Реферат по предмету "Теория систем управления"

Узнать цену реферата по вашей теме


Основы автоматики и управления

МОСКОВСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ    
РАДИОТЕХНИКИ,ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ
(ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ)
ОСHОВЫАВТОМАТИКИ И УПРАВЛЕHИЯ
РЕФЕРАТ
Использование персонального компьютерафирмы IBMдля сбора и обработки данных  вгазовой хроматографии.
СТУДЕHТ:   Кормилкин А.А.
ГРУППА:     210100
Ф-Т:               ЭИ и УС
1998 год
 Основным критерием для сбора данных в газовой хроматографии являетсяспособность устройства измерять выходной сигнал хроматографа при относительновысоких скоростях следования временных дискрет. Дополнительнымусловием обработки данных в газовой хроматографии (далее потексту ГХ) является необходимость осуществления простогосбора и обработки данных при проведении сложных разделений. Последние достиженияв области вычислительной техники способствовали появлению различных устройств,существенно облегчающих сбор и анализ данных ГХ. В данной статье описан опытприменения персонального компьютера (ПК) для сбора и обработки данныхв газовой хроматографии.
 Для начала немного теории. Газовая хроматография — это метод определениякачественного и количественного состава вещества, основанный на разделениипробы на составляющие компоненты. При этом ГХ в отличии от других методованализа вещества (масс-спектрография, рентгенография, инфракраснаяспектроскопия и др.) обладает таким отрицательным качеством как деструктивностьвводимой пробы. Hо благодаря этому фактору данный метод позволяет производитьанализ вещества, состоящего из трудноразделяемых компонентов. В ГХ разделениевещества происходит при нагревании пробы в течение определенного времени, приэтом разделение пробы на индивидуальные компоненты достигается в соответствии судерживанием каждого компонента хроматографической колонкой. Время, необходимоедля элюирования компонента из колонки определяет так называемое времяудерживания, которое для всех компонентов анализируемого вещества разное, врезультате чего становится возможным проведение качественного анализа. Выходвещества определяется детектором, который генерирует изменение тока илинапряжения пропорционально количеству выхода. В ГХ каждому выходу соответствуетсвой пик (рис. 1).

 рис. 1 Пример хроматограммы.
В дальнейшем нас будут интересоватьследующие термины и обозначения:
а) начало и конец пика — соответственно начало и конец выхода компонента из пробы;
б) вершина пика — максимум выходавещества;
в) высота пика — максимальныйуровень сигнала в данном выходе;
г) площадь пика;
д) ширина пика у основания — расстояниемежду началом и концом пика.
 Для проведения качественного анализанеобходимо определить количество пиков и время начала, конца и вершины каждого.При количественном анализе нам также будет необходимо найти ширину у основанияили площадь пика (использование площади пика дает более точные результаты).Определение площади пика есть процесс интегрирования выходного сигнала повремени. Для регистрации сигнала хроматографа могут использоваться различныеприборы: от самописцев до интеграторов на базе микропроцессоров, однакоприменение ПК в качестве регистратора и обработчика сигналов хроматографа болееоправдано в силу своей простоты, дешевизны и универсальности.
 Для получения и обработки данных необходимпрограммно-аппаратный комплекс, который был использован и используется понастоящее время на одном из химических предприятий. Данный комплекс состоит изплаты (или блока) аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и персональногокомпьютера со специализированным программным обеспечением. Далее кратко рассмотримустройство применяемого АЦП.
 В силу того, что данный АЦП применяется вусловиях сильных электромагнитных помех, было решено остановиться на схеме АЦПдвойного интегрирования, который эффективно «фильтрует» короткиевыбросы напряжения. Для этой же цели частота дискретизации входного сигналабыла выбрана пропорциональной частоте тока в электрической сети — 25 Гц. Hаэтой частоте удается с достаточно большим избытком получать информацию с выходахроматографа.[1]
 Далее при выборе схемы АЦП было решено использоватьот четырех до восьми входных каналов, что позволяет одновременно производитьанализ данных на четырех хроматографах (по две колонки на хроматограф). Ввидуфизически удаленного расположения компьютера и хроматографов было решеновыполнить АЦП в виде отдельного блока и соединить его с компьютером попоследовательному интерфейсу RS-232. При таком решении выполняется наиболееважная задача при получении данных в условиях сильной зашумленности — ослабление помех. При рассмотрении схемы АЦП следует упомянуть о разрешениипримененного АЦП. Оно составляет 16 бит или 65536 градаций опорного напряжения,которое было выбрано в диапазоне от одного до пяти вольт. При данном разрешениимы имеем большой запас по перегрузке, что положительно проявляется при анализенекоторых веществ, где разброс между уровнями сигнала очень велик (рис. 2).1 

 Рис. 2

В результате рассмотрения всехтехнических требований к АЦП мы получаем следующую структурную схему.

