時間：2023-04-21 18:25:52
緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發(fā)表網(wǎng)為您精選了8篇測控技術(shù)論文，愿這些內(nèi)容能夠啟迪您的思維，激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，歡迎您的閱讀與分享！
國內(nèi)外大量工程實踐表明，對水利水電工程進行全面的監(jiān)測和監(jiān)控，是保證工程安全運行的重要措施之一。同時，將監(jiān)測和監(jiān)控的資料及時反饋給設(shè)計、施工和運行管理部門，又可為提高水利水電工程的設(shè)計及運行管理水平提供可靠的科學(xué)依據(jù)。
現(xiàn)代化的測控技術(shù)[2],應(yīng)該具有采集數(shù)據(jù)、科學(xué)管理數(shù)據(jù)，及時或?qū)崟r對水利水電工程的安全狀況作出分析和評價，并對其異常或險情作出輔助決策等功能.因此,高新測控技術(shù)的基本要素包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和分析評價系統(tǒng)及其計算機通訊網(wǎng)絡(luò)支撐等(見圖1)。
圖1水利水電工程高新測控技術(shù)示意圖
1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
通過測控單元(MCU)自動采集、筆記本電腦現(xiàn)場采集或人工觀測埋入壩體或安裝的傳感器采集的監(jiān)測效應(yīng)量(大壩的變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變和溫度等)和影響量(水位、氣溫、降雨和地震等)，并輸入計算機的數(shù)據(jù)庫。其中，自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時采集，半自動化和人工采集為定期采集。因此，自動化采集數(shù)據(jù)一般是對水利水電工程關(guān)鍵部位(或壩段)主要監(jiān)測量(變形和滲流等)的采集。
1.2數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)
由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進入計算機數(shù)據(jù)庫后，由數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對其進行科學(xué)有序的管理。包括將電容、電感、電阻、電壓、頻率等轉(zhuǎn)換為位移、揚壓力、滲流量、應(yīng)力應(yīng)變、裂縫開合度以及溫度等，及它們的誤差識別和處理，并將監(jiān)測量按有關(guān)監(jiān)測規(guī)范進行整編和初分析；編制月報和年報等。
1.3分析評價系統(tǒng)
分析評價系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，進行觀測資料的分析和反分析，結(jié)構(gòu)和滲流正、反分析，建立各類監(jiān)控模型和擬定監(jiān)控技術(shù)指標等；將收集到的工程設(shè)計、施工、運行管理、有關(guān)法規(guī)和規(guī)范等方面的專家知識進行編輯，構(gòu)成分析、評價、輔助決策等方面的知識庫和推理分析知識。
現(xiàn)簡述幾種傳感器的主要工作原理及其應(yīng)用情況.
(1)差動電阻式傳感器
該傳感器為美國加州大學(xué)卡爾遜教授所研制。置于其內(nèi)腔的兩根彈性鋼絲作為傳感元件，受力后一根受拉、一根受壓.當環(huán)境量發(fā)生變化時，兩者的電阻值向相反方向變化，根據(jù)兩個元件的電阻值比值,測出物理量的數(shù)值。
我國南京電力自動化設(shè)備廠從20世紀50年代開始，已研制出幾十萬支差動電阻式傳感器，并應(yīng)用于大量的水利水電工程中，取得了成功經(jīng)驗。
(2)振弦式傳感器
由前蘇聯(lián)的達維金可夫發(fā)明。其核心元件是一根鋼弦，鋼弦的一端固定，另一端則固定在測量元件(受壓膜片或測量端塊)上。當受力后，鋼弦長度將產(chǎn)生微小變化，引起固定頻率的變化，從而測出物理量的數(shù)值。
加拿大的Rocktest公司，美國的Sinco,Geokon公司等生產(chǎn)的振弦式傳感器性能良好，其中真空式為最佳。近幾十年來，我國較多的工程應(yīng)用了這種傳感器。
(3)差動電容式傳感器
由我國南京電力自動化研究院研制。其工作原理是，將垂線或引張線穿過由4塊組成矩形的電容極板中，當測線發(fā)生位移時，電容極板的電容產(chǎn)生變化，從而測出位移量。
該傳感器經(jīng)過20多年的完善，其精度和長期穩(wěn)定性等均有較大提高，已在不少水利水電工程中應(yīng)用。
(4)差動電感式傳感器
首先由原法國的Telemac公司研制。其工作原理是，當高頻交變電流通過垂線坐標儀時，在周圍產(chǎn)生交變磁場,接收點的磁感應(yīng)強度與導(dǎo)線距離成反比；當垂線產(chǎn)生位移時，接收點測得的感應(yīng)電勢發(fā)生變化,其變化量的大小反映位移量的大小。
該傳感器在我國龍羊峽等水利水電工程中得到成功應(yīng)用。我國有關(guān)廠家也仿制了這類傳感器。
(5)步進馬達式傳感器
由原法國Telemac和意大利ISMS公司研制.其工作原理是，由步進電機驅(qū)動光電探頭，探頭中的光照準器先后對準基準桿和垂線鋼絲，然后返回原點，在此過程中，測量電路記錄探頭前進及返回基準點和垂線鋼絲的脈沖數(shù),經(jīng)計算得到位移量。
該傳感器的機械部件較多，易出現(xiàn)故障，其長期穩(wěn)定性也不易保證。我國有關(guān)廠家也仿制了這類傳感器，在實際工程應(yīng)用中的故障率較高。
(6)CCD傳感器
由河海大學(xué)結(jié)合國家三峽工程重大基金項目研制。該傳感器由若干個特別研制的CCD線陣模塊和發(fā)光二極管陣列模塊組成，當垂線穿過并產(chǎn)生位移時，CCD線陣模塊記錄垂線位移與基準點的位置，從而計算出位移量。
該傳感器技術(shù)先進，精度和可靠性高，在上標和響洪甸等水利水電工程中得到應(yīng)用。
(7)其它新穎傳感技術(shù)
①光纖傳感技術(shù)光導(dǎo)纖維是由不同折射率的石英玻璃包層及石英玻璃細芯組合而成的纖維。它能使感受到的各種物理量而計算出監(jiān)測量，以及傳送感受的信息通訊。目前，應(yīng)用于光纖傳感的監(jiān)測量主要是裂縫，應(yīng)力應(yīng)變尚需進一步研究。應(yīng)用信息通訊較為廣泛，且安全可靠。
②CT技術(shù)意稱計算機層析成像。它指的是在不破壞物體結(jié)構(gòu)的前提下，根據(jù)物體周邊所獲取的某種物理量(如波速、X線光強)的一維投影數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法，通過計算機處理，重構(gòu)物體特定層面的二維圖像及其由此重構(gòu)的三維圖像；從而定量描述物體內(nèi)部材料分布和缺陷。該技術(shù)將成為工程結(jié)構(gòu)物內(nèi)部隱患監(jiān)測和老化評估的一種重要手段，在國內(nèi)外得到應(yīng)用，我國豐滿水電站等工程中也得到成功應(yīng)用。
③滲流熱技術(shù)依據(jù)滲流場與溫度場同時滿足擴散方程及其初始和邊界條件的原理，利用埋設(shè)的溫度計測值分析滲流場的分布及其異常部位。
④GPS技術(shù)利用衛(wèi)星定位技術(shù)(GPS)監(jiān)測堤壩和巖土邊坡的表面變形.
