測(cè)量與控制技術(shù)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)TOC\o"1-2"\h\u20493第1章測(cè)量與控制技術(shù)概述 4151761.1測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ) 4175681.1.1測(cè)量基本概念 4191211.1.2測(cè)量方法 422061.1.3測(cè)量誤差 4315291.1.4測(cè)量數(shù)據(jù)處理 421801.2控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 4132341.2.1控制系統(tǒng)基本概念 4291451.2.2控制系統(tǒng)的分類 530721.2.3控制系統(tǒng)的功能指標(biāo) 5175731.3測(cè)量與控制技術(shù)的應(yīng)用 513974第2章傳感器技術(shù) 5147402.1傳感器原理與分類 5247962.1.1傳感器原理 5271782.1.2傳感器分類 6248292.2常用傳感器特性 6214362.2.1電阻式傳感器 619252.2.2電容式傳感器 6212562.2.3電感式傳感器 6233182.2.4壓電式傳感器 6260102.3傳感器信號(hào)處理 7303872.3.1信號(hào)放大 7100912.3.2濾波 7182862.3.3線性化 7302932.3.4數(shù)字化 73197第3章參數(shù)檢測(cè)技術(shù) 7128873.1溫度檢測(cè) 7217653.1.1概述 722333.1.2熱電偶溫度檢測(cè) 7207563.1.3熱電阻溫度檢測(cè) 7270233.1.4紅外溫度檢測(cè) 8142473.2壓力檢測(cè) 85663.2.1概述 8209133.2.2電阻應(yīng)變式壓力檢測(cè) 8114463.2.3壓電式壓力檢測(cè) 8313533.2.4電容式壓力檢測(cè) 88123.3流量檢測(cè) 8101883.3.1概述 8326923.3.2差壓流量計(jì) 8247873.3.3渦輪流量計(jì) 852223.3.4超聲波流量計(jì) 81433.4液位檢測(cè) 9174993.4.1概述 9187653.4.2靜壓式液位檢測(cè) 9199403.4.3浮力式液位檢測(cè) 9144743.4.4阻抗式液位檢測(cè) 914155第4章數(shù)據(jù)采集與處理 9182054.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述 9232614.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本構(gòu)成 9244884.1.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理 10133304.1.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在測(cè)量與控制領(lǐng)域的應(yīng)用 10260164.2采樣定理與信號(hào)重構(gòu) 10325164.2.1采樣定理 10146904.2.2信號(hào)重構(gòu) 1011764.3數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ) 10189984.3.1數(shù)字信號(hào)處理基本概念 112674.3.2數(shù)字信號(hào)處理算法 1133784.3.3數(shù)字信號(hào)處理在數(shù)據(jù)采集與控制中的應(yīng)用 1116315第5章控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 11103235.1系統(tǒng)的微分方程描述 1177815.1.1微分方程的概念 11233715.1.2系統(tǒng)微分方程的建立 11315425.1.3微分方程的求解 12153155.2傳遞函數(shù)及其性質(zhì) 12277295.2.1傳遞函數(shù)的定義 12188235.2.2傳遞函數(shù)的性質(zhì) 12217035.2.3傳遞函數(shù)的求解 12157585.3狀態(tài)空間描述 12189645.3.1狀態(tài)空間的概念 12237135.3.2狀態(tài)方程的建立 1257775.3.3輸出方程的建立 1215815.3.4狀態(tài)空間模型的求解 1218565第6章控制系統(tǒng)分析 12209006.1穩(wěn)定性分析 12314236.1.1穩(wěn)定性概念 13213086.1.2李雅普諾夫穩(wěn)定性判據(jù) 13109596.1.3勞斯赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù) 13111716.2靜態(tài)誤差分析 13210986.2.1靜態(tài)誤差概念 13252166.2.2靜態(tài)誤差系數(shù) 13257156.2.3減小靜態(tài)誤差的措施 13188596.3頻率特性分析 1350526.3.1頻率特性概念 13224106.3.2幅頻特性與相頻特性 13144766.3.3奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù) 1363906.3.4頻率特性與系統(tǒng)功能的關(guān)系 1349506.3.5頻率域補(bǔ)償 148076第7章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14241517.