《网络化测控技术》第二章

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Nov 4, 2022

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计算机检测和控制技术基础，包括信号及其分类、信号检测方法、测控系统控制方式、测量仪表及测量系统。

网络化测控技术

第二章计算机检测和控制技术基础

2.1 信号及其分类

2.1.1 测试、信号、信息

测试是人们认识客观事物的方法。测试过程是从客观事物中提取有用信息的过程。测试包括测量和试验。

信息是人和外界作用过程中相互交换内容的名称。它不是物质，也不是能量，而是事物运动的状态和方式。例如语言文字是社会信息，商品报道时经济信息。

信号具有能量，它描述了物理量的变化过程。在数学上可以表示为一个或几个独立变量的函数，也可以表示为随时间或空间变化的图形。

信息虽本身不是物质也不是能量，但信息的传输却依赖物质和能量。一般说，传输信息的载体称为信号，信息蕴含在信号之中。

2.1.2 信号的分类

按照性质，信号可分为静态信号、动态信号。

静态信号是指不随时间变化的信号。

动态信号是指随时间变化的信号。

动态信号根据时间上的连续情况又可分为连续信号和离散信号。若在讨论的时间间隔内，每一个时刻都有对应的函数确定的函数值，则这种称为连续信号。连续信号的幅值可以是离散的或者连续的。幅值和时间均连续的信号称为模拟信号。离散信号在时间上是离散的。离散信号在时间上是离散的。

模拟信号经过采样、量化、编码得到数字信号。

动态信号根据随时间变化规律的不同，又可以分为确定性信号和非确定性信号（随机信号）。可以用明确数学关系式描述的信号称为确定性信号，否则称为非确定信号。

确定性信号分为周期性信号和非周期性信号。周期性信号分为简单周期信号（简谐信号）和复杂周期信号，非周期信号分为准周期信号和瞬变信号。

简单周期信号（正弦、余弦）有三个参数：振幅、频率、初相位。复杂周期信号是由两个或两个以上的简谐信号叠加而成。它具有一个最长的基本重复周期，与该基本周期频率一致的谐波称为基波，而其他频率为基波整数倍的谐波称为高次谐波。

非周期信号是指在时间上永不重复的信号，它又分为准周期信号和瞬变信号。准周期信号是由一些不同频率的简谐信号合成。瞬变信号是指冲击信号或持续很短一段时间的衰减信号。

随机信号不能用数学关系描述，但是会服从统计规律，可以用概率统计的方法来描述。对随机信号按时间历程所做的各次长时间观测记录称为样本函数。如果随机信号的统计参数（如均值、方差）等不随时间变化，则称为平稳随机信号，反之称为非平稳随机信号。

2.2 信号检测方法

1、直接检测法

按照一定的物理规律，把从被检测对象中获取的一部分能量信号直接作用到检测元件上，并把其转化为易于测量和传输的量，再对该量进行直接测量，该量的大小就代表了被测对象的值。比如加热炉温度测量，需注意从被测对象中获得的能量，不能影响被测对象的物理状态。

2、间接检测法

测量与被测量有某种变化关系的量，来间接的获取被测量的值。

3、比较检测法

将被测量与标准量进行比较而实现对被测量的测量方法。

2.3 测控系统控制方式

1、顺序控制

顺序控制主要用于开关量系统的控制。它一般有两种状态，如管道上阀门的开和关。它是按照一定的逻辑顺序或时间顺序来完成的一种控制。

2、反馈控制（闭环控制）

利用实际值和给定值进行比较得到偏差而形成控制信号，再利用这个信号去消除或者减小误差，用偏差来消除误差。（比如检控系统检测到热炉温度较高，控制使得其温度降低，通过测量装置测量热炉温度反馈给系统，检测实际温度是否降低）。

