第一章 測量與控制系統概述

測量與控制系統技術基礎

FundamentalsofMeasurementandControl測控技術的發(fā)展測控系統分類與組成智能測控系統嵌入式系統測控技術在汽車行業(yè)的應用主要內容第一章：測量與控制系統概述第一節(jié)測控技術的發(fā)展1.1測控系統的基本概念

測控技術即“測量技術”、“控制技術”和實現它們的儀器，它是利用測控儀器檢測被控變量，根據檢測參數，按照人們預期的目標去控制執(zhí)行機構。測控技術與儀器測量技術測量儀器測量系統控制技術控制儀器控制系統水箱液位自動控制系統是典型的測控系統1.2控制技術發(fā)展概況

1）手動控制

20世紀40年代，生產規(guī)模較小，采用安裝在生產設備現場、只具備簡單測量功能的儀表，操作人員只能通過現場的巡視，了解生產過程的狀況，進行手動控制。2）局部自動化

20世紀50年代，出現了集中控制室，生產現場各處參數通過統一模擬信號，送往集中控制室。實現了工廠儀表化和局部自動化。3）集中數字控制

20世紀70年代，開始采用數字信號取代模擬信號，出現了“直接數字控制”，但受當時計算機性能的限制，使得該集中系統結構很難為生產過程接受。1.2控制技術發(fā)展概況

4）集散控制（DCS）

20世紀80年代，出現了PLC、MCU以及由多個計算機分層構成的集中、分散控相結合的集散控制系統（DCS）。5）分布式網絡控制

20世紀90年代后，新型的現場總線控制技術突破了DCS系統中通信由專用網絡的封閉系統來實現所造成的缺陷，通過現場總線網絡連接成系統，實現綜合自動化的各種功能。1913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線

1952年美國研制出第一臺數控機床

1954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，并同時申請具有記憶和重復操作功能的機器人專利。1969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身的自動生產線。1970年代，美國研制出具有視覺、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。第一臺工業(yè)機器人樣機現代自動化工廠生產線（國產）奇瑞、長安汽車沖壓生產線長春汽車焊接生產線現代高速大型數控中心（沈陽第一機床廠）2005年我國成功發(fā)射載人飛船（神舟6號）1981年美國“哥倫比亞”號航天飛機首次發(fā)射成功汽車加油機器人國產反恐機器人火星探測機器人“好奇號”火星探測機器人微型機器人仿人機器人1.3現代控制技術特點

現代測控技術呈現微型化、集成化、遠程化、網絡化和虛擬化的特點：1、測控設備軟件化：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、自學習等功能。3、高度的靈活性：以軟件為核心，功能實現方便。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。基于網絡的測控系統模型：基于現場總線基于網絡的測控系統模型：基于Internet基于網絡的測控系統模型：測控管一體化模型第二節(jié)測控系統的分類與組成2.1控制系統的分類

1、檢測系統：單純以“檢測”為目的的系統。2、控制系統：單純以“控制”為目的的系統3、測控系統：依據被控對象的被控參數的檢測結果，按照人們預期的目標對被控對象實施控制。被測對象敏感元件被測量變量變換變量控制數據傳輸數據顯示數據處理1檢測系統控制指令控制器執(zhí)行機構被控對象2控制系統2.2測控系統的組成

1、被控對象：被控制的裝置或設備。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定值信號進行比較得出偏差信號，根據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。4、執(zhí)行機構：接受控制器發(fā)出的控制信號，直接改變控制變量，調整被控對象的能量或物料的平衡，使被控變量回復至設定數值。系統比較控制裝置執(zhí)行機構被控對象－＋檢測單元被控變量擾動測量值控制器廣義對象3測控系統2.3測控系統的性能指標1、穩(wěn)定性指標衰減比n=y1/y3閉環(huán)控制系統對設定值突變的階躍響應曲線若n＞1，曲線為衰減振蕩過程，系統是穩(wěn)定的。n→∞，系統越穩(wěn)定n＝1或n＜1，系統不穩(wěn)定，一般希望n=4—10.2.3測控系統的性能指標2快速性指標調節(jié)時間ts：t0~（±5%或±2%）×y(∞)所需時間。Ts越小，快速性越好。2.3測控系統的性能指標3準確性指標最大動態(tài)偏差A=y（t1）－y[x(t0)]=y1超調量σ=y1/y(∞)×100%殘余偏差C=y(∞)－y[x(t0)]殘余偏差C越小，系統準確性越好第三節(jié)智能測控系統3.1智能測控系統概念