⑤激光傳感技術(shù)由激光點光源(即發(fā)射點)發(fā)射的激光與激光探測儀(即接收端點)構(gòu)成激光淮直線，由發(fā)射的激光在波帶板及支架(測點)上觀測位移量。它可分大氣激光和真空激光準直，其中的真空激光準直除包括激光點光源、波帶板及其支架和激光探測儀，即發(fā)射點、測點和接收端點以外，,還有真空管道。我國豐滿和太平哨水電站等大壩壩頂水平位移和垂直位移的10多年觀測資料表明，真空激光準直具有精度高、長期穩(wěn)定等優(yōu)點。
2.1.2數(shù)據(jù)采集裝置數(shù)據(jù)采集裝置將各類傳感器測出的物理量(如電阻、電阻比、電容、電感和頻率等)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量(如位移、滲壓、應(yīng)變和溫度等)，即A/D轉(zhuǎn)換,以便遠程輸送。當距離超過100m以后，傳感器輸出的電量和頻率等信號，隨距離的增大急劇衰減，以至無法測出物理量，但數(shù)字量可遠距離輸送。因此，一般將幾十個傳感器按部位接入數(shù)據(jù)采集裝置，使傳感器觀測的物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。按監(jiān)測方式不同，數(shù)據(jù)采集裝置可大致分為以下幾種類型。
(1)自動化數(shù)據(jù)采集裝置國內(nèi)外自動化數(shù)據(jù)采集裝置主要有，美國Geomation公司的2300系統(tǒng)、Sinco公司的IDA系統(tǒng)；我國臺灣研華公司的ADAM4000和ADAM5000系統(tǒng)；南京電力自動化設(shè)備廠的FWC-1系統(tǒng)等。按結(jié)構(gòu)的不同可歸納為總線型和集散型兩大類。
①總線型結(jié)構(gòu)Geomation公司的2370型、IDA、ADAM4000、ADAM5000以及FWC-1等系統(tǒng)均屬于總線型結(jié)構(gòu).以IDA系統(tǒng)為例,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2(a)，模塊箱的結(jié)構(gòu)見圖2(b).圖中主機為工控機，中繼起聯(lián)接和中斷作用。
IDA母線有二線信號、二線電源；A1～An是智能測量模塊，每個模塊可接8個傳感器；B1～Bm是智能傳感器。A和B有解釋指令、多路傳輸、A/D轉(zhuǎn)換和錯誤查詢等功能。同時具有自動和人工測讀的兩種功能，并可防雷。
②集散型結(jié)構(gòu)Geomation公司研制的2350型、2380型等系統(tǒng)屬集散型結(jié)構(gòu)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。
從圖3中可見，NMS為主機；NRU起中繼和網(wǎng)點(即可轉(zhuǎn)成有線的調(diào)制信號)的作用；MCU(3)是異地單元,也起中繼作用(距離近的可以不用)；MCU(4)和MCU(5)也是異地單元，但它能起無線電發(fā)射和接收作用；MCU(6)～MCU(N)是監(jiān)測傳感器。在這兩種型式中，總線型結(jié)構(gòu)具有抗干擾能力強、可靠性高、現(xiàn)場調(diào)機方便和造價低等優(yōu)點。其中Geomation公司的2370型、IDA等系統(tǒng)可接入電式和頻率式傳感器。
(2)人工或半自動化數(shù)據(jù)采集裝置人工或半自動化數(shù)據(jù)采集儀可在現(xiàn)場測讀傳感器的測值，或用筆記本電腦采集。其中，差動電阻式采集儀主要有SQ-2型數(shù)字電橋、XJ型數(shù)字式電阻比檢測儀、ZJ型數(shù)字式和PSM-R型電阻比檢測儀等；鋼弦式采集儀主要有SDP-3型鋼弦溫度測試儀和GPC-1型袖珍式鋼弦頻率測定儀等。
2.2數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)
水利水電工程大壩可埋有幾百個、幾千個甚至上萬個傳感器。如長江三峽水利樞紐建筑物就埋設(shè)約一萬多個傳感器，其采集數(shù)據(jù)每年達幾百萬個，并隨著觀測年限的增加，數(shù)據(jù)將越來越多，對這些海量數(shù)據(jù)必須進行科學(xué)有序地管理，以便為分析評價系統(tǒng)提供可靠的信息。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)管理軟件和應(yīng)用軟件。
2.2.1數(shù)據(jù)庫管理軟件平臺在大、中型水利水電工程中，目前常用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有Oracle、Sybase、Informix以及SQLServer等4大類。其中以O(shè)racle和Sybase數(shù)據(jù)庫在中國應(yīng)用最廣。而Sybase為單進程、多線索結(jié)構(gòu)，即通過單進程的多重通路來同時服務(wù)于多用戶，提高內(nèi)存的有效使用率，便于優(yōu)先程序的查詢。因此，Sybase數(shù)據(jù)庫無論在總體結(jié)構(gòu)、功能和特性等方面都有較大優(yōu)勢。本文作者開發(fā)和研制的7個大型水電工程的數(shù)據(jù)(或信息)管理及專家綜合評價系統(tǒng)，主要采用了Sybase數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。在小型水利水電工程中，目前常用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有DBase，F(xiàn)oxbase和Foxpro等。而Foxpro為用戶級數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),目前采用較多。
2.2.2數(shù)據(jù)庫邏輯模型檢測的目的是分析評價工程的安全狀況。因此，根據(jù)分析評價的需要，數(shù)據(jù)庫的邏輯模型包括工程檔案、原始數(shù)據(jù)、整編數(shù)據(jù)和生成數(shù)據(jù)等4個分庫(見圖4)。
(1)工程檔案分庫該分庫管理工程概況以及與工程安全有關(guān)的設(shè)計、施工資料等.
(2)原始數(shù)據(jù)分庫管理監(jiān)測資料的原始數(shù)據(jù)，包括物理量(電阻、電阻比、電感、電容、頻率等)和監(jiān)測效應(yīng)量(變形、揚壓力、滲流量、應(yīng)力應(yīng)變和溫度等)，并應(yīng)保證原始數(shù)據(jù)的真實性。
(3)整編數(shù)據(jù)分庫依據(jù)有關(guān)標準和規(guī)范，對原始數(shù)據(jù)進行誤差識別和轉(zhuǎn)換；按結(jié)構(gòu)單元和監(jiān)測項目進行整編，包括測值統(tǒng)計表及其過程線圖，以及特征值(如最大值、最小值等)和環(huán)境量(如水位、氣溫、降雨、地下水位等)的統(tǒng)計等；對測值進行初步分析，初步識別異常值以及復(fù)測；編制日報、月報和年報，其中，日報是刊錄測頻高(每日一次或數(shù)次)的自動化監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。
(4)生成數(shù)據(jù)分庫對監(jiān)測資料分析和反分析的成果，結(jié)構(gòu)和滲流分析和反分析的成果，以及與工程安全有關(guān)的設(shè)計、施工和運行的專家知識等進行管理，為工程安全分析評價提供定性和定量的依據(jù)。主要包括大壩或各結(jié)構(gòu)單元在各荷載組合工況下的應(yīng)力和位移、壩體溫度場、壩體和壩基滲流場(等勢線和流線)；位移和揚壓力的力學(xué)規(guī)律計算值；各測點的統(tǒng)計模型，變形測點和空間位移場的確定性模型和混合模型；變形、應(yīng)力和揚壓力的監(jiān)控指標；歷次異常或險情的分析評價成果等。
2.2.3應(yīng)用軟件根據(jù)數(shù)據(jù)庫的邏輯模型,在數(shù)據(jù)庫的軟件平臺上，開發(fā)和研制數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用軟件，主要包括：
(1)菜單編程對數(shù)據(jù)庫的菜單和各個分庫的菜單等編制應(yīng)用程序。可以采用下拉式或全屏幕式。
（2)原始數(shù)據(jù)管理的應(yīng)用軟件包括與采集系統(tǒng)相聯(lián)的通訊軟件；按結(jié)構(gòu)單元和測控裝置將傳感器監(jiān)測的物理量(電阻、電阻比、電感、電容和頻率等)或數(shù)字量(變形、滲壓、滲流量、應(yīng)力應(yīng)變和溫度等)編制成圖表的軟件。
(3)整編數(shù)據(jù)管理的應(yīng)用軟件包括誤差識別和處理程序；將物理量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量(應(yīng)變轉(zhuǎn)化為應(yīng)力，以及測控裝置沒有轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的物理量)；按結(jié)構(gòu)單元，將數(shù)字量及其相應(yīng)環(huán)境量編制整編成圖表的軟件；初分析軟件；編制日報、月報和年報的軟件等。
(4)生成數(shù)據(jù)管理的應(yīng)用軟件包括對監(jiān)測資料分析和反分析成果、結(jié)構(gòu)和滲流分析和反分析成果，以及有關(guān)專家知識等，并編制成相應(yīng)圖表的軟件。
2.3分析評價系統(tǒng)[3]
對水利水電工程監(jiān)測和監(jiān)控的目的是，依據(jù)監(jiān)測資料和相應(yīng)的專家知識，對工程的安全狀況作出綜合分析和評價。因此，完整的現(xiàn)代測控系統(tǒng)必須包括分析評價系統(tǒng).其功能是依據(jù)監(jiān)測資料、結(jié)構(gòu)、滲流等分析和反分析成果，以及與工程安全有關(guān)的設(shè)計、施工、運行管理、法規(guī)和規(guī)劃等專家知識，對監(jiān)測資料進行分析和評價，從中尋找異常值或不安全因素，并對此進行成因分析和輔助決策等。因此，分析評價系統(tǒng)應(yīng)包括資料評價、綜合檢查分析、觀測檢查、物理成因分析、專家綜合診斷和輔助決策等部分，其結(jié)構(gòu)和流程分別見圖5和圖6。
2.3.1資料評價應(yīng)用時空分布、力學(xué)規(guī)律、監(jiān)控模型、監(jiān)控指標、日常巡查和關(guān)鍵問題等6類評判準則，對監(jiān)測值進行分析評判，從中識別異常值或不安全因素。
2.3.2檢查分析對異常值或不安全因素，通過同一部位的同類監(jiān)測量、相關(guān)監(jiān)測量和環(huán)境量的綜合分析(或相關(guān)分析)檢查，從中識別引起異常值或不安全因素的成因。如由觀測引起的，則進入觀測檢查；是由結(jié)構(gòu)和荷載引起的，則進入物理成因分析。
2.3.3觀測檢查對由觀測引起的異常測值，首先檢查觀測記錄，然后檢查采集系統(tǒng)。對觀測記錄錯誤的測值宜進行刪除或修改；對監(jiān)測采集系統(tǒng)引起的異常測值，在排除故障后重測并進行修正。
2.3.4物理成因分析對由結(jié)構(gòu)和荷載引起的異常值或不安全因素，首先檢查環(huán)境量(或外因)有無產(chǎn)生特殊荷載工況。若有，則分析壩基異常(包括變形、穩(wěn)定和應(yīng)力等)成因，然后分析建筑物異常(變形、應(yīng)力、裂縫等)成因，當穩(wěn)定和強度滿足安全要求時，則“異常”或“不安全因素”是由荷載引起的，為結(jié)構(gòu)調(diào)整所致,所以屬基本正常。若無特殊荷載工況，則反分析壩基和壩體的計算模型和計算參數(shù)等；然后，正演分析監(jiān)測量,若與實測值一致，則為計算條件改變而引起的；并復(fù)核壩基和壩體的穩(wěn)定和強度，若滿足安全要求，則雖為結(jié)構(gòu)引起，但尚屬基本正常；若穩(wěn)定和強度不滿足安全要求，則為異常或險情，隨即進入輔助決策。若分析不出物理成因，則進入專家綜合診斷。
2.3.5專家綜合診斷對異常或不安全因素的疑難雜癥，即難以分析成因的，進行專家綜合診斷，包括對其影響因素和安全度的專家綜合評判。
2.3.6輔助決策依據(jù)異常或險情的程度，首先提出報警級別，然后提出輔助決策的建議。其中報警級別分三級，一級為險情，二級為異常，三級為局部異常。輔助決策建議包括運行控制水位和補強加固處理措施的建議等。
2.3.7支持庫群為了給以上分析評價提供定量依據(jù)，該系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)庫、方法庫、知識庫和圖庫等支持庫群。
(1)數(shù)據(jù)庫主要管理監(jiān)測資料及其分析和反分析成果，與工程安全有關(guān)的設(shè)計、施工和運行資料等。
