XI’AN JIAOTONG
UNIVERSITY
工业系统的测量
陈永森
工程训练中心
2004年 12月
,工程训练, 之一
讲义 V 1.1
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-2
绪论
本讲我们要了解的内容
?什么是工程训练？
?工程训练是如何展开的？
?什么是工业系统？
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-3
什么是工程训练？
工程训练的任务
?不仅要知道“是什么”，还要知道,怎么做,！
?背景 1：我国的教育长于传授事实性知识，但在
传授过程性知识方面有欠缺。
?工程训练是获取 过程性知识 的重要途径。
?背景 2：工业系统的研究、开发和运行、诊断往
往要涉及多个学科和专业的知识。
?通过工程训练，将以往孤立、分散开设的尽可能多
的工程类课程联系起来，使尽可能多的学生在工业
系统中找到相关课程知识的坐标。
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-4
什么是工程训练？
工程训练的体系
工业系统
测量
驱动与控制
金工实习
创新训练
现代加工
电子实习
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-5
什么是工业系统？
人取书的过程
?大脑,控制
?手臂、手,执行
?眼睛、触觉,测量反馈
眼睛、触觉
大脑 手臂、手 输出信号（手的位置）输入信号（书的位置）
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-6
什么是工业系统？
直流伺服电机转速控制系统
转速
测量电路电压 V 转速 n
数字信号 Vd
电机
驱动电路 M
控制器
（ CPU、内存）
转
速n
PWM
脉冲
电压
电流期望的转速 ne DO
数字输出
总线
A/D
数据采集
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-7
什么是工业系统？
工业系统的组成
驱动器控制器 执行器
测量电路
（传感器＋信号调理）
输入信号 输出信号
大脑
CPU+内存 各种驱动电路
手、脚
电机
液压缸
气缸
眼睛、触觉神经
转速测量系统
温度测量系统
力测量系统
数 据
通 道
神经网络
DI
A/D
数据
通道
神经网络
DO
D/A
反馈信号
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-8
什么是工业系统？
?工业系统的分类：
?装置（生产机械）：各种运载工具、发动机、
机床、机器人、转速控制系统 ……
?过程（生产过程 ）：冶炼、化工、制药等生
产过程、转速控制系统的运行过程 ……
?工业对象：被控制的装置和过程
?工业系统中不仅存在能量、物质传递和转
换，更重要的是存在着信息的联系。
?系统运动状态的信息：系统中的物理量
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-9
什么是工业系统？
工业系统中的物理量
?譬如：
?在含有运动装置的工业对象中，会产生力 /力矩、位
移 /角位移、速度 /角速度、加速度 /角加速度的连续变
化
?在工业过程中，会产生压力、流量、液位、温度、
湿度的连续变化
?此外，某些事件的发生，譬如某一个部件移动到指
定位置、液位达到规定高度、油箱中剩余燃油少于
一定量、炉温达到预定的报警温度、烟尘或有害气
体达到报警浓度，或操作者按下了某一个控制按钮，
会引起开关的通、断，导致某一信号的“有”、
“无”或电平的“高”、“低”变化。
?这些物理量和开关信号表达着系统运动状态的
信息。
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-10
什么是工业系统？
物理量测量的必要性
? 目的：对工业系统进行监测和控制
首先必须获取系统运行的状态信息，为此要检测系
统中各种物理量的值。
? 状态信息获取是由测量系统完成的。
? 测量系统的组成：传感器和信号调理电路。
? 传感器的作用：将各种物理量转换成电信号，电信号是系统状
态信息的表达形式
? 信号调理电路的作用：是对传感器输出的电信号进行初步的处
理，信号调理电路由各种电子元器件组成。
? 信号的显示：获得系统状态信息后，要以适当的形式传达给人
的感官，譬如指针、指示灯、数字、图形、图像、声响或振动。
? 测量系统的设计、调试和维修要用到各种电子仪器。
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-11
什么是工业系统？
驱动装置的作用
?问题：计算机输出的控制信号功率不够，
不能直接用于控制执行器。
?解决：在控制器和执行器之间，使用驱动
装置。
?驱动装置因执行器而异。
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-12
什么是工业系统？
控制的作用
?例如：
?位置控制：使执行器运动的又快又准
?速度控制：使执行器尽快达到所需的速度并
稳定下来
?控制的目的：使执行器按预定的规律运行，
或者说使系统产生期望的行为。
