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8.3用于运动测量的模拟传感器
8.3.1引言/导论/简介
对反馈控制来说,被控对象输出的测量是基本的。
输出测量在过程的性能评价中也很有用。
而且,在学习系统(例如,机械手的示教-重现操作)中,进行测量并将测量结果存储在计算机中,用于随后的系统运行。
在前馈控制中,需要对输入量进行测量。
因此,很明显,测量子系统是一个控制系统的重要组成部分。
Themeasurementsubsysteminacontrolsystemcontainssensorsandtransducersthatdetectmisbrandsandconvertthemintoacceptablesignals-typically,voltages.Thesevoltagesignalsarethenappropriatelymodifiedusingsignal-conditioninghardwaresuchasfilters,amplifiers,demodulators,andanalog-to-digitalconverters.Impedancematchingmightbenecessarytoconnectsensorsandtransducerstosignal-conditioninghardware.
控制系统的测量子系统包含传感器和变送器,它们检测被测量并将被测量转换成可接受的信号—通常是电压信号。
接着,这些电压信号被适当的调理,所用的信号调理硬件有滤波器、放大器、解调器和模-数转换器。
传感器和变送器与信号调理硬件之间的连接,阻抗匹配是必须的。
Accuracyofsensors,transducers,andassociatedsignal-conditioningdevicesisimportantincontrolsystemapplicationsfortwomainreasons.Themeasurementsysteminafeedbackcontrolsystemissituatedinthefeedbackpathofthecontrolsystem.Eventhoughmeasurementsareusedtocompensateforthepoorperformanceintheopen-loopsystem,anyerrorsinmeasurementsthemselveswillenterdirectlyintothesystemandcannotbecorrectediftheyareunknown.Furthermore,itcanbeshownthatsensitivityofacontrolsystemtoparameterchangesinthemeasurementsystemisdirect.Thissensitivitycannotbereducedbyincreasingtheloopgain,unlikeinthecaseofsensitivitytotheopen-loopcomponents.Accordingly,thedesignstrategyforclosed-loop(feedback)controlistomakethemeasurementsveryaccurateandtoemployasuitablecontrollertoreduceothertypesoferrors.
传感器、变送器和辅助信号调理装置的精度在控制系统应用是重要的,主要有两个原因。
反馈控制系统的测量系统位于控制系统的反馈回路,尽管在开环系统中,测量可用于补偿不良特性,但测量本身的误差会直接进入系统,如果误差未知,则无法校正。
而且,可以看出,控制系统对参数变化的敏感性在测量系统中是直接的,与开路部件敏感性情形不同,这种敏感性不能通过增大回路增益方法进行减小。
因而,对反馈控制系统来说,其设计策略是使测量非常精确,并采用合适的控制器降低其它类型的误差。
Mostsensor-transducerdevicesusedinfeedbackcontrolapplicationsareanalogcomponentsthatgenerateanalogoutputsignals.Thisisthecaseeveninreal-timedirectdigitalcontrolsystems.Whenanalogtransducersareusedindigitalcontrolapplications,however,sometypeofanalog-to-digitalconversion(ADC)isneededtoobtainadigitalrepresentationofthemeasuredsignal.Theresultingdigitalsignalissubsequentlyconditionedandprocessedusingdigitalmeans.
在反馈控制应用中,大多数传感器-变送器装置是产生模拟信号的模拟部件。
即使是在实时直接数字控制系统中,也是如此。
然而,当模拟变送器应用在数字控制场合时,为了获得被测信号的数字表示,必须采用某种类型的模数转换。
所获得的数字信号应用数字方法进行后续调理和处理。
Inthesensorstage,thesignalbeingmeasuredisfeltasthe“responseofthesensorelement.”Thisisconvertedbythetransducerintothetransmitted(ormeasured)quantity.Inthisrespect,theoutputofameasuringdevicecanbeinterpretedasthe“responseofthetransducer.”Incontrolsystemapplications,thisoutputistypically(andpreferably)anelectricalsignal.Notethatitissomewhatredundanttoconsiderelectrical-to-electricalsensors-transducersasmeasuringdevices,particularlyincontrolsystemstudies,becauseasmeasuringdevices,particularlyincontrolsystemstudies,becauseelectricalsignalsneedconditioningonlybeforetheyarefedintoacontrollerortoadrivesystem.Inthissense,electrical-to-electricaltransductionshouldbeconsidereda“conditioning”taskratherthana“measuring”function.
在传感阶段,被测信号可以看作是“传感单元的响应”。
该信号被变送器转换成被传输的信号量。
在这一方面,测量装置的输出可以看作是“变送器的响应”。
在控制系统应用中,该输出信号通常(更可取地)是一个电气信号。
注意,把电气信号到电气信号的传感器-变送器看作是测量装置有些多余,尤其是在控制系统研究中,因为只有在电气信号被送入控制器或驱动系统之前,才需要进行调理。
在这种意义上,电气信号到电气信号的变送可以被看作是一个“信号调理”任务而不是“测量”功能。
8.3.2MotionTransducers
Bymotion,wemeanthefourkinematicvariables:
●Displacement(includingposition,distance,proximity,andsizeorgage)
●Velocity
●Acceleration
●Jerk
8.3.2运动传感器
就运动而言,我们指的是四个运动学变量:
●位移(包括位置、距离、接近度和尺寸或厚度);
●速度;
●加速度;
●冲击;
Notethateachvariableisthetimederivativeoftheprecedingone.Motionmeasurementsareextremelyusefulincontrollingmechanicalresponsesandinteractionsindynamicsystems.Numerousexamplescanbecitedofsituationsinwhichmotionmeasurementsareusedforcontrolpurposes.Therotatingspeedofaworkpieceandthefeedrateofatoolaremeasuredincontrollingmachiningoperations.Displacementsandspeeds(bothangularandtranslator)atjoints(revoluteandprismatic)ofroboticmanipulatorsforkinematiclinkagesareusedincontrollingmanipulatortrajectory.Inhigh-speedgroundtransitvehicles,acceleratio
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