测控系统原理与设计(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：杨世兴,郭秀才,杨洁

出版社：人民邮电出版社

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测控系统原理与设计试读：

前言

本书以工业测控系统为主要研究对象，全面阐述了如何进行信息的采集、传输和处理，以及如何对被控对象的参数进行控制，涉及传感器技术、计算机技术、控制技术、通信技术等。本书立足点高，内容新，环节全，重实践，力图给读者一个测控系统的完整概念，最终能达到让读者学会分析测控系统和设计测控系统的目的。

本书分为10章：第1章概述，介绍了测控系统、智能测控系统、嵌入式系统的概念；第2章传感器，重点介绍了新型、集成、智能常用类型传感器；第3章检测信号采集技术，介绍了模拟、脉冲、开关信号的采集原理、方法和虚拟仪器信号采集；第4章数据通信技术，介绍了数据通信的概念、原理、方法及无线数据通信技术；第5章测控网络技术，介绍了测控网络的概念，重点介绍了现场总线技术及以太网技术；第6章数据处理技术，介绍了多传感器数据融合技术、量程自动转换和标度变换、数字 PID、模糊与人工神经网络控制算法；第7章干扰及干扰抑制技术，介绍了干扰产生的原因、干扰种类、干扰抑制技术；第8章智能结构检测与控制技术，介绍了智能结构及智能结构测控技术；第9章测控系统的设计，介绍了测控系统设计的步骤与原则、测控分站设计、软件设计、测控系统的集成、组态软件；第10章介绍了5个工业测控系统的应用实例，包括V-M直流调速系统、提升机变频控制系统、典型矿山安全监测监控系统、丁二烯生产的 FF 总线测控系统、供水工程工业以太网测控系统。

本书由杨世兴担任主编并编写第4章、第8章及多媒体课件，审定全稿；郭秀才编写第5章、第6章、第9章、第10章及多媒体课件；杨洁编写第1章、第2章、第3章、第7章及多媒体课件。

在编写过程中得到了罗谨谨、许红、佘妮等研究生的帮助，在此表示衷心的感谢。

由于本书涉及内容广泛，而作者的学识水平有限，因此，书中难免出现错误和不妥之处，敬请读者批评指正。读者可将宝贵意见和建议发至编辑电子邮箱chenwanshou@ptpress.com.cn。作者第1章概述1.1 测控系统的分类与组成

人类在认识世界和改造世界的过程中，一是采用各种方法和手段去观察、认识世界，二是按照人类的愿望去改造世界。

在科学试验和工业生产过程中，需要对描述被控对象特征的某些参数进行“检测”，获得表征它们的有关信息，以便对被测对象进行定性了解和定量掌握。另一方面根据检测的结果采用一定的策略去“控制”描述被控对象特征的某些参数，稳定、快速、准确地达到人们预想的目标。“检测”与“控制”是人类认识世界和改造世界的两项工作任务，而测控系统则是人类实现这两项任务的工具和手段。1.1.1 测控系统的分类

测控系统有多种分类方法，按功能分类，可以分为检测系统、控制系统和测控系统。

1.检测系统

单纯以“检测”为目的的系统，一般用来对被测对象中的一些物理量进行测量并获得相应的测量数据。图1-1为检测系统原理的结构图，它由下列功能环节组成。图1-1 检测系统原理结构图（1）敏感元件：从被测对象感受信号，同时产生一个与被测物理量成某种函数关系的输出量。（2）变量转换环节：将敏感元件的输出变量做进一步变换，即变换成更适于处理的变量，并且要求它应当保存原始信号中所包含的全部信息。（3）变量控制环节：为了完成对检测系统提出的任务，要求用某种方式去控制以某种物理量表示的信号。这里所说的控制意思是在保持变量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。（4）数据传输环节：当检测系统的几个功能环节被分隔开时，必须从一个地方向另一个地方传输数据。（5）数据显示环节：有关被测量的信息要想传给人以完成监视、控制或分析的目的，则必须将信息变成人的感官能接受的形式。完成这种转换机能的环节称为数据显示环节。例如数字显示和打印记录。（6）数据处理环节：检测系统要对测量所得数据进行数据处理。数据处理工作由机器自动完成，不需要人工进行烦琐的运算。

若系统仅用于生产过程的监测，当安全参数达到极限值时产生显示及声、光报警等输出，此种系统一般称为监测系统；除监测外还参与一些简单的开关量控制，如断电、闭锁等，此种系统一般称为监测监控系统，或监控系统。

2.控制系统

单纯以程序控制为目的的系统，其组成框图如图1-2所示。图1-2 控制系统原理结构图

这是一种开环控制系统，程序控制的基本思想是将被控对象的动作次序和各类参数输入控制器，去指挥执行机构按照固定的程序，一步一步地控制被控对象的动作。动作的结果如何，却无从知道，因而控制精度不高。

3.测控系统

既“测”又“控”的系统，依据被控对象被控参数的检测结果，按照人们预期的目标对被控对象实施控制。测控系统是本书研究的主要内容，下面将予以详细说明。1.1.2 测控系统的组成

现以锅炉水位测控系统为例，来介绍测控系统的组成。

锅炉汽包水位控制如图1-3所示。锅炉是工业生产过程中常见的动力设备，要保证锅炉的正常运行，必须将锅炉的汽包水位维持在一定的高度，如果汽包水位过低，由于汽包内的水量较少而蒸汽的需求量却很大，加上水的汽化速度又快，使得汽包内的水量迅速减少，如果控制不及时，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉被烧坏甚至爆炸；水位过高，则会影响汽包内的汽水分离，使蒸汽中夹带水分，对后续生产设备造成影响和破坏。因此，要维持汽包水位在规定的数值上，就必须保证锅炉的给水量与蒸汽的排出量平衡。图1-3 锅炉水位测控系统

