网络测控1第一次课

nullnull计算机网络测控技术主讲教师：赵祥模 教授 徐志刚 讲师实验指导：徐志刚 讲师 总 学 时：30学时 课程性质：限定选修课null 《计算机网络测控技术》 教学安排 一、学时安排： 理论学时：20学时（其中含考试2学时） 实验学时：10学时（5次实验课） null 二、教学内容安排： 第一章 绪论（2学时） 第二章 计算机检测与控制技术基础（4学时） 第三章 信号检测传感器（4学时） 第四章 计算机接口与数据采集技术（2学时） 第五章 数据总线与通信技术（2学时） 第六章 分布式网络测控系统（2学时） 第七章 测控系统抗干扰技术及一个典型的分布式 网络 测控系统（2学时） 考 试 （2学时） null 三、实验内容安排: 1、传感器认识及其测试实验(2学时) 2、信号放大及滤波实验 (2学时) 3、计算机数据采集实验 (2学时) 4、串行通信及以太网通信实验(2学时) 5、大型分布式网络测控系统参观 (2学时) null主要参考书目： 5.《传感器技术》 高晓蓉 编，西南交通大学出版社，2003 6.《检测与转换技术》 常健生 编，机械工业出版社，2000 7.《工业数据通信与控制网络》 阳宪惠 编著 清华大学出版社，2006 1.《网络控制系统》 张云生，祝晓红，王静编著 重庆大学出版社，2003 2.《PC计算机测控技术及应用》 李世平，韦增光， 戴凡编著 西安电子科技大学出版社，2003 3.《计算机控制系统》 吴坚；赵英凯，黄玉清编著 武汉理工大学出版社，2002 4.《网络化测控系统技术》 李凤保，杨黎明编著 四川大学出版社，2004null 学习要求： 1、认真听讲并做好笔记 2、认真完成每个试验 3、关于考试… 第一章 绪 论 第一章 绪 论1.什么是计算机网络测控技术？ null 计算机网络测控技术是以计算机为核心部件，以通用计算机网络为信息传输载体，将信号检测、数据处理与计算机控制融为一体的新兴综合性技术。它既能完成较高层次信号的自动化检测，又能完成远距离的信号传输及多种智能控制作用。null1、传感技术 2、微电子技术 3、自动控制技术 4、计算机技术 5、信号与处理技术 6、通信技术2.计算机网络测控技术所涉及的技术范围第一章、绪论7、模式识别技术 8、可靠性技术 9、抗干扰技术 10、计算机网络技术 11、人工智能技术§1.1 计算机检测与控制系统的基本结构 §1.1 计算机检测与控制系统的基本结构 一般说来，开环测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。 传感器将被测物理量(如噪声,温度) 检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行信号分析，显示记录装置则测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。 信息转换null1.1计算机检测与控制系统的基本结构 闭环计算机测控系统则由传感器、输入通道、中间转换电路、接口、计算机、输出通道和执行器七部分组成。null1.1.1传感器 传感器是用来将被检测的非电量信号，按照一定的物理或化学定律转换成便于计算、传输、存储和处理的电信号的一种器件。它好比是计算机测控系统的眼睛、鼻子、耳朵和手。 1、按输入的物理量分类： 可分为压力传感器、流量传感器、转速传感器、位移传感器、温度传感器、湿度传感器等。1.1计算机检测与控制系统的基本结构null 2、按信号转换类型分类： 可分为一次传感器和二次传感器。 3、按输出信号的的性质分类： 可分为模拟传感器和数字传感器两类。一次传感器直接测量加速度二次传感器将气体压力转换成位移再转化为电信号模拟传感器输出信号需要放大、调理、A/D转换后才能送入计算机数字传感器直接将测量结果通过无线网络传送给计算机1.1计算机检测与控制系统的基本结构null 输入、输出通道中传输的信号有三种形式：1.1.2 输入/输出通道 （1）模拟量：温度传感器（输入）应变式压力传感器（输入）加速度传感器（输入）扭矩控制器（输出）1.1计算机检测与控制系统的基本结构 模拟量输入通道是将各类传感器转换来的电信号转换成数字信号便于计算机处理。