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 14141777.2負(fù)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14278887.2.1負(fù)反饋控制原理 14182847.2.2控制器設(shè)計(jì) 14202107.2.3負(fù)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 1466887.3狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15243837.3.1狀態(tài)反饋控制原理 15307437.3.2狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì) 1582927.3.3狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 153249第8章數(shù)字控制系統(tǒng) 1579648.1數(shù)字控制系統(tǒng)概述 1533528.1.1數(shù)字控制系統(tǒng)的基本概念 1545748.1.2數(shù)字控制系統(tǒng)的組成 1571828.1.3數(shù)字控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 16260828.2數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)方法 16310818.2.1模擬控制器數(shù)字化方法 16115858.2.2直接數(shù)字設(shè)計(jì)方法 16169358.2.3狀態(tài)空間設(shè)計(jì)方法 16161528.3數(shù)字控制算法實(shí)現(xiàn) 17282968.3.1PID控制算法實(shí)現(xiàn) 1786718.3.2模糊控制算法實(shí)現(xiàn) 17259998.3.3自適應(yīng)控制算法實(shí)現(xiàn) 1722864第9章智能控制技術(shù) 17311829.1模糊控制 17154949.1.1模糊控制原理 173749.1.2模糊控制器設(shè)計(jì) 18241429.1.3模糊控制應(yīng)用實(shí)例 1830699.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 1883799.2.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本概念 1825199.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì) 1857419.2.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用實(shí)例 1879609.3專家控制系統(tǒng) 18100519.3.1專家系統(tǒng)基本原理 18245629.3.2專家控制器設(shè)計(jì) 18233599.3.3專家控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例 1828279第10章測(cè)量與控制技術(shù)在工程中的應(yīng)用 18151210.1工業(yè)過(guò)程控制 182738910.2控制 19754010.3自動(dòng)駕駛系統(tǒng) 192997810.4智能家居控制系統(tǒng) 19第1章測(cè)量與控制技術(shù)概述1.1測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)測(cè)量技術(shù)是工程技術(shù)領(lǐng)域中的基礎(chǔ)性技術(shù)，涉及各類物理量的檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集和處理。本節(jié)將對(duì)測(cè)量技術(shù)的基本概念、測(cè)量方法、測(cè)量誤差及數(shù)據(jù)處理等方面進(jìn)行介紹。1.1.1測(cè)量基本概念測(cè)量是指用一定的方法和手段，確定被測(cè)量對(duì)象在某種特性方面的大小、程度、數(shù)量或位置的過(guò)程。測(cè)量主要包括以下三個(gè)要素：（1）被測(cè)量：即需要測(cè)量的大小、程度、數(shù)量或位置等特性。（2）測(cè)量單位：用于表示被測(cè)量大小的基本量度。（3）測(cè)量方法：根據(jù)測(cè)量目的和被測(cè)量的特點(diǎn)，選擇合適的測(cè)量手段和設(shè)備。1.1.2測(cè)量方法測(cè)量方法主要包括直接測(cè)量、間接測(cè)量和組合測(cè)量。（1）直接測(cè)量：直接對(duì)被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量，如用尺子測(cè)量長(zhǎng)度。（2）間接測(cè)量：通過(guò)測(cè)量與被測(cè)量有函數(shù)關(guān)系的其他量，再根據(jù)函數(shù)關(guān)系求出被測(cè)量值，如通過(guò)測(cè)量電阻和電流，計(jì)算電壓。（3）組合測(cè)量：將直接測(cè)量和間接測(cè)量相結(jié)合，以提高測(cè)量精度。1.1.3測(cè)量誤差測(cè)量誤差是指測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值之間的偏差。引起測(cè)量誤差的因素包括：系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。1.1.4測(cè)量數(shù)據(jù)處理測(cè)量數(shù)據(jù)處理主要包括：數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)修正、數(shù)據(jù)平滑和數(shù)據(jù)擬合等。通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以減小誤差，提高測(cè)量結(jié)果的可靠性。1.2控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介控制系統(tǒng)是由控制對(duì)象、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋環(huán)節(jié)組成的閉環(huán)系統(tǒng)。