自动化专业(学科)概论课件.ppt

1、自动化与自动控制自动化与自动控制 1.1一些名词和术语一些名词和术语 1.2自动化专业的历史沿革自动化专业的历史沿革 1.3 机器或装置在无人干预的情况下按规机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动地进行操作或运行定的程序或指令自动地进行操作或运行 通过人造装置或人类为了约束自己的通过人造装置或人类为了约束自己的行为而制定的政策和法规来对人造系统和行为而制定的政策和法规来对人造系统和非人造系统进行控制，从而达到人所期望非人造系统进行控制，从而达到人所期望的目标的目标 社会社会 经济经济 生物生物 环境环境 VS 人造系统 人造/非人造系统强调自动操作和运行 强调达到一种目标 1、系统

2、、系统 系统（系统（SystemSystem）是指由）是指由相互关联相互关联、相互制约相互制约、相互影响相互影响的一些部分组成的具有某种功能的有机的一些部分组成的具有某种功能的有机整体整体 系统可以由系统可以由“实物实物”组成，也可以由组成，也可以由“非实物非实物”组成组成系统的组成系统的组成 信息（信息（InformationInformation）是指）是指符号符号、信号信号或或消息消息所所包含的内容，它是对事物运动状态或存在形式的包含的内容，它是对事物运动状态或存在形式的不确定性的描述不确定性的描述 2、信息、信息数字信息：数字信息：用数字描述信息，便于计用数字描述信息，便于计算机处理算

3、机处理世界组成：世界组成：物质、能量、信息物质、能量、信息=11010100111010100111011013、控制、控制控制（ControlControl）是指为了改善系统的性能或达到特定的目的，通过信息的采集和加工而施加到系统的作用。 可控系统可控系统不可控系统不可控系统 用来描述系统中各物理量的变化及相互作用、相用来描述系统中各物理量的变化及相互作用、相互制约关系的数学表达式称为系统的数学模型互制约关系的数学表达式称为系统的数学模型 数学模型种类：数学模型种类： 状态空间、微分方程、差分方程、脉冲响应、传状态空间、微分方程、差分方程、脉冲响应、传递函数、频率响应模型等递函数、频率响应模

4、型等4、数学模型、数学模型 科学（Science）是指对各种事实和现象进行观察、分类、归纳、演绎、分析、推理、计算和实验，从而发现规律，并对各种定量规律予以验证和公式化的知识体系 自然科学自然科学研究的是物质世界 社会科学社会科学研究的是人类的精神世界 科学就是发现！ 5、科学、科学牛顿发现了万有引力定律！ 技术（TechnologyTechnology）是指人类根据生产实践经验和自然科学原理改变或控制其环境的手段，是人类活动的一个专门领域 技术的任务是利用和改造自然，以其生产的产品为人类服务 技术是一种手段，是一种方法！ 6、技术、技术高新技术的产物磁悬浮列车7工程工程 工程（Enginee

5、ringEngineering）是指应用科学知识和人类拥有的技术使自然资源最好地为人类服务的一项活动 工程就是实现！ 科学和技术都存在于工程之中！三峡大坝8、学科与专业、学科与专业 学科是指具有某种理论体系的研究及应用的一个领域。在该领域中，研究的对象可能千差万别，但是，他们应用同一种理论体系解决问题。学科可大可小，取决于人对理论体系的理解。 专业是学科的一个方向，当把学科分得很细时，学科与专业就成为同义词了。1948年年 维纳教授发表维纳教授发表控制论控制论控制理论形成控制理论形成1954年年 钱学森教授发表钱学森教授发表工程控制论工程控制论1956年年 清华、西交大成立工业企业电气化清华、

6、西交大成立工业企业电气化 形成自动化专业形成自动化专业1958年年 清华等清华等建立自动控制系建立自动控制系，如航空自动控制系，如航空自动控制系1958年年 华北电力大学建立华北电力大学建立热工测量及其自动化专业热工测量及其自动化专业1998年年 各院校把原来的与自动化相关的专业更名为各院校把原来的与自动化相关的专业更名为 自动化专业自动化专业1984年年 33所高校试办所高校试办研究生院研究生院 有了有了自动化学科自动化学科，招收，招收研究生研究生自动控制系统的组成结构与性能要求自动控制系统的组成结构与性能要求 2.1自动控制系统的分类自动控制系统的分类 2.2（1）被控对象（控制对象控制对

