каждой измеряемой величины. Такие задачи связаны с измерением массовых концентраций, составляющих многокомпонентных жидких, газовых или твердых сред; или с измерением параметров компонентов сложных электрических цепей без гальванического расчленения. Сюда относятся такие методы, как хроматография, центрифугирование и тд. Каждый из этих методик имеет свою теоретическую и аппаратную базу. При известном составе многокомпонентного соединения можно решать задачи разделительного измерения компонентов с помощью разделения составляющих и последующего измерения автономизированных компонентов, либо путем одновременного анализа всего множества. Суть I способа заключается в организации воздействия на многокомпонентные соединения в целях выделения и измерения нужного компонента. Для механических и химических соединений существуют методики и средства такого расчленения: масс-спектрометрия, хроматография и тд.
26. Аппроксимирующие измерительные системы
Если нужно количественно оценить и при необходимости восстановить исходную входную величину, являющуюся функцией некоторого аргумента, то имеется принципиально 2 пути выполнения измерения. Первый, чаще используемый, заключается в измерении дискрет этой величины, расположенных через определенный интервал аргумента, и в восстановлении ее с помощью многочленов невысокой степени. Второй путь связан с измерением коэффициентов многочлена, характеризующих исходную функцию на всем интервале ее анализа. При этом порядок аппроксимирующего многочлена должен быть более высоким. При соответствующем выборе типа приближающего многочлена имеется возможность не только количественного описания поведения изучаемой величины в любой точке интервала, но и одновременного получения информации о некоторых свойствах этой величины. В частности, при использовании ряда Фурье знание его коэффициентов позволяет судить о частном составе изучаемой функции (о ее спектре). Измерительной системы, позволяющие измерить коэффициенты приближающих многочленов, называются аппроксимирующими измерительными системами. Аппроксимирующие измерительные системы относятся к системам, предназначенных для количественного описания величин, являющихся функциями времени, пространства или др аргумента и их обобщающих параметров, определенных видом приближающего многочлена

1 Основные понятия об информационно-измерительных системах (ИИС) и их классификация