熱工測(cè)量技術(shù)A

第8部分

檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)

第8章

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

《熱工測(cè)量技術(shù)A》

8檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)

8.1虛擬儀器

8.2軟測(cè)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(cè)領(lǐng)域新技術(shù)第8部分檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)本章提要

隨著控制理論及電子和計(jì)算機(jī)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(cè)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(jiǎn)要介紹四種新技術(shù)，即虛擬儀器、軟測(cè)量技術(shù)、模糊傳感器和多傳感器數(shù)據(jù)融合。對(duì)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(wèn)題及發(fā)展方向幾個(gè)層面加以說(shuō)明，使讀者對(duì)其有一個(gè)入門(mén)的了解。

第8章檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)

8.1虛擬儀器

由于電子、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及其在測(cè)量?jī)x器上的應(yīng)用，產(chǎn)生了新的測(cè)試?yán)碚摵头椒?，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(cè)領(lǐng)域新技術(shù)

8檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)8.1虛擬儀器

它是指通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)與功能硬件（完成信號(hào)獲取、轉(zhuǎn)換和調(diào)理的專用硬件）結(jié)合起來(lái)，從而把計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算存儲(chǔ)和通信能力與功能硬件的測(cè)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(cè)試技術(shù)平臺(tái)。在電子測(cè)量中它可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的示波器、邏輯分析儀、信號(hào)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(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)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(bào)警器

第8章檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)等。在使用虛擬器時(shí)，用戶可通過(guò)顯示屏上的友好界面來(lái)操作計(jì)算機(jī)，就像在操作自己定義的一臺(tái)臺(tái)傳統(tǒng)的儀器儀表一樣，從而完成對(duì)被測(cè)量的采集、分析、判斷、調(diào)節(jié)和存儲(chǔ)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(kuò)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(cè)試報(bào)告。而虛擬儀器則相反，它的功能完全可

第8章檢測(cè)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(cè)試系統(tǒng)。此外它還可以實(shí)現(xiàn)多媒體操作符指令；時(shí)間標(biāo)記和測(cè)量注釋；測(cè)量關(guān)聯(lián)和趨勢(shì)分析等多種功能，最重要的是它可以實(shí)現(xiàn)可編程全自動(dòng)測(cè)試和結(jié)果自動(dòng)分析等功能。在性能價(jià)格比方面它也具有優(yōu)勢(shì)。虛擬儀器可以廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量、物礦勘探、生物醫(yī)學(xué)、振動(dòng)分析和故障診斷等科研和工程領(lǐng)域，目前在過(guò)程工業(yè)中大量使用的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等也可以認(rèn)為是虛擬儀器。

第8章檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)8.1虛擬儀器

1986年NI推出的LabVIEW

編程語(yǔ)言就是這樣一個(gè)工具，它致力于簡(jiǎn)化工程師在構(gòu)建自動(dòng)化系統(tǒng)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，大大降低了開(kāi)發(fā)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的難度，提高了工程師的效率。與此同時(shí)，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(cè)領(lǐng)域新技術(shù)8.1虛擬儀器

通過(guò)LabVIEW

和DAQ設(shè)備，工程師就可以在一臺(tái)普通PC上搭建測(cè)控系統(tǒng)，在前面板中設(shè)計(jì)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(gè)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(cè)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(gè)概念名詞，而成為了一種實(shí)際可行的方案，不但能為用戶帶來(lái)廣泛的靈活性和可擴(kuò)展性，而且還可以實(shí)現(xiàn)成本上的節(jié)約。

第8章檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)8.1虛擬儀器

8.2軟測(cè)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?cái)U(kuò)大及生產(chǎn)流程的日益復(fù)雜，這些都給自動(dòng)化技術(shù)提出了新的要求。為確保生產(chǎn)過(guò)程能夠安全、環(huán)保地運(yùn)行，就需要對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標(biāo)和產(chǎn)品及排放物的質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和優(yōu)化控制。

第8章檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)

8檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)8.2軟測(cè)量技術(shù)

