测控系统原理及设计概论PPT课件.ppt

计算机测控系统 1 第1章计算机测控系统概述 2 1 2测控技术与仪器专业的定位 测控技术与仪器专业是多个仪器仪表类专业合并而成的大专业 测控技术与仪器 是指对信息进行采集 测量 存贮 传输 处理和控制的手段与设备 包含测量技术 控制技术和实现这些技术的仪器仪表及系统 其内涵如所示 3 4 本课程是测控专业的专业课 本课程以模拟电路 数字电路 传感器技术和微机技术为前提 不同于先修课程 本课程主要学习如何将各个功能模块组装起来构成一个完整的测控系统 换言之 先修课程是从微观上学习各模块自身的原理及构成 而测控系统这门课程是从宏观上学习各个模块之间的连接及影响 学习如何将各个功能模块组合起来实现测试和控制的功能 5 本课程的内容 6 测控技术涉及电子学 光学 精密机械 计算机 信息与控制技术等多项技术 主要研究各种精密测试和控制技术的新原理 新方法和新工艺 测控技术即 测量 和 控制 的技术 测控技术与仪器即 测量技术 控制技术 和实现它们的仪器 7 1 1测控技术的核心概念 测控技术研究的是如何运用各种技术工具延伸人的信息获取 处理 控制和操纵的功能 使动态过程稳定准确 提高效率 降低能耗等 测控技术的核心是信息 控制与系统 尤其是高度复杂系统的信息获取和控制问题 具有很大的挑战性和潜在的经济效益 8 9 如图水箱液位自动控制系统是典型的测控系统 10 测量 是人们对客观事物取得数量概念的一种认识过程 测量技术是实现这一过程的方法 控制 是人们对客观事物或过程进行驾驭 支配的一种操纵过程 控制技术是实现这一过程的方法 测量和控制是测控技术的重要手段 测控仪器属于仪器仪表范畴 测控仪器和测控系统是检测技术的具体实现 是获取信息的工具 11 传统的测量仪器仪表用以测量 观察 监视 验证 记录各种物理量 物质成分 物性参数等 如压力表 测长仪 显微镜等 随着工业的发展 测量和分析 计算 控制常常融为一体 因此 现代仪器仪表还包括计算 分析 控制 报警 信号传递和数据处理等功能 1 2测控技术的发展 12 测量仪器与测控系统的发展 第一代为指针式 或模拟式 仪器仪表第二代为数字式仪器仪表第三代是智能式仪器仪表 13 早期测控系统 14 1926年美国建成第一条汽车自动生产线 1952年美国研制出第一台数控机床 15 功能 微处理器的出现和广泛应用 产生以微处理器为核心 将计算机技术与测量仪器相结合的仪器 可根据被测参数的变化自动选择合适的量程 进行自动校准 自动补偿 自动判断故障 优化控制等 具有一定的人类智能作用 70年代 独立式智能仪器 简称称智能仪器 16 智能仪器 随着电子技术的飞速发展 仪器仪表的功能从测量个别参数扩展为测量整个系统的各种参数 从使用单个仪器进行测量转变为用测量系统进行测量 从单纯的测量显示扩展为测量 分析 处理 计算 控制与通讯 温湿度计 控制器 17 现代仪器仪表按其应用领域和自身技术特性大致划分为6个大类 1 工业自动化仪表和控制系统2 科学仪器3 医疗仪器4 电子与电工测量仪器5 各类专用仪器仪表6 传感器及仪器仪表元器件材料 1 3测控技术的应用领域 18 除了卫星测控等非常专业的领域外 日常生活中较少听到 测控 这个名词 更多听到的是这个设备 工艺 是 自动化的 或 自动控制的 上述功能的本质都是测控技术 测控技术不仅应用于现代生产 科学研究 航空航天 也越来越多地应用于现代生活中 家庭 全自动照相机 洗衣机 电饭煲 建筑 自动门禁 自动监控系统 交通 自动控制红绿灯 银行 自动取款机ATM 19 化工控制使用的仪表种类繁多 温度测量使用的仪表有热电偶 热电阻等 流量测量使用的仪表有差压式流量计 涡街流量计 电磁流量计 超声波流量计和质量流量计等 液位测量使用的仪表有差压液位计 浮筒液位计 雷达液位计和超声波液位计等 还有许多与产品质量相关的物性如浓度 酸度 湿度 密度 浊度 热值以及各种混合气体组分等测量仪表 化工厂的控制室 20 2 2 7测控技术在航空航天业中的应用 航空指的是在地球周围稠密大气层内的航行活动 航空飞行器有气球 飞艇 飞机等 航空仪表相当于飞机的耳目 大脑和神经系统 用来测量 计算飞机的飞行参数 调整飞机的运动状态 对保障飞机飞行安全 改善飞行性能起着重要作用 