智能检测理论与技术

智能检测理论与技术第1页，课件共66页，创作于2023年2月第一章内容回顾一、智能检测的基本概念

1.检测理论与技术的研究内容2.智能检测研究对象3.智能检测系统4.智能检测系统主要功能特点5.智能检测研究数学工具二、智能检测的发展第2页，课件共66页，创作于2023年2月第二章基于工艺机理的智能检测

基于工艺机理分析的智能检测主要是运用化学反应动力学、物料平衡、能量平衡等原理，通过对过程对象的机理分析，找出不可测主导变量与可测辅助变量之间的关系（建立机理模型），从而实现某一参数的软测量。基于机理模型的智能检测是工程界最容易接受的智能检测方法。在工艺机理较为清晰的应用场合，基于工艺机理的智能检测往往能取得较好的效果。第3页，课件共66页，创作于2023年2月第二章基于工艺机理的智能检测一、系统的类别与模型1.系统的类别2.系统数学模型3.检测系统数学模型分类4.常用模型5.检测系统描述二、检测系统的模型1.静动态模型2.常用模型三、检测系统静态特性四、检测系统动态特性五、基于机理的智能检测第4页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型1.系统类别第二章基于工艺机理的智能检测

系统参数对时间的变化规律分类定常系统：参量不随时间变化的系统。定常或定参量系统或参量时不变(非时变)系统，实际过程大多属于此类系统。具有激励和响应平移特性，只是时间延迟输出取决输入和初始条件；模拟定常系统用带系数线性微分方程表示，离散定常系统用带系数线性差分方程表示；因果系统，先激励后响应，又叫可实现系统。第5页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型1.系统类别第二章基于工艺机理的智能检测

系统参数对时间的变化规律分类瞬态和动态系统瞬态系统：响应y=f(u)，u=u(t)，y和u只取决于t时刻的u，和其过去及未来值无关，无记忆系统。动态系统：系统在瞬时t的响应，由过去间隔[t-T,t]中的输入信号确定，和记忆有关，记忆系统；随机系统：系统参数变化没有规律，只能用概率统计方法进行分析处理。只在特定条件下对随机响应进行统计分析处理，采用相关分析，谱分析等方法。第6页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型1.系统类别第二章基于工艺机理的智能检测

按系统的线性度分类线性系统：数学方程分类，采用线性的描述方程，否则为非线性。特征：输入f(t)增大a，输出y(t)也增大a，具有齐次性或比例性，可加性或叠加性；分解性：y(t)由f(t)和初始条件决定，即输出由两个分量组成

零状态线性响应+零输入线性响应。第7页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型1.系统类别第二章基于工艺机理的智能检测

按系统的线性度分类非线性系统：不具有线性系统特征，一般无通解，在有限工作范围内做线性处理。按系统的自由度分类：确定运动系统在任一瞬间位置所需独立坐标个数。

单自由度系统：由一个独立坐标确定；

多自由度系统：由多个独立坐标确定。第8页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型1.系统类别第二章基于工艺机理的智能检测按参数分布分类集中参数系统：分布参数系统：按系统输入输出量分类

单输入单输出系统

多输入多输出系统系统变量和参数与空间位置无关。系统变量和参数是空间位置的函数。第9页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型2.系统数学模型第二章基于工艺机理的智能检测

数学模型模型：对系统特征及其变化规律的一种表示或抽象，常采用对所要研究的那些特点的特征量进行抽象。数学模型：采用数学描述形成对某个系统所建立的模型，可定义为一个被模型化的系统中的各个有关变量之间的关系所构成的数学结构。

代数方程、微分方程、差分方程、偏微分方程第10页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型2.系统数学模型第二章基于工艺机理的智能检测

建立系统的数学模型演绎分析法：由已有的关于系统的知识，采用演译分析方法来建立数学模型，即利用专门学科领域提出的物质和能量的守恒性及连续性原理和系统结构参数，推导描述系统的数学模型。代数方程、微分方程、差分方程、偏微分方程总结归纳法：对一个已经存在的系统观察，测量所得到的大量输入输出数据，推断出被测系统的数学模型。第11页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型2.系统数学模型第二章基于工艺机理的智能检测

建立系统的数学模型总结归纳法：对一个已经存在的系统观察，测量所得到的大量输入输出数据，推断出被测系统的数学模型。该方法基本依据：在一定的输入激励条件下，系统的动态特性必然体现在它的输入输出数据中，这种应用实验方法取得观察数据来建立数学模型的方法称为系统辩识。

实际中，两种方法结合建模，混合建模方法。第12页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型2.系统数学模型第二章基于工艺机理的智能检测

