测控原理第一章.ppt

第一章 概述,目前我们正处于信息时代，测控技术是信息科学的一个分支，它与计算机技术、自动控制技术、通信技术一起，构成了信息技术的完整学科。,信息技术的要素包括信息的获取、存储、处理、传输和利用，而信息的获取主要靠仪器仪表来实现。所以，检测技术是信息工业的源头，如果获取的信息是错误的，那么信息的存储、传输和处理都毫无意义，更谈不上利用。测控仪器和测控系统是检测技术的具体实现，是获取信息的工具。,测量仪器与测控系统的发展,第一代为指针式（或模拟式）仪器仪表第二代为数字式仪器仪表第三代是智能式仪器仪表,测控系统,普通台式PCI,工控机PCI,1.1 测控系统的类型和组成,1.检测系统：又称数据采集系统。,检测系统由敏感元件、变量转换环节、变量控制环节、数据传输环节、数据显示环节、数据处理环节构成。,2.程序控制系统,微机,控制电路,执行器,参数及动作次序,3.测控系统,测控系统的组成：,由被控对象、检测单元、控制器、执行机构组成。,以先进控制系统为例：,相对传统的以温度、压力、液位等为目标的单回路控制而言，先进控制则是以质量和工艺要求为指标的多变量控制,先进控制系统的本质：,加热炉的控制,单回路控制系统有：,1、燃烧系统燃料、送风、负压、含氧量等控制2、加热系统物流的温度控制3、物流系统流量、压力等控制 各种控制回路之间存在着强耦合 系统具有非线性因素 各参数之间有互动作用,结论：1、在耦合作用下各被控参数必然有很大波动 2、人们关心的控制指标：燃烧效率、尾气含 氧量、影响安全因素（水位、负压）等 3、必需将加热炉作一整体来考虑多变量系统,测控系统的基本概念,测控系统是传感器技术、通信技术、计算机技术、控制技术、计算机网络技术的综合。,广泛应用于国民经济的各个领域，如化工、冶金、纺织能源、交通、电力、供水、供热、医疗、空间技术等。,就组成而言，测控系统是分布式的计算机管理系统。,就理论基础而言，测控系统是控制论、信息论、系统论的综合,手动控制恒温箱,自动控制恒温箱,恒温箱控制的要求是克服外界干扰（如电源电压波动、环境温度变化等等），保持箱内温度恒定，以满足物体对温度的要求。显然为了实现温度的恒定控制，必须首先对箱内温度进行测量。对于所示的人工控制的恒温箱，其控制或调节过程可归结如下：,(1)操作者观测由测量元件（温度计）测出的恒温箱内的温度（被控制量）。(2)将测得的温度与要求的温度值（给定值）进行比较，得出温度差值（称为偏差）的大小和方向。(3)根据偏差的大小和方向，操作者通过调节调压器进行控制。当恒温箱内温度高于所要求的给定温度值时，移动调压器使电流减小，温度降低。若温度低于给定的值，则移动调压器，使电流增加，温度升到正常范围。,显然，人工控制的过程就是通过眼睛测量、大脑求取偏差再通过手控制调压器改变加热电阻丝的发热量以纠正温度偏差的过程，简言之即“检测偏差再纠正偏差”。人工控制要求操作者随时观察箱内温度的变化情况，随时进行调节。为了将操作者从这种机械式的重复劳动中解脱出来，可以设计一个控制器来完成人的工作，将上面的人工控制变成如图 所示的自动控制系统。其中，恒温箱的所需温度由电压信号 u 1 给定。当外界因素引起箱内温度变化时，作为测量元件的热电偶，把温度转换成对应的电压信号 u 2，并反馈回去与给定信号 u 1 相比较，所得结果即为温度的偏差信号 u=u 1-u 2。经过电压、功率放大后，用以改变执行电动机的转速和方向，并通过传动装置拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向着减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止。即只有在偏差信号 u=0 时，电动机才停转。这样就完成了恒温箱所要求的自动控制任务。,易见，自动控制系统和人工控制系统的共同特点都是要检测偏差，并用检测到的偏差去纠正偏差。因此，检测是控制的前提，而没有偏差就不会有控制调节过程。控制系统的工作原理可以归纳如下：(1)检测输出量的实际值。(2)将实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差值。(3)用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。,测控技术的内容 测控技术研究的主要内容包括：测控原理及方法、测控数据处理、测控系统建模、以及测控系统的分析和设计等几个方面。测控原理及方法包括实现测量和控制所依据的物理、化学、生物等现象及有关定律以及相应的实现方法。例如，热电偶测量温度时所依据的是热电效应、电机转速控制所依据的是电机的运动特性等等。不同性质的被测量或被控量用不同的原理进行测量或控制，同一性质的被测量或被控量亦可用不同的的原理去测量或控制。