智能檢測理論與技術02

第二章基于工藝機理的智能檢測

IntelligentDetectionTheoryandTechnology智能檢測理論與技術1第一章內容回顧一、智能檢測的基本概念

1.檢測理論與技術的研究內容2.智能檢測研究對象3.智能檢測系統(tǒng)4.智能檢測系統(tǒng)主要功能特點5.智能檢測研究數(shù)學工具二、智能檢測的發(fā)展2第二章基于工藝機理的智能檢測

基于工藝機理分析的智能檢測主要是運用化學反應動力學、物料平衡、能量平衡等原理，通過對過程對象的機理分析，找出不可測主導變量與可測輔助變量之間的關系（建立機理模型），從而實現(xiàn)某一參數(shù)的軟測量?；跈C理模型的智能檢測是工程界最容易接受的智能檢測方法。在工藝機理較為清晰的應用場合，基于工藝機理的智能檢測往往能取得較好的效果。3第二章基于工藝機理的智能檢測一、系統(tǒng)的類別與模型1.系統(tǒng)的類別2.系統(tǒng)數(shù)學模型3.檢測系統(tǒng)數(shù)學模型分類4.常用模型5.檢測系統(tǒng)描述二、檢測系統(tǒng)的模型1.靜動態(tài)模型2.常用模型三、檢測系統(tǒng)靜態(tài)特性四、檢測系統(tǒng)動態(tài)特性五、基于機理的智能檢測42.1系統(tǒng)類別與模型1.系統(tǒng)類別第二章基于工藝機理的智能檢測

系統(tǒng)參數(shù)對時間的變化規(guī)律分類定常系統(tǒng)：參量不隨時間變化的系統(tǒng)。定?；蚨▍⒘肯到y(tǒng)或參量時不變(非時變)系統(tǒng)，實際過程大多屬于此類系統(tǒng)。具有激勵和響應平移特性，只是時間延遲輸出取決輸入和初始條件；模擬定常系統(tǒng)用帶系數(shù)線性微分方程表示，離散定常系統(tǒng)用帶系數(shù)線性差分方程表示；因果系統(tǒng)，先激勵后響應，又叫可實現(xiàn)系統(tǒng)。52.1系統(tǒng)類別與模型1.系統(tǒng)類別第二章基于工藝機理的智能檢測

系統(tǒng)參數(shù)對時間的變化規(guī)律分類瞬態(tài)和動態(tài)系統(tǒng)瞬態(tài)系統(tǒng)：響應y=f(u)，u=u(t)，y和u只取決于t時刻的u，和其過去及未來值無關，無記憶系統(tǒng)。動態(tài)系統(tǒng)：系統(tǒng)在瞬時t的響應，由過去間隔[t-T,t]中的輸入信號確定，和記憶有關，記憶系統(tǒng)；隨機系統(tǒng)：系統(tǒng)參數(shù)變化沒有規(guī)律，只能用概率統(tǒng)計方法進行分析處理。只在特定條件下對隨機響應進行統(tǒng)計分析處理，采用相關分析，譜分析等方法。62.1系統(tǒng)類別與模型1.系統(tǒng)類別第二章基于工藝機理的智能檢測

按系統(tǒng)的線性度分類線性系統(tǒng)：數(shù)學方程分類，采用線性的描述方程，否則為非線性。特征：輸入f(t)增大a，輸出y(t)也增大a，具有齊次性或比例性，可加性或疊加性；分解性：y(t)由f(t)和初始條件決定，即輸出由兩個分量組成

零狀態(tài)線性響應+零輸入線性響應。72.1系統(tǒng)類別與模型1.系統(tǒng)類別第二章基于工藝機理的智能檢測

按系統(tǒng)的線性度分類非線性系統(tǒng)：不具有線性系統(tǒng)特征，一般無通解，在有限工作范圍內做線性處理。按系統(tǒng)的自由度分類：確定運動系統(tǒng)在任一瞬間位置所需獨立坐標個數(shù)。

