計(jì)算機(jī)測(cè)控總結(jié)

1.1測(cè)控系統(tǒng)的地位與作用

?〃測(cè)量”、“測(cè)試”與“控制”的概念

-測(cè)量是為了確定被測(cè)對(duì)象的量值而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過程,

是通過實(shí)驗(yàn)來求出被測(cè)量與已知計(jì)量單位的比值。

測(cè)量的基本步客包括：比較、處理、傳遞、顯示。

?什么是“測(cè)試”?

-測(cè)試是測(cè)量與試驗(yàn)的統(tǒng)稱

-試驗(yàn)是指將試驗(yàn)對(duì)象置于一定的環(huán)境和條件下，進(jìn)行測(cè)

量、處理測(cè)量信息、了解試驗(yàn)對(duì)象客觀性能的過程。試

驗(yàn)的基本步客與測(cè)量相同，但往往要求加激勵(lì)。從廣義

角度看，試驗(yàn)也是一種測(cè)量，是側(cè)重性能方面的測(cè)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(jìn)程結(jié)果，這

一任務(wù)我們稱之為“控制”。

北航自動(dòng)化學(xué)院12010/10/23

_隔離

一校正

?采集電路

北航自動(dòng)化學(xué)院

Jis---j前置放大器K°J后級(jí)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

北航自動(dòng)化學(xué)院

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。

北航自動(dòng)化學(xué)院

0

五、采樣電路的參數(shù)設(shè)計(jì)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(cè)控計(jì)算機(jī)

測(cè)控計(jì)算機(jī)

A/D轉(zhuǎn)換中測(cè)控計(jì)算機(jī)

北航自動(dòng)化學(xué)院

LL選用采樣保持器

如果采樣保持器的捕獲時(shí)間為丁人口孔徑時(shí)間為

TAP、A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為二，為使孔徑時(shí)間造成的誤差小

于1LSB,則輸入信號(hào)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(hào)最高頻率為：

X2?（卻+晨+招

通常TAPVTACVIC,輸入信號(hào)的最高頻率取決于A/D

轉(zhuǎn)換時(shí)間

北航自動(dòng)化學(xué)院

△計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的基本工作原理

計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的工作原理可以歸納為三步:

?實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集:實(shí)時(shí)控制決策:實(shí)時(shí)控制輸出:

?計(jì)算機(jī)測(cè)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(dòng)化學(xué)院72010/10/23

M(-)對(duì)傳感器的主要技術(shù)要求

1.具有將被測(cè)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(cè)量實(shí)際變化范圍相一致。

2.轉(zhuǎn)換精度符合整個(gè)測(cè)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(jī)要求。

3.能滿足被測(cè)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(duì)可靠性和可維護(hù)性的要求。

北航自動(dòng)化學(xué)院

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(hào)為Uj二UmCOS3t則輸入信號(hào)的最大變化

率為:dUj

max=①3=27tfU

dtm

又設(shè)信號(hào)正負(fù)峰值正好達(dá)到A/D的正負(fù)滿量程，而

A/D的位數(shù)（不含符號(hào)位）為m,A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為:，為

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

Jmaxm+\

北航自動(dòng)化學(xué)院

A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

?位數(shù)的確定（信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍、轉(zhuǎn)換精度）

（1）如果輸入信號(hào)的動(dòng)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(hào)不被噪聲淹沒V〃

ming2〃「max2'1

大信號(hào)不使A/D溢出Vmin一

Vma%三E

（1）式用信號(hào)的絕對(duì)值表示，（2）式是信號(hào)的相對(duì)值,

實(shí)際兩者是等價(jià)的

北航自動(dòng)化學(xué)院

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(zhǎng)1

%21叫。+尸)=lo§2(1+;r77T)-7.65

-Z-XQU.

因此，取A/D轉(zhuǎn)換器字長(zhǎng)為8位。

北航自動(dòng)化學(xué)院

步距角的計(jì)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

北航自動(dòng)化學(xué)院

"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(diǎn)：成本低，硬件方便，適合遠(yuǎn)距離通信,

傳輸速度低。

（時(shí)間上區(qū)分各位數(shù)據(jù)及聯(lián)絡(luò)控制信號(hào)。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(gè)獨(dú)立的收發(fā)器單獨(dú)連接,

可以同時(shí)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(cè)量對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出

Vx_xSK

qElNFS

*相對(duì)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(duì)不同的信號(hào)幅度，測(cè)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(cè)試要求——量程切換

