（控制理论与控制工程专业论文）智能环境测控与信息处理系统研究.pdf

摘要 智能环境测控与信息处理系统研究 摘要 实现智能化的工矿环境测控与信息处理是亟待解决的新课题。工 矿生产中的安全生产已是刻不容缓的大问题。在煤矿开采领域，有多 种安全事故经常发生，煤矿井下生产环境因素的安全与否不但影响着 企业生产效益的提高，而且与生产操作人员的身心健康有着很直接的 关系，因此环境的检测和控制质量的提高显得尤为重要和势在必行。 本课题研究的智能环境测控部分主要是检测煤矿井下的环境温度 和液压支架上的压力等参数，将这些现场的数据通过单片机系统进行 现场存储和显示。然后，采用红外无线数据传输的方式，把数据传送 到后台，进行后续的数据分析处理。课题的信息处理部分是采用模糊 控制的智能信息处理的方法，对煤矿井下的环境做出评估，为工矿环 境的预测和事故的预报提供依据，从而可以有效的预测和预防一些事 故的发生，减少不必要的损失和避免灾难的发生。 在算法方面，本文采用的是模糊控制的信息处理方法，在阐述模 糊控制的基本原理、功能和算法的基础上，基于模糊控制的信息处理 系统的研究方法对煤矿环境进行智能评价。为了达到更高和更准确的 预报预警，将实验所得到的温度、压力数据和瓦斯浓度融合，进行模 糊计算，符合煤矿井下复杂工矿环境的评价要求，为上级决策的科学 性、智能性提供依据。 北京化t 大学硕l ：学位论文 关键词：智能测控，煤矿安全，单片机，红外传输，模糊控制 i i 摘要 i n t e l l i g e n te n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n ga n d i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e m a b s t r a c t i m p l e m e n t a t i o no fi n t e l l i g e n tm i n i n ge n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n ga n d i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gi san e wi s s u et ob er e s o l v e d i i lm i n i n gp r o d u c t i o n s a f i e t yi sab i gp r o b l e m su 唱e n t l yw h i c hi sn e e d e dt ob es o l v e d i nc o a lm i n i n ga r e a s ，an u m b e ro fs e c u r i t yan u m b e ro fs e c u r i 够 i n c i d e n t so r e no c c u r t h ec o a lp r o d u c t i o ns a f e t yo ft h ee n v i r o n m e n tf a c t o r s n o to n l ya 行e c t st h ei m p r o v e m e n to fp r o d u c t i o ne m c i e n c y ，b u ta l s oh a sa d i r e c tr a l a t i o n s h i pw i t ht h ep h y s i c a la n dm e m a lh e a l t ho ft h eo p e r a t o r s s o d e t e c t i o na n dc o n t r o lo ft h ee n v i r o m e n ti s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n ta n d i m p e r a t i v et oi m p r o v eq u a l i t yo f t h ee n v i r o n m e n t t h ep a r to ft h ei n t e l l i g e me n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l m a i n l yr e s e a r c h e st h ea m b i e mt e m p e r a t l l r ea n dp r e s s u r eo nt h eh y d r a u l i c s u p p o r tp a r a m e t e r s ，t h e s eo n - s i t ed a t as t o r i n ga n dd i s p l a y i n gt 1 1 r o u g ht h e m c us y s t e m u s i n gi n 矗a r e dw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns e n t st op c ，t o a n a l y s i st h ed a t ap r o c e s s i n g f u z z ：yc o n t r o lo ft h ei n t e l l i g e n ti n f o