單自由度系統(tǒng)：由一個獨立坐標確定；

多自由度系統(tǒng)：由多個獨立坐標確定。82.1系統(tǒng)類別與模型1.系統(tǒng)類別第二章基于工藝機理的智能檢測按參數(shù)分布分類集中參數(shù)系統(tǒng)：分布參數(shù)系統(tǒng)：按系統(tǒng)輸入輸出量分類

單輸入單輸出系統(tǒng)

多輸入多輸出系統(tǒng)系統(tǒng)變量和參數(shù)與空間位置無關。系統(tǒng)變量和參數(shù)是空間位置的函數(shù)。92.1系統(tǒng)類別與模型2.系統(tǒng)數(shù)學模型第二章基于工藝機理的智能檢測

數(shù)學模型模型：對系統(tǒng)特征及其變化規(guī)律的一種表示或抽象，常采用對所要研究的那些特點的特征量進行抽象。數(shù)學模型：采用數(shù)學描述形成對某個系統(tǒng)所建立的模型，可定義為一個被模型化的系統(tǒng)中的各個有關變量之間的關系所構成的數(shù)學結構。

代數(shù)方程、微分方程、差分方程、偏微分方程102.1系統(tǒng)類別與模型2.系統(tǒng)數(shù)學模型第二章基于工藝機理的智能檢測

建立系統(tǒng)的數(shù)學模型演繹分析法：由已有的關于系統(tǒng)的知識，采用演譯分析方法來建立數(shù)學模型，即利用專門學科領域提出的物質和能量的守恒性及連續(xù)性原理和系統(tǒng)結構參數(shù)，推導描述系統(tǒng)的數(shù)學模型。代數(shù)方程、微分方程、差分方程、偏微分方程總結歸納法：對一個已經存在的系統(tǒng)觀察，測量所得到的大量輸入輸出數(shù)據，推斷出被測系統(tǒng)的數(shù)學模型。112.1系統(tǒng)類別與模型2.系統(tǒng)數(shù)學模型第二章基于工藝機理的智能檢測

建立系統(tǒng)的數(shù)學模型總結歸納法：對一個已經存在的系統(tǒng)觀察，測量所得到的大量輸入輸出數(shù)據，推斷出被測系統(tǒng)的數(shù)學模型。該方法基本依據：在一定的輸入激勵條件下，系統(tǒng)的動態(tài)特性必然體現(xiàn)在它的輸入輸出數(shù)據中，這種應用實驗方法取得觀察數(shù)據來建立數(shù)學模型的方法稱為系統(tǒng)辯識。

實際中，兩種方法結合建模，混合建模方法。122.1系統(tǒng)類別與模型2.系統(tǒng)數(shù)學模型第二章基于工藝機理的智能檢測

建立系統(tǒng)的數(shù)學模型總結歸納法：對一個已經存在的系統(tǒng)觀察，測量所得到的大量輸入輸出數(shù)據，推斷出被測系統(tǒng)的數(shù)學模型。該方法基本依據：在一定的輸入激勵條件下，系統(tǒng)的動態(tài)特性必然體現(xiàn)在它的輸入輸出數(shù)據中，這種應用實驗方法取得觀察數(shù)據來建立數(shù)學模型的方法稱為系統(tǒng)辯識。

實際中，兩種方法結合建模，混合建模方法。132.1系統(tǒng)類別與模型2.系統(tǒng)數(shù)學模型第二章基于工藝機理的智能檢測

建立系統(tǒng)的數(shù)學模型混合建模方法串行建模方式并行建模方式142.1系統(tǒng)類別與模型2.系統(tǒng)數(shù)學模型第二章基于工藝機理的智能檢測

說明由演繹法建立的數(shù)學模型是系統(tǒng)模型化問題的唯一解。歸納法能滿足觀測到的輸入輸出數(shù)據關系的系統(tǒng)模型有無窮多個，需引入附加的假設和約束，從無窮多個可能的模型中找出合適的模型。152.1系統(tǒng)類別與模型2.系統(tǒng)數(shù)學模型第二章基于工藝機理的智能檢測