但上述的指標(biāo)參數(shù)有很大一部分由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的原因，很難通過(guò)傳感器或儀表進(jìn)行直接的測(cè)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(lèi)和濃度，等等。

第8章檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)8.2軟測(cè)量技術(shù)為了解決此類(lèi)測(cè)量問(wèn)題，以前往往采用兩種方法，其一是采用間接測(cè)量法，即用溫度、壓力、流量等常規(guī)的狀態(tài)參數(shù)測(cè)量值來(lái)反映成分或質(zhì)量參數(shù)的大小，但這種方法往往與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)，無(wú)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(hù)成本高，并信號(hào)滯后大。即使采用分析儀表，還是有很多指標(biāo)參數(shù)無(wú)法進(jìn)行在線分析。因此人們迫切需要找到一種新的技術(shù)來(lái)滿足生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控和優(yōu)化控制的要求。

第8章檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)

目前軟測(cè)量技術(shù)（SoftSensingTechniques)被認(rèn)為是最具有吸引力和卓有成效的新方法。軟測(cè)量就是選擇與被選擇變量（無(wú)法直接測(cè)量）相關(guān)的一組可測(cè)變量，構(gòu)造某種以可測(cè)變量為輸入，被測(cè)變量為輸出的數(shù)學(xué)模型，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模型的數(shù)值運(yùn)算，從而得到被測(cè)變量的估計(jì)值的過(guò)程。被測(cè)變量稱為主導(dǎo)變量（PrimaryVariable)可測(cè)變量稱為二次變量或輔助變量（SecondaryVariable)，而這類(lèi)數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件也被稱為軟測(cè)量估計(jì)器或軟測(cè)量?jī)x表。

第8章檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)8.2軟測(cè)量技術(shù)軟測(cè)量的估計(jì)值可作為控制系統(tǒng)的被控制變量或反映過(guò)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(cè)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(cè)量數(shù)學(xué)模型的方法，這是軟測(cè)量技術(shù)的核心。第二是模型實(shí)時(shí)運(yùn)算的工程化實(shí)施技術(shù)，這是軟測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵。第三是模型自校正（模型維護(hù)）技術(shù)，這是提高軟測(cè)量精度的有效方法。

第8章檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)8.2軟測(cè)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(jí)控制方式，是智能控制的一個(gè)分支。模糊控制技術(shù)的基礎(chǔ)是模型邏輯理論，1965年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的自動(dòng)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(cè)領(lǐng)域新技術(shù)

8檢測(cè)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(píng)價(jià)一個(gè)人時(shí)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(dá)到在一定程度上對(duì)事物的認(rèn)識(shí)了。在自動(dòng)化工程中往往有許多被測(cè)量是無(wú)法用精度的數(shù)值來(lái)度量的，所以完全可以采用模糊理論技術(shù)，用人對(duì)事物認(rèn)識(shí)的模式達(dá)到對(duì)事物的了解。但需要強(qiáng)調(diào)的是模糊控制并不是控制過(guò)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(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)和過(guò)程建立

第8章檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)一種語(yǔ)言分析的模型，使人們?cè)谌粘Ｉ钪械淖匀徽Z(yǔ)言能直接轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所能接收的算法語(yǔ)言。模糊控制所進(jìn)行的完是確定性的工作，它能模仿人的思維方法，對(duì)于非線形復(fù)雜系統(tǒng)，特別是無(wú)法精確解析建模和信息不足的生產(chǎn)過(guò)程，通過(guò)擬人的思維推理和綜合決策，就可以有效地獲取對(duì)象的本質(zhì)信息。可以利用”IF…THEN…”這樣的模糊語(yǔ)言條件句來(lái)表達(dá)無(wú)法用精確數(shù)值表達(dá)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

第8章檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)8.3模糊傳感器

模糊理論是建立在人類(lèi)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(yàn)，對(duì)復(fù)雜事物和系統(tǒng)進(jìn)行模糊度量、模糊識(shí)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(diǎn)：

⑴模糊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于人的豐富知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，使用自然語(yǔ)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(wú)法精確解析建模的非線形復(fù)雜系統(tǒng)。

