第11章化学传感技术PPT讲稿.ppt

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1、第11章化学传感技术第1页，共60页，编辑于2022年，星期日11.1 概述概述v1.1.什么叫前沿什么叫前沿 根据科学的思维方法，一般认为：人类的某些先进的思维、根据科学的思维方法，一般认为：人类的某些先进的思维、思想、概念、观点、理论、模式、方式、学科、专业、技能、思想、概念、观点、理论、模式、方式、学科、专业、技能、产品、服务、技巧、心理体验等的信息综合，称为前沿。产品、服务、技巧、心理体验等的信息综合，称为前沿。v2.2.前沿传感技术前沿传感技术 传感技术是前沿技术，传感技术学科属前沿学科；传感技术是前沿技术，传感技术学科属前沿学科；本章内容主要介绍其他章节较少涉及的内容；本章内容主要

2、介绍其他章节较少涉及的内容；只作常识介绍只作常识介绍第2页，共60页，编辑于2022年，星期日v 单单一一微微传传感感器器。显著特点是尺寸小(从微米级到毫米级、有的甚至达到纳米级)，主要采用精密加工、微电子技术以及MEMS技术，使尺寸大大减小。v 集集成成微微传传感感器器。将将微微小小的的敏敏感感元元件件、信信号号处处理理器器、数数据据处理装置封装在一块芯片上，形成集成的传感器。处理装置封装在一块芯片上，形成集成的传感器。v 微微传传感感器器系系统统。包包括括微微传传感感器器、微微执执行行器器，可可以以独独立立工工作作。此此外外，还还可可以以由由多多个个微微传传感感器器组组成成传传感感器器网网

3、络络或或者者通通过过其其他他网网络实现异地联网。络实现异地联网。11.2 11.2 微机电传感器微机电传感器 11.2.1 11.2.1 微传感器微传感器第3页，共60页，编辑于2022年，星期日1 1力力微传感器：（微传感器：（1 1）工作）工作原理原理v由由于于力力的的作作用用，能能够够引引起起物物体体的的变变形形，因因此此只只要要能能够够测测得变形量，就能够测到力。得变形量，就能够测到力。v在在这这种种通通过过物物体体变变形形来来测测量量力力的的系系统统中中，一一般般由由弹弹性性元元件件来来感感受受力力的的作作用用，产产生生弹弹性性变变形形，再再由由敏敏感感元元件件将将这这种种变变形转换

4、成另一种信号输出。形转换成另一种信号输出。11.2.3 几种典型微机电传感器几种典型微机电传感器第4页，共60页，编辑于2022年，星期日1 1力力微传感器：（微传感器：（2 2）电容式硅微加速度计）电容式硅微加速度计v该加速度计由一个与两端固定的梁带动中央的质该加速度计由一个与两端固定的梁带动中央的质量块构成，质量块的位移由其上下金属电极的电量块构成，质量块的位移由其上下金属电极的电容信号读出。容信号读出。第5页，共60页，编辑于2022年，星期日2 2微陀螺：（微陀螺：（1 1）工作原理）工作原理v微微机机械械振振动动陀陀螺螺：利利用用振振动动元元件件来来测测出出角角速速度度，振振动动陀陀

5、螺螺的的工工作作原原理理是是基基于于哥哥氏氏效效应应，通通过过一一定定形形式式的装置产生并检测哥氏加速度。的装置产生并检测哥氏加速度。第6页，共60页，编辑于2022年，星期日2 2微陀螺：（微陀螺：（2 2）微陀螺示例）微陀螺示例v微机械振动陀螺：利用振动元件来测出角速度。微机械振动陀螺：利用振动元件来测出角速度。第7页，共60页，编辑于2022年，星期日11.3.1 11.3.1 软测量概述软测量概述11.3.2 11.3.2 软测量技术基本原理软测量技术基本原理11.3.3 11.3.3 软测量技术的应用软测量技术的应用 11.3 软测量与软传感器软测量与软传感器第8页，共60页，编辑于

6、2022年，星期日v软软测测量量技技术术一一般般是是根根据据某某种种最最优优准准则则，通通过过选选择择一一些些容容易易测测量量且且与与主主导导变变量量密密切切联联系系的的二二次次变变量量(辅辅助助变变量量)来来预预测测主主导导变变量量，它它所所建建立立的的软软测测量量模模型型可可以以完完成成一一些些实际硬件检测仪器所不能完成的测量任务。实际硬件检测仪器所不能完成的测量任务。v在在测测量量中中不不存存在在直直接接的的物物理理传传感感器器或或仪仪器器实实体体，而而是是利利用用其其他他由由直直接接物物理理传传感感器器实实体体得得到到的的信信息息，通通过过数数学学模模型计算手段得到所需检测信息的一种功

