無人機(jī)信號與智能感知技術(shù)模塊

1

無人機(jī)信號與智能感知概論模塊1無人機(jī)信號與智能感知概論模塊2無人機(jī)信號與系統(tǒng)基礎(chǔ)知識模塊3無人機(jī)感知技術(shù)模塊4系統(tǒng)描述與分析模塊5系統(tǒng)控制全套可編輯PPT課件

目c

on

t

e

n

t錄任務(wù)1

傳感器技術(shù)概論任務(wù)2

信號與系統(tǒng)基礎(chǔ)任務(wù)3

自動控制理論概述任務(wù)1傳感器技術(shù)概論他克服重重困難

，解決了許多技術(shù)和工程上的挑戰(zhàn)

，確保了項目的順利進(jìn)行。項目歷時22年，

2016年9月25日正

式落成啟用。

FAST是具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)、

世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。南仁東的工作使中國在射電天文學(xué)領(lǐng)域達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。他獲得了多項榮譽(yù)

，包括“時代楷模”“人民科學(xué)家”等稱號。

2018年，

中國科學(xué)院將一顆編號為79694的小行星命名為“南仁東星”。南仁東是中國著名的天文學(xué)家

，被譽(yù)為“

中國天眼之父

”。其在射電天文學(xué)領(lǐng)域的工作

，尤其是他作為中國500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）項目的首席科學(xué)家和總工程師，

聞名于全世界。1994

年開始

，南仁東負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)FAST項目的籌備工作

，包括選址、立項、設(shè)計和技術(shù)攻關(guān)等。提出的多項工程地質(zhì)、水文地質(zhì)建議被地學(xué)領(lǐng)域同行采納。情景創(chuàng)建

在研究自然現(xiàn)象、

規(guī)律以及生產(chǎn)活動中，如果單靠人們自身的感覺器官是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的

，需要借助某種儀器設(shè)備來完成

，這種儀器設(shè)備就是傳感器。傳感器是人類五官的延伸

，是信息采集系統(tǒng)的首要部件

，又稱

“

電五官

”。

因此可以說

，傳感器是人類五官的延伸

，是信息采集系統(tǒng)的首要部件

，又被稱為電五官。傳感器幾乎滲透到所有的技術(shù)領(lǐng)域

，如

工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探索、環(huán)境保護(hù)、資源利用、

醫(yī)學(xué)診斷、生物工程和文物保護(hù)

等

，并逐漸深入到人們的生活中。機(jī)器人中

傳感器的數(shù)量與性能是智能與否的標(biāo)志

，助

力機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自我診斷、學(xué)習(xí)等類人知覺。機(jī)器人通過傳感器擁有了類似于人的知覺。1.1

知識點(diǎn)1：

傳感器的作用與地位世界是由物質(zhì)組成的

，各種事物都是物質(zhì)的不同形態(tài)。人的大腦對“五官”感受到的信息進(jìn)行加工、處理

，從而調(diào)節(jié)人的行為活動。在當(dāng)今的信息時代，

隨著電子計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，

自動檢測、

自動控制技術(shù)顯露出非凡的能力

，傳感器是實(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)

，是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等感知技術(shù)的基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)來源。沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展。新技術(shù)革命的到來

，世界開始進(jìn)入信息時代。在利用信息的過程中

，首先要解決的就是如何獲取準(zhǔn)確可靠的信息

，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段

，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及各類現(xiàn)代化項目均離不開它。幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。在航空、航天技術(shù)領(lǐng)域

，僅阿波羅10號飛船就使用了數(shù)千個傳感器對3295個測量參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。兵器領(lǐng)域傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測、

目標(biāo)定位與可靠防衛(wèi)。從而更好地實(shí)現(xiàn)了安全、可靠的防衛(wèi)能力。1.1

知識點(diǎn)1：

傳感器的作用與地位020103 在民用工業(yè)生產(chǎn)中

，傳感器也起著至關(guān)重要的作用

，如一座大型煉鋼廠就需要2萬多臺傳感器和檢測儀表；

日常生活中的電冰箱、洗衣機(jī)、

電飯煲、音像設(shè)備、

電動自行車、空調(diào)器、照相機(jī)、

電熱水器、報警器等家用電器都安裝了傳感器；在醫(yī)學(xué)上

，人體的體溫、血壓、心腦電波及腫瘤等的準(zhǔn)確診斷與監(jiān)測都需要借助各種傳感器來完成。傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動社會進(jìn)步方面的重要作用

，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展?！皼]有傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點(diǎn)已為全世界所公認(rèn)。以傳感器為核心的檢測系統(tǒng)就像神經(jīng)和感官一樣

，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息

，成為人們認(rèn)識自然、改造自然的有力工具。1.1

知識點(diǎn)1：

傳感器的作用與地位傳感器的作用是將被測量轉(zhuǎn)換成與其有一定關(guān)系的易于處理的電量，

它獲得的信息正確與否

，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。依照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《傳感器通用術(shù)語》（GB/T

7665—2005）

的規(guī)定

，傳感器的定義是：“能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”。這一定義包含了4個方面的含義：①

傳感器是測量裝置

，能完成測量任務(wù)；②

它的輸入量是某一被測量

，可能是物理量、化學(xué)量、生物量等；③

它的輸出量是某一物理量

，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和顯示等

，這就是所謂的“可用信號”的含義；④

輸出與輸入有一定的對應(yīng)關(guān)系

，這種關(guān)系要有一定的規(guī)律。根據(jù)字義可以理解為：傳感器是一感二傳

，即感受信息并傳遞出去。1.2

知識點(diǎn)2：

傳感器的定義、組成與特性

1.2.1傳感器的定義1.2.1傳感器的定義在無人機(jī)系統(tǒng)中

，傳感器起著至關(guān)重要的作用，

它們?yōu)闊o人機(jī)提供了關(guān)于環(huán)境、

自身狀態(tài)以及執(zhí)行任務(wù)所需的各種信息

，從基礎(chǔ)的飛行控制到復(fù)雜的任務(wù)執(zhí)行

，傳感器都扮演著不可或缺的角色。

無人機(jī)傳感器技術(shù)的發(fā)展

，不僅提高了無人機(jī)的智能化水平

，還擴(kuò)展了無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。1.2

知識點(diǎn)2：

傳感器的定義、組成與特性傳感器通常由敏感元器件、轉(zhuǎn)換元器件、轉(zhuǎn)換電路及輔助電源組成。?敏感元器件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分；?轉(zhuǎn)換元器件是指傳感器中能將敏感元器件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分；?轉(zhuǎn)換電路是把轉(zhuǎn)換元器件輸出的電信號變換為便于處理、顯示、記錄、控制和傳輸?shù)目捎秒娦盘枴Ｆ潆娐返念愋鸵曓D(zhuǎn)換元器件的不同而定。?輔助電源提供轉(zhuǎn)換能量

，有的傳感器需要外加電源才能工作

，如應(yīng)變片組成的電橋、差動變壓器等；有的傳感器則不需要外加電源便能工作

，如壓電晶體等。1.2

知識點(diǎn)2：

傳感器的定義、組成與特性1.2.2傳感器的組成傳感器的基本特性通?？煞譃殪o態(tài)特性和動態(tài)特性。

靜態(tài)特性是指被測量不隨時間變化或隨時間變化緩慢時輸入與輸出之間的關(guān)系

，動態(tài)特性是指被測量隨時間快速變化時傳感器輸入與輸出間的關(guān)系。在生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗中

，要對各種各樣的參數(shù)進(jìn)行檢測和控制

，就要求傳感器能感受被測非電量的變化并不失真地變換成相應(yīng)的電量

，這主要取決于傳感器的基本特性

，即輸入-輸出特性。傳感器作為感受被測量信息的器件

，總是希望它能按照一定的規(guī)律輸出有用的信息，

因此需要研究其輸入-輸出之間的關(guān)系及特性

，以便用理論指導(dǎo)其設(shè)計、制造、校準(zhǔn)與使用。1.2

知識點(diǎn)2：

傳感器的定義、組成與特性

1.2.3傳感器基本特性1

．傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型靜態(tài)數(shù)學(xué)模型是指在靜態(tài)信號作用下

