时间：2023-04-21 18:25:52
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国内外大量工程实践表明，对水利水电工程进行全面的监测和监控，是保证工程安全运行的重要措施之一。同时，将监测和监控的资料及时反馈给设计、施工和运行管理部门，又可为提高水利水电工程的设计及运行管理水平提供可靠的科学依据。
现代化的测控技术[2],应该具有采集数据、科学管理数据，及时或实时对水利水电工程的安全状况作出分析和评价，并对其异常或险情作出辅助决策等功能.因此,高新测控技术的基本要素包括数据采集系统、数据管理系统和分析评价系统及其计算机通讯网络支撑等(见图1)。
图1水利水电工程高新测控技术示意图
1.1数据采集系统
通过测控单元(MCU)自动采集、笔记本电脑现场采集或人工观测埋入坝体或安装的传感器采集的监测效应量(大坝的变形、渗流、应力应变和温度等)和影响量(水位、气温、降雨和地震等)，并输入计算机的数据库。其中，自动化数据采集系统可以实现实时采集，半自动化和人工采集为定期采集。因此，自动化采集数据一般是对水利水电工程关键部位(或坝段)主要监测量(变形和渗流等)的采集。
1.2数据管理系统
由数据采集系统采集的数据进入计算机数据库后，由数据管理系统对其进行科学有序的管理。包括将电容、电感、电阻、电压、频率等转换为位移、扬压力、渗流量、应力应变、裂缝开合度以及温度等，及它们的误差识别和处理，并将监测量按有关监测规范进行整编和初分析；编制月报和年报等。
1.3分析评价系统
分析评价系统根据监测到的数据，进行观测资料的分析和反分析，结构和渗流正、反分析，建立各类监控模型和拟定监控技术指标等；将收集到的工程设计、施工、运行管理、有关法规和规范等方面的专家知识进行编辑，构成分析、评价、辅助决策等方面的知识库和推理分析知识。
现简述几种传感器的主要工作原理及其应用情况.
(1)差动电阻式传感器
该传感器为美国加州大学卡尔逊教授所研制。置于其内腔的两根弹性钢丝作为传感元件，受力后一根受拉、一根受压.当环境量发生变化时，两者的电阻值向相反方向变化，根据两个元件的电阻值比值,测出物理量的数值。
我国南京电力自动化设备厂从20世纪50年代开始，已研制出几十万支差动电阻式传感器，并应用于大量的水利水电工程中，取得了成功经验。
(2)振弦式传感器
由前苏联的达维金可夫发明。其核心元件是一根钢弦，钢弦的一端固定，另一端则固定在测量元件(受压膜片或测量端块)上。当受力后，钢弦长度将产生微小变化，引起固定频率的变化，从而测出物理量的数值。
加拿大的Rocktest公司，美国的Sinco,Geokon公司等生产的振弦式传感器性能良好，其中真空式为最佳。近几十年来，我国较多的工程应用了这种传感器。
(3)差动电容式传感器
由我国南京电力自动化研究院研制。其工作原理是，将垂线或引张线穿过由4块组成矩形的电容极板中，当测线发生位移时，电容极板的电容产生变化，从而测出位移量。
该传感器经过20多年的完善，其精度和长期稳定性等均有较大提高，已在不少水利水电工程中应用。
(4)差动电感式传感器
首先由原法国的Telemac公司研制。其工作原理是，当高频交变电流通过垂线坐标仪时，在周围产生交变磁场,接收点的磁感应强度与导线距离成反比；当垂线产生位移时，接收点测得的感应电势发生变化,其变化量的大小反映位移量的大小。
该传感器在我国龙羊峡等水利水电工程中得到成功应用。我国有关厂家也仿制了这类传感器。
(5)步进马达式传感器
由原法国Telemac和意大利ISMS公司研制.其工作原理是，由步进电机驱动光电探头，探头中的光照准器先后对准基准杆和垂线钢丝，然后返回原点，在此过程中，测量电路记录探头前进及返回基准点和垂线钢丝的脉冲数,经计算得到位移量。
该传感器的机械部件较多，易出现故障，其长期稳定性也不易保证。我国有关厂家也仿制了这类传感器，在实际工程应用中的故障率较高。
(6)CCD传感器
由河海大学结合国家三峡工程重大基金项目研制。该传感器由若干个特别研制的CCD线阵模块和发光二极管阵列模块组成，当垂线穿过并产生位移时，CCD线阵模块记录垂线位移与基准点的位置，从而计算出位移量。
该传感器技术先进，精度和可靠性高，在上标和响洪甸等水利水电工程中得到应用。
(7)其它新颖传感技术
①光纤传感技术光导纤维是由不同折射率的石英玻璃包层及石英玻璃细芯组合而成的纤维。它能使感受到的各种物理量而计算出监测量，以及传送感受的信息通讯。目前，应用于光纤传感的监测量主要是裂缝，应力应变尚需进一步研究。应用信息通讯较为广泛，且安全可靠。
②CT技术意称计算机层析成像。它指的是在不破坏物体结构的前提下，根据物体周边所获取的某种物理量(如波速、X线光强)的一维投影数据，应用数学方法，通过计算机处理，重构物体特定层面的二维图像及其由此重构的三维图像；从而定量描述物体内部材料分布和缺陷。该技术将成为工程结构物内部隐患监测和老化评估的一种重要手段，在国内外得到应用，我国丰满水电站等工程中也得到成功应用。
③渗流热技术依据渗流场与温度场同时满足扩散方程及其初始和边界条件的原理，利用埋设的温度计测值分析渗流场的分布及其异常部位。
④GPS技术利用卫星定位技术(GPS)监测堤坝和岩土边坡的表面变形.
⑤激光传感技术由激光点光源(即发射点)发射的激光与激光探测仪(即接收端点)构成激光淮直线，由发射的激光在波带板及支架(测点)上观测位移量。它可分大气激光和真空激光准直，其中的真空激光准直除包括激光点光源、波带板及其支架和激光探测仪，即发射点、测点和接收端点以外，,还有真空管道。我国丰满和太平哨水电站等大坝坝顶水平位移和垂直位移的10多年观测资料表明，真空激光准直具有精度高、长期稳定等优点。
2.1.2数据采集装置数据采集装置将各类传感器测出的物理量(如电阻、电阻比、电容、电感和频率等)转化为数字量(如位移、渗压、应变和温度等)，即A/D转换,以便远程输送。当距离超过100m以后，传感器输出的电量和频率等信号，随距离的增大急剧衰减，以至无法测出物理量，但数字量可远距离输送。因此，一般将几十个传感器按部位接入数据采集装置，使传感器观测的物理量转换为数字量。按监测方式不同，数据采集装置可大致分为以下几种类型。
(1)自动化数据采集装置国内外自动化数据采集装置主要有，美国Geomation公司的2300系统、Sinco公司的IDA系统；我国台湾研华公司的ADAM4000和ADAM5000系统；南京电力自动化设备厂的FWC-1系统等。按结构的不同可归纳为总线型和集散型两大类。
①总线型结构Geomation公司的2370型、IDA、ADAM4000、ADAM5000以及FWC-1等系统均属于总线型结构.以IDA系统为例,其系统结构见图2(a)，模块箱的结构见图2(b).图中主机为工控机，中继起联接和中断作用。
IDA母线有二线信号、二线电源；A1～An是智能测量模块，每个模块可接8个传感器；B1～Bm是智能传感器。A和B有解释指令、多路传输、A/D转换和错误查询等功能。同时具有自动和人工测读的两种功能，并可防雷。
②集散型结构Geomation公司研制的2350型、2380型等系统属集散型结构。其系统结构见图3。
从图3中可见，NMS为主机；NRU起中继和网点(即可转成有线的调制信号)的作用；MCU(3)是异地单元,也起中继作用(距离近的可以不用)；MCU(4)和MCU(5)也是异地单元，但它能起无线电发射和接收作用；MCU(6)～MCU(N)是监测传感器。在这两种型式中，总线型结构具有抗干扰能力强、可靠性高、现场调机方便和造价低等优点。其中Geomation公司的2370型、IDA等系统可接入电式和频率式传感器。
(2)人工或半自动化数据采集装置人工或半自动化数据采集仪可在现场测读传感器的测值，或用笔记本电脑采集。其中，差动电阻式采集仪主要有SQ-2型数字电桥、XJ型数字式电阻比检测仪、ZJ型数字式和PSM-R型电阻比检测仪等；钢弦式采集仪主要有SDP-3型钢弦温度测试仪和GPC-1型袖珍式钢弦频率测定仪等。
2.2数据管理系统
水利水电工程大坝可埋有几百个、几千个甚至上万个传感器。如长江三峡水利枢纽建筑物就埋设约一万多个传感器，其采集数据每年达几百万个，并随着观测年限的增加，数据将越来越多，对这些海量数据必须进行科学有序地管理，以便为分析评价系统提供可靠的信息。数据管理系统的核心是数据管理软件和应用软件。
2.2.1数据库管理软件平台在大、中型水利水电工程中，目前常用的数据库管理系统有Oracle、Sybase、Informix以及SQLServer等4大类。其中以Oracle和Sybase数据库在中国应用最广。而Sybase为单进程、多线索结构，即通过单进程的多重通路来同时服务于多用户，提高内存的有效使用率，便于优先程序的查询。因此，Sybase数据库无论在总体结构、功能和特性等方面都有较大优势。本文作者开发和研制的7个大型水电工程的数据(或信息)管理及专家综合评价系统，主要采用了Sybase数据管理系统。在小型水利水电工程中，目前常用的数据库管理系统有DBase，Foxbase和Foxpro等。而Foxpro为用户级数据库系统,目前采用较多。
2.2.2数据库逻辑模型检测的目的是分析评价工程的安全状况。因此，根据分析评价的需要，数据库的逻辑模型包括工程档案、原始数据、整编数据和生成数据等4个分库(见图4)。
(1)工程档案分库该分库管理工程概况以及与工程安全有关的设计、施工资料等.