模拟量输出通道则是计算机将瞬时的数字控制量转化为执行机构可用的模拟量。null 开关量输入通道的任务是将现场的开关信号或仪表盘的各种继电器接点信号有选择地送入计算机，开关量输出通道的任务是产生开关量信号，用以操纵生产过程中具有两位状态的设备。 （2）开关量：1.1计算机检测与控制系统的基本结构null 转速传感器光电鼠标 （3）脉冲量： 脉冲量输入通道是通过定时/计数器测量脉冲序列的个数、频率、周期，通过一定的公式 换算从而到达测量物理量的目的，（如测量转速、位移、张力等）。脉冲量输出通道则是由计算机产生不同频率和占空比的脉冲序列从而驱动各种设备（如步进和伺服电机）。1.1计算机检测与控制系统的基本结构null1.1.3 中间转换电路1.1计算机检测与控制系统的基本结构　　被测量物理量通过信号检测传感器后转化为电参数或电量。其中电阻、电感、电容、电荷、频率等还需要进一步转换为电压或电流，这些功能都由中间转换电路来实现。中间转化电路包括：电桥、放大器、滤波器、整形电路、光电隔离电路、电平转换电路等等。null 1、传送控制： a. 使计算机与外设之间的操作同步； b. 请求数据并使数据按照正确的的程序出现以形成 控制信号； c. 监视计算机与外设的通信。 1.1.4 接口1.1计算机检测与控制系统的基本结构 　　接口在智能检测中与控制中占有十分重要的地位。在许多情况下接口问成为系统成功与否的关键, 功能如下：null2、数据传送： 提供串行或并行传输方式。 3、编码与译码： 在许多情况下需要进行代码转换，以便进一步处 理，如十进制和二进制的转换。 4、数据缓冲： 用来协调计算机与外围设备速度上的差异。 1.1计算机检测与控制系统的基本结构null1.1计算机检测与控制系统的基本结构 5、计数器： 用来产生一定的时序信号，或作为脉冲数目的累计。 6、逻辑与运算操作： 用来产生适当控制信号，或执行接口某些控制功能。 7、信号整形： 对出现相位或幅度上畸变的信号，进行必要的整形， 以便进行处理。null 计算机通过软件完成数据采集、分析处理、识别报警、检测控制等，是整个检测与控制系统的核心部件。1.1.5.计算机1.1计算机检测与控制系统的基本结构null1.1.6.执行器 用于完成执行动作的执行器有电气开关（如继电器、操作开关），电磁式执行机构（如电磁铁、电磁离合器），执行电动机（如直流伺服电机、交直流伺服电机、步进电机）气动和电动执行器（如气动阀、电动阀），液压执行器（如液压缸、液压马达）等。1.1计算机检测与控制系统的基本结构null 计算机检测和控制系统中根据监控对象的不同，可分为在线和实时两类。 在线 是指计算机与监控对象直接连接，这种方式就叫在线方式或联机方式。 实时 是指信号的输入计算分析处理和输出必须在同一时间内完成，如果超出了这个是时限，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。 1.1计算机检测与控制系统的基本结构null1.1计算机检测与控制系统的基本结构 　　注意：在线不一定是实时，而实时一定是在线。实时的概念不能脱离具体过程，如炼钢炉的温度，如果延迟 1秒可仍然认为是实时的，而一个火炮控制系统，当目标量变化的时候，一般必须在数毫秒之内及时控制，否则不能击中目标。 下面举一个简单的计算机检测控制系统的实例如图所示。 下面举一个简单的计算机检测控制系统的实例如图所示。 1.1计算机检测与控制系统的基本结构 该系统用于控制电炉温度的加热器。控制装置使电炉内的温度按事先规定的过程变化。其过程概括为：温度传感器将检测信号送入计算机进行处理，再把处理结果送给控制装置，以实现对加热器的温度控制。电炉温度检测与控制系统原理图null1.1计算机检测与控制系统的基本结构基于模糊控制算法的计算机水温控制系统§1.2计算机检测与控制技术应用方式§1.2计算机检测与控制技术应用方式 利用计算机进行检测与控制的方式很多，下面介绍几种典型的方式。1.