本節(jié)將對(duì)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行介紹。1.2.1控制系統(tǒng)基本概念控制系統(tǒng)是指通過(guò)對(duì)控制對(duì)象的輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使控制對(duì)象的輸出信號(hào)滿足預(yù)定的功能要求的技術(shù)。控制系統(tǒng)主要包括以下四個(gè)部分：（1）控制對(duì)象：被控對(duì)象，如溫度、壓力等。（2）控制器：根據(jù)預(yù)定的功能要求，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制的設(shè)備或算法。（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：將控制器輸出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制對(duì)象的輸入信號(hào)。（4）反饋環(huán)節(jié)：將控制對(duì)象的輸出信號(hào)反饋給控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的閉環(huán)控制。1.2.2控制系統(tǒng)的分類根據(jù)控制信號(hào)的形式，控制系統(tǒng)可分為模擬控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。（1）模擬控制系統(tǒng)：控制信號(hào)為連續(xù)的模擬信號(hào)。（2）數(shù)字控制系統(tǒng)：控制信號(hào)為離散的數(shù)字信號(hào)。1.2.3控制系統(tǒng)的功能指標(biāo)控制系統(tǒng)的功能指標(biāo)主要包括穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性和抗干擾性等。1.3測(cè)量與控制技術(shù)的應(yīng)用測(cè)量與控制技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)、生物醫(yī)療等。以下是測(cè)量與控制技術(shù)的一些典型應(yīng)用：（1）工業(yè)生產(chǎn)：通過(guò)對(duì)溫度、壓力、流量等參數(shù)的測(cè)量和控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化。（2）交通運(yùn)輸：如自動(dòng)駕駛、交通信號(hào)燈控制等。（3）環(huán)境保護(hù)：如空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等。（4）生物醫(yī)療：如心電監(jiān)護(hù)、血壓測(cè)量等。（5）其他領(lǐng)域：如智能建筑、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化等。第2章傳感器技術(shù)2.1傳感器原理與分類2.1.1傳感器原理傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號(hào)處理電路和輸出接口等部分組成。2.1.2傳感器分類傳感器按照工作原理、用途、輸出信號(hào)等不同標(biāo)準(zhǔn)，可分為以下幾類：（1）物理傳感器：利用物理效應(yīng)，如光電效應(yīng)、磁電效應(yīng)等，將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。（2）化學(xué)傳感器：利用化學(xué)效應(yīng)，如電化學(xué)反應(yīng)、光化學(xué)效應(yīng)等，將被測(cè)化學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。（3）生物傳感器：利用生物材料或生物體，如酶、抗體等，檢測(cè)特定生物物質(zhì)或生物過(guò)程。（4）機(jī)械傳感器：利用彈性、磁性、慣性等原理，將機(jī)械量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。2.2常用傳感器特性2.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器主要包括熱電阻、光敏電阻、力敏電阻等，其主要特性如下：（1）靈敏度較高；（2）線性度較好；（3）溫度系數(shù)較大；（4）易受環(huán)境因素影響，穩(wěn)定性相對(duì)較差。2.2.2電容式傳感器電容式傳感器主要包括變面積式、變介質(zhì)式、變間距式等，其主要特性如下：（1）靈敏度高；（2）分辨率高；（3）溫度穩(wěn)定性較好；（4）易受高頻干擾。2.2.3電感式傳感器電感式傳感器主要包括自感式、互感式、差動(dòng)式等，其主要特性如下：（1）靈敏度高；（2）線性度好；（3）抗干擾能力強(qiáng)；（4）對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)要求較高。2.2.4壓電式傳感器壓電式傳感器利用壓電效應(yīng)，其主要特性如下：（1）靈敏度較高；（2）響應(yīng)速度快；（3）頻帶寬；（4）受溫度影響較小。2.3傳感器信號(hào)處理傳感器信號(hào)處理主要包括信號(hào)放大、濾波、線性化、數(shù)字化等環(huán)節(jié)，其目的在于提高傳感器輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。2.3.1信號(hào)放大信號(hào)放大環(huán)節(jié)采用運(yùn)算放大器等器件，對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，以滿足后續(xù)處理電路的需求。2.3.2濾波濾波環(huán)節(jié)采用低通、高通、帶通等濾波器，濾除傳感器信號(hào)中的高頻噪聲和干擾信號(hào)，提高信號(hào)質(zhì)量。