测控原理确定后，根据对测控任务的具体要求和现场实际情况，需要采用不同的测控方法，如直接测控法或间接测控法、模拟量测控法或数字量测控法等。,测控数据处理包括数据的运算、滤波及各种分析方法，其目的是获得正确可靠的结果，提高测试和控制的可靠性及准确性。测控系统建模研究如何通过物理、化学、生物等有关定律建立测控系统的动态模型，是进行测控系统理论分析和设计的基础。测控系统的分析和设计则是在测控系统模型的基础上，通过时域或频域的方法分析系统的性能，通过外加合适的校正环节补偿原有系统的不足，构建快速、准确、不失真的测控系统。,不同场合的测控系统有着不同的性能要求。但各种测控系统均有着一些共同的基本要求，即稳定、准确、快速。,.稳定性 由于测控系统都包含储能元件，若系统参数匹配不当，能量在储能元件间的交换可能引起振荡。稳定性就是指系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。对于稳定的系统，当输出量偏离平衡状态时，应能随着时间收敛并且最后回到初始的平衡状态。稳定性是保证测控系统正常工作的先决条件。,.精确性 测控系统的精确性即测控精度，一般以稳态误差来衡量。所谓稳态误差是指以一定变化规律的输入信号作用于系统后，当调整过程结束而趋于稳定时，输出量的实际值与期望值之间的误差值，它反映了动态过程后期的性能。这种误差一般是很小的。如数控机床的加工误差小于 0.02mm，一般恒速、恒温控制系统的稳态误差都在给定值的 1%以内。,.快速性 快速性是指当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。快速性好的系统，它消除偏差的过渡过程时间就短，就能复现快速变化的输入信号，因而具有较好的动态性能。,由于测控对象的具体情况不同，各种系统对稳定、精确、快速这三方面的要求是各有侧重的。例如，调速系统对测控的稳定性要求较严格，而随动系统则对测控的快速性提出较高的要求。,需要指出的是，对于一个测控系统而言，稳、准、快是相互制约的。提高快速性，可能会使得系统发生强烈振荡；改善了稳定性，测控过程又有可能过于迟缓，甚至精度也会变差。分析和解决这些矛盾，正是测控理论所要讨论的主要内容之一。,测控技术的发展,1、测量系统的现状与发展 测量系统的组成：,传统,不平衡电桥 放大器交流载波器等等,测量值计算 非线性校正 热电偶补偿等等,指示仪表记录仪表等等,多路切换器,热电偶电阻 电容 电感 电磁 压电 节流元件 等,发展趋势,微波技术 激光与红外技术 纳米技术 超导技术 仿生技术 等等,发展趋势,敏敏感件,敏感元件,调理元件,信号处理元件,显示元件,多路切换元件,MEMS 多功能传感器 敏感、信号处理、显示等元件集成化 等等,发展趋势,信号处理元件,多路切换元件,基于微处理器的智能仪表 具有自校正、自诊断、故障自定位、自修复、自适应跟踪环境等能力,发展趋势,敏敏感件,敏感元件,调理元件,信号处理元件,显示元件,多路切换元件,基于PC的计算机测量仪表又称 虚拟仪表集计算机技术、信号处理技术、图 象处理技术等于一体，例如汽车发 动机检测系统、自动计量系统等,发展趋势,敏敏感件,敏感元件,调理元件,信号处理元件,显示元件,多路切换元件,网络化仪表系统 在局域网或互联网环境下将分布于网络各端口的数据或信息在任何时间任何地点均能加以采集的测量系统 例如：网络化流量测量系统，网络化水文监测系统，网络化 环境监测系统，智能交通系统、网络化控制系统等等,测控技术的发展动向具体体现（1）传感器向新型、微型、智能型方向发展；（2）测控仪器向高精度、多功能、小型化、在线监测、性能标准化和低价格发展；（3）参数测量与数据处理以计算机为核心，使测量、分析、处理、打印、绘图、状态显示及故障预报向自动化发展。,1.2 智能测控系统,智能及智能的本质是古今中外许多哲学家、脑科学家一直在努力探索和研究的问题，但至今仍然没有完全了解，以致智能的发生与物质的本质、宇宙的起源、生命的本质一起被列为自然界四大奥秘。,选择、学习、联想仅仅是智能一小部分的外在表现。,智能测控系统是以计算机为核心，将信号检测数据处理与计算机控制融为一体的一种新兴综合性测控系统。,其组成有：广义对象、传感器、执行机构、计算机及外部设备、软件系统构成。,主要功能特征如下：学习能力、适应性、容错性鲁棒性、组织功能、实时性、人机协作、通信功能。,发展趋势是：1、测控单元智能化。2、测控单元网络化。3、测控管一体化。4、测控技术的综合化。,1.3 嵌入式系统,IEEE:“Device used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants”.嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。