(2)原始数据分库管理监测资料的原始数据，包括物理量(电阻、电阻比、电感、电容、频率等)和监测效应量(变形、扬压力、渗流量、应力应变和温度等)，并应保证原始数据的真实性。
(3)整编数据分库依据有关标准和规范，对原始数据进行误差识别和转换；按结构单元和监测项目进行整编，包括测值统计表及其过程线图，以及特征值(如最大值、最小值等)和环境量(如水位、气温、降雨、地下水位等)的统计等；对测值进行初步分析，初步识别异常值以及复测；编制日报、月报和年报，其中，日报是刊录测频高(每日一次或数次)的自动化监测系统的数据。
(4)生成数据分库对监测资料分析和反分析的成果，结构和渗流分析和反分析的成果，以及与工程安全有关的设计、施工和运行的专家知识等进行管理，为工程安全分析评价提供定性和定量的依据。主要包括大坝或各结构单元在各荷载组合工况下的应力和位移、坝体温度场、坝体和坝基渗流场(等势线和流线)；位移和扬压力的力学规律计算值；各测点的统计模型，变形测点和空间位移场的确定性模型和混合模型；变形、应力和扬压力的监控指标；历次异常或险情的分析评价成果等。
2.2.3应用软件根据数据库的逻辑模型,在数据库的软件平台上，开发和研制数据库的应用软件，主要包括：
(1)菜单编程对数据库的菜单和各个分库的菜单等编制应用程序。可以采用下拉式或全屏幕式。
（2)原始数据管理的应用软件包括与采集系统相联的通讯软件；按结构单元和测控装置将传感器监测的物理量(电阻、电阻比、电感、电容和频率等)或数字量(变形、渗压、渗流量、应力应变和温度等)编制成图表的软件。
(3)整编数据管理的应用软件包括误差识别和处理程序；将物理量转化为数字量(应变转化为应力，以及测控装置没有转换为数字量的物理量)；按结构单元，将数字量及其相应环境量编制整编成图表的软件；初分析软件；编制日报、月报和年报的软件等。
(4)生成数据管理的应用软件包括对监测资料分析和反分析成果、结构和渗流分析和反分析成果，以及有关专家知识等，并编制成相应图表的软件。
2.3分析评价系统[3]
对水利水电工程监测和监控的目的是，依据监测资料和相应的专家知识，对工程的安全状况作出综合分析和评价。因此，完整的现代测控系统必须包括分析评价系统.其功能是依据监测资料、结构、渗流等分析和反分析成果，以及与工程安全有关的设计、施工、运行管理、法规和规划等专家知识，对监测资料进行分析和评价，从中寻找异常值或不安全因素，并对此进行成因分析和辅助决策等。因此，分析评价系统应包括资料评价、综合检查分析、观测检查、物理成因分析、专家综合诊断和辅助决策等部分，其结构和流程分别见图5和图6。
2.3.1资料评价应用时空分布、力学规律、监控模型、监控指标、日常巡查和关键问题等6类评判准则，对监测值进行分析评判，从中识别异常值或不安全因素。
2.3.2检查分析对异常值或不安全因素，通过同一部位的同类监测量、相关监测量和环境量的综合分析(或相关分析)检查，从中识别引起异常值或不安全因素的成因。如由观测引起的，则进入观测检查；是由结构和荷载引起的，则进入物理成因分析。
2.3.3观测检查对由观测引起的异常测值，首先检查观测记录，然后检查采集系统。对观测记录错误的测值宜进行删除或修改；对监测采集系统引起的异常测值，在排除故障后重测并进行修正。
2.3.4物理成因分析对由结构和荷载引起的异常值或不安全因素，首先检查环境量(或外因)有无产生特殊荷载工况。若有，则分析坝基异常(包括变形、稳定和应力等)成因，然后分析建筑物异常(变形、应力、裂缝等)成因，当稳定和强度满足安全要求时，则“异常”或“不安全因素”是由荷载引起的，为结构调整所致,所以属基本正常。若无特殊荷载工况，则反分析坝基和坝体的计算模型和计算参数等；然后，正演分析监测量,若与实测值一致，则为计算条件改变而引起的；并复核坝基和坝体的稳定和强度，若满足安全要求，则虽为结构引起，但尚属基本正常；若稳定和强度不满足安全要求，则为异常或险情，随即进入辅助决策。若分析不出物理成因，则进入专家综合诊断。
2.3.5专家综合诊断对异常或不安全因素的疑难杂症，即难以分析成因的，进行专家综合诊断，包括对其影响因素和安全度的专家综合评判。
2.3.6辅助决策依据异常或险情的程度，首先提出报警级别，然后提出辅助决策的建议。其中报警级别分三级，一级为险情，二级为异常，三级为局部异常。辅助决策建议包括运行控制水位和补强加固处理措施的建议等。
2.3.7支持库群为了给以上分析评价提供定量依据，该系统还包括数据库、方法库、知识库和图库等支持库群。
(1)数据库主要管理监测资料及其分析和反分析成果，与工程安全有关的设计、施工和运行资料等。
(2)方法库依据安全分析评价需求，方法库主要包括监测资料分析和反分析软件包，结构和渗流分析软件包,综合分析和评价程序，以及辅助决策程序等。如本文作者给多座水利水电工程开发的分析评价系统中，共设置40个程序。其中，监测资料分析和反分析软件包有监测资料预处理、资料分析和反分析等22个程序；结构和渗流分析软件包有规范法的应力和稳定分析，有限元静力、动力以及粘弹性和粘弹塑性分析等13个程序；综合分析和评价包括影响因素和安全度评价等2个程序；辅助决策包括报警、洪水反调节等3个程序。从而，总体上能满足安全分析和评价的定量分析需要。
(3)知识库包括专家语言的定量化知识,隐蔽薄弱部位的设计和施工的专家知识，历次安全定期检查以及异常或不安全因素的分析评价成果等。
(4)图库包括图形库和图像库。其中，图形库包括分析和评价过程中的各类图表；图像库包括分析评价结论的多媒体演示等。
2.3.8分析评价的人工智能技术为了实现分析评价的人工智能化，分析评价系统采用正向推理、反向推理、混合推理和元控制等4种技术。其中，正向推理为已知问题的事实，在知识集中寻找匹配知识，反复循环直至找到有解结论；反向推理为已知或假设结构，从知识集中寻找匹配的解，反复循环，直至找到匹配的解；混合推理为融合正向和反向推理的原理，先正向后反向或先反向后正向；元控制是将元知识(即知识的知识)构成元知识库，以求解问题的目标。
2.4计算机及通讯网络技术
由于高新测控技术是将数据采集、信息管理和分析评价融汇在一起的庞大系统工程，必须在现代计算机及通讯网络技术的支持下才能实现。
2.4.1计算机网络拓扑结构常用的拓扑结构有总线形、星形和树形等(见图7)。其中，总线形结构为网络所有结点连在通信总线上；星形结构为网络所有结点连接在中心结点上，由中心结点负责数据处理和交换；树形结构为自顶而下的层次化的扩展式结构，顶部结点为根结点，连接2个以上结点的称为支节点，以下为端结点，以根结点为网络核心、支结点为子网络中心、端结点为面向用户的桌面。
一般大中型水利水电工程结构单元(如坝段)较多、布置的测点也较多，宜用总线形；对省局(厅)或大网局，由于所属水利水电工程较多，分布也广，而需要由局中心控制时，宜用星形结构，其中一个结点为一座水利水电工程；对特大型水利水电工程.如三峡工程，由于分项工程较多，宜用树形结构(见图8)。
2.4.2计算机通讯网络平台单个的水利水电工程一般用局域网，可采用高速光纤、载波或微波等网络通讯。对省网局(厅)或大型水利水电工程需要有外部技术支持的，一般采用广域网，亦可采用以太网或Intranet网等。
2.4.3计算机工作方式一般采用C/S(客户机/服务器)方式。其中，服务器主要存储监测数据以及与工程安全有关的设计和施工等资料，应该有强大的存储和处理数据的功能；其型号和数量视工程规模、监测项目的多少，由需求分析确定，一般应有双机或多机热备份。客户机主要面向用户的分析评价和辅助决策等，可由多台并行计算机完成。
3结语
(1)现代化测控技术应包括数据采集、管理和分析评价等功能，以及完成这些功能的计算机软硬件环境和通讯网络环境。
(2)数据采集包括传感器和测控装置，完成A/D转换，以便监测的数字量能远距离输送。
建设工程质量检测是国家进行工程质量监管的重要手段，在工程质量监督管理中发挥着重要的监控威慑作用。当前国内建设工程质量检测行业仍然存在着不规范的市场行为，检测机构的检测工作中时有弄虚作假，试样做假、漏检、少检的行为发生。规范建设工程质量检测行业的市场行为，加强建设工程质量检测机构的管理能力，提升建设工程质量检测机构的工作质量势在必行。信息化管理方法的运用能够在一定程度上保障建设工程质量检测过程中检测数据的真实性、公正性、可靠性。建设工程质量检测的信息化管理是指在工程质量检测机构中，利用计算机自动化技术、网络技术以及现代通讯技术等手段对建设工程质量检测机构及其所属各部门的检测业务进行综合管理，为建设工程质量检测机构的整体运行提供全面、自动化的管理及各种服务。目前，全国较发达地区已经相继建立了较为完善的检测机构信息化监管系统，对涉及建筑结构安全的力值检测参数如混凝土抗压强度、钢筋力学性能指标等必须实时上传试验结果，对于非力值检测参数的检测报告必须上传关键页面。除此之外，某些地区如广州市正在推行混凝土试块芯片植入技术，对于混凝土试块一律要求植入混凝土芯片，检测机构不得接收无芯片的混凝土试块，试块必须进行扫描识别之后方可进行试验，无芯片的混凝土抗压强度报告不得作为验收报告采用。然而目前检测机构的信息化管理运作中依然存在不少问题，如网络传输不顺畅，导致数据无法实时上传；存储设备容量不够，导致部分数据丢失；监管系统安全性不足，数据被他人利用等。其中，当前最突出的问题是信息化管理仅仅停留在对试验数据的监控，疏忽了对试验流程与过程的监管，即无法保证样品的真实性或试验过程的规范性，容易出现“偷梁换柱”等问题，即试样制假或试验作假等现象。有鉴于此，本研究以上述问题为出发点，应用现代信息网络技术，对试验流程与试验数据进行“双控”，确保试验结果的真实性和检测报告的有效性，为真实评价工程质量提供科学依据。
2设计原理与系统架构
2.1技术原理
根据检测监管业务需要，对试验流程进行全过程监控，包括收样、样品制备、数据采集等过程。主要体现于两个方面：第一方面，通过高清摄像枪对样品接收和样品制备过程进行实时记录；另一方面通过在试验机电脑上安装视频采集卡，自动采集试验机电脑屏幕的数字信号，通过图像处理器转换成与摄像机信号一致的模拟信号。最后利用现有的CATV技术，将电脑屏幕数字信号与摄像机信号整合在一起，通过光纤传输至硬盘录像机，实现实时的监控、存储功能，通过录像回放功能实现对历史记录的查询。通过登陆客户端软件或ip登录访问服务器电脑，可以实现在办公室对检测过程的动态监控。本部通过现有的vpn网络，连接到检测中心服务器后浏览视频、回放录像，实现远程监控。
2.2系统架构
