现代测控技术与系统教程第1章

▪ 2,反应变化量的信号，与被测对象的状态无对应关系， y=y0+delta_y
▪ 例：分辨率为1000的编码器,输出波形（A，B相，示意）
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2，绝对码信号
绝对码信号是一种与状态相对应的信号 例：绝对式码盘：每个角度方位对应一组编码。 Y=kx (以4位编码为例 k=360/（2^4) )
1.2.2 动态特性好
▪ 包括响应快和动态失真小 ▪ 实时动态测量已成为测量技术发展的主要方向 ▪ 对高速运动的系统,控制的滞后可能引起系统振荡,
导致系统失去稳定.
▪ 例:雷达/火炮防空系活
▪ 1)模/数及数/模转换 A/D,D/A
▪ 计算机控制 传感器/执行机构的输入/出为模拟信号
▪ 4,数字化
▪ 数字电路易于集成，抗干扰性强，便于与计算机连接， 但不能完全代替模拟电路，客观世界的许多参数都是模 拟量；许多前级信号需经模拟电路调理后，再转换成数 字信号；执行机构需要模拟信号；模拟运算的速度比数 字电路或软件要快。
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发展趋势(续)
▪ 5,通用化,模块化（复杂电路的分解） ▪ 6,智能化
前级电路，安排散热。
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精度问题(续)
▪ 3 线性与低失真(高保真)
▪ 输入与输出具有线性关系。(万用表测量电阻，非线性)
▪ 测量不失真，测控电路在信号所占有的频率范围内，具 有良好的频率特性。
▪ 不失真测量的条件
▪ Y= kX(t) y=kX(t-t0) 时域
▪ 频域：幅频
A K
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课程的性质、内容与学习方法(续)
▪ 学习方法

绪
论
二、自动化作用及发展状况
自动化技术是一门综合性的技术。 自动化是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程 序或指令自动地进行操作或运行。 自动控制是关于受控系统的分析、设计和运行的理论和 技术。 自动化主要研究的是人造系统的控制问题，自动控制除 了上述研究外，还研究社会、经济、生物、环境等非人造 系统的控制问题。
(b)数字式显示以数字形式直接显示出被测参量数值 数字式显示以数字形式直接显示出被测参量数值 的大小。能有效地克服读数的主观误差， 相对 的大小。能有效地克服读数的主观误差，(相对 指示式仪表)可提高显示和读数的精度， 指示式仪表 可提高显示和读数的精度，还能方便地 可提高显示和读数的精度 与计算机连接并进行数据传输。 与计算机连接并进行数据传输。 (c)屏幕显示实际上是一种类似电视显示方法，具有 屏幕显示实际上是一种类似电视显示方法， 屏幕显示实际上是一种类似电视显示方法 形象性和易于读数的优点， 形象性和易于读数的优点，又能同时在同一屏幕上显 示一个被测量或多个被测量的(大量数据式 变化曲线， 大量数据式)变化曲线 示一个被测量或多个被测量的 大量数据式 变化曲线， 有利于对它们进行比较、分析。 有利于对它们进行比较、分析。
最后值得一提的是，以上七个部分不是所有的检测系统 仪 最后值得一提的是，以上七个部分不是所有的检测系统(仪 都具备的， 表)都具备的，而且对有些简单的检测系统，其各环节之间 都具备的 而且对有些简单的检测系统， 的界线也不是十分清楚，需根据具体情况进行分析。 的界线也不是十分清楚，需根据具体情况进行分析。
绪
论
二、自动化作用及发展状况
从自动控制结构看，经历了四个阶段： （1）20世纪50年代以基地式控制器等组成的控制系 统：单回路控制系统 （2）20世纪60年代出现了单元组合仪表组成的控制 系统：把自动控制系统仪表按功能分成若干单元，依 据实际控制系统结构的需要进行适当的组合 （3）20世纪70年代出现了计算机控制系统：DDC— —DCS （4）20世纪80年代以后出现了二级优化控制，在 DCS的基础上实现先进控制和优化控制

