計算機測控總結(jié)

1.1測控系統(tǒng)的地位與作用

?〃測量”、“測試”與“控制”的概念

-測量是為了確定被測對象的量值而進行的實驗過程,

是通過實驗來求出被測量與已知計量單位的比值。

測量的基本步客包括：比較、處理、傳遞、顯示。

?什么是“測試”?

-測試是測量與試驗的統(tǒng)稱

-試驗是指將試驗對象置于一定的環(huán)境和條件下，進行測

量、處理測量信息、了解試驗對象客觀性能的過程。試

驗的基本步客與測量相同，但往往要求加激勵。從廣義

角度看，試驗也是一種測量，是側(cè)重性能方面的測量。

?什么是“控制”?

-采用各種方法支配或約束某一客觀事物的進程結(jié)果，這

一任務(wù)我們稱之為“控制”。

北航自動化學(xué)院12010/10/23

_隔離

一校正

?采集電路

北航自動化學(xué)院

Jis---j前置放大器K°J后級電路，|------丫9s

VINO---，E-----*Vor

VJN

前置放大器的作用

%N=5K等效輸入噪聲

總輸出噪聲

喉=J（喂°K°K）2+（限K）2

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放大器在前

匕產(chǎn)叵忑普叵二后忑放大器在后

由于K〉1,所以，匕N〈匕N，因此調(diào)理電

路中放大器設(shè)置在濾波器前面有利于減少電

路的等效輸入噪聲。

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0

五、采樣電路的參數(shù)設(shè)計與選擇

?采樣電路的基本結(jié)構(gòu)形式

多路開關(guān)*A/D轉(zhuǎn)換㈡測控計算機

測控計算機

A/D轉(zhuǎn)換中測控計算機

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LL選用采樣保持器

如果采樣保持器的捕獲時間為丁人口孔徑時間為

TAP、A/D轉(zhuǎn)換時間為二，為使孔徑時間造成的誤差小

于1LSB,則輸入信號的最高城率：

/max一-.一.cm+1

tAP?兀?2

而滿足采樣定理的輸入信號最高頻率為：

X2?（卻+晨+招

通常TAPVTACVIC,輸入信號的最高頻率取決于A/D

轉(zhuǎn)換時間

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△計算機測控系統(tǒng)的基本工作原理

計算機測控系統(tǒng)的工作原理可以歸納為三步:

?實時數(shù)據(jù)采集:實時控制決策:實時控制輸出:

?計算機測試系統(tǒng)的功能與工作過程

-數(shù)據(jù)采集

-數(shù)據(jù)處理

-數(shù)據(jù)輸出

北航自動化學(xué)院72010/10/23

M(-)對傳感器的主要技術(shù)要求

1.具有將被測量轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路可用電量的功能，轉(zhuǎn)換

范圍與被測量實際變化范圍相一致。

2.轉(zhuǎn)換精度符合整個測試系統(tǒng)根據(jù)總精度要求而分配給

傳感器的精度指標(biāo)，轉(zhuǎn)換速度應(yīng)符合整機要求。

3.能滿足被測介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊要求，如耐高溫、

耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量

輕和不耗電或耗電少等。

4.能滿足用戶對可靠性和可維護性的要求。

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啖二襄小

L(“，N、2總的

(KoJ等效輸入噪聲

心(min)=%v>J囁。+(

》)2㈡KO>1

Ko

%N0<----7匚)"V|NO<VIN

K；

KO>1

不選用采樣保持器

設(shè)輸入信號為Uj二UmCOS3t則輸入信號的最大變化

率為:dUj

max=①3=27tfU

dtm

又設(shè)信號正負(fù)峰值正好達到A/D的正負(fù)滿量程，而

A/D的位數(shù)（不含符號位）為m,A/D轉(zhuǎn)換時間為:，為

確保轉(zhuǎn)換周期內(nèi)值號變化不超過1LSB,則信號最高頻率:

Jmaxm+\

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A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

