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1、测试系统静、动态误差的分 析与补偿 4.1 测试系统静态误差的分析与补偿 4.1.1 概述 4.1.2 静态误差分析与补偿的基本原理 4.1.3 开环系统的静态误差分析与补偿 4.1.4 闭环系统的静态误差分析与补偿 4.1.5 提高测试系统静态性能的途径 4.1.1 概述 n静态测量和动态测量 n静态测量误差 n静态测量误差分析的方法 测量过程的角度入手 原理误差？不完善、近似、环境波动等 工具误差？装置自身误差 系统分析的角度入手 分析误差传递规律 提出改善性能措施 4.1.2 静态误差分析与补偿的基本原理 n1、原理误差及其补偿原理 n2、工具误差及其补偿原理 n3、环节静态误差的分析及
2、其表达式 1、原理误差及其补偿原理 n系统特性方程中参数理论值与实际值不符 n n系统特性方程采用近似方程式 n 理论：y0= f0(x); 近似：y= f(x); y= y- y0 n测量方法自身的不完善 n原理误差的补偿原理 1）系统特性方程中参数理论值与实际值不符 问题如何产生？ 2）系统特性方程采用近似方程式 理想化情况？ 线性 实际情况？ 阶梯 问题？ 3）测量方法自身的不完善 影响情况分析？ 根据情况尽可能选择误差小的。 4）原理误差的补偿原理 n对于参数变化产生的原理误差，对各参数实测 ，然后将实测结果送入测试系统中进行处理。 n对于特性方程采用近似方程式带来的原理误差 ，必须探
3、究近似方程式的起因。 n对于测量方法自身的不完善，则必须寻求改善 测量方法的根本性解决方案。 工作过程？ 解决程度？原理上？实际上？ 原理误差补偿属于系统误差， 从产生原因入手寻求消除或减小 的最佳途径。能否完全消除？ 2、工具误差及其补偿原理 n量具误差 n仪器误差 n附件误差：如转换开关、导线、夹具等， 一般相对影响较小，大部分属于系差。 n工具误差的补偿原理 1）量具误差 n概念：以固定形式复现量值的测量器具 n分类：标准量具、通用量具 n量具误差分析的重要性 n游标卡尺会因没有遵守阿贝原则而产生误 差 2）仪器误差 客观存在的 3）工具误差的补偿原理 n无论量具误差、仪器误差还是附件误
4、差，了解工 具误差产生的原因是进行误差补偿的前提条件。 n对于方法或原理误差：限制测量范围，进行后续 误差补偿； n对于加工或安装过程中的误差：严格控制加工条 件、进行误差补偿； n对于环境因素引起的误差：控制被测量所处环境 变化、采集环境参数进行后续误差补偿。 n总之：至关重要，多属于系差，具有可补偿性。 3、环节静态误差的分析及其表达式 n出发点：通过对各环节误差分析处理，获得整 体的误差分析结果。 n环节的构成 n干扰来源：输入端、输出端、环节内部 干扰因素？ 影响如何？ 三种干扰 3、环节静态误差的分析及其表达式 n微分环节 有随时间变化的干扰如何处理？加干扰的微分项 n积分环节 公式
5、的应用条件？ n非线性关系情况 y在各点不同。 4.1.3 开环系统的静态误差分析与补偿 n开环系统的静态误差分析方法 多数开环系统都可看成几个环节的串联 n开环系统静态误差的补偿方法 1、开环系统的静态误差分析方法 条件？ 忽略二阶小量 原因？合并为一个等效 环节 结论：处理规则 问题？计算复杂 输入量及干扰误差传递系数规则 n系统对输入量及各干扰信号的误差传递系数等于 信号从作用点起，至输出端的所有传递系数之连 乘积，遇有并联回路，乘上并联回路各支路的传 递系数之和。或者说，输入量及各干扰所引起的 输出量等于输入量及干扰乘上从起作用点起，至 输出端的所有传递系数之连乘积，遇有并联回路 时，
