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计算机信号检测与控制技术发展综述
摘要
计算机信号检测与控制技术是将计算机用于试验、生产或类似的过程中进行数据检测和操作控制的技术。
它能够提高产品的质量和产量,降低原材料和能源的消耗,改善劳动条件,提高工效和保证操作安全。
本报告依据管老师课堂讲授的信号与检测内容,分为检测和计算机控制两大部分,同时介绍计算机信号检测与控制技术的基本原理和发展趋势。
计算机检测和控制
为了有效地实现控制,不论是人工系统还是自动化系统,一般都由两部分组成:
一部分获取足够的信息;另一部分作出判断实现控制。
所谓信息指的是受控对象和环境的基本数据和变量。
在自动化程度较高的系统中,检测和控制通过计算机建立相互的实时联系。
计算机反应快、计算准确并能容纳大量的信息,所以有人工系统无法比拟的效果。
试验和生产过程所产生和需要的数据是计算机检测的对象,具有明确的实时性。
纯粹的计算机检测系统不发出改变被测环境的命令,也没有相应的硬件。
检测要经过数据采集,数据的记录、整理和提供两大步骤。
一、数据采集
在计算机控制系统中,数据采集是最基本的一种模式。
一般是通过传感器、变送器把生产过程的各种物理参数转换成电信号,然后经A/D通道或DI通道,把数字量送入计算机中。
计算机在对这些数字量进行显示和控制之前,还必须根据需要进行相应的数据处理。
1、1、1检测的基本方法
检测方法是实现检测过程所采用的具体方法。
检测方法与检测原理具有不同的概念。
检测方法是指被测量与其单位进行比较的试验方法。
检测原理是指仪器、仪表工作所依据的物理、化学等具体反应。
根据检测仪表与被测对象的特点,检测方法主要有以下几种分类方法:
1、接触式测量和非接触式测量
2、直接测量、间接测量与组合测量
3、偏差式、零位式与微差式测量。
1、1、2检测仪表的组成
检测仪表是实现检测过程的物质手段,是测量方法的具体化,其将被测量经过一次或多次的信号能量形式的转换,再由仪表指针、数字或图像等显示出量值,从而实现被测量的检测。
检测仪表原则上都具有传感器、变换器、显示仪及传输通道这几个基本环节,从而实现信号获取、转换、显示及传输功能。
1、1、3检测技术及仪表的发展
检测技术的发展是科学技术的基础,生产水平与自动化程度的提高要有更先进的检测技术与仪表。
而科学技术,尤其是大规模集成电路技术、微型计算机技术、机电一体化技术微机械和新材料技术不断进步,为检测技术和仪表的发展提供了物质手段。
检测技术及仪表发展的总趋势表现在以下几个方面
1、传感器逐渐向集成化、数字化、智能化、网络化、组合式方向发展
2、不断拓展测量领域和范围,努力提高检测精度和可靠性
3、软测量技术、数据融合处理方法等新技术得到迅速发展和广泛应用
4、非接触法检测技术得到重视和发展
5、检测智能化。
1、1、4计算机测量技术及数字滤波器的优势
测量精度和可靠性是仪器的重要指标,引入数据处理算法后,使许多原来靠硬件电路难以实现的信号处理问题得以解决,从而克服和弥补了包括传感器在内的各个测量环节中硬件本身的缺陷或弱点,提高了仪器的综合性能。
数字滤波的优点主要有以下几个方面:
1、数字滤波器是用软件实现的,不需要增加硬设备,因而可靠性高、稳定性好,不存在阻抗匹配问题。
2、模拟滤波器通常是各通道专用,而数字滤波器则可多通道共享,从而降低了成本。
3、数字滤波器可以对频率很低(如0.01Hz)的信号进行滤波,而模拟滤波器由于受电容容量的限制,频率不可能太低。
4、数字滤波器可以根据信号的不同,采用不同的滤波方法或滤波参数,具有灵活、方便、功能强的特点。
1、2、1计算机测量的基本概念