本系统主要有前端的数据采集装置包括高清摄像枪和视屏采集卡，数据传输介质（光纤），数据接收与存储设备（硬盘录像机）、网络交换机、服务器电脑以及客户端软件组成。系统架构如图1所示。（1）高清摄像枪用于监控样品接收与存放、样品制作、抗压试验等过程，对试验过程规范性与样品的真实性进行实时监管，避免弄虚作假现象的发生。（2）视屏采集卡自动采集试验机电脑屏幕的数字信号，并通过内置转换器转换成与摄像枪信号一致的模拟信号，对试验参数、试验数据、以及曲线的形态进行实时监控，确保试验过程的规范性和数据真实性。（3）光纤作为信号传输介质，将高清摄像枪与视频采集卡的信号传输至硬盘录像机，相比同轴电缆，光纤传输速度快，降低信号延迟；传输损失少，保证视屏质量。（4）网络交换机实现与局域网内的电脑及服务器电脑互联，可以通过局域网访问硬盘录像机。（5）硬盘录像机数据接收和存储终端，实时接收光纤传至的信号并存储，并可以对历史记录按时间进行查询。（6）服务器将若干硬盘录像机通过网络交换机串联至服务器电脑，通过访问服务器电脑可以同时访问局域网内所有的硬盘录像机，实现一机多控。本部通过现有的vpn网络，连接到检测中心服务器后浏览视频、回放录像。（7）客户端软件除了通过ip访问服务器电脑以外，可以通过安装客户端软件对局域网内的硬盘录像机进行访问，相比于ip访问，使用管理更简便。
3系统实施
图2和图3是分别利用客户端软件和iP登陆访问，对试验过程和试验环境进行的全方位监控。以混凝土芯样抗压强度检测详细阐述监控流程，具体如下。
3.1样品安全管理监控
委托方完成登记委托后，将样品放置于芯样样品存放区集中保管，在存放区安装高清摄像枪，配合大门口的监控信号，对样品进行全面安全监视，如下图4、图5所示。
3.2样品制备流程监控
芯样的制备流程主要包括芯样接收、开箱验样、盲样编号、芯样切割、芯样打磨、芯样补平等6个阶段，对上述6个关键节点布设视屏监控，如下图6、图7、图8、图9、图10、图11所示。杜绝芯样制备环节的不正规操作，保证样品真实性、试验过程规范性，确保试验结果可靠性。
3.3抗压试验“双控”
“一控”是对样品的真实性进行确认，避免试验人员调换样品，高清摄像枪可以清晰捕捉样品编号，确保是真实样品，如图12所示；对试样的破坏过程及破坏形态是否正常进行判定，如试样偏心受压导致提前破坏或样品未完全破坏而试验机误判试验终点等现象；“二控”是对试验机电脑屏幕的监控，监控试验数据采集是否正常，试验曲线走势是否正常，是否发生试样尚未破坏而试验机停止采集数据、曲线下落时间与试样的破型时间不一致等现象的发生，如图13所示。
4结束语
装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。
数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。
1数控技术的发展趋势
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面［1～4］。
1．1高速、高精加工技术及装备的新趋势
效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。
在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。
从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!000r/mm和1g。
在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。
在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。
为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。
1.25轴联动加工和复合加工机床快速发展
采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。
当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。
在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。
1.3智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势
21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。
为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(TheNextGenerationWork-Station/MachineControl)、欧共体的OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)、日本的OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)，中国的ONC(OpenNumericalControlSystem)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。
网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProductionCenter”（智能生产控制中心，简称CPC)；日本大隈（Okuma）机床公司展出“ITplaza”（信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子(Siemens)公司展出的OpenManufacturingEnvironment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。
1.4重视新技术标准、规范的建立
1.4.1关于数控系统设计开发规范
如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。
1.4.2关于数控标准
数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。
STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75％）、加工程序编制时间（约35％）和加工时间（约50％）。
目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划(1999.1.1～2001.12.31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。美国的STEPTools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(SuperModel)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。
2对我国数控技术及其产业发展的基本估计
我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为3个阶段：第一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达50％，配国产数控系统（普及型）也达到了10％。
纵观我国数控技术近50年的发展历程，特别是经过4个5年计划的攻关，总体来看取得了以下成绩。
a.奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。
b.初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。
c.建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。
虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下。
a.技术水平上，与国外先进水平大约落后10～15年，在高精尖技术方面则更大。
b.产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。
c.可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱；数控技术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后。
分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面。
a.认识方面。对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足；对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足；对我国数控技术应用水平及能力分析不够。
b.体系方面。从技术的角度关注数控产业化问题的时候多，从系统的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少；没有建立完整的高质量的配套体系、完善的培训、服务网络等支撑体系。
c.机制方面。不良机制造成人才流失，又制约了技术及技术路线创新、产品创新，且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。
d.技术方面。企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力不强。机床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。
3对我国数控技术和产业化发展的战略思考
3.1战略考虑
我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。
我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。
3.2发展策略
从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。
强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等）带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。
在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。
在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。
参考文献：
［1］中国机床工具工业协会行业发展部.CIMT2001巡礼［J］.世界制造技术与装备市场，2001(3)：18-20.
［2］梁训王宣,周延佑.机床技术发展的新动向［J］.世界制造技术与装备市场，2001(3)：21-28.
