1 测控的基本概念
测试与控制技术，简称测控技术，是信息科学的重要组成部分，它与计算机技术和通信技术构成了完整的信息技术学科。测控技术广泛应用于国民经济各个领域， 无论是工程研究、产品开发，还是质量监控、性能试验等，都离不开测控技术。测控技术是人类认识客观世界的手段，是科学研究的基本方法。
测控技术可分为测试与控制两大部分，两部分相辅相成，密切相连。测试是控制的前提，而控制反过来又往往为测试提供原理或方法保障。即使是单纯的测试系统，甚至单个的测试环节也与控制理论密切相连，如反馈式加速度传感器、伺服指示仪表等均需在控制理论的指导下进行分析设计。
测试是具有试验性质的测量，是测量和试验的综合，测试的目的是确定被测对象或系统属性的量值。测试技术又由传感器技术、检测技术和数据处理技术共同构成。其中传感器类似于人的感觉器官，它将被测对象的输出以及内部的状态等属性量（统称为 被测量 ），如力、位移、温度等，转换为易于量测的信号，传递给检测环节；检测环节对来自传感器的信号进行进一步的处理，将信号量化为一定的数值；而数据处理则对量化后的信号进行进一步的运算、分析，将其转变为直观的结果显示给操作者或用于控制系统的运行行为。
控制技术通过人或外加的辅助设备或装置 （称为 控制装置 或 控制器 ） ，使得被控对象或系统，如机器、生产过程等的工作状态或参数（即 被控量 ）按照预定的规律运行。对无需人的直接干预即可运行控制系统，称为自动控制系统。一个简单的恒温箱控制系统的例子如下图 所示。
|
（ a ） 人工控制的恒温箱
|
（ b ） 自动控制的恒温箱
|
|
恒温箱控制系统 |
恒温箱控制的要求是克服外界干扰（如电源电压波动、环境温度变化等等），保持箱内温度恒定，以满足物体对温度的要求。显然为了实现温度的恒定控制，必须首先对箱内温度进行测量。对于图 1.1 （ a ）所示的人工控制的恒温箱，其控制或调节过程可归结如下：
(1) 操作者观测由测量元件（温度计）测出的恒温箱内的温度（被控制量）。
(2) 将测得的温度与要求的温度值（给定值）进行比较，得出温度差值（称为偏差）的大小和方向。
(3) 根据偏差的大小和方向，操作者通过调节调压器进行控制。当恒温箱内温度高于所要求的给定温度值时，移动调压器使电流减小，温度降低。若温度低于给定的值，则移动调压器，使电流增加，温度升到正常范围。
显然，人工控制的过程就是通过眼睛测量、大脑求取偏差、再通过手控制调压器改变加热电阻丝的发热量以纠正温度偏差的过程，简言之即“检测偏差再纠正偏差”。
人工控制要求操作者随时观察箱内温度的变化情况，随时进行调节。为了将操作者从这种机械式的重复劳动中解脱出来，可以设计一个控制器来完成人的工作，将上面的人工控制变成如图 1.1 （ b ）所示的自动控制系统。 其中，恒温箱的所需温度由电压信号 u 1 给定。当外界因素引起箱内温度变化时，作为测量元件的热电偶，把温度转换成对应的电压信号 u 2 ，并反馈回去与给定信号 u 1 相比较，所得结果即为温度的偏差信号 Δ u = u 1 - u 2 。经过电压、功率放大后，用以改变执行电动机的转速和方向，并通过传动装置拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向着减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止。即只有在偏差信号 Δ u = 0 时，电动机才停转。这样就完成了恒温箱所要求的自动控制任务。
易见，自动控制系统和人工控制系统的共同特点都是要检测偏差，并用检测到的偏差去纠正偏差。因此，检测是控制的前提，而没有偏差就不会有控制调节过程。控制系统的工作原理可以归纳如下：
(1) 检测输出量的实际值。