m l a t i o n p r o c e s s i n gm e t h o di sb eu s e dt oa s s e s st h ee n v i r o n m e n to ft h ec o a lm i n e ， i i i 北京化工大学硕士学位论文 w h i c hc a l le f f e c t i v e l yp r e d i c ta n dp r e v e n ta c c i d e n t sa n dr e d u c eu n n e c e s s a 拶 l o s s e sa n da v o i dd i s a s t e ro c c u r r e d i nt h ea l g o r i t h m ，t h i sp a p e ri sb a s e do nm z z yc o n t r o lo fi n f o m a t i o n p r o c e s s i n gm e t h o d s ni so n t h eb a s i so ft h eb a s i cp r i n c i p l e s ，如n c t i o n sa n d a l g o r i t h m st oe x p a t i a t et h e 如z z yc o n t r o l ，a n dd i s c u s st h er e s e a r c h i n g m e t h o do ft h ei n f o m l a t i o np r o c e s s i n go nt h e 如z z yc o n t r 0 1 i no r d e rt o f o r e c a s t e a r l yw a m i n g f a s ta n d e x c a t l y i ti su s e dt h e e x p e r i m e n t t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ed a t aa 1 1 dg a sc o n c e n t r a t i o nf o rt h e 缸z 2 ：) ，c o n t o r l a n do p e r a t i o n ，w h i c ha c c o r d sw i t ht h e e v a l u a t i n gr e q u i r e m e n to ft h e c o n l p l e x e n v i r o n m e n t a li nt h ec o a lm i n e ，a n dp r o v i d es c i e n t i f i ca n d i n t e l l i g e n c eb a s i sf o rt h eu p p e rd e c i s i o n - m a k i n g k e yw o r d s ： i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，t h ec o a lm i n es a f e 吼m c u ，i n 矗a r e d t r a n s m i s s i o n ，f h 乃可c o m r o l i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：赴 日期：塑兰三望 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 差维 日期：矽! ! 举 导师签名： 蓟荭， 日期：瑚挈：s 邵 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着信息技术的飞速发展，对智能的环境测控与信息处理的要求也在快速增 长，该类需求将综合运用到智能的控制技术、检测技术、数据传输技术和信息处 理技术，尤其在例如煤矿井下这类相对恶劣的工作环境下，进行该类应用研究的 需求显得更加迫切。为了便于将本课题“智能环境测控与信息处理系统研究 落 到实处，特选定煤矿井下环境主要参数作为主要研究对象进行测控和信息处理。 煤矿业作为国民经济发展的一种重要能源受到越来越多的重视和关注，同时 安全也成为煤矿生产企业乃至整个煤矿行业关注的重要问题。近年来的煤矿安全 事故一次次地给人们敲响了警钟，安全生产不容忽视。由于煤矿生产的易燃、易 爆等特殊环境，现代化煤碳生产都离不开现代化安全生产监测监控系统和各种自 动化设备对生产实际进行实时的监测和控制。安全生产监测监控系统为各级生产 指挥者和业务部门提供环境安全参数和生产设备工作状态的动态信息，为指挥生 产提供第一手资料【i ，2 】。在系统运行中，数据传输和信息处理都十分重要，能够 保证将监测到的现场数据进行正确传输和有效的处理与分析，对环境做出安全评 价，也不容忽视。 目前在国内外先进的现代化煤矿企业中，有强大的技术和资金支持。安全监 控系统中，采用网络和是有线的数据传输方式。对于长距离的数据传输一般采用 有线电缆或光缆；对于中短距离的数据传输，目前基本采用的是有线电缆；而对 于短距离采用有线传输不能满足生产现场的需要，并且存在许多弊端和不足。由 于光缆不易弯曲，容易折断，而且在井下生产现场的数据采集前端铺设光缆费用 高、不易维护管理等，所以，对于短距离，复杂环境的生产现场不适宜采用光缆 传输。