窗口比較器的上下限設(shè)置：

—

實(shí)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(duì)

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(hào)中

高于fs/2的頻率分量。由于實(shí)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。

北航自動(dòng)化學(xué)院

D/A位數(shù)的確定

?D/A的位數(shù)取決于輸出模擬信號(hào)所需的動(dòng)態(tài)范圍

(1)不失真再現(xiàn)輸入模擬信號(hào)

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(hào)的動(dòng)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(hào)

最大擺幅(動(dòng)態(tài)范圍)為Vmax，貝l」D/A的位數(shù)：

n

2>Vmax

一『

TH

北航自動(dòng)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(shí)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(diǎn)：速度快，成本高，適合近距離傳輸

如計(jì)算機(jī)并口，打印機(jī)，8255o

（空間上區(qū)分各位數(shù)據(jù)及聯(lián)絡(luò)控制信號(hào)。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：?jiǎn)喂?、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(gè)發(fā)送器和一個(gè)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(hào)的動(dòng)態(tài)范圍可能很大，

要保證輸入采樣信號(hào)不溢出，又要保證讀

數(shù)精度，采用自動(dòng)量程切換是常用的手段。

?數(shù)字測(cè)量簡(jiǎn)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(cè)控系統(tǒng)輸入通道中，傳感器工作原理、信

號(hào)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(hào)在送顯示或控制計(jì)算

前要經(jīng)過非線性校正。

?常用非線性校正的方法：

(1)計(jì)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(shí)計(jì)算機(jī)輸出值

e(k)——第n次采樣時(shí)的偏差值

T——為采樣周期

Ti——積分時(shí)間

Td——微分時(shí)間

12:1025

27(3)數(shù)字PID算法的程序設(shè)計(jì)

1、位置型PID算法的程序設(shè)計(jì)

由下式可寫出k次采樣時(shí)PID的輸出表

達(dá)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(gè)系數(shù)，應(yīng)用遞推公式進(jìn)行編程

12:1026

不完全微分P1D與理想微分PID對(duì)比

(1)理想微分PID算法的微分作用僅局限于一個(gè)采樣周期有一

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

的上下限，或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度可能跟不上，無法在短時(shí)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(huì)

使算法中的微分不能充分發(fā)揮作用，也會(huì)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)

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(gè)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(duì)高頻信號(hào)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(jī)構(gòu)的頻繁動(dòng)作，降低機(jī)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(qiáng)。

12:1027

微分先行PID算法

?在第一種結(jié)構(gòu)中，只對(duì)輸出量。（％）進(jìn)行微分，

它適用于給定量頻繁升降的場(chǎng)合，可以避免升降

給定值時(shí)所引起的超調(diào)量過大，閥門動(dòng)作過分劇

烈振蕩。

?后一種結(jié)構(gòu)是對(duì)偏差值先行微分，它對(duì)給定值和

偏差值都有微分作用，適用于串級(jí)控制的副控制

回路。因?yàn)楦笨刂苹芈返慕o定值是由主控回路給

定的）也應(yīng)對(duì)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(shí)，采用U|(n)=U,(n-1)

?當(dāng)"(n區(qū)u(n)min時(shí)，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(jìn)入

飽和區(qū)，將只執(zhí)行

削弱積分項(xiàng)的運(yùn)算

而停止進(jìn)行增大積

分項(xiàng)的運(yùn)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(cè)控系

統(tǒng)，為了避免控制動(dòng)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(jì)算控制量。

當(dāng)偏差E(t)的絕對(duì)值小于B時(shí)，其控制輸出乘以一個(gè)

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(dòng)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(jì)

2、增量超PID算法的程序設(shè)計(jì)

采用PID增量式控制算法表達(dá)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(shí)質(zhì)是將微分運(yùn)算提

前進(jìn)行。有兩種結(jié)構(gòu)，一種是對(duì)輸出量的微

分；另一種是對(duì)偏差的微分，如下圖所示。

對(duì)輸出量先行微分PID算法對(duì)偏差量先行微分PID算法

12:1033

積分項(xiàng)的改進(jìn)

?標(biāo)準(zhǔn)PID積分項(xiàng)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(jī)構(gòu)達(dá)到極

限位置，由于積分項(xiàng)的累加作用，盡管PID計(jì)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(hào)實(shí)際進(jìn)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(jìn)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(xiàng)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(jìn)行積分累計(jì)。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(shí)

12:1035

卷⑤