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带你读《传感器系统:基础及应用》之一:工程中的传感器系统

简介: 本书包括传感器相关的数学、物理、电路等基础理论,介绍了相关的性能指标、性能选择以及集成到工程系统所需的软硬件,讲述了先进的传感器技术、分析建模、实际应用和设计研究实例。全书共12章,前面7章是传感器的基础知识,第8~11章分别讨论了不同种类传感器的结构及实际应用,第12章涉及先进的传感器技术。 本书可以作为高等学校测控技术与仪器、自动化、机电一体化、电气工程等专业高年级本科生和研究生教材,也可供相关科研和工程技术人员学习参考。

国外电子与电气工程技术丛书
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传感器系统:基础及应用
Sensor Systems: Fundamentals and Applications

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[加] 克拉伦斯·W.德席尔瓦(Clarence W. de Silva) 著
詹惠琴 崔志斌 彭杰纲 古 军 译

第1章 工程中的传感器系统  

本章主要内容
●传感器和传感器系统的作用
●估计在传感中的重要性
●创新的传感器技术
●工程应用场景
●人类感官系统
●机电一体化工程中的传感器
●控制系统中的传感
●仪表化的过程
●应用实例
●本书的组织结构

1.1 传感器和传感器系统的作用

传感器
传感器(例如,半导体应变片、转速计、RTD温度传感器、照相机、压电加速度计)被用来测量(即感测)工程系统及其环境中的未知信号和参数。本质上,传感器是用于监视和“学习”某个系统以及其与周围环境可能的相互作用的。这些知识不仅在操作和控制系统方面有用,并且对于其他目的也是有用的,比如:
1.过程监控
2.实验建模(即模型识别)
3.产品测试和认证
4.产品质量评估
5.故障预测、检测和诊断
6.报告/警告的生成
7.监视
传感器的常见应用是在汽车中,如图1-1所示,在动力总成、驾驶辅助、安全性和舒适度等系统中使用了大量各式各样的传感器。这里给出了商用传感器的一些示例。

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●运动传感器:电位计、线性可变差动变压器(LVDT)、磁致伸缩位移传感器,磁感应接近传感器、转速计、旋转变压器、同步器、陀螺仪、压电加速度计、激光测距仪、超声波测距仪。
●力/转矩传感器:半导体应变片和电动机电流传感器。
●流体流量计:科里奥利流量计、皮托管、转子流量计和孔板流量计。
●压力传感器:压力计、波登管和隔膜类型的传感器。
●温度传感器:热电偶、热敏电阻和电阻温度探测器(RTD)。
传感器系统
“传感器系统”可能意味着:
1.多传感器系统,包括传感器网络和传感器/数据融合(当一个传感器可能不适合特定应用时)。
2.在实际应用(例如,信号处理、数据采集、数据传输/通信)中需要的传感器及其附件。
本章将介绍这两类传感器系统的几个例子,并在后续章节做进一步研究。
本书涉及单个传感器和传感器系统,将介绍它们的物理原理和操作原理、等级和性能规格、选型和集成到工程系统中时必要的软硬件、信号处理和数据分析、参数估计和决策,以及与传感器和传感器系统相关的实际应用。
控制系统中的使用
传感器和传感器系统在控制系统中是不可或缺的。控制系统是一个包含控制器且将其作为一个完整部分的动态系统。控制器的目的是产生控制信号,该控制信号将利用各种控制装置以期望方式(即根据性能规格,见第5章)来驱动控制的过程(或设备)。尤其是在反馈控制系统中,控制信号是根据感测到的设备响应信号产生的。反馈控制系统中的传感器和其他主要组件如图1-2所示。

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1.1.1 传感过程中估计的重要性

来自传感器的测量可能不能提供所需参数或变量的真实值,主要有两个原因:
1.所需的量不是可以直接测量的,必须通过使用合适的“模型”,利用测量值计算所得。
2.传感器(甚至传感过程)并不完美,将会引入“测量误差”。
因此,传感过程可能被视为估计问题(见第7章),使用测量数据“估计”被测量的真实值。“模型误差”和“测量误差”这两大类误差将会进入估计过程,并影响结果的准确性。模型误差源于感兴趣的量与被测量(或系统模型)之间的关系。未知的(和随机的)输入干扰也可以在模型误差中进行处理。测量误差来源于传感器和感测过程(例如,如何安装传感器以及如何收集、传送和记录数据)。很明显,参数和信号的估计是感测的重要步骤。有许多方法可用于估计。其中一些会在本书中进行介绍(例如,最小二乘法、最大似然法、卡尔曼滤波器、扩展卡尔曼滤波器、无迹卡尔曼滤波器;参见第7章)。

1.1.2 创新的传感器技术

除了传统的传感器,还有很多创新型和高级传感器(见第10~12章),其中有几种类型的传感器如下所示:
1.微型和嵌入式传感器,它们基于集成电路(IC)技术和微机电系统(MEMS)技术,集成信号处理、控制和其他硬件;传感器可能与系统组件进行集成。
2.智能传感器,它内置信息预处理、推理、论证以提供基于高级知识的决策;多传感器融合可以提供更可靠和准确的结果。
3.网络传感器,多个传感器节点(SN)在分布式传感设备中相互通信;节点之间可能存在显著的地理上的分离;传感器节点连接可能是有线或无线的;通常传感器节点包含一个或多个传感器、微控制器和信号调理硬件。
4.分级检测架构(低级感应信息被预处理以满足更高级别的要求),如在分级控制中,每个控制层由相应的传感器层提供服务。

1.2 应用场景

传感器和换能器对于采集监控系统的输出信号(过程响应)来说是必要的,包括:故障预测、检测和诊断;产生警告和建议;反馈控制;监控和对实验建模(系统识别)输入信号的检测;还有前馈控制以及各种其他目的。由于在动态系统中存在许多不同类型和电平的信号,所以信号修整(包括信号调理和信号转换;参见第3章和第4章)是与传感相关的重要功能。特别地,信号修整是组件接口中的重要考虑因素,很明显,有关系统仪表的主题应该能处理传感器、换能器、信号修整和部件互连之间的关系。特别地,该主题应涉及类型、功能、操作和交互等必要系统组件的识别,以及为了适应各种应用而对组件选型和接口进行的设计。参数选择(包括组件尺寸和系统调优)也是很重要的。设计是系统仪表的必要部分,因为设计使我们能够构建一个满足性能要求的系统——也许要通过几个基本组件,如传感器、执行器、控制器、补偿器和信号修整装置。
工程师特别是机电工程师应该能够识别或选择组件,尤其是系统中的传感器、执行器、控制器和接口硬件,从而建模和分析各个组件以及整个集成系统,并为组件选择合适的参数值(即组件尺寸和系统调优),以便系统根据某些规格执行预期功能。
仪器(传感器、执行器、信号采集和修正器、控制器和附件以及它们在过程中的集成)适用于工程部门。通常,仪器适用于过程监控、测试以及故障预测、检测和诊断,并在几乎每个工程系统中进行控制。工程部门和典型的应用场合如下所示:
●航空航天工程:飞机和航天器。
●土木工程:土木工程结构(桥梁、建筑物等)的监测。
●化学工程:化学工艺和植物的监测与控制。
●电子和计算机工程:开发电子和计算机集成设备、硬盘驱动器等,传感器嵌入式系统以及电子和计算机系统的控制和监控。
●材料工程:材料合成工艺和材料试验。
●机械工程:车辆和运输系统、机器人、生产线、工厂、发电系统、喷气式发动机、石油和天然气开采的运输和精炼。
●采矿与矿产工程:采矿机械、工艺及原料的加工。
●核工程:核反应堆的监测和控制以及组件的测试和鉴定。
我们已经将汽车强调为传感器和传感器系统的重要应用场景。表1-1中列出了几种传感器的使用。这里只列出了一些重要的应用领域。

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如前所述,运输是传感器广泛应用的领域,特别是在地面运输、汽车、火车和自动化运输系统中,会使用安全气囊展开系统、防抱死制动系统(ABS)、巡航控制系统、主动悬挂系统,以及用于监控、收费、导航、警告和控制智能车辆公路系统的各种设备。所有这些设备都使用传感器和传感器系统。在空中运输中,现代飞机采用先进的材料、结构、电子和控制技术,这些都从复杂的传感器中获益。飞行模拟器、飞行控制系统、导航系统、起落架机构、旅行者/驾驶员舒适感辅助装置等使用主要用于监视和控制的传感器和传感器系统。
制造和生产工程是使用各种传感器技术的另一个广泛领域。例如,工厂机器人(用于焊接、喷涂、组装、检验等)、自动化导向车(AGV)、现代计算机数控机床、加工中心、快速(虚拟)原型系统以及微加工系统。产品质量监控、机床/机床监控和高精度运动控制在这些应用中尤为重要,这些应用需要先进的传感器和传感器系统。
在医疗和健康护理应用中,用于患者检查、手术、康复、药物分配和一般患者护理的传感器技术正在开发和使用。在这种情况下,新型传感器和传感器系统应用于患者转运装置、各种诊断探头和扫描仪、床、运动器械、假肢和矫形装置、物理治疗和远程医疗。
在现代办公环境中,自动归档系统、多功能复印机(复印、扫描、打印、电子传输等)、食品分配器、多媒体演示、会议室以及楼宇气候控制系统都结合了先进的传感器和传感器系统技术。
在家庭应用中,家庭安全系统、机器人护理人员和助手、机器人吸尘器、洗衣机、干衣机、洗碗机、车库门开启器和娱乐中心都使用了各种传感器及其相关技术。
数字计算机和相关的数字设备使用了微机电系统(MEMS),这些系统均嵌入和集成了传感器。因为数字器件已集成到各种各样的设备和应用当中,所以这使得传感器的影响更大了。
在土木工程应用中,起重机、挖掘机和其他工程机械,以及建筑物、水库和桥梁都通过采用适当的传感器和传感器系统来提高性能。
在空间应用中,诸如NASA的火星探测器、空间站机器人和航天飞机等移动机器人的正确操作和控制也依赖于传感技术。
组件的识别、分析、选择匹配和接口设计,以及组件尺寸的调整和整合系统的调优(即调整参数以使得系统获得所需的响应)是工程系统中仪表和设计的关键任务。本书在传感器和传感器系统的背景下解决了这些问题,它从基础开始,系统地引出先进的概念和应用。