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-13
几个好玩的控制系统（ 20’）
?各种各样的机器人
?机器人足球赛小型组比赛
?SRD4X 机器人
?智能轮椅
?讨论：如果你来设计 ……
?你需要获取那些信号？
?你会选用什么执行器？
?你怎么控制这些执行器？
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-14
机器人所包含的技术及要解决的问题
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-15
,工业系统的测量, 所解决的问题
?系统如何获取 能源？ 直流稳压电源
?现场物理量 如何获取？ 传感器
?对于含有 噪声 （不期望有的信号）的信号如何
处理？ 信号调理
?信号如何显示出来？ 信号显示
?现场物理量 ?电信号
?传感器：力、温度、速度、位移（方向）
?信号调理：电桥、流压转换,F-V转换、整形
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-16
,工业系统的控制, 要解决的问题
?工业现场的信号 如何送给控制器？ 数据通道
?如何 又快又准 地到达目的地？ 位置控制
?如何 快速 达到所需的速度并 稳定 运行？ 速度控
制
?根据现场物理量转换后的电信号，实现对执行
器（电机、气动装置、液压装置）的控制 ——
给系统安装“大脑”
?主要以“异步交流电机”为控制对象，采用控
制算法（ PID算法, 模糊控制 ），实现对它的速
度控制、位置控制。
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-17
课程安排（共 32课时）
? 绪论 1课时
? 常用仪器的使用 3课时
? 常用元件的认知 6课时
? 直流稳压电源的调试 4课时
? 测量系统 1课时
? 力的测量与差动放大 1课时
? 温度测量 2课时
? 转速测量及频压转换 4课时
? 位移测量 2课时
? 信号的输出与显示 1课时
? 鼠标器分析 课时
? 软驱分析 1课时
? 复习 1课时
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-18
本门课程的相关课程
?,测量技术,
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-19
本门课程的学习方法
?联系实际（生活所见、其它课程的知识）
?精讲、多练、多想
?从 系统 的角度认识问题
?上课：
UNIVERSITY
工业系统的测量
陈永森
工程训练中心
2004年 12月
,工程训练, 之一
讲义 V 1.1
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-2
绪论
本讲我们要了解的内容
?什么是工程训练？
?工程训练是如何展开的？
?什么是工业系统？
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-3
什么是工程训练？
工程训练的任务
?不仅要知道“是什么”，还要知道,怎么做,！
?背景 1：我国的教育长于传授事实性知识，但在
传授过程性知识方面有欠缺。
?工程训练是获取 过程性知识 的重要途径。
?背景 2：工业系统的研究、开发和运行、诊断往
往要涉及多个学科和专业的知识。
?通过工程训练，将以往孤立、分散开设的尽可能多
的工程类课程联系起来，使尽可能多的学生在工业
系统中找到相关课程知识的坐标。
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-4
什么是工程训练？
工程训练的体系
工业系统
测量
驱动与控制
金工实习
创新训练
现代加工
电子实习
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-5
什么是工业系统？
人取书的过程
?大脑,控制
?手臂、手,执行
?眼睛、触觉,测量反馈
眼睛、触觉
大脑 手臂、手 输出信号（手的位置）输入信号（书的位置）
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-6
什么是工业系统？
直流伺服电机转速控制系统
转速
测量电路电压 V 转速 n
数字信号 Vd
电机
驱动电路 M
控制器
（ CPU、内存）
转
速n
PWM
脉冲
电压
电流期望的转速 ne DO
数字输出
总线
A/D
数据采集
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-7
什么是工业系统？
工业系统的组成
驱动器控制器 执行器
测量电路
（传感器＋信号调理）
输入信号 输出信号
大脑
CPU+内存 各种驱动电路
手、脚
电机
液压缸
气缸
眼睛、触觉神经
转速测量系统
温度测量系统
力测量系统
数 据
通 道
神经网络
DI
A/D
数据
通道
神经网络
DO
D/A
反馈信号
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-8
什么是工业系统？
