现代测控技术复习

1、测控仪器或测控系统按照任务的不同，可以分为三大类，即检测系统、控制系统和测控系统。现代数据采集系统是使用微机控制多路数据自动检测或巡回检测，并能对数据进行存储、处理、分析、计算以及从测试数据中提取有用信息供显示、记录、打印或描绘的系统.遥测(遥感)数据采集系统如果被测对象信号源远离数据采集系统或计算机，或超出人们能进入的区域，如运载火箭、海洋深处或危险区域，则需要采用遥测或遥感技术。遥测(遥感)系统的组成框图如图1-3所示。 图1-3遥测(遥感)系统的组成框图 开关量输入通道的功能是将现场的开关信号或仪表中的各种继电器状态按电信号有选择地送入计算机，以定时记录或检测过程中某些设备的状态。开关量

2、输出通道可以实现越限报警和开关量控制。它的主要性能是输出的开关信号与被控对象的要求应匹配。 计算机控制系统的类别程序控制系统直接数字控制系统DDCS计算机在参加闭环过程控制时，完全替代系统控制器，并用它的输出量直接控制调节阀等执行机构。监督控制系统SCCS(SuperviseComputerControlSystem)。计算机在控制系统中不仅直接参加控制，而且检测生产工艺信息，起监督和管理作用。集散控制和分布式控制系统TDCSDCS(TotalDistributedControlSystemDistributedControlSystem)。计算机测控系统的基本类型1.基本型图1-7计算机测控

3、系统的基本形式 2.标准通用接口型1)GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）测试系统图1-8GPIB通用接口测试系统 2)VXI总线系统3.闭环控制型计算机测控系统的组成计算机测控系统可以分为硬件和软件两大部分。现代测控技术的发展趋向1.系统功能的综合性2.智能化3.系统化及标准化现代测控系统的组成方式:根据所采用的微处理器的类型，可分为1通用系统指的是采用通用的微机系统及通用的测控模块（板卡）构造的测控系统。具有这些特性的PC机目前主要有两种，一种是工业控制计算机（简称工控机），另一种是PC104计算机。2专用系统所谓专用系统，指的是根据测控系统的设计指标要求，以专

4、用的微处理器为核心设计专用的微机硬件平台，并根据设计的微机硬件平台设计相应的测控硬件模块，从而构造出测控系统的专用硬件平台。3混合系统所谓混合系统，指的是采用专用系统与通用系统相结合的模式构造的测控系统。通常情况下，专用系统与通用系统具有明确的分工，并具有主从关系。嵌入式微机系统 ：将微机系统直接嵌入到应用系统之中，此时计算机成为应用系统的智能核心。基于通用微处理器的嵌入式微机系统（通用微处理器的典型代表为X86架构的微处理器系列。）基于专用微处理器的嵌入式微机系统：1基于单片机的嵌入式微机系统2. 基于数字信号处理器（DSP）的嵌入式微机系统3基于ARM架构微处理器的嵌入式微机系统ISA并行

5、总线及接口标准串行总线及接口标准1RS-232C标准2RS-422A标准3RS-485标准420mA电流环标准自动检测系统的硬件配置自动检测系统的硬件由微型计算机（微型计算机是自动检测系统硬件的核心。）、检测通道（自动检测系统中与计算机同等重要的硬件组成部分， 是实现自动检测系统中计算机与被测对象交互作用的桥梁， 用于将被检测对象的各种物理量变换成能被计算机识别和处理的数字量。 ）、人机通道（人机接口实现自动检测系统中的计算机与管理人员交互作用的桥梁。）和相互通道（通信接口，是实现自动检测系统中的计算机与上层管理计算机（如主站）交互作用的桥梁。）组成。自动检测系统的软件配置1操作系统软件2应用

6、软件模拟量输入通道设计主要应考虑以下几个问题：1.信号调理（将传感器输出的初次电信号转换成符合计算机或模/数转换器输入要求的信号。）。2.多路被测信号的转换（实现多路信号切换的器件是模拟多路开关。）。3.模/数转换器方式的选择（一类是标准的A/D转换器，另一类是电压/频率（V/F）转换器，）。4.电源配置与干扰隔离（(1)电源隔离。可通过DC/DC变换器实现。(2)模拟信号传输环节隔离。可通过隔离放大器实现。(3)数字信号传输环节隔离。可通过光电耦合器件实现通道的数字量输出与计算机的数字量输入之间的隔离。 ）。数字量输入通道设计根据被测数字信号的特性，几种常见的数字量输入通道的结构如图3-27