1.3 人体感官系统

“智能”机器人发展中的一个强大领域就是可以通过感知模仿自然智能的特征。机器人传感器设计的主要目标是使其可以发挥人类感官活动(五种感官)的作用:
1.视力(视觉)
2.听力(听觉)
3.触摸(触觉)
4.气味(嗅觉)
5.味道(味觉)
从基本的传感器(相机、传声器和触觉传感器)开始,前三类传感器处于更先进的发展阶段。最后两类传感器主要用于化学过程,较不常见。
除了这五种感官之外,人类还具有其他类型的感官特征,特别是平衡感、压力感、温度感、疼痛感和运动感。事实上,这些感官能力中的一些将涉及通过中枢神经系统(CNS)同时使用五种基本感觉中的一种或多种。
在发展过程中,机器人和其他工程系统早已依赖于人类和其他动物的感知过程。基本的生物感官过程如图1-3所示。受体受到刺激(例如,视觉光、听觉声波),神经元中的树突将树突中的刺激能量转换成机电脉冲。然后神经元的轴突将相应的动作电位传入脑部的中枢神经系统。之后这些电位由大脑解释以产生相应的感觉。对于工程传感过程而言,如机器人中的操作过程,基本上是类似的过程。我们将在后面的章节中看到,它们涉及传感器、换能器,以及信号的传输、转换和处理。

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1.4 机电一体化工程

机电一体化课题是通过综合设计方法,实现涉及力学、电子学、控制和计算机工程在机电产品和系统开发中的协同应用。机电一体化特别适用于混合域(或多域)系统,它集成了多个物理领域,如电气、机械、流体和热能。例如,汽车的ABS涉及机械、电子、液压和热传递,并且可以作为机电产品以“最佳”的方式来设计。机电一体化产品和系统包括现代汽车、飞机、智能家用电器、医疗机器人、航天器和办公自动化设备。
典型的机电一体化系统由机械骨架、执行器、传感器、控制器、信号调理/修整设备、计算机/数字硬件和软件、接口设备和电源组成。所有这些类型的组件都涉及不同类型的感测、信息采集和传输。例如,伺服电动机是具有感应反馈能力以准确产生复杂运动的电动机,由机械、电气和电子部件组成。其主要机械部件是转子、定子、轴承、速度传感器的机械组件(如光学编码器和电动机外壳)。电气部件包括用于励磁绕组和转子绕组(不是永磁转子的情况)的电路以及用于功率传输和换向的电路(如果需要)。电子部件包括感测所需的部件(例如,用于位移和速度感测的光学编码器和用于速度感测的转速计)。可以通过采用机电一体化的方法来改进伺服电动机的总体设计,其中所有组件和功能在设计中以集成的方式同时处理。

1.4.1 机电一体化的方法

机电一体化工程的研究应包括机电一体化产品或系统的建模、设计、开发、集成、仪器仪表、控制、测试、操作和维护的各个阶段。从仪器的角度(包括传感技术在内)来看,必须对组件选择、建模、集成、评估和操作采取“最优”和统一的方法,而不是顺序方法。具体来说,“仪器仪表”必须被视为“设计”的一个组成部分。这是因为通过设计,我们可以开发能够在满足某些性能规格的情况下执行所需功能的系统。传感器、传感器系统和仪器仪表在实现设计目标方面发挥着直接的作用。
传统意义上,在机电系统等多域(或混合域)系统设计中已采用“顺序设计”的方法。例如,首先设计机械和结构部件,接下来选择或开发电气和电子部件并实现它们之间的互连,随后选择计算机或相关的数字器件并与数字控制器相连接。然而,系统各个组件之间的动态耦合(交互)决定了系统的精确设计应该将整个系统作为一个整体考虑,而不是依次设计不同的域(例如,电气/电子方面和机械方面)。当独立设计的组件进行互连时,可能会出现以下几个问题(见第2章)。
1.当两个独立设计的组件相互连接时,两个组件的原始特性和操作条件将由于负载或动态交互作用而发生改变。
2.由于两个独立设计和开发的组件的完美匹配实际上是不可能的。因此,在相互连接的系统中,组件可能未得到充分的利用或过载。在这两种情况下设计都是无效的,还可能是危险的,并且是不符合要求的。
3.组件中的一些外部变量由于互连作用而将变为内部的和“隐藏的”,这可能导致潜在的问题,即无法通过传感器进行明确检测,并且无法直接控制。
多领域(如机电)系统的集成和并行设计的需求是使用“机电一体化”方法的主要理由。特别是,当在设计过程中引入仪器时,对于传感器、其他部件和接口硬件,采用这种统一且集成的方法是可行的。例如,参见远程医疗系统的传感器夹克的设计和开发(本章末尾的实例项目)。适用于人体健康监测的传感器技术的最新进展(如生物医学纳米传感器、压电传感器、力和运动传感器),以及用于检测人体异常运动的光学/视觉传感器可以并入到夹克中。然而,为了获得最佳性能,传感器的选型/开发、定位、安装和集成不应该独立于夹克其他方面的开发来进行。例如,可以采用机电设计比值(mecha-tronic design quotient,MDQ)来代表夹克整体设计的“优秀”程度,其中设计指数是针对每个设计要求定义的(例如,尺寸、结构、部件、成本、精度、速度)。然后,诸如传感器尺寸、接口硬件、功率要求以及组件位置和配置等参数可以一同并入MDQ中,这将改善/优化信号采集和处理过程、体态一致性、重量、鲁棒性和成本,并且提高传感器夹克提供的信息的速度、准确性和可靠性。

1.4.2 机电一体化仪器的瓶颈

尽管机电一体化方法在理论上是“最佳”的,特别是在仪器仪表方面,然而实现方法所规定的最佳结果可能不实用。机电一体化方法要求包括过程和仪器在内的整个系统同时设计。这假定整个系统的所有方面和组件都可以根据机电一体化的结果进行(连续的)修正。然而,除非整个系统(包括过程)是一个新的设计,否则这种灵活性往往是不现实的。例如,通常该系统已经可用,试图修改其部件或全部组件是不实用、不方便或不划算的。然后,即使仪器是根据机电一体化程序选择的,并且也能够自由地调整整个设备,但整个系统也不会达到最佳。此外,在实际中,可用的组件是分立式和有限的,即使最优性规定了组件的特定规格,我们可能也只能选择性能或规格不同(但接近)的组件。
例如,考虑一个公共交通工具的自动化车辆导轨系统。假设系统已经存在,需要更换其中的一些汽车。对导轨进行大规模的修改以适应汽车的新设计是不现实的。事实上,即使为它设计了特定导轨,汽车的设计自由也将受到限制。即使汽车的设计和仪表已达到最佳,根据机电一体化可知,整车导轨系统的运行也不是最佳的。
很明显,对于现有过程,真正的机电一体化仪器可能是不完美的。此外,由于仪表组件(传感器、执行器、控制器、附加硬件等)可能来自不同的制造商,所以如前所述,其可用性将受到限制,所以实现真正的“机电一体化”产品是不实际的(因为可用的组件是有限的,并且可能未实现真正的兼容)。

1.5 控制系统的架构

传感器系统是控制系统仪表中的重要组成部分。控制器是任何控制系统的重要组成部分,它根据一些规格使设备(即正在控制的过程)以期望的方式运行。至少包括设备和控制器的整个系统称为控制系统。该系统可能相当复杂,并且可能受到已知或未知的激励(即输入),比如飞行器。
与控制系统相关的一些有用的术语如下所示:
●设备或过程:要控制的系统。
●输入:命令、驱动信号或激励(已知或未知)。
●输出:系统响应。
●传感器:测量系统变量(激励、响应等)的装置。
●执行器:驱动系统各部分的设备。
●控制器:产生控制信号的设备。
●控制规律:产生控制信号的关系或方案。
●控制系统:至少包括设备和控制器(可能包括传感器、信号调理和其他组件)。
●反馈控制:根据设备响应确定控制信号。
●开环控制:设备响应不用于确定控制动作。
●前馈控制:根据设备激励或模型确定控制信号。
如图1-4所示,我们已经确定了反馈控制系统的关键组件,并且将其表示为几个分布框图,这取决于典型控制系统中出现的各种功能。在实际的控制系统中,可能难以实现这种类型清晰的部件划分;一个硬件可能执行几个功能,或多个不同的设备单元可能与一个功能相关联。特别是嵌入式系统可能具有分布式多功能组件,而将其中的功能块进行划分是困难的。尽管如此,图1-4在理解一般反馈控制系统的架构方面还是有用的。在模拟控制系统中,控制信号是由模拟硬件产生的连续时间变量;特别地,控制器也是模拟装置。另一方面,在数字控制系统中,由于控制器是数字处理器(如微控制器),因此不需要对控制信号进行采样或编码(数字表示)。

