機電系統(tǒng)集成技術(1)

1、機電系統(tǒng)集成技術（1）,? 緒論,? 系統(tǒng)集成的建模與仿真,? 系統(tǒng)集成的控制技術,? 系統(tǒng)集成中的接口和總線標準,? 儀器儀表系統(tǒng)集成技術,? 智能儀器軟硬件集成技術,? 基于虛擬儀器技術的系統(tǒng)集成,? 微納機電系統(tǒng)集成技術,第一章 緒論,,1.1 系統(tǒng)集成的提出和發(fā)展,1.2 系統(tǒng)集成的基本概念,1.3 網(wǎng)絡系統(tǒng)集成,· 新產(chǎn)品從構思到出現(xiàn)在市場周期越來越短，是 俗稱“攢”出來、雅稱“集成”出來的。,·

2、原來很多孤立的儀器和機電設備有機地聯(lián)系起來，產(chǎn)生了1+1>2的效果。,· 創(chuàng)新和效率形成時代旋律中頻頻出現(xiàn)的加強音。,1.1 系統(tǒng)集成的提出和發(fā)展,·計算機以及計算機網(wǎng)絡使一個個孤立的個體作為模塊連成有機的整體。,機電系統(tǒng)集成技術正是在這樣的一些理念下發(fā)展起來的。,計算機集成制造的概念最早是美國人Harrington J.于1973年提出來的，強調(diào)①系統(tǒng)集成的觀點，②信息的觀點。,大的機電系統(tǒng)集成,計算機

3、集成制造系統(tǒng)CIMS (Computer Integrated Manufacturing System),小的機電系統(tǒng)集成,一臺設備、一臺儀器、片上系統(tǒng)SoC (System-on-a-Chip),,,1975年美國Honeywell公司首先推出了以微處理器為基礎的TDC-2000型總體分布式控制系統(tǒng)（Total Distributed Control，簡稱為TDC），實現(xiàn)集中管理、分散控制，稱之為集散控制系統(tǒng)。,DCS的出現(xiàn)使系統(tǒng)的

4、控制方式發(fā)生了質(zhì)的變化，是控制史上的一個里程碑。吸收了計算機技術（Computer）、自動控制技術（Control）、數(shù)據(jù)通信技術（Communication）、CRT（Cathode Ray Tube）顯示技術的所謂“4C技術” 。,以數(shù)字控制代替了模擬控制，形成各種分布式控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）。這種系統(tǒng)精度有所提高，而且具有集中管理、分散控制、危險分散、可靠性高、組態(tài)容易和擴展性強的優(yōu)

5、點。,DCS是以微處理器為基礎的。進入80年代中后期，可編程邏輯控制器PLC （Programmable Logic Controller）也開始應用微處理器，而且也是分布式的，從這個意義上講也可將其列入DCS的范疇。,從廣義上講DCS可分為 儀表型 PLC型 PC型,,,·不同廠家的產(chǎn)品由于協(xié)議不同而缺乏互操作性。由于協(xié)議的不同，造成了現(xiàn)場儀表不能與系統(tǒng)集成而

6、進一步發(fā)揮儀表的智能。,問題：,·有些大的產(chǎn)業(yè)集團著大力開發(fā)出專有大系統(tǒng)，為了保持系統(tǒng)的集成，用戶不得不從該廠家購買不一定是最好又很昂貴的部件，形成壟斷。,解決以上矛盾的出路就是制定一種獨立于賣方的系統(tǒng)集成標準，標準化的總線網(wǎng)絡順勢而生。網(wǎng)絡是開放式系統(tǒng)的關鍵要素，因此進一步開發(fā)出具有互操作性的現(xiàn)場總線（Fieldbus）。,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS （Fieldbus Control System）于20世紀80年代開始發(fā)展，

7、專家們開發(fā)新技術作為標準的國際通行的現(xiàn)場總線，以滿足總線供電、安全運行、遠距離通信等方面的要求。標準化打擊了壟斷，激發(fā)了競爭，促進了科學技術的進步。,系統(tǒng)集成技術的發(fā)展提高了系統(tǒng)測控能力。,測控儀表能力指數(shù)圖,20世紀70年代，人們開始考慮將微型機嵌入到機電儀器設備中，實現(xiàn)對象體系的智能化控制。嵌入式系統(tǒng)側重于控制功能和環(huán)境適應性等，通用計算機系統(tǒng)側重于高速海量的數(shù)據(jù)文件處理能力。 嵌入式計算機系統(tǒng)發(fā)展的核心是單芯片化的發(fā)展

8、。,嵌入式系統(tǒng),專用性,嵌入性,計算機系統(tǒng),三個基本要素,嵌入式系統(tǒng)按形態(tài)可分為設備級（工控機）、板級（單板、模塊）和芯片級（MCU、SoC）。 微型計算機的體積、價位、可靠性無法滿足嵌入式應用要求，嵌入式系統(tǒng)將計算機做在一個芯片上，走上芯片化道路，開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)的單片機時代。,直接芯片化的模式，將通用計算機系統(tǒng)中的基本單元進行裁剪后，集成在一個芯片上，構成單片微型計算機；,Σ模式,創(chuàng)新模式,完全按嵌入式應用要求設計全

9、新的，滿足嵌入式應用要求的體系結構、微處理器、指令系統(tǒng)、總線方式、管理模式等。,單片機誕生于20世紀70年代末，經(jīng)歷了 單片機SCM(Single Chip Microcomputer） 微控制器MCU （Micro Controller Unit） 單芯片系統(tǒng)SoC （System on Chip） 三大階段。,嵌入式系統(tǒng)本身就是系統(tǒng)集成的成功實例。·嵌入式系統(tǒng)包括了通信（Communication）、計算（

10、Computation）、自動控制技術（Control）等功能；·嵌入式系統(tǒng)包括數(shù)字模擬融合，微機電融合，電路板硅片融合，硬軟件設計融合，趨向SoC；嵌入式整機的開發(fā)工作從傳統(tǒng)的硬件為主向軟件比重越來越大的方向發(fā)展。,,1.2 系統(tǒng)集成的基本概念,· 系統(tǒng),· 系統(tǒng)集成,· 系統(tǒng)集成的特點,· 系統(tǒng)集成的原則與方法,· 網(wǎng)絡要求,· 遞階控制,,1.2 系統(tǒng)集成的基