7、象） 系统所要控制的设备或过程，它的输出称为被控量，它的输入称为控制量（2）测量环节（传感器传感器） 将被控量检测出来并传送给控制环节的装置（3）控制环节（控制器控制器） 它的功能是根据偏差信号，决策如何去操作被控对象，使得被控量达到所希望的目标（4）执行环节（执行器执行器） 按控制环节的控制决策，具体实现对被控对象的操作，如阀门、挡板等。自动控制系统基本组成原理方框图自动控制系统基本组成原理简化方框图理想的控制效果被控对象的实际动态过程 自动控制系统被控量的动态特性自动控制系统被控量的动态特性 1直接型性能指标直接型性能指标 稳定系统的动态过程 （1）稳定性）稳定性 稳定性是指系统处于平衡状

8、态下，受到扰动作用后，系统恢复原有平衡状态的能力 衡量指标： 稳定性裕度衰减率131mmmyyyr 0.75 1.0 工业要求（2）快速性）快速性 快速性是指控制过程的持续时间，也就是从干扰发生起至被控量又建立新的平衡状态为止的过渡过程时间 rtst系统输出响应第一次到达希望值的时间称为上升时间 被控量进入偏离给定值的 范围内就算基本稳定了%5（3）准确性）准确性 （稳定的系统在过渡过程结束后所处的状态称为稳态） 准确性指稳态时系统期望输出量和实际输出量之差（静态偏差静态偏差 ）以及在整个控制过程中被控量偏离给定值的最大值（动态偏差动态偏差超调量超调量 ） 要求： 静态偏差 0 动态偏差（超调

9、量）1100%20%mpyrMr2间接型性能指标间接型性能指标 0( ) dQe tt0( ) dstQt e tt20( ) dstQt e tt20( )dstQte tt220( )dstQt e tt（1）绝对误差的矩的积分（2）绝对误差的二阶矩的积分（3）误差平方的矩的积分（4）误差平方的二阶矩的积分 1过程控制过程控制过程控制是指对工业生产过程实施的控制。例如，对发电过程、化工过程、冶金过程等进行的控制都属过程控制。过程控制要求被控系统的输出量长期安全、稳定在希望的数值上。2运动控制运动控制对运动体进行的控制称为运动控制。例如，对机器人的控制、对飞行器的控制、对导弹的控制、对运输工

10、具的控制等都属运动控制。运动控制要求运动体按希望的运动轨迹稳定运行。运动控制研究的是运动体的姿态、位置、轨迹、稳定性等。3程序控制程序控制程序控制也称顺序控制。它与过程控制和运动控制都不同，它的输出不是要求稳定在希望值上或希望的轨迹上。程序控制要求被控系统按事先预定的步骤运行，例如机械加工中的数控机床、大型设备的启动、大型锅炉检修时的煤灰清扫控制等均属于程序控制系统的范畴。1.开环控制系统开环控制系统 当对被控系统的输出要求不高或被控系统的输出不容易测量时，控制器直接根据期望信号产生控制信号 开环干扰补偿控制系统 2闭环控制系统闭环控制系统（1）反馈控制系统）反馈控制系统（2）前馈）前馈反馈复

11、合控制系统反馈复合控制系统 1. 单变量控制系统单变量控制系统 只有一个输入量和一个输出量的控制系统称为单变量控制系统，也称为单输入单输出控制系统。对于单变量系统可以用高阶微分方程（或传递函数）来描述，也可以用状态空间方法来描述（1）单回路反馈控制系统）单回路反馈控制系统 （2）双回路反馈控制系统）双回路反馈控制系统 2多变量控制系统多变量控制系统 2r121Y2Y 11Y22Y1rW11(s)W12(s)W21(s)W22(s)K11(s)K21(s)K22(s)K12(s)WT1(s)WT2(s)+-+-+21Y12Yu1u2解耦控制器K(s)耦合对象W(s)有多于一个输入量或多于一个输出

