第一章测量与控制系统概述

测量与控制系统技术基础FundamentalsofMeasurementandControl测控技术的发展测控系统分类与组成智能测控系统嵌入式系统测控技术在汽车行业的应用主要内容第一章：测量与控制系统概述第一节测控技术的发展1.1测控系统的基本概念测控技术即“测量技术”、“控制技术”和实现它们的仪器，它是利用测控仪器检测被控变量，根据检测参数，按照人们预期的目标去控制执行机构。水箱液位自动控制系统是典型的测控系统1.2控制技术发展概况1）手动控制20世纪40年代，生产规模较小，采用安装在生产设备现场、只具备简单测量功能的仪表，操作人员只能通过现场的巡视，了解生产过程的状况，进行手动控制。2）局部自动化20世纪50年代，出现了集中控制室，生产现场各处参数通过统一模拟信号，送往集中控制室。实现了工厂仪表化和局部自动化。3）集中数字控制20世纪70年代，开始采用数字信号取代模拟信号，出现了“直接数字控制”，但受当时计算机性能的限制，使得该集中系统结构很难为生产过程接受。1.2控制技术发展概况4）集散控制（DCS）20世纪80年代，出现了PLC、MCU以及由多个计算机分层构成的集中、分散控相结合的集散控制系统（DCS）。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，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。1913年美国建成最早的汽车装配流水线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1954年美国发明家德沃研制成功世界第一台工业机器人样机，并同时申请具有记忆和重复操作功能的机器人专利。1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。1970年代，美国研制出具有视觉、触觉和行走能力并具有识别和一定理解能力的智能机器人。第一台工业机器人样机现代自动化工厂生产线（国产）奇瑞、长安汽车冲压生产线长春汽车焊接生产线现代高速大型数控中心（沈阳第一机床厂）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汽车加油机器人国产反恐机器人火星探测机器人“好奇号”火星探测机器人微型机器人仿人机器人1.3现代控制技术特点现代测控技术呈现微型化、集成化、远程化、网络化和虚拟化的特点：1、测控设备软件化：软件代替了很多硬件功能。2、测控过程智能化：自诊断、自屏蔽、自学习等功能。3、高度的灵活性：以软件为核心，功能实现方便。4、实时性强：CPU运算速度快。5、可视性好：具有友好的人机交互界面。6、立体化：全球卫星定位、无线通信、雷达探测等。基于网络的测控系统模型：基于现场总线基于网络的测控系统模型：基于Internet基于网络的测控系统模型：测控管一体化模型第二节测控系统的分类与组成2.1控制系统的分类1、检测系统：单纯以“检测”为目的的系统。2、控制系统：单纯以“控制”为目的的系统3、测控系统：依据被控对象的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。被测对象敏感元件被测量变量变换变量控制数据传输数据显示数据处理1检测系统控制指令控制器执行机构被控对象2控制系统2.2测控系统的组成1、被控对象：被控制的装置或设备。2、检测单元：感受并测出被控变量的大小，变换成控制器所需的信号形式。3、控制器：将检测单元的输出信号与被控变量的设定值信号进行比较得出偏差信号，根据偏差信号的大小按一定的运算规律计算出控制信号，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，直接改变控制变量，调整被控对象的能量或物料的平衡，使被控变量回复至设定数值。系统比较控制装置执行机构被控对象－＋检测单元被控变量扰动测量值控制器广义对象3测控系统2.3测控系统的性能指标1、稳定性指标衰减比n=y1/y3闭环控制系统对设定值突变的阶跃响应曲线若n＞1，曲线为衰减振荡过程，系统是稳定的。n→∞，系统越稳定n＝1或n＜1，系统不稳定，一般希望n=4—10.2.3测控系统的性能指标2快速性指标调节时间ts：t0~（±5%或±2%）×y(∞)所需时间。