由于某种原因，如给水压力的变化，蒸汽流量的变化等，一般称为扰动，引起锅炉汽包水位的变化时，由水位变送器（传感器）LT 测得，LT 的输出信号与设定值信号进行比较并经水位调节器（控制器）LC 运算输出控制信号，控制执行机构（阀门）动作，改变给水流量。从而使锅炉汽包水位保持在规定的数值上。

为了清楚地表示系统各环节的组成和相互间的信号联系，同时方便对系统特性进行分析，一般都采用方框图。锅炉汽包水位测控系统的方框图如图1-4所示。图1-4 系统方框图

由图1-4可以看出，简单的测控系统由下列基本单元组成。

1.被控对象

是指被控制的装置或设备，这里是锅炉汽包。被控变量（被控参数）c(t)则是影响系统安全性、经济性、稳定性的的变量（参数），这里是锅炉汽包的水位。

2.检测单元

其功能是感受并测出被控变量的大小，变换成控制器所需要的信号形式 y(t)。一般检测单元为敏感元件、转换元件及信号处理电路组成的传感器，若检测单元输出的是标准信号，则称检测单元为变送器。这里是水位变送器LT。

3.控制器

将检测单元的输出信号y(t)与被控变量的设定值信号x(t)进行比较得出偏差信号e(t)，根据这个偏差信号的大小按一定的运算规律计算出控制信号 u(t)，然后将控制信号传送给执行机构。

4.执行机构

接受控制器发出的控制信号u(t)，直接改变控制变量g(t)，调整被控对象的能量或物料的平衡，使被控变量c(t)回复至设定数值。这里的执行机构是阀门。

在一个测控系统中，上述四部分是最基本的。除此之外，还有一些辅助装置，例如，给定装置、转换装置、显示仪表等。1.1.3 测控系统的基本概念

由上面的例子可以看出测控系统的基本概念。

就其功能而言，测控系统的功能一是“测”，即检测被控变量；二是“控”，即根据检测参数去控制执行机构。

就其技术而言，测控系统是传感器技术、通信技术、计算机技术、控制技术、计算机网络技术等信息技术的综合。

就其应用而言，测控系统是现代化生产和管理的有力工具，广泛应用于国民经济的各个领域，如化工、冶金、纺织、能源、交通、电力，城市公共事业的自来水、供热、排水、医疗，在科学研究、国防建设和空间技术中的应用更是屡见不鲜。

就其组成而言，测控系统是分布式的计算机管理系统。

就其地位而言，测控系统是企业综合自动化 CIMS（Computer Integrated Manufacturing Systems,计算机集成制造系统）中的子系统，是计算机网络中的节点。

就其理论基础而言，测控系统是维纳（Wiener）提出的控制论，香农（Shannon）提出的信息论，贝塔朗菲（Bertalanffy）提出的系统论的综合与实践。1.1.4 测控系统的性能指标

在实际生产过程中，对被控参数都有一定要求。有些工艺参数直接表征生产过程，对产品的产量和质量起着决定性的作用；有些被控参数虽不直接影响产品的数量和质量，而保持其平稳却是使生产过程顺利进行的前提；有些工艺参数则是决定安全生产的重要因素。因此在生产过程中，对于以上各种类型的被控参数都必须进行严格的控制。

在设定值突变或阶跃扰动作用下，人们提出了被控参数稳定性、快速性、准确性的要求。下面以图1-5闭环控制系统对设定值突变的阶跃响应曲线为例说明控制系统的性能指标。图1-5 闭环控制系统对设定值突变的阶跃响应曲线

1.稳定性指标

衰减比

衰减率

若n＞1(0＜ψ＜1) 曲线为衰减振荡过程或n→∞(ψ=1) 曲线为单调衰减过程，系统是稳定的；若n=1(ψ=0)曲线为等幅振荡过程（要求等幅振荡除外）或n＜1(ψ＜0) 曲线为发散振荡过程系统是不稳定的。一般希望n=4～10 (ψ=0.75～0.90)。

稳定性指标，是首先考虑的指标，系统不稳定就无法正常工作，只有在系统稳定的条件下才考虑系统的快速性和准确性。

此外，在系统稳定的条件下，最大动态偏差A、振荡次数也是衡量系统稳定性的指标。

2.快速性指标

调节时间t—t～（±5%或±2%）y(∞)所需时间，t越小，快速性s0s越好。

振荡周期T—曲线中相邻两同相波峰（或波谷）之间的时间间隔。

振荡频率

振荡角频率

T越小（f、ω 越大），快速性越好。

上升时间t—t～t所需时间，在ψ一定的情况下，t越小，快速p01p性越好。

此外，在系统稳定的条件下，n和ψ也可作为系统快速性的指标。

3.准确性指标

最大动态偏差　A=y(t) −y[x(t)]　　（1-5）10

超调量

A、σ越大，说明被控参数瞬时偏离设定值y[x(t)]越远。0

以上参数为系统的动态参数，与系统的动态过程有关。

残余偏差（稳态误差，静差）　 C=y(∞)–y[x(t)] 　　（1-7）0

C为系统的静态参数，C越小，系统的准确性越好。

4.综合性能指标

单项指标虽然清晰明了，但如何统筹考虑比较困难，有时希望用一个综合性的指标全面反映控制系统的品质，因此，常采用偏差积分的形式。偏差幅度和偏差存在的时间都与偏差积分指标有关，无论是控制系统过渡过程的动态偏差增大，或是调节时间拖长，都表明控制品质变差，使偏差积分值增大。因此，偏差积分指标可以兼顾衰减比、超调量、调节时间等方面的因素。设偏差e(t)=y(t) − y(∞)，偏差积分指标通常采用以下几种形式。（1）偏差积分IE（Integral of Error）（2）绝对偏差积分IAE（Integral Absolute value of Error）（3）平方偏差积分ISE（Integral of Squared Error）（4）时间与绝对偏差乘积积分ITAE（Integral of Time multiplied by the Absolute value of Error）