12、量的控制系统称为多变量控制系统，也称为多输入多输出控制系统。多变量控制系统通常用状态空间方法描述1. 恒值控制系统恒值控制系统若自动控制系统的任务是保持被控量恒定不变，也即使被控量在控制过程结束时，被控量等于恒值（给定值）2. 随动控制系统随动控制系统随动控制系统又简称随动系统，它是给定信号随时间的变化规律事先不能确定的控制系统，随动控制系统的任务是在各种情况下快速、准确地使被控量跟踪给定值的变化3. 程序控制系统程序控制系统在程序控制系统中，它的给定值按事先预定的规律变化，是一个已知的时间函数，控制的目的是要求被控量按确定的给定值的时间函数来改变 1. 线性控制系统线性控制系统 系统中各组成

13、部分或元件特性可以用线性微分方程来描述。线性控制系系统中各组成部分或元件特性可以用线性微分方程来描述。线性控制系统的特点是满足叠加原理统的特点是满足叠加原理2. 非线性控制系统非线性控制系统 当系统中存在非线性元件或具有非线性特性，就要用非线性微分方程来当系统中存在非线性元件或具有非线性特性，就要用非线性微分方程来描述，这类系统就称为非线性系统。非线性系统不满足叠加原理描述，这类系统就称为非线性系统。非线性系统不满足叠加原理 系统)(1tr)(1tc系统)(2tr)(2tc)()(21tbrtar)()(21tbctac系统 1连续时间控制系统连续时间控制系统 2离散时间控制系统离散时间控制系

14、统 系统中各元件的输入量和输出量均是连续量或模拟量系统中某处或多处的信号是脉冲序列或数码形式 经典控制理论经典控制理论3.1现代控制理论现代控制理论 3.2当代控制理论当代控制理论 3.3【例3.1】 外作用力F 输出位移x 系统质量m 弹性系数为k 阻尼系数为f理论建模理论建模机理建模机理建模“白盒白盒”法法【解解】根据牛顿定律，有根据牛顿定律，有 ddddvmfvkxFtxvt（3-2） 微分方程（3-1） 状态方程22ddddxxmfkxFtt2( )1( )x sF smsfsk（3-3） 传递函数实验建模实验建模“黑盒黑盒”法法( )(1)snKW seTs()(0)yyK/0.12

15、242.93/0.50.35cccTnTTTnNMcLNT线段在时间轴上的投影0tpuKe（1）比例控制P （2）比例+微分控制PDd()dpdeuKeTt（3）比例+积分控制PI1(d )piuKee tT1d(d)ddddpdipideuKee tTTteuK eKe tKt（4）PID控制PID控制律具有以下优点：控制律具有以下优点： 原理简单，物理概念清楚，使用方便原理简单，物理概念清楚，使用方便 适应性强适应性强 鲁棒性强鲁棒性强 1根轨迹的基本概念根轨迹的基本概念2( )( )2y sKR sssK220ssK111sK 211sK 2频率特性的基本概念频率特性的基本概念( )(

16、)(2)y sKu ss s(j )(j )(j )j (j2)yKWu j(j)j ()(j )(j )( )GWWeAe 1( )1caTsG sTs1( )1cbTsG sTs11( )11bacbabT saT sG sT sT s 超前滞后滞后超前1( )(1)cpdiG sKT sTsPIDZ Z变换的定义是：变换的定义是：对连续函数的采样信号进行拉普拉斯变换，对连续函数的采样信号进行拉普拉斯变换，让变换中的指数函数让变换中的指数函数essTZ相平面法相平面法描述函数法描述函数法 系统的响应具有与输入不同的函数结构 系统的性能不仅与系统本身的参数有关，与初始条件也有关 不能应用叠加

17、原理 有自振荡、极限环 1100fkvvFmmmxx ABCDXXUYXU状态方程0tt0( )X t0tt( )U t0tt当已知时的和时的就能够完全确定系统在任何时间时的行为 状态变量( )U t 作用，使01ttt 01( )( )X tX t状态可控状态可控01( )( )Y tY t输出可控输出可控从物理上看，不可控系统包含着这样一个子系统，这种子系统的输出量与输入量没有关系从数学上看，传递函数多项式中出现了相约的情况 ( )( )Y tX t01ttt ( )U t 作用，测得( )Y t则则系统状态可观系统状态可观nmsTsskesW)1 ()(热工试验建模热工试验建模正确地选择