說明混合建模的優(yōu)點在于能充分利用多種方法的優(yōu)勢，取長補短，以更好地滿足軟測量建模的精度要求，同時，在混合模型中利用多種模型，也有助于多種模式信息的有效利用。各種混合模型主要是通過利用數(shù)據驅動黑箱模型進行機理模型的參數(shù)辨識或對模型結果進行簡單補償?shù)姆椒ㄟM行不易測量參量的在線檢測，這些方法并沒有考慮系統(tǒng)噪聲和未建模誤差對系統(tǒng)狀態(tài)的影響，所建立混合模型適用性較差，缺乏可實施性。162.1系統(tǒng)類別與模型3.檢測系統(tǒng)數(shù)學模型分類第二章基于工藝機理的智能檢測靜態(tài)模型和動態(tài)模型連續(xù)時間模型和離散時間模型時間域模型和頻率域模型線性模型和非線性模型時變模型和時不變模型集中參數(shù)模型和分布參數(shù)模型172.1系統(tǒng)類別與模型4.常用模型第二章基于工藝機理的智能檢測線性模型和非線性模型

系統(tǒng)輸入輸出關系可用微分方程來描述：系統(tǒng)輸入量x(t)，輸出量y(t)，ai，bi不是x，y及其導數(shù)的函數(shù)，為線性ai，bi是常數(shù)，系統(tǒng)為線性時不變，如為時間的函數(shù)，則系統(tǒng)為線性時變。線性、非線性模型由系統(tǒng)特征決定，與表示方法無關。182.1系統(tǒng)類別與模型4.常用模型第二章基于工藝機理的智能檢測

參數(shù)模型和非參數(shù)模型參數(shù)模型：由微分方程、差分方程、頻率響應函數(shù)或傳遞函數(shù)等的結構參數(shù)個數(shù)及它們的數(shù)值來描述。非參數(shù)模型：由曲線圖或一組采樣值來表示，如沖擊響應、階躍響應、頻率響應等。192.1系統(tǒng)類別與模型4.常用模型第二章基于工藝機理的智能檢測

確定型模型和隨機模型確定型模型：在數(shù)學描述中，沒有引入隨機變量的模型，即系統(tǒng)的各個變量和參數(shù)的值都是確定型的，在一定輸入下，模型的輸出端具有確定的響應。確定信號的特點是可預見的，可重復的。隨機模型：在數(shù)學描述中，引入隨機變量的模型，即只知道隨機變量的取值概率，不知其確定數(shù)值，隨機型數(shù)學模型的輸出響應也不是一個確切的值。202.1系統(tǒng)類別與模型4.常用模型第二章基于工藝機理的智能檢測連續(xù)系統(tǒng)模型和離散系統(tǒng)模型連續(xù)系統(tǒng)模型：微分方程、傳遞函數(shù)、連續(xù)狀態(tài)空間模型。離散系統(tǒng)模型：差分方程、離散傳遞函數(shù)，離散狀態(tài)空間。212.1系統(tǒng)類別與模型5.檢測系統(tǒng)描述第二章基于工藝機理的智能檢測描述方法末端描述法：輸入輸出描述內部描述法：狀態(tài)空間描述輸入輸出描述確定輸入輸出關系，微分方程和傳遞函數(shù)。少數(shù)輸出變量時使用，復雜系統(tǒng)需可觀測、可控時，不適合用此法。222.1系統(tǒng)類別與模型5.檢測系統(tǒng)描述第二章基于工藝機理的智能檢測

狀態(tài)空間描述：由狀態(tài)變量描述。確定狀態(tài)變量的時間特性；由已知狀態(tài)變量特性確定所需要輸出量，狀態(tài)方程和輸出方程。狀態(tài)方程輸出方程232.1系統(tǒng)類別與模型5.檢測系統(tǒng)描述第二章基于工藝機理的智能檢測