[关键词]提升效率数控机床切削刀具
一、提升数控加工的意义所在
数控机床具有生产效率和加工自动化程度高，零件的加工精度和产品的质量稳定性好，能完成许多普通机床难以加工或根本无法加工的复杂型面加工，几乎不要专用的工装卡具、减少在制品，提高经济效益和大大减轻操作工人的劳动强度等一系列优点。随着制造业的迅速发展，大力发展以数控机床为先导的装备制造业已成为我国政府的一项产业政策，将对数控机床的发展产生重大的影响。用好数控机床提高数控机床的利用率具有重要的现实意义，它不仅能增加企业的效益，而且还有助于提高我国制造业的整体素质和加快建设制造强国的进程。
二、影响数控机床加工的因素
1.数控机床应用水平不高
数控加工在中国制造业中已经有了较长的使用时间，虽然有严格的数控机床操作规范、良好的机床维护保养，但是其本身的精度损失是不可避免的。为了控制产品的加工质量，我们定期对数控设备进行检测维修，明确每台设备的加工精度，明确每台设备的加工任务。对于大批量成批生产的零件加工工厂，应严格区分粗、精加工的设备使用，因为粗加工时追求的是高速度、高的去除率、低的加工精度，精加工则相反，要求高的加工精度。而粗加工时对设备的精度损害是最严重的，因此我们将使用年限较长、精度最差的设备定为专用的粗加工设备，新设备和精度好的设备定为精加工设备，做到对现有设备资源的合理搭配、明确分工，将机床对加工质量的影响降到了最低，同时又保护了昂贵的数控设备，延长了设备的寿命。
2.操刀次数及位置不合理
利用数控车床进行批量生产、特别是大批量生产时，在保证加工质量的前提下，提高加工效率、确保加工过程的稳定性是获得良好经济效益的基础。数控车削批量加工时，选择简便的换刀方式，是减少换刀辅助时间、减少机床磨损、降低加工成本的有效途径。改进换刀点设置是为达此目的进行的有效尝试之一。为此，在夹具选择、走刀路线安排、刀具排列位置和使用顺序等方面都要精细分析、优化设计，改进换刀点设置，减少运行成本，提高加工效率。
3.编程技巧不强
程序的效率直接影响着机床的工作效率，所以优化编程质量是提高数控机床工作效率的一个重要方法。首先，熟悉机床的指令，充分开发机床的内部功能，寻找高效的编程和加工方法。其次，大力推广计算机编程，加强计算机切削模拟，提高程序的可靠性，从而减少或取消在数控铣床上调试程序的时间。再次，合理编程，尽量减少机床走空刀的情况。
三、提高数控机床加工效率的措施
1.培养优秀的数控技术人才
数控机床虽然智能程度提高，但是人的作用却至关重要。没有技术好的编程人员，数控机床的效率就不可能得到有效提高，没有好的机床操作者就达不到最佳加工方式，产品的废品率就会提高，同时也会大大降低数控机床的使用效率和缩短机床的使用寿命。因此，要提高数控加工的效率，就必须培养出优秀的数控技术人员。
2.对数控机床实施科学管理
数控机床不同于普通机床，不能把管理普通机床的方法照搬到数控机床上。据一些使用数控机床较早的用户多年管理实践证明，凡是数控机床较多的单位，以相对集中管理的方式较好，即“专业管理，集中使用”的办法。工艺技术准备由工厂工艺技术部门负责，生产管理由工厂下达任务统一平衡。有条件的可以采用计算机集成管理的生产方式。由计算机把数控机床生产所需的各种作业和加工信息管理起来，实行信息共享，以减少生产准备时间，优化物流路线，可有效的提高生产率。
3.合理选择切削刀具
刀具的选择是保证加工质量和提高加工效率的重要环节。为了提高生产率国内外数控机床尤其是加工中心正向着高速、高刚性和大功率方向发展。这就要求具必须具有能够承受高速切削和强力切削的性能，而性能要稳定。在选用刀具材料时，凡加工情况允许选硬质合金刀具时，就不应选用高速钢刀具。有条件的选用性能更好更耐磨的刀具，如涂层刀具、立方氮化刀具、陶瓷刀片等。
这里特别强调一下球头刀具的使用，在进行自由曲加工时，由于球头刀具的端部切削速度为零，因此为保加工精度，切削行距一般取得很密，故加工效率很低。平头刀具在表面加工质量和切削效率方面都优于球头具。因此，只要保证不过切，无论是曲面的粗加工还是加工，都应优先选择平头刀。
随着现代工业技术的发展，数控机床的应用越来越广泛,使得产品的加工精度有了极大的提高。在这种形势下,传统的测量工具及测量方法已不能满足检测需求。在精密测量中,三坐标测量机扮演了重要角色。然而由于三坐标测量机价格昂贵,绝大多数中小型企业无能力购买使用。考虑到NC机床结构上与三坐标测量机相似,有可能利用其进行坐标测量。数控机床和三坐标测量机均是机电一体化的数字控制自动化机械。数控机床是将被加工对象进行数字化处理,然后,利用数字信息进行控制,从而加工出合格产品。而三坐标测量机则是在已加工好的产品上,利用测头与工件型面接触测得一系列点的坐标值,进而计算出尺寸、形位误差值的测量设备。数控机床与三坐标测量机均利用坐标轴移动实现自身功能。基于这一共同点,本文试图在不改变数控机床CNC控制系统的条件下(直接从CNC经光电隔离得到X、Y、Z二进制数值,必须改变机床CNC系统),将数控机床功能加以扩展,附加适当装置组成检测系统,实现利用数控机床进行测量的功能。
1.总体方案
本文设计的检测系统是利用数控机床及其控制系统,附加测头、摄像头、控制盒、计算机等装置组成的检测系统,其组成如图1所示。利用这个系统进行测量,其工作原理是利用摄像头捕捉数控机床屏幕上显示有坐标值的图像画面,再对捕捉到的图像进行处理,识别出坐标数值,间接得到被测点坐标,并在此基础上求得尺寸、形位误差值,以完成数据采集与数据处理,实现精密测量的功能。
本文选用图1所示的检测系统,是完全独立于机床之外的附加检测装置,对机床本身的性能没有影响。它是在不改变机床本体和原有功能的基础上,利用机床的X、Y、Z坐标移动性能,将刀具换成测量头测出工件上某点的位置。例如,要测量工件上A点到B点的距离,就相当于用对刀的方法确定A点坐标(xA,yA,zA)、B点坐标(xB,yB,zB),则A、B两点的距离为d=√x2+y2+z2,其中x=xA-xB;y=yA-yB;z=zA-zB。显然,这是一种通过测量点的坐标获取测量结果的方法。
2.硬件配置
系统的硬件包括测量头、控制盒及摄像头。
2.1测头
测头的基本功能是触发、瞄准和过零发讯。测头分为机械式、光电式、电气式三种。测头性能的好坏,决定着测量方式的难易、测量精度的高低。本文选用我国生产的应用极为广泛的硬线连接式导电式测头,它属于接触式测头,为通用型球头测头,能测定高度、槽宽、孔径和轮廓形状等。使用时,可以将测头半径和测出的数据输入到计算机中进行数据处理,然后自动输出被测值。测量方便、准确,易操作。
2.2控制盒
控制盒是本测量系统重要的硬件配置,是实现测量控制和数控机床与测量系统接口的关键装置。其性能的好坏直接影响测量系统的功能和可靠性。从测量系统的功能完善和先进性、实用性考虑,控制盒的核心控制部分选用80C51单片机与8255A接口芯片,通过编程实现测量系统的控制与通讯。控制盒工作过程如图2所示。当触头接触工件时,产生触发信号,触发器D接收到低电平信号,向单片机发出中断请求,通过程序实现延时功能,并通过8255A接口,使继电器1接通,打开摄像头,进行拍照。拍照完毕,继电器1断开,继电器2接通,控制伺服系统动作进行下一次测量。
2.3摄像头
将数控机床屏幕上带有坐标值的图像导入到计算机中,需要图像采集装置。本文选用的是Logitech快看视讯版TM网络摄像头,它具有高质量CMOS感应器,其静态和动态分辨率均达到640×480像素(VGA)。帧速度为:最高30帧/秒,图像清晰,可以满足测量系统的要求。
3.软件设计
软件设计的两个关键内容是字符识别及数据处理。
3.1字符识别
从数控机床屏幕图像中获取的坐标数值,首先须将摄像头拍到的图片文件转化为计算机可以处理的文本信息,此过程需要通过字符识别技术完成。字符识别算法分为三种:模板匹配法、特征法和笔画结构法。由于需识别的字符种类少,本文开发的软件系统中用了模板匹配法及特征法,借助VB编程实现。算法的主要过程如图3所示。
其中,预处理的目的是为特征提取及字符学习提供方便,主要运用平滑去噪、图像的二值化处理,使图像更清晰、准确。特征提取即提取字符特征模式作为区分字符的特征量。主要方法是利用细化骨架的方法提取字符骨架,然后利用穿线法获得单个字符的特征。运用此系统检测时,先对机床屏幕的显示字体进行学习,建立标准模板。将每一个单独的字符划分成A×B个像素(Pixels),字符的一些特征像素与标准模板比较,如果相似程度达到95%,那么,就可以认为该标准模板上的字符为所要识别的字符,逐一将要识别的这些字符进行判断分类和确认,最后得到识别结果。将其存入计算机,待数据处理时取用。
3.2数据处理
数据处理是针对离散采样数据点的集合,用一定的数学模型进行计算以获得测量结果的过程。由于应用本测量系统测得值均为一些要素表面离散点的坐标,要测出需要的几何元素误差值,需进行相应的数学推导。在评定尺寸误差时,借助了空间解析几何及向量知识对各种几何要素的测量给出了准确的计算公式。对于形位误差的测量,依据的原则为最小条件及最小二乘法。例如:对直线度误差的评定,依据最小二乘原理,根据测得的若干点的坐标,建立最小二乘线的方程y=ax+b,其中最小二乘线的参数a,b由式(1)求得:
将此直线方程化为一般式:
ax-y+b=0(2)
然后,求得各个测量点到该最小二乘线的距离
取Δ=2dmax,此为任意方向上的直线度误差。从而实现直线度检测功能。检测系统计算项目如图4所示。
4.测量实例
图5所示,待测公差项目是φ25孔轴线的直线度公差为φ0.005mm。利用此系统检测时,先将孔沿轴向划分为N个截面(本例取N=5),测得每一截面上,孔内表面上的三个点的坐标(见表1),根据三点定圆的原则,可以求得各截面圆对应的孔心位置,将此N个孔心的坐标xi,yi代入式(1),拟合最小二乘直线y=ax+b,将各圆心点的坐标代入式(3),即可求出各中心点到该直线的距离,那么,误差Δ2dmax。
数据处理结果Δ=2dmax=φ0.008mm>φ0.005mm,因此该孔不合格。
摘要：简要介绍了当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状，在此基础上讨论了在我国加入WTO和对外开放进一步深化的新环境下，发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性，并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径
