НЕФТЬ-ГАЗ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
На главную >>


Теперь на нашем сайте можно за 5 минут создать свежий реферат или доклад

Скачать книгу целиком можно на сайте: www.nglib.ru.

Предложения в тексте с термином "Исследование"

1'2я исследования №•7 пгельнст система

Следует предусмотреть такую организацию исследования, пр.

Такая ситуация бывает в космических исследованиях, когда принимается информация от межпланетных станций, в ряде термоядерных исследований, в которых стоимость одного цикла работы может быть очень высокой.

В приведенном выше примере исследования законов преломления измерительными экспериментами были опыты, в которых установлены количественные соотношения между углами падения и преломления и найдена функциональная связь между синусами углов и коэффициентом преломления.

Рассмотрим, каким образом оцениваются ошибки и доверительные вероятности в реальных исследованиях, в которых известен обычно только набор п случайных результатов измерений величин Xi (или набор относительных частот выпадания событий).

Для оценки сложности проблем автоматизации эксперимента и описания типа применяемого оборудования и программного обеспечения целесообразно рассмотреть экспериментальные исследования по критериям сложности экспериментальных объектов, количеству каналов измерений и временных требований.

Не вдаваясь в подробности, 62 которые для оценок в реальных исследованиях применяются крайне редко, используем далее таблицу значений функции ф(&, п), которая описывает распределение, известное как распределение Стыодента (псевдоним английского статистика В.

Установка для экспериментального исследования, как правило, создается им самим и находится в его подчинении на все время исследования.

В реальных исследованиях в отдельную группу выделяют грубые случайные ошибки или промахи, когда измеренное значение исследуемой величины сильно отличается от среднего.

Исследование рассеяния а-частиц на тонких металлических фольгах показало, что а-частицы в основном отклоняются на небольшие углы порядка 2—3° и распределение траекторий частиц по углам в точности соответствует кривой для нормального распределения.

В силу различной природы, а возможно и исторических причин, в научных исследованиях используются разные типы ошибок.

В исследованиях кроме среднеквадратичной ошибки применяется для характеристики погрешности измерений так называемая вероятная ошибка.

Одной из основных задач научных исследований является получение новых данных с определенной степенью достоверности, и поэтому вопрос предварительного выбора допустимого уровня ошибок измерений играет принципиальную роль при планировании исследований.

больше связаны с конкретным характером исследований, чем случайные.

С другой стороны, существуют и общие, независящие от конкретных исследований, причины возникновения систематических ошибок и некоторые общие методы поиска и устранения систематических ошибок, знание которых полезно как при планировании, так и при обработке результатов исследований.

Автоматизация экспериментальных исследований.

Вопрос определения систематических ошибок является центральным во всей исследовательской работе, в том числе, хотя п реже, в теоретических исследованиях, в которых при описании реального явления иногда не учитывается какой-либо важный фактор.

Юри с сотрудниками тщательные исследования оптического спектра атомов водорода показали, что действительно существуют слабые линии, длины волн которых соответствуют бальмеровской серии водорода с массовым числом 2.

Так, при исследовании изменения длины некоторых образцов в магнитном поле (магнитострикционный эффект) искажение результатов может быть обусловлено температурным удлинением.

Методы учета фона обычно носят специфический характер, обусловленный конкретным типом исследования.

Такое возмущение, принципиальное в микромире (достаточно вспомнить принцип неопределенности Гейзенберга), играет роль и при исследовании макроскопических объектов.

В этом одна из причин стремления так организовать исследования, чтобы поправки свести к минимуму.

Если характерное время дрейфа прибора меньше времени измерении в данном исследовании, то ошибка из-З'Э нестабильности показании может быть сведена к поправке в процессе измерений.

Пусть точность воспроизведения единицы длины с помощью эталона аа, а точность измерений в данном исследовании о„, тогда по общим формулам суммарная погрешность измерений приблизительно равна о2 = 02Э + oV Из приведенного выражения видно, что измерять длины с относительной точностью, заметно лучшей, чем точность воспроизведения единицы длины, в данном масштабе проста не имеет смысла, так как суммарная ошибка измерений все равно не может быть меньше ошибки воспроизведения эталона сгэ

В связи с возросшей стоимостью исследований все более важную роль начинает играть рациональное планирование исследований, т.

Необходимо так спланировать исследование, чтобы отношение количества и важности полученной информации к затраченным ресурсам было максимальным.

В реальных исследованиях, исследованиях гораздо меньшего масштаба, целью планирования чаще всего является получение максимальной достоверности результатов (минимальной ошибки исследования) при фиксированном объеме ресурсов.

Можно, однако, так спланировать исследование, чтобы уменьшить вероятность существования необнаруженной систематической ошибки.

Таблица, называемая в многофакторных исследованиях матрицей планирования эксперимента и характеризующая последовательность операций при взвешивании, приведена ниже.

Исследование общих характеристик установки.

Перед началом исследований какова бы ни была установка всегда следует провести ряд проверочных измерений.

Исследователь, разрабатывая установку, вначале создает модель, более или менее адекватную программе предполагаемых исследовании.

Как правило, многие свойства можно с небольшими затратами ресурсов проверить до начала исследований.

Если в соответствии с требованиями исследования погрешность определения плотности не должна превышать 0,1%, то можно оценить необходимую точность измерений.

Для доказательства отсутствия ошибки в рассматриваемом исследовании необходимо прежде всего проверить правильность градуировки измерительных инструментов, что в более сложных установках является просто необходимым этапом.

Для наиболее надежной калибровки измерительного устройства необходимо подобрать такие величины образцовых мер (в рассматриваемом случае концевых мер), которые были бы возможно более близки к значениям, полученным в исследовании.

В описываемом исследовании вполне достаточно проверить микрометр вблизи 120 мм и около 20 мм, причем лучше, если одна концевая мера будет чуть меньше 20 мм, а втор<ая — чуть больше 120 мм.

