第一章 测量与控制系统

1、测量与控制系统技术基础Fundamentals of Measurement and ControlP28-2l测控技术的发展l测控系统分类与组成l智能测控系统l嵌入式系统l测控技术在汽车行业的应用P28-31.1 1.1 测控系统的基本概念测控系统的基本概念 测控技术即“测量技术”、“控制技术”和实现它们的仪器，它是利用测控仪器检测被控变量，根据检测参数，按照人们预期的目标去控制执行机构。P28-4水箱液位自动控制系统是典型的测控系统 P28-51.2 1.2 控制技术发展概况控制技术发展概况 1）手动控制）手动控制 20世纪世纪40年代，生产规模较小，采用安装在生产设备现场、只具备简年代，

2、生产规模较小，采用安装在生产设备现场、只具备简单测量功能的仪表，操作人员只能通过现场的巡视，了解生产过程的状单测量功能的仪表，操作人员只能通过现场的巡视，了解生产过程的状况，进行手动控制。况，进行手动控制。2）局部自动化）局部自动化 20世纪世纪50年代，出现了集中控制室，生产现场各处参数通过统一模年代，出现了集中控制室，生产现场各处参数通过统一模拟信号，送往集中控制室。实现了工厂仪表化和局部自动化。拟信号，送往集中控制室。实现了工厂仪表化和局部自动化。3）集中数字控制）集中数字控制 20世纪世纪70年代，开始采用数字信号取代模拟信号，出现了年代，开始采用数字信号取代模拟信号，出现了“直接数字

3、直接数字控制控制”，但受当时计算机性能的限制，使得该集中系统结构很难为生产，但受当时计算机性能的限制，使得该集中系统结构很难为生产过程接受。过程接受。P28-61.2 1.2 控制技术发展概况控制技术发展概况 4）集散控制（）集散控制（DCS） 20世纪世纪80年代，出现了年代，出现了PLC、MCU以及由多个计算机分层构成的集以及由多个计算机分层构成的集中、分散控相结合的集散控制系统（中、分散控相结合的集散控制系统（DCS）。）。5）分布式网络控制）分布式网络控制 20世纪世纪90年代后，新型的现场总线控制技术突破了年代后，新型的现场总线控制技术突破了DCS系统中通信系统中通信由专用网络的封闭

4、系统来实现所造成的缺陷，通过现场总线网络连接由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能。成系统，实现综合自动化的各种功能。P28-71913年美国建成最早的汽车装配流水线1926年美国建成第一条汽车自动生产线 1952年美国研制出第一台数控机床 P28-81954年美国发明家德沃研制成年美国发明家德沃研制成功世界第一台工业机器人样机，并功世界第一台工业机器人样机，并同时申请具有记忆和重复操作功能同时申请具有记忆和重复操作功能的机器人专利。的机器人专利。1969年，美国通用汽车公司用年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车台工业机器

5、人组成了焊接轿车车身的自动生产线。身的自动生产线。1970年代，美国研制出具有视年代，美国研制出具有视觉、触觉和行走能力并具有识别和觉、触觉和行走能力并具有识别和一定理解能力的智能机器人。一定理解能力的智能机器人。第一台工业机第一台工业机器人样机器人样机P28-9现代自动化工厂生产线（国产）奇瑞、长安汽车冲压生产线奇瑞、长安汽车冲压生产线长春汽车焊接生产线长春汽车焊接生产线P28-10现代高速大型数控中心高速大型数控中心（沈阳第一机床厂）P28-112005年我国成功发射载人飞船（神舟6号） 1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功P28-12汽车加油机器人P28-13P28-14P2

6、8-15P28-161.3 1.3 现代控制技术特点现代控制技术特点 现代测控技术呈现微型化、集成化、远程化、网络化和虚拟化的特点：1、测控设备软件化：软件代替了很多硬件功能。2、测控过程智能化：自诊断、自屏蔽、自学习等功能。3、高度的灵活性：以软件为核心，功能实现方便。4、实时性强：CPU运算速度快。5、可视性好：具有友好的人机交互界面。6、立体化：全球卫星定位、无线通信、雷达探测等。P28-17基于网络的测控系统模型：基于现场总线基于现场总线P28-18基于网络的测控系统模型：基于基于InternetInternetP28-19基于网络的测控系统模型：测控管一体化模型P28-202.1 2

7、.1 控制系统的分类控制系统的分类 1、检测系统：单纯以“检测”为目的的系统。2、控制系统：单纯以“控制”为目的的系统3、测控系统：依据被控对象的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。P28-21被测被测对象对象敏感敏感元件元件被测量被测量变量变量变换变换变量变量控制控制数据数据传输传输数据数据显示显示数据数据处理处理1 检测系统检测系统控制指令控制指令控制控制器器执行执行机构机构被控被控对象对象2 控制系统控制系统P28-222.2 2.2 测控系统的组成测控系统的组成 1、被控对象：被控制的装置或设备。2、检测单元：感受并测出被控变量的大小，变换成控制器所需的信号形式。

