计算机测控系统概述
测控系统概念
第一章1.1测控系统的概念测控系统是现代检测技术与现代控制技术发展的必然和现实的需要，是以检测为基础，以传输途径，以处理为手段，以控制为目的的闭环系统。
测控系统的基本构成由四个部分构成：传感检测部分：感知信息（传感技术、检测技术）信息处理部分：处理信息（人工智能、模式识别）信息传输部分：传输信息（有线、无线通信及网络技术）信息控制部分：控制信息（现代控制技术）1.3测控系统的基本特点❖设备软件化：简化硬件、缩小体积、降低功耗、提高可靠性。
❖过程智能化：以计算技术和人工智能为核心。
❖高度灵活性：实现组态化、标准化、分布式。
❖高度实时性：采集、传输、处理、控制高速化。
❖高度可视性：图形编程、三维技术、虚拟现实。
❖测控一体化：测量、控制、管理。
二、测控系统的分类和组成（ppt图10页）1.检测系统又称数据采集系统。
以通用计算或嵌入式计算系统为核心，单纯实现系统信号的检测、处理、记录和显示为目的的系统。
2.控制系统以通用计算机或嵌入式计算系统为核心，单纯以实现控制为目的的系统。
3. 测控系统以通用计算机或嵌入式计算机系统为核心，以实现检测、传输、处理和控制为目的的系统4. 局域分布式测控系统以通用计算机和网络为核心，以实现对分布在局部区域内的多个系统的检测、传输、处理和控制为目的的系统5. 广域分布式测控系统以通用计算机和网络为核心，以实现对分布在大范区域内的多个系统的检测、传输、处理和控制为目的的系统四、测控技术的发展方向◆微型化：向微机电系统方向发展◆网络化：向无线网、自组织网、物联网、泛在网方向发展◆智能化：向人工智能化方向发展◆虚拟化：向虚拟现实方向发展测控系统的网络化（1）有线测控网络工业总线、局域网络、广域网（2）无线测控网络ADhoc自组织网络、传感网（3）混合测控网络物联网、泛在网第二章MEMS器件的封装要求(1)封装应对传感器芯片提供一个或多个环境通路(接口)；(2)封装给传感器带来的应力要尽可能的小；(3)封装与封装材料不应对应用环境造成不良影响；(4)封装应保护传感器及其电子器件免遭不利环境的影响；(5)封装必须提供与外界的通道。
测控系统
测控系统从它诞生到现在大致已经历过了四个阶段：即由气动到电动的集中控制式系统，集散式（DCS）控制系统，最前沿的是包括FCS 的网络集成全分布式系统。
因为试验场的试验项目种类繁多，测试设备多种多样，采用的总线、接口标准也各不相同，必须合理的将这些设备通过网络的形式组织起来，形成可靠、实用的适合于试验场应用的测试网络。
网络化测控系统结构属于网络应用体系结构的范畴。
而以OSI七层模型框架为代表的网络通信体系结构，主要只反映了网络通信方面的结构恃性，并没有充分反映出含计算机的测控网络系统中，综合信息采集、处理、存储、传输和控制的重要特征，更难以反映网络应用系统的结构特征。
网络应用体系结构就是研究包括基本网络系统和应用软件在内的网络应用系统的体系结构，它应把传统的网络通信体系结构内容(OSI七层模型)与应用软件及其运行环境要素的体系结构内容(如测控系统)结合在一起，形成一个统一的计算机网络应用系统的抽象结构模型，它可以更本质地反映该系统综合信息采集、处理、存储、传输和控制的结构特征。
根据以上分析，网络化测控系统的抽象结构框架可如图1-1所示。
图1-1 网络化测控系统的抽象结构框架该模型明确反映出系统中各重子系统之间的基本接口关系不依赖子系统内部的具体结构和特性，实现了接口标准化、通用化，以提高系统的开放性。
因为开放电子系统体系结构使用的是标准的系统接口，允许设计者使用最新的、性能最好的电子器件、通用电子模块和计算子系统，这样可以确保测试系统的性能处于领先地位。
随着测控技术、计算机技术、网络技术以及各种高科技在测控系统中的发展，测控系统的基本结构也逐步由集中控制式经历了集散控制式发展到网络分布式系统。
下面简单介绍一下几种控制系统的大致情况。
一、集中控制式测控系统其体系结构的特点概括为：①统一集中控制；②一对一物理联接；③功能单一、结构复杂、可以升级扩展；④系统高效，可以对全局进行优化。
二、集散控制式测控系统集散控制式测控系统, 以控制站的直接数字控制ＤＤＣ对现场的分散被控对象进行实时分散控制，而以操作站的中央管理计算机进行集中操作、显示、报警、优化控制功能等，随着计算机可靠性的提高，价格的大幅度下降，出现了数字调节器、右编程控制器（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。
测控系统
2010年
第一章 概述
• 就技术而言： 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： 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。
放大器是任何一台现代测量仪器不可缺少的基本电路。越灵 敏的仪器，越需要高增益高性能的放大器。根据实际仪器的 功能和要求的不同，对放大器也有这样或那样的性能要求， 如增益的高低，频带的宽窄，输入阻抗的高低等等。实际上， 放大器的参数远不止这些，还有许许多多的参数来表征放大 器，如非线性放大器，程控放大器，差动放大器，微功耗放 大器，轨—轨放大器……所以，放大器的种类举不胜举。往 常，通用运算放大器是设计工程师们的“万金油”。不管什 么样的放大器都用通用运算放大器来设计。虽然有的运算放 大器在某个或某些参数上具有突出的特性，比较适合于某些 应用场合。但可以说，最适合应用于某种场合的放大器一般 都不是采用通用运算放大器所构成的放大器，而是采用某些 有特色的运算放大器或专门设计的放大器芯片
●第三代就是智能式仪器仪表：计算机置于仪器中
●第四代为虚拟仪器：仪器仪表置于计算机中
以计算机为核心