11、本概念,· 系統(tǒng),· 系統(tǒng)集成,· 系統(tǒng)集成的特點,· 系統(tǒng)集成的原則與方法,· 網(wǎng)絡要求,· 遞階控制,《中國大百科全書·自動控制與系統(tǒng)工程》對系統(tǒng)的定義為：由相互制約、相互作用的一些部分組成的具有某種功能的有機整體。,系統(tǒng)從廣義上可以定義為兩個或兩個以上事物組成的相互依存，相互作用，共同完成某種特定功能或形成某種事物現(xiàn)象的一個統(tǒng)一整體的總稱。,系 統(tǒng),,1.2

12、系統(tǒng)集成的基本概念,· 系統(tǒng),· 系統(tǒng)集成,· 系統(tǒng)集成的特點,· 系統(tǒng)集成的原則與方法,· 網(wǎng)絡要求,· 遞階控制,集成能使組成整體的各部分彼此有機協(xié)調(diào)地工作，以發(fā)揮整體效益，達到整體優(yōu)化的目的。集成不是各個分離部分簡單捏合在一起組成的“拼盤”，而應理解為經(jīng)過了充分的相互融合，形成了優(yōu)化的統(tǒng)一整體。系統(tǒng)集成可以減少數(shù)據(jù)冗余、實現(xiàn)資源和信息共享，便于對數(shù)據(jù)的合理規(guī)劃和分布，

13、便于組成部件的協(xié)調(diào)規(guī)劃，有利于并行工作、提高工作效率。,系統(tǒng)集成,相互分離、彼此孤立的模塊協(xié)調(diào)組成有機整體。,,集成的大系統(tǒng)通常包含著許多不同型號的各類計算機、控制器、傳感器和執(zhí)行裝置，它們配置在不同的層次上，需要縱向和橫向的數(shù)據(jù)通信。根據(jù)“集成”和“柔性”的要求，大系統(tǒng)集成網(wǎng)絡平臺在物理上包含著多個連接多種異構設備的異構網(wǎng)絡，而在邏輯上又是統(tǒng)一的網(wǎng)絡，以包容多樣性和各種傳輸動作。狀態(tài)、系統(tǒng)、控制和終端的連接多樣性，以及開放、集成、

14、高速和網(wǎng)絡管理智能化是系統(tǒng)集成的特征。,系統(tǒng)集成是根據(jù)應用的需求，將機電硬件平臺、網(wǎng)絡設備、系統(tǒng)軟件、工具軟件及相應的應用軟件等集成為具有優(yōu)良性價比的機電系統(tǒng)的全過程。系統(tǒng)集成就是按照應用需求，對眾多的技術和產(chǎn)品進行合理地選擇，最佳配置各種硬件和軟件產(chǎn)品與資源，組合成完整的、能夠解決具體應用需求的集成方案，使系統(tǒng)的整體性能最優(yōu)。,技術上具有先進性,實現(xiàn)上具有可行性,使用上具有靈活性,發(fā)展上具有可擴性,投資上具有受益性,,根據(jù)用戶的需求

15、，確定硬件平臺設備的選型；對已產(chǎn)品化的部件模塊進行產(chǎn)品測試、驗收；提供對其他設備、網(wǎng)絡結構、數(shù)據(jù)庫之間的連接技術；要求大量、廣泛地掌握和積累各種產(chǎn)品特性，了解國內(nèi)外有關的規(guī)范和標準；準備各廠商有關的產(chǎn)品的檢測驗收及工程安裝施工標準。,以操作系統(tǒng)為核心構建軟件平臺；已有應用軟件和將要開發(fā)的應用軟件的集成；對應用軟件開發(fā)商進行約束，使集成時可取得對應用軟件系統(tǒng)的控制權和維護權；通過預留接口對應用子系統(tǒng)進行適當?shù)恼{(diào)整，以實現(xiàn)各個

16、應用子系統(tǒng)的可互聯(lián)、可互操作、可運行。,硬件集成,軟件集成,使用開發(fā)工具進行系統(tǒng)開發(fā)，建立系統(tǒng)原型，使系統(tǒng)的可維護性增強，提高系統(tǒng)開發(fā)的質(zhì)量；開發(fā)工具要盡可能開放，獨立于硬件平臺、軟件平臺甚至數(shù)據(jù)庫的選擇，這樣才有利于系統(tǒng)的擴充和聯(lián)網(wǎng)。開發(fā)工具要有與高級語言的接口，有結構優(yōu)良的數(shù)據(jù)字典，使各分立產(chǎn)品容易集成；要考慮開發(fā)工具制造廠商的技術支持、售后服務和廠商本身的穩(wěn)定性等因素。,工具集成,,1.2 系統(tǒng)集成的基本概念,·

17、系統(tǒng),· 系統(tǒng)集成,· 系統(tǒng)集成的特點,· 系統(tǒng)集成的原則與方法,· 網(wǎng)絡要求,· 遞階控制,（1）系統(tǒng)分析和建模,（2）集成和優(yōu)化,（3）接口的重要作用,（4）系統(tǒng)協(xié)調(diào)與優(yōu)化,從系統(tǒng)角度進行分析，包括系統(tǒng)目標、系統(tǒng)約束、系統(tǒng)聯(lián)系、系統(tǒng)實現(xiàn)等，分析過程中需要通過建模仿真分析達到系統(tǒng)優(yōu)化。,系統(tǒng)強調(diào)總體，單元技術強調(diào)局部，單元通過集成形成總體，在系統(tǒng)集成過程中達到總體優(yōu)化。,系統(tǒng)集成過程中

18、，注重的往往是產(chǎn)品、設備、技術、功能的集成或局部的系統(tǒng)調(diào)整，而一旦系統(tǒng)規(guī)模較大、結構較復雜時，很難面面俱到，因此需要從全局著眼，保證全局最優(yōu)。,系統(tǒng)集成是讓不同的產(chǎn)品、設備、網(wǎng)絡、系統(tǒng)互連，不僅要對產(chǎn)品、技術和系統(tǒng)有全面深入的了解和分析，還應具備設計開發(fā)接口的能力。,,1.2 系統(tǒng)集成的基本概念,· 系統(tǒng),· 系統(tǒng)集成,· 系統(tǒng)集成的特點,· 系統(tǒng)集成的原則與方法,· 網(wǎng)絡要求,