,嵌入式系统定义,嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。包含有计算机，但又不是通用计算机的计算机应用系统。,通用计算机与嵌入式系统对比,嵌入式系统的组成,嵌入式系统一般由嵌入式硬件和软件组成硬件以微处理器为核心集成存储器和系统专用的输入/输出设备软件包括：初始化代码及驱动、嵌入式操作系统和应用程序等，这些软件有机地结合在一起，形成系统特定的一体化软件。,嵌入式系统的特点,嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应用的嵌入式系统得到多种类型的处理器和处理器体系结构的支持嵌入式系统通常极其关注成本嵌入式系统有实时性和可靠性的要求嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入式操作系统嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法,嵌入式处理器的种类,1、嵌入式微处理器（EMPU）2、嵌入式微控制器（EMCU）3、嵌入式数字信号处理器（EDSP）4、嵌入式片上系统（System on Chip，SoC）,嵌入式系统应用,PDA 消费电子 信息家电 移动通信 GPS 智能识别系统 导航系统 汽车电子,嵌入式系统应用,工业控制 火控系统 数字电视 飞行控制系统 测试仪器 医疗设备 游戏机 等等,嵌入式系统发展的四个阶段,1、以单片机为核心的低级嵌入式系统：2、以嵌入式微处理器为基础的初级嵌入式系统3、以嵌入式操作系统为标志的中级嵌入式系统4、以Internet为标志的高级嵌入式系统,嵌入式系统的出现和兴起,出现：20世纪60年代以晶体管、磁芯存储为基础的计算机开始用于航空等军用领域。第一台机载专用数字计算机是奥托内蒂克斯公司为美国海军舰载轰炸机“民团团员”号研制的多功能数字分析器(Verdan)。同时嵌入式计算机开始应用于工业控制。1962年一个美国乙烯厂实现了工业装置中的第一个直接数字控制(DDC)。,嵌入式系统的出现和兴起,兴起：在19651970年，当时计算机已开始采用集成电路，即第三代计算机。在军事、航空航天领域、工业控制的需求推动下。第一次使用机载数字计算机控制的是1965年发射的Gemini3号，第一次通过容错来提高可靠性是1968年的阿波罗4号、土星5号。1963年DEC公司推出PDP8并发展成PDP11系列，成为工业生产集中控制的主力军。在军用领域中，为了可靠和满足体积、重量的严格要求，还需为各个武器系统设计五花八门的专用的嵌入式计算机系统。,嵌入式系统开始走向繁荣,嵌入式系统大发展是在微处理器问世之后1973年至1977年间各厂家推出了许多8位的微处理器，包括Intel 8080/8085，Motorola 的6800/6802，Zilog的Z80和Rockwell的6502。微处理器不单用来组成微型计算机，而且用来制造仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等嵌入式系统。仅8085/Z80微处理器的销售就超过7亿片,其中大部分是用于嵌入式工业控制应用。,嵌入式系统开始走向繁荣,微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入式应用市场，计算机厂家除了要继续以整机方式向用户提供工业控制计算机系统外，开始大量地以插件方式向用户提供OEM产品，再由用户根据自己的需要构成专用的工业控制微型计算机，嵌入到自己的系统设备中。为了灵活兼容，形成了标准化、模块化的单板机系列。流行的单板计算机有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。由于兼容的要求，这就导致了工业控制微机系统总线的诞生。,嵌入式系统开始走向繁荣,1976年Intel推出Multibus，1983年扩展为带宽达40MB/S的Multibus。1978年Prolog设计简单的STD总线广泛用于小型嵌入式系统。1981年Motorola推出的VME_Bus则与Multibus瓜分高端市场。目前在工业控制领域，嵌入式PC、PC104、CPCI（Compact PCI）总线已广泛应用到工业控制领域。,嵌入式系统开始走向繁荣,单片机、DSP出现随着微电子工艺水平的提高,集成电路设计制造商开始把嵌入式应用所需要的微处理器、I/O接口、A/D、D/A转换、串行接口以及RAM、ROM通通集成到一个VLSI中,制造出面向I/O设计的微控制器，就是我们俗称的单片机。专门用于高速实时信号处理的数字信号处理器DSP。