第一章 測量與控制系統(tǒng)概述

測量與控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)

FundamentalsofMeasurementandControl測控技術(shù)的發(fā)展測控系統(tǒng)分類與組成智能測控系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)測控技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用主要內(nèi)容第一章：測量與控制系統(tǒng)概述第一節(jié)測控技術(shù)的發(fā)展1.1測控系統(tǒng)的基本概念

測控技術(shù)即“測量技術(shù)”、“控制技術(shù)”和實(shí)現(xiàn)它們的儀器，它是利用測控儀器檢測被控變量，根據(jù)檢測參數(shù)，按照人們預(yù)期的目標(biāo)去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。測控技術(shù)與儀器測量技術(shù)測量儀器測量系統(tǒng)控制技術(shù)控制儀器控制系統(tǒng)水箱液位自動控制系統(tǒng)是典型的測控系統(tǒng)1.2控制技術(shù)發(fā)展概況

1）手動控制

20世紀(jì)40年代，生產(chǎn)規(guī)模較小，采用安裝在生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場、只具備簡單測量功能的儀表，操作人員只能通過現(xiàn)場的巡視，了解生產(chǎn)過程的狀況，進(jìn)行手動控制。2）局部自動化

20世紀(jì)50年代，出現(xiàn)了集中控制室，生產(chǎn)現(xiàn)場各處參數(shù)通過統(tǒng)一模擬信號，送往集中控制室。實(shí)現(xiàn)了工廠儀表化和局部自動化。3）集中數(shù)字控制

20世紀(jì)70年代，開始采用數(shù)字信號取代模擬信號，出現(xiàn)了“直接數(shù)字控制”，但受當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)性能的限制，使得該集中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難為生產(chǎn)過程接受。1.2控制技術(shù)發(fā)展概況

4）集散控制（DCS）

20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了PLC、MCU以及由多個(gè)計(jì)算機(jī)分層構(gòu)成的集中、分散控相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)（DCS）。5）分布式網(wǎng)絡(luò)控制

20世紀(jì)90年代后，新型的現(xiàn)場總線控制技術(shù)突破了DCS系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)所造成的缺陷，通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綜合自動化的各種功能。1913年美國建成最早的汽車裝配流水線1926年美國建成第一條汽車自動生產(chǎn)線

1952年美國研制出第一臺數(shù)控機(jī)床

1954年美國發(fā)明家德沃研制成功世界第一臺工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)，并同時(shí)申請具有記憶和重復(fù)操作功能的機(jī)器人專利。1969年，美國通用汽車公司用21臺工業(yè)機(jī)器人組成了焊接轎車車身的自動生產(chǎn)線。1970年代，美國研制出具有視覺、觸覺和行走能力并具有識別和一定理解能力的智能機(jī)器人。第一臺工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)現(xiàn)代自動化工廠生產(chǎn)線（國產(chǎn)）奇瑞、長安汽車沖壓生產(chǎn)線長春汽車焊接生產(chǎn)線現(xiàn)代高速大型數(shù)控中心（沈陽第一機(jī)床廠）2005年我國成功發(fā)射載人飛船（神舟6號）1981年美國“哥倫比亞”號航天飛機(jī)首次發(fā)射成功汽車加油機(jī)器人國產(chǎn)反恐機(jī)器人火星探測機(jī)器人“好奇號”火星探測機(jī)器人微型機(jī)器人仿人機(jī)器人1.3現(xiàn)代控制技術(shù)特點(diǎn)

現(xiàn)代測控技術(shù)呈現(xiàn)微型化、集成化、遠(yuǎn)程化、網(wǎng)絡(luò)化和虛擬化的特點(diǎn)：1、測控設(shè)備軟件化：軟件代替了很多硬件功能。2、測控過程智能化：自診斷、自屏蔽、自學(xué)習(xí)等功能。3、高度的靈活性：以軟件為核心，功能實(shí)現(xiàn)方便。4、實(shí)時(shí)性強(qiáng)：CPU運(yùn)算速度快。5、可視性好：具有友好的人機(jī)交互界面。6、立體化：全球衛(wèi)星定位、無線通信、雷達(dá)探測等?；诰W(wǎng)絡(luò)的測控系統(tǒng)模型：基于現(xiàn)場總線基于網(wǎng)絡(luò)的測控系統(tǒng)模型：基于Internet基于網(wǎng)絡(luò)的測控系統(tǒng)模型：測控管一體化模型第二節(jié)測控系統(tǒng)的分類與組成2.1控制系統(tǒng)的分類