采用不同的偏差积分指标意味着评价过渡过程优良程度时的侧重有所不同，可以根据控制系统的实际需要选用。但偏差积分的综合性能指标不能很好地反映控制系统的静差指标。1.1.5 测控系统的建模

测控系统的数学模型是描述测控系统在输入（控制输入与扰动输入）作用下，其状态和输出（被控参数）变化的数学表达式。数学模型对研究测控系统的静、动态特性，测控系统的结构设计、优化，控制算法设计、控制参数的最佳整定都具有重要意义。

1.机理法建模

机理建模是一种常用的建模方法，也称为白箱建模。是通过分析测控系统的机理，根据系统的结构，分析系统运动的规律。利用已知的相应的定律、定理或原理，推导出描述系统的数学模型。系统的数学模型，一般用微分方程表示。但是，复杂对象的微分方程式很难建立，也不容易求解。

2.系统辨识建模

所谓辨识（Identification）就是通过测取测控系统在人为输入作用下的输出响应，或正常运行时的输入输出数据记录，加以必要的数据处理和数学计算，估计出测控系统的数学模型，包括模型结构辨识和参数估计。是对实际系统的一个合适的近似，是黑箱建模问题。（1）经典辨识法（非参数模型辨识法）

获得的模型是非参数模型，是在假定测控系统是线性的前提下，不必事先确定模型的具体结构，因而这类方法可适用于任意复杂的系统，工程上至今仍经常采用它。

获取非参数模型的主要方法有：

阶跃响应法

脉冲响应法

频率响应法

相关分析法

谱分析法

非参数模型的表现形式是以时间或频率为自变量的实验曲线。对过程施加特定的实验信号，同时测定过程的输出，可以求得这些非参数模型。

频率响应G(jω)

脉冲响应g(t)

阶跃响应h(t)

经过适当的数学处理，它们又可以转变成参数模型—传递函数G(S)的形式。（2）现代的辨识法（参数模型辨识法）

必须假定一种模型结构，通过极小化模型与测控系统之间的误差准则函数来确定模型的参数。如果模型的结构无法事先确定，则必须利用结构辨识方法先确定模型的结构参数（比如，阶次、纯迟延等），再进一步确定模型参数。这类辨识方法就其不同的基本原理来说又可分成三种不同的类型。

① 最小二乘类法

利用最小二乘原理，通过极小化广义误差的平方和函数来确定模型的参数。

② 梯度校正法

利用快速下降法原理，沿着误差准则函数关于模型参数的负梯度方向，逐步修改模型的参数估计值，直至误差准则函数达到最小值。

③ 极大似然法

它根据极大似然原理，通过极大化似然函数来确定模型的参数。（3）混合法

机理建模和辨识建模结合的方法，适用于系统的运动机理不是完全未知的情况，称之为灰色建模。利用已知的运动机理和经验确定系统的结构和参数，来确定测控系统的模型。1.1.6 测控技术的发展

1.手动控制

20世纪40年代初，生产规模较小，采用安装在生产设备现场、只具备简单测控功能的“基地式气动仪表”，操作人员只能通过生产现场的巡视，了解生产过程的状况，进行手动控制。

2.局部自动化

20世纪五六十年代初，随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，需要同时按多点的信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的“单元组合式仪表”，出现了集中控制室，生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如0.02～0.1MPa的气压信号，0～10mA、4～20mA的直流电流信号，1～5V直流电压信号等，送往集中控制室。操作人员可以坐在控制室纵观生产流程各处的状况，可以把各单元仪表的信号按需要组合成复杂控制系统，实现了工厂仪表化和局部自动化。

3.集中数字控制

20世纪60～70年代初，由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速度与精度的开销、难度都较大，信号传输的抗干扰能力也较差，人们开始寻求用数字信号取代模拟信号，出现了“直接数字控制”。由于当时的数字计算机技术尚不发达，价格昂贵，人们企图用一台计算机取代控制室的几乎所有的测控仪表，出现了集中式数字控制系统。由于当时数字计算机的可靠性还较差，一旦计算机出现某种故障，就会造成所有控制回路瘫痪、生产停产的严重局面，这种危险的集中系统结构很难为生产过程所接受。

4.集散控制

20世纪80年代初，随着计算机可靠性的提高和价格的大幅度下降，出现了数字调节器、可编程控制器（PLC）以及由多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的集散控制系统。这就是今天正在被许多企业采用的DCS（Distributed Control System）系统。DCS系统中，检测仪表一般为模拟仪表，因而它是一种模拟数字混合系统。这种系统在功能、性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有了很大进步，可在此基础上实现装置级、车间级的优化控制。但是，在DCS系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能互连在一起，难以实现互换与互操作，组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难。

5.分布式网络控制

20世纪90年代后，新型的现场总线控制技术则突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化“智能仪表”，通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能，同时把DCS集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能仪表本身便可实现基本检测、控制功能。工厂自动化（FA，Factory Automation）、计算机集成过程控制（CIPS，Computer Integrated Process Systems）、计算机集成制造系统（CIMS，Computer Integrated Manufacturing System）和企业资源综合规划（ERP，Enterprise Resource Planning）等方案的规划和实施，正在成为提高工业生产过程经济效益的关键手段。1.1.7 控制策略与算法的发展

在控制技术的发展中，控制策略与算法也经历了由简单控制到复杂控制、先进控制的发展历程。

1.简单控制算法

通常将出现于1942年的单回路PID（Proportional，Integral and Derivative）控制称为简单控制。以经典控制理论为基础的PID控制过程，现在仍然在各种控制系统中广泛应用。在DCS以及以逻辑控制为主的大型PLC（Programmable Logic Contro1）系统中，均设有PID控制模块。