• 门捷列夫：“科学是从测量开始的”
• 钱学森：“新技术革命的关键技术是信息技术。 信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三 部分组成。测量技术是关键和基础”
数据采集技术
数据采集系统的组成结构
传感器
★时间频率：各种计时仪器与钟表、铯原子钟、时间频率测 量仪等
★电磁量：交、直流电流表、电压表、功率表、RLC测量仪、 静电仪、磁参数测量仪等
测控
一．概述1.计算机测控技术的含义：是传感技术，自动控制技术，计算机技术，通信技术，计算机网络技术，智能技术和数据库管理技术综合发展的产物。
2.计算机测控系统的含义：是以测量与控制为目的，在无人直接参与的情况下，应用计算机测控技术实现目标对象的数据采集，信息处理，决策控制，监督管理的综合自动化系统。
3.测试系统特点：网络化，多功能，智能化，易操作，可靠性高等。
4.测控系统的基本组成：测控对象；测控系统硬件（测试主机，检测与执行机构，过程通道，通信与网络接口，人机接口）；测控系统软件（数据采集，分析及处理，控制决策，控制输出，监控报警，数据通信系统管理）5.典型的测控系统：1）基于处理器的测控系统；2）基于工控机的测控系统；3）集散控制系统（DCS）；4）基于现场总线的测控系统；5）工业以太网测控系统；6）基于无线通信的测控系统；7）基于Internet的网络测控系统。
6.微处理器化测控系统的组成：嵌入式微处理器（最核心），外围硬件设备，接口部件及软件。
特点：1）功能丰富，性价比高；2）结构紧凑，可靠性高；3）具有自测试和自诊断功能；4）系统自动化水平高；5）系统能实现复杂的运算和控制功能；6）系统的人机对话能力强；7）系统构成柔性化。
7.集散控制系统（DCS）：体系机构按垂直分解通常分为三级：第一级即分散过程控制级（基础）；第二级为集中操作监控级；第三级为综合信息管理级。
集散控制系统特点：1）采用分级递阶结构；2）采用微处理器技术；3）采用工业以太网络通信技术；4）采用高可靠性技术；5）具有丰富的软件功能。
8.现场总线控制系统（FTS）是以现场总线为基础，是开放式，数字化，多点，铜线的网络化控制系统。
FCS的特点：1）全数字化；2）系统开放性；3）互操作与互换性；4）现场是被智能化，功能自治；5）高度分散性；6）高度环境适应性；7）低成本；8）信息系统化。
9.测控系统发展趋势：测控系统的智能化，网络换，虚拟化，多样化，标准化。
第一章计算机测控系统概述
第一章计算机测控系统概述计算机测控系统是一种用计算机和相关设备进行控制和测量的系统。
它通常包括硬件设备、软件工具和算法，用于收集、分析和处理测量数据，并根据需要控制被测对象。
计算机测控系统被广泛应用于各个领域，如工业自动化、环境监测、科学研究等。
计算机测控系统的基本构成主要包括传感器、数据采集卡和数据处理器。
传感器用于将被测量转换为电信号，传感器的种类多种多样，根据不同的测量对象和需求选择合适的传感器进行测量。
数据采集卡是连接传感器和计算机的接口，它负责将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，然后传输给计算机进行处理。
数据处理器是计算机或嵌入式设备，它负责接收和处理采集到的数据，并根据需要进行控制操作。
计算机测控系统的核心技术包括数据采集和处理、数据传输和通信、控制和决策算法等。
数据采集和处理是系统的基础部分，它涉及到模拟信号转换为数字信号的过程，以及对采集到的数据进行滤波、去噪、校准等处理。
数据传输和通信是系统与外部设备或网络之间进行信息交换的方式，通常使用串口、以太网等接口进行数据传输。
控制和决策算法是系统的核心部分，它根据测量数据进行分析和判断，并根据需要进行自动或手动控制操作。
计算机测控系统的优势在于其高效、准确和灵活的特点。
通过计算机的处理能力和算法优势，可以对大量的测量数据进行实时分析和决策，提高系统的控制精度和效率。
同时，系统的硬件设备可以根据需要进行扩展和更新，以适应不同的测量对象和环境要求。
此外，计算机测控系统还可以实现远程监控和操作，便于用户对系统进行远程控制和数据访问。
然而，计算机测控系统也存在一些挑战和问题。
首先，系统的稳定性和可靠性是一个关键问题，由于测控系统常常运行在复杂的工业环境中，例如高温、强电磁干扰等，因此对系统的硬件设备和软件工具进行可靠性设计是至关重要的。
其次，系统的数据安全和保密性也是需要考虑的问题，特别是在一些敏感领域和国家级重点工程中，对系统的数据进行保护和防护是必不可少的。
9计算机测控系统_工业以太网及无线通信
短距离：Bluetooth、Wi-Fi、IrDA、ZigBee等
机械构造力学及控制国家重点实验室
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8.2 无线传感器网络
无线通信技术：ZigBee技术
ZigBee是基于标准的低功耗个域网协议。成立于 2001年8月有Motorola、Philips等公司发起。
目前已经在工业监控、传感器网络、家庭监控、 平安系统等领域得到广泛应用。
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8.2 无线传感器网络
无线通信技术：ZigBee技术
ZigBee的工作频段是2.4GHz、868MHz及915MHz。 在我国，创立网络时，协调器节点首先依次扫描 ch11到ch26，从中找出一个相对安静的通道，根 据事先的协议创立通道特征。其它待参加到节点 上电重启后同样扫描通道，一旦发现通道中有活 动的协调器节点，那么比较特征参数，符合那么 参加。
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8.3 应用举例