(2)方法庫依據(jù)安全分析評價需求，方法庫主要包括監(jiān)測資料分析和反分析軟件包，結(jié)構(gòu)和滲流分析軟件包,綜合分析和評價程序，以及輔助決策程序等。如本文作者給多座水利水電工程開發(fā)的分析評價系統(tǒng)中，共設(shè)置40個程序。其中，監(jiān)測資料分析和反分析軟件包有監(jiān)測資料預(yù)處理、資料分析和反分析等22個程序；結(jié)構(gòu)和滲流分析軟件包有規(guī)范法的應(yīng)力和穩(wěn)定分析，有限元靜力、動力以及粘彈性和粘彈塑性分析等13個程序；綜合分析和評價包括影響因素和安全度評價等2個程序；輔助決策包括報警、洪水反調(diào)節(jié)等3個程序。從而，總體上能滿足安全分析和評價的定量分析需要。
(3)知識庫包括專家語言的定量化知識,隱蔽薄弱部位的設(shè)計和施工的專家知識，歷次安全定期檢查以及異常或不安全因素的分析評價成果等。
(4)圖庫包括圖形庫和圖像庫。其中，圖形庫包括分析和評價過程中的各類圖表；圖像庫包括分析評價結(jié)論的多媒體演示等。
2.3.8分析評價的人工智能技術(shù)為了實現(xiàn)分析評價的人工智能化，分析評價系統(tǒng)采用正向推理、反向推理、混合推理和元控制等4種技術(shù)。其中，正向推理為已知問題的事實，在知識集中尋找匹配知識，反復(fù)循環(huán)直至找到有解結(jié)論；反向推理為已知或假設(shè)結(jié)構(gòu)，從知識集中尋找匹配的解，反復(fù)循環(huán)，直至找到匹配的解；混合推理為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；元控制是將元知識(即知識的知識)構(gòu)成元知識庫，以求解問題的目標。
2.4計算機及通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
由于高新測控技術(shù)是將數(shù)據(jù)采集、信息管理和分析評價融匯在一起的龐大系統(tǒng)工程，必須在現(xiàn)代計算機及通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下才能實現(xiàn)。
2.4.1計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)常用的拓撲結(jié)構(gòu)有總線形、星形和樹形等(見圖7)。其中，總線形結(jié)構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)所有結(jié)點連在通信總線上；星形結(jié)構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)所有結(jié)點連接在中心結(jié)點上，由中心結(jié)點負責(zé)數(shù)據(jù)處理和交換；樹形結(jié)構(gòu)為自頂而下的層次化的擴展式結(jié)構(gòu)，頂部結(jié)點為根結(jié)點，連接2個以上結(jié)點的稱為支節(jié)點，以下為端結(jié)點，以根結(jié)點為網(wǎng)絡(luò)核心、支結(jié)點為子網(wǎng)絡(luò)中心、端結(jié)點為面向用戶的桌面。
一般大中型水利水電工程結(jié)構(gòu)單元(如壩段)較多、布置的測點也較多，宜用總線形；對省局(廳)或大網(wǎng)局，由于所屬水利水電工程較多，分布也廣，而需要由局中心控制時，宜用星形結(jié)構(gòu)，其中一個結(jié)點為一座水利水電工程；對特大型水利水電工程.如三峽工程，由于分項工程較多，宜用樹形結(jié)構(gòu)(見圖8)。
2.4.2計算機通訊網(wǎng)絡(luò)平臺單個的水利水電工程一般用局域網(wǎng)，可采用高速光纖、載波或微波等網(wǎng)絡(luò)通訊。對省網(wǎng)局(廳)或大型水利水電工程需要有外部技術(shù)支持的，一般采用廣域網(wǎng)，亦可采用以太網(wǎng)或Intranet網(wǎng)等。
2.4.3計算機工作方式一般采用C/S(客戶機/服務(wù)器)方式。其中，服務(wù)器主要存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)以及與工程安全有關(guān)的設(shè)計和施工等資料，應(yīng)該有強大的存儲和處理數(shù)據(jù)的功能；其型號和數(shù)量視工程規(guī)模、監(jiān)測項目的多少，由需求分析確定，一般應(yīng)有雙機或多機熱備份。客戶機主要面向用戶的分析評價和輔助決策等，可由多臺并行計算機完成。
3結(jié)語
(1)現(xiàn)代化測控技術(shù)應(yīng)包括數(shù)據(jù)采集、管理和分析評價等功能，以及完成這些功能的計算機軟硬件環(huán)境和通訊網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。
(2)數(shù)據(jù)采集包括傳感器和測控裝置，完成A/D轉(zhuǎn)換，以便監(jiān)測的數(shù)字量能遠距離輸送。
建設(shè)工程質(zhì)量檢測是國家進行工程質(zhì)量監(jiān)管的重要手段，在工程質(zhì)量監(jiān)督管理中發(fā)揮著重要的監(jiān)控威懾作用。當前國內(nèi)建設(shè)工程質(zhì)量檢測行業(yè)仍然存在著不規(guī)范的市場行為，檢測機構(gòu)的檢測工作中時有弄虛作假，試樣做假、漏檢、少檢的行為發(fā)生。規(guī)范建設(shè)工程質(zhì)量檢測行業(yè)的市場行為，加強建設(shè)工程質(zhì)量檢測機構(gòu)的管理能力，提升建設(shè)工程質(zhì)量檢測機構(gòu)的工作質(zhì)量勢在必行。信息化管理方法的運用能夠在一定程度上保障建設(shè)工程質(zhì)量檢測過程中檢測數(shù)據(jù)的真實性、公正性、可靠性。建設(shè)工程質(zhì)量檢測的信息化管理是指在工程質(zhì)量檢測機構(gòu)中，利用計算機自動化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及現(xiàn)代通訊技術(shù)等手段對建設(shè)工程質(zhì)量檢測機構(gòu)及其所屬各部門的檢測業(yè)務(wù)進行綜合管理，為建設(shè)工程質(zhì)量檢測機構(gòu)的整體運行提供全面、自動化的管理及各種服務(wù)。目前，全國較發(fā)達地區(qū)已經(jīng)相繼建立了較為完善的檢測機構(gòu)信息化監(jiān)管系統(tǒng)，對涉及建筑結(jié)構(gòu)安全的力值檢測參數(shù)如混凝土抗壓強度、鋼筋力學(xué)性能指標等必須實時上傳試驗結(jié)果，對于非力值檢測參數(shù)的檢測報告必須上傳關(guān)鍵頁面。除此之外，某些地區(qū)如廣州市正在推行混凝土試塊芯片植入技術(shù)，對于混凝土試塊一律要求植入混凝土芯片，檢測機構(gòu)不得接收無芯片的混凝土試塊，試塊必須進行掃描識別之后方可進行試驗，無芯片的混凝土抗壓強度報告不得作為驗收報告采用。然而目前檢測機構(gòu)的信息化管理運作中依然存在不少問題，如網(wǎng)絡(luò)傳輸不順暢，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法實時上傳；存儲設(shè)備容量不夠，導(dǎo)致部分數(shù)據(jù)丟失；監(jiān)管系統(tǒng)安全性不足，數(shù)據(jù)被他人利用等。其中，當前最突出的問題是信息化管理僅僅停留在對試驗數(shù)據(jù)的監(jiān)控，疏忽了對試驗流程與過程的監(jiān)管，即無法保證樣品的真實性或試驗過程的規(guī)范性，容易出現(xiàn)“偷梁換柱”等問題，即試樣制假或試驗作假等現(xiàn)象。有鑒于此，本研究以上述問題為出發(fā)點，應(yīng)用現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對試驗流程與試驗數(shù)據(jù)進行“雙控”，確保試驗結(jié)果的真實性和檢測報告的有效性，為真實評價工程質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。
2設(shè)計原理與系統(tǒng)架構(gòu)
2.1技術(shù)原理
根據(jù)檢測監(jiān)管業(yè)務(wù)需要，對試驗流程進行全過程監(jiān)控，包括收樣、樣品制備、數(shù)據(jù)采集等過程。主要體現(xiàn)于兩個方面：第一方面，通過高清攝像槍對樣品接收和樣品制備過程進行實時記錄；另一方面通過在試驗機電腦上安裝視頻采集卡，自動采集試驗機電腦屏幕的數(shù)字信號，通過圖像處理器轉(zhuǎn)換成與攝像機信號一致的模擬信號。最后利用現(xiàn)有的CATV技術(shù)，將電腦屏幕數(shù)字信號與攝像機信號整合在一起，通過光纖傳輸至硬盤錄像機，實現(xiàn)實時的監(jiān)控、存儲功能，通過錄像回放功能實現(xiàn)對歷史記錄的查詢。通過登陸客戶端軟件或ip登錄訪問服務(wù)器電腦，可以實現(xiàn)在辦公室對檢測過程的動態(tài)監(jiān)控。本部通過現(xiàn)有的vpn網(wǎng)絡(luò)，連接到檢測中心服務(wù)器后瀏覽視頻、回放錄像，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。
2.2系統(tǒng)架構(gòu)
本系統(tǒng)主要有前端的數(shù)據(jù)采集裝置包括高清攝像槍和視屏采集卡，數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)（光纖），數(shù)據(jù)接收與存儲設(shè)備（硬盤錄像機）、網(wǎng)絡(luò)交換機、服務(wù)器電腦以及客戶端軟件組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。（1）高清攝像槍用于監(jiān)控樣品接收與存放、樣品制作、抗壓試驗等過程，對試驗過程規(guī)范性與樣品的真實性進行實時監(jiān)管，避免弄虛作假現(xiàn)象的發(fā)生。（2）視屏采集卡自動采集試驗機電腦屏幕的數(shù)字信號，并通過內(nèi)置轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與攝像槍信號一致的模擬信號，對試驗參數(shù)、試驗數(shù)據(jù)、以及曲線的形態(tài)進行實時監(jiān)控，確保試驗過程的規(guī)范性和數(shù)據(jù)真實性。（3）光纖作為信號傳輸介質(zhì)，將高清攝像槍與視頻采集卡的信號傳輸至硬盤錄像機，相比同軸電纜，光纖傳輸速度快，降低信號延遲；傳輸損失少，保證視屏質(zhì)量。（4）網(wǎng)絡(luò)交換機實現(xiàn)與局域網(wǎng)內(nèi)的電腦及服務(wù)器電腦互聯(lián)，可以通過局域網(wǎng)訪問硬盤錄像機。（5）硬盤錄像機數(shù)據(jù)接收和存儲終端，實時接收光纖傳至的信號并存儲，并可以對歷史記錄按時間進行查詢。（6）服務(wù)器將若干硬盤錄像機通過網(wǎng)絡(luò)交換機串聯(lián)至服務(wù)器電腦，通過訪問服務(wù)器電腦可以同時訪問局域網(wǎng)內(nèi)所有的硬盤錄像機，實現(xiàn)一機多控。本部通過現(xiàn)有的vpn網(wǎng)絡(luò)，連接到檢測中心服務(wù)器后瀏覽視頻、回放錄像。（7）客戶端軟件除了通過ip訪問服務(wù)器電腦以外，可以通過安裝客戶端軟件對局域網(wǎng)內(nèi)的硬盤錄像機進行訪問，相比于ip訪問，使用管理更簡便。
3系統(tǒng)實施
圖2和圖3是分別利用客戶端軟件和iP登陸訪問，對試驗過程和試驗環(huán)境進行的全方位監(jiān)控。以混凝土芯樣抗壓強度檢測詳細闡述監(jiān)控流程，具體如下。
3.1樣品安全管理監(jiān)控
委托方完成登記委托后，將樣品放置于芯樣樣品存放區(qū)集中保管，在存放區(qū)安裝高清攝像槍，配合大門口的監(jiān)控信號，對樣品進行全面安全監(jiān)視，如下圖4、圖5所示。
3.2樣品制備流程監(jiān)控
芯樣的制備流程主要包括芯樣接收、開箱驗樣、盲樣編號、芯樣切割、芯樣打磨、芯樣補平等6個階段，對上述6個關(guān)鍵節(jié)點布設(shè)視屏監(jiān)控，如下圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11所示。杜絕芯樣制備環(huán)節(jié)的不正規(guī)操作，保證樣品真實性、試驗過程規(guī)范性，確保試驗結(jié)果可靠性。
3.3抗壓試驗“雙控”
“一控”是對樣品的真實性進行確認，避免試驗人員調(diào)換樣品，高清攝像槍可以清晰捕捉樣品編號，確保是真實樣品，如圖12所示；對試樣的破壞過程及破壞形態(tài)是否正常進行判定，如試樣偏心受壓導(dǎo)致提前破壞或樣品未完全破壞而試驗機誤判試驗終點等現(xiàn)象；“二控”是對試驗機電腦屏幕的監(jiān)控，監(jiān)控試驗數(shù)據(jù)采集是否正常，試驗曲線走勢是否正常，是否發(fā)生試樣尚未破壞而試驗機停止采集數(shù)據(jù)、曲線下落時間與試樣的破型時間不一致等現(xiàn)象的發(fā)生，如圖13所示。