Ts越小，快速性越好。2.3测控系统的性能指标3准确性指标最大动态偏差A=y（t1）－y[x(t0)]=y1超调量σ=y1/y(∞)×100%残余偏差C=y(∞)－y[x(t0)]残余偏差C越小，系统准确性越好第三节智能测控系统3.1智能测控系统概念1、选择功能（宴会效应）2、学习功能（咖啡桌效应）3、联想功能（高桥效应）3.3智能测控系统的主要功能特征一个理想的智能测控系统应具备如下性能：1、学习能力：系统对未知环境提供的信息进行识别、记忆、学习，并利用经验进一步改善自身性能的能力。2、适应性：系统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。3、容错性：系统对各类故障具有自诊断、自恢复功能。4、鲁棒性：系统对环境的干扰和不确定性因素不敏感。5、组织功能：在任务要求的范围内，自行决策，主动采取行动。6、实时性：在线实时响应能力。7、人机协作：具有友好的人机界面，保证人机通信，人机互助和人机协同工作。8、通信功能：系统具有通信和组网功能。什么是嵌入式系统EmbeddedSystems根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。第四节嵌入式系统嵌入到对象体中的专用计算机系统·嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求·专用性：软、硬件按对象要求裁减·计算机系统：实现对象的智能化功能三要素：嵌入、专用、计算机嵌入式系统的特点:4.2嵌入式系统的特点4.2嵌入式系统处理器的类型第四节嵌入式系统嵌入式处理器的分类和现状微控制器（MCU：MicroprogrammedControlUnit）数字信号处理器（DSP：DigitalSignalProcessor）片上系统（SOC：systemonchip）可编程片上系统（SOPC:SystemOnProgrammableChip）汽车电器设备的发展方向使汽车操纵逐步实现自动化和智能化。车载GPS导航仪车载路况识别系统汽车自动驾驶系统第五节测控技术在汽车行业的应用1性能好坏影响动力性、经济性、安全性、可靠性、舒适性及排放性。2汽车电子化成为衡量汽车技术水平和先进性的重要标志。3汽车电子产品价值占每辆汽车价值26%。5.1测控技术对于汽车行业的重要性汽车传感器5.2汽车电子控制技术发展概况汽车电控技术发展过程：二极管、三极管、小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路到超大规模集成电路、微处理机及复杂控制系统。60年代初：采用简单的电子装置，二极管整流的交流发电机、电子调节器、采用晶体管的电子点火装置等70年代初期：汽车电子控制装置使用了集成电路，但是在汽车上的商品化的电子装置不多80年代以来：以微处理器为控制核心的汽车电子控制装置得到了迅速发展。目前：汽车电子化程度已成为衡量一个国家汽车生产技术水平的重要标志5.3汽车电子控制系统组成与分类3.3.1自动控制系统组成：三大部分信号采集部分：传感器电子控制单元（ECU）：对传感器的各种输入信号进行分析处理，向被控装置输出控制信号执行器：根据ECU的输出信号完成对被控对象的操作简化的汽车电子控制系统模型向ECU提供汽车运行状况和发动机工况接收来自传感器的信息，经信息处理后发出相应的控制指令给执行器执行ECU的专项指令，从而完成控制目的1)发动机控制系统2)底盘控制系统3)行驶安全系统4)信息系统5)附属系统5.4汽车电子控制系统简介1)发动机控制部分电控点火装置（ESA）电控汽油喷射(EFI)废气再循环控制（EGR）怠速控制（ISC）电控点火装置（ESA）:由微处理机、传感器及其接口、执行器等构成。该装置根据传感器测得的发动机参数进行运算、判断，然后进行点火时刻的调节，可使发动机在不同转速和进气量等条件下，保证在最佳点火状态下工作，使发动机输出最大的功率和转矩，降低油耗和排放。电控汽油喷射系统(EFI)：是以电控单元(ECU)为控制中心，并利用安装在发动机上的各种传感器测出发动机的各种运行参数，再按照控单元(ECU)中预存的控制程序精确地控制喷油器的喷油量，使发动机在各种工况下都能获得最佳空燃比的可燃混合气。