《测控系统原理与设计》课程复习重点最终修订版【缩印版】

中的待定系数 a1 和 a0，则
P1(x)表示对 f(x)的近似值。当 xi≠x0 时， P1(x1)与 f(xi)有拟合误差 Vi，其绝对值
在全部 s 的取值区间[a，b]上，若始终有 Vi＜ε存在，ε为允许的拟合误差，则直线 方程 Pl(x)＝alx 十 a0 就是理想的校正方程。实时测量时，每采样一个值，就用该方程 计算 P1(x)，并把 Pl(x)当作被测量值的校正值即作为显示值。
稳定，一般取 Uh＝0．95E。由于测量结果一般都习惯用十进制数表示，量程也多以
十倍率递进。因此窗口下限一般取为窗口上限的1/10，即 Ul＝Uh／10。宙 n 比较器
比较电平为:Uh＝0．95E， Ul＝Uh／10
若 Ux＞Uh，则窗口比较器发出“过量程”信号；若 Ux＜Ul，则窗口比较器发出“欠
波器。
2.1.4 串音产生的原因，解决方法：理想情况下，负载上只应出现被接通的那一道信号， 其他被关断的各路信号都不应出现在负载上。然而实际情况并非如此，其他被关断的 信号也会出现在负载上，对本来是唯一被接通的信号形成干扰，这种干扰称为道间串 音干扰，简称串音。 减小串音干扰，应采取如下措施：(1)减小 Rl，为此前级应采用电压跟随器；(2)选用 Ron 极小、Roff 极大的开关管；(3)减少输出端并联的开关数 N，若 N＝1，则 Vn＝0。 2.2.1 一阶保持和零阶保持：一是把相邻采样点之间用直线连接起来，这种方式称为“一 阶保持”方式；另一种方式是把每个采样点的幅值保持到下一个采样点，这种方式称 “零阶保持”方式。零阶保持两种形式：数据保持和模拟保持。 2.4.1 电气性能的相互匹配：1，阻抗匹配。这个原则是由四端网络理论导出的，亦即 信息传输通道中两个环节之间的输入阻抗与输出阻抗相匹配的原则。2，负载能力匹 配。因为末级电路往往需要驱动执行机构。如果驱动能力不够，则应增加一级功率驱 动单元。3，电平匹配。若高低电平不匹配，则不能保证正常的逻辑功能，为此，必 须增加电乎转换电路。 2.4.2 信号耦合与时序配合：一，信号耦合方式：1，直接耦合方式；2，阻容耦合方式； 3，变压器耦合方式；4，光电耦合方式。二，时序的配合
以采样周期 T 对 x(t)、y(t)进行采样得 yn＝y(nT)， xn＝x(nT)
a 由实验确定，只要使被测信号不产生明显的纹波即可。a 常用 2 的负幂次方，这样计 算 aXn 只要把 Xn 向右移若干位即可，可加快计算速度。 一阶低通滤波算法对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频繁的参数滤波； 其不足之处是带来了相位滞后，灵敏度低。滞后的程度取决于“值的大小。同时，它 不能滤除频率高于采样频率二分之一(称为奈奎斯特频率)的干扰信号。例如，采样频 率为 100 Hs，则它不能滤去 50Hz 以上酌十扰信号。对于高于奈奎斯特频率的十扰信 号，应该采用模拟滤波器。 设 Yn-1 在 DATAl 为首地址的单元中，Xn 在 DATA2 为首地址的单元中，均为双字节， 取 a＝0.25，1 一 a＝0．75，滤波结果存在 R6、R7 中。Mcs—51 程序如下：
显然，对于非线性程度严重或测量范围较宽的非线性特性，采用上述一个直线方 程进行校正，往往很难满足仪表的精度要求。这时可采用分段直线方程来进行非线性 校正。分段后的每一段非线性曲线用一个直线方程来校正，即P1i(x)=a1ix+a0i ， i=1,2，…，N 折线的节点有等距与非等距两种取法。
4.6.3 低通滤波：将描述模拟 Rc 低通滤波器特性的微分方程用差外方程来表示，也可 以用软件算法来实现模拟滤波器的功能。 ‘ 最简单的一阶 Rc 低通模拟滤波器，描述其输入 x(t)与输出 y(t)的微分方程为
2.4.3 TTL→CMOS 转换
3．查询方式：
4.6.2 平均滤波 三．移动平均滤波（递推平均滤波）
算术平均滤波需要连续采样若干次后，才能进行运算而获得一个有效的数据．因 而速度较慢。为了克服这一缺点，可采用移动平均滤波。即先在 RAM 中建立一个数 据缓冲区，依顺序存放 N 次采样数据，然后每采进—个新数据，就将最早采集的数据 去掉．最后再求出当前 RAM 缓冲区中的 N 个数据的算术平均值。这样，每进行一次 采样，就可计算出一个新的平均值，即测量数据取一丢一，测量一次便计算一次平均 值，大大加快了数据处理的能力。