Итак, первое золотое правило исследований: проверочные опыты должны обязательно проводиться в более широком интервале переменных, чем будут выполняться исследования.

Конечно, можно считать исследование завершенным и публиковать результаты измерений, однако данные настолько удивительные, что полезно еще раз проанализировать всю процедуру измерений с целью поиска возможных систематических ошибок.

Исследование на этом этапе не может быть завершено по крайней мере по двум причинам.

Сколь сложно определение систематических ошибок в реальных исследованиях иллюстрируют данные, приведенные на рис.

В реальных исследованиях в зависимости от ситуации используются различные комбинации методов или поочередное применение методов.

В реальных же исследованиях информация в с егд а неполная, поэтому доказательства достоверности и однозначности полученных результатов должны проводиться на логическом (при сопоставлении разных вариантов), либо фактологическом (при сопоставлении разных фактов, лучше в количественной форме) уровнях.

Рассмотрим некоторое исследование, блок-схема которого представлена на рис.

Общие методы формирования данных являются неспецифичными, слабо зависят от конкретного вида исследования и способов получения данных.

Для уменьшения потерь информации можно увеличить количество групп, но при этом возрастает объем данных, поэтому в реальных исследованиях ищут компромисс между объемом данных и допустимой потерей информации.

Далее рассматриваются только два основных метода поиска аналитического описания набора экспериментальных данных, которые наиболее часто в различных модификациях применяются в научных исследованиях.

В большинстве же случаев, особенно в пионерских исследованиях вид теоретической зависимости до опыта неизвестен, более того, именно поиск аналитических зависимостей и является конечной целью исследований.

Специально проведенные исследования показали, что проведенные на глаз кривые очень мало отличаются от аналитически рассчитанных кривых, причем для оптимального проведения не требуется специального обучения или высокой квалификации.

Пусть при исследовании зависимости некоторой величины у от другой физической величины х получены следующие экспериментальные значения, приведенные ниже в таблице 6.

Рассмотрим второй пример, связанный с реальным исследованием зависимости силы тока через некий образец от приложенного напряжения U.

На обработке экспериментальных данных в Дубне, в Объединенном Институте Ядерных Исследований занято около 70 ЭВМ.

Этот вид экспериментальных исследований один из самых старых.

Хотя и существуют некоторые статистические методы оценки минимального достаточного числа членов в разложении, однако в реальных исследованиях вообще редко используют больше трех или четырех членов.

Книга посвящена систематическому изложению вопросов автоматизации экспериментальных исследований (на примерах задач физики и механики).

В экспериментальных исследованиях чаще применяют метод наименьших квадратов, особенно в той его форме, когда при минимизации используются данные об экспериментальных ошибках.

Определяется место эксперимента в научных исследованиях и в автоматизированном создании сложных инженерных объектов — САПР.

Для автоматизации вообще и автоматизации научных исследований в частности применяются самые различные системы от механических до оптических.

Количество различных электронных схем, используемых для автоматизации экспериментальных исследований, весьма велико и все продолжает увеличиваться.

Основные базовые схемы и даже основные принципы совместного функционирования схем были разработаны несколько десятков лет тому назад главным образом для ядерно-физических исследований.

Это позволяет использовать аналоговые решающие устройства в системах автоматического управления исследованиями в реальном масштабе времени.

В экспериментальных исследованиях нередко встречается ситуация, когда с выхода датчика кроме исследуемого сигнала приходят импульсы, обусловленные различными помехами разного происхождения.

Полунатурное моделирование чаще всего применяется при исследовании систем автоматического или полуавтоматического регулирования или

Подобные проблемы возникают, например, при планировании физических исследований на ускорителях, на которых период между циклами достигает 3—5 или даже 10 секунд при времени вывода пучка на внешние устройства порядка одной секунды.

Устройство управления (УУ) в соответствии с программой исследований выдает сигналы, которые определяют моменты времени запоминания амплитуд исследуемых импульсов.

Прежде чем изучать основные логические операции и соответствующие этим операциям электронные схемы, покажем на одном важном примере целесообразность использования логических операций в экспериментальных исследованиях.

Логические операции с сигналами от объекта исследований позволяют построить систему контроля эксперимента, автоматизировать запись результатов и даже ход самого эксперимента.

В радиотехническом отношении схемы «И» и схемы совпадений, по-видимому, практически неразличимы, однако особенности работы схемы в статистическом режиме обусловливают использование в экспериментальных исследованиях термина «схема совпадений», с тем чтобы подчеркнуть существование некоторой нестационарной области, в которой возможны искажения информации.

Близкая ситуация встречается при работе на кольцевых ускорителях, в которых ускоряемые частицы распределены по кольцу сгустками и, соответственно, используемые для исследования вторичные частицы также распределены пачками, как это показано на рис.

Одним из важных методов общего увеличения эффективности исследования и повышения надежности результатов измере-.

Рассмотрим исследование выхода на стационарный режим гетерогенного ядерного реактдра.

Конечно, при выполнении исследований на внешнем (выведенном) пучке нейтронов (или нейтрино) поток и спектр нейтронов могут быть измерены экспериментально, однако постоянство характеристик может служить дополнительным показателем надежности работы аппаратуры.

В исследованиях же, связанных с облучением образцов во внутренних каналах реактора, постоянство потока и спектра нейтронов является крайне важным при абсолют-1 ных измерениях.

Шаговые искатели легко коммутируют несколько тысяч и даже сотен тысяч соединений (в АТС), однако в научных исследованиях подключение такого большого количества датчиков к одном'' измерительному устройству не применяют.

Математическая модель, являясь инструментом исследователя, может им в ходе исследований изменяться и совершенствоваться.