建立系统的数学模型总结归纳法：对一个已经存在的系统观察，测量所得到的大量输入输出数据，推断出被测系统的数学模型。该方法基本依据：在一定的输入激励条件下，系统的动态特性必然体现在它的输入输出数据中，这种应用实验方法取得观察数据来建立数学模型的方法称为系统辩识。

实际中，两种方法结合建模，混合建模方法。第13页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型2.系统数学模型第二章基于工艺机理的智能检测

建立系统的数学模型混合建模方法串行建模方式并行建模方式第14页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型2.系统数学模型第二章基于工艺机理的智能检测

说明由演绎法建立的数学模型是系统模型化问题的唯一解。归纳法能满足观测到的输入输出数据关系的系统模型有无穷多个，需引入附加的假设和约束，从无穷多个可能的模型中找出合适的模型。第15页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型2.系统数学模型第二章基于工艺机理的智能检测

说明混合建模的优点在于能充分利用多种方法的优势，取长补短，以更好地满足软测量建模的精度要求，同时，在混合模型中利用多种模型，也有助于多种模式信息的有效利用。各种混合模型主要是通过利用数据驱动黑箱模型进行机理模型的参数辨识或对模型结果进行简单补偿的方法进行不易测量参量的在线检测，这些方法并没有考虑系统噪声和未建模误差对系统状态的影响，所建立混合模型适用性较差，缺乏可实施性。第16页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型3.检测系统数学模型分类第二章基于工艺机理的智能检测静态模型和动态模型连续时间模型和离散时间模型时间域模型和频率域模型线性模型和非线性模型时变模型和时不变模型集中参数模型和分布参数模型第17页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型4.常用模型第二章基于工艺机理的智能检测线性模型和非线性模型

系统输入输出关系可用微分方程来描述：系统输入量x(t)，输出量y(t)，ai，bi不是x，y及其导数的函数，为线性ai，bi是常数，系统为线性时不变，如为时间的函数，则系统为线性时变。线性、非线性模型由系统特征决定，与表示方法无关。第18页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型4.常用模型第二章基于工艺机理的智能检测

参数模型和非参数模型参数模型：由微分方程、差分方程、频率响应函数或传递函数等的结构参数个数及它们的数值来描述。非参数模型：由曲线图或一组采样值来表示，如冲击响应、阶跃响应、频率响应等。第19页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型4.常用模型第二章基于工艺机理的智能检测

确定型模型和随机模型确定型模型：在数学描述中，没有引入随机变量的模型，即系统的各个变量和参数的值都是确定型的，在一定输入下，模型的输出端具有确定的响应。确定信号的特点是可预见的，可重复的。随机模型：在数学描述中，引入随机变量的模型，即只知道随机变量的取值概率，不知其确定数值，随机型数学模型的输出响应也不是一个确切的值。第20页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型4.常用模型第二章基于工艺机理的智能检测连续系统模型和离散系统模型连续系统模型：微分方程、传递函数、连续状态空间模型。离散系统模型：差分方程、离散传递函数，离散状态空间。第21页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型5.检测系统描述第二章基于工艺机理的智能检测描述方法末端描述法：输入输出描述内部描述法：状态空间描述输入输出描述确定输入输出关系，微分方程和传递函数。少数输出变量时使用，复杂系统需可观测、可控时，不适合用此法。第22页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型5.检测系统描述第二章基于工艺机理的智能检测

状态空间描述：由状态变量描述。确定状态变量的时间特性；由已知状态变量特性确定所需要输出量，状态方程和输出方程。状态方程输出方程第23页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型5.检测系统描述第二章基于工艺机理的智能检测

连续线性时不变系统数学模型确定型系统外部描述该激励函数u=u(t)，响应函数y=y(t)。第24页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型5.检测系统描述第二章基于工艺机理的智能检测

连续线性时不变系统数学模型确定型系统内部描述N个状态变量，x1，…，xn，输入量u1，…，um，输出量y1，…，yk。第25页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型5.检测系统描述第二章基于工艺机理的智能检测