第8章檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)8.3模糊傳感器

⑵模糊系統(tǒng)專門(mén)設(shè)計(jì)了人機(jī)接口，可使有經(jīng)驗(yàn)的操作者通過(guò)人機(jī)界面把人的經(jīng)驗(yàn)加入到測(cè)控系統(tǒng)中去。

⑶模糊系統(tǒng)可吸收專家知識(shí)和操作者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)構(gòu)成模糊規(guī)則并進(jìn)行合成推理操作，通過(guò)自學(xué)習(xí)使規(guī)則不斷更新，因此它具有知識(shí)性和自學(xué)習(xí)性。

⑷當(dāng)采用不同的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)同一個(gè)對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以調(diào)整不同的隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則庫(kù)，使它們都能達(dá)到良好的控制效果。

第8章檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)8.3模糊傳感器

⑸使用模糊理論設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在對(duì)非線形復(fù)雜系統(tǒng)或信息不足過(guò)程進(jìn)行控制運(yùn)算時(shí)，所用時(shí)間大大減少，提高了系統(tǒng)的時(shí)效。

30多年來(lái)模糊數(shù)學(xué)及其應(yīng)用的發(fā)展十分迅速，開(kāi)拓了模糊控制、模糊線形規(guī)劃和模糊聚類(lèi)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(yùn)而生。如模糊傳感器、模糊控制器等，它們正在成為測(cè)控領(lǐng)域中的一支生力軍。

第8章檢測(cè)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(jì)70年代初期，并于20世紀(jì)80年代發(fā)展成為一門(mén)專門(mén)技術(shù)。它是人類(lèi)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(mén)自動(dòng)化信息綜合處理的專門(mén)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(zhǎng)時(shí)期其技術(shù)一直處于封閉狀態(tài)。

第8章檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)

8檢測(cè)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(kuò)大，有關(guān)這方面的研究?jī)?nèi)容及成果才逐漸批露于各種學(xué)術(shù)會(huì)議和公開(kāi)文獻(xiàn)中，使得各個(gè)領(lǐng)域的研究人員日益認(rèn)識(shí)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(cè)、自動(dòng)控制、空中交通管理和醫(yī)療診斷等許多領(lǐng)域。對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)融合這樣的新概念，很難給出一個(gè)同一的全面的定義。

第8章檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)

從早期的軍事應(yīng)用領(lǐng)域出發(fā)，美國(guó)國(guó)防部把它定義為這樣一個(gè)過(guò)程，即把來(lái)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(cè)對(duì)象精確的位置估計(jì)和身份估計(jì)，以便對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的態(tài)勢(shì)和威脅以及其重要的程度進(jìn)行完整的評(píng)價(jià)。這一定義強(qiáng)調(diào)信息融合的三個(gè)核心方面：第一，多傳感器數(shù)據(jù)融合是在幾個(gè)層次上完成對(duì)多源信息處理的過(guò)程，其中每一個(gè)層次都表示不同級(jí)別的信息抽象；第二，多傳感器數(shù)據(jù)融合包括探測(cè)、互連、相關(guān)、估計(jì)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(jì)，以及較高層次上的整個(gè)戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)的估計(jì)。

第8章檢測(cè)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(kuò)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(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)按時(shí)間序列和空間序列獲得若干傳感器觀測(cè)信息，在一定準(zhǔn)則下自動(dòng)分析、綜合以完成所需決策和估計(jì)任務(wù)而進(jìn)行的信息處理過(guò)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(duì)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(lái)自多傳感器或多源的信息和數(shù)據(jù)模仿人類(lèi)專家的綜合信息處理能力進(jìn)行智能化處理，從而獲得更為廣泛全面、準(zhǔn)確可信的結(jié)論。

第8章檢測(cè)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(cè)技術(shù)個(gè)有其特點(diǎn)：

⑴虛擬儀器是通過(guò)軟件工具把計(jì)算機(jī)和功能硬件模塊結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)多功能的軟件就可以形成不同功能的測(cè)試儀器和自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，即實(shí)現(xiàn)了“軟件即儀器”的概念。

第8章檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)本章小結(jié)

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