测试系统的静、动态误差分析与补偿

1、测试系统静、动态误差的分测试系统静、动态误差的分析与补偿析与补偿4.1 测试系统静态误差的分析与补偿测试系统静态误差的分析与补偿 4.1.1 概述概述 4.1.2 静态误差分析与补偿的基本原理静态误差分析与补偿的基本原理 4.1.3 开环系统的静态误差分析与补偿开环系统的静态误差分析与补偿 4.1.4 闭环系统的静态误差分析与补偿闭环系统的静态误差分析与补偿 4.1.5 提高测试系统静态性能的途径提高测试系统静态性能的途径4.1.1 概述概述n静态测量和动态测量n静态测量误差n静态测量误差分析的方法 测量过程的角度入手 原理误差？不完善、近似、环境波动等 工具误差？装置自身误差 系统分析的角度

2、入手 分析误差传递规律 提出改善性能措施4.1.2 静态误差分析与补偿的基本原理静态误差分析与补偿的基本原理n1、原理误差及其补偿原理 n2、工具误差及其补偿原理 n3、环节静态误差的分析及其表达式 1、原理误差及其补偿原理、原理误差及其补偿原理n系统特性方程中参数理论值与实际值不符系统特性方程中参数理论值与实际值不符n n系统特性方程采用近似方程式系统特性方程采用近似方程式n 理论：理论：y0= f0(x); 近似：近似：y= f(x); y= y- y0n测量方法自身的不完善测量方法自身的不完善 n原理误差的补偿原理原理误差的补偿原理 iniixxfy11）系统特性方程中参数理论值与实际值

3、不符系统特性方程中参数理论值与实际值不符问题如何产生？2）系统特性方程采用近似方程式）系统特性方程采用近似方程式理想化情况？理想化情况？ 线性线性实际情况？实际情况？ 阶梯阶梯问题？问题？3）测量方法自身的不完善）测量方法自身的不完善影响情况分析？影响情况分析？根据情况尽可能选择误差小的。4）原理误差的补偿原理）原理误差的补偿原理n对于参数变化产生的原理误差，对各参数实测，然后将实测结果送入测试系统中进行处理。 n对于特性方程采用近似方程式带来的原理误差，必须探究近似方程式的起因。n对于测量方法自身的不完善，则必须寻求改善测量方法的根本性解决方案。 工作过程？解决程度？原理上？实际上？原理误差

4、补偿属于系统误差，从产生原因入手寻求消除或减小的最佳途径。能否完全消除？2、工具误差及其补偿原理、工具误差及其补偿原理n量具误差n仪器误差n附件误差：如转换开关、导线、夹具等，一般相对影响较小，大部分属于系差。n工具误差的补偿原理1）量具误差）量具误差n概念：以固定形式复现量值的测量器具n分类：标准量具、通用量具n量具误差分析的重要性n游标卡尺会因没有遵守阿贝原则而产生误差2）仪器误差）仪器误差客观存在的3）工具误差的补偿原理）工具误差的补偿原理n无论量具误差、仪器误差还是附件误差，了解工具误差产生的原因是进行误差补偿的前提条件。 n对于方法或原理误差：限制测量范围，进行后续误差补偿；n对于加

5、工或安装过程中的误差：严格控制加工条件、进行误差补偿；n对于环境因素引起的误差：控制被测量所处环境变化、采集环境参数进行后续误差补偿。n总之：至关重要，多属于系差，具有可补偿性。3、环节静态误差的分析及其表达式、环节静态误差的分析及其表达式n出发点：通过对各环节误差分析处理，获得整体的误差分析结果。n环节的构成n干扰来源：输入端、输出端、环节内部干扰因素？影响如何？三种干扰3、环节静态误差的分析及其表达式、环节静态误差的分析及其表达式n微分环节 有随时间变化的干扰如何处理？加干扰的微分项n积分环节 公式的应用条件？n非线性关系情况 y在各点不同。4.1.3 开环系统的静态误差分析与补偿开环系统

6、的静态误差分析与补偿n开环系统的静态误差分析方法开环系统的静态误差分析方法 多数开环系统都可看成几个环节的串联多数开环系统都可看成几个环节的串联n开环系统静态误差的补偿方法开环系统静态误差的补偿方法 1、开环系统的静态误差分析方法、开环系统的静态误差分析方法条件？ 忽略二阶小量原因？合并为一个等效环节结论：处理规则问题？计算复杂输入量及干扰误差传递系数规则输入量及干扰误差传递系数规则 n系统对输入量及各干扰信号的误差传递系数等于信号从作用点起，至输出端的所有传递系数之连乘积，遇有并联回路，乘上并联回路各支路的传递系数之和。或者说，输入量及各干扰所引起的输出量等于输入量及干扰乘上从起作用点起，至