4）自动化与智能化 现代控制系统不仅要求能自动控制， 而且要求它能在复杂的情况下自行判断、 具有自学习、自动诊断故障、自动排除 故障、进行自适应控制，乃至自动生成 新知识的功能。这也是测控电路发展的一 个电量测量电路 ③电力电子电路（含功率放大电路） ④驱动与控制电路 ⑤生物医学测量电路 ⑥微弱信号检测电路 ⑦数据采集系统
2. 现代测控电子技术在仪器科学的作 用与地位
显示系统 计 传 感 器 信号 调理 电路 数字 化 电路 算 机 系 统 测控电路 执行机构 驱动电路
②实现被测信号的数字化。 ③实现执行机构的驱动。 现代测控电路不是独立存在于测控系 统中的某个环节，它已融入测控系统的各个 环节，并在其中发挥重要的作用，离开测控 电路，测控系统是无法实现的。
测控电路具有多样性的特点，在设计 上灵活性很强，测控电路位于二次仪表的 最前级，对测量的准确度起决定作用，因 此，测控电路是现代测控系统的关键及难 点所在，在现代测控技术中占据极其重要 的地位。
2）数字化 数字化在信息传输、信息处理、信 息存储和集成化等方面具有明显的优势， 因此数字化是测控电路的必然发展趋势。 但是数字化不可能完全取代模拟电 路，在发展数字化的同时更要强化模拟 电路技术的研究，使两者紧密融合。
3）测控一体化 测量的目的不仅仅为了获取信息，更 重要的是为了控制机器或系统的行为动作。 测量与控制相互交融，融为一体的闭环系 统是测控系统的主要发展方向。
5）可靠性
可靠是指测控电路无故障工作，一般 用平均无故障工作时间来衡量。现代测控 系统是现代装备的有机组成部分，其可靠 性与测控系统密切相关，其中测控电路的 可靠性是重要的因素。
2. 现代测控电子技术的发展状况及趋 势
1）集成化、专用化 以往由分立元件和通用芯片构成的测 控电路，可以集成成为专用芯片实现相应 的测控功能，缩小了体积，简化了测控电 路的设计，并且其性能指标和可靠性大大 提高，这将是今后测控电路发展的主流方 向。

第1章 概 论
测控系统本质上就是计算机控制系统。为了对被控对象 实施控制，对其参数和状态进行检测是必不可少的。计算机 控制是以自动控制理论和计算机技术为基础的。控制对象从 小到大，从简单到复杂，都可以由计算机参与控制。计算机 可以控制单个电机或阀门，也可以控制一台设备和一个工艺 过程，还可以控制和管理一条生产线、一个车间、整个工厂 以至整个企业集团。计算机控制可以是单个回路参数的简单 控制，也可以是复杂控制规律的多变量解耦控制、最优控制、 自适应控制乃至具有人类智慧功能的智能控制等。下面再来 看一组例子，见表1-1。
第1章 概 论
1.2 测控系统微机化的重要意义
新一代微机化测控系统的使用可带来以下一些新特点和 新功能：
(1) 自动对零功能。在每次采样前对传感器的输出值自 动清零，从而大大降低因测控系统漂移变化造成的误差。
(2) 量程自动切换功能。可根据测量值和控制值的大小 改变测量范围和控制范围，在保证测量和控制范围的同时提 高分辨率。
第1章 概 论
图1-2 微机化控制系统组成框图
第1章 概 论
3．微机化测控系统 微机化测控系统是以微机为核心、测控一体化的系统。 这种系统对被控对象的控制是由对被控对象的测量结果决定 的。因此，它实质上是一种闭环控制系统，其基本组成框图 如图1-3所示。测控系统从大的方面来讲，可由测控装置和 测控对象两大部分组成。测控装置可分成硬件和软件两大部 分。其中硬件包括传感器、变送器、转换电路、控制电路、 执行机构、计算机及外部设备等；而软件是指操作系统和各 种应用程序等，是系统的灵魂。 图1-3中的输入、输出通道称为过程通道，它是微机与 测控对象的联结渠道，因此，我们又称之为“测控通道”。
数控(NC)机床、工业机器人、智能机器人、智能机械手等