输电线损伤检测系统
压电驱 动器
功放
DA
发波节 点
输电线
压电传 感器
发波装置
Coordinator 节点
PC机
采集装置 电压放
大,滤波
AD
采集节 点
机械构造力学及控制国家重点实验室
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8.3 应用举例
输电线损伤检测系统
机械构造力学及控制国家重点实验室
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8.3 应用举例
输电线损伤检测系统
机械构造力学及控制国家重点实验室
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8.2 无线传感器网络
无线通信技术：无线传感器网络
无线传感器网络〔Wireless Sensor Network〕是由 大量的具有通信和计算能力的微小传感器节点， 以无线的方式连接构成的自治测控网络。
《计算机测控技术》课件
航天航空
利用计算机测控技术，可以实时监测和控制飞 行器的参数，确保飞行安全和任务顺利完成。
计算机测控系统的构成和工作原理
构成
工作原理
计算机测控系统由传感器、数据 采集卡、计算机和执行器等组成， 通过软硬件的协同工作实现测量 和控制功能。
控制器接收传感器采集的数据， 经过处理和分析后，输出控制信 号给执行器，实现对被控对象的 控制。
3 智能农业
利用计算机测控技术，实现农田的自动化浇灌和监测，提高农作物的产量和质量。
总结与展望
总结
计算机测控技术是一种结合计算机科学和测量控制 技术的应用技术，广泛应用于各个领域，提高了测 量和控制的准确性和效率。
展望
随着科技的不断发展，计算机测控技术将继续创新， 实现更高水平的测量和控制，为人类的生活和工作 带来更多便利。
计算机测控技术的应用领域
工业自动化
计算机测控技术广泛应用于工业自动化领域， 用于监测和控制工业术，可以实时监测环境参数 如温度、湿度、气压等，用于环境保护和资源 管理。
医学仪器
计算机测控技术在医学仪器中的应用使得医学 诊断和治疗更加准确和可靠，提高了医疗水平。
3
未来
未来计算机测控技术将更加智能化和自动化，结合人工智能和大数据分析等技术， 实现更高水平的测量和控制。
案例分析：计算机测控技术在实际项 目中的应用
1 智能家居
计算机测控技术与物联网技术结合，实现智能家居的自动化控制，提高生活品质。
2 智能交通
通过计算机测控技术，实现交通信号灯的智能控制，优化交通流量和减少交通拥堵。
数据处理
数据处理是计算机测控系统的核 心环节，包括数据采集、数据转 换、数据存储和数据分析等。
数学模型与计算机控制 第二章 计算机测控系统组成及类型
第二章计算机测控系统组成及类型2.1 计算机测控系统的组成及特点计算机测控系统是应用计算机来实现生产过程的测试、控制的系统。
其组成框图如图2-1所示。
操作人员微机测控系统图2-1 计算机测控系统的组成主机是计算机的测控系统的中心。
主机由的系统板上装有微处理器、内存贮器和一些支持元件组成。
外部设备是计算机专用的输入输出设备。
主要有：键盘、打印机、视频显示器、外存贮器（软盘、硬盘、磁带、可读写光盘等）。
外部设备起人机联系的作用，通过它人工才能了解和干预生产过程。
计算机是由主机和外部设备组成。
外围设备计算机测控系统中生产过程信号输入输出通道。
输入通道包括模拟量输入、开关量输入和脉冲量输入通道。
输出通道包括模拟量输出、数字量输出、脉冲量输出、报警通道和时钟通道。
由计算机和外围设备组成了工业控制机。
生产过程的各种参数，如温度、压力、流量、位移、成分等，通过传感器的测量输给外围设备的输入通道。
控制部件则通过接收外围设备的输出通道的信号来控制生产过程。
用工业控制机对生产过程进行测控就组成了计算机测控系统。
主机、外部、外围和测控仪器仪表，是计算机测控系统的硬件部分。
除硬件部分之外，还必须配备相应的软件。
计算机测控系统的软件可分系统软件和应用软件。
系统软件是计算机本身的操作系统和监控程序，它有一定的通用性，由计算机生产厂家提供。
应用软件是实现生产过程测控的应用程序，也称用户程序，它具有专用性，由用户根据具体需要编制。
由常规测控仪器仪表构成的模拟测控系统，虽具有可靠性高、成本低、易于维护操作的优点，但是它难以实现多变量测控、复杂控制规律的控制，如最优控制，自适应控制，时变控制；模拟控制屏越来越长，难以实现集中控制；各分子系统之间不便于进行通讯联系，难以实现多级控制；控制方案的修改比较麻烦。
计算机测控系统则能很好地解决上述问题。
计算机测控系统不仅能完成模拟测控系统的所有功能，而且还具有如下优点：（1）测控的速度和精度高；（2）由于计算机具有分时操作功能，所以一台计算机可以代替多台常规测控装置；（3）由于计算机具有记忆和逻辑判断功能，所以能够综合生产过程各方面的情况，在工艺参数变化时能及时地作出判断，选择最优控制。
测控系统原理及设计概论
西安卫星 测控中心
测控系统原理及设计概论
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。
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。
测控系统原理及设计概论
1.2 测控技术的发展
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。
计算机测控系统
测控系统原理及设计概论
第1章 计算机测控系统概述
测控系统原理及设计概论
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。