6、必须乘上并联回路各支路的传递系数之和， 系统的总输出等于作用在该系统中的所有输入量 及干扰所引起的输出量之代数和。 分析实例1 分析实例2：由加速度得到位置 加速度 位移 第2积分环节到输出端的 第1积分环节到输出端的 作用在第1积分环节前和输入端的干扰产生的影响 开环系统静态误差的补偿方法 n误差补偿的实质 在静态方程式中适时添加与干扰信号反方向的信 号分量，从而达到抵消干扰信号的作用。 n举例说明 若第i环节传递系数有ki变化，则对系统总的传 递系数的影响是在总传递系数应乘上（1+ki/ki） 如何消除？ 并联环节？加一个反向变化的ki/ki 串联环节？并一个负ki/ki的环节 n补偿原则
7、：具体 补偿实例1 n同一位置补偿？以y2和3互补 n不同位置补偿？以yc=- y2/k补y2 基本要求？对一个干扰的完全补偿，系统对其必 须有两个通道。 积 分 环 节 ？ 分 段 补 偿 补偿实例2 n带有积分环节的基本思想:分段补偿，分担点为积 分环节前后；积分环节前的干扰不能再该环节之 后补；若积分环节后有一个比例于时间的误差， 可在环节前加常值补偿。 小结 n误差分析方法 n系数传递规则 n误差补偿方法 基本原则？ 补偿特点？ 积分环节？ n误差分析和补偿的前提条件 传递系数的确认？ 2、闭环系统的静态误差分析与补偿 闭环系统的静态误差分析方法 闭环系统静态误差的补偿方法 1）闭环系
8、统的静态误差分析方法 n单环反馈式闭环系统 n多环反馈式闭环系统 n积分环节的分析处理 1）单环反馈式闭环系统 n当k0=k3=1，且k1k21时，y3x/k2或y0k2y1 n关系的物理意义：当k1k21时，比较环节输出的误 差信号很小，忽略其影响后y0=k2y1，这是单环反 馈系统的基本特征。 n有干扰存在时： n正反馈时？ 线性关系 关键问题 干扰项的分析计算 n当闭环系统为负反馈时，分母为闭环部分传递系数 之积加1，正反馈时则是1减去闭环部分传递系数之 积；系统对各干扰之传递系数的分子等于从干扰作 用点起沿方框图所示箭头方向至输出端所有环节传 递系数之积，对负(正)反馈系统来说，所有作
9、用在 反馈回路的干扰之传递系数系数均带负(正)号。 2）多环反馈式闭环系统 基本原则： 采用逐步简化 的方法将系统 简化成单环反 馈系统，然后 就可按照单环 反馈系统中所 讲方法进行误 差分析。 积分环节的分析处理 闭环系统静态误差的补偿方法 n闭环的误差补偿与开环的有不同特点。 n补偿原则 负反馈系统的误差补偿：由于作用在反馈回路中 的干扰的传递系数均带负号，因此作用在反馈回 路的干扰与正馈回路的干扰符号相同也能补偿。 正反馈系统的误差补偿：作用在反馈回路的干扰 的传递系数仍为正号，因此补偿原则与开环串联 系统相同，需正、负相补。 n补偿实例 以电位差计式航空排气温度表为例 电位差计式航空排
10、气温度表* 基本工作原理？ 系统框图 n原理性介绍 系统框图简化 补偿思想 简单工作过程的总结 提高测试系统静态性能的途径 n测试原理方案及系统组成器件的改善 测量原理方案选取最为重要，方案不当将直接导 致系统性能下降。选好测量方案后，组成系统的 器件选择也非常关键，主要是器件的累计误差影 响大。另外可考虑合适的补偿环节消除影响。 补偿环节补偿效果的衡量 n 误差补偿的引入 对补偿方法的引入开环和闭环系统有补贴实现方式 ，应按需选取。难以建立系统的数学模型时，更 多考虑对测试系统测量结果的误差分布规律进行 分析处理。微处理器的快速发展使得补偿可以集 成到软件中。 误差补偿方案实现的难易程度 误
