Преобразование и передача технологической информации в системах управления. Ч 1. Преобразование технологической информации в системах управления

УДК 681.518.3 
Ш23 

Р е ц е н з е н т 
кандидат технических наук, доцент СВ. Громов 

Шапкарина Г.Г. 

Ш23 
Преобразование и передача технологической информации в 
системах управления. 4.1. Преобразование технологической информации в системах управления: Учеб. пособие. - М.: МИСиС, 
2004.-81 с. 

в пособии рассмотрены основные методы преобразования непрерывных 
и дискретных сигналов, применяющиеся при создании информационных систем управления. Представлены алгоритмы дискретизации и восстановления 
сигналов, действующих в информационных системах управления. Приведены примеры из практики металлургического производства. 

Соответствует государственному образовательному стандарту дисциплины «Методы преобразования в системах управления». 

Предназначено для студентов второго и третьего курсов специальности 
210200 - Автоматизация технологических процессов и производств. 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (Технологический 
университет) (МИСиС), 2004 

Оглавление 

Введение 
4 

1. Форма представления информации в системах управления 
5 

2. Методика определения информации в системах управления 
9 

3. Основные понятия прикладной теории информации 
13 

4. Количество информации 
23 

5. Модуляция носителей информации 
32 

6. Квантование и восстановление сигналов 
41 

7. Информационные характеристики сигналов 
64 

Библиографический список 
80 

3 

Введение 

При разработке автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), в том числе и в металлургии, существенное внимание уделяются организации и техническим средствам сбора, первичного преобразования и передачи информации. Развитие микропроцессорной техники сделало возможным построение 
достаточно экономичных и высокоэффективных систем сбора и обработки информации. 

Принято различать информационные и управляющие функции 
АСУТП. Информационные функции (информационный режим) 
обеспечиваются информационной системой, основными задачами 
которой являются: 

- опрос состояния технологического объекта; 
- анализ состояния технологического объекта управления; 
- контроль достоверности технологической информации и т.д. 
Информационная система АСУ ТП является многофункциональной. В рамках этой системы решаются, с одной стороны, задачи, связанные с контролем за ходом технологического процесса, а с другой 
- задачи формирования информационного обеспечения для управляющей системы. 

Информационные системы отличаются от других естественных 
или искусственных (технических) систем тем, что в них присутствуют органы связи наблюдения или управления, процессы обращения 
информации, сигнальные формы отображения вещественных или 
энергетических явлений. 

Информационные системы всегда бывают наложены на рабочие 
системы, но могут быть представлены либо техникой, либо людьми. 
Известно, что невозможно построить и эксплуатировать сложную 
современную автоматизированную систему управления без использования большого количества разнообразной информации. 

Функционирование информационных систем автоматизации связано с предварительным анализом сигналов как средства передачи 
сообщений, анализом информационных характеристик источников 
сообщений и каналов связи и обоснованием принципиальной возможности кодирования и декодирования сообщений, обеспечивающих предельно допустимую скорость передачи сообщений по каналу 
связи как при отсутствии, так и при наличии помех. 

4 

1. ФОРМА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ 
В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ 

Основное отличие информационных систем от управляющих состоит в том, что главным объектом передачи является информация, а 
не энергия. Любая система управления как информационная система 
представляет собой совокупность технических средств, предназначенных для формирования, передачи, преобразования, переработки, 
хранения и использования информации для целей управления. 

Перечисленные информационные процессы и являются основным 
предметом исследования теории информации применительно к задачам 
построения и функционирования информационных систем автоматизации, а следовательно, основной является задача, решаемая прикладной 
теорией информации - согласование сигналов и каналов связи. Специфика информационных процессов, протекающих в системах управления, состоит в том, что одновременно с передачей информации в системе производится ее формирование, преобразование-переработка, 
хранение и использование при различной форме представления и различных физических носителях входной и выходной информации, выбор которых зависит от требуемых показателей точности, быстродействия, надежности и т.п. В связи с этим, при создании информационной 
системы АСУ ТП, с точки зрения происходящих информационных 
процессов, могут быть сформулированы основные задачи оценки эффективности и надежности информационных процессов: 

- учет используемых форм представления и физических носителей сигналов; 

- определение характеристик каналов передачи и переработки 
информации; 

- согласование сигналов и каналов их передачи по форме представления и физическим носителям информации с учетом физических и статистических характеристик сигналов. 

Основным источником получения информации о состоянии технологического процесса является измерение физических параметров процесса. Известной формой представления информации в системах управления являются результаты экспериментов над наблюдаемыми объектами. 

Материальная форма воплощения информации называется сообщением. Сообщение может иметь различное содержание, но независимо от этого всегда отображается в виде сигнала (электрического, 
звукового, светового и др.). Сигнал как физическое явление имеет 

5 

мало общего с тем событием, которое его породило, но несет в себе 
определенные сведения - информацию о событии, следовательно, 
сигнал является физическим носителем информации. Например, поток световой энергии, идущий от расплавленного металла в процессе 
плавки, вызывает появление фототока в фотоэлементе автоматического устройства, что дает возможность контролировать правильность 
хода плавки металла. Кроме того, сигнал может существовать и после окончания события, его создавшего, будучи записанным на фотопленку и т.д. 

Если сигнал используется для решения задачи управления, то необходимо, чтобы он отражал наиболее полно ход интересующего нас 
события и был удобен для преобразования и использования в целях 
автоматизации. 