废气再循环控制（EGR）:是目前用于降低废气中氧化氮排放的一种有效 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 。其主要执行元件是数控式EGR阀，作用是独立地对再循环到发动机的废气量进行准确的控制。怠速控制系统（ISC）:主要由传感器、ECU及执行机构组成怠速控制就是ECU根据传感器检测的发动机状态参数确定目标转速，计算出目标转速与实际转速的差值，确定控制量，驱动怠速控制装置，改变进气量，使实际转速接近目标转速。2)底盘控制部分电控自动变速器（ECAT）防抱死电子制动系统与驱动防滑系统(ABS)驱动防滑控制系统(ASR)电子控制动力转向(EPS)电控悬挂(TEMS)巡航控制系统(CCS)电控自动变速器（ECAT）：可以根据发动机的载荷、转速、车速、制动器工作状态及驾驶员所控制的各种参数，经计算、判断后自动地改变变速杆的位置，按照换档特性精确地控制变速比，从而实现变速器换挡的最佳控制，得到最佳挡位和最佳换挡时间。防抱死电子制动系统（ABS）：是一种重要的安全性部件。是通过安装在各车轮或传动轴上的转速传感器等不断检测各车轮的转速，由计算机计算出当时的车轮滑移率(由滑移率来了解汽车车轮是否已抱死)，并与理想的滑移率相比较，做出增大或减小制动器制动压力的决定，命令执行机构及时调整制动压力，可使在汽车在制动时维持方向的稳定性和缩短汽车的制动距离，有效地提高了行车的安全性。汽车驱动防滑控制系统（ASR）：当驱动车轮出现滑转时，通过控制发动机的动力输出或对滑转车轮施加制动力以防止驱动力超过轮胎与路面的附着力而导致车轮空转打滑，保持最佳的驱动力。是ABS系统的完善和补充。ASR与ABS的区别：ABS是防止车轮在制动时被抱死而产生侧滑，而ASR则是防止汽车在加速时因驱动轮打滑而产生的侧滑，ASR是在ABS的基础上的扩充，两者相辅相成。减压状态常规制动状态驱动防滑转系统（ASR）四种工作状态保压状态增压状态电子转向助力系统(EPS)：一般是由转矩(转向)传感器、电子控制单元、电动机、减速器、机械转向器、以及畜电池电源所构成。系统不直接消耗发动机的动力，而是利用直流电动机提供转向动力，辅助驾驶员进行转向操作。电子控制悬挂(TEMS)：利用传感器采集汽车载荷、路面、行驶车速、行驶工况等变化情况，ECU电控模块通过控制电磁阀、步进电机和电动机等执行机构，自动调整悬架的刚度、阻尼以及车身高度，使汽车在瞬息变化的行驶条件下获得最好的平顺性和最佳的操纵稳定性。巡航控制系统(CCS)：汽车电子巡航控制系统主要由巡航控制开关、车速传感器、执行器和电子控制单元(ECU)四部分组成。使车辆汽车运行中不用踩油门踏板就可按照驾驶员的要求，以固定的速度行驶，减轻驾驶员的疲劳强度。行驶安全系统安全气囊（SRS)雷达防撞系统驱动防滑控制系统（ASR）安全带控制系统前照灯控制系统附属装置全自动空调（EA/C）自动座椅音响／音像信息系统信息显示与报警系统语言信息系统车用导航系统与定位系统通信系统汽车驱动防滑控制系统（ASR）：当驱动车轮出现滑转时，通过控制发动机的动力输出或对滑转车轮施加制动力以防止驱动力超过轮胎与路面的附着力而导致车轮空转打滑，保持最佳的驱动力。是ABS系统的完善和补充。电控燃油喷射EFI：ElectronicFuelInjection电控自动变速器ECAT：ElectronicallyControlledAutomaticTransmission防抱死系统ABS：AntilockBrakingSystem巡航控制系统CCS：CruiseControlSystem驱动防滑控制系统ASR：AccelerateSlipRegulation（电子稳定装置）控制动力转向ESP：ElectronicStabiltyProgram全球定位系统GPS：GlobalPositioningSystem电控点火装置ESA：ElectronicSparkAdvance废气再循环控制EGR：ExhaustGasRecirculation怠速控制系统ISC：IdleSpeedControl电控悬挂(TEMS：ToyotaElectronicModulatedSuspension)Tobecontinued!!