计算机检测与控制技术

计算机检测与控制技术内容摘要：

历的时间为 t，则液位高度 2/tvh (25) 17 17 图 24 超声波法液位测量原理图 图 25 平衡电桥测电阻 （ 3） 比较检测法 比较检测法就是将 被测量与标准量进行比较而实现对被测量的测量方法。 例如，图25为用平衡电桥测电阻，将被测电阻 RX与可调的标准电阻 RN进行比较，若有差值，调整 RN，使 RX与 RN达到平衡，这时标准量 RN的示值，就代表被测量的大小。 注意 ：检测方法的选择，应根据被测量的类型、现场条件以及量程、精度、反应速度等方面的要求进行。 以上方法是最基本的几种检测方法，在实际工作中，应对被测对象作具体分析，才能确定最合理的检测方法。 2. 信号控制方法 常用的有以下几种。 （ 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，电炉的接通和断开，电动机的启动与停止等。 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 反馈控制如图 26所示。 图 26 反馈控制 反馈控制也称为闭环控制，它是利用实际值和给定值（预定值）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减小误差，即用偏差来消除误差。 反馈控制的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 (与前面讲的计算机前馈控制系统类似 ) 18 18 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的完全补偿，必须对控制对象的特性有精确的了解。 但是 ,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（ proportional)、积分（ integral)、微分（ derivative)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控制和 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 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（如时间最短、消耗最小）。 （ 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，就不是最优了。 而自适应控制能够在限制条件变化时 ,自动实现最优控制。 例如水泥搅拌机，不同的料，加水量和搅拌时间就要相应的变化，为了实现最优，就要 采用自适应控制。 （ 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，并将所学的知识用来不断改善被控对象的性能和状态。 注意 ：自学习控制适用于模型不精确的非线性动态行为的控制，而不适合于时变动态特性的控制。 （ 8） 智能控制 智能控制就是利用有关知识，通过学习和推理使被控对象或被控过程按一定要求达到预定目的。 这里所说的知识大体包括对象所处的环境知识、被控对象或被控过程知识、控制器本身的知识、逻辑推理知识等。 167。 测量仪表与测量系统 我们在本节中所说的测量仪表的概念是广义的。 广义概念下的测 量仪表包括敏感元件、传感器、变换器、运算器、显示器、数据处理装置等。 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，只需要一台仪表就可以解决问题。 但是，对于比较复杂、要求高的测量工作，往往需要多台测量仪表，并且按照一定的规则将它们组合起来，构成一个有机整体 —— 测量系统。 1. 测量仪表 19 19 （ 1） 测量仪表的功能 测量仪表的主要功能有：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： 就是将非电量（如温度、压力、流量、转速、力、位移、酸碱度、比重和成分含量等）的被测量依据一定的物理定律，严 格地转换成电量（电压或电流），然后再对变换得到的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。 :这种变换形式是将 A 形态能量（反映被测量）作用与物体，遵照一定的物理定律转换成 B形态能量（反映变换后的物理量）其框图如图 27所示。 这种变换的特点是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。 图 27 单形态能量变换 ：这种变换形式是将 A形态能量（反映被测量）和 B形态能量（参比量）同时作用于物体，按照一定的物理定律变换成 C形态能量（反映变换后的物理量）。 其框图如图 28所示。 图 28 双形态能量变换 例如，利用霍尔效应进行磁场测量，如图 29所示。 将霍尔元件置于被测磁场 E中，在霍尔元件上通以电流 I，这时霍尔元件有霍尔电热 EH产生，也就是说将磁场能量和 电能同时作用于霍尔元件，通过霍尔效应转换成电能输出。 图 29 霍尔元件 双形态能量变换的特点是变换过程所需的能量，不是从被测对象（磁场）取得，而 20 20 是从附加的能源 (参比电源 )取得。 特别提示：研究仪表功能机理是很重要的课题。 设法将新发现的物理定律引入传感器中，作为物理量变换的依据，往往会研制出新的传感器和测量方法。 (例如 :利用新型光纤传感器测油罐。 ) 2） 传输功能： 仪表在测量过程中的第二个功能就是将信号进行一定距离的不失真传输。 它有两种形式，即有线传 输和无线传输。 有线传输，即用电缆或导线传输电压、电流信号或数字信号。 无线传输，即用无线电发射，在远距离用接受机接收，进行信号传输。 3） 显示功能： 仪表的显示可以分为模拟式和数字式两类，模拟式显示有指针指示和记录曲线；数字式有数码显示、数字式显示和打印记录等。 各种显示方式都有自己的特点和用途。 