ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Использование вычислительной техники из "Химическое формование полимеров" Для обеспечения константами математического описания процессов химического формования проводят серию лабораторных экспериментов, основу которых составляют теплофизические и механические методы. Сложная динамика физических и химических свойств полимерных систем и большой объем информации, получаемой в таких экспериментах, делают необходимым автоматизацию этих исследований с помощью вычислительной техники. Это позволяет проводить анализ характеристик состояния объекта в реальном времени (скорости измерения и обработки превышают скорость процесса), что дает возможность управлять состоянием для оптимизации режима ведения процесса (температуры, состава и т. д.) [167]. Создаваемые экспериментальные установки или приборы должны иметь необходимый набор датчиков с вычислительными мощностями (микропроцессорами) с последующим объединением их через локальную вычислительную сеть с центральной ЭВМ или без нее. При таком построении экспериментальной установки, которая оказывается весьма сложной, возникает проблема выбора приборного базиса , т. е. определения минимального числа датчиков, позволяющего описать изучаемое явление, а информация о поведении полимерного материала должна быть получена для одного образца с последующей корреляцией всех физикохимических характеристик. [c.96] Учитывая гибкость средств вычислительной техники, необхо-ди.мо иметь в виду, что созданная локальная автоматизированная система может стать составной частью более крупной системы, объединяющей большее число приборов. [c.97] Анализ тенденций в любой экспериментальной науке, в том числе в физикохимии полимеров, приводит к заключению, что системные технические программные средства для создания вычислительного комплекса автоматизации научных исследований, включающие устройства непосредственного общения с объектом (датчики, первичные преобразователи, согласующие устройства и т. д.) и гарантирующие его развитие, должны характеризоваться независимостью от вида ЭВМ наличием переменной структуры, достигаемой не аппаратурными, а программными способами присутствием гибких прямой и обратной связей объектов с ЭВМ легкостью разработки технических средств, обеспечивающих живучесть системы рациональной организацией потоков информации от объекта к ЭВМ и обратно унификацией механических и электрических стандартов аппаратуры. [c.97] Реологические и калориметрические исследования и их управляемые варианты являются в значительной степени типовыми и характеризуются четкостью алгоритмов. Это позволяет использовать для организации связи ЭВМ с объектами изучения современные типы интерфейсов. [c.97] Интерфейс — это промежуточная система, установленная между измерительным устройством и ЭВМ, которая быстро, например в реальном масштабе времени, реагирует на сигналы запроса, приема, передачи информации, способна принять информацию, перекодировать ее в форму, приемлемую для канала ЭВМ, и переслать в ЭВМ. [c.97] Такой способ обеспечивает высокий уровень организации средств вычислительной техники, унификацию и взаимозаменяемость основных элементов модулей, их совместимость по механическим и электрическим характеристикам, магистральную организацию этих модулей для обзора потоков информации, программное конфигурирование системы, осуществляемое ЭВМ. В современных интерфейсах стандартизованы механические конструктивные параметры, электрические сигналы, логика связи и питания. [c.97] Эффективное функционирование технических средств возможно лишь при наличии программного обеспечения. Среди компонентов системы программного обеспечения важнейшими являются операционные системы и пакеты прикладных программ. Операционная система реализует основной набор функций программного обеспечения по управлению вычислительной системой. Операционные системы ориентируются, как правило, на семейство ЭВМ. что обеспечивает программную совместимость и наращиваемость данной системы. Основными компонентами операционной системы являются управляющие программы, программы обслуживания, система программирования, средства генерации операционной системы. Прикладные программы наряду с операционными системами являются составной частью (гибкой, в отличие от операционных систем) системы программного обеспечения ЭВМ. Пакет прикладных программ представляет собой функционально законченный комплекс программных средств, ориентированных на решение логически целостного класса задач. Поскольку прикладные программы являются изменяемой частью описываемой системы автоматизации, то речь в дальнейшем пойдет именно о них. [c.98] Едва ли не каждый эксперимент преследует цель добиться согласия некоторой теоретической модели и ее практической реализации. Такую связь можно находить, полагая, что сумма квадратов отклонений теоретической кривой от экспериментальной имеет минимум. Этот известный метод наименьших квадратов получил широкое распространение в экспериментальной технике [168]. Конечно, применение этого метода впрямую требует известных оговорок, так как экспериментальные данные— это вероятностные объекты (измерения проводят с определенной степенью точности), и полученная модель тоже будет иметь вероятностный характер. Задача метода наименьших квадратов заключается в том, чтобы найти минимум суммы квадратов отклонений теоретической модели от экспериментальной зависимости, варьируя некоторые параметры модели. [c.99] Решение этой задачи наталкивается на определенные