|
1 測控的基本概念
測試與控制技術(shù)，簡稱測控技術(shù)，是信息科學(xué)的重要組成部分，它與計算機技術(shù)和通信技術(shù)構(gòu)成了完整的信息技術(shù)學(xué)科。測控技術(shù)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域， 無論是工程研究、產(chǎn)品開發(fā)，還是質(zhì)量監(jiān)控、性能試驗等，都離不開測控技術(shù)。測控技術(shù)是人類認(rèn)識客觀世界的手段，是科學(xué)研究的基本方法。
測控技術(shù)可分為測試與控制兩大部分，兩部分相輔相成，密切相連。測試是控制的前提，而控制反過來又往往為測試提供原理或方法保障。即使是單純的測試系統(tǒng)，甚至單個的測試環(huán)節(jié)也與控制理論密切相連，如反饋式加速度傳感器、伺服指示儀表等均需在控制理論的指導(dǎo)下進行分析設(shè)計。
測試是具有試驗性質(zhì)的測量，是測量和試驗的綜合，測試的目的是確定被測對象或系統(tǒng)屬性的量值。測試技術(shù)又由傳感器技術(shù)、檢測技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)共同構(gòu)成。其中傳感器類似于人的感覺器官，它將被測對象的輸出以及內(nèi)部的狀態(tài)等屬性量（統(tǒng)稱為 被測量 ），如力、位移、溫度等，轉(zhuǎn)換為易于量測的信號，傳遞給檢測環(huán)節(jié)；檢測環(huán)節(jié)對來自傳感器的信號進行進一步的處理，將信號量化為一定的數(shù)值；而數(shù)據(jù)處理則對量化后的信號進行進一步的運算、分析，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^的結(jié)果顯示給操作者或用于控制系統(tǒng)的運行行為。
控制技術(shù)通過人或外加的輔助設(shè)備或裝置 （稱為 控制裝置 或 控制器 ） ，使得被控對象或系統(tǒng)，如機器、生產(chǎn)過程等的工作狀態(tài)或參數(shù)（即 被控量 ）按照預(yù)定的規(guī)律運行。對無需人的直接干預(yù)即可運行控制系統(tǒng)，稱為自動控制系統(tǒng)。一個簡單的恒溫箱控制系統(tǒng)的例子如下圖 所示。
|
（ a ） 人工控制的恒溫箱
|
（ b ） 自動控制的恒溫箱
|
|
恒溫箱控制系統(tǒng) |
恒溫箱控制的要求是克服外界干擾（如電源電壓波動、環(huán)境溫度變化等等），保持箱內(nèi)溫度恒定，以滿足物體對溫度的要求。顯然為了實現(xiàn)溫度的恒定控制，必須首先對箱內(nèi)溫度進行測量。對于圖 1.1 （ a ）所示的人工控制的恒溫箱，其控制或調(diào)節(jié)過程可歸結(jié)如下：
(1) 操作者觀測由測量元件（溫度計）測出的恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）。
(2) 將測得的溫度與要求的溫度值（給定值）進行比較，得出溫度差值（稱為偏差）的大小和方向�！ �
(3) 根據(jù)偏差的大小和方向，操作者通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器進行控制。當(dāng)恒溫箱內(nèi)溫度高于所要求的給定溫度值時，移動調(diào)壓器使電流減小，溫度降低。若溫度低于給定的值，則移動調(diào)壓器，使電流增加，溫度升到正常范圍。
顯然，人工控制的過程就是通過眼睛測量、大腦求取偏差、再通過手控制調(diào)壓器改變加熱電阻絲的發(fā)熱量以糾正溫度偏差的過程，簡言之即“檢測偏差再糾正偏差”。
人工控制要求操作者隨時觀察箱內(nèi)溫度的變化情況，隨時進行調(diào)節(jié)。為了將操作者從這種機械式的重復(fù)勞動中解脫出來，可以設(shè)計一個控制器來完成人的工作，將上面的人工控制變成如圖 1.1 （ b ）所示的自動控制系統(tǒng)。 其中，恒溫箱的所需溫度由電壓信號 u 1 給定。當(dāng)外界因素引起箱內(nèi)溫度變化時，作為測量元件的熱電偶，把溫度轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓信號 u 2 ，并反饋回去與給定信號 u 1 相比較，所得結(jié)果即為溫度的偏差信號 Δ u = u 1 - u 2 。經(jīng)過電壓、功率放大后，用以改變執(zhí)行電動機的轉(zhuǎn)速和方向，并通過傳動裝置拖動調(diào)壓器動觸頭。當(dāng)溫度偏高時，動觸頭向著減小電流的方向運動，反之加大電流，直到溫度達到給定值為止。即只有在偏差信號 Δ u = 0 時，電動機才停轉(zhuǎn)。這樣就完成了恒溫箱所要求的自動控制任務(wù)。
