Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА

АСНИО «Оптимизация характеристик средств сбора и первичной обработки измерительной информации»

Курсовая работа

по дисциплине “Управление в реальном масштабе времени” на тему:

Расчет и проектирование автоматизированной системы научных исследований (АСНИ) «Оптимизация характеристик средств сбора и первичной обработки измерительной информации»

Исполнитель:

Лизунова Н.К.

студент группы 4552

Руководитель:

доц. каф. АСОИУ Валов О.П.

Казань

2017

Содержание

Задание на курсовое проектирование

Информационный расчет

Нагрузочный расчет

Анализ результатов и оценка показателей эффективности АСНИ

Литература

Аннотация

Задание на курсовое проектирование

Разработать проект автоматизированной системы предназначенной для научных исследований, обучения и производственных испытаний системы сбора и обработки аналоговых сигналов, снимаемых с датчиков, установленных на некотором испытательном комплексе, например, на газотурбинном двигателе.

Исходные данные к проекту:

Вариант № 3

Таблица 1

ПАРАМЕТРЫ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ (ОИ)
№ группы датчиков	Количество датчиков в группе	Вид корреляционной функции сигналов на выходе датчиков	Параметр корреляционной функции
j	mj	Rj
1	3		200
2	2		7,0
3	6		5,0
4	9		100

Таблица 2

МЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АСНИ
Допустимая ошибка восстановления сигнала в % от его шкалы, по критерию оценки погрешности восстановления сигнала: наибольшего отклонения - (м) или среднеквадратического отклонения - (ск)	Время сбора данных ( сек. )	Допустимый резерв загрузки ЭВМ в рабочей точке
0	Tсб	R0
4,0(ск)	30(50)	0,15

Основные требования к АСНИ «Оптимизация характеристик средств сбора и первичной обработки измерительной информации»

Система должна обеспечивать одновременный сбор и первичную обработку информации с заданного количества датчиков в течении заданного интервала времени.

Ошибки восстановления сигналов по полученным отсчетам должны быть не более заданных значений.

Резерв по загрузке ЭВМ в рабочей точке на этапе сбора данных должен быть не менее заданной величины.



Информационный расчет

Цель информационного расчета - определение информационной производительности ОИ, обеспечивающей получение конечных результатов с допустимой точностью. При этом необходимо решить следующие задачи:

выбрать способ восстановления сигналов по дискретным отсчетам;

рассчитать параметры квантования сигналов с датчиков по критерию минимума информационной производительности ОИ;

сделать предварительный выбор устройств сбора данных.

Выбор способа восстановления сигналов по дискретным отсчетам осуществляется между ступенчатой и линейной интерполяцией. В начале, как наиболее простая, выбирается ступенчатая интерполяция, и производятся расчет параметров квантования сигналов и предварительный выбор устройств. Но рассчитанные таким образом информационная производительность ОИ и выбранные УСД могут предъявлять чрезмерно высокие требования к ЭВМ (выходить за пределы их возможностей), в этом случае требуется перейти к более сложной, но и более экономичной линейной интерполяции. Линейная интерполяция при тех же частотах, что и в случае ступенчатой интерполяции дает гораздо меньшую погрешность, поэтому допустимую погрешность можно получить на значительно меньших частотах опроса, чем при ступенчатой интерполяции. Проверка соответствия выбранного метода интерполяции и ЭВМ откладывается на этап нагрузочного расчета.

Расчет параметров квантования сигналов осуществляется по следующим формулам:

1. Основная цель данного этапа - расчет частот опроса датчиков, причем таких частот, которые в последующем позволят восстановить сигнал с заданной точностью. Для выполнения этого условия необходимо выполнение неравенства:

При среднеквадратической ошибке - (ск):

²(n,t) ² (1)

При максимальной ошибке - (м):

(n,t) (2)

Здесь - граница для допустимой ошибки восстановления сигнала, задаваемая в процентах от диапазона сигнала (шкала сигнала) и зависит от дисперсии сигнала - :

при равномерном распределении сигнала

при нормальном распределении сигнала

По заданию сигнал распределен по нормальному закону. По закону 3 за достоверные значения с вероятностью большей 90% принимаются только те, которые лежат на далее 3 влево и вправо от точки математического ожидания. Ширина этого диапазона D именуется шкалой.

где - плотность распределения амплитуды сигнала - дисперсия сигнала

U-средняя составляющая напряжения сигнала

U- напряжение сигнала



Размещено на http://www.allbest.ru/

Вероятность превышения напряжения сигнала некоторого уровня равна

Тогда: =₀*D, D=6*_s, D²=36*_s² => _s²=D²/36

²=36*_s²*₀² (3)

Если ошибка составляет 1% от шкалы сигнала с нормальным распределением, то это значит при критерии максимальной ошибки:

и соответственно при критерии СКО:

Среднеквадратическая ошибка при ступенчатой интерполяции имеет вид

(4)

Независимо от выбранного критерия оценки погрешности ошибка восстановления сигнала включает две аддитивные составляющие:

-погрешность квантования сигнала по уровню

(5)

-погрешность дискретизации сигнала по времени

(6)

Здесь n - число двоичных символов отводимых на кодирование одного отсчета, _s² - дисперсия сигнала, R() - корреляционная функция сигнала.

