第7章 傳感系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

第7章傳感系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)7.1智能傳感系統(tǒng)7.2傳感器系統(tǒng)接口技術(shù)7.3計算機控制系統(tǒng)7.4計算智能

7.1智能傳感系統(tǒng)

7.1.1智能傳感器基本結(jié)構(gòu)

智能傳感器主要由傳感器、微處理器及連接電路組成,其基本結(jié)構(gòu)如圖7-1所示。圖7-1智能傳感器的基本結(jié)構(gòu)

7.1.2智能傳感器功能

本節(jié)將以智能電子秤中的壓力傳感器為例,初步認(rèn)識智能傳感器的主要功能,其原理框圖如圖7-2所示。圖7-2智能電子秤中的壓力傳感器原理框圖

(1)自補償與計算。

智能傳感器可以利用微處理器,對測量的信號進(jìn)行計算,采用多次擬合、差值計算或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對非線性、漂移和響應(yīng)時間等情況進(jìn)行補償,從而獲得更為精確的測量結(jié)果。

(2)自檢測與自診斷。

傳統(tǒng)的傳感器都要進(jìn)行定期的檢驗和標(biāo)定,以保證其可以正常使用,以及獲得較好的檢測準(zhǔn)確性,但是檢測過程往往是破壞性的、低效的,需要拆除現(xiàn)場的傳感器設(shè)備或者送到專門的檢驗部門處理。

(3)數(shù)據(jù)處理與存儲。

智能傳感器的微處理器可以對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行異常數(shù)據(jù)剔除或者數(shù)字濾波等數(shù)據(jù)預(yù)處理操作,減小噪聲或其他因素對后續(xù)操作的干擾,提高信號的精準(zhǔn)度,而且可以對數(shù)據(jù)執(zhí)行統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)融合、邏輯分析以及推理判斷等更高級的分析過程。傳感器的數(shù)據(jù)儲存能力使其可以隨時記錄工作中的各項參數(shù)、工況、故障、維護等情況,為傳感器的使用和技

術(shù)創(chuàng)新提供強有力的數(shù)據(jù)支撐。

(4)數(shù)據(jù)傳輸與雙向通信。

與傳統(tǒng)傳感器最大的區(qū)別在于,智能傳感器可以利用通信網(wǎng)絡(luò)使信息以數(shù)字的形式進(jìn)行雙向通信。微處理器不僅能夠接收和處理傳感器的測量數(shù)據(jù),而且能夠?qū)⒖刂菩畔l(fā)送

至傳感器終端,在測量過程中就能對傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。智能傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出接口可與計算機或接口總線直接連接,實現(xiàn)與計算機或網(wǎng)絡(luò)適配器的遠(yuǎn)程通信與管理功能。

(5)復(fù)合。

信號在測量的過程中總是會受到很多外界因素的干擾,常見的干擾信號包括聲、光、熱、電、化學(xué)信號等,智能傳感器的復(fù)合功能可以實現(xiàn)對多種物理量和化學(xué)量的同時測量,

綜合給出全面的信號信息,最大程度地降低干擾信號的影響。

智能傳感器以微處理器為內(nèi)核,擴展多種外圍部件形成了一套完整的計算機檢測系統(tǒng),與傳統(tǒng)傳感器相比,具有以下較為顯著的特點。

(1)高精度。

(2)高可靠性和高穩(wěn)定性。

(3)多功能和高性價比。

7.2傳感器系統(tǒng)接口技術(shù)

7.2.1傳感器系統(tǒng)信號處理技術(shù)傳感器獲取的信號中常常夾雜著各種噪聲及干擾信號,為了準(zhǔn)確地獲取被檢測對象的信息,首先必須對傳感器檢測到的信號進(jìn)行處理,方便傳感器系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用。傳感器系統(tǒng)信號處理的方法一般包括補償、濾波和噪聲抑制等,目的是提高傳感器的信噪比,改善其分辨率。