易見，自動控制系統(tǒng)和人工控制系統(tǒng)的共同特點都是要檢測偏差，并用檢測到的偏差去糾正偏差。因此，檢測是控制的前提，而沒有偏差就不會有控制調(diào)節(jié)過程�？刂葡到y(tǒng)的工作原理可以歸納如下：
(1) 檢測輸出量的實際值。
(2) 將實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差值。
(3) 用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差。
在控制系統(tǒng)中，給定量又稱系統(tǒng)的輸入量，被控制量也稱系統(tǒng)的輸出量。輸出量的返回過程稱為反饋，它表示輸出量通過測量裝置將信號的全部或一部分返回輸入端，使之與輸入量進行比較。比較產(chǎn)生的結(jié)果稱為偏差。在人工控制中，這一偏差是通過人眼觀測后，由人腦判斷、決策得出的；而在自動控制中，偏差則是通過反饋，由控制器進行比較、計算產(chǎn)生的。由于存在輸出量反饋，系統(tǒng)能在存在無法預(yù)計擾動的情況下，自動減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制。而將基于反饋原理、通過 " 檢測偏差再糾正偏差 " 的系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)�？梢姡鳛榉答伩刂葡到y(tǒng)至少應(yīng)具備測量、比較（或計算）和執(zhí)行三個基本功能。
測控系統(tǒng)通常通過 結(jié)構(gòu)框圖或功能框圖清晰而形象地表示出來，圖給出了恒溫箱控制系統(tǒng)的功能框圖。圖中帶有箭頭的有向線段表示信息的傳遞路徑， 有向線段旁邊標(biāo)識的符號標(biāo)識該線段所代表的信號； 帶有名稱的方框表示構(gòu)成系統(tǒng)的各個部件（即測控環(huán)節(jié)），進入方框的箭頭表示信號輸入，反之表示輸出， 各環(huán)節(jié)的作用是單向的，其輸出受輸入控制；“ ? ”代表比較元件，注意到進入比較元件的反饋信號 u 2 旁邊有一“－”號，其含義是負(fù)號，即比較元件完成給定信號與反饋信號的相減操作以獲取偏差信號產(chǎn)生控制作用，使偏差越來越小，這種控制稱為負(fù)反饋控制。負(fù)反饋控制是實現(xiàn)自動控制最基本的方法，不同的控制系統(tǒng)盡管實現(xiàn)自動控制的裝置可能不同，但自動控制的實現(xiàn)建立在反饋的基礎(chǔ)之上。
|
（ b ） 自動控制的恒溫箱
|
|
恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖 |
2 測控技術(shù)的內(nèi)容和任務(wù)
1) 測控技術(shù)的內(nèi)容
測控技術(shù)研究的主要內(nèi)容包括：測控原理及方法、測控數(shù)據(jù)處理、測控系統(tǒng)建模、以及測控系統(tǒng)的分析和設(shè)計等幾個方面。
測控原理及方法包括實現(xiàn)測量和控制所依據(jù)的物理、化學(xué)、生物等現(xiàn)象及有關(guān)定律以及相應(yīng)的實現(xiàn)方法。例如，熱電偶測量溫度時所依據(jù)的是熱電效應(yīng)、電機轉(zhuǎn)速控制所依據(jù)的是電機的運動特性等等。不同性質(zhì)的被測量或被控量用不同的原理進行測量或控制，同一性質(zhì)的被測量或被控量亦可用不同的的原理去測量或控制。測控原理確定后，根據(jù)對測控任務(wù)的具體要求和現(xiàn)場實際情況，需要采用不同的測控方法，如直接測控法或間接測控法、模擬量測控法或數(shù)字量測控法等。
測控數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)的運算、濾波及各種分析方法，其目的是獲得正確可靠的結(jié)果，提高測試和控制的可靠性及準(zhǔn)確性。