2.复杂控制算法

从20世纪50年代开始，为了满足生产过程大型化，工艺更为复杂、控制精度要求更高的实际需求，过程控制界发展了串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制、Smith 预估控制和选择性控制等控制策略与算法，统称为复杂控制算法。这些控制策略和算法满足了复杂生产过程控制的实际需要，其理论基础仍然是经典控制理论，但在结构与应用方面各有特色。这些控制策略和算法现在仍在广泛应用，并在不断地改进、完善与发展中。

3.先进控制算法

从20世纪70～80年代开始，在现代控制理论和人工智能发展的基础上，针对生产过程本身存在非线性、时变性、不确定性、控制变量间的耦合性等特性，提出了许多可行的控制策略与方法，如解耦控制、推断控制、预测控制、模糊控制、自适应控制、仿人控制等，一般将这些控制方法统称为先进控制。近年来，以专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法等为主要途径的基于知识的智能处理方法已经成为过程控制的重要技术。先进过程控制方法可以有效地解决那些采用传统控制效果差，甚至无法控制的复杂过程的自动控制问题。应用实践表明，先进控制方法能取得更高的控制品质和更好的经济效益，具有很好的应用与发展前景。1.2 智能测控系统1.2.1 智能测控系统的概念

为了介绍“智能”的概念，首先介绍人的智能行为，可用以下几点形象地说明。（1）选择功能（宴会效应）

当我们出席一个嘈杂的宴会时，对于周围人的高谈阔论可能充耳不闻，可是如果大会主席讲到你的名字，你会异常敏锐地捕捉到这个声音。这就是说人在背景噪声很高的情况下能选择性地提高对于特定信号的接收灵敏度。（2）学习功能（咖啡桌效应）

当你已知桌子上摆了一杯咖啡，并且发现在它的旁边放有一个装有白色粉状的盘子时，你会立即判断出它是白糖。这是因为人能够根据经验判断出咖啡旁边的白色粉状物质应当是白糖而不可能是食盐，更不可能是其他化学药品。（3）联想功能（高桥效应）

如果在地面上放一块 20cm 宽、十几米长的木板，不用说，谁都可以毫不胆怯地从上面走过去。但是如果把同样的木板架在几百米的深渊之上，构成一个高桥，恐怕绝大多数人都不敢走过去。同样的木板因放置高度不同导致如此不同的结果，是因为人在观察木板的几何形状、质地等外在特性的同时，还注意到木板桥架设的高度，进而预测到万一从木板上掉下去的后果，最后决定是否过桥。这说明人既有瞬时多元观测的能力，又有联想和预见能力。这种联想功能是人的感官智能化的又一标志。

因而，可以认为，智能是指能随内、外部条件的变化，具有运用已有知识解决问题和确定正确行为的能力。智能往往通过观察、记忆、想像、思考、判断等表现出来。这种能力实际是人的能力，因此推理、学习和联想是智能的三个基本要素。

推理就是从一个或几个已知的判断（前提），逻辑地推断出一个新判断（结论）的思维形式。推理过程包括从个别到一般（归纳推理）和从一般到个别（演绎推理）两种方式。

学习就是根据环境变化，动态地改变知识结构。学习方式有机械学习、指导学习、实例学习、类推学习等。

联想就是通过与其他知识的联系，能主动地认识客观事物并解决实际问题。

智能测控系统是指仿效人的智能，能自动获取信息，并利用有关知识和策略，采用实时动态建模、在线识别、人工智能、专家系统等技术，对被控对象实现检测、控制、自诊断和自修复。

智能测控系统能有效地提高被控对象的安全性和获得最佳性能，并使系统具有高可靠性和可维护性，高抗干扰能力和对环境的适应能力，以及优良的通用性和可扩展性。是传感技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信号分析与处理技术、数据通信技术、模式识别技术、可靠性技术、抗干扰技术、人工智能等的综合和应用。

综上所述，智能测控系统是以计算机为核心，将信号检测、数据处理与计算机控制融为一体的一种新兴综合性测控系统。它既能完成较高层次信号的自动化检测，又具有多种智能控制作用。1.2.2 智能测控系统的组成

智能测控系统的基本结构如图1-6所示，主要包括以下基本环节。图1-6 智能测控系统的基本结构图

1.广义对象

表示通常意义下的控制对象和所处的外部环境。

2.传感器

3.执行机构

4.计算机及外部设备

计算机是智能测控系统的核心，一般需要CRT、键盘、通信接口和打印机等必要外设。

5.软件系统

感知信息处理部分：将传感器递送的分级的和不完全的信息加以处理，并要在学习过程中不断加以辨识、整理和更新，以获得有用的信息。

认知部分：主要接受和储存知识、经验和数据，并对它们进行分析推理，做出行动的决策并送至规划和控制部分。

规划和控制部分：是整个软件系统的核心，它根据给定任务的要求、反馈信息及经验知识，进行自动搜索、推理决策、动作规划，最终产生具体的控制作用，经常规控制器和执行机构作用于控制对象。

对于不同用途的智能控制系统，以上各部分的形式和功能可能存在较大的差异。1.2.3 智能测控系统的主要功能特征

智能测控的概念主要是针对被控系统的高度复杂性、高度不确定性及人们要求越来越高的控制性能提出来的。面对这样的要求，一个理想的智能测控系统应具备如下性能。

1.学习能力

系统对一个未知环境提供的信息进行识别、记忆、学习，并利用积累的经验进一步改善自身性能的能力，即在经历某种变化后，变化后的系统性能应优于变化前的系统性能，这种功能类似于人的学习过程。

2.适应性

系统应具有适应被控对象动力学特性变化、环境变化和运行条件变化的能力。这种智能行为实质上是一种从输入到输出之间的映射关系，可看成是不依赖模型的自适应估计，较传统的自适应控制中的适应功能具有更广泛的意义。