因此，要根据具体情况，选择合适的显示方式。 （ 2） 测量仪表的特性 仪表特性，一般分为静态特性和动态特性两种。 当测量参数不随时间而变化或随时间变化缓慢，则可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，这就是所谓的静态特性。 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。 1） 测量仪器的静态特性： ： 所谓刻度特性是表示测量仪表的输入量与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据表格形式给出，也可以用坐标曲线形式给出，还可以用数学方程式 y=f(x)给出。 式中 x表示被测量， y表示指示值。 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，它的几何表示是直线； 非线性刻度特性可用高次代数方程或超越方程表示，它的几何表示是曲线。 从测量效果看，希望测量仪表具有线性刻度特性。 但是工程中经常会遇到非线性特性。 这时，在传感器测量电路中，需要引入一个 “ 线性化器 ” ，用以补偿静态特性的非线性，最终取得整台仪表的线性刻度特性。 ： 灵敏度表示测量仪表的输入量增量△ x 与由它引起的输出量△ y 之间的函数关系。 更确切的说，灵敏度 S等于测量仪表的指 示值增量与被测值增量之比。 可用下式表示： 21 21 )()( xfdxdydxxdfs  (26) 式 26表示单位被测量的变化引起仪表输出指示值的变化量，很显然，灵敏度 S越高表示仪表越灵敏。 注意 ：在设计系统时并不是要求前端测量仪表越灵敏越好。 测量仪表的灵敏度可分为三种情况，如图 210 所示。 210（ a）在整个测量范围内，灵敏度保持为常数，即灵敏度 S不随被测量变化而变化； 210（ b）灵敏度 S随被测量（输入值）增加而增大； 210（ c）灵敏度 S随被测量（输 入值）增加而减小。 图 210 测量仪表的灵敏度 结论：线形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。 （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。 用 LN表示为 : %100m axm ax  YLLN (27) 式中 ， m a xm a x )( theoact YYL  是在全量程范围内实际特性曲线 与理论特性曲线间的最大偏差值。 ： 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限制，所以一般用相当于噪声电平的若干倍的被测量表示，即 kCNM (C取 1~5） （ 28） 式中， M —— 最小检测量； C —— 放大倍数； N —— 噪音电平； k —— 常数。 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 22 22 辨率则指末位数字所代表的 值。 为了保证检测精度，测量仪表的分辨率应小于系统允许误差的 1/3或 1/5或 1/10。 ： 仪表能检测的最大输入量与最小输入量的之间的范围称为仪表的量程或称测量范围。 ： 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，如图 211 所示。 图 211 滞环误差示意图 全量程中最大的迟滞差值△ ymax与满量程输出值 ymax之比叫迟滞误差，即 %100m axm ax  yyE (29) 例如：系统的增载测试与减载测试（称轴台的标定）的迟滞性表现： ① .刚体形变的恢复过程； ② .电容的充 、 放电过程（模拟量输入通过中加入电容就会影响系统的迟滞性）。 ： 重复性通常表示在同一测量条件下，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。 一致则重复性好，反之重复性就差。 重复误差可定义为最大的重复性差值与满量程输出值 ymax之比，即 %100m a xm a x  yRR (210) ,温漂和漂移： 传感器无输入（或输入值不变）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，即零漂。 温度每升高 1176。 C，传感器输出值的最大偏差和满量程的百分比，称为温漂。 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。 ： 23 23 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（如二次仪表或其他）其信号衰减较大，产生较大的负载误差。 因此一般希望仪表的输出阻抗要小。 这样一方面可以减小负载误差，另一方面还可以降低对二次仪表的输入阻抗的要求。 结论：因此，我们希望输入阻抗越大越好（对前端影响小）；输出阻抗越小越好（带负载能力强）。 ： 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： yxC N (211) 式中， xN —— 仪表输入标定量； y —— 仪表输出指示值。 通过标定，知道仪表常数以后，只需要将仪表读数或指示值与仪表常数相乘，就可以得到被测值，即 Cyx (212) 可见，当测量仪表的特性是线性时，仪表常数正好是灵敏度的倒数，即 CS 1。 注意 ：如果测量仪表的特性是曲线时，标定时就不能只标定一点，而是标定很多点，并作出曲线特性。 2） 测量仪表的动态特性： 测量仪表的动态特性也称测量仪表的动态响应。 它是指当被测对象参数随时间变化很迅速时，测量仪表的输出指示值与输入被测物理量之间的关系。 基本方法是通过列写仪表的动态方程，求出传递函数，然后进行特性分析。 ： 设某测量仪表的传递函数可表 示为 1)( )()(  TsKsX sYsG (213) 式中， K ——。