在试验和生产过程中各种传感器产生的数据大多以模拟量的电流或电压表示对于模拟量数据采集,各传感器输出信号的形式和幅度很不一致,所以要用信号调节器将它们转化为统一的形式和适当的幅度范围。
因此计算机测量为电子测量。
1、2、2电子测量内容
1、电能量的测量。
如测量电流、电压、功率等。
2、电子元件和电路参数的测量。
如测量电阻、电容、电感、品质因数以及电子器件的参数等。
3、电信号的特性和质量的测量。
如测量信号的波形、频谱、调制度、失真度、信噪比等。
4、基本电子电路特性的测量。
如测量滤波器的截止频率和衰减特性等。
5、特性曲线的测量。
如测量放大器幅频特性曲线与相频特性曲线等。
1、2、3电子测量的特点
与其它测量技术相比,电子测量具有测量范围宽、测量准确度与灵敏度高、测量速度快、易于实现远距离测量和长期不间断测量、能够与现代电子信息系统紧密结合,组成自动化信息检测和处理系统等明显的特点因而在测量技术领域的到重视和发展。
电子测量技术大致经历了模拟化仪器阶段、数字化仪器阶段、智能仪器阶段、虚拟仪器阶段四个阶段。
逐次比较式A/D转换器原理、双积分式A/D转换器原理等理论的成熟和完善,为计算机测量和控制奠定了基础。
1、3、1数据的记录、整理和提供
微机进行数据处理是一项基本工作。
在控制系统及智能化仪器中,用微机进行数据处理是必须的、并且是大量的。
微机处理数据的基本内容:
数字滤波、数值计算、标度变换、非线性补偿、数据修正、数据分析、逻辑判断,以及数据查询、数据统计、数据交换、数据利用等。
微机处理数据较模拟电路有许多优点:
1、可实现硬件电路的各种运算。
如四则运算、滤波等。
2、能进行误差修正、信号处理。
如线性补偿、温度误差、零点漂移、随机误差等。
3、能进行复杂的运算。
如开方、各种复杂函数的计算、各种方程的求解等。
4、能够进行逻辑判断、错误处理。
如错误检测、故障判断,并做出相应处理、报警,甚至能够修改结构参数,带故障工作等。
5、精度高、稳定可靠、不受干扰。
。
1、3、2数据处理
数据处理离不开数值计算,而最基本的数值计算为四则运算。
由于控制系统中遇到的现场环境不同,采集的数据种类与数值范围不同,精度要求也不一样,各种数据的输入方法及表示方法也各不相同。
因此,为了满足不同系统的需要,设计出了许多有效的数据处理技术方法,如查表,数字滤波,标度变换,越限报警等。
1、3、3系统误差处理
克服系统误差与抑制随机干扰不同,系统误差不能依靠概率统计方法来消除或削弱,它不像抑制随机干扰那样能导出一些普遍适用的处理方法。
根据系统误差具有的规律性,找出产生系统误差的原因,针对具体情况在测量技术上采取一定的技术措施,设法消除或减弱。
具体方法有:
零位和灵敏度(增益)的误差校正、非线性校正、量程的切换、标度变换、越限报警等
二、计算机控制系统的发展概况
计算机控制系统是计算机技术与控制理论相结合的产物,它也经历了一个不断演变发展的过程,从简单的计算机控制系统逐步发展为多级分布式计算机控制系统。
二次世界大战结束不久。
科学技术领域发生了两件具有深远影响的大事。
一是世界上第一台电子计算机的出现;一是经典控制理论的建立,把控制与信息联合起来,计算机控制系统的发展与计算机及控制论的发展息息相关。
计算机的发展,从硬件看,经历了四代,现在正着手研究第五代计算机。
从处理方式看,也经历了三个发展阶段,即批量处
理阶段,分时处理阶段,分布式处理阶段。
当前正进入所谓“稠密处理”的第四阶段。
随着网络通信技术的发展,把计算机连成网络,实现资源高度共享,充分发挥网络中每台计算机软、硬件资源的潜力,对数量极大的信息进行处理。
与此同时,控制理论也经历了三代变化:
经典控制理论,现代控制理论,大系统理论。
控制理论仍在不断发展,新的一代控制理论正在孕育之中。