19、3; 遞階控制,（3）先進性,（1） 開放性,（2）模塊化,（4）主流化,,1.2 系統(tǒng)集成的基本概念,· 系統(tǒng),· 系統(tǒng)集成,· 系統(tǒng)集成的特點,· 系統(tǒng)集成的原則與方法,· 網(wǎng)絡要求,· 遞階控制,網(wǎng)絡系統(tǒng)在大系統(tǒng)集成中扮演重要腳色，需要基于網(wǎng)絡系統(tǒng)來考慮可支持的計算機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、開發(fā)工具等因素。經(jīng)過對網(wǎng)絡用戶需求的分析，在網(wǎng)絡方案設計時采用如下原則：(1)系統(tǒng)成熟

20、可靠 在保證系統(tǒng)先進性的同時，最重要的設計原則是保證系統(tǒng)的可用性和可靠性，在方案設計中盡量采用成熟的、經(jīng)過用戶使用認可和在公開評測中認可的網(wǎng)絡產(chǎn)品。,所選用設備盡量符合國際和國家標準，保證系統(tǒng)提供一個標準、開放的網(wǎng)絡平臺，根據(jù)整個系統(tǒng)的實際需要，采用高可靠性設備和容錯技術。在網(wǎng)絡通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式等方面遵從國際標準。 網(wǎng)絡體系結構應盡量靠攏國際標準化組織制定的OSI開放系統(tǒng)互連參考模式； 低層聯(lián)接通信子網(wǎng)所選的

21、網(wǎng)絡產(chǎn)品應符合電氣與電子工程師學會IEEE的802系列標準和國際電報電話咨詢委員會CCITT所規(guī)定的X.25公用分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡規(guī)程等國際流行的標準。 網(wǎng)絡低層應有支持多種通信體系標準的能力，它反應網(wǎng)絡低層的開放性、互聯(lián)性，以適應不斷發(fā)展的各種先進通信技術，聯(lián)接各種通信網(wǎng)絡以增加網(wǎng)絡系統(tǒng)配置的靈活性，便于局域網(wǎng)LAN與廣域網(wǎng)WAN的互聯(lián)。,（2）標準化,（3）先進性 系統(tǒng)方案采用先進的技術，保證系統(tǒng)具有一定的前瞻

22、性；采用的產(chǎn)品也應該是業(yè)界一流的產(chǎn)品，并且是廠家重點研發(fā)的產(chǎn)品；網(wǎng)絡系統(tǒng)能滿足未來網(wǎng)絡應用和擴充的需求。（4）投資保護 所選用的設備易于升級、便于維護，符合技術發(fā)展方向，保護用戶投資。（5）易于管理 網(wǎng)絡設備具有全面的網(wǎng)管功能，便于網(wǎng)管人員對系統(tǒng)的維護與管理。（6）產(chǎn)品與服務的長期性 在該網(wǎng)絡中，不僅選用生命力強的產(chǎn)品，還要求網(wǎng)絡集成方有能力提供長期的專業(yè)化服務。,,1.2 系統(tǒng)集成的基本概

23、念,· 系統(tǒng),· 系統(tǒng)集成,· 系統(tǒng)集成的特點,· 系統(tǒng)集成的原則與方法,· 網(wǎng)絡要求,· 遞階控制,遞階控制方法是實現(xiàn)大系統(tǒng)集成控制的一種方法。遞階控制有下列幾種不同的形式：,（1）分層控制按控制任務進行分解的結構方案；把控制任務分成幾個不同的層次，由各層控制器分別完成；下層任務的目標函數(shù)受上層控制器決策的影響。,（2）分級控制按對象結構進行分解的結構方案；將對象劃

24、分成若干個系統(tǒng)，由各局部控制器完成現(xiàn)場控制任務；協(xié)調(diào)控制器通過控制遞階控制器完成局部控制器之間的協(xié)調(diào)。,（3）分段控制按控制過程的時序進行分解的結構方案；把控制過程分成若干段，在每段時間內(nèi)由不同的控制器完成對現(xiàn)場的控制。,實際上，分層控制、分級控制、分段控制三種控制形式并不是絕對的，一種典型的控制結構中同時具有分級和分層兩種形式是很常見的。 這種同時具有多種遞階控制形式的控制結構有時又稱作分級分布式控制。,,1.3

25、 網(wǎng)絡系統(tǒng)集成,· 集成的基本結構形式,· 物理層配置,· 應用層,,1.3 網(wǎng)絡系統(tǒng)集成,· 集成的基本結構形式,· 物理層配置,· 應用層,傳統(tǒng)DCS及PLC體系結構圖,FCS體系結構圖,FCS簡化成兩個網(wǎng)絡層，處于現(xiàn)場級網(wǎng)絡的儀表通過鏈路設備同位于主站級網(wǎng)絡的工作站相連接。鏈路設備或中央控制器可以完成離散邏輯及順序控制。,當控制在現(xiàn)場設備中完成時，所需中央控制器的數(shù)量隨之

26、減少，因而可大大降低了系統(tǒng)的成本。,FCS體系結構圖,每臺設備只處理一個回路，通過網(wǎng)絡將多臺設備連接在一起，所集成的眾多微處理器的能力超過了早期的大系統(tǒng)。,控制的任務被分散到并行工作的現(xiàn)場設備中，構成工作效率很高的多任務系統(tǒng)，運算能力也得到提高。這種系統(tǒng)易于擴展，而且加入的設備越多，系統(tǒng)的能力越強。,,1.3 網(wǎng)絡系統(tǒng)集成,· 集成的基本結構形式,· 物理層配置,· 應用層,物理層處于最低層，主要功能是利用