?位數(shù)的確定（信號的動態(tài)范圍、轉(zhuǎn)換精度）

（1）如果輸入信號的動態(tài)范圍[YmM，Ymax],要求的靈敏度為（如：xxmv/bit）

貝IJA/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)由下式確定：_Z

?=k）g2（l+-max-mm）

（2）如果A/D前的放大器增益為Kg,模擬輸入電壓最大值丫白乜最小值Vmin,

n位的A/D滿量程為E則應(yīng)使：

Vk>—小信號不被噪聲淹沒V〃

ming2〃「max2'1

大信號不使A/D溢出Vmin一

Vma%三E

（1）式用信號的絕對值表示，（2）式是信號的相對值,

實際兩者是等價的

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A/D轉(zhuǎn)換器分辨率的定義

?A/D轉(zhuǎn)換器分辨率的定義=/4

Z-1Z

例如8位A/D分辨率為：D=二一x0.0039215

28-1

?如果要求分辨率D0求A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)：

A7>10g2(l+4-)

例如，某溫度控制系統(tǒng)的溫度范圍為。至200℃,要求分辨率為0.005

(即相當(dāng)于1℃),可求出A/D將換器字長1

%21叫。+尸)=lo§2(1+;r77T)-7.65

-Z-XQU.

因此，取A/D轉(zhuǎn)換器字長為8位。

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步距角的計算

360c

oc=------

mzk

a為步距角，印為定子繞組的相數(shù)，Z為轉(zhuǎn)子的齒

數(shù)，k為通電工作方式，m相m拍通電k=1,印相

2m拍"2

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"串行通信

串行通信：所傳送數(shù)據(jù)的各位按順序一位一

位地發(fā)送或接收，只需一根數(shù)據(jù),

一根地線，共2根（如雙向通信發(fā)

送和接收各需1根數(shù)據(jù)線。）

特點：成本低，硬件方便，適合遠(yuǎn)距離通信,

傳輸速度低。

（時間上區(qū)分各位數(shù)據(jù)及聯(lián)絡(luò)控制信號。占

用傳輸線少，速度慢。）

2010-10-2314

發(fā)送器二,!-發(fā)送器

------UsL------

接收器n'「接收器

■!

3.全雙工方式

通信雙方用兩個獨立的收發(fā)器單獨連接,

可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，因而提高了速度。

201C15

量程切換過程

*被測量對應(yīng)的數(shù)字輸出

Vx_xSK

qElNFS

*相對誤差或讀數(shù)精度

q1E/N

o——=-=-F-S--

x

VxNxxSK

*為不使數(shù)據(jù)溢出，須滿足的條件

xSK<E

量程切換

?針對不同的信號幅度，測試系統(tǒng)必須切換

不同的放大器增益，才能保證數(shù)據(jù)不溢出、

精度滿足測試要求——量程切換

窗口比較器的上下限設(shè)置：

—

實際系統(tǒng)往往取乙〈條yH=0.95￡

.0.

抗混疊濾波

?采樣出現(xiàn)混疊失真是由于被采樣頻譜中含有

高于頻率fs/2的頻率分量，該分量以fs/2為對

稱軸折疊到(fs-fc)~fs/2頻段內(nèi)形成頻率重疊或

假頻干擾。

?抗混疊濾波器的任務(wù)就是濾掉被采樣信號中

高于fs/2的頻率分量。由于實際低通濾波器

的幅頻特性不是矩形，即其下降陡度是有限

值，而抗混疊濾波器的陡度應(yīng)能保證把高于

fs/2的干擾衰減到A/D的最小量化電平以下。

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D/A位數(shù)的確定

?D/A的位數(shù)取決于輸出模擬信號所需的動態(tài)范圍

(1)不失真再現(xiàn)輸入模擬信號

與輸入通道所選用的A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)相同

(2)用于觀察輸入信號的動態(tài)范圍：選5~7位D/A

(3)開環(huán)控制系統(tǒng)