不足之处是必须在误差形成后，才能产生纠正误差的控制作用，在这段滞后的时间内，误差总要存在。所以，为了补偿由于扰动引起的误差，常采用前馈控制。

3、前馈控制

利用输入或扰动信号的直接控制作用构成的开环控制系统称为前馈控制，从动作的反应速度来讲，对于干扰信号的补偿，前馈比反馈要迅速得多。但前馈控制要作到对干扰得完全补偿，必须对控制对象的特性有精确得了解。

前馈控制的不足之处是它只能对一种干扰进行补偿不像反馈控制对任何扰动引起的误差都能进行补偿。

4、PID控制

反馈控制是按照偏差进行控制。为了提高控制性能，可以按照偏差的比例、积分。微分进行控制，简称PID控制。在工程上，PID 控制大都是单元组合式，即P控制、D控制、PI控制、PID 控制。

PID 控制可以用硬件来实现，也可以用软件来实现。

5、最优控制

是指系统在规定条件下，使某些性能达到最优的控制。

如在条件不断变化的情况下，保持生产过程中某些参数或某项指标始终为最优值。

6、自适应控制

最优控制是相对的，它是在某些特定限制条件下才能达到最优，一旦条件改变就不是最优。而自适应控制能够在限制条件变化时，自动实现最优控制。

7、自学习控制

自学习控制是指通过在线实时学习，能自动获取知识并将所学的知识用于不断改善被控对象的性能和状态。

自学习控制实用于模型不精确的非线性动态行为的控制，而不是适合于时变动态特性的控制。

8、智能控制

利用有关知识，通过学习和推理使得被控对象或被控过程按一定要求达到预定目的。

9、分布式控制系统

由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可以集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制系统。

分布式控制系统采用微处理机分别控制各个回路，而用中小型工业控制计算机或高性能的微处理机实施上一级的控制。各回路之间和上下级之间通过高速数据通道交换信息、分布式控制系统具有数据获取、直接数字控制、人机交互以及监控和管理等功能。

分布式控制系统是在计算机监督控制系统、直接数字控制系统、计算机多级控制系统的基础上发展起来的。在分布式控制系统中，按地区把微处理机安装在测量装置与控制执行机构附件，将控制功能尽可能分散，管理功能相对集中。

分布式控制系统的控制方式能改善控制的可靠性，不会由于计算机的故障而使得整个系统失去控制。当管理级发生故障时，过程控制级（控制回路）仍具有独立控制能力，个别控制回路发生故障也不至于影响全局。

2.4 测量仪表与测量系统

测量系统是测量仪表的有机组合。对于比较简单的测量工作，只需要一台仪表。对于复杂、要求高的测量工作，需要多台测量仪表，并且按照一定的规则将他们组合起来，构成一个有机整体——测量系统。

2.4.1 测量仪表的功能

物理量的变换、信号的传输和处理、测量结果的显示。

1、变换功能

将非电量的被测量依据一定的物理定律，严格地转换成电量，然后再对变换得到地电量进行测量和处理。在检测仪表中进行物理量的变换，同时也伴随着能量形式的变换。从能量形式的变换方式角度分析，可将变换功能分为两类，即单形态能量变换和双形态能量变换。

单形态能量变换：A作用于物体，遵照一定的物理定律转换成B，变换时所需的能量取自于被测介质，不需要从外界补充能量。因此，这种变换的前提条件是从被测介质取走变换所需要的能量后，不影响被测介质的物理状态。

双形态能量变换：A和C同时作用于物体，按照一定的物理定律转换成B。（霍尔效应）

变换过程所需的能量不是从被测对象取得，而是从附加的能源取得。

2、传输功能

将信号进行一定距离的不失真传输。有两种传输形式：有线传输、无线传输。

有限传输：用电缆或导线传输电压、电流信号或数字信号。

无线传输: 无线电发射，在远距离用接收机接受，进行信号传输。

3、显示功能

分为模拟式和数字式两类。

2.4.2 测量仪表的特性

分为静态特性和动态特性。

当测量参数不随时间而变化或者随时间变化缓慢，则不考虑仪表输入量和输出量之间的动态关系，只需要考虑静态关系。此时，联系输入量与输出量的关系式是代数方程，不含时间变量，这就是静态特性。