(2) 将实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差值。
(3) 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。
在控制系统中，给定量又称系统的输入量，被控制量也称系统的输出量。输出量的返回过程称为反馈，它表示输出量通过测量装置将信号的全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较。比较产生的结果称为偏差。在人工控制中，这一偏差是通过人眼观测后，由人脑判断、决策得出的；而在自动控制中，偏差则是通过反馈，由控制器进行比较、计算产生的。由于存在输出量反馈，系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。而将基于反馈原理、通过 " 检测偏差再纠正偏差 " 的系统称为反馈控制系统。可见，作为反馈控制系统至少应具备测量、比较（或计算）和执行三个基本功能。
测控系统通常通过 结构框图或功能框图清晰而形象地表示出来，图给出了恒温箱控制系统的功能框图。图中带有箭头的有向线段表示信息的传递路径， 有向线段旁边标识的符号标识该线段所代表的信号； 带有名称的方框表示构成系统的各个部件（即测控环节），进入方框的箭头表示信号输入，反之表示输出， 各环节的作用是单向的，其输出受输入控制；“ ? ”代表比较元件，注意到进入比较元件的反馈信号 u 2 旁边有一“－”号，其含义是负号，即比较元件完成给定信号与反馈信号的相减操作以获取偏差信号产生控制作用，使偏差越来越小，这种控制称为负反馈控制。负反馈控制是实现自动控制最基本的方法，不同的控制系统尽管实现自动控制的装置可能不同，但自动控制的实现建立在反馈的基础之上。
|
（ b ） 自动控制的恒温箱
|
|
恒温箱控制系统功能框图 |
2 测控技术的内容和任务
1) 测控技术的内容
测控技术研究的主要内容包括：测控原理及方法、测控数据处理、测控系统建模、以及测控系统的分析和设计等几个方面。
测控原理及方法包括实现测量和控制所依据的物理、化学、生物等现象及有关定律以及相应的实现方法。例如，热电偶测量温度时所依据的是热电效应、电机转速控制所依据的是电机的运动特性等等。不同性质的被测量或被控量用不同的原理进行测量或控制，同一性质的被测量或被控量亦可用不同的的原理去测量或控制。测控原理确定后，根据对测控任务的具体要求和现场实际情况，需要采用不同的测控方法，如直接测控法或间接测控法、模拟量测控法或数字量测控法等。
测控数据处理包括数据的运算、滤波及各种分析方法，其目的是获得正确可靠的结果，提高测试和控制的可靠性及准确性。
测控系统建模研究如何通过物理、化学、生物等有关定律建立测控系统的动态模型，是进行测控系统理论分析和设计的基础。
测控系统的分析和设计则是在测控系统模型的基础上，通过时域或频域的方法分析系统的性能，通过外加合适的校正环节补偿原有系统的不足，构建快速、准确、不失真的测控系统。
2) 测控技术的任务
测控技术的任务可以概括为以下五个方面：
在设备设计中，通过对新旧产品的模型试验或现场实测，为产品质量和性能提供客观的评价，为技术参数的优化和效率的提高提供基础数据；通过自动控制技术的引入，提高设备的性能和工作效率；
在设备改造中，通过实测设备或零件的载荷、应力、工艺参数和电机参数，为设备强度校验和承载能力的提高提供依据，挖掘设备的潜力；通过新增的自动控制装置，实现设备的功能升级和改善，以提高产量和质量；
通过自动控制，尤其是恶劣环境或危险环境下设备的自动控制，改善劳动条件与工作环境，保证人的身心健康；
通过测试技术验证新的科学规律，从实验中发现规律，验证理论研究结果，实验与理论相互促进，共同发展；