由于在煤矿井下生产现场环境十分恶劣，需要数据通信设备经常移动；另 外，在矿井的一些特殊区域如：采空区等一些死角目前一直无法采用有线方式进 行有效的数据采集，这就使得这些区域存在巨大的安全隐患，从而给矿工生命带 来严重威胁，给安全生产带来影响【3 ，4 】。面对煤矿行业生产一线的这些实际情况， 急需寻找一种合适的短距离无线数据传输技术来解决这种特殊环境下的数据传 输难题，为煤矿安全生产提供有效可靠的数据保障。对于无线通信方式主要有电 磁波通信、红外线通信、激光通信等，但是由于在煤矿领域生产环境的特殊性， 研究有效的短距离无线数据传输技术对于煤炭安全生产将有着重大深远的意义。 特别是对于中小型煤矿来说，由于受到技术水平和运行成本的限制，所以在选择 北京化工大学硕士学位论文 一种数据传输方式既要符合它的技术要求，又要考虑到它的成本预算。 国内外对于这方面的研究也一直在持续。煤矿生产现场的数据传输介质随着 各种安全监测监控系统与自动化设备的发展而变化。国外的煤矿安全监测监控系 统始于2 0 世纪6 0 年代，我国在这方面的起步较晚。进入8 0 年代，我国从波兰、 德国、英国和美国等发达国家引进了一批安全监控系统，在引进的国外先进技术 的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的具体实际情况，先后分别研制出4 、 l ( j 8 、9 2 等监控系统，在我国煤矿行业中大量使用。随着监控系统变化和发展， 其数据传输介质也在发生变化。最开始的数据传输是借用电话线为主要，其造价 比较低，也有采用多芯专用电缆，其铺设电缆麻烦，维护困难，造价高。后来发 展为采用屏蔽电缆等有线电缆【4 1 。但是这些对于短距离传输来说，不太适合。 国内外的一些专家、学者对于煤矿领域的无线数据传输，特别是短距离数据 传输一直在研究和探讨中。在煤矿无线电频率选择中需要考虑信号衰减及无线电 在煤矿这种复杂环境中的传输效率等问题。由于在低频、中频的低端，随着频率 的增大，信号衰减也会增大，所以，选择这一频段的频率，则要求发射机功率大， 数据传输设备体积大，给生产现场带来许多不便。在中频高端和高频端，信号衰 减达到最大，最不利于在矿井中传输，另外，在煤矿井下有很多信号的干扰，对 无线电的传输将产生很大的影响，所以不宜选用。蓝牙技术也是目前专家重点研 究的对象，但是蓝牙是一种还没完全成熟的技术，还有待于实际使用的严格检验， 还有它的通讯速率也不是很高，目前很多主流的软件和硬件平台均不提供对蓝牙 的支持，使得蓝牙的应用成本升高，普及难度增大【4 ，5 1 。相对于红外技术而言， 还不是很成熟，并且本课题研究的对象主要是针对改善中小型煤矿的监控监测系 统来分析的，所以在成本上不能过高，红外传输有着其自身的优点而备受关注。 首先是它适合于各种短距离的传输，它不受国家无线电管理委员会限制，在近距 离时的传输速率也比蓝牙快，适合极短距离和高速l a n 连接应用场合，还有就 是造价低廉，结构简单，有较好的保密性，因而有很大的市场前剥6 1 。所以本课 题采用红外无线数据传输的方式，不仅能满足中小型煤矿所要求的技术要求，还 结合它的实际情况，符合它的运行成本预算要求。 由于煤矿井下是一个复杂多变的人机环境系统。系统中的“人 是井下所 有的职工；“机是包括采煤机、运输机等在内的所有机械和设备；“环境 指 煤矿井下特殊的环境，如：温度，湿度，瓦斯，有限空间，所承受的压力等。矿 工在人为开拓的作业空间内，操纵机械进行采煤活动，顶板、水、火、瓦斯、矿 尘、冷热等环境因素影响着矿工的安全和健康，同时也会影响机械设备的正常运 行。因而，为了确保煤矿生产的安全、高效进行，必须对煤矿井下特殊的环境进 行分析，做出评价，使系统满足“安全、高效、经济等综合效能。煤矿环境评 2 第一章绪论 价的方法有很多，但是在矿井安全评价过程中，常有一些比较模糊的概念，而且 往往会采取征求专家经验和意见的方法，这些经验、意见往往都具有模糊性【7 一。 所以通过模糊技术可以处理用其他方法无法处理的模糊信息，具有系统性和模糊 性的特点。 1 2 课题来源和意义 本课题“智能环境测控与信息处理系统研究 来源于导师刘东教授负责的国 家安全生产监督管理总局2 0 0 5 年度安全生产科技发展计划项目，承担项目 中对特定环境因素的智能测控及对测试信息的智能化处理。 随着社会的迅速发展和文明的不断进步，人民生活水平的提高，为了实现和 谐社会，实现以人为本的理念，安全问题成为人们关注的首要问题。安全生产是 现代化、信息化社会的工矿生产中不容忽视的问题，在煤矿开采领域中，有很多 安全事故经常发生。煤矿的安全问题已得到党中央、国务院的高度重视，从中央 到地方积极立法，采取果断措施，加大安全控制力度，保证安全生产。在煤矿安 全中，引起事故的条件，不只有人为因素，环境也是一个潜在而非常重要的影响 因素，生产环境因素的好坏，不但影响着企业生产效益的提高，而且与生产操作 人员的身心健康有着很直接的关系，因此，把生产现场的环境测控与治理纳入煤 矿安全管理工作范畴来认识是十分必要的。由于煤矿在地下开采，煤矿赋存条件 非常复杂，机械的测控方法已经不能适应这种复杂环境，因此智能测控显得尤为 重要，通过智能测控，检测出环境中的各种状况因素，进行数据采集和数据处理， 然后采取相应的措施，可以防止一些安全隐患的发生，避免事故，减少社会和企 业及个人的损失。因此，本课题研究对环境因素的测控与信息处理不仅具有保障 生产正常运行环境、提高企业经济效益的意义，而且具有保证人身安全及企业财 产安全的社会意义。 