1)補償

(1)零點漂移補償

根據(jù)實際情況的不同,可以選擇如下幾種解決方式。

①選用高質(zhì)量的硅管。

②溫度補償法。

③調(diào)制法。

(2)非線性誤差修正。

傳感器的特性一般可以利用一個非線性的多變量函數(shù)式來表達(dá),如公式(7-1)所示,Z為傳感器的輸出,x為被測物理量,y1,y2,…是溫度、濕度等各種環(huán)境參數(shù)信息。

利用計算機軟件法修正非線性誤差的原理如圖7-3所示,傳感器感知物理量信息x后輸出y信號,再經(jīng)過接口電路的處理后可轉(zhuǎn)變?yōu)楣┯嬎銠C接收和使用的Y信號(接口電路的類型取決于Y的性質(zhì)),最后經(jīng)過計算機的修正輸出系統(tǒng)最終的響應(yīng)信號YC。圖7-3修正非線性誤差的原理框圖

2)濾波

在傳感器的輸出信號中通常含有很多的動態(tài)噪聲,如果信號的頻譜和噪聲的頻譜不重合,就可以使用濾波器來消除這部分噪聲。濾波方法的分類形式多種多樣,按照選擇物理

量的不同,可以分為頻率選擇、幅度選擇、時間選擇和信息選擇四種;按通頻帶范圍,可以分為低通、高通、帶通、帶阻、全通五種;而按濾波方法又可以分為模擬濾波器和數(shù)字濾波

器兩種,兩者相比,前者的實時性較強,而后者的穩(wěn)定性和重復(fù)性較好,并且后者能夠在模擬濾波器不能實現(xiàn)的頻帶下進(jìn)行濾波處理。圖7-4以樹形結(jié)構(gòu)形式展示了基于濾波方法的濾波器的詳細(xì)分類。圖7-4基于濾波方法的濾波器分類

3)噪聲抑制

針對由于信號和噪聲的頻帶重疊或者噪聲的幅值比信號大而產(chǎn)生的信噪比過大的問題,僅依靠濾波器是無法徹底解決的。還需要通過研究信號和噪聲各自的動態(tài)特性,高效地剔除信號中的噪聲干擾。

(1)差動法。

差動法是以差動的形式將動態(tài)特性和靜態(tài)特性相同的兩個敏感元件連接起來,計算并輸出信號的方法。這種方法得到的輸出信號雖然除去了含有相同相位輸入的噪聲信息,但

是仍然無法解決敏感元件內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲干擾。

(2)平均響應(yīng)法。

平均響應(yīng)法是利用信號的自相關(guān)性質(zhì)來檢出周期已知的信號內(nèi)容,將噪聲與信號混疊的波形根據(jù)信號的周期進(jìn)行分段,同步輸出、取樣并利用同相位相加N次求平均。

(3)調(diào)制和同步檢波法。

圖7-5(b)解釋了利用遮光板或扇形小孔把微弱光量變換為斷續(xù)光信號并進(jìn)行同步檢波的原理,其中鎖定放大器是基于同步檢波法的一種放大器。圖7-5(b)中的鎖定放大器可以視為一個在ω近旁的窄頻帶濾波器,假設(shè)其等價頻寬為B,低通濾波器的時間常數(shù)為T,那么二者可以滿足式(7-3)的關(guān)系。圖7-5同步檢波器信號處理系統(tǒng)

7.2.2傳感器系統(tǒng)微機接口技術(shù)

根據(jù)傳感器的種類和功能的不同,其輸出量一般有模擬量、數(shù)字量和開關(guān)量三種不同的形式,相應(yīng)地,存在著三種基本的接口方式,微機處理單元對信號的接口有一定的要求,

接入的方法也會略有差異,傳感器與微機的接口方式與接入方式說明如表7-1所示。

1)數(shù)據(jù)采集

經(jīng)過預(yù)處理的傳感器輸出信號變?yōu)槟M電壓信號后,需要繼續(xù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后才可以實現(xiàn)數(shù)字的顯示或利用計算機完成后續(xù)的處理過程。典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從功能模塊進(jìn)行

劃分,可以將組成部件分為傳感器、放大器(IA)、模擬多路開關(guān)(MUX)、采樣保持器(SHA)、A/D轉(zhuǎn)換器、計算機或數(shù)字邏輯電路。根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在電路中部署位置的不同,參考如圖7-6的內(nèi)容,系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式可以分為同時采集、高速采集、分時采集和差動結(jié)構(gòu)四種。圖7-6四種數(shù)據(jù)采集方式