Формирование любого сигнала связано с передачей сообщения от 
отправителя (источника) к получателю (приемнику), которые в общем 
случае разделены пространством и временем. Поэтому сигнал можно 
характеризовать как средство перенесения информации в пространстве и времени. Анализ любых ситуаций, в которых участвует сигнал, 
приводит к выводу о том, что, хотя сигнал всегда связан с материальным объектом, большинство конкретных свойств этого объекта несущественно. При ознакомлении с содержанием печатного текста неважно, например, какого сорта бумага; различие текстов (сигналов) в 
первую очередь определяется по различию формы их представления, 
т.е. состояний объекта. Следовательно, можно сказать, что в качестве 
сигналов используются не сами объекты, а их состояния. Образование 
сигнала происходит в результате изменения состояния объекта. Для 
наличия соответствия между сообщением и сигналом, т.е. возможности извлечения сообщения из полученного сигнала, последний должен 
формироваться по определенным правилам. Построение сигнала по 
определенным правилам называется кодированием. Под кодированием 
в широком смысле понимают преобразование сообщения в сигнал, а в 
узком смысле - отображение дискретных сообщений последовательностью заранее выбранных символов. 

Для надежного перенесения информации в пространстве и времени используемые сигналы должны быть устойчивы по отношению к 
изменению времени или положения в пространстве. Количественные 
характеристики устойчивости сигнала определяются конкретными 
условиями его использования. С точки зрения устойчивости все сигналы можно разделить на статические и динамические. 

6 

Статическими сигналами называются сигналы, в качестве которых используют стабильные состояния физических объектов (печатный текст, состояние триггера, регистра цифрового устройства, положение механического элемента и т.п.). 

Динамическими сигналами называются такие сигналы, в качестве 
которых используют состояния физических объектов, изменяемые во 
времени (состояние электромагнитного поля, электрических параметров, звуковые сигналы и т.п.). 

Динамические сигналы применяются преимущественно для передачи информации, а статические сигналы - для ее хранения. 

По структуре сигналы подразделяются на непрерывные и дискретные как по аргументу, так и по значению функции. 

Сигнал называется непрерывным, если множество возможных 
значений параметра образует непрерывную последовательность (непрерывно изменяющиеся значения электрических токов, напряжений, механических перемещений) - рис. 1, а. 

а) 

X(t)i 

б) 

в) 
x(t) 

1 . 1 / 

О 
12 
3 
4 
5 
6 
7 
8 

Рис. 1 

7 

Дискретные сигналы характеризуются конечным (счетным) множеством значений. В зависимости от характера представления функции и 
аргумента сигнала возможны следующие его разновидности (рис. 1,6). 

Непрерывная функция непрерывного аргумента. Функция, описывающая такой сигнал, в произвольные моменты времени может 
принимать любое значение из бесконечного множества в некотором 
конечном интервале значений: /(0„,„ < /(О ^ f{t)„^ 
. При этом на 
характер изменения функции не накладывают никаких ограничений. 
Примером таких сигналов могут быть сигналы, снимаемые с датчиков давления, напряжения, положения и т.п. в виде непрерывно изменяющихся напряжения и тока. 

Непрерывная функция дискретного аргумента. Функция, описывающая такой сигнал, может иметь любое значение из непрерывного множества, но в фиксированные наперед заданные моменты 
времени 4 (^i = k^t, ^ = 0,1,..., п). 

Дискретная функция непрерывного аргумента. Функция, описывающая такой сигнал, во всякий момент времени может принимать любое значение fit), но из конечного множества значений. К 
датчикам этих сигналов можно отнести все шкальные механизмы, с 
которых считываются в любой момент времени данные в виде численных значений с точностью, определяемой ценой делений шкалы 
(А/). 

Дискретная функция дискретного аргумента. Функция, описывающая такой сигнал, может принимать любое значение из конечного множества, но только в дискретные, фиксированные моменты 
времени: f{M^). 
Эти сигналы свойственны устройствам с определенным тактом выдачи числового значения сигнала. 

При построении систем обмена применяются как непрерывные, 
так и дискретные сигналы и часто осуществляется преобразование 
сигналов из одной разновидности в другую. 

8 

2. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ 
В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ 

Для измерительных информационных систем характерно то, что 
они предназначены для получения информации непосредственно от 
исследуемых объектов. 

В рассматриваемых системах в процессе получения информации 
обязательно выполняются операции измерения и контроля. Измерение 
понимается как «экспериментальный процесс получения информации 
в виде численного отношения между измеряемой величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу», а контроль - как «экспериментальный процесс получения информации в виде высказываний о 
состоянии исследуемого объекта». Из приведенных определений следует, что процессы измерения и контроля имеют много общего как по 
цели, выполнению которой служат, так и по составу тех операций, которые они содержат. Цель (в том и другом случае) - получение информации о некотором объекте или процессе. Для получения результатов как при измерении, так и при контроле необходимо выполнение 
операций сравнения, кодирования и обработки информации. 

Обязательным условием получения результатов измерения (контроля) является выполнение операций сравнения. Эти операции заключаются в сопоставлении значения функции двух случайных величин (входной величины и погрешности) со значениями заранее выбранной образцовой величины ( при контроле эти значения образцовой величины обычно тлещются уставками). По результатам выполненных операций сравнения образуются суждения не только о значении функции этих величин, но и о входной величине в «чистом виде». 

Степень общности процессов измерения и контроля настолько велика, что в некоторых случаях лишь условно можно назвать тот или 
иной прибор (систему) измерительным или контрольным. Эта общность обусловлена тем, что диапазон изменения входной величины 
(измеряемой и контролируемой) разбивается на некоторое число частей и требуется установить, к которой из этих частей следует отнести 
значение входной величины. С этой точки зрения различие между 
измерением и контролем имеет чисто количественный характер: при 
измерении обычно диапазон разбивается на большее число частей, 
чем при контроле. Основное же различие состоит в том, что при из
9