作为计算机技术与控制理论结合发展起来的计算机控制系统,它的发展尽管与计算机技术及控制理论息息相关。
但首先还是由现代大型工业自动化生产发展的需要所决定的。
计算机控制系统发展大体可以分为四个阶段。
第一阶段为1955——1962年,是计算机控制的开创期。
第二阶段为1962——1967年,这是直接数字控制(DDC)时期。
第三阶段,从1967——1972年,小型计算机控制时期,出现了各种类型的用于工业控制的小型计算机。
第四阶段,从1972年至现在,为微型计算机控制时期,采用微型计算机制造出大量的分级递阶控制系统、集散控制系统和各种专用控制器。
1、计算机控制的概念
(1)开环控制系统
若系统的输出量对系统的控制作用没有影响,则称该系统为开环控制系统。
在开环控制系统中,既不需要对系统的输出量进行测量,也不需要将它反馈到输入端与输入量进行比较。
(2)闭环控制系统
凡是系统的输出信号对控制作用能有直接影响的系统都叫作闭环控制系统,即闭环系统是一个反馈系统。
闭环控制系统中系统的稳定性是一个重要问题。
三、计算机控制系统
采用计算机进行控制的系统称为计算机控制系统,也称它为数字控制系统。
若不考虑量化问题,计算机控制系统即为采样系统。
进一步,若将连续的控制对象和保持器一起离散化,那么采样控制系统即为离散控制系统。
所以采样和离散系统理论是研究计算机控制系统的理论基础。
1、计算机控制系统的控制过程
(1)实时数据采集:
对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。
(2)实时控制决策:
对采集到的被控量进行数据分析和处理,并按已定的控制规律决定进一步的的控制过程。
(3)实时控制:
根据控制决策,适时地对执行机构发出控制信号,完成控制任务。
2、计算机控制系统的特点
(1)结构上。
计算机控制系统中除测量装置、执行机构等常用的模拟部件之外,其执行控制功能的核心部件是数字计算机,所以计算机控制系统是模拟和数字部件的混合系统。
(2)计算机控制系统中除仍有连续模拟信号之外,还有离散模拟、离散数字等多种信号形式。
(3)由于计算机控制系统中除了包含连续信号外,还包含有数字信号,从而使计算机控制系统与连续控制系统在本质上有许多不同,需采用专门的理论来分析和设计。
(4)计算机控制系统中,修改一个控制规律,只需修改软件,便于实现复杂的控制规律和对控制方案进行在线修改,使系统具有很大灵活性和适应性。
(5)计算机控制系统中,由于计算机具有高速的运算能力,一个控制器(控制计算机)经常可以采用分时控制的方式而同时控制多个回路。
(6)采用计算机控制,如分级计算机控制、离散控制系统、微机网络等,便于实现控制与管理一体化,使工业企业的自动化程度进一步提高。
3、计算机控制系统的组成
(1)硬件:
计算机控制系统主要由硬件和软件两大部分组成,而一个完整的计算机系统应由下列几部分组成:
被控对象、主机、外部设备、外围设备、自动化仪表和软件系统。
图1-3计算机控制系统的硬件组成框图
(2)软件:
软件是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和,如完成操作、监控、管理、控制、计算和自诊断等功能的程序。
整个系统在软件指挥下协调工作。
从功能区分,软件可分为系统软件和应用软件。
四、计算机控制系统的典型应用方式
计算机控制系统所采用的形式与它所控制的生产过程的复杂程度密切相关,不同的被控对象和不同的要求,应有不同的控制方案。
计算机控制系统大致可分为以下几种典型的形式。
它们是:
操作指导控制系统;直接数字控制系统(DDC),DDC系统属于计算机闭环控制系统,是计算机工业生产过程中最普遍的一种应用方式;监督控制系统(SCC);分散控制系统(DCS)和现场总线控制系统。