В реальных физических исследованиях для переключения малых токов и небольших напряжений электронные ключи практически вытеснили остальные бесконтактные переключатели, главным образом благодаря совместимости с электронными схемами, большому быстродействию, малым размерам и небольшой стоимости.

Поэтому при прецизионных измерениях схемы ключей должны калиброваться одновременно со всей измерительной аппаратурой и в тех условиях, в которых проводится исследование.

Но математик-экспериментатор в ходе исследования получаемых результатов совершенствует математическую модель, совершенствует алгоритм решения.

В настоящем параграфе будет рассмотрен узкий круг вопросов управления, главным образом те, с которыми приходится чаще сталкиваться при планировании и выполнении исследований.

Подбор наиболее удобных в данном исследовании методов зависит от многих конкретных условий и соображений, таких, как требуемая точность и быстродействие, надежность, наличие подходящих компонент системы и, особенно, совместимость с уже имеющейся или наиболее дорогой частью аппаратуры.

В реальных исследованиях, как правило, применяются комбинации условных и безусловных управлений.

В экспериментальных исследованиях безусловное управление используют обычно в уже отлаженной системе измерений, когда проверена работа всех узлов измерительной аппаратуры и требуется только выполнять измерения (или, как часто говорят, набирать статистику).

Если в исследовании требуется изучить зависимость какого-то набора параметров от состава образца, то в таком случае, особенно при большом количестве образцов, целесообразно применить безусловное управление, с помощью которого производится в определенные моменты времени смена образцов и переключаются отдельные элементы аппаратуры, если при смене образцов изменяются^ условия измерений (например, при исследовании какого-то образца априори известно, что амплитуда сигнала будет меньше примерно во столько-то раз).

Главное средство достижения этой цели — интенсификация на основе ускорения научно-технического прогресса, которое немыслимо без повышения эффективности научных исследований.

В автоматизированных системах под блоками условного управления обычно понимают устройства, которые в" соответствии с заранее заданными условиями вырабатывают дискретные сигналы, используемые для переключений в системе, сигнализации о состоянии объекта исследований и измерительного комплекса.

Рассмотрим, какие же сигналы можно использовать для условного управления и насколько специфичны сигналы в разных системах и различных областях исследований.

Блок-схема установки для массовых исследований образцов приведена рис.

При исследовании большого количества датчиков можно существенно уменьшить затраты времени на выполнение исследования, если работу проводить с помощью автоматизированной системы измерений.

Для выполнения программы исследования при одном значении магнитного поля необходимо измерить напряжение нормального элемента (для контроля системы измерений), ток возбуждения датчика, температуру датчика, ток в соленоиде и, наконец, ЭДС датчика Холла.

В рассматриваемом простом исследовании блок безусловного управления состоит из таймера, период генератора которого т должен быть немного больше, чем время выполнения измерения одного параметра и записи результата на носителе информации, и делителя частоты на 8, состоящего из трех

К настоящему времени характер научных исследований существенно изменился.

Особенно ярко новые черты проявились в ряде разделов физики, таких, как ядерная физика, физика элементарных частиц и в исследованиях космического пространства.

Так, при исследовании распределений амплитуд импульсов главным источником интегральной нелинейности являются входные усилители.

В этих областях уже давно исследования превратились в большую систему, под которой понимают управляемую систему, состоящую из совокупности сложных взаимосвязанных подсистем, объединенных общей целью функционирования.

Результаты любого исследования в конечном счете должны быть записаны на определенном носителе информации.

Как правило, уже в начале исследования известен приблизительный объем информации и методы ее математической обработки.

При планировании собственно системы записи массива данных наиболее сложная и ответственная задача — это выбор тех параметров, тех экспериментальных данных, которые целесообразно записать в ходе исследования.

Решение вопроса о достаточном объеме записываемой информации в огромной степени определяется не только конкретным планом исследования, но и его характером.

Так, например, если в результате' выполненного исследования обнаружено новое явление, либо опровергаются старые данные или установившиеся теоретические представления, то необходимо иметь избыточную информацию для доказательства высокой достоверности полученных результатов.

Исследования в этих областях проводят с помощью весьма сложного и дорогого оборудования большие коллективы ученых, инженеров, конструкторов.

Однако в исследованиях, в которых необходимо выводить информацию от большого количества датчиков, системы осциллографов с фотоаппаратами мало пригодна по следующим причинам.

Этот метод используется, в частности, для расчета и исследования комплексных систем автоматизации экспериментальных исследований.

При планировании исследований с записью аналоговых сигналов на магнитных носителях следует всегда помнить, что амплитуда сигнал а на обмотке индукционных головок, пропорциональная скорости изменения потока индукции, зависит от скорости движения носителя, и потому при последующем амплитудном анализе (кстати, и временном) следует при записи и считывании сигнала стабилизировать с необходимой точностью скорость - перемещения носителя относительно головки.

Следует учитывать фоны с непрерывным выми (дискретными) проще и быстрее даже на небольщих пусках микро-ЭВ нитофонами, которые товые магнитофоны исследованиях.

Но остаются еще многие исследования, в которых приходится идти на модельный эксперимент, «засоренный» фоновыми шумами, требующий сложной обработки результатов.

Модельный эксперимент характерен, например, для трубных аэродинамических исследований летательных аппаратов, гидродинамических исследований корпусов судов в гидроканалах.

В исследованиях прочности и усталости конструкций и механизмов чаще применяется натурный эксперимент.

При кодоимпульсной системе гораздо проще записывать различную служебную информацию об особенностях исследования, о тех или иных параметрах, характеризующих состояние системы.

От натурных испытаний в рабочих условиях (которые, по существу, также являются видом эксперимента) натурный промышленный эксперимент отличается тем, что, во-первых, подвергаются исследованию не всегда конструкции или изделия в целом, а чаще их агрегаты и отдельные части.