8、3、控制器：将检测单元的输出信号与被控变量的设定值信号进行比较得出偏差信号，根据偏差信号的大小按一定的运算规律计算出控制信号，然后将控制信号传送给执行机构。4、执行机构：接受控制器发出的控制信号，直接改变控制变量，调整被控对象的能量或物料的平衡，使被控变量回复至设定数值。P28-23系统比较系统比较控制控制装置装置执行执行机构机构被控被控对象对象( )x t( )e t( )u t( )g t检测检测单元单元被控变量被控变量扰动扰动( )f t( )c t( )y t测量值测量值控制器控制器广义对象广义对象3 测控系统测控系统P28-242.3 测控系统的性能指标测控系统的性能指标1、稳定性指

9、标、稳定性指标衰减比衰减比 n=y1/y3闭环控制系统对设定值突变的阶跃响应曲线闭环控制系统对设定值突变的阶跃响应曲线若若n1，曲线为衰减振荡过程，系统是稳定的。，曲线为衰减振荡过程，系统是稳定的。n，系统越稳定，系统越稳定n1或或n1，系统不稳定，系统不稳定，一般希望一般希望 n=410.P28-252.3 测控系统的性能指标测控系统的性能指标2 快速性指标快速性指标调节时间调节时间ts： t0（5%或或2%） y()所需时间。所需时间。Ts越小，快速性越好。越小，快速性越好。P28-262.3 测控系统的性能指标测控系统的性能指标3 准确性指标准确性指标最大动态偏差最大动态偏差 A=y（t

10、1）yx(t0)=y1超调量超调量 = y1/y( )100%残余偏差残余偏差 C= y( ) yx(t0)残余偏差残余偏差C越小，系统准确性越好越小，系统准确性越好P28-273.1 3.1 智能测控系统概念智能测控系统概念 1、选择功能（宴会效应）2、学习功能（咖啡桌效应）3、联想功能（高桥效应）P28-283.3 3.3 智能测控系统的主要功能特征智能测控系统的主要功能特征 一个理想的智能测控系统应具备如下性能：一个理想的智能测控系统应具备如下性能：1、学习能力：、学习能力：系统对未知环境提供的信息进行识别、记忆、学习，并利系统对未知环境提供的信息进行识别、记忆、学习，并利用经验进一步改

11、善自身性能的能力。用经验进一步改善自身性能的能力。2、适应性：、适应性：系统具有适应被控对象动力学特性变化、环境变化和运行条系统具有适应被控对象动力学特性变化、环境变化和运行条件变化的能力。件变化的能力。3、容错性：、容错性：系统对各类故障具有自诊断、自恢复功能。系统对各类故障具有自诊断、自恢复功能。4、鲁棒性：、鲁棒性：系统对环境的干扰和不确定性因素不敏感。系统对环境的干扰和不确定性因素不敏感。5、组织功能、组织功能：在任务要求的范围内，自行决策，主动采取行动。：在任务要求的范围内，自行决策，主动采取行动。6、实时性：、实时性：在线实时响应能力。在线实时响应能力。7、人机协作：、人机协作：具

12、有友好的人机界面，保证人机通信，人机互助和人机协具有友好的人机界面，保证人机通信，人机互助和人机协同工作。同工作。8、通信功能：、通信功能：系统具有通信和组网功能。系统具有通信和组网功能。P28-29根据根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置机器和设备的装置”（原文为（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。

13、）。嵌入到对象体中的专用计算机系统嵌入到对象体中的专用计算机系统P28-30嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求专用性：软、硬件按对象要求裁减专用性：软、硬件按对象要求裁减计算机系统：实现对象的智能化功能计算机系统：实现对象的智能化功能三要素：嵌入、专用、计算机三要素：嵌入、专用、计算机嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点: :4.2 4.2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 P28-314.2 4.2 嵌入式系统处理器的类型嵌入式系统处理器的类型q微控制器（微控制器（MCU：Microprogrammed Control Unit ）q数字信号处理器（

14、数字信号处理器（DSP：Digital Signal Processor ）q片上系统（片上系统（SOC：system on chip）q可编程片上系统（可编程片上系统（SOPC:System On Programmable Chip ）P28-32车载GPS导航仪车载路况识别系统汽车自动驾驶系统P28-331 性能好坏影响动力性、经济性、安全性、可靠性、舒适性及排放性。2 汽车电子化成为衡量汽车技术水平和先进性的重要标志。3 汽车电子产品价值占每辆汽车价值26%。5.1 测控技术对于汽车行业的重要性P28-34汽车传感器汽车传感器P28-355.2 5.2 汽车电子控制技术发展概况汽车电子控

15、制技术发展概况 汽车电控技术发展过程：二极管、三极管、小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路到超大规模集成电路、微处理机及复杂控制系统。 6060年代初：年代初：采用简单的电子装置，二极管整流的交流发电机、电子调节器、采用晶体管的电子点火装置等 7070年代初期：年代初期：汽车电子控制装置使用了集成电路，但是在汽车上的商品化的电子装置不多 8080年代以来：年代以来：以微处理器为控制核心的汽车电子控制装置得到了迅速发展。 目前：目前：汽车电子化程度已成为衡量一个国家汽车生产技术水平的重要标志P28-365.3 5.3 汽车电子控制系统组成与分类汽车电子控制系统组成与分类 3.3.1 3