2.3.3線性化線性化環(huán)節(jié)對(duì)傳感器的非線性特性進(jìn)行補(bǔ)償，使其輸出信號(hào)與被測(cè)量的關(guān)系盡可能接近線性，便于后續(xù)處理。2.3.4數(shù)字化數(shù)字化環(huán)節(jié)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和傳輸。常用的數(shù)字化方法有模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）等。第3章參數(shù)檢測(cè)技術(shù)3.1溫度檢測(cè)3.1.1概述溫度檢測(cè)是測(cè)量與控制技術(shù)中的一項(xiàng)基本內(nèi)容，對(duì)于保證工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量與安全具有重要意義。本章主要介紹常見(jiàn)的溫度檢測(cè)方法及溫度傳感器。3.1.2熱電偶溫度檢測(cè)熱電偶是一種利用兩種不同金屬接觸處產(chǎn)生熱電勢(shì)的原理進(jìn)行溫度測(cè)量的傳感器。其具有測(cè)量范圍寬、響應(yīng)速度快、輸出信號(hào)大等優(yōu)點(diǎn)。3.1.3熱電阻溫度檢測(cè)熱電阻溫度檢測(cè)是利用金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性進(jìn)行溫度測(cè)量的方法。熱電阻傳感器具有線性好、精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。3.1.4紅外溫度檢測(cè)紅外溫度檢測(cè)是利用物體發(fā)射的紅外輻射與其溫度之間的關(guān)系進(jìn)行非接觸式溫度測(cè)量的技術(shù)。其具有響應(yīng)速度快、不干擾被測(cè)對(duì)象、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。3.2壓力檢測(cè)3.2.1概述壓力檢測(cè)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中具有重要作用，涉及到設(shè)備運(yùn)行的安全、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量等方面。本章主要介紹壓力檢測(cè)的方法及傳感器。3.2.2電阻應(yīng)變式壓力檢測(cè)電阻應(yīng)變式壓力傳感器利用金屬應(yīng)變片的電阻隨應(yīng)變變化的原理進(jìn)行壓力測(cè)量。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。3.2.3壓電式壓力檢測(cè)壓電式壓力傳感器是利用壓電材料在受到壓力作用時(shí)產(chǎn)生電荷的原理進(jìn)行壓力測(cè)量。具有靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。3.2.4電容式壓力檢測(cè)電容式壓力傳感器利用電容量與壓力之間的變化關(guān)系進(jìn)行壓力測(cè)量。具有線性好、精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。3.3流量檢測(cè)3.3.1概述流量檢測(cè)在石油、化工、水利等行業(yè)具有廣泛應(yīng)用，對(duì)于保證生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定和優(yōu)化生產(chǎn)操作具有重要意義。3.3.2差壓流量計(jì)差壓流量計(jì)是利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)產(chǎn)生的差壓與流量之間的關(guān)系進(jìn)行流量測(cè)量的方法。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用范圍廣、精度較高等優(yōu)點(diǎn)。3.3.3渦輪流量計(jì)渦輪流量計(jì)是利用流體流動(dòng)時(shí)對(duì)渦輪的旋轉(zhuǎn)作用產(chǎn)生脈沖信號(hào)的原理進(jìn)行流量測(cè)量的傳感器。具有線性好、精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。3.3.4超聲波流量計(jì)超聲波流量計(jì)利用超聲波在流體中傳播速度與流體流速之間的關(guān)系進(jìn)行非接觸式流量測(cè)量。具有安裝方便、無(wú)干擾、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。3.4液位檢測(cè)3.4.1概述液位檢測(cè)在化工、石油、食品等行業(yè)中具有重要意義，對(duì)于保證生產(chǎn)過(guò)程的安全、優(yōu)化操作和提高產(chǎn)品質(zhì)量具有關(guān)鍵作用。3.4.2靜壓式液位檢測(cè)靜壓式液位檢測(cè)是利用液體對(duì)傳感器產(chǎn)生的壓力與液位高度成正比的原理進(jìn)行液位測(cè)量的方法。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度較高等優(yōu)點(diǎn)。3.4.3浮力式液位檢測(cè)浮力式液位檢測(cè)是利用浮子受到液體浮力作用而位置變化的原理進(jìn)行液位測(cè)量的方法。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。3.4.4阻抗式液位檢測(cè)阻抗式液位檢測(cè)是利用液體的電阻或介電常數(shù)與液位高度之間的關(guān)系進(jìn)行液位測(cè)量的方法。具有響應(yīng)速度快、精度較高等優(yōu)點(diǎn)。第4章數(shù)據(jù)采集與處理4.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是測(cè)量與控制技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的物理信號(hào)進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換和傳輸。