在工业自动化生产中，通过对工艺参数的测试和数据采集，实现对设备的状态监控、产品质量控制和故障诊断。
3 测控系统的结构和分类
1） 测控系统的结构
测控系统是指由相关的器件、仪器和测试控制装置有机组合而成的具有获取某种信息，并实施控制被控对象或系统运行行为之功能的整体，其结构如下图所示。
图中信号处理、反馈控制、显示等环节，目前的发展趋势是经 A/D 转换后采用计算机等进行分析、处理，并经 D/A 转换控制被测控的对象。
在这里，需要指出的是为了准确的获得被测对象的信息，要求系统中的每一个环节的输出量与输入量之间必须具有一一对应关系。而且，其输出的变化能够准确地反映出其输入的变化，即实现不失真的测试。
开环控制和闭环控制
实际的控制系统，根据有无反馈作用可以分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。
开环控制系统
如果系统只是根据输入量和干扰量进行控制，而输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响，这样的系统称为开环控制系统。图所示的数控机床进给系统，由于没有反馈通道，所以是一个开环控制系统。系统的输出量仅受输入量的控制。
开环控制系统的输入量与输出量之间有明确的对应关系，但如果在某种干扰的作用下，使得系统的输出偏离了原始值，则由于不存在反馈，控制器无法获得关于输出量的实际状态，系统将无法自动纠偏，所以，开环系统的控制精度通常较低。但是如果组成系统的元件特性和参数值比较稳定，而且外界的干扰也比较小，则这种控制系统也可以保证一定的精度。开环控制系统的最大优点是系统简单，一般都能稳定可靠地工作，因此对于要求不高的系统可以采用。开环控制系统的一般结构如图所示。
2 ．闭环控制系统
如果系统的输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程产生直接影响，这种系统称为闭环控制系统，如前述的恒温箱自动控制系统就是一个闭环控制系统。闭环控制系统的一般结构如图所示。
闭环控制系统的突出优点是不管遇到什么干扰，只要被控制量的实际值偏离给定值，闭环控制就会自动产生控制作用来减小这一偏差，因此，闭环控制精度通常较高。
闭环控制系统也有它的缺点，这类系统是靠偏差进行控制的，因此，在整个控制过程中始终存在着偏差，由于元件的惯性（如负载的惯性），若参数配置不当，很容易引起振荡，使系统不稳定，而无法工作。
3 ．半闭环控制系统
如果控制系统的 反馈信号 不是直接从系统的输出端引出，而是 间接 地取自中间的测量元件，例如在数控机床的进给伺服系统中，若将位置检测装置安装在传动丝杆的端部，间接测量工作台的实际位移，则这种系统称为 半闭环控制系统 。
半闭环控制系统一般可以获得比开环系统更高的控制精度，但由于只存在局部反馈，在局部反馈之外的部分所导致的输出扰动将无法通过自动调节的方式消除，因此，其精度往往比闭环系统要低；但与闭环系统相比，它易于实现系统的稳定。目前大多数数控机床都采用这种半闭环控制进给伺服系统。
1.3.1 .2 闭环控制系统的组成
图所示为一个较完整的闭环控制系统。由图可见，闭环控制系统一般应该包括给定元件、反馈元件、比较元件、放大元件、执行元件及校正元件等。
1 ．给定元件
主要用于产生给定信号或输入信号。
2 ．反馈元件
反馈元件通常是一些用电量来测量非电量的元件，即传感器 , 它量测被控制量或输出量，产生主反馈信号。一般，为了便于传输，主反馈信号多为电信号。