測控系統(tǒng)建模研究如何通過物理、化學(xué)、生物等有關(guān)定律建立測控系統(tǒng)的動態(tài)模型，是進行測控系統(tǒng)理論分析和設(shè)計的基礎(chǔ)。
測控系統(tǒng)的分析和設(shè)計則是在測控系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，通過時域或頻域的方法分析系統(tǒng)的性能，通過外加合適的校正環(huán)節(jié)補償原有系統(tǒng)的不足，構(gòu)建快速、準(zhǔn)確、不失真的測控系統(tǒng)。
2) 測控技術(shù)的任務(wù)
測控技術(shù)的任務(wù)可以概括為以下五個方面：
在設(shè)備設(shè)計中，通過對新舊產(chǎn)品的模型試驗或現(xiàn)場實測，為產(chǎn)品質(zhì)量和性能提供客觀的評價，為技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化和效率的提高提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；通過自動控制技術(shù)的引入，提高設(shè)備的性能和工作效率；
在設(shè)備改造中，通過實測設(shè)備或零件的載荷、應(yīng)力、工藝參數(shù)和電機參數(shù)，為設(shè)備強度校驗和承載能力的提高提供依據(jù)，挖掘設(shè)備的潛力；通過新增的自動控制裝置，實現(xiàn)設(shè)備的功能升級和改善，以提高產(chǎn)量和質(zhì)量；
通過自動控制，尤其是惡劣環(huán)境或危險環(huán)境下設(shè)備的自動控制，改善勞動條件與工作環(huán)境，保證人的身心健康；
通過測試技術(shù)驗證新的科學(xué)規(guī)律，從實驗中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，驗證理論研究結(jié)果，實驗與理論相互促進，共同發(fā)展；
在工業(yè)自動化生產(chǎn)中，通過對工藝參數(shù)的測試和數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)對設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量控制和故障診斷。
3 測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和分類
1） 測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
測控系統(tǒng)是指由相關(guān)的器件、儀器和測試控制裝置有機組合而成的具有獲取某種信息，并實施控制被控對象或系統(tǒng)運行行為之功能的整體，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。
圖中信號處理、反饋控制、顯示等環(huán)節(jié)，目前的發(fā)展趨勢是經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后采用計算機等進行分析、處理，并經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換控制被測控的對象。
在這里，需要指出的是為了準(zhǔn)確的獲得被測對象的信息，要求系統(tǒng)中的每一個環(huán)節(jié)的輸出量與輸入量之間必須具有一一對應(yīng)關(guān)系。而且，其輸出的變化能夠準(zhǔn)確地反映出其輸入的變化，即實現(xiàn)不失真的測試。
開環(huán)控制和閉環(huán)控制
實際的控制系統(tǒng)，根據(jù)有無反饋作用可以分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。
開環(huán)控制系統(tǒng)
如果系統(tǒng)只是根據(jù)輸入量和干擾量進行控制，而輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，輸出量在整個控制過程中對系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生任何影響，這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。圖所示的數(shù)控機床進給系統(tǒng)，由于沒有反饋通道，所以是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸出量僅受輸入量的控制。