Подставив выражения (3), (4), (5), (6) в (1) получим:

Упростим это выражение:

Разрешив это неравенство, как:

f_i(n, ), найдем частоты опроса датчиков в зависимости от размера разрядной сетки для кодирования одного отсчета и допустимой ошибки восстановления.

Для удобства интегрирования корреляционную функцию R() целесообразно разложить в ряд Маклорена с точностью до двух первых ненулевых членов ряда.

Рассчитав частоты опроса датчиков в зависимости от n построим функцию информационной производительности для каждого датчика (одного из датчиков в группе однотипных датчиков):

B_i=n_if_i

Здесь B_i - информационная производительность i-го датчика, n_i - число двоичных символов отводимых на кодирование одного отсчета с i-го датчика (разрядность АЦП), f_i - частота опроса i-го датчика.

Рис. 2

Точка минимума функции информационной производительности указывает на оптимальную производительность датчика из которой вычисляется оптимальная частота опроса:

f^opt=B^opt/n^opt

Поскольку датчики внутри групп эквивалентны по частоте, то указанный расчет достаточно произвести только для одного датчика из каждой группы.

Расчет:

1-ая группа датчиков.

=200 [1/сек].



Вид модели сигнала:

R()= exp(-||)

Ряд Маклорена:

²(n,t)²

Значения частоты дискретизации по полученной формуле приведены в таблице 3, здесь же приводятся соответствующие значения производительности источника измерительного сигнала.

Таблица 3

n	4	5	6	7	8	9	10
fi	311,23	285,12	279,56	278,22	277,88	277,80	277,78
Bi	1244,94	1425,61	1677,35	1947,54	2223,10	2500,24	2777,84

n^opt=4 n=6 n=10

f^opt=311,23 f⁶=279,56 f¹⁰=277,78

B^opt=1244,94 B⁶=1677,35 B¹⁰=2777,84

Рис. 3

Для остальных групп датчиков расчет аналогичен, поэтому приведем только оптимальные рассчитанные величины и значения f и B для n=6 и n=10:

2-ая группа датчиков.

= 7,0 [1/сек].

Вид модели сигнала: R()=

Таблица 3.1.

n	4	5	6	7	8	9	10
fi	152,56	128,04	123,09	121,91	121,62	121,55	121,53
Bi	610,27	640,20	738,55	853,40	972,99	1093,96	1215,33

n^opt=5 n=6 n=10

f^opt=128,04 f⁶=123,09 f¹⁰=121,53

B^opt=640,20 B⁶=738,55 B¹⁰=1215,33

Рис.4

3-ая группа датчиков.

= 5,0[1/сек].



Вид модели сигнала: R()=

Таблица 3.2.

n	4	5	6	7	8	9	10
fi	108,97	91,45	87,92	87,08	86,87	86,82	86,80
Bi	435,90	457,28	527,54	609,57	694,99	781,40	868,09

n^opt=5 n=6 n=10

f^opt=91,45 f⁶=87,92 f¹⁰=86,80

B^opt=457,28 B⁶=527,54 B¹⁰=868,09

Рис.5

4-ая группа датчиков.

= 100 [1/сек].

Вид модели сигнала:

R()=

Таблица 3.3.

n	4	5	6	7	8	9	10
fi	269,534	246,92	242,10	240,94	240,65	240,58	240,56
Bi	1078,15	1234,62	1452,64	1686,62	1925,26	2165,27	2405,68

n^opt=5 n=6 n=10

f^opt=246,92 f⁶=242,10 f¹⁰=240,56

B^opt=1234,62 B⁶=1452,64 B¹⁰=2405,68

Рис.6



После расчета оптимальной производительности каждого датчика рассчитывается оптимальная производительность ОИ (объекта исследования):

Здесь m - число датчиков в системе.

или

Здесь K - число групп однотипных датчиков; m_j - число датчиков в j-ой группе; B_j^opt - оптимальная производительность одного из датчиков в j-ой группе.

Оптимальная производительность является минимальной производительностью ОИ. Мы стремимся к минимальной производительности, так как она требует минимальных затрат оборудования, а следовательно обладает минимальной стоимостью.

Пример расчета:

=26072+9700+62010+3112,25=30840,75

По полученным данным производится предварительный выбор вариантов и требуемое количество УСД. Также необходимо выполнить технологическое условие состоящее в том, что разрядность АЦП должна быть одной и той же для всех УСД используемых в АСНИ (в данном случае n=6 или n=10). Отход от некоторых оптимальных параметров квантования приведет к некоторому увеличению информационной производительности ОИ (избыточности) на величину:

Здесь m - число датчиков в системе; B_iⁿ - информационная производительность i-го датчика при n удовлетворяющем технологическому условию; B_i^opt - оптимальная производительность i-го датчика.

или

Здесь K - число групп датчиков; m_j - число датчиков в системе; B_jⁿ - информационная производительность любого датчика j-ой группы при n удовлетворяющем технологическому условию; B_j^opt - оптимальная производительность любого датчика j-ой группы.

