电子控制系统的信号处理

控制器执行器被控对象给定值被控量控制量控制系统：任何一种控制的实现，都要通过若干个环节共同实现，这些环节所涉及的装置就构成了一个系统，称为控制系统。检测装置控制器执行器被控对象给定值被控量控制量比较器课程引入控制器执行器被控对象给定值被控量控制量光控电风扇普通高中课程标准实验教科书通用技术选修１第三章电子控制系统的信号处理第一节数字信号数字信号与模拟信号数字信号的优点传感器控制部分执行器传感器将所获取的信号转换成电信号后，控制部分便对这些信号进行分析、比较、判断、放大、运算、传输、变换——最后向输出部分发出命令，控制执行机构的操作。对信号的分析、比较等过程统称为处理。第一节数字信号数字信号与模拟信号电子控制系统中对信号的处理过程是用电子电路来完成的。电子电路所处理的信号有：电动楼梯静止状态滑滑梯数字信号（digitalsignal）和模拟信号（analogsignal）两类思考第一节数字信号楼梯滑梯不连续连续思考第一节数字信号钱江海潮观察气温钱江潮第一节数字信号家电商场人口普查第一节数字信号请判断，下列量中那些是连续变化的？哪些是非连续变化的？

1.野外环境的亮度与地下仓库中的亮度；

2.人的血压与人的脉搏；

3.运动员滑冰所滑过的轨迹长度与走过同样距离所用的步数；

4.时光的流逝与数字钟所显示的时间的变化。讨论第一节数字信号气象观察气温变化第一节数字信号轿车生产流水线生产量月生产量人日生产量第一节数字信号信号波形模拟着信息的变化而变化信号称为模拟信号。有些非连续变化的量可以用数字表示，若用二进制来表示这个数，并用高和低两个电平（level）代表二进制数中的“1”和“0”，则其形成的在高、低电平之间来回跳变的电信号就是通常所说的数字信号。模拟信号数字信号00uutt第一节数字信号小辞典电平：在数宇电路中，电压（或电流等（的大小分为高、低两级．例如，TTL电路的划分方法是：2.4V～5V为高级，而0

V～

0.8V为低级。通常将这两个高、低不同的电压级（或电流级等）分别称为高电平和低电平。第一节数字信号马上行动

1．在上图所示数字信号中，高电平代表1，低电平代表0(每1格代表1位二进制数，共5位，高位先到)，则该信号代表二进制数

，它相当于十进制数

。

2．用示波器观察半导体收音机或电视机音频输出口的波形，判断它是哪一类信号。数字信号0ut1001119第一节数字信号思考下列信号中，哪些是模拟信号，哪些是数字信号？

1.220V交流电的电压（交流正弦波电压）；

2.海洋上船只与船只之间的灯光联络信号；

3.手机短信息信号。请举出模拟信号与数字信号的例子各一个。模拟信号数字信号数字信号第一节数字信号马上行动请判断下列各例中哪些适合用1和0表示。

1．举重比赛中试举成功与否；

2．学生的考试成绩是否及格；

3．—个人的生与死；

4．—个人是好人还是坏人。合适合适合适不合适第一节数字信号数字信号的优点：数字信号具有容易处理、处理精度高、便于记录保存等优点。第一节数字信号数字信号

容易处理数字信号只有高、底两个电平，容易识别，失真和干扰对数字信号影响小。数字调音台第一节数字信号

演员的歌声经话筒转换成的电信号是模拟信号，一种处理方法是直接放大模拟信号，然后送到扬声器，人们便可欣赏到演员动人的歌喉。由于信号在处理过程中，不可避免地会产生失真并受到各种干扰因素的影响，因而听众所到的歌声也会失真，且伴有“沙沙”的噪音。模拟信号案例分析第一节数字信号

另一种处理方法是先将此信号转换为数字信号，处理以后再将数字信号还原成模拟信号使扬声器发声。虽然数字信号在处理过程中同样会产生失真，受到干扰，其形状也会发生变化，但它所代表的数字(即“高”和“低”)并未改变。可见数字信号在处理过程中，受波形失真和干扰的影响很小，所以听众能听到音色逼真，不带噪音的歌声。数字信号案例分析第一节数字信号模拟信号转换为数字信号的电路称模数转换器。数字信号转换为模拟信号的电路称数模转换器。模拟信号与数字信号之间的相互转换第一节数字信号

