测控系统设计及实践

测控系统设计及实践•课时：20 （10周）•理论+实践•参考教材：《测控仪器设计》第3版，浦昭邦，机械工业出版社《测量控制与仪器仪表现代系统集成技术》，丁天怀，李庆祥，清华大学出版社《新概念51单片机C语言教程》，郭天祥，电子工业出版社•主讲：胡衍雷（实践：倪旻昊）•办公室：西区力学三楼307•Tel：63602932•Email：huyl@背景知识•传感器及测试技术•模拟电路，数字电路，仪器电路•自动控制原理•单片机原理及应用第一节测控系统概论测控系统是即“测（检测/测量）”又“控（控制）”的系统依据被控对象被控参数的检测结果，按照人们预期的目标对被控对象实施控制。

传感检测部分：感知信息（传感技术、检测技术）信息处理部分：处理信息（人工智能、模式识别）信息传输部分：传输信息（有线/无线通信及网络）信息控制部分：控制信息（现代控制技术）蒸汽省煤器阀门给水汽包蒸汽省煤器阀门给水汽包LTLC锅炉汽包示意图锅炉汽包液位测控系统示意图当系统受到扰动作用后，被控变量（液位）发生变化，通过检测仪表（液位变送器LT ）得到测量值。

在自动控制装置（液位控制器LC ）中，将测量值与设定值比较，得到偏差，经过运算后发出控制信号，作用于执行器（控制阀），改变给水量，使控制装置执行器被控对象设定值偏差检测单元操纵变量被控变量扰动比较机构控制器-系统方框图被控对象：指被控制的装置和设备。

被控变量是影响系统安全性、经济型、稳定性等性能的变量。

检测单元：功能是感受并测量被控变量的大小。

变换成控制器所需要的信号形式。

一般检测单元为敏感元件、转换元件及信号处理电路组成的传感器。

控制器：包括比较机构和控制装置。

将检测单元的输出信号与被控变量的设定值进行比较得出偏差信号，根据这个偏差信号的正负、大小变化情况，按一定的运算规律计算出控制信号传送给执行机构。

执行器：接收控制器发出的控制信号，相应的去改变控制变量。

测量值检测系统•又称数据采集系统，用来对被测对象中的一些物理量进行测量并获得相应的测量数据被测对象传感器模拟输入通道微机/控制单元数据显示数据处理•控制系统以“控制”为目的，结构上分为开环控制和闭环控制。

控制指令控制器执行机构被控对象开环控制系统•闭环控制按照人们预期的目标对被控对象实施控制。

根据设定值的类型不同，可以分为定值控制系统，随动控制系统和程序控制系统。

•定值控制系统中设定值是恒值；随动控制系统中设定值是预先未知的随时变化的函数；程序控制系统中设定值是已知的时间函数。

•测控系统：以微机为核心，以程序控制为目的的系统测控对象传感器执行器传感器执行器模拟量输入通道模拟量输出通道模拟量输入通道模拟量输出通道微型计算机通信接口人机接口操作员其他微机常见的典型测控系统实例ESP、自适应巡航、自动驾驶……恒温、变频……HDD、5400rpm/7200rpm……BD、6000-10000rpm•设备软件化：简化硬件、缩小体积、降低功耗、提高可靠性。

•过程智能化：以计算技术和人工智能为核心。

•高度灵活性：实现组态化、标准化、分布式。

•高度实时性：采集、传输、处理、控制高速化。

•高度可视性：图形编程、三维技术、虚拟现实。

•测控一体化：测量、控制、管理。

随着信息技术的快速发展，现代测控系统大多以微型计算机为核心，能完成较高层次的自动化检测和控制，在不同程度上具有“智能”技术。

如基于网络的测控技术、基于虚拟仪器(VI) 的测控技术、基于雷达与无线通信的测控技术，以及基于全球卫星定位系统(GPS) 的测控技术等。

•基地式•20世纪40年代到50年代，测控仪表处于发展的初期阶段。

通常以指示、记录仪表为主体，附加控制、测量等部件。

所有仪表之间通过不可分离的机械结构相连接，封装在箱壳之内，只需配上控制阀便可构成一个测控系统。

操作人员只能通过生产现场的巡视，了解生产过程的状况。

•单元组合式•20世纪60年代到70年代，随着企业生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数和信息并实施操作控制，出现了单元组合式仪表组成的测控系统中，变送器、执行器和控制器分离：变送器、执行器安装在现场，控制器在中央控制室。

操作人员可在控制室内进行集中监测、操作和控制。

计算机测控系统•80年代后期，计算机控制开始采用开放式通讯系统，可以和以太网接口连接，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。

•出现了操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、现场总线网络控制系统等。

操作指导控制系统1. 操作指导控制系统ODC (Operating Direction Control)计算机只承担数据的采集和处理工作，而不直接参与控制。

它对各种变量进行巡回监测、处理、记录和超限报警，同时进行实时分析和累计分析，为操作人员提供参考。

操作指导控制系统方框图直接数字控制系统2. 直接数字控制系统DDC (Direct Digital Control)利用一台计算机对多个被控参数进行巡回监测，监测结果与设定值比较，并按预定的控制规律进行运算，输出到执行机构，对生产过程进行控制，使被控参数稳定在给定值上。