第一章答案1-1 试求图1-27系统的模拟结构图，并建立其状态空间表达式。

图1-27系统方块结构图解：系统的模拟结构图如下：图1-30双输入--双输出系统模拟结构图系统的状态方程如下：u K K x K K x K K x X K x K x x x x J K x J x J K x J K x x J K x x x pp p p n pb1611166131534615141313322211+--=+-==++--===∙∙∙∙∙∙令y s =)(θ，则1x y =所以，系统的状态空间表达式及输出方程表达式为[]⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-----=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡∙∙∙∙∙∙654321165432111111112654321000001000000000000010010000000000010x x x x x x y uK K x x x x x x K K K K K K J K J J K J K J K x x x x x x p p pp npb1-2有电路如图1-28所示。

以电压)(t u 为输入量，求以电感中的电流和电容上的电压作为状态变量的状态方程，和以电阻2R 上的电压作为输出量的输出方程。

U图1-28 电路图解：由图，令32211,,x u x i x i c ===，输出量22x R y =有电路原理可知：∙∙∙+==+=++3213222231111x C x x x x R x L ux x L x R 既得22213322222131111111111x R y x C x C x x L x L R x u L x L x L R x =+-=+-=+--=∙∙∙写成矢量矩阵形式为：[]⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡----=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡32121321222111321000*********x x x R y u L x x x CCL L R L L R x x x 。

填空选择：1光电效应：因光照引起的材料电学特性改变的现象称为光电效应，分为外光电效应（光电管和光电倍增管）和内光电效应，内光电效应又包括光电导效应（光敏电阻）和光生伏特效应（光敏二极管，光敏三极管，光电池）2热电偶的基本定律：a.均质导体定律：两种均质导体组成的热电偶的热电势大小与电极的直径、长度以及长度方向的温度部分无关，只与热电极材料和温差有关。

如果材质不均匀，当热点，极上各处温度不同时，将产生附加热电势，造成无法估计得测量误差，因此热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。

b.标准电极定律:若导体ABC分别与三种导体C组成热电偶，那么由导体AB组成的热电偶的热电势可以由标准电极定律来确定。

标准电极定律指出：如果将导体C（热点极，一般为纯铂丝）作为标准电极（也叫做参考电极），并且已知标准c.中间导体定律:在热电偶回路中，只要中间导体两端温度相同，对热电偶回路的总电势没有影响。

D.中间温度定律：在热电偶回路中，当结点温度为T,T0时，总热电势等于该热电偶在节点温度为T,Tn 和Tn，T0时相应的热电势的代数和。

3误差来源：方法误差、环境误差、数据处理误差、使用误差、仪器误差、人身误差。

误差分类：系统误差：在相同条件重复测量同一量时，误差的绝对值和符号保持不变，或在条件改变时按照一定的规律变化。

产生的主要原因是仪表制造，安装或使用不当。

是一种有规律的误差，系统误差越小、则表明准确度越高。

随机误差：在相同条件下多次重复测量同一量时，误差绝对值和符号无规律变化的误差。

主要来源有机械干扰、热和湿干扰、电磁场变化、放电噪音，光空气原件噪声。

总体来说服从统计规律，误差大小放映数据的分散程度，误差越小，精密度越高。

粗大误差：测量值偏离实际值的误差。

操作不当造成的。

测得的值明显地偏离实际值所形成的的误差。

判断哪个测量值是坏值或是异常值，处理数据时应剔除。

4数字PID算法是比例、积分、微分算法。

（增量型算法与位置型算法）5人耳可以听到的声波频率范围是16~20kHz，超过20kHz的声波称为超声波。

测控电路内容：第⼀章绪论第⼀章测控电路设计实⽤技术基础测量与控制是认识客观世界和顺应客观规律的必不可少的重要⼿段。

现代⽣产为了保证产品质量和提⾼⽣产效益，必须对⽣产过程进⾏严格控制，⽽要实现这种控制，就必须对⽣产过程的各种参数和状态进⾏实时有效的测量。

因此，测量是控制的基础，控制离不开测量。

实际上，在科学技术⾼度发达的今天，测量与控制已经渗透到⼯业、农业、国防、科学研究和现代社会⽣活等各个领域。

由于⽬前电参量在信息转换、处理、传输、存储等⽅⾯具有较成熟的技术和⼿段，多数物理量的测量和控制以电参量的形式进⾏，故测量和控制电路在测控系统中具有不可替代的作⽤1.1测控电路的作⽤与基本组成现代测控系统常见的基本构成如图1-1所⽰。