7、输出端的所有传递系数之连乘积，遇有并联回路时，必须乘上并联回路各支路的传递系数之和，系统的总输出等于作用在该系统中的所有输入量系统的总输出等于作用在该系统中的所有输入量及干扰所引起的输出量之代数和及干扰所引起的输出量之代数和。 分析实例分析实例1 分析实例分析实例2：由加速度得到位置：由加速度得到位置 加速度位移第2积分环节到输出端的第1积分环节到输出端的作用在第1积分环节前和输入端的干扰产生的影响开环系统静态误差的补偿方法开环系统静态误差的补偿方法n误差补偿的实质 在静态方程式中适时添加与干扰信号反方向的信号分量，从而达到抵消干扰信号的作用。 n举例说明 若第i环节传递系数有ki变化，则对系

8、统总的传递系数的影响是在总传递系数应乘上（1+ki/ki） 如何消除？ 并联环节？加一个反向变化的ki/ki 串联环节？并一个负ki/ki的环节n补偿原则：具体补偿实例补偿实例1n同一位置补偿？以y2和3互补n不同位置补偿？以yc=- y2/k补y2 基本要求？对一个干扰的完全补偿，系统对其必须有两个通道。积分环节？分段补偿补偿实例补偿实例2n带有积分环节的基本思想:分段补偿，分担点为积分环节前后；积分环节前的干扰不能再该环节之后补；若积分环节后有一个比例于时间的误差，可在环节前加常值补偿。小结n误差分析方法n系数传递规则n误差补偿方法 基本原则？ 补偿特点？ 积分环节？n误差分析和补偿的前提

9、条件 传递系数的确认？2、闭环系统的静态误差分析与补偿、闭环系统的静态误差分析与补偿 闭环系统的静态误差分析方法 闭环系统静态误差的补偿方法 1）闭环系统的静态误差分析方法）闭环系统的静态误差分析方法 n单环反馈式闭环系统n多环反馈式闭环系统n积分环节的分析处理1）单环反馈式闭环系统n当k0=k3=1，且k1k21时，y3x/k2或y0k2y1n关系的物理意义：当k1k21时，比较环节输出的误差信号很小，忽略其影响后y0=k2y1，这是单环反馈系统的基本特征。n有干扰存在时：n正反馈时？ 线性关系关键问题干扰项的分析计算n当闭环系统为负反馈时，分母为闭环部分传递系数之积加1，正反馈时则是1减去

10、闭环部分传递系数之积；系统对各干扰之传递系数的分子等于从干扰作用点起沿方框图所示箭头方向至输出端所有环节传递系数之积，对负(正)反馈系统来说，所有作用在反馈回路的干扰之传递系数系数均带负(正)号。 2）多环反馈式闭环系统）多环反馈式闭环系统基本原则：采用逐步简化的方法将系统简化成单环反馈系统，然后就可按照单环反馈系统中所讲方法进行误差分析。 积分环节的分析处理闭环系统静态误差的补偿方法闭环系统静态误差的补偿方法 n闭环的误差补偿与开环的有不同特点。n补偿原则 负反馈系统的误差补偿：由于作用在反馈回路中的干扰的传递系数均带负号，因此作用在反馈回路的干扰与正馈回路的干扰符号相同也能补偿。 正反馈系

11、统的误差补偿：作用在反馈回路的干扰的传递系数仍为正号，因此补偿原则与开环串联系统相同，需正、负相补。n补偿实例 以电位差计式航空排气温度表为例电位差计式航空排气温度表电位差计式航空排气温度表*基本工作原理？系统框图n原理性介绍系统框图简化系统框图简化补偿思想补偿思想简单工作过程的总结提高测试系统静态性能的途径提高测试系统静态性能的途径n测试原理方案及系统组成器件的改善 测量原理方案选取最为重要，方案不当将直接导致系统性能下降。选好测量方案后，组成系统的器件选择也非常关键，主要是器件的累计误差影响大。另外可考虑合适的补偿环节消除影响。 补偿环节补偿效果的衡量n 误差补偿的引入对补偿方法的引入开环

12、和闭环系统有补贴实现方式，应按需选取。难以建立系统的数学模型时，更多考虑对测试系统测量结果的误差分布规律进行分析处理。微处理器的快速发展使得补偿可以集成到软件中。 误差补偿方案实现的难易程度误差补偿实例：误差补偿实例：火电厂锅炉污水流量测试系统火电厂锅炉污水流量测试系统 难点难点: 污水实际为气液两相流，波动大污水实际为气液两相流，波动大误差补偿前测量结果n发现规律： 线性关系良好重复性测量结果误差补偿后测量结果火电厂发电示意图火电厂发电示意图4.2 测试系统动态误差的分析与补偿测试系统动态误差的分析与补偿 4.2.1 动态测量误差及其评定动态测量误差及其评定 4.2.2 开环系统的动态误差分