将模拟信号转换为数字信号的过程可分为采样、保持、量化、编码四步。采样：每隔一段时间对模拟信号的幅值抽取样品，使图(a)中的模拟信号变成图(b)中的脉冲信号；保持：将图(b)中的脉冲信号变成图(c)中的阶梯信号，以便处理；量化：将图(c)巾每个阶梯的幅值舍去零头，保留整数，得到图(d)；编码：将图(d)中每个阶梯的幅值对应的数字用二进制数字表示，并转化为数字信号，如图(e)所示。模拟信号与数字信号之间的相互转换第一节数字信号图(a)图(b)图(c)图(d)图(e)

数字信号

处理精度高测量中使用了数字信号，测量精度比以前用秒表提高了10倍。第一节数字信号数字信号便于纪录保存由于数字信号中只有“1”和“0”两个值，可很方便地用（具有记忆功能的）电路输出电压的高和底、电容上电荷的有和无、磁性物质的极化方向等方式纪录保存，也可用打孔的方法，如穿孔的有和无、光盘利用有无凹坑纪录“1”和“0”，还可以直接将“1”和“0”打印在纸上纪录保存。但这些方法很少能用来纪录保存模拟信号。第一节数字信号光盘是在塑料母片上用激光“烧”出许多直径不到1μm，沿光盘圆周方向排列的小坑，有小坑的代表“0”，没有小坑代表“1”。读盘时，光盘顺时针转动，激光射到光盘面上。依据小坑的有和无所造成的反射光的有和无分辩出所记录的信号是“1”还是“0”。小资料第一节数字信号试验目的：做一个对比试验。试验准备：带光驱电脑1台．磁带录放机1台．示波器1台．原声带1盘．空白录音带1盘。试验过程；1．将电脑中存放的某段音乐复制一份，比较复制件与原件音乐的音色是否有明显变化。2．使用录音机将原声带中的某段音乐翻录到另一盘录音带上．比较原声带与翻录带的波形是否发生变化。试验总结：数字信号与模拟信号相比有什么优点?示波器磁带录放机光驱电脑小试验试验目的：做一个对比试验。试验准备：带光驱电脑1台．磁带录放机台．示波器1台．原声带1盘．空白录音带1盘。试验过程；

1．将电脑中存放的某段音乐复制一份，比较复制件与原件音乐的音色是否有明显变化。

2．使用录音机将原声带中的某段音乐翻录到另一盘录音带上．比较原声带与翻录带的波形是否发生变化。试验总结：数字信号与模拟信号相比有什么优点?第一节数字信号练习用一个发光二极管制作高、低电平的检测器。第一节数字信号课堂小结电子电路所处理的信号有：数字信号和模拟信号两类。信号波形模拟着信息的变化而变化信号称为模拟信号。二进制数中的“1”和“0”，形成在高、低电平之间来回跳变的电信号称为数字信号。数字信号容易处理、处理精度高、便于记录保存等优点。第一节数字信号普通高中课程标准实验教科书通用技术选修１附录资料：不需要的可以自行删除2023/3/22甲醇合成工艺介绍一、课题的研究背景和意义甲醇是一种具有多种用途的基本有机化工产品，除了在化工方面的多种应用外，它还可以作为清洁燃料在汽车中代替汽油或与汽油掺混使用，以甲醇为燃料的燃料电池也即将投入商业运行。另外，甲醇在变压吸附制氢中作为裂解原料也得到了初步利用。另一方面，用甲醇制取微生物蛋白(SCP)作为饲料乃至食品添加剂有着巨大的市场潜力。二、甲醇的合成方法及流程

（1）木材干馏法

在1924年以前，甲醇几乎全部是用木材分解干馏来生产的。甲醇的世界产量当时只有4500t。用60－100kg木材干馏只能获得约1kg的甲醇，1m3白桦木只能制得5－6kg的甲醇，而1m3的针叶树木只能得到2－3kg的甲醇。这种“森林化学”的甲醇含有丙酮和其他杂质，要从甲醇中除去这些杂质比较困难。由于甲醇的需要量与日俱增，木材干馏法不能满足需要。因此人们开始采用化学合成的方法生产甲醇。（2）气相合成甲醇法气相合成甲醇的主要反应式为：CO+2H2＝CH3OH(g) △H=-90.8kJ/mol①当有CO2存在时，CO2按下列反应生成甲醇：CO2+H2＝CO+H2O(g) △H=+41.3kJ/mol ②CO+2H2＝CH3OH(g) △H=-90.8kJ/mol ③上述②、③两步的总反应式为：CO2+3H2＝CH3OH(g)+H2O(g)△H=-49.5kJ/mol副反应产物：成烃、高碳醇、醚、醛、酸、酯及单质碳等；反应特点：强放热反应；