連續(xù)線性時不變系統(tǒng)數(shù)學模型確定型系統(tǒng)外部描述該激勵函數(shù)u=u(t)，響應函數(shù)y=y(t)。242.1系統(tǒng)類別與模型5.檢測系統(tǒng)描述第二章基于工藝機理的智能檢測

連續(xù)線性時不變系統(tǒng)數(shù)學模型確定型系統(tǒng)內部描述

N個狀態(tài)變量，x1，…，xn，輸入量u1，…，um，

輸出量y1，…，yk。252.1系統(tǒng)類別與模型5.檢測系統(tǒng)描述第二章基于工藝機理的智能檢測

連續(xù)線性時不變系統(tǒng)數(shù)學模型確定型系統(tǒng)內部描述262.1系統(tǒng)類別與模型5.檢測系統(tǒng)描述第二章基于工藝機理的智能檢測

連續(xù)線性時不變系統(tǒng)數(shù)學模型確定型系統(tǒng)內部描述D(t)C(t)dtB(t)A(t)UYX++++X?272.2檢測系統(tǒng)的模型1.靜動態(tài)模型第二章基于工藝機理的智能檢測靜態(tài)模型表示輸出和輸入的穩(wěn)態(tài)關系來描述系統(tǒng)，一般采用最小二乘方法得到。動態(tài)模型表示輸出與輸入隨時間變化的關系式，根據質量、能量、動量守恒定律并結合實際物理過程得到。282.2檢測系統(tǒng)的模型2.常用模型第二章基于工藝機理的智能檢測零階系統(tǒng)數(shù)學模型運動質量和阻尼可忽略，微分方程系數(shù)均為零。靜態(tài)靈敏度或增益292.2檢測系統(tǒng)的模型2.常用模型第二章基于工藝機理的智能檢測零階系統(tǒng)數(shù)學模型特點輸出量跟蹤輸入量變化變化比例不變；無失真和延遲；運動質量和阻尼可忽略不計的裝置與系統(tǒng)。適用裝置與系統(tǒng)位移電位器、電容傳感器、電子示波器。302.2檢測系統(tǒng)的模型2.常用模型第二章基于工藝機理的智能檢測一階系統(tǒng)數(shù)學模型運動質量和阻尼不可忽略

靜態(tài)靈敏度或增益k系統(tǒng)時間常數(shù)312.2檢測系統(tǒng)的模型2.常用模型第二章基于工藝機理的智能檢測一階系統(tǒng)數(shù)學模型特點有慣性、滯后；運動質量和阻尼不可忽略不計的裝置與系統(tǒng)。適用裝置與系統(tǒng)檢測系統(tǒng)中質量不大、運動慣量小的裝置或系統(tǒng)。液位溫度計、雙金屬片熱敏元件、應變片、細裸露熱電偶、細鎧裝熱電偶。322.2檢測系統(tǒng)的模型2.常用模型第二章基于工藝機理的智能檢測二階系統(tǒng)數(shù)學模型時間常數(shù)、阻尼、質量和加速度較大。

下式其歸一化形式，其中k為增益，為系統(tǒng)的阻尼比，為系統(tǒng)固有頻率。332.2檢測系統(tǒng)的模型2.常用模型第二章基于工藝機理的智能檢測

二階系統(tǒng)數(shù)學模型特點有慣性、滯后；運動質量和阻尼較大的裝置與系統(tǒng)。適用裝置與系統(tǒng)檢測系統(tǒng)中質量和阻尼較大的裝置或系統(tǒng)。大多數(shù)常用傳感器：壓電傳感器、動圈儀表、慣性元件、彈性元件、保護套熱電偶。342.3檢測系統(tǒng)靜態(tài)特性1.檢測系統(tǒng)靜態(tài)特性第二章基于工藝機理的智能檢測靜態(tài)特性靜態(tài)特性又稱“刻度特性”、“標準曲線”或者“校準曲線”。它是當被測對象處于靜態(tài)，即輸入為不隨時間變化的恒定信號時，測量系統(tǒng)輸入與輸出之間呈現(xiàn)的關系：352.3檢測系統(tǒng)靜態(tài)特性1.檢測系統(tǒng)靜態(tài)特性第二章基于工藝機理的智能檢測