测控系统原理及设计概论
课程名称
电路
模拟电子技术（I）
数字电子技术
微机原理与接口技术
自动控制原理
单片机原理与应用
可编程逻辑器件原理与设计
传感器原理
数字化测试技术
传感器技术课设
可编程逻辑器件课设
单片机技术课设
测控系统原理及设计概论
学分 5
3.5 3.5 3.5
4 4 3 4 4 1 1 1
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。
计算机测控系统的设计与实现
计算机测控系统的设计与实现(总10页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--计算机测控系统的设计与实现1 计算机测控系统的发展历程及其定义在现代工业控制领域，计算机以其无以伦比的运算能力，数据处理分析能力，在测控系统中起到了很大了作用，测控系统的发展经历了五个阶段：测控系统的发展在20世纪50年代，测控系统处于自动测量、人工控制阶段，整个系统结构简单，操作灵活，但由人工操作，速度受到了限制，不能同时控制多个对象。
在20世纪60年代，采用电动单元组合式仪表测控系统，测控系统处于模拟式控制阶段，系统的控制精度和速度都有了提高，但抗干扰的能力比较差，且对操作人员的经验要求比较高。
直到20世纪70年代到20世纪80年代，出现的计算机集中测控系统以及分布式测控系统，才使得人类在控制领域实现了一次巨大的飞跃。
计算机测控系统的发展首先，在60年代末期，出现了用一台计算机代替多个调节控制回路的测控系统，就是直接数字测控系统，它的特点是控制集中，便于运算的集中处理，然而这种系统的危险性过于集中，可靠性不强。
随着70年代，电子技术的飞速发展，由美国Honeywell公司推出了以微处理器为基础的总体分散型测控系统，它的含义是集中管理，分散控制，所以又称为集散测控系统。
分布式测控系统是在集散测控系统的基础上，随着生产发展的需要而产生的新一代测控系统，分布式测控系统更强调各子系统之间的协作，有明确的分解策略和算法。
因此，计算机测控系统就是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象联系，以达到一定控制目的所构成的系统2 计算机测控系统的组成测量设备计算机主控器执行机构人机界面通讯模块图1 测控系统的组成计算机测控系统的组成如图1所示，包括计算机主控器、测量设备、执行机构、人机界面或通讯模块所组成。
测量设备测量设备的主要作用就是向计算机主控器输入数据。
一般来说，是利用传感装置将被控对象中的物理参数，如：温度、压力、液位、速度。
第一章计算机测控系统概述
期望温度
输 入 变 换
+
电 压 放 大
功 率 放 大
执 行 机 构
减 速 器
调 压 器
电 热 器
炉 子
实际温度
热电偶
给定电压
比较 热电偶
u 前 置 放 大 功 率 放 大
执行机构
减速器
M
电热器 调压变压器
炉子
~220V
1-24
扰动 输入量 + -
控制器
控制量
被控对象
输出量
反馈元件
特点： 1) 由负反馈构成闭环，利用误差信号进行控制； 2) 对于外界扰动和系统内部参数的变化等引起的误差能够 自动纠正；
1）计算机主机
2）过程通道 3）操作控制台
1-28
过程通道
1) 接口与输入输出通道：主机与被控对象信息传递的纽带。 2) 检测元件及仪表：将被测（被控）参数由非电量变为电 量，并将这些电量变为A/D转换器所能转换的统一电压。 3) 执行机构：执行控制动作从而达到控制被控参数的目的 （有电动、气动、及液动控制形式、各种控制电机 （交、 直流电机、步进电机等。））
1-43
分布控制系统也称集散控制系统，是以微处理器为基础的集中 分散控制系统，主要特征是集中管理和分散控制 主要分为三部分：操作管理站、现场控制站和通信网络，以实 现分散控制与集中管理和操作的功能。 操作管理站负责系统的管理、控制组态、系统生成，实现控 制系统的控制操作、过程状态显示、报警状态显示、历史数 据的收集和各种趋势显示及报表生成与打印等
1-16
控制周期（采样周期）：完成实时数据采集、 实时控制决 策，实时控制 输出所用的时间。
实时的概念：是指信号的采集、计算决策、输 出控制都要在一定的时间内完成， 满足系统的要求。
计算机测控系统概述课件
测 控 非电量 对 象
传感器
输入信号 调理器
执行机构
输出信号 调理器
计算机测控系统概述课件
计算机
显示器
电厂生产车间
计算机测控系统概述课件
计算机集中监控室
计算机测控系统概述课件
计算机测控系统概述课件
计算机测控系统概述课件
计算机测控系统概述课件
计算机测控系统概述课件
计算机测控系统概述课件
计算机测控系统硬件各部分功能描述
测控系统的演变
计算机测控系统概述课件
1、传统测控时代
被测参数
显示仪表
传统检测系统
计算机测控系统概述课件
被测控参数 执行机构
显示器
传统手动控制系统
计算机测控系统概述课件
2、电气测控时代
被
测
参
传感器
数
调理电路 模块
显示仪表
传感器检测系统
计算机测控系统概述课件
被
测
控 参
传感器
数
调理电路 模块
执行机构
计算机测控系统概述课件
1、被测控对象及其参数
1）环境特征； 2）参数类型； 3）测控要求
被
测 控 参
传感器
调理电路 模块
输入通道
数
计
算
机
执行机构
控制电路 模块
输出通道
计算机测控系统概述课件
2、传感器
1）选型；2）信号；3）量程；4）精度；5）环境
被
测 控 参
传感器
调理电路 模块
输入通道
数
计算机Fra bibliotek执行机构
计算机测控系统概述课件
实时系统
❖ 实时系统是对外来事件在限定时间内能 做出反应的系统。
测控技术简介
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智能测控的含义