2)采樣

以相等的時間間隔Ts對某個連續(xù)時間信號a(t)進(jìn)行取樣,得到對應(yīng)的離散時間信號的過程稱為采樣,如圖7-7所示。圖7-7-連續(xù)時間信號的采樣

3)A/D轉(zhuǎn)換器

衡量A/D轉(zhuǎn)換器性能的技術(shù)指標(biāo)很多,比較重要的技術(shù)指標(biāo)包括分辨率、精度、量程、線性度誤差、轉(zhuǎn)換時間等,只有充分地理解這些指標(biāo)所代表的物理含義及其對傳感系

統(tǒng)的影響,才能夠設(shè)計出符合要求且高效的系統(tǒng)。

7.2.3傳感器系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

1.干擾源及主要形式

從使用和分析需求上講,沒有價值的信號可以被視為一種干擾,環(huán)境中充斥著各種各樣的干擾信號,下面將列舉一些較為常見且對系統(tǒng)性能影響相對較大的干擾源。

1)外部干擾

從外部侵入檢測裝置的干擾稱為外部干擾,一般分為自然干擾和人為干擾(或工業(yè)干擾)兩種。自然干擾主要來源于自然界,例如雷電、宇宙輻射等,對廣播、通信、導(dǎo)航等電子

設(shè)備的影響通常較大;人為干擾是指由各種電氣、電子設(shè)備所產(chǎn)生的電磁干擾及機械干擾、熱干擾、化學(xué)干擾等。

(1)電磁干擾。

電磁干擾類型相對復(fù)雜一些,通常包括放電噪聲干擾和電氣設(shè)備干擾兩種。放電噪聲是指由各種放電現(xiàn)象產(chǎn)生的噪聲,對電子設(shè)備的影響最大。放電現(xiàn)象包括持續(xù)放電和過度

放電兩種,前者又包括電暈放電、輝光放電和弧光放電,后者主要是指火花放電。電暈放電主要來自高壓輸電線,在放電過程中產(chǎn)生的脈沖電流和高頻振蕩是潛在的干擾源。引起輝

光放電和弧光放電的放電管(如熒光燈、電弧燈等)具有負(fù)阻抗特性,在與外接電路連接時,非常容易引起電路的振蕩,振蕩甚至可達(dá)高頻波段。

(2)機械干擾。

機械干擾是由于機械振動或沖擊使電子檢測裝置的電氣參數(shù)發(fā)生改變,從而影響檢測系統(tǒng)性能的一類干擾,一般可以采取各種減振措施來降低機械干擾的影響程度,比如應(yīng)用專用減振彈簧、橡膠墊腳或吸振海綿墊來隔離振動與沖擊對傳感器的影響。

(3)熱干擾。

熱干擾是指由溫度的波動以及不均勻溫度場引起檢測電路元器件參數(shù)發(fā)生改變,或產(chǎn)生附加熱電動勢等情況的干擾,這種干擾會對傳感器系統(tǒng)的正常工作帶來負(fù)面的影響。通

常的解決辦法包括選用低溫漂、低功耗、低發(fā)熱組件,或者采取溫度補償?shù)葻岣蓴_防護措施。

(4)化學(xué)干擾。

化學(xué)干擾是由于潮濕的環(huán)境或化學(xué)腐蝕導(dǎo)致的各種零部件絕緣強度的降低,嚴(yán)重時候可能造成漏電、短路等問題的干擾。

2)內(nèi)部干擾

(1)固有噪聲源。

固有噪聲源包括熱噪聲、散粒噪聲和低頻噪聲。由電阻內(nèi)部載流子的隨機熱運動產(chǎn)生的幾乎覆蓋整個頻譜的噪聲電壓形成熱噪聲,其有效值電壓值可以表示為公式(7-4)的形

式。其中,K為玻耳茲曼常數(shù),T為熱力學(xué)溫度,R為電阻值,Δf為與系統(tǒng)帶寬相關(guān)的噪聲帶寬,從公式關(guān)系不難發(fā)現(xiàn),減小輸入電阻和通頻帶寬將會對噪聲的降低帶來有利的作用。