7、能实体。型计算手段得到所需检测信息的一种功能实体。11.3.1 软测量概述软测量概述第9页，共60页，编辑于2022年，星期日1 1软测量技术的软测量技术的数学描述数学描述和结构和结构v软软测测量量的的目目的的就就是是利利用用所所有有可可以以获获得得的的信信息息求求取取主主导导变变量量的的最最佳佳估估计计值值，即即构构造造从从可可测测信信息息集集到到 的的映映射射。可可测测信信息息集集包包括括所所有有的的可可测测主主导导变变量量y(y可可能能部部分分可可测测)、辅辅助助变变量量、控控制制变变量量u和和可测扰动可测扰动d1 1。f为估计函数关系，即软测量模型。为估计函数关系，即软测量模型。v在在

8、这这样样的的框框架架结结构构下下，软软测测量量的的性性能能主主要要取取决决于于过过程程的的描描述述、噪噪声声和扰动的特性、辅助变量的选取以及最优准则。和扰动的特性、辅助变量的选取以及最优准则。11.3.2 软测量技术基本原理软测量技术基本原理第10页，共60页，编辑于2022年，星期日1 1软测量技术的数学描述和软测量技术的数学描述和结构结构v软测量技术的软测量技术的核心核心是建立工业对象的精确可靠的是建立工业对象的精确可靠的模型模型。v初始初始软测量模型是对过程变量的软测量模型是对过程变量的历史历史数据进行辨识而来的。数据进行辨识而来的。v在在现现场场测测量量数数据据中中可可能能含含有有随随

9、机机误误差差甚甚至至粗粗大大误误差差，必必须须经经过过数数据据变变换换和和数数据据校校正正等等预预处处理理，将将真真实实信信号号从从含含噪噪声声的的混混合合信信号号中中分分离离出出来来，才能用于软测量建模或作为软测量模型的输入。才能用于软测量建模或作为软测量模型的输入。v软软测测量量模模型型的的输输出出就就是是软软测量对象的测量对象的实时估计值实时估计值。第11页，共60页，编辑于2022年，星期日2 2影响软测量性能的主要因素影响软测量性能的主要因素（1 1）中间）中间辅助变量辅助变量的选择：的选择：1)1)变量变量类型类型的选择的选择 v灵敏性灵敏性：能对过程输出或不可测扠动作出快速反应；

10、：能对过程输出或不可测扠动作出快速反应；v特异性特异性：对过程输出或不可测扰动之外的干扰不敏感；：对过程输出或不可测扰动之外的干扰不敏感；v过程适用性过程适用性：工程上易于获得并能达到一定的测量精度；：工程上易于获得并能达到一定的测量精度；v精确性精确性：构成的软测量估计器满足精度要求；：构成的软测量估计器满足精度要求；v鲁棒性鲁棒性：构成的软测量估计器对模型误差不敏感。：构成的软测量估计器对模型误差不敏感。v遗遗憾憾的的是是以以上上选选择择原原则则难难以以用用定定量量的的形形式式表表示示，而而现现代代工工业业某某些些对对象象具具有有数数百百个个检检测测变变量量，面面对对如如此此庞庞大大的的可

11、可测测变变量量集集，若若采采用用定定性性分分析析的的方方法法对对每每个个变变量量逐逐一一进进行行判判断断，工工作作量量非非常常大大，简简直直不不可可能能实实现现。现现在在主主要要根根据据工工业业对对象象的的机机理理、工工艺流程以及专家经验来选择辅助变量。艺流程以及专家经验来选择辅助变量。第12页，共60页，编辑于2022年，星期日2 2影响软测量性能的主要因素影响软测量性能的主要因素（1 1）中间）中间辅助变量辅助变量的选择：的选择：2)2)变量变量数目数目的选择的选择v辅辅助助变变量量数数量量的的下下限限是是被被估估计计的的变变量量数数，然然而而最最优优数数量量的的确确定定目目前前尚尚无无统

12、统一一的的结结论论。一一般般来来说说，原原始始辅辅助助变变量量数数目目、类类型型很很多多，往往往往有有数数十十个个，并并且且相相关关程程度度差差异异较较大大，为为了了实实时时运运行行方方便便，有有必必要要对对输输入入变变量量进进行行适适当的降维处理。当的降维处理。v选选择择思思想想是是对对各各原原始始辅辅助助变变量量与与主主导导变变量量之之间间的的相相关关性性进进行行分分析析，根根据据分分析析所所得得相相关关性性的的强强弱弱，以以决决定定哪哪些些适适合合作作为为建建模模用用的的辅辅助助变量。变量。第13页，共60页，编辑于2022年，星期日2 2影响软测量性能的主要因素影响软测量性能的主要因素