数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。1数控技术的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面［1～4］。1．1高速、高精加工技术及装备的新趋势
效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。
在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。
从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!000r/mm和1g。
在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。
在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。
为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。
1.25轴联动加工和复合加工机床快速发展
采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。
当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。
在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。1.3智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势
21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。
为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(TheNextGenerationWork-Station/MachineControl)、欧共体的OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)、日本的OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)，中国的ONC(OpenNumericalControlSystem)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。
网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProductionCenter”（智能生产控制中心，简称CPC)；日本大隈（Okuma）机床公司展出“ITplaza”（信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子(Siemens)公司展出的OpenManufacturingEnvironment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。1.4重视新技术标准、规范的建立1.4.1关于数控系统设计开发规范
如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定1.4.2关于数控标准
数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。
STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75％）、加工程序编制时间（约35％）和加工时间（约50％）。
目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划(1999.1.1～2001.12.31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。美国的STEPTools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(SuperModel)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。2对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为3个阶段：第一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达50％，配国产数控系统（普及型）也达到了10％。
纵观我国数控技术近50年的发展历程，特别是经过4个5年计划的攻关，总体来看取得了以下成绩。
a.奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。
b.初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。
c.建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。
虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下。
a.技术水平上，与国外先进水平大约落后10～15年，在高精尖技术方面则更大。
b.产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。
c.可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱；数控技术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后。
分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面。
a.认识方面。对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足；对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足；对我国数控技术应用水平及能力分析不够。
b.体系方面。从技术的角度关注数控产业化问题的时候多，从系统的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少；没有建立完整的高质量的配套体系、完善的培训、服务网络等支撑体系。
c.机制方面。不良机制造成人才流失，又制约了技术及技术路线创新、产品创新，且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。
d.技术方面。企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力不强。机床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。
3对我国数控技术和产业化发展的战略思考3.1战略考虑
我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。
我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。3.2发展策略
从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展
强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等）带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。
在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。
在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。
参考文献：
［1］中国机床工具工业协会行业发展部.CIMT2001巡礼［J］.世界制造技术与装备市场，2001(3)：18-20.
［2］梁训王宣,周延佑.机床技术发展的新动向［J］.世界制造技术与装备市场，2001(3)：21-28.
课题名称： PLC先进控制策略研究与应用
1、选题意义和背景。
可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)具有可靠性高、抗干扰能力强、功能丰富等强大技术优势，已经成为目前自动化领域的主流控制系统。然而，从目前的应用情况来看，PLC还大都只是承担最基本的控制功能，如顺序控制、数据采集和PID反馈控制。各个PLC厂家也在其产品中设计了PID模块。虽然PID算法控制有很高的稳定性，但对于一些复杂控制系统，PID控制很难满足控制要求，这也使PLC的发展面临着一种挑战。随着越来越多的PLC产品与IEC1131-3标准兼容，PLC控制系统越来越开放，将先进控制算法嵌入PLC常规控制系统成为可能。本课题从工业控制实际应用角度出发，对PLC的控制功能进行深入的研究和探讨，以提高和扩展PLC控制器的应用水平和应用范围。本课题：PLC先进控制策略的研究与应用，其目的是通过研究使一些先进控制算法在PLC及组态系统上得以实现，并开发相应的应用程序，经过验证后最终应用到工业过程控制中去。
在PLC组态系统中实现先进控制算法，包括预测控制算法和模糊逻辑控制算法，形成具有人工智能的控制模块及网络系统，能大大提高系统的控制水平，改善控制质量。从经济角度来看，目前PLC生产商的一些产品具备先进控制模块，如模糊模块。但它们的价格十分昂贵，且封闭性较强，不适合我国中小型企业的工业改造。因此开发较为通用的先进算法实现技术，对于我国中小型企业的工业改造具有很大的意义，既可降低生产成本，又可提高经济效益。
模糊控制与预测控制是智能控制中技术较为成熟的分支，因此，研制和开发出适合工业环境的实时先进控制开发工具，实现模糊控制、预测控制嵌入PLC,与常规控制集成运行，让先进控制从教授、专家手中走出来，实现先进控制的工程化、实用化、转化为社会生产力，对缩短控制系统开发周期，加快先进控制技术的广泛应用，提高我国的工业自动化水平有着重大的意义。
