熱工測量技術(shù)A

第8部分

檢測領(lǐng)域新技術(shù)

第8章

虛擬儀器、軟測量技術(shù)、模糊傳感器、多傳感器數(shù)據(jù)融合等

《熱工測量技術(shù)A》

8檢測領(lǐng)域新技術(shù)

8.1虛擬儀器

8.2軟測量技術(shù)

8.3模糊傳感器

8.4多傳感器數(shù)據(jù)融合

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)第8部分檢測領(lǐng)域新技術(shù)本章提要

隨著控制理論及電子和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，為適應(yīng)科研和生產(chǎn)中的需求，在檢測技術(shù)領(lǐng)域中出現(xiàn)了許多新的理論、新的技術(shù)和新的概念。在這一章中將簡要介紹四種新技術(shù)，即虛擬儀器、軟測量技術(shù)、模糊傳感器和多傳感器數(shù)據(jù)融合。對每一種新技術(shù)將從它的發(fā)展歷史、概念定義、硬件和軟件結(jié)構(gòu)、核心技術(shù)、應(yīng)用范圍和存在的問題及發(fā)展方向幾個層面加以說明，使讀者對其有一個入門的了解。

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)

8.1虛擬儀器

由于電子、計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及其在測量儀器上的應(yīng)用，產(chǎn)生了新的測試理論和方法，儀器的結(jié)構(gòu)和特性也沖破了原有的傳統(tǒng)觀念，產(chǎn)生了新一代的虛擬儀器（VI，VirtualInstrument）。

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)

8檢測領(lǐng)域新技術(shù)8.1虛擬儀器

它是指通過應(yīng)用程序?qū)⒂嬎銠C與功能硬件（完成信號獲取、轉(zhuǎn)換和調(diào)理的專用硬件）結(jié)合起來，從而把計算機的強大運算存儲和通信能力與功能硬件的測量和轉(zhuǎn)換能力融為一體，形成一種多功能，高精度，可靈活組合并帶有通信功能的測試技術(shù)平臺。在電子測量中它可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器和頻譜分析儀等，在工業(yè)控制系統(tǒng)中所有以計算機為核心的自動化裝置也都可以歸納到虛擬儀器的范圍內(nèi)，如它可以代替通常安裝在控制室中的常規(guī)調(diào)節(jié)器、手操器、指示儀、記錄儀和報警器

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)等。在使用虛擬器時，用戶可通過顯示屏上的友好界面來操作計算機，就像在操作自己定義的一臺臺傳統(tǒng)的儀器儀表一樣，從而完成對被測量的采集、分析、判斷、調(diào)節(jié)和存儲等功能。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的最大區(qū)別在于，傳統(tǒng)儀器功能單一，并由制造廠定義，因此它系統(tǒng)封閉、功能固定、擴展性低，由于信息量少，因此一般都是人工讀數(shù)、手工生成測試報告。而虛擬儀器則相反，它的功能完全可

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)8.1虛擬儀器由用戶自己編程加以定義和組態(tài)，并形成適合用戶需要的專用測試系統(tǒng)。此外它還可以實現(xiàn)多媒體操作符指令；時間標記和測量注釋；測量關(guān)聯(lián)和趨勢分析等多種功能，最重要的是它可以實現(xiàn)可編程全自動測試和結(jié)果自動分析等功能。在性能價格比方面它也具有優(yōu)勢。虛擬儀器可以廣泛應(yīng)用于工程測量、物礦勘探、生物醫(yī)學(xué)、振動分析和故障診斷等科研和工程領(lǐng)域，目前在過程工業(yè)中大量使用的計算機監(jiān)控系統(tǒng)等也可以認為是虛擬儀器。

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)8.1虛擬儀器

1986年NI推出的LabVIEW

編程語言就是這樣一個工具，它致力于簡化工程師在構(gòu)建自動化系統(tǒng)過程中的各個環(huán)節(jié)，大大降低了開發(fā)自動化測試系統(tǒng)的難度，提高了工程師的效率。與此同時，板卡式數(shù)據(jù)采集（DAQ）設(shè)備讓工程師們可以靈活地使用模塊化的硬件搭建自己的采集系統(tǒng)。

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)8.1虛擬儀器

通過LabVIEW

和DAQ設(shè)備，工程師就可以在一臺普通PC上搭建測控系統(tǒng)，在前面板中設(shè)計自定義的操作界面，在程序框圖中定制采集與分析功能。軟件在整個系統(tǒng)中占有了舉足輕重的地位，因此“軟件就是儀器”的概念就是指這樣一種以軟件為核心的模塊化儀器系統(tǒng)。

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)8.1虛擬儀器至此，虛擬儀器技術(shù)已不再單純是個概念名詞，而成為了一種實際可行的方案，不但能為用戶帶來廣泛的靈活性和可擴展性，而且還可以實現(xiàn)成本上的節(jié)約。

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)8.1虛擬儀器

8.2軟測量技術(shù)

隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)的規(guī)模不斷地擴大及生產(chǎn)流程的日益復(fù)雜，這些都給自動化技術(shù)提出了新的要求。為確保生產(chǎn)過程能夠安全、環(huán)保地運行，就需要對系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標和產(chǎn)品及排放物的質(zhì)量指標進行實時檢測和優(yōu)化控制。

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)

8檢測領(lǐng)域新技術(shù)8.2軟測量技術(shù)

但上述的指標參數(shù)有很大一部分由于技術(shù)和經(jīng)濟方面的原因，很難通過傳感器或儀表進行直接的測量，如化工生產(chǎn)中精餾塔的組分濃度和塔板效率，生化制藥中發(fā)酵缸中菌體的種類和濃度，等等。

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)8.2軟測量技術(shù)為了解決此類測量問題，以前往往采用兩種方法，其一是采用間接測量法，即用溫度、壓力、流量等常規(guī)的狀態(tài)參數(shù)測量值來反映成分或質(zhì)量參數(shù)的大小，但這種方法往往與實際情況相差甚遠，無法滿足要求。其二是采用在線分析儀表，這種方式往往投資較大，維護成本高，并信號滯后大。即使采用分析儀表，還是有很多指標參數(shù)無法進行在線分析。因此人們迫切需要找到一種新的技術(shù)來滿足生產(chǎn)過程的監(jiān)控和優(yōu)化控制的要求。

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)

目前軟測量技術(shù)（SoftSensingTechniques)被認為是最具有吸引力和卓有成效的新方法。軟測量就是選擇與被選擇變量（無法直接測量）相關(guān)的一組可測變量，構(gòu)造某種以可測變量為輸入，被測變量為輸出的數(shù)學(xué)模型，使用計算機進行模型的數(shù)值運算，從而得到被測變量的估計值的過程。被測變量稱為主導(dǎo)變量（PrimaryVariable)可測變量稱為二次變量或輔助變量（SecondaryVariable)，而這類數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的計算機軟件也被稱為軟測量估計器或軟測量儀表。

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)8.2軟測量技術(shù)軟測量的估計值可作為控制系統(tǒng)的被控制變量或反映過程特征的工藝參數(shù)，為優(yōu)化控制與決策提供重要的信息。軟測量技術(shù)主要包括三部分的內(nèi)容，第一是根據(jù)某種最優(yōu)原則研究建立軟測量數(shù)學(xué)模型的方法，這是軟測量技術(shù)的核心。第二是模型實時運算的工程化實施技術(shù)，這是軟測量技術(shù)的關(guān)鍵。第三是模型自校正（模型維護）技術(shù)，這是提高軟測量精度的有效方法。

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)8.2軟測量技術(shù)

8.3模糊傳感器

模糊邏輯控制技術(shù)(FLC,FuzzyLogicControl)是近代控制理論中的一種新穎的高級控制方式，是智能控制的一個分支。模糊控制技術(shù)的基礎(chǔ)是模型邏輯理論，1965年美國加州大學(xué)伯克利分校的自動控制理論專家L。A。Zadeh在《InformationandControl》雜志上首次發(fā)表了《FuzzySets》一文，提出了模糊集合的概念。

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)

8檢測領(lǐng)域新技術(shù)8.3模糊傳感器

模糊現(xiàn)象是普遍存在的，如在評價一個人時可以用“高與矮”、“胖與瘦”、“年老與年青”等模糊的概念加以判別，就已達到在一定程度上對事物的認識了。在自動化工程中往往有許多被測量是無法用精度的數(shù)值來度量的，所以完全可以采用模糊理論技術(shù)，用人對事物認識的模式達到對事物的了解。但需要強調(diào)的是模糊控制并不是控制過程和結(jié)果是模糊和不確定的，而是只在控制方法上應(yīng)用了模糊數(shù)學(xué)的理論。模糊理論的核心是對復(fù)雜的系統(tǒng)和過程建立

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)一種語言分析的模型，使人們在日常生活中的自然語言能直接轉(zhuǎn)化為計算機所能接收的算法語言。模糊控制所進行的完是確定性的工作，它能模仿人的思維方法，對于非線形復(fù)雜系統(tǒng)，特別是無法精確解析建模和信息不足的生產(chǎn)過程，通過擬人的思維推理和綜合決策，就可以有效地獲取對象的本質(zhì)信息?？梢岳谩盜F…THEN…”這樣的模糊語言條件句來表達無法用精確數(shù)值表達的知識和經(jīng)驗。

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)8.3模糊傳感器

模糊理論是建立在人類思維方式的基礎(chǔ)上的，它能較好地模仿和描述人的思維方式，總結(jié)和反映人的經(jīng)驗，對復(fù)雜事物和系統(tǒng)進行模糊度量、模糊識別、模糊推理和模糊控制及決策。與傳統(tǒng)的控制理論和方法相比，模糊理論如下特點：

⑴模糊系統(tǒng)的設(shè)計是基于人的豐富知識和經(jīng)驗，使用自然語言方法，它不依賴于系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，最適用于無法精確解析建模的非線形復(fù)雜系統(tǒng)。

