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1、测试系统智能化功能的软件实现,1,测试系统智能化功能的软件实现,一、改善静态性能智能化功能的软件实现,1.非线性自校正,测量系统的线性度是影响系统精度的重要因素。为了减小非线性误差，实现系统输入-输出特性直线化，即在满量程测量范围内灵敏度为一常数，需要进行线性化。,测试系统智能化功能的软件实现,2,1）查表法,工作原理：即分段线性插值法，根据精度要求，用若干段折线逼近反非线性特性曲线。将折点坐标存入数据表中，测量时判断测量值在哪一段，然后根据该段斜率进行线性插值，得出输出值。,1.非线性自校正,测试系统智能化功能的软件实现,3,非线性校正原理图,输入-输出特性,反非线性特性,总输入-输出特性,
2、测量系统框图,测试系统智能化功能的软件实现,4,三段折线逼近反非线性特性,折点坐标：,测量系统输出表达式为,测试系统智能化功能的软件实现,5,非线性自校正流程图,+,测试系统智能化功能的软件实现,6,折线与折点的确定方法,+,折点处误差最大，误差有+有-,折点处误差为0，各段误差符号相同,测试系统智能化功能的软件实现,7,2）曲线拟合法,采用n次多项式逼近反非线性特性曲线， 该多项式的各个系数由最小二乘法确定。,具体步骤：,（1）列出逼近反非线性特性曲线的多项式方程。,对传感器及调理电路进行静态实验标定，得标定点数据（xi，ui）,假设反非线性特性拟合方程为,根据最小二乘法原理确定待定常数ai
3、。即令,（2）将求得的常系数a0an系数存入内存 。,进行n次循环运算即得x,测试系统智能化功能的软件实现,8,测试系统智能化功能的软件实现,一、改善静态性能智能化功能的软件实现,2.自校零与自校准,测量系统的增益、零点发生漂移将引入可变系统误差。采用三步测量法可予以消除。,测试系统智能化功能的软件实现,9,1）二标准实时自校法, 误差与漂移量,实际特性为,测试系统智能化功能的软件实现,10,二标准实时自校法,数据采集系统在每一特定的周期内发出指令，执行三步测量法。,测试系统智能化功能的软件实现,11,二标准实时自校法,三步测量法：,第一步：校零，输入信号为零点标准值，输出值为第二步：标定，输
4、入信号为标准值VR，输出值为yR。第三步：测量，输入信号为传感器的输出Vx，输出值为yx，则,被校环节增益,被测量信号为,该方法只要求在三步测量过程中零点与灵敏度保持短暂恒定不变。 其在三步测量之外的变化不会引入误差。要求标准发生器产生两个标准值。,测试系统智能化功能的软件实现,12,2）多标准值实时自校法,设测量系统的非线性特性为,测量过程中，零点b0，灵敏度系数b1，b2发生漂移会引入误差。,实时在线自校准功能实施步骤（标定点不能少于3个）：,第一步：在线实时3点标定，即输入3个标准值xR1， xR2， xR3， 测得相应输出值yR1， yR2， yR3 。第二步：列出反非线性特性拟合方程
5、式：第三步：由标定值按最小二乘法原则求系数c0， c1， c2。 即令,测试系统智能化功能的软件实现,13,其中,由,将系数c0， c1， c2存入内存，转入测量状态，由 求出被测量x。,测试系统智能化功能的软件实现,14,要想对包含传感器在内的全系统进行实时自校零与自校准，就要求标准量发生器产生的标准值与传感器的测量值有相同的属性，一般难以实现。相对而言，标准电压值等电气量的标准值容易建立，故目前测量系统的自校零与自校准往往不含传感器。,注 意,测试系统智能化功能的软件实现,15,测试系统智能化功能的软件实现,二、改善动态性能的智能化频率自补偿技术,已知一阶系统的工作频段,二阶系统的工作频段
6、,不同频率的输入信号通过系统都将产生不同程度的动态误差。对于一个传输信号的测试系统，已知其动态幅值误差关系如下表。,测试系统智能化功能的软件实现,16,信号频率与动态幅值误差的关系,若想保证信号通过测量系统后产生的幅值误差|2%，则至少满足/=1/5,或/0=1/7。当信号的频率高，而测量系统的工作频带不能满足误差要求时，则希望扩展频带以改善系统的动态性能。,软件频率自补偿方法：数字滤波法、频域校正法,测试系统智能化功能的软件实现,17,1.数字滤波法,将现有传递函数为W（s）的待补偿系统串接一个传递函数为H（s）的环节，使系统总传递函数满足动态性能的要求。,设一阶传感器,现欲将频带扩展A倍，