27、物理傳輸介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，以便傳送信息流。物理介質(zhì)可以是國際電工委員會IEC物理層技術規(guī)范中所規(guī)定的任何一種傳輸介質(zhì)，例如雙絞線、光纜或射頻。物理層又可以分成物理介質(zhì)相關子層與物理介質(zhì)獨立子層?，F(xiàn)場總線物理層是由物理介質(zhì)的有關規(guī)定和傳輸數(shù)據(jù)的信號協(xié)議所構成。物理層定義了信號是如何在介質(zhì)上以何種方式從一個設備傳遞到另一個設備。物理層使數(shù)據(jù)鏈路層在發(fā)送、接收數(shù)據(jù)時與物理介質(zhì)的類型無關。,物理層協(xié)議是有關系統(tǒng)安裝的一些規(guī)

28、定，它規(guī)定了機械恃性、電氣特性、功能特性和過程特性四類特性。 機械特性：連接器的規(guī)格、連接器的安裝； 電氣特性：傳輸線上數(shù)字信號的電壓高低、傳輸距離和傳輸速率； 功能特性：連接器內(nèi)容、插腳的功能； 過程特性：信號的時序關系。,物理介質(zhì)相關子層負責處理不同傳輸介質(zhì)、不同傳輸速率的信號轉換問題，有時稱為介質(zhì)訪問單元。物理介質(zhì)獨立子層是介質(zhì)訪問單元與數(shù)據(jù)鏈路層的接口，信號的編碼、添加或刪除前導碼和分界符的工作均在該層完成。,當傳輸一

29、個信號時，前導碼將通知所有的設備某些信息即將到來，前導碼由一系列的“0”和“1”所組成；信息的開始是由一個特定的起始分界符表示的，而信息的結束由結束分界符表示；物理層在要傳輸?shù)男畔⒅屑尤肭皩Тa和分界符，而當收到信息之后再把它們?nèi)コ?,1.3 網(wǎng)絡系統(tǒng)集成,· 集成的基本結構形式,· 物理層配置,· 應用層,應用層處于最高層，應用層確定進程之間通信的性質(zhì)，以滿足用戶的需要；應用層提供應用進程所需要的信

30、息交換和遠程操作，還作為應用進程的用戶代理(User Agent)，來完成一些為進行信息交換所必需的功能。包括：,文件傳送訪問和管理（FTAM）虛擬終端（VT）事務處理（TP）遠程數(shù)據(jù)庫訪問目錄服務（DS）,節(jié)點上所有應用程序活動需要采用應用層，通過通信與網(wǎng)絡上其他節(jié)點交換信息。在應用程序和應用層之間的接口稱為應用層接口（Application Layer Interface， ALI）。應用層及位于其下的表達層具有傳送網(wǎng)絡

31、變量、通過一般報文、網(wǎng)絡管理報文（NMM）、網(wǎng)絡診斷報文、外來幀發(fā)送等基本功能。 程序使用應用層服務和其他節(jié)點通信，通信分為用戶數(shù)據(jù)交換、啟動網(wǎng)絡管理和網(wǎng)絡診斷服務。,第二章 系統(tǒng)集成的建模與仿真,,2.1 系統(tǒng)需求分析,2.2 系統(tǒng)建模,2.3 系統(tǒng)的仿真,第二章 系統(tǒng)集成的建模與仿真,,2.1 系統(tǒng)需求分析,2.2 系統(tǒng)建模,2.3 系統(tǒng)的仿真,設計系統(tǒng)時，必須確定一系列設計指標，對所設計的系統(tǒng)提出必須滿足的技術要求，

32、然后才能著手具體系統(tǒng)的設計仿真。一般性的技術要求包括以下幾個方面：,系統(tǒng)用途是首先關心的問題，也是系統(tǒng)生產(chǎn)者預測市場需求首要的事項；系統(tǒng)的功能要求，要從市場需求出發(fā)，尊重最終用戶的意見，結合技術上的可行性，再作出抉擇。,系統(tǒng)功能,性能指標是系統(tǒng)功能的定量說明，每一項功能都應該滿足一定的性能指標；對于儀器儀表，性能指標一般包括分辨率、靈敏度、尺寸精度、線性度、運行速度和位移范圍，以及承載能力、功耗、體積、重量等。制定性能指標時，必須

33、有科學的依據(jù)。,性能指標,客觀環(huán)境條件有溫度、濕度、振動、沖擊、噪聲、電磁干擾；主觀因素應考慮使用人員的素質(zhì)水平；必須滿足可操作性、可維修性、安全性及可靠性等要求，系統(tǒng)還應具有足夠的使用壽命。,使用條件,投資方考慮投入的經(jīng)費、人力及時間，產(chǎn)品在市場上將占有的份額及預計收益；用戶方要分析他們的費效比和經(jīng)濟承受能力；只有這兩方面都考慮到，才能制定出好的新產(chǎn)品開發(fā)策略。,經(jīng)濟效益,為提高系統(tǒng)的性能和柔性，要求廣泛的物質(zhì)和信息的集成；

34、無論在概念設計階段還是詳細設計階段，都要著眼系統(tǒng)，著眼總體，必須始終貫徹系統(tǒng)總體優(yōu)化的原則；在整個系統(tǒng)的設計過程中，需要考慮機械技術與電子控制技術的集成，創(chuàng)造出機械、電子以及軟件等有機結合的新產(chǎn)品。,,2.2 系統(tǒng)建模,2.2.6 計算機信息集成系統(tǒng)建模,2.2.7 系統(tǒng)辨識技術,2.2.9 系統(tǒng)建模發(fā)展趨勢,2.2.2 模型分類,2.2.4 數(shù)學建模方法,2.2.5 機電設備系統(tǒng)建模,2.2.8 計算機輔助建模,2.