Для перехода к 6-ти или 10-ти разрядной сетки рассчитываются величины:

Переход осуществляется к той разрядности АЦП которая обладает меньшей разностью B_n. Таким образом выбирается разрядность АЦП n_АЦП в АСНИ.

При выбранной разрядности АЦП датчики в каждой из групп опрашиваются с одинаковой частотой равной оптимальной или избыточной. Эту реальную частоту опроса датчиков назовем f_oi. Эта частота, полученная на этапе информационного расчета, не является конечной расчетной величиной. Впоследствии, на этапе нагрузочного расчета, может быть получена другая частота. Но это значение частоты является минимальным для условий поставленных в техническом задании.

Результаты расчетов параметров квантования сводятся в таблицу (см. таблицу 4).

Информационная избыточность вносимая УСД характеризуется следующим коэффициентом:

Расчет:

B₆=2(6918-6072)+9(816-700)+6(2351-2010)+3(134,4-112,25)=4848,45

B₁₀=2(11330-6072)+9(1349-700)+6(3886-2010)+3(224-112,25)=27948,25

Так как B₆ <B₁₀, то выбираем n_ацп=6.

Результаты расчетов параметров квантования сведем в таблицу:

Таблица 4

№ группы датчиков	Количество датчиков в группе	Параметры квантования
j	mj	foi, Гц	nацп
1	3	281,69	6
2	2	123,06	6
3	6	102,12	6
4	9	270,27	6



Информационная избыточность вносимая УСД:

Нагрузочный расчет

Цель нагрузочного расчета - формирование рабочей нагрузки АСНИ во времени между устройствами системы. При этом необходимо решить следующие задачи:

выбрать режим сбора и первичной обработки данных;

рассчитать параметры временной диаграммы работы АСНИ по критерию минимума непроизводительных затрат при ограничении на скорость сбора данных;

рассчитать требуемый объем оперативной памяти;

выбрать ЭВМ, состав программного обеспечения и интерфейс (предварительно) из заданного набора альтернативных вариантов.

Снятие показания с датчика и его первичную обработку будем считать прикладной задачей. Для опроса i-го датчика каждый раз запускается i-ая прикладная задача. В начале расчета подсчитывается С₀ - суммарная частота запуска прикладных задач по следующей формуле:

Здесь m - число датчиков в системе, f_oi - частота опроса i-го датчика (получены на этапе информационного расчета).

Вводится понятие потенциальной нагрузочной характеристики (ПНХ). Она характеризует уменьшение потенциальных возможностей системы, при увеличении расходов на диспетчеризацию. Расход на диспетчеризацию тем больше, чем чаще появляются запросы на запуск прикладных задач. В общем виде ПНХ может быть представлена следующим образом:

_n(C)=1-_д(C)

Здесь _д(C) - приведенные затраты процессорного времени на диспетчеризацию.

_д(С)=1-_п(С)

0_n(C)1

Конкретный вид ПНХ определяется выбранной операционной системой (ОС). Операционная система выбирается в соответствии с запросами системы и с учетом критерия минимизации стоимости системы. Возможные ОС представлены в П1 пункт 6.2.3 таблица 6. Наиболее быстродействующей является 3-я ОС.

Рис. 7

Каждому рабочему режиму АСНИ на плоскости нагрузочной характеристики соответствует рабочая точка (РТ) с координатами: C_рт и _рт.

_рт=С_рт(_усд+_инт+_по)

_усд - задержка вносимая УСД.

Здесь С_усд - максимальная скорость преобразования, выбирается из [1] пункт 6.2.3 таблица 2.

_инт - задержка вносимая интерфейсом при обмене данными между ЭВМ и УСД, выбирается из П1 пункт 6.2.4 таблица 4.

_по - затраты процессорного времени не связанные с обменом (подготовительные операции, первичная обработка), выбирается из П1 пункт 6.2.4 таблица 5.

При выборе ОС значения ₁ и ₂ в П1 таблица 6, а также _по даны для 3-ей ЭВМ. Для их пересчета на выбранный вариант ЭВМ используются формулы:

Здесь

, , - значения для выбранной ЭВМ;

, , - значения для 3-ей ЭВМ из П1 таблицы 5 и 6;

, , , - индивидуальные коэффициенты производительности для выбранной и 3-ей ЭВМ из П1 пункт 6.2.3 таблица 3.

Для выполнения ограничений на верность восстановления сигнала необходимо, чтобы на этапе сбора данных частоты опроса датчиков были равномерными и лежали в заданных пределах:

f_i f_oi

Здесь f_oi - частота опроса i-го датчика при выбранной разрядности АЦП (n_ацп), полученные на этапе информационного расчета; f_i - реальная частота опроса i-го датчика. f_i может быть больше f_oi для выбранной разрядности АЦП, но не меньше, так как в этом случае не будет обеспечено восстановление сигнала с заданной точностью.

Варьируя значением f_i мы перемещаем РТ по плоскости ПНХ (по координате С_рт), тем самым выбирая выгодное для нас положение РТ, при котором обеспечивается восстановление сигнала с заданной точностью и минимальная стоимость используемого оборудования. Изменение стоимости происходит за счет выбора различных устройств (движение по координате _рт).