，傳感器輸出量與輸入量之間的一種函數(shù)關(guān)系。如果不考慮遲滯特性

，傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型一般可用n次多項式來表示為

式中

，x是輸入量，

即被測量；y是傳感器的理論輸出量；

a0是零輸入時的輸出

，也叫作零位輸出；

a1是傳感器線性項系數(shù)

，也稱為線性靈敏度，

常用k或s表示；

a1…an是非線性項系數(shù)，其數(shù)值由具體傳感器非線性特性決定；n

=

0,

1,2

…

1.2

知識點(diǎn)2：

傳感器的定義、組成與特性

1.2.3.1傳感器的靜態(tài)特性1.2.3傳感器基本特性其數(shù)學(xué)模型為

y

=

a1x具有該特性的傳感器，

其特性曲線是一條通過原點(diǎn)的直線。其靈敏度為直線y=a1x的斜率

，其中a1為常數(shù)。02

線性特性當(dāng)a2=

a3

=

…

=

an

=

0，a0

≠

0時，

特性曲線是一條不過原點(diǎn)的直線，

這是線性傳感器的特性

。

其數(shù)學(xué)模型為y

=

a0

+

a1x理想的線性特性其線性度最好

，通常是所有傳感器都希望具有的特性

，只有具備這樣的特性才能準(zhǔn)確無誤地反映被測量的真值。1.2

知識點(diǎn)2：

傳感器的定義、組成與特性

1

．傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型傳感器靜態(tài)數(shù)學(xué)模型有4種有用的特殊形式：1.2.3.1傳感器的靜態(tài)特性1.2.3傳感器基本特性0104

僅有奇次非線性項其線性范圍較寬

，且特性曲線相對坐標(biāo)原點(diǎn)對稱。線性度較好

，靈敏度為該曲線的斜率。其數(shù)學(xué)模型為

y

=

a0

+a1x

+a3x3

+

…a2n+1

x

2n+1,n

=

0,1,2

…具有這種特性的傳感器使用時應(yīng)采取線性補(bǔ)償措施。僅有偶次非線性項其線性范圍較窄

，線性度較差

，靈敏度為相應(yīng)曲線的斜率

，特性曲線對軸對稱。一般傳感器設(shè)計很少采用這種特性。其數(shù)學(xué)模型為y

=

a0

+a2x2

+

…a2n

x

2n,n

=

0,1,2

…1.2

知識點(diǎn)2：

傳感器的定義、組成與特性

1.2.3.1傳感器的靜態(tài)特性1.2.3傳感器基本特性1

．傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型032

．傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)傳感器的靜態(tài)特性主要由線性度、

靈敏度、重復(fù)性、遲滯、分辨力和閾值、穩(wěn)定性、漂移、測量范圍和量程等幾種性能指標(biāo)來描述。(1）線性度。線性度是傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離理論擬合直線的程度

，又稱為非線性誤差。通常用相對誤差表示其大小，

線性度可表示為

YL

線性度是以擬合直線作為基準(zhǔn)來確定的

，擬合方法不同

，線性度的大小也不同

，常用的擬合方法有理論直線法、端點(diǎn)連線法、割線法、最小二乘法等。1.2

知識點(diǎn)2：

傳感器的定義、組成與特性1.2.3.1傳感器的靜態(tài)特性1.2.3傳感器基本特性1632

．傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)（2）靈敏度。K靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下

，輸出增量與輸入增量的比值。對于線性傳感器

，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性曲線的斜率

，如圖（a）所示

，其中K

對于非線性傳感器

，其靈敏度是一個隨工作點(diǎn)而變的變量

，它是特性曲

線

上

某

一

點(diǎn)

切

線

的

斜

率

。

如圖

（b）

所示

，

其

表

達(dá)

式

為

K，K值越大，表示傳感器越靈敏。圖（a）1.2

知識點(diǎn)2：

傳感器的定義、組成與特性

1.2.3.1傳感器的靜態(tài)特性1.2.3傳感器基本特性圖（b）（3）重復(fù)性。重復(fù)性是傳感器在輸入Δx

min量按同一方向作全量程多次測試時

，所得特性曲線不一致的程度。

圖中Δmax1和Δmax2

，分別為正、反行程多次測試的最大不重復(fù)誤差

，多次測試的曲線越重合

，其重復(fù)性越好。重復(fù)性誤差可用式

eR

Δmax

=

max(Δmax1，Δmax2)計算。式中，Δmax是輸出最大不重復(fù)誤差；YFS是滿量程輸出平均值。1.2

知識點(diǎn)2：

傳感器的定義、組成與特性

1.2.3.1傳感器的靜態(tài)特性1.2.3傳感器基本特性2

．傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)（3）重復(fù)性。重復(fù)性誤差反映的是校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的離散程度

，屬于隨機(jī)誤差

，按上述方法計算是不太合理的。由于測量次數(shù)不同

，其最大偏差也不一樣。

因此一般按標(biāo)準(zhǔn)偏差來計算重復(fù)性誤差

，其表達(dá)式為

式中

，σmax是全部校準(zhǔn)點(diǎn)正、反行程輸出值標(biāo)準(zhǔn)偏差中的最大值。標(biāo)準(zhǔn)偏差常用貝塞爾公式計算：

yi是某校準(zhǔn)點(diǎn)的輸出值；

是在第i個校準(zhǔn)點(diǎn)上輸出量的平均值；n是測量次數(shù)。

1.2

知識點(diǎn)2：

傳感器的定義、組成與特性

1.2.3.1傳感器的靜態(tài)特性1.2.3傳感器基本特性2

．傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)2

．傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)（4）遲滯。遲滯是傳感器在正向行程（輸入量增大）和反向行程（輸入量減

?。┢陂g

，輸出輸入特性曲線不一致的程度。對于同一大小的輸入信

號，

傳感器正反行程的輸出信號大小不相等。

在行程

中同一輸入量

xi

；對應(yīng)的不同輸出量yi

、yd的差值叫作滯環(huán)誤差

，最大滯環(huán)誤差用?max表示

，它與滿量程輸出值的比值稱遲滯誤差

，用eH

表示，則eH

或

eH

1.2

知識點(diǎn)2：

傳感器的定義、組成與特性

1.2.3.1傳感器的靜態(tài)特性1.2.3傳感器基本特性2

．傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)（5）分辨力和閾值。實(shí)際測量時，

傳感器的輸入輸出關(guān)系不可能保持絕對連續(xù)。實(shí)際上傳感器的特性曲線并不是十分平滑的

，而是呈階梯形變化的。傳感器的分辨力是指在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測的輸入量的最小變化量Δmin

，有時也用該值相對滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)表示

，稱為分辨率。1.2

知識點(diǎn)2：

傳感器的定義、組成與特性

1.2.3.1傳感器的靜態(tài)特性1.2.3傳感器基本特性2

．傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)（5）分辨力和閾值對于數(shù)字儀表而言

，指示數(shù)字的最后一位數(shù)字所代表的值就是它的分辨力，

當(dāng)被測量的變化小于分辨力時

，儀表的最后一位數(shù)字保持不變。分辨力是一個可反映傳感器能否精密測量的性能指標(biāo)

，既可用輸入量來表示

，也可用輸出量來表示。閾值通常又稱為死區(qū)、失靈區(qū)、靈敏限、靈敏閾、鈍感區(qū)

，是輸入量由零變化到使輸出量開始發(fā)生可觀變化的輸入量的值。

1.2

知識點(diǎn)2：

傳感器的定義、組成與特性

1.2.3.1傳感器的靜態(tài)特性1.2.3傳感器基本特性（6）穩(wěn)定性。穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性之分。傳感器常用長期穩(wěn)定性表示，

它是指在室溫條件下

，經(jīng)過相當(dāng)長的時間間隔

，如一天、一月或一年

，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時的輸出之間的差異。通常又用其不穩(wěn)定度來表征其輸出的穩(wěn)定度。（8）測量范圍和量程。傳感器所能測量的最大被測量（輸入量）