1、選擇功能（宴會效應）2、學習功能（咖啡桌效應）3、聯想功能（高橋效應）3.3智能測控系統的主要功能特征

一個理想的智能測控系統應具備如下性能：1、學習能力：系統對未知環(huán)境提供的信息進行識別、記憶、學習，并利用經驗進一步改善自身性能的能力。2、適應性：系統具有適應被控對象動力學特性變化、環(huán)境變化和運行條件變化的能力。3、容錯性：系統對各類故障具有自診斷、自恢復功能。4、魯棒性：系統對環(huán)境的干擾和不確定性因素不敏感。5、組織功能：在任務要求的范圍內，自行決策，主動采取行動。6、實時性：在線實時響應能力。7、人機協作：具有友好的人機界面，保證人機通信，人機互助和人機協同工作。8、通信功能：系統具有通信和組網功能。什么是嵌入式系統EmbeddedSystems根據IEEE（國際電氣和電子工程師協會）的定義： 嵌入式系統是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設備的裝置”（原文為devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。第四節(jié)嵌入式系統嵌入到對象體中的專用計算機系統·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·計算機系統：實現對象的智能化功能三要素：嵌入、專用、計算機嵌入式系統的特點:4.2嵌入式系統的特點

4.2嵌入式系統處理器的類型第四節(jié)嵌入式系統嵌入式處理器的分類和現狀微控制器（MCU：MicroprogrammedControlUnit）數字信號處理器（DSP：DigitalSignalProcessor）片上系統（SOC：systemonchip）可編程片上系統（SOPC:SystemOnProgrammableChip）

汽車電器設備的發(fā)展方向使汽車操縱逐步實現自動化和智能化。車載GPS導航儀車載路況識別系統汽車自動駕駛系統第五節(jié)測控技術在汽車行業(yè)的應用1性能好壞影響動力性、經濟性、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水平和先進性的重要標志。3汽車電子產品價值占每輛汽車價值26%。5.1測控技術對于汽車行業(yè)的重要性汽車傳感器5.2汽車電子控制技術發(fā)展概況

汽車電控技術發(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、微處理機及復雜控制系統。

60年代初：采用簡單的電子裝置，二極管整流的交流發(fā)電機、電子調節(jié)器、采用晶體管的電子點火裝置等

70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：汽車電子化程度已成為衡量一個國家汽車生產技術水平的重要標志5.3汽車電子控制系統組成與分類3.3.1自動控制系統組成：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ECU的輸出信號完成對被控對象的操作簡化的汽車電子控制系統模型向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，經信息處理后發(fā)出相應的控制指令給執(zhí)行器

執(zhí)行ECU的專項指令，從而完成控制目的

1)發(fā)動機控制系統

2)底盤控制系統

3)行駛安全系統

4)信息系統

5)附屬系統5.4汽車電子控制系統簡介1)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)行器等構成。該裝置根據傳感器測得的發(fā)動機參數進行運算、判斷，然后進行點火時刻的調節(jié)，可使發(fā)動機在不同轉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矩，降低油耗和排放。電控汽油噴射系統(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，再按照控單元(ECU)中預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。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。怠速控制系統（ISC）:主要由傳感器、ECU及執(zhí)行機構組成怠速控制就是ECU根據傳感器檢測的發(fā)動機狀態(tài)參數確定目標轉速，計算出目標轉速與實際轉速的差值，確定控制量，驅動怠速控制裝置，改變進氣量，使實際轉速接近目標轉速。2)底盤控制部分

電控自動變速器（ECAT）防抱死電子制動系統與驅動防滑系統(ABS)驅動防滑控制系統(ASR)電子控制動力轉向(EPS)電控懸掛(TEMS)巡航控制系統(CCS)電控自動變速器（ECAT）：可以根據發(fā)動機的載荷、轉速、車速、制動器工作狀態(tài)及駕駛員所控制的各種參數，經計算、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，從而實現變速器換擋的最佳控制，得到最佳擋位和最佳換擋時間。防抱死電子制動系統（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速傳感器等不斷檢測各車輪的轉速，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)行機構及時調整制動壓力，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。汽車驅動防滑控制系統（ASR）：當驅動車輪出現滑轉時，通過控制發(fā)動機的動力輸出或對滑轉車輪施加制動力以防止驅動力超過輪胎與路面的附著力而導致車輪空轉打滑，保持最佳的驅動力。是ABS系統的完善和補充。ASR與ABS的區(qū)別：ABS是防止車輪在制動時被抱死而產生側滑，而ASR則是防止汽車在加速時因驅動輪打滑而產生的側滑，ASR是在ABS的基礎上的擴充，兩者相輔相成。減壓狀態(tài)

常規(guī)制動狀態(tài)

驅動防滑轉系統（ASR）四種工作狀態(tài)保壓狀態(tài)

增壓狀態(tài)

電子轉向助力系統(EPS)：一般是由轉矩(轉向)傳感器、電子控制單元、電動機、減速器、機械轉向器、以及畜電池電源所構成。系統不直接消耗發(fā)動機的動力，而是利用直流電動機提供轉向動力，輔助駕駛員進行轉向操作。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，自動調整懸架的剛度、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。巡航控制系統(CCS)：汽車電子巡航控制系統主要由巡航控制開關、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，以固定的速度行駛，減輕駕駛員的疲勞強度。行駛安全系統

安全氣囊（SRS)雷達防撞系統驅動防滑控制系統（ASR）安全帶控制系統前照燈控制系統

附屬裝置

全自動空調（EA/C）自動座椅音響／音像

信息系統

信息顯示與報警系統

語言信息系統