当被测量随时间变化很快，必须考虑测量仪表输入量与输出量之间的动态关系。联系输入量与输出量之间的关系是微分方程，含有时间变量。这就是所谓的动态特性。

静态特性：

1、刻度特性

表示测量仪表的输入量和输出量之间的数量关系，即被测量与测量仪表指示值之间的函数关系。这种函数关系可以用数学方程式、数据表格、坐标曲线形式给出。

这种数学方程给出的刻度特性被称为刻度方程。

刻度特性可分为线性特性和非线性特性。

线性刻度特性可用一次代数方程表示，他的几何表示为直线。

非线性刻度特性用高次代数方程或超越方程表示，他的几何表示为曲线。

在传感器测量电路中，需要引入“线性化器”，用以补偿静态特性的非线性。

2、灵敏度

灵敏度表示测量仪表的输入量增量和它引起的输出量变化之间的函数关系。灵敏度S等于测量仪表的指示值增量与被测量值增量之比。

测量仪表的灵敏度分为三种情况：

S不随被测量变化而变化

S随被测量增加而增大

S随被测量增加而减小

结论：线性仪表的灵敏度为常数，非线性仪表的灵敏度随输入量变化而变化。

3、线性度（非线性误差）

当仪表的理论特性曲线为直线时，线性度用来表示实际特性曲线和理论特性曲线之间的符合程度，也称为非线性误差。

4、分辨力

分辨力是指测量仪表能够检测出被测信号最小变化量的能力。分辨力往往受噪声的抑制，所以一般用相当于噪声电平的若干倍的被测量表示。

在实际中，分辨力可用测量仪表的输出值表示，即与分辨率通用。数字式仪表的分辨率则指末位数字所代表的值。

5、量程

仪表能检测到的最大输入量和最小输入量之间的范围称为仪表的量程

6、迟滞性

仪表的输入从起始量程稳增至最大量程的测量过程称为正行程；输入量由最大量程减少至起始量程称为反行程。在同一输入量时，正反两个行程造成输出值间的差异叫测量仪表的迟滞性。

迟滞误差为全量程中最大的迟滞差值与满量程输出值之比。例如：系统的增载测试与减载测试的迟滞性表现：

刚体形变的恢复过程

电容的充放电过程（模拟量输入通道中加入电容就会影响系统的迟滞性）

7、重复性

在同一测量条件下，对同一数值的被测量进行重复测量时测量结果不一致程度。

重复误差可定义为最大的最大的重复性差值和满量程输出值之比。

8、零漂、温漂、漂移

零漂：传感器无输入时，每隔一段时间，其输出值偏离原示值的最大偏差与满量程的百分比。

温漂：温度没升高一度，传感器输出值的最大偏差和满量程百分比。

漂移是指在规定的时间之内，当输入不变时输出的变化量。漂移可由零漂和温漂引起。

9、输入阻抗和输出阻抗

输入阻抗是指仪表在输出端接有负载时，输入端所表现出来的阻抗。

输入阻抗的大小决定了信号源的衰减程度，输入阻抗越大，则衰减越小。故一般希望输入阻抗大一些。

输出阻抗是指仪表在输入端接有信号源的情况下，输出端所表现的阻抗。输出阻抗大意味着把仪表或传感器看成信号源时，信号源具有很大的内阻。这样，在仪表输出端接上负载后，其信号衰减较大，产生较大的负载误差。因此一班希望输出阻抗要小。这样一方面可以减小负载误差，另一方面可以降低对二次仪表的输入阻抗的要求。