的數(shù)值稱為測量上限

，最小被測量的數(shù)值稱為測量下限

，上限與下限之間的區(qū)間，

則稱為測量范圍。測量范圍可能是單向的（只有正向與負(fù)向）

、也可能是雙向的、雙向不對稱的和無零值的等。測量上限與下限的代數(shù)差稱為量程。（7）漂移。傳感器的漂移是指在外界的干擾下

，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的、不需要的變化。。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移。1.2

知識點(diǎn)2：

傳感器的定義、組成與特性

1.2.3.1傳感器的靜態(tài)特性1.2.3傳感器基本特性2

．傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)傳感器的動態(tài)特性決定了其能否快速、

準(zhǔn)確地響應(yīng)外界環(huán)境的變化

，并將這些變化轉(zhuǎn)換為可測量的電信號。傳感器的動態(tài)特性是指傳感器對于隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性

。

它描述了傳感器輸出量隨時間變化的規(guī)律。在無人機(jī)系統(tǒng)中

，傳感器的動態(tài)特性直接影響到無人機(jī)的穩(wěn)定性、控制精度和響應(yīng)速度。1.2

知識點(diǎn)2：

傳感器的定義、組成與特性1.2.3傳感器基本特性1.2.3.2傳感器的動態(tài)特性03

阻尼比(ξ)描述傳感器在受到外界激勵后振動衰減快慢的參數(shù)。

阻尼比過小

，振動衰減緩慢

，可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；阻尼比過大

，系統(tǒng)響應(yīng)變得遲鈍。04動態(tài)誤差傳感器在動態(tài)測量過程中產(chǎn)生的誤差

，包括幅值誤差、相位誤差和時延誤差等。01

時間常數(shù)(τ

)表示傳感器響應(yīng)速度的一個參數(shù)

，反映了傳感器從穩(wěn)態(tài)到另一穩(wěn)態(tài)所需的時間。時間常數(shù)越小

，傳感器響應(yīng)速度越快。02

固有頻率（fn）傳感器在無阻尼自由振動時的頻率。固有頻率越高，

傳感器對高頻信號的響應(yīng)能力越強(qiáng)。1.2

知識點(diǎn)2：

傳感器的定義、組成與特性

1.2.3.2傳感器的動態(tài)特性1.2.3傳感器基本特性（1）傳感器的動態(tài)性能指標(biāo)。信號處理方法采用不同的信號處理方法（如濾波、放大、積分等）會對傳感器的

動態(tài)特性產(chǎn)生影響。傳感器

結(jié)構(gòu)不同的傳感器結(jié)構(gòu)對動態(tài)特性的影響不同

。

例如

，慣性傳感器由于具有較大的質(zhì)量塊

，其動態(tài)響應(yīng)速度較慢。

1.2

知識點(diǎn)2：

傳感器的定義、組成與特性

外界環(huán)境

（如溫度

、

濕度

、

壓力等）

的變化可能對傳感器的動態(tài)特性產(chǎn)生影響。1.2.3.2傳感器的動態(tài)特性1.2.3傳感器基本特性（2）影響傳感器動態(tài)特性的因素。測量環(huán)境優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)：通過改進(jìn)傳感器結(jié)構(gòu)，

降低其質(zhì)量、提高剛度

，從而提高其動態(tài)響應(yīng)速度。選擇合適的傳感器類型：根據(jù)無人機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際需求

，選擇合適的傳感器類型

，以滿足動態(tài)特性的要求。采用先進(jìn)的信號處理技術(shù)：通過采用先進(jìn)的信號處理技術(shù)（如數(shù)字濾波、

自適應(yīng)濾波等），

降低外界干擾對傳感器動態(tài)特性的影響。1.2

知識點(diǎn)2：

傳感器的定義、組成與特性

1.2.3.2傳感器的動態(tài)特性1.2.3傳感器基本特性（3）改善傳感器動態(tài)特性的方法。010203根據(jù)某種原理設(shè)計的傳感器可以同時測量多種非電物理量

，而有時一種非電物理量又可以用幾種不同的傳感器來測量。

因而傳感器有許多分類方法

，但常用的分類方法有兩種

，一種是按被測物理量來分

，另一種是按傳感器的工作原理來分。1.3

知識點(diǎn)3：

傳感器的分類基本被測量派生被測量基本被測量派生被測量位移線位移長度、厚度、應(yīng)變、振動、磨損、平面度力壓力重量、應(yīng)力、力矩角位移旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動時間頻率周期、記數(shù)、統(tǒng)計分?jǐn)?shù)速度線速度速度、振動、流量、動量溫度熱容、氣體速度、渦流角速度轉(zhuǎn)速、角振動、角動量光光通量與密度、光譜分布加速度線加速度振動、沖擊、質(zhì)量濕度水分、水氣、露點(diǎn)角加速度角振動、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量

1.3.1按被測物理量分類這種方法是根據(jù)被測量的性質(zhì)進(jìn)行分類，如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器、加速度傳感器及轉(zhuǎn)矩傳感器等。這種分類方法把種類繁多的被測量分為基本被測量和派生被測量。1.3

知識點(diǎn)3：

傳感器的分類

1.3.2按傳感器工作原理分類這種分類方法是以工作原理劃分

，將物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的原理、規(guī)律和效應(yīng)作為分類的依據(jù)。這種分類的優(yōu)點(diǎn)是對傳感器的工作原理表達(dá)得比較清楚

，而且類別少，有利于傳感器專業(yè)工作者對傳感器進(jìn)行深入的研究分析。其缺點(diǎn)是不便于使用者根據(jù)用途進(jìn)行選用。1

電學(xué)式傳感器電學(xué)式傳感器是應(yīng)用范圍較廣的一種傳感器，

常用的有電阻式傳感器、電容式傳感器、

電感式傳感器、

電磁式傳感器及電渦流式傳感器等。2

磁學(xué)式傳感器磁學(xué)式傳感器是利用鐵磁物質(zhì)的一些物理效應(yīng)而制成的。磁學(xué)式傳感器主要用于位移、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的測量。1.3

知識點(diǎn)3：

傳感器的分類4

電動勢型傳感器電動勢型傳感器是利用熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)及霍爾效應(yīng)等原理而制成的。電動勢型傳感器主要用于溫度

、

磁通量

、

電流

、

速度

、

光通量及熱輻射等參數(shù)的測量。3

光電式傳感器光電式傳感器在非電量電測及自動控制技術(shù)中占有重要的地位。它是利用光電器件的光電效應(yīng)和光學(xué)原理制成的。光電式傳感器主要用于發(fā)光強(qiáng)度、光通量、位移和濃度等參數(shù)的測量。

1.3

知識點(diǎn)3：

傳感器的分類

1.3.2按傳感器工作原理分類7

諧振式傳感器諧振式傳感器是利用改變電或機(jī)械固有參數(shù)來改變諧振頻率的原理而制成的，主要用來測量壓力。8

電化學(xué)式傳感器電化學(xué)式傳感器是以離子導(dǎo)電原理為基礎(chǔ)而制成的。

主要用于分析氣體成分

、液體成分、

溶于液體的固體成分、

液體的酸堿度、

電導(dǎo)率及氧化還原電位參數(shù)的測量。5

電荷型傳感器電荷型傳感器是利用壓電效應(yīng)原理而制成的，

主要用于力及加速度的測量。6

半導(dǎo)體型傳感器半導(dǎo)體型傳感器是利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)、

內(nèi)光電效應(yīng)、

電磁效應(yīng)及半導(dǎo)體與氣體接觸產(chǎn)生物質(zhì)變化等原理而制成的。主要用于溫度、濕度、壓力、加速度、磁場和有害氣體的測量。1.3

知識點(diǎn)3：

傳感器的分類

1.3.2按傳感器工作原理分類按能量的關(guān)系分類

，將傳感器分為有源傳感器和無源傳感器。

有源傳感器指的是直接由被測對象輸入能量使其工作

，如熱電偶溫度計、壓電式加速度計等。無源傳感器指的是從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化