35、2.1 數(shù)學模型定義和一般描述,2.2.3 數(shù)學建模及其過程,模型是對事物、現(xiàn)象、過程或系統(tǒng)的簡化描述或模仿，是人們對客觀實體運動規(guī)律的主觀認識，有物理模型、數(shù)學模型、仿真模型等。 定量描述系統(tǒng)或過程的輸入輸出關系、因果關系、動態(tài)和靜態(tài)特性的模型稱為數(shù)學模型。 描述過程將涉及對實際系統(tǒng)特征信息的抽?。ㄈ绮杉?、選擇、傳輸、轉換等）、映射表示、融合等信息處理活動。 建立一個數(shù)學模型通常包括兩方面工

36、作：,模型結構的確定模型的參數(shù)估計,,,建立模型的過程叫“建?！?，通過觀測或?qū)嶒灁?shù)據(jù)建模稱為“辨識”。利用模型完成試驗研究，即“仿真”，或稱“模擬”。,實現(xiàn)對時間序列的預測和控制；實現(xiàn)對隨機信號的估計；實現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)估計；實現(xiàn)過程控制。,建模是對系統(tǒng)或過程進行分析的最重要的、最基本的過程。,,具有學科面廣、綜合性強、應用領域?qū)?、無破壞性、可多次重復、安全、經(jīng)濟、可控、不受氣候條件和場地空間的限制等獨特優(yōu)點。 也是一

37、門不斷發(fā)展的高新技術，已成為現(xiàn)代實驗工程和科學研究的主要技術手段，被廣泛應用于國防和國民經(jīng)濟的各個領域。,系統(tǒng)建模與仿真是通用的支撐性技術。,,2.2 系統(tǒng)建模,2.2.6 計算機信息集成系統(tǒng)建模,2.2.7 系統(tǒng)辨識技術,2.2.9 系統(tǒng)建模發(fā)展趨勢,2.2.2 模型分類,2.2.4 數(shù)學建模方法,2.2.5 機電設備系統(tǒng)建模,2.2.8 計算機輔助建模,2.2.1 數(shù)學模型定義和一般描述,2.2.3 數(shù)學建模及其

38、過程,等效替代,模型的主要性質(zhì),被研究的實際系統(tǒng),,原型,,模型,1）普遍性：亦稱等效性，即一種模型與多個系統(tǒng)具有相似性。2）適當精確性：過于粗略，失去過多系統(tǒng)特性而變得無用； 過于精確，計算量大、運算周期長、分析困難。 應該具有多種因素折衷下的適當精確性。3）可信性：模型必須經(jīng)過檢驗和確認，成為代表實際系統(tǒng)的有效模型，具有良好的置信度。

39、4）異構性：同一個系統(tǒng)的模型可以具有不同的形式和結構，模型研究中將選擇最方便、最合理的模型形式和結構。5）通過性：輸入信息可獲取輸出信息，從而產(chǎn)生了實驗辨識建模的依據(jù)。,定義,數(shù)學模型是描述實際系統(tǒng)各變量間相互關系的數(shù)學表達式，合理的數(shù)學模型應是能夠正確反映系統(tǒng)表征和特性的最簡數(shù)學表達式。,另外，近年來人工智能研究中出現(xiàn)了一類描述模型，用自然語言或程序語言來描述，其模型解也是“探索”得到的，更接近人類思維過程，同時也尚待數(shù)學化。,線

40、性定常連續(xù)系統(tǒng),,線性常微分方程、傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間方程,分布參數(shù)系統(tǒng),,偏微分方程,非線性連續(xù)系統(tǒng),,非線性偏微分方程,離散系統(tǒng),,差分方程、時間序列、脈沖傳遞函數(shù)、邏輯式、概率分布函數(shù)、網(wǎng)絡圖,系統(tǒng)類型,數(shù)學模型,,,,2.2 系統(tǒng)建模,2.2.6 計算機信息集成系統(tǒng)建模,2.2.7 系統(tǒng)辨識技術,2.2.9 系統(tǒng)建模發(fā)展趨勢,2.2.2 模型分類,2.2.4 數(shù)學建模方法,2.2.5 機電設備系統(tǒng)建模,2.2.8

41、計算機輔助建模,2.2.1 數(shù)學模型定義和一般描述,2.2.3 數(shù)學建模及其過程,模型研究概念,常見模型分類,基于具體分析方法的模型分類,,2.2 系統(tǒng)建模,2.2.6 計算機信息集成系統(tǒng)建模,2.2.7 系統(tǒng)辨識技術,2.2.9 系統(tǒng)建模發(fā)展趨勢,2.2.2 模型分類,2.2.4 數(shù)學建模方法,2.2.5 機電設備系統(tǒng)建模,2.2.8 計算機輔助建模,2.2.1 數(shù)學模型定義和一般描述,2.2.3 數(shù)學建模及其

42、過程,數(shù)學建模就是確定系統(tǒng)的模型形式、結構和參數(shù)，以得到正確描述系統(tǒng)表征和性狀的最簡數(shù)學表達式。 數(shù)學建模型的幾條基本原則：,對數(shù)學模型的要求：,,模型功能是否滿足所研究問題的需要？模型形式是否合理、經(jīng)濟？模型是否容易實現(xiàn)？模型運轉是否穩(wěn)定？是否可以達到頇期的精度要求？,建模時須考慮：,精確性簡明性層次性多用性可靠性標準化,,實際工程中的具體數(shù)學建模方法多達數(shù)十種。其中計算機輔助建模愈來愈多地被采用。,選

43、擇合理建模方法,機理分析法實驗辨識法定性推理法,計算機輔助建模流程圖,數(shù)學建模的一般過程,通過以上過程，保證所得到的模型是有用的、可靠的，其模型結論能反映實驗系統(tǒng)結論。,觀察和分析系統(tǒng),提出問題,作出假設,系統(tǒng)描述,構筑形式化模型,模型求解,模型有效性分析,修改模型,最終確認,多次反復,模型校核，驗證確認,有效后驗模型,模型使用,,,,,,,,,,,,數(shù)學模型是從系統(tǒng)概念出發(fā)的關于現(xiàn)實世界部分的“映象”。真實系統(tǒng)建模的抽象過程，包括

44、輸入、輸出、狀態(tài)變量及其函數(shù)關系。,系統(tǒng)建模的抽象過程,,2.2 系統(tǒng)建模,2.2.6 計算機信息集成系統(tǒng)建模,2.2.7 系統(tǒng)辨識技術,2.2.9 系統(tǒng)建模發(fā)展趨勢,2.2.2 模型分類,2.2.4 數(shù)學建模方法,2.2.5 機電設備系統(tǒng)建模,2.2.8 計算機輔助建模,2.2.1 數(shù)學模型定義和一般描述,2.2.3 數(shù)學建模及其過程,傳統(tǒng)的數(shù)學建模方法分為機理分析建模與實驗統(tǒng)計建模兩大類。近代又出現(xiàn)了層次分析和定