近年来，人们发现一些现代信息处理技术，如模式识 别、聚类分析、信息融合等也从不同角度模仿了人类 对处理信息的思维和行为，并将它们引入到智能测控 系统中，取得很好的结果。计算机在处理大量数据、 图像信息、符号逻辑、模糊信息、知识和经验等方面， 具有强大的功能，是实现智能测控最有力的、不可缺 少的工具。因此，智能测控系统可以认为是自动控制、 人工智能(专家系统、模糊逻辑、神经网络)、现代信息 处理(模式识别、聚类分析、信息融合)以及计算机等多 门学科的集合和交叉。
测控专业概论——谢维成
8
凤凰卫视关于中国导弹击毁卫 星的报道
测控专业的角度如何实现
计算机技术，软件技术 传感器技术 测控系统实时性，实时性的保障
测控专业概论——谢维成
9
测控系统的典型结构框图
测控系统中计算机根据给定输入信号、反馈信 号与系统的数学模型进行信号处理，实现控制 策略，通过执行机构控制被控对象，达到预期 的控制目标。
测控专业概论——谢维成
34
其他虚拟仪器开发平台
目前 LabVIEW 已经成为虚拟仪器开发的主流 平台 , 其图形化的编程方式已经被广为接 受。 但是 , 部分科研人员已经对 C 语言、 VisualC++ 和 Visual Basic 等高级语言相当熟 悉 , 并且已经开发了大量用于测量的原代码。 为了使这部分用户也可以快速、高效地开发虚 拟仪 器程序 , 美国 NI 公司又开发了 Measurement Studio 。
测控专业概论——谢维成
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测控专业概论——谢维成
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测控专业概论——谢维成
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计算机测控系统的概念
测就是测量和感知，也就是要获得目标 对象的信息，控就是控制，是根据目标 对象的现象判断目标对象是否符合预期 控制目标，并采取相应措施。测和控只 是某一时间段就可以完成的行为，而根 据测量结果判断目标状态是否符合要求 则需要控制算法的判断参与，这一作出 决定的过程可以由人工或控制系统来完 成，测、控、以及控制算法就构成一个 测控系统。
第1章 测控系统简介
测控软件技术
Measurement and Control Software Technology
第一章 测控系统简介
1.测控系统概念 2.测控系统作用
3.测控系统应用
4.测控系统组成 5.测控系统分类
6.测控软件概念
7.测控软件地位
1.测控系统概念 测控系统是计算机自动测量和 控制系统的简称。它是自动化 控制技术、计算机科学、微电 子技术和通信技术有机结合， 综合发展的产物。
数据 采集
数据 处理
输出
数据 传输
数据 显示
闭环控制系统
系统的输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量 对控制过程产生直接影响，如恒温箱自动控制系统。
只要被控制量的实际值偏离给定值，闭环控制就 会自动产生控制来减小这一偏差，因此，闭环控制 精度通常较高。 系统是靠偏差进行控制的，因此，在整个控制过 程中始终存在着偏差，由于元件的惯性（如负载的 惯性），若参数配置不当，很容易引起振荡，使系 统不稳定，而无法工作。
闭环控制系统框图
输入
被控 对象
信号 调理
数据 采集
数据 处理
输出
数据 传输
数据 显示
控制（反馈）
半闭环控制系统
系统的 反馈信号不是直接从系统的输出端引出， 而是 间接 地取自中间的测量元件。
一般可获得比开环系统更高的控制精度，但由于 只存在局部反馈，在局部反馈之外的部分所导致 的输出扰动无法通过自动调节的方式消除，因此， 其精度比闭环系统要低。
1
2
3
测控技术在现代科学技术、工业生产和国 防等诸领域中的应用十分广泛。
2.测控系统作用 今天，计算机测控系统在各个工业部门承 担着生产过程的控制、监督和管理等任务。
计算机控制技术01 计算机控制系统概述
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 能和数据传输功能。采用网络功能的测控系统 则将拓展一系列新颖的功能。
10）自我诊断功能。采用计算机技术后， 可对控制系统进行监测，一旦发现故障则立即 进行报警，并可显示故障部位或可能的故障原 因，对排除故障的方法进行提示。
计算机控制系统是以微机为核心，单纯 以程序“控制”为目的的系统。
计算机
输出信号 调理器
执行机构
控 制 非电量 对 象
计算机测控系统
以微机为核心，以“监测”和“控制”为
目的、测控一体化的系统。
这种系统对被控对象的控制是依据对被控对象的
测量结果决定的。一般称为“计算机控制系统”
测 控 非电量 对 象
传感器
执行机构
输入信号 调理器
输出信号 调理器
计算机 显示器
计算机集中监控室
测控系统微机化的重要意义
传统的测控系统主要由“测控电 路”组成，所具备的功能较少，也比 较弱。随着计算机技术的迅速发展， 使得传统的测控系统发生了根本性变 革，即采用微型计算机作为测控系统 的主体和核心，替代传统测控系统的 常规电子线路，从而成为新一代的微 机化测控系统。
被测控参数 执行机构
显示器
传统手动控制
被
测
参
传感器
数
调理电路 模块
显示仪表
现代检测系统
被
测
控 参
传感器
数
调理电路 块
执行机构
显示仪表
现代手动控制系统
被
测
控
参
传感器
数
调理电路 模块
执行机构
控制电路 模块
电气自动控制系统
计算机测控技术知识点