2、论文综述/研究基础。
在过程工业界，从40年代开始，采用PID控制规律的单输入单输出简单反馈控制回路己成为过程控制的核心系统。目前，PID控制仍广泛应用，即便是在大量采用DCS控制的最现代的工业生产过程中，这类回路仍占总回路80%-90%.这是因为PID控制算法是对人的简单而有效操作的总结和模仿，足以维护一般过程的平稳操作与运行，而且这类算法简单且应用历史悠久，工业界比较熟悉且容易接受。
然而，单回路PID控制并不能适用于所有的过程和不同的要求[4}0 50年代开始，逐渐发展了串级、比值、前馈、均匀和Smith预估控制等复杂控制系统，即当时的先进控制系统，在很大程度上满足了单变量控制系统的一些特殊的控制要求。在工业生产过程中，仍有10%-20%的控制问题采用上述控制策略无法奏效，所涉及的被控过程往往具有强藕合性、不确定性、非线性、信息不完全性和大纯滞后等特性，并存在着苛刻的约束条件，更重要的是它们大多数是生产过程的核心部分，直接关系到产品的质量、生产率和成本等有关指标。随着过程工业日益走向大型化、连续化，对工业生产过程控制的品质提出了更高的要求，控制与经济效益的矛盾日趋尖锐，迫切需要一类合适的先进控制策略。自50年代末发展起来的以状态空间方法为主体的现代控制理论，为过程控制带来了状态反馈、输出反馈、解疆控制、自适应控制等一系列多变量控制系统设计方法}s}.上述多变量控制策略有其自身的不足之处，工业过程的复杂性使得建立其正确的数学模型比较困难。同时，计算机技术的持续发展使得计算机控制在工业生产过程中得到了广泛的应用，强大的计算能力可以用来求解过去认为是无法求解的问题，这一切都孕育着过程控制领域的新突破。
整个80年代，出现了许多约束模型预测控制的工程化软件包。通过在模型识别、优化算法、控制结构分析、参数整定和有关稳定性和鲁棒性研究等一系列工作，基于模型控制的理论体系己基本形成，并成为目前过程控制应用最成功，也最有前途的先进控制策略。近年来，人工智能技术有了长足的长进并在许多科学与工程领域中取得了较广泛的应用。就过程控制而言，专家系统、神经网络、模糊系统是最有潜力的三种工具。专家系统可望在过程故障诊断、监督控制、检测仪表和控制回路有效性检验中获得成功应用。神经网络则可以为复杂的非线性过程的建模提供有效的方法，进而可用于过程软测量和控制系统的设计上。模糊系统不仅是行之有效的模糊控制理论基础，而且有望成为表达确定性和不确定性两类混合并提炼这些经验使之成为知识进而改进以后的控制，也将是先进控制的重要内容。
由于先进控制受控制算法的复杂性和计算机硬件两方面因素的影响，早期的先进控制算法通常是在PC机和UNIX机上实施的。随着DCS功能的不断增强，更多的先进控制策略可以与基本控制回路一起在DCS控制站上实现。国外发达国家几乎所有企业都采用了DCS系统或其它智能化设备来实现对生产过程的控制，并在此基础上通过实施先进控制与优化较大的提升了系统的性能。可以说，高性能控制系统，尤其是DCS系统的普及为先进控制的应用提供了强有力的硬件和软件平台。国外从70年代末就开始了先进控制技术商品化软件的开发及应用，并在DCS的基础上实现先进控制和优化。如爱默生公司的DeltaV和Honeywell公司的TDC3000,其先进控制软件RMPGT和RPID等在现场的实际应用都集中在自己的DCS系统上。传统的PLC由于不支持浮点运算以及先进控制所必须的精确的时间，因此，除了模糊逻辑控制外，其他的先进控制并没有在PLG平台上实现。然而，在过程工业中大多系统使用先进灵活的PLC控制系统，因此1996年Barnes提出了一种基于PC-PLC通讯的混合方式，通过控制网络实现计算机与PLG的通讯，从而实现先进控制。
3、参考文献。
[1]基希林，曲非非。PLC的发展[J].微计算机信息，2002, 18(9)：1-2
[2]陈夕松，张景胜。过程控制发展综述与教学研讨[J].南京工程学报，2002,2(1)：49-52
[3]Ohaman Martin, Johansson,Stefan, Arzen, Karl-Erik. Implementation aspects of the PLC standard IEC 1131-3 [J].Control Engineering Practice, 1998,6(8)：547-555
[4]范宗海，黄步余，唐卫泽。先进过程控制在聚丙烯装置上的应用[J].石油化工自动化，1999, (6)：7-12
[5]王跃宣。先进控制策略与软件实现及应用研究[M].浙江大学博士论文，2003,(1)：8-20
[6]褚健。现代控制理论基础[M].杭州：浙江大学出版社，1995: 9-15
[7]沈平，赵宏，孙优贤。过程控制理论基础[M].杭州：浙江大学出版社，1991:31-38
[8]张志辉一套常减压先进控制的应用与开发「M].陕西：西安交通大学硕士论文，2003:20-25
[9]薛美胜，吴刚，孙德敏，王永。工业过程的先进控制[J].化工自动化及仪表，2002,29(2)：1一9
[10] Kolokotsa D.,Stavrakakis,G S二Genetic algoritluns optimized fuzzy controller for the indoor environmental management in buildings implemented using PLC and local operating networks[J].Engineering Applications of Artificial Intelligence,2002,15(5)：417-428
[11]黄丽雯。新型PLC的特点及应用[J].新特器件应用，1999 , (6) : 27-29
[12]杨昌馄。可编程序控制器发展趋势概述[J],基础自动化，1998 , (2) :1-5
[13]蔡伟，巨永锋。PLC分布式控制系统[J].西安公路交通大学学报，1996,16(3)：20-25
[14]胡惠延。用PLC实现的一种集散型控制系统[J].煤矿自动化，2000, (4) : 22-24
[15]陈勇，赵勇飞，徐莉。工控机与PLC分布式测控系统的设计[J].西安公路交通大学学报，1999 , (6) : 41-43
[16]任俊杰，钱琳琳，刘泽祥。基于SIMATIC S7 PLC的现场总线控制系统[J],电工技术杂志，2004,(9)：40-42
[17〕田红芳，李颖宏。PLC与上位机的串行通讯[J].微计算机信息，2001,17(3)：36-37
[18]姚锡凡，彭永红，陈统坚，李伟光。基于模糊芯片的加工过程智能控制[J].组合机床与自动化加工技术，2000, (2)：26-29
[19]汪小澄，方强。基于PLC的模糊控制研究[J].武汉大学学报，2002, 35(3)： 79-81
[20]肖汉光。模糊控制在悬挂链同步控制中的应用[M].广州：华南理工大学硕士论文，2002: 20-31
[21]成晓明，柳爱美，田淑杭，PLC的炉温多级模糊控制的优化与实现[J].自动化仪器与仪表，2000,(1) : 20-22
[22]李敬兆，张崇巍。基于PLC直接查表方式实现的模糊控制器研究[J].电子技术杂志，2001,(9)： 18-21
[23]张玺，刘勇，张小兵。二次开发Wincc模糊控制算法[J].计算机应用，2002,(1)：69-71
[24]孙东卫，周立峰。预测模糊控制在渠道系统中的应用[J].现代电子技术，2002,(4)： 82-85
[25]石红瑞，孙洪涛，马智宏。二次开发RSView32嵌入广义预测控制算法[J] .测控技术，2004 23(9) : 52-54
[26西门子公司。西门子57-300系统参考手册[M].北京：西门子自动化与驱动集团，2002: 10-200
[27西门子公司。STEP? V5.1编程手册[M].北京：西门子自动化与驱动集团，2002:40-60
[28]王磊，王为民。模糊控制理论及应用[M].北京：国防工业出版社，1997: 17-29
[291章为国，杨向忠。模糊控制理论与应用[M].陕西：西北工业大学出版社，1999:15一19
[30]蔡自兴。智能控制一基础与应用[M].北京：国防工业出版社，1998: 35-37
[31]孙增折。智能控制理论与技术[M].北京：清华大学出版社，1997; 55-62
[32]齐蓉，林辉，李玉忍，谢利理，通用模糊控制器在PLC上的实现[[J].工业仪表与自动化装置，2003, (4)：23-25
[33]闻新，周露，李东江，贝超。MATLAB模糊逻辑工具箱的分析与应用〔M].北京：科学出版社，2001: 44-45
[34]许建平，刘添兵。PLC控制软件的模块化设计[J].九江职业技术学校学报，2003,(3)：13一14
[35]张运波。PLC梯形图设计中的关键技术[J].长春工程学院学报，2000,1(1)：30-32
[36] Richalet J, Rault A. Model Predictive Heuristic Cortrol:Application to Industrial Process[J] .Automatica, 1978,14(1)：413-428
[37] Rouhani R,Mehra R K. Model algorithmic control (MAC)：Basic Theoretical Properties[J].Automatica,1982,18(4)：401-414
[38] Culter C R,Ramaker B L .Dynamic Matrix :ontrol-A Computer Control Algorithm[M].San Francisco: American Automatic Control Council,1980:221-230
[39] Clarhe D W, Mohtadi C.Constrained receding hori:on predictive control[J].IEEProc-D, 1991,13 8(4) : 347-3 54