7、即扩展后,测试系统智能化功能的软件实现,18,校正环节的传递函数及其实现,则校正环节传递函数应为,测试系统智能化功能的软件实现,19,对数频谱图,测试系统智能化功能的软件实现,20,模拟滤波器H（s）的等效数字模拟滤波器H（z）为,式中，,实现上述编程算式即实现了等效数字滤波器。,测试系统智能化功能的软件实现,21,1）时间常数测定,将温度传感器放在冰水混合物的冰瓶中，待温度平衡后迅速将其提出，由此对温度传感器输入一个从0至室温（36.5）的温度阶跃信号x(t)，数据采集系统同时记录系统的输出信号y(t)，如图所示。,例题：将测温传感器频带展宽10倍。,测试系统智能化功能的软件实现,22,测温
8、传感器系统的阶跃响应,滤波后,经计算得,测试系统智能化功能的软件实现,23,2）实现校正环节H(s)等效数字滤波器H(z)的编程算式。,根据已测定的值和扩展倍数A=10，计算实现编程算式,3）最佳补偿效果的判断与调节实现。,测试系统智能化功能的软件实现,24,2.频域校正法,在已知系统传递函数W(s)的前提下，把畸变的y(t)经过处理，找到被测输入信号x(t)的频谱x(m),再通过傅立叶反变换进而获得被测信号x(t)。,1）采样,对y(t)进行采样得y(n)，n=0，1，2，N-1，信号记录长度tp=NTs，Ts为采样间隔，必须满足采样定理,测试系统智能化功能的软件实现,25,2）频谱分析,对
9、采样信号y(n)进行频谱分析，即进行FFT，得出频谱Y(m) ，m=0，1，N/2-1；基波角频率为,3）做复数除法运算,4）对频谱进行傅立叶反变换（IFFT）,对频谱X(m) 做IFFT，可得输入信号x(t) 的离散时间序列x(n)。,测试系统智能化功能的软件实现,26,测试系统智能化功能的软件实现,三、改善系统稳定性智能化多信息融合技术,通常传感器都存在交叉敏感，表现在传感器输出值不仅取决于规定的被测参量，当其他参量变化时，其输出值也发生变化，从而导致传感器性能不稳定，测量精度低。研究表明，采用多传感器信息融合技术为基础的智能化技术抑制交叉敏感，对于提高传感器的稳定性效果显著。,测试系统智
10、能化功能的软件实现,27,三、改善系统稳定性智能化多信息融合技术,基本原理：,1.二传感器信息融合二维回归分析法,已知压力传感器输出是电压U，并且存在温度灵敏度。由另一温度传感器输出电压UT，代表温度信息T，则,同理也可表示为,测试系统智能化功能的软件实现,28,三、改善系统稳定性智能化多信息融合技术,基本原理：,1.二传感器信息融合二维回归分析法,同样,通过二维标定实验由最小二乘法原理确定常系数。,测试系统智能化功能的软件实现,29,1）实验标定,由压力P与温度T标准值发生器产生各个标定点的标准输入值：,对应的输出值为,压力传感器输入-输出特性,测试系统智能化功能的软件实现,30,2）二维回
11、归方程待定常数的确定,根据最小二乘法原理，使均方误差为最小。,总计有mn个标定点，其均方误差R1应为最小,根据多元函数求极值条件，令各偏导数为0，即可求得常系数。,测试系统智能化功能的软件实现,31,二传感器信息融合智能传感器系统,测试系统智能化功能的软件实现,32,三、改善系统稳定性智能化多信息融合技术,2.三传感器信息融合三维回归方程,可以用于抑制其他两个参量的交叉敏感，提高传感器对待测量的稳定性。,例，压阻式压力传感器输出受环温和供电电压的影响。,三传感器信息融合智能传感器系统,测试系统智能化功能的软件实现,33,建立三传感器信息融合智能传感器系统，进行三维标定实验，建立三维回归方程。,
12、根据三维标定实验，按照均方误差最小原则确定常系数。可以提高原传感器系统对温度、电源波动的稳定性。,测试系统智能化功能的软件实现,34,五、测控系统控制功能的软件实现,控制功能是体现测控系统具有判断、决策能力的一种智能化功能，最常使用的是PID控制。,1.模拟PID控制器的传递函数,1）模拟PID控制器的控制作用 由比例、积分、微分三种控制作用的适当配合来控制一个变量。2）模拟PID控制作用的数学表达式,3）模拟PID控制器的传递函数,测试系统智能化功能的软件实现,35,1）控制器信号离散化,取Z变换得,2.数字式PID控制器的脉冲传递函数,将PID时域表达式离散化，利用梯形求和近似积分项。,数