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)8.3模糊傳感器

⑵模糊系統(tǒng)專門設(shè)計了人機接口，可使有經(jīng)驗的操作者通過人機界面把人的經(jīng)驗加入到測控系統(tǒng)中去。

⑶模糊系統(tǒng)可吸收專家知識和操作者的經(jīng)驗來構(gòu)成模糊規(guī)則并進行合成推理操作，通過自學(xué)習(xí)使規(guī)則不斷更新，因此它具有知識性和自學(xué)習(xí)性。

⑷當采用不同的知識和經(jīng)驗來對同一個對象進行設(shè)計，可以調(diào)整不同的隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則庫，使它們都能達到良好的控制效果。

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)8.3模糊傳感器

⑸使用模糊理論設(shè)計的系統(tǒng)在對非線形復(fù)雜系統(tǒng)或信息不足過程進行控制運算時，所用時間大大減少，提高了系統(tǒng)的時效。

30多年來模糊數(shù)學(xué)及其應(yīng)用的發(fā)展十分迅速，開拓了模糊控制、模糊線形規(guī)劃和模糊聚類分析等研究領(lǐng)域，正是在這種背景下，模糊儀器儀表也應(yīng)運而生。如模糊傳感器、模糊控制器等，它們正在成為測控領(lǐng)域中的一支生力軍。

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)8.3模糊傳感器

8.4多傳感器數(shù)據(jù)融合

“多傳感器數(shù)據(jù)融合”一詞出現(xiàn)在20世紀70年代初期，并于20世紀80年代發(fā)展成為一門專門技術(shù)。它是人類模仿自身信息處理能力的結(jié)果。到目前，已形成和發(fā)展成為一門自動化信息綜合處理的專門技術(shù)。這一技術(shù)首先廣泛地應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，由于其研究最早是基于軍事應(yīng)用背景，所以很長時期其技術(shù)一直處于封閉狀態(tài)。

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)

8檢測領(lǐng)域新技術(shù)8.4多傳感器數(shù)據(jù)融合

隨著研究的深入和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，有關(guān)這方面的研究內(nèi)容及成果才逐漸批露于各種學(xué)術(shù)會議和公開文獻中，使得各個領(lǐng)域的研究人員日益認識到多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的重要性，并很快推廣應(yīng)用到智能檢測、自動控制、空中交通管理和醫(yī)療診斷等許多領(lǐng)域。對多傳感器數(shù)據(jù)融合這樣的新概念，很難給出一個同一的全面的定義。

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)

從早期的軍事應(yīng)用領(lǐng)域出發(fā)，美國國防部把它定義為這樣一個過程，即把來自多傳感器、信息源的數(shù)據(jù)和信息加以聯(lián)合、相關(guān)和組合，以獲得被測對象精確的位置估計和身份估計，以便對戰(zhàn)場的態(tài)勢和威脅以及其重要的程度進行完整的評價。這一定義強調(diào)信息融合的三個核心方面：第一，多傳感器數(shù)據(jù)融合是在幾個層次上完成對多源信息處理的過程，其中每一個層次都表示不同級別的信息抽象；第二，多傳感器數(shù)據(jù)融合包括探測、互連、相關(guān)、估計以及信息組合；第三，多傳感器數(shù)據(jù)融合的結(jié)果包括較低層次上的狀態(tài)和身份估計，以及較高層次上的整個戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢的估計。

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)8.4多傳感器數(shù)據(jù)融合

隨著多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，多傳感器數(shù)據(jù)融合比較確切的定義可概括為：利用計算機技術(shù)對按時間序列和空間序列獲得若干傳感器觀測信息，在一定準則下自動分析、綜合以完成所需決策和估計任務(wù)而進行的信息處理過程。因此，多傳感器系統(tǒng)是多傳感器數(shù)據(jù)融合的硬件基礎(chǔ)，多源信息是多傳感器數(shù)據(jù)融合的加工對象，協(xié)調(diào)優(yōu)化和綜合處理是多傳感器數(shù)據(jù)融合的核心。綜上所述，“多傳感器數(shù)據(jù)融合”是將來自多傳感器或多源的信息和數(shù)據(jù)模仿人類專家的綜合信息處理能力進行智能化處理，從而獲得更為廣泛全面、準確可信的結(jié)論。

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)8.4多傳感器數(shù)據(jù)融合本章小結(jié)

本章所介紹的四種檢測技術(shù)個有其特點：

⑴虛擬儀器是通過軟件工具把計算機和功能硬件模塊結(jié)合起來，形成一個多功能的軟件就可以形成不同功能的測試儀器和自動化測試系統(tǒng)，即實現(xiàn)了“軟件即儀器”的概念。

第8章檢測領(lǐng)域新技術(shù)本章小結(jié)

⑵軟測量技術(shù)是順應(yīng)科研和生產(chǎn)中大量的現(xiàn)實需求而產(chǎn)生的，它是選擇與被測量