(2)信噪比(S/N)。

噪聲不能被完全清除,也不能用一個明確的時間函數(shù)來描述,所以在實際應(yīng)用中,只要不影響檢測的最終結(jié)果,是允許噪聲與信號共存的。信噪比可以表示噪聲對有用信號的影響程度。噪聲系數(shù)用來表示器件或電路對噪聲的品質(zhì)因數(shù),數(shù)值上等于輸入信噪比與輸出信噪比的比值。

2.干擾抑制技術(shù)

有了對干擾源及其形式的理解,可以從消除或抑制干擾源、破壞干擾途徑以及削弱接收電路對干擾的敏感性這三個方向抑制干擾的影響,最典型的抗干擾技術(shù)有屏蔽、接地、浮置、隔離、濾波等。

1)屏蔽技術(shù)

屏蔽技術(shù)包括靜電屏蔽和電磁屏蔽兩種。前者也稱為電場屏蔽,可以抑制電場耦合的干擾,為了達(dá)到較好的靜電屏蔽效果,通?？梢赃x用銅、鋁等低電阻金屬材料作為屏蔽盒,結(jié)合良好的接地措施,盡可能縮短被屏蔽電路伸出屏蔽盒之外的導(dǎo)線長度。后者一般采用良導(dǎo)體材料(如銅、鋁或鍍銀銅板等),利用高頻電磁場在屏蔽導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的渦流效應(yīng),達(dá)到磁屏蔽的效果。

2)接地技術(shù)

接地技術(shù)是一種將電網(wǎng)零線和設(shè)備外殼接入大地來保障安全的技術(shù),起源于強電技術(shù)。對于以電能作為信號,進(jìn)行電信號的通信、測量、計算控制等的電子技術(shù)來說,可以把

電信號的基準(zhǔn)電位點稱為“地”,接地線可能與大地是隔絕的關(guān)系,所以也可以稱為信號地線。在采用接地技術(shù)時,需要遵循“一點接地”的原則,包括機內(nèi)一點接地和系統(tǒng)一點接地兩種。

對于一個包括傳感器(信號源)和測量裝置的檢測系統(tǒng),一點接地的方式也很重要,如圖7-8所示,圖7-8(a)中采用的是兩點接地方式,通過分析可以發(fā)現(xiàn),因為地電位差產(chǎn)生的共模

電壓的電流I要流經(jīng)信號零線,從而轉(zhuǎn)換為差模干擾,這樣就會對檢測系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響;而圖7-8(b)中采用信號源處一點接地的形式,容性漏電流干擾信號會流經(jīng)屏蔽層,就可將干擾影響降到最低。圖7-8系統(tǒng)的兩點接地和一點接地對比電路圖

3)浮置技術(shù)

如果測量裝置電路的公共線不與機殼或大地連接,即與大地之間沒有任何導(dǎo)電性的直接聯(lián)系(僅存在寄生電容),這種情況就會出現(xiàn)浮置現(xiàn)象。檢測系統(tǒng)使用的屏蔽浮置設(shè)施為

前置放大器,它有內(nèi)、外兩層屏蔽,內(nèi)層屏蔽(保護屏蔽)與外層屏蔽(機殼)絕緣,只通過變壓器與外界聯(lián)系。電源變壓器屏蔽效果的好壞對檢測系統(tǒng)的抗干擾能力有很大的影響,所以在檢測裝置中,通常會采用帶有三層靜電屏蔽的電源變壓器進(jìn)行供電,各層接法如下:一層側(cè)屏蔽層及電源變壓器外殼與測量裝置的外殼連接并接入大地,中間屏蔽層與“保護屏蔽”層連接,三層側(cè)屏蔽層與測量裝置的零電位連接。

4)隔離技術(shù)

隔離是破壞干擾途徑、切斷耦合通道,從而達(dá)到抑制干擾的一種技術(shù)措施,采用的方式有變壓器隔離、光電耦合器隔離等。變壓器隔離主要在傳輸交變信號的傳輸通道中使用,