45、性推理建模方法，而且實驗統(tǒng)計建模也有新的發(fā)展，產(chǎn)生了現(xiàn)代系統(tǒng)辨識建模方法。,機理分析法直接相似法系統(tǒng)辨識法回歸統(tǒng)計法概率統(tǒng)計法量綱分析法網(wǎng)絡圖論法圖解法模糊集論法,常見方法,蒙特卡洛法層次分析法隔艙系統(tǒng)法定性推理法灰色系統(tǒng)法多分面法分析-統(tǒng)計法計算機輔助建模法,選擇建模方法主要根據(jù)系統(tǒng)狀況，建模目標，對建模精度、周期和費用的要求等來確定，在很大程度上取決于建模者的經(jīng)驗。,原則1,“白盒”問題,機理分析法直

46、接相似法量綱分析法圖解法,,內(nèi)部結構和特性清楚的系統(tǒng)；建模對象較簡單、任務又十分明確的場合。,（1）數(shù)學建模方法的一般選擇,原則2,“灰盒”或“黑盒”問題,系統(tǒng)辨識法實驗統(tǒng)計法蒙特卡洛法分析-統(tǒng)計法,,內(nèi)部結構和特性不很清楚的系統(tǒng)；,容許進行系統(tǒng)實驗觀測,不能直接進行系統(tǒng)實驗觀測,定性推理法網(wǎng)絡分析法圖解法,,原則3,邊界模糊的不確定性系統(tǒng)和問題,模糊集論法,,隨機系統(tǒng)或過程,概率統(tǒng)計法蒙特卡洛法,,原則4,灰色系

47、統(tǒng),,灰色系統(tǒng)法,原則5,生物、醫(yī)學系統(tǒng),隔艙系統(tǒng)法概率統(tǒng)計法,,原則6,非工程領域問題,,層次分析法網(wǎng)絡分析法博弈矩陣描述法,現(xiàn)代數(shù)學建模是一個不斷迭代的過程，計算機的應用必將成為各種建模方法的主要支撐技術。,（2）機理分析法,分析系統(tǒng)功能、原理，對系統(tǒng)作出與建模目標相關的描述； 找出系統(tǒng)的輸入變量和輸出變量； 遵照系統(tǒng)的物理規(guī)律列寫出各部分微分方程或傳遞函數(shù)等； 消除中間變量，得到初步數(shù)學模型； 進行模型標準化；

48、 進行模型檢驗，必要時修改模型。,步驟,又稱直接分析法或解析法，在若干簡化假定條件下，以學科專業(yè)知識為基礎，利用物理定律和物理規(guī)律，通過分析系統(tǒng)變量間的關系和運動規(guī)律，對被研究系統(tǒng)的有關要素進行理論分析、演繹歸納，從而構造出該系統(tǒng)的數(shù)學模型。,（3）直接相似法,又稱類比分析法或比擬思考法。這是以相似理論為基礎實現(xiàn)系統(tǒng)之間變量等效的一種建模方法。 根據(jù)自然界廣泛存在相似系統(tǒng)的事實，采用相互類比的方法，從最容易建模的系統(tǒng)得到相似

49、系統(tǒng)通用形式的數(shù)學模型。,利用直接相似法建模中，只要設法得到相似系統(tǒng)中的其中一個系統(tǒng)的數(shù)學模型，那么根據(jù)變量等效原則就不難得到其他任何與之相似系統(tǒng)的數(shù)學模型。一般講，相似系統(tǒng)必定具有相同形式的數(shù)學模型，其模型差別僅在于模型里的系數(shù)物理意義各異。,相似系統(tǒng)間的參數(shù)對應關系及模型表,（4）系統(tǒng)辨識法,辨識建模的計算機迭代過程,又叫做實驗辨識法，是一種借助系統(tǒng)實驗輸入-輸出觀測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)辨識理論與技術建立系統(tǒng)數(shù)學模型的方法，整個系統(tǒng)數(shù)學模型

50、的辨識是一個不斷迭代的過程。,（5）概率統(tǒng)計法,實際系統(tǒng)中有相當一部分系統(tǒng)包含著許多隨機因素，這類含隨機因素的隨機系統(tǒng)和過程的數(shù)學描述自然應該是隨機模型。 隨機模型一般的建模方法是采用概率統(tǒng)計的手段。在理論分析和實驗的基礎上，利用概率統(tǒng)計知識和方法建立實際隨機系統(tǒng)的數(shù)學模型。,按照概率統(tǒng)計學，隨機變量可用來描述隨機系統(tǒng)中的每個基本事件，是用數(shù)值表示的隨機事件的函數(shù)，它的概率分布可完整地表征隨機系統(tǒng)的概率統(tǒng)計規(guī)律。概率統(tǒng)計法

51、建模的實質(zhì)就是通過理論分析和試驗尋求適合于系統(tǒng)隨機特性的這種概率分布。,,,選擇概率分布類型是概率統(tǒng)計建模的中心內(nèi)容，可首先按照先驗知識判斷該隨機系統(tǒng)大體屬于某一類理論概率分布情況，決定應當采用哪種分布，或必須拒絕哪些分布。,概率分布類型的選擇或擬合應該采集和占有足夠的實驗觀測數(shù)據(jù)，以合理選擇概率分布，檢驗所選擇分布的正確性。此外，也可利用觀測數(shù)據(jù)獲取經(jīng)驗分布或半經(jīng)驗分布。,電子裝置的熱噪聲、各種測量誤差；飛機起降調(diào)度、船舶靠岸、交通

52、管理、電話交換、呼叫數(shù)、熱電子發(fā)射；顧客到達時間間隔、電子元件壽命。,正態(tài)分布,泊松分布,指數(shù)分布,,,,（6）定性推理法,模仿人類思維方式，推導系統(tǒng)定性行為的描述被稱為定性推理法建模。推理方法有多種，從而構成了與之相應的推理法建模原理。,采用定性建模方法的原因：,實際系統(tǒng)過于復雜或缺乏信息，無法構造精確定量模型；實際系統(tǒng)的許多特性具有模糊性、不確定性，難以量化；有時只要知道系統(tǒng)的定性結果，無須作精確繁冗的定量計算；希望模仿人類

