Распознавание состояний излучающей области в реальном времени Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Д.Г. Евсеев, Б.С. Цппкин

РАСПОЗНАВАНИЕ СОСТОЯНИЙ ИЗЛУЧАЮЩЕЙ ОБЛАСТИ

В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

. При исследовании волновых процессов желательно иметь возможность управления экспериментальной установкой и объектом исследования непосредственно в ходе эксперимента, в особенности при изучении динамики этих процессов. Обратная связь по управлению экспериментом (рис. 1) позволяет в зависимости от поведения исследуемого объекта поддерживать такие режимы, при которых его особенности выделяются наиболее четко. Для осуществления управления экспериментом прежде всего необходимо, чтобы темп обработки информации превышал темп ее поступления с датчиков (т.е. обработка должна идти в реальном времени). Основная трудность при работе в реальном времени заключается в обеспечении достаточного быстродействия средств регистрации и обработки волновых процессов, при котором время реакции всей цепочки измерение - обработка - управление было бы достаточно мало. Этого можно достичь распараллеливанием процессов сбора и обработки информации и использованием простых (с вычислительной точки зрения), но вместе с тем эффективных алгоритмов анализа.

«

На базе этих принципов создана автоматизированная система на основе ЭВМ СМ-4 и УСО (устройство сопряжения с объектом) в международном стандарте КАМАК.

Датчики

Эксперимен- j Объект исследований тальная , I (волновой процесс)

установка

I Исполнительные 1 j органы j

1 г

УСО КАМАК 1

, 1

ЭВМ СМ-4 |

обратная связь по управлению

односторонняя передача информации двусторонняя передача информации

Рис. 1. Структура автоматизированной системы

В состав ЭВМ входят: процессор СМ 2104 (16 разрядов, длительность операции регистр-регистр 1,2 мкс), оперативное запоминающее устройство ОЗУ (256 Кбайт), 2 накопителя на магнитных дисках НМД (общей емкостью 10 Мбайт), 4 дисплея СМ 7200, 3 графических микропроцессорных принтера Д100, алфавитно-цифровое печатающее устройство с клавиатурой (АЦПУ) СМ 710 3, устройство ввода-вывода перфоленты.

С помощью дисплея и принтеров обеспечивается многопользовательский режим работы. СМ 710 3 используется для фиксации процесса диалога исследователя с ЭВМ, что дает возможность его последующего анализа и служит в качестве паспорта эксперимента .

В состав функциональных модулей КАМАК включены следующие: контроллер крей-та 106А (общее управление модулями)? вспомогательный микропроцессор 181а (память 20К RAM, 12 Кбайтов ЕРROM)? два 10-разрядных цифро-аналоговых преобразователя в одном модуле 2ЦАП-10? преобразователь напряжения 058А (248/12В)? регистр

щ

управления реле РУР-1Р; 5 полупроводниковых оперативных запоминающих устройств 203 (4 Кбайта 24-разрядных слов); 3 постоянных запоминающих устройства 222 (32 Кбайта 24-разрядных слов)? таймер реального времени 733 (единица отсчета -1 мс) ; генератор тактовых импульсов 730В (частота от 1 МГц до 1 Гц с декадным делением); 4 аналого-цифровых преобразователя 712 (10 разрядов, время преобразования 25 мкс); блок четырех фильтров (ширина полос пропускания 10 кГц); пересчетчик время/импульс 1403; индикатор магистрали 081.

Через модули 2ЦАП-Ю и РУР-1Р подключен графопостроитель Н306.

В состав сервисных модулей входят: ручной контроллер 140 (пошаговое, единичное и цикловое выполнение операций); индикатор магистрали 081; генератор тактовых импульсов 730В; генератор - регистр слова 232а (24-разрядное слово); удлинитель 061. Эти модули позволяют проводить контроль и наладку функциональных

модулей.

Данный вариант комплекса является основным, так как он обеспечивает решение очень широкого круга задач. При необходимости комплекс может быть легко расширен для решения каких-либо специфических задач. Например, могут быть добавлены полупроводниковые мультиплексоры 752 (по 32 канала) для увеличения числа входных каналов, интерфейс цветного телевизора 560 для расширения возможностей

графики и др.

Система содержит ряд функциональных подсистем: моделирование волновых процессов, планирование эксперимента, прием и регистрацию сигналов с датчиков, формирование диагностических признаков, обработку измерительных данных, выработку управляющих воздействий, контроль и тестирование. Каждая подсистема содержит соответствующие аппаратные и программные средства.

Программное обеспечение автоматизированной системы построено на базе операционной системы реального времени ОС РВ, имеющей широкие функциональные возможности: объем оперативного запоминающего устройства до 204 8 Кбайт слов, количество поддерживаемых терминалов до 20, встроенная защита файлов, организация резидентных библиотек, диагностика программных и аппаратных средств, системы

управления базами данных.

Прикладные программы входят в единый программный комплекс с общими информационно-логическими связями. Комплекс реализует сетевую модель процессов обработки и разработан по оригинальной методике.

Автоматизированная система имеет следующие характеристики:

- количество входных каналов до 10 2;

- максимальная частота дискретизации входного сигнала до 170 кГц);

- динамический диапазон 60 дБ?

- полоса частот входного сигнала (при использовании видеомагнитофона в качестве промежуточного носителя) до 1,7 МГц?

- количество одновременно обрабатываемых наборов данных до 10?

- тип данных - байтовые, целые, вещественные?

- использование данных многократное при однократном вводе?

