【正文】 ，計(jì)算機(jī)檢測(cè)與控制技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域是相當(dāng)廣泛的，上面列舉的僅僅是某些應(yīng)用領(lǐng)域的側(cè)面決不意味著應(yīng)用范圍只局限于列舉的這些。 三 .系統(tǒng)化及標(biāo)準(zhǔn)化 現(xiàn)代檢測(cè)與控制任務(wù)更多地涉及到系統(tǒng)的特征。 五 .網(wǎng)絡(luò)化 計(jì)算機(jī)檢測(cè)和控制，可以用一臺(tái)計(jì)算機(jī)作 為核心機(jī)，也可以由多臺(tái)計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 信息是人和外界作用過程中相互交換內(nèi)容的名稱。 靜態(tài)信號(hào)是指不隨時(shí)間變化的信號(hào)。 復(fù)雜周期信號(hào)可表示為 )()( nTtxtx ?? (n=1,2,3， ?) (23) 它是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的簡諧信號(hào)疊加而成。 若在所討論的時(shí)間間隔內(nèi)，對(duì)于任意時(shí)刻都可以給出確定的函數(shù)值，這種信號(hào)稱為連續(xù)信號(hào)，如圖 23（ a）所示。 （ 2） 間接檢測(cè)法 間接檢測(cè)不是直接測(cè)量被測(cè)的量，而是通過測(cè)量與被測(cè)量有某種變化關(guān)系的量，來間接的獲取被測(cè)量的值。 2. 信號(hào)控制方法 常用的有以下幾種。 （ 3） 前饋控制 (與前面講的計(jì)算機(jī)前饋控制系統(tǒng)類似 ) 18 18 從動(dòng)作的反應(yīng)速度來講，對(duì)于干擾信號(hào)的補(bǔ)償，前饋比反饋要迅速得多。如在條件不斷變化的情況下，保持生產(chǎn)過程中某些參數(shù)或某項(xiàng)指標(biāo)始終為最優(yōu)值（如時(shí)間最短、消耗最小） 。 167。 在檢測(cè)儀表中進(jìn)行物理量的變換，同時(shí)也伴隨著能量形式的變換。將霍爾元件置于被測(cè)磁場 E中，在霍爾元件上通以電流 I，這時(shí)霍爾元件有霍爾電熱 EH產(chǎn)生，也就是說將磁場能量和 電能同時(shí)作用于霍爾元件，通過霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能輸出。 無線傳輸，即用無線電發(fā)射，在遠(yuǎn)距離用接受機(jī)接收，進(jìn)行信號(hào)傳輸。聯(lián)系輸入量與輸出量之間的關(guān)系是微分方程，含有時(shí)間變量，這就是所謂的動(dòng)態(tài)特性。但是工程中經(jīng)常會(huì)遇到非線性特性。 圖 210 測(cè)量儀表的靈敏度 結(jié)論：線形儀表的靈敏度為常數(shù)，非線性儀表的靈敏度隨輸入量變化而變化。 ： 儀表能檢測(cè)的最大輸入量與最小輸入量的之間的范圍稱為儀表的量程或稱測(cè)量范圍。 C，傳感器輸出值的最大偏差和滿量程的百分比，稱為溫漂。因此一般希望儀表的輸出阻抗要小。它是指當(dāng)被測(cè)對(duì)象參數(shù)隨時(shí)間變化很迅速時(shí)，測(cè)量儀表的輸出指示值與輸入被測(cè)物理量之間的關(guān)系。 所以 T 越小，一階系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間就越短。尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)出現(xiàn)以后，要求生產(chǎn)過程參數(shù)的檢測(cè)能自動(dòng)進(jìn)行，這時(shí)就產(chǎn)生了自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。 5） 數(shù)據(jù)顯示環(huán)節(jié)： 有關(guān)被測(cè)量的信息想要傳給人以完成監(jiān)視、控制或分析的目的，則必須將信息變成人的感官所能接受的形式。 圖 218 被動(dòng)式測(cè)量系統(tǒng) ② .特點(diǎn)：在測(cè)量過程中不需要從外部向被測(cè)對(duì)象施加能量。 （ 4） 自檢自診斷系統(tǒng) 儀器的自檢自診斷系統(tǒng)一般是獨(dú)立的功能塊。 （ a） （ b） （ c） 圖 222 電氣測(cè)量儀表三種自檢原理圖 （ a）計(jì)算分析自檢法；（ b）疊加信號(hào)自檢法；（ c）自動(dòng)周期自檢法 2） 疊加信號(hào)自檢法（圖 222（ b））： 在測(cè)量信號(hào)饋入的同時(shí)，持續(xù)、間接和周期性的送入一個(gè)或一組信號(hào)（這些信號(hào)可以是高頻，也可以是脈沖信號(hào)） ，該信號(hào)與被測(cè)信號(hào)疊加后在處理單元進(jìn)行處理，當(dāng)特定的模型和算法完結(jié)后，再輸出測(cè)量數(shù)據(jù)和狀態(tài)信號(hào)。 （ 1） 順序控制數(shù)據(jù)采集方式 順序控制數(shù)據(jù)采集對(duì)于各路被采集參數(shù)，按照時(shí)間順序依次進(jìn)行輪流采樣，系統(tǒng)的性能完全由硬件設(shè)備來確定。 路數(shù) 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)狀態(tài) 0 1 2 3 4 5 6 7 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 31 31 （ 2） 程序控制數(shù)據(jù)采集方式 程序控制采集方式由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。對(duì)于一個(gè) 8位 A/D 轉(zhuǎn)換器，其量化誤差（最小有效位） 為 28==﹪；而對(duì)于一個(gè) 12位 A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差為 ﹪。 例：假設(shè)有 16 路模擬輸入信號(hào)，每路輸入信號(hào)要求檢測(cè) 1000次 /s，則相應(yīng)的采樣間隔時(shí)間 msfT ???。它反映了測(cè)量質(zhì)量的好壞。 （ 3） 引用誤差： 引用誤差是指直讀式指針儀表中通用的一種誤差表示方法。 引用誤差從形式上看像相對(duì)誤差，但是對(duì)某一具體儀表來說，由于其分母（滿量程）A 是一個(gè)常數(shù)，與被測(cè)量大小無關(guān)，因此它實(shí)質(zhì)上代表一個(gè)絕對(duì)誤差的最大值。 引起隨機(jī)誤差的原因都是一些微小因 素，且無法控制。 2）在工程測(cè)量中，有疏失誤差的測(cè)量結(jié)果是不可取的。 、相對(duì)誤差、引用誤差的作用和意義。 （ 1） 按輸入的物理量分類： 可分為壓力傳感器、流量傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等。目前， 我們使用的大多數(shù)傳感器都屬于模擬傳感器。 線性范圍越寬，其工作量程越大。 （ 4）結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。 例如 :位移測(cè)量，要分析是小位移測(cè)量還是大位移測(cè)量。一般選擇信噪比高的傳感器，這樣才能保證傳感器靈敏度在測(cè)量范圍內(nèi)（即線性范圍）保持不變。 例如，天然石英晶體制成的壓電式傳感器比用壓電陶瓷制作的要好。目前的傳感器正在向集成化、多功能化和智能化的方向發(fā)展。 由式 31可知，應(yīng)變?chǔ)胖苯臃从沉藟毫Φ拇笮?，而此?yīng)變?chǔ)庞少N在筒壁上的應(yīng)變片測(cè)量。膜片既是壓力敏感元件，又是與固定電極構(gòu)成可變電容器的動(dòng)電極。 （ 1） 工作原理： 它是將被測(cè)工件尺寸的微小變化或被測(cè)工件間電容介質(zhì)介電系數(shù)的微小變化轉(zhuǎn)換成電容量或容抗量的變化，然后通過一定的檢測(cè)電路 , 再將電容或容抗的變化以一定的電信號(hào)的形式反映出來，從而實(shí)現(xiàn)非電量 檢測(cè)的目的。 （ 2） 應(yīng)變式壓力傳感器的工作原理： 38 38 應(yīng)變式壓力傳感器采用壓力彈性膜片和圓筒組合作為壓力敏感元件，在被測(cè)壓力作用下，圓筒發(fā)生形變，通過粘貼在彈性圓筒表面的電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電壓輸出。選擇傳感器的精度要與后續(xù)檢測(cè)環(huán)節(jié)相匹配，這樣才能滿足檢測(cè)要求。 通常利用光纖、光電、壓電 、壓阻等傳感器，響應(yīng)時(shí)間短，測(cè)量范圍寬，而電感、電容、電磁感應(yīng)、電位器等傳感器等，由于受其結(jié)構(gòu)的影響，機(jī)械系統(tǒng)慣性大，自然頻率低，測(cè)量范圍窄。例如 :對(duì)機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)誤差的測(cè)量，就必須采用非接觸式測(cè)量。 （ 2）要分析檢測(cè)環(huán)境和干擾因素。因此要求傳感器既能檢測(cè)到微小的量值，又要噪音小，即要求傳感器的信噪比越大越好。 當(dāng)然，還有其他的分類方法，這里就不一一介紹了。把非電量轉(zhuǎn)換成另一種非電量，然后把轉(zhuǎn)換而來的非電量再轉(zhuǎn)換為電量，這種傳感器稱為二次傳感器。 