1、檢測系統(tǒng)：單純以“檢測”為目的的系統(tǒng)。2、控制系統(tǒng)：單純以“控制”為目的的系統(tǒng)3、測控系統(tǒng)：依據(jù)被控對象的被控參數(shù)的檢測結(jié)果，按照人們預(yù)期的目標(biāo)對被控對象實(shí)施控制。被測對象敏感元件被測量變量變換變量控制數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)處理1檢測系統(tǒng)控制指令控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象2控制系統(tǒng)2.2測控系統(tǒng)的組成

1、被控對象：被控制的裝置或設(shè)備。2、檢測單元：感受并測出被控變量的大小，變換成控制器所需的信號形式。3、控制器：將檢測單元的輸出信號與被控變量的設(shè)定值信號進(jìn)行比較得出偏差信號，根據(jù)偏差信號的大小按一定的運(yùn)算規(guī)律計(jì)算出控制信號，然后將控制信號傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。4、執(zhí)行機(jī)構(gòu)：接受控制器發(fā)出的控制信號，直接改變控制變量，調(diào)整被控對象的能量或物料的平衡，使被控變量回復(fù)至設(shè)定數(shù)值。系統(tǒng)比較控制裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象－＋檢測單元被控變量擾動測量值控制器廣義對象3測控系統(tǒng)2.3測控系統(tǒng)的性能指標(biāo)1、穩(wěn)定性指標(biāo)衰減比n=y1/y3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設(shè)定值突變的階躍響應(yīng)曲線若n＞1，曲線為衰減振蕩過程，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。n→∞，系統(tǒng)越穩(wěn)定n＝1或n＜1，系統(tǒng)不穩(wěn)定，一般希望n=4—10.2.3測控系統(tǒng)的性能指標(biāo)2快速性指標(biāo)調(diào)節(jié)時(shí)間ts：t0~（±5%或±2%）×y(∞)所需時(shí)間。Ts越小，快速性越好。2.3測控系統(tǒng)的性能指標(biāo)3準(zhǔn)確性指標(biāo)最大動態(tài)偏差A(yù)=y（t1）－y[x(t0)]=y1超調(diào)量σ=y1/y(∞)×100%殘余偏差C=y(∞)－y[x(t0)]殘余偏差C越小，系統(tǒng)準(zhǔn)確性越好第三節(jié)智能測控系統(tǒng)3.1智能測控系統(tǒng)概念

1、選擇功能（宴會效應(yīng)）2、學(xué)習(xí)功能（咖啡桌效應(yīng)）3、聯(lián)想功能（高橋效應(yīng)）3.3智能測控系統(tǒng)的主要功能特征

一個(gè)理想的智能測控系統(tǒng)應(yīng)具備如下性能：1、學(xué)習(xí)能力：系統(tǒng)對未知環(huán)境提供的信息進(jìn)行識別、記憶、學(xué)習(xí)，并利用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步改善自身性能的能力。2、適應(yīng)性：系統(tǒng)具有適應(yīng)被控對象動力學(xué)特性變化、環(huán)境變化和運(yùn)行條件變化的能力。3、容錯性：系統(tǒng)對各類故障具有自診斷、自恢復(fù)功能。4、魯棒性：系統(tǒng)對環(huán)境的干擾和不確定性因素不敏感。5、組織功能：在任務(wù)要求的范圍內(nèi)，自行決策，主動采取行動。6、實(shí)時(shí)性：在線實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。7、人機(jī)協(xié)作：具有友好的人機(jī)界面，保證人機(jī)通信，人機(jī)互助和人機(jī)協(xié)同工作。8、通信功能：系統(tǒng)具有通信和組網(wǎng)功能。什么是嵌入式系統(tǒng)EmbeddedSystems根據(jù)IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）的定義： 嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”（原文為devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。第四節(jié)嵌入式系統(tǒng)嵌入到對象體中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)·嵌入性：嵌入到對象體系中，有對象環(huán)境要求·專用性：軟、硬件按對象要求裁減·計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)對象的智能化功能三要素：嵌入、專用、計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn):4.2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