，如電阻應(yīng)變片傳感器。按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系可以分為物性型和結(jié)構(gòu)型

，物性型是依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號變換的

，如水銀溫度計。結(jié)構(gòu)型是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變的

，如傳聲器等。按輸出信號的性質(zhì)分類

，可將傳感器分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。數(shù)字式傳感器輸出為數(shù)字量

，便于與計算機(jī)連接

，且抗干擾性較強(qiáng)

，如盤式角度數(shù)字傳感器、光柵傳感器等。1.3

知識點(diǎn)3：

傳感器的分類1.簡述傳感器的定義及組成。2.傳感器的分類有哪幾種？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？3.傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)有哪些？其含義是什么？習(xí)題任務(wù)2信號與系統(tǒng)基礎(chǔ) 毛二可在雷達(dá)信號處理技術(shù)方面進(jìn)行了深入的研究

，特別是在抗干擾技術(shù)、

雷達(dá)目標(biāo)識別等方面做出了突出貢獻(xiàn)。作為中國雷達(dá)信號處理領(lǐng)域的奠基人之一

，其在1995年當(dāng)選為中國工程院院士。他領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊開發(fā)了一系列先進(jìn)的雷達(dá)信號處理技術(shù)和系統(tǒng)

，為提升中國國防科技水平做出了重要貢獻(xiàn)。在教育方面

，他也培養(yǎng)了大批優(yōu)秀的科研人才。毛二可不僅在科研領(lǐng)域取得了顯著成就

，還積極參與國家科技政策咨詢和規(guī)劃工作

，對促進(jìn)中國雷達(dá)信號處理技術(shù)的發(fā)展起到了重要作用。毛二可因其在雷達(dá)信號處理領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)而受到廣泛尊敬

，是中國雷達(dá)信號處理領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物之一。情景創(chuàng)建

信號與系統(tǒng)理論及應(yīng)用的發(fā)展已有近200年的歷史。

19世紀(jì)和20世紀(jì)該領(lǐng)域的許多科學(xué)家追求理想

，創(chuàng)造了無數(shù)的奇跡

，其成就是令人難忘的。電磁理論的建立過程：1820年

，丹麥物理學(xué)家奧斯特（H.C.Oersted，

1771—1851）通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)。

1831年

，英國人法拉第（M.Faraday，

1791—1867）又發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律。1864年

，英國科學(xué)家麥克斯韋（J.C.

Maxwell，

1831—1879）提出了電磁波理論

，即麥克斯韋方程。

1889年

，德國物理學(xué)家赫茲（HI.

R.

Henz，

1857—1894）經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗證明了電磁波確實(shí)存在。1.4

知識點(diǎn)1：

引言

在信號與系統(tǒng)學(xué)科發(fā)展的歷程中

，有兩位奠基人做出了不朽貢獻(xiàn)。一位是法國數(shù)學(xué)家傅里葉（J.B.

J.Fourier，

1768—1830）

，他創(chuàng)立了對信號進(jìn)行傅里葉級數(shù)分析的理論；另一位是法國數(shù)學(xué)家拉普拉斯（M.P.S.Laplace，

1749—1827）

，他為系統(tǒng)分析提出了從時間域到s域的變換分析方法。他們的思想至今還是分析信號和系統(tǒng)最重要的基礎(chǔ)。在他們的影響下，

1948年三大科學(xué)思想和理論被創(chuàng)立出來

，這就是系統(tǒng)論、信息論和控制論。1.4

知識點(diǎn)1：

引言

信號和系統(tǒng)分析的最基本的任務(wù)是

獲得信號的特點(diǎn)和系統(tǒng)的特性。系統(tǒng)的

分析和描述借助于建立系統(tǒng)輸入信號和

輸出信號之間關(guān)系，

因此信號分析和系

統(tǒng)分析是密切相關(guān)的。系統(tǒng)的特性千變

萬化

，其中最重要的區(qū)別是線性和非線

性、

時不變和時變。這些區(qū)別導(dǎo)致了分

析方法的重要差別。在觀察、

分析和描述一個系統(tǒng)時

，

總要借助于對系統(tǒng)中一些元件狀態(tài)的觀

測和分析。

例如

，在分析一個電路時

，

會計算或測量電路中一些位置的電壓和

電流隨時間的變化；

系統(tǒng)狀態(tài)變量隨時

間變化的關(guān)系稱為信號，

包含了系統(tǒng)變

化的信息。1.4

知識點(diǎn)1：

引言

系統(tǒng)是一個廣泛使用的概念

，是指由多個元件組成的相互作用、相互依存的整體。以電視系統(tǒng)為例

，攝像機(jī)的作用是把目標(biāo)圖像的光信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。1.4

知識點(diǎn)1：

引言1.5.1信號及其分類宇宙中的一切事物都處在不停的運(yùn)動中

，物質(zhì)的一切運(yùn)動或狀態(tài)的變化

，廣義地說都是一種信號（signal）

，

即信號是物質(zhì)運(yùn)動的表現(xiàn)形式

。

在通信系統(tǒng)中，

信號就是傳送各種消息（message）

的工具。所謂消息

，就是通過某種方式傳遞的聲音、文字、

圖像、符號等。通過各種消息的傳遞

，使受信者獲取各種不同的信息（information）

。通俗地說

，信息是指具有新內(nèi)容。新知識的消息

，它排除了消息中那些具有不確定性的內(nèi)容。1.5

知識點(diǎn)2：

信號的概念

1.5.1信號及其分類傳送消息的信號形式都是隨A時間變化的。如溫度信號、壓力信號、語音信號、光信號，電信號等，

它們反映了事物在不同時刻的變化狀態(tài)。

由于電信號處理起來比較方便

，所以工程上常把非電信號轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行傳輸與處理。在電系統(tǒng)中

，信號的兩種主要形式是電壓信號和電流信號

，可分別用時間函數(shù)和表示

，或一般地表示為f(t)、x(t)、

y(t)等。信號隨時間變化的規(guī)律是多種多樣的

，可以從不同的研究角度進(jìn)行分類。1.5

知識點(diǎn)2：

信號的概念

相反

，如果信號的取值在不同時刻隨機(jī)變化

，不可能預(yù)先確切地知道它的變化規(guī)律

，則稱為隨機(jī)信號或非確定性信號。噪聲就是典型的隨機(jī)信號.1.5

知識點(diǎn)2：

信號的概念

函數(shù)表達(dá)

，對任一確定的時刻

，信號有確定的函數(shù)值

，這種信號稱為確定性信號。大家熟知的正弦信號就是如此。1.5.1信號及其分類1．確定性信號與隨機(jī)信號若信號隨時間的變化服從于某種確定規(guī)律

，能用確定的數(shù)學(xué)周期信號是按某一固定周期重復(fù)出現(xiàn)的信號

，它可表示為f

t

=f(t

+nT)式中，

T

為周期；

n

=

0,±1,±2

…

。這種信號

，只要給出任一周期內(nèi)的變化規(guī)律

，即可確定它在所有其他時間內(nèi)的規(guī)律性，

。非周期信號有兩種表現(xiàn)形式：

一種是僅在某些時間區(qū)間內(nèi)存在的信號非周期信號有兩種表現(xiàn)形式：

一種是僅在某些時間區(qū)間內(nèi)存在的信號

，另一種是擬周期信號

，如信號f(t)=

cos

t+

cos(

2t)f(t)的兩個余弦分量的頻率之比為無理數(shù)。這類信號稱為擬周期信號或概周期信號。1.5

知識點(diǎn)2：

信號的概念

1.5.1信號及其分類2．周期信號與非周期信號不論周期信號還是非周期信號

，若從時間變量的取值是否連續(xù)出發(fā)