测控系统的最前级为传感器，其作⽤是将各类被测量转换成与之具有⼀定函数关系的电量（通常为电压）；但是，传感器的输出信号⼀般都很微弱，还可能伴随着各种噪声，需要⽤测量电路即信号调理及数字化等电路将它放⼤，剔除噪声，选取有⽤信号，按照测量与控制功能的要求，进⾏所需演算、处理与变换，形成为计算机能够识别及处理的信号；计算机系统的作⽤是对数字化了的被测信号进⾏计算、定标、误差校正或⾃校准等处理，⼀⽅⾯，经处理的测量结果由显⽰输出系统显⽰，由记录系统打印、绘图或由报警系统给出报警信息；另⼀⽅⾯，经算法运算过的控制信号经控制电路驱动执⾏机构，对测控对象进⾏控制。

通常我们将测量电路和控制电路统称为测控电路，它已融⼊测控系统的各个环节，并在其中发挥重要的作⽤，可以说离开测控电路，测控系统是⽆法实现的。

测量电路担负着信号⼆次变换的重任，其实质是电位或波形变换，其主要功能是放⼤有⽤信号，抑制传感器输出信号中的噪声，并将放⼤后的信号进⾏数字化；控制电路担负着实现控制功能的输出驱动信号的重任。

由于被测和被控物理量及其相应传感器和驱动器的多样性，与此相应的测量与控制电路必然具有多样性，因此测控电路在设计上灵活性很强。

计算机监控系统是以计算机为主体完成监控任 务的系统。监控组态软件是计算机监控系统的专用 软件。
嵌入式系统是将应用程序和操作系统与计算机 硬件集成在一起嵌入在宿主设备中的控制系统。
5.4.4 基于计算机的网络控制
80年代后期，计算机控制开始采用开放式通 讯系统，可以和以太网接口，图示功能增强，组 态更加直观、灵活，基于计算机的网络控制系统 性能日益完善、应用逐渐普及。
广州中鸣数码的机器手
广州中鸣数码的机器狗
6.3 现代仪器仪表技术 6.3.1新型仪器仪表的特点
新型仪器仪表都无一例外地利用计算机的软 件和硬件优势，根据测控的实际需求，不断挖掘 仪器仪表智能化、网络化和虚拟化的特点。
由于信号被采集变换成数字形式后，更多的 分析和处理工作都由计算机来完成，很自然地使 人们模糊了仪器与计算机之间的界限，形成了 “计 算机就是仪器”的概念。
如：
a)利用新发现的材料和新发现的生物、 物理、化学效应开发出新型传感器。
光光纤纤传传感感器器
生物传感器的电极
b)传感器+嵌入式计算机 智能传感器
智能压力传感器
智能振动传感器
智能倾角RS232 传感器
IC总线数字温度 传感器
c)多个传感器信息的融合处理 如机器人中设置的传感器有：转动/移动位置 传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接 近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传 感器等，这些信号如何融合处理体现了机器人的智 能水平。
6.4.4 监控组态软件 监控组态软件（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）简称组态软件，是指在自动 监控系统的系统软件平台上预先设置一些数据采集 与过程控制的功能软件模块，用户能根据需要组态 使用。 1.监控组态软件的组成 1）图形界面组件 2）控制功能组件 3）实时数据库 4）通信接口组件

