第18讲-测控系统

1、 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强测控系统概述测控系统概述o 基于反馈的偏差控制闭环系统基于反馈的偏差控制闭环系统 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强单片机为核心的测控系统基本组成单片机为核心的测控系统基本组成o 前向通道（输入）：仪表测试技术、传感技术、模拟信前向通道（输入）：仪表测试技术、传感技术、模拟信号处理。号处理。o 后向通道（输出）：伺服驱动、电机电器、控制工程、后向通道（输出）：伺服驱动、电机电器、控制工程、功率器件。功率器件。 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强计算机测控系统工作过程计算机测控系统工作过程 集美大学机

2、械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强计算机直接数字控制计算机直接数字控制DDC（Direct Digital Control）o 是在是在巡回检测和数据处理巡回检测和数据处理的基础上发展起来的，一般应的基础上发展起来的，一般应用于对象较简单、位置较集中的场合。用于对象较简单、位置较集中的场合。o DDC系统与应用目的最密切相关的通道接口是系统与应用目的最密切相关的通道接口是前向通前向通道（输入通道）道（输入通道）和和后向通道（伺服及控制）后向通道（伺服及控制）接口接口o DDC要求计算机对生产过程进行数据采集，并与要求计算机对生产过程进行数据采集，并与期望期望值比较值比较，加以处理或运

3、算，计算出，加以处理或运算，计算出控制量控制量，并将其作用，并将其作用于执行元件。于执行元件。o 每隔一定时间，按照每隔一定时间，按照DDC算法来改变被控对象的控制算法来改变被控对象的控制作用，从而使被控量达到和维持给定值。作用，从而使被控量达到和维持给定值。o DDC系统是目前工业生产过程中最常用的控制方式。系统是目前工业生产过程中最常用的控制方式。取代了原有的模拟调节器。只要改变控制程序就可以实取代了原有的模拟调节器。只要改变控制程序就可以实现程序控制、顺序控制、延迟补偿、定值控制和较复杂现程序控制、顺序控制、延迟补偿、定值控制和较复杂的控制。的控制。 集美大学机械工程学院集美大学机械工程

4、学院-郑东强郑东强计算机分布式系统计算机分布式系统DCS（total Distribute Control System）o 计算机控制与通信技术结合的产物计算机控制与通信技术结合的产物o 控制与决策完全分散于各个独立的控制器，以单个分散控制与决策完全分散于各个独立的控制器，以单个分散测控设备为网络节点，用总线连接，实现信息互换，是测控设备为网络节点，用总线连接，实现信息互换，是全数字、全分散和全开放的分布式计算机控制系统。全数字、全分散和全开放的分布式计算机控制系统。o 现场总线系统（现场总线系统（FCS）是）是DCS的升级。比较流行的现的升级。比较流行的现场总线有：场总线有：CAN、Pro

5、fibus、LonWorks和和WorldFIP。 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强现场总线结构图现场总线结构图 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强电子测量与单片机检测技术电子测量与单片机检测技术o 测量是获取客观数据的过程，是人们认识和改造自然的测量是获取客观数据的过程，是人们认识和改造自然的必须手段。必须手段。o 测量技术是研究测量原理、方法和测量仪器等方面的内测量技术是研究测量原理、方法和测量仪器等方面的内容。容。o 利用电子技术测量称之为电子测量，包含：利用电子技术测量称之为电子测量，包含：n 测量误差n 基本电参数测量（时间、电压、阻抗）n

6、时域测量（示波器f（t）n 频域测量（频谱分析仪）n 数据域测量（逻辑分析仪） 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强信号处理信号处理o 信号处理：就是要把记录在某种媒体上的信号进行处理信号处理：就是要把记录在某种媒体上的信号进行处理，以便抽取出有用信息的过程，它是对信号进行提取、，以便抽取出有用信息的过程，它是对信号进行提取、变换、分析、综合等处理过程的统称。变换、分析、综合等处理过程的统称。o 信号处理的目的：削弱信号中的多余内容；滤出混杂的信号处理的目的：削弱信号中的多余内容；滤出混杂的噪声和干扰；或者将信号变换成容易处理、传输、分析噪声和干扰；或者将信号变换成容易处理、

7、传输、分析与识别的形式，以便后续的其它处理。与识别的形式，以便后续的其它处理。 o 干扰与滤波干扰与滤波 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强1、限幅滤波法（又称程序判断滤波法）、限幅滤波法（又称程序判断滤波法） o 方法：根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值方法：根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值（设为（设为A），每次检测到新值时判断：如果本次值与上），每次检测到新值时判断：如果本次值与上次值之差次值之差A,则本次值无效则本次值无效,放弃本次值放弃本次值,用上次值代替本次值用上次值代替本次值o 优点：能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰。优点：能有效克服因偶然因