5.1.1 过程控制的基本概念
5.1.2 模拟 PID 调节器 常规 PID 控制系统原理框图如图 5—1—4 所示，系统由模拟 PID 调节器、执行机
构及控制对象组成。 PID 调节器是一种线性调节器。它根据给定值 r(t)与实际输出值 c(t)构成的控制偏
差 e(t)=r(t)-c(t) (5—1—1) 将偏差的比例(P)、积分(1)、微分(D)通过线性组合构成控制量．对控制对象进行控制， 故称其为 PID 调节器。在实际应用中，常根据对象的特征和控制要求，将 P、I、D 基 本控制规律进行适当组合，以达到对被控对象进行有效控制的目的。例如，P 调节器、 PI 调节器和 PD 调节器等。
量程”信号。微机只须读取窗口比较器给出的比较结果就可判别是否需要切换量程。
也可由微机将 A／D 转换结果认与 Dx 和 1/δ0 进行数字比较，通常简便的办法
是读取二进制数码 Dx 的高两位或高三位，若都为“l”，则“过量程”；若都为“0”，
则“欠量程”。
4.5.2 插值法 一．线性插值（说明算法）；线性插值是在一组数据(zi 小)中选取两个有代表性的点(X0， Y0)、(X1，Y1),然后根据值原理，求出插值方程
3.4.2 并行通信接口：4.三线联络过程
1.等待延时方式：
2.1.2 对传感器主要技术要求： (1)具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，转换范围与被测量实际变化范围 (变化幅度范围、变化频率范围)相一致。(2)转换精度符合整个测试系统根据总精度要 求而分配给传感器的精度指标(一般应优于系统精度的 10 倍左右)，转换速度应符合整 机要求。(3)能满足被测介质和使用环境的特殊要求 (4)能满足用户对可靠性和可维护 性的要求。 可供选用的传感器类型： (1)大信号输出传感器。（2)数字式传感器。(3)集成传感器：集成传感器是将传感器与 信号调理电路制成一体。(4)光纤传感器。 2.1.3 前置放大器的类型特点要求：低噪声（等效输入噪声），前置放大器增益越大越 好，输入失调，阻抗匹配，稳定增益。
1.2 测控系统新特点和新功能： (1)自动对零功能:在每次采样前对传感器的输出值自动消零，从而大大降低因 2II 控系 统漂移交化造成的误差。(2)量程自动切换功能:可根据测量值利控制值的大小改变澜 量范围和控制范围，在保证测量和控制范围的同时提高分辨率。(3)多点快速测控: 可 对多种不同参数进行快速测量和控制。(4)数字滤波功能: 利用计算机软件对测量数据 进行处理，可抑制各种干扰和脉冲信号。(5)自动修正误差: 许多传感器和控制器的特 性是非线性的，且受环境参数变化的影响比较严重，从而结仪器带来误差。采用计算 机技术，可以依靠软件进行在线或离线修正。(6)数据处理功能:利用 Lf 算机技术可以 实现传统仪器无法实现的各种复杂的处理和运算功能，比如统计分析、检索排序、函 数变换、差值近似和频谱分析等。(7)复杂控制规律: 利用汁算机技术不仅可以实现经 典的 PID 控制，还可以实现各种复杂的控制规律，例如，自适应控制、模糊控制等。 (8)多媒体功能: 利用计算机多媒体技术，可以使仪器具有声光和语音等功能，增强测 控系统的个性或特色。(9)通信或网络功能: 利用计算机的数据通信功能，可以大大增 强测控系统的外部接口功能和数据传馅功能。(10)自我诊断功能:采用计算机技术后， 可对测控系统进行监测，一旦发现故障则立即进行报警，并可显尔故障部位或可能的 故障原因，对排除故障的方法进行提示。
换结果必须同时满足以上两个条件，即：1/δ0<Dx<Dfs ，或者说，对应的 Ux 必须同
时满足以下的条件:E/（δ0*Dfs）＜Ux ＜E
模拟比较就是依据上式，设置一个窗口比较器，其窗口比较电平分别为 Uh 和 Ul，
而且须 Uh＜E，Ul＞E/（δ0*Dfs）。在实际工作中，为避免噪声干扰影响比较结果的
2.1.1 模拟输入通道： 集中采集式多路模拟输入通道的典型结构有分时采集型和同步采集型两种