4結(jié)束語
裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟時代的區(qū)別，不在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣生產(chǎn)，用什么勞動資料生產(chǎn)”。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當今先進制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。總之，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。
數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：(1)機械制造技術(shù)；(2)信息處理、加工、傳輸技術(shù)；(3)自動控制技術(shù)；(4)伺服驅(qū)動技術(shù)；(5)傳感器技術(shù)；(6)軟件技術(shù)等。
1數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢
數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，他對國計民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)展的大趨勢。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面［1～4］。
1．1高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢
效率、質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術(shù)研究會將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國際生產(chǎn)工程學(xué)會（CIRP）將其確定為21世紀的中心研究方向之一。
在轎車工業(yè)領(lǐng)域，年產(chǎn)30萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一；在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對這些筋、壁進行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝，使構(gòu)件的強度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。
從EMO2001展會情況來看，高速加工中心進給速度可達80m/min，甚至更高，空運行速度可達100m/min左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床。美國CINCINNATI公司的HyperMach機床進給速度最大達60m/min，快速為100m/min，加速度達2g，主軸轉(zhuǎn)速已達60000r/min。加工一薄壁飛機零件，只用30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h，在普通銑床加工需8h；德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達12*!000r/mm和1g。
在加工精度方面，近10年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級加工中心則從3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01μm)。
在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF值已達6000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。
為了實現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大。
1.25軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機床快速發(fā)展
采用5軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認為，1臺5軸聯(lián)動機床的效率可以等于2臺3軸聯(lián)動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時，5軸聯(lián)動加工可比3軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價格要比3軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了5軸聯(lián)動機床的發(fā)展。
當前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實現(xiàn)5軸聯(lián)動加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進了復(fù)合主軸頭類型5軸聯(lián)動機床和復(fù)合加工機床（含5面加工機床）的發(fā)展。
在EMO2001展會上，新日本工機的5面加工機床采用復(fù)合主軸頭，可實現(xiàn)4個垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5軸加工可在同一臺機床上實現(xiàn)，還可實現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下5面加工和5軸聯(lián)動加工，可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制。
1.3智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢
21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。
為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題。目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進行研究，如美國的NGC(TheNextGenerationWork-Station/MachineControl)、歐共體的OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)、日本的OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)，中國的ONC(OpenNumericalControlSystem)等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。
網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機，如在EMO2001展中，日本山崎馬扎克（Mazak)公司展出的“CyberProductionCenter”（智能生產(chǎn)控制中心，簡稱CPC)；日本大隈（Okuma）機床公司展出“ITplaza”（信息技術(shù)廣場，簡稱IT廣場)；德國西門子(Siemens)公司展出的OpenManufacturingEnvironment（開放制造環(huán)境，簡稱OME）等，反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。
1.4重視新技術(shù)標準、規(guī)范的建立
1.4.1關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)規(guī)范
如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃，并進行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3個最大的經(jīng)濟體在短期內(nèi)進行了幾乎相同的科學(xué)計劃和規(guī)范的制定，預(yù)示了數(shù)控技術(shù)的一個新的變革時期的來臨。我國在2000年也開始進行中國的ONC數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。
1.4.2關(guān)于數(shù)控標準
數(shù)控標準是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數(shù)控技術(shù)誕生后的50年間的信息交換都是基于ISO6983標準，即采用G，M代碼描述如何（how）加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此，國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標準ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)整個制造過程，乃至各個工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標準化。
STEP-NC的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，對于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠的影響。首先，STEP-NC提出一種嶄新的制造理念，傳統(tǒng)的制造理念中，NC加工程序都集中在單個計算機上。而在新標準下，NC程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)上，這正是數(shù)控技術(shù)開放式、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向。其次，STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙（約75％）、加工程序編制時間（約35％）和加工時間（約50％）。
目前，歐美國家非常重視STEP-NC的研究，歐洲發(fā)起了STEP-NC的IMS計劃(1999.1.1～2001.12.31)。參加這項計劃的有來自歐洲和日本的20個CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、廠商和學(xué)術(shù)機構(gòu)。美國的STEPTools公司是全球范圍內(nèi)制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者，他已經(jīng)開發(fā)了用作數(shù)控機床加工信息交換的超級模型(SuperModel)，其目標是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程。目前這種新的數(shù)據(jù)交換格式已經(jīng)在配備了SIEMENS、FIDIA以及歐洲OSACA-NC數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機上進行了驗證。
2對我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計
我國數(shù)控技術(shù)起步于1958年，近50年的發(fā)展歷程大致可分為3個階段：第一階段從1958年到1979年，即封閉式發(fā)展階段。在此階段，由于國外的技術(shù)封鎖和我國的基礎(chǔ)條件的限制，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，即引進技術(shù)，消化吸收，初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段，由于改革開放和國家的重視，以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善，我國數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間，即實施產(chǎn)業(yè)化的研究，進入市場競爭階段。在此階段，我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實質(zhì)性進步。在“九五”末期，國產(chǎn)數(shù)控機床的國內(nèi)市場占有率達50％，配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達到了10％。
