機(jī)電系統(tǒng)集成技術(shù)(1)

1、機(jī)電系統(tǒng)集成技術(shù)（1）,? 緒論,? 系統(tǒng)集成的建模與仿真,? 系統(tǒng)集成的控制技術(shù),? 系統(tǒng)集成中的接口和總線標(biāo)準(zhǔn),? 儀器儀表系統(tǒng)集成技術(shù),? 智能儀器軟硬件集成技術(shù),? 基于虛擬儀器技術(shù)的系統(tǒng)集成,? 微納機(jī)電系統(tǒng)集成技術(shù),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(luò)系統(tǒng)集成,· 新產(chǎn)品從構(gòu)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(jī)電設(shè)備有機(jī)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(shí)代旋律中頻頻出現(xiàn)的加強(qiáng)音。,1.1 系統(tǒng)集成的提出和發(fā)展,·計(jì)算機(jī)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使一個(gè)個(gè)孤立的個(gè)體作為模塊連成有機(jī)的整體。,機(jī)電系統(tǒng)集成技術(shù)正是在這樣的一些理念下發(fā)展起來的。,計(jì)算機(jī)集成制造的概念最早是美國人Harrington J.于1973年提出來的，強(qiáng)調(diào)①系統(tǒng)集成的觀點(diǎn)，②信息的觀點(diǎn)。,大的機(jī)電系統(tǒng)集成,計(jì)算機(jī)

3、集成制造系統(tǒng)CIMS (Computer Integrated Manufacturing System),小的機(jī)電系統(tǒng)集成,一臺(tái)設(shè)備、一臺(tái)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(chǔ)的TDC-2000型總體分布式控制系統(tǒng)（Total Distributed Control，簡稱為TDC），實(shí)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(gè)里程碑。吸收了計(jì)算機(jī)技術(shù)（Computer）、自動(dòng)控制技術(shù)（Control）、數(shù)據(jù)通信技術(shù)（Communication）、CRT（Cathode Ray Tube）顯示技術(shù)的所謂“4C技術(shù)” 。,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(xiǎn)分散、可靠性高、組態(tài)容易和擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)

5、點(diǎn)。,DCS是以微處理器為基礎(chǔ)的。進(jìn)入80年代中后期，可編程邏輯控制器PLC （Programmable Logic Controller）也開始應(yīng)用微處理器，而且也是分布式的，從這個(gè)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(jìn)一步發(fā)揮儀表的智能。,問題：,·有些大的產(chǎn)業(yè)集團(tuán)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(dú)立于賣方的系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)化的總線網(wǎng)絡(luò)順勢而生。網(wǎng)絡(luò)是開放式系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，因此進(jìn)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(jì)80年代開始發(fā)展，

7、專家們開發(fā)新技術(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)的國際通行的現(xiàn)場總線，以滿足總線供電、安全運(yùn)行、遠(yuǎn)距離通信等方面的要求。標(biāo)準(zhǔn)化打擊了壟斷，激發(fā)了競爭，促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。,系統(tǒng)集成技術(shù)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(jì)70年代，人們開始考慮將微型機(jī)嵌入到機(jī)電儀器設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)對象體系的智能化控制。嵌入式系統(tǒng)側(cè)重于控制功能和環(huán)境適應(yīng)性等，通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)側(cè)重于高速海量的數(shù)據(jù)文件處理能力。 嵌入式計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng),三個(gè)基本要素,嵌入式系統(tǒng)按形態(tài)可分為設(shè)備級（工控機(jī)）、板級（單板、模塊）和芯片級（MCU、SoC）。 微型計(jì)算機(jī)的體積、價(jià)位、可靠性無法滿足嵌入式應(yīng)用要求，嵌入式系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)做在一個(gè)芯片上，走上芯片化道路，開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)的單片機(jī)時(shí)代。,直接芯片化的模式，將通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的基本單元進(jìn)行裁剪后，集成在一個(gè)芯片上，構(gòu)成單片微型計(jì)算機(jī)；,Σ模式,創(chuàng)新模式,完全按嵌入式應(yīng)用要求設(shè)計(jì)全

9、新的，滿足嵌入式應(yīng)用要求的體系結(jié)構(gòu)、微處理器、指令系統(tǒng)、總線方式、管理模式等。,單片機(jī)誕生于20世紀(jì)70年代末，經(jīng)歷了 單片機(jī)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(shí)例。·嵌入式系統(tǒng)包括了通信（Communication）、計(jì)算（

