现代测控技术与系统教程第1章
chap01测控绪论ppt课件
▪ 例：分辨率为1000的编码器,输出波形（A，B相，示意）
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2，绝对码信号
绝对码信号是一种与状态相对应的信号 例：绝对式码盘：每个角度方位对应一组编码。 Y=kx (以4位编码为例 k=360/（2^4) )
1.2.2 动态特性好
▪ 包括响应快和动态失真小 ▪ 实时动态测量已成为测量技术发展的主要方向 ▪ 对高速运动的系统,控制的滞后可能引起系统振荡,
导致系统失去稳定.
▪ 例:雷达/火炮防空系活
▪ 1)模/数及数/模转换 A/D,D/A
▪ 计算机控制 传感器/执行机构的输入/出为模拟信号
▪ 4,数字化
▪ 数字电路易于集成，抗干扰性强，便于与计算机连接， 但不能完全代替模拟电路，客观世界的许多参数都是模 拟量；许多前级信号需经模拟电路调理后，再转换成数 字信号；执行机构需要模拟信号；模拟运算的速度比数 字电路或软件要快。
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发展趋势(续)
▪ 5,通用化,模块化（复杂电路的分解） ▪ 6,智能化
前级电路，安排散热。
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精度问题(续)
▪ 3 线性与低失真(高保真)
▪ 输入与输出具有线性关系。(万用表测量电阻，非线性)
▪ 测量不失真，测控电路在信号所占有的频率范围内，具 有良好的频率特性。
▪ 不失真测量的条件
▪ Y= kX(t) y=kX(t-t0) 时域
▪ 频域：幅频
A K
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课程的性质、内容与学习方法(续)
▪ 学习方法
第一章 现代测控技术
绪
论
二、自动化作用及发展状况
自动化技术是一门综合性的技术。 自动化是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程 序或指令自动地进行操作或运行。 自动控制是关于受控系统的分析、设计和运行的理论和 技术。 自动化主要研究的是人造系统的控制问题，自动控制除 了上述研究外，还研究社会、经济、生物、环境等非人造 系统的控制问题。
(b)数字式显示以数字形式直接显示出被测参量数值 数字式显示以数字形式直接显示出被测参量数值 的大小。能有效地克服读数的主观误差， 相对 的大小。能有效地克服读数的主观误差，(相对 指示式仪表)可提高显示和读数的精度， 指示式仪表 可提高显示和读数的精度，还能方便地 可提高显示和读数的精度 与计算机连接并进行数据传输。 与计算机连接并进行数据传输。 (c)屏幕显示实际上是一种类似电视显示方法，具有 屏幕显示实际上是一种类似电视显示方法， 屏幕显示实际上是一种类似电视显示方法 形象性和易于读数的优点， 形象性和易于读数的优点，又能同时在同一屏幕上显 示一个被测量或多个被测量的(大量数据式 变化曲线， 大量数据式)变化曲线 示一个被测量或多个被测量的 大量数据式 变化曲线， 有利于对它们进行比较、分析。 有利于对它们进行比较、分析。
最后值得一提的是，以上七个部分不是所有的检测系统 仪 最后值得一提的是，以上七个部分不是所有的检测系统(仪 都具备的， 表)都具备的，而且对有些简单的检测系统，其各环节之间 都具备的 而且对有些简单的检测系统， 的界线也不是十分清楚，需根据具体情况进行分析。 的界线也不是十分清楚，需根据具体情况进行分析。
绪
论
二、自动化作用及发展状况
从自动控制结构看，经历了四个阶段： （1）20世纪50年代以基地式控制器等组成的控制系 统：单回路控制系统 （2）20世纪60年代出现了单元组合仪表组成的控制 系统：把自动控制系统仪表按功能分成若干单元，依 据实际控制系统结构的需要进行适当的组合 （3）20世纪70年代出现了计算机控制系统：DDC— —DCS （4）20世纪80年代以后出现了二级优化控制，在 DCS的基础上实现先进控制和优化控制
现代测控电子技术第一章
4）自动化与智能化 现代控制系统不仅要求能自动控制， 而且要求它能在复杂的情况下自行判断、 具有自学习、自动诊断故障、自动排除 故障、进行自适应控制，乃至自动生成 新知识的功能。这也是测控电路发展的一 个电量测量电路 ③电力电子电路（含功率放大电路） ④驱动与控制电路 ⑤生物医学测量电路 ⑥微弱信号检测电路 ⑦数据采集系统
2. 现代测控电子技术在仪器科学的作 用与地位
显示系统 计 传 感 器 信号 调理 电路 数字 化 电路 算 机 系 统 测控电路 执行机构 驱动电路