К таким исследованиям относятся некоторые радиофизические, метеорологические и астрэфи-зические исследования (например, одновременная регистрация спорадического радиоизлучения Солнца в разных, иногда сильноудаленных местах).

В медицинских и биофизических исследованиях часто в течение" длительного времени происходит накопление материала, который можно обработать на ЭВМ только после набора определенного массива информации.

Автоматизация научных исследований, возникшая более тридцати лет тому назад для удовлетворения потребностей физических исследований, превратилась в отдельную отрасль.

В научных исследованиях изображение предметов также несет разносторогнюю информацию, которая может быть получена после соответствующей обработки данных.

При работе Многих физических установок в циклическом т объекта исследования поступают в течение времени (иногда менее чем за 10~4 с).

Если точки, в которыхтроизводилосьизмерение амплитуды (оцифровка) сигнага, выбранытак, как это показано на рисунке крестиками, то пик, возможно представляющий в данном исследовании наибольший интерес, оу результатам ивиде плавной кривой.

РОЛЬ И ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗАЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Измерительные преобразователи в большой степени определяют точность и достоверность результатов экспериментальных исследований.

Типовая схема автоматизации экспериментальных исследований

Определение абсолютной величины коэффициента преобразования и погрешности измерения является наиболее трудной задачей 'и составляет часто основное содержание экспериментального исследования.

Рассмотренные нами в предыдущей главе примеры различных экспериментальных исследований уже позволяют сделать некоторые обобщения.

Во всяком экспериментальном исследовании можно выделить несколько основных частей.

В автоматизированных системах при проведении сложных исследований измерения проводят в течение длительного времени, поэтому важной характеристикой как измерительных преобразований, так и всей системы измерений является стабильность.

не является обязательным, ибо можно измерять все gi в процессе исследований, а затем вводить поправки.

На пути повышения эффективности научных исследований необходимо решить две проблемы.

Измеряемыми величинами в экспериментальных исследованиях являются физические величины (напряжение, ток, температура, линейные, объемные и угловые перемещения, давление и др.

Практически свойства всех объектов и характеристики датчиков физических величин зависят от температуры, и потому температуру приходится измерять почти в каждом исследовании и часто во многих точках изучаемого объекта и измерительных устройств.

Первая—-это создание современной базы автоматизации и планирования научных исследований, основанной на широком внедрении ЭВМ, измерительно-информационных систем, введении кибернетических методов в планирование и разработку научных исследований, стандартизации оборудования и математического обеспечения ЭВМ,

Измерительные устройства, применяемые в автоматизированных системах экспериментальных исследований, имеют, как правило, цифровую индикацию' и цифровое представление результата на выходе.

Как показали многочисленные исследования, при использовании для термопар одно-14* аи родных проводников, термо-ЭДС зависит только от температур спаев и не зависит от распределения температуры между спаями.

Весьма важными, особенно в физических исследованиях, являются такие качества, как очень малая теплоемкость термоспаев и малая теплопередача по тонким проводам.

Для получения точности измерений температуры несколько процентов, что в ряде исследований вполне достаточно, необходимо изготовить только один термоспай и подсоединить его концы к измерительному устройству.

Первые фундаментальные исследования внешнего фотоэффекта были выполнены в 1888 г.

Фотоэлектронные умножители широко применяются для решения многообразнейших задач в различных областях исследования, связанных с регистрацией небольших потоков световой энергии.

Автоматизация измерений имеет целью создание таких условий исследования, в которых за фиксированное время работы при ограниченных ресурсах была бы получена минимальная ошибка измерений и набрано достаточное количество данных для доказательства достоверности результатов.

Повышение производительности труда исследователя за счет выполнения с помощью автоматизированных устройств ряда таких работ, как запись результатов измерений, различные переключения в ходе исследования, контроль за состоянием объекта и системы измерений.

Повышение надежности результатов, что достигается стабилизацией состояния объекта и системы измерений, автоматической калибровкой системы измерений, одновременным измерением параметров при каждом фиксированном состоянии объекта исследований.

При наличии типовых модулей разного назначения система автоматизированного экспериментального исследования может быть составлена из них полностью или частично.

Это обеспечивает как быструю обработку всего массива данных, так и оперативную обработку всей или части информации непосредственно в ходе самого исследования, что позволяет изменять план работы для улучшения условий измерений и получения более достоверных результатов.

Эффективная работа автоматизированных систем может быть организована только при прямом и непосредственном участии исследователей, ведущих эксперименты, в эксплуатации системы, ибо никто, кроме самих исследователей, не может использовать особенности и тонкости данного исследования, указать методы уменьшения погрешно-тей, разработать наиболее эффективный план выполнения работы.

В экспериментальных исследованиях автоматическое регулирование выполняет две основные функции.

Во-вторых, система регулирования совместно с системой управления должна изменять состояние объекта исследований или условия измерений.

Таким образом, почти для всякого экспериментального исследования получается цепочка из аппаратных модулей (управляющих, интерфейсных и обрабатывающих).

В дальнейших главах книги будут описаны последовательно различные типы модулей, правила и приемы построения из модулей автоматизированных систем экспериментальных исследований.

С технической точки зрения контроль работы измерительного устройства и контроль состояния объекта исследований практически тождественны, ибо вначале сигналы о состоянии системы измерений или объекта исследований преобразуются в электрические импульсы, а для работы электронных схем вся предыстория появления сигнала уже не имеет значения.

Сигналы о состоянии объекта исследований и системы измерений подаются на блок контроля.

Блок-схема установки для исследования зависимости интенсивности излучения от времени — числа вспышек в единицу времени — изображена на рис.

Сигналы от импульсного источника излучения (например, света), попадая на преобразователь (в случае исследования света наиболее часто в качестве преобразователя-регистратора используются ФЭУ), взаимодействуют с ним, и в результате на выходе появляются электрические сигналы.