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由于以下的原因,控制问题可能变得具有挑战性:
●复杂的设备(多输入和多输出、动态耦合、非线性、时变参数等)
●严格的性能指标
●未知或不可测量的激励(未知输入/干扰/噪声)
●未知或不可测量的响应(不可测量的状态变量和输出、测量误差和噪声)
●未知的动态特性(不完全可知的设备)
由于控制系统的操作是基于一组性能规范的,所以确定良好的控制系统应具有的关键性能至关重要。特别地,以下性能要求很重要(见第5章):
1.足够稳定的响应(稳定性)。具体来说,系统对初始状态激励的响应应该衰减到初始稳态(渐近稳定性)。有界输入的响应应该是有界的(有界输入有界输出[BIBO]稳定性)。
2.响应速度快(响应速度或带宽)。系统应对控制输入或激励作出快速反应。
3.对噪声、外部干扰、建模误差和参数变化(灵敏度和鲁棒性)的敏感度低。
4.高灵敏度的控制输入(输入灵敏度)。
5.低误差,如跟踪误差和稳态误差(精度)。
6.减少系统变量之间的耦合(交叉灵敏度或动态耦合)。
这里列出的一些指标相当常见。表1-2总结了控制系统的典型性能要求。其中一些要求可能是彼此冲突的。例如,尽管通常通过增加系统增益来实现快速响应,然而增大增益会导致激励信号增大,有使控制系统不稳定的趋势。还要注意,这里给出的主要是“良好”的定性描述。然而,在设计控制系统时,必须以定量的方式来说明这些描述。所使用的定量设计规范的性质在很大程度上取决于所采用的特定设计技术。设计规范中的一些参数是时域参数,其他是频域参数。

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1.5.1 反馈和前馈控制

如前所述,由于在反馈控制系统中,控制回路必须闭合,通过感测系统响应来产生控制信号,因此,反馈控制也称为闭环控制。
如果设备是稳定的,并且是完全准确已知的,同时设备的输入能够由控制器精确地产生和应用,则即使没有反馈控制,也可以进行精确的控制。在这种情况下,是不需要测量系统的(或至少响应不需要反馈到控制器),因此我们会得到一个开环控制系统。在开环控制中,我们不使用当前的系统响应来确定控制信号。换句话说,没有任何反馈。即使在开环架构中没有明确要求使用传感器,传感器也可以与开环系统一起使用,以监视所施加的输入、得到的响应和可能的干扰(未知)输入。
无论在给定应用中控制系统架构如何具体实现,传感器和传感器系统的意义和重要性都保持不变。我们现在将介绍几种控制系统实现架构,同时指出其中存在的传感器。
即使在反馈控制系统中,也可能存在未检测到并用于反馈控制的输入。这些输入中的一些可能是重要的变量,但通常情况下,它们不是希望的输入(如外部干扰,但有可能不可避免)。通常,通过测量这些(未知)输入并以某种方式使用该信息来产生控制信号,可以提高控制系统的性能。在前馈控制中,测量未知输入并且将该信息与所需输入一起产生控制信号,可以减少由这些未知输入或其变化引起的误差。前馈控制方法的命名原因,是相关测量和控制(或补偿)都发生在控制系统的前向路径中。注意:在某些类型的前馈控制中,输入信号是通过设备模型生成的(可能不涉及感测)。
作为一个实际例子,考虑图1-5a所示的天然气家庭供暖系统。系统的简化图如图1-5b所示。在常规反馈控制中,测量出室温并且使用其与期望温度(设定点)的偏差来调节进入炉内的天然气流量。这通常通过温控器的开/关来控制。即使采用比例或三模式[比例积分微分(PID)]控制,如果系统的其他(未知)输入有很大变化(如炉内的水流量、进入炉内的水温和室外温度),那么很难将室温稳定在所需值。

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通过测量这些干扰输入并且在生成控制时使用这些信息可获得更好的结果。这就是前馈控制。请注意,由于在没有前馈控制的情况下,图1-5所示的输入ω1、ω2和ω3的任何变化都只能通过对反馈信号(即室温)的影响来检测,因此,随后的校正动作可能会大大滞后于产生的原因(即ωi的变化)。这种延迟将导致大的误差和不稳定性问题。通过前馈控制,干扰输入ωi的信息可立即用于控制器,并且可以预计出其对系统响应的影响,从而加快了控制行为并且提高了响应精度。更快的动作和提高的精度是前馈控制中两个非常理想的结果。

1.5.2 数字控制

在数字控制中,数字计算机(如微控制器)作为控制器。实际上,任何控制规律都可以编程到控制计算机中。控制计算机必须是用于实时操作的快速专用的机器,其中处理必须与设备操作和执行要求同步进行。这需要有一个实时操作系统。除了这些要求外,控制计算机基本上与通用数字计算机没有什么不同。它们包括执行计算和监督数据传输的处理器,处理过程中存储程序和数据的存储器,存储不需立即执行信息的大容量存储设备,以及读取和发送信息的输入或输出设备(即与控制系统的其他部件进行连接)。
数字控制系统可能使用数字仪表和附加处理器来完成驱动、信号调理或测量功能。例如,当由脉冲信号驱动的步进电动机产生增量步进运动的响应时,可以认为它是数字执行器。其在电动机驱动系统中通常包含数字逻辑电路。类似地,具有两个位置的螺线管是数字(二进制)执行器。数字流量控制可以使用数字控制阀来实现。典型的数字阀门由一排孔口组成,每个的大小与二进制字(n位)的位置值(2i,i=0,1,2,…,n)成比例。每个孔口由独立的快速作用的开/关螺线管驱动。利用这种方式,可以获得离散流量值的许多组合。
可以使用轴编码器进行位移和速度的直接数字化测量。这些是产生编码输出(如二进制或灰度表示)或可以使用计数电路编码产生脉冲信号的数字换能器。这样的输出可以由数字控制器相对容易地读取。频率计数器还可以产生直接进入数字控制器的数字信号。当测量信号为模拟形式时,需要模拟前端来连接换能器和数字控制器。数字控制器可提供能够同时接收模拟和数字信号的输入/输出(I/O)接口卡。
模拟测量值和参考信号必须在通过控制器进行数字处理之前进行采样和编码。数字处理也可以有效地用于信号调理。并且,数字信号处理(DSP)芯片可以用作数字控制器。然而,模拟信号必须在数字化之前使用模拟电路进行预处理,以消除或最小化由混叠失真而引起的问题(高于采样频率一半以上的高频分量作为低频分量,见第6章)和信号泄漏(由信号截断产生的误差),以及提高信号电平并滤除外来噪声。设备的驱动系统通常使用模拟信号。出于这个原因,在通常情况下,控制器的数字输出必须转换为模拟信号。模数转换(ADC)和数模转换(DAC)都可以解释为信号调理(修整)过程(见第4章)。如果测量了多个输出信号,则每个信号必须单独进行调理和处理。理想情况下,这需要对每个信号通道进行单独的调理和硬件处理。较便宜(但较慢)的替代方案是通过多路复用器来分时使用这种昂贵的器件。该器件将按顺序从一组数据通道中选择一个通道的数据,并将其连接到公共输入设备。
就数字控制的主要优点而言,在目前的工业应用中使用专用的、基于微控制器的分布式数字控制系统是较为合理的。以下是一些重要的考虑因素:
1.数字控制不易受到仪器中的噪声或参数变化的影响,因为数据可以表示、生成、发送和处理为二进制字,进而处理为具有两个可识别的状态位。
2.通过数字处理可以实现非常高的精度和速度。硬件实现通常比软件实现更快。
3.数字控制系统通过程序可以很好地处理重复任务。
4.复杂控制规律和信号调节算法可通过编程来实现,而这通过模拟设备来实现是不现实的。
5.通过最小化模拟硬件组件,以及分散使用专用微控制器,可以实现高可靠性。
6.可以使用紧凑高密度的数据存储方法存储大量数据。
7.数据可以保存或维护很长一段时间,无漂移,不受恶劣环境条件的影响。
8.可以快速、长距离地传输数据,且不会引入过多的动态延迟和衰减,就像在模拟系统中一样。
9.数字控制具有易用且快速的数据检索功能。
10.数字处理过程使用低功率和低工作电压(例如,0~12V直流电压)的器件。
11.数字控制性价比高。

