智能检测与控制的原理与应用

任务导入

智能检测是伴随着自动化技术、计算机技术、检测技术和智能技术的发展而形成的新研究领域，智能检测是未来检测技术的主要发展方向。

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1.智能检测与控制技术概述

检测系统是信息获取的重要手段，是系统感知外界信息的“感官”，是实现自动控制、自动调节的前提和基础，它与信息系统的输入端相连，并将检测到的信号输送到信息处理部分，是感知、获取、处理与传输的关键。检测技术是关于传感器设计制造及应用的综合技术，也是一门由测量技术、功能材料、微电子技术、精密与微细加工技术、信息处理技术和计算机技术等相互结合形成的密集型综合技术。它是传感与控制技术、通信技术、计算机技术三大支柱之一。

检测与控制技术随着科学技术的发展而发展。现代工业经历了从手工作坊到机械化、自动化的历程，并从自动化向自治化、智能化的方向发展。随着生产设备机械化、自动化水平的提高，控制对象日益复杂。针对系统中表征设备工作状态参数多、参数变化快、子系统不确定性大等特点，人们对检测技术的要求也不断提高，从而促进了检测技术的发展。检测技术的发展经历了机械式仪表、普通光学机械仪表、电动量仪、自动监测和智能监控等几个阶段。在现代化工业生产和管理中，大量的物理量、工艺数据、特征参数需要进行实时的、自动的和智能的检测管理与控制，智能检测与控制技术以其测量速度快、高度灵活、智能化数据处理和多信息融合、自检查和故障诊断，以及检测过程中软件控制等优势，在各种工业系统中得到了广泛的应用。由于智能检测与控制系统充分利用了计算机及相关技术，实现了检测与控制过程的智能化和自动化，因此可以在最少人工参与下获得最佳的结果。智能检测与控制系统以微机为核心，以检测和智能化处理为目的，用以对被测过程的物理量进行测量，并进行智能化的处理和控制，从而获得精确的数据，包括测量、检验、故障诊断、信息处理和决策等多方面内容。随着人工智能原理和技术的发展，人工神经网络技术、专家系统、模式识别技术等在检测中的应用，更进一步促进了检测与控制智能化的进程，成为21世纪检测与控制技术的主要研究方向。

1）检测技术

检测就是指利用各种物理化学效应，选择合适的方法和装置，将生产、科研、生活中的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。它以自动化、电子、计算机、控制工程、信息处理为研究对象，以现代控制理论、传感技术与应用、计算机控制等为技术基础，以检测技术、测控系统设计、人工智能、工业计算机集散控制系统等技术为专业基础，同时与自动化、计算机、控制工程、电子与信息、机械等学科相互渗透，主要从事以检测技术与自动化装置研究领域为主体的，与控制、机械、信息科学等领域相关的理论与技术方面的研究。

对现代工业来说，任何生产过程都可以看作物流、能流和信息流的结合。其中信息流是控制和管理物流和能流的依据，而生产过程中的各种信息，如物料的几何与物理性能信息、设备的状态信息、能耗信息等都必须通过各种检测方法，利用在线或离线的各种检测设备拾取。将检测到的状态信息再经过分析、判断和决策，得到相应的控制信息，并驱动执行机构实现过程控制。因此，检测系统也是现代生产过程的重要组成部分。

2）智能的概念

智能及智能的本质是古今中外许多哲学家、脑科学家一直在努力探索和研究的问题，智能的发生、物质的本质、宇宙的起源和生命的本质一起被列为自然界四大奥秘。近些年来，随着脑科学、神经心理学等研究的进展，人们对大脑的结构和功能有了初步认识，但对整个神经系统的内部结构和作用机制，特别是脑的功能原理还没有完全认识清楚，有待进一步的探索。因此，很难对智能给出确切的定义。

一般认为，智能是指个体对客观事物进行合理分析、判断及有目的地行动和有效地处理周围环境事宜的综合能力。也有人认为智能是多种才能的总和。Thursleme 认为智能是由语言理解、用词流畅、数、空间、联系性记忆、感知速度及一般思维七种因子组成。

3）智能检测

智能检测包括两方面的含义：一方面，在传统检测控制基础上，引入人工智能的方式实现智能检测控制，提高传感检测控制系统的性能；另一方面，利用人工智能的思想、新型的检测方法控制系统。智能检测系统是以微机为核心，以检测和智能化处理为目的的系统，一般用于对被测过程中的物理量进行测量，并进行智能化处理，获得精确数据，通常包括测量检验、故障诊断、信息处理和决策等多方面内容。由于智能检测系统充分利用计算机及相关技术，实现了检调过程的智能化和自动化，所以可以在最少人工参与的条件下获得最佳的、最满意的结果。

智能检测系统具有如下特点。

（1）测量速度快。计算机技术的发展为智能检测系统的快速检测提供了有利条件，使其与传统的检测过程相比，具有更快的检测速度。

（2）高度灵活性。以软件为工作核心的智能检测系统可以很容易地进行设计生产、修改和复制，并且能够很方便地更改功能和性能指标。

（3）智能化数据处理。计算机可以方便快捷地实现各种算法，用软件对测量结果进行在线处理，从而可以提高测量精度，并且可以方便地实现线性化处理、算术平均处理及相关分析等信息处理。