|
數(shù)控機床工作臺進給開環(huán)控制系統(tǒng)
|
|
|
開環(huán)控制系統(tǒng)的輸入量與輸出量之間有明確的對應(yīng)關(guān)系，但如果在某種干擾的作用下，使得系統(tǒng)的輸出偏離了原始值，則由于不存在反饋，控制器無法獲得關(guān)于輸出量的實際狀態(tài)，系統(tǒng)將無法自動糾偏，所以，開環(huán)系統(tǒng)的控制精度通常較低。但是如果組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，而且外界的干擾也比較小，則這種控制系統(tǒng)也可以保證一定的精度。開環(huán)控制系統(tǒng)的最大優(yōu)點是系統(tǒng)簡單，一般都能穩(wěn)定可靠地工作，因此對于要求不高的系統(tǒng)可以采用。開環(huán)控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖所示。
2 ．閉環(huán)控制系統(tǒng)
如果系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程產(chǎn)生直接影響，這種系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，如前述的恒溫箱自動控制系統(tǒng)就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖所示。
閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點是不管遇到什么干擾，只要被控制量的實際值偏離給定值，閉環(huán)控制就會自動產(chǎn)生控制作用來減小這一偏差，因此，閉環(huán)控制精度通常較高。
閉環(huán)控制系統(tǒng)也有它的缺點，這類系統(tǒng)是靠偏差進行控制的，因此，在整個控制過程中始終存在著偏差，由于元件的慣性（如負(fù)載的慣性），若參數(shù)配置不當(dāng)，很容易引起振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定，而無法工作。
3 ．半閉環(huán)控制系統(tǒng)
如果控制系統(tǒng)的 反饋信號 不是直接從系統(tǒng)的輸出端引出，而是 間接 地取自中間的測量元件，例如在數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)中，若將位置檢測裝置安裝在傳動絲桿的端部，間接測量工作臺的實際位移，則這種系統(tǒng)稱為 半閉環(huán)控制系統(tǒng) 。
半閉環(huán)控制系統(tǒng)一般可以獲得比開環(huán)系統(tǒng)更高的控制精度，但由于只存在局部反饋，在局部反饋之外的部分所導(dǎo)致的輸出擾動將無法通過自動調(diào)節(jié)的方式消除，因此，其精度往往比閉環(huán)系統(tǒng)要低；但與閉環(huán)系統(tǒng)相比，它易于實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。目前大多數(shù)數(shù)控機床都采用這種半閉環(huán)控制進給伺服系統(tǒng)。
1.3.1 .2 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成
圖所示為一個較完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。由圖可見，閉環(huán)控制系統(tǒng)一般應(yīng)該包括給定元件、反饋元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件及校正元件等。
1 ．給定元件
主要用于產(chǎn)生給定信號或輸入信號。
2 ．反饋元件
反饋元件通常是一些用電量來測量非電量的元件，即傳感器 , 它量測被控制量或輸出量，產(chǎn)生主反饋信號。一般，為了便于傳輸，主反饋信號多為電信號。