1、数据采集处理系统
数据采集处理系统机构简单,控制灵活安全,但由于要人工操作,速度受到限制,不能控制多个对象。
图1-4数据采集处理系统结构图
2、直接数字控制系统(DDC)
DDC系统是面向生产过程的底层应用功能。
计算机通过自动化仪表、输入通道、输出通道,采集现场参数,经过处理和按一定控制规律的控制算法运算后,向生产过程输出控制信号,直接参与对过程参DAS系统的监视功能。
控制方案由软件实现,修改灵活、方便,除能实现PID控制规律外,还能实现多回路的串级控制、前馈控制、纯滞后补偿控制、多变量解耦控制及自适应、自学习、最优控制和智能控制等复杂控制规律的控制。
DDC系统一个是闭环控制系统。
1-5直接数字控制系统结构图
3、监督控制系统(SCC)
SCC系统是一个分机的控制系统。
上级的监督计算机从生产过程采集反映工况的参数,进行寻优计算,计算出当时工况下的最佳给定值,提供给下级执行DDC控制的计算机实现对过程的控制。
可实现生产过程的最优控制,使控制的目标值达到最佳。
SCC可以提高系统的可靠性,当上位机出现故障时,DDC计算机可以独立完成控制操作;当DDC计算机出现故障时监督控制计算机可以取而代之,执行控制任务。
SCC是闭环控制系统。
图1-6监督计算机控制系统结构图
4、分散控制系统(DCS)
DCS是将计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术(即所谓“四C”技术)结合起来的新型计算机控制系统。
它通过数据高速公路(或计算机网络)将分散在不同地方,执行不同功能的计算机连接起来,按照信息共享,分散控制,集中管理,总体配置,各司其职的原则,构成的高性能,高可靠性的计算机控制系统。
DCS系统安全,可靠,便于维护、扩展。
是一个闭环控制系统,它兼有以上几种系统的功能。
图1-7分散型计算机控制系统机构图
5、现场总线控制系统(FCS)
现场总线控制系统(FCS)是实现将自动化系统现场控制装置与现场智能仪表互连的实时网络控制系统。
现场总线是连接工业工程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络,与控制系统和现场仪表联用组成现场总线控制系统。
现场总线不单单是一种通信技术,也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表,它是用新一代的现场FCS代替传统的分散型控制系统DCS,实现现场总线通信网络与控制系统的集成。
五、关于计算机控制系统的理论设计问题
1、关于计算机控制系统的理论问题
(1)若被控对象是时不变线性系统,通常所形成的连续控制系统也是时不变的系统。
但将其改造为计算机控制系统后,由于它的时间响应与外作用的作用时刻和采样时刻是否同步有关。
所以严格的讲,计算机控制系统不是时不变系统。
系统对相同作用响应在不同时刻研究、观察可能是不同的,所以它的特性与时间有关。
(2)连续系统正弦在正弦输入信号激励作用下,稳态输出为同频率的正弦信号。
但对计算机控制系统而言,其稳态正弦响应与输入信号频率和采样周期有关。
若采样周期间隔选择不合适,由信号采样理论分析知,会产生差拍现象。
(3)尽管计算机控制系统特性可以用连续控制理论解释,但还有很多现象是不能用连续控制理论加以解释的。
通常,一个连续系统是可控可观的。
将其变成计算机系统时,若采样周期选取不合适,则可能会变得不可控。
与采样系统的特性有关。
(4)严格说,一个稳定的连续时不变系统达到稳定的时间应该是无限的。
因为它的响应是多个指数函数之和。
但对计算机控制系统,通过设计却可以实现在有限的采样间隔内,达到稳态值。