1. 傳感器的作用 傳感器是用來將諸如溫度、壓力、流量、位移、轉(zhuǎn)速等非電量轉(zhuǎn)換成電量（如電流或電壓），然后送至電子測(cè)量線路或電子儀表進(jìn)行測(cè)量顯示和記錄，或送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 ,處理和控制。 思考題 與習(xí)題 ？什么叫信號(hào)？ 二者有何區(qū)別和聯(lián)系？并舉例說明。例如，儀表指示值被讀錯(cuò)、記錯(cuò)，儀表操作錯(cuò)誤、計(jì)算機(jī)錯(cuò)誤等。 （ 1） 系統(tǒng)誤差： 系統(tǒng)誤差當(dāng)我們對(duì)同一物理量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量師，如果誤差按照一定的規(guī)律出現(xiàn)，則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。例如， 177。 （ 2） 相對(duì)誤差：相對(duì)誤差的定義由下式給出 %100??? L? （ 224） 式中，△ —— 絕對(duì)誤差； δ —— 相對(duì)誤差，一般用百分?jǐn)?shù)給出； L —— 真實(shí)值。 誤差及其表示方法 1. 測(cè)量誤差的概念 測(cè)量的目的是希望通過測(cè)量求取被測(cè)量的真實(shí)值。根據(jù)此要求，測(cè)量 ℃所對(duì)應(yīng)的分辨率為 1/4500（即 450℃ /4500=℃），而一個(gè) 12位 A/D轉(zhuǎn)換器所具有的分辨率為 212=1/4096，滿足不了要求，所以 A/D轉(zhuǎn) 換器的位數(shù)至少要 13位。 圖 2－ 24 程序控制數(shù)據(jù) 采集原理圖 2. 數(shù)據(jù)采集的性能參數(shù) 表征數(shù)據(jù)采集的基本技術(shù)參數(shù)有 :通道數(shù)、分辨率與精度、采集速度?？刂?8 路傳輸門開啟的信道地址碼由三級(jí)計(jì)數(shù)器狀態(tài)確定。 167。圖 221是過程測(cè)量儀表自診斷系統(tǒng)原理圖。 ③ .優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)上比較簡單 ； 缺點(diǎn)：所有變換器特性的變化都會(huì)造成測(cè)量誤差。 1） 主動(dòng)式測(cè)量系統(tǒng)： ① .構(gòu)成原理 :如圖 217 所示 。 2） 變量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)： 將敏感元件的輸出變量作進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成更適合于處理的變量。 單位階躍響應(yīng)過程如圖 2－ 14所示。 圖 212 一階單位脈沖響應(yīng) 一階系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)的特性：衰減速度與 T 大小有關(guān)，一般經(jīng)過 4T 后，其響應(yīng)就衰減為零。 測(cè)量儀表常數(shù)是指測(cè)量儀表的輸入標(biāo)準(zhǔn)量與對(duì)應(yīng)指示值之比： yxC N? (211) 式中， xN —— 儀表輸入標(biāo)定量； y —— 儀表輸出指示值。輸入阻抗的大小決定了信號(hào)源的衰減程度，輸入阻抗越大，則衰減越小，故一般希望輸入阻抗大 一些。 ： 重復(fù)性通常表示在同一測(cè)量條件下，對(duì)同一數(shù)值的被測(cè)量進(jìn)行重復(fù)測(cè)量時(shí)測(cè)量結(jié)果不一致程度。分辨力往往受噪聲的限制，所以一般用相當(dāng)于噪聲電平的若干倍的被測(cè)量表示，即 kCNM? (C取 1~5） （ 28） 式中， M —— 最小檢測(cè)量； C —— 放大倍數(shù)； N —— 噪音電平； k —— 常數(shù)?？捎孟率奖硎荆? 21 21 )()( xfdxdydxxdfs ???? (26) 式 26表示單位被測(cè)量的變化引起儀表輸出指示值的變化量，很顯然，靈敏度 S越高表示儀表越靈敏。 這種 數(shù)學(xué)方程給出的刻度特性被稱為刻度方程。 （ 2） 測(cè)量儀表的特性 儀表特性，一般分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩種。 (例如 :利用新型光纖傳感器測(cè)油罐 。因此 ,這種變換的前提條件是從被測(cè)介質(zhì)取走變換所需要的能量后，不影響被測(cè)介質(zhì)的 物理狀態(tài)。對(duì)于比較簡單的測(cè)量工作，只需要一臺(tái)儀表就可以解決問題。 （ 7） 自學(xué)習(xí)控制 自學(xué)習(xí)控制是指通過在線實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)，能自動(dòng)獲取知識(shí)，并將所學(xué)的知識(shí)用來不斷改善被控對(duì)象的性能和狀態(tài)。為了提高控制性能 ， 可以按照偏差的比例（ proportional)、積分（ integral)、微分（ derivative)進(jìn)行控制，簡稱 PID控制。 （ 2） 反饋控制 反饋控制如圖 26所示。 設(shè)超聲波在液體中的傳播速度為 v，如果測(cè)得從發(fā)射到接收所經(jīng)歷的時(shí)間為 t，則液位高度 2/tvh? (25) 17 17 圖 24 超聲波法液位測(cè)量原理圖 圖 25 平衡電橋測(cè)電阻 （ 3） 比較檢測(cè)法 比較檢測(cè)法就是將 被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的測(cè)量方法。 167。準(zhǔn)周期信號(hào)又稱為近視周期信號(hào)，它由一些不同頻率的簡諧信號(hào)合成。 圖 21 動(dòng)態(tài)信號(hào)分類 15 15 確定性信號(hào)是指可用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的信號(hào)，如圖 22所示的簡諧信號(hào)等。在數(shù)學(xué)上可以表示為一個(gè)或幾個(gè)獨(dú)立變量的函數(shù)，也可以表示為隨時(shí)間或空間變化的圖形。 14 14 第 2章 計(jì)算機(jī)檢測(cè)與控制技術(shù)基礎(chǔ) 167。在研究集散與分布式控制系統(tǒng)中，要涉及數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及系統(tǒng)分層遞階控制技術(shù)等知識(shí)。 、檢測(cè)、控制與管理等多方面的能力。 目前，我國已研制出汽車自主導(dǎo)航系統(tǒng)，并得到應(yīng)用，只要在帶有電子地圖的液晶顯示屏上輸入目的地，地圖上就會(huì)顯示出一條最佳路線。 ：性能檢測(cè)主要包括產(chǎn)品出廠前的性能檢測(cè)，設(shè)備維修過程中的定期檢測(cè)，系統(tǒng)使用過程中的連續(xù)檢測(cè)；故障診斷主要包括故障檢測(cè)和分析，故障識(shí)別與預(yù)測(cè)，故障維修與管理等，它既可以于電系統(tǒng)，也可以用于非電系統(tǒng)；既可用于軍事，也可用于民用等方面。 ：計(jì)算機(jī)的任務(wù)是對(duì)生 產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視和數(shù)據(jù)采集。根據(jù)溫度及對(duì)扎件質(zhì)量和強(qiáng)度等方面的要求，對(duì)扎件的速度進(jìn)行最優(yōu)控制。 上面介紹了幾種典型的應(yīng)用方式。 。 計(jì)算機(jī)直接控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是可靠性較差，如果計(jì)算機(jī)本身出現(xiàn)故障，則整個(gè)系統(tǒng)不能工作。計(jì)算機(jī)直接放在機(jī)床旁邊，負(fù)責(zé)接受工作的幾何尺寸數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成機(jī)床的控制指令。這樣運(yùn)行費(fèi)用可大大減少。 ，可以把數(shù)據(jù)成批的儲(chǔ)存或復(fù)制，也可以把數(shù)據(jù)通過傳輸線路送到中心計(jì)算機(jī)。實(shí)時(shí)的概念不能脫離具體過程，如煉鋼爐的溫度，如果延遲 1S可仍然認(rèn)為是實(shí)時(shí)的，而一個(gè)火炮控制系統(tǒng)，當(dāng)目標(biāo)量變化的時(shí)候，一般必須在數(shù)毫秒之內(nèi)及時(shí)控制，否則不能擊中目標(biāo)。 （ 5）計(jì)數(shù)器：用來產(chǎn)生一定的時(shí)序信號(hào)，或作為脈沖數(shù)目的累計(jì)。串行適合于遠(yuǎn)距離傳輸和信息交換， 但傳輸速度較慢。 5 5 3. 計(jì)算機(jī)及外圍設(shè)備 計(jì)算機(jī)的物理組成邏輯組成以及總線描述。 計(jì)算機(jī)檢測(cè)與控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)檢測(cè)與控制系統(tǒng)的基本機(jī)構(gòu)如圖 11所示： 圖 11 計(jì)算機(jī)檢測(cè)與控制系統(tǒng)的基本機(jī)