1.5.3 可编程逻辑控制器

根据系统中某些元器件的状态和某些外部输入的状态,有许多控制系统和工业任务会涉及一系列的步骤执行。可编程逻辑控制器(PLC)本质上类似于数字计算机系统,可以适当地对复杂任务进行排序,这些任务由许多离散操作组成并有几个需要以特定顺序执行的设备。过程操作可能包括一组双态(开/关)动作,PLC可以按正确的顺序和正确的时间对其进行排序。PLC通常用于工厂和加工厂,在程序(梯形图逻辑)的控制下,在适当的时候高速地将输入设备(如开关)连接到阀门等输出设备。这样的例子包括顺序生产线操作、启动复杂的加工过程以及在分布式控制环境中激活本地控制器。
在工业控制早期,都是使用电磁式机电继电器、机械定时器和鼓形控制器对这些操作进行排序的。如今,PLC是坚固耐用的计算机。使用PLC的一个优点是工厂中的设备可以永久连接,并且可以通过软件方式(通过对PLC进行适当的编程)来修改或重组设备操作,而无须硬件修改和重新连接。
在内部,PLC执行基本的计算机功能,如逻辑、排序、计时和计数。它可以执行较简单的计算和控制任务,如PID控制。这种控制操作称为连续状态控制,其中的过程变量被连续地监视并要使其非常接近所需值。还有另一个重要的控制类别称为离散状态控制(离散事件控制),其中控制目标是使过程遵循所需的状态序列(或步骤)。并且,在每种状态下,可能会运行某种形式的连续状态控制,但又与离散状态控制任务并不相关。特别地,PLC旨在实现离散状态控制任务。
作为PLC应用的一个例子,考虑涡轮叶片制造的过程。此操作中的离散步骤如下所示:
1.将圆柱形钢坯移入炉内。
2.加热钢坯。
3.当坯料加热到适当温度时,将其移至锻造机并固定。
4.锻造钢坯成型。
5.进行表面处理,以获得所需的叶片形状。
6.当表面粗糙度令人满意时,加工叶片根部。
请注意,整个任务涉及一系列事件,其中每个事件取决于前一个事件的完成情况。此外,每个事件可能需要在指定的时刻启动和停止。这种时间序列对于协调当前操作与其他活动是十分重要的,对于正确执行每个操作步骤也是十分重要的。例如,零件处理机器人的活动必须与锻造机和铣床的时间表相协调。此外,钢坯必须加热至规定的时间,并且锻造操作不能在损害产品质量、工具故障率、安全性等的情况下进行。在离散序列中每个步骤的任务可能在连续状态控制下进行。例如,铣床将使用几个直接数字控制(DDC)循环(例如PID控制回路)进行操作,但离散状态控制除了每个任务的起点和终点外,与此无关。
PLC的示意图如图1-6所示。PLC根据程序中的一些“逻辑”序列进行操作。连接到PLC的是一组输入设备[例如,按钮、限位开关、模拟传感器(如RTD温度传感器、膜片式压力传感器、压电加速度计和应变片负载传感器)]和一组输出设备(例如,直流电动机、螺线管和液压油缸等执行器;灯、字符数字LED显示器和钟等报警信号指示器;阀门;PID控制器等连续控制组件)。假设每个设备都是双状态设备(逻辑值为0或1)。现在,根据每个输入设备的情况,以及程序的逻辑,PLC将激活每个输出设备的正确状态(例如,开/关)。因此,PLC执行切换功能。与旧一代的排序控制器不同,在使用PLC的情况下,确定每个输出设备的状态逻辑是使用软件而不是如硬件继电器等硬件来处理。硬件切换在输出端口进行,用于打开/关闭由PLC控制的输出设备。

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PLC硬件组成
如前所述,PLC是专门用于执行离散状态控制任务的数字计算机。典型的PLC由微处理器、RAM和ROM存储单元以及接口硬件组成,所有这些都通过适当的总线结构进行互连。另外,还有键盘、显示器等常见外设。基本的PLC系统可以通过将扩展模块(内存、I/O模块等)添加到系统机架中进行扩展。
PLC可以使用键盘或触摸屏进行编程。已经编写好的程序可以从另一台计算机或硬盘等外部大容量存储介质传送到PLC存储器中。PLC的主要功能是根据输入设备的状态和程序所指定的逻辑,以正确的顺序切换(通电或断电)与其相连的输出设备,参考图1-6所示的PLC的原理图。注意PLC中的传感器和执行器。
除了在合适的时间以正确的顺序打开和关闭离散输出组件外,PLC还可以执行其他有用的操作。特别地,它可以对输入数据执行简单的算术运算,如加法、减法、乘法和除法。作为其正常功能的一部分,它还能够执行计数和定时操作。为了在LED面板上显示数字,以及使PLC与其他数字硬件(例如,数字输入设备和数字输出设备)建立接口,需要进行二进制和BCD之间的编码转换。例如,对PLC编程可进行温度测量和负载测量,将其显示在LED面板上,对这些(输入)值进行一些计算,并根据结果提供警告信号(输出)。
PLC的功能可以通过输入设备的数量(如16)、输出设备的数量(如12)、程序步骤的数量(如200)以及程序可以执行的速度(如1M step/s)等参数来确定。诸如存储器的大小和性质、PLC定时器和计数器的性质以及信号电压电平和输出选择也都是重要因素。

1.5.4 分布式控制

对于具有大量I/O变量的复杂过程(例如,化工厂、核电厂)、组件之间距离较远的系统以及需要有各种严格操作要求的系统(如空间站),集中式直接数字控制是非常难以满足要求的。在分布式控制中,控制功能在地域和功能上都是分散的。对于诸如制造业工厂、工厂、智能交通系统和多组件加工厂等大型系统,采用某些形式的分布式控制是较为合适的。在分布式控制系统(DCS)中,将会有许多用户需要同时使用资源,并且可能希望相互通信。此外,该工厂将需要获得共享的公共资源以及远程监控和监督手段。此外,具有不同规格、数据类型和级别的各种供应商的不同类型的设备也必须互连。为此,需要具有交换节点和多个路由的通信网络。这本质上是一个网络控制系统(NCS)。
为了实现不同来源和不同类型的装置之间的互连,我们希望使用标准化总线,它由所有主要供应商支持,适用于所需设备。现场总线或工业以太网可能适用于此目的。现场总线是一种用于工厂的标准化总线,由互连的设备系统组成。它提供不同来源的不同类型设备之间的连接。它还提供对共享和公共资源的访问。此外,它还可以提供远程监控和监督的手段。
图1-7显示了一个网络化工厂设备的适当架构。在这种情况下,工业设备包括许多“过程装置”(PD),一个或多个PLC,以及一个DCS或监督控制器。PD有自己组件的直接I/O接口,这使得它们可以通过设备网络进行相互连接。类似地,PLC可以与一组设备直接连接,也可以与其他设备进行网络连接。DCS将对整个设备进行监督、管理、协调和控制。

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分层控制
流行的分布式控制架构由分层控制提供。其中控制功能在功能上分布于不同的层次(层)中。控制分布可以在地理上和功能上进行。分层结构可以促进复杂控制系统中的有效控制和通信。
考虑一个三级层次结构。在整个设施中设备之间的管理决策、监督控制和协调可由监控计算机提供,这是层次结构的最高级别。下一级(中级)将为相应设备中的每个控制区域(子系统)生成控制设置(或参考输入)。设定点和参考信号被输入到控制每个控制区域的直接数字控制器(DDC)中。分层系统中的计算机使用合适的通信网络进行通信。为了获得最佳性能和灵活性,信息传输应该是双向的(上和下)。在主从分布式控制中,只能下载信息。
作为示例,智能机电一体化系统(IMS)的三级体系结构如图1-8所示。底层由具有组件级感测的机电组件组成。此外,在该级别还执行驱动和直接反馈控制。中间级别使用智能预处理器来抽象由组件级传感器生成的信息。传感器及其智能预处理器一起执行智能感知任务。这种方式可以评估系统组件的性能状态,因此可以执行组件调整和组件组控制。层次结构的顶层执行任务级活动,包括规划、调度、系统性能监控和整体监控。在这个层面可以提供材料和专业知识等资源,并有人机界面。基于知识的决策在中间级和高层进行。涉及信息的解决方案通常会随层级的增加而降低,而决策中需要的“智能”水平将随之提高。

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在整个系统中,通信协议为各种组件(如传感器、执行器、信号调理器和控制器)以及系统环境之间提供标准接口。该协议不仅允许有高度灵活的实现方式,而且还使系统能够使用分布式智能来执行预处理和信息理解。通信协议基于应用级标准。实质上,它应该概述哪些组件可以彼此通信或与环境进行通信,而不需要定义物理数据链路和网络级别。通信协议应允许不同的组件类型和不同的数据抽象在同一框架内互换。它还应该允许地理上相距较远的信息传达到IMS的控制和通信系统中。