53、的思維方式，使用定性推理，得到一類模型的一般解，而不是特定模型的特定解。,,,,,,2.2 系統(tǒng)建模,2.2.6 計算機信息集成系統(tǒng)建模,2.2.7 系統(tǒng)辨識技術,2.2.9 系統(tǒng)建模發(fā)展趨勢,2.2.2 模型分類,2.2.4 數(shù)學建模方法,2.2.5 機電設備系統(tǒng)建模,2.2.8 計算機輔助建模,2.2.1 數(shù)學模型定義和一般描述,2.2.3 數(shù)學建模及其過程,每個儀器儀表都構成一個系統(tǒng)，完整的系統(tǒng)可分成子系統(tǒng)和模

54、塊，模塊化設計仿真減少了研發(fā)和制作的復雜性，縮短了產(chǎn)品更新周期，提高了產(chǎn)品升級速度，對儀器儀表行業(yè)的技術進步十分有利。 機電一體化設備系統(tǒng)設計需要有一種能建立和評價各種技術集成的框架結構。 為此，采用一種自上而下和基于信息策略的系統(tǒng)結構，將整個系統(tǒng)分解為一系列的功能模塊或結構方塊，模塊之間的信息傳遞用箭頭連接起來，箭頭方向表示信息傳遞方向。,,功能：承載、傳遞力和運動、外觀、造型和防護的作用。 代表系統(tǒng)的機械結

55、構，通常包含機械傳動、支承和支座，又稱執(zhí)行模塊。,輸入由驅(qū)動模塊和環(huán)境參數(shù)定義的條件一起提供。輸出由測量模塊接收，并轉換為相對應的電信號。,,設計要求：考慮結構的強度和剛度外，還必須考慮精度、慣量、阻尼、摩擦、間隙和美學要素等要求，以符合靜平衡、動平衡、動能最小和外形美觀等設計原則。,,功能：采集有關系統(tǒng)狀態(tài)和行為的信息，它由傳感器、調(diào)理電路、變換電路等組成。輸入?yún)?shù)是確定機械受控模塊性能的物理變量；輸出參數(shù)是被測量的特征值。,設計

56、要求：不失真地反映被測物理變量的時間變化曲線。包含了分辨率、精度、線性范圍、動態(tài)響應特性等一系列技術指標。,,功能：提供驅(qū)動力改變系統(tǒng)包含速度和方向的運行狀態(tài)，產(chǎn)生所希望的運動輸出。輸入條件由控制器的輸出指令設定，指令由所要求的運動形式定義。,設計要求：設計參數(shù)包括運動形式(直線運動、旋轉運動、往復運動等)、運動變量(預定速度、最大加速度等)、額定力矩、電源功率、效率等 。,廣義的驅(qū)動模塊則把機械傳動和內(nèi)反饋回路以及功率源等包括在內(nèi)所

57、組成。,,功能：傳遞信息，實現(xiàn)系統(tǒng)的內(nèi)部、外部，近程和遠程通訊。實現(xiàn)方法分為有線和無線兩種。,設計要求：在系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間的信息傳輸一般采用總線連接；遠距離傳輸多采用光纜或無線通信網(wǎng)絡；在車間環(huán)境下工作，為防止電噪聲干擾，紅外通信用得比較普遍；在制造系統(tǒng)中，普遍采用局域網(wǎng)實現(xiàn)各個獨立設備之間的通信。,,功能：負責處理由測量模塊和接口模塊提供的信息。輸入?yún)?shù)包括被測量的反饋量和與系統(tǒng)運行有關的設定參數(shù)。輸出決定驅(qū)動模塊的工

58、作狀態(tài)和供給接口模塊的信息，反映系統(tǒng)當前的工作狀態(tài)。,設計要求：由控制和監(jiān)控的具體功能所要求的傳感器和執(zhí)行器，可以決定微計算機的輸入/輸出數(shù)目和形式。根據(jù)將要實現(xiàn)的功能的數(shù)量和復雜程度，可以決定合適的中央處理器以及存儲器的容量和速度。,,功能：包括系統(tǒng)的操作指令和預先定義的各種算法，負責控制微計算機模塊工作。其特性和形式與所選用的微計算機模塊密切相關。其質(zhì)量對機電一體化系統(tǒng)的柔性和智能化有著巨大的影響。,設計要求：軟件編程有匯

59、編語言和高級語言，或者兩種語言的混合編程。一般輸入/輸出接口的子程序采用匯編語言，運行速度較快。系統(tǒng)軟件可以采用高級語言編程，以縮短開發(fā)周期。,,功能：在系統(tǒng)內(nèi)主要用于各級之間的信息傳遞。,通信模塊、微計算機模塊、軟件模塊和接口模塊總合為控制模塊。功能：處理測量模塊提供的信息，生成控制指令，輸出給驅(qū)動模塊的執(zhí)行部件電動機。,在最高級，必要的人機接口用來傳遞用戶信息。在設備層，輸入/輸出接口用來傳遞傳感器和執(zhí)行器的信息，輸入/輸出

60、接口的形式與所傳遞的信息特性有關。,在設計過程中的每一個階段，都可以確定由獨立的模塊提供的功能特性，以及被傳遞的信息特性。 在一個機電一體化系統(tǒng)中，一個獨立模塊很可能是一個機電一體化的子系統(tǒng)。機電一體化的子系統(tǒng)又可定義出一組模塊。一些外部參數(shù)在系統(tǒng)設計中構成了一系列的參數(shù)邊界，系統(tǒng)必須在這些參數(shù)邊界范圍內(nèi)生存和工作。 如溫度、濕度、清潔度、振動、沖擊以及負載因素等； 任何一臺儀器設備，在恒溫下

61、工作和在車間工作以及野外工作，其環(huán)境條件顯然存在著巨大的差別，因而對設計的技術要求也是極不相同的。所以，針對環(huán)境的各種可能參數(shù)，必須強調(diào)實際應用標準和規(guī)范，例如，例行試驗條件等。,注意,,,,,,2.2 系統(tǒng)建模,2.2.6 計算機信息集成系統(tǒng)建模,2.2.7 系統(tǒng)辨識技術,2.2.9 系統(tǒng)建模發(fā)展趨勢,2.2.2 模型分類,2.2.4 數(shù)學建模方法,2.2.5 機電設備系統(tǒng)建模,2.2.8 計算機輔助建模,2.2.1

