第一章 測量與控制系統(tǒng)概述

1、測量與控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)Fundamentals of Measurement and ControlP28-2l測控技術(shù)的發(fā)展l測控系統(tǒng)分類與組成l智能測控系統(tǒng)l嵌入式系統(tǒng)l測控技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用P28-31.1 1.1 測控系統(tǒng)的基本概念測控系統(tǒng)的基本概念 測控技術(shù)即“測量技術(shù)”、“控制技術(shù)”和實現(xiàn)它們的儀器，它是利用測控儀器檢測被控變量，根據(jù)檢測參數(shù)，按照人們預(yù)期的目標去控制執(zhí)行機構(gòu)。測控技術(shù)與測控技術(shù)與儀器儀器測量技術(shù)測量技術(shù)測量儀器測量儀器測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)控制技術(shù)控制技術(shù)控制儀器控制儀器控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)P28-4水箱液位自動控制系統(tǒng)是典型的測控系統(tǒng) P28-51.2 1.2 控制技術(shù)

2、發(fā)展概況控制技術(shù)發(fā)展概況 1）手動控制）手動控制 20世紀世紀40年代，生產(chǎn)規(guī)模較小，采用安裝在生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場、只具備簡年代，生產(chǎn)規(guī)模較小，采用安裝在生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場、只具備簡單測量功能的儀表，操作人員只能通過現(xiàn)場的巡視，了解生產(chǎn)過程的狀單測量功能的儀表，操作人員只能通過現(xiàn)場的巡視，了解生產(chǎn)過程的狀況，進行手動控制。況，進行手動控制。2）局部自動化）局部自動化 20世紀世紀50年代，出現(xiàn)了集中控制室，生產(chǎn)現(xiàn)場各處參數(shù)通過統(tǒng)一模年代，出現(xiàn)了集中控制室，生產(chǎn)現(xiàn)場各處參數(shù)通過統(tǒng)一模擬信號，送往集中控制室。實現(xiàn)了工廠儀表化和局部自動化。擬信號，送往集中控制室。實現(xiàn)了工廠儀表化和局部自動化。3）集中數(shù)字控制）

3、集中數(shù)字控制 20世紀世紀70年代，開始采用數(shù)字信號取代模擬信號，出現(xiàn)了年代，開始采用數(shù)字信號取代模擬信號，出現(xiàn)了“直接數(shù)字直接數(shù)字控制控制”，但受當時計算機性能的限制，使得該集中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難為生產(chǎn)，但受當時計算機性能的限制，使得該集中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難為生產(chǎn)過程接受。過程接受。P28-61.2 1.2 控制技術(shù)發(fā)展概況控制技術(shù)發(fā)展概況 4）集散控制（）集散控制（DCS） 20世紀世紀80年代，出現(xiàn)了年代，出現(xiàn)了PLC、MCU以及由多個計算機分層構(gòu)成的集以及由多個計算機分層構(gòu)成的集中、分散控相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)（中、分散控相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)（DCS）。）。5）分布式網(wǎng)絡(luò)控制）分布式網(wǎng)絡(luò)控制 20世

4、紀世紀90年代后，新型的現(xiàn)場總線控制技術(shù)突破了年代后，新型的現(xiàn)場總線控制技術(shù)突破了DCS系統(tǒng)中通信系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)來實現(xiàn)所造成的缺陷，通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)來實現(xiàn)所造成的缺陷，通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接成系統(tǒng)，實現(xiàn)綜合自動化的各種功能。成系統(tǒng)，實現(xiàn)綜合自動化的各種功能。P28-71913年美國建成最早的汽車裝配流水線1926年美國建成第一條汽車自動生產(chǎn)線 1952年美國研制出第一臺數(shù)控機床 P28-81954年美國發(fā)明家德沃研制成年美國發(fā)明家德沃研制成功世界第一臺工業(yè)機器人樣機，并功世界第一臺工業(yè)機器人樣機，并同時申請具有記憶和重復(fù)操作功能同時申請具有記憶和重復(fù)操作功