1 3 所做的主要工作 本课题所做的主要工作是检测煤矿井下中的环境温度，液压支架电液控制设 备中的压力传感器的采集到的压力信号，然后通过红外传输的方式，将数据传送 给计算机，用模糊控制分析处理和研究，从而达到预测和预报功能。 主要内容包括以下几点： 第一章绪论部分主要介绍我国煤矿安全的现状，在煤矿数据传输方面介绍了 国内外的发展情况，最后介绍了煤矿环境安全评价。 北京化工大学硕士学位论文 第二章对智能环境测控与信息处理系统进行了概述。以温度、压力检测为重 点介绍了煤矿井下的环境因素的检测，通过红外无线传输将采集到的温度、压力 数据在计算机上，用模糊理论进行算法处理。 第三章对智能环境测控与信息采集系统的总体设计和硬件部分进行阐述，首 先介绍了总体设计框图，其次叙述了温度、压力信号采集系统以及红外无线数据 传输系统。 第四章介绍智能环境测控与信息处理系统的软件部分和算法研究，包括现场 环境监控子系统，红外数据传输子系统和信息处理子系统中的模糊算法，对煤矿 井下的环境做出评价。 第五章结论部分对论文工作进行了总结，并指出了下一步需要研究的工作。 4 第二章智能环境测控与信息处理系统概述 第二章智能环境测控与信息处理系统概述 2 1 煤矿井下环境因素的检测 影响煤矿井下的环境因素有很多，从客观因素来看，影响煤矿职工安全生产 的环境因素主要有温度、湿度、照明、噪声、气味和色彩，间接的因素有液压支 架中的压力所带来的潜在危险【9 1 。本课题重点研究的是温度、压力对安全生产的 影响，因此重点研究温度、压力因素。 2 1 1 温度检测 温度检测一般可分为两大类，即接触测量法和非接触测量法。本课题所面临 的测量温度分为正常环境下的温度和事故状态下的温度，属于对环境的接触测 量。接触测量法是测温敏感元件与被测介质接触，使被测介质与测温敏感元件进 行充分地热交换，使两者具有同一温度，达到测量的目的【1 0 】。 常用的温度传感器有热电阻、热电偶、p n 结温度传感器、集成温度传感器 笙【l l 】 寸 o ( 1 ) 热电阻：利用半导体的电阻随着温度变化而显著变化的特性制成的半 导体测温元件。目前使用的多为陶瓷热敏电阻。它的优点是灵敏度高，工作温度 范围宽，稳定性好，过载能力强，体积小。其不足之处是非线性和互换性差。 ( 2 ) 热电偶：利用物理学中的金属热电效应制成的温度传感器。测量精度 高，热电动势与温度在小范围内基本呈单值、线性关系，稳定性和复现性较好， 响应时间较快；测温范围宽，高温热电偶测温的上限可达2 8 0 0 摄氏度。 ( 3 ) p n 结温度传感器：实质上是一种半导体集成电路，利用晶体二极管、 三极管的p n 结电压随着温度变化而变化的原理制成。线性度好，热惯性小，灵 敏度高。 ( 4 ) 集成温度传感器：是将测温元件、放大电路、偏置电路及线性化电路 集成在同一个芯片上的温度传感器，相对于其他传感器有较好的线性度和一致 性，且体积小，使用方便。 其测温原理和方法可归纳为以下几种类型【1 1 1 3 】： ( 1 ) 利用物体表面的热辐射强度与温度的关系来检测温度； ( 2 ) 利用物体受热膨胀的原理来检测其温度； ( 3 ) 利用物体的电参数如电压、电阻等随温度而变化的特性来检测温度， 北京化工大学硕士学位论文 如热电偶、热电阻等。 2 1 2 压力检测的几种方法和原理 力的测量需要通过力传感器间接完成，是通过力传感器的大小转换成便于测 量的电量来进行的，从力一电变换原理来看有电阻式( 电位器式和应变片) 、电 感式、电容式、压电式、压磁式和压阻式等，其中大多需要弹性敏感元件或其他 敏感元件的转换。弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或位移，然后再由传感 器将应变或位移转换成电信号。弹性敏感元件是一个非常重要的传感器部件。力 传感器在生产、生活和科学实验中广泛用于测力和称重。下面介绍几种有代表性 的力传感器的工作原理【1 4 j ： ( 1 ) 电阻应变片传感器 电阻应变片的作用是把导体的机械应变转换成电阻应变，以便进一步电测。 采用惠斯登电桥的压力传感器，此电桥精确度高，稳定性好，且有较大的灵活性。 其工作原理为：将金属丝电阻应变片粘附在弹簧片的表面，弹簧片在力的作用下 发生形变，而电阻应变片也随着弹簧片一起变形，这将导致电阻应变片电阻的变 化。弹簧片受力越大，形变也越大，电阻应变片电阻的变化也越大，测量出电阻 应变片电阻的变化，就可以计算出弹簧片受力的大小。图2 1 为应变片电桥测量 电路，由应变片的电阻r 1 和另外三个电阻r 2 、r 3 、r 4 构成桥路，当电桥平衡 时( 即电阻应变片未受力作用时) ，r 1 = i 也= r 3 = r 4 = r ，此时电桥的输出砜= 0 ， 当应变片受力后，r 1 发生变化，r 1 、r 3 r 2 、r 4 ，电桥输出0 ，并有： u 。竽u * 竽u 。 图2 1 应变片电桥测量电路 f i g 2 - ls t r a i n b r i d g em e a s u r i n gc i r c u i t ( 2 ) 压电传感器 压电传感器是基于压电效应的传感器，是一种自发电式和机电转换式传感 6 第二章智能环境测控与信息处理系统概述 器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电 荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电 式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等( 见压电式 压力传感器、加速度计) 。