２计算机检测与控制系统的应用方式null 一、用于数据采集和处理 利用计算机可把生产过程中有关参数的变化，经过测量变换元件测出，然后集中保存或记录，例如： 1、使用计算机的巡回检测系统，可以定时轮流对几十、几百、甚至上千个参数进行测量显示（或打印）。1.２计算机检测与控制系统的应用方式null 2、使用计算机的数据采集系统，可以把数据成批储存或复制，也可以把数据通过传输线路送到中心计算机。 3、使用计算机的信号处理系统，可以把一些仪器测出的曲线经过计算机处理，得出一些特征数据等。 1.２计算机检测与控制系统的应用方式 计算机数据采集与处理系统有离线与在线之分。 计算机数据采集与处理系统有离线与在线之分。 首先，仪表监测人员必须在规定时间间隔内反复读出一个或多个测量仪表的数值，并把这些数据记录在有关表格上（或者再将这些数据存放到某种数据载体上，例如磁盘等），然后输入计算机进行处理，得出计算结果并获得测量结果的记录。1.２计算机检测与控制系统的应用方式离线数据采集与处理系统框图null 离线采集与处理的缺点在于： 1、数据收集需要大量的人力。 2、从读出测量值到算出结果需要较长的时间。 1.２计算机检测与控制系统的应用方式因此，测量数据收集的速度和范围自然受到极大限制。 采用在线数据采集和处理，可以把测量仪表所提供的信 号直接送入计算机进行处理识别并给出检测结果。这样运行费用可大大减少。 采用在线数据采集和处理，可以把测量仪表所提供的信 号直接送入计算机进行处理识别并给出检测结果。这样运行费用可大大减少。1.２计算机检测与控制系统的应用方式在线数据采集与处理系统框图null 二、用于生产控制 1、操作指导系统 这种系统每隔一定时间，把检测得的生产过程中的某些参 数值送入计算机，计算机按生产的要求计算出应该采用的控制 动作，并显示或打印出来，供操作人员参考。操作人员根据这 些数据，结合自己的实践经验，采取相应的动作。1.２计算机检测与控制系统的应用方式 在这种系统中，计算机不直接干预生产，只是提供参考数据。 在这种系统中，计算机不直接干预生产，只是提供参考数据。操作指导系统典型结构图1.２计算机检测与控制系统的应用方式null 2、顺序控制与数字控制系统 由计算机对一部分或几部分生产设备或一个生产过 程进行比较复杂的顺序控制，且其中某些动作有一定的数 值（尺寸）要求（例如加工一定尺寸的工件），这种控制 就是数字控制。1.２计算机检测与控制系统的应用方式 下图是一个采用计算机的开环数控系统。计算机直接放在机床旁边，负责接受工作的几何尺寸数据，并把这些数据转换成机床的控制指令。这些指令通过电子耦合线路直接馈送到机床的控制部分。 下图是一个采用计算机的开环数控系统。计算机直接放在机床旁边，负责接受工作的几何尺寸数据，并把这些数据转换成机床的控制指令。这些指令通过电子耦合线路直接馈送到机床的控制部分。1.２计算机检测与控制系统的应用方式开环数控系统结构图 下图是采用计算机的闭环数控系统。它除了具备机床控制的各种功能外，还应当具有下述功能：对工件进行测量，对几何尺寸数据的给定值和实测值进行比较，并根据比较结果发出控制指令馈送给机床的控制部分。闭环数控系统具有加工精度高和刀具磨损小及其对干扰不敏感等优点。 下图是采用计算机的闭环数控系统。它除了具备机床控制的各种功能外，还应当具有下述功能：对工件进行测量，对几何尺寸数据的给定值和实测值进行比较，并根据比较结果发出控制指令馈送给机床的控制部分。闭环数控系统具有加工精度高和刀具磨损小及其对干扰不敏感等优点。1.２计算机检测与控制系统的应用方式闭环数控系统结构图 3、计算机直接控制系统 在这种系统中，计算机本身被用来代替反馈控制系统的控制部分，直接控制生产过程。如下图所示。 3、计算机直接控制系统 在这种系统中，计算机本身被用来代替反馈控制系统的控制部分，直接控制生产过程。如下图所示。1.２计算机检测与控制系统的应用方式计算机直接控制系统结构图null 当然，用一台计算机仅控制少数几个参数是不划算的， 通常以分时方式去控制十几个、几十个、甚至上百参数。 计算机直接控制系统的缺点是可靠性较差，如果计算 机本身出现故障，则整个系统不能工作。因此，在应用于连 续生产过程时，对于计算机的可靠性应有较高的要求。1.２计算机检测与控制系统的应用方式 4、计算机前馈控制系统 在这种系统中，计算机代替前馈控制系统的控制部分，如下图所示。