本節(jié)將從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本構(gòu)成、工作原理及其在測(cè)量與控制領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行概述。4.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括以下四個(gè)部分：（1）傳感器：傳感器作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前端，負(fù)責(zé)將現(xiàn)實(shí)世界中的各種物理信號(hào)（如溫度、壓力、流量等）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。（2）信號(hào)調(diào)理電路：信號(hào)調(diào)理電路對(duì)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、線性化等處理，使其滿足后續(xù)處理電路的要求。（3）模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）：ADC將調(diào)理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，便于數(shù)字信號(hào)處理。（4）數(shù)據(jù)采集卡：數(shù)據(jù)采集卡負(fù)責(zé)將ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。4.1.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理主要包括以下三個(gè)步驟：（1）信號(hào)采樣：根據(jù)采樣定理，以足夠高的采樣頻率對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，使其能完全恢復(fù)原始信號(hào)。（2）信號(hào)量化：將采樣后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這一過(guò)程由ADC完成。（3）數(shù)據(jù)傳輸與處理：將數(shù)字信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行分析、處理和應(yīng)用。4.1.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在測(cè)量與控制領(lǐng)域的應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在測(cè)量與控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，如自動(dòng)化控制系統(tǒng)、故障診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與控制，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。4.2采樣定理與信號(hào)重構(gòu)采樣定理是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的基本理論，本節(jié)將介紹采樣定理的基本原理及其在信號(hào)重構(gòu)中的應(yīng)用。4.2.1采樣定理采樣定理指出，為了使連續(xù)時(shí)間信號(hào)能夠從其采樣值完全恢復(fù)，采樣頻率必須大于信號(hào)最高頻率的兩倍。即：f_s≥2f_h其中，f_s為采樣頻率，f_h為信號(hào)的最高頻率。4.2.2信號(hào)重構(gòu)信號(hào)重構(gòu)是指利用采樣值恢復(fù)原始連續(xù)時(shí)間信號(hào)的過(guò)程。根據(jù)采樣定理，可以通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)信號(hào)重構(gòu)：（1）對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行采樣，得到采樣序列。（2）利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，如插值、濾波等，對(duì)采樣序列進(jìn)行處理。（3）通過(guò)逆變換，將處理后的采樣序列轉(zhuǎn)換為連續(xù)時(shí)間信號(hào)。4.3數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)數(shù)字信號(hào)處理（DigitalSignalProcessing，DSP）是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。本節(jié)將介紹數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、算法及其在數(shù)據(jù)采集與控制中的應(yīng)用。4.3.1數(shù)字信號(hào)處理基本概念數(shù)字信號(hào)處理主要涉及以下基本概念：（1）離散時(shí)間信號(hào)：將連續(xù)時(shí)間信號(hào)在時(shí)間上離散化，得到離散時(shí)間信號(hào)。（2）離散時(shí)間系統(tǒng)：利用數(shù)字信號(hào)處理算法對(duì)離散時(shí)間信號(hào)進(jìn)行處理。（3）數(shù)字濾波器：在數(shù)字信號(hào)處理中，濾波器用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行特定頻率范圍內(nèi)的增強(qiáng)或抑制。4.3.2數(shù)字信號(hào)處理算法數(shù)字信號(hào)處理算法主要包括以下幾類：（1）傅里葉變換（FFT）：將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，便于分析信號(hào)的頻率成分。