课程名称：现代测控技术及系统试卷构成：名词解释；简答；分析一．名词解释：1. 调制：利用低频信号来控制或改变高频振荡信号的某个参数（幅值、频率或相位）的过程。

2.自相关函数：描述随机过程一个时刻的幅值与另一个时刻幅值之间的依赖关系。

或者说，现在的波形与时间坐标移动了之后的波形之间的相似程度。

互相关函数Rxy(τ)：描述一个系统中的一处测点上所得的数据x(t)与同一系统的另外一测点数据y(t)互相比较得出它们之间的关系。

3.线性度：指测量装置输出、输入之间保持常值比例关系的程度。

4.幅频特性：定常线性系统在简谐信号激励下其稳态输出信号和输入信号的幅值比定义为该系统的幅频特性，记为 A(ω)。

5.霍尔效应：金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍耳效应。

该电动势称霍耳电势，半导体薄片称霍耳元件。

6.编码盘：编码盘是一种通过直接编码进行测量的元件，它直接把被测转角或直线位移转换成相应的代码，指示其绝对位置。

这种测量方式没有积累误差，电源切除后位置信息也不丢失。

7.图像分割：是把图像分解成构成它的部件和对象的过程；达到有选择性地定位感兴趣对象在图像中的位置和范围。

8.图像配准：是指同一目标的两幅（或者两幅以上）图像在空间位置上的对准。

图像配准的技术过程，称为图像匹配，或者图像相关。

9.图像融合：就是将不同类型传感器获取的同一对象的图像数据进行空间配准，然后采用一定的算法将各图像数据中所含的信息优势或互补性有机地结合起来产生新图像数据的技术。

图像描述：是图像分析和理解的必要前提。

图像描述是用一组数量或符号（描述子）来表征图像中被描述物体的某些特征。

10.压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。

当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。

当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。

2. 基于网络的测控系统模型：测控管一体化模型
1.2 现代测控系统的结构与设计
现代测控系统的设计方法
硬件设计： 硬件设计：
约束条件：对象方面主要考虑其大小、形状、距离、 约束条件：对象方面主要考虑其大小、形状、距离、环 物理量、用途等；测控系统需求方面主要考虑功能、 境、物理量、用途等；测控系统需求方面主要考虑功能、 反应速度、可靠性、测控精度等因素。 反应速度、可靠性、测控精度等因素。此外还需考虑研 制成本、产品成本以及开发周期。 制成本、产品成本以及开发周期。 系统模块设计技术：测控系统电路设计一般采用 系统模块设计技术：测控系统电路设计一般采用CPLD、 、 FPGA、DSP等高集成度器件技术，主要以 商用机和 等高集成度器件技术， 、 等高集成度器件技术 主要以PC商用机和 基于PC104工控机为主；低功耗器件，对降低功耗与抗干 工控机为主； 基于 工控机为主 低功耗器件， 扰有积极意义；采用通用化、标准化硬件电路； 扰有积极意义；采用通用化、标准化硬件电路；软测量 技术；采用动态链接库。 技术；采用动态链接库。
1.3 现代测控技术的分类
基于无线通信的测控技术 对于工作点多、通信距离远、 对于工作点多、通信距离远、环境恶劣且实时性和 可靠性要求比较高的远程测控场合， 可靠性要求比较高的远程测控场合，可以利用无线 电波来实现主控站与各个子站之间的数据通信。减 电波来实现主控站与各个子站之间的数据通信。 少复杂连线，无需铺设电缆或光缆，降低成本。 少复杂连线，无需铺设电缆或光缆，降低成本。如 小区的智能保安系统、油井远程监测系统、 小区的智能保安系统、油井远程监测系统、航空航 天技术中的无线跟踪测轨、遥测和遥控系统。 天技术中的无线跟踪测轨、遥测和遥控系统。
传感器从传统的压力、温度、 传感器从传统的压力、温度、流量和液位四大热工量的测 量发展到目前具有光、电、磁、力及生物信息的感知，光 量发展到目前具有光、 力及生物信息的感知， 生物信息传感器， 纤、光栅等光敏传感器，DNA、免疫等生物信息传感器， 光栅等光敏传感器， 光敏传感器 、免疫等生物信息传感器 超声波等声敏传感器，可燃性气体、氧气、电子鼻等气敏 超声波等声敏传感器，可燃性气体、氧气、电子鼻等气敏 声敏传感器 传感器，可见光、红外光等图像传感器等 传感器，可见光、红外光等图像传感器等。 图像传感器