必须指出，在机械、液压、气动、机电、电机等系统中存在着内在反馈。这是一种没有专设反馈元件的信息反馈，是系统内部各参数相互作用而产生的反馈信息流，如作用力与反作用力之间形成的直接反馈。内在反馈回路由系统动力学特性确定，它所构成的闭环系统是一个动力学系统。例如，机床工作台低速爬行等自激振荡现象，都是由具有内在反馈的闭环系统产生的。
3 ．比较元件
用来接收输入信号和反馈信号并进行比较，产生反映两者差值的偏差信号。
4 ．放大元件
对偏差信号进行放大的元件。例如，电压放大器、功率放大器、电液伺服阀、电气比例 / 伺服阀等。放大元件的输出一定要有足够的能量，才能驱动执行元件，实现控制功能。
5 ．执行元件
直接对受控对象进行操纵的元件。例如，伺服电动机、液压（气）马达、伺服液压（气）缸等。
6 ．校正元件
为保证控制质量，使系统获得良好的动、静态性能而加入系统的元件。校正元件又称校正装置。串接在系统前向通路上的称为串联校正装置；并接在反馈回路上的称为并联校正装置。
尽管一个控制系统包含许多起着不同作用的元部件，但从总体上看，任何一个控制系统都可认为仅由控制器（完成控制作用）和控制对象两部分组成。如图 1.8 中，比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起着控制作用，为控制器部分。图 1.8 还包括了扰动信号，扰动信号是由于系统内部元器件参数的变化或外部环境的改变而造成的，不管是何种扰动，其最终结果都是导致输出量即被控制量发生偏移，因此直接将扰动信号集中表示在控制对象上。考虑到输出量的偏移所产生的偏差可以通过反馈作用予以自动纠正，采用上述表示方法是合适的。
2） 测控系统的分类
测控系统的种类很多，在实际应用中，可以从不同的角度对测控系统进行分类。
按控制输入量的特征分类
1 ．恒值控制系统
这种系统的控制输入量是一个恒定值，一经给定，在运行过程中就不再改变（但可定期校准或更改输入量）。恒值控制系统的任务是保证在任何扰动下系统的输出量为恒值。
工业生产中的温度、压力、流量、液面等参数的控制，有些原动机的速度控制，机床的位置控制，电力系统的电网电压、频率控制等，均属此类。
2 ．程序控制系统
这种系统的输入量不为常值，但其变化规律是预先知道和确定的。可以预先将输入量的变化规律编成程序，由该程序发出控制指令，在输入装置中再将控制指令转换为控制信号，经过全系统的作用，使控制对象按指令的要求而运动。计算机绘图仪就是典型的程序控制系统。
工业生产中的过程控制系统按生产工艺的要求编制成特定的程序，由计算机来实现其控制。这就是近年来迅速发展起来的数字程序控制系统和计算机控制系统。微处理机控制将程序控制系统推向更普遍的应用领域。
图表示一个用于机床切削加工的程序控制系统。
3 ．随动系统
随动系统在工业部门又称伺服系统。这种系统的输入量的变化规律是不能预先确定的。当输入量发生变化时，则要求输出量迅速而平稳地跟随着变化，且能排除各种干扰因素的影响，准确地复现控制信号的变化规律（此即伺服的含义）。控制指令可以由操作者根据需要随时发出，也可以由目标物或相应的测量装置发出。
按系统中传递信号的性质分类
1 ．连续系统
系统中各部分传递的信号都是连续时间变量的系统称为连续系统。连续系统又有线性系统和非线性系统之分。用线性微分方程描述的系统称为线性系统，不能用线性微分方程描述、存在着非线性部件的系统称为非线性系统。
2 ．离散系统。
系统中某一处或数处的信号是脉冲序列或数字量传递的系统称为离散系统（也称数字测控系统）。在离散系统中，数字测量、放大、比较、给定等部件一般均由微处理机实现，计算机的输出经 D/A 转换加给伺服放大器，然后再去驱动执行元件；或由计算机直接输出数字信号，经数字放大器后驱动数字式执行元件。