трудности с одной стороны, чтобы повысить точность, необходимо в эксперименте снимать большое число точек, с другой — это является причиной некорректности задачи вследствие избыточности информации для данной теоретической модели. В этом случае сумма квадратов отклонений имеет несколько минимумов, даже одному минимуму может соответствовать разный набор параметров теоретической модели. Кроме того, теоретические модели могут быть сложны по своей структуре, только в редких случаях удается произвести преобразование координат, что дает простую линейную зависимость. В связи с этим приходится прибегать к численной реализации этого метода, что можно сделать путем нелинейного программирования. Целью нелинейного программирования является нахождение минимума или максимума некоторой нелинейной функции. Эта функция называется целевой, поэтому реализовать метод наименьших квадратов методами нелинейного программирования не представляет затруднений. Целевой функцией здесь будет выступать сумма квадратов отклонений экспериментальных данных от теоретических. [c.99] Программное обеспечение автоматизированных систем измерения строится примерно по тем же принципам стандартизации и иерархичности, что и аппаратурное, и рассматривается как часть большой системы (рис. 3.3). В аппаратурной части интерфейса устанавливается определенный уровень иерархии, т. е. части устройств в данном интерфейсе придается максимальный приоритет (очередность обслуживания). Это связано в основном с потоками данных, проходящих через интерфейс, либо с требованием больших ресурсов ЭВМ. Таким же образом программное обеспечение (ПО) построено по принципу иерархии самый высокий уровень иерархии занимают программы, связанные с получением параметров модели, так как эти параметры требуют больших системных ресурсов и в общем случае могут выполняться в быстродействующей центральной ЭВМ, которая осуществляет связь со специализированными подчиненными периферийными системами. [c.100] Эти программы, использующие метод наименьших квадратов, тоже имеют свою структуру. Они состоят из основного алгоритма, реализующего, например, оптимизирующий алгоритм Нелдера — Мида, и подпрограмм, описывающих ту или иную теоретическую модель. Задача этой программы — выбор оптимальных параметров модели или, если модель не удовлетворяет заданной точности описания, перебор некоторого ограниченного числа моделей. Этот же алгоритм можно применять для поиска оптимума каких-либо экспериментальных параметров методом их перебора, задавая целевую функцию (или функцию качества) как один из экспериментальных параметров. В связи с быстрым совершенствованием алгоритмов, реализующих методы нелинейного программирования (увеличивается быстродействие программ, уменьшаются объемы используемой памяти), представляется возможность использовать такие программы на периферийных ЭВМ в реальном времени. [c.100] На нижнем уровне стоят программы сбора и предварительной обработки данных. Данные экспериментальных приборов имеют вероятностный (ошибочный) характер. В ошибку данных включаются погрешности квантования по уровню и по частоте (ошибки преобразования), а также приборные ошибки, за-висяшие от характера измерения данной величины, на которую также наложен шум прибора и его дрейф (тренд). Кроме того, в каналах передачи данных от прибора в интерфейс могут возникнуть помехи, приводящие к выбросам данных, которые нуждаются в редактировании. Сюда же входят программы калибровки, которые приводят измеренные величины в соответствие с физическими. Устранения той или иной ошибки можно добиться, используя соответствующую программу из этого уровня. В целом программы этого уровня можно классифицировать следующим образом. [c.101] Программы фильтрации. С помощью этих программ можно отфильтровать шум измерения, частично — шум квантования. В настоящее время существует множество программ, реализующих цифровые фильтры, эта область анализа временных рядов интенсивно развивается 1170]. Фильтрацию можно организовать также посредством быстрого преобразования Фурье (БПФ). Алгоритм БПФ используется не только для предварительной обработки данных, но и в качестве основной программы обработки для некоторых методов измерений [170]. [c.101] Программы редактирования данных. Большинство систем сбора информации вносит в данные ложные значения, которые могут обусловить значительные трудности при последующем анализе, поэтому необходимо организовать поиск и удаление таких данных. [c.101] Программы удаления дрейфа (тренда). Большое число экспериментальных приборов обладает дрейфом в силу несовершенства различных датчиков, и при долговременных измерениях дрейф может привести к существенным ошибкам, которые также можно устранить, пользуясь соответствующей программой. Наилучшим способом удаления дрейфа служит применение высокочастотных фильтров или метод наименьших квадратов. Возможна фильтрация также с помощью БПФ. [c.101] Программа подгонки и удаления среднего. Подгонка и удаление среднего — частный случай удаления полиномидального дрейфа. Обычно эти операции объединяют с вычислением корреляционной функции и плотностей спектра мощности. [c.101] Широкое использование технических средств, обеспечивающих решение важнейшей задачи автоматизации эксперимента — сопряжения экспериментальной установки с ЭВМ, разработка пакетов программ, обеспечивающих функционирование автоматизированных систем, позволяют внедрять в практику более совершенные методы исследования химического формования. [c.101] Вернуться к основной статье