Для исследования кривой затухания мы должны измерить количество сигналов в единицу времени в разные моменты времени.

Она предусматривает введение в ВУЗах новых курсов автоматизации научных исследований, оснащение ВУЗов соответствующим оборудованием, выпуск учебников и учебных пособий.

Из проведенных выше расчетов очевидно, что в указанных выше условиях вообще нельзя проводить исследования источни-' ков, интенсивность которых уменьшается быстрее, чем на 1% за 30 мин.

При этом появились новые возможности для исследования.

Однако всегда существует нижний предел разрешающего времени, который обусловлен характеристиками регистрирующей аппаратуры, либо особенностями проводимого исследования.

Приведенный выше пример, быть может, с точки зрения реального исследования и не очень характерный, позволяет понять причины, обусловливающие выбор конкретного разрешающего времени схемы «И».

Вне зависимости от конкретных особенностей исследования можно выделить несколько общих требований организации записи результатов исследования.

Рассмотрим общую блок-схему исследования, изображенную на рис.

Информация о состоянии объекта исследования и внешней среды (если она существенна в проводимом исследовании) воспринимается датчиками, которые преобразуют исследуемые физические величины в электрические сигналы.

В предлагаемом учебном пособии рассматриваются вопросы автоматизации экспериментальных исследований как один из аспектов решения поставленной проблемы.

В экспериментальных исследованиях часто возникает необходимость измерения различных спектров.

Обычно интервал ДЯ> в пределах которого измеряется среднее значение исследуемой величины, выбирается порядка 6L Исследование спектра может быть выполнено с помощью одноканального устройства путем поочередного измерения интенсивности при разных средних значениях Я.

Например, при исследовании спектра излучения радиоактивного образца время измерений должно быть меньше допустимого времени заметного изменения активности образца.

В поисковых работах, когда заранее не известйа скорость изменения состояния, приходится проводить специальные исследования с целью оценки минимально необходимого числа одновременно работающих каналов.

Наиболее общими многоканальными системами, используемыми в различных областях исследования, являются многоканальные анализаторы амплитуд импульсов и анализаторы распределения событий (см.

Рассмотрим некоторые исследования, где используется анализ событий по времени с помощью многоканальных анализаторов.

Идея томографического исследования заключается в том, что предмет просвечивают под разными направлениями, измеряют распределение интенсивности прошедшего (или рассеянного) сигнала, а затем с помощью весьма сложных и громоздких расчетов, выполняемых на ЭВМ, восстанавливают детали просвечиваемого тела.

Для исследования океана предполагается следующая схема акустического томографа, показанная на рис.

Цели автоматизации экспериментальных исследований

Имеющийся опыт автоматизации экспериментальных исследований показывает, что системы автоматизации эксперимента перестали быть вспомогательными системами при физических установках.

рых исследованиях.

Комплексная автоматизация экспериментальных исследований предполагает взаимосвязанную автоматизацию процессов управления экспериментальной установкой, регистрации исследуемых явлений и, конечно, процесса сбора, обработки и анализа получаемых данных.

Можно сформулировать основные цели создания систем автоматизации экспериментальных исследований (АЭИ): — обеспечение высоких темпов научно-технического прогресса; — повышение эффективности и качества научных исследований на основе получения и уточнения с помощью ЭВМ более полных моделей исследуемых объектов, явлений или процессов, а также применения этих моделей для проектирования, прогнозирования и управления; — повышение эффективности разработок объектов исследований и уменьшение затрат на их создание; — получение качественно новых научных результатов, достижение которых принципиально невозможно без использования АЭИ; — сокращение сроков и уменьшение трудоемкости научных исследований и комплексных испытаний образцов новой техники.

Под системой автоматизации экспериментальных исследований будем понимать программно-аппаратный комплекс на базе средств измерительной и вычислительной техники, предназначенный для проведения научных исследований или комплексных испытаний образцов новой техники на основе получения и использования моделей исследуемых объектов, явлений и процессов, а также натурных испытаний.

Все измерения параметров объекта перед запуском и исследование характеристик системы измерений, включая калибровку, должны быть закончены к моменту запуска.

Эффективность автоматизированных систем в экспериментальных исследованиях

Одна из них (медленная — 1) предназначена для контроля состояния объекта исследований и системы измерений перед началом цикла, а вторая (быстрая—2) служит для измерений, анализа и записи данных.

Повышение эффективности экспериментальных исследований с применением автоматизации достигается благодаря улучшению условий исследования, возможности проведения экспе.

Автоматизация гидрофизических исследований

Для этого приходится тщательно продумывать организацию работы, планирование и автоматизацию исследований.

По-видимому без определенного уровня автоматизации вообще нельзя проводить некоторые исследования океана.

К таким исследованиям относится изучение общих характеристик всей акватории океана, для чего необходима организация синфазных измерений параметров в различных районах океана.

Крайне трудно проводить без достаточного уровня автоматизации гидрофизические исследования состояния океана, поскольку все измерительные приборы, особенно при глубинных погружениях, работают в автоматическом режиме, управляются с базового судна по кабелям и по кабелям же передают полученную информацию.

Блок-схема комплекса для исследования объекта, находящегося на значительном расстоянии.

Подобная же блок-схема описывает и комплекс для космических исследований, для которых из-за весьма ограниченного количества каналов связи и затрат ресурсов на передачу информации требуются дополнительные блоки сжатия информации (например, блоки предварительной обработки и передачи готовых результатов)

Крайне трудно дать четкое качественное определение эффективности экспериментальных исследований.

Опускаемая на кабель-тросе при гидрофизических исследованиях подсистема «Зонд» содержит набор различных датчиков, мультиплексор М для их опроса, блок управления БУ и исполнительный механизм ИМ, с помощью которого производятся различные переключения и перемещения на борту спускаемого аппарата.