7、所示。图3-27几种常见的数字量输入通道结构 图327（a）是针对非TTL电平的开关信号的输入通道结构，首先需要将信号电平放大或变换成TTL电平。另外，由于开关器件的机械特性，使得开关信号经常会出现前沿或后沿的抖动，而且抖动次数和持续时间可能会存在较大的差异。图3-28两种常见的去抖电路(a)双稳态去抖电路；(b)RC滤波去抖电路 1开关量的采集方法：计算机对开关量数据的读取方式一般有查询方式和中断方式两种。2频率量的采集方法频率量的采集实际上是确定频率量信号的频率值或周期值。一般是通过计算机内置的或扩展的可编程定时器/计数器（如8253/8254可编程定时器/计数器）等专用接口电路实现频率或

8、周期的测量的。自动检测系统中常见的干扰1从干扰的来源划分：（1）内部干扰。（2）外部干扰。按干扰出现的规律划分：（1）固定干扰。（2）随机干扰。干扰隔离技术从工作原理上通常可分为光电隔离与电磁隔离。 计算机控制系统的一般构成 将控制器由数字控制器来实现，就组成了一个典型的计算机控制系统，如图4-9所示。 图4-9计算机控制系统 图4-10典型计算机控制系统框图 计算机控制系统是连续系统与数字（离散）系统构成的混合系统，在它们的连接处一般设有采样开关、A/D转换器或D/A转换器、保持器等部件。保持器的功能是将离散量变成连续量。计算机控制系统的组成硬件由主机、接口电路及外围设备组成。软件是指能够完

9、成各种功能的微机程序的总和，如操作系统、监控程序、管理程序、控制程序、计算和自诊断程序等。微机控制系统的分类1.按照功能对计算机控制系统分类按照功能计算机控制系统可以分为直接数字控制（DDC）、监督控制SCC、分级控制、集散控制DCS、计算机网络控制等系统。 按照控制规律对计算机控制系统分类1)程序控制和顺序控制2)比例-积分-微分控制（简称PID控制）3)有限拍控制4)复杂规律的控制5)智能控制采样与量化采样是对连续信号按一定频率进行抽样，变成离散信号。量化是将离散信号经A/D转换变成数字信号。1.采样将时间和幅值都连续的信号x(t)按一定的周期间隔抽样为离散信号x*(nT)的过程称为采样。

10、 2.量化对连续模拟量进行采样，得到离散模拟量，必须进行量化后才能得到二进制数字信号。保持器计算机输出的控制信号是数字序列，但一般控制对象都是机电系统，所以必须通过保持器使数字序列转变为连续模拟信号。例4-2已知系统差分方程为初始条件:y(1)=8,y(2)=22,求解差分方程。解 齐次差分方程的特征方程：解特征方程，得特征根 故差分方程的通解为 代入初始条件，解得系数 故通解为 变换的定义 1.从拉氏变换到Z变换Z变换就是采样信号的拉氏变换（Z变换X(z)就是离散序列x(nT)的拉氏变换。 ）。例4-6求单位阶跃函数1(t)(u(t)的Z变换。解单位阶跃函数在任何采样时刻的值均为1，即 （n

11、1，2） 两边乘以z-1，得 两式相减得 故 例4-9求幂函数x(t)=at的Z变换。解x(t)的采样序列anT, n=0,1,2,。 两边乘以aTz-1后与上式相减得 求Z反变换的方法1.幂级数展开法（长除法） 只要将X(z)展成幂级数，按降幂排列，级数的系数就是x(n)。 例4-14已知 ，求x(n)。解 故 则 z传递函数 对于线性离散系统，设系统输入序列为x(n)，输出序列为y(n)，则定义系统的z传递函数为零初始条件下输出序列的Z变换与输入序列的Z变换之比，即 z传递函数的获得1.由单位脉冲响应h(n-k)获得z传递函数W(z)就是脉冲响应函数h(t)经采样后h(nt)的Z变换。这与

12、连续系统中传递函数W(s)是脉冲响应函数h(t)的拉氏变换是完全一致的。例5-1求连续环节在离散系统中的z传递函数，如图5-3所示。 图5-3零阶保持器和对象连接的z传递函数 解零阶保持器的传递函数为 其中，T为采样周期。 例5-3设某线性系统由下列含有输入差分项的定常差分方程描述，即 写出系统的离散状态空间表达式 解因为定常差分方程含有作用函数的u(k+1)项，所以选状态变量 其中h0=b0，b0=0,h1=b1-a1h0,b1=1,a1=1,代入得离散状态方程为 写成矩阵形式: 其中输出方程为 其中， 闭环计算机控制系统稳定的条件是闭环z传递函数的全部极点（特征方程的根）都落在单位圆内。代数判据稳定的必要条件是w域特征方程的系数必须都同号，稳定的充分条件则还需根据劳斯判据作进一步判断。离散系统稳定性判据：系统特征方程|I-A|=0的所有特征根|i|<1,如图5-37所示。 图5-37离散系统的稳定域 设系统的转移矩阵，判断稳定性解由特征方程|I-A|=0，可得2+3+2=0，所以特征根为1-1，2-2