質量指標精度系統(tǒng)的精度反映測試結果與真值的接近程度，與誤差大小相對應。真值來源為理論計算值、標準測量值或約定值等。精度可分為精密度、正確度和準確度（精確度）。測量值概率分布真值精密度高正確度高正確度高精密度低精密度高正確度低精密度低正確度低準確度最高準確度最低362.3檢測系統(tǒng)靜態(tài)特性1.檢測系統(tǒng)靜態(tài)特性第二章基于工藝機理的智能檢測

質量指標測量范圍：是指測試裝置能正常測量最小輸入量和最大輸入量之間的范圍。分辨力：指能引起輸出量發(fā)生變化時輸入量的最小變化量。表明測試裝置分辨輸入量微小變化的能力。分辨率：分辨力與整個測量范圍的百分比。表明測試裝置的相對分辨能力。372.3檢測系統(tǒng)靜態(tài)特性1.檢測系統(tǒng)靜態(tài)特性第二章基于工藝機理的智能檢測

靜態(tài)特性線性度：標定曲線與擬合直線的偏離程度稱為線性度。

e=（B/A）×100%yxBA382.3檢測系統(tǒng)靜態(tài)特性1.檢測系統(tǒng)靜態(tài)特性第二章基于工藝機理的智能檢測

靜態(tài)特性靈敏度：當測試裝置的輸入x有一增量△x，引起輸出y發(fā)生相應變化△y時，定義：

S=△y/△xyx△x△y392.3檢測系統(tǒng)靜態(tài)特性1.檢測系統(tǒng)靜態(tài)特性第二章基于工藝機理的智能檢測

靜態(tài)特性滯后量（回程誤差）測試裝置在輸入量由小增大和由大減小的測試過程中，對于同一個輸入量所得到的兩個數(shù)值不同的輸出量之間差值最大者為H，則定義回程誤差為：

h=(H/A)×100%yxH滿量程輸出：A402.3檢測系統(tǒng)靜態(tài)特性2.檢測系統(tǒng)靜態(tài)特性測定第二章基于工藝機理的智能檢測

靜態(tài)特性測定方法輸入標準信號測出相應輸出量確定標準曲線和參考直線求出線性度由輸出和輸入之比求靈敏度由同一信號進回程確定滯后量412.4檢測系統(tǒng)動態(tài)特性第二章基于工藝機理的智能檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性是指輸入量隨時間變化時系統(tǒng)的響應特性。由于檢測系統(tǒng)的慣性和滯后，當被測量隨時間變化時，系統(tǒng)的輸出往往來不及達到平衡狀態(tài)，處于動態(tài)過渡過程之中，所以檢測系統(tǒng)的輸出量也是時間的函數(shù)，其間的關系要用動態(tài)特性來表示。一個動態(tài)特性好的檢測系統(tǒng)，其輸出將再現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律，即具有相同的時間函數(shù)。實際的傳感器，輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數(shù),這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態(tài)誤差。

422.4檢測系統(tǒng)動態(tài)特性第二章基于工藝機理的智能檢測為了說明系統(tǒng)的動態(tài)特性，下面簡要介紹動態(tài)測溫的問題。當被測溫度隨時間變化或傳感器突然插入被測介質中，以及傳感器以掃描方式測量某溫度場的溫度分布等情況時，都存在動態(tài)測溫問題。如把一支熱電偶從溫度為t0℃環(huán)境中迅速插入一個溫度為t1℃的恒溫水槽中（插入時間忽略不計），這時熱電偶測量的介質溫度從t0突然上升到t1