10、Computation）、自動(dòng)控制技術(shù)（Control）等功能；·嵌入式系統(tǒng)包括數(shù)字模擬融合，微機(jī)電融合，電路板硅片融合，硬軟件設(shè)計(jì)融合，趨向SoC；嵌入式整機(jī)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(diǎn),· 系統(tǒng)集成的原則與方法,· 網(wǎng)絡(luò)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(diǎn),· 系統(tǒng)集成的原則與方法,· 網(wǎng)絡(luò)要求,· 遞階控制,《中國大百科全書·自動(dòng)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(jī)整體。,系統(tǒng)從廣義上可以定義為兩個(gè)或兩個(gè)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(gè)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(diǎn),· 系統(tǒng)集成的原則與方法,· 網(wǎng)絡(luò)要求,· 遞階控制,集成能使組成整體的各部分彼此有機(jī)協(xié)調(diào)地工作，以發(fā)揮整體效益，達(dá)到整體優(yōu)化的目的。集成不是各個(gè)分離部分簡單捏合在一起組成的“拼盤”，而應(yīng)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(shí)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(jī)整體。,,集成的大系統(tǒng)通常包含著許多不同型號(hào)的各類計(jì)算機(jī)、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(luò)平臺(tái)在物理上包含著多個(gè)連接多種異構(gòu)設(shè)備的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，而在邏輯上又是統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，以包容多樣性和各種傳輸動(dòng)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(luò)管理智能化是系統(tǒng)集成的特征。,系統(tǒng)集成是根據(jù)應(yīng)用的需求，將機(jī)電硬件平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、系統(tǒng)軟件、工具軟件及相應(yīng)的應(yīng)用軟件等集成為具有優(yōu)良性價(jià)比的機(jī)電系統(tǒng)的全過程。系統(tǒng)集成就是按照應(yīng)用需求，對眾多的技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)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(yīng)用需求的集成方案，使系統(tǒng)的整體性能最優(yōu)。,技術(shù)上具有先進(jìn)性,實(shí)現(xiàn)上具有可行性,使用上具有靈活性,發(fā)展上具有可擴(kuò)性,投資上具有受益性,,根據(jù)用戶的需求

15、，確定硬件平臺(tái)設(shè)備的選型；對已產(chǎn)品化的部件模塊進(jìn)行產(chǎn)品測試、驗(yàn)收；提供對其他設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫之間的連接技術(shù)；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(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)；準(zhǔn)備各廠商有關(guān)的產(chǎn)品的檢測驗(yàn)收及工程安裝施工標(biāo)準(zhǔn)。,以操作系統(tǒng)為核心構(gòu)建軟件平臺(tái)；已有應(yīng)用軟件和將要開發(fā)的應(yīng)用軟件的集成；對應(yīng)用軟件開發(fā)商進(jìn)行約束，使集成時(shí)可取得對應(yīng)用軟件系統(tǒng)的控制權(quán)和維護(hù)權(quán)；通過預(yù)留接口對應(yīng)用子系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)

16、應(yīng)用子系統(tǒng)的可互聯(lián)、可互操作、可運(yùn)行。,硬件集成,軟件集成,使用開發(fā)工具進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，建立系統(tǒng)原型，使系統(tǒng)的可維護(hù)性增強(qiáng)，提高系統(tǒng)開發(fā)的質(zhì)量；開發(fā)工具要盡可能開放，獨(dú)立于硬件平臺(tái)、軟件平臺(tái)甚至數(shù)據(jù)庫的選擇，這樣才有利于系統(tǒng)的擴(kuò)充和聯(lián)網(wǎng)。開發(fā)工具要有與高級語言的接口，有結(jié)構(gòu)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(shù)支持、售后服務(wù)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(diǎn),· 系統(tǒng)集成的原則與方法,· 網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行分析，包括系統(tǒng)目標(biāo)、系統(tǒng)約束、系統(tǒng)聯(lián)系、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等，分析過程中需要通過建模仿真分析達(dá)到系統(tǒng)優(yōu)化。,系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)總體，單元技術(shù)強(qiáng)調(diào)局部，單元通過集成形成總體，在系統(tǒng)集成過程中達(dá)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(shè)備、技術(shù)、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(jié)構(gòu)較復(fù)雜時(shí)，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(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)互連，不僅要對產(chǎn)品、技術(shù)和系統(tǒng)有全面深入的了解和分析，還應(yīng)具備設(shè)計(jì)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(diǎn),· 系統(tǒng)集成的原則與方法,· 網(wǎng)絡(luò)要求,

19、3; 遞階控制,（3）先進(jìn)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(diǎn),· 系統(tǒng)集成的原則與方法,· 網(wǎng)絡(luò)要求,· 遞階控制,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在大系統(tǒng)集成中扮演重要腳色，需要基于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來考慮可支持的計(jì)算機(jī)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(luò)用戶需求的分析，在網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)時(shí)采用如下原則：(1)系統(tǒng)成熟