8、素引起的脉冲干扰。 o 缺点：无法抑制那种周期性的干扰，平滑度差。缺点：无法抑制那种周期性的干扰，平滑度差。 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强2、中值滤波法、中值滤波法 o 方法：连续采样方法：连续采样N次（次（N取奇数），把取奇数），把N次采样值按大次采样值按大小排列，取中间值为本次有效值。小排列，取中间值为本次有效值。o 优点：能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对温度优点：能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。 o 缺点：对流量、速度等快速变化的参数不宜。缺点：对流量、速度等

9、快速变化的参数不宜。 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强3、算术平均滤波法、算术平均滤波法 o 方法：连续取方法：连续取N个采样值进行算术平均运算。个采样值进行算术平均运算。N值较大值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低；时：信号平滑度较高，但灵敏度较低；N值较小时：信值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高。号平滑度较低，但灵敏度较高。 N值的选取：一般流量，值的选取：一般流量，N=12；压力：；压力：N=4o 优点：适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，这优点：适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附样信号的特点是有一个

10、平均值，信号在某一数值范围附近上下波动。近上下波动。 o 缺点：对于要求数据计算速度较快的实时控制不适用，缺点：对于要求数据计算速度较快的实时控制不适用，比较浪费比较浪费RAM。 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强4、递推平均滤波法、递推平均滤波法（又称移动平均滤波法）（又称移动平均滤波法） o 方法：把连续取方法：把连续取N个采样值看成一个队列，队列的长度个采样值看成一个队列，队列的长度固定为固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾，每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原并扔掉原来队首的一次数据来队首的一次数据.(先进先出原则先进先出原则)，把队列中的，把队列中的N个个数据

11、进行算术平均运算数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果。就可获得新的滤波结果。 N值的选取经验：流量，值的选取经验：流量，N=12；压力：；压力：N=4；液面；液面，N=412；温度，；温度，N=14 o 优点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，适优点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，适用于高频振荡的系统。用于高频振荡的系统。 o 缺点：灵敏度低缺点：灵敏度低 ，对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作，对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差，不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，用较差，不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，不适用于脉冲干扰比较严重的场合，比较浪费不适用于脉冲干扰比

12、较严重的场合，比较浪费RAM 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强5、加权递推平均滤波法、加权递推平均滤波法 o 方法：是对递推平均滤波法的改进，即不同时刻的数据方法：是对递推平均滤波法的改进，即不同时刻的数据加以不同的权。通常是，越接近现时刻的数据，权取得加以不同的权。通常是，越接近现时刻的数据，权取得越大。给予新采样值的权系数越大，则灵敏度越高，但越大。给予新采样值的权系数越大，则灵敏度越高，但信号平滑度越低。信号平滑度越低。 o 优点：适用于有较大纯滞后时间常数的对象和采样周期优点：适用于有较大纯滞后时间常数的对象和采样周期较短的系统。较短的系统。 o 缺点：对于纯滞后

13、时间常数较小，采样周期较长，变化缺点：对于纯滞后时间常数较小，采样周期较长，变化缓慢的信号不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度缓慢的信号不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度，滤波效果差。，滤波效果差。 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强6、一阶滞后滤波法（低通滤波）、一阶滞后滤波法（低通滤波）o 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强7、高通滤波器和带通滤波、高通滤波器和带通滤波o 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强6、中位值平均滤波法、中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法）（又称防脉冲干扰平均滤波法） o 方法：相当于方法：相

14、当于“中值滤波法中值滤波法”+“算术平均滤波法算术平均滤波法”。连续采样连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算后计算N-2个数据的算术平均值。个数据的算术平均值。N值的选取：值的选取：314 o 优点：融合了两种滤波法的优点，对于偶然出现的脉冲优点：融合了两种滤波法的优点，对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。 o 缺点：测量速度较慢，和算术平均滤波法一样，比较浪缺点：测量速度较慢，和算术平均滤波法一样，比较浪费费RAM。 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东

15、强郑东强7、限幅平均滤波法、限幅平均滤波法 o 方法：相当于方法：相当于“限幅滤波法限幅滤波法”+“递推平均滤波法递推平均滤波法”，每次采样到的新数据先进行限幅处理，再送入队列进行每次采样到的新数据先进行限幅处理，再送入队列进行递推平均滤波处理。递推平均滤波处理。 o 优点：融合了两种滤波法的优点，对于偶然出现的脉冲优点：融合了两种滤波法的优点，对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。 o 缺点：比较浪费缺点：比较浪费RAM。 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强8、一阶滞后滤波法、一阶滞后滤波法 o 方法