由于连续系统和离散系统的信号形式有较大区别，因此在分析方法上也有明显的不同。连续系统以微分方程来描述系统的运动状态，并用拉氏变换法求解微分方程；而离散系统则用差分方程来描述系统的运动状态，用 Z 变换法引出脉冲传递函数来研究系统的动态特性。
此外，还可按照系统部件的物理属性分为机械、电气、机电、液压、气动、热力等测控系统。
4 对控制系统的基本要求
不同场合的测控系统有着不同的性能要求。但各种测控系统均有着一些共同的基本要求，即稳定、准确、快速。
１.稳定性
由于测控系统都包含储能元件，若系统参数匹配不当，能量在储能元件间的交换可能引起振荡。稳定性就是指系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。对于稳定的系统，当输出量偏离平衡状态时，应能随着时间收敛并且最后回到初始的平衡状态。稳定性是保证测控系统正常工作的先决条件。
２.精确性
测控系统的精确性即测控精度，一般以稳态误差来衡量。所谓稳态误差是指以一定变化规律的输入信号作用于系统后，当调整过程结束而趋于稳定时，输出量的实际值与期望值之间的误差值，它反映了动态过程后期的性能。这种误差一般是很小的。如数控机床的加工误差小于 0.02mm ，一般恒速、恒温控制系统的稳态误差都在给定值的 1% 以内。
３.快速性
快速性是指当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。快速性好的系统，它消除偏差的过渡过程时间就短，就能复现快速变化的输入信号，因而具有较好的动态性能。
由于测控对象的具体情况不同，各种系统对稳定、精确、快速这三方面的要求是各有侧重的。例如，调速系统对测控的稳定性要求较严格，而随动系统则对测控的快速性提出较高的要求。
需要指出的是，对于一个测控系统而言，稳、准、快是相互制约的。提高快速性，可能会使得系统发生强烈振荡；改善了稳定性，测控过程又有可能过于迟缓，甚至精度也会变差。分析和解决这些矛盾，正是测控理论所要讨论的主要内容之一。
5 测控技术的发展趋势
测控技术是一门新型的技术科学，也是一门边缘科学。早在一千多年以前，我国就先后发明了铜壶滴漏计时器、指南针以及天文仪器等多种自动测控装置，这些发明促进了当时社会经济的发展。即使从 1788 年瓦特（ J.Watt ）发明蒸汽机飞球调速器算起，测控工程也已有了二百多年的历史。然而，测控工程作为一门学科，它的形成并迅速发展却是最近五六十年的事。
1） 控制工程的发展概况
二次世界大战前，控制系统的设计因缺乏系统的理论指导而多采用试凑法。二次大战期间，由于建造飞机自动驾驶仪、雷达跟踪系统、火炮瞄准系统等军事装备的需要，推动了控制理论的飞跃发展。 1948 年威纳（ N.Wiener ）发表了著名的《控制论》，从而基本上形成了经典控制理论，使控制工程有了扎实的理论支撑。经典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输入 - 单输出系统的分析和控制问题。
除了威纳之外，在经典控制理论的形成和发展过程中作出重大贡献的还有： 1868 年，马克斯威尔（ J.C.Maxwell ）发表了《调速器》一文，首先提出了 " 反馈控制 " 的概念； 1875 年，劳思（ E.J.Routh ）和 1895 年，赫维茨（ A.Hurwifz ）先后独立地提出了判别系统稳定性的代数判据； 1932 年，尼奎斯特（ H.Nyquist ）提出了著名的尼奎斯特稳定性判据；此后，博德（ H.W.Bode ）总结了负反馈放大器； 1948 年，埃文斯（ W.R.Evans ）提出了根轨迹法，进一步充实了经典控制理论。
二次世界大战后，控制理论扩展到民用，在化工、炼油、冶金等工业部门得到了进一步的应用，控制理论也日渐成熟。 1954 年，我国科学家钱学森发表了《工程控制论》这一名著，为控制工程这门技术科学奠定了理论基础。