②实现被测信号的数字化。 ③实现执行机构的驱动。 现代测控电路不是独立存在于测控系 统中的某个环节，它已融入测控系统的各个 环节，并在其中发挥重要的作用，离开测控 电路，测控系统是无法实现的。
测控电路具有多样性的特点，在设计 上灵活性很强，测控电路位于二次仪表的 最前级，对测量的准确度起决定作用，因 此，测控电路是现代测控系统的关键及难 点所在，在现代测控技术中占据极其重要 的地位。
2）数字化 数字化在信息传输、信息处理、信 息存储和集成化等方面具有明显的优势， 因此数字化是测控电路的必然发展趋势。 但是数字化不可能完全取代模拟电 路，在发展数字化的同时更要强化模拟 电路技术的研究，使两者紧密融合。
3）测控一体化 测量的目的不仅仅为了获取信息，更 重要的是为了控制机器或系统的行为动作。 测量与控制相互交融，融为一体的闭环系 统是测控系统的主要发展方向。
5）可靠性
可靠是指测控电路无故障工作，一般 用平均无故障工作时间来衡量。现代测控 系统是现代装备的有机组成部分，其可靠 性与测控系统密切相关，其中测控电路的 可靠性是重要的因素。
2. 现代测控电子技术的发展状况及趋 势
1）集成化、专用化 以往由分立元件和通用芯片构成的测 控电路，可以集成成为专用芯片实现相应 的测控功能，缩小了体积，简化了测控电 路的设计，并且其性能指标和可靠性大大 提高，这将是今后测控电路发展的主流方 向。
第1章(85)教材配套课件
第1章 概 论
测控系统本质上就是计算机控制系统。为了对被控对象 实施控制，对其参数和状态进行检测是必不可少的。计算机 控制是以自动控制理论和计算机技术为基础的。控制对象从 小到大，从简单到复杂，都可以由计算机参与控制。计算机 可以控制单个电机或阀门，也可以控制一台设备和一个工艺 过程，还可以控制和管理一条生产线、一个车间、整个工厂 以至整个企业集团。计算机控制可以是单个回路参数的简单 控制，也可以是复杂控制规律的多变量解耦控制、最优控制、 自适应控制乃至具有人类智慧功能的智能控制等。下面再来 看一组例子，见表1-1。
第1章 概 论
1.2 测控系统微机化的重要意义
新一代微机化测控系统的使用可带来以下一些新特点和 新功能：
(1) 自动对零功能。在每次采样前对传感器的输出值自 动清零，从而大大降低因测控系统漂移变化造成的误差。
(2) 量程自动切换功能。可根据测量值和控制值的大小 改变测量范围和控制范围，在保证测量和控制范围的同时提 高分辨率。
第1章 概 论
图1-2 微机化控制系统组成框图
第1章 概 论
3．微机化测控系统 微机化测控系统是以微机为核心、测控一体化的系统。 这种系统对被控对象的控制是由对被控对象的测量结果决定 的。因此，它实质上是一种闭环控制系统，其基本组成框图 如图1-3所示。测控系统从大的方面来讲，可由测控装置和 测控对象两大部分组成。测控装置可分成硬件和软件两大部 分。其中硬件包括传感器、变送器、转换电路、控制电路、 执行机构、计算机及外部设备等；而软件是指操作系统和各 种应用程序等，是系统的灵魂。 图1-3中的输入、输出通道称为过程通道，它是微机与 测控对象的联结渠道，因此，我们又称之为“测控通道”。
数控(NC)机床、工业机器人、智能机器人、智能机械手等
现代控制理论第1章答案
第一章答案1-1 试求图1-27系统的模拟结构图，并建立其状态空间表达式。
图1-27系统方块结构图解：系统的模拟结构图如下：图1-30双输入--双输出系统模拟结构图系统的状态方程如下：u K K x K K x K K x X K x K x x x x J K x J x J K x J K x x J K x x x pp p p n pb1611166131534615141313322211+--=+-==++--===∙∙∙∙∙∙令y s =)(θ，则1x y =所以，系统的状态空间表达式及输出方程表达式为[]⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-----=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡∙∙∙∙∙∙654321165432111111112654321000001000000000000010010000000000010x x x x x x y uK K x x x x x x K K K K K K J K J J K J K J K x x x x x x p p pp npb1-2有电路如图1-28所示。
以电压)(t u 为输入量，求以电感中的电流和电容上的电压作为状态变量的状态方程，和以电阻2R 上的电压作为输出量的输出方程。