光電耦合器隔離則被廣泛地應(yīng)用于數(shù)字接口電路。目前,在自動檢測系統(tǒng)中傾向于采用光電耦合器來提高系統(tǒng)的抗共模干擾能力。

5)濾波技術(shù)

濾波技術(shù)是采用相應(yīng)形式的濾波器將各種干擾信號濾除,使信號傳輸過程中的干擾信號不進(jìn)入檢測系統(tǒng)的技術(shù),它是抑制差模干擾的最有效措施之一。濾波技術(shù)對經(jīng)導(dǎo)線耦合到電路的干擾的抑制作用最為理想,可以將相應(yīng)頻帶的濾波器接入信號傳輸通道,濾除或盡可能衰減各種干擾信號,達(dá)到提高信噪比,抑制干擾的目的。

在自動檢測系統(tǒng)中經(jīng)常采用的濾波器有:RC濾波器(也稱電阻電容電路)、交流電源濾波器和直流電源濾波器。當(dāng)信號源為熱電偶、應(yīng)變片等信號變化相對緩慢的傳感器時,RC濾波器可以充分發(fā)揮其小體積、低成本的優(yōu)勢,對串模干擾實現(xiàn)較好的抑制效果。

7.3計算機控制系統(tǒng)

計算機控制系統(tǒng)(ComputerControlSystem,簡稱CCS)是指應(yīng)用計算機借助一些輔助部件與被控對象相參與控制,并聯(lián)系,以獲得一定控制目的而構(gòu)成的系統(tǒng)。這里的計算機通常指各種規(guī)模的數(shù)字計算機,如從微型到大型的通用計算機或?qū)Ｓ糜嬎銠C。輔助部件主要指輸入輸出接口、檢測裝置和執(zhí)行裝置等。輔助部件與被控對象和部件間的聯(lián)系,可以選擇有線方式,如通過電纜的模擬信號或數(shù)字信號進(jìn)行聯(lián)系;也可以選擇無線方式,如使用紅外線、微波、無線電波、光波等進(jìn)行聯(lián)系。

7.3.1計算機控制系統(tǒng)組成

計算機控制系統(tǒng)由控制部分和被控對象組成,其控制部分包括硬件部分和軟件部分,由模擬控制器構(gòu)成的系統(tǒng)通常只包括硬件部分。計算機控制系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用

軟件,系統(tǒng)軟件是指操作系統(tǒng)、語言處理程序和服務(wù)性程序等,它們通常是由計算機制造廠商為用戶配置的,具有一定的通用性;應(yīng)用軟件是為了實現(xiàn)特定控制目的而編制的專用程序,如數(shù)據(jù)采集程序、控制決策程序、輸出處理程序和報警處理程序等,它們涉及被控對象的自身特征和控制策略,是由實施控制系統(tǒng)的專業(yè)人員自行編制的。

簡單來說,計算機控制系統(tǒng)就是利用計算機來實現(xiàn)對工業(yè)過程的自動控制。由于計算機只能接收或反饋數(shù)字信號量,而從現(xiàn)場采集到的信號或送入執(zhí)行機構(gòu)的信號大多是模擬

信號形式,所以計算機控制系統(tǒng)會加入包括模數(shù)(A/D)、數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器和其他必要的外部設(shè)備。計算機控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖7-9所示,分模塊來看計算機控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)可以概括為以下幾個部分。圖7-9計算機控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)框圖

①被控對象:即系統(tǒng)需要進(jìn)行控制的機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程。被控對象中要求實現(xiàn)自動控制的物理量稱為被控量;

②控制器:也稱校正裝置,用于改善閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)定精度;

③檢測裝置:監(jiān)測系統(tǒng)的輸出量;

④比較裝置:將系統(tǒng)的輸入量與輸出量進(jìn)行比較,得到偏差信號;

⑤放大器:放大微弱的偏差信號;

⑥執(zhí)行機構(gòu):根據(jù)放大后的偏差信號,對被控對象進(jìn)行控制,使輸出量與給定量一致;

⑦A/D轉(zhuǎn)換器:將連續(xù)模擬信號轉(zhuǎn)換為斷續(xù)數(shù)字信號,送入計算機;

