第18講-測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)概述基于反饋的偏差控制閉環(huán)系統(tǒng)單片機為核心的測控系統(tǒng)基本組成前向通道（輸入）：儀表測試技術(shù)、傳感技術(shù)、模擬信號處理。后向通道（輸出）：伺服驅(qū)動、電機電器、控制工程、功率器件。計算機測控系統(tǒng)工作過程計算機直接數(shù)字控制DDC（DirectDigitalControl）是在巡回檢測和數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，一般應用于對象較簡單、位置較集中的場合。DDC系統(tǒng)與應用目的最密切相關(guān)的通道接口是前向通道（輸入通道）和后向通道（伺服及控制）接口DDC要求計算機對生產(chǎn)過程進行數(shù)據(jù)采集，并與期望值比較，加以處理或運算，計算出控制量，并將其作用于執(zhí)行元件。每隔一定時間，按照DDC算法來改變被控對象的控制作用，從而使被控量達到和維持給定值。DDC系統(tǒng)是目前工業(yè)生產(chǎn)過程中最常用的控制方式。取代了原有的模擬調(diào)節(jié)器。只要改變控制程序就可以實現(xiàn)程序控制、順序控制、延遲補償、定值控制和較復雜的控制。計算機分布式系統(tǒng)DCS（totalDistributeControlSystem）計算機控制與通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物控制與決策完全分散于各個獨立的控制器，以單個分散測控設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，用總線連接，實現(xiàn)信息互換，是全數(shù)字、全分散和全開放的分布式計算機控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS）是DCS的升級。比較流行的現(xiàn)場總線有：CAN、Profibus、LonWorks和WorldFIP。現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)圖電子測量與單片機檢測技術(shù)測量是獲取客觀數(shù)據(jù)的過程，是人們認識和改造自然的必須手段。測量技術(shù)是研究測量原理、方法和測量儀器等方面的內(nèi)容。利用電子技術(shù)測量稱之為電子測量，包含：測量誤差基本電參數(shù)測量（時間、電壓、阻抗）時域測量（示波器f（t））頻域測量（頻譜分析儀）數(shù)據(jù)域測量（邏輯分析儀）信號處理信號處理：就是要把記錄在某種媒體上的信號進行處理，以便抽取出有用信息的過程，它是對信號進行提取、變換、分析、綜合等處理過程的統(tǒng)稱。信號處理的目的：削弱信號中的多余內(nèi)容；濾出混雜的噪聲和干擾；或者將信號變換成容易處理、傳輸、分析與識別的形式，以便后續(xù)的其它處理。干擾與濾波1、限幅濾波法（又稱程序判斷濾波法）方法：根據(jù)經(jīng)驗判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值（設(shè)為A），每次檢測到新值時判斷：如果本次值與上次值之差<=A,則本次值有效。如果本次值與上次值之差>A,則本次值無效,放棄本次值,用上次值代替本次值優(yōu)點：能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。缺點：無法抑制那種周期性的干擾，平滑度差。2、中值濾波法方法：連續(xù)采樣N次（N取奇數(shù)），把N次采樣值按大小排列，取中間值為本次有效值。優(yōu)點：能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，對溫度、液位的變化緩慢的被測參數(shù)有良好的濾波效果。缺點：對流量、速度等快速變化的參數(shù)不宜。3、算術(shù)平均濾波法方法：連續(xù)取N個采樣值進行算術(shù)平均運算。N值較大時：信號平滑度較高，但靈敏度較低；N值較小時：信號平滑度較低，但靈敏度較高。N值的選取：一般流量，N=12；壓力：N=4優(yōu)點：適用于對一般具有隨機干擾的信號進行濾波，這樣信號的特點是有一個平均值，信號在某一數(shù)值范圍附近上下波動。缺點：對于要求數(shù)據(jù)計算速度較快的實時控制不適用，比較浪費RAM。4、遞推平均濾波法（又稱移動平均濾波法）方法：把連續(xù)取N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為N，每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾,并扔掉原來隊首的一次數(shù)據(jù).(先進先出原則)，把隊列中的N個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均運算,就可獲得新的濾波結(jié)果。