16、.3.1自动控制系统组成：三大部分自动控制系统组成：三大部分信号采集部分：传感器电子控制单元（ECU）：对传感器的各种输入信号进行分析处理，向被控装置输出控制信号执行器：根据ECU的输出信号完成对被控对象的操作P28-37简化的汽车电子控制系统模型简化的汽车电子控制系统模型向ECU提供汽车运行状况和发动机工况 接收来自传感器的信息，经信息处理后发出相应的控制指令给执行器 执行ECU的专项指令，从而完成控制目的 P28-381)发动机控制系统2)底盘控制系统3)行驶安全系统4)信息系统5)附属系统5.4 5.4 汽车电子控制系统简介汽车电子控制系统简介P28-391)发动机控制部分电控点火装置（

17、ESA）电控汽油喷射(EFI) 废气再循环控制（EGR） 怠速控制（ISC） 电控点火装置（ESA）:由微处理机、传感器及其接口、执行器等构成。该装置根据传感器测得的发动机参数进行运算、判断，然后进行点火时刻的调节，可使发动机在不同转速和进气量等条件下，保证在最佳点火状态下工作，使发动机输出最大的功率和转矩，降低油耗和排放。 P28-40电控汽油喷射系统(EFI)：是以电控单元(ECU)为控制中心，并利用安装在发动机上的各种传感器测出发动机的各种运行参数，再按照控单元(ECU)中预存的控制程序精确地控制喷油器的喷油量，使发动机在各种工况下都能获得最佳空燃比的可燃混合气。 P28-41废气再循环

18、控制（EGR）:是目前用于降低废气中氧化氮排放的一种有效措施。其主要执行元件是数控式EGR阀，作用是独立地对再循环到发动机的废气量进行准确的控制。 P28-42怠速控制系统（ISC）:主要由传感器、ECU及执行机构组成怠速控制就是ECU根据传感器检测的发动机状态参数确定目标转速，计算出目标转速与实际转速的差值，确定控制量，驱动怠速控制装置，改变进气量，使实际转速接近目标转速。 P28-432)底盘控制部分 电控自动变速器（ECAT）防抱死电子制动系统与驱动防滑系统(ABS) 驱动防滑控制系统(ASR) 电子控制动力转向(EPS) 电控悬挂(TEMS)巡航控制系统(CCS)电控自动变速器（ECA

19、T）：可以根据发动机的载荷、转速、车速、制动器工作状态及驾驶员所控制的各种参数，经计算、判断后自动地改变变速杆的位置，按照换档特性精确地控制变速比，从而实现变速器换挡的最佳控制，得到最佳挡位和最佳换挡时间。 P28-44防抱死电子制动系统（ABS）：是一种重要的安全性部件。是通过安装在各车轮或传动轴上的转速传感器等不断检测各车轮的转速，由计算机计算出当时的车轮滑移率(由滑移率来了解汽车车轮是否已抱死)，并与理想的滑移率相比较，做出增大或减小制动器制动压力的决定，命令执行机构及时调整制动压力，可使在汽车在制动时维持方向的稳定性和缩短汽车的制动距离，有效地提高了行车的安全性。P28-45汽车驱动防

20、滑控制系统（ASR）：当驱动车轮出现滑转时，通过控制发动机的动力输出或对滑转车轮施加制动力以防止驱动力超过轮胎与路面的附着力而导致车轮空转打滑，保持最佳的驱动力。是ABS系统的完善和补充。 ASR与ABS的区别：ABS是防止车轮在制动时被抱死而产生侧滑，而ASR则是防止汽车在加速时因驱动轮打滑而产生的侧滑，ASR是在ABS的基础上的扩充，两者相辅相成。P28-46减压状态减压状态 常规制动状态常规制动状态 驱动防滑转系统（ASR） 四种工作状态P28-47保压状态保压状态 增压状态增压状态 P28-48电子转向助力系统(EPS)：一般是由转矩(转向)传感器、电子控制单元、电动机、减速器、机械转向器、以及畜电池电源所构成。系统不直接消耗发动机的动力，而是利用直流电动机提供转向动力，辅助驾驶员进行转向操作。P28-49电子控制悬挂(TEMS)：利用传感器采集汽车载荷、路面、行驶车速、行驶工况等变化情况，ECU电控模块通过控制电磁阀、步进电机和电动机等执行机构，自动调整悬架的刚度、阻尼以及车身高度，使汽车在瞬息变化的行驶条件下获得最好的平顺性和最佳的操纵稳定性。P28-50巡航控制系统(CCS)：汽车电子巡航控制系统主要由巡航控制开关、车速传感器、执行器和电子控制单元(ECU)四部分组成。使车辆汽车运行中不用踩油门踏板就可按照驾驶员的要求，以固定的速度