13、（1 1）中间）中间辅助变量辅助变量的选择：的选择：3)3)检测点检测点位置位置的选择的选择v对对于于许许多多工工业业工工程程，与与各各辅辅助助变变量量相相对对应应的的检检测测点点位位置置的的选选择择是是相相当当重重要要的的。在在使使用用软软测测量量技技术术时时，检检测测位位置置对对模模型型的的动动态态特特性性有有一一定定影影响响。因因此此，对对输输入入中中间间辅辅助助变变量量各各个个检检测测点点的的检检测测方方法法、位位置置和和仪仪表表精精确确度度等需有一定要求。等需有一定要求。v采采用用奇奇异异值值分分解解或或工工业业控控制制仿仿真真软软件件等等方方法法进进行行检检测测点点的的选选取取，一

14、一般般情情况况下下，辅辅助助变变量量的的数数目目和和位位置置常常常常是是同同时时确确定定的的，用用于于选择变量数目的准则往往也被用于检测点位置的选择。选择变量数目的准则往往也被用于检测点位置的选择。第14页，共60页，编辑于2022年，星期日2 2影响软测量性能的主要因素影响软测量性能的主要因素（2 2）输入数据的处理输入数据的处理v软软仪仪表表是是根根据据过过程程测测量量数数据据经经过过数数值值计计算算从从而而实实现现软软测测量量的的，其其性性能能很很大程度上依赖于所获过程测量数据的准确性和有效性。大程度上依赖于所获过程测量数据的准确性和有效性。v一一方方面面，在在数数据据采采集集时时，要要

15、注注意意数数据据的的“信信息息”量量，均均匀匀分分配配采采样样点点，尽尽量量拓拓宽宽数数据据的的涵涵盖盖范范围围，减减少少信信息息重重叠叠，避避免免某某一一方方面面信信息息冗冗余余，否否则则会会影影响响最最终终建建模模的的质质量量；另另一一方方面面，对对采采集集来来的的数数据据进进行行适适当当的的处处理理，因为现场采集的数据必然会受到不同程度环境噪声的影响而存在误差。因为现场采集的数据必然会受到不同程度环境噪声的影响而存在误差。第15页，共60页，编辑于2022年，星期日2 2影响软测量性能的主要因素影响软测量性能的主要因素（2 2）输入数据的处理输入数据的处理v数数据据预预处处理理：由由于于

16、工工业业现现场场采采集集的的数数据据具具有有一一定定随随机机性性，数数据据预预处处理理主主要要是是消消除除突突变变噪噪声声和和周周期期性性波波动动噪噪声声的的影影响响。为为提提高高数数据据处处理理的的精精确确度度，除除去去随随机机噪噪声声，可可采采用用数数据据平平滑滑化化方方法法如如时域平滑滤波和频域滤波法等。时域平滑滤波和频域滤波法等。v数数据据二二次次处处理理：根根据据软软测测量量采采用用的的系系统统建建模模方方法法及及其其机机理理不不同同，须须对对预预处处理理后后的的数数据据进进行行二二次次处处理理，如如采采用用神神经经网网络络方方法法进进行行系系统统建建模模需需要要对对预预处处理理后后

17、的的数数据据进进行行归归一一化化处处理理，采采用用模模糊糊逻逻辑辑方方法法需对预处理后的数据进行量化处理。需对预处理后的数据进行量化处理。第16页，共60页，编辑于2022年，星期日2 2影响软测量性能的主要因素影响软测量性能的主要因素（3 3）数学模型数学模型的建立：的建立：1 1）机理机理方法方法v机机理理模模型型通通常常由由代代数数方方程程组组或或微微分分方方程程组组组组成成。在在对对工工业业对对象象的的物物理理化化学学过过程程获获得得了了全全面面清清晰晰的的认认识识后后，通通过过列列写写对对象象的的平平衡衡方方程程(如如物物料料平平衡衡、能能量量平平衡衡、动动量量平平衡衡、相相平平衡衡

18、等等)和和反反映映流流体体传传热热传传质质等等基基本本规规律律的的动动力力学学方方程程、物物性性参参数数方方程程和和设设备备特特性性方方程程等等，确确定定不不可可测测主主导导变变量量和可测辅助变量的数学关系，建立估计主导变量的精确数学模型。和可测辅助变量的数学关系，建立估计主导变量的精确数学模型。v机机理理建建模模的的应应用用受受模模型型准准确确程程度度的的影影响响，而而且且由由于于要要求求解解方方程程组组，计计算算量量大大，收收敛敛慢慢，难难以以满满足足在在线线实实时时估估计计的的要要求求，对对模模型型进进行行简简化化必必然然会会降降低低模模型型的的精精度度。计计算算时时间间和和计计算算精精

19、度度的的矛矛盾盾制制约约了了机机理理建建模模的的应用。应用。第17页，共60页，编辑于2022年，星期日2 2影响软测量性能的主要因素影响软测量性能的主要因素（3 3）数学模型数学模型的建立：的建立：1 1）机理机理方法方法v由由于于大大多多数数实实际际过过程程存存在在着着严严重重的的非非线线性性和和不不确确定定性性，难难以以单单独独采采用用机机理理方方法法，但但可可以以借借助助已已知知的的对对象象特特性性确确定定经经验验模模型型的的结结构构或或辅辅助助变变量量，再利用经验方法确定模型的具体参数。这种方法目前应用最广泛。再利用经验方法确定模型的具体参数。这种方法目前应用最广泛。（3 3）数学模