При выборе f_i и устройств необходимо обеспечить выполнение условия:

_n(С_рт) _рт(С_рт)+R₀

или

R_{0 n}(С_рт)-_рт(С_рт)

Здесь R₀ - допустимый резерв загрузки ЭВМ в РТ заданный в техническом задании.

Для удобства обозначим:

=f₀

Последовательность запуска прикладных задач формируется по циклограмме, которая представляет собой список номеров задач, расположенных в нужной последовательности. В начале каждого такта диспетчер по сигналу от таймера считывает очередной элемент циклограммы и запускает соответствующую задачу. По окончании циклограммы происходит возврат к ее начальному элементу. В циклограмме могут быть не заполненные такты. Это означает, что в соответствующем такте временной диаграммы выполняется фоновая работа (например, завершение ранее прерванных задач).

Если пронумеровать все такты временной диаграммы элементами натурального ряда чисел , то последовательность номеров тактов, в которых вызывается i-ая задача, можно рассматривать как класс вычетов _i по модулю r _i. Здесь _i (начальная фаза) - номер такта временной диаграммы, в котором i-ая задача вызывается в первый раз; r_i (тактовое расстояние) - расстояние между соседними моментами запуска i-ой задачи, выраженное в тактах временной диаграммы. r_i и _i - целые числа. Тогда частоты запуска задач:

f _i = f₀ / r _i

Рис. 5

Выбор параметров временной диаграммы f₀, =[₁,₂,...,m], r=[r₁,r₂,...,r_m], где m - число датчиков в системе, следует проводить по критерию минимума суммарной загрузки процессора. Чем меньше загрузка процессора, тем менее производительный процессор можно использовать в АСНИ, а следовательно снизить ее стоимость. Для поиска минимальной загрузки процессора необходимо решить следующую задачу:

При следующих ограничивающих условиях:

r_i f₀/f_oi - ограничение на погрешность восстановления, вытекающее из требования f_i f_oi и f_i=f₀/r_i;

_i(mod r_i)_j(mod r_j) - требование, согласно которому в каждом такте временной диаграммы должно начинаться выполнение не более одной задачи;

н.о.к (r₁,r₂,r₃,...,r_m)N₀ - ограничение на длину циклограммы, накладываемое оперативной памятью (н.о.к - наименьшее общее кратное).

На этапе предпроектного анализа целесообразно использовать следующий подход к выбору параметров временной диграммы. Примем тактовое расстояние r_i равным ближайшей к f₀/f_oi степени числа 2, меньшей f₀/f_oi, т.е. r_i=[f₀/f_oi]₂=2. При этом задача сведется к нахождению величины f₀, минимизирующей суммарную загрузку процессора

(f₀)=_рт(f₀)+_д(f₀)

при следующем ограничении:

Здесь К_з.ц. - коэффициент загрузки циклограммы, характеризует долю ненулевых элементов в циклограмме, М - число датчиков в системе.

Функция (f₀) имеет пилообразный характер, причем, локальные минимумы наблюдаются в “особых” точках, имеющих следующие значения:

S^(k,i) = f_oi 2^k, i=1,2,...,m k=1,2,....

Значение частоты f₀, обращающее в минимум, лежит на интервале [C₀, 2C₀] в одной из особых точек. Напомним, что:



Ограничивающее условие К_з.ц. можно записать в следующем виде:

Здесь K - число групп датчиков, М_j - число датчиков в j-ой группе, (2^к)_j - тактовое расстояние кратное степени числа 2 для j-ой группы.

Алгоритм определения параметров временной диаграммы состоит из следующих этапов: автоматизированный комплекс газотурбинный двигатель

Этап 1

Вычисление области поиска рабочей частоты циклограммы f₀: [C₀, 2С₀] - значения тактовой частоты циклограммы из указанного интервала должны выбираться по возможности наименьшими, что снизит требования на быстродействие КТС.

C₀=3282+2124+6103+9271=4151

Область поиска рабочей частоты циклограммы: [4151; 8302]

Этап 2

Значения тактовой частоты циклограммы из найденного интервала могут определяться, например, наличием генератора стабильной частоты, но предпочтительнее их выбирать из тех, которые обеспечивают более близкое к 1 значение .

Выбор предпочтительных частот:

С₀f_oi2 2C₀

Для каждой группы датчиков вычисляется:



С_j = f_j 2

Здесь f_j - частота опроса f_oi любого датчика j-ой группы.

C₁ = 2822⁴ =4512

C₂ = 1242⁶ =7936

C₃ = 1032⁶ =6592

C₄ = 2712⁴ =4336

Этап 3

Из рассчитанных для каждой группы С_j выбирается наименьшая С_j и проверяется в качестве тактовой частоты циклограммы - f₀. Вычисляются тактовые расстояния для каждой группы датчиков - значения (2^к)_j=[f₀/f_oi]_{2 .}

По условию построения равномерной адаптивной циклограммы тактовые расстояния в нашем случае выбираются кратными степени двойки, что может иметь то преимущество, что в качестве задатчика циклограммы можно использовать двоичный счетчик. Если для выбранной частоты циклограмма может быть построена - удовлетворяется условие К_з.ц. 1, то f₀ считается допустимой и квазиоптимальной для всех особых точек (f₀). В противном случае она отбрасывается и этап 3 повторяется для других по порядку возрастания С_j . При таком подходе полученная f₀ является минимальной из возможных, где загрузка процессора также минимальна.