3.容错性

系统对各类故障应具有自诊断、屏蔽和自恢复的功能。

4.鲁棒性

系统性能应对环境干扰和不确定性因素不敏感。

5.组织功能

对于复杂任务和分散的传感信息具有自组织和协调功能，使系统具有主动性和灵活性。即智能控制器可以在任务要求的范围内自行决策，主动采取行动。当出现多目标冲突时，在一定限制下，各控制器可在一定范围内自行解决，使系统能满足多目标、高标准的要求。

6.实时性

系统应具有相当的在线实时响应能力。

7.人－机协作

系统应具有友好的人－机界面，以保证人－机通信、人－机互助和人－机协同工作。

8.通信功能

系统应具有通信与组网功能。1.2.4 智能测控系统的发展趋势

1.测控单元智能化

使测控系统，在局部或整体系统上具有智能特征，实现的技术手段是采用单片机。例如智能化检测仪表，它能在被测参数变化时，自动选择测量方案，进行自校正、自补偿、自检测、自诊断，还能进行远程设定、状态组合、信息存储、网络接入等，以获取最佳测试结果。为了更有效地利用被测量，在检测时往往需要附加一些分析与控制功能，如采用实时动态建模技术、在线辨识技术等，以获得实时最优控制、自适应控制等功能。

有的系统则直接利用人工智能、专家系统技术设计智能控制器，它是通过对误差及其变化率的检测，判断被测量的现状和变化趋势，根据专家系统中知识库、决策控制模式和控制策略，进而取得优良的控制性能，解决常规控制中不易实现的问题。

2.测控单元网络化

构成测控系统的各个单元实现了智能化后，带来的问题是如何构成相互联系的整体，即如何建立测控网络的问题，现场总线（fieldbus）是解决这一问题的很好的途径。

现场总线是一种全开放、全数字化、双向、多节点的互连通信系统，是现场通信网络与控制系统的结合。这是计算机技术、通信技术和控制技术（3C）的综合与集成。

现场总线不单纯是一种通信技术，而是实现现场总线通信网络与控制系统集成的新一代现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。

3.测控管一体化

为了达到资源共享的目的，实现网络互联。

第一网络层次：是以现场总线实现的测控网。

第二网络层次：是以以太网实现的局域网。在这一层次中，同属一个单位（或部门）的管理网络和测控网络连成一个局部区域内部的网络，用局域网对测控网络进行管理，异地可对现场设备进行监控，实现了测、控、管一体化，依托一个高效率、开放性的网络系统，将检测、控制和信息管理结合起来，通过系统各要素之间充分协调配合，使系统整体达到最优目标。

第三网络层次：是Internet网络系统。这是一个全球范围的广域网，这个网络将全球其他连在其上的网络设备连成一个整体，联网的任何计算机终端设备可以通过 Internet 互相进行资源访问。可通过 Internet 向远端监控系统传递现场信息，而且保留一定的历史生产数据。同时，可将远程监控系统发来的控制数据及时送达到现场设备。在远程监控系统没有命令请示时，现场控制网络具有自治性。

4.测控技术的综合化

智能测控系统是检测技术、控制技术、计算机技术、数据通信技术、人工智能等的综合和应用。按照传统的观念，这些技术以及这些技术物理实现的生产厂商，各有侧重，分工明确，但随着测控单元智能化和测控系统网络化的发展，测控技术及设备互相渗透，界限越来越模糊，向着综合化的方向发展。1.3 嵌入式系统

微型计算机在信息处理、逻辑分析、决策判断和输入输出管理等自动测量控制领域表现出很强的优势，并以其可接受的小型体积和现场可靠性嵌入到各种对象体系中，构成了形形色色的测控系统。

嵌入到对象体系中的专用计算机系统称为嵌入式系统。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统是指嵌入式系统的宿主系统，测控系统就是宿主系统。1.3.1 嵌入式系统的特点

嵌入式系统的特点与定义不同，它是由定义中的三个基本要素衍生出来的。不同的嵌入式系统其特点会有所差异。

1.与“嵌入性”相关的特点

由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求，如物理环境（小型化）、电气/气氛环境（可靠性）、成本（经济性）等要求。

2.与“专用性”相关的特点

嵌入式系统是面向用户、面向应用的，所以，嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约。和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣，去除冗余。要针对用户的具体需求，对芯片配置进行裁剪和添加才能达到理想的性能。

嵌入式系统中的软件，一般都要求节约存储空间和提高实时性、可靠性。

3.与“计算机系统”相关的特点

嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。1.3.2 嵌入式系统处理器的类型

嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 000多种，流行体系结构有多个系列，其中8051体系的占多半。生产8051单片机的半导体厂家有20多个，共350多种衍生产品，仅Philips就有近100种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从64KB到16MB，处理速度从0.1MIPS到2 000MIPS，常用封装从8个引脚到144个引脚。

1.微控制器

微控制器MCU（Micro Controller Unit），它将CPU、存储器、定时计数器、I/O接口、甚至A/D转换器、D/A转换器、监视定时器电路等集成于一个芯片中，所以，又称单片微型计算机SCM（Single Chip Microcomputer），简称单片机，是微型计算机的一个分支。

最早的单片机是Intel公司1976年的8048，含有256字节的RAM、4KB的ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时器。

20世纪80年代初，Intel公司又进一步完善了8048，在它的基础上研制成功了8051。20世纪80年代中期，Intel公司将8051内核使用权以专利互换或出售形式转让给世界许多著名IC制造厂商，这样8051就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百个品种的大家族。8051在中国是单片机的首选机型。

经过了几代的发展，单片机以先进的XHMOS、NHMOS、CHMOS工艺制造，有的还配置了A/D、D/A转换器或PWM脉宽调制输出，有的内部集成了CAN总线控制器，有的芯片也达到了较高的速度。