，而熱電偶反映出來的溫度從t0℃變化到t1℃需要經歷一段時間，即有一段過渡過程，如下頁圖示。熱電偶反映出來的溫度與其介質溫度的差值就稱為動態(tài)誤差。432.4檢測系統(tǒng)動態(tài)特性第二章基于工藝機理的智能檢測動態(tài)測溫442.4檢測系統(tǒng)動態(tài)特性第二章基于工藝機理的智能檢測造成熱電偶輸出波形失真和產生動態(tài)誤差的原因，是溫度傳感器有熱慣性（由傳感器的比熱容和質量大小決定）和傳熱熱阻，使得在動態(tài)測溫時系統(tǒng)輸出總是滯后于被測介質的溫度變化。如帶有套管熱電偶其熱慣性要比裸熱電偶大得多。這種熱慣性是熱電偶固有的，它決定了熱電偶測量快速變化的溫度時會產生動態(tài)誤差。影響動態(tài)特性的“固有因素”任何檢測系統(tǒng)都有，只不過它們的表現(xiàn)形式和作用程度不同而已。452.4檢測系統(tǒng)動態(tài)特性第二章基于工藝機理的智能檢測

動態(tài)特性測定方法輸入標準信號（沖擊函數(shù)、階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)），測取相應響應。連續(xù)系統(tǒng)時域分析沖擊函數(shù)、階躍函數(shù)；單位沖擊響應；一階、二階系統(tǒng)的響應；系統(tǒng)任意確定性輸入的響應。462.4檢測系統(tǒng)動態(tài)特性第二章基于工藝機理的智能檢測

動態(tài)特性測定方法輸入標準信號（沖擊函數(shù)、階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)），測取相應響應。連續(xù)系統(tǒng)頻域分析定義；頻率響應曲線；頻率響應和正弦輸出輸入關系；用頻率響應描述任意輸入響應。472.4檢測系統(tǒng)動態(tài)特性第二章基于工藝機理的智能檢測

動態(tài)特性測定方法連續(xù)系統(tǒng)頻域分析從系統(tǒng)最低測量頻率fmin到最高測量頻率fmax，逐步增加正弦激勵信號頻率f，記錄下各頻率對應的幅值比和相位差，繪制就得到系統(tǒng)幅頻和相頻特性。

482.4檢測系統(tǒng)動態(tài)特性第二章基于工藝機理的智能檢測

動態(tài)特性測定方法檢測系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)一階系統(tǒng)的頻率特性表達式幅頻特性相頻特性492.4檢測系統(tǒng)動態(tài)特性第二章基于工藝機理的智能檢測

動態(tài)特性測定方法一階檢測系統(tǒng)頻率響應特性曲線(a)幅頻特性(b)相頻特性

502.4檢測系統(tǒng)動態(tài)特性第二章基于工藝機理的智能檢測

動態(tài)特性測定方法檢測系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)二階系統(tǒng)的頻率特性表達式幅頻特性相頻特性512.4檢測系統(tǒng)動態(tài)特性第二章基于工藝機理的智能檢測

動態(tài)特性測定方法二階檢測系統(tǒng)頻率響應特性曲線幅頻特性(b)相頻特性522.5基于機理的智能檢測第二章基于工藝機理的智能檢測

基于工藝機理的智能檢測主要是運用化學反應動力學、物料平衡、能量平衡等原理，通過對過程對象的機理分析，找出不可測主導變量與可測輔助變量之間的關系（建立機理模型），從而實現(xiàn)某一參數(shù)的測量。對于工藝機理較為清楚的工藝過程，該方法能夠很好地實現(xiàn)智能檢測。但是對于機理研究不充分，尚不完全清楚的復雜工業(yè)過程，難以建立合適的機理模型。此時該方法需要與其他參數(shù)估計方法相結合才能實現(xiàn)智能檢測。532.5基于機理的智能檢測第二章基于工藝機理的智能檢測

工藝機理分析過程系統(tǒng)工藝分析石化系統(tǒng)物料平衡、能量平衡系統(tǒng)機理分析系統(tǒng)先驗知識542.5基于機理的智能檢測第二章基于工藝機理的智能檢測

機理模型過程系統(tǒng)工藝模型石化系統(tǒng)物料平衡、能量平衡系統(tǒng)機理模型系統(tǒng)先驗知識552.5基于機理的