，又可以分為連續(xù)時間信號和離散時間信號。若信號在所有連續(xù)的時間值上均有定義

，則稱為連續(xù)時間信號

，簡稱為連續(xù)信號；若信號的取值僅在一些離散的時間點(diǎn)上才有定義，則稱為離散時間信號

，簡稱為離散信號。若信號y(i)在t

≤

0時恒等于零

，則稱該信號為因果信號或有始信號。1.5

知識點(diǎn)2：

信號的概念

1.5.1信號及其分類3

．連續(xù)時間信號與離散時間信號信號分析的內(nèi)容十分廣泛

，分析方法也有多種。

目前最常用、最基本的兩種方法是時域法和頻域法。頻域法將信號變換為另一種形式來研究其頻域特性。例如

，可把信號表示為無窮多個正弦分量的組合，即所謂的傅里葉變換

，通過這種變換分析信號的頻率結(jié)構(gòu)（頻譜分析）

、各頻率分量的相對大小以及信號占有的頻率范圍等

，以揭示信號的頻域特性。時域法研究信號的時域特性、波形的參數(shù)、波形的變化、出現(xiàn)時間的先后、持續(xù)時間的長短、重復(fù)周期的大小和信號的時域分解與合成等。1.5

知識點(diǎn)2：

信號的概念1.5.2信號分析與處理在電力工程中常有許多動態(tài)信號需要分析。分析這些信號具有重要的意義。例如，

電力網(wǎng)絡(luò)中通常存在許多大的非線性負(fù)載

，使電網(wǎng)電壓及電流的波形發(fā)生畸變

，產(chǎn)生大量的高頻分量

，分析并設(shè)法減少高頻分量對電力網(wǎng)絡(luò)的影響

，對系統(tǒng)的安全運(yùn)行非常重要。信號分析與處理技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中也得到了迅速發(fā)展

。通過傳感器將腦電、心電等許多生物電信號收集起來并進(jìn)行分析

，對疾病的研究與診斷起著重要的輔助作用。

目前醫(yī)療中采用的斷層攝影（CT）技術(shù)就是把1.5.2信號分析與處理信號分析和信號處理技術(shù)常用于對信號的檢測、

放大、顯示、壓縮、遙測、遙控

，信息處理等，

因此

，在電子信息

，通信，

電力和電子工程、空間技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)檢測等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。1.5

知識點(diǎn)2：

信號的概念

信號處理技術(shù)用于醫(yī)學(xué)工程的典型例子。1.5.2信號分析與處理工程上用于信號分析的儀器有兩大類：一類是模擬式分析儀器

，另一類是數(shù)字式分析儀器。數(shù)字式分析儀器具有以下優(yōu)點(diǎn)。4

可靠性高數(shù)字化電路易于大規(guī)模集成。

目前

，一臺功能很強(qiáng)的單片計算機(jī)

，只要稍做擴(kuò)展就可以做成一臺微機(jī)化的信號分析儀器，

由于硬件元件和外部接線少

，提高了儀器的可靠性。高精度用模擬式分析儀器分析信號時能達(dá)到的精度很有限

，要將測量精度提高一個數(shù)量級非常困難。而數(shù)字設(shè)備的精度取決于字長和設(shè)計方案，

它實(shí)現(xiàn)方便且不易受環(huán)境條件的影響

，容易達(dá)到高精度。3

靈活性強(qiáng)數(shù)字式信號分析儀器的操作或調(diào)節(jié)一般通過鍵盤以人機(jī)對話方式進(jìn)行

，操作方便靈活。若要修改參數(shù)或功能

，通常只要修改程序就可以了

，硬件電路很少需要改動。1

多功能現(xiàn)代化的數(shù)字式分析儀器幾乎都是微計算機(jī)化的

，一臺儀器內(nèi)可設(shè)置許多功能軟件

，完成眾多的分析項目

，能充分利用其硬件資源

，這是一般模擬電路難以實(shí)現(xiàn)的。1.5

知識點(diǎn)2：

信號的概念

21.6.1基本連續(xù)信號基本的連續(xù)信號是分析復(fù)雜信號的基礎(chǔ)。常用的基本信號（函數(shù)）如下。1

．直流信號

f

t

=

A(一∞

<

t

<

∞)

2

．正弦信號

f

t

=

Asin(wt

+

φ)

(一∞

<

t

<

∞)3

．單位階躍信號

單位階躍信號常用符號ε

t表示，即

1.6

知識點(diǎn)3：

基本信號和信號運(yùn)算4

．指數(shù)信號（單邊）

f

t

=Ae一at

(a

>0,

t

≥0)5

．復(fù)指數(shù)信號設(shè)a為任意實(shí)數(shù)，則復(fù)指數(shù)信號可表示為

根據(jù)歐拉公式

，虛指數(shù)函數(shù)ejwt

=cos

wt

+

jsin(wt)e一jwt

=

cos

wt

一

j

sin(wt)故復(fù)指數(shù)信號又可表示為

f

t

=eat

cos

wt

+

jsin(wt)其實(shí)部和虛部分別為

a

t

=

Aeat

cos

wtb

t

=Aeat

sin

wt1.6

知識點(diǎn)3：

基本信號和信號運(yùn)算1.6.1基本連續(xù)信號復(fù)指數(shù)信號的虛部復(fù)指數(shù)信號的實(shí)部7．矩形脈沖信號（門函數(shù)）幅度為1、脈沖寬度（持續(xù)時間）為τ的矩形脈沖應(yīng)用廣泛，其表達(dá)式為

1.6

知識點(diǎn)3：

基本信號和信號運(yùn)算6．斜坡信號斜坡信號f

t

常記為r(t)，定義為

1.6.1基本連續(xù)信號1.6.2信號的簡單運(yùn)算1

．相加與相乘把多個信號作相加（減）運(yùn)算是實(shí)現(xiàn)信號合成的方法之一。一個正的階躍信號和一個負(fù)的直流信號相加就可以合成一個新的信號f

t

。信號的相乘運(yùn)算是進(jìn)行信號處理的重要手段。如一個三角波和一個正弦信號相乘是一個調(diào)制過程

，得到圖所示的調(diào)幅脈沖f

t

。1.6

知識點(diǎn)3：

基本信號和信號運(yùn)算1.6.2信號的簡單運(yùn)算2

．反轉(zhuǎn)與延時若將信號，ft以縱坐標(biāo)為軸反轉(zhuǎn)180°

,

則成為f?t

。若將信號f

t

的波形沿時間軸向右平移（延時t0）個單位

，則變?yōu)閒

t

?

t0

，若沿時間軸向左平移t0

，則變?yōu)閒

t

+

t0

。1.6

知識點(diǎn)3：

基本信號和信號運(yùn)算1.6.2信號的簡單運(yùn)算3

．壓縮與擴(kuò)展若將信號ft的時間尺度變?yōu)閍t

，a為正實(shí)數(shù)

，當(dāng)0

<

a<

1時

，意味著原信號時間尺度擴(kuò)展1/

a倍；當(dāng)a

>

1時

，意味著原信號的時間尺度壓縮a倍。如f

t

是一盤錄像帶信號

，則f2t相當(dāng)于以2倍速度快速播放；而f是以降至一半的速度播放。1.6

知識點(diǎn)3：

基本信號和信號運(yùn)算f

t

的積分表示為y例如，對斜坡信號，其導(dǎo)數(shù)為階躍信號，即r

’

t=

ε(t)設(shè)有信號

f

則其積分

ydt=

t當(dāng)t

≥

1時，有ydτ=1

+

0

=

11.6.2信號的簡單運(yùn)算4．微分與積分實(shí)際中經(jīng)常對信號進(jìn)行微分與積分運(yùn)算。信號f

t

的微分表示為

y

f

’

1.6

知識點(diǎn)3：

基本信號和信號運(yùn)算系統(tǒng)的種類很多

，如通信系統(tǒng)

，計算機(jī)系統(tǒng)，

自動控制系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)

，社會系統(tǒng)等。系統(tǒng)規(guī)模可大可小；如現(xiàn)代通信系統(tǒng)是較大的系統(tǒng)

，其中包括接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、信息處理器等

，它們是通信系統(tǒng)的組成單元

，每一個單元又是一個較小的系統(tǒng)

，稱為子系統(tǒng)。系統(tǒng)的功能隨其構(gòu)成形式而定。系統(tǒng)的功能雖然不盡相同

，但其輸入與輸出的關(guān)系卻可以簡單地用框圖表示出來

，并有普遍的規(guī)律性。盡管實(shí)際中多輸入+多輸出系統(tǒng)用得很多

，但就方法和概念而論

，單輸入-單輸出系統(tǒng)是重要的基礎(chǔ)。各種變化著的信號從來不是孤立存在的

，信號總是在系統(tǒng)中產(chǎn)生又在系統(tǒng)中不斷傳遞。所謂系統(tǒng)（system）

，是由若干相互聯(lián)系、相互作用的單元組成的具有一定功能的有機(jī)整體。1.7

知識點(diǎn)4：

系統(tǒng)的概念

1.7.1系統(tǒng)及其分類?