1.6 仪表化过程

在某些情况下,工程系统内的每个功能或操作都可以与一个或多个物理设备、组件或设备部件相互连接;而在其他情况下,一个硬件单元可以完成若干系统功能。在本书中,仪器仪表一词指的是这些仪器或硬件组件相对于它们的功能、操作、参数、额定值及彼此之间的相互作用,以及针对给定应用对这些组件进行适当选型、接口和调优,简言之,就是检测仪表系统。在设计上,我们指的是选择合适的设备来完成工程系统中的各种功能、开发系统结构、匹配和连接这些设备的过程;并根据系统特性选择参数值,以最佳的方式并根据一些性能指标以达到整体系统(即满足设计规格)的预期目标。因此,可以将设计作为使用仪器仪表的目标。特别地,有许多设计可以满足一组给定的性能要求。关键设计参数的识别、各种组件的建模和分析在设计过程中通常是很有用的。建模(分析和实验)在分析、设计和评估系统时都很重要。
选择和确定用于各种功能(例如,感测、驱动、控制)的硬件组件(可能是现成的商用产品)是工程系统中仪表化的第一步中的一项工作。例如,在过程控制应用的现成模拟中,可以使用PID控制器。用于过程控制应用的这些控制器传统上具有控制参数设置的旋钮或拨盘,这些参数是比例带宽或增益、复位速率(单位时间内比例动作重复的次数)和速率时间常数。这些控制装置的工作带宽(工作频率范围)是指定好的。各种控制模式(例如,开/关、比例、积分和微分或它们的组合)由同一个控制箱提供。
驱动装置(即执行器)包括步进电动机、直流电动机、交流电动机、螺线管、阀门、泵、加热器/冷却器和继电器,这些装置在市场上有各种规格。执行器可以直接连接到驱动负载上,这称为直接驱动装置。然而更常见的是,需要传动装置(变速器、谐波驱动器、导螺杆和螺母等)将执行器运动转换成期望的负载运动并且使执行器与驱动负载进行适当的匹配。测量过程响应以监测其性能并对其进行控制的传感器(参见第8~10章)有:电位计、差动变压器、旋转变压器、同步器、陀螺仪、应变片、转速计、压电装置、流体流量传感器、压力表、热电偶、热敏电阻和电阻温度探测器(RTD)。
在任何实际工程系统中,随机误差或噪声是我们必须考虑的一个重要因素。噪声可能代表信号的实际污染和测量误差,或者存在其他未知量、不确定性,误差包括参数变化、建模误差、外部干扰和模型误差。这样的随机因素可以通过一个“估计过程”(参见第7章)去除,诸如最小二乘估计(LSE)、最大似然估计(MLE)和各种类型的卡尔曼滤波(KF),包括扩展和无迹卡尔曼滤波方法(EKF和UKF)。在估计之前,可以使用跟踪滤波器、低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器或陷波滤波器等直接滤波器来消除噪声(参见第3章)。当然,选择恰当的传感器和传感步骤可以避免一些噪声和不确定信号。此外,必须放大弱信号,信号形式必须在不同的交互点进行修正。电荷放大器、锁定放大器、功率放大器、开关放大器、线性放大器和脉宽调制放大器是用于工程系统的直接信号调理和修整装置(参见第3章)。在系统运行中经常需要其他组件,如电源和浪涌保护单元。还可能需要继电器、其他开关和传输装置以及调制器和解调器。

1.6.1 仪表化步骤

工程系统的仪表主要涉及合适的传感器、执行器、控制器、信号修整/接口硬件和软件的选择和集成以及整个系统的集成,以满足性能指标。当然,仪表化步骤将取决于具体的工程系统和性能要求。但是作为一般准则,有一些基本步骤是必需的。它们涉及对要进行仪表化系统的理解。这可能涉及开发模型(特别是可用于计算机模拟的模型——计算机模型)。接下来,必须为系统建立设计/性能规范。选择和调整传感器、换能器、执行器、驱动系统、控制器、信号调理、接口硬件和软件,以满足系统的整体性能要求,这构成了下一个主要步骤。在对仪表选择进行反复仿真、评估和修改之后,就可进行最终选择了。仪表有效性的最终测试是在将所选组件集成到系统中并集成系统运行之后。仪表化的主要步骤如下:
1.研究要进行仪表化的设备(工程过程)。应确定该设备的目的、运行方式、重要的输入和输出(响应)以及其他相关变量(状态变量),包括不良输入、干扰和参数。
2.将设备分为几个主要子系统(例如,可以通过基于子系统的物理领域——机械、电气/电子、流体、热等来完成这些操作),并制定子系统工作过程的物理方程。可以使用这些方程来开发计算机仿真模型。设备可能是已经存在的,也可能是需要开发和仪表化的概念设备,但只要可以详细描述设备并建模就可以了。
3.在适当控制下,说明设备(即设备如何执行预期任务)的运行要求(性能规范)。为此,我们会使用任何有关准确性、分辨率、速度、线性度、稳定性和操作带宽等要求的信息。
4.确定与成本、尺寸、重量、环境(例如,工作温度、湿度、无尘或洁净室条件、照明、冲洗需求)等有关的任何限制。
5.选择设备操作和控制所必需的传感器/换能器、执行器和信号调理装置(包括接口和数据采集硬件和软件、滤波器、放大器、调制器、ADC、DAC)的类型和性质。对于传感器和执行器,建立相关的额定值和规格(信号电平、带宽、精度、分辨率、动态范围等)。对于执行器,建立相关的额定值和规格(例如,功率、转矩、速度、温度、压力特性,包括曲线和数值)。确定组件的制造商/供应商,并给出型号等。
6.建立整体集成系统架构以及适当的控制器或控制方案。修改原始计算机模型以适应集成到系统中的新仪器。
7.进行计算机模拟,并对仪器进行修改,直到系统性能达到规格要求。在本实例中可以采用优化方案(例如,使用“MDQ”作为性能量度的方案)。
8.一旦计算机分析提供了可以接受的结果,那么我们就可以对实际组件进行采购和整合了。在某些情况下,由于现有的组件不可用,因此必须重新设计和开发。

1.6.2 应用实例

我们现在提供四个有关传感器、传感器系统和相关仪器的工程系统的例子。

1.6.2.1 网络的应用

我们开发的用于去掉鲑鱼头部的机器如图1-9所示。由交流感应电动机驱动的输送机以间歇的方式对鱼进行标记。根据每条鱼的图像[使用电荷耦合器(CCD)摄像机获得的]来确定几何特征,从而确定适当的切割位置。然后,双轴液压驱动器相应地定位切割器,并且使用气动执行器来操作切割刀片。使用线性磁致伸缩位移传感器(参见第10章)进行液压机械臂的位置检测,当使用12位ADC时,其具有0.025mm的分辨率。已安装的6个一组的表压换能器测量每个液压缸的头部、杆侧以及供应管线中的流体压力。高级成像系统根据机器的操作条件和控制系统参数确定切割质量,并进行调整以提高过程性能。在组件级(低级),控制系统具有常见的直接控制分层结构,在上层,控制系统具有智能监视和监控功能。

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基于由CCD摄像机拍摄的鱼的图像,机器的主要视觉模块负责快速准确地检测鱼鳃的位置。该模块位于主机中,包括用于图像采集的CCD摄像机,用于测量鱼的厚度的超声波传感器,用于检测输送机上鱼的触发开关,用于轮廓抓取和图像分析的图像处理卡,以及用于与电动液压机械臂的控制计算机进行通信的数据采集I/O卡。该视觉模块能够在300~400ms内可靠地检测和计算出鱼的切割位置。第二视觉模块负责采集和处理那些切割过的鱼的视觉质量信息。该模块作为智能传感器向控制计算机提供高级信息反馈。与该模块相关的硬件是出口处用于捕获已加工鱼的图像的CCD摄像机和用于视觉数据分析的图像处理卡。CCD摄像机在主机的直接控制下抓拍已处理鱼的图像,它通过定时切割操作的持续时间来确定触发相机的正确时机。然后将图像传送到图像处理卡的图像缓冲区以进行进一步处理。在这种情况下,会完成图像的进一步处理以提取高级信息,如已加工鱼的质量。
为了监测和控制偏远地区的工业流程,我们开发了一个硬件和软件通用的网络架构。开发的基础设施旨在通过快速以太网主干来实现最佳性能,其中每台网络设备只需要一个低成本的网络接口卡。图1-10显示了一种简化的硬件架构,它将两台机器(鱼类加工机器和工业机器人)连入网络。每台机器直接连接到其单独的控制服务器,以处理进程和网络服务器之间的网络通信、数据采集、向进程发送控制信号以及执行低级控制规则。鱼类加工机器的控制服务器包含一个或多个数据采集卡,它们具有ADC、DAC、数字I/O(见第4章)和用于图像处理的帧采集器(见第11章)。

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视频摄像机和传声器放置在重要位置,以捕捉现场的视频和音频信号,使远程用户可以观看和收听操作过程,并与当地人员进行交流。摄像机具有内置的平移、倾斜和21倍变焦功能,可以通过主机前面的标准通信协议进行控制。多台摄像机以菊链式连接到视频流服务器。为了捕获和编码来自摄像机的音频视频(AV),在视频流服务器中安装了PCI卡。它可以以30帧/秒(fps)、像素为640×480的标准帧分辨率捕获视频信号,硬件压缩可显著降低视频流服务器的计算开销。在本实例中,每个AV拍摄卡只能支持一个AV输入。因此,必须安装多个视频卡。