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、 工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应 差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。配套仪表和低噪声、 小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。它广泛应用于 工程力学、生物医学、电声学等技术领域。 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某 固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相 反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时， 电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。即当压 材料受到与极化方向一致的应力t 时，在极化方向上产生一定的电场强度e ，且 具有线性关系：e _ 订；。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效 应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。即当 与极化方向一致的外加电压u 加在压电材料上时，材料会产生伸缩形变s ，且与 u 也有线性关系：s = d u 。( d 比例系数都称为压电应变常量，与材料性质有关。) 用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有 厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5 种基本形 式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5 种状态下产生压电效应。 例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电 效应。 电传感器测量电路，压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此 它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为：一是把它 的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器 的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：一 种是电压放大器，其输出电压与输入电压( 即传感器的输出电压) 成比例，这种 电压前置放大器一般称为阻抗变换器。另一种是电荷放大器，其输出电压与输入 电荷成比例。这两种放大器的主要区别是：使用电压放大器时，整个测量系统对 电缆电容的变化非常敏感，尤其是连续电缆长度变化更为明显；而使用电荷放大 器时，电缆长度变化的影响差不多可以忽略不计。 ( 3 ) 电容式传感器 电容式传感器是利用电容器的原理将非电量转化为电容量，实现非电量到电 量的转化。目前电容式传感器已在位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速 7 北京化工大学硕上学位论文 和流量的测量等方面得到了广泛的应用，电容式传感器的精度和稳定性也日益提 高，精度高达0 0 1 。作为频响宽、应用广和非接触测量的一种传感器，电容式 传感器有很好的发展前途。它有如下特点： 优点：高阻抗，小功率，因而仅需很小的输入力和很低的输入能量。传感 器一般来说电容量很小，有的只有几皮法，它的容抗因电容小而很大；可获得 较大的相对改变量，从而具有较高的信噪比和系统稳定性；动态响应快，能在 几m h z 的频率下工作；结构简单，应用较广，可在恶劣环境中工作；可以 进行非接触测量，待测体可以是导体或半导体。 缺点：输出特性的非线性较严重；分布电容的影响较大，这些分布电容 不仅降低了转换效率，还将引起测量误差。 电容式传感器所产生的电容量很微小( 几皮法到几十皮法) ，这样小的电容 量不便于直接传输和记录，需要通过测量电路对它进行检测转换和放大。 其工作原理为：一个平行板电容器，如果不考虑其边缘效应，则电器的容量 一a 为c = ；，式中，g 为电容极板间介质的介电常数，占= 晶占，；s 为两平行板所 d 。 覆盖的面积；d 为两平行板之间的距离。由式c 。= 一 c 。知，当s 、d 或s 改 7 l 。 变时，则电容量c 也随之改变。若保持其中两个参数不变，通过被测量的变化 改变其中一个参数，就可把被测量的变化转换为电容量的变化。这就是电容传感 器的基本工作原理。常见的电容式传感器测量电路有桥式电路、二极管双t 网络、 充放电脉冲电路、运算放大器电路等。 ( 4 ) 电感式传感器 电感式传感器的基本原理是电磁感应原理即利用线圈电感的改变来实现非 电量电测得。