4.2嵌入式系統(tǒng)處理器的類型第四節(jié)嵌入式系統(tǒng)嵌入式處理器的分類和現(xiàn)狀微控制器（MCU：MicroprogrammedControlUnit）數(shù)字信號處理器（DSP：DigitalSignalProcessor）片上系統(tǒng)（SOC：systemonchip）可編程片上系統(tǒng)（SOPC:SystemOnProgrammableChip）

汽車電器設(shè)備的發(fā)展方向使汽車操縱逐步實(shí)現(xiàn)自動化和智能化。車載GPS導(dǎo)航儀車載路況識別系統(tǒng)汽車自動駕駛系統(tǒng)第五節(jié)測控技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用1性能好壞影響動力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性、舒適性及排放性。2汽車電子化成為衡量汽車技術(shù)水平和先進(jìn)性的重要標(biāo)志。3汽車電子產(chǎn)品價(jià)值占每輛汽車價(jià)值26%。5.1測控技術(shù)對于汽車行業(yè)的重要性汽車傳感器5.2汽車電子控制技術(shù)發(fā)展概況

汽車電控技術(shù)發(fā)展過程：二極管、三極管、小規(guī)模集成電路、中規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路到超大規(guī)模集成電路、微處理機(jī)及復(fù)雜控制系統(tǒng)。

60年代初：采用簡單的電子裝置，二極管整流的交流發(fā)電機(jī)、電子調(diào)節(jié)器、采用晶體管的電子點(diǎn)火裝置等

70年代初期：汽車電子控制裝置使用了集成電路，但是在汽車上的商品化的電子裝置不多

80年代以來：以微處理器為控制核心的汽車電子控制裝置得到了迅速發(fā)展。目前：汽車電子化程度已成為衡量一個(gè)國家汽車生產(chǎn)技術(shù)水平的重要標(biāo)志5.3汽車電子控制系統(tǒng)組成與分類3.3.1自動控制系統(tǒng)組成：三大部分信號采集部分：傳感器電子控制單元（ECU）：對傳感器的各種輸入信號進(jìn)行分析處理，向被控裝置輸出控制信號執(zhí)行器：根據(jù)ECU的輸出信號完成對被控對象的操作簡化的汽車電子控制系統(tǒng)模型向ECU提供汽車運(yùn)行狀況和發(fā)動機(jī)工況

接收來自傳感器的信息，經(jīng)信息處理后發(fā)出相應(yīng)的控制指令給執(zhí)行器

執(zhí)行ECU的專項(xiàng)指令，從而完成控制目的

1)發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)

2)底盤控制系統(tǒng)

3)行駛安全系統(tǒng)

4)信息系統(tǒng)

5)附屬系統(tǒng)5.4汽車電子控制系統(tǒng)簡介1)發(fā)動機(jī)控制部分電控點(diǎn)火裝置（ESA）電控汽油噴射(EFI)廢氣再循環(huán)控制（EGR）怠速控制（ISC）

電控點(diǎn)火裝置（ESA）:由微處理機(jī)、傳感器及其接口、執(zhí)行器等構(gòu)成。該裝置根據(jù)傳感器測得的發(fā)動機(jī)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算、判斷，然后進(jìn)行點(diǎn)火時(shí)刻的調(diào)節(jié)，可使發(fā)動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣量等條件下，保證在最佳點(diǎn)火狀態(tài)下工作，使發(fā)動機(jī)輸出最大的功率和轉(zhuǎn)矩，降低油耗和排放。電控汽油噴射系統(tǒng)(EFI)：是以電控單元(ECU)為控制中心，并利用安裝在發(fā)動機(jī)上的各種傳感器測出發(fā)動機(jī)的各種運(yùn)行參數(shù)，再按照控單元(ECU)中預(yù)存的控制程序精確地控制噴油器的噴油量，使發(fā)動機(jī)在各種工況下都能獲得最佳空燃比的可燃混合氣。廢氣再循環(huán)控制（EGR）:是目前用于降低廢氣中氧化氮排放的一種有效措施。其主要執(zhí)行元件是數(shù)控式EGR閥，作用是獨(dú)立地對再循環(huán)到發(fā)動機(jī)的廢氣量進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。怠速控制系統(tǒng)（ISC）:主要由傳感器、ECU及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成怠速控制就是ECU根據(jù)傳感器檢測的發(fā)動機(jī)狀態(tài)參數(shù)確定目標(biāo)轉(zhuǎn)速，計(jì)算出目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值，確定控制量，驅(qū)動怠速控制裝置，改變進(jìn)氣量，使實(shí)際轉(zhuǎn)速接近目標(biāo)轉(zhuǎn)速。2)底盤控制部分