20、可靠 在保證系統(tǒng)先進(jìn)性的同時(shí)，最重要的設(shè)計(jì)原則是保證系統(tǒng)的可用性和可靠性，在方案設(shè)計(jì)中盡量采用成熟的、經(jīng)過用戶使用認(rèn)可和在公開評測中認(rèn)可的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。,所選用設(shè)備盡量符合國際和國家標(biāo)準(zhǔn)，保證系統(tǒng)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、開放的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際需要，采用高可靠性設(shè)備和容錯(cuò)技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式等方面遵從國際標(biāo)準(zhǔn)。 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量靠攏國際標(biāo)準(zhǔn)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(luò)產(chǎn)品應(yīng)符合電氣與電子工程師學(xué)會(huì)IEEE的802系列標(biāo)準(zhǔn)和國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)CCITT所規(guī)定的X.25公用分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)程等國際流行的標(biāo)準(zhǔn)。 網(wǎng)絡(luò)低層應(yīng)有支持多種通信體系標(biāo)準(zhǔn)的能力，它反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)低層的開放性、互聯(lián)性，以適應(yīng)不斷發(fā)展的各種先進(jìn)通信技術(shù)，聯(lián)接各種通信網(wǎng)絡(luò)以增加網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)化,（3）先進(jìn)性 系統(tǒng)方案采用先進(jìn)的技術(shù)，保證系統(tǒng)具有一定的前瞻

22、性；采用的產(chǎn)品也應(yīng)該是業(yè)界一流的產(chǎn)品，并且是廠家重點(diǎn)研發(fā)的產(chǎn)品；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能滿足未來網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和擴(kuò)充的需求。（4）投資保護(hù) 所選用的設(shè)備易于升級、便于維護(hù)，符合技術(shù)發(fā)展方向，保護(hù)用戶投資。（5）易于管理 網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(hù)與管理。（6）產(chǎn)品與服務(wù)的長期性 在該網(wǎng)絡(luò)中，不僅選用生命力強(qiáng)的產(chǎn)品，還要求網(wǎng)絡(luò)集成方有能力提供長期的專業(yè)化服務(wù)。,,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(diǎn),· 系統(tǒng)集成的原則與方法,· 網(wǎng)絡(luò)要求,· 遞階控制,遞階控制方法是實(shí)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(wù)進(jìn)行分解的結(jié)構(gòu)方案；把控制任務(wù)分成幾個(gè)不同的層次，由各層控制器分別完成；下層任務(wù)的目標(biāo)函數(shù)受上層控制器決策的影響。,（2）分級控制按對象結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解的結(jié)構(gòu)方案；將對象劃

24、分成若干個(gè)系統(tǒng)，由各局部控制器完成現(xiàn)場控制任務(wù)；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(shí)序進(jìn)行分解的結(jié)構(gòu)方案；把控制過程分成若干段，在每段時(shí)間內(nèi)由不同的控制器完成對現(xiàn)場的控制。,實(shí)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(jié)構(gòu)中同時(shí)具有分級和分層兩種形式是很常見的。 這種同時(shí)具有多種遞階控制形式的控制結(jié)構(gòu)有時(shí)又稱作分級分布式控制。,,1.3

25、 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成,· 集成的基本結(jié)構(gòu)形式,· 物理層配置,· 應(yīng)用層,,1.3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成,· 集成的基本結(jié)構(gòu)形式,· 物理層配置,· 應(yīng)用層,傳統(tǒng)DCS及PLC體系結(jié)構(gòu)圖,FCS體系結(jié)構(gòu)圖,FCS簡化成兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)層，處于現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)的儀表通過鏈路設(shè)備同位于主站級網(wǎng)絡(luò)的工作站相連接。鏈路設(shè)備或中央控制器可以完成離散邏輯及順序控制。,當(dāng)控制在現(xiàn)場設(shè)備中完成時(shí)，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(jié)構(gòu)圖,每臺(tái)設(shè)備只處理一個(gè)回路，通過網(wǎng)絡(luò)將多臺(tái)設(shè)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(wù)被分散到并行工作的現(xiàn)場設(shè)備中，構(gòu)成工作效率很高的多任務(wù)系統(tǒng)，運(yùn)算能力也得到提高。這種系統(tǒng)易于擴(kuò)展，而且加入的設(shè)備越多，系統(tǒng)的能力越強(qiáng)。,,1.3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成,· 集成的基本結(jié)構(gòu)形式,· 物理層配置,· 應(yīng)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(huì)IEC物理層技術(shù)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(guān)子層與物理介質(zhì)獨(dú)立子層。現(xiàn)場總線物理層是由物理介質(zhì)的有關(guān)規(guī)定和傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)協(xié)議所構(gòu)成。物理層定義了信號(hào)是如何在介質(zhì)上以何種方式從一個(gè)設(shè)備傳遞到另一個(gè)設(shè)備。物理層使數(shù)據(jù)鏈路層在發(fā)送、接收數(shù)據(jù)時(shí)與物理介質(zhì)的類型無關(guān)。,物理層協(xié)議是有關(guān)系統(tǒng)安裝的一些規(guī)