5、能的機器人專利。的機器人專利。1969年，美國通用汽車公司用年，美國通用汽車公司用21臺工業(yè)機器人組成了焊接轎車車臺工業(yè)機器人組成了焊接轎車車身的自動生產(chǎn)線。身的自動生產(chǎn)線。1970年代，美國研制出具有視年代，美國研制出具有視覺、觸覺和行走能力并具有識別和覺、觸覺和行走能力并具有識別和一定理解能力的智能機器人。一定理解能力的智能機器人。第一臺工業(yè)機第一臺工業(yè)機器人樣機器人樣機P28-9現(xiàn)代自動化工廠生產(chǎn)線（國產(chǎn)）奇瑞、長安汽車沖壓生產(chǎn)線奇瑞、長安汽車沖壓生產(chǎn)線長春汽車焊接生產(chǎn)線長春汽車焊接生產(chǎn)線P28-10現(xiàn)代高速大型數(shù)控中心高速大型數(shù)控中心（沈陽第一機床廠）P28-112005年我國成功發(fā)射

6、載人飛船（神舟6號） 1981年美國“哥倫比亞”號航天飛機首次發(fā)射成功P28-12汽車加油機器人P28-13P28-14P28-15P28-161.3 1.3 現(xiàn)代控制技術(shù)特點現(xiàn)代控制技術(shù)特點 現(xiàn)代測控技術(shù)呈現(xiàn)微型化、集成化、遠程化、網(wǎng)絡(luò)化和虛擬化的特點：1、測控設(shè)備軟件化：軟件代替了很多硬件功能。2、測控過程智能化：自診斷、自屏蔽、自學(xué)習等功能。3、高度的靈活性：以軟件為核心，功能實現(xiàn)方便。4、實時性強：CPU運算速度快。5、可視性好：具有友好的人機交互界面。6、立體化：全球衛(wèi)星定位、無線通信、雷達探測等。P28-17基于網(wǎng)絡(luò)的測控系統(tǒng)模型：基于現(xiàn)場總線基于現(xiàn)場總線P28-18基于網(wǎng)絡(luò)的測控

7、系統(tǒng)模型：基于基于InternetInternetP28-19基于網(wǎng)絡(luò)的測控系統(tǒng)模型：測控管一體化模型P28-202.1 2.1 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類 1、檢測系統(tǒng)：單純以“檢測”為目的的系統(tǒng)。2、控制系統(tǒng)：單純以“控制”為目的的系統(tǒng)3、測控系統(tǒng)：依據(jù)被控對象的被控參數(shù)的檢測結(jié)果，按照人們預(yù)期的目標對被控對象實施控制。P28-21被測被測對象對象敏感敏感元件元件被測量被測量變量變量變換變換變量變量控制控制數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸傳輸數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)顯示顯示數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理處理1 檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)控制指令控制指令控制控制器器執(zhí)行執(zhí)行機構(gòu)機構(gòu)被控被控對象對象2 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)P28-222.2 2.2 測控系統(tǒng)

8、的組成測控系統(tǒng)的組成 1、被控對象：被控制的裝置或設(shè)備。2、檢測單元：感受并測出被控變量的大小，變換成控制器所需的信號形式。3、控制器：將檢測單元的輸出信號與被控變量的設(shè)定值信號進行比較得出偏差信號，根據(jù)偏差信號的大小按一定的運算規(guī)律計算出控制信號，然后將控制信號傳送給執(zhí)行機構(gòu)。4、執(zhí)行機構(gòu)：接受控制器發(fā)出的控制信號，直接改變控制變量，調(diào)整被控對象的能量或物料的平衡，使被控變量回復(fù)至設(shè)定數(shù)值。P28-23系統(tǒng)比較系統(tǒng)比較控制控制裝置裝置執(zhí)行執(zhí)行機構(gòu)機構(gòu)被控被控對象對象( )x t( )e t( )u t( )g t檢測檢測單元單元被控變量被控變量擾動擾動( )f t( )c t( )y t測量