[40] Garica C E,Morari M. Internal Model Control-A Unifying Review and Some New Results[J] .Process DesDew, 1982,(21)：308一32;5
[41]Richalet J .Predictive functional control-Appliation to fast and accurate robots[J].Proc Of 10“ IFAC World Congress, Munich, FRG, 1987, (1)： 25I-258
[42]许超，陈治钢，邵慧鹤。预测控制技术及应用发展综述[J].自动化及仪表，2002,29(3)：1一10
[43]舒迪前。预测控制系统及其应用[M].北京：机械工业出版社，1996: 225-228
[44]李绍勇，陈希平，王刚，范宗良，树龙，蔡颖。换热机组供水温度的广义预钡(控制[J].甘肃科学学报，2004, 16(3)：95-97
[45]俞树荣，祁振强，商建平。集中供热系统热力站二段换热机组系统建模及研究[J].甘肃工业大学学报，2002, 28(2)：57-61
4、论文提纲。
第一章前言
1. I论文研究的目的和意义
1. 2论文研究的主要内容及工作简述
1. 3国内外文献综述
I. 3. 1先进控制的发展及现状
1 .3 . 2 PLC在工业控制领域的应用
1.3 . 3 PLC基本控制方法
1. 3. 4 PLC模糊控制器
I. 3. 5 PLC预测控制算法
第二章SIMATIC S7-300 PLC及STEP7系统
2.1 SIMATIC 57-300 PLC系统
2.1.1 S7-300 PLC
2.1.2 S7-300 PLC控制系统
2.2 STEP7系统
2.2.1 STEP7功能及结构
2.2.2组态环境及编程语言
2.2.3基本控制算法的实现二
第三章PLC模糊控制器的研究与实现
3.1模糊控制算法与系统
3.1.1模糊控制理论
3.1.2模糊控制系统
3.1.2.1模糊控制器的组成
3.1.2.2模糊控制算法
3.1.2.3模糊控制器的结构
3.2 PLC模糊控制器设计
3.2.1 PLC模糊控制器结构
3.2.2模糊控制器离线部分设计
3.2.2.1模糊控制器离线部分算法设计内容
3.2.2.2基于MATLAB模糊逻辑工具箱的设计
3.2.3 STEP7实现模糊控制器设计
3.2.3.1模糊算法流程图
3.2.3.2模糊算法的功能块
3.2.4 PLC模糊控制器的仿真验证
3.2.4.1仿真系统的建立
3.2.4.2仿真结果验证
第四章PLC预测控制器的研究与实现
4.1广义预测控制算法
4.1.1单值广义预测控制
4.1.2单值广义预测控制律计算
4.2 PLC单值广义预测控制器的设计与实现
4.2.1单值广义预测算法的实现步骤
4.2.2单值广义预测控制器的设计
4.3单值广义预测控制器的仿真验证
4.3.1仿真模型的建立
4.3.2仿真结果分析比较
第五章基于PLC的空调性能检测实验室计算机控制系统
5.1工艺流程与控制方案
5.1.1工艺过程简述
5.1.2控制要求
5.1.3控制方案设计
5.2控制系统结构及配置
5.3监控系统组态设计
5.4 57-300 PLC控制系统设计
5.4.1硬件系统组态
5.4.2 PLC控制程序设计
5、论文的理论依据、研究方法、研究内容。
目前，PLC的应用十分广泛，涉及到过程控制的方方面面。但在控制策略上，它依然沿用传统的PID控制。许多PLC开发商把PID算法做成模块，固化在PLC中。
但从长远角度看，对于一些复杂的控制系统，PID很难满足控制要求，这就需要把先进的控制算法嵌入到PLC的设计中。本课题以此为主要研究内容。
工业过程的复杂性以及对于控制日益提高的要求，各种先进控制算法越来越多地深入到控制领域，但由于PLC的编程目前还限于低级语言(如梯形图)，所以，给在PLC上实现先进控制算法带来了困难。SIEMENS在PLC的编程系统STEP7中提供了比较丰富的功能模块，因此，本课题首先是通过对控制算法的研究与改进和对STEP?功能的开发，使先进控制策略在S7-300 PLC上得以较好的实现。本论文重点研究基于PLC的模糊控制器的实现，这一领域目前研究的比较多，因此在总结前人研究方法的基础上，设计出一个基于PLC的通用的模糊控制器，并使其固化在STEP7软件中。此外，对于PLC预测控制虽已有一些研究，但都仅限于理论方面，尚未给出PLC上实现的实例。本课题也想在此方面有所创新，开发出基于PLC的预测控制实现技术。
本论文第一章简要介绍了课题的来源背景、主要内容、目的意义以及国外相关工作的研究状况等。
第二章介绍了SIMATIC S7-300 PLC的主要特点，系统组成及控制系统的配置与实现，同时介绍了STEP?软件的功能及结构，组态环境，以及一些基本算法的实现方法。
第三章重点阐述了模糊控制的基本理论、模糊控制算法、模糊控制器的结构及设计方法。提出了基于PLC的模糊控制器的实现方法，即采用MATLAB离线设计，PLC在线查询的方式。给出了STEP?实现模糊算法的流程图及部分程序。
最后建立一个过程仿真系统，对PLC模糊控制器进行仿真验证。
第四章介绍了预测控制的基本理论，重点阐述了广义预测控制算法，并结合PLC的特点，提出了基于PLC的单值广义预测控制器的设计方法，给出了STEP7实现单值广义预测算法的步骤与流程图。最后建立一个二阶大滞后的对象模型，构成仿真控制系统，与PID控制进行比较分析，验证PLC预测控制器的有效性。
第五章是作者在研究生期间参加的某空调性能检测实验室基于PLC实现的计算机控制系统，从系统控制方案的设计、系统配置和硬件构成、监控系统的设计等几个方面分别进行了详细的论述。
第六章结论与体会，总结自己在课题研究和项目研究的过程中的一些体会和心得，分析了工作中的不足，提出了以后工作的注意事项，改进方法。
6、研究条件和可能存在的问题。
I.尽快建立样板工程，把己经取得的研究成果应用到工程实际过程中，通过实践检验，发现问题以便不断改进和提高。
2. PLC预测控制器目前只应用了简单的单值广义预测算法，有其自身的局限性，如控制精度不高。目前，应用较为成熟的是MPC算法，因此可以把PLC-MPC控制器作为今后研究的一个重点。
3.对于PLC模糊控制器的改进，主要是在算法上，为了提高控制效果，单纯的模糊算法是不足的，改进型模糊算法如模糊PID可以改善控制器性能，因此可以开发PLC模糊PID控制器。
4.进一步挖掘STEP?软件的功能，开发过程对象仿真模块，给出基于PLC建立仿真系统的方法和步骤，为工业实阮应用缩短调试时间，保证系统的可靠性。
7、预期的结果。
1.通过对先进控制各种算法的分析比较，对先进控制理论有了进一步认识，从中学到了不少解决问题的方法，理解了传统控制方法与先进控制方法的区别。
2.基于PLC实现先进控制与基于PC实现先进控制相比较，最重要的一个优势在于PLC实现先进控制不需要通讯协议，而基于PC实现先进控制，在系统设计和运行之前必须正确的配置PC与PLC之间的通讯协议，因此可以降低系统得开发时间。其次，在系统运行时，在下位机上完成先进控制算法比在上位机完成更具有实时性。在可靠性方面，由于基于PC实现先进控制，现场的数据和信号要经过通讯传给上位机，这难免会出现数据的丢失和信号的误差，从而使系统的控制精度下降，而基于PLC实现先进控制避免了这类现象的发生。
3.西门子57-300 PLC功能强、处理速度快、模块化结构易于扩展，被广泛的应用于自动化控制系统中;其相应开发软件STEP7采用模块化编程方法，提供多种编程语言，丰富的功能模块，能实现较为复杂的功能和算法。因此二者结合 起来，为先进控制的设计与开发提供了很好的软硬件平台。
4. PLC模糊控制器采用MTALAB离线设计和PLC在线查表的方法，把复杂的模糊推理过程交给计算机离线完成，得到模糊控制量查询表供PLC在线调用。此方法将复杂琐碎的模糊控制系统的开发工作变得简单明了，大大缩短了开发周期，同时也提高的PLC控制的实时性，是目前被广泛采用且效果良好的PLC模糊控制器的设计方法。
5. PLC单值广义预测控制器采用简单实用的单值广义预测控制算法，它需要调整参数少、在线计算时间短，可适用于PLC类控制采样周期较短的快速动态过程系统。仿真结果表明：PLC单值广义预测控制器保持了预测控制的性能，控制效果较PID控制有很大改善，同时具有计算量小，响应迅速的优点。
8、论文写作进度安排。
20XX.05-20XX.06 开论文会议
20XX.06-20XX.07 确定论文题目
20XX.07-20XX.02 提交开题报告初稿
20XX.02-20XX.06 提交论文初稿
关键词：测控技术与仪器；毕业设计；产学研结合；教学改革
作者简介：李雅峰（1979-），男，陕西汉中人，天津工业大学机械工程学院，讲师；郗涛（1974-），男，山西阳泉人，天津工业大学机械工程学院，副教授。（天津 300387）
基金项目：本文系天津工业大学教育教学改革立项重点项目（项目编号：06323）的研究成果。
中图分类号：G642.477 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）22-0181-03
毕业设计是本科教学过程中时间最长的综合实践环节，是对本科生四年课程学习和实践的总结，是毕业生步入实际职业生涯或者接受研究生教育的教学准备。同时本科毕业设计是对高校教育培养质量的重要评价指标，对于提高学生的创新素质和应用能力，增强学生在择业竞争力等诸方面具有重要意义。
测控技术与仪器专业是仪器科学与技术一级学科的重要分支，主要学习光机电一体化的精密仪器理论、控制理论和测控仪器的设计方法，以及测控系统的设计、应用及开发能力。天津工业大学测控技术与仪器专业在国内高校中的起步较晚，与同城拥有“精密测试技术及仪器”国家重点实验室及“仪器仪表”博士后流动站的天津大学相比，在软硬实力方面也有不小的差距。
因此从向国家教委申报测控技术与仪器专业之始，为有创新、有特色的办好测控专业，对该专业包括毕业设计的各个教学环节进行了探索，其人才培养模式也是目前天津工业大学亟需研究的问题。
本文立足天津工业大学创新性应用型人才的培养目标，根据测控技术与仪器专业的培养模式与现状，针对当前毕业设计环节存在的问题，探索符合人才培养规律与学校现状的毕业设计模式，逐步完善毕业设计过程的各项质量管理机制，提高毕业论文质量并促进应用型人才创新能力的培养。