28、定，它規(guī)定了機(jī)械恃性、電氣特性、功能特性和過程特性四類特性。 機(jī)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(hào)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(hào)的時(shí)序關(guān)系。,物理介質(zhì)相關(guān)子層負(fù)責(zé)處理不同傳輸介質(zhì)、不同傳輸速率的信號(hào)轉(zhuǎn)換問題，有時(shí)稱為介質(zhì)訪問單元。物理介質(zhì)獨(dú)立子層是介質(zhì)訪問單元與數(shù)據(jù)鏈路層的接口，信號(hào)的編碼、添加或刪除前導(dǎo)碼和分界符的工作均在該層完成。,當(dāng)傳輸一

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

30、息交換和遠(yuǎn)程操作，還作為應(yīng)用進(jìn)程的用戶代理(User Agent)，來完成一些為進(jìn)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(wù)處理（TP）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫訪問目錄服務(wù)（DS）,節(jié)點(diǎn)上所有應(yīng)用程序活動(dòng)需要采用應(yīng)用層，通過通信與網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)交換信息。在應(yīng)用程序和應(yīng)用層之間的接口稱為應(yīng)用層接口（Application Layer Interface， ALI）。應(yīng)用層及位于其下的表達(dá)層具有傳送網(wǎng)絡(luò)

31、變量、通過一般報(bào)文、網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文（NMM）、網(wǎng)絡(luò)診斷報(bào)文、外來幀發(fā)送等基本功能。 程序使用應(yīng)用層服務(wù)和其他節(jié)點(diǎn)通信，通信分為用戶數(shù)據(jù)交換、啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)診斷服務(wù)。,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(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，必須確定一系列設(shè)計(jì)指標(biāo)，對所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)提出必須滿足的技術(shù)要求，

32、然后才能著手具體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真。一般性的技術(shù)要求包括以下幾個(gè)方面：,系統(tǒng)用途是首先關(guān)心的問題，也是系統(tǒng)生產(chǎn)者預(yù)測市場需求首要的事項(xiàng)；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(jié)合技術(shù)上的可行性，再作出抉擇。,系統(tǒng)功能,性能指標(biāo)是系統(tǒng)功能的定量說明，每一項(xiàng)功能都應(yīng)該滿足一定的性能指標(biāo)；對于儀器儀表，性能指標(biāo)一般包括分辨率、靈敏度、尺寸精度、線性度、運(yùn)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(biāo)時(shí)，必須

33、有科學(xué)的依據(jù)。,性能指標(biāo),客觀環(huán)境條件有溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊、噪聲、電磁干擾；主觀因素應(yīng)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(yīng)具有足夠的使用壽命。,使用條件,投資方考慮投入的經(jīng)費(fèi)、人力及時(shí)間，產(chǎn)品在市場上將占有的份額及預(yù)計(jì)收益；用戶方要分析他們的費(fèi)效比和經(jīng)濟(jì)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(jì)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(shè)計(jì)階段還是詳細(xì)設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，需要考慮機(jī)械技術(shù)與電子控制技術(shù)的集成，創(chuàng)造出機(jī)械、電子以及軟件等有機(jī)結(jié)合的新產(chǎn)品。,,2.2 系統(tǒng)建模,2.2.6 計(jì)算機(jī)信息集成系統(tǒng)建模,2.2.7 系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù),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(xué)建模方法,2.2.5 機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)建模,2.2.8 計(jì)算機(jī)輔助建模,2.

35、2.1 數(shù)學(xué)模型定義和一般描述,2.2.3 數(shù)學(xué)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(shí)體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主觀認(rèn)識(shí)，有物理模型、數(shù)學(xué)模型、仿真模型等。 定量描述系統(tǒng)或過程的輸入輸出關(guān)系、因果關(guān)系、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性的模型稱為數(shù)學(xué)模型。 描述過程將涉及對實(shí)際系統(tǒng)特征信息的抽?。ㄈ绮杉?、選擇、傳輸、轉(zhuǎn)換等）、映射表示、融合等信息處理活動(dòng)。 建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型通常包括兩方面工

36、作：,模型結(jié)構(gòu)的確定模型的參數(shù)估計(jì),,,建立模型的過程叫“建?！?，通過觀測或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)建模稱為“辨識(shí)”。利用模型完成試驗(yàn)研究，即“仿真”，或稱“模擬”。,實(shí)現(xiàn)對時(shí)間序列的預(yù)測和控制；實(shí)現(xiàn)對隨機(jī)信號(hào)的估計(jì)；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)；實(shí)現(xiàn)過程控制。,建模是對系統(tǒng)或過程進(jìn)行分析的最重要的、最基本的過程。,,具有學(xué)科面廣、綜合性強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?、無破壞性、可多次重復(fù)、安全、經(jīng)濟(jì)、可控、不受氣候條件和場地空間的限制等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。 也是一