20 世纪 50 年代末和 60 年代，控制工程又出现了一个迅猛发展时期，这时由于导弹制导、数控技术、空间技术发展需要和电子计算机技术的成熟，控制理论发展到了一个新的阶段，产生了现代控制理论。它是以状态空间分析法为基础，主要分析和研究多输入 - 多输出、时变、非线性等系统的最优控制问题。特别是近十几年来，在计算机技术和现代应用数学高速发展的推动下，现代控制理论在最优滤波、系统辨识、自适应控制、智能控制等方面又有重大进展。
对现代控制理论作出贡献的有： 1892 年，俄国的李稚普诺夫（ A.M. Лияпунов）提出的判定系统稳定性的方法被广泛应用于现代控制理论； 1956 年，前苏联的蓬特里亚金（Л .C. Понтрягин）提出了极大值原理； 1956 年，美国的贝尔曼（ R.I.Bellman ）提出了动态规划理论； 1960 年，美国的卡尔曼（ R.E.Kalman ）提出了卡尔曼滤波理论。
纵观控制工程发展历程，它是与控制理论、计算机技术、现代应用数学的发展息息相关的。目前，控制理论正在与模糊数学、分形几何、混沌理论、灰色理论、人工智能、神经网络、遗传基因等学科的交叉、渗透和结合中不断发展。
2） 测试技术的发展
先进技术的发展日新月异，测试技术应该适应这种发展。根据先进制造技术发展的要求以及测试技术自身的发展规律，不断拓展着新的测量原理和测试方法，以及测试信息处理技术。
就机械工程而言，测控技术在以下几个方面需要发展：
1）测量方式的多样化
2）视觉测控技术
3）尺寸继续向两个极端发展
测量方式的多样化
① 多传感器融合技术在制造现场中的应用 多传感器融合是解决测量过程中测量信息获取的方法，它可以提高测量信息的准确性。由于多传感器是以不同的方法或从不同的角度获取信息的，因此可以通过它们之间的信息融合去伪存真，提高测量精度。
② 积木式、组合式测量方法 增加测试系统的柔性，实现不同层次不同目标的测试目的。
③ 便携式测量仪器 如便携式光纤干涉测量仪、便携式大量程三维测量系统等，用于解决现场大尺寸的测量问题。
④ 虚拟仪器 虚拟仪器是虚拟现实技术在精密测试领域的应用，一种是将多种数字化的测试仪器虚拟成一台以计算机为硬件支撑的数字式的智能化测试仪器；另一种是研究虚拟制造中的虚拟测量，如虚拟量块、虚拟坐标测量机等。
⑤ 智能结构 它属于结构检测与故障诊断，是融合智能技术、传感技术、信息技术、仿生技术、材料科学等的一门交叉学科，使监测的概念过渡到在线、动态、主动的实时监测与控制。
视觉测控技术
视觉测试技术是建立在计算机视觉研究基础上的一门新兴测试技术。与计算机视觉研究的视觉模式识别、视觉理解等内容不同，视觉测试技术重点研究物体的几何尺寸及物体的位置测量，如三维面形的快速测量、大型工件同轴度测量、共面性测量等。它可以广泛应用于在线测量、逆向工程等主动、实时测量过程。
两个极端发展
两个极端就是指相对于现在测量尺寸的大尺寸和小尺寸。通常尺寸的测量已被广为注意，也开发了多种多样的测试方法。近年来，由于国民经济的快速发展和迫切需要，使得很多方面的生产和工程中测试的要求超过了我们所能测试的范围，如飞机外形的测量、大型机械关键部件测量、高层建筑电梯导轨的准直测量、油罐车的现场校准等都要求能进行大尺寸测量；微电子技术、生物技术的快速发展，探索物质微观世界的需求，测量精度的不断提高，又要求进行微米、纳米测试。纳米测量也多种多样，有光干涉测量仪、量子干涉仪、电容测微仪、 X 射线干涉仪、频率跟踪式法珀标准量具、扫描电子显微镜 (SEM) 、扫描隧道显微镜 (STM) 、原子力显微镜 (AFM) 、分子测量机 M3(molecular measuring machine) 等。 |