必須指出，在機械、液壓、氣動、機電、電機等系統(tǒng)中存在著內(nèi)在反饋。這是一種沒有專設(shè)反饋元件的信息反饋，是系統(tǒng)內(nèi)部各參數(shù)相互作用而產(chǎn)生的反饋信息流，如作用力與反作用力之間形成的直接反饋。內(nèi)在反饋回路由系統(tǒng)動力學(xué)特性確定，它所構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)是一個動力學(xué)系統(tǒng)。例如，機床工作臺低速爬行等自激振蕩現(xiàn)象，都是由具有內(nèi)在反饋的閉環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的。
3 ．比較元件
用來接收輸入信號和反饋信號并進行比較，產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號。
4 ．放大元件
對偏差信號進行放大的元件。例如，電壓放大器、功率放大器、電液伺服閥、電氣比例 / 伺服閥等。放大元件的輸出一定要有足夠的能量，才能驅(qū)動執(zhí)行元件，實現(xiàn)控制功能。
5 ．執(zhí)行元件
直接對受控對象進行操縱的元件。例如，伺服電動機、液壓（氣）馬達、伺服液壓（氣）缸等。
6 ．校正元件
為保證控制質(zhì)量，使系統(tǒng)獲得良好的動、靜態(tài)性能而加入系統(tǒng)的元件。校正元件又稱校正裝置。串接在系統(tǒng)前向通路上的稱為串聯(lián)校正裝置；并接在反饋回路上的稱為并聯(lián)校正裝置。
盡管一個控制系統(tǒng)包含許多起著不同作用的元部件，但從總體上看，任何一個控制系統(tǒng)都可認(rèn)為僅由控制器（完成控制作用）和控制對象兩部分組成。如圖 1.8 中，比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起著控制作用，為控制器部分。圖 1.8 還包括了擾動信號，擾動信號是由于系統(tǒng)內(nèi)部元器件參數(shù)的變化或外部環(huán)境的改變而造成的，不管是何種擾動，其最終結(jié)果都是導(dǎo)致輸出量即被控制量發(fā)生偏移，因此直接將擾動信號集中表示在控制對象上�？紤]到輸出量的偏移所產(chǎn)生的偏差可以通過反饋作用予以自動糾正，采用上述表示方法是合適的。
2） 測控系統(tǒng)的分類
測控系統(tǒng)的種類很多，在實際應(yīng)用中，可以從不同的角度對測控系統(tǒng)進行分類。
按控制輸入量的特征分類
1 ．恒值控制系統(tǒng)
這種系統(tǒng)的控制輸入量是一個恒定值，一經(jīng)給定，在運行過程中就不再改變（但可定期校準(zhǔn)或更改輸入量）。恒值控制系統(tǒng)的任務(wù)是保證在任何擾動下系統(tǒng)的輸出量為恒值。
工業(yè)生產(chǎn)中的溫度、壓力、流量、液面等參數(shù)的控制，有些原動機的速度控制，機床的位置控制，電力系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓、頻率控制等，均屬此類。
2 ．程序控制系統(tǒng)
這種系統(tǒng)的輸入量不為常值，但其變化規(guī)律是預(yù)先知道和確定的�？梢灶A(yù)先將輸入量的變化規(guī)律編成程序，由該程序發(fā)出控制指令，在輸入裝置中再將控制指令轉(zhuǎn)換為控制信號，經(jīng)過全系統(tǒng)的作用，使控制對象按指令的要求而運動。計算機繪圖儀就是典型的程序控制系統(tǒng)。
工業(yè)生產(chǎn)中的過程控制系統(tǒng)按生產(chǎn)工藝的要求編制成特定的程序，由計算機來實現(xiàn)其控制。這就是近年來迅速發(fā)展起來的數(shù)字程序控制系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)。微處理機控制將程序控制系統(tǒng)推向更普遍的應(yīng)用領(lǐng)域。
圖表示一個用于機床切削加工的程序控制系統(tǒng)。
3 ．隨動系統(tǒng)
隨動系統(tǒng)在工業(yè)部門又稱伺服系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的輸入量的變化規(guī)律是不能預(yù)先確定的。當(dāng)輸入量發(fā)生變化時，則要求輸出量迅速而平穩(wěn)地跟隨著變化，且能排除各種干擾因素的影響，準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)控制信號的變化規(guī)律（此即伺服的含義）。控制指令可以由操作者根據(jù)需要隨時發(fā)出，也可以由目標(biāo)物或相應(yīng)的測量裝置發(fā)出。