Начинаем подбор с меньшей частоты C₄=4336:

Выбор исследуемой тактовой частоты циклограммы (4336 гц.) позволяет получить, по крайней мере, для одной дроби искомый результат, совпадающий со значением равным степени двойки, что уменьшает процент пустых тактов в циклограмме и позволяет считать это значение частоты наиболее предпочтительным. Выбор в качестве тактовых расстояний степеней двойки (4,32,16,256), меньших расчетных значений, обуславливается необходимостью обеспечения заданной точности восстановления сигнала.

Вычислим коэффициент заполнения циклограммы:

Так как условие К_з.ц. 1 не выполняется, то переходим к следующей частоте:

Возьмем в качестве рабочей частоты циклограммы С₁=4512 гц.:

Так как условие К_з.ц. 1 не выполняется, то переходим к следующей частоте:

Возьмем в качестве рабочей частоты циклограммы С₃=6592 гц.:



Таким образом в качестве С_рт выбирается С₁:

f₀= Срт=С₁=6592 гц.

Этап 4

Вычисляются тактовые расстояния и частоты запуска для каждой прикладной задачи:

r_i = [f₀ / f_oi]₂

f_i = f₀ / r _i

Каждой прикладной задаче в порядке возрастания тактовых расстояний назначается начальная фаза _i и составляется циклограмма.

Вычисляется длина циклограммы:

N_ц = max{r₁,r₂,...,r_m}

Номера датчикам назначаются следующим образом: 1-ая цифра - номер группы, которой принадлежит датчик, 2-ая цифра - номер датчика в группе.

Параметры временной диаграммы сведем в таблицу:



Таблица 6

№ датчика	Параметры циклограммы	Частота опроса, Гц
i	ri	i	foi	fi
11	16	1	282	412
12	16	2	282	412
13	16	11	282	412
21	32	12	124	206
22	32	13	124	206
31	64	14	103	103
32	64	15	103	103
33	64	16	103	103
34	64	27	103	103
35	64	28	103	103
36	64	29	103	103
41	16	3	271	412
42	16	4	271	412
43	16	5	271	412
44	16	6	271	412
45	16	7	271	412
46	16	8	271	412
47	16	30	271	412
48	16	31	271	412
49	16	32	271	412

Длина циклограммы:

N_ц = max{r₁,r₂,...,r_m}= 256 тактов.

Построим циклограмму:

Таблица 7

11	12	13	41	42	43	44	45	46	47	48	49	21	22	31	32
11	12	13	41	42	43	44	45	46	47	48	49	33	34	35	36
11	12	13	41	42	43	44	45	46	47	48	49	21	22
11	12	13	41	42	43	44	45	46	47	48	49

Заполнение циклограммы начинают с отведения тактов для датчиков с меньшими тактовыми расстояниями. Датчикам присваиваются двухзначные номера, где первая цифра означает номер группы датчика, а вторая цифра номер датчика в группе.

После построения циклограммы опроса рассчитываются _рт и _п для выбранного оборудования, и проверяется условие:

_{п рт} + R₀ (7)

Если необходимо делаются замены в составе аппаратно-программного обеспечения и вновь проверяется условие. Таким образом выбирается необходимое оборудование.

С целью уменьшения трудоемкости расчетов целесообразно на начальном этапе исключить из рассмотрения сочетание программно-аппаратных средств АСНИ, заведомо недопустимых по производительности. Для этих вариантов не выполняется хотя бы одно из следующих неравенств:

_п(С₀) _рт(С₀) + R₀ (8)

МV_зсд+V_ос+N_ц+С₀ n₀ T_сб maxV_озу (9)

Здесь М - число датчиков в системе; V_зсд и V_ос - объем занимаемой ОП выбранными ЗСД и ОС соответственно; Т_сб - время сбора данных (задается в техническом задании); V_озу - имеющийся объем ОП в выбранной ЭВМ; n₀=[n_ацп/8], где[ ] означает дополнение до большего целого.

Объем занимаемой оперативной памяти ЭВМ в РТ рассчитывается по формуле:

V_озу= МV_зсд+V_ос+N_ц+С_рт n₀ T_сб

Также необходимо чтобы объем занимаемой памяти был меньше максимально допустимого объема ОП выбранной ЭВМ:V_озу maxV_озу.

Задачу выбора работоспособного варианта системы сбора и обработки данных по проектированной системе можно было бы решить простым перебором, но такой подход даже в данном случае (ЭВМ-7, интерфейс-3, УСД-4, ОС-3) предполагает проверку 7*3*4*3=252 возможных вариантов решения, что является достаточно трудоемкой задачей.