20、型数学模型的建立：的建立：2 2）经验经验方法方法v经经验验模模型型是是根根据据测测量量对对象象的的外外特特性性来来描描述述其其动动态态行行为为的的模模型型。由由测测量量数数据据直直接接求求取取模模型型的的方方法法称称为为系系统统辨辨识识；根根据据既既定定模模型型结构由测量数据确定参数的方法称为参数估计。结构由测量数据确定参数的方法称为参数估计。第18页，共60页，编辑于2022年，星期日2 2影响软测量性能的主要因素影响软测量性能的主要因素（3 3）数学）数学模型模型的的建立建立：3)3)基于基于人工智能人工智能的方法的方法v人工智能技术因无需对象精确的数学模型成为软测量技术中建人工智能技术

21、因无需对象精确的数学模型成为软测量技术中建模的有效方法。人工神经网络、模糊技术等模仿人脑的逻辑思模的有效方法。人工神经网络、模糊技术等模仿人脑的逻辑思维，用于处理模型未知或不精确的控制问题，在软测量中也得维，用于处理模型未知或不精确的控制问题，在软测量中也得到大量的应用。到大量的应用。（4 4）数学模型的）数学模型的修正修正v由于过程的随机噪声和不确定性，所建数学模型与实际对象间有由于过程的随机噪声和不确定性，所建数学模型与实际对象间有误差，如果误差大于工艺允许的范围时，应对数学模型进行校正。误差，如果误差大于工艺允许的范围时，应对数学模型进行校正。校正方法可以是自学习方法，也可根据当前数据进

22、行重新建模。校正方法可以是自学习方法，也可根据当前数据进行重新建模。采用卡尔曼采用卡尔曼布西观测器进行状态估计时，可通过闭环校正进行布西观测器进行状态估计时，可通过闭环校正进行数学模型修正。数学模型修正。第19页，共60页，编辑于2022年，星期日1 1软测量技术的应用条件软测量技术的应用条件v软软测测量量技技术术作作为为一一种种新新的的检检测测与与控控制制技技术术，与与其其他他技技术术相相似似，只只有有在在其其适适用用范范围围内内才才能能充充分分发发挥挥自自身身优优势势，因因此此，必必须须对对其其适适用用条件进行分析；条件进行分析；v通通过过软软测测量量技技术术所所得得到到的的过过程程变变量

23、量估估计计值值必必须须在在工工艺艺过过程程所所允允许的精确度范围内；许的精确度范围内；v能能通通过过其其他他检检测测手手段段根根据据过过程程变变量量估估计计值值对对系系统统数数学学模模型型进进行行校验，并根据两者偏差确定数学模型校正与否；校验，并根据两者偏差确定数学模型校正与否；v直接检测被估过程变量的自动化仪器仪表较贵或维护困难；直接检测被估过程变量的自动化仪器仪表较贵或维护困难；v被估过程变量应具有灵敏性、精确性、鲁棒性、合理性及特异性。被估过程变量应具有灵敏性、精确性、鲁棒性、合理性及特异性。11.3.3 软测量技术的应用软测量技术的应用第20页，共60页，编辑于2022年，星期日2工程

24、化实施步骤工程化实施步骤 v(1)二次变量的选择二次变量的选择 v(2)现场数据采集与处理现场数据采集与处理 v(3)软测量模型结构选择软测量模型结构选择 v(4)软测量模型的在线校正软测量模型的在线校正 v(5)软测量模型的实施软测量模型的实施 第21页，共60页，编辑于2022年，星期日3软测量技术在工业中的应用软测量技术在工业中的应用 v推断控制 推断控制简介推断控制简介主导变量主导变量 以软件来代替硬件控制以软件来代替硬件控制软仪表和控制器软仪表和控制器第22页，共60页，编辑于2022年，星期日4 4研究展望研究展望v（1 1）与与控控制制技技术术结结合合：检检测测的的目目的的是是为

25、为了了控控制制，好好的的检检测测手手段段是是精精确确控控制制的的基基础础。因因此此，将将软软测测量量技技术术与与各各种种控控制制方方法法相相结结合合将将推推动动过过程程工工业业的的更更快快发发展展。同同时时，飞飞速速发发展展的的通通讯讯技技术术为为现现场场检检测测数数据据的的实实时时传传播播提提供供了了便便利利的的条条件件，尤尤其其采采用用基基于于现现场场总总线线的的智能仪表后，在一台仪表中实现多个回路的控制将成为可能。智能仪表后，在一台仪表中实现多个回路的控制将成为可能。v（2 2）与与计计算算机机技技术术结结合合：即即实实现现软软测测量量技技术术软软件件化化，通通用用化化。这这将将大大大大