電控自動變速器（ECAT）防抱死電子制動系統(tǒng)與驅(qū)動防滑系統(tǒng)(ABS)驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)(ASR)電子控制動力轉(zhuǎn)向(EPS)電控懸掛(TEMS)巡航控制系統(tǒng)(CCS)電控自動變速器（ECAT）：可以根據(jù)發(fā)動機(jī)的載荷、轉(zhuǎn)速、車速、制動器工作狀態(tài)及駕駛員所控制的各種參數(shù)，經(jīng)計(jì)算、判斷后自動地改變變速桿的位置，按照換檔特性精確地控制變速比，從而實(shí)現(xiàn)變速器換擋的最佳控制，得到最佳擋位和最佳換擋時(shí)間。防抱死電子制動系統(tǒng)（ABS）：是一種重要的安全性部件。是通過安裝在各車輪或傳動軸上的轉(zhuǎn)速傳感器等不斷檢測各車輪的轉(zhuǎn)速，由計(jì)算機(jī)計(jì)算出當(dāng)時(shí)的車輪滑移率(由滑移率來了解汽車車輪是否已抱死)，并與理想的滑移率相比較，做出增大或減小制動器制動壓力的決定，命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)及時(shí)調(diào)整制動壓力，可使在汽車在制動時(shí)維持方向的穩(wěn)定性和縮短汽車的制動距離，有效地提高了行車的安全性。汽車驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)（ASR）：當(dāng)驅(qū)動車輪出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)時(shí)，通過控制發(fā)動機(jī)的動力輸出或?qū)D(zhuǎn)車輪施加制動力以防止驅(qū)動力超過輪胎與路面的附著力而導(dǎo)致車輪空轉(zhuǎn)打滑，保持最佳的驅(qū)動力。是ABS系統(tǒng)的完善和補(bǔ)充。ASR與ABS的區(qū)別：ABS是防止車輪在制動時(shí)被抱死而產(chǎn)生側(cè)滑，而ASR則是防止汽車在加速時(shí)因驅(qū)動輪打滑而產(chǎn)生的側(cè)滑，ASR是在ABS的基礎(chǔ)上的擴(kuò)充，兩者相輔相成。減壓狀態(tài)

常規(guī)制動狀態(tài)

驅(qū)動防滑轉(zhuǎn)系統(tǒng)（ASR）四種工作狀態(tài)保壓狀態(tài)

增壓狀態(tài)

電子轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)(EPS)：一般是由轉(zhuǎn)矩(轉(zhuǎn)向)傳感器、電子控制單元、電動機(jī)、減速器、機(jī)械轉(zhuǎn)向器、以及畜電池電源所構(gòu)成。系統(tǒng)不直接消耗發(fā)動機(jī)的動力，而是利用直流電動機(jī)提供轉(zhuǎn)向動力，輔助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作。電子控制懸掛(TEMS)：利用傳感器采集汽車載荷、路面、行駛車速、行駛工況等變化情況，ECU電控模塊通過控制電磁閥、步進(jìn)電機(jī)和電動機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，自動調(diào)整懸架的剛度、阻尼以及車身高度，使汽車在瞬息變化的行駛條件下獲得最好的平順性和最佳的操縱穩(wěn)定性。巡航控制系統(tǒng)(CCS)：汽車電子巡航控制系統(tǒng)主要由巡航控制開關(guān)、車速傳感器、執(zhí)行器和電子控制單元(ECU)四部分組成。使車輛汽車運(yùn)行中不用踩油門踏板就可按照駕駛員的要求，以固定的速度行駛，減輕駕駛員的疲勞強(qiáng)度。行駛安全系統(tǒng)

安全氣囊（SRS)雷達(dá)防撞系統(tǒng)驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)（ASR）安全帶控制系統(tǒng)前照燈控制系統(tǒng)

附屬裝置

全自動空調(diào)（EA/C）自動座椅音響／音像

信息系統(tǒng)

信息顯示與報(bào)警系統(tǒng)

語言信息系統(tǒng)