（4）实现多信息数据融合。系统中配备有多个检测通道，由计算机对多个检测通道进行高速扫描采样，依据各种信息的相关特性，实现智能检测系统的多传感器信息融合，从而提高了检测系统的准确性、可靠性和容错性。

（5）自检查和故障诊断。系统可以根据检测通道的特性和计算机的本身自诊断功能，检查各单元的故障类型和原因，显示故障部位，并提示对应采取的故障排除方法。

（6）检测过程的软件控制。采用软件控制可以方便地实现自动极性判断、自校零与自校准、自动量程切换、自补偿、自动报警、过线保护、信号通道和采样方式的自动选择等功能。

此外，智能检测系统还具备人机对话、打印、绘图、通信、专家知识查询和控制输出等智能化功能。

4）智能控制

（1）基本概念。智能控制是指为了适应自动控制的发展，将人工智能的理论与技术运用到自动控制中，解决现实问题而形成的一门新兴学科。同时，它也是人工智能发展的研究内容和新的应用领域。智能控制与常规控制有着密切关系。常规控制往往包含在智能控制中，智能控制利用常规控制的方法来解决“低级”的控制问题。它力图扩充常规控制方法并建立一系列新的理论与方法，以解决更具挑战性的复杂控制问题。与常规控制相比较，智能控制系统具有以下几个功能。

①学习功能。智能控制系统能对一个过程或未知环境所提供的信息进行识别、记忆、学习，并能将得到的经验用F 估计、分类、决策或控制，从而使系统的性能得到进一步改善，这种功能类似于人的学习过程。

②适应功能。从系统角度来看，系统的智能行为是一种从输入到输出的映射关系，是一种不依赖于模型的自适应估计，因此比传统的自适应控制有更好、更高层次的适应性能。有些智能控制系统，除了具有对系统输入/输出的自适应估计功能外，还具有系统故障诊断及故障修复功能。(www.xing528.com)

③组织功能。系统对复杂的任务和各种传感器信息具有自行组织、自行协调的功能。它可以在任务要求范围内自行决策，出现多目标时可以适当地自行解决。因此，系统具有较好的主动性和灵活性。

（2）研究对象与内容。智能控制的研究对象主要是不确定的模型、高度的非线性模型和复杂的任务，智能控制的对象模型往往是未知或知之甚少的，模型结构和参数可能在很大的范围内变化；智能控制不仅可以解决常规控制理论能解决的问题，而且可以很好地解决非线性系统的控制问题。常规控制要么是恒值，要么随控制而变化，而智能控制系统任务的要求比较复杂，往往是多目标、多形式信息表现的综合。

根据智能控制对象所具有的特点，智能控制的基本研究内容大多包括以下9 个方面。

①通过智能控制认识论和方法论的研究，探索人类的感知、判断、推理和决策的活动机理。

②对智能控制系统的基本结构模式分类，进行多层次系统模型的结构表达，学习自适应和自组织等概念的软分析和数学描述。

③根据实验数据和激励模型所建立的动态系统，能完成对不确定性系统的辨识、建模和控制。

④实施专家控制系统的技术方法。

⑤按控制系统的机构进行性质分析和稳定性分析。

⑥基于模糊逻辑和神经网络计算的智能控制技术。

⑦集成智能控制的理论和方法。

⑧基于多Agent 的智能控制方法。

⑨智能控制在人工智能等领域的应用研究。

5）智能检测与控制系统的组成

智能检测与控制系统的结构随着控制对象、环境复杂性和不确定性程度的不同而变化。图2-1-1所示为智能检测与控制系统的基本结构，图中的广义对象包括一般的控制对象和外部环境。例如，在智能机器人系统中，机器人的手臂、移动载体、被操作的对象和其所处的工作环境统称为广义对象。而传感器则指将其中所需物理量等转换成计算机能处理的电信号的装置总称，在智能机器人系统中，有位置传感器、力传感器、接近传感器、里程计及视觉传感器等。感知信息处理是将传感器获得的各种信息进行处理，这种处理可以是单个传感器信息处理，也可能是包括多种传感器的信息融合处理。随着智能水平的提高，信息融合处理就显得更加重要。认识学习部分主要是接受和储备知识、经验和数据，并对它们进行分析、学习和推理，然后送到规划与控制决策部分。规划与控制决策部分根据给定的任务要求、反馈的信息及经验知识，进行自动搜索、推理决策、动作规划，最后经执行器作用于被控对象。通信接口部分不但要建立人机之间的联系，还要负责各模块之间的通信，以保证必要的信息传递。

图2-1-1　智能检测与控制系统的基本结构

任务实施

1.解释下列名词：

（1）智能检测；

（2）智能控制。

2.分析讨论下列问题：

（1）智能检测系统的特点有哪些？

（2）智能控制系统有什么功能？

（3）智能检测与控制系统的基本结构是什么？

知识拓展

试举一个常见的智能检测系统的例子，并说明它的工作原理与优势。