⑧D/A轉(zhuǎn)換器:將計算機產(chǎn)生的數(shù)字指令信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)模擬信號并傳送給執(zhí)行機構(gòu)。

從本質(zhì)上來講,計算機控制系統(tǒng)的控制過程可以分為實時數(shù)據(jù)采集、實時決策和實時控制三個步驟。實時數(shù)據(jù)采集是對被控量及指令信號的瞬時值進(jìn)行檢測,并將數(shù)據(jù)傳輸給

計算機的過程;實時決策過程會根據(jù)給定的算法,對采集到的被控參數(shù)狀態(tài)量進(jìn)行分析,按照已經(jīng)確定的控制規(guī)律決定控制過程,生成控制指令;而實時控制過程可以根據(jù)決策結(jié)果,適時地向被控對象發(fā)出控制信號。

7.3.2計算機控制系統(tǒng)分類

計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展不僅提高了國家和企業(yè)的經(jīng)濟效益,而且促進(jìn)了企業(yè)和技術(shù)的發(fā)展升級。目前,國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)過程中,計算機控制系統(tǒng)的模型主要包括直接控制系統(tǒng)

(DDC)、監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)、集散控制系統(tǒng)(DCS)、遞階控制系統(tǒng)(HCS)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)五個類別。

1)直接控制系統(tǒng)

為了強調(diào)計算機對生產(chǎn)過程進(jìn)行直接控制這一特性,一般參考如圖7-10所示的形式組建直接控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)。圖7-10直接控制系統(tǒng)流程框圖

2)監(jiān)督控制系統(tǒng)

監(jiān)督控制系統(tǒng)流程框圖如圖7-11所示。圖7-11監(jiān)督控制系統(tǒng)流程框圖

3)集散控制系統(tǒng)

集散控制系統(tǒng)又稱為分散控制系統(tǒng)或分布式控制系統(tǒng),它將DDC、SCC及整個工廠的生產(chǎn)管理融為一體,目前使用較多的集散控制系統(tǒng)有環(huán)形、總線形和分布式幾種。圖7-12

是分布式集散控制系統(tǒng)的流程框圖,整個處理過程可以概括為分散過程控制級、監(jiān)督級和生產(chǎn)管理級3個層級。圖7-12分布式集散控制系統(tǒng)流程框圖

4)遞階控制系統(tǒng)

遞階控制系統(tǒng)一般會分成3個層次,如圖7-13所示,第一層是直接控制級,負(fù)責(zé)對現(xiàn)場設(shè)備的控制;第二層是監(jiān)督控制級,負(fù)責(zé)指揮直接控制級工作并向上一級傳送信息;第三層是管理信息級,負(fù)責(zé)總體的協(xié)調(diào)管理,并調(diào)度、指揮監(jiān)督控制級工作。各級分工明確,相互聯(lián)系和制約,使整個系統(tǒng)實現(xiàn)可靠平穩(wěn)的運行。圖7-13遞階控制系統(tǒng)流程框圖

5)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一個被控過程,是由傳感器、數(shù)據(jù)融合機制及施動器三個部件組成的實時連續(xù)反饋系統(tǒng)。其中,多個傳感器為數(shù)據(jù)融合機制提供有關(guān)被控過程當(dāng)前狀態(tài)的

信息;數(shù)據(jù)融合機制部件是一個數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),它利用傳感器提供的信息,計算所需的操作,以減少系統(tǒng)設(shè)定的理想狀態(tài)和當(dāng)前狀態(tài)之間的差異;施動器實現(xiàn)經(jīng)數(shù)據(jù)融合機制計算出的行為操作?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)控制層結(jié)構(gòu)如圖7-14所示。圖7-13遞階控制系統(tǒng)流程框圖

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)經(jīng)過不斷的優(yōu)化,一對雙絞線上可掛接多個控制設(shè)備,節(jié)省安裝和維護開銷,提高了系統(tǒng)的可靠性,使自控設(shè)備與系統(tǒng)步入信息網(wǎng)絡(luò)的行列,同時也為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動權(quán),為應(yīng)用開拓了更為廣闊的領(lǐng)域。