Задача выбора оптимального варианта состава системы относится к классу целочисленных аддитивных задач динамического программирования, решение которых предполагает определенную последовательность выбора функциональных элементов системы [3], учитывающую характер изменения целевой функции при выборе последовательности шагов нахождения работоспособной системы минимальной стоимости (в нашем случае).

Подбор начинают с выбора подходящего варианта элемента системы, обладающего большим значением целевой функции (наибольшей стоимостью), после которого переходят к выбору элементов, обладающих наибольшей стоимостью по отношению к оставшимся и т.д..

Шкала изменения стоимостей элементов системы представлена в таблице ниже.

	1	2	3	4	5.6	7
ОЗУ	5.6.7	1.2.3.4
УСД	1	2	3	4
ОС (с настройкой)	1	2	3
Интерфейс
Стоимость	100	1000	10000	10000 С у.е.

До выполнения топологического расчета неизвестной является стоимость системы связи, поэтому выполненный нагрузочный расчет является неокончательным и требует уточняющей проверки после определения стоимости интерфейсов.

Также, рекомендуется проверять условие (9) на любом этапе нагрузочного расчета.

Так как для нашего варианта имеется только один алгоритм ЗСД, то можно рассчитать объем ОП занимаемый ЗСД:

МV_зсд=20200=4000 байт

Также можно рассчитать объем ОП занимаемый циклограммой и регистрируемой измерительной информацией на этапе сбора данных (так как при выборе оборудования они остаются неизменными):

С_ртn₀T_сб+N_ц=6592130+64=197 824байт

Минимальный объем ОП занимаемый ОС:

V_ос=51024=5120 байт

Таким образом минимальный требуемый объем ОП:

V_озу=МV_зсд+V_ос+N_ц+C_ртn₀T_сб=4000+5120+197 824=206944 байт

V_озу > 128кб = 206944 байт

Поэтому выбор ЭВМ возможен только между 5-ой и 7-ой машиной, так как их максимальный объем памяти равен 256 кб. Дальнейший подбор устройств КТС рекомендуется проводить в такой последовательности, когда сначала подбираются более дорогостоящие составляющие КТС и ПО: ЭВМ, интерфейс, УСД и ОС. Так как все параметры задержек задаются в методическом пособии для третьей машины, соответствующие параметры для других ЭВМ определяются с помощью коэффициентов пересчета (см. начало нагрузочного расчета 2). В нашем случае так как 5-ая ЭВМ дешевле, то целесообразнее выбрать ее. Проверим выполнение условия (7) для 5-ой ЭВМ:

Пересчитаем _по на 5-ю машину:



мкс

Выберем самое быстродействующее оборудование и ПО:

параллельный интерфейс сек

3-й вариант УСД сек

3-й вариант ОС (пересчитаем на 5-ю ЭВМ)

сек

Пятая машина подходит. Проверим параллельно-последовательный интерфейс.

Так как резерв по нагрузке для выбранных устройств значительно превышает допустимый, то выберем более дешевые и менее быстродействующие устройства. Так как львиная доля стоимости приходится на сеть связи, то желательно значительно снизить стоимость интерфейса. Возьмем самый дешевый 3-й вариант интерфейса, а также более дешевое УСД - 1-й вариант. Проверим выполнение условия (7):

Пересчитаем _по на 5-ю машину:

мкс

Выберем самое быстродействующее оборудование и ПО:

Параллельный последовательный интерфейс сек

3-й вариант УСД сек

3-й вариант ОС (пересчитаем на 5-ю ЭВМ)

сек

Параллельно-последовательный интерфейс не подходит. Оставляем параллельный интерфейс.

Так как резерв не допустимый вариант, попробуем изменить вариант ОС. Возьмем 2-ую ОС:

Пересчитаем параметры 2-ой ОС на 5-ю ЭВМ:

сек

сек

Проверили 2-ую ОС, не подходит. Используем 3-ю ОС. Интерфейс параллельный.

Возьмем самый дешевый 3-й вариант интерфейса, а также более дешевое УСД - 1-й вариант. Проверим выполнение условия (7):

_усд=100 мкс



Резерв по нагрузке ЭВМ в рабочей точке не обеспечивается, поэтому остановимся на предыдущем варианте ОС, где резерв R=0,1841, что на 20% больше допустимого.

Рассчитаем объем ОЗУ необходимый для нашей АСНИ и число блоков памяти по 16 кб=16384 байт:

Как указывалось выше

МV_зсд=4000 байт

N_ц+C_ртn₀T_сб=197 824 байт

Для выбранного варианта ОС: V_ос=10 кб=10240 байт

Таким образом требуемый объем памяти:

V_озу=МV_зсд+V_ос+N_ц+C_ртn₀T_сб=212065 байт

Количество блоков памяти: h= [V_озу / 16 кб]=[212065/ 16384]=[12,943]=13

Таким образом, получим следующий состав аппаратно-программного обеспечения:

5-й вариант ЭВМ

1-й вариант интерфейса параллельный _инт=30 мкс

1-й вариант алгоритма ЗСД _по=21,8 мкс

3-ой вариант ОС

^* 13 блоков памяти по 16 кб h=13

Основные величины:

С_рт=6592

_рт(Срт)= 0.3368

_п(С_рт)= 0.778

Когда окончательно выбрано оборудование, рассчитываются следующие величины:

- величина средних затрат процессорного времени на однократное выполнение одной задачи. Численно равна тангенсу угла наклона отрезка прямой соединяющей РТ с началом координат.