18、状态变量得到的数学模型一定是可控可观的！正确地选择状态变量得到的数学模型一定是可控可观的！状态反馈状态反馈有自平衡被控系统时输出反馈输出反馈有自平衡被控系统时状态观测器状态观测器fttdtttutxLJ0),(),(min，使求)(tu),(),()(ttutxftx基本约束：基本约束：最优控制在过程控制中很难使用！最优控制在过程控制中很难使用！ 05001000150020002500300000.20.40.60.811.21.4优 化 结 果 ：TAT1=2.06,Ti1=311.2（ TAT2=0.188,Ti2=134.6)品 质 指 标 ：Mp=12,tr=498,ts=1392F

19、AI=0.91y1y20()( )lim( )( )tX ttX tAX tBU tt )()()(tBUtAXtX()( )( )( )X ttX tAX tBU tt 1()XKtX K tt AX K tBU K t 任务：任务：一、怎样把要求解的问题用一个有极值（极小或极大）的带有约束条件的函数来描述（通常把这个函数称为目标函数）；二、在提出的目标函数下，采用什么样的策略来改变系统的参数，使这个目标函数达到最小或最大。 单纯形法单纯形法0.618法法黄金分割黄金分割寻优策略：寻优策略：1、间接寻优法、间接寻优法 不直接求取目标函数的极值，而是求取目标函数具有极值的充分必要条件不直接求取

20、目标函数的极值，而是求取目标函数具有极值的充分必要条件 缺点：在许多优化问题中，目标函数难以写成解析式，求解困难缺点：在许多优化问题中，目标函数难以写成解析式，求解困难2、直接寻优法、直接寻优法初始种群突然变异选择新个体至次世代交配（交叉）蚂蚁洞穴食物源障碍物外激素（信息素）粒子食物源遗传算法遗传算法蚁群算法蚁群算法粒子群法粒子群法数学模型：数学模型：系统运动规律的数学表达式描述形式：描述形式： 微分方程、积分方程、偏微分方程、差分方程 代数方程、状态方程、传递函数 1、“黑盒黑盒”法（试验建模）法（试验建模） 对一个系统加入不同的输入（扰动）信号，观察其输出。根据所记录的输入、输出信号，用一

21、个或几个数学表达式来表达这个系统的输入与输出关系 时域法：时域法：阶跃响应法：阶跃响应法：加入一个阶跃扰动信号 脉冲响应法：脉冲响应法：加入一个矩形脉冲扰动信号 根据时域响应曲线计算出传递函数频域法：频域法： 给系统人为地加入一个正弦扰动信号（或其他信号），根据时域响应曲线计算出频率响应曲线，然后再转换成传递函数 2min1( ()()mkQy kTy kTnmsTssesKsG) 1()1 ()(dnnnnnnnzzzzzzzG0)1(1110)1(1111)(目标函数：目标函数：经典方法：间接优化经典方法：间接优化当代方法：智能优化当代方法：智能优化2、“白盒白盒”法（机理建模）法（机理建

22、模） 根据能量守恒、质量守恒和动量守恒的原理，通过系统本身的许多细节（由几部分组成？它们之间怎样连接？它们相互之间怎样影响？），建立描述该系统的数学模型 为了验证模型的正确性，把这两种方法相结合作为互为了验证模型的正确性，把这两种方法相结合作为互为验证，互为补充，提高模型的精度为验证，互为补充，提高模型的精度“灰盒灰盒”法法能量守恒、质量守恒和动量守恒能量守恒、质量守恒和动量守恒 QHDHDdtdHMsossissos1、自适应控制定义、自适应控制定义 能自动地、适时地调节系统本身控制规律的参数，以能自动地、适时地调节系统本身控制规律的参数，以适应外界或内部引起的各种干扰及系统本身参数的变化，

23、适应外界或内部引起的各种干扰及系统本身参数的变化，使系统运行在最佳状态使系统运行在最佳状态 2、模型参考自适应控制系统、模型参考自适应控制系统（Model Reference Adaptive System 简称简称 MRAS） 3、自校正调节器、自校正调节器(Self-tuning Regulator，简称，简称STR) (Model Predictive Control )三要素：内部模型、参考轨迹、控制算法三要素：内部模型、参考轨迹、控制算法 (Robust Control) 定义：定义：当一个控制系统中的参数发生摄动时，系统仍能当一个控制系统中的参数发生摄动时，系统仍能保持正常工作保持