若系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)的輸入、輸出信號均為連續(xù)信號

，則稱為連續(xù)系統(tǒng)；?

若系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)的輸入

，輸出信號均為離散信號

，則稱為離散系統(tǒng)；?

若系統(tǒng)中有的子系統(tǒng)為連續(xù)系統(tǒng)

，有的子系統(tǒng)為離散系統(tǒng)

，這樣的系統(tǒng)稱為混合系統(tǒng)。1.7.1系統(tǒng)及其分類根據(jù)系統(tǒng)處理的信號形式的不同

，系統(tǒng)可分為三大類:連續(xù)系統(tǒng)

，離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。1.7

知識點(diǎn)4：

系統(tǒng)的概念圖所示為一個簡單的信號處理系統(tǒng)。對輸入信號

，該系統(tǒng)分別用一個低通濾波器和兩個不同中心頻率的帶通濾波器處理后相加，這三個子系統(tǒng)的連接形式稱為并聯(lián)。1.7.1系統(tǒng)及其分類如前所述

，實(shí)際系統(tǒng)通常由許多子系統(tǒng)組合而成。子系統(tǒng)的相互連接一般有串聯(lián)（級聯(lián)）

、并聯(lián)、混聯(lián)與反饋連接等四種。如圖所示的檢測系統(tǒng)

，物理量（如溫度、壓力、速度等）

經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)放大器適當(dāng)放大

，再送入顯示器。這三個子系統(tǒng)的連接形式稱為串聯(lián)。1.7

知識點(diǎn)4：

系統(tǒng)的概念

計算機(jī)控制系統(tǒng)由計算機(jī)、信號變換、被控對象、傳感器等子系統(tǒng)組A成。這些環(huán)節(jié)在整個系統(tǒng)中是相互依存、相互作用的統(tǒng)一體

，缺少任何一部分都不能完成自動控制的任務(wù)。電子望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，

其中θi是規(guī)定的望遠(yuǎn)鏡角度，

θ0為望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際角度。為了使系統(tǒng)的輸出θ0精確地達(dá)到指定角度

，可利用電位器（子系統(tǒng)）

從輸出θ0中取出一部分信息θf反饋到比較器，

θi與θf比較后再送入放大器等環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整

，直至達(dá)到要求。

圖中的連接形式稱為反饋連接。1.7

知識點(diǎn)4：

系統(tǒng)的概念

1.7.1系統(tǒng)及其分類1.7.2系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析的內(nèi)容大致如下：（1）建立描述系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)方程式

，并對給定的激勵求出系統(tǒng)響應(yīng)。（2）利用只在極短時間內(nèi)存在的沖激信號作為激勵

，可求出系統(tǒng)的沖激響應(yīng)。（3）研究系統(tǒng)函數(shù)及其零、極點(diǎn)分布

，從而了解系統(tǒng)的頻率特性及各種響應(yīng)的對應(yīng)規(guī)律。（4）研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（5）

為了在計算機(jī)上或?qū)嶒炇依镅芯肯到y(tǒng)特性，

常常要進(jìn)行系統(tǒng)的模擬，

即用一些基本運(yùn)算單元（如加法器、積分器等）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)分析方法有時域法和頻域法（變換法）兩種。?

時域法主要介紹卷積法（對連續(xù)系統(tǒng)）和卷和法（對離散系統(tǒng)）；?頻域法主要介紹傅里葉變換、拉普拉斯變換和z變換。1.7

知識點(diǎn)4：

系統(tǒng)的概念

1.7.3線性時不變系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)是多種多樣的。按其工作性質(zhì)來說

，可分為線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)、時變系統(tǒng)與時不變系統(tǒng)、

因果系統(tǒng)與非因果系統(tǒng)等。1．線性線性包含可加性和齊次性兩個概念。齊次性是指：

若系統(tǒng)對輸入f(t)的響應(yīng)為y(t)，

當(dāng)輸入擴(kuò)大a倍即af(t)時

，其響應(yīng)也擴(kuò)大a倍即a

y(t)?？杉有允侵福喝绻斎雈1(t)時系統(tǒng)響應(yīng)為y1(t)，輸入f2(t)時系統(tǒng)響應(yīng)為y2(t)，則輸入f1

t+

f2(t)為時系統(tǒng)響應(yīng)為y1

t+y2(t)。1.7

知識點(diǎn)4：

系統(tǒng)的概念

1.7.3線性時不變系統(tǒng)1．線性同時滿足可加性和齊次性的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)

，可記為若f1(t)→

y1(t)，f2(t)

→

y2(t)

，則對于任意常數(shù)a1和a2

，有a1f1t+a2f2(t)

→a1y1

t+a2y2(t)，不滿足上述關(guān)系的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。+一個系統(tǒng)是否為線性系統(tǒng)，還可以直接從其描述方程進(jìn)行判斷。若系統(tǒng)是以線性代數(shù)方程或

線性微（積）分方程描述的，則該系統(tǒng)是線性的。

→

描述的系統(tǒng)為線性系統(tǒng)

→

則系統(tǒng)為非線性的1.7

知識點(diǎn)4：

系統(tǒng)的概念

1.7.3線性時不變系統(tǒng)2．

時不變性如果系統(tǒng)的元件參數(shù)是不隨時間變化的

，則稱其為時不變系統(tǒng)或定常系統(tǒng)（time

invariantsystem）

，否則稱為時變系統(tǒng)。對常參數(shù)R

、L

、C

有方程該方程的各系數(shù)均為常數(shù)，故該系統(tǒng)為時不變系統(tǒng)。時不變系統(tǒng)的一個重要特性是響應(yīng)的變化規(guī)律不因輸入信號接入的時間不同而改變。若激勵f

t

在某個時刻接入時引起的響應(yīng)為y(t)，當(dāng)激勵延遲t0作用時，它所引起的響應(yīng)也延遲相同的時間t0出現(xiàn)。可記為若f

t→

y(t)，則f

t

-t0

→y(t

-t0)1.7

知識點(diǎn)4：

系統(tǒng)的概念

若系統(tǒng)既是

線性

的

，

又是

時不變

的

，

則稱為

線性時不變系統(tǒng)（lineartimeinvariantsystem）

，這類系統(tǒng)以后簡記為LTI系統(tǒng)。對連續(xù)線性時不變系統(tǒng)而言

，其描述方程為線性常系數(shù)微分方程。雖然實(shí)際中大多數(shù)系統(tǒng)不是線性時不變的

，但許多非線性系統(tǒng)和時變系統(tǒng)經(jīng)過合理近似后

，可以簡化為線性時不變系統(tǒng)以便進(jìn)行分析。線性系統(tǒng)有三個重要特性

，即微分特性、積分特性和頻率保持性。1.7.3線性時不變系統(tǒng)2．

時不變性1.7

知識點(diǎn)4：

系統(tǒng)的概念4

．積分特性

如果線性系統(tǒng)的輸入為f(t)

，輸出為y(t)

，則當(dāng)輸入變?yōu)閒(t)的積分f(τ)dτ

時，

其響應(yīng)y(t)將變?yōu)榈姆e分

1.7

知識點(diǎn)4：

系統(tǒng)的概念

如果線性系統(tǒng)的輸入f

t

引起的響應(yīng)為y(t)，則當(dāng)輸入為f

t

的導(dǎo)數(shù)時

，其響應(yīng)將變?yōu)閥(t)的導(dǎo)數(shù)