U图1-28 电路图解：由图，令32211,,x u x i x i c ===，输出量22x R y =有电路原理可知：∙∙∙+==+=++3213222231111x C x x x x R x L ux x L x R 既得22213322222131111111111x R y x C x C x x L x L R x u L x L x L R x =+-=+-=+--=∙∙∙写成矢量矩阵形式为：[]⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡----=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡32121321222111321000*********x x x R y u L x x x CCL L R L L R x x x 。
现代测控技术与系统
填空选择：1光电效应：因光照引起的材料电学特性改变的现象称为光电效应，分为外光电效应（光电管和光电倍增管）和内光电效应，内光电效应又包括光电导效应（光敏电阻）和光生伏特效应（光敏二极管，光敏三极管，光电池）2热电偶的基本定律：a.均质导体定律：两种均质导体组成的热电偶的热电势大小与电极的直径、长度以及长度方向的温度部分无关，只与热电极材料和温差有关。
如果材质不均匀，当热点，极上各处温度不同时，将产生附加热电势，造成无法估计得测量误差，因此热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。
b.标准电极定律:若导体ABC分别与三种导体C组成热电偶，那么由导体AB组成的热电偶的热电势可以由标准电极定律来确定。
标准电极定律指出：如果将导体C（热点极，一般为纯铂丝）作为标准电极（也叫做参考电极），并且已知标准c.中间导体定律:在热电偶回路中，只要中间导体两端温度相同，对热电偶回路的总电势没有影响。
D.中间温度定律：在热电偶回路中，当结点温度为T,T0时，总热电势等于该热电偶在节点温度为T,Tn 和Tn，T0时相应的热电势的代数和。
3误差来源：方法误差、环境误差、数据处理误差、使用误差、仪器误差、人身误差。
误差分类：系统误差：在相同条件重复测量同一量时，误差的绝对值和符号保持不变，或在条件改变时按照一定的规律变化。
产生的主要原因是仪表制造，安装或使用不当。
是一种有规律的误差，系统误差越小、则表明准确度越高。
随机误差：在相同条件下多次重复测量同一量时，误差绝对值和符号无规律变化的误差。
主要来源有机械干扰、热和湿干扰、电磁场变化、放电噪音，光空气原件噪声。
总体来说服从统计规律，误差大小放映数据的分散程度，误差越小，精密度越高。
粗大误差：测量值偏离实际值的误差。
操作不当造成的。
测得的值明显地偏离实际值所形成的的误差。
判断哪个测量值是坏值或是异常值，处理数据时应剔除。
4数字PID算法是比例、积分、微分算法。
（增量型算法与位置型算法）5人耳可以听到的声波频率范围是16~20kHz，超过20kHz的声波称为超声波。
测控电路内容：第一章绪论
测控电路内容：第⼀章绪论第⼀章测控电路设计实⽤技术基础测量与控制是认识客观世界和顺应客观规律的必不可少的重要⼿段。
现代⽣产为了保证产品质量和提⾼⽣产效益，必须对⽣产过程进⾏严格控制，⽽要实现这种控制，就必须对⽣产过程的各种参数和状态进⾏实时有效的测量。
因此，测量是控制的基础，控制离不开测量。
实际上，在科学技术⾼度发达的今天，测量与控制已经渗透到⼯业、农业、国防、科学研究和现代社会⽣活等各个领域。
由于⽬前电参量在信息转换、处理、传输、存储等⽅⾯具有较成熟的技术和⼿段，多数物理量的测量和控制以电参量的形式进⾏，故测量和控制电路在测控系统中具有不可替代的作⽤1.1测控电路的作⽤与基本组成现代测控系统常见的基本构成如图1-1所⽰。
测控系统的最前级为传感器，其作⽤是将各类被测量转换成与之具有⼀定函数关系的电量（通常为电压）；但是，传感器的输出信号⼀般都很微弱，还可能伴随着各种噪声，需要⽤测量电路即信号调理及数字化等电路将它放⼤，剔除噪声，选取有⽤信号，按照测量与控制功能的要求，进⾏所需演算、处理与变换，形成为计算机能够识别及处理的信号；计算机系统的作⽤是对数字化了的被测信号进⾏计算、定标、误差校正或⾃校准等处理，⼀⽅⾯，经处理的测量结果由显⽰输出系统显⽰，由记录系统打印、绘图或由报警系统给出报警信息；另⼀⽅⾯，经算法运算过的控制信号经控制电路驱动执⾏机构，对测控对象进⾏控制。
通常我们将测量电路和控制电路统称为测控电路，它已融⼊测控系统的各个环节，并在其中发挥重要的作⽤，可以说离开测控电路，测控系统是⽆法实现的。
测量电路担负着信号⼆次变换的重任，其实质是电位或波形变换，其主要功能是放⼤有⽤信号，抑制传感器输出信号中的噪声，并将放⼤后的信号进⾏数字化；控制电路担负着实现控制功能的输出驱动信号的重任。