11、差补偿实例：火电厂锅炉污水流量测试系统 难点: 污水实际为气液两相流，波动大 误差补偿前测量结果 n发现规律： 线性关系良好 重复性测量结果 误差补偿后测量结果 火电厂发电示意图 4.2 测试系统动态误差的分析与补偿 4.2.1 动态测量误差及其评定 4.2.2 开环系统的动态误差分析与补偿 4.2.3 闭环系统的动态误差分析与补偿 4.2.4 提高测试系统动态性能的途径 小结 4.2.1 动态测量误差及其评定 n动态测量的基本概念 n动态测量数据与动态测量误差 n动态测量误差与静态测量误差 n动态测量误差评定的基本方法 1）动态测量的基本概念 n什么是动态测量？ n动态测量的特点 时空性：任
12、何运动的物体都具有 空？空间位置变化必然伴随时间的推移或变化 时？数据表现出时变特点； 随机性：随机干扰 相关性：输出不仅和该时刻的输入有关，还和 被测量在该时刻前的量值变化历程有关。 2）动态测量数据与动态测量误差 n动态测量数据及其分类 确定性数据和随机性数据？ 时域特点与频域特点？ 确定 性数 据 周期 性数 据 正弦周期数据如：正弦周期数据等，单周期信号。频域特点：离散。 复杂周期数据 如：周期性三角波等，多个正弦信号叠加。频域特点： 离散。 非周 期性 数据 准周期数据如：频率为无理数的正弦信号。频域特点：离散。 瞬态数据如：阻尼振荡系统的自由振动等。频域特点：连续。 随机 性数 据
13、 平稳 过程 各态历经过 程 特点：一个样本函数的特点能够代表其它样本函数的特 点。 非各态历经 过程 特点：一个样本不能够反映整个随机过程。 非平稳过程特点：测试数据的统计特征量随时间变 化。 2）动态测量数据与动态测量误差 n动态测量误差 定义： 特点 时变量 如何处理？在时域、频域内发现统计特征 n动态测量数据和动态测量误差 共同点？ 不同点 3）动态测量误差与静态测量误差 n共同点 n不同点 表现形式上 时空性、相关性、随机性 误差求取过程上 重复测量求取误差分析结果 单次测量求取误差分析结果 数据处理量上的差别 4）动态测量误差评定的基本方法 n一个是从实际测得的动态测量数据本身出发
14、，分 离出其中的动态测量系统误差、动态测量随机误 差，再求出各评定参数，之后即可针对评定参数 的特点开展针对性的补偿措施。 n一种是从系统构成的角度着手，将系统分解为若 干个元件的串并联组合，以环节分析推动整个测 试系统的误差分析与补偿。 n分析理论与工具 4.2.2 开环系统的动态误差分析与补偿 n开环系统的动态误差分析方法 n开环系统动态误差的补偿方法 n动态误差补偿网络的设计方法 1、开环系统的动态误差分析方法 n如何分析？ 不考虑干扰？ 考虑干扰？ 过渡过程的影响？ 干扰性质 及其误差 传递特点 第一类和第二类动态误差 n第一类动态误差 n两者之差即为过渡过程产生的误差，特点？ n第二
15、类动态误差 n干扰引起的误差，特点？ n两类误差的对比 2、开环系统动态误差的补偿方法 n不同的动态误差，采取不同的补偿措施。 n特点： 具体问题具体分析 n要求：补偿环节的时间常数和被补偿环节相同。 n热电偶为例 误差补偿实例 优缺点的详细对比分析 3、动态误差补偿网络的设计方法 n低通滤波器构建高通滤波器 n低通滤波器构建带通滤波器 n低通滤波器组建复杂传递函数 n动态误差补偿网络的设计方法 n上述分析均是针对第一类动态误差 n第二类动态误差分析方法的基本原理 n动态测量中做到全补偿是非常困难的，有时候只 要做到减小干扰对测量结果的影响就可以了。如 在一些瞬态测量中，整个测量过程的时间很短， 若测量过程中温度对系统的影响较大，则可考虑 在系统设计过程中设计延缓温度对系统影响的环 节，使得测量系统在实验时间内对温度变化来不 及反应，从而达到减小温度干扰对测量结果影响 的目的。 提高测试系统动态性能的途径 n测量原理方案及系统组成器件上的改善 串联测量系统的工作频带取决于最薄弱环节的频 带，因