24、正常工作 系统在一定的参数摄动范围内维持稳定性的特性，系统在一定的参数摄动范围内维持稳定性的特性，称为稳定鲁棒性；如果我们讨论的特性是某些性能指标，称为稳定鲁棒性；如果我们讨论的特性是某些性能指标，则称为性能鲁棒性则称为性能鲁棒性 一个系统是性能鲁棒的，也必须同时是稳定鲁棒的一个系统是性能鲁棒的，也必须同时是稳定鲁棒的 鲁棒控制是一种设计控鲁棒控制是一种设计控制器的方法，而不是一种控制器的方法，而不是一种控制策略！制策略！ 一般鲁棒控制系统的设一般鲁棒控制系统的设计是以一些最差的情况为基计是以一些最差的情况为基础，因此一般系统并不工作础，因此一般系统并不工作在最优状态在最优状态定义：定义：当系

25、统具有随机输入、随机干扰或（和）随机特性（参数）当系统具有随机输入、随机干扰或（和）随机特性（参数）时，系统的状态、输出和控制量必然也是随机过程。对这种具有随机时，系统的状态、输出和控制量必然也是随机过程。对这种具有随机性系统的控制问题，就叫随机控制问题。性系统的控制问题，就叫随机控制问题。主要研究的问题：主要研究的问题：1 1数学模型的建立问题数学模型的建立问题2 2系统分析问题系统分析问题3 3随机控制问题随机控制问题4 4状态变量的估计（滤波）问题状态变量的估计（滤波）问题人工智能：人工智能： 知识的科学怎样表示知识以及怎样获得知识并使用知识 （Stanford University N

26、ilsson教授） 研究如何使计算机去做过去只有人才能做的工作 （MIT Winston教授） 计算机模拟人的智能行为人工智能智能控制：智能控制： 模拟人的思维进行控制，没有算法解 控制器=数学解析模型+知识系统专家系统定义：专家系统定义： 一个智能的计算机程序，使用知识和推理过程来解决问题 1、专家控制、专家控制 知识库推理机知识获取解释部分数据库人 机 接 口专家用户 用于取代常规控制器，直接控制生产过程或被控对象。用于取代常规控制器，直接控制生产过程或被控对象。 具有模拟具有模拟( (或延伸、扩展或延伸、扩展) )操作工人智能的功能操作工人智能的功能 传感器-给定值输出信息获取与处理推理

27、机构被控对象控制规则库知识库直接型专家控制器+执行器直接型专家控制器直接型专家控制器 用于和常规控制器相结合，组成对生产过程或被控用于和常规控制器相结合，组成对生产过程或被控对象进行间接控制的智能控制系统。该控制器能够实对象进行间接控制的智能控制系统。该控制器能够实现优化、适应、协调、组织等高层决策的智能控制现优化、适应、协调、组织等高层决策的智能控制 传感器-给定值输出被控对象控制算法专家控制器特征提取执行器+间接型专家控制器间接型专家控制器2、人工神经网络、人工神经网络生物神经元模型生物神经元模型niiixws1)(sfy 人工神经元模型人工神经元模型 神经网络模型神经网络模型 前向网络、

28、反馈网络、自组织网络前向网络、反馈网络、自组织网络输入层隐含层输出层输出输入输 入输 出 节 点0 x1x2x神经网络的应用神经网络的应用1、故障诊断：、故障诊断：神经网络由于具有模拟任何连续非线性函数的能力和神经网络由于具有模拟任何连续非线性函数的能力和利用样本学习的能力，因而它已被用于复杂系统的故障诊断中利用样本学习的能力，因而它已被用于复杂系统的故障诊断中2、系统辨识：、系统辨识：将神经网络作为被辨识系统的模型，可在已知常规模将神经网络作为被辨识系统的模型，可在已知常规模型的情况下，估计模型的参数；利用神经网络的线性、非线性特性，型的情况下，估计模型的参数；利用神经网络的线性、非线性特性