縱觀我國數(shù)控技術(shù)近50年的發(fā)展歷程，特別是經(jīng)過4個5年計劃的攻關(guān)，總體來看取得了以下成績。
a.奠定了數(shù)控技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)。我國現(xiàn)在已基本掌握了從數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動、數(shù)控主機、專機及其配套件的基礎(chǔ)技術(shù)，其中大部分技術(shù)已具備進行商品化開發(fā)的基礎(chǔ)，部分技術(shù)已商品化、產(chǎn)業(yè)化。
b.初步形成了數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。在攻關(guān)成果和部分技術(shù)商品化的基礎(chǔ)上，建立了諸如華中數(shù)控、航天數(shù)控等具有批量生產(chǎn)能力的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠。蘭州電機廠、華中數(shù)控等一批伺服系統(tǒng)和伺服電機生產(chǎn)廠以及北京第一機床廠、濟南第一機床廠等若干數(shù)控主機生產(chǎn)廠。這些生產(chǎn)廠基本形成了我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。
c.建立了一支數(shù)控研究、開發(fā)、管理人才的基本隊伍。
雖然在數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化方面取得了長足的進步，但我們也要清醒地認識到，我國高端數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)，尤其是在產(chǎn)業(yè)化方面的技術(shù)水平現(xiàn)狀與我國的現(xiàn)實需求還有較大的差距。雖然從縱向看我國的發(fā)展速度很快，但橫向比（與國外對比）不僅技術(shù)水平有差距，在某些方面發(fā)展速度也有差距，即一些高精尖的數(shù)控裝備的技術(shù)水平差距有擴大趨勢。從國際上來看，對我國數(shù)控技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化水平估計大致如下。
a.技術(shù)水平上，與國外先進水平大約落后10～15年，在高精尖技術(shù)方面則更大。
b.產(chǎn)業(yè)化水平上，市場占有率低，品種覆蓋率小，還沒有形成規(guī)模生產(chǎn)；功能部件專業(yè)化生產(chǎn)水平及成套能力較低；外觀質(zhì)量相對差；可靠性不高，商品化程度不足；國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應(yīng)，用戶信心不足。
c.可持續(xù)發(fā)展的能力上，對競爭前數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)、工程化能力較弱；數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域拓展力度不強；相關(guān)標準規(guī)范的研究、制定滯后。
分析存在上述差距的主要原因有以下幾個方面。
a.認識方面。對國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)進程艱巨性、復(fù)雜性和長期性的特點認識不足；對市場的不規(guī)范、國外的封鎖加扼殺、體制等困難估計不足；對我國數(shù)控技術(shù)應(yīng)用水平及能力分析不夠。
b.體系方面。從技術(shù)的角度關(guān)注數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時候多，從系統(tǒng)的、產(chǎn)業(yè)鏈的角度綜合考慮數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時候少；沒有建立完整的高質(zhì)量的配套體系、完善的培訓(xùn)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系。
c.機制方面。不良機制造成人才流失，又制約了技術(shù)及技術(shù)路線創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新，且制約了規(guī)劃的有效實施，往往規(guī)劃理想，實施困難。
d.技術(shù)方面。企業(yè)在技術(shù)方面自主創(chuàng)新能力不強，核心技術(shù)的工程化能力不強。機床標準落后，水平較低，數(shù)控系統(tǒng)新標準研究不夠。
3對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考
3.1戰(zhàn)略考慮
我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，即要掌握先進制造核心技術(shù)，否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國制造業(yè)將進一步“空芯”。我們以資源、環(huán)境、市場為代價，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位，這樣將會嚴重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程。
我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題，首先從社會安全看，因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定；其次從國防安全看，西方發(fā)達國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì)，對我國實現(xiàn)禁運和限制，“東芝事件”和“考克斯報告”就是最好的例證。
3.2發(fā)展策略
從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導(dǎo)向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo)21世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。
強調(diào)市場需求為導(dǎo)向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機（如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機床、典型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等）帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件（數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等）的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品；沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品；當然，沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難以有出頭之日。
在高精尖裝備研發(fā)方面，要強調(diào)產(chǎn)、學(xué)、研以及最終用戶的緊密結(jié)合，以“做得出、用得上、賣得掉”為目標，按國家意志實施攻關(guān)，以解決國家之急需。
在競爭前數(shù)控技術(shù)方面，強調(diào)創(chuàng)新，強調(diào)研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
參考文獻：
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[關(guān)鍵詞]提升效率數(shù)控機床切削刀具
一、提升數(shù)控加工的意義所在
數(shù)控機床具有生產(chǎn)效率和加工自動化程度高，零件的加工精度和產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性好，能完成許多普通機床難以加工或根本無法加工的復(fù)雜型面加工，幾乎不要專用的工裝卡具、減少在制品，提高經(jīng)濟效益和大大減輕操作工人的勞動強度等一系列優(yōu)點。隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展，大力發(fā)展以數(shù)控機床為先導(dǎo)的裝備制造業(yè)已成為我國政府的一項產(chǎn)業(yè)政策，將對數(shù)控機床的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。用好數(shù)控機床提高數(shù)控機床的利用率具有重要的現(xiàn)實意義，它不僅能增加企業(yè)的效益，而且還有助于提高我國制造業(yè)的整體素質(zhì)和加快建設(shè)制造強國的進程。
二、影響數(shù)控機床加工的因素
1.數(shù)控機床應(yīng)用水平不高
數(shù)控加工在中國制造業(yè)中已經(jīng)有了較長的使用時間，雖然有嚴格的數(shù)控機床操作規(guī)范、良好的機床維護保養(yǎng)，但是其本身的精度損失是不可避免的。為了控制產(chǎn)品的加工質(zhì)量，我們定期對數(shù)控設(shè)備進行檢測維修，明確每臺設(shè)備的加工精度，明確每臺設(shè)備的加工任務(wù)。對于大批量成批生產(chǎn)的零件加工工廠，應(yīng)嚴格區(qū)分粗、精加工的設(shè)備使用，因為粗加工時追求的是高速度、高的去除率、低的加工精度，精加工則相反，要求高的加工精度。而粗加工時對設(shè)備的精度損害是最嚴重的，因此我們將使用年限較長、精度最差的設(shè)備定為專用的粗加工設(shè)備，新設(shè)備和精度好的設(shè)備定為精加工設(shè)備，做到對現(xiàn)有設(shè)備資源的合理搭配、明確分工，將機床對加工質(zhì)量的影響降到了最低，同時又保護了昂貴的數(shù)控設(shè)備，延長了設(shè)備的壽命。
2.操刀次數(shù)及位置不合理
利用數(shù)控車床進行批量生產(chǎn)、特別是大批量生產(chǎn)時，在保證加工質(zhì)量的前提下，提高加工效率、確保加工過程的穩(wěn)定性是獲得良好經(jīng)濟效益的基礎(chǔ)。數(shù)控車削批量加工時，選擇簡便的換刀方式，是減少換刀輔助時間、減少機床磨損、降低加工成本的有效途徑。改進換刀點設(shè)置是為達此目的進行的有效嘗試之一。為此，在夾具選擇、走刀路線安排、刀具排列位置和使用順序等方面都要精細分析、優(yōu)化設(shè)計，改進換刀點設(shè)置，減少運行成本，提高加工效率。
3.編程技巧不強
程序的效率直接影響著機床的工作效率，所以優(yōu)化編程質(zhì)量是提高數(shù)控機床工作效率的一個重要方法。首先，熟悉機床的指令，充分開發(fā)機床的內(nèi)部功能，尋找高效的編程和加工方法。其次，大力推廣計算機編程，加強計算機切削模擬，提高程序的可靠性，從而減少或取消在數(shù)控銑床上調(diào)試程序的時間。再次，合理編程，盡量減少機床走空刀的情況。
三、提高數(shù)控機床加工效率的措施
1.培養(yǎng)優(yōu)秀的數(shù)控技術(shù)人才
數(shù)控機床雖然智能程度提高，但是人的作用卻至關(guān)重要。沒有技術(shù)好的編程人員，數(shù)控機床的效率就不可能得到有效提高，沒有好的機床操作者就達不到最佳加工方式，產(chǎn)品的廢品率就會提高，同時也會大大降低數(shù)控機床的使用效率和縮短機床的使用壽命。因此，要提高數(shù)控加工的效率，就必須培養(yǎng)出優(yōu)秀的數(shù)控技術(shù)人員。
2.對數(shù)控機床實施科學(xué)管理
數(shù)控機床不同于普通機床，不能把管理普通機床的方法照搬到數(shù)控機床上。據(jù)一些使用數(shù)控機床較早的用戶多年管理實踐證明，凡是數(shù)控機床較多的單位，以相對集中管理的方式較好，即“專業(yè)管理，集中使用”的辦法。工藝技術(shù)準備由工廠工藝技術(shù)部門負責(zé)，生產(chǎn)管理由工廠下達任務(wù)統(tǒng)一平衡。有條件的可以采用計算機集成管理的生產(chǎn)方式。由計算機把數(shù)控機床生產(chǎn)所需的各種作業(yè)和加工信息管理起來，實行信息共享，以減少生產(chǎn)準備時間，優(yōu)化物流路線，可有效的提高生產(chǎn)率。
3.合理選擇切削刀具