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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。
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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。

(4)1952年美国MIT的Servomechanism Laboratory 研制出第一台数控机床；
二.控制理论的发展 4. 现代控制(Modern Control) (1950- ) (2)Bellman(1920-1984) 1957年在 RAND公司的支持下 发表著名的Dynamic Programming，建立最优控制 的基础; California大学Los Angle分校数学系教授。仅用三个月就 完成了普林斯顿大学数学系的博士要求。他的工作为决策论 与最优控制奠定了基础，被广泛应用于导弹、航空、航天等 军事和民用工业领域。1979年获得IEEE Medal of Honor。
在博士学位的授予仪式上，执行主席看到他一脸稚气，询问 他的年龄。维纳不愧为数学神童，他的回答十分巧妙：“我 今年岁数的立方是个四位数，岁数的四次方是个六位数，这 两个数，刚好把十个数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9全 都用上了。大家都被他的这道妙题深深地吸引住了，都在议 论他的年龄问题。21的立方是四位数，而22的立方已经是五 位数了，所以维纳的年龄最多是21岁；18的四次方是六位数， 而17的四次方则是五位数了，所以维纳的年龄至少是18岁。 这样，维纳的年龄只可能是18、19、20、21这四个数中的一 个。剩下的工作就是筛选了。20的立方是8000，有3个重复数 字0，不合题意。同理，19的四次方等于130321，21的四次方 等于194481，都不合题意。最后只剩下一个18，是不是正确 答案呢？验算一下，18的立方等于5832，四次方等于104976， 恰好“不重不漏”地用完了十个阿拉伯数字，多么完美的组 合！这个年仅18岁的少年博士，后来果然成就了一番大事业： 他成为信息论的前驱和控制论的奠基人。
二.控制理论的发展 3.经典控制(Classical Control)(1935-1950) (1)美国Bell实验室Bode(1938)(1905-1982)，以及 Nyquist(1940)(1889-1976)提出频率响应法；

第1章控制系统导论基础练习题下面的系统都可以用框图来表示它们的因果关系和反馈回路（有反馈时）。

试辨识每个方框的功能，指出其中的输入变量、输出变量和待测变量。

必要时请参考图1.3。

E1.1描述能测量下列物理量的典型传感器：（a）线性位置（b）速度（或转速）（c）非重力加速度（d）旋转位置（或角度）（e）旋转速度（f）温度（g）压力（h）液体（或气体）流速（i）扭矩（j）力【解析】（a）位置传感器：用来测量机器人自身位置的传感器。

（b）转速传感器：是将旋转物体的转速转换为电量输出的传感器。

（c）重力加速度传感器：能够感知到加速力的变化的传感器。

（d）角度传感器：用来检测角度的传感器。

（e）转速传感器：是将旋转物体的转速转换为电量输出的传感器。

（f）温度传感器：指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。

（g）压力传感器：是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的传感器。

（h）流量传感器：测定吸入发动机的空气流量的传感器。

液体流量计传感器：用来测量各种导电液体介质的体积流量的传感器。

（i）扭矩传感器：将扭力的物理变化转换成精确的电信号的传感器。

（j）测力传感器：在受到外力作用后，粘贴在弹性体的应变片随之产生形变引起电阻变化，电阻变化使组成的惠斯登电桥失去平衡输出一个与外力成线性正比变化的电量电信号的传感器。

E1.2描述能实现下列转化的典型执行机构：（a）流体能到机械能（b）电能到机械能（c）机械形变到电能（d）化学能到运动能【解析】（a）液压马达、液压缸（b）电动机（c）形变发电装置（d）内燃机E1.3精密的光信号源可以将功率的输出精度控制在1%之内。

激光器由输入电流控制，产生所需要的输出功率。

作用在激光器上的输入电流由一个微处理器控制，微处理器将预期的功率值，与由传感器测量得到的，并与激光器的实际输出功率成比例的信号进行比较。

试辨识指明输出变量、输入变量、待测变量和控制装置，从而完成这个闭环控制系统的如图E1.3所示的框图。

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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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。