Рис.3  Схема АЦП
 Теперь мы уделим внимание программномуобеспечению (ПО) для проведения хроматографического анализа. Данное ПО должноудовлетворять следующим условиям:
а) возможность сбора данных снескольких хроматографов одновременно;
б) возможность проведениякачественного и количественного анализа;
в) ведение архива анализов;
 Для достижения наибольшей эффективности применения ПК необходимообеспечить возможность одновременного обслуживания нескольких хроматографов.При выполнении данного условия мы имеем мощную систему сбора данных ипроведения анализов. Решение на практике данного вопроса осложняется двумяфакторами: первый из которых — это асинхронность проведения анализов, второй — необходимость наличия большой оперативной памяти. Первый фактор следует изтого, что проведение анализов на разных хроматографах  происходит независимо друг от друга, в силучего программное обеспечение должно обеспечивать возможность динамическойреконфигурации и динамического выделения буфера памяти под принимаемые данные.Это означает, следующее: ввиду применения последовательного интерфейса длясвязи компьютера и АЦП, необходимо реализовать механизм обеспечения устойчивогоприема информации. Для выполнения данного условия было принято решение оформитьпрограмму приема информации как процедуру обработки прерыванийпоследовательного порта. Из способа решения первой задачи и фактора«ограниченности» применяемой операционной системы (таковой являетсяMS-DOS) стала очевидной невозможность использования режима непосредственнойзаписи на диск.1 Эта, вторая, проблемабыла преодолена использованием всей имеющейся оперативной памяти. При такомподходе мы имеем от одного до восьми локальных буферов памяти, выделяемых позапросу, для сохранения принятой информации. После окончания всех анализовполученные данные записываются на диск. Недостатки такого подхода весьма очевидны,но в силу того, что данное решение было использовано лишь для проведениялабораторных анализов, найденный компромисс оказался вполне удовлетворительным.Итак: имеющееся ПО умеет принимать и сохранять данные, далее необходимо ихобработать.
 Первым шагом на пути реализации качественно-количественного анализа(ККА) была разработка системы фильтрации полученных данных. В настоящее время вПО используется несколько методов фильтрации данных, которые пользователь можетвыбирать по своему усмотрению. Из реализованных методов наиболее интересны“медианный”, перемены шага дискретизации (основанный наэкстраполяции-интерполяции данных) и степенных полиномов. Использованиефильтров позволяет кардинальным способом улучшить качество принятых данных:избавиться от сильной зашумленности, сгладить всплески напряжения, выправитьформу пиков и т.д. Далее был реализован механизм количественного анализа,заключающийся в написании процедуры поиска пиков, определения их начала, конца,ширины и вершины. За основу поиска вершин пика (максимума сигнала) были взятыметоды продвижения “окна” и половинного деления. Первый метод — методпродвижения “окна” представляет собой способ поиска экстремума функции,основанный на вычислении разности значений функции на границах временного окнас последовательным продвижением вперед по временной оси. Второй метод(половинного деления) достаточно широко освещен в литературе и реализован дляуточнения экстремума сигнала, найденного с помощью первого метода. Необходимозаметить, что реализованные методы поиска максимума позволяют эффективнонаходить вершину пика и его начало и конец, а так же выявлять пики — “наездники” (когда начало следующего пика идет не с уровня базовой линии, ачуть выше, на рис.1 это пики седьмой и восьмой). Для проведения количественногоанализа производится расчет площадей выявленных пиков. Далее выявляетсяудельный вес площади каждого пика в общем сумме, который и составляет количествовещества в пробе. Для возможности проведения сравнительных анализов программапозволяет вести архив анализов, в котором сохраняются все необходимые данные.Неотъемлемой частью ПО является способность автоматически проводитьсопоставление полученных данных с находящимися в архиве и отбирать те, которыеотвечают некоторым заданным условиям.

Рис.4 Хроматограмма этилсалицилатаполучена с помощью описанного программно-аппаратного комплекса.
В заключение хотелось бы отметить,что описанная здесь система не ограничивается приведенными возможностями, внастоящее время ведутся активные работы по ее совершенствованию. Как изнаиболее интересных направлений ее развития стоит отметить созданиеинтеллектуальной системы автоматического распознавания компонентованализируемых веществ и применение данной системы в управлении технологическимпроцессом предприятия.
Литература
1. Хайвер К. И др.“Высокоэффективная газовая хроматография” М.: Мир 1993
2. J.L. Excoffier / G. Guiochon “Automatic Peak Detection inChromatography” ,Chromatographia, Vol. 15,  No.9, September 1982
3. C.E. Reese “Chromatographic Data Acquisition and Processing. Part 2.Data Manipulation” , Journal of Chromatographic Science, Vol. 18,June 1980

[1]Имеется ввиду то, что учитывая относительно большую инерционностьхроматографических датчиков во времени, на практике достаточной бывает частотадискретизации  входного сигнала около 10Гц (учитывая теорему Котельникова).
1 Иногда, принедостаточном запасе АЦП по перегрузке происходит потеря данных, что выражаетсяв недостаточно точном определении площади пика и как следствие приводит к невернымрезультатам количественного анализа.
1 Следуетсразу оговориться, что применяя в ПК порты последовательного интерфейса с буферомFIFO и прибегая кнекоторым ухищрениям с MS-DOS(как например, использование флажка занятости системы), на компьютерахот AT-286и выше можно добиться реализацииспособа непосредственной записи данных на диск.


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Доработать Узнать цену написания по вашей теме
Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.

Сейчас смотрят :

Реферат Граждане (физические лица). Общие положения о юридических лицах
Реферат Основы земельного права
Реферат Политика борьбы с преступностью и уголовное право в изменяющейся Европе
Реферат Право в сфере образовательной деятельности
Реферат Интеллектуальная собственность как институт гражданского права англосаксонской и романской системы права
Реферат Гарантии, предупреждающие нарушение права работника на получение вознаграждения за труд
Реферат Правовые формы и методы государственного управления (управленческий процесс)
Реферат Возбуждение гражданского дела в суде
Реферат Процессуальные особенности судебной защиты избирательных прав, права на участие в референдуме граждан Российской Федерации
Реферат Проблема правовой субъективности Евросоюза
Реферат Административное правонарушение. Административная ответственность
Реферат Существенные условия договора: споры, продиктованные теорией и практикой
Реферат Право граждан на местное самоуправление
Реферат Понятие и социальное назначение права
Реферат Проблемы научно-методического обеспечения системы профилактики