29、，可建立线性、非线性的静态、动态、逆动态及预测模型，实现系统可建立线性、非线性的静态、动态、逆动态及预测模型，实现系统的建模和辨识的建模和辨识3、神经网络控制器：、神经网络控制器：神经网络作为控制器，可对不确定、不确知系神经网络作为控制器，可对不确定、不确知系统及扰动进行有效控制，使控制系统达到所要求的动态、静态特性统及扰动进行有效控制，使控制系统达到所要求的动态、静态特性4、神经网络用于优化计算：、神经网络用于优化计算：在常规的控制系统中，常遇到求解约在常规的控制系统中，常遇到求解约束优化问题，神经网络为这类问题的解决提供了有效的途径束优化问题，神经网络为这类问题的解决提供了有效的途径 定义

30、：定义：以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制 3、模糊控制、模糊控制计算控制变量模糊量化处理模糊控制规则模糊决策非模糊化处理D/AA/D被控对象执行器传感器模糊控制器（计算机）+给定值检测与控制理论研究检测与控制理论研究4.1控制设备与装置的研发与生产控制设备与装置的研发与生产 4.2信息与管理信息与管理 4.3系统的集成与应用系统的集成与应用 3.4 主要检测的非电量物理量：主要检测的非电量物理量： 温度、湿度、压力、流量、物位、成分、密度、力、应变、位移、速度、加速度、振幅等1、传感器、传感器 将各种非电量（包括物理量、化学量和生物量等）按一定规律转将各种非电量（

31、包括物理量、化学量和生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。通常又把传感器称为敏感元件、检测元件、一次元件等通常又把传感器称为敏感元件、检测元件、一次元件等2、测量电路、测量电路 将传感器输出的电信号进行放大、线性化、滤波、转换等处理后，将传感器输出的电信号进行放大、线性化、滤波、转换等处理后，变换成标准的信号输出给测量链中后续仪表。标准的输出信号变换成标准的信号输出给测量链中后续仪表。标准的输出信号是电压（是电压（15V）或电流（）或电流（420mA） 智能检测仪表系统是把测量电路的输出或直接把传感器的

32、输出信智能检测仪表系统是把测量电路的输出或直接把传感器的输出信号经过模号经过模/数转换后送给检测系统中的计算机，微型计算机对被数转换后送给检测系统中的计算机，微型计算机对被检测信号进行分析、判断、推理，产生控制量，或进行显示检测信号进行分析、判断、推理，产生控制量，或进行显示3、显示或输出、显示或输出 检测系统向观察者显示或输出被测量数值。包括显示（指针式、检测系统向观察者显示或输出被测量数值。包括显示（指针式、数字式、屏幕式）和打印记录装置、数据处理装置等数字式、屏幕式）和打印记录装置、数据处理装置等1、温度检测、温度检测 温度测量方式：接触式、非接触式温度测量方式：接触式、非接触式 常用检

33、测仪表：热电偶、热电阻、光纤测温仪、常用检测仪表：热电偶、热电阻、光纤测温仪、激光测温仪等激光测温仪等2、压力检测、压力检测 压力表示方法：绝对压力、大气压力、表压力、压力表示方法：绝对压力、大气压力、表压力、真空度、差压等真空度、差压等 压力测量方法：重力平衡法、机械力平衡法、弹压力测量方法：重力平衡法、机械力平衡法、弹性力平衡法、物性测量法等性力平衡法、物性测量法等 压力检测仪表：弹性压力计、力平衡式压力计、压力检测仪表：弹性压力计、力平衡式压力计、压力传感器等压力传感器等 过程参数检测技术过程参数检测技术3、流量检测、流量检测 在短暂时间内流过某一流通截面的流体数量与通过时间之比 流体数

34、量以体积表示称为体积流量 流体数量以质量表示称为质量流量常用的体积流量计：容积式、差压式、速度式常用的质量流量计：推导式、直接式4、物位检测、物位检测 物位检测是对设备和容器中物料储量多少的度量 物位分以下三种： 液位设备和容器中液体介质表面的高低 料位设备和容器中所储存的块状、颗粒或粉末状固体物料的堆积高度 界位相界面位置，分两种： 液-液相界面：容器中两种互不相溶的液体之间的分界面 液-固相界面：容器中互不相溶的液体和固体之间的分界面 5、机械量检测、机械量检测 机械量：长度、位移、速度、转角、转速、力、力矩、振动 测量方法：机械式、电气电子式、光学式 机械式：波纹管、平面膜、弹簧管 电气