1.6.2.2 远程医疗系统

我们正在开发远程医疗系统。它采用以下方法:将高级感测、信号处理和公共电信网用于对本社区的患者进行临床监测,并将相关信息通过在线方式传送给距离较远的医院内的医疗人员。专业医疗人员通过音频和视频方式与患者进行远程交互,同时检查监控系统传输过来的数据,并进行医学评估、诊断和开处方。专业医疗人员可以在线咨询其他专业人员,也可以使用其他可用的资源来提供诊断和开处方。专业医疗人员进行健康评估、诊断和开处方比远程医疗和远程护理等流行方法更为可取,因为在那些方式下自动诊断系统是基于患者的输入来提供医疗建议的,所以这会产生偏见并且容易出错。系统的示意图如图1-11所示。在这个系统中,系统开发和仪表化的相关问题如下:
●用户对象穿戴集成式机电一体化设计的传感器夹克,用于在线健康监测。
●选择嵌入式传感器和硬件,为了从对象处获取重要信息,特别要关注其类型、尺寸和特征。
●夹克上传感器的位置和外形结构用于改善/优化数据采集过程。
●电源的设计要求和灵活性。
●传感器夹克上的信号处理和通信硬件。
●病人主机中的软件用于信号处理、人工物品去除、数据简化、解释和表示,并向医生的计算机传输信息。
●两端的图形用户界面(GUI)(病人处和医生处)。
●辅助方法可以从患者处的主机快速准确地将信息传达给医生。
在传感器夹克的设计中,采用MDQ作为性能函数的机电一体化(最佳)方法。MDQ中的设计指标包括组件位置、精度、速度、尺寸、复杂性、可维护性、设计寿命、可靠性、鲁棒性、容错能力、可重构性、灵活性、成本、用户友好性和性能预期等方面。确定夹克中传感器位置和配置等参数可以改善/优化数据采集过程、体态一致性、重量、鲁棒性、成本等。

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传感器和相关硬件的选择是传感器夹克开发的重要方面,特别是与其类型、尺寸和特征相匹配的系统性能规范(如机电一体化设计中所确定)。夹克中相关的传感器有:
●标准心电图(ECG或EKG)传感器(皮肤/胸部电极)
●血压传感器(袖口式监护仪)
●温度传感器(温度探头或皮肤贴片)
●呼吸传感器(压电/压阻式传感器)
●肌电图(皮肤电极)
●血氧饱和度传感器
●电听诊器(颈部和肺部)
●纯光耳夹式传感器
●循环拉伸传感器
一些市售的相关传感器及其特征如下所示:
●数字听诊器(Agilent Technologies;直流4.5V,1mA):
■捕捉心脏和肺部的声音。
■信号在计算机采集前必须放大。
■八级声音放大。
■有源噪声滤波。
■模式选择:标准隔膜和时钟铃声模式。扩展隔膜模式用来采集高频声音(例如,由机械心脏瓣膜假体产生的)。
●数字心电图记录仪(Fukuda Denshi;12引线数字ECG单元,100~240V/50~60Hz交流适配器):
■捕获完整的心电图并形成数据文件。
■内置软件来处理和解释信号(帮助医生诊断某些类型的心脏病)。
■通道(引线)选择功能(输出不同类型的处理信息)。
●成像、血压、温度和血氧感测:
■医疗CCD摄像机(AMD远程医疗,交流110~220V、50~60Hz或直流12V),内置照明源。
■数字血压监测仪(Bios Diagnostics或Omron,110~230V交流适配器,PC连接)提供血压和脉搏;通过按下按钮使护腕膨胀。
■数字耳部温度计(Becton Dickinson and Co./Advanced Monitors Corp)。
■脉搏血氧计(Devon Medical Products;通常放在指尖或耳垂,额头和胸部方式也可用)。
注意:通过将低功耗微型收发器嵌入到传感器中,可以将血压和温度读数无线传输到病人端的计算机上。
●传感器电源容量以下现成的传感器具有内置的交流适配器(100~240V通用,50~60Hz):
■心电图单元
■医用CCD摄像机
■血压监测仪
听诊器、温度计和脉搏血氧仪通常由一次性电池供电。
也可以集成其他类型的传感器,特别是可穿戴的移动式传感器/监视器。夹克所需的配件包括以下部分:
●完整的低功耗集成式模拟前端心电图应用
●带引线的一体式ECG电缆
●Yokemate LWS○R 3引脚通用适配器
●干电极
●AMC&E可重复使用的DIN连接器导线,3引脚,卡扣连接
●具有旁路模式的减压转换器,用于超低功耗无线应用
●针视频转换器

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●De2开发和教育板
●Arduino微控制器(MCU)
●BLE 4.0模块
●软电位计
●可穿戴套件(纺织按钮、导线等)
●压力背心
图1-12所示为传感器夹克。

1.6.2.3 家庭护理机器人系统

利用传感器系统、机器人技术以及信息通信技术(ICT)近年来的技术进步成果为自己的家人提供高质量的支持性环境,是减少人口老龄化医疗保健支出的一个方法。机器人家庭护理环境中应该包含自主机器人,它可以增强触觉遥控操作能力,该能力包括使用触觉辅助遥控机器人来监测和帮助家庭成员(见图1-13)。具体来说,该系统具有两种操作模式:(a) 更自主的24小时基本护理(包括行动、洗浴、穿衣、上厕所、膳食准备、提供药物、监测和寻求外部帮助等);(b) 紧急情况下远程监控和触觉远程操作(直到救护车、医护人员、警察、消防员等常规帮助的到来)。触觉远程操作将结合机器人的先进的感测和致动能力以及人的灵巧性和认知技能。

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具体来说,触觉装置可以结合主操纵器的操作者在远程站点(家庭)的“感觉”条件(例如,相互作用力)。除了机器人(包括远程操作的主从单元)中的传感器之外,还需要附加的传感器系统来监测环境,这是动态的、非结构化的且不完全已知的。该应用的相关传感器包括用于感应(测量)运动的光学编码器和用于机器人和主操纵器连接点的转矩传感器;用于机器人手指的触觉传感器;用于移动平台的激光和超声波测距仪;用于移动平台车轮的光学编码器;用于移动平台和工作环境的摄像机;用于监测人体健康的基本传感器(如远程医疗)。

1.6.2.4 水质自动监测系统

常见的水源包括地表水(来自集水区、湖泊、水库、河流、水道等)、地下水(井、泉等)、海水(需要脱盐)和雨水(需要收集和保留)。水是人类生存(消耗、卫生、灌溉、电力等)所必需的。在发展中国家,约80%的疾病与水有关。许多人(例如,约74%的美国人、57%的加拿大人、86.5%的德国人和99%的瑞典人)使用了处理的废水。许多人使用地下水作为家庭用水(如约26%的加拿大人)。大约70%的水用于农业。
水中含有天然物质(如碳酸氢盐、硫酸盐、钠、氯化物、钙、镁、钾)和有害污染物(微生物和溶解的化学物质)。监测水源质量不仅有利于公共卫生,也有利于生态系统。特别地,水质可以确定物种之间的生态平衡。水质参数类型可分为物理(颜色、密度、沉积物等)、化学(溶解的无机材料)和生物(溶解的有机物、细菌)。
通常监测水质的参数是pH值、温度、电导率、氧化还原电位和溶解氧。广泛应用的人工方法是通过检测这些参数来监测水质的。该过程涉及在现场收集水样,然后在实验室中进行测试。然而这种方法存在一些问题,比如不合适的传感器、数据记录器的成本、现场测试获得数据的不可靠性、校正困难以及低密度的监测点。特别地,人工方法耗时并且是劳动密集型的,在现场使用繁重和复杂的设备很不方便,这可能会造成现场工作人员的安全问题,并且通常是低分辨率的监视(时间/空间)过程。此外,现场测试样品运送到实验室后可能会改变性质。这将导致不准确和非代表性的测试结果。此外,这种方法通常导致分析和行动的延迟(如发布通告问题)。鉴于这些问题,需要采用自动化方法对水质进行时空(即地理分布和时间变化)监测。
自动化方法使用多个传感器节点(SN)自动测量分布在一个大地理区域中的各种水源。可以局部调理从SN中获取的数据然后发送到母节点,之后发送到基站,最后传送到使用ICT的中央评估单元(CAU)。可以监测和评估水质的时空性,并据此采取适当行动。
系统的一般框图如图1-14所示。在该平台中,传感器节点(SN)可以包含多个传感器,如温度、pH值、浊度、溶解氧、电导率和氧化还原电位等。这些传感器是商用的,可以直接使用或进行一些修改(例如,用于自动数据传输的接口,以及用于适当保护免受环境因素干扰的密封)。微控制器系统对每个SN处的传感器数据进行采集。大多数节点是静态的,然而一些动态(地理上可移动的)节点也是可以实现的。动态节点可以是水中的推进节点,也可以是可在地面导航的移动机器人上的节点。在将数据通过无线电收发器发送到更强大的母节点之前,微控制器执行传感数据的低级处理(例如,滤波、放大和数字表示)。

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由SN处理后的数据将发送到基站。在那里接收的数据经过高级处理和数据压缩后,发送到名为CAU的中央计算机。CAU是基于知识的决策单元,以时间方式(即时空)来评估来自不同地理位置的数据。根据评估结果,CAU在各个地点提供咨询、报警、趋势和其他有用的水质信息,并为这些决定提供理由和解释。最后根据结果作出政策决定。此外,CAU可以“优化”ICT平台的运行,使系统成果更准确、统一、有效。可以绘制不同层次(基于水质指标)的存在水质问题的区域。