。1.7.3線性時不變系統(tǒng)3．微分特性5．頻率保持性如果線性系統(tǒng)的輸入信號只含有角頻率

w1,

w2,

…

,wn

的成分，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)也只含有

w1,

w2,

…

,wn

的成分（其中某些頻率成分的大小可能為零）

。換言之

，信號通過線性系統(tǒng)后不會產(chǎn)生新的頻率分量。1.7

知識點(diǎn)4：

系統(tǒng)的概念1.7.3線性時不變系統(tǒng)（a）電報信號（b）溫度信號（c）觸發(fā)脈沖

（d）高頻脈沖2.給定題2圖所示信號f(t)

，試畫出下列信號的波形[提示:f(2t)表示將f(t)波形壓縮，f(

)表示將f(t)波形展寬]。(1)

2f(t-2)

(2)f(2t))(4)f(-t+1)1.7.3線性時不變系統(tǒng)1.題1圖所示信號中，

哪些是連續(xù)信號？哪些是離散信號？哪些是周期信號？哪些是非周期信號？習(xí)

題任務(wù)3

自動控制理論概述

錢學(xué)森教授是

“

中國航天之父

”

，我國自動控制理論領(lǐng)域杰出貢獻(xiàn)者

，對中國航天事業(yè)有奠基性貢獻(xiàn)。他心系祖國，

回國后與錢偉長籌建中國科學(xué)院力學(xué)研究所并出任首任所長；主持完成了噴氣和火箭技術(shù)建立規(guī)劃

，參與近程導(dǎo)彈、

中近程導(dǎo)彈及中國第一顆人造地球衛(wèi)星研制

，直接領(lǐng)導(dǎo)用中近程導(dǎo)彈運(yùn)載原子彈的“兩彈結(jié)合”試驗。他分別于1957年、

1994年當(dāng)選中國科學(xué)院院士、

中國工程院院士

，獲

“

國家杰出貢獻(xiàn)科學(xué)家”

稱號及

“兩彈一星功勛獎?wù)隆保?/p>

因其卓越成就與巨大貢獻(xiàn)備受尊敬。情景創(chuàng)建

1

．控制系統(tǒng)基本概念在工程實(shí)際中，

自動控制技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。所謂自動控制

，是指在無人直接參與的情況下

，利用控制裝置操縱受控對象

，使被控量等于給定值或按給定信號的變化規(guī)律去變化的過程?！纠?-1】水溫控制系統(tǒng)中的受控對象為水箱

，被控量是水箱中水的溫度?？刂蒲b置包括測量水溫的熱敏元件、比較給定值和檢測值并進(jìn)行計算的控制器、執(zhí)行控制器控制命令的閥門。1.8

知識點(diǎn)1：

自動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)

2．

自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式1）開環(huán)控制控制裝置與受控對象之間只有順向作用而無反向聯(lián)系時

，稱為開環(huán)控制?！纠?-2】

圖所示為一驅(qū)動盤片勻速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺速度開環(huán)控制系統(tǒng)

，該系統(tǒng)利用電池提供與預(yù)期速度成比例的電壓

，直流放大器將給定信號進(jìn)行功率放大后

，用來驅(qū)動直流電動機(jī)。作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)

，直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與加在其電樞上的電壓成比例。1.8

知識點(diǎn)1：

自動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)

2．

自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式1）開環(huán)控制圖中系統(tǒng)的被控量（實(shí)際速度）沒有反饋到系統(tǒng)的輸入端與給定量（預(yù)期速度）進(jìn)行比較

，即被控量不對系統(tǒng)產(chǎn)生控制作用

，故屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。這種轉(zhuǎn)臺需要保持恒定的轉(zhuǎn)速

，但電動機(jī)或直流放大器受到的任何擾動

，如電網(wǎng)電壓的波動、環(huán)境溫度變化引起的放大系數(shù)的變動等都會引起速度n的改變

，而這種變化未能被反饋至控制裝置并影響控制過程，

因此

，系統(tǒng)無法克服由此產(chǎn)生的速度偏差。開環(huán)控制的特點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過程均很簡單

，但抗擾能力差、控制精度不高

，故一般只能用于對控制性能要求較低的場合。1.8

知識點(diǎn)1：

自動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)

2．

自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式2）

閉環(huán)控制控制裝置與受控對象之間

，不但有順向作用

，而且還有反向聯(lián)系，

即有被控量對控制過程的影響

，這種控制稱為閉環(huán)控制

，相應(yīng)的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。

閉環(huán)控制又稱為反饋控制或按偏差控制。【例1-3】

圖示為轉(zhuǎn)臺速度閉環(huán)控制系統(tǒng)和對應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。1.8

知識點(diǎn)1：

自動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)

轉(zhuǎn)臺速度閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)A轉(zhuǎn)臺速度閉環(huán)控制系統(tǒng)2．

自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式2）

閉環(huán)控制【例1-4】

圖示是一個位置隨動系統(tǒng)以及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。1.8

知識點(diǎn)1：

自動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)

位置隨動系統(tǒng)

位置隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2）

閉環(huán)控制【例1-5】此系統(tǒng)的測量裝置為測速機(jī)和分壓電位器，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n被其轉(zhuǎn)換成反饋電壓uf

，并反饋至系統(tǒng)的輸入端

，形成閉合回路。加在功率放大器輸入端的電壓u為給定電壓u0與uf的差值。即u

=

u0

?

uf。輸出轉(zhuǎn)速的大小取決于給定電壓u0。對于由電網(wǎng)電壓波動、負(fù)載變化以及除測量裝置之外的其他部分的參數(shù)變化所引起的轉(zhuǎn)速變化

，都可以通過系統(tǒng)的自動調(diào)整加以抑制

。

例如

，

如

果由

于以

上

原

因使

得轉(zhuǎn)

速

下

降（

n

↓)

,將通過以下的調(diào)節(jié)過程使n基本維持恒定。1.8

知識點(diǎn)1：

自動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)

2．

自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)是通過給定值與反饋量的偏差來實(shí)現(xiàn)控制作用的，故這種控制常稱為按偏差控制

，或稱為反饋控制。此類系統(tǒng)包括兩種傳輸信號的通道:由給定值至被控量的通道稱為前向通道；由被控量至系統(tǒng)輸入端的通道稱為反饋通道。閉環(huán)系統(tǒng)能減少或消除作用在前向通道上的擾動所引起的被控量的偏差值，

因而具有較高的控制精度和較強(qiáng)的抗擾能力。但若設(shè)計調(diào)試不當(dāng)

，易產(chǎn)生振蕩甚至不能正常工作。2．

自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式2）

閉環(huán)控制1.8

知識點(diǎn)1：

自動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)2．

自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式3）復(fù)合控制反饋控制是在外部（給定及擾動）作用下

，被控量變化后再調(diào)節(jié)控制；受控對象大時滯時，控制作用難以及時影響被控量

，難形成快速有效控制。前饋補(bǔ)償控制測量外部作用后

，形成相反的控制量

，使被控量基本不受影響、

防止偏差產(chǎn)生，且被控量對控制過程無影響

，屬于開環(huán)控制。前饋補(bǔ)償控制與反饋控制相結(jié)合構(gòu)成復(fù)合控制

，其兩種基本形式為按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制、按擾動前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制。1.8

知識點(diǎn)1：

自動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)

1.線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)由線性微分方程或線性差分方程所描述的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)；由非線性方程所描述的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。2.定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)從系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來看

，若系統(tǒng)方程的系數(shù)不是時間變量的函數(shù)

，則稱此類系統(tǒng)為定常系統(tǒng)

，否則稱為時變系統(tǒng)。若系統(tǒng)既是線性的又是定常的

，則稱之為線性定常系統(tǒng)。此類系統(tǒng)為本書主要討論的對象。3.連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)從系統(tǒng)中的信號來看

，若所有的信號都是時間的連續(xù)函數(shù)