分时采集型：由图(a)可见，多路被测信号分别由各自的传感器和信号调理电路组 成的通道经多路转换开关切换，进入公用的采样／保持器(S／H)和 A／D 转换电路进 行数据采集。它的特点是多路信号共同使用一个S／H 和 A／D 电路，简化了电路结 构，降低了成本。但是它对信号的采集是由模拟多路切换器即多路转换开关分时切换、 轮流选通的，因而相邻两路信号在时间上是依次被采集的，不能获得同一时刻的数据， 这样就产生了时间偏斜误差。
这种数据存放方式可以采用环形队列结构来实现。设环形队列地址为 40H 一 4FH 共 16 个单元，用 R0 作队尾指示，其程序流程图如图 4—6—2 所示。程序清单如下所 列：
分散采集式：分散采集式的特点是每一路信号都有一个 S／H 和 A／D，因而也不再 需要模拟多路切换器 MUX。每一个 s／H 和 A／D 只对本路模拟信号进行数字转换， 即数据采集。
消除采样引起的折矗失真满足以下条件：第一，必须使被采样信号为带限信号，即它 的最高频率为有限值，即 fc≠∞。第二，必须使采样频率大于被采样信号最高额率的 两倍，即采样周期 T 满足条件:T<1/2fc 去混淆滤波：由上面的讨论可以看出：采样产生折更失真是由于被采样频谱中含有高 于折叠频率 fs/2 的频率分量。若设该频率分量的幅值为 Aa，频率为 fa＞fs／2，则采 样后该频率分量就会变成幅值为 Ab，频率为 fb＜fs／2 的频率分量，两者以 f＝fs／2
பைடு நூலகம்
2．中断方式：
为轴对称，即
这种现象称为频率混淆或假频干扰。
去除方法：就只有在采样之前先用一个截频 fh<fs／2 的低通滤波器把高于 fs／2 的频
率分量滤掉，以保证采样时被采样的频谱只包含低于 fs／2 的频率分量，即满足采样
定理。在采样开关之前设置的这种用途的低通滤波器常称为去混淆滤波器或去假频滤
（5-1-3） 5.1.3 数字 PID 控制器
在计算机控制系统中，必须首先对控制规律进行离散化的算法设计。 为将模拟 PID 控制规律按式(5—1—2)离散化，可把图 5—1—4 中 r(t)、e(t)、u(t)、 c(t)在第 n 次采样时刻的数据分别用 r(t)、e(t)、u(t)、c(t)表示，于是式(5—1—1)变为 e(n)=r(n)-c(n) (5—1—4) 当采样周期 T 很小时，dt 可用 T 近似代替，de(t)可用 e(n)一 e(n 一 1)近似代替，“积分” 用“求和”近似代替，即可作如下近似
4.2.1 量程切换的依据：为了不使数据发生溢出，须满足条件：Dx＜Dfs 或 Ux＜E 如果上列条件不满足，就称为“超量程”。为了保证一定的测量精度，通畅 要求读数
精度不低于δ0，δx≤δ0，即满足一下条件
如果上
例条件不满足，就称为“欠量程”。
为了既不使数据溢出，又保证一定的测量精度，即工作在“最佳量程”，A/D 转
PID 调节器的控制规律为： （5-1-2） 式中，Kp 为比例系数，T1 为积分时间常数，TD 为微分时间常数。
简单来说，PID 调节器各校正环节的作用是：(1)比例环节 即时成比例地反映控 制系统的偏差信号 e(f)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。(2)积 分环节 主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常 数 T1。T1 越大，积分作用越弱，反之则超强。 (3)微分环节 能反映偏差信号的变化 趋势(变化速率)，并能在偏差信号的但变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期 修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 由式(5—1—2)可得，模拟 PID 调节器的传递函数为
同步采集型：由图(b)可见，同步采集型的特点是在多路转换开关之前，给每路信 号通路各加一个采样／保持器，使多路信号的采样在间一时刻进行，即同步采样。
折叠失真去掉混淆滤波：由采样信号 Xs(t)恢复出的信号 Xo(t)与原来的被采样信号 x(t)
在频谱上的差别为
这种差别称为折叠失真。
可得对应的时域表达式为：X0(t)=X(t)+N(t)。该误差项 N(t)称为折叠噪声或折叠失真。