1.7 本书的组织结构

本书共12章。这些章节着重讲解工程系统仪表框架内的基本原理、分析概念、建模和设计问题、技术细节、传感器应用、传感器系统以及接口设计和信号修整。本书在主要章节中以系统方式将基本原理作为分析方法,并将建模方法、组件选型步骤和设计技术统一纳入其中。在介绍性章节中,介绍了概念、方法和工具以及它们的实际应用,还通过许多说明性例子和一套全面的案例研究给出了证明,并提供了有关学生项目和实验室练习的建议。
第1章简述了使用传感器、传感器系统和信号调理硬件的工程系统仪表。指出了在仪表化过程中建模与设计的相关性。描述了常见的控制系统架构,并强调了传感器和传感器系统在这些架构中所起的作用。这个介绍性章节为余下11章的研究设定了基调。还有一些作为学生练习的问题。
第2章讲述了组件互连,这是工程系统仪表化中重要统一的主题。研究了组件互连和匹配阻抗需要考虑的因素。该问题在讲解电气系统和机械系统部分时会得到解决。并提出了一些问题作为学生练习。
第3章解决信号调理问题,特别是通过放大器和滤波器。并提出了一些问题作为学生练习。从运算放大器的基本构建块开始,研究了多种重要类型的放大器和滤波器,特别是它们的建模、分析、性能规范和应用。也讨论了模拟滤波器和数字滤波器,并提出了一些问题作为学生练习。
第4章的主题是信号转换。讨论了调制器和解调器、ADC、DAC、电桥电路、其他常见的信号转换技术和相关元器件。并提出了一些问题作为学生练习。
第5章讲述了工程系统中设备、组件或仪器的性能分析。给出了性能指标在时域和频域内的解决方法,讨论了在工业和在工程实践中常使用的仪器等级,提供了相关的分析方法。并提出了一些问题作为学生练习。
第6章研究在传感器系统和仪器仪表背景下有关设备带宽、数据采样和误差考虑的一些重要问题。突出了仪器带宽的考虑,并提出了基于组件带宽的设计方法。从分析和实践的角度讨论数字设备中的误差,特别是由信号采样引起的误差。研究了设备误差的表征、组合、传递和分析。讨论灵敏度概念在误差组合中的应用。并提出了一些问题作为学生练习。
第7章根据测量数据对参数和信号进行估计。介绍了估计在传感中的作用。讨论了模型误差和测量误差的概念。研究了误差随机性(均值、方差或协方差)的处理方法。用示例给出并说明了以下方法:最小二乘估计(LSE)、最大似然估计(MLE)和卡尔曼滤波器的四种形式(标量静态卡尔曼滤波器;线性多变量动态卡尔曼滤波器;适用于非线性情况的扩展卡尔曼滤波器;同样适用于非线性情况的无迹卡尔曼滤波器,并且也具有优于扩展卡尔曼滤波器的优点,因为它直接考虑了随机特性通过系统非线性的传播)。并提出了一些问题作为学生练习。
第8章介绍运动测量模拟传感器的重要类型、特点和操作原理。特别关注控制工程实践中常用的传感器。常用的运动传感器包括电位计、差动变压器、旋转变压器、永磁传感器、转速计、涡流传感器、可变电容传感器、压电传感器以及陀螺仪和科里奥利传感器。指出了分析基础、选择标准和应用领域。并给出了一些问题作为学生练习。
第9章介绍了应力传感器的重要类型、特点和运行原理。讨论开始于应变片的研究。研究了力、转矩和触觉传感器。讨论了阻抗传感的概念。讨论温度的自动(自)补偿。指出了分析基础、选择标准和应用领域。并提出了一些问题作为学生练习。
第10章讨论了在工程应用中使用的几种传感器类型。包括光纤、基于激光、超声、磁致伸缩、声发射和热流体传感器和可用于监测水质(例如pH值、溶解氧和氧化还原电位)的传感器。并提出了一些问题作为学生练习。
第11章研究常见类型的数字换能器、数码相机和其他创新且先进的传感技术。与模拟传感器不同,数字换能器产生脉冲、计数或数字输出。特别是在基于计算机的数字系统中使用时,这些设备具有明显的优势。它们具有量化误差,这在用数字表示模拟量时是不可避免的。准确性和分辨率的相关问题得到了解决。讨论了数码相机作为实际传感器和图像采集的应用。研究了包括霍尔效应传感器在内的其他创新传感器技术。给出了高级感测的一些应用。并提出了一些问题作为学生练习。
第12章研究微机电系统(MEMS)传感器和多传感器系统主题。讨论了MEMS传感器的基本原理及其特点、制造、额定参数和应用。介绍了无线传感网络感知和定位技术。研究了通过贝叶斯方法、卡尔曼滤波和神经网络实现的传感器融合。给出了高级感测的一些应用。并提出了一些问题作为学生练习。
关于传感器系统的几个实验室练习已在附录A中提出。典型的学生项目和研究案例见附录B。附录C给出了概率和统计的一些基础知识。附录D概述了多组分系统的可靠性和相关概率模型。
关键术语
传感器:测量(感测)设备及其环境的未知信号和参数(使用传感器来监测和“学习”系统)。
用途:过程监控;产品质量评估;故障预测、检测和诊断;警告生成;监视;控制系统。
传感器系统:可能意味着多个传感器或传感器/数据融合(对于特定应用可能一个传感器不够),或传感器及其附件(信号处理、数据采集、显示等)。
MEMS:使用微型传感器和执行器。它们的科学原理通常与其“宏观”对应物的原理相同(例如,压电、电容、电磁和压阻原理)。
MEMS设备的优点:体积小且质量轻(负载误差可忽略不计)、高速(高带宽)且便于批量生产(低成本)。
控制器:根据设备(和控制设备)驱动来生成控制信号。
仪表化过程:识别仪表组件(类型、功能、操作、交互等),为组件接口编址(互连),并确定参数值(组件尺寸、系统调优、精度等)以满足性能要求(规格)。
●应将仪表视为设计的一个组成部分。
●设计使我们能够构建一个满足性能要求的系统——通过几个基本组件(传感器、执行器、控制器、信号调理器等)开始。
人类感官系统(五种感觉):视力(视觉),听力(听觉),触摸(触觉),气味(嗅觉),味道(味觉)。注意:通过CNS的其他类型的感官特征(例如,平衡感、压力、温度、疼痛感和运动)也涉及这五种基本感觉。
人类感觉过程:在受体处接受刺激(如用于视觉的光、用于听觉的声波);神经元树突将刺激能量转化为机电脉冲;神经元轴突将动作电位引入大脑中枢神经系统。大脑解释这些电位来产生相应的感觉。
机电一体化:通过综合设计方法,使机械、电子、控制和计算机工程方面协同应用于机电产品和系统的开发;机电一体化工程的研究包括建模、设计、开发、集成、仪表化、控制、测试、操作和维护。
●将“仪表化”视为设计的一个组成部分。
●对于传感器、执行器、接口硬件和控制器,完成仪器的“最优化”和“并发性”(同时考虑仪器仪表的所有方面和组成部分)。
机电一体化设计和仪表化的优点:最佳性能和更好的组件匹配;提高效率;成本效益;系统易于集成,与其他系统的兼容性和易用性;改进的可控性;增加可靠性;增加产品寿命。
机电一体化仪表的瓶颈:对于现有过程,修改级别的灵活性(由机电一体化方法决定)将受到限制;可用部件(传感器、执行器、控制器、附件)受到限制,可能不完全兼容。
反馈控制:根据设备响应确定控制信号。
前馈控制(闭环控制):根据设备激励(输入)或设备模型确定控制信号。
开环控制:测量响应无反馈。
数字控制:控制器是数字计算机。
数字控制的优点:不易受噪声或参数变化的影响,因为数据可以用二进制字表示、生成、传输和处理。高精度和高速度(硬件实现快于软件实现);可以通过编程来处理重复任务;可以对复杂的控制规律和信号调理算法进行编程;最小化模拟硬件组件和分散使用专用微处理器进行控制可以达到高可靠性;可以使用紧凑、高密度的数据存储方法存储大量数据;数据可以存储或维护很长一段时间,而没有漂移或受到不利环境条件的影响;快速长距离传输数据,没有过多的动态延迟和衰减,如模拟;方便快捷的数据检索功能;使用低工作电压(例如,直流0~12V)并且具有成本效益。
控制性能的特性:稳定性(渐近、BIBO等);响应速度或带宽;灵敏度;鲁棒性;准确性;交叉灵敏度或动态耦合。
PLC:注重离散状态控制(或离散事件控制);对由许多离散操作组成的任务进行排序,并对需要以特定顺序执行的多设备任务进行排序;由程序(梯形逻辑)控制,在适当的时间高速连接输入设备(如开关)和输出设备(如阀门);可以执行较简单的计算和控制任务(例如,PID控制)。
分布式控制:用于分布式、跨地域的控制。
NCS:控制系统组件(传感器、执行器、控制器等)在本地或远程连网。
分级控制:控制分布在不同层次(层)中的功能。
仪表化步骤:(1) 研究仪表设备(目的、运行方式、重要变量和参数)。(2) 将设备分成各个主要子系统(例如,根据域分为机械、电气/电子、流体、热)并且为子系统的过程制定物理方程式。开发计算机仿真模型。(3) 表示设备的运行要求(性能规范)。(4) 确定与成本、尺寸、质量和环境有关的限制(例如,工作温度、湿度、无尘或洁净室条件、照明、冲洗需求)。(5) 选择传感器/换能器、执行器、信号调理器(包括接口和数据采集硬件和软件、滤波器、放大器、调制器、ADC、DAC等)的类型和特性。建立相关的额定值和规格(信号电平、带宽、精度、分辨率、动态范围、功率、转矩、速度、温度、压力特性等)。识别组件的制造商/供应商(型号等)。(6) 建立系统架构(包括控制器或控制方案),根据需要修改原始的计算机模型。(7) 进行计算机模拟。对仪器进行修改,直到系统性能达到规范要求(可以使用机电一体化优化方案)。(8) 一旦达到可接受的结果,获取并整合实际组件。这可能需要一些新的技术。
思考题
1.1 什么是开环控制系统,什么是反馈控制系统?请各举一个例子。
简单的质量弹簧阻尼器系统(简单的振荡器)由外力f(t)激发。其位移响应y(见图P1-1a)由微分方程my+by+ky=f(t)给出。该系统框图如图P1-1b所示。这是一个反馈控制系统吗?解释和证明你的答案。