37、門不斷發(fā)展的高新技術(shù)，已成為現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)工程和科學(xué)研究的主要技術(shù)手段，被廣泛應(yīng)用于國防和國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。,系統(tǒng)建模與仿真是通用的支撐性技術(shù)。,,2.2 系統(tǒng)建模,2.2.6 計(jì)算機(jī)信息集成系統(tǒng)建模,2.2.7 系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù),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(xué)建模方法,2.2.5 機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)建模,2.2.8 計(jì)算機(jī)輔助建模,2.2.1 數(shù)學(xué)模型定義和一般描述,2.2.3 數(shù)學(xué)建模及其

38、過程,等效替代,模型的主要性質(zhì),被研究的實(shí)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(gè)系統(tǒng)具有相似性。2）適當(dāng)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(jì)算量大、運(yùn)算周期長、分析困難。 應(yīng)該具有多種因素折衷下的適當(dāng)精確性。3）可信性：模型必須經(jīng)過檢驗(yàn)和確認(rèn)，成為代表實(shí)際系統(tǒng)的有效模型，具有良好的置信度。

39、4）異構(gòu)性：同一個(gè)系統(tǒng)的模型可以具有不同的形式和結(jié)構(gòu)，模型研究中將選擇最方便、最合理的模型形式和結(jié)構(gòu)。5）通過性：輸入信息可獲取輸出信息，從而產(chǎn)生了實(shí)驗(yàn)辨識(shí)建模的依據(jù)。,定義,數(shù)學(xué)模型是描述實(shí)際系統(tǒng)各變量間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，合理的數(shù)學(xué)模型應(yīng)是能夠正確反映系統(tǒng)表征和特性的最簡數(shù)學(xué)表達(dá)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(shí)也尚待數(shù)學(xué)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(shí)間序列、脈沖傳遞函數(shù)、邏輯式、概率分布函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)圖,系統(tǒng)類型,數(shù)學(xué)模型,,,,2.2 系統(tǒng)建模,2.2.6 計(jì)算機(jī)信息集成系統(tǒng)建模,2.2.7 系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù),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(xué)建模方法,2.2.5 機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)建模,2.2.8

41、計(jì)算機(jī)輔助建模,2.2.1 數(shù)學(xué)模型定義和一般描述,2.2.3 數(shù)學(xué)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(jì)算機(jī)信息集成系統(tǒng)建模,2.2.7 系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù),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(xué)建模方法,2.2.5 機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)建模,2.2.8 計(jì)算機(jī)輔助建模,2.2.1 數(shù)學(xué)模型定義和一般描述,2.2.3 數(shù)學(xué)建模及其

42、過程,數(shù)學(xué)建模就是確定系統(tǒng)的模型形式、結(jié)構(gòu)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(xué)表達(dá)式。 數(shù)學(xué)建模型的幾條基本原則：,對數(shù)學(xué)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(jì)？模型是否容易實(shí)現(xiàn)？模型運(yùn)轉(zhuǎn)是否穩(wěn)定？是否可以達(dá)到頇期的精度要求？,建模時(shí)須考慮：,精確性簡明性層次性多用性可靠性標(biāo)準(zhǔn)化,,實(shí)際工程中的具體數(shù)學(xué)建模方法多達(dá)數(shù)十種。其中計(jì)算機(jī)輔助建模愈來愈多地被采用。,選

43、擇合理建模方法,機(jī)理分析法實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法定性推理法,計(jì)算機(jī)輔助建模流程圖,數(shù)學(xué)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(jié)論能反映實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)論。,觀察和分析系統(tǒng),提出問題,作出假設(shè),系統(tǒng)描述,構(gòu)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(rèn),多次反復(fù),模型校核，驗(yàn)證確認(rèn),有效后驗(yàn)?zāi)Ｐ?模型使用,,,,,,,,,,,,數(shù)學(xué)模型是從系統(tǒng)概念出發(fā)的關(guān)于現(xiàn)實(shí)世界部分的“映象”。真實(shí)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(guān)系。,系統(tǒng)建模的抽象過程,,2.2 系統(tǒng)建模,2.2.6 計(jì)算機(jī)信息集成系統(tǒng)建模,2.2.7 系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù),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(xué)建模方法,2.2.5 機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)建模,2.2.8 計(jì)算機(jī)輔助建模,2.2.1 數(shù)學(xué)模型定義和一般描述,2.2.3 數(shù)學(xué)建模及其過程,傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模方法分為機(jī)理分析建模與實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)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(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)建模也有新的發(fā)展，產(chǎn)生了現(xiàn)代系統(tǒng)辨識(shí)建模方法。,機(jī)理分析法直接相似法系統(tǒng)辨識(shí)法回歸統(tǒng)計(jì)法概率統(tǒng)計(jì)法量綱分析法網(wǎng)絡(luò)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(jì)法計(jì)算機(jī)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(biāo)，對建模精度、周期和費(fèi)用的要求等來確定，在很大程度上取決于建模者的經(jīng)驗(yàn)。,原則1,“白盒”問題,機(jī)理分析法直