连续线性时不变系统数学模型确定型系统内部描述第26页，课件共66页，创作于2023年2月2.1系统类别与模型5.检测系统描述第二章基于工艺机理的智能检测

连续线性时不变系统数学模型确定型系统内部描述D(t)C(t)dtB(t)A(t)UYX++++X•第27页，课件共66页，创作于2023年2月2.2检测系统的模型1.静动态模型第二章基于工艺机理的智能检测静态模型表示输出和输入的稳态关系来描述系统，一般采用最小二乘方法得到。动态模型表示输出与输入随时间变化的关系式，根据质量、能量、动量守恒定律并结合实际物理过程得到。第28页，课件共66页，创作于2023年2月2.2检测系统的模型2.常用模型第二章基于工艺机理的智能检测零阶系统数学模型运动质量和阻尼可忽略，微分方程系数均为零。静态灵敏度或增益第29页，课件共66页，创作于2023年2月2.2检测系统的模型2.常用模型第二章基于工艺机理的智能检测零阶系统数学模型特点输出量跟踪输入量变化变化比例不变；无失真和延迟；运动质量和阻尼可忽略不计的装置与系统。适用装置与系统位移电位器、电容传感器、电子示波器。第30页，课件共66页，创作于2023年2月2.2检测系统的模型2.常用模型第二章基于工艺机理的智能检测一阶系统数学模型运动质量和阻尼不可忽略

静态灵敏度或增益k系统时间常数第31页，课件共66页，创作于2023年2月2.2检测系统的模型2.常用模型第二章基于工艺机理的智能检测一阶系统数学模型特点有惯性、滞后；运动质量和阻尼不可忽略不计的装置与系统。适用装置与系统检测系统中质量不大、运动惯量小的装置或系统。液位温度计、双金属片热敏元件、应变片、细裸露热电偶、细铠装热电偶。第32页，课件共66页，创作于2023年2月2.2检测系统的模型2.常用模型第二章基于工艺机理的智能检测二阶系统数学模型时间常数、阻尼、质量和加速度较大。

下式其归一化形式，其中k为增益，为系统的阻尼比，为系统固有频率。第33页，课件共66页，创作于2023年2月2.2检测系统的模型2.常用模型第二章基于工艺机理的智能检测

二阶系统数学模型特点有惯性、滞后；运动质量和阻尼较大的装置与系统。适用装置与系统检测系统中质量和阻尼较大的装置或系统。大多数常用传感器：压电传感器、动圈仪表、惯性元件、弹性元件、保护套热电偶。第34页，课件共66页，创作于2023年2月2.3检测系统静态特性1.检测系统静态特性第二章基于工艺机理的智能检测静态特性静态特性又称“刻度特性”、“标准曲线”或者“校准曲线”。它是当被测对象处于静态，即输入为不随时间变化的恒定信号时，测量系统输入与输出之间呈现的关系：第35页，课件共66页，创作于2023年2月2.3检测系统静态特性1.检测系统静态特性第二章基于工艺机理的智能检测

质量指标精度系统的精度反映测试结果与真值的接近程度，与误差大小相对应。真值来源为理论计算值、标准测量值或约定值等。精度可分为精密度、正确度和准确度（精确度）。测量值概率分布真值精密度高正确度高正确度高精密度低精密度高正确度低精密度低正确度低准确度最高准确度最低第36页，课件共66页，创作于2023年2月2.3检测系统静态特性1.检测系统静态特性第二章基于工艺机理的智能检测

质量指标测量范围：是指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。分辨力：指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量。表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。分辨率：分辨力与整个测量范围的百分比。表明测试装置的相对分辨能力。第37页，课件共66页，创作于2023年2月2.3检测系统静态特性1.检测系统静态特性第二章基于工艺机理的智能检测

静态特性线性度：标定曲线与拟合直线的偏离程度称为线性度。e=（B/A）×100%yxBA第38页，课件共66页，创作于2023年2月2.3检测系统静态特性1.检测系统静态特性第二章基于工艺机理的智能检测

静态特性灵敏度：当测试装置的输入x有一增量△x，引起输出y发生相应变化△y时，定义：

S=△y/△xyx△x△y第39页，课件共66页，创作于2023年2月2.3检测系统静态特性1.检测系统静态特性第二章基于工艺机理的智能检测

静态特性滞后量（回程误差）测试装置在输入量由小增大和由大减小的测试过程中，对于同一个输入量所得到的两个数值不同的输出量之间差值最大者为H，则定义回程误差为：

h=(H/A)×100%yxH满量程输出：A第40页，课件共66页，创作于2023年2月2.3检测系统静态特性2.检测系统静态特性测定第二章基于工艺机理的智能检测

静态特性测定方法输入标准信号测出相应输出量确定标准曲线和参考直线求出线性度由输出和输入之比求灵敏度由同一信号进回程确定滞后量第41页，课件共66页，创作于2023年2月2.4检测系统动态特性第二章基于工艺机理的智能检测系统的动态特性是指输入量随时间变化时系统的响应特性。由于检测系统的惯性和滞后，当被测量随时间变化时，系统的输出往往来不及达到平衡状态，处于动态过渡过程之中，所以检测系统的输出量也是时间的函数，其间的关系要用动态特性来表示。一个动态特性好的检测系统，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际的传感器，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数,这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。