N值的選取經(jīng)驗：流量，N=12；壓力：N=4；液面，N=4~12；溫度，N=1~4優(yōu)點：對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，適用于高頻振蕩的系統(tǒng)。缺點：靈敏度低，對偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差，不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，不適用于脈沖干擾比較嚴重的場合，比較浪費RAM5、加權(quán)遞推平均濾波法方法：是對遞推平均濾波法的改進，即不同時刻的數(shù)據(jù)加以不同的權(quán)。通常是，越接近現(xiàn)時刻的數(shù)據(jù)，權(quán)取得越大。給予新采樣值的權(quán)系數(shù)越大，則靈敏度越高，但信號平滑度越低。優(yōu)點：適用于有較大純滯后時間常數(shù)的對象和采樣周期較短的系統(tǒng)。缺點：對于純滯后時間常數(shù)較小，采樣周期較長，變化緩慢的信號不能迅速反應系統(tǒng)當前所受干擾的嚴重程度，濾波效果差。6、一階滯后濾波法（低通濾波）

7、高通濾波器和帶通濾波

6、中位值平均濾波法（又稱防脈沖干擾平均濾波法）方法：相當于“中值濾波法”+“算術(shù)平均濾波法”。連續(xù)采樣N個數(shù)據(jù)，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N-2個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。N值的選?。?~14優(yōu)點：融合了兩種濾波法的優(yōu)點，對于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。缺點：測量速度較慢，和算術(shù)平均濾波法一樣，比較浪費RAM。7、限幅平均濾波法方法：相當于“限幅濾波法”+“遞推平均濾波法”，每次采樣到的新數(shù)據(jù)先進行限幅處理，再送入隊列進行遞推平均濾波處理。優(yōu)點：融合了兩種濾波法的優(yōu)點，對于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。缺點：比較浪費RAM。8、一階滯后濾波法方法：取a=0~1，本次濾波結(jié)果=（1-a）*本次采樣值+a*上次濾波結(jié)果。優(yōu)點：對周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動頻率較高的場合。缺點：相位滯后，靈敏度低，滯后程度取決于a值大小，不能消除濾波頻率高于采樣頻率的1/2的干擾信號。9、消抖濾波法方法：設(shè)置一個濾波計數(shù)器將每次采樣值與當前有效值比較：如果采樣值＝當前有效值，則計數(shù)器清零如果采樣值<>當前有效值，則計數(shù)器+1，并判斷計數(shù)器是否>=上限N(溢出)，如果計數(shù)器溢出,則將本次值替換當前有效值,并清計數(shù)器。優(yōu)點：對于變化緩慢的被測參數(shù)有較好的濾波效果，可避免在臨界值附近控制器的反復開/關(guān)跳動或顯示器上數(shù)值抖動。缺點：對于快速變化的參數(shù)不宜，如果在計數(shù)器溢出的那一次采樣到的值恰好是干擾值,則會將干擾值當作有效值導入系統(tǒng)。10、限幅消抖濾波法方法：相當于“限幅濾波法”+“消抖濾波法”先限幅,后消抖。優(yōu)點：繼承了“限幅”和“消抖”的優(yōu)點改進了“消抖濾波法”中的某些缺陷,避免將干擾值導入系統(tǒng)。缺點：對于快速變化的參數(shù)不宜。系統(tǒng)誤差校正技術(shù)系統(tǒng)誤差：相對隨機誤差而言，由系統(tǒng)自身因素引起分為：恒定和變化系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差的模型校正方法舉例：避開MC14433雙積分ADC芯片的過零延時。預先提高信號。利用校準曲線通過查表法修正誤差（用于無法建立誤差模型的情況）非線性校正（線性化過程）：擬合量程自動轉(zhuǎn)換技術(shù)程控增益放大器模擬信號程控放大器A/D單片機標度變換線性標度變換抗干擾設(shè)計干擾源：電磁設(shè)備的啟停，電源波形畸變等抗干擾原則：抑制干擾源，切斷干擾傳播途徑，提高敏感元件的抗干擾性能。du/dt,di/dt大的就是干擾。減小干擾源的做法：在干擾源兩端并聯(lián)電容可以減小du/dt;在干擾源回路串聯(lián)電感或者電阻以及增加續(xù)流二極管可以減少di/dt。切斷干擾源的做法：對于傳導干擾，增加濾波器或者光耦。輻射干擾用增加干擾源與敏感元件距離，用地線把干擾源隔離，把敏感元件屏蔽。屏蔽技術(shù)利用導電率或?qū)Т怕矢娴牟牧现瞥勺o罩。電場屏蔽（靜電屏蔽）：抑制分布電容耦合產(chǎn)生的靜電場。磁場屏蔽。電磁場屏蔽：PCB布線原則地線：模擬地、素質(zhì)地、安全地、系統(tǒng)地、交流地低頻用單點接地、高頻用多點接地模擬信號和數(shù)字信號采用2套電源，并用光耦隔離元件布局：強、弱、數(shù)字、模擬都分區(qū)布置。降低外時鐘頻率安裝去耦電容減少過孔數(shù)量。不用的IO設(shè)置為輸出