= _рт / С_рт

С_s - производительность системы в РТ, является проекцией точки пересечения ПНХ с прямой проходящей через начало координат и РТ. Определяется как корень следующего уравнения:

C_s = _п(C_s)

C_max - теоретический предел производительности системы.

С_max = C_s при 0.

Определяется из следующего уравнения: _п(C_max)=0

Приведенные затраты процессорного времени на диспетчеризацию в РТ:_д(C_рт)=1-_п(C_рт)

По полученным данным вычерчивается график ПНХ.



При 0 С_sС_max:

Решив квадратное уравнение получим С_max=22072

_д(С_рт)=1-0,778=0,222

Построим ПНХ:

Рис. 6

Основные величины и выражения:

ь Вид ПНХ:

ь Суммарная частота запуска прикладных задач в РТ: С_рт=6592

ь Производительность системы: С_s=11374

ь Теоретический предел производительности системы: С_max=22072

ь Резерв загрузки ЭВМ в РТ: R_рт=0,1841

ь Загрузка процессора в РТ: _рт(С_рт)= 0.3368

ь Максимальная возможная загрузка процессора в РТ: _п(С_рт)= 0.778

Анализ результатов и оценка показателей эффективности АСНИ

Указывается перечень аппаратных и программных средств оптимальной АСНИ и стоимость последней:

Q_s=Q_усд+Q_эвм+Q_бп+Q_ос+Q_сети

Здесь Q_усд - стоимость всех УСД в АСНИ;

Q_эвм, Q_бп - стоимость ЭВМ и блоков оперативной памяти соответственно;

Q_ос - стоимость операционной системы;

5-й вариант ЭВМ

1-й вариант интерфейса параллельный _инт=30 мкс

1-й вариант алгоритма ЗСД _по=21,8 мкс

3-ой вариант ОС

^* 13 блоков памяти по 16 кб h=13

Расчет стоимости АСНИ:

Q_усд=3500=1500 у.е.

Q_эвм=4010³ у.е.

Q_озу=10³h=10³13=13000 у.е.

Q_ос=2000 у.е. (с настройкой)

Таким образом стоимость АСНИ:

Q_s=1500+40000+13000+2000=56500 у.е.

Параметры временной диаграммы работы АСНИ на этапе сбора данных сводятся в Таблицу 9

Таблица 9

Параметры временной диаграммы
№ датчика	Параметры циклограммы	Частота вызова, Гц	Избыточность по загрузке
I	ri	i	foi	fi	i=(fi-foi)
11	16	1	282	412	0
12	16	2	282	412	0
13	16	11	282	412	0
21	32	12	124	206	0
22	32	13	124	206	0,01005
31	64	14	103	103	0,01005
32	64	15	103	103	0,01005
33	64	16	103	103	0,01005
34	64	27	103	103	0,00015
35	64	28	103	103	0,00015
36	64	29	103	103	0,00015
41	16	3	271	412	0,00015
42	16	4	271	412	0,00015
43	16	5	271	412	0,00015
44	16	6	271	412	0,00015
45	16	7	271	412	0,00015
46	16	8	271	412	0,00015
47	16	30	271	412	0,00015
48	16	31	271	412	0,00375
49	16	32	271	412	0,00375
11	16	1	282	412	0,00375
12	16	2	282	412	0,00375
13	16	11	282	412	0,00375
21	32	12	124	206	0,00375
22	32	13	124	206	0,00375
31	64	14	103	103	0,00375

Параметр характеризует избыточную загрузку процессора выполнением i-ой задачи в следствии запуска последней с избыточной частотой f_i. Избыточная загрузка зависит от качества заполнения циклограммы, которое оценивается показателем:

К_ц=₀ / _рт

Здесь - нижний теоретический предел загрузки процессора в РТ,

где (см.таблицу №9)

Информационная избыточность, вносимая при работе по временной диаграмме, параметры которой указаны в Таблице №9, оценивается коэффициентом:

Здесь - суммарная частота запуска прикладных задач на этапе сбора данных.

Производительность АСНИ в РТ вычисляется по формуле:

Резерв АСНИ по нагрузке в рабочей точке на этапе сбора данных:

, где С_s - производительность системы в РТ.

Информационная производительность АСНИ в РТ на этапе сбора данных (скорость записи информации в ОЗУ) не превышает величины:

B_s=8n₀C / K_сж [бит/сек]

Здесь n₀ - коэффициент определяемый по формуле n₀=[n_ацп/ 8], где = []-значение выражения в скобках, дополненное до большего целого;

К_сж - средний коэффициент сжатия данных в системе (с учетом датирования).