如模擬執(zhí)行元件的分辨力為VTH,所需的控制信號

最大擺幅(動態(tài)范圍)為Vmax，貝l」D/A的位數(shù)：

n

2>Vmax

一『

TH

北航自動化學(xué)院y

010.1串行通信的基本概念

?串行通訊與并行通訊

并行通信：所傳送數(shù)據(jù)的各位同時發(fā)送或接收,

數(shù)據(jù)有多少位就需要多少根數(shù)據(jù)線o

特點：速度快，成本高，適合近距離傳輸

如計算機并口，打印機，8255o

（空間上區(qū)分各位數(shù)據(jù)及聯(lián)絡(luò)控制信號。占

用傳輸線多，速度快。）

2010-10-2320

a單工、半雙工、全雙工通信方式

按通信方向分類：單工、半雙工、全雙工通信方式

1.單工方式：一端是發(fā)送端，另外一端是接收端:

2.半雙工方式

每端口有一個發(fā)送器和一個接收器，通

過開關(guān)連接在線路上，數(shù)據(jù)可以雙向傳送。

2010-10-2321

名12.1量程切換

?由于輸入模擬信號的動態(tài)范圍可能很大，

要保證輸入采樣信號不溢出，又要保證讀

數(shù)精度，采用自動量程切換是常用的手段。

?數(shù)字測量簡化過程

sK\/

量程切換過程

?若要求讀數(shù)精度不低而）即想酒則:

?保證數(shù)據(jù)不溢出和讀數(shù)精度的條件下,

通道總增益K必須滿足以下條件：

<K<^-

3QXSxS

2412.4非線性校正

?由于測控系統(tǒng)輸入通道中，傳感器工作原理、信

號調(diào)理電路(濾波、放大、采樣保持、..)往往

存在非線性，所以采集信號在送顯示或控制計算

前要經(jīng)過非線性校正。

?常用非線性校正的方法：

(1)計算法(函數(shù)校正法)

(2)查表法

(3)插值法

(4)擬合法

(1)位置型PID控制算法

〃⑻二Kp{e⑻+J之力)+*[e(k)—e[k-l)]}

1ij=o1

U(k)——第k次采樣時計算機輸出值

e(k)——第n次采樣時的偏差值

T——為采樣周期

Ti——積分時間

Td——微分時間

12:1025

27(3)數(shù)字PID算法的程序設(shè)計

1、位置型PID算法的程序設(shè)計

由下式可寫出k次采樣時PID的輸出表

達式

u(k)=u(k-XyrA?p(l+—+才)e㈤-Kp(1+節(jié)?砥k-1)+Kp：e(k-2)

=u(k-1)+a。哦)-a}e(k-1)+a2e(k-2)

其中a0=Kp嗚+9囚=勺(1+?02=降半

位堂型PID算法編程思路：預(yù)先算出上

述三個系數(shù)，應(yīng)用遞推公式進行編程

12:1026

不完全微分P1D與理想微分PID對比

(1)理想微分PID算法的微分作用僅局限于一個采樣周期有一

個大幅度的輸出，結(jié)果是控制輸出可能超過執(zhí)行機構(gòu)或D/A轉(zhuǎn)換

的上下限，或執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)速度可能跟不上，無法在短時間

內(nèi)跟蹤這種較大的微分輸出。這樣在大的干擾作用情況下，會

使算法中的微分不能充分發(fā)揮作用，也會對執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生一個

大的沖擊作用。而不完全微分PID算法由于慣性濾波的存在，使

微分作用可持續(xù)多個采樣周期，有效地避免了上述問題的產(chǎn)生,

因而具有更好的控制性能。

(2)由于微分對高頻信號具有放大作用，采用理想微分容易在

系統(tǒng)中引入高頻的干擾，引起執(zhí)行機構(gòu)的頻繁動作，降低機構(gòu)