它可以把输入的各种机械量如位移、振动、压力、流量和密度等转 换成电量输出。电感式压力传感器大都采用变隙式电感做为检测元件，它和弹性 敏感元件组合在一起构成电感式压力传感器。电感式传感器与其他传感器相比较 有如下几个特点：结构简单，工作中没有活动电接触点，因而，工作可靠，寿 命长；灵敏度高，分辨率高，能测出0 0 1 m 甚至更小的机械位移变化，能感 受小至o 1 。的微小角度变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度高，有利于信号 的传输与放大：重复性好，线性度优良，在一定位移范围内，输出特性的线性 度好，并且比较稳定。高精度的变磁阻式传感器，非线性误差仅0 1 。 8 第二章智能环境测控与信息处理系统概述 测量表 激励电源 医乙z z z 囫 l 衔铁运动 图2 - 2 电感式传感器的工作原理 f i g 2 - 2p r i n c i p l eo fi n d u c t i v es e n s o r 电感式传感器常用的有自感式和互感式两类，压力测量经常使用自感式传感 器。图2 2 是简单自感式装置的原理图，当一个简单的单线圈作为敏感元件时， 机械位移输入会改变线圈产生的磁路的磁阻，从而改变自感式装置的电感，电感 的变化由合适的电路进行测量，就可从表头上指示输入值。磁路的磁阻变化可以 通过空气间隙的变化来获得，也可以通过改变铁心材料的数量或类型来获得。自 感式传感器实质上是一个带气隙的铁心线圈。按磁路几何参数变化：自感式传感 器有变气隙式、变面积式与螺管式三种；按磁路的结构型：i i 型、e 型或罐型等 等；按组成方式：单一式与差动式两种。 ( 5 ) 振弦式压力传感器 振弦式压力传感器的钢弦被固定在一个灵敏的膜片上，压力改变引起膜片变 位，进而导致钢弦张力的改变。通过测量张紧钢弦的频率变化来测量钢弦的张力， 钢弦的振动频率与弦的张力之间的关系为： f = ( 1 2 l ) ( 删) 1 2 。( 2 1 ) 其中：f 为钢弦的自振频率，l 为钢弦的长度，m 为单位长度钢弦的质量， t 为钢弦的张力。 钢弦式传感器可以具有很高的精度和耐恶劣环境能力，很低的温度灵敏度以 及很小的长期漂移。 2 1 3 智能传感器技术的研究 影响煤矿井下的环境因素有很多，本课题重点研究的是温度、压力对安全生 9 北京化工大学硕七学位论文 产的影响。 要采集到温度和压力信号，即通过温度、压力传感器进行信号的采集，然而 传统的传感器技术已经不能适应工业及科学的发展，因此智能传感器技术也应运 而生。传感器是获取信息的工具，是信息技术( 包括传感与控制技术、通讯技 术和计算机技术) 的三大支柱之一，它位于信息系统的最前端，其特性的好坏、 输出信息的可靠性对整个系统质量至关重要。当今传感器技术的主要研究方面有 两个：一是开展基础研究，重点研究构造传感器的新材料、新工艺；二是实现传 感器的数字化、非接触化和智能化【l 引。因此，传感器的性能必须适应系统使用的 要求。近年来国内外都将传感器技术列为尖端技术而倍加重视，并投入大量入力 物力进行开发和研究。 智能传感器系统是一门现代综合技术，它将传感器、计算机和通讯技术有机 地结合在一起构成系统，是当今世界正在迅速发展的高新技术，至今还没有形成 规范化的定义。以往人们主要强调在工艺上将传感器与微处理器两者紧密结合， 认为“传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智 能传感器”，然而，这样的提法没有突出智能传感器系统的主要特点，同时在实 际应用中并不总是必须将传感器与微处理器集成在一块芯片上才构成智能传感 器系统。智能传感器系统的主要特点是把计算机技术和现代通讯技术融入传感器 系统中，它一方面使传感器在计算机的管理下更好地发挥信息检测功能，降低对 元器件的要求，从而降低成本：另一方面在软件的支持下使传感器具有较强的信 息处理和通讯能力，具备较高的智能，极大地提高传感器系统的性能。因此，有 认为：智能传感器系统是指传感器( 通过信号调理电路) 与微处理器赋予智能的 结合，兼有信息检测、信息处理及通讯功能的传感器系统。这些提法突破了传感 器与微处理器结合必须在工艺上集成在一块芯片上的框框，而着重于两者赋予智 能的结合，使传感器系统的功能由以往只起信息检测作用扩展到兼而具有信息处 理功能1 1 6 1 。 智能传感器是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。其主要 特征是将传感器的检测信息功能与微处理器的信息处理功能有机的融合在一起， 具有一定的人工智能作用【1 7 】。智能传感概念和智能传感技术的产生与发展始终伴 随着高科技产业的发展，比如运动对象的速度、位置、姿态等运动数据及温度、 气压、加速度、空气成分等环境因素数据的采集，机器人的推广应用中以更高级、 更智能化的传感器代替人工操作传感器系统；在环境测量中应用智能化的远程传 感系统向有关人员及时通报环境危机等等，智能传感器在多方面激发了新一轮的 技术革新1 1 8 】。智能传感系统的层次结构如图2 3 所示。 