刀具的選擇是保證加工質(zhì)量和提高加工效率的重要環(huán)節(jié)。為了提高生產(chǎn)率國內(nèi)外數(shù)控機床尤其是加工中心正向著高速、高剛性和大功率方向發(fā)展。這就要求具必須具有能夠承受高速切削和強力切削的性能，而性能要穩(wěn)定。在選用刀具材料時，凡加工情況允許選硬質(zhì)合金刀具時，就不應(yīng)選用高速鋼刀具。有條件的選用性能更好更耐磨的刀具，如涂層刀具、立方氮化刀具、陶瓷刀片等。
這里特別強調(diào)一下球頭刀具的使用，在進行自由曲加工時，由于球頭刀具的端部切削速度為零，因此為保加工精度，切削行距一般取得很密，故加工效率很低。平頭刀具在表面加工質(zhì)量和切削效率方面都優(yōu)于球頭具。因此，只要保證不過切，無論是曲面的粗加工還是加工，都應(yīng)優(yōu)先選擇平頭刀。
隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床的應(yīng)用越來越廣泛,使得產(chǎn)品的加工精度有了極大的提高。在這種形勢下,傳統(tǒng)的測量工具及測量方法已不能滿足檢測需求。在精密測量中,三坐標測量機扮演了重要角色。然而由于三坐標測量機價格昂貴,絕大多數(shù)中小型企業(yè)無能力購買使用。考慮到NC機床結(jié)構(gòu)上與三坐標測量機相似,有可能利用其進行坐標測量。數(shù)控機床和三坐標測量機均是機電一體化的數(shù)字控制自動化機械。數(shù)控機床是將被加工對象進行數(shù)字化處理,然后,利用數(shù)字信息進行控制,從而加工出合格產(chǎn)品。而三坐標測量機則是在已加工好的產(chǎn)品上,利用測頭與工件型面接觸測得一系列點的坐標值,進而計算出尺寸、形位誤差值的測量設(shè)備。數(shù)控機床與三坐標測量機均利用坐標軸移動實現(xiàn)自身功能。基于這一共同點,本文試圖在不改變數(shù)控機床CNC控制系統(tǒng)的條件下(直接從CNC經(jīng)光電隔離得到X、Y、Z二進制數(shù)值,必須改變機床CNC系統(tǒng)),將數(shù)控機床功能加以擴展,附加適當裝置組成檢測系統(tǒng),實現(xiàn)利用數(shù)控機床進行測量的功能。
1.總體方案
本文設(shè)計的檢測系統(tǒng)是利用數(shù)控機床及其控制系統(tǒng),附加測頭、攝像頭、控制盒、計算機等裝置組成的檢測系統(tǒng),其組成如圖1所示。利用這個系統(tǒng)進行測量,其工作原理是利用攝像頭捕捉數(shù)控機床屏幕上顯示有坐標值的圖像畫面,再對捕捉到的圖像進行處理,識別出坐標數(shù)值,間接得到被測點坐標,并在此基礎(chǔ)上求得尺寸、形位誤差值,以完成數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)精密測量的功能。
本文選用圖1所示的檢測系統(tǒng),是完全獨立于機床之外的附加檢測裝置,對機床本身的性能沒有影響。它是在不改變機床本體和原有功能的基礎(chǔ)上,利用機床的X、Y、Z坐標移動性能,將刀具換成測量頭測出工件上某點的位置。例如,要測量工件上A點到B點的距離,就相當于用對刀的方法確定A點坐標(xA,yA,zA)、B點坐標(xB,yB,zB),則A、B兩點的距離為d=√x2+y2+z2,其中x=xA-xB;y=yA-yB;z=zA-zB。顯然,這是一種通過測量點的坐標獲取測量結(jié)果的方法。
2.硬件配置
系統(tǒng)的硬件包括測量頭、控制盒及攝像頭。
2.1測頭
測頭的基本功能是觸發(fā)、瞄準和過零發(fā)訊。測頭分為機械式、光電式、電氣式三種。測頭性能的好壞,決定著測量方式的難易、測量精度的高低。本文選用我國生產(chǎn)的應(yīng)用極為廣泛的硬線連接式導(dǎo)電式測頭,它屬于接觸式測頭,為通用型球頭測頭,能測定高度、槽寬、孔徑和輪廓形狀等。使用時,可以將測頭半徑和測出的數(shù)據(jù)輸入到計算機中進行數(shù)據(jù)處理,然后自動輸出被測值。測量方便、準確,易操作。
2.2控制盒
控制盒是本測量系統(tǒng)重要的硬件配置,是實現(xiàn)測量控制和數(shù)控機床與測量系統(tǒng)接口的關(guān)鍵裝置。其性能的好壞直接影響測量系統(tǒng)的功能和可靠性。從測量系統(tǒng)的功能完善和先進性、實用性考慮,控制盒的核心控制部分選用80C51單片機與8255A接口芯片,通過編程實現(xiàn)測量系統(tǒng)的控制與通訊。控制盒工作過程如圖2所示。當觸頭接觸工件時,產(chǎn)生觸發(fā)信號,觸發(fā)器D接收到低電平信號,向單片機發(fā)出中斷請求,通過程序?qū)崿F(xiàn)延時功能,并通過8255A接口,使繼電器1接通,打開攝像頭,進行拍照。拍照完畢,繼電器1斷開,繼電器2接通,控制伺服系統(tǒng)動作進行下一次測量。
2.3攝像頭
將數(shù)控機床屏幕上帶有坐標值的圖像導(dǎo)入到計算機中,需要圖像采集裝置。本文選用的是Logitech快看視訊版TM網(wǎng)絡(luò)攝像頭,它具有高質(zhì)量CMOS感應(yīng)器,其靜態(tài)和動態(tài)分辨率均達到640×480像素(VGA)。幀速度為:最高30幀/秒,圖像清晰,可以滿足測量系統(tǒng)的要求。
3.軟件設(shè)計
軟件設(shè)計的兩個關(guān)鍵內(nèi)容是字符識別及數(shù)據(jù)處理。
3.1字符識別
從數(shù)控機床屏幕圖像中獲取的坐標數(shù)值,首先須將攝像頭拍到的圖片文件轉(zhuǎn)化為計算機可以處理的文本信息,此過程需要通過字符識別技術(shù)完成。字符識別算法分為三種:模板匹配法、特征法和筆畫結(jié)構(gòu)法。由于需識別的字符種類少,本文開發(fā)的軟件系統(tǒng)中用了模板匹配法及特征法,借助VB編程實現(xiàn)。算法的主要過程如圖3所示。
其中,預(yù)處理的目的是為特征提取及字符學(xué)習(xí)提供方便,主要運用平滑去噪、圖像的二值化處理,使圖像更清晰、準確。特征提取即提取字符特征模式作為區(qū)分字符的特征量。主要方法是利用細化骨架的方法提取字符骨架,然后利用穿線法獲得單個字符的特征。運用此系統(tǒng)檢測時,先對機床屏幕的顯示字體進行學(xué)習(xí),建立標準模板。將每一個單獨的字符劃分成A×B個像素(Pixels),字符的一些特征像素與標準模板比較,如果相似程度達到95%,那么,就可以認為該標準模板上的字符為所要識別的字符,逐一將要識別的這些字符進行判斷分類和確認,最后得到識別結(jié)果。將其存入計算機,待數(shù)據(jù)處理時取用。
3.2數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)處理是針對離散采樣數(shù)據(jù)點的集合,用一定的數(shù)學(xué)模型進行計算以獲得測量結(jié)果的過程。由于應(yīng)用本測量系統(tǒng)測得值均為一些要素表面離散點的坐標,要測出需要的幾何元素誤差值,需進行相應(yīng)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。在評定尺寸誤差時,借助了空間解析幾何及向量知識對各種幾何要素的測量給出了準確的計算公式。對于形位誤差的測量,依據(jù)的原則為最小條件及最小二乘法。例如:對直線度誤差的評定,依據(jù)最小二乘原理,根據(jù)測得的若干點的坐標,建立最小二乘線的方程y=ax+b,其中最小二乘線的參數(shù)a,b由式(1)求得:
將此直線方程化為一般式:
ax-y+b=0(2)
然后,求得各個測量點到該最小二乘線的距離
取Δ=2dmax,此為任意方向上的直線度誤差。從而實現(xiàn)直線度檢測功能。檢測系統(tǒng)計算項目如圖4所示。
4.測量實例
圖5所示,待測公差項目是φ25孔軸線的直線度公差為φ0.005mm。利用此系統(tǒng)檢測時,先將孔沿軸向劃分為N個截面(本例取N=5),測得每一截面上,孔內(nèi)表面上的三個點的坐標(見表1),根據(jù)三點定圓的原則,可以求得各截面圓對應(yīng)的孔心位置,將此N個孔心的坐標xi,yi代入式(1),擬合最小二乘直線y=ax+b,將各圓心點的坐標代入式(3),即可求出各中心點到該直線的距離,那么,誤差Δ2dmax。
數(shù)據(jù)處理結(jié)果Δ=2dmax=φ0.008mm>φ0.005mm,因此該孔不合格。
摘要：簡要介紹了當今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上討論了在我國加入WTO和對外開放進一步深化的新環(huán)境下，發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性，并從戰(zhàn)略和策略兩個層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點看法。裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟時代的區(qū)別，不在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣生產(chǎn)，用什么勞動資料生產(chǎn)”。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當今先進制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。總之，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑
數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：(1)機械制造技術(shù)；(2)信息處理、加工、傳輸技術(shù)；(3)自動控制技術(shù)；(4)伺服驅(qū)動技術(shù)；(5)傳感器技術(shù)；(6)軟件技術(shù)等。1數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，他對國計民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)展的大趨勢。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面［1～4］。1．1高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢
效率、質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術(shù)研究會將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國際生產(chǎn)工程學(xué)會（CIRP）將其確定為21世紀的中心研究方向之一。
在轎車工業(yè)領(lǐng)域，年產(chǎn)30萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一；在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對這些筋、壁進行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝，使構(gòu)件的強度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。
從EMO2001展會情況來看，高速加工中心進給速度可達80m/min，甚至更高，空運行速度可達100m/min左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床。美國CINCINNATI公司的HyperMach機床進給速度最大達60m/min，快速為100m/min，加速度達2g，主軸轉(zhuǎn)速已達60000r/min。加工一薄壁飛機零件，只用30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h，在普通銑床加工需8h；德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達12*!000r/mm和1g。
在加工精度方面，近10年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級加工中心則從3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01μm)。
在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF值已達6000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。
為了實現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大。
1.25軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機床快速發(fā)展
