自动检测系统的设计

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1、第七章自动检测系统的设计第一节自动检测系统及设计原则第二节自动检测系统的设计步骤第三节加热炉温度测控系统设计第一节自动检测系统及设计原则自动检测系统的首要环节就是获取原始被测量的传感器或有关的敏感元件，实现一次变换。考虑到它们的敏感、变换原理或特性的限制以及外界影响，一次变换后的信号通常满足不了测量与控制的要求。因此总要经过一些中间环节进行处理，实现信号放大、阻抗匹配、干扰抑制、滤波等功能。这样可以按照一定的规律或方式构成开环或闭环检测系统。一、开环检测系统开环检测系统又称直接变换型检测系统，其特点是信号的流动只沿着从输入到输出的一个方向(正向)进行，如图

2、7—1所示。开环检测系统是由一系列环节串联而成的。图中，Gl、G2、G3、…Gn分别为各环节的传送函数,则该系统的传递函数为：G＝GlG2G3．．．Gn若各环节的静态灵敏度分别为K1、K2、…Kn，则该系统的静态灵敏度K为各个环节的灵敏度的乘积，即K＝KlK2K3…Kn如果各个环节本身的相对误差为δ1、δ2、δ3、…δn，则该系统输出端的相对误差δ为各个环节的相对误差之和，即δ＝δ1+δ2+δ3+…δn=因此，为了减小开环测量系统的误差，必须减小各个环节的误差。可见，开环检测系统结构简单。易于实现,但开环检测系统各环节的误差以及由它们引入的干扰都将直接影响

3、检测结果，因此对每一个环节的准确度和抗干扰能力都要求较高。为此，发展了闭环检测系统。二、闭环检测系统图7-2闭环检测系统示意图如图7-2所示，正向通路各组成环节的传递函数为Kl、K2…Kn，反馈回路各组成环节的传递函数为β1、β2、…βm．若分别考虑正向通路的传递函数K和反馈回路的传递函数β，则可分别写作K=K1K2…Kn=β＝β1β2…βm＝闭环系统的传递函数Kf为：闭环检测系统又称平衡变换型测量系统，其结构特点是除了一个正向变换通路之外还有一个反馈回路。当Kβ〉〉1时，由上式可得：由此可知，正向通道各环节的误差对测量系统的输出基本没有什么影响，系统输出

4、端的误差主要由反馈回路的误差所决定。因此，只要反馈回路具有较高的精度，即可保证整个系统具有较高的精度。结论：对于闭环式检测系统，由于反馈回路内的各环节特性不全或很少造成测量误差，因此采用大回路闭环，使更多的电路置于闭环中会更有利。对于开环检测系统，容易造成误差的部分应考虑采用闭环方法。因此，对检测精度要求较高的检测系统，应将开环系统与闭环系统巧妙地组合在一起加以应用，才能提高自动检测系统的精度。闭环检测系统是按偏差进行控制的，其特点是不论什么原因，使输出量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个响应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被测量与真值趋于一致，具有

5、抑制任何内、外扰动对输出量产生影响的能力，有较高的检测精度。但这种系统使用的元件多、线路复杂，特别是系统性能分析的设计较复杂。尽管如此，它仍是一种重要的并被广泛应用的检测方式。三、自动检测系统设计原则1、设计要求：（1）性能稳定：即系统的各个环节具有时间稳定性。（2）精度符合要求：精度主要取决于传感器、信号调节采集器等模拟变换部件。（3）有足够的动态响应：现代检测中，高频信号成分迅速增加，要求系统必须具有足够的动态响应能力。（4）具有实时和事后数据处理能力：能在实验过程中处理数据，便于现场实时观察分析，及时判断实验对象的状态和性能。实时数据处理的目的是确保

6、实验安全、加速实验进程和缩短实验周期。系统还必须有事后处理能力，待试验结束后能对全部数据做完整、详尽的分析。（5）具有开放性和兼容性：主要表现为检测设备的标准化。计算机和操作系统具有良好的开放性和兼容性。可以根据需要扩展系统硬件和软件，便于使用和维护。自动检测系统主要用于对生产设备和工艺过程进行自动监视和自动保护，并且无论是传统的检测系统，还是自动检测系统，均包含一定的硬件系统和软件系统，但是根据检测任务不同，对检测系统的要求也不一样，但在设计、综合和配置检测系统时，应考虑以下要求：2、设计原则：（1）环节最少原则：组成自动检测系统的各个元件或单元通常称为

7、环节。（2）精度匹配原则：在对检测系统进行精度分析的基础上．根据各环节对系统精度影响程度的不同和实际可能，分别对各环节提出不同的精度要求和恰当的精度分配，做到恰到好处，这就是精度匹配原则。(3)阻抗匹配原则：，测量信息的传输是靠能量流进行的。因此，设计检测系统时的一条重要原则是要保证信息能流最有效的传递。这个原则是由四端网络理论导出的，亦即检测系统中两个环节之间的输入阻抗与输出阻抗相匹配的原则。(4)经济原则：在设计过程中，要处理好所要求的精度与仪表制造成本之间的矛盾。要尽量采用合理的结构型式与合理的工艺要求，恰当地进行各环节的灵敏度分配和误差分配，尽量以

8、最少的环节、最低的成本建立起高精度的检测系统。(5)标准化与通用性