35、电子式：通过膜片电极板之间的电容量变化来检测作用力、位移和角度 通过改变磁铁和物体间的相对距离，用磁感应传感器检测出磁场变化 通过移动差动变压器的铁心也可以检测位移 通过可变电阻或电位器的接点可以检测位移和角度 用压敏导电橡胶构成开关元件，可以检测作用力和位移 通过变形使金属阻值发生变化，检测变形和作用力 将硅晶体制成压敏电阻，可以检测作用力、变形、位移和加速度 在压电材料上下面贴上电极，可以检测作用力、变形、加速度、振动 光学式：由激光、透镜、反射板、光敏元件、光纤等组成 利用光强、相位、频率等变化来检测位移、作用力、变形和加速度6、成分分析、成分分析对物质的成分及性质进行分析和测量 成分分

36、析的方法有两种类型： 定期取样：通过实验室测定的实验室分析方法 连续取样：连续测定被测物质的含量或性质 成分分析所用的仪器和仪表基于多种测量原理，在进行分析测量时，需要根据被测物质的物理或化学性质，来选择适当的手段和仪表智能数据检测智能数据检测 以单片机为核心的智能仪器以单片机为核心的智能仪器 测量、检验、故障诊断、信息处理和决策输出测量、检验、故障诊断、信息处理和决策输出由于智能检测系统充分开发利用计算机资源，在人工由于智能检测系统充分开发利用计算机资源，在人工最少参与的条件下尽量以软件实现系统功能，因此智最少参与的条件下尽量以软件实现系统功能，因此智能检测系统具有测量过程软件控制、智能化数

37、据处理、能检测系统具有测量过程软件控制、智能化数据处理、高度的灵活性、实现多参数检测与信息融合、测量速高度的灵活性、实现多参数检测与信息融合、测量速度快和智能化功能强等特点度快和智能化功能强等特点智能数据检测的结构智能数据检测的结构 上位机上位机（主机，一般为（主机，一般为PC工控机）：工控机）： 负责系统的协调工作，输出对分机的命令，对下位机传负责系统的协调工作，输出对分机的命令，对下位机传送的测量数据进行分析处理，输出智能检测系统的测量、控送的测量数据进行分析处理，输出智能检测系统的测量、控制和故障检测结果制和故障检测结果 下位机下位机（分机，以单片机为核心、带有标准接口的仪器）：（分机，

38、以单片机为核心、带有标准接口的仪器）： 根据上位机命令，实现传感器测量采样、初级数据处理根据上位机命令，实现传感器测量采样、初级数据处理以及数据传送以及数据传送 显 示 器主 机打印机、绘图机测控通信接口单 片 机 1单 片 机 2单 片 机 mA/D 转 换调 节 放 大传感器1传感器2传感器nA/D 转 换调 节 放 大传感器1传感器2传感器nA/D 转 换调 节 放 大传感器1传感器2传感器n分机 1分机 2分机 m1、虚拟仪器、虚拟仪器 具有虚拟仪器面板的个人计具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器算机仪器 操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器的运行，完成对被测信号的采集、分析

39、、判断、显示、存储及数据生成。操作者可以通过修改软件的方法，方便地改变、增减仪器系统的功能与模块 2、软测量、软测量 Soft Sensor Technique：依据易测过程变量（常称：依据易测过程变量（常称为辅助变量或二次变量）与难以直接测量的待测过程变为辅助变量或二次变量）与难以直接测量的待测过程变量（常称为主导变量）之间的数学关系，通过各种数学量（常称为主导变量）之间的数学关系，通过各种数学计算和估计方法，实现对待测过程变量的测量。从而可计算和估计方法，实现对待测过程变量的测量。从而可对成份、物性等与过程操作和控制密切相关的检测参数对成份、物性等与过程操作和控制密切相关的检测参数进行更直

40、观的检测和控制进行更直观的检测和控制 软测量技术主要包括软测量技术主要包括4个方面：个方面： 辅助变量的选取；数据处理；软测量模型的建立；辅助变量的选取；数据处理；软测量模型的建立；软测量模型的在线校正软测量模型的在线校正),.,(21nvvvSSSfV 3、数据融合、数据融合 一种新的信息综合处理方法多传感器数据融合MSDF（Multi Sensor Data Fusion） 原理：对人脑综合处理复杂问题的一种功能模拟。它充分利用多个传感器资源，通过对各种传感器及其观测信息的合理支配与使用，将各种传感器在空间或时间上的互补与冗余信息依据一种优化准则组合起来，产生对被测对象的一致性解释和描述