Уровень автоматизации и организации работ при гидрофизических исследованиях непрерывно возрастает.

В первых исследованиях, выполненных в 1970—75 гг.

При гидрофизических исследованиях Средиземного моря зимой 1977 г.

Рассмотрим организацию и автоматизацию гидрофизических измерений на НИС «Академик Мстислав Келдыш», выполнявшего исследования в Атлантике и Средиземном море осенью 1981 г.

Этот результат, полученный непосредственно в процессе измерений, потребовал специального анализа и изменения дальнейшего плана исследований.

2 приведены некоторые характеристики трех обсуждавшихся автоматизированных систем гидрофизических исследований.

' Сравнение данных для разных комплексов показывает рост эффективности исследований при использовании автоматизации.

Так, при гидроакустических исследованиях за один последний рейс получили почти в тысячу раз большее количество различных кривых (до 250 тысяч в автоматизированных системах вместо 250 в неавтоматизированных).

Эти компоненты систем автоматизации экспериментальных исследований в значительной степени определяют эффективность автоматизации физического эксперимента, как об этом говорилось в главах 1, 2.

С другой стороны, сознавая ограниченность размеров пособия и уже имеющегося наличия по некоторым вопросам литературы, авторы не останавливались подробно на таких проблемах, как планирование эксперимента, борьба с помехами, методы проектирования систем автоматизации экспериментальных исследований, методы постановки экспериментов и обработка данных в конкретных областях исследований.

Исследователь должен анализировать материал непосредственно в процессе измерений и обработки особенно при исследовании новых явлений.

Современные космические исследования, термоядерный синтез и другие явления немыслимо изучать без применения автоматизации.

Авторы исходили из того, что пособие предназначено для студентов-физиков, физиков-экспериментаторов и инженеров, участвующих в разработке и создании систем автоматизации экспериментальных исследований (АСЭИ), а также пользователей АСЭИ.

Итак, основные аспекты эффективности автоматизации экспериментальных исследований заключаются:

Полученные с помощью автоматизации экспериментальных исследований результаты показывают, что «игра стоит свеч» и выгоды получаются не в единицах процентов, а принципиальные, качественные, выводящие эксперимент на новый уровень.

СОДЕРЖАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ «Опыт, однако, показывает, что мгновенных взаимодействий в природе не существует.

Под контроллерами понимают блоки управления в системах связи внешних устройств и устройств сопряжения объектов исследовании с микропроцессорами или ОЗУ ЦП по каналам связи.

Часто контроллер встраивается в конструкцию самого устройства и обеспечивает обмен управляющей информацией с ВУ, терминалами и объектами исследований, производит присвоение приоритетов и выдачу информации о состоянии (готовности или запроса) объекта для организации обмена информацией.

Режимы работы ЭВМ в системах автоматизации экспериментальных исследований

Экспериментальным исследованием — экспериментом (от латинского слова experimentum — проба, опыт) — называется метод познания, при помощи которого исследуются реальные явления действительности, реальные функциональные связи между параметрами, характеризующими состояние изучаемого объекта.

Исходя из общего утверждения, что критерием истины является практика, можно сказать, что только эксперимент может быть критерием истины в научных исследованиях.

Содержание экспериментальных исследований

Формально под экспериментальным исследованием можно понимать поиск функциональной зависимости между параметрами, описывающими состояние системы и феноменологическое описание или объяснение обнаруженных новых закономерностей.

Достаточно большой опыт многих коллективов исследователей показывает, что главная трудноеть заключается не в отсутствии средств автоматизации (приборов, ЭВМ и программ), а в отсутствии умения использовать даже готовые комплексы в реальных, конкретных исследованиях или в недостаточно комплексном подходе, снижающем эффективность автоматизации.

В реальных исследованиях обычно в силу причин, о которых сказано ниже, приходится такой полный эксперимент разбить на ряд этапов.

Такая организация (планирование) исследования обусловлена рядом причин.

При ' использовании диалоговых языков в АСНИ экспериментатор задает системе определенные инструкции по настройке аппаратуры, вносит исправления и добавления в программу исследования в процессе эксперимента, производит изменение исходных данных, проверяет правильность функционирования отдельных узлов аппаратуры, управляет выдачей промежуточной информацией о ходе эксперимента в реальном масштабе времени и т.

Обеспечивает решение широкого круга задач логико^математической обработки данных на всех этапах исследований и применим в лабораторных системах различного характера.

Для исследования при фиксированной температуре Т=То=const зависимости давления газа от объема в интервале давлений от 1 до 100 атм с интервалом изменения давления 0,1 атм необходимо записать 103 пар чисел.

Все равно придется как-то их группировать, чтобы представить в удобном для записи, исследования и обдумывания виде.

Напомним, что при первичном, так называемом пионерском исследовании, до опыта неизвестен вид функциональной зависимости, поиск которой и составляет одну из главных задач экспериментальной физики.

Эксперименты, в которых одновременно изменяется больше чем два параметра, называются многофакторными и в физических исследованиях встречаются не очень часто, главным образом, при изучении сложных или нестабильных систем (ускорители частиц, плазменные термоядерные установки, живые организмы)

Важно подчеркнуть, что многофакторные эксперименты являются фактически системой однофакторных исследований.

В реальных исследованиях никогда не удается настолько точно стабилизировать значения параметров Хг, чтобы они не искажали результаты измерений.

Точно так же любая реальная квазиадиабатическая оболочка не может полностью исключить внешние воздействия на исследуемую систему (например, воздействие сильно проникающих излучений — нейтрино, или даже фон обычного космического излучения, для уменьшения которого приходится те исследования, в которых космическое излучение может создать фон, проводить глубоко под землей).

Это позволит читателю лучше понять архитектуру разных сисхем ЭВМ и возможность их конкретного применения при автоматизации научно-экспериментальных исследований.