第一章计算机控制系统概述1. 什么是计算机控制系统? 其工作原理是怎样的？2. 画图说明计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？3. 计算机控制系统的软件起什么作用？4. 计算机控制系统中的实时性、在线方式和离线方式的含义是什么？实时、在线方式和离线方式的含义是什么?5. 计算机控制系统的典型形式有哪些?各有什么优缺点?6. 计算机控制装置可以分成哪几种类型?7. 简述计算机控制系统的发展概况。
8. 讨论计算机控制系统的发展趋势。
1.画图说明模拟量输出通道的功能、各组成部分及其作用。
2.D/A转换器的性能指标有哪些？3.用8位DAC芯片组成双极性电压输出电路，输出电压范围为-5V--+5V，求对应下列偏移量的输出电压：（1）80H；（2）01H；（3）7FH；（4）40H；（5）FFH；（6）FEH4.请分别画出D/A转换器的单极性和双极性电压输出电路，并分别推导出输出电压与输入数字量之间的关系式5.试用DAC0832芯片设计一个能够输出频率为50Hz的方波电路和程序。
6.DAC0832与CPU有哪几种连接方式？他们在硬件接口及软件程序设计上有何不同？7.为什么高于8位的D/A转换器与8位危机接口连接时必须采用双缓冲方式？这种双缓冲方式与DAC0832的双缓冲方式在接口上有什么不同？8.试用8255A与DAC1210设计一个12位的D/A转换接口电路，并编写出程序（8255A的地址为8000H～8003H）1.画图说明模拟量输出通道的功能、各组成部分及其作用。
2.请分别画出一路有源I/V 变换电路和一路无源I/V 变换电路图，并分别说明各元器件的作用。
3.试用CD4051设计一个32路模拟多路开关，要求画出电路图并说明其工作原理。
4.采样有几种方法？采样周期越小越好吗？为什么？5.采样保持器的作用是什么？是否所有的模拟量输入通道中都需要采样保持器?为什么？6.简述逐次逼近式、双积分式和电压/频率式的A/D转换原理。
计算机测控技术与系统第5章 计算机测控系统的软件技术
（2）避免使用容易混淆的字符，尤其是和助记符相近的字 符尽量避免使用。
（3）程序模块不宜过大，以方便于系统调试。尽量做到每 一功能对应一个功能模块，在系统调试时可分模块调试软件和 硬件。
（4）程序模块尽量通用，这样程序的可移植性强。 （5）重视程序的易读性，尽量多加注释语句，这样的程序 易读性好可维护性强，同时给后续程序编制带来方便。
（2）实时性。实时性是工业生产过程的主要特性之一。测 控系统要求软件应具有较强的实时性。
（3）多任务性。现代测控软件所面临的应用对象是较复杂 的多任务系统，有效地控制和管理测控系统是工控软件主要的 研究内容之一。
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（4）功能多样性。测控软件具有很强的数据采集与控制功 能，不仅支持各种传统的模拟量、数字量的输入和输出，而且 支持各类现场总线协议的智能传感器和仪表以及各种虚拟仪器， 能够完成实时数据库、历史数据库、参数分析处理、数据挖掘、 测控过程仿真、配方设计、系统运行优化和故障诊断等内容。
（5）智能化。测控软件智能化既为测控软件提供了智能决 策，又为管理软件提供了有价值的数据。智能化是计算机工业 的发展趋势。
（6）人机界面更加友好化。人机界面包括设计和应用两个 方面，有丰富的画面和报表形式，操作指导信息丰富。友好的 人机界面方便操作使用。
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（7）网络化集成化。测控软件系统建立在实时数据库和关 系数据库之上，其基本内容是分布式数据库系统，网络技术的 引入增强系统的可靠性，实现系统管控一体化。
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1. 应用程序设计的步骤与方法
计算机测控技术与系统第1章计算机测控系统概述课件
图1.9 分布式控制系统结构图
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近，将控制功能尽可能分散，管理功能 相对集中。这种分散化的控制方式能改善控制的可靠性。
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5.现场总线控制系统（FCS）
图1.10 现场总线控制系统结构图
从控制的角度看，FCS具有两个显著特点：（1）信号传输实 现了全数字化。（2）实现了控制的彻底分散。
A／D转换及采样程序 数字滤波程序
线性化处理程序
巡回检测程序
数据采集程序 越限报警程序
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数据管理程序
事故预告程序 画面显示程序
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1.4计算机测控系统的发展趋势
1.数字化 数字化主要是指计算机技术的应用，特别是单片机
的高速发展，为测控系统的数字化提供了强有力的手 段，从传感器到远程终端设备很多都实现了数字化控 制。 2.智能化
1.1 测控系统的基本概念
1.现代测量技术
测量是采用各种方法获得反映客观事物或对象的运动属性 的各种数据。
根据系统中被测量信号类型的不同，可以分为模拟式和数 字式测量系统。
图1.1 模拟式测量系统
图1.2 数字测量系统
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2.现代控制技术