13、字式PID控制器的脉冲传递函数为,测试系统智能化功能的软件实现,36,2）实现数字式PID控制器的计算机编程算式,由,对上式求Z反变换并整理得编程算式,测试系统智能化功能的软件实现,37,测试系统智能化功能的软件实现,六、测控系统网络化的软件实现,网络化是测控系统的重要发展方向。随着社会的发展，人们越来越需要网络化的测控系统，其重要性也日益凸显。,大型机械的多点远程监控 环境地区的多点监测 危重病人的多点监测与会诊 电能的自动实时抄表系统 远程教学实验,测试系统智能化功能的软件实现,38,六、测控系统网络化的软件实现,1.测控系统网络化的软件实现,1）现场总线控制系统中现场总线仪表的特点,为了
14、实现整个工厂范围内的优化控制与自动化生产，现场总线控制系统（FCS）正在取代分散型控制系统（DCS）。, 控制功能,现场仪表的微处理器中装入PID等控制模块就具有控制功能，可以实现现场控制。上位机主要进行优化控制、协调控制、监督控制和管理自动化。,测试系统智能化功能的软件实现,39, 智能化功能,FCS中的现场仪表必须具有智能化功能，内附微处理器，能够自动进行非线性校正、频率补偿、温度补偿，以及故障诊断等智能化功能。其量程设定和零点调整以遥控方式进行。, 开放性与互换性,采用统一的国际标准，不同厂家的产品相互兼容，可以互换与联用。这种开放性系统对用户使用、操作、维护、扩展都十分有利。,测试系统
15、智能化功能的软件实现,40, 带有总线接口,现场仪表相互之间要完成闭环控制功能需要传送信息。控制模块既可以装在变送器的微处理器中，也可以装在调节阀的微处理器中。所有信息传递都是通过各自的接口经现场总线传输的。, 通信功能,所有的智能化现场仪表，包括变送器、执行器等都通过接口挂接在总线上。现场总线采用双绞线、光缆或无线电方式，目前主要以双绞线为主。不仅承担现场仪表所需的供电，而且承担了它们之间的全数字化、双向串行通信。,测试系统智能化功能的软件实现,41,2）现场总线智能仪表的基本结构,测试系统智能化功能的软件实现,42, 前向通道,完成信号检测、转换、采集及分析处理。, 后向通道,现场总线智能
16、仪表硬件结构的特点主要反映在微处理器的后向通道上。,调制：由微处理器输出的数字量，可能是代表被测量信息 或者代表控制模块输出的控制量，经转换并调制为 现场总线上的（数字码）通信信号送至上位机或送 至执行器。,解调：将来自现场总线上的（数码）信号进行解调传送至 微处理器。,供电：将现场总线传输的交流信号进行变换处理，转换为 微处理器、数据采集系统的供电电源或传感器及调 理电路的供电电源。,测试系统智能化功能的软件实现,43,3）现场总线智能仪表的通信功能,现场总线网络的每一个结点都装有一台智能仪表（包括变送器、执行器等）。现场仪表之间，上位机与每台现场仪表之间的信息传递都要通过现场总线实现全数字
17、化、双向的、多站的通信。因此，遵循统一的通信规则与标准是非常必要的。 目前，国际上流行多种现场总线通信标准。,HART可寻址远程传感器高速公路通信协议模式 FF基金会现场总线通信协议模式 CAN控制局域网通信协议模式 LONWORKS局部操作网络通信协议模式,测试系统智能化功能的软件实现,44,4）3051型智能压力变送器简介,是美国罗斯蒙特公司推出的现场总线仪表系列之一。,传感器修正系数、膜片参数,存放传感器量程、组态参数等,测试系统智能化功能的软件实现,45,微处理器完成下列功能：,修正传感器特性； 设置量程； 设置阻尼系数； 对传感器进行故障自诊断； 设定工程单位； 确定智能传感器与上位机的通信接口与通信格式。,测试系统智能化功能的软件实现,46,六、测控系统网络化的软件实现,2. 基于Internet的远程测控系统实现技术,一个远程测控系统一般由三部分组成。,本地测控模块 控制本地实验设备、采集实验数据；网络通信模块 基于一定的网络通信协议，在服务器端和客户端间负责交换数据，数据包括有客户端发出控制命令数据和服务器端响应测量数据；客户端应用程序一般用于与远端客户进行人机对话，响应远端客户的指令，显示测量数据。,测试系统智能化功能的软件实现,47,基于Internet的远程测控系统的系统结构,TCP/IP协议,