计算机不断地观测生产过程的变化，并生成相应的控制信号，送入控制器中。当然，一台计算机也可以同时控制若干台控制器（以分时方式工作）。 4、计算机前馈控制系统 在这种系统中，计算机代替前馈控制系统的控制部分，如下图所示。计算机不断地观测生产过程的变化，并生成相应的控制信号，送入控制器中。当然，一台计算机也可以同时控制若干台控制器（以分时方式工作）。1.２计算机检测与控制系统的应用方式计算机前馈控制系统结构图null 计算机前馈控制系统的优点是可靠性比较高，计算机本身即使出现故障，系统照样可以在常规控制器下操纵下工作。1.２计算机检测与控制系统的应用方式null 5、计算机监控系统 这种系统与直接控制的区别在于： a.它不直接去驱动执行机构，而是根据生产情况计算出某些参数应该保持的值。 b.然后去改变常规控制系统（反馈控制系统）的给定值（设定值）。 c.由常规控制系统去直接控制生产过程。 因此，它多用于程序控制、比值控制、串级控制、最优控制或者用于越限报警、事故处理等。1.２计算机检测与控制系统的应用方式null 智能自适应控制系统由于引入了知识库与推理决策模块，使系统的自适应能力得到了根本改善。1.２计算机检测与控制系统的应用方式智能自适应控制系统结构图6、智能自适应控制系统null 7.智能自修复控制系统 这种系统对设备在运行中出现的故障，不但能进行检测诊断，还具有自补偿自消除和自修复的能力。 例如美国正在研制一种自动加固的直升飞机旋翼叶片,当飞机在飞行中遇到疾风作用使旋翼猛烈震动时，分布在叶片中的小液滴就会变成固体而自动加固和对裂纹进行自动修复。1.２计算机检测与控制系统的应用方式null 三、用于生产调度管理 当采用功能较强的计算机时，它除了用于控制生产过程外，还可以进行生产的计划和调度，其中涉及生产过程的数据处理、选择等。在这种系统中，由于它兼有控制与管理两种功能，所以也常叫做集成系统或综合系统。 上面介绍了几种典型的应用方式。对于一个具体的计算机检测与控制系统，很可能同时兼有上面两种甚至多种系统的功能。1.２计算机检测与控制系统的应用方式§1.3 计算机检测与控制系统的工程应用 在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测控技术。测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。 §1.3 计算机检测与控制系统的工程应用 1.3 计算机检测控制技术的工程应用 null1、工业自动化中的应用 a. 机械手、机器人中的传感器 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。 1.3 计算机检测与控制技术的工程应用 在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。广州中鸣数码的机器狗nullb. AGV自动引导车(automated guided vehicle，简称AGV) AGV自动引导车为全自动无人驾驶搬运车，多用于现代物流企业工业企业的自动生产线，采用超声波测距传感器判断建筑物内人和物所在位置；采用红外线色彩传感器自动寻迹，采用条形码传感器进行货品识别，能自动地将货物搬运到指定地方。1.3 计算机检测与控制技术的工程应用 nullc. 生产加工过程监测 利用切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器全程监控生产加工过程保证产品质量。密歇根大学数字化工厂1.3 计算机检测与控制技术的工程应用 null2、流程工业设备运行状态监控 在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。 石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。1.3 计算机检测与控制技术的工程应用 null3、产品质量检测 在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。 