按系統(tǒng)中傳遞信號的性質(zhì)分類
1 ．連續(xù)系統(tǒng)
系統(tǒng)中各部分傳遞的信號都是連續(xù)時間變量的系統(tǒng)稱為連續(xù)系統(tǒng)。連續(xù)系統(tǒng)又有線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)之分。用線性微分方程描述的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)，不能用線性微分方程描述、存在著非線性部件的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。
2 ．離散系統(tǒng)。
系統(tǒng)中某一處或數(shù)處的信號是脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)稱為離散系統(tǒng)（也稱數(shù)字測控系統(tǒng)）。在離散系統(tǒng)中，數(shù)字測量、放大、比較、給定等部件一般均由微處理機實現(xiàn)，計算機的輸出經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換加給伺服放大器，然后再去驅(qū)動執(zhí)行元件；或由計算機直接輸出數(shù)字信號，經(jīng)數(shù)字放大器后驅(qū)動數(shù)字式執(zhí)行元件。
由于連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的信號形式有較大區(qū)別，因此在分析方法上也有明顯的不同。連續(xù)系統(tǒng)以微分方程來描述系統(tǒng)的運動狀態(tài)，并用拉氏變換法求解微分方程；而離散系統(tǒng)則用差分方程來描述系統(tǒng)的運動狀態(tài)，用 Z 變換法引出脈沖傳遞函數(shù)來研究系統(tǒng)的動態(tài)特性。
此外，還可按照系統(tǒng)部件的物理屬性分為機械、電氣、機電、液壓、氣動、熱力等測控系統(tǒng)。
4 對控制系統(tǒng)的基本要求
不同場合的測控系統(tǒng)有著不同的性能要求。但各種測控系統(tǒng)均有著一些共同的基本要求，即穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速。
�。�.穩(wěn)定性
由于測控系統(tǒng)都包含儲能元件，若系統(tǒng)參數(shù)匹配不當(dāng)，能量在儲能元件間的交換可能引起振蕩。穩(wěn)定性就是指系統(tǒng)動態(tài)過程的振蕩傾向及其恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。對于穩(wěn)定的系統(tǒng)，當(dāng)輸出量偏離平衡狀態(tài)時，應(yīng)能隨著時間收斂并且最后回到初始的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性是保證測控系統(tǒng)正常工作的先決條件。
�。�.精確性
測控系統(tǒng)的精確性即測控精度，一般以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。所謂穩(wěn)態(tài)誤差是指以一定變化規(guī)律的輸入信號作用于系統(tǒng)后，當(dāng)調(diào)整過程結(jié)束而趨于穩(wěn)定時，輸出量的實際值與期望值之間的誤差值，它反映了動態(tài)過程后期的性能。這種誤差一般是很小的。如數(shù)控機床的加工誤差小于 0.02mm ，一般恒速、恒溫控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差都在給定值的 1% 以內(nèi)。
�。�.快速性
快速性是指當(dāng)系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間產(chǎn)生偏差時，消除這種偏差的快慢程度�？焖傩院玫南到y(tǒng)，它消除偏差的過渡過程時間就短，就能復(fù)現(xiàn)快速變化的輸入信號，因而具有較好的動態(tài)性能。
由于測控對象的具體情況不同，各種系統(tǒng)對穩(wěn)定、精確、快速這三方面的要求是各有側(cè)重的。例如，調(diào)速系統(tǒng)對測控的穩(wěn)定性要求較嚴(yán)格，而隨動系統(tǒng)則對測控的快速性提出較高的要求。