单片机以其单片化、资源丰富、可靠性高、适合于测控系统，以及体积小，从而功耗低和成本低的显著特点，成为目前嵌入式系统工业中的主流产品。

目前市场上的单片机型号种类很多，其中比较流行的有 Intel 公司的 MCS-51 系列、MCS-96系列，Motorola公司的68H系列，Microchip公司的PIC系列，TI公司的MSP430系列等。

2.DSP处理器

DSP（Digital Signal Processor）处理器，是专门为快速实现各种数字信号处理的算法而设计的。20世纪80年代初推出的世界上第1个单片数字信号处理器DSP，得到国内外科技界、工程界和IT行业的广泛注意。DSP芯片随着微电子和计算机技术的提高，DSP 技术也得到日新月异的发展。DSP技术的发展，一方面促进了数字信号处理理论和方法的进步，另一方面也极大地拓展了数字信号处理在科技和国民经济各个领域中的应用。20世纪90年代，以DSP为核心的技术及产品已成为电子产品的关键技术。

DSP 处理器有两个发展来源，一是 DSP 处理系统经过单片化、电磁兼容（EMC）改造以及增加片上外设，成为DSP处理器，如TI公司的TMS3220C2000/C5000等属于此范畴；二是在通用单片机或 SoC 中增加 DSP 协处理器，例如 Intel 公司的 MCS-296 和 Infineon（Siemens）公司的TriCore。

DSP也是在一块芯片上集成了一台微型计算机的最基本部分，也具有单片机的所有性能特征。可以说，DSP其实质就是数字信号处理单片机。

但DSP的特殊结构和高速及高精度性能，又与单片机有很大的不同。

总线结构不同：计算机总线结构分为两种，一种是冯·诺依曼（Von Nunman）结构，另一种是哈佛（Har-vard）总线结构。单片机采用的是冯·诺依曼结构，所以构成的单片机系统复杂，乘法运算速度慢，很难适应运算量大的实时控制系统；而DSP芯片采用哈佛总线结构，而且还广泛使用了流水线技术，具有良好的并行特性，所以具有高速运算处理功能。

片内硬件资源不同：DSP 片内有硬件乘法器、累加器等，而且存储容量比单片机大很多，很适合数字信号处理的特点，单片机则没有此功能特点。

芯片的软件资源不同：单片机的指令集是通用微机的指令系统——复杂指令集计算机CISC（Complex Instruction Set Computer）指令，编程复杂；DSP是专门设计的适于数字信号处理的指令系统——精简指令计算机RISC（Reduced Instruction Set Computer）指令，指令集中，每条指令功能相当强，编程简单。

应用领域不同：DSP 适合数字信号处理的各种运算方法，具有密集型、高速度、高精度的处理功能，为信号处理应用于广泛的实际工程提供了可能；单片机多用于一般的控制和事务型处理。

MCU 的发展是为了满足被控制对象的要求，向高可靠性、低功耗、低成本发展。一般MCU的引脚数在60个以下，MCU以8位机为主，32位机为辅。有提高MCU的运算功能的趋势，将DSP集成到MCU中，如32位的MC68356集成了Motorola的DSP56002。

DSP处理器比较有代表性的产品是TI公司的TMS320系列、ADI公司的ADSP21XX系列和Freescale公司的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列、用于移动通信的C5000系列以及性能更高的C6000和C8000系列。

现在，DSP处理器已得到快速的发展与广泛的应用，特别是在运算量较大的智能化系统中，例如，各种带智能逻辑的消费类产品、生物信息识别终端、带加解密算法的键盘、ADSL接入、实时语音压解系统和虚拟现实显示等。

3.微处理器

微处理器MPU（Micro Processor Unit），是微型计算机的另一个分支，是由通用计算机中的CPU演变而来的。实际嵌入式应用中，只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，配上必要的扩展外围电路，如存储器的扩展电路、I/O 的扩展电路和一些专用的接口电路等，这样就可以最低的功耗和资源满足嵌入式应用的特殊要求。嵌入式微处理器虽然在功能上与标准微处理器基本相同，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了增强。与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。

嵌入式微处理器一般具有以下特点。

嵌入式微处理器在设计中考虑到低功耗。许多嵌入式处理器提供几种工作模式，如正常工作模式、备用模式、省电模式等，提高了嵌入式系统的灵活性，满足了其对低功耗的要求。便携式和无线应用中靠电池工作的嵌入式微处理器设计的最重要的指标是功耗而不是性能。现在已经到了不用主频率MHz比较处理器而用功耗mW或μW比较处理器的时代。

采用可扩展的处理器结构。一般在处理器内部都留有很多扩展接口，以方便对应用的扩展。

具有功能很强的存储区保护功能。由于嵌入式系统的软件结构已模块化，为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。

提供丰富的调试功能。嵌入式系统的开发大多在交叉调试中进行，丰富的调试接口会更便于对嵌入式系统的开发。

对实时多任务具有很强的支持能力。处理器内部具有精确的振荡电路和丰富的定时器资源，从而有较强的实时处理能力。

嵌入式微处理器的典型是ARM处理器，ARM（Advanced RISC Machines）公司是全球领先的 16/32 位 RISC 微处理器知识产权设计供应商，通过将其高性能、低成本、低功耗的RISC微处理器、外围和系统芯片设计技术转让给合作伙伴来生产各具特色的芯片。ARM公司的产品已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的RISC标准。ARM处理器具有小体积、低功耗、低成本而高性能；16/32 位双指令集；全球的合作伙伴众多 3大特点。

ARM处理器分ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、RM11和SecurCore系列。其中ARM7是低功耗的 32 位核，最适合应用于对价位和功耗敏感的产品，它又分为应用于实时环境的ARM7TDMI、ARM7TDMI-S，以及适用于开放平台的ARM720T和适用于DSP运算及支持Java的ARM7EJ等。