9、值測量值控制器控制器廣義對象廣義對象3 測控系統(tǒng)測控系統(tǒng)P28-242.3 測控系統(tǒng)的性能指標測控系統(tǒng)的性能指標1、穩(wěn)定性指標、穩(wěn)定性指標衰減比衰減比 n=y1/y3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值突變的階躍響應(yīng)曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值突變的階躍響應(yīng)曲線若若n1，曲線為衰減振蕩過程，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。，曲線為衰減振蕩過程，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。n，系統(tǒng)越穩(wěn)定，系統(tǒng)越穩(wěn)定n1或或n1，系統(tǒng)不穩(wěn)定，系統(tǒng)不穩(wěn)定，一般希望一般希望 n=410.P28-252.3 測控系統(tǒng)的性能指標測控系統(tǒng)的性能指標2 快速性指標快速性指標調(diào)節(jié)時間調(diào)節(jié)時間ts： t0（5%或或2%） y()所需時間。所需時間。Ts越小，快速性越好。越小，快速

10、性越好。P28-262.3 測控系統(tǒng)的性能指標測控系統(tǒng)的性能指標3 準確性指標準確性指標最大動態(tài)偏差最大動態(tài)偏差 A=y（t1）yx(t0)=y1超調(diào)量超調(diào)量 = y1/y( )100%殘余偏差殘余偏差 C= y( ) yx(t0)殘余偏差殘余偏差C越小，系統(tǒng)準確性越好越小，系統(tǒng)準確性越好P28-273.1 3.1 智能測控系統(tǒng)概念智能測控系統(tǒng)概念 1、選擇功能（宴會效應(yīng)）2、學(xué)習功能（咖啡桌效應(yīng)）3、聯(lián)想功能（高橋效應(yīng)）P28-283.3 3.3 智能測控系統(tǒng)的主要功能特征智能測控系統(tǒng)的主要功能特征 一個理想的智能測控系統(tǒng)應(yīng)具備如下性能：一個理想的智能測控系統(tǒng)應(yīng)具備如下性能：1、學(xué)習能力：、

11、學(xué)習能力：系統(tǒng)對未知環(huán)境提供的信息進行識別、記憶、學(xué)習，并利系統(tǒng)對未知環(huán)境提供的信息進行識別、記憶、學(xué)習，并利用經(jīng)驗進一步改善自身性能的能力。用經(jīng)驗進一步改善自身性能的能力。2、適應(yīng)性：、適應(yīng)性：系統(tǒng)具有適應(yīng)被控對象動力學(xué)特性變化、環(huán)境變化和運行條系統(tǒng)具有適應(yīng)被控對象動力學(xué)特性變化、環(huán)境變化和運行條件變化的能力。件變化的能力。3、容錯性：、容錯性：系統(tǒng)對各類故障具有自診斷、自恢復(fù)功能。系統(tǒng)對各類故障具有自診斷、自恢復(fù)功能。4、魯棒性：、魯棒性：系統(tǒng)對環(huán)境的干擾和不確定性因素不敏感。系統(tǒng)對環(huán)境的干擾和不確定性因素不敏感。5、組織功能、組織功能：在任務(wù)要求的范圍內(nèi)，自行決策，主動采取行動。：在任務(wù)

12、要求的范圍內(nèi)，自行決策，主動采取行動。6、實時性：、實時性：在線實時響應(yīng)能力。在線實時響應(yīng)能力。7、人機協(xié)作：、人機協(xié)作：具有友好的人機界面，保證人機通信，人機互助和人機協(xié)具有友好的人機界面，保證人機通信，人機互助和人機協(xié)同工作。同工作。8、通信功能：、通信功能：系統(tǒng)具有通信和組網(wǎng)功能。系統(tǒng)具有通信和組網(wǎng)功能。P28-29根據(jù)根據(jù)IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）的定義：國際電氣和電子工程師協(xié)會）的定義：嵌入式系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置機器和設(shè)備的裝置”（原文為（原文為devices used to control, monito

13、r, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。）。嵌入到對象體中的專用計算機系統(tǒng)嵌入到對象體中的專用計算機系統(tǒng)P28-30嵌入性：嵌入到對象體系中，有對象環(huán)境要求嵌入性：嵌入到對象體系中，有對象環(huán)境要求專用性：軟、硬件按對象要求裁減專用性：軟、硬件按對象要求裁減計算機系統(tǒng)：實現(xiàn)對象的智能化功能計算機系統(tǒng)：實現(xiàn)對象的智能化功能三要素：嵌入、專用、計算機三要素：嵌入、專用、計算機嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)的特點: :4.2 4.2 嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)的特點 P28-314.2 4.2 嵌入式系統(tǒng)處理器的類型嵌入式