l o 第二章智能环境测控与信息处理系统概述 顶层 知识过程】整体控制 中央集中处理( 数字系列处理) 中间层 信息过程】中间控制 底层调节与优化 传感器信号合成与融合 底层 信号过程】传感与信号规范化 【智能传感器】分布并行过程( 模拟) 图2 - 3 智能传感系统的层次结构 f i g 2 - 3h i e r a r c h i c a lm o d e lo fi n t e l l i g e n ts e n s i n gs y s t e m 2 2 无线数据传输 2 2 1 常见的无线数据传输方式 主要常见的无线传输有i e e e 8 0 2 1 1 无线电技术、h o m i 强、蓝牙技术和i r d a 红外技术【1 9 1 。 i e e e 8 0 2 1 1 是企业无线局域网的标准技术，由i e e e 主持制订。最早的8 0 2 1 l 协议标准是1 9 9 7 年制订的，主要用于解决办公室局域网与校园网中用户与用户 终端之间的无线接入，主要限与数据传输，由于传输速度与传输距离的限制，后 来相继推出了8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 l a 两个标准1 4 j 。 h o m r f 是由h o m e r f 工作组开发的，是在家庭区域范围内的任何地方，提 供p c 机与其他家用电子电器设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。其 工作频段是2 4 g h i s m 频段，支持数据与语音。h o m e i 江技术比较适合于家庭网 络环境。 蓝牙技术特征：蓝牙技术是作为一种“电缆替代的技术提出来的，发展到 今天已经演化成了一种个人信息网络的技术。它将内嵌蓝牙芯片的设备互联起 来，提供话音和数据的接入服务，实现信息的自动交换和处理。它主要针对三大 类的应用：话音数据的接入、外围设备互联和个人局域网。话音数据的接入 是将一台计算设备通过安全的无线链路连接到一个通信设备，完成与广域通信网 络的互联。外围设备互联是指将各种外设通过蓝牙链路连接到主机。个人局域网 的主要应用是个人网络和信息的共享和交换【l 9 。 i r d a 技术特征：i r d a 是一种短距离红外线通信技术，适合于低成本、跨平 台、点对点高速数据连接，尤其是嵌入式系统。主要应用在设备互联、信息网关。 北京化工大学硕士学位论文 设备互联后可完成不同设备内文件与信息的交换。信息网关负责连接信息终端和 互联网。 i r d a 在近距离时的传输速率比蓝牙高，适合于极短距离和高速l a n 连接应 用场合，且因为红外传输的造价低廉，结构简单，在满足要求的基础上，更多的 使用红外传输。 2 2 2 红外传输的特点 随着电子技术的飞速发展，各种体积小、功能强的便携式电子产品不断涌现。 为了便于控制设备以及和网络连接，红外通讯作为一种简便的无线通讯技术在电 子设备中得到了广泛的应用。 红外辐射跟其他的无线电相比具有几个明显优点【5 2 0 j ： ( 1 ) 红外线适用于各种短距离的场合； ( 2 ) 红外线不受无线电干扰，且使用起来不受国家无线电管理委员会限制； ( 3 ) 红外通信结构简单，耗电少，能稳定地进行高速数据通信，也就是说， 只要红外线通信组建能内置在便携式信息终端，那么不随身携带调制器和综合数 字数据网络终端连接器以及连接缆线，就能进行高速数据通信； ( 4 ) 能高速运转的红外发射器和接收器成本很低； ( 5 ) 红外线对非透明物体的透过性极差，不能透过墙壁，所以红外传输被 限制在室内。这种限制使信号易于传输而不被窃听，也能防止在不同房间内工作 的通信线路之间互相发生干扰。 2 2 3 红外通信原理及规范 红外通信是利用红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。红外线是波长在 7 5 0 n m l n u i l 之间的电磁波，是人眼看不到的光线。红外数据传输一般采用红外 波段内的近红外线，波长在o 7 5 所 2 5 m 之间。红外数据协会成立后，为保 证不同厂商的红外产品能获得最佳的通信效果，限定所用红外波长在 8 5 0 n m 9 0 0 嫩。发送端将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并驱动红 外发射管以光脉冲的形式发送出去。接受端将接受到的光脉冲转换成电信号，再 经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。 红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行 传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。 i r d a ( i n 丘a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ) 是国际红外数据协会的英文缩写，i r d a 相 1 2 第二章智能环境测控与信息处理系统概述 继制定了很多红外通信协议，有侧重于传输速率方面的，有侧重于低功耗方面的， 也有二者兼顾的。i r d a l 0 协议基于异步收发器u a r t ，最高通信速率在 1 1 5 2 k b p s ，简称s i r ( s e r i a l i n f r a r e d ，串行红外协议) ，采用3 1 6 e n d e c 编解码机 制。i r d a l 1 协议提高通信速率到4 m b p s ，简称f i r ( f a s ti n f r a r e d ，快速红外协议) ， 采用4 p p m ( p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ，脉冲相位调制) 编译码机制，同时在低速时 保留1 o 协议规定。