13、析与补偿开环系统的动态误差分析与补偿 4.2.3 闭环系统的动态误差分析与补偿闭环系统的动态误差分析与补偿 4.2.4 提高测试系统动态性能的途径提高测试系统动态性能的途径 小结小结4.2.1 动态测量误差及其评定动态测量误差及其评定n动态测量的基本概念动态测量的基本概念n动态测量数据与动态测量误差动态测量数据与动态测量误差 n动态测量误差与静态测量误差动态测量误差与静态测量误差 n动态测量误差评定的基本方法动态测量误差评定的基本方法 1）动态测量的基本概念）动态测量的基本概念n什么是动态测量？n动态测量的特点 时空性时空性：任何运动的物体都具有 空？空间位置变化必然伴随时间的推移或变化 时？

14、数据表现出时变特点； 随机性：随机性：随机干扰 相关性：相关性：输出不仅和该时刻的输入有关，还和被测量在该时刻前的量值变化历程有关。2）动态测量数据与动态测量误差）动态测量数据与动态测量误差n动态测量数据及其分类 确定性数据和随机性数据？ 时域特点与频域特点？确定性数据周期性数据正弦周期数据如：正弦周期数据等，单周期信号。频域特点：离散。复杂周期数据如：周期性三角波等，多个正弦信号叠加。频域特点：离散。非周期性数据准周期数据如：频率为无理数的正弦信号。频域特点：离散。瞬态数据如：阻尼振荡系统的自由振动等。频域特点：连续。随机性数据平稳过程各态历经过程特点：一个样本函数的特点能够代表其它样本函数

15、的特点。非各态历经过程特点：一个样本不能够反映整个随机过程。非平稳过程特点：测试数据的统计特征量随时间变化。2）动态测量数据与动态测量误差）动态测量数据与动态测量误差n动态测量误差 定义： 特点 时变量 如何处理？在时域、频域内发现统计特征n动态测量数据和动态测量误差 共同点？ 不同点 3）动态测量误差与静态测量误差n共同点n不同点 表现形式上 时空性、相关性、随机性 误差求取过程上 重复测量求取误差分析结果 单次测量求取误差分析结果 数据处理量上的差别4）动态测量误差评定的基本方法n一个是从实际测得的动态测量数据本身出发，分离出其中的动态测量系统误差、动态测量随机误差，再求出各评定参数，之后

16、即可针对评定参数的特点开展针对性的补偿措施。 n一种是从系统构成的角度着手，将系统分解为若干个元件的串并联组合，以环节分析推动整个测试系统的误差分析与补偿。 n分析理论与工具4.2.2 开环系统的动态误差分析与补偿开环系统的动态误差分析与补偿n开环系统的动态误差分析方法开环系统的动态误差分析方法 n开环系统动态误差的补偿方法开环系统动态误差的补偿方法 n动态误差补偿网络的设计方法动态误差补偿网络的设计方法 1、开环系统的动态误差分析方法、开环系统的动态误差分析方法n如何分析？ 不考虑干扰？ 考虑干扰？过渡过程的影响？干扰性质及其误差传递特点第一类和第二类动态误差n第一类动态误差n两者之差即为过

17、渡过程产生的误差，特点？n第二类动态误差n干扰引起的误差，特点？n两类误差的对比2、开环系统动态误差的补偿方法、开环系统动态误差的补偿方法n不同的动态误差，采取不同的补偿措施。n特点： 具体问题具体分析n要求：补偿环节的时间常数和被补偿环节相同。n热电偶为例误差补偿实例误差补偿实例优缺点的详细对比分析3、动态误差补偿网络的设计方法、动态误差补偿网络的设计方法n低通滤波器构建高通滤波器n低通滤波器构建带通滤波器n低通滤波器组建复杂传递函数n动态误差补偿网络的设计方法动态误差补偿网络的设计方法n上述分析均是针对第一类动态误差n第二类动态误差分析方法的基本原理n动态测量中做到全补偿是非常困难的，有时候只要做到减小干扰对测量结果的影响就可以了。如在一些瞬态测量中，整个测量过程的时间很短，若测量过程中温度对系统的影响较大，则可考虑在系统设计过程中设计延缓温度对系统影响的环节，使得测量系统在实验时间内对温度变化来不及反应，从而达到减小温度干扰对测量结果影响的目的。 提高测试系统动态性能的途径提高测试系统动态性能的途径n测量原理方案及系统组成器件上的改善 串联测量系统的工作频带取决于最薄弱环节的频带，因此设计这样的测量系统，一定抓住测量系统设计中的最薄弱环节，针对薄弱环节开展针