从而可以获得比连续系统更好的性能。
上述例子表明,在计算机控制系统中,由于信号采样所产生的一些现象是无法用连续控制理论解释的,因此必须采用与采样有关的理论进行说明。
此外,计算机系统还存在字长有限问题,在某些情况下,将会使计算机控制系统响应产生极限环震荡。
2、关于计算机控制系统设计的问题
计算机控制系统是一种混合信号系统,实际工程设计有两种方法:
(1)连续域——离散设计:
吧计算机控制系统看成是连续系统,在连续设计上设计得到连续控制器。
由于它要在数字计算机上实现,因此,采用不同方法将其数字化(离散化)
(2)直接数字域(离散域)设计:
把系统看成是纯离散信号系统,直接在离散域进行设计,得到数字控制器,并在计算机里实现。
不管采用什么方法,采用频率对系统性能均有很大影响,所以正确选择采样频率是计算机控制系统设计时序言特别重视的问题。
鉴于计算机控制系统在基本理论分析设计方法和工程实现等方面与连续控制系统有许多不同之处,因此,在学好连续控制理论后,还必须系统的学习有关计算机控制系统的基本理论和分析、设计及工程实现方法。
六、计算机控制系统涉及的关键技术
1、控制系统组成及特点
计算机控制系统就是利用数字计算机承担控制系统中的控制器任务,直接参与对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制的计算机系统。
计算机控制系统的组成与模拟控制系统组成类似,包括被控制对象、执行机构、测量装置、指令给定装置和计算机系统(控制器)。
由于数字计算机工作特点,为了使计算机接收系统的模拟信号,并能根据要求输出连续的模拟信号,所以,计算机系统中还应该包括A/D转换器和D/A转换器。
计算机控制系统把计算机技术与自动控制理论相结合,这种系统与模拟硬件构成的系统相比较,具有以下特点:
(1)程序控制任何一种控制规律的实现都可以程序化,而控制规律的改变只不过是程序的改变而已。
(2)数字控制计算机的输入输出信息多是数字信息,计算机控制系统是对被控对象的信息进行采样、量化、保持等变换。
(3)实时控制计算机的信息处理过程要与控制过程相适应。
(4)综合控制可以以计算机为中心实现多变量、多回路、多对象、多工具、变参数。
2、控制系统涉及的关键技术
计算机控制系统包括软件、硬件设备,同时还包括各种类型的传感器、检测仪表、执行机构。
因此,它涉及的技术是多方面的,具体讲主要有以下几个方面的技术:
(1)嵌入式计算机及其产品:
微处理器、微控制器技术、(CISC、RISC)嵌入式计算机及其板卡(各种型号调理板),单片机智能部件,智能控制器。
(2)现场总线技术及时控制网络(企业信息网络)集成:
现场智能设备互连通信网络与企业网络集成技术。
(3)实时控制软件技术:
实时操作系统、实时分布式数据库管理软件,组态软件,实时控制软件编程、先进控制软件,典型控制系统应用软件。
(4)先进控制技术:
应用现代控制理论、先进控制算法编制控制软件;最优化控制,预测控制,自校正控制、在线优化、神经元网络,人工智能,专家系统的应用。
(5)综合自动化系统(管控一体化系统)集成技术:
信息集成、网络集成、软件集成、CIMS、CIPS应用系统集成。
(6)控制系统仿真模拟技术:
控制系统仿真模拟方法、数字仿真,数模混合仿真软件。
七、计算机控制系统的发展方向
1、控制系统的网络化
随着计算机技术和网络技术的迅猛发展,各种层次的计算机网络在控制系统中的应用越来越广泛,规模也越来越大,从而使传统意义上的回路控制系统所具有的特点在系统网络化过程中发生了根本变化,并最终逐步实现了控制系统的网络化。
现场级网络技术的产生及成功的应用改变了这种局面。
它将所有的网络接口移到了各种仪表单元,从而使仪表单元均具有了直接的通讯功能。