?工业系统的分类：
?装置（生产机械）：各种运载工具、发动机、
机床、机器人、转速控制系统 ……
?过程（生产过程 ）：冶炼、化工、制药等生
产过程、转速控制系统的运行过程 ……
?工业对象：被控制的装置和过程
?工业系统中不仅存在能量、物质传递和转
换，更重要的是存在着信息的联系。
?系统运动状态的信息：系统中的物理量
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-9
什么是工业系统？
工业系统中的物理量
?譬如：
?在含有运动装置的工业对象中，会产生力 /力矩、位
移 /角位移、速度 /角速度、加速度 /角加速度的连续变
化
?在工业过程中，会产生压力、流量、液位、温度、
湿度的连续变化
?此外，某些事件的发生，譬如某一个部件移动到指
定位置、液位达到规定高度、油箱中剩余燃油少于
一定量、炉温达到预定的报警温度、烟尘或有害气
体达到报警浓度，或操作者按下了某一个控制按钮，
会引起开关的通、断，导致某一信号的“有”、
“无”或电平的“高”、“低”变化。
?这些物理量和开关信号表达着系统运动状态的
信息。
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-10
什么是工业系统？
物理量测量的必要性
? 目的：对工业系统进行监测和控制
首先必须获取系统运行的状态信息，为此要检测系
统中各种物理量的值。
? 状态信息获取是由测量系统完成的。
? 测量系统的组成：传感器和信号调理电路。
? 传感器的作用：将各种物理量转换成电信号，电信号是系统状
态信息的表达形式
? 信号调理电路的作用：是对传感器输出的电信号进行初步的处
理，信号调理电路由各种电子元器件组成。
? 信号的显示：获得系统状态信息后，要以适当的形式传达给人
的感官，譬如指针、指示灯、数字、图形、图像、声响或振动。
? 测量系统的设计、调试和维修要用到各种电子仪器。
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-11
什么是工业系统？
驱动装置的作用
?问题：计算机输出的控制信号功率不够，
不能直接用于控制执行器。
?解决：在控制器和执行器之间，使用驱动
装置。
?驱动装置因执行器而异。
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-12
什么是工业系统？
控制的作用
?例如：
?位置控制：使执行器运动的又快又准
?速度控制：使执行器尽快达到所需的速度并
稳定下来
?控制的目的：使执行器按预定的规律运行，
或者说使系统产生期望的行为。
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-13
几个好玩的控制系统（ 20’）
?各种各样的机器人
?机器人足球赛小型组比赛
?SRD4X 机器人
?智能轮椅
?讨论：如果你来设计 ……
?你需要获取那些信号？
?你会选用什么执行器？
?你怎么控制这些执行器？
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-14
机器人所包含的技术及要解决的问题
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-15
,工业系统的测量, 所解决的问题
?系统如何获取 能源？ 直流稳压电源
?现场物理量 如何获取？ 传感器
?对于含有 噪声 （不期望有的信号）的信号如何
处理？ 信号调理
?信号如何显示出来？ 信号显示
?现场物理量 ?电信号
?传感器：力、温度、速度、位移（方向）
?信号调理：电桥、流压转换,F-V转换、整形
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-16
,工业系统的控制, 要解决的问题
?工业现场的信号 如何送给控制器？ 数据通道
?如何 又快又准 地到达目的地？ 位置控制
?如何 快速 达到所需的速度并 稳定 运行？ 速度控
制
?根据现场物理量转换后的电信号，实现对执行
器（电机、气动装置、液压装置）的控制 ——
给系统安装“大脑”
?主要以“异步交流电机”为控制对象，采用控
制算法（ PID算法, 模糊控制 ），实现对它的速
度控制、位置控制。
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-17
课程安排（共 32课时）
? 绪论 1课时
? 常用仪器的使用 3课时
? 常用元件的认知 6课时
? 直流稳压电源的调试 4课时
? 测量系统 1课时
? 力的测量与差动放大 1课时
? 温度测量 2课时
? 转速测量及频压转换 4课时
? 位移测量 2课时
? 信号的输出与显示 1课时
? 鼠标器分析 课时
? 软驱分析 1课时
? 复习 1课时
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-18
本门课程的相关课程
?,测量技术,
Industry Training Center, 工程训练, —— 绪论 1-19
本门课程的学习方法
?联系实际（生活所见、其它课程的知识）
?精讲、多练、多想
?从 系统 的角度认识问题
?上课：