1.3 计算机检测与控制技术的工程应用 null4、楼宇控制与安全防护 为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。 1.3 计算机检测与控制技术的工程应用 null5、家庭与办公自动化 在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。1.3 计算机检测与控制技术的工程应用 null6、其他应用1.3 计算机检测与控制技术的工程应用 null7、PC机中的测控技术应用1.3 计算机检测与控制技术的工程应用 null 1、电子测量仪器、自动化仪表、自动化检测系统、数据采集和控制系统在过去是分属于各学科领域，并各自独立发展。由于生产自动化的需 求，使他们在发展中相互靠近，功能相互覆盖，差异缩小，体现为一种“信息流”综合管理和控制系统（信息流可以是物理参数过程信息流，也可以是自动测试参数的信息流，或者管理生产的信息流）。§ 1.４计算机检测与控制技术的发展趋势一、综合化1.4 计算机检与控制技术的发展趋势 null 2、 其综合目的是为了提高人们对生产过程全面的监视、检测、控制与管理等多方面的能力。 3、 与此同时，对检测与控制技术也提出了更高的技术要求，如高灵敏度、高精度、高分辨率、高可靠性、高稳定性及高自动化等，这种要求提高系统的综合与设计能力，综合利用内在规律，使系统性能向更强和层次更高的方向发展。1.4 计算机检与控制技术的发展趋势 null 现代检测与控制系统，或多或少地趋向于智能化这个特点。所谓智能，是指随外界条件的变化，具有确定正确行动的能力，也即具有人的思维能力以及推理并作出决策的能力。 二、智能化火星探测器1.4 计算机检与控制技术的发展趋势 null 现代检测与控制任务更多地涉及到系统的特征。所谓系统是指若干个相互间有内在关联的要素构成的一个整体，由它来完成规定的功能，以达到某一特定的目标。三、系统化及标准化1.4 计算机检与控制技术的发展趋势 null 例如：作为采集检测与控制用的前端机或仪表，它需要与生产设备的主机、辅机合成一体，相互建立通信联系，有时还需要以一个车间、一个工厂作为系统的整体。由此形成了各种集散式、分布式数据采集与控制，以适应系统的开放、复杂工程及大系统的整体。在研究集散与分布式控制系统中，要涉及数据通信、计算机网络技术及系统分层递阶控制技术等知识。 在向系统发展的同时，还涉及系统部件接口的标准化、系列化与模块化，以便达成通用整体。1.4 计算机检与控制技术的发展趋势 null 虚拟仪器VI（Virtual Instrument)是利用现有的PC计算机，加上 特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有 一般仪器所没有的特殊功能的新型计算机仪器系统。代表着当今仪器的 发展方向。 四、仪器虚拟化1.4 计算机检与控制技术的发展趋势 null五、网络化 计算机检测和控制，可以用一台计算机作为核心机，也可以由多台计算机来实现。尤其在计算机网络技术迅速发展的今天，将一个计算机检测和控制系统接入计算机网络，无疑会进一步增强其活力，因此网络化也是计算机检测与控制技术的一个重要发展方向。1.4 计算机检与控制技术的发展趋势 null§ 1.5主要传感器和测控仪器生产厂商1.５ 主要传感器和测控仪器生产厂商null3、测量分析仪器 1.５ 主要传感器和测控仪器生产厂商null4、工业PC及测控板卡 台湾研华科技公司(全球最大的计算机测控板卡生产商)1.５ 主要传感器和测控仪器生产厂商null第一章、绪论思考题： 1、列出你身边的测控技术应用的例子。 2、计算机测控系统主要由那几部分组成？各部分的作用 是什么？ 3、分析说明计算机在检测与控制技术中的地位和作用。 4、计算机检测与控制主要有哪些应用方式？试举例说明。 5、试设计一个计算机检测与控制系统，并简述工作原理。nullProject Based Learning： 培养学生在实践中对知识融会贯通，独立学习和解决问题的能力 。打算： 针对学有余力的同学开设一门独立于课程之外的开放性测控实验课。课外开放性实验