26、提提高高软软测测量量技技术术的的可可用用性性，降降低低应应用用难难度度，拓拓宽宽其其应应用领域。用领域。第23页，共60页，编辑于2022年，星期日4 4研究展望研究展望v（3 3）与与虚虚拟拟仪仪器器系系统统集集成成：虚虚拟拟仪仪器器技技术术综综合合运运用用了了计计算算机机软软件件技技术术、智智能能测测试试技技术术、模模板板及及总总线线的的标标准准化化技技术术、数数字字信信号号处处理理(DSP)(DSP)技技术术、图图形形处处理理(GPS)(GPS)技技术术及及高高速速专专用用集集成成电电路路(ASIC)(ASIC)制制造造技技术术等等，虚虚拟拟仪仪器器是是建建立立在在标标准准化化、系系列列

27、化化、模模块块化化、积积木木化化的的硬硬件件与与软软件件平平台台上上的的一一个个完完全全开开放放的的系系统统，一一个个仪仪器器集集成成的的系系统统。软软测测量量方方法法与与虚虚拟拟仪仪器器技技术术具具有有内内在在的的、密密切切的的结结构构上上的的联联系系。二二者者的的结结合合将将成成为为现现代代测测试试系系统统发发展展的的主主流流，在在诸诸多多工工业业过过程程难难测参数中亦将展示其优势。测参数中亦将展示其优势。第24页，共60页，编辑于2022年，星期日4 4研究展望研究展望v（4 4）与与传传感感器器硬硬件件结结合合：软软测测量量方方法法的的发发展展带带动动传传感感器器技技术术的的软软件件和

28、和硬硬件件紧紧密密结结合合共共同同发发展展，集集高高速速数数据据处处理理能能力力和和直直接接传传感感器器实体为实体为体的新一代传感器产品将会有更广阔的前景。体的新一代传感器产品将会有更广阔的前景。v（5 5）与与因因特特网网技技术术结结合合：利利用用不不断断普普及及和和发发展展InternetInternet资资源源，在在更更广广泛泛的的领领域域里里有有效效地地利利用用各各种种数数据据信信息息，发发展展真真正正意意义义的的网网络络协协同同软软测量，实现基于测量，实现基于InternetInternet的广域交互检测控制网络。的广域交互检测控制网络。第25页，共60页，编辑于2022年，星期日1

29、1.4 11.4 模糊传感器模糊传感器v11.4.1 11.4.1 模糊理论与模糊传感器模糊理论与模糊传感器v11.4.2 11.4.2 模糊传感器的结构模糊传感器的结构v11.4.3 11.4.3 模糊传感器的应用模糊传感器的应用 第26页，共60页，编辑于2022年，星期日11.4.1 11.4.1 模糊理论简述模糊理论简述v概概念念是是思思维维的的基基本本形形式式之之一一，它它反反映映了了客客观观事事物物的的本本质质特特征征。人人类类在在认认识识过过程程中中，把把感感觉觉到到的的事事物物的的共共同同特特点点抽抽象象出出来来加加以以概括，这就形成了概念。概括，这就形成了概念。v一一个个概概

30、念念有有它它的的内内涵涵和和外外延延：内内涵涵是是指指该该概概念念所所反反映映的的事事物物本本质质属属性性的的总总和和，也也就就是是概概念念的的内内容容；外外延延是是指指一一个个概概念念所所确确指指的的对对象象的的范范围。围。v所所谓谓模模糊糊概概念念是是指指这这个个概概念念的的外外延延具具有有不不确确定定性性，或或者者说说它它的的外外延延是是不清晰的，是模糊的。不清晰的，是模糊的。v模模糊糊性性是是精精确确性性的的对对立立面面，但但不不能能消消极极地地理理解解模模糊糊性性代代表表的的是是落落后后的的生生产产力力，恰恰恰恰相相反反，我我们们在在处处理理客客观观事事物物时时，经经常常借借助助于模

31、糊性。于模糊性。第27页，共60页，编辑于2022年，星期日11.4.1 11.4.1 模糊理论简述模糊理论简述v在实用上有必要将传统明确集合中绝对属于的概念扩充至相对属在实用上有必要将传统明确集合中绝对属于的概念扩充至相对属于的概念；即允许论域中的元素在某种程度上是属于该集合，同于的概念；即允许论域中的元素在某种程度上是属于该集合，同時也可以在某种程度上不属于该集合，强调具有時也可以在某种程度上不属于该集合，强调具有“亦此亦彼的模糊亦此亦彼的模糊概念集合概念集合”便称之为便称之为“模糊集合模糊集合”。v模糊理论是以模糊集合为基础，其基本精神是接受模糊性现象模糊理论是以模糊集合为基础，其基本精

