2005年4月
四月二十六日
本周科技小贴士:
系统可能受FDA 21 CFR第11部分的约束。
可能受美国食品和药物管理局(FDA) 21 CFR第11部分法规约束的系统包括:
实验室
稳定的系统
毒理学系统
实验室机器人系统
环境监测系统
具有数据采集能力的实验室仪器
实验室信息系统
其他数据采集系统
临床
个案报告表格系统
临床数据管理系统
远程数据输入系统
远程数据捕获系统
不良事件报告系统
其他数据采集系统
制造业
制造执行系统
维修管理系统
校正管理系统
楼宇管理系统
企业资源规划系统
控制和自动化系统
其他数据采集系统
质量
文件管理系统
良好的实践和其他产品跟踪系统
标准操作程序系统
其他数据采集系统
戴夫·哈罗德，特约编辑
来源:Dave Harrold，“我来自政府，我是来帮助你的”控制工程、2002年4月，29页。
二零零五年四月十九日
本周科技小贴士:
气动阀门选型。
阀门是气动控制系统的核心，方向和比例控制阀品种作为主要选择。方向控制阀(dcv)可以说是最常用的阀门。例如，它们控制压缩空气(或其他合适流体)的方向，以确定气缸冲程是前进还是收缩。
直流电压转换器是根据其主连接的数量和可能的开关位置来识别的。例如，“3/2阀”是指三个端口和两个开关位置。换向阀除了根据端口和开关位置的不同而具有不同的功能外，在机械和功能设计上也各不相同。DCV设计类型包括:接筒(球接筒，平密封接筒)，阀芯，平滑动和旋转滑动。即使在这些类型中，也可以使用其他设计方法和材料。例如，滑阀可以沿其阀芯有密封圈，或者密封圈可以装在阀体内。设计特性影响阀门的使用寿命、流量、执行元件、执行力、通径和价格。
换向阀用于完成开关操作，而比例阀(pv)用于调节压力和流量。将输入信号转换成特定的输出信号是比例阀最重要的基本特性。pv通常由两个部分组成——先导控制和阀门单元。先导控制由两个2/2路先导阀或比例电磁阀组成，并包括评估电子元件。阀门单元仅由集成气动功能组成。
在控制块连接处施加直流电压(如0-10 V或0-20 mA电流)。然后，电压或电流对应于要控制的特定压力。工作端口的实际压力由集成压力传感器测量并传输到评估电子设备，将实际压力与期望压力进行比较。然后，电子元件根据压力偏差切换先导阀，进而切换主阀的操作位置，直到获得所需的压力。
比例dcv做得更多
使用“标准”换向阀，只能假设单个开关位置。比例方向控制阀也允许中间位置。这意味着除了末端头寸，如“开仓”或“闭仓”，中间的“微开仓”也是可能的。
工作位置切换的驱动元件是一个比例螺线管。当电子驱动时，螺线管改变其线圈段中的电压，控制活塞的位置根据改变的场强而变化。因此，各个空气通道通过控制活塞同时以不同程度打开或关闭。这不仅可以实现对气缸运动方向的开环或闭环控制，而且还可以控制其速度。在这里，阀门具有所谓的节流功能。这些阀门的开关频率约为100 Hz，可以实现极高的动态。
比例阀具有广泛的应用，如在材料长度的放卷过程中气动保持恒定的张力。比例换向阀在气缸的定位中有进一步的应用。在这种情况下，气缸配有位移编码器，提供实际活塞位置的反馈信号。为了获得一个特定的位置，阀门控制流入或流出气缸的体积流量。
Frank Langro，产品管理经理;Frank Latino，阀门终端和电子产品经理，Festo公司，www.festo.com/us
资料来源:Frank Langro和Frank Latino，“气动阀门选择”，Back to Basics，控制工程、2004年8月，第76页
二五年四月十二日
本周科技小贴士:
信号调理特性及要求。
信号调理是所有测量设备的基本组成部分。它将输入的测量值转换成数字化硬件可接受的形式。信号调节不仅定义了系统可以接受的信号类型，而且还定义了系统必须提供的附加功能。以下是一些常见的术语及其定义:
隔离-隔离提供了数字化硬件和现实世界之间的保护屏障，防止共模电压或信号尖峰损坏测量系统。此外，通道到通道隔离可以防止一个输入信号电弧到另一个输入通道并返回系统。最后，隔离防止产生噪声的接地回路，从而降低信号质量。当输入信号的共模电压高于10伏时，或者信号中有可能出现大的尖峰时，需要使用它。
传感器激励-许多常见的传感器需要功率来产生信号。这些包括应变计和rtd。换能器励磁提供这种功率，因此传感器不需要外部电源。
冷端补偿-热电偶需要这种特殊类型的信号调理。冷端补偿消除了使用由不同金属制成的端子块连接热电偶而不是T/C本身引起的小电压误差。它通过读取热电偶连接到系统的环境温度来实现这一点。
滤波——滤波过程将外来噪声源(发电机、电动机、电源线等)产生的不需要的信号频率从输入信号中屏蔽掉。适当的滤波还可以防止抗混叠，即信号的高频成分出现为低频成分。
放大/衰减——在数字化发生之前，放大会增加信号的幅度。放大提高了小信号的测量精度，减少了周围噪声源的影响。在数字化发生之前，衰减降低了信号幅度，增加了系统的信号输入范围能力。