基于ARM核的产品有：Intel公司的StrongARM系列和XScale系列；Freescale公司的龙珠系列i.MX处理器；TI公司的DSP+ARM处理器OMAP及C5470/C5471；Cirrus Logic公司的ARM系列，P7212、EP7312、EP9312等；SamSung公司的ARM系列，S3C44B0、S3C2400、S3C4510、S3C2410 等；Atmel 公司的 AT91 系列微控制器，AT91M40800、AT91FR40162等；NXP（原Philips公司半导体部）公司的ARM微控制器，LPC2104；Netsilicon公司的ARM系列，NET+ARM；Triscend公司ARM系列产品，A7系列；ST公司ARM系列，STR7系列和STR9系列。

其他 MPU 还有，MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）处理器；PowerPC处理器；MC68K/Coldfire处理器；x86处理器等。

4.片上系统

随着EDA的推广和VLSI设计的普及，以及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现多个更复杂系统的时代已来临，这就是片上系统SoC（System on Chip）。它结合了许多功能模块，将整个系统做在一个芯片上。ARM、MIPS、DSP 或是其他的微处理器核与通信的接口单元——通用串行口（UART）、USB、TCP/IP通信单元、IEEEl394、蓝牙模块接口等单元，以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。将整个嵌入式系统集成到一块芯片中，应用系统的电路板将变得很简洁，这对于减小体积和降低功耗、提高可靠性非常有利。

各种通用处理器内核作为SoC设计公司的标准库，与许多其他嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件。它用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只须定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以用FPGA制作样品。

SoC的优点如下。

通过改变内部工作电压，降低芯片功耗。

减少芯片对外的引脚数，简化制造过程。

减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，加快微处理器数据处理的速度。

内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成的系统干扰。

嵌入式系统实现的最高形式是SoC，而SoC的核心技术是IP核（Intellectual Property Core，知识产权核）构件。

嵌入式片上系统设计的关键是 IP 核的设计。IP 核分为硬核、软核和固核，是嵌入式技术的重要支持技术。在设计嵌入式系统时，可以通过使用IP核技术完成系统硬件的设计。在IP技术中把不同功能的电路模块称为IP，这些 IP都是经过实际制作并证明是正确的。在EDA设计工具中，这些IP被组织在一个IP元件库中以供用户使用。设计电子系统时，用户需要知道IP模块的功能和技术性能，把不同的IP模块嵌在一个硅片上，最终形成完整的应用系统。IP技术极大地简化了SoC的设计过程，缩短了设计时间，因此已经成为目前电子系统设计重要的基本技术。1.3.3 可编程序控制器

可编程序控制器（Programmable Controller）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的设备，都应按易于与工业测控系统连成一个整体，易于扩充功能的原则来设计。因此，可编程控制器是集计算机技术、自动控制技术和通信技术（3C）于一体的工业自动化测控装置。

1969年美国数字公司（DEC）就研制出世界上第一台可编程序控制器，并应用在通用公司自动装配线上，一举获得成功。其后，日本、德国等相继引入这项新技术，可编程序控制器由此而迅速发展起来。在这一时期，可编程序控制器虽然采用了计算机的设计思想，但实际上只能完成顺序控制，仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，所以人们将这一时期的可编程序控制器又称为可编程序逻辑控制器PLC（Programmable Logical Controller）。因为个人计算机的简称也是PC（Personal Computer），有时为了避免混淆，人们习惯上仍将可编程序控制器简称为PLC。

20世纪80年代后，随着超大规模集成电路技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化可编程序控制器得到了惊人的发展，使其在概念上、设计上、性能价格比等方面有了重大的突破。可编程序控制器具有了高速计数、中断技术、PID 控制等功能，而且联网通信能力也得到了加强，这些都使得可编程序控制器的应用范围和领域不断扩大。

PLC是典型的嵌入式系统，而其通用型产品又是构成各种测控系统的重要嵌入式部件，PLC有以下主要特点。（1）可靠性高，抗干扰能力强

在恶劣的工业环境下，工业生产对控制设备的可靠性提出很高的要求。PLC是专为工业控制而设计，由于采取了一系列措施，使PLC控制系统的平均无故障间隔时间一般能达到4～5万小时，远远超过传统继电器控制和计算机控制系统。保证PLC工作可靠性高、抗干扰能力强的主要措施如下。

采用循环扫描、集中采样，集中输出的工作方式。

硬件设计采用模块式结构并采取屏蔽、滤波、隔离、联锁等一系列抗干扰技术，同时增加输出联锁、环境检测与故障诊断等高可靠性电路。

软件设计中设置实时监控、自诊断、信息保护与恢复等程序与硬件电路配合实现各种故障的诊断、处理、报警显示及保护功能。因此PLC优于微机控制的首要特点是它能适应恶劣的工业环境。（2）编程简单，易于掌握

这是PLC优于微机的另一个特点。梯形图编程方式是PLC最常用的编程语言，它与继电器控制原理图类似，具有直观、清晰、修改方便、易掌握等优点。这种面向问题、面向控制过程的编程语言，虽使PLC内部增加了解释程序，延长执行时间，但对大多机电控制设备而言是无关紧要的。（3）组合灵活使用方便

尽管PLC内部是一台专用计算机，但由于它采用标准化的通用模块结构，其I/O电路设计又采用一系列抗干扰措施，用户无需进行硬件的二次开发，能灵活方便地组合成各种不同规模、不同功能的控制系统。接线简单，工作量小，使用、维护都很方便。（4）功能强，通用性好