采用5軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認為，1臺5軸聯(lián)動機床的效率可以等于2臺3軸聯(lián)動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時，5軸聯(lián)動加工可比3軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價格要比3軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了5軸聯(lián)動機床的發(fā)展。
當前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實現(xiàn)5軸聯(lián)動加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進了復(fù)合主軸頭類型5軸聯(lián)動機床和復(fù)合加工機床（含5面加工機床）的發(fā)展。
在EMO2001展會上，新日本工機的5面加工機床采用復(fù)合主軸頭，可實現(xiàn)4個垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5軸加工可在同一臺機床上實現(xiàn)，還可實現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下5面加工和5軸聯(lián)動加工，可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制。1.3智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢
21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。
為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題。目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進行研究，如美國的NGC(TheNextGenerationWork-Station/MachineControl)、歐共體的OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)、日本的OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)，中國的ONC(OpenNumericalControlSystem)等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。
網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機，如在EMO2001展中，日本山崎馬扎克（Mazak)公司展出的“CyberProductionCenter”（智能生產(chǎn)控制中心，簡稱CPC)；日本大隈（Okuma）機床公司展出“ITplaza”（信息技術(shù)廣場，簡稱IT廣場)；德國西門子(Siemens)公司展出的OpenManufacturingEnvironment（開放制造環(huán)境，簡稱OME）等，反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。1.4重視新技術(shù)標準、規(guī)范的建立1.4.1關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)規(guī)范
如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃，并進行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3個最大的經(jīng)濟體在短期內(nèi)進行了幾乎相同的科學(xué)計劃和規(guī)范的制定，預(yù)示了數(shù)控技術(shù)的一個新的變革時期的來臨。我國在2000年也開始進行中國的ONC數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定1.4.2關(guān)于數(shù)控標準
數(shù)控標準是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數(shù)控技術(shù)誕生后的50年間的信息交換都是基于ISO6983標準，即采用G，M代碼描述如何（how）加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此，國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標準ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)整個制造過程，乃至各個工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標準化。
STEP-NC的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，對于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠的影響。首先，STEP-NC提出一種嶄新的制造理念，傳統(tǒng)的制造理念中，NC加工程序都集中在單個計算機上。而在新標準下，NC程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)上，這正是數(shù)控技術(shù)開放式、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向。其次，STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙（約75％）、加工程序編制時間（約35％）和加工時間（約50％）。
目前，歐美國家非常重視STEP-NC的研究，歐洲發(fā)起了STEP-NC的IMS計劃(1999.1.1～2001.12.31)。參加這項計劃的有來自歐洲和日本的20個CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、廠商和學(xué)術(shù)機構(gòu)。美國的STEPTools公司是全球范圍內(nèi)制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者，他已經(jīng)開發(fā)了用作數(shù)控機床加工信息交換的超級模型(SuperModel)，其目標是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程。目前這種新的數(shù)據(jù)交換格式已經(jīng)在配備了SIEMENS、FIDIA以及歐洲OSACA-NC數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機上進行了驗證。2對我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計我國數(shù)控技術(shù)起步于1958年，近50年的發(fā)展歷程大致可分為3個階段：第一階段從1958年到1979年，即封閉式發(fā)展階段。在此階段，由于國外的技術(shù)封鎖和我國的基礎(chǔ)條件的限制，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，即引進技術(shù)，消化吸收，初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段，由于改革開放和國家的重視，以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善，我國數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間，即實施產(chǎn)業(yè)化的研究，進入市場競爭階段。在此階段，我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實質(zhì)性進步。在“九五”末期，國產(chǎn)數(shù)控機床的國內(nèi)市場占有率達50％，配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達到了10％。
縱觀我國數(shù)控技術(shù)近50年的發(fā)展歷程，特別是經(jīng)過4個5年計劃的攻關(guān)，總體來看取得了以下成績。
a.奠定了數(shù)控技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)。我國現(xiàn)在已基本掌握了從數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動、數(shù)控主機、專機及其配套件的基礎(chǔ)技術(shù)，其中大部分技術(shù)已具備進行商品化開發(fā)的基礎(chǔ)，部分技術(shù)已商品化、產(chǎn)業(yè)化。
b.初步形成了數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。在攻關(guān)成果和部分技術(shù)商品化的基礎(chǔ)上，建立了諸如華中數(shù)控、航天數(shù)控等具有批量生產(chǎn)能力的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠。蘭州電機廠、華中數(shù)控等一批伺服系統(tǒng)和伺服電機生產(chǎn)廠以及北京第一機床廠、濟南第一機床廠等若干數(shù)控主機生產(chǎn)廠。這些生產(chǎn)廠基本形成了我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。
c.建立了一支數(shù)控研究、開發(fā)、管理人才的基本隊伍。
雖然在數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化方面取得了長足的進步，但我們也要清醒地認識到，我國高端數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)，尤其是在產(chǎn)業(yè)化方面的技術(shù)水平現(xiàn)狀與我國的現(xiàn)實需求還有較大的差距。雖然從縱向看我國的發(fā)展速度很快，但橫向比（與國外對比）不僅技術(shù)水平有差距，在某些方面發(fā)展速度也有差距，即一些高精尖的數(shù)控裝備的技術(shù)水平差距有擴大趨勢。從國際上來看，對我國數(shù)控技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化水平估計大致如下。
a.技術(shù)水平上，與國外先進水平大約落后10～15年，在高精尖技術(shù)方面則更大。
b.產(chǎn)業(yè)化水平上，市場占有率低，品種覆蓋率小，還沒有形成規(guī)模生產(chǎn)；功能部件專業(yè)化生產(chǎn)水平及成套能力較低；外觀質(zhì)量相對差；可靠性不高，商品化程度不足；國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應(yīng)，用戶信心不足。
c.可持續(xù)發(fā)展的能力上，對競爭前數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)、工程化能力較弱；數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域拓展力度不強；相關(guān)標準規(guī)范的研究、制定滯后。
分析存在上述差距的主要原因有以下幾個方面。
a.認識方面。對國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)進程艱巨性、復(fù)雜性和長期性的特點認識不足；對市場的不規(guī)范、國外的封鎖加扼殺、體制等困難估計不足；對我國數(shù)控技術(shù)應(yīng)用水平及能力分析不夠。
b.體系方面。從技術(shù)的角度關(guān)注數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時候多，從系統(tǒng)的、產(chǎn)業(yè)鏈的角度綜合考慮數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時候少；沒有建立完整的高質(zhì)量的配套體系、完善的培訓(xùn)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系。
c.機制方面。不良機制造成人才流失，又制約了技術(shù)及技術(shù)路線創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新，且制約了規(guī)劃的有效實施，往往規(guī)劃理想，實施困難。
d.技術(shù)方面。企業(yè)在技術(shù)方面自主創(chuàng)新能力不強，核心技術(shù)的工程化能力不強。機床標準落后，水平較低，數(shù)控系統(tǒng)新標準研究不夠。