41、目的：提高传感器系统的有效性，消除单个或少量传感器的局限性 基本功能：相关、估计和识别。重点是估计和识别 ),.,(21nVVVfV 1线性系统理论线性系统理论2非线性系统理论非线性系统理论3分布参数系统控制理论分布参数系统控制理论4大系统控制理论大系统控制理论 电子管电子管晶体管晶体管集成电路集成电路基地是仪表（基地是仪表（50年代）年代）DDZI、DDZII、DDZIII、MZ3 （58年开始研制，年开始研制，60年代完成年代完成）电动单元组合仪表（电动单元组合仪表（6070年代）年代）组装式电子综合控制仪表（组装式电子综合控制仪表（70年代末）年代末）单回路调节器（单回路调节器（80年代

42、）年代）缺点：缺点：结构复杂结构复杂 使用不便使用不便 价格昂贵价格昂贵 不容易构成复杂控制系统不容易构成复杂控制系统缺点：缺点：功能单一，只能实现监测，没有构成闭环控制功能单一，只能实现监测，没有构成闭环控制缺点：缺点：可靠性差，故障率高，没有在实际中得以应用可靠性差，故障率高，没有在实际中得以应用分散控制系统分散控制系统DCS（Distributed Control System）（）（70年代末）年代末）FCS （Fieldbus Control System）（）（90年代）年代） PLC （Programmable Logic Controller）（）（60年代）年代） 1计算机网

43、络技术计算机网络技术 （1）通信协议的优化与新增（2）传输协议对于网络新需求的不足（3）网络设备的移动性（4）安全性与隐私 （5）网络服务质量与实时性（6）多媒体与数据格式（7）分布式计算（8）能源消耗优化2数据库技术数据库技术关系数据库、分布式数据库、对象数据库关系数据库、分布式数据库、对象数据库PI、eDNA、RD6DB 、MySQL、PostgreSQL、Microsoft Access、SQL Server、FileMaker、Oracle、Sybase、dBASE、Clipper、FoxPro 用以描述数据库架构中三个层次的数据存储模式以及互相映像的数据模型。用以描述数据库架构中三个

44、层次的数据存储模式以及互相映像的数据模型。 优化的数据结构（优化的数据结构（字段字段、纪录纪录及及文件文件），以支持在），以支持在永久存储设备永久存储设备（即比主（即比主存慢得多）上存储海量的数据。存慢得多）上存储海量的数据。 查询语言及撰写报表的程序，让用户可以交互方式查问数据库，进行数据查询语言及撰写报表的程序，让用户可以交互方式查问数据库，进行数据分析及依用户的权限来更新数据。分析及依用户的权限来更新数据。 良好的并发机制使得在多用户同时访问之下仍维持数据完整性（良好的并发机制使得在多用户同时访问之下仍维持数据完整性（Data Integrity），以及提供故障排除功能。），以及提供故障

45、排除功能。 对于实时对于实时/历史数据库系统，需要提供对采集来的数据进行高效的数据压缩历史数据库系统，需要提供对采集来的数据进行高效的数据压缩和海量数据长期的历史存储，以及快速、实时的数据存储与查询功能。和海量数据长期的历史存储，以及快速、实时的数据存储与查询功能。 MIS (Management Information System)设备和维修管理设备和维修管理生产经营管理生产经营管理财务管理财务管理办公自动化办公自动化 （使用关系型数据库）（使用关系型数据库）SIS（Supervisory Information System）生产过程信息监测和统计生产过程信息监测和统计设备状态监测与故障诊断设备状态监测与故障诊断实时性能计算、分析和操作指导实时性能计算、分析和操作指导设备寿命监测和管理设备寿命监测和管理 （使用实时（使用实时/历史数据库）历史数据库） （1 1）直接控制）直接控制（2 2）管控一体化）管控一体化（3 3）生产经营辅助决策）生产经营辅助决策（4 4）电厂管理机构决策与协调）电厂管理机构决策与协调结束！