（2）數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)：根據(jù)濾波器類型（如低通、高通、帶通等）和設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器。（3）自適應(yīng)濾波器：通過(guò)調(diào)整濾波器系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的自適應(yīng)處理。4.3.3數(shù)字信號(hào)處理在數(shù)據(jù)采集與控制中的應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理在數(shù)據(jù)采集與控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，如：（1）信號(hào)預(yù)處理：對(duì)采集到的原始信號(hào)進(jìn)行去噪、濾波等處理，提高信號(hào)質(zhì)量。（2）特征提取：從處理后的信號(hào)中提取有用信息，用于后續(xù)控制策略的制定。（3）控制算法實(shí)現(xiàn)：利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各種控制算法，如PID控制、模糊控制等。第5章控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型5.1系統(tǒng)的微分方程描述5.1.1微分方程的概念微分方程是描述物理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的一種數(shù)學(xué)表達(dá)方式。它建立了系統(tǒng)輸出與輸入、系統(tǒng)狀態(tài)及其導(dǎo)數(shù)之間的關(guān)系。5.1.2系統(tǒng)微分方程的建立根據(jù)物理系統(tǒng)的基本定律和原理，通過(guò)拉格朗日方程、牛頓第二定律或電路定律等方法建立系統(tǒng)的微分方程。5.1.3微分方程的求解針對(duì)一階微分方程和二階微分方程，分別采用常數(shù)變易法、待定系數(shù)法、積分因子法等方法進(jìn)行求解。5.2傳遞函數(shù)及其性質(zhì)5.2.1傳遞函數(shù)的定義傳遞函數(shù)是系統(tǒng)在零初始條件下，輸出信號(hào)的拉普拉斯變換與輸入信號(hào)的拉普拉斯變換之比。5.2.2傳遞函數(shù)的性質(zhì)（1）線性性質(zhì)：傳遞函數(shù)具有線性特性，即滿足疊加原理和齊次原理。（2）時(shí)不變性質(zhì)：傳遞函數(shù)不隨時(shí)間變化，僅與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)。（3）因果性質(zhì)：輸出僅與當(dāng)前及未來(lái)的輸入有關(guān)，與過(guò)去的輸入無(wú)關(guān)。5.2.3傳遞函數(shù)的求解根據(jù)系統(tǒng)的微分方程或狀態(tài)空間方程，利用拉普拉斯變換法求解傳遞函數(shù)。5.3狀態(tài)空間描述5.3.1狀態(tài)空間的概念狀態(tài)空間是一種描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)一組狀態(tài)變量和輸入、輸出變量來(lái)描述系統(tǒng)的演化過(guò)程。5.3.2狀態(tài)方程的建立根據(jù)系統(tǒng)的微分方程，通過(guò)狀態(tài)變量、輸出變量和輸入變量的選取，建立系統(tǒng)的一階微分方程組，即狀態(tài)方程。5.3.3輸出方程的建立根據(jù)系統(tǒng)輸出與狀態(tài)變量之間的關(guān)系，建立輸出方程。5.3.4狀態(tài)空間模型的求解采用數(shù)值解法、解析解法等方法求解狀態(tài)空間模型，得到系統(tǒng)輸出與輸入之間的關(guān)系。第6章控制系統(tǒng)分析6.1穩(wěn)定性分析6.1.1穩(wěn)定性概念穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中的功能指標(biāo)。本章主要研究線性定常控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，包括系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)定性和外部穩(wěn)定性。6.1.2李雅普諾夫穩(wěn)定性判據(jù)介紹李雅普諾夫穩(wěn)定性判據(jù)的基本原理及其在控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用。通過(guò)求解系統(tǒng)狀態(tài)方程，判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。6.1.3勞斯赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)介紹勞斯赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)，通過(guò)分析系統(tǒng)特征方程的系數(shù)，判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。6.2靜態(tài)誤差分析6.2.1靜態(tài)誤差概念靜態(tài)誤差是指系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出值與期望值之間的差值。本章分析線性定?？刂葡到y(tǒng)在單位階躍、單位斜坡和單位加速度輸入下的靜態(tài)誤差。6.2.2靜態(tài)誤差系數(shù)介紹靜態(tài)誤差系數(shù)的定義及計(jì)算方法，通過(guò)靜態(tài)誤差系數(shù)分析系統(tǒng)靜態(tài)誤差功能。6.2.3減小靜態(tài)誤差的措施分析影響靜態(tài)誤差的因素，提出相應(yīng)的減小靜態(tài)誤差的措施，如提高系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益、增加積分環(huán)節(jié)等。