需要指出的是，對于一個測控系統(tǒng)而言，穩(wěn)、準(zhǔn)、快是相互制約的。提高快速性，可能會使得系統(tǒng)發(fā)生強烈振蕩；改善了穩(wěn)定性，測控過程又有可能過于遲緩，甚至精度也會變差。分析和解決這些矛盾，正是測控理論所要討論的主要內(nèi)容之一。
5 測控技術(shù)的發(fā)展趨勢
測控技術(shù)是一門新型的技術(shù)科學(xué)，也是一門邊緣科學(xué)。早在一千多年以前，我國就先后發(fā)明了銅壺滴漏計時器、指南針以及天文儀器等多種自動測控裝置，這些發(fā)明促進了當(dāng)時社會經(jīng)濟的發(fā)展。即使從 1788 年瓦特（ J.Watt ）發(fā)明蒸汽機飛球調(diào)速器算起，測控工程也已有了二百多年的歷史。然而，測控工程作為一門學(xué)科，它的形成并迅速發(fā)展卻是最近五六十年的事。
|
|
|
|
銅壺滴漏計時器 |
瓦特發(fā)明的飛球調(diào)節(jié)器 |
1） 控制工程的發(fā)展概況
二次世界大戰(zhàn)前，控制系統(tǒng)的設(shè)計因缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)而多采用試湊法。二次大戰(zhàn)期間，由于建造飛機自動駕駛儀、雷達跟蹤系統(tǒng)、火炮瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等軍事裝備的需要，推動了控制理論的飛躍發(fā)展。 1948 年威納（ N.Wiener ）發(fā)表了著名的《控制論》，從而基本上形成了經(jīng)典控制理論，使控制工程有了扎實的理論支撐。經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入 - 單輸出系統(tǒng)的分析和控制問題。
除了威納之外，在經(jīng)典控制理論的形成和發(fā)展過程中作出重大貢獻的還有： 1868 年，馬克斯威爾（ J.C.Maxwell ）發(fā)表了《調(diào)速器》一文，首先提出了 " 反饋控制 " 的概念； 1875 年，勞思（ E.J.Routh ）和 1895 年，赫維茨（ A.Hurwifz ）先后獨立地提出了判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)； 1932 年，尼奎斯特（ H.Nyquist ）提出了著名的尼奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)；此后，博德（ H.W.Bode ）總結(jié)了負(fù)反饋放大器； 1948 年，埃文斯（ W.R.Evans ）提出了根軌跡法，進一步充實了經(jīng)典控制理論。
二次世界大戰(zhàn)后，控制理論擴展到民用，在化工、煉油、冶金等工業(yè)部門得到了進一步的應(yīng)用，控制理論也日漸成熟。 1954 年，我國科學(xué)家錢學(xué)森發(fā)表了《工程控制論》這一名著，為控制工程這門技術(shù)科學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。
20 世紀(jì) 50 年代末和 60 年代，控制工程又出現(xiàn)了一個迅猛發(fā)展時期，這時由于導(dǎo)彈制導(dǎo)、數(shù)控技術(shù)、空間技術(shù)發(fā)展需要和電子計算機技術(shù)的成熟，控制理論發(fā)展到了一個新的階段，產(chǎn)生了現(xiàn)代控制理論。它是以狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)，主要分析和研究多輸入 - 多輸出、時變、非線性等系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。特別是近十幾年來，在計算機技術(shù)和現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)高速發(fā)展的推動下，現(xiàn)代控制理論在最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識、自適應(yīng)控制、智能控制等方面又有重大進展。