规范1 2 定义了最高速度为1 1 5 2 k b p s 下的低功耗选择。规范 1 3 将这种低功耗选择功能推广到1 1 5 2 m b p s 和4 m b p s 之后，i r d a 又推出了最 高通信速率在1 6 m b p s 的协议，简称v 兀r ( v e r yf a s ti n 6 衡e d ，特速红外协议) 。 k d a 标准包括三个基本的规范和协议：红外物理层连接规范i r p h y ( i n 行a r e d p h y s i c a ll a y e rl i n ks p e c i f i c a t i o n ) ，红外连接访问协议i r l a p ( i 心a r e dl i n ka c c e s s p r o t o c 0 1 ) 和红外连接管理协议i r l m p ( i 血m e dl i n km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 。i r p h y 规范制定了红外通信硬件设计上的目标和要求；i r l a p 和i r l m p 为两个软件层， 负责对连接进行设置、管理和维护。在i r l a p 和i r l m p 基础上，针对一些特定 的红外通信应用领域，i r d a 还陆续发布了一些更高级别的红外协议，如t i n y t p 、 i r o b e x 、i r c o m m 、i r l a n 、i r t r a n p 等掣2 l ，2 2 1 。 2 3 模糊控制理论 模糊控制就是将模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理的知识运用在控 制方法上，来模拟人的模糊思维方式，利用计算机实现与人相同的控制。在过去 的2 0 多年中，模糊控制也是智能控制的一个十分活跃的研究方向和应用领域， 模糊控制的价值可以从两个方面来阐述。一方面，模糊控制提出了一种新的机制 用于实现基于知识( 规则) 甚至语言描述的控制规律。另一方面，模糊控制为非 线性控制器提出了一个比较容易的设计方法，特别是当受控对象或过程含有不确 定性而且很难用常规非线性控制理论处理时，很有效【2 3 】。模糊控制经过二十多年 的发展，已经取得了很大的成就，足以说明模糊控制作为智能控制一个分支存在 的合理性。 2 3 1 模糊控制的概述 模糊控制是建立在人工经验基础上的，在一定程度上模仿了人的控制，它不 需要有准确的控制对象模型，这种模糊性是一种不确定性，但是它不同于随机性， 通常是指对概念的定义以及语言意义上的理解上不确定性。如果用模糊数学将其 定量化，就转化为模糊控制算法，从而形成了模糊控制理论。与传统的控制方法 北京化工大学硕上学位论文 相比有其自身的优点。传统控制方法主要是经典控制理论和现代控制论，经典控 制论建立在系统微分方程的基础上，而现代控制论则是建立在系统状态方程的基 础上【2 4 1 。传统控制方法经过实践发现，在某些控制中有较好的控制效果，但是有 很多不足之处【2 5 ，2 6 】： ( 1 ) 对一些非线性、时变、大时滞等无法建立模型的系统无法进行控制； ( 2 ) 由于传统控制理论十分严密和精确，但是对于一些误差较大的系统， 这种精确理论恰恰导致了不精确的结果，因而其控制效果往往达不到预期的效 果； ( 3 ) 为了提高控制精度，因而需要采用比较复杂的系统结构，从而使成本 大大提高； ( 4 ) 传统控制理论不能让系统响应的速度和准确性同时得到满足： ( 5 ) 鲁棒性较差。 相对于传统控制理论，模糊控制理论有一些明显的特点【2 3 ，2 5 】： ( 1 ) 不需要被控对象的数学模型，模糊控制是以人对被控对象的控制经验 为依据设计的控制器，所以不需要知道被控对象的数学模型； ( 2 ) 它是一种反映人类智慧的智能控制方法，采用人类思维中的模糊量， 如“高”，“中 ，“低 ，“大”，“小 等，控制量由模糊推理导出，这些模糊量和 模糊推理是人类智能活动的体现，并且成功地解决了控制的快速性和准确性之间 的矛盾； ( 3 ) 模糊控制的核心是控制规则，它是用语言来表示，易于被人们接受， 模糊控制系统是一种较高级的系统，是能提供较高控制精度和稳定响应的系统； ( 4 ) 模糊控制规则易于用软件来实现且系统结构比较简单，构造容易； ( 5 ) 模糊理论可以对复杂的对象进行有效的控制，其鲁棒性和适应性好。 复杂的工业控制过程由于其自身的非线性、时变特性以及测量手段的局限 性，都是很难进行自动控制，然而熟练的人工操作却能将生产过程控制的很好。 经过2 0 多年的发展，人们发现，对于复杂过程的控制，可以基于操作工所 用的控制经验和策略，利用直觉上可理解的操作术语和规则来构造任意复杂的线 性或非线性过程模型，模糊控制即是应用了上述的原理和方法，实践证明它是非 常适合于实现这类控制途径的一种解决问题的方法，也是2 0 多年来模糊逻辑应 用最成功的一个领域【1 5 2 6 1 。 2 3 2 模糊控制的发展 z a d e h 于1 9 6 5 年提出的模糊集合成为处理现实世界各类问题的方法，此后， 1 4 第二章智能环境测控与信息处理系统概述 对模糊集合和模糊控制的理论研究和实际应用获得广泛的开展，由此开创了模糊 数学及其应用的新纪元。模糊控制是模糊集合理论应用的一个