7.3.3計算機控制系統(tǒng)發(fā)展

1.計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程

1)起步期

2)試驗期

3)推廣期

4)成熟期

2.計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

信息技術(shù)的發(fā)展對計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展有著重要的影響,若想要使計算機控制系統(tǒng)獲得進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用,就需要對被控對象或生產(chǎn)過程有更為深刻的了解,對過程檢測技術(shù)、先進(jìn)控制理論與技術(shù)、計算機技術(shù)等領(lǐng)域進(jìn)行更加深入的研究。計算機控制系統(tǒng)未來將會向著如下5個方向發(fā)展。

1)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化

計算機網(wǎng)絡(luò)將原來分散在不同地點的現(xiàn)場設(shè)備連接在一起,在系統(tǒng)中進(jìn)行工業(yè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送與集中管理,可以保證系統(tǒng)間的連接與交流,打破了原有的信息孤島,各種層次、各種規(guī)模的計算機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

2)控制系統(tǒng)的扁平化

現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使控制系統(tǒng)的底層通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了互聯(lián)互通,現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的連接能力和信息管理能力的提高使現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)中能夠接入更多的設(shè)備。

3)控制系統(tǒng)的智能化

智能控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于智能會議與多媒體教學(xué)、智能家居、智能控制中心、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程會議等,進(jìn)一步提高了流媒體錄播系統(tǒng)的應(yīng)用效率,改變了

人們的工作和生活方式。

4)控制系統(tǒng)的綜合化

隨著現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)的融合發(fā)展,綜合自動化技術(shù)(ERP+MES+PCS)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)的各個環(huán)節(jié),加之借助計算機系統(tǒng)的硬軟件技術(shù),將企業(yè)生產(chǎn)全部過程中人、技術(shù)、經(jīng)營管理三要素及其信息流、物流進(jìn)行有機的集成以實現(xiàn)可靠的運行,最終實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益的最大化。

5)控制系統(tǒng)的綠色化

可持續(xù)發(fā)展觀是科學(xué)發(fā)展觀的核心內(nèi)容,它不僅要考慮自然層面的問題,甚至要在更大程度上考慮人文層面的問題。節(jié)能環(huán)保是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然途徑,為了減少甚至消

除自動化設(shè)備對人類、環(huán)境的污染和損害,綠色自動化技術(shù)應(yīng)運而生。保障信息安全、減少信息污染、電磁諧波抑制、潔凈生產(chǎn)、人機和諧和綠色制造等策略將成為自動化領(lǐng)域的嶄新課題。

7.4計算智能

7.4.1計算智能算法概述計算智能(算法)在模擬人腦的聯(lián)想、記憶、發(fā)散思維、非線性推理、模糊概念等傳統(tǒng)人工智能難以勝任的方面表現(xiàn)優(yōu)異,在與傳統(tǒng)人工智能技術(shù)的優(yōu)勢互補中不斷推進(jìn)和發(fā)展著人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域。

目前,計算智能算法主要包括神經(jīng)計算、模糊計算、進(jìn)化計算和單點搜索四個部分,如圖7-15所示,其中,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和模糊邏輯分別指通過模仿人腦的生理構(gòu)造、信息處理過程或者通過模仿人類語言和思維中的模糊性概念來模擬人類的智慧,而進(jìn)化計算是指通過生物進(jìn)化過程和群體智能過程來模擬大自然的智慧,單點搜索算法則是利用仿生學(xué)的原理,將自然動物中的一些現(xiàn)象抽象成算法來處理相應(yīng)的問題。圖7-15計算智能主要分類一覽圖

7.4.2計算智能典型算法

1)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一種自適應(yīng)的非線性動力系統(tǒng),它比一般的非線性系統(tǒng)更復(fù)雜。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量結(jié)構(gòu)和功能十分簡單的神經(jīng)元組成,其行為豐富多樣且具有一定的復(fù)雜性。盡管神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)借鑒了神經(jīng)科學(xué)的基本成果,但是如果想要對這一學(xué)科實現(xiàn)全面研究,會涉及計算機、控制論、信息學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、力學(xué)、哲學(xué)、心理學(xué)乃至生物進(jìn)化論、醫(yī)學(xué)免疫學(xué)等各