由经典控制系统可知，控制系统可以分为开环控制和闭环 控制。开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用 而没有反向联系的控制过程，不具备自动修正的能力。
4.虚拟化 虚拟仪器是随着计算机技术和现代测量技术的发展
而产生的一种新型虚拟化技术，代表着当今测控技术 发展方向。
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本章内容结束
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现代测控技术概论
1.3计算机控制系统概述
1.3.1微机过程控制系统的基本组成
过程控制一词具有特定的含义，广义地说，过程是一个 能被监视或控制的物理系统。而过程变量是指该系统中应按 照某种目的或规则变化的物理参数，也就是被控制量。控制 的目的是使一个或多个过程变量达到预定的最佳参考值，从 而使系统处于最佳工作状态。
图1-6微机过程控制系统的组成框图
1.3.2计算机控制系统的类别及要求
一般来说，各类控制系统均可以使用计算机进行在线控 制。但是,往往只有在那些更能体现计算机作用的控制系统 中才使用计算机。所使用的计算机档次需按系统控制任务的 情况恰当地选择。为了了解计算机控制系统的概貌,在前面 所介绍的基本型计算机过程控制系统的基础上,再按计算机 在计算机控制系统中所担任的不同控制任务分类， 几种:
人类在工程实践的过程中，一种需求是要采取各种方法 获得反映客观事物或对象的运动属性的各种数据、记录并进 行必要的处理，这种技术称为“测量”。另一种需求是要采 取各种方法支配或约束某一客观事物或对象的运动过程，达 到一定的目的，这种技术称为“控制”。
“测量”和“控制”是人类认识世界和改造世界的两项 工作任务。相应地，人们就要研制和发展测控仪器或系统以 实现测量和控制，与此相关的理论和技术就是测控技术。测 控仪器或测控系统按照任务的不同，可以分为三大类，即检 测系统、控制系统和测控系统。
4) A/D
A/D
(1)分辨率和量化误差。对于同样的量化值，分辨率由 寄存器的位数决定，也就是量化单位q。设满刻度为Xm，寄 存器位数为n位，则
q Xm 2n 1
(1.7)
量化误差为ε=q/2。
(2)偏移误差。偏移误差是指输入信号为零，输出信号 不为零时的值，所以也称为零值误差。偏移误差通常是由放 大器的偏移电压产生的，一般在静态时对电路进行调整，使 之最小。
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— 概述
李江全
石河子大学机电学院电气工程系
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1
测控系统的演变
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2
1、传统测控时代
被测参数
显示仪表
传统检测系统
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3
被测控参数 执行机构
显示器
传统手动控制系统
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4
2、电气测控时代
被
测
参
传感器
数
调理电路 模块
显示仪表传感Βιβλιοθήκη 检测系统编辑ppt5
被
测
控 参
传感器
数
调理电路 模块
执行机构
显示仪表
现代手动控制系统
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6
被
测
控
参
传感器
数
调理电路 模块
执行机构
控制电路 模块
电气控制系统
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显示器
7
3、智能测控时代
被测控参数
传感器
智能仪表
执行机构
智能检测控制系统
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8
4、计算机测控时代
被
测 控
传感器
调理电路 模块
输入通道
参
数
计
算
机
执行机构
❖ 控制：采用各种方法支配或约束某一客观 事物的进程结果，称之为“控制”
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测控系统的分类
按照仪器和系统担负的任务不同，测控系统可分为 三大类： ❖ 单纯以测量和检测为目的的“测试（检测）系统”
❖ 单纯以控制为目的的“控制系统”
❖ 测控一体的“测控系统”或“监控系统”
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按信号传递路径分类：开环控制系统和闭环控制系统
特点： 1) 控制量与输出量之间仅有前向通路，没有反馈通路，输
出量只被检测，无直接控制作用； 2) 外部条件和系统内部参数保持不变时，对于一个确定的
输入量，总存在一个与之对应的输出量； 3) 控制精度取决于控制器各被控对象的参数稳定性，易受
干扰影响（抗干扰能力差），缺乏精确性和适应性。
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（2） 闭环（反馈）控制系统
系统的被控量对控制作用有直接影响的系统称为闭环控 制系统。
反馈：指输出量通过适当的装置将测量信号的全部或一部分 返回输入端，使之与输入量进行比较的过程。
如果输出量和反馈量相减则称为负反馈，反之，若二者 相加，则称为正反馈。输入量和反馈量之差称为偏差信号。
反馈控制系统是指在负反馈的基础上，用“检测误差用 以纠正误差”这一原理组成的系统。由于此类系统信息的传 递途径有一个自己闭合的环路，所以称为闭环控制系统。
