测控技术的基本知识和概念..doc

工控商务网：测控技术的基本知识和概念 文章来自：工控网 1 测控的基本概念 　　测试与控制技术，简称测控技术，是信息科学的重要组成部分，它与计算机技术和通信技术构成了完整的信息技术学科。测控技术广泛应用于国民经济各个领域， 无论是工程研究、产品开发，还是质量监控、性能试验等，都离不开测控技术。测控技术是人类认识客观世界的手段，是科学研究的基本方法。 　　测控技术可分为测试与控制两大部分，两部分相辅相成，密切相连。测试是控制的前提，而控制反过来又往往为测试提供原理或方法保障。即使是单纯的测试系统，甚至单个的测试环节也与控制理论密切相连，如反馈式加速度传感器、伺服指示仪表等均需在控制理论的指导下进行分析设计。 　　测试是具有试验性质的测量，是测量和试验的综合，测试的目的是确定被测对象或系统属性的量值。测试技术又由传感器技术、检测技术和数据处理技术共同构成。其中传感器类似于人的感觉器官，它将被测对象的输出以及内部的状态等属性量（统称为 被测量 ），如力、位移、温度等，转换为易于量测的信号，传递给检测环节；检测环节对来自传感器的信号进行进一步的处理，将信号量化为一定的数值；而数据处理则对量化后的信号进行进一步的运算、分析，将其转变为直观的结果显示给操作者或用于控制系统的运行行为。 　　控制技术通过人或外加的辅助设备或装置 （称为 控制装置 或 控制器 ） ，使得被控对象或系统，如机器、生产过程等的工作状态或参数（即 被控量 ）按照预定的规律运行。对无需人的直接干预即可运行控制系统，称为自动控制系统。一个简单的恒温箱控制系统的例子如下图 所示。 （ a ） 人工控制的恒温箱 （ b ） 自动控制的恒温箱 恒温箱控制系统 　　恒温箱控制的要求是克服外界干扰（如电源电压波动、环境温度变化等等），保持箱内温度恒定，以满足物体对温度的要求。显然为了实现温度的恒定控制，必须首先对箱内温度进行测量。对于图 1.1 （ a ）所示的人工控制的恒温箱，其控制或调节过程可归结如下： 　　(1) 操作者观测由测量元件（温度计）测出的恒温箱内的温度（被控制量）。 　　(2) 将测得的温度与要求的温度值（给定值）进行比较，得出温度差值（称为偏差）的大小和方向。　　 　　(3) 根据偏差的大小和方向，操作者通过调节调压器进行控制。当恒温箱内温度高于所要求的给定温度值时，移动调压器使电流减小，温度降低。若温度低于给定的值，则移动调压器，使电流增加，温度升到正常范围。 　　显然，人工控制的过程就是通过眼睛测量、大脑求取偏差、再通过手控制调压器改变加热电阻丝的发热量以纠正温度偏差的过程，简言之即“检测偏差再纠正偏差”。 　　人工控制要求操作者随时观察箱内温度的变化情况，随时进行调节。为了将操作者从这种机械式的重复劳动中解脱出来，可以设计一个控制器来完成人的工作，将上面的人工控制变成如图 1.1 （ b ）所示的自动控制系统。 其中，恒温箱的所需温度由电压信号 u 1 给定。当外界因素引起箱内温度变化时，作为测量元件的热电偶，把温度转换成对应的电压信号 u 2 ，并反馈回去与给定信号 u 1 相比较，所得结果即为温度的偏差信号 Δ u = u 1 - u 2 。经过电压、功率放大后，用以改变执行电动机的转速和方向，并通过传动装置拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向着减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止。即只有在偏差信号 Δ u = 0 时，电动机才停转。这样就完成了恒温箱所要求的自动控制任务。 　　易见，自动控制系统和人工控制系统的共同特点都是要检测偏差，并用检测到的偏差去纠正偏差。因此，检测是控制的前提，而没有偏差就不会有控制调节过程。控制系统的工作原理可以归纳如下： 　　(1) 检测输出量的实际值。 　　(2) 将实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差值。 　　(3) 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。 　　在控制系统中，给定量又称系统的输入量，被控制量也称系统的输出量。输出量的返回过程称为反馈，它表示输出量通过测量装置将信号的全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较。比较产生的结果称为偏差。在人工控制中，这一偏差是通过人眼观测后，由人脑判断、决策得出的；而在自动控制中，偏差则是通过反馈，由控制器进行比较、计算产生的。由于存在输出量反馈，系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。而将基于反馈原理、通过 检测偏差再纠正偏差 的系统称为反馈控制系统。可见，作为反馈控制系统至少应具备测量、比较（或计算）和执行三个基本功能。 　　测控系统通常通过 结构框图或功能框图清晰而形象地表示出来，图给出了恒温箱控制系统的功能框图