46、接相似法量綱分析法圖解法,,內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性清楚的系統(tǒng)；建模對象較簡單、任務(wù)又十分明確的場合。,（1）數(shù)學(xué)建模方法的一般選擇,原則2,“灰盒”或“黑盒”問題,系統(tǒng)辨識(shí)法實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法蒙特卡洛法分析-統(tǒng)計(jì)法,,內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性不很清楚的系統(tǒng)；,容許進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)觀測,不能直接進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)觀測,定性推理法網(wǎng)絡(luò)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(jī)系統(tǒng)或過程,概率統(tǒng)計(jì)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(xué)系統(tǒng),隔艙系統(tǒng)法概率統(tǒng)計(jì)法,,原則6,非工程領(lǐng)域問題,,層次分析法網(wǎng)絡(luò)分析法博弈矩陣描述法,現(xiàn)代數(shù)學(xué)建模是一個(gè)不斷迭代的過程，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用必將成為各種建模方法的主要支撐技術(shù)。,（2）機(jī)理分析法,分析系統(tǒng)功能、原理，對系統(tǒng)作出與建模目標(biāo)相關(guān)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(xué)模型； 進(jìn)行模型標(biāo)準(zhǔn)化；

48、 進(jìn)行模型檢驗(yàn)，必要時(shí)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(xué)科專業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)，利用物理定律和物理規(guī)律，通過分析系統(tǒng)變量間的關(guān)系和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對被研究系統(tǒng)的有關(guān)要素進(jìn)行理論分析、演繹歸納，從而構(gòu)造出該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(chǔ)實(shí)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(shí)，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(xué)模型。,利用直接相似法建模中，只要設(shè)法得到相似系統(tǒng)中的其中一個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(xué)模型。一般講，相似系統(tǒng)必定具有相同形式的數(shù)學(xué)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(yīng)關(guān)系及模型表,（4）系統(tǒng)辨識(shí)法,辨識(shí)建模的計(jì)算機(jī)迭代過程,又叫做實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法，是一種借助系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)輸入-輸出觀測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)辨識(shí)理論與技術(shù)建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法，整個(gè)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

50、的辨識(shí)是一個(gè)不斷迭代的過程。,（5）概率統(tǒng)計(jì)法,實(shí)際系統(tǒng)中有相當(dāng)一部分系統(tǒng)包含著許多隨機(jī)因素，這類含隨機(jī)因素的隨機(jī)系統(tǒng)和過程的數(shù)學(xué)描述自然應(yīng)該是隨機(jī)模型。 隨機(jī)模型一般的建模方法是采用概率統(tǒng)計(jì)的手段。在理論分析和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用概率統(tǒng)計(jì)知識(shí)和方法建立實(shí)際隨機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。,按照概率統(tǒng)計(jì)學(xué)，隨機(jī)變量可用來描述隨機(jī)系統(tǒng)中的每個(gè)基本事件，是用數(shù)值表示的隨機(jī)事件的函數(shù)，它的概率分布可完整地表征隨機(jī)系統(tǒng)的概率統(tǒng)計(jì)規(guī)律。概率統(tǒng)計(jì)法

51、建模的實(shí)質(zhì)就是通過理論分析和試驗(yàn)尋求適合于系統(tǒng)隨機(jī)特性的這種概率分布。,,,選擇概率分布類型是概率統(tǒng)計(jì)建模的中心內(nèi)容，可首先按照先驗(yàn)知識(shí)判斷該隨機(jī)系統(tǒng)大體屬于某一類理論概率分布情況，決定應(yīng)當(dāng)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(yīng)該采集和占有足夠的實(shí)驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)，以合理選擇概率分布，檢驗(yàn)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(yàn)分布或半經(jīng)驗(yàn)分布。,電子裝置的熱噪聲、各種測量誤差；飛機(jī)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(dá)時(shí)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(dǎo)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(gòu)成了與之相應(yīng)的推理法建模原理。,采用定性建模方法的原因：,實(shí)際系統(tǒng)過于復(fù)雜或缺乏信息，無法構(gòu)造精確定量模型；實(shí)際系統(tǒng)的許多特性具有模糊性、不確定性，難以量化；有時(shí)只要知道系統(tǒng)的定性結(jié)果，無須作精確繁冗的定量計(jì)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(jì)算機(jī)信息集成系統(tǒng)建模,2.2.7 系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù),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(xué)建模方法,2.2.5 機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)建模,2.2.8 計(jì)算機(jī)輔助建模,2.2.1 數(shù)學(xué)模型定義和一般描述,2.2.3 數(shù)學(xué)建模及其過程,每個(gè)儀器儀表都構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，完整的系統(tǒng)可分成子系統(tǒng)和模