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扰动
输入量 + -
控制器 控制量 被控对象 输出量 反馈元件
特点：
1) 由负反馈构成闭环，利用误差信号进行控制；
2) 对于外界扰动和系统内部参数的变化等引起的误差能够自 动纠正；
3) 系统元件参数配合不当，容易产生振荡，使系统不能正常 工作，因而存在稳定性问题。
闭环控制系统与开环控制系统的主要区别在于闭环控制 系统有一条从系统输出端经过编测辑pp量t 元件到输入端的反馈通路19
比较 热电偶
电热器
给定电压
u
前 置 放 大
执行机构
功
率 放
M
大
减速器
调压变压器
炉子
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~2 20V 20
输 期望温度 入 +
变 换
电 压 放 大
功 率 放 大
执 行 机 构
减 速 器
调 压 器
电 热 器
炉 实际温度 子
热电偶
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在线方式和离线方式
❖ 在线方式或联机方式：在计算机控制系统中， 生产过程与计算机相连，并受计算机控制的方 式称在线方式。
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实时系统强调的是实时性和可靠性。
这除了与计算机硬件有关外，还与 实时系统的软件密切相关。实时系统的 软件是实时应用软件和实时操作系统 RTOS（Real-Time Operating System）
一个在线系统不一定是一个实时系统，但一个
实时系统必定是在线系统。
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计算机测控系统同样分为三类: 计算机测试系统 计算机控制系统 计算机测控系统
（1） 开环（前馈）控制系统 系统的被控制量（输出量）对系统的控制量（输入量）
没有影响，即被控制量只受控于控制量，而对控制量无反作 用，这类系统称为开环系统，或前馈控制系统。
炉子
电热丝
调压变压器
~220V
扰动
输入量 控制器 控制量 被控对象 输出量
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开环控制系统工作原理：根据给定的信号去控制被控对象， 不能自动消除被控参数偏离给定值所带来的误差。
除此之外，计算机还可以将采集到的数据存储起来，随
时进行分析、统计和显示并制作各种报表。
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计算机测试系统是以微机为核心，单纯以 “监测”为目的的系统
测
量 对
非电量
传感器
象
输入信号 调理器
计算机 显示器
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计算机控制系统
如果需要对被监控的对象进行控制，则由 计算机中的应用软件根据采集到的物理参量的 大小和变化情况以及按照工艺所要求该物理量 的设定值进行判断；然后在输出装置中输出相 应的电信号，并且推动执行装置（如调节阀、 电动机）动作从而完成相应的控制任务。
❖ 离线方式或脱机方式：在计算机控制系统中， 生产过程与计算机不相连，且不受计算机控制， 而是靠人进行联系并做相应操作的方式称离线 方式。
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实时系统
❖ 实时系统是对外来事件在限定时间内能 做出反应的系统。
❖ 实时控制系统和实时信息处理系统统称 为实时系统。
需要注意的是：实时并不等于快！它是一个相对 的概念，确切定义应该是“及时”，即在系统允 许的时间范围内完成任务。
随着科学技术的迅速发展，计算机控制技术的应 用领域日益广泛，在冶金、化工、电力、自动化机床、 工业机器人控制、柔性制造系统和计算机集成制造系 统等工业控制方面已取得了令人瞩目的研究与应用成 果，在国民经济中发挥着越来越大的作用。
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基本概念
❖ 测量：采用各种方法获得客观事物的量值， 称之为“测量”
控制电路 模块
输出通道
计算机测控系统
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计算机测控系统的含义与类别
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计算机测控技术是一门综合性的技术。
它是自动检测和传感技术、自动控制技术、 计算机技术（包括软件技术、接口技术、通信技 术、网络技术、显示技术）的综合应用。
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计算机控制系统作为当今工业控制的主流系统，已取 代常规的模拟检测、调节、显示、记录等仪器设备和 很大部分操作管理的人工职能，并具有较高级复杂的 计算方法和处理方法，以完成各种过程控制、操作管 理等任务。
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计算机测试系统
利用传感装置将被监控对象中的物理参量 （如温度、压力、流量、液位、速度）转换为电 量（如电压、电流），再将这些代表实际物理参 量的电量送人输人装置中转换为计算机可识别的 数字量，并且在计算机的显示装置中以数字、图 形或曲线的方式显示出来，从而使得操作人员能 够直观而迅速地了解被监控对象的变化过程。