，則稱此系統(tǒng)為連續(xù)系統(tǒng)。若系統(tǒng)中有一處或多處信號為時間的離散函數(shù)

，如脈沖或數(shù)碼信號

，則稱之為離散系統(tǒng)。1.9

知識點(diǎn)2：

自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類方法較多

，常見的有以下幾種。4．恒值系統(tǒng)、

隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)若系統(tǒng)的給定值按照一定的時間函數(shù)變化

，并要求被控量隨之變化

，則此類系統(tǒng)稱為程序控制系統(tǒng)。例如

，數(shù)控伺服系統(tǒng)以及一些自動化生產(chǎn)線等。根據(jù)組成系統(tǒng)的物理部件的類型

，可分為機(jī)電控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)以及生物系統(tǒng)等。根據(jù)系統(tǒng)的被控制量

，又可分為位置控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)

，溫度控制系統(tǒng)等。1.9

知識點(diǎn)2：

自動控制系統(tǒng)的分類一個理想的控制系統(tǒng)

，在其控制過程中應(yīng)始終使被控量等于給定值。因系統(tǒng)有儲能元件存在及能源功率限制

，運(yùn)動部件加速度、速度和位置難以瞬時變化

，給定值變化時

，被控量需經(jīng)過渡過程才能與給定值基本一致。此過程也稱為動態(tài)過程

，又稱為瞬態(tài)過程。動態(tài)過程就是指系統(tǒng)受到外加信號（給定值或擾動）作用后

，被控量偏離給定值，

隨時間變化的全過程

，可以反映系統(tǒng)內(nèi)在性能的好壞

，而常見的評價系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)也是從動態(tài)過程中定義出來的

，其要求有三個方面。1.10

知識點(diǎn)3：

對控制系統(tǒng)性能的要求若系統(tǒng)不穩(wěn)定，其動態(tài)過程如圖所示。圖（a）為在給定信號作用下，被控量振蕩發(fā)散的情況；圖（b）所示為系統(tǒng)受擾動作用后，被控量不能恢復(fù)平衡的情況。另外，若系統(tǒng)出

現(xiàn)等幅振蕩，即處于臨界穩(wěn)定的狀態(tài)，也視為不穩(wěn)定。1

．穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指系統(tǒng)受到外作用后

，其動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。一個處于平衡狀態(tài)的線性定常系統(tǒng)

，若在外部作用下偏離了原來的平行狀態(tài)。而當(dāng)外部作用消失后，系統(tǒng)仍能回到原來的平衡狀態(tài)

，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的。否則稱其是不穩(wěn)定的。1.10

知識點(diǎn)3：

對控制系統(tǒng)性能的要求

對于恒值系統(tǒng)，若系統(tǒng)穩(wěn)定，其動態(tài)過程如圖所示。2．快速性快速性可以通過動態(tài)過程時間的長短來表征

，如圖所示。過渡過程時間越短

，表明快速性越好

，反之亦然?？焖傩员砻髁讼到y(tǒng)輸出c(t)對輸入r(t)響應(yīng)的快慢程度。系統(tǒng)響應(yīng)越快，說明系統(tǒng)的輸出復(fù)現(xiàn)輸入信號的能力越強(qiáng)。1.10

知識點(diǎn)3：

對控制系統(tǒng)性能的要求

3．準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性可以由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之間的差值e來表征

，如圖所示。

它反映了系統(tǒng)在一定外部信號作用下的穩(wěn)態(tài)精度。若系統(tǒng)的最終誤差為零

，則稱為無差系統(tǒng)

，否則稱為有差系統(tǒng)。1.10

知識點(diǎn)3：

對控制系統(tǒng)性能的要求

穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性往往是互相制約的。?在設(shè)計與調(diào)試過程中

，若過分強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性

，則可能會造成系統(tǒng)響應(yīng)遲緩和控制精度較低的后果；?反之，

若過分強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，

則又會使系統(tǒng)的振蕩加劇

，甚至引起不穩(wěn)定。1.10

知識點(diǎn)3：

對控制系統(tǒng)性能的要求習(xí)

題

1.試闡述下列術(shù)語的意義并舉例說明:自動控制；控制裝置與受控對象；給定值與被控量；開環(huán)控制與閉環(huán)控制；線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)；連續(xù)系統(tǒng)與采樣系統(tǒng)；恒值系統(tǒng)與隨動系統(tǒng)；穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。2.試列舉開環(huán)控制和閉環(huán)控制的例子

，并說明其工作原理。3.

直流發(fā)電機(jī)電壓控制系統(tǒng)如題3圖所示

，其中，

圖（a）為開環(huán)控制，

圖（b）為閉環(huán)控制。發(fā)

電機(jī)電動勢與原動機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，

同時與勵磁電流成正比。

當(dāng)負(fù)載變化時，

由于發(fā)電機(jī)電樞內(nèi)阻上電壓降的變化

，會引起輸出電壓的波動。（1）試說明開環(huán)控制的工作原理

，開環(huán)原動機(jī)轉(zhuǎn)速的波動和負(fù)載的變化對發(fā)電機(jī)輸出電壓的影響。（2）試分析閉環(huán)控制的控制過程

，將開環(huán)與閉環(huán)控制進(jìn)行比較

，說明負(fù)反饋的作用。4.爐溫控制系統(tǒng)如題4圖所示

，要求：指出系統(tǒng)輸出量

，給定輸入量擾動輸入量

，被控對象和自動控制器的各組成部分

，并畫出其系統(tǒng)框圖。說明該系統(tǒng)是怎樣消除或減少偏差的。習(xí)

題

習(xí)

題

5.題5圖為水位控制系統(tǒng)

，要求：（1）畫出系統(tǒng)的原理框圖

，指出系統(tǒng)的輸出量和輸入量（包括給定輸入量和擾動輸入量）。（2）分析其工作原理。感謝觀看！THANKS無人機(jī)信號與智能感知技術(shù)模塊2

無人機(jī)信號與系統(tǒng)基礎(chǔ)知識目c

on

t

e

n

t錄連續(xù)系統(tǒng)的時域描述與響應(yīng)技術(shù)概論連續(xù)信號的頻譜信號的傳輸與采樣連續(xù)信號與系統(tǒng)的復(fù)頻域處理任務(wù)1任務(wù)2任務(wù)3任務(wù)4任務(wù)1

連續(xù)系統(tǒng)的時域描述與響應(yīng)技術(shù)概論在英國期間，

黃大年領(lǐng)導(dǎo)了一支由多名知名科學(xué)家組成的團(tuán)隊

，攻克了如何在快速移動和復(fù)雜環(huán)境中對地下深處進(jìn)行準(zhǔn)確探測的技術(shù)難題。

2009年

，黃大年放棄國外優(yōu)越待遇回國

，對中國地球探測科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展起到了推動作用。

黃大年在中國教育科研領(lǐng)域做出了突出貢獻(xiàn)，特別是在地球探測科學(xué)方面

，培養(yǎng)了許多優(yōu)秀的科研人才。黃大年以其卓越的科研成果和高尚的職業(yè)精神

，成為中國科研界的楷模。

黃大年是我國著名的地球物理學(xué)家，

國際知名的戰(zhàn)略科學(xué)家。擔(dān)任吉林大學(xué)新興交叉學(xué)科學(xué)部首任部長、地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。研究領(lǐng)域為超高精密機(jī)械和電子技術(shù)、納米和微電機(jī)技術(shù)、高溫和低溫超導(dǎo)原理技術(shù)、冷原子干涉原理技術(shù)、光纖技術(shù)和慣性技術(shù)。情景創(chuàng)建

1

．三角信號三角信號有正弦和余弦兩種表示形式

，本教材選擇余弦函數(shù)的表示方式。三角信號的一般表達(dá)式為f

t

=

Mcos(wt

+

φ)式中，M為信號幅值；

w為角頻率；

φ為初始相位。三角信號的角頻率w、頻率f和周期T滿足關(guān)系T當(dāng)三角信號的角頻率w

=

0時為直流信號

，直流信號是三

角信號的一個特例。2.1

知識點(diǎn)1：