54、塊，模塊化設(shè)計(jì)仿真減少了研發(fā)和制作的復(fù)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(shù)進(jìn)步十分有利。 機(jī)電一體化設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要有一種能建立和評價(jià)各種技術(shù)集成的框架結(jié)構(gòu)。 為此，采用一種自上而下和基于信息策略的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將整個(gè)系統(tǒng)分解為一系列的功能模塊或結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)、外觀、造型和防護(hù)的作用。 代表系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)

55、構(gòu)，通常包含機(jī)械傳動(dòng)、支承和支座，又稱執(zhí)行模塊。,輸入由驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)換為相對應(yīng)的電信號(hào)。,,設(shè)計(jì)要求：考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度外，還必須考慮精度、慣量、阻尼、摩擦、間隙和美學(xué)要素等要求，以符合靜平衡、動(dòng)平衡、動(dòng)能最小和外形美觀等設(shè)計(jì)原則。,,功能：采集有關(guān)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(jī)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(shè)計(jì)

56、要求：不失真地反映被測物理變量的時(shí)間變化曲線。包含了分辨率、精度、線性范圍、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等一系列技術(shù)指標(biāo)。,,功能：提供驅(qū)動(dòng)力改變系統(tǒng)包含速度和方向的運(yùn)行狀態(tài)，產(chǎn)生所希望的運(yùn)動(dòng)輸出。輸入條件由控制器的輸出指令設(shè)定，指令由所要求的運(yùn)動(dòng)形式定義。,設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)參數(shù)包括運(yùn)動(dòng)形式(直線運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)等)、運(yùn)動(dòng)變量(預(yù)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(dòng)模塊則把機(jī)械傳動(dòng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的內(nèi)部、外部，近程和遠(yuǎn)程通訊。實(shí)現(xiàn)方法分為有線和無線兩種。,設(shè)計(jì)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(yuǎn)距離傳輸多采用光纜或無線通信網(wǎng)絡(luò)；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(shí)現(xiàn)各個(gè)獨(dú)立設(shè)備之間的通信。,,功能：負(fù)責(zé)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(yùn)行有關(guān)的設(shè)定參數(shù)。輸出決定驅(qū)動(dòng)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(dāng)前的工作狀態(tài)。,設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)的輸入/輸出數(shù)目和形式。根據(jù)將要實(shí)現(xiàn)的功能的數(shù)量和復(fù)雜程度，可以決定合適的中央處理器以及存儲(chǔ)器的容量和速度。,,功能：包括系統(tǒng)的操作指令和預(yù)先定義的各種算法，負(fù)責(zé)控制微計(jì)算機(jī)模塊工作。其特性和形式與所選用的微計(jì)算機(jī)模塊密切相關(guān)。其質(zhì)量對機(jī)電一體化系統(tǒng)的柔性和智能化有著巨大的影響。,設(shè)計(jì)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(yùn)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(jì)算機(jī)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(dòng)模塊的執(zhí)行部件電動(dòng)機(jī)。,在最高級，必要的人機(jī)接口用來傳遞用戶信息。在設(shè)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(guān)。,在設(shè)計(jì)過程中的每一個(gè)階段，都可以確定由獨(dú)立的模塊提供的功能特性，以及被傳遞的信息特性。 在一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)中，一個(gè)獨(dú)立模塊很可能是一個(gè)機(jī)電一體化的子系統(tǒng)。機(jī)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(shè)計(jì)中構(gòu)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(dòng)、沖擊以及負(fù)載因素等； 任何一臺(tái)儀器設(shè)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(shè)計(jì)的技術(shù)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(qiáng)調(diào)實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，例如，例行試驗(yàn)條件等。,注意,,,,,,2.2 系統(tǒng)建模,2.2.6 計(jì)算機(jī)信息集成系統(tǒng)建模,2.2.7 系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù),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(xué)建模方法,2.2.5 機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)建模,2.2.8 計(jì)算機(jī)輔助建模,2.2.1