Машины этой серии эффективно используются 'В системах автоматизации научных исследований.

В середине бО'-х годов были найдены сочетания характеристик и конструктивных параметров, позволяющие удовлетворить одной серией ЭВМ многие специфические требования —г-появились первые мини-ЭВМ, быстро завоевавшие популярность, особенно в сфере автоматизации научных экспериментальных исследований.

ИССЛЕДОВАНИЙ

В сочетании с большими и средними ЭВМ мини-ЭВМ являются частью больших иерархических систем в сложных системах экспериментальных исследований (в ядерной физике, авиации, судостроении и др.

Конкретное исследование влияния различных факторов на результаты измерений является одной из важнейших задач экспериментальных исследований.

мини-ЭВМ, с другой, является в автоматизации экспериментальных исследований ключевым вопросом.

Таким образом, в основе любого экспериментального исследования лежат измерения физических величин.

Аналитическое описание обнаруженной в результате измерений зависимости одних параметров от других является второй важнейшей задачей экспериментальных исследований, о чем сами экспериментаторы нередко забывают, считая, что единственным содержанием экспериментальных работ являются только измерения.

Третьим этапом экспериментальных исследований должно быть феноменологическое описание обнаруженных зависимостей полученных результатов.

Таким образом, экспериментальное исследование состоит по крайней мере из трех основных этапов: измерение, аналитическое описание, феноменологическое объяснение результатов эксперимента.

Далее будут рассматриваться только наиболее общие методы измерений и аналитического описания результатов, применяемые во всех исследованиях (см.

Поскольку в задачу настоящего учебного пособия не входит описание всех моделей CM-ЭВМ и создаваемых на их базе измерительно-вычислительных комплексов для автоматизации экспериментальных исследований, рассмотрим в качестве примера СМ-4.

большим числом входных и выходных каналов аналогового и дискретного типов и создавать сложные измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) автоматизации экспериментальных исследований.

За небольшими исключениями отошли в прошлое приборы со стрелочными индикаторами в системах экспериментальных исследований, двигающимися линейными и нелинейными шкалами и т.

В предлагаемой структуре книги читатель будет следовать от постановки задачи автоматизации экспериментальных исследований, вытекающей из более общей физической задачи, к классификации экспериментальных исследований (главы 1 и 2), далее к вопросам измерений, оценки их точности, достоверности и аппаратного обеспечения (главы 3—11), к средствам обработки данных (главы 12—17) и к перспективам развития этой области (глава 18).

По ходу изложения приводятся -примеры из различных областей науки и техники, в которых созданы системы автоматизации экспериментальных исследований.

В научных исследованиях прямые измерения используются как составные части так называемых совместных измерений.

Как было отмечено, совместные измерения составляют основу научного исследования.

Рассмотрим пример совместных измерений — исследование зависимости сопротивления полупроводника от температуры.

Появление БИС, микропроцессоров, новой элементной базы, с одной стороны, и повышение требований к быстродействию аппаратуры для современных исследований в области ядерной физики, с другой, вызвали к жизни разработки и проекты новых стандартов на внешние магистральные модульные интерфейсы.

Например, прочностной тензометри-ческий эксперимент для конструкции средней сложности требует подключения к схеме до 1000 тензорезисторов, а экспериментальное исследование сложной конструкции, находящейся под воздействием механических и тепловых нагрузок, может потребовать подключения до десятка тысяч тензорезисторов и несколько сотен термопар,

Измерения являются основой не только исследований, но и всего производства.

На измерения, проводимые в научных исследованиях и в народном хозяйстве, расходуется до 10% всего общественного труда.

кафедрой, руководителю проблемного Совета по автоматизации научных исследований профессору Виттиху В.

СЛУЧАЙНЫЕ ОШИБКИ ИССЛЕДОВАНИИ

Поэтому в отличие от традиционного названия ошибки измерений далее чаще применяется термин ошибки исследований.

Пусть требуется принять решение о развертывании исследований по обогащению естественного урана, суть которых сводится к поиску эффективных методов облучения урана потоком частиц с целью получения делящихся изотопов, ко-тррые можно было бы использовать в ядерных энергетических реакторах.

В результате проведения экспериментальных исследований накапливается большой объем первичных экспериментальных данных.

Так, для ведения информационной службы экспериментальных исследований есть СУБД, ориентированные, в частности, на такие сравнительно простые технические средства, как мини-ЭВМ, например системы ДИАМС, ТЕМИЗ.

Именно такая работа и предусматривается в АСНИ, когда первоначальная информация обрабатывается, дополняется и вновь обрабатывается на различных этапах исследования, пока не будет сформировано полное описание исследуемого объекта (процесса).

В научных исследованиях надежное знание погрешностей служит для определения достоверности утверждений, например утверждения об обнаружении нового явления.

Исследование в общем виде можно представить в виде блок-схемы, изображенной на рис.

Ошибка АФ (ХэКсп), обычно приводимая в научных статьях и отчетах, могла бы характеризовать достоверность результатов, если бы были точно известны все характеристики не только объекта исследований, измерительных и вычислительных систем, но и их взаимное влияние друг на друга.

Существует целый ряд внешних устройств, применение которых в АСНИ или автоматизации экспериментальных исследований весьма желательно, но в то же время связано с большими материальными затратами, примером такого устройства является устройство вывода графической информации на микрофильм или микрофиш— КОМ (computer output microfilm).

АВТОМАТИЗАЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Микроэлектроника — база дальнейшего развития автоматизированных систем экспериментальных исследований (АСЭИ)

В реальных исследованиях информация о величинах X и У всегда неполная, поэтому при вычислении уровня достоверности приходится опираться на гипотезы, правомерность применения которых обычно доказать не удается.

Эти достижения в свою очередь привели к новым архитектурным, схемным и организационным решениям в автоматизации научных исследований.