Объем оперативной памяти, требуемый для регистрации измерительной информации на этапе сбора данных, равен:

V_озу=B_sT_сб/ 8 [байт]

Информационная избыточность, вносимая при записи данных в ОЗУ, оценивается коэффициентом:

_д= 8n₀ / n_ацп- 1

Информационная избыточность АСНИ в целом равна:

_s=(_усд+1)( _вд+1)( _д+1)-1

Стоимостной дисбаланс АСНИ характеризует асимметрию загрузки системы и рассчитывается по следующей формуле:

Здесь Q_i - стоимость i-ой компоненты АСНИ;

_i - загрузка (или коэффициент использования) i-ой компоненты.

Компонентами АСНИ являются УСД, ЭВМ, блоки памяти, сеть связи, ОС. Их стоимости соответственно: Q_усд, Q_эвм, Q_бп, Q_сети, Q_ос.

Загрузка компонент:

_усд= С_рт/ С_усд

_эвм= С_рт/ С_s

_бп= h без приведения к большему целому [h]

_сети = К_з.ц.

_ос = 1

Расчет:

₀ = С₀(_по+_инт+_усд)=4151(21,810^-6+2510^-6+10010^-6)=0,6351

_рт= 0,3368

К_ц= _0/рт= 0,6351 / 0,3368=1,88

С =4123+2062+10364129=5974

С₀ = 4151

_вд= (С - С₀) / С₀ =(5974- 4151) / 4151= 0,43

_рт / С = 0,3368 / 5974= 0,00005638сек = 563,8мксек

Что при длительности такта:

₀ = 1 / f₀ = 1 / 5974= 0,00016739 сек =167,39мксек

составляет более половины процессорного времени, затрачиваемого на выполнение полезной работы.

С_s = 11374

R_s = C_s / C - 1 = 11374/ 5974- 1 = 5399

n₀ = 1, K_сж = 1

B_s = 8n₀С / К_сж = 815974/ 1 = 47792бит/сек

Т_сб= 30 сек

V_озу = B_sТ_сб / 8 = 4779230 / 8 = 179220 байт

n_ацп= 6

_д = 8n₀ / n_ацп- 1 = 8 / 6 -1 = 0,33

_усд= С_рт/ С_усд = 6592 / 4010³ = 0,1648

_эвм= С_рт/ С_s = 6592 / 3747 = 1,75

_бп= 8,345 / 9 = 0,9272

_сети = 199 / 256 = 0,77734

_ос = 1

_s = (_усд+1)( _вд+1)( _д +1) - 1 = (0,1648+1)(0,43+1)(0,33 +1) - 1 = 1,2153

D_Q=

D_Q= - 1 = 1,064

Структурная схема АСНИ:

УСД - устройство сбора данных;

УС - устройство сопряжения;

ПУ - периферийное устройство;

ПР - процессор;

БП - блок памяти.

Рис. 7

Перечень аппаратно-программного обеспечения с калькуляцией стоимости АСНИ:

Тип и параметры устройства	Стоимость в условных единицах
1-й вариант УСД усд=100 мкс	1500
5-й вариант ЭВМ	40103
1-й вариант интерфейса параллельный инт=30 мкс
1-й вариант алгоритма ЗСД по=21,8 мкс
3-ой вариант ОС	2000
13 блоков памяти по 16 кб	13000
Суммарная стоимость КТС АСНИ и ПО	56500



Литература

1. В.А. Виттих, В.А. Цыбатов Проектирование АСНИ. Метод. Указания. Москва, 1984.

2. О.П. Валов. Автоматизация сбора и первичной обработки информации. Учебное пособие по дисциплине «Системы реального времени» для студентов спец. 230102(2202).РИО.КГТУ.2002

3. Е.С. Вентцель «Элементы динамического программирования» изд-во Наука М. 1964г



Аннотация

В проекте разработана автоматизированная система, предназначенная для научных исследований и производства испытаний газотурбинных двигателей (АСНИ ГТД).

Исходные данные приведены в начале пояснительной записки к курсовому проекту.

Проект включает следующие этапы:

Информационные расчеты (для интерполяции 0 и 1 порядка)

Нагрузочные расчеты (проверочный и основной)

Топологический расчет

Анализ результатов

На первом этапе получены реальные частоты опроса датчиков и информационная производительность объекта исследований. Информационный расчет проводился в два этапа. Так как при использовании для восстановления сигналов метода ступенчатой интерполяции частота следования выборок сигнала не позволила сформировать необходимый КТС АСНИ, пришлось провести вторично информационный расчет для метода линейной интерполяции. В результате получена следующая суммарная частота следования выборок с датчиков: C₀=3282+2124+6103+ 9271=4151(гц). По минимуму суммарной производительности системы сбора определена наиболее подходящая разрядность АЦП - 6.

На втором этапе построена адаптивная равномерная циклограмма опроса системы датчиков АСНИ и получена ее рабочая частота Срт=6592 гц. Произведен расчет рабочей нагрузки АСНИ, построена ее потенциальная нагрузочная характеристика. Производительность системы в рабочей точке составила С_s=11374 гц, а резерв по нагрузке равен R = 0,15. По критерию минимальной стоимости сформирован оптимальный состав аппаратно-программного комплекса АСНИ.

Размещено на Allbest.ru

...