6.3頻率特性分析6.3.1頻率特性概念頻率特性是指系統(tǒng)輸出與輸入信號(hào)的頻率關(guān)系。本章主要研究線性定常控制系統(tǒng)的頻率特性，包括幅頻特性和相頻特性。6.3.2幅頻特性與相頻特性分析系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性，了解系統(tǒng)在不同頻率下的功能表現(xiàn)。6.3.3奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)介紹奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)的基本原理，通過(guò)分析系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率特性，判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。6.3.4頻率特性與系統(tǒng)功能的關(guān)系分析頻率特性與系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性、超調(diào)量等功能指標(biāo)之間的關(guān)系，為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。6.3.5頻率域補(bǔ)償介紹頻率域補(bǔ)償原理，通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)頻率特性，改善系統(tǒng)功能。包括低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等補(bǔ)償方法。第7章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是測(cè)量與控制技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，其目標(biāo)是通過(guò)合理的系統(tǒng)配置和參數(shù)設(shè)計(jì)，使控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)功能、動(dòng)態(tài)功能和魯棒功能。本章將介紹控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理和方法，包括負(fù)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。7.2負(fù)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.2.1負(fù)反饋控制原理負(fù)反饋控制是控制系統(tǒng)中最基本的一種控制策略，其核心思想是將系統(tǒng)輸出與期望值進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差信號(hào)通過(guò)控制器調(diào)整控制量，從而使系統(tǒng)輸出接近期望值。負(fù)反饋控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、減小穩(wěn)態(tài)誤差、改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功能。7.2.2控制器設(shè)計(jì)控制器設(shè)計(jì)是負(fù)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容?？刂破髟O(shè)計(jì)主要包括以下步驟：（1）確定系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)。（2）根據(jù)系統(tǒng)功能指標(biāo)，選擇合適的控制器結(jié)構(gòu)。（3）設(shè)計(jì)控制器參數(shù)，使得系統(tǒng)閉環(huán)功能滿足要求。7.2.3負(fù)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例以某過(guò)程控制系統(tǒng)為例，介紹負(fù)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。具體步驟如下：（1）確定系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)。（2）根據(jù)功能指標(biāo)，選擇PID控制器作為控制器。（3）設(shè)計(jì)PID控制器參數(shù)，包括比例、積分、微分參數(shù)。（4）仿真驗(yàn)證系統(tǒng)功能。7.3狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.3.1狀態(tài)反饋控制原理狀態(tài)反饋控制是在負(fù)反饋控制的基礎(chǔ)上，引入系統(tǒng)狀態(tài)變量進(jìn)行控制的一種方法。其基本思想是將系統(tǒng)狀態(tài)變量反饋到控制器，通過(guò)對(duì)狀態(tài)變量的調(diào)整，使系統(tǒng)輸出滿足期望值。狀態(tài)反饋控制具有更好的動(dòng)態(tài)功能和魯棒功能。7.3.2狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)主要包括以下步驟：（1）確定系統(tǒng)狀態(tài)空間模型。（2）設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋矩陣，使得系統(tǒng)閉環(huán)功能滿足要求。（3）設(shè)計(jì)控制律，實(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)變量的調(diào)整。7.3.3狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例以某飛行控制系統(tǒng)為例，介紹狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。