16、：取方法：取a=01，本次滤波结果，本次滤波结果=（1-a）*本次采本次采样值样值+a*上次滤波结果。上次滤波结果。 o 优点：对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动优点：对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频率较高的场合。频率较高的场合。 o 缺点：缺点： 相位滞后，灵敏度低，滞后程度取决于相位滞后，灵敏度低，滞后程度取决于a值大小值大小，不能消除滤波频率高于采样频率的，不能消除滤波频率高于采样频率的1/2的干扰信号的干扰信号。 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强9、消抖滤波法、消抖滤波法 o 方法：设置一个滤波计数器将每次采样值与当前有效值方法：设置一个滤波计

17、数器将每次采样值与当前有效值比较：如果采样值当前有效值，则计数器清零如果采比较：如果采样值当前有效值，则计数器清零如果采样值样值当前有效值，则计数器当前有效值，则计数器+1，并判断计数器是，并判断计数器是否否=上限上限N(溢出溢出)，如果计数器溢出，如果计数器溢出,则将本次值替则将本次值替换当前有效值换当前有效值,并清计数器并清计数器 。 o 优点：对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果，可优点：对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果，可避免在临界值附近控制器的反复开避免在临界值附近控制器的反复开/关跳动或显示器上关跳动或显示器上数值抖动。数值抖动。 o 缺点：对于快速变化的参数不宜，如果在计

18、数器溢出的缺点：对于快速变化的参数不宜，如果在计数器溢出的那一次采样到的值恰好是干扰值那一次采样到的值恰好是干扰值,则会将干扰值当作有则会将干扰值当作有效值导入系统。效值导入系统。 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强10、限幅消抖滤波法、限幅消抖滤波法 o 方法：相当于方法：相当于“限幅滤波法限幅滤波法”+“消抖滤波法消抖滤波法” 先限幅先限幅,后消抖。后消抖。 o 优点：优点： 继承了继承了“限幅限幅”和和“消抖消抖”的优点改进了的优点改进了“消消抖滤波法抖滤波法”中的某些缺陷中的某些缺陷,避免将干扰值导入系统。避免将干扰值导入系统。 o 缺点：对于快速变化的参数不宜。缺

19、点：对于快速变化的参数不宜。 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强系统误差校正技术系统误差校正技术o 系统误差：相对随机误差而言，由系统自身因素引起系统误差：相对随机误差而言，由系统自身因素引起o 分为：恒定和变化系统误差分为：恒定和变化系统误差o 系统误差的模型校正方法举例：避开系统误差的模型校正方法举例：避开MC14433双积双积分分ADC芯片的过零延时。预先提高信号。芯片的过零延时。预先提高信号。o 利用校准曲线通过查表法修正误差（用于无法建立误差利用校准曲线通过查表法修正误差（用于无法建立误差模型的情况）模型的情况）o 非线性校正（线性化过程）：拟合非线性校正（线性化

20、过程）：拟合 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强量程自动转换技术量程自动转换技术o 程控增益放大器程控增益放大器模拟信号模拟信号程控程控放大器放大器A/D单片机单片机 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强标度变换标度变换o线性标度变换线性标度变换minminminmax)(YNXYYY 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强抗干扰设计抗干扰设计o 干扰源：电磁设备的启停，电源波形畸变等干扰源：电磁设备的启停，电源波形畸变等o 抗干扰原则：抑制干扰源，切断干扰传播途径，提高敏抗干扰原则：抑制干扰源，切断干扰传播途径，提高敏感元件的抗干扰性能。

21、感元件的抗干扰性能。du/dt ,di/dt大的就是干扰。大的就是干扰。o 减小干扰源的做法：在干扰源两端并联电容可以减小减小干扰源的做法：在干扰源两端并联电容可以减小du/dt; 在干扰源回路串联电感或者电阻以及增加续流在干扰源回路串联电感或者电阻以及增加续流二极管可以减少二极管可以减少di/dt。o 切断干扰源的做法：对于传导干扰，增加滤波器或者光切断干扰源的做法：对于传导干扰，增加滤波器或者光耦。辐射干扰用增加干扰源与敏感元件距离，用地线把耦。辐射干扰用增加干扰源与敏感元件距离，用地线把干扰源隔离，把敏感元件屏蔽。干扰源隔离，把敏感元件屏蔽。 集美大学机械工程学院集美大学机械工程学院-郑东强郑东强屏蔽技术屏蔽技术o 利用导电率或导磁率告的材料制成护罩。利用导电率或导磁率告的材料制成护罩。o 电场屏蔽（静电屏蔽）：抑制分布电容耦合产生的静电电场屏蔽（静电屏蔽）：抑制分布电容耦合产生的静电场。