以甲烷或者一氧化碳与氢气的混合气为原料气合成甲醇的方法有高压、中压和低压三种方法。高压法：即用二氧化碳与氢在高温（340－420℃）高压（30.0－50.0MPa）下用锌-铬氧化物催化剂合成甲醇。用此法生产甲醇已有七十多年的历史，这是八十年代以前世界各国生产甲醇的主要方法。高压法合成甲醇由于操作压力高，动力消耗大，设备复杂，产品质量差等缺点正在逐渐淘汰。2023/3/22高压法(25MPa~32MPa）甲醇合成工艺流程低压法：

即用一氧化碳与氢气为原料在低压（5.0MPa）和275℃左右的温度下，采用铜基催化剂（Cu-Zn-Cr）合成甲醇。低压法成功的关键是采用了铜基催化剂，它的活性和选择性比锌-铬催化剂活性好得多，使甲醇合成反应能在较低的压力和温度下进行。因此，消耗在副反应中原料气和粗甲醇中的杂质都比较少。低压法合成工艺主要有英国帝国化学公司（ICI）和德国鲁奇（Lurqi）的工艺

2023/3/22ICI法低压甲醇合成工艺流程

工艺流程特点：相对低的温度和压力下操作，节省能耗，同时抑制甲烷化反应及其他副反应；采用多段冷激式合成塔，结构简单，催化剂装卸方便，使用寿命长。

2023/3/22第二章液体燃料及其添加剂40ICI多段冷激型甲醇合成反应器ICI多段冷激塔结构特点：反应床层由若干绝热段组成，两段之间通入冷的原料气，使反应气体冷却，以使各段的温度维持在一定值；塔体是空筒，塔内无催化剂筐，催化剂不分层，由惰性材料支撑，冷激气体喷管直接插入床层，并有特殊设计的菱形冷却气体分布器；优点：单塔操作能力大，控温方便，冷激采用菱形分布器专利技术，催化剂层上下贯通，装卸方便，易于放大，目前普通塔的容量为2300t/d，高空隙率塔的容量达7600t/d；缺点：催化剂床层温差较大（轴向：～70℃，径向：～23℃）、有部分气体与未反应气体之间的返混、催化剂时空产率不高，用量较大、单程转化率较低（仅为15%～20%）。ICI多段冷激型甲醇合成反应器

2023/3/22Lurgi法低压甲醇合成工艺流程

2023/3/22第二章液体燃料及其添加剂42Lurgi管壳型甲醇合成反应器结构特点：形似列管式换热器，在塔内，列管中装填催化剂，管间为沸腾水；原料气与出塔气换热至230℃左右进入合成塔，反应放出的热经管壁传给管间的沸腾水，产生4MPa左右的饱和蒸汽，用来驱动透平压缩机。合成塔全系统的温度条件用蒸汽压来控制，从而保证催化剂床层大致为等温。优点：催化剂床层温差较小、单程转化率较高（可达50%）、催化剂使用寿命较长（4年～5年）、热能利用合理、设备紧凑，开停车方便，合成反应过程中副反应少，甲醇质量高。缺点：结构复杂、制作较困难、材料要求高、放大较困难。经典管壳塔的最大生产能力（经济型塔）为1500t/d。全世界现有Lurgi装置37套，甲醇总生产能力达1600万t/a以上。中压法：

中压法是在低压法研究基础上进一步发展起来的，由于低压法操作压力低，导致设备体积相当庞大，不利于甲醇生产的大型化。因此发展了压力为10MPa左右的甲醇中压合成法。它能更有效的降低建厂费用和甲醇生产成本。中压法的操作压力范围为一般为10~27MPa，温度为235~315℃。该法的关键在于使用了一种新型铜基催化剂（Cu-Zn-Al），综合利用指标要比低压法更好。中压法合成甲醇工艺流程

以上三种方法的流程基本相同。但所使用的催化剂不同，因而操作压力和操作温度等级不同，反应器的结构也就有所不同。从合成反应理论上讲，提高压力对合成反应有利，但在高活性铜基催化剂研制成功后，降低合成压力就有了可能。在较低压力和较低温度下合成甲醇，可以降低