Возможно в этом кроется одна из причин стремления приводить в •описаниях исследований не только численные значения ошибок, но и доказательства достоверности данных.

В главе 1 мы уже упоминали, что при исследовании какого-либо процесса или объекта стремятся создать его математическую модель.

Однако в сложном экспериментальном исследовании мы имеем не только исследуемый процесс, но и экспериментальную установку, на которой он воспроизводится, систему.

Весь этот комплекс мы и называем автоматизированной системой экспериментальных исследований- Словом "автоматизированная, а не автоматическая, мы подчеркиваем наличие в этой системе человека-экспериментатора.

Это исследование начинается при неполном знании всех параметров и процессов с постепенным в ходе исследования их пополнением и уточнением.

Это открывает для таких систем широкие возможности в области автоматизации экспериментальных исследований, значительно превышающие возможности исходной системы Камак.

На ближайшее десятилетие развитие систем автоматизации экспериментальных исследований будет опираться на ряд стандартов: 370 — на самом нижнем, приборном уровне — это приборный стандарт МЭК 625-1 ГОСТ 26.

Комплексность и вопросы организации автоматизации экспериментальных исследований

Не всякое исследование, проводимое неавтоматизированными методами, можно автоматизировать, получив при этом значительный выигрыш в эффективности (точности, сокращении цикла, сокращении трудоемкости и т.

Исследование должно быть подготовлено к этапу автоматизации.

Для сложных систем автоматизации можно рекомендовать создать сначала их математические модели и, ведя экспериментальное исследование вместе с математическими моделями или натурной аппаратурой методом имитационного моделирования, найти наилучшее решение.

Тензометр закрепляется на объекте исследования, например на стойке фермы моста с помощью струбцинки или специального магнитного держателя.

Автоматизация экспериментальных исследований, автоматизация проектирования (САПР) и автоматизированные системы управления (АСУ)

Созданию больших экспериментальных установок и сложных инженерных объектов предшествует большой объем экспериментальных исследований.

Эксперимент является частью научного исследования.

По мере того, как исследования от позиций фундаментальных наук переходят к прикладным проблемам, эксперимент меняет свою ориентацию, делаясь одним из этапов АСУ или САПР и часто превращаясь в промышленный эксперимент.

Информация стоит больших средств, в особенности если экспериментальные исследования относятся к классам сложного исследовательского или.

Уже сейчас многие системы автоматизации экспериментальных исследований, в особенности промышленного эксперимента, разрабатывается совместно с САПР и АСУ, которые они обслуживают.

В зависимости от итогов анализа отклонения следует выработать новые задачи экспериментальных исследований.

Повышение эффективности системы и сокращение стоимости системы и ее эксплуатации может быть достигнуто по следующим направлениям: а) четкая организация и планирование эксперимента; б) создание иерархических систем для наиболее рационального использования различных устройств, включаемых в АСЭИ; в) использование систем коллективного пользования; г) широкое внедрение стандартов; д) использование устройств САПР и АСУ при создании АСЭИ и, наоборот, использование опыта АСЭИ в САПР и АСУ; е) создание гибкой системы с возможностью использования •или приспособления имеющейся АСЭИ для решения других задач автоматизации экспериментальных исследований; ж) использование моделирования и имитационных установок; з) применение модульности при построении системы с возможностью перекомпоновки модулей или их использования при создании других систем; и) накопление и эффективное использование алгоритмов и программ при разработке математического обеспечения новых АСЭИ.

И- Дискретные информационные системы в научных исследованиях.

Вычислительные системы и автоматизация научных исследований.

В физике и физических исследованиях также наиболее важным и часто применяемым распределением является распределение Гаусса.

— Автоматизация экспериментальных исследований.

Микропроцессоры и микро-ЭВМ, применение в приборостроении и в научных исследованиях.

Вычислительные сети в автоматизации научных исследований (Обзор и перспективы развития).

Материалы VII Всесоюзной школы по автоматизации научных исследований.

Физические исследования: Доклады Советской делегации на Международной конференции по мирному использованию атомной энергии, 1955.

АСНИ — автоматизированная система научных исследований

АСЭИ — автоматизированная система экспериментальных исследований

АЭИ — автоматизация экспериментальных исследований

Автоматизация измерений 221 — экспериментальных исследований (АЭИ) 28

Гидрофизические исследования 245 Гипотеза 42 Гистограмма 97 Графопостроитель 25, 185 Графор 290

Ошибки грубые (промахи) 42, 64 — измерений (исследований!

Экспериментальное исследование 31

Виды экспериментальных исследований.

Роль и задачи автоматизации экспериментальных исследований.

Типовая схема автоматизации экспериментальных исследований.

Цели автоматизации экспериментальных исследований.

Эффективность автоматизированных систем в экспериментальных исследованиях.

Содержание экспериментальных исследований.

Содержание экспериментальных исследований.

Автоматизация гидрофизических исследований.

Режимы работы ЭВМ в системах автоматизации экспериментальных исследований.

Некоторые вопросы дальнейшего развития автоматизации экспериментальных исследований.

Комплексность и вопросы организации автоматизации экспериментальных исследований.

Автоматизация экспериментальных исследований, автоматизация проектирования (САПР) и автоматизированные системы управления (АСУ).

АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Г л а в а 1 ВИДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ

Классификация видов экспериментальных исследований может быть проведена в аспекте различных параметров.

Поскольку мы изучаем автоматизацию экспериментальных исследований, то будем классифицировать сами экспериментальные исследования по такой совокупности параметров, которая определяет различные аппаратные и математические средства, необходимые для их автоматизации.

Например, при исследовании прохождения света через границу сред с разными показателями преломления можно легко установить факт существования преломления.




Главный редактор проекта: Мавлютов Р.Р.
oglib@mail.ru