14、系統(tǒng)處理器的類型q微控制器（微控制器（MCU：Microprogrammed Control Unit ）q數(shù)字信號處理器（數(shù)字信號處理器（DSP：Digital Signal Processor ）q片上系統(tǒng)（片上系統(tǒng)（SOC：system on chip）q可編程片上系統(tǒng)（可編程片上系統(tǒng)（SOPC:System On Programmable Chip ）P28-32車載GPS導(dǎo)航儀車載路況識別系統(tǒng)汽車自動駕駛系統(tǒng)P28-331 性能好壞影響動力性、經(jīng)濟性、安全性、可靠性、舒適性及排放性。2 汽車電子化成為衡量汽車技術(shù)水平和先進性的重要標志。3 汽車電子產(chǎn)品價值占每輛汽車價值26%。5.1

15、 測控技術(shù)對于汽車行業(yè)的重要性P28-34汽車傳感器汽車傳感器P28-355.2 5.2 汽車電子控制技術(shù)發(fā)展概況汽車電子控制技術(shù)發(fā)展概況 汽車電控技術(shù)發(fā)展過程：二極管、三極管、小規(guī)模集成電路、中規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路到超大規(guī)模集成電路、微處理機及復(fù)雜控制系統(tǒng)。 60 60年代初：年代初：采用簡單的電子裝置，二極管整流的交流發(fā)電機、電子調(diào)節(jié)器、采用晶體管的電子點火裝置等 7070年代初期：年代初期：汽車電子控制裝置使用了集成電路，但是在汽車上的商品化的電子裝置不多 80 80年代以來：年代以來：以微處理器為控制核心的汽車電子控制裝置得到了迅速發(fā)展。 目前：目前：汽車電子化程度已成為衡量一

16、個國家汽車生產(chǎn)技術(shù)水平的重要標志P28-365.3 5.3 汽車電子控制系統(tǒng)組成與分類汽車電子控制系統(tǒng)組成與分類 3.3.1 3.3.1自動控制系統(tǒng)組成：三大部分自動控制系統(tǒng)組成：三大部分信號采集部分：傳感器電子控制單元（ECU）：對傳感器的各種輸入信號進行分析處理，向被控裝置輸出控制信號執(zhí)行器：根據(jù)ECU的輸出信號完成對被控對象的操作P28-37簡化的汽車電子控制系統(tǒng)模型簡化的汽車電子控制系統(tǒng)模型向ECU提供汽車運行狀況和發(fā)動機工況 接收來自傳感器的信息，經(jīng)信息處理后發(fā)出相應(yīng)的控制指令給執(zhí)行器 執(zhí)行ECU的專項指令，從而完成控制目的 P28-381)發(fā)動機控制系統(tǒng)2)底盤控制系統(tǒng)3)行駛安全

17、系統(tǒng)4)信息系統(tǒng)5)附屬系統(tǒng)5.4 5.4 汽車電子控制系統(tǒng)簡介汽車電子控制系統(tǒng)簡介P28-391)發(fā)動機控制部分電控點火裝置（ESA）電控汽油噴射(EFI) 廢氣再循環(huán)控制（EGR） 怠速控制（ISC） 電控點火裝置（ESA）:由微處理機、傳感器及其接口、執(zhí)行器等構(gòu)成。該裝置根據(jù)傳感器測得的發(fā)動機參數(shù)進行運算、判斷，然后進行點火時刻的調(diào)節(jié)，可使發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速和進氣量等條件下，保證在最佳點火狀態(tài)下工作，使發(fā)動機輸出最大的功率和轉(zhuǎn)矩，降低油耗和排放。 P28-40電控汽油噴射系統(tǒng)(EFI)：是以電控單元(ECU)為控制中心，并利用安裝在發(fā)動機上的各種傳感器測出發(fā)動機的各種運行參數(shù)，再按照控單元