结论：输入阻抗越大越好（对前端影响小）；输出阻抗越小越好（带负载能力强）。

10、测量仪表的标定与仪表常数

所谓标定就是指对测量仪表输入标准量，测得相应的指示值，然后求得该测量仪表的常数。

测量仪表常数是指测量仪表的输入标准量与对应指示值之比。

2.4.3 测量系统的结构

敏感元件

从被测对象接受能量，同时产生一个与被测物理量构成某种关系的输出量

变量转换环节

将敏感元件的输出变量做进一步转换，转变成更适合处理的变量

变量控制环节

用某种方式去控制以某种物理量表示的信号。在保持物理性质不变的条件下，根据某种固定的规律，仅仅改变变量的数值。

数据传输环节

数据显示环节

数据处理环节

2.4.4 主动式测量系统与被动式测量系统

主动式：不需要从外部向被测对象施加能量。

被动式：需要从外部向被测对象施加能量。

2.4.5 开环测量系统与闭环测量系统

1、开环测量系统（无反馈环节）

优点：结构简单。

缺点：所有变换器特性的变化都会造成测量误差。

2、闭环测量系统（有反馈环节）

优点：二次变换器特性的变换不会造成测量误差或者说是测量误差很小。

缺点：结构复杂。

2.4.6 自检自诊断系统

仪器的自检自诊断系统一般是独立的功能块。它是以计算机为基础的处理单元，其信息的传递和转换可以在系统内部自动完成。它采用激励--响应“回送”技术。

为了满足自诊断过程的要求，首要要找出仪表电路中的关键点，存储各种被激励状态和正常测量状态的电参数；其次要随时能够将各个闭环回路打开进行“回送”检查，其时钟能随时进行调整，以便在自诊断过程中完成不同的作业。

设计自检自诊断系统常采用以下方法：

1、计算分析自检法

基本原理是：在检测主要被测参数的同时，测量多个与之有关的辅助变量，然后根据一定的模型和算法进行分析、计算，从而检测和矫正测量结果与过程。输出包括功能输出和附加输出。

2、叠加信号自检法

在测量信号馈入的同时，持续、间接和周期性的送入一个或一组信号（高频或者脉冲信号），该信号与被测信号叠加后在处理单元进行处理，当特定的模型和算法完结后，再输出测量数据和状态信号。

3、自动周期性自检法

2.5 误差及其表示方法

测量误差就是测量值与真实值之间的差值，反映了测量质量的好坏。

1、测量误差的表示有以下三种

引用误差和相对误差不同，实质上是代表最大的绝对误差。

2、误差按其规律分为以下三种

系统误差包括仪器误差、环境误差、读数误差及由于调整不良、违反操作规程引起的误差等。

随机误差的特性：

绝对值相等、符号相反的误差在多次重复测量中出现的可能性相等。

在一定得测量条件下，误差的绝对值不会超出某一限度。

绝对值小的误差比绝对值大的误差在多次测量中出现的机会要多。

3、测量误差的估计与处理

随机误差的影响与统计处理

系统误差被尽力消除或减小到可以忽略的程度之后，尽管测量仪表的灵敏度足够高，仍会出现对同一测量量进行多次测量时读数不稳定的现象，这说明随机误差存在。随机误差对测量结果的影响可以用均方根误差来表示，均方根误差又称为标准误差：

系统误差的估计

恒定系统误差范围的估计：对被测量值进行n次重复测量，测量系统的误差为其平均值。

变值系统误差范围的估计：

解析法：变值误差的函数类型若能精确找出，则系统误差可以计算
实验法：改变测量系统的输入量，测量一组数据，用最小二乘法来计算系统误差的大小。
估算法：对测量精确度要求不高的系统，可以估计系统误差的上下限。

2.6 测控系统的技术指标

系统的技术指标一般包括系统的各项功能和性能描述、可靠性、操作界面等。

1、系统的功能描述

一般包括以下内容：

信号处理功能

模拟量信号输入的总路数、信号的等级、类别额、性质等
开关量输入的总路数，其中有多少路是电平输入，多少路是触点输入
脉冲量输入的通道数
中断型开关量的点数
模拟量输出的总路数
开关量输出的总路数

以上各类信号的名称、信号类别、单位、量程、处理要求等都要有明确的文字加以描述定义。

控制功能

管理功能

报警功能

打印功能

操作方式

显示功能

系统的通信功能

2、系统的性能指标

采样速率

信号的隔离方法