网络技术的这一新发展,使得网络延伸到控制系统的末端。
结合原有控制系统的网络结构,就实现了完成最基本控制任务的底层到完成优化调度工作的最高层的网络优化连接。
各种仪表单元是控制网络的最小实现环节,它们的网络化是在这些仪表单元数字化的基础上实现的,即在原有仪表单元数字化后,再增加网络通讯专用单元,构成现场总线系统。
在网络化的计算机控制系统中,即现场总线控制系统中,具体的控制作用的实现不再只限于传统意义上的控制系统,而是由各种仪表单元分别独立完成各自的工作,然后再通过网络进行彼此间的信息交换和组织,并相互协作,最终实现预定的控制任务。
2、控制系统的系统扁平化
在传统的集散和分布式计算机控制系统中,根据完成的不同功能和实际的网络结构,系统以网络为界限被分成了多个层次,各层网络之间通过计算机相连。
由于各网络层之间相互独立,信息在传递和交换时,将受连接计算机的限制,是信息传递、交换的瓶颈,同时由于集散和分布式控制系统本身网络和数据结构的封闭性,造成不同厂家产品间的交互性差。
随着企业网络技术的发展,网络通讯能力和网络连接规模得到了极大的提高,使得原本在分布式的网络环境中较难实现的数据传输和交换,可以在一个贯穿的网络环境中实现。
尤其是现场级网络技术在工业控制系统中的出现,带来了现场级设备和仪表单元的网络化,从而使控制系统的底层也可以通过网络相互连接起来。
同时,现场级网络技术的发展还保证了网络的设备容量,能够接入较多的设备,使连接在一起的可以是不同的回路控制系统的现场级设备和仪表单元。
也就是说,每个网段可以容纳不同回路系统的现场级设备和仪表单元。
而实际上不同的网段,还可以通过网桥相互连接,这样就使得现场级网络的连接能力可以进一步提高。
新一代计算机控制系统的结构发生了明显变化,逐步形成两层网络的系统结构。
上层负责完成高层管理功能,包括各种控制功能之间的协调、系统优化调度、信息综合管理和组织以及总体任务的规划等。
底层负责完成所有具体的控制任务,如参数调节的回路控制、过程数据的采集和显示、现场控制的监视以及故障诊断和处理等等。
因此,新一代计算机控制系统具有两层网络的系统结构,使得整体系统出现了扁平化趋势,即所有的高层次控制、管理和调度任务均在上一层完成,而所有的具体控制、显示、记录和诊断任务均在下一层完成。
这种系统的优势是:
简化了系统的结构和层次,缩短了上层控制任务到下层单元实施过程,实现了较大规模的信息交换公共平台,加强了上层子系统与下层子系统或单元之间的联系。
3、控制系统的智能化
经典的反馈控制、现代控制和大系统理论在应用中遇到了不少难题。
首先,这些控制系统的设计和分析都是建立在精确的系统数学模型的基础上的,而实际系统一般无法获得精确的数学模型;其次,为了提高控制性能,整个控制系统变得极其复杂,增加了设备的投资,降低了系统的可靠性。
人工智能的出现和发展,促进自动控制系统向更高层次发展,即智能控制。
目前,智能控制系统主要有:
分级递阶智能控制系统、模糊控制系统、专家控制系统、学习控制系统、神经控制系统
八、课程学习总结
自己感觉这门课是一门实践性与理论性很强的技术课程,它要求有较强的编程、操作及理论、算法分析能力。
学习的重点是理解各种控制系统的工作原理,理解掌握不同控制系统的算法,要学会自己设计控制器。
通过本课程的学习,自己掌握计算机信号检测的基本概念和测量的原理及工程上的一些简单的汇编语言设计,了解了计算机检测与控制在工业生产和工程、生活中的应用及其发展趋势。
“师傅领进门,修行在个人”。
自己在课堂上学习到得知识是远远不够的,还要加强理论学习尤其是汇编语言的学习,才能真正掌握和应用微型计算机的本领。
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