由于被测和被控物理量及其相应传感器和驱动器的多样性，与此相应的测量与控制电路必然具有多样性，因此测控电路在设计上灵活性很强。
测控系统原理及设计1_现代测控技术简介
嵌入式系统是将应用程序和操作系统与计算机 硬件集成在一起嵌入在宿主设备中的控制系统。
5.4.4 基于计算机的网络控制
80年代后期，计算机控制开始采用开放式通 讯系统，可以和以太网接口，图示功能增强，组 态更加直观、灵活，基于计算机的网络控制系统 性能日益完善、应用逐渐普及。
广州中鸣数码的机器手
广州中鸣数码的机器狗
6.3 现代仪器仪表技术 6.3.1新型仪器仪表的特点
新型仪器仪表都无一例外地利用计算机的软 件和硬件优势，根据测控的实际需求，不断挖掘 仪器仪表智能化、网络化和虚拟化的特点。
由于信号被采集变换成数字形式后，更多的 分析和处理工作都由计算机来完成，很自然地使 人们模糊了仪器与计算机之间的界限，形成了 “计 算机就是仪器”的概念。
如：
a)利用新发现的材料和新发现的生物、 物理、化学效应开发出新型传感器。
光光纤纤传传感感器器
生物传感器的电极
b)传感器+嵌入式计算机 智能传感器
智能压力传感器
智能振动传感器
智能倾角RS232 传感器
IC总线数字温度 传感器
c)多个传感器信息的融合处理 如机器人中设置的传感器有：转动/移动位置 传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接 近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传 感器等，这些信号如何融合处理体现了机器人的智 能水平。
6.4.4 监控组态软件 监控组态软件（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）简称组态软件，是指在自动 监控系统的系统软件平台上预先设置一些数据采集 与过程控制的功能软件模块，用户能根据需要组态 使用。 1.监控组态软件的组成 1）图形界面组件 2）控制功能组件 3）实时数据库 4）通信接口组件
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抗干扰技术：误差修正，数据处理技术，电路抗
电路抗干扰技术
电磁兼容性 屏蔽：包括静电屏蔽、低频磁场屏蔽、电磁屏蔽。 隔离：包括物理性隔离、光电隔离、脉冲变压器隔
离、模/数变换隔离和运算放大器隔离。
接地：消除各电流流经公共地线阻抗产生的噪声。 滤波 布线
现代测控技术与系统
西安交通大学 韩九强 主编
第1章 绪论
课程内容 测控系统的基本概念、系统构成、发展趋势 基于网络的测控技术 基于机器视觉的测控技术 基于无线通信的测控技术 基于雷达的测控技术 基于GPS的测控技术 基于虚拟仪器的测控技术
1.1 测控技术在自动化中的应用
1.2 现代测控系统的结构与设计
3. 基于网络的测控系统模型：基于Internet
1.2 现代测控系统的结构与设计
4. 基于网络的测控系统模型：测控管一体化模型
1.2 现代测控系统的结构与设计
现代测控系统的设计方法
硬件设计：约束条件，系统模块设计技术，系统设计技
术。
软件设计：尽可能用软件替代硬件。 网络互联规范：统一的机械特性，统一的电气标准，统
现代测控技术的发展
传感器从传统的压力、温度、流量和液位四大热 工量的测量发展到目前具有光、电、磁、力及生物信 息的感知，光纤、光栅等光敏传感器，DNA、免疫等 生物信息传感器，超声波等声敏传感器，可燃性气体、 氧气、电子鼻等气敏传感器，可见光、红外光等图像 传感器等 。
1.1 测控技术在自动化中的应用
1.3 现代测控技术的分类
基于网络的测控技术
基于机器视觉的测控技术
基于无线通信的测控技术 基于雷达的测控技术 基于GPS 的测控技术 基于虚拟仪器的测控技术
1.4 现代测控技术与系统发展方向
小型化与微型化 网络化 虚拟化
智能化
空间化与大型化
END
现代测控技术的发展
控制器从早期的单片机、PLC、个人计算机发展
到工控机和嵌入式机，嵌入式计算机与测控仪器设备
日渐趋同，具有全局意义上的相通性；软件技术的发 展为测控系统的网络化、远程控制提供可靠的技术支 持。
1.1 测控技术在自动化中的应用
现代测控技术的应用
工业：电力、石化、冶金、医药等 国防 航天
1.1 测控技术在自动化中的应用
现代测控系统的特点
测控设备软件化 测控过程智能化 高度的灵活性 较强的实时性 可视性 测控管一体化 立体化
1.2 现代测控系统的结构与设计
现代测控系统的结构模型
1. 基于DAQ体系的结构模型
1.2 现代测控系统的结构与设计
2. 基于网络的测控系统模型：基于现场总线