第42页，课件共66页，创作于2023年2月2.4检测系统动态特性第二章基于工艺机理的智能检测为了说明系统的动态特性，下面简要介绍动态测温的问题。当被测温度随时间变化或传感器突然插入被测介质中，以及传感器以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况时，都存在动态测温问题。如把一支热电偶从温度为t0℃环境中迅速插入一个温度为t1℃的恒温水槽中（插入时间忽略不计），这时热电偶测量的介质温度从t0突然上升到t1，而热电偶反映出来的温度从t0℃变化到t1℃需要经历一段时间，即有一段过渡过程，如下页图示。热电偶反映出来的温度与其介质温度的差值就称为动态误差。第43页，课件共66页，创作于2023年2月2.4检测系统动态特性第二章基于工艺机理的智能检测动态测温第44页，课件共66页，创作于2023年2月2.4检测系统动态特性第二章基于工艺机理的智能检测造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因，是温度传感器有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻，使得在动态测温时系统输出总是滞后于被测介质的温度变化。如带有套管热电偶其热惯性要比裸热电偶大得多。这种热惯性是热电偶固有的，它决定了热电偶测量快速变化的温度时会产生动态误差。影响动态特性的“固有因素”任何检测系统都有，只不过它们的表现形式和作用程度不同而已。第45页，课件共66页，创作于2023年2月2.4检测系统动态特性第二章基于工艺机理的智能检测

动态特性测定方法输入标准信号（冲击函数、阶跃函数、斜坡函数），测取相应响应。连续系统时域分析冲击函数、阶跃函数；单位冲击响应；一阶、二阶系统的响应；系统任意确定性输入的响应。第46页，课件共66页，创作于2023年2月2.4检测系统动态特性第二章基于工艺机理的智能检测

动态特性测定方法输入标准信号（冲击函数、阶跃函数、斜坡函数），测取相应响应。连续系统频域分析定义；频率响应曲线；频率响应和正弦输出输入关系；用频率响应描述任意输入响应。第47页，课件共66页，创作于2023年2月2.4检测系统动态特性第二章基于工艺机理的智能检测

动态特性测定方法连续系统频域分析从系统最低测量频率fmin到最高测量频率fmax，逐步增加正弦激励信号频率f，记录下各频率对应的幅值比和相位差，绘制就得到系统幅频和相频特性。

第48页，课件共66页，创作于2023年2月2.4检测系统动态特性第二章基于工艺机理的智能检测

动态特性测定方法检测系统的频率响应函数一阶系统的频率特性表达式幅频特性相频特性第49页，课件共66页，创作于2023年2月2.4检测系统动态特性第二章基于工艺机理的智能检测

动态特性测定方法一阶检测系统频率响应特性曲线(a)幅频特性(b)相频特性

第50页，课件共66页，创作于2023年2月2.4检测系统动态特性第二章基于工艺机理的智能检测

动态特性测定方法检测系统的频率响应函数二阶系统的频率特性表达式幅频特性相频特性第51页，课件共66页，创作于2023年2月2.4检测系统动态特性第二章基于工艺机理的智能检测

动态特性测定方法二阶检测系统频率响应特性曲线幅频特性(b)相频特性第52页，课件共66页，创作于2023年2月2.5基于机理的智能检测第二章基于工艺机理的智能检测

基于工艺机理的智能检测主要是运用化学反应动力学、物料平衡、能量平衡等原理，通过对过程对象的机理分析，找出不可测主导变量与可测辅助变量之间的关系（建立机理模型），从而实现某一参数的测量。对于工艺机理较为清楚的工艺过程，该方法能够很好地实现智能检测。但是对于机理研究不充分，尚不完全清楚的复杂工业过程，难以建立合适的机理模型。此时该方法需要与其他参数估计方法相结合才能实现智能检测。第53页，课件共66页，创作于2023年2月2.5基于机理的智能检测第二章基于工艺机理的智能检测

工艺机理分析过程系统工艺分析石化系统物料平衡、能量平衡系统机理分析系统先验知识第54页，课件共66页，创作于2023年2月2.5基于机理的智能检测第二章基于工艺机理的智能检测

机理模型过程系统工艺模型石化系统物料平衡、能量平衡系统机理模型系统先验知识第55页，课件共66页，创作于2023年2月2.5基于机理的智能检测第二章基于工艺机理的智能检测

机理建模方法过程系统演绎建模物料平衡、能量平衡相关规律系统动力学模型系统先验知识第56页，课件共66页，创作于2023年2月2.5基于机理的智能检测