现代PLC运用了计算机、电子技术和集成工艺的最新技术，在硬件和软件两方面不断发展，使其具备很强的信息处理能力和输出控制能力。适应各种控制需要的智能I/O功能模块，远程I/O及各种通信模块等不断涌现，使现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、步进等功能，而且还能完成A/D、D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网、生产过程监控等。因此，它既可对开关量进行控制又可对模拟量进行控制；既可控制一台单机、一条生产线，又可控制一个机群、多条生产线；既可现场控制，又可远距离控制；既可控制简单系统，又可控制复杂系统，其控制规模和应用领域不断扩大。编程语言的多样化，以软件取代硬件控制的可编程性使PLC成为工业控制中应用最广泛的一种通用标准化、系列化控制器。同一台PLC可适用于不同的控制对象或同一对象的不同控制要求。同一档次，不同机型的功能也能方便地相互转换。（5）开发周期短，成功率高

大多数工业控制装置的开发研制包括机械、液压、气动、电气控制等部分，需要一定的研制时间，也包含着各种困难与风险。大量实践证明采用以PLC为核心的控制方式具有开发周期短、风险小和成功率高的优点。其主要原因之一是只要正确、合理地选用各种各样模块组成系统无需大量硬件配置和管理软件的二次开发，其二是PLC采用软件控制方式，控制系统一旦构成便可在机械装置研制之前根据技术要求独立进行应用程序开发并可以方便地通过模拟调试反复修改直至达到系统要求，从而保证最终配套联试的一次成功。（6）体积小，重量轻，功耗低

由于PLC采用了半导体集成电路，其体积小、重量轻、结构紧凑、功耗低，因而是机电一体化的理想控制器。习题与思考题

1-1 什么叫测控系统？测控系统主要由哪些环节组成？

1-2 测控系统的性能指标主要有哪些？这些指标有矛盾时如何处理？

1-3 简述测控系统建模的主要方法。

1-4 智能的基本含义是什么?

1-5 什么叫智能测控系统?

1-6 智能测控系统的主要技术特征有哪些？检测与控制技术主要有哪些特点?

1-7 简述智能测控系统的发展趋势。

1-8 什么是嵌入式系统？嵌入式系统有哪些特点？

1-9 写出你所知道的5种以上单片机的型号、生产厂商和特点。

1-10 选择单片机构成图1-3的测控系统，画出原理框图。

1-11 ARM的含义是什么？

1-12 写出你所知道的5种以上PLC的型号、生产厂商和特点。第2章传感器2.1 传感器概述

传感器是人体“五官”的工程模拟物，其作用一是“感”二是“传”。是指能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。对非电量的自动检测与控制常以电信号为载体。因此，狭义地说，传感器是利用各种物理效应、化学效应以及生物效应把被测的非电量转换成电量的器件或装置。传感器还被称为换能器、探测器等。若传感器输出的是标准信号，如DC 4～20mA等，则称为变送器。2.1.1 传感器的组成与分类

1.传感器的组成

传感器一般由敏感元件、转换元件和信号处理电路三部分组成，有时需要加辅助电源，其组成原理，如图2-1的方框图所示。图2-1 传感器组成方框图

敏感元件（预变换器）：是用来感受被测变量，并将它预先变换为另一种形式的变量的器件。

转换元件：是将经预变换的非电信号变换为电信号的器件。例如，在压力传感器中，敏感元件为弹簧管、波纹管、膜片等，在压力作用下产生形变，从而产生了位移或力，即将压力变换为位移或力；通过位移检测线圈或差动变压器等，又将位移或力变换为电信号。

信号处理电路：是将转换元件输出的电信号放大或处理为便于显示、记录、控制、传输的信号。

2.传感器的分类

用于测控系统的传感器种类繁多，一种被测变量可以用不同类型的传感器来测量，而同一原理的传感器，通常又可以测量多种非电量，因此，传感器的分类方法也各种各样。

按基本效应分：以转换中的物理效应、化学效应等命名有物理型、化学型、生物型传感器。

按构成原理分：以转换元件结构参数变化实现信号转换，称为结构型传感器；以转换元件物理特性变化实现信号转换，称为物性型传感器。

按作用原理分：以传感器对信号的作用原理命名，有应变式、电容式、压电式、热电式传感器。

按能量关系分：传感器输出量直接由被测能量转化而来的，称为能量转换型（自源型）传感器；输出能量由外源供给，但受被测输入量控制的，称为能量控制型（外源型）传感器。

按输入量分：有位移、压力、温度、流量、气体等传感器。

按输出量分：有模拟、数字式传感器。

按构成转换元件的材料分：有半导体、陶瓷、光纤、高分子薄膜等传感器。

在实际工作中常将两种或两种以上的分类方法结合起来，去称呼一种传感器的名称。例如，半导体热敏式温度传感器、热载体催化式甲烷传感器等。有时按与某种高新技术相结合而命名，如集成传感器、智能传感器、机器人传感器、仿生传感器等。2.1.2 传感器的主要技术指标

衡量传感器的主要技术指标有静态特性和动态特性，用这些特性可以表征一个传感器性能的优劣。

1.静态特性

传感器在被测量各个值处于稳定状态时的输出－输入关系称为静态特性。衡量传感器静态特性的主要指标有线性度、灵敏度、精度、分辨率、迟滞等。

传感器的静态特性是在静态标准条件下测定的。静态条件是指没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测量）；环境温度为室温20±5℃；相对湿度不大于85%；大气压力101 327±7 800Pa（760±60mmHg）的情况。在这种标准工作状态下，利用一定精度等级的校准设备，对传感器进行往复循环测试，即可得到输出－输入数据。将这些数据列成表格，再画出各被测量（正行程和反行程）对应输出平均值的连线，即为传感器的静态校准曲线。（1）线性度（非线性误差）

在规定条件下，传感器校准曲线和拟合直线间最大偏差与满量程（F.S）输出值的百分比称为线性度，如图2-2所示。

用δ代表线性度，则L

式中

Δ——校准曲线与拟合直线间最大偏差；max

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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