32、神是接受模糊性现象存在的事实，而以处理概念模糊不确定的事物为其研究目标，存在的事实，而以处理概念模糊不确定的事物为其研究目标，并积极的将其严密的量化成计算机可以处理的讯息，不主张用并积极的将其严密的量化成计算机可以处理的讯息，不主张用繁杂的数学分析即模型来解决模型。繁杂的数学分析即模型来解决模型。第28页，共60页，编辑于2022年，星期日11.4.1 11.4.1 模糊理论简述模糊理论简述v传统的传感器测量是一种数值测量。它将被测量映射传统的传感器测量是一种数值测量。它将被测量映射到实数集合中，以到实数集合中，以数值符号的形式数值符号的形式来描述被测量状态，来描述被测量状态，因此称之为数值传

33、感器。它一方面具有精度高、无冗余因此称之为数值传感器。它一方面具有精度高、无冗余的优点，另一方面又存在测量结果不易理解，数值存储的优点，另一方面又存在测量结果不易理解，数值存储量大和涉及人类自身行为以及某些高层逻辑信息难以描量大和涉及人类自身行为以及某些高层逻辑信息难以描述的问题。述的问题。v模糊传感器是在经典传感器数值测量的基础上，经过模糊模糊传感器是在经典传感器数值测量的基础上，经过模糊推理与知识集成，以推理与知识集成，以自然语言符号自然语言符号描述的形式输出测量描述的形式输出测量结果。结果。第29页，共60页，编辑于2022年，星期日11.4.2 11.4.2 模糊传感器的结构模糊传感器

34、的结构v（1 1）学学习习功功能能：人人类类知知识识积积累累的的实实现现、测测量量结结果果的的高高级级逻逻辑辑表表达达等等都都是是通通过过学学习习功功能能实实现现的的；能能够够根根据据测测量量任任务务的的要要求求学学习习有有关关知知识识是是模模糊糊传传感感器器与与传传统统传传感感器器的的重重要要差差别别；模模糊糊传传感感器器的的学学习习功功能能是是通通过过有导师学习算法和无导师学习算法完成的。有导师学习算法和无导师学习算法完成的。v（2 2）推推理理联联想想功功能能：模模糊糊传传感感器器在在接接收收到到外外界界信信息息后后，可可以以通通过过对对人人类类知知识识的的集集成成而而生生成成的的模模糊

35、糊推推理理规规则则实实现现传传感感器器信信息息的的综综合合处处理理，对对被被测测量量的的测测量量值值进进行行拟拟人人类类自自然然语语言言的的表表达达等等；为为了了实实现现这这一一功功能能，推推理理机机制制和和知知识识库库(存存放放基基本本模模糊糊推推理理规规则则)是必不可少的。是必不可少的。1、模糊传感器的基本功能、模糊传感器的基本功能 第30页，共60页，编辑于2022年，星期日1.1.模糊传感器的基本功能模糊传感器的基本功能v（3 3）感感知知功功能能：模模糊糊传传感感器器与与传传统统传传感感器器一一样样可可以以感感知知敏敏感感元元件件确确定定的的被被测测量量，但但是是模模糊糊传传感感器器

36、不不仅仅可可以以输输出出数数量量值值，而而且且可可以以输输出出易易于于人人类类理理解解和和掌掌握握的的自自然然语语言言符符号号量量，因因此此必必须须具具有有数数值值/符符号号转换器。转换器。v（4 4）通通信信功功能能：模模糊糊传传感感器器具具有有自自组组织织能能力力，不不仅仅可可进进行行自自检检测测、自自校校正正、自自诊诊断断等等，而而且且可以与上级系统进行信息交换。可以与上级系统进行信息交换。第31页，共60页，编辑于2022年，星期日2.2.模糊传感器的基本结构模糊传感器的基本结构 v逻逻辑辑框框图图：其其逻逻辑辑结结构构可可以以分分为为转转换换部部分分和和符符号号处处理理与与通通信信部

37、部分分。从从功功能能上上看看，有有信信息息调调理理与与转转换换层层、数数值值符符号号转转换换层层、符符号号处处理理层层、有有指指导导信信息息层层和和通通信信层层。这这些些功功能能有有机机地地集集成成在在一一起起，完完成成数数值符号转换功能。值符号转换功能。第32页，共60页，编辑于2022年，星期日2.2.模糊传感器的基本结构模糊传感器的基本结构 v物理物理结构框图：模糊传感器以结构框图：模糊传感器以CPUCPU为核心，以传为核心，以传统测量为基础，采用软件实现符号的生成与处统测量为基础，采用软件实现符号的生成与处理，在人机智能接口的支持下实现有导师学习理，在人机智能接口的支持下实现有导师学习

38、功能，通过通信单元实现与外部的通信。功能，通过通信单元实现与外部的通信。第33页，共60页，编辑于2022年，星期日2.2.模糊传感器的基本结构模糊传感器的基本结构 v多多维维模模糊糊传传感感器器结结构构：基基础础测测量量单单元元完完成成传传统统的的传传感感测测量量任任务务；语语言言符符号号生生成成与与处处理理单单元元，实实现现模模糊糊传传感感器器的的核核心心工工作作“数数值值符符号号转换转换”，即模糊变换。，即模糊变换。第34页，共60页，编辑于2022年，星期日v知知识识库库中中存存放放的的知知识识主主要要有有符符号号量量及及其其隶隶属属函函数数、合合成成概概念念的的规规则则、被被测测对对