线性化——通常传感器的信号值和测量的物理量之间没有线性关系。热电偶的非线性温度-电压关系就是一个很好的例子。线性化映射传感器的信号值和它正在测量的物理量之间的关系，这样物理量的增量变化对应于信号的类似增量变化。它可以在系统的硬件或软件组件中实现。
多路复用—通过向同一数字化硬件传递多个信号，可以扩展测量系统的I/O通道数。使用多路复用技术可以用更少的钱获取更多的信号。
桥梁完井——这种特殊类型的信号调理与应变片一起使用。如果给定的应变计是四分之一桥或半桥结构，那么测量装置的信号调理必须提供必要的完井电阻来制造一个完整的惠斯通电桥。
分流校准-也与应变计一起使用，分流校准为精确已知的应变值(负载)提供比较信号值，可用于校准测量系统。
开关继电器——机电继电器和固态继电器都可用于控制外部系统组件或设备是否接收电源。继电器使用低电压(交流或直流)来控制可能需要比测量系统中可用的大得多的电压和电流来操作的设备。继电器通常用于控制电机、风扇、灯或甚至其他继电器。
| 传感器 | 电特性 | 需求 |
| 热电偶 | 低电压输出低灵敏度非线性输出 | 参考温度传感器(冷端补偿)高放大线性化 |
| RTD | 低电阻(100) | 电流激励4线/3线配置线性化 |
| 应变仪 | 低电阻器件低灵敏度非线性输出 | 电压或电流励磁桥完成线性化 |
| 电流输出设备 | 电流回路输出(4- 20ma典型) | 精密电阻 |
| 热敏电阻 | 电阻器件高电阻和灵敏度输出非常非线性 | 电流激励或电压激励与参考电阻线性化 |
| 集成电路(IC)温度传感器 | 高电压或电流输出线性输出 | 中等增益 |
特拉维斯·弗格森，信号调节产品经理
德州奥斯汀国家仪器公司
来源:Travis Ferguson，《信号调节的基础》，Back to Basics，控制工程、1999年10月，第136页。
二五年四月五日
本周科技小贴士:
定义模拟、离散和数字。
| 绿线(顶部图)显示模拟变量，因为它可能记录在条形图上。在中间的图中，蓝线表示在采样间隔之间离散保持不变的相同变量。红线(下图)显示了具有3位存储寄存器的计算机如何将离散变量数字化。它的值将四舍五入到0到7之间最接近的整数。 |
与计算机中的虚拟世界不同，现实世界是“模拟的”。“现实世界的变量可以随时改变，而不仅仅是在扫描周期或采样间隔结束时。计算机测量的变量是“离散的”。“它们在下一个采样间隔前保持不变，即使实际值发生了变化。
计算机变量也是“数字的”，由一串有限的数字或位表示。“数字化”限制了将现实世界中的模拟变量以数字方式存储在计算机中的精度。
该图显示了计算机如何通过离散化和数字化来歪曲现实世界变量的值的一个极端情况。
离散变量的图形反映了原始真实世界变量的一般形状，但没有光滑的曲线。还要注意，离散变量滞后于模拟变量，因为它的值只能在模拟变量已经改变之后才会改变。数字化图表显示了计算机的准确性是如何进一步降低的，因为变量不仅受到它可以改变的时间的限制，而且受到它可以假设的值的限制。
幸运的是，在今天的计算机中，更快的采样和更高精度的存储可以大大减少离散化和数字化的影响。
虽然快速采样通常是有益的，但反馈控制器并不总是需要尽可能快地对过程变量进行采样。同样，极高的精度可能无助于控制器达到理想的闭环性能。
再次考虑图形中的示例，但现在假设模拟变量表示要控制的压力、温度或流量。通常，这种现实世界的变量不会突然改变。惯性和摩擦倾向于将它们的波动限制在光滑、连续的曲线上。
用数学术语来说，这样的变量具有有限的带宽。也就是说，这个变量看起来更像一个低频正弦波，而不是高频正弦波。在这种情况下，著名的奈奎斯特定理指出，以高于某个截止点的速率对变量进行采样是对计算能力的浪费。从采样数据中完全重建原始信号所需的所有信息都包含在以截止率采集的样本中。由更快的采样产生的额外采样不会帮助控制器从采样信号中获得更多有用的信息。
在这个例子中，模拟变量看起来非常像一个正弦波，在大约8秒内完成两个变化幅度的周期。因此，信号带宽大约是每秒0.25个周期。奈奎斯特定理会将截止频率设置为该值的两倍，这样每秒0.5个样本(或每两秒一个样本)的采样间隔就足以收集到该信号中包含的所有有用信息。因此，离散化图中显示的采样率——每秒一个样本——应该足够快。
将控制器的存储精度限制在适度水平的情况更容易实现。现实世界的过程变量通常在一定程度上受到测量噪声的破坏，这些噪声甚至在采样和存储之前就限制了数据的准确性。使用高精度的存储寄存器是多余的。
Vance VanDoren，咨询编辑
资料来源:Vance VanDoren，《模拟，离散，数字:解密》，《回归基础》，控制工程、2004年11月，第68页
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