,嵌入式系统开始走向繁荣,软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善在微处理器出现的初期，为了保障嵌入式软件的时间、空间效率，软件只能用汇编语言编写。由于微电子技术的进步，对软件的时空效率的要求不再那么苛刻了，嵌入式计算机的软件开始使用PL/M、C等高级语言。对于复杂的嵌入式系统来说除了需要高级语言开发工具外，还需要嵌入式实时操作系统的支持。,嵌入式系统开始走向繁荣,80年代初开始出现了一批软件公司，推出商品化的嵌入式实时操作系统和各种开发工具。Ready System(后来的Microtec Research、后来又被Mentor Graphic收购)公司:VRTX操作系统及Xray,Spectra工具Integrated System Incorporation(ISI，后被WindRiver公司合并):pSOS操作系统及pRISM工具WindRiver公司:VxWorks操作系统及Tornado工具QNX公司:QNX操作系统及工具商用嵌入式实时操作系统和开发工具的出现和推广应用，使嵌入式系统的开发从作坊式向分工协作规模化的方向发展，促使嵌入式应用扩展到更广阔的领域。,嵌入式系统应用走向纵深,进入20世纪90年代,在分布控制、柔性制造、数字化通信和数字化家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统的硬件、软件技术进一步加速发展、应用领域进一步扩大。手机、数码相机、VCD、数字电视、路由器、交换机等都是嵌入式系统。大多数豪华轿车每辆拥有约50个嵌入式微处理器。最新的波音787宽体客机上约有6000多个微处理器。在不久的将来你会在你的家里发现几十到上百的嵌入系统在为你服务。,嵌入式系统应用走向纵深,嵌入式系统的硬件4位、8位、16位微处理器芯片已逐步让位于32位嵌入式微处理器芯片。面向不同应用领域的（Application-Specific）、功能强大、集成度高、种类繁多、价格低廉、低功耗的32位芯片已大量应用于各种各样的军用和民用设备。DSP向高速、高精度、低功耗发展。DSP与通用嵌入式微处理器集成（SoC）已成为现实，并已大量应用于嵌入式系统，如手机、IP电话等。,嵌入式系统应用走向纵深,在工业控制领域，嵌入式PC大量应用于嵌入式系统中。PC104、CPCI（Compact PCI）总线因其成本低、兼容性化也已被广泛应用。嵌入式系统的软件随着微处理器性能的提高，嵌入式软件的规模也随着发生指数型增长。,嵌入式系统应用走向纵深,嵌入式软件危机,32位芯片将能够执行由上百万行C代码构成的复杂程序，使得嵌入式应用具备高度复杂和智能化的功能,软件的实现从某种意义上说决定了产品的功能，已成为新产品成功与否的关键因素。,软件体现价值,DVD播放机功能：视频+音频（incl.MP3）价格：200 600元,iPod MP3播放机功能：MP3价格：,两者的硬件差异？两者的价格差异？核心价值在于：好的软件带给消费者最好的使用体验,嵌入式系统应用走向纵深,为此，嵌入式系统已大量采用嵌入式操作系统。嵌入式操作系统功能不断的扩大和丰富，由80年代只有内核、发展为包括内核、网络、文件、图形接口、嵌入式JAVA、嵌入式CORBA及分布式处理等丰富功能的集合。此外，嵌入式开发工具更加丰富，其集成度和易用性不断提高，目前不同厂商已开发出不同类型的嵌入式开发工具，可以覆盖嵌入式软件开发过程各个阶段，提高嵌入式软件开发效率。,可编程控制器概述,可编程控制器的产生 可编程控制器（Programmable Logic Controller)简称PLC。自1969年第一台PLC面世以来，已成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。与机器人、CAD/CAM并称为工业生产自动化的三大支柱。,1968年 美国通用汽车公司提出的替代继电器控制系统的新型控制器的十项指标：,1）编程简单、现场可修改程序；2）维护方便、采用插件式结构；3）可靠性高于继电器控制系统；4）体积小于继电器控制系统；5）数据可以直接送入计算机；,6）成本可与继电器系统竞争；7）输入可为市电；8）输出可为市电，能直接驱动电磁阀、交流接触器等；9）通用性强、易于扩展；10）用户存储器大于4K。,国际电工委员会（IEC）PLC的定义：,可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。,PLC的特点,可靠性高，抗干扰能力强。编程直观、简单。环境要求低，适应性好。功能完善，接口功能强。,PLC的应用和发展,早期的PLC 改造原有的继电接触器控制系统。广泛应用于各种控制系统中，如各种顺序控制等。主要用于有大量开关量和少数模拟量的控制系统。PLC的发展趋势：1、小型化、专用化和低价格；2、大型、高速、多功能和分布式全自动网络化。,结 束,