39、象象的的背背景景知知识识及及测测量量系系统统的的有有关关知知识识等等。知知识识库库中中经经验验隶隶属属函函数数可可通通过过模模糊糊统统计计、选选择择比比较较等等方方法法产产生生。对对不不同同测测量量对对象象具具体体确确定定相相应应的的隶隶属属函函数数时时，既既可可在在知知识识库库中中经经验验隶隶属属函函数数的的基基础础上上，通通过过模模糊糊语语言言关关系系自自动动产产生生，也也可可在在导导师师指指导导下下通通过过学学习习和和训训练练来来产产生生和和修修正正隶隶属属函函数数，这这正正是是设设计计学学习单元习单元的主要目的。的主要目的。v调整好的符号量和隶调整好的符号量和隶属关系放入知识库中。属关

40、系放入知识库中。通过调整符号量的隶通过调整符号量的隶属函数，可使模糊传属函数，可使模糊传感器适于不同测量目感器适于不同测量目的。的。第35页，共60页，编辑于2022年，星期日v通过对一组采样样本的训练，模糊传感器可自动产生一个概念通过对一组采样样本的训练，模糊传感器可自动产生一个概念序列，放在序列，放在数据库数据库中。有数值测量结果送入时，按最大隶属度原中。有数值测量结果送入时，按最大隶属度原则选一符号量输出，即实现了数值符号转换。则选一符号量输出，即实现了数值符号转换。v语言概念合成器语言概念合成器主要用来实现合成多个语言概念。语言概念的合成是建主要用来实现合成多个语言概念。语言概念的合成

41、是建立在经验知识基础上的，不能通过公式计算，须利用知识库中的经验知立在经验知识基础上的，不能通过公式计算，须利用知识库中的经验知识通过模糊推理实现。识通过模糊推理实现。v为为实实现现有有导导师师学学习习，还还必必须须具具有有输输入入设设备备，用用户户通通过过它它实实现现对对传传感感器器的的控制和调整概念。控制和调整概念。v语言数值转换器语言数值转换器则可将语言符号转换为数值量。则可将语言符号转换为数值量。第36页，共60页，编辑于2022年，星期日v通信接口通信接口实现模糊传感器与上级系统之间的信息交换，把测量结果实现模糊传感器与上级系统之间的信息交换，把测量结果(数值量与符号量数值量与符号量

42、)输出到系统总线，并从系统总线接收上级系统的命输出到系统总线，并从系统总线接收上级系统的命令。人机接口是模糊传感器与操作者进行信息交流的通道。令。人机接口是模糊传感器与操作者进行信息交流的通道。第37页，共60页，编辑于2022年，星期日11.4.3 11.4.3 模糊传感器的应用模糊传感器的应用1模糊血压传感器模糊血压传感器 模糊血压传感器的功能模糊血压传感器的功能 隶属函数产生过程隶属函数产生过程 模糊血压传感器的工作过程模糊血压传感器的工作过程 第38页，共60页，编辑于2022年，星期日2模糊温度传感器模糊温度传感器 硬件结构硬件结构 第39页，共60页，编辑于2022年，星期日数值符

43、号变换原理数值符号变换原理第40页，共60页，编辑于2022年，星期日有导师学习有导师学习 主程序流程主程序流程第41页，共60页，编辑于2022年，星期日11.5 11.5 混沌测量混沌测量v11.5.1 11.5.1 混沌理论概述混沌理论概述v11.5.2 11.5.2 混沌在测量中的应用混沌在测量中的应用第42页，共60页，编辑于2022年，星期日v混混沌沌是是指指发发生生在在确确定定性性系系统统中中的的貌貌似似随随机机的的不不规规则则运运动动，一一个个确确定定性性理理论论描描述述的的系系统统，其其行行为为却却表表现现为为不不确确定定性性不不可可重重复复、不不可可预预测测，这就是混沌现象

44、。这就是混沌现象。v混混沌沌现现象象起起因因于于物物体体不不断断以以某某种种规规则则复复制制前前一一阶阶段段的的运运动动状状态态，而而产产生生无无法法预预测测的的随随机机效效果果。所所谓谓“差差之之毫毫厘厘，失失之之千千里里”正正是是此一现象的最佳批注。此一现象的最佳批注。v混混沌沌现现象象发发生生于于易易变变动动的的物物体体或或系系统统，该该物物体体在在行行动动之之初初极极为为单单纯纯，但但经经过过一一定定规规则则的的连连续续变变动动之之后后，却却产产生生始始料料所所未未及及的的后后果果，也也就就是是混混沌沌状状态态。但但是是此此种种混混沌沌状状态态不不同同于于一一般般杂杂乱乱无无章章的的的