具體步驟如下：（1）建立系統(tǒng)狀態(tài)空間模型。（2）設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋矩陣，使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)功能和魯棒功能。（3）設(shè)計(jì)控制律，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的穩(wěn)定控制。（4）仿真驗(yàn)證系統(tǒng)功能。第8章數(shù)字控制系統(tǒng)8.1數(shù)字控制系統(tǒng)概述數(shù)字控制系統(tǒng)是指以數(shù)字計(jì)算機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器為核心，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的系統(tǒng)。它將連續(xù)的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)數(shù)字控制器進(jìn)行算法處理，再輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的精確控制。本節(jié)主要介紹數(shù)字控制系統(tǒng)的基本概念、組成及特點(diǎn)。8.1.1數(shù)字控制系統(tǒng)的基本概念數(shù)字控制系統(tǒng)主要由被控對(duì)象、傳感器、執(zhí)行器、數(shù)字控制器和輸入輸出接口等組成。其基本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確控制。8.1.2數(shù)字控制系統(tǒng)的組成數(shù)字控制系統(tǒng)的組成包括硬件和軟件兩部分。硬件部分主要包括數(shù)字計(jì)算機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、傳感器、執(zhí)行器等；軟件部分主要包括控制算法、數(shù)據(jù)處理程序等。8.1.3數(shù)字控制系統(tǒng)的特點(diǎn)數(shù)字控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）精度高、穩(wěn)定性好；（2）靈活性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)；（3）易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法；（4）便于與計(jì)算機(jī)及其他設(shè)備集成；（5）維護(hù)方便、成本較低。8.2數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)方法數(shù)字控制器設(shè)計(jì)是數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本節(jié)主要介紹數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)方法，包括模擬控制器數(shù)字化方法、直接數(shù)字設(shè)計(jì)方法和狀態(tài)空間設(shè)計(jì)方法。8.2.1模擬控制器數(shù)字化方法模擬控制器數(shù)字化方法是將已知的模擬控制器通過(guò)一定的變換方法轉(zhuǎn)換為數(shù)字控制器。主要包括以下幾種方法：（1）線性變換法；（2）雙線性變換法；（3）零極點(diǎn)匹配法；（4）最小二乘法。8.2.2直接數(shù)字設(shè)計(jì)方法直接數(shù)字設(shè)計(jì)方法是基于數(shù)字控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，直接在離散域內(nèi)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。主要包括以下幾種方法：（1）采樣控制設(shè)計(jì)法；（2）離散PID控制設(shè)計(jì)法；（3）數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)法；（4）狀態(tài)空間設(shè)計(jì)法。8.2.3狀態(tài)空間設(shè)計(jì)方法狀態(tài)空間設(shè)計(jì)方法是將控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程離散化后，直接在離散域內(nèi)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。主要包括以下步驟：（1）狀態(tài)方程和輸出方程的離散化；（2）狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)；（3）觀測(cè)器設(shè)計(jì)；（4）控制器功能分析。8.3數(shù)字控制算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制算法是實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器功能的核心部分，主要包括PID控制算法、模糊控制算法、自適應(yīng)控制算法等。本節(jié)主要介紹這些算法在數(shù)字控制器中的實(shí)現(xiàn)方法。8.3.1PID控制算法實(shí)現(xiàn)PID控制算法是應(yīng)用最廣泛的控制算法，其實(shí)現(xiàn)方法包括以下步驟：（1）確定采樣周期；（2）選擇適當(dāng)?shù)腜ID參數(shù)；（3）離散化PID算法；（4）編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)PID控制。8.3.2模糊控制算法實(shí)現(xiàn)模糊控制算法是一種基于模糊邏輯的控制方法，其實(shí)現(xiàn)步驟如下：（1）確定輸入、輸出變量；（2）建立模糊控制規(guī)