62、 數(shù)學(xué)模型定義和一般描述,2.2.3 數(shù)學(xué)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(jìn)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(yuǎn)地的數(shù)據(jù)時(shí)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(tái)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(gòu)的設(shè)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(jìn)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(yīng)和企業(yè)的管理模式相匹配。,,,,,2.2 系統(tǒng)建模,2.2.6 計(jì)算機(jī)信息集成系統(tǒng)建模,2.2.7 系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù),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(xué)建模方法,2.2.5 機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)建模,2.2.8 計(jì)算

64、機(jī)輔助建模,2.2.1 數(shù)學(xué)模型定義和一般描述,2.2.3 數(shù)學(xué)建模及其過程,系統(tǒng)辨識(shí)是通過測量系統(tǒng)在外作用輸入下的系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)的數(shù)據(jù)，按照一定準(zhǔn)則，在給定的約束條件下，從這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出反映系統(tǒng)本質(zhì)屬性的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)，并確定出模型中的未知參數(shù)。 待識(shí)別的對象可稱為系統(tǒng)黑箱。,(1) 系統(tǒng)辨識(shí)原理,系統(tǒng)辨識(shí)過程及原理框圖,根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)和具體建模目標(biāo)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并設(shè)定合適的實(shí)驗(yàn)輸入信號(hào)；按照經(jīng)驗(yàn)和先驗(yàn)知識(shí)設(shè)定待

65、識(shí)別系統(tǒng)的模型類，即數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)框架；規(guī)定“等價(jià)”含義或擬合準(zhǔn)則，即給定準(zhǔn)則函數(shù)；進(jìn)行參數(shù)估計(jì)；完成模型檢驗(yàn)和質(zhì)量評估，得到最終數(shù)學(xué)模型。,模型辨識(shí)中應(yīng)著重考慮的問題：,系統(tǒng)辨識(shí)過程需要解決模型框架、模型結(jié)構(gòu)和模型參數(shù)三方面的問題。,系統(tǒng)辨識(shí)分為在線辨識(shí)和離線辨識(shí)，采用何種辨識(shí)方式主要取決于數(shù)學(xué)建模的目標(biāo)和數(shù)學(xué)模型的用途。,在系統(tǒng)運(yùn)行過程中邊測量邊辨識(shí)，通常采用遞推算法逐點(diǎn)進(jìn)行辨識(shí)，不斷用新測量數(shù)據(jù)修正當(dāng)前的估計(jì)值。,,,事后處理

66、，即先記錄或存貯所有實(shí)驗(yàn)的輸入-輸出數(shù)據(jù)，待實(shí)驗(yàn)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(shí)。,數(shù)學(xué)模型的范圍、格式，即模型類。,變量間的關(guān)系。,由待定的向量參數(shù)構(gòu)成。,確定待識(shí)別系統(tǒng)的一個(gè)范圍較大的模型框架； 利用結(jié)構(gòu)知識(shí)使被選擇的模型類的范圍逐漸減少； 得到一個(gè)合適的具有固定結(jié)構(gòu)參數(shù)的模型類。,模型類的選定取決于對待識(shí)別系統(tǒng)的綜合分析和建模目標(biāo)。,模型類別,靜態(tài)模型或動(dòng)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(shí)變參數(shù)模型或時(shí)不變參數(shù)模型；,參數(shù)模型或非參數(shù)模型；隨機(jī)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(jì)假定檢驗(yàn)法，如F檢驗(yàn)法；矩陣-奇異性判定法，如Hankel矩陣判定法。近似法分為：預(yù)報(bào)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(zhǔn)則定階、零-極點(diǎn)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(jié)構(gòu)的判定主要是在

68、上述模型類基礎(chǔ)上辨識(shí)該模型的階次。判定模型結(jié)構(gòu)的方法主要可歸為經(jīng)典法和近似法兩大類。,,,(2) 估計(jì)問題,模型參數(shù)辨識(shí)主要指參數(shù)估計(jì)和狀態(tài)估計(jì)，關(guān)鍵在于提出性能準(zhǔn)則函數(shù)和確定估計(jì)參數(shù)算法。涉及系統(tǒng)辨識(shí)、狀態(tài)估計(jì)、時(shí)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(xué)科和領(lǐng)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(jì)意義的數(shù)值。其實(shí)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(shí)值及其變化過程 。,

69、定義,在某一估計(jì)準(zhǔn)則條件下使相應(yīng)的指標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)值時(shí)的估計(jì)，實(shí)質(zhì)上是一種處理測量數(shù)據(jù)的算法。,估計(jì),,最優(yōu)估計(jì),,,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(jì)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(jì)意義的數(shù)值。,,狀態(tài)量,所謂最優(yōu)估計(jì)是指在某一估計(jì)準(zhǔn)則條件下使得相應(yīng)的指標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)值時(shí)的估計(jì)。,量測值,量測誤差,,,,,,,,,,,,,濾波,平滑,預(yù)測,