的使用壽命。而不完全微分PID算法中包含有一階慣性環(huán)節(jié)，具

有低通濾波的能力，抗干擾能力較強。

12:1027

微分先行PID算法

?在第一種結(jié)構(gòu)中，只對輸出量。（％）進行微分，

它適用于給定量頻繁升降的場合，可以避免升降

給定值時所引起的超調(diào)量過大，閥門動作過分劇

烈振蕩。

?后一種結(jié)構(gòu)是對偏差值先行微分，它對給定值和

偏差值都有微分作用，適用于串級控制的副控制

回路。因為副控制回路的給定值是由主控回路給

定的）也應(yīng)對其作微分處理，因此，應(yīng)該在副控

制回路中采用偏差PID控制。

12:1028

抗積分飽和——輸出限幅

?當(dāng)U1(n)2u(n)max時，采用U|(n)=U,(n-1)

?當(dāng)"(n區(qū)u(n)min時，采用R(n)=U^n-l

?其它情況，正常的PID控制

基本思想：

一旦控制變量進入

飽和區(qū)，將只執(zhí)行

削弱積分項的運算

而停止進行增大積

分項的運算。

12:1029

15帶死區(qū)的PID算式

在控制精度要求不高，控制過程要求平穩(wěn)的測控系

統(tǒng)，為了避免控制動作過于頻繁，以消除由此引起的振

蕩，可以人為設(shè)定不靈敏區(qū)B,即帶死區(qū)的PID控制系統(tǒng)。

只有不在死區(qū)范圍內(nèi)，才按PID算式計算控制量。

當(dāng)偏差E(t)的絕對值小于B時，其控制輸出乘以一個

小于1的因子K,使其輸出小于正常輸出，弱化控制。避

免頻繁動作所引起的振蕩。

k=lk=0.5

0(2)增量型PID控制算法

股⑻=Kp{[#)-e(k-1)]+白⑹+㈤-2#-1)+#-2)]}

1i/

=KL)—e(k-1)]+K1e(k)+KD[e(左)—2e(k-1)+e(k-2)]

Kz——積分系數(shù)K/=K.[

KD——微分系數(shù)KD=K「$

為編程方便，可將上式整理成如下形式：

/

{T理]KpTd

△〃⑺=31+-+-^e(〃)-Kp1+e(n-1)+e(n-2)

.L?A.T

\17

(

(TTd}

aaK

=K]-l-----1—~\~Kp1+2=Py

12:1031

數(shù)字PID算法程序設(shè)計

2、增量超PID算法的程序設(shè)計

采用PID增量式控制算法表達式

△u(k)-u(k)_u(k-1)

一

Au(k)=4e(k)-a1e(k-1)+a2e(k2)

式中即、a1、a2位置式算法的定義一樣

12:1032

微分先行PID算法

微分先行PID算法的實質(zhì)是將微分運算提

前進行。有兩種結(jié)構(gòu)，一種是對輸出量的微

分；另一種是對偏差的微分，如下圖所示。

對輸出量先行微分PID算法對偏差量先行微分PID算法

12:1033

積分項的改進

?標(biāo)準(zhǔn)PID積分項存在的主要問題：

(1)積分飽和現(xiàn)象(2)積分不靈敏

?積分飽和現(xiàn)象

當(dāng)偏差始終存在的情況下，輸出執(zhí)行機構(gòu)達到極

限位置，由于積分項的累加作用，盡管PID計算結(jié)果

繼續(xù)增大或減小，但執(zhí)行結(jié)構(gòu)仍處于極限位置，這

樣控制信號實際進入了飽和區(qū)。

?影響：飽和引起輸出超調(diào)，甚至產(chǎn)生震蕩，使系統(tǒng)

不穩(wěn)定。

?改進方法：積分限幅法、積分分離法、變速積分法

12:1034

34抗積分飽和——積分分離法

?減小積分飽和的關(guān)鍵在于不能使積分項累積過大。

積分限幅法是以控制量的大小為限幅的依據(jù)，而

積分分離法是以偏差為依據(jù)，當(dāng)偏差小于預(yù)定門

限才進行積分累計。用公式表示如下：

k

u?=Kpe(k)+KLK]Ze(i)+KD[e(左)—e[k-1)]}

z=0

式中慧其中小預(yù)定門限值。

0,當(dāng)e(左)>￡時

12:1035

卷⑤