一、测控专业毕业设计存在的问题
首先是就业与考研的影响，这也是全国所有高校都存在的问题。天津工业大学的毕业设计教学环节安排在大四第二学期，而此阶段正值本科毕业生择业就业的关键期。很多用人单位要求已签约的学生提前入职或实习；另外没有签约的学生离校奔波赶场求职，把全部精力都投入到找工作之中；通过国家研究生分数线的学生，每年的三四月进入复试环节，导致这些学生在此期间无暇顾及自己的毕业设计。
其次是部分学生对毕业设计的重视程度不够，态度不认真，不少学生认为毕业设计就是走形式，不论论文优劣和答辩表现好坏都能最终通过。毕业设计进度不能按照计划进行，各环节步骤拖延，以及后期的赶工导致论文粗制滥造、抄袭现象严重。
再次是选题带有盲目性。部分学生既不了解选题的主要内容，又对自己的个人能力估计不足，仅凭毕业设计题目名称和对指导教师的喜好进行选题，结果在毕业设计过程中才发现选题和自己的专业特长以及职业方向相去甚远，从而产生倦怠和消极情绪；部分学生选择毕业设计课题时，避难就易只求完成，不向优秀毕业设计方向努力，从而影响了毕业设计的进度和质量。
最后还有个别指导教师毕业设计选题过于陈旧，实质内容多年不变，或是题目虽有变化但是内容不变。有的教师放松对学生的要求，没能达到每周见面辅导两次的要求，或安排给自己的研究生进行指导，在中期检查和答辩时给分随意，造成毕业设计质量下降。
二、对天津工业大学测控专业学生毕业设计的探索与成效
1.以竞赛和科研为基础的毕业设计
学生参加学科竞赛和科研项目可以有效的把毕业设计时间前移，并且对毕业设计题目有所准备和认识。各种学科竞赛始终贯穿于测控技术与仪器专业的综合性实践教学环节中，以赛代练的方法能培养学生的专业技术和创新能力，把毕业设计作为学科竞赛项目的一个拓展和深入，参加过学科竞赛的同学继续在教师指导下深入，使其可以延续性地完成过去感兴趣的方向。
此外毕业设计可以结合在指导教师的科研任务中。科研项目所能提供的设备、场地、经费可以有效提高他们的动手能力和科研能力，同时有利于提高毕业设计质量，另外也能调动广大学生的积极性，使其更加善于观察和解决现实存在的问题。本科生毕业设计作为教师科研项目的子课题，可以加快教师科研项目的研究进度，使教师更有时间和精力在战略上掌控和把握自己的科研项目。
通过近三年对测控专业本科毕业生的统计，省部级以上科技竞赛的获奖比例达到全部学生人数的65%以上，参加指导教师科研项目进行助研活动的学生有23%，最终绝大多数学生的毕业设计选题与自己的竞赛项目和科研任务有关。通过近年来获得的成绩表明，以竞赛和科研为导向的培养模式，是提高毕业设计质量的有效途径。
2.大力支持校企联合指导毕业设计
毕业设计期间，许多用人单位希望学生能到单位去边做毕业设计，边进行上岗培训，而学生也愿意到单位进行毕业设计，在工作学习的同时还可以得到一些薪酬。学生到就业单位进行毕业设计可以很大程度的保证毕业生做毕业设计的时间，还可以充分利用企业的经费、仪器、场地和技术力量，完成企业需要的技术课题。对于企业而言，这些已签约准备进入到企业的学生就是未来的员工，这使得企业有强烈的育人责任感，因而从人力、物力、财力等方面给予大力支持。
校企联合毕业设计采用共同指导的方式，以企业为主、学校为辅。毕业设计题目经校企共同协商确定，校内指导教师负责过程管理，制定进度计划，监督设计过程，并负责审核毕业设计的进度状况和完成情况；企业工程技术人员则负责对学生具体设计内容进行指导，提供相关技术资料，以及学生与工作现场、设计企业单位关系的协调。
学校和企业共同指导学生完成科研与工程课题，可以增加学校教师了解企业技术发展和技术应用的机会，有利于提高教师的实际工程能力，为教师科研工作提供了许多便利。近三年来测控专业校企联合指导毕业设计的毕业生人数有逐渐增加的趋势，校内教师联系和管理在岗学生，使企业不把学生当成一个廉价劳动力来使用，控制好毕业设计的进度状况和保证质量，也是今后毕业设计管理体系中的重要课题。
3.选题突出天津工业大学纺织特色和地方产业优势
天津工业大学纺织科学与工程学科是国家重点学科，有百年办学的历史和经验，并拥有以“先进纺织复合材料”国家重点实验室为代表的一批高水平研究基地，依托纺织学科优势天津工业大学测控技术与仪器专业毕业设计选题中也要突出纺织特色，使用新的技术手段和技术路线对纺织工艺、纺织材料的检测以及纺织设备和纺织过程进行控制。不但可以利用学校重点学科的先进设备进行实验，而且将纺织专业与测控专业结合起来，尽可能满足学生的兴趣和爱好以及就业的需要，使得学生成为具有纺织和纺机知识的复合型人才。测控专业的毕业生每年在择业期也能搭上校内大批纺织类企事业单位招聘的顺风车，每年有30%以上的本专业毕业生进入纺织类企事业单位，从事测量与控制、仪器与系统设计制造、开发研究以及生产运行管理等工作。
此外，在本专业学生的培养过程中主动与地方优势产业对接，注重服务于地方特色产业，对扩大就业范围、提高就业率以及实现应用型人才的培养目标具有重要意义。天津工业大学所在的天津市具有风力发电产业集成优势，在各产业园区共有近百家风电设备整机和风电产业配件的制造厂商，在风电制造领域如叶片材料、增速齿轮箱、发电机以及风电控制设备等方面都具有较强实力。以风电为载体的测量与控制毕业设计选题，可以让本专业的毕业生在天津地区的就业市场上具有特色优势，特别是进入歌美飒、维斯塔斯、苏司兰等大型国际名牌风电企业的毕业生也增加了很多。测控技术与仪器专业的毕业设计选题突出了与地方优势产业相结合的特点，积极联系相关企业的技术研究中心，有针对性地解决实际问题，提高了就业竞争力。通过对近3年测控专业毕业生进行分析，发现有73.3%的毕业生选择留津就业，其中有48.6%的毕业生进入纺织、风电等地方优势特色行业中进行就业。
4.完善毕业设计质量监控与保障体系
首先，在毕业设计选题阶段要坚持模式创新，毕业设计内容要有一定的深度和广度，要注意与专业知识结构的联系；要体现本专业新工艺、新技术的研究方向，体现专业特点和学校地区优势特色，体现实际意义与经济效益。首先系主任先对毕业设计题目进行考察把关，然后测控系的指导教师开教研会讨论各个题目的工作量、层次和深度等，集思广益保证每个设计选题的内容和方向，最后在毕业设计选题阶段，指导教师需要向学生公开设计任务书，并且实行指导教师和学生双向选择，这样既避免了学生选题过于集中，又能防止学生盲目选题。
其次，天津工业大学制定了完整的毕业设计工作管理规范，对毕业设计的选题、开题、中期检查、评阅、答辩等一系列环节进行审核。在2013年的毕业设计中，天津工业大学教务处首次启用了网上毕业设计信息管理系统，能行之有效地提高毕业设计效率，并成为监控毕业设计质量的良好平台。该系统使学生和教师都能在程序框架中明确自己的职责，能够使师生之间互相评价与互相监督，同时教务管理人员也可以随时登陆信息系统检查毕业设计进度，并对完成情况进行考核。
最后，毕业设计答辩是检验毕业设计质量的重要阶段。毕业设计答辩以毕业设计过程中的工作态度、毕业设计方案设计、结论与论据、外文翻译质量以及答辩思路条理和问题回答等六大项作为答辩成绩依据。近三年来测控专业毕业答辩如果有校企联合毕业设计的毕业生，则必须邀请企业技术人员作为答辩小组的成员，以保证答辩中技术性问题环节。答辩采用末尾淘汰制，每个答辩小组排名最后的两位学生需要进行集中式二次答辩，二次答辩小组成员均由各组组长再要求一位督导组成，以严格把握毕业设计的质量。同时，为给低年级学生提前进行毕业设计的启蒙，答辩环节提倡并组织测控专业低年级学生进行观摩，以提前培养学生认真对待毕业设计的态度。
5.加大教师交流、学生奖励和抽查评优
首先，毕业设计指导教师互相交流和学习可以增加毕业设计工作经验，调整思路和工作方法，提高工作质量和效率。比如测控专业的教师和信息学院、自动化学院相近专业的教师进行交流，与其共享技术资料和开放实验室等。对于纺织、纺机等的测试与控制毕业设计选题，可以邀请纺织工程学科的教师进行团队式毕业设计指导，这样更利于指导教师和毕业生成长，保证毕业设计质量。
其次，天津工业大学加大了对获得优秀毕业设计学生的奖励，提供科研基金鼓励学生投稿、申请专利、软件著作权等。天津工业大学将学生毕业设计与毕业评优和就业挂钩，作为综合素质考核的条件之一，对测评结果优良的学生优先向用人单位推荐。近几年来测控系每年都安排优秀毕业设计的学生作讲座，和低年级的学生交流，使低年级学生对毕业设计有初步的认识。从而促使学生平时就注重综合素质的提高，激发其个人潜能，有利于提高专业人才培养质量。
此外天津工业大学也辅助以抽样评估工作对本科生毕业设计进行质量监控，特别是对抽查的本科生毕业论文进行，以减少和杜绝论文的抄袭。由于校级教务部门质量监控的范围有限，只能抽查全体毕业生中的很小的一部分，因此毕业设计质量保证体系要从根本上依托二级学院和教研室，特别是指导教师的力量。另外，鼓励指导教师和学生参加各级毕业设计评优比赛，在各级评比中找出差距和不足，进一步提高毕业设计质量。从2012年开始测控专业所有毕业生的论文都要经过论文抄袭自查环节，此举也使整个毕业设计管理工作更加严格，毕业生撰写毕业设计时更加认真和具有创新性。
三、总结
高等院校的职能经历了由培养技术人才兼顾科学研究，再扩展到对接产业服务社会的过程。而毕业设计是高等教育中的一项理论密切联系实践的综合环节，是毕业生理论水平、创新思维、自学能力等素质的全面展示。经过近八年的教学探索和实践，天津工业大学测控技术与仪器专业已经形成了以纺织设备与产品信号检测、光学测量以及机电控制特色，侧重于测量与控制、仪器与系统设计制造等专业能力的培养。作为高等学校教学计划中最后的综合性教学环节的毕业设计，初步取得了一定的成效和经验，并且得到了较好的社会评价和用人单位的认可，但随着社会经济的发展、科技水平的提高以及教学改革的深化，测控技术与仪器专业的毕业设计模式仍需不断改进。
参考文献：
[1]教育部高教司.普通高等学校本科专业目录和专业介绍[M].北京：高等教育出版社，1998.
[2]邹霞.大学生就业竞争力的提升策略[J].人民论坛，2010，（23）：
278-279.
[3]殷开成，李同英.在毕业设计中培养学生创新能力的探讨[J].高等理科教育，2006，（1）.
[4]丁永建，等.提高工科毕业设计质量的几点探索[J].教育教学论坛，2010，（17）.
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