DDC中计算机可以完全取代模拟控制器，实现多回路控制，只需改变程序就能有效的实现较复杂的控制规律。

这是计算机用于过程控制的最典型的系统。

被控参数给定值是预先设定的，不能根据工艺信息的变化及时修改，故DDC系统无法使生产过程处于最优工况。

监督控制系统3. 计算机监督控制系统SCC (Supervisory Computer Control)。

计算机根据工况和已定的数学模型，进行优化分析计算，产生最优化设定值，送给模拟控制器或DDC计算机执行。

SCC系统更接近于生产变化的实际情况，不仅可以进行给定值控制，还可以进行顺序控制、自适应控制及最优控制等。

现场总线控制系统4. 现场总线控制系统FCS (Fieldbus Control System)。

现场总线是一种为实现整个企业信息集成，实施综合自动化而开发的一种通讯系统。

FCS将挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接成网络系统，并构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数调节、报警、优化及管控一体化等综合自动化功能。

基于网络的测控系统ground stationground stationsystem telemetry attitude telemetry energy telemetry thermal telemetry OBCtelemetrycommand center Satellitetelemetry datahandling centercommunication telemetry Ethernet第二节测控系统现代设计方法现代设计方法的特点：(1)程式性强调设计、生产与销售的一体化。

(2)创造性突出人的创造性，开发创新性产品。

(3)系统性用系统工程思想处理技术系统问题。

力求系统整体最优，同时要考虑人-机-环境的大系统关系。

(4)优化性通过优化理论及技术，以获得功能全、性能良好、成本低、性能价格比高的产品。

(5)计算机辅助设计计算机将更全面地引入设计全过程，计算机辅助设计不仅用于计算和绘图，在信息储存、评价决策、动态模拟、人工智能等方面将发挥更大作用。

设计要求•(1)精度要求精度是测控仪器的生命，精度本身只是一种定性的概念。

为表征一台仪器的性能和达到的水平，应有一些精度指标要求，如静态测量的示值误差、重复性误差、复现性、稳定性、回程误差、灵敏度、鉴别力、线性度等，动态测量的稳态响应误差、瞬态响应误差等。

这些精度指标不是每一台仪器都必须全部满足，而是根据不同的测量对象和不同的测量要求，选用最能反映该仪器精度的一些指标组合来表示。

检测系统的精度应根据被测对象的要求来确定，当仪器总误差占测量总误差比重较小时，常采用1/3原则，即仪器总误差应小于或等于被测参数总误差的1/3；若仪器总误差占测量总误差的主导部分时，可允许仪器总误差小于或等于被测参数总误差的1/2。

为了保证仪器的精度，仪器设计时应遵守一些重要的设计原则和设计原理，如阿贝原则、变形最小原则、测量链最短原则、精度匹配原则、误差平均作用原理、补偿原理、差动比较原理等扩散硅压力传感器零点温漂的补偿扩散硅压力传感器是在硅材料的基片上，用集成电路的工艺制成扩散电阻并组成桥路。

由于采用了半导体材料的扩散技术，不可避免地产生了如下问题：①扩散电阻的离散性很大，桥路的四个电桥臂阻值R1≠R2≠R3≠R4；②扩散电阻的各个电阻温度系数不等，即；③扩散电阻随温度的非线性变化。

因此，将产生严重的各不相同的零点温度漂移和灵敏度温度漂移。

为了解决扩散硅压力传感器零点温度漂移的补偿，提出了串并联、双并联、双串联等几种补偿方案，下面以串并联为例，叙述其补偿原理。

1234a a a a ≠≠≠补偿原理（1）桥路的平衡条件图2-1为四个扩散电阻所组成的桥路若使桥路在所要求的温度点和温度变化后均能平衡，则平衡条件应有二个，即（2-1）（2-2）式中，、、、为在所要求温度点的电阻、、、的阻值t ∆10402030R R R R =a a a a 1423+=+10R 20R 30R 40R 1R 2R 3R 4R 补偿原理图2—1 电阻式桥路（惠斯顿电桥）即并联后亦能降低其电阻温度系数。

（2）串、并联电阻对电阻温度系数的影响。

①在电阻为R 的扩散电阻上串联电阻R s 。

设串联后的等效电阻温度系数为a’，等效电阻为R’，R 的电阻温度系数为a 。

如图2-2a ，则有：得可见，即串联电阻后其电阻温度系数降低。

'=+a R R R a s '<a a '=+R R R ssR t a R t a R +∆+=∆'+')1()1(②在扩散电阻上并联电阻。

如图2-2b 所示，并联后其等效电阻为：p R 即pp R t a R R t a R t a R +∆+∆+=∆'+')1()1()1(得t Ra R R a R a p p ∆++='因R R Ra t p +>>∆'=+R RR R R p p故'=+a R aR R p p 可见'<a a 图2—2 电阻的串联或并联形式a) 串联形式b ）并联形式'=+'=+⎫⎬⎪⎭⎪R R R a R R R a s s 1010110101桥臂2上的等效电阻和等效温度系数分别为：⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫+='+='2202202020a R R R a R R R R R p pp p（2-3）（2-4）（3）串并联电阻补偿原理见图2-3，在上串联，在上并联。