飞机驾驶舱内的仪表盘是显示和控制飞行状态的核心 航空仪表测量的数据主要有 1 飞行高度和飞行速度的测量 2 飞机状态和方向测量 3 过载测量 4 发动机状态参数测量 5 加速度测量 空中客车A380飞机驾驶舱 21 为了保证火箭正常飞行和航天器在轨道上正常工作 除了火箭和航天器上载有测控设备外 还必须在地面建立测控 包括通信 系统 地面测控系统由分布全球各地的测控站及测量船组成 西安卫星测控中心 22 中国于2000年10月开始发射 北斗 定位卫星 可提供高精度的定位 测速和授时服务 中国计划在2015年形成覆盖全球的卫星导航定位系统 23 2005年我国成功发射载人飞船 神舟6号 1981年美国 哥伦比亚 号航天飞机首次发射成功 24 农业自动化意味着农业生产的电子化 仪表化和计算机控制化 而不仅仅是机械化 如拖拉机 收割机 插秧机等 和电气化 小水电站 电力灌溉等 农业自动化主要包括耕耘 栽培 收割 运输 排灌 作物环境的自动控制和最优管理 2 2 10测控技术在农业中的应用 植物自动嫁接机 智能温室控制系统 25 最常见的家用电器如音响 电视机 热水器 空调机 微波炉 电饭煲 洗衣机 冰箱 照相机等都含有测控技术的应用 2 2 11测控技术在大众生活中的应用 智能家居系统 26 27 汽车防撞气囊 28 采松果机器人 挖树根机器人 测控技术的发展面越来越宽阔 29 壁面清洗机器人 擦玻璃机器人 30 飞机清洗机器人 31 汽车加油机器人 32 家用清洁机器人 33 高压输电线维修 遥操作 机器人 34 医用机器人 35 国产反恐机器人 火星探测机器人 36 足球机器人 37 拾球机器人 38 1 3 4测控技术的发展思考从测控技术的发展历程可以看出 测控技术伴随着社会生产力和科学技术的发展 反映了人类从机械化时代进入电气化时代 并且走向自动化 信息化 智能化的时代历程 39 单片机微机原理PLC 自动控制原理 40 测控系统的典型功能模块 1 传感器传感器是任何非电测量系统的必须配置单元 也是最为重要的单元之一 实现信号的获取2 信号调理电路主要包括接口适配 放大 整形 滤波 变换 隔离电路等 其目的是对信号进行加工 使之适合传输 41 3 AD电路实现信息的数字化4 数字单元一般由单片机 DSP CPLD FPGA ARM等高性能的运算处理单元构成5 DA电路沟通数字电路和模拟电路的桥梁 42 6 执行器 控制反馈电路完成对测量对象的控制7 通信接口电路实现与其他设备的信息交换 常用的通信接口有串行通信 CAN总线 虚拟仪器总线技术及Internet 8 显示和操作面板人机接口单元 43 二 测控系统微机化的优点 零点自动校正量程自动切换多点快速测控软件滤波与线性化可实现复杂数据处理和复杂控制规律多媒体功能通信或网络功能自我诊断功能 44 三 测控系统的类型和组成 1 检测系统 又称数据采集系统 45 2 程序控制系统 46 3 测控系统 47 补充 智能仪器与虚拟仪器 智能仪器和虚拟仪器的关系 智能仪器和虚拟仪器是测控系统针对不同的应用环境产生的两个发展方向智能仪器 主要应用于嵌入式系统虚拟仪器主要应用于检测领域 系统组成体积较大 计算机是其核心部件 根据不同的测试硬件实现不同的测试功能从本质上来说 虚拟仪器属于智能仪器的范畴 48 测控仪器的基本结构 其结构可有两种基本类型 微机内嵌式 微机扩展式 将单片或多片的微处理器与传统仪器有机地结合在一起形成的单机 其形态是仪器 以个人计算机 PC 为核心的应用扩展型测量仪器 个人计算机仪器 PCI 或称微机卡式仪器 其形态可以是计算机 49 智能仪器是计算机技术和测控技术相结合的产物 是含有微计算机或微处理器的测量仪器 拥有对数据的存储 运算 逻辑判断及自动化操作等功能 具有一定的智能作用 智能仪器概念 50 智能仪器的分类 智能仪器四个层次 高级人工智能 趋势 系统辨识 模式识别 初级智能计算机 信号处理 聪敏电子 传感 测量 兼容 聪敏仪器类 初级智能仪器类 模型化智能仪器类 高级智能仪器类 51 测量过程的软件控制 CPU 软件控制测量过程 以软代硬 灵活性强 可靠性强 数据处理 数字滤波 随机误差 系统误差 非线性校准等处理 改善测量的精确度相关 卷积 反卷积 幅度谱 相位谱 功率谱等信号分析 提供更多高质量的信息 多功能化 一机多用