- операции корректировки данных - сдвиг, перестановка, обнуление, замена на заданное значение по интервалу или диапазону?

- оценка наборов данных - по минимальному, среднему, максимальному значению, интерактивный режим взаимодействия пользователя с ЭВМ, основной набор про-

Ф

цедур обработки - нормализация, интегрирование, сглаживание, амплитудный, спектральный, кепстральный анализы, распознавание образов?

- отображение данных и результатов в целом и по частям?

- масштабирование (равномерное, логарифмическое) осей координат, повороты графиков, совмещение, сопоставление и маркировка кривых, построение сечений трехмерных изображений, нанесение обозначений, надписей и т.д.

Одна из решаемых задач по анализу волновых процессов имеет следующую постановку. В некоторой области упругой среды, размеры которой малы по сравнению с расстоянием до приемника, находятся источники волн, имеющие различающиеся параметры. Расположенный на поверхности среды приемник в виде пьезодатчика воспринимает результирующую волну и преобразует ее в электрический сигнал. Известны количество источников и спектры излучения каждого источника. Требуется по результирующему излучению определить долю (р±, i = Т77Г, ЕР± = 1) каждого источника, распознать одно из возможных m состояний излучающей области и рассчитать управ-

ляющее воздействие и (и для упругой среды).

{1Н , и*}, и1 - для экспериментальной установки, иа -

Выберем п частот £^ ^ з = 1,п таким образом, чтобы наборы амплитуд спектров источников на этих частотах ни для каких двух источников не совпадали полностью (частичное совпадение разрешается) и были линейно независимы. Эти амплитуды используем в качестве первичных диагностических признаков и обозначим К.'*"

- номер источника, j - номер частотной компоненты спектра) (рис. 2). Вследствие затухания при распространении в среде

где

1

= е~аг,

- амплитуда частотной компоненты вблизи приемника? N

(3)

1

- амплитуда

частотной компоненты вблизи источника? а - коэффициент затухания? г - расстоя-

ние между источником и приемником.

I

1

£ 3 • • •

£

п

£

1 2

3 ... . п

3

Рис. 2. Первичные диагностические

признаки

Согласно принципу суперпозиции принимаемая волна является линейной комби-

нацией составляющих волн:

К

<3) _

п Е 1 = 1

а1

= е

п Е 1=1

а1

(3)

где

регистрируемая приемником

амплитуда частотной компоненты результирующей волны? а^ - коэффициенты, отражающие интенсивность каждого источника

Чтобы избавиться от мультипликативной помехи, связанной с затуханием, нормализуем амплитуды, разделив их на суммарное значение:

<3> = норм

(3)

п

Е VI

3=1

(з)

п 2

п £ 1=1

а.

(3)

10=1

а.

(j)

п Е 1=1

п Е

W

(3) _

3=1

норм

= 1, а н = а,/

п Е

а. К' 1 . • 1 1 1 1/3=1

(3)

Поскольку наборы VI± = г 3 = линейно независимы, можно рассматри-

п

(3)

вать их как базисные векторы линейного пространства И", а Инорм = 3=^7п]

как некоторый вектор в этом пространстве. Тогда си можно определить как проекции вектора на оси координат (рис. 3). Зная а±, легко определить доли вклада источников Р.^ (вторичные диагностические признаки) :

а

Р. 1

п

Е а

/ П а. / Е а.

- х/ы=1 3

(3)

а

1

1=1

1

п Е

п

(а. / Е

1=1 1 1,3

=1

п Е 1=1

а

1

Распределение Р^ характеризует состояние области излучения. Пространство возможных значений Р^ с помощью одного из методов распознавания образов (поли-

решающих правил) разбивается разделяющими

источников

Рис. 3 •

Определение а^ в двумерном случае

Рис. 4. Разбиение пространства вторичных-диагностических приз наков в трехмерном случае

ветственно, меняются Р^ Их значения образуют некоторую траекторию, пересечение которой разделяющих гиперплоскостей означает смену состояний области излучения. В этот момент осуществляется выработка управляющих воздействий и1 и из.

Прием колебаний (рис. 5) осуществляется пьезодатчиком, преобразующим их в электрические, затем они усиливаются преду с или тел ем и поступают на вход блока

а

частотных фильтров, находящихся в КАМАК. Частотные фильтры из широкополосного

(до 1 МГц) сигнала выделяют узкополосные компоненты У

На основе этих пер-

вичных признаков микропроцессор КАМАК рассчитывает вторичные признаки Р^ и по ним определяет К (К = 1,т) - номер состояния излучающей области. Значение К

передается в СМ-4, которая рассчитывает управляющие воздействия.

твердых

КАМАК

а

~1 I

К

I—I

СМ-4

I I

I I

I

и

I I I I

I I

J I___I

Рис. 5. Схема приема и обработки волновых процессов (1 - излучающая область, 2 - пьезодатчик, 3 - предусилитель, ЧФ - частотные фильтры)

Литература

1. Гуляев В.А., Ч а п л ы г а В.М., Кедровский И.В. Методы и средства обработки диагностической информации в реальном времени. Киев: Наукова думка, 1986. - 223 с.

2. Виноградов В.И. Информационно-вычислительные системы Распределенные модульные системы автоматизации, м.: Энергоиздат, 1986. 336 с.

3. Цыпкин B.C. Автоматизированная система акустико-эмиссион-ной диагностики технологических процессов // Межвузовский сб. науч. тр. Автоматизированные системы испытаний объектов железнодорожного транспор та. М.: МИИТ, 1986. Вып. 775. С. 50-52.