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1.2 设计一个在艺术画廊中夜晚能打开灯的控制系统,前提是画廊内有人。请给出一个合适的控制系统,识别开环和反馈功能(如果有的话),并描述控制系统组件。

1.3 对以下装置——步进电动机、比例积分电路、功率放大器、ADC、DAC、光学增量式编码器、过程计算机、FFT分析仪、数字信号处理器——进行控制系统组件的分类,其类型包括执行器、信号修整装置、控制器和测量装置。

1.4 (a) 讨论可能使开环控制或前馈控制在某些应用中无意义的误差来源。

(b) 如何纠正这种情况?

1.5 在工业操纵器的高速应用中,比较模拟控制和直接数字控制的运动。给出本应用中各种控制方法的优缺点。

1.6 软饮料灌装厂使用自动灌瓶系统。描述这种系统的操作,指出控制系统中的各种组件及其功能。典型部件包括输送带、驱动输送机的电动机,它具有起动/停止控制;一个带有入口阀、出口阀和液位传感器的量筒;阀门执行器;以及用于瓶子和量筒的对准传感器。

1.7 考虑图1-5所示的天然气家庭供暖系统。描述系统中各种组件的功能,并对其进行以下功能分组:控制器、执行器、传感器和信号修整装置。解释整个系统的运行情况,并提出可能的改进方法,以获得更稳定和准确的温度控制。

1.8 在以下每个示例中,至少指出一个用于前馈控制以提高控制系统精度的(未知)输入。
(a) 定位机械负载的伺服系统。伺服电动机是一个由磁场控制的直流电动机,利用光学编码器的脉冲计数进行位置反馈,并使用编码器的脉冲频率进行速度反馈。
(b) 承载液体管道的电加热系统。使用热电偶测量液体的出口温度,并用于调节加热器的功率。
(c) 室内供暖系统。测量室温并与设定点进行比较。如果温度低,那么蒸汽散热器的阀门打开;如果温度高,那么阀门关闭。
(d) 组装机器人,使其能抓取一个精密的零件,但不损坏零件。
(e) 跟踪焊接部件的焊接机器人。

1.9 为以下每个动态系统的示例识别典型的输入变量。每个系统至少给出一个输出变量。
(a) 人体:神经电脉冲
(b) 公司:信息
(c) 发电厂:燃油
(d) 汽车:方向盘运动
(e) 机器人:关节电动机的电压

1.10 分级控制已经应用于许多行业,包括炼钢厂、炼油厂、化工厂、玻璃工厂和自动化制造。然而,大多数应用已限制在两级或三级分层。较低层级通常由严格的伺服环组成,带宽约为1kHz。上层通常控制以天或周为单位的生产计划和调度事件。
灵活的制造设备的五层结构为:最低级(第一级)处理机器人关节操纵器的伺服控制和机床自由度;第二级执行机床中的坐标变换等活动,这些活动是各种伺服环产生控制命令所必需的;第三级将任务命令转换为运动轨迹(操纵器端部的执行器、机床位等)以全局坐标表示;第四级将复杂和通用的任务命令转换为简单的任务命令;顶级(第五级)对各种机床和物料搬运设备执行监督控制任务,包括协调、调度和定义基本动作。假设该设施用作涡轮叶片生产的柔性制造工作单元。估计最低级别的事件持续时间和这种类型应用的最高级别的控制带宽(以Hz为单位)。

1.11 根据过程控制行业内一些观察家的观察,早期品牌的模拟控制硬件的产品寿命约为20年。新的硬件控制器可能会在几年内过时,甚至在收回开发成本之前。作为负责开发现成过程控制器的控制仪表工程师,你将在控制器中纳入哪些功能以最大程度地改善这个问题?

1.12 PLC是一个顺序控制装置,它可以根据一系列输入设备(例如,开关、双状态传感器)的状态顺序地和重复地激活一系列输出设备(例如,电动机、阀门、报警器和信号灯)。设计一个可编程逻辑控制器和一个由数码相机及简单图像处理器组成的视觉系统(例如,边缘检测算法),用于在包装和定价质量和尺寸的基础上分选水果。

1.13 测量装置(传感器、换能器)可用于测量反馈控制过程的输出。给出信号测量非常重要的其他情况。列出在汽车发动机中使用的至少5种不同的传感器。

1.14 对控制器进行分类的一种方式是分别根据其复杂性和物理复杂性。例如,我们可以使用xy平面来分类,x轴表示物理复杂度,y轴表示控制器复杂度。在这种图形表示中,简单的开环开/关控制器(例如,打开和关闭阀门)将具有非常低的控制器复杂度,基于人工智能的智能控制器将具有较高的控制器复杂度。此外,由于无源设备被认为比有源设备具有更少的物理复杂性,因此,被动弹簧操作装置(例如,安全阀)将占据非常接近xy平面原点的位置,并且智能机器(例如,复杂的机器人)将占据远离原点的对角位置。选择5个控制设备。标记希望它们在这个分类平面上占据的位置(相对来说)。

1.15 牙科卫生师向患者保证他们无须担心对口腔的X光检查,因为现在一切都是“数字化”的,严格讨论卫生师的声明,并考虑如何解释这一声明。

1.16 你是一名工程师,已分配的一个任务是设计和仪表化实际系统。在项目报告中,你必须描述建立系统设计/性能规范的步骤,以及选择和调整传感器、换能器、执行器、驱动系统、控制器、信号调理、仪器和组件的接口硬件及软件,以用于这个系统的仪表化和组件集成。记住这些,写一个提供以下信息的项目提案:
(a) 选择一个过程(设备)作为要开发的系统。描述这个设备的目的、运作方式、系统边界(物理或虚拟)、重要输入(如电压、转矩、传热速率、流速)和响应变量(如位移、速度、温度、压力、电流、电压)以及重要的设备参数(如质量、刚度、电阻、电感、导热系数、流体容量)。可以使用草图。
(b) 指明设备的性能要求(或操作规范)(即在正常条件下设备如何正常运行)。你可以使用任何信息来描述这个设备,比如,精度、分辨率、速度、线性度、稳定性和操作带宽。
(c) 给出与成本、尺寸、重量、环境(如工作温度、湿度、无尘或洁净室条件、照明和冲洗需求)等相关的任何约束。
(d) 指出设备中存在的传感器和换能器的类型和性质,以及为了正确操作和控制系统可能需要的额外的传感器和换能器。
(e) 指出在设备中存在的执行器和驱动系统的类型和性质,以及必须控制哪些执行器。如果需要添加新的执行器(包括控制执行器)和驱动系统,那么请详细说明此类要求。
(f) 指出需要什么类型的信号修整和接口硬件(即滤波器、放大器、调制器、解调器、ADC、DAC和其他数据采集及控制需求)。描述这些设备的目的,指出与该硬件一起需要的任何软件(例如,驱动程序软件)。
(g) 指出系统中控制器的性质和操作要求。说明这些控制器是否适合你的系统。如果你打算添加新的控制器,那么请简要说明其性质、特性、目标等(如模拟、数字、线性、非线性、硬件、软件、控制带宽)。
(h) 描述用户和操作者如何与系统进行交互以及用户界面需求的性质。
可以考虑以下设备或系统:
●混合电动汽车
●家用机器人
●智能摄像机
●汽车智能气囊系统
●由美国航空航天局开发的用于火星探测的机器人
●制造厂的无人搬运车(AGV)
●飞行模拟器
●个人计算机的硬盘驱动器
●杂货物品的包装和标签系统
●振动试验系统(电动或液压)
●用于正常活动的可穿戴矫正装置,以帮助手部残疾或有感觉障碍(有一些感觉,但是功能不完全)的患者

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