62、 數(shù)學模型定義和一般描述,2.2.3 數(shù)學建模及其過程,信息集成是系統(tǒng)集成的核心部分，是指對系統(tǒng)中各種類型的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的處理，避免不必要的冗余，為用戶提供統(tǒng)一的界面，從而信息共享，用戶在調(diào)用遠地的數(shù)據(jù)時不必考慮物理地址，就像在本地調(diào)用一樣。 系統(tǒng)集成往往涉及到若干不同功能，不同軟件平臺的分系統(tǒng)，采用不同數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，它們之間的集成就涉及到信息的集成。 信息集成需要面對異構的設備、名稱的差異、量綱的不同，還要

63、融合文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等不同的軟件系統(tǒng)。 信息模型主要從概念上和邏輯上對企業(yè)的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)流進行合理的規(guī)劃，它是使用信息系統(tǒng)的用戶與從事數(shù)據(jù)處理的專業(yè)人員溝通的橋梁，它應和企業(yè)的管理模式相匹配。,,,,,2.2 系統(tǒng)建模,2.2.6 計算機信息集成系統(tǒng)建模,2.2.7 系統(tǒng)辨識技術,2.2.9 系統(tǒng)建模發(fā)展趨勢,2.2.2 模型分類,2.2.4 數(shù)學建模方法,2.2.5 機電設備系統(tǒng)建模,2.2.8 計算

64、機輔助建模,2.2.1 數(shù)學模型定義和一般描述,2.2.3 數(shù)學建模及其過程,系統(tǒng)辨識是通過測量系統(tǒng)在外作用輸入下的系統(tǒng)輸出動態(tài)響應的數(shù)據(jù)，按照一定準則，在給定的約束條件下，從這些試驗數(shù)據(jù)擬合出反映系統(tǒng)本質(zhì)屬性的數(shù)學模型結構，并確定出模型中的未知參數(shù)。 待識別的對象可稱為系統(tǒng)黑箱。,(1) 系統(tǒng)辨識原理,系統(tǒng)辨識過程及原理框圖,根據(jù)實際系統(tǒng)和具體建模目標，進行實驗設計，并設定合適的實驗輸入信號；按照經(jīng)驗和先驗知識設定待

65、識別系統(tǒng)的模型類，即數(shù)學模型結構框架；規(guī)定“等價”含義或擬合準則，即給定準則函數(shù)；進行參數(shù)估計；完成模型檢驗和質(zhì)量評估，得到最終數(shù)學模型。,模型辨識中應著重考慮的問題：,系統(tǒng)辨識過程需要解決模型框架、模型結構和模型參數(shù)三方面的問題。,系統(tǒng)辨識分為在線辨識和離線辨識，采用何種辨識方式主要取決于數(shù)學建模的目標和數(shù)學模型的用途。,在系統(tǒng)運行過程中邊測量邊辨識，通常采用遞推算法逐點進行辨識，不斷用新測量數(shù)據(jù)修正當前的估計值。,,,事后處理

66、，即先記錄或存貯所有實驗的輸入-輸出數(shù)據(jù)，待實驗后統(tǒng)一處理。一般將數(shù)據(jù)分組，采用迭代法，一組組地完成辨識。,數(shù)學模型的范圍、格式，即模型類。,變量間的關系。,由待定的向量參數(shù)構成。,確定待識別系統(tǒng)的一個范圍較大的模型框架； 利用結構知識使被選擇的模型類的范圍逐漸減少； 得到一個合適的具有固定結構參數(shù)的模型類。,模型類的選定取決于對待識別系統(tǒng)的綜合分析和建模目標。,模型類別,靜態(tài)模型或動態(tài)模型；連續(xù)模型或離散模型；線性模型或非線性

67、模型；時變參數(shù)模型或時不變參數(shù)模型；,參數(shù)模型或非參數(shù)模型；隨機模型或確定模型；定量模型或定性模型；模糊模型或確定型模型；,模型類選定的步驟,經(jīng)典法分為：統(tǒng)計假定檢驗法，如F檢驗法；矩陣-奇異性判定法，如Hankel矩陣判定法。近似法分為：預報誤差法信息度量法判定方法中，工程上最常用的有：殘差方差定階、AIC信息準則定階、零-極點對消定階、行列式比定階、Hankel矩陣定階和殘差白色性定階等。,模型結構的判定主要是在

68、上述模型類基礎上辨識該模型的階次。判定模型結構的方法主要可歸為經(jīng)典法和近似法兩大類。,,,(2) 估計問題,模型參數(shù)辨識主要指參數(shù)估計和狀態(tài)估計，關鍵在于提出性能準則函數(shù)和確定估計參數(shù)算法。涉及系統(tǒng)辨識、狀態(tài)估計、時間序列分析、多傳感器信息融合及它們相互交叉、相互滲透的邊緣學科和領域。,從受噪聲污染的觀測量中，對系統(tǒng)的未知狀態(tài)或參數(shù)賦予具有一定統(tǒng)計意義的數(shù)值。其實質(zhì)就是如何從測量值中較精確地確定系統(tǒng)狀態(tài)或參數(shù)的真實值及其變化過程 。,

69、定義,在某一估計準則條件下使相應的指標函數(shù)達到最優(yōu)值時的估計，實質(zhì)上是一種處理測量數(shù)據(jù)的算法。,估計,,最優(yōu)估計,,,物理系統(tǒng),,觀測系統(tǒng),,,控制輸入,系統(tǒng)狀態(tài),觀測輸出,,,系統(tǒng)噪聲,觀測干擾,所謂估計就是從受噪聲污染的觀測量中，對系統(tǒng)的未知狀態(tài)或參數(shù)賦予具有一定統(tǒng)計意義的數(shù)值。,,狀態(tài)量,所謂最優(yōu)估計是指在某一估計準則條件下使得相應的指標函數(shù)達到最優(yōu)值時的估計。,量測值,量測誤差,,,,,,,,,,,,,濾波,平滑,預測,