18、(ECU)中預(yù)存的控制程序精確地控制噴油器的噴油量，使發(fā)動機在各種工況下都能獲得最佳空燃比的可燃混合氣。 P28-41廢氣再循環(huán)控制（EGR）:是目前用于降低廢氣中氧化氮排放的一種有效措施。其主要執(zhí)行元件是數(shù)控式EGR閥，作用是獨立地對再循環(huán)到發(fā)動機的廢氣量進行準確的控制。 P28-42怠速控制系統(tǒng)（ISC）:主要由傳感器、ECU及執(zhí)行機構(gòu)組成怠速控制就是ECU根據(jù)傳感器檢測的發(fā)動機狀態(tài)參數(shù)確定目標轉(zhuǎn)速，計算出目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值，確定控制量，驅(qū)動怠速控制裝置，改變進氣量，使實際轉(zhuǎn)速接近目標轉(zhuǎn)速。 P28-432)底盤控制部分 電控自動變速器（ECAT）防抱死電子制動系統(tǒng)與驅(qū)動防滑系統(tǒng)(A

19、BS) 驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)(ASR) 電子控制動力轉(zhuǎn)向(EPS) 電控懸掛(TEMS)巡航控制系統(tǒng)(CCS)電控自動變速器（ECAT）：可以根據(jù)發(fā)動機的載荷、轉(zhuǎn)速、車速、制動器工作狀態(tài)及駕駛員所控制的各種參數(shù)，經(jīng)計算、判斷后自動地改變變速桿的位置，按照換檔特性精確地控制變速比，從而實現(xiàn)變速器換擋的最佳控制，得到最佳擋位和最佳換擋時間。 P28-44防抱死電子制動系統(tǒng)（ABS）：是一種重要的安全性部件。是通過安裝在各車輪或傳動軸上的轉(zhuǎn)速傳感器等不斷檢測各車輪的轉(zhuǎn)速，由計算機計算出當時的車輪滑移率(由滑移率來了解汽車車輪是否已抱死)，并與理想的滑移率相比較，做出增大或減小制動器制動壓力的決定，命令執(zhí)

20、行機構(gòu)及時調(diào)整制動壓力，可使在汽車在制動時維持方向的穩(wěn)定性和縮短汽車的制動距離，有效地提高了行車的安全性。P28-45汽車驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)（ASR）：當驅(qū)動車輪出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)時，通過控制發(fā)動機的動力輸出或?qū)D(zhuǎn)車輪施加制動力以防止驅(qū)動力超過輪胎與路面的附著力而導(dǎo)致車輪空轉(zhuǎn)打滑，保持最佳的驅(qū)動力。是ABS系統(tǒng)的完善和補充。 ASR與ABS的區(qū)別：ABS是防止車輪在制動時被抱死而產(chǎn)生側(cè)滑，而ASR則是防止汽車在加速時因驅(qū)動輪打滑而產(chǎn)生的側(cè)滑，ASR是在ABS的基礎(chǔ)上的擴充，兩者相輔相成。P28-46減壓狀態(tài)減壓狀態(tài) 常規(guī)制動狀態(tài)常規(guī)制動狀態(tài) 驅(qū)動防滑轉(zhuǎn)系統(tǒng)（ASR） 四種工作狀態(tài)P28-47保壓狀態(tài)保壓

21、狀態(tài) 增壓狀態(tài)增壓狀態(tài) P28-48電子轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)(EPS)：一般是由轉(zhuǎn)矩(轉(zhuǎn)向)傳感器、電子控制單元、電動機、減速器、機械轉(zhuǎn)向器、以及畜電池電源所構(gòu)成。系統(tǒng)不直接消耗發(fā)動機的動力，而是利用直流電動機提供轉(zhuǎn)向動力，輔助駕駛員進行轉(zhuǎn)向操作。P28-49電子控制懸掛(TEMS)：利用傳感器采集汽車載荷、路面、行駛車速、行駛工況等變化情況，ECU電控模塊通過控制電磁閥、步進電機和電動機等執(zhí)行機構(gòu)，自動調(diào)整懸架的剛度、阻尼以及車身高度，使汽車在瞬息變化的行駛條件下獲得最好的平順性和最佳的操縱穩(wěn)定性。P28-50巡航控制系統(tǒng)(CCS)：汽車電子巡航控制系統(tǒng)主要由巡航控制開關(guān)、車速傳感器、執(zhí)行器和電子控制單元(ECU)四部分組成。使車輛汽車運行中不用踩油門踏板就可按照駕駛員的要求，以