對現(xiàn)代控制理論作出貢獻的有： 1892 年，俄國的李稚普諾夫（ A.M. Лияпунов）提出的判定系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代控制理論； 1956 年，前蘇聯(lián)的蓬特里亞金（Л .C. Понтрягин）提出了極大值原理； 1956 年，美國的貝爾曼（ R.I.Bellman ）提出了動態(tài)規(guī)劃理論； 1960 年，美國的卡爾曼（ R.E.Kalman ）提出了卡爾曼濾波理論。
縱觀控制工程發(fā)展歷程，它是與控制理論、計算機技術(shù)、現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)的發(fā)展息息相關(guān)的。目前，控制理論正在與模糊數(shù)學(xué)、分形幾何、混沌理論、灰色理論、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳基因等學(xué)科的交叉、滲透和結(jié)合中不斷發(fā)展。
2） 測試技術(shù)的發(fā)展
先進技術(shù)的發(fā)展日新月異，測試技術(shù)應(yīng)該適應(yīng)這種發(fā)展。根據(jù)先進制造技術(shù)發(fā)展的要求以及測試技術(shù)自身的發(fā)展規(guī)律，不斷拓展著新的測量原理和測試方法，以及測試信息處理技術(shù)。
就機械工程而言，測控技術(shù)在以下幾個方面需要發(fā)展：
1）測量方式的多樣化
2）視覺測控技術(shù)
3）尺寸繼續(xù)向兩個極端發(fā)展
測量方式的多樣化
① 多傳感器融合技術(shù)在制造現(xiàn)場中的應(yīng)用 多傳感器融合是解決測量過程中測量信息獲取的方法，它可以提高測量信息的準(zhǔn)確性。由于多傳感器是以不同的方法或從不同的角度獲取信息的，因此可以通過它們之間的信息融合去偽存真，提高測量精度。
② 積木式、組合式測量方法 增加測試系統(tǒng)的柔性，實現(xiàn)不同層次不同目標(biāo)的測試目的。
③ 便攜式測量儀器 如便攜式光纖干涉測量儀、便攜式大量程三維測量系統(tǒng)等，用于解決現(xiàn)場大尺寸的測量問題。
④ 虛擬儀器 虛擬儀器是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在精密測試領(lǐng)域的應(yīng)用，一種是將多種數(shù)字化的測試儀器虛擬成一臺以計算機為硬件支撐的數(shù)字式的智能化測試儀器；另一種是研究虛擬制造中的虛擬測量，如虛擬量塊、虛擬坐標(biāo)測量機等。
⑤ 智能結(jié)構(gòu) 它屬于結(jié)構(gòu)檢測與故障診斷，是融合智能技術(shù)、傳感技術(shù)、信息技術(shù)、仿生技術(shù)、材料科學(xué)等的一門交叉學(xué)科，使監(jiān)測的概念過渡到在線、動態(tài)、主動的實時監(jiān)測與控制。
視覺測控技術(shù)
視覺測試技術(shù)是建立在計算機視覺研究基礎(chǔ)上的一門新興測試技術(shù)。與計算機視覺研究的視覺模式識別、視覺理解等內(nèi)容不同，視覺測試技術(shù)重點研究物體的幾何尺寸及物體的位置測量，如三維面形的快速測量、大型工件同軸度測量、共面性測量等。它可以廣泛應(yīng)用于在線測量、逆向工程等主動、實時測量過程。
兩個極端發(fā)展
兩個極端就是指相對于現(xiàn)在測量尺寸的大尺寸和小尺寸。通常尺寸的測量已被廣為注意，也開發(fā)了多種多樣的測試方法。近年來，由于國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和迫切需要，使得很多方面的生產(chǎn)和工程中測試的要求超過了我們所能測試的范圍，如飛機外形的測量、大型機械關(guān)鍵部件測量、高層建筑電梯導(dǎo)軌的準(zhǔn)直測量、油罐車的現(xiàn)場校準(zhǔn)等都要求能進行大尺寸測量；微電子技術(shù)、生物技術(shù)的快速發(fā)展，探索物質(zhì)微觀世界的需求，測量精度的不斷提高，又要求進行微米、納米測試。納米測量也多種多樣，有光干涉測量儀、量子干涉儀、電容測微儀、 X 射線干涉儀、頻率跟蹤式法珀標(biāo)準(zhǔn)量具、掃描電子顯微鏡 (SEM) 、掃描隧道顯微鏡 (STM) 、原子力顯微鏡 (AFM) 、分子測量機 M3(molecular measuring machine) 等。
|