45、的混混乱乱状状况况，此此一一混混沌沌现象经过长期及完整分析之后，可以从中理出某种规则出来。现象经过长期及完整分析之后，可以从中理出某种规则出来。v混混沌沌是是非非线线性性动动力力系系统统的的固固有有特特性性，是是非非线线性性系系统统普普遍遍存存在在的的现现象。象。10.5.1 混沌理论概述混沌理论概述第43页，共60页，编辑于2022年，星期日线性线性系统与系统与非线性非线性系统的系统的区别区别 v 运动的形式不同。线性系统典型地在空间和时间上表现为光滑、运动的形式不同。线性系统典型地在空间和时间上表现为光滑、规则运动，而非线性系统往往会表现出从光滑变为混沌运动，看上去规则运动，而非线性系统往

46、往会表现出从光滑变为混沌运动，看上去像随机行为。像随机行为。v 对于线性系统来说，当它的参数有微小的变化时，其响应曲线仍然对于线性系统来说，当它的参数有微小的变化时，其响应曲线仍然是光滑的。而对于非线性系统来说，参数的变化可能产生运动轨迹巨大是光滑的。而对于非线性系统来说，参数的变化可能产生运动轨迹巨大量的差异。量的差异。v 线性系统中孤立的脉冲通常会随着时间而传播、衰减，而非线性线性系统中孤立的脉冲通常会随着时间而传播、衰减，而非线性系统中，由于可以存在高度相干稳定的局部结构，而可以长时间维持系统中，由于可以存在高度相干稳定的局部结构，而可以长时间维持下去。下去。第44页，共60页，编辑于2

47、022年，星期日混沌现象的混沌现象的基本特征基本特征 v1 1、内在随机性。从确定性非线性系统的演化过程看，它们在混沌区的行、内在随机性。从确定性非线性系统的演化过程看，它们在混沌区的行为都表现出随机不确定性。然而这种不确定性不是来源于外部环境的随为都表现出随机不确定性。然而这种不确定性不是来源于外部环境的随机因素对系统运动的影响，而是系统自发产生的。机因素对系统运动的影响，而是系统自发产生的。v2 2、初值敏感性。对于没有内在随机性的系统，只要两个初始、初值敏感性。对于没有内在随机性的系统，只要两个初始值足够接近从它们出发的两条轨线在整个系统溟过程中都将保值足够接近从它们出发的两条轨线在整个

48、系统溟过程中都将保持足够接近。但是对具有内在随机性的混沌系统而言，从两个持足够接近。但是对具有内在随机性的混沌系统而言，从两个非常接近的初值出发的两个轨线在经过长时间演化之后，可能非常接近的初值出发的两个轨线在经过长时间演化之后，可能变得相距变得相距“足够足够”远，表现出对初值的极端敏感，即所谓远，表现出对初值的极端敏感，即所谓“失之毫厘，失之毫厘，谬之千里谬之千里”。第45页，共60页，编辑于2022年，星期日v传传统统的的测测量量技技术术以以线线性性方方法法为为主主,强强调调的的是是稳稳定定、平平衡衡和和均匀性。均匀性。v用用 “混混沌沌”方方法法的的非非线线性性观观点点却却以以不不稳稳定

49、定、非非平平衡衡和和不不均均匀匀性性作作为为它它的的基基本本特特征征，非非线线性性系系统统就就是是在在不不稳稳定定、非非平平衡衡的的状状态态中中来来提提取取信信息息、处处理理信信息息，从从而而来来显显示示它特有的优点的。它特有的优点的。v混混沌沌测测量量具具有有极极高高的的灵灵敏敏度度和和极极高高的的分分辨辨率率，而而且且它它还具有极强的适应能力，是很有发展前途的领域。还具有极强的适应能力，是很有发展前途的领域。11.5.2 混沌在测量中的应用混沌在测量中的应用1引言引言第46页，共60页，编辑于2022年，星期日v混混沌沌系系统统中中最最重重要要的的一一个个性性质质是是初初值值敏敏感感性性和

50、和参参数敏感性。数敏感性。v初初值值敏敏感感性性是是指指混混沌沌系系统统中中初初值值有有一一微微小小变变化化就就会会引引起起混混沌沌轨轨道道的的很很大大变变化化；同同样样，参参数数敏敏感感性性是是指指当当混混沌沌系系统统的的参参数数有有一一微微小小变变化化时时，经经过过一一定定时时间间的的演演化化，其其混混沌沌轨轨道道也也将将发发生生显显著著的变化。的变化。2测量原理测量原理11.5.2 混沌在测量中的应用混沌在测量中的应用第47页，共60页，编辑于2022年，星期日3.3.基于混沌系统初值敏感性的检测技术基于混沌系统初值敏感性的检测技术v基基于于混混沌沌系系统统初初值值敏敏感感性性的的检检测