3對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考3.1戰(zhàn)略考慮
我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，即要掌握先進制造核心技術(shù)，否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國制造業(yè)將進一步“空芯”。我們以資源、環(huán)境、市場為代價，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位，這樣將會嚴重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程。
我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題，首先從社會安全看，因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定；其次從國防安全看，西方發(fā)達國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì)，對我國實現(xiàn)禁運和限制，“東芝事件”和“考克斯報告”就是最好的例證。3.2發(fā)展策略
從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導(dǎo)向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo)21世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展
強調(diào)市場需求為導(dǎo)向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機（如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機床、典型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等）帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件（數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等）的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品；沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品；當然，沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難以有出頭之日。
在高精尖裝備研發(fā)方面，要強調(diào)產(chǎn)、學(xué)、研以及最終用戶的緊密結(jié)合，以“做得出、用得上、賣得掉”為目標，按國家意志實施攻關(guān)，以解決國家之急需。
在競爭前數(shù)控技術(shù)方面，強調(diào)創(chuàng)新，強調(diào)研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
參考文獻：
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課題名稱： PLC先進控制策略研究與應(yīng)用
1、選題意義和背景。
可編程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)具有可靠性高、抗干擾能力強、功能豐富等強大技術(shù)優(yōu)勢，已經(jīng)成為目前自動化領(lǐng)域的主流控制系統(tǒng)。然而，從目前的應(yīng)用情況來看，PLC還大都只是承擔(dān)最基本的控制功能，如順序控制、數(shù)據(jù)采集和PID反饋控制。各個PLC廠家也在其產(chǎn)品中設(shè)計了PID模塊。雖然PID算法控制有很高的穩(wěn)定性，但對于一些復(fù)雜控制系統(tǒng)，PID控制很難滿足控制要求，這也使PLC的發(fā)展面臨著一種挑戰(zhàn)。隨著越來越多的PLC產(chǎn)品與IEC1131-3標準兼容，PLC控制系統(tǒng)越來越開放，將先進控制算法嵌入PLC常規(guī)控制系統(tǒng)成為可能。本課題從工業(yè)控制實際應(yīng)用角度出發(fā)，對PLC的控制功能進行深入的研究和探討，以提高和擴展PLC控制器的應(yīng)用水平和應(yīng)用范圍。本課題：PLC先進控制策略的研究與應(yīng)用，其目的是通過研究使一些先進控制算法在PLC及組態(tài)系統(tǒng)上得以實現(xiàn)，并開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序，經(jīng)過驗證后最終應(yīng)用到工業(yè)過程控制中去。
在PLC組態(tài)系統(tǒng)中實現(xiàn)先進控制算法，包括預(yù)測控制算法和模糊邏輯控制算法，形成具有人工智能的控制模塊及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能大大提高系統(tǒng)的控制水平，改善控制質(zhì)量。從經(jīng)濟角度來看，目前PLC生產(chǎn)商的一些產(chǎn)品具備先進控制模塊，如模糊模塊。但它們的價格十分昂貴，且封閉性較強，不適合我國中小型企業(yè)的工業(yè)改造。因此開發(fā)較為通用的先進算法實現(xiàn)技術(shù)，對于我國中小型企業(yè)的工業(yè)改造具有很大的意義，既可降低生產(chǎn)成本，又可提高經(jīng)濟效益。
模糊控制與預(yù)測控制是智能控制中技術(shù)較為成熟的分支，因此，研制和開發(fā)出適合工業(yè)環(huán)境的實時先進控制開發(fā)工具，實現(xiàn)模糊控制、預(yù)測控制嵌入PLC,與常規(guī)控制集成運行，讓先進控制從教授、專家手中走出來，實現(xiàn)先進控制的工程化、實用化、轉(zhuǎn)化為社會生產(chǎn)力，對縮短控制系統(tǒng)開發(fā)周期，加快先進控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，提高我國的工業(yè)自動化水平有著重大的意義。
2、論文綜述/研究基礎(chǔ)。
在過程工業(yè)界，從40年代開始，采用PID控制規(guī)律的單輸入單輸出簡單反饋控制回路己成為過程控制的核心系統(tǒng)。目前，PID控制仍廣泛應(yīng)用，即便是在大量采用DCS控制的最現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)過程中，這類回路仍占總回路80%-90%.這是因為PID控制算法是對人的簡單而有效操作的總結(jié)和模仿，足以維護一般過程的平穩(wěn)操作與運行，而且這類算法簡單且應(yīng)用歷史悠久，工業(yè)界比較熟悉且容易接受。
然而，單回路PID控制并不能適用于所有的過程和不同的要求[4}0 50年代開始，逐漸發(fā)展了串級、比值、前饋、均勻和Smith預(yù)估控制等復(fù)雜控制系統(tǒng)，即當時的先進控制系統(tǒng)，在很大程度上滿足了單變量控制系統(tǒng)的一些特殊的控制要求。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，仍有10%-20%的控制問題采用上述控制策略無法奏效，所涉及的被控過程往往具有強藕合性、不確定性、非線性、信息不完全性和大純滯后等特性，并存在著苛刻的約束條件，更重要的是它們大多數(shù)是生產(chǎn)過程的核心部分，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本等有關(guān)指標。隨著過程工業(yè)日益走向大型化、連續(xù)化，對工業(yè)生產(chǎn)過程控制的品質(zhì)提出了更高的要求，控制與經(jīng)濟效益的矛盾日趨尖銳，迫切需要一類合適的先進控制策略。自50年代末發(fā)展起來的以狀態(tài)空間方法為主體的現(xiàn)代控制理論，為過程控制帶來了狀態(tài)反饋、輸出反饋、解疆控制、自適應(yīng)控制等一系列多變量控制系統(tǒng)設(shè)計方法}s}.上述多變量控制策略有其自身的不足之處，工業(yè)過程的復(fù)雜性使得建立其正確的數(shù)學(xué)模型比較困難。同時，計算機技術(shù)的持續(xù)發(fā)展使得計算機控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用，強大的計算能力可以用來求解過去認為是無法求解的問題，這一切都孕育著過程控制領(lǐng)域的新突破。
整個80年代，出現(xiàn)了許多約束模型預(yù)測控制的工程化軟件包。通過在模型識別、優(yōu)化算法、控制結(jié)構(gòu)分析、參數(shù)整定和有關(guān)穩(wěn)定性和魯棒性研究等一系列工作，基于模型控制的理論體系己基本形成，并成為目前過程控制應(yīng)用最成功，也最有前途的先進控制策略。近年來，人工智能技術(shù)有了長足的長進并在許多科學(xué)與工程領(lǐng)域中取得了較廣泛的應(yīng)用。就過程控制而言，專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊系統(tǒng)是最有潛力的三種工具。專家系統(tǒng)可望在過程故障診斷、監(jiān)督控制、檢測儀表和控制回路有效性檢驗中獲得成功應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則可以為復(fù)雜的非線性過程的建模提供有效的方法，進而可用于過程軟測量和控制系統(tǒng)的設(shè)計上。模糊系統(tǒng)不僅是行之有效的模糊控制理論基礎(chǔ)，而且有望成為表達確定性和不確定性兩類混合并提煉這些經(jīng)驗使之成為知識進而改進以后的控制，也將是先進控制的重要內(nèi)容。
由于先進控制受控制算法的復(fù)雜性和計算機硬件兩方面因素的影響，早期的先進控制算法通常是在PC機和UNIX機上實施的。隨著DCS功能的不斷增強，更多的先進控制策略可以與基本控制回路一起在DCS控制站上實現(xiàn)。國外發(fā)達國家?guī)缀跛衅髽I(yè)都采用了DCS系統(tǒng)或其它智能化設(shè)備來實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，并在此基礎(chǔ)上通過實施先進控制與優(yōu)化較大的提升了系統(tǒng)的性能。可以說，高性能控制系統(tǒng)，尤其是DCS系統(tǒng)的普及為先進控制的應(yīng)用提供了強有力的硬件和軟件平臺。國外從70年代末就開始了先進控制技術(shù)商品化軟件的開發(fā)及應(yīng)用，并在DCS的基礎(chǔ)上實現(xiàn)先進控制和優(yōu)化。如愛默生公司的DeltaV和Honeywell公司的TDC3000,其先進控制軟件RMPGT和RPID等在現(xiàn)場的實際應(yīng)用都集中在自己的DCS系統(tǒng)上。傳統(tǒng)的PLC由于不支持浮點運算以及先進控制所必須的精確的時間，因此，除了模糊邏輯控制外，其他的先進控制并沒有在PLG平臺上實現(xiàn)。然而，在過程工業(yè)中大多系統(tǒng)使用先進靈活的PLC控制系統(tǒng)，因此1996年Barnes提出了一種基于PC-PLC通訊的混合方式，通過控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)計算機與PLG的通訊，從而實現(xiàn)先進控制。
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4、論文提綱。
第一章前言
1. I論文研究的目的和意義
1. 2論文研究的主要內(nèi)容及工作簡述
1. 3國內(nèi)外文獻綜述
I. 3. 1先進控制的發(fā)展及現(xiàn)狀
1 .3 . 2 PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用
1.3 . 3 PLC基本控制方法
1. 3. 4 PLC模糊控制器
I. 3. 5 PLC預(yù)測控制算法
第二章SIMATIC S7-300 PLC及STEP7系統(tǒng)
2.1 SIMATIC 57-300 PLC系統(tǒng)
2.1.1 S7-300 PLC
2.1.2 S7-300 PLC控制系統(tǒng)
2.2 STEP7系統(tǒng)
2.2.1 STEP7功能及結(jié)構(gòu)
2.2.2組態(tài)環(huán)境及編程語言
2.2.3基本控制算法的實現(xiàn)二
第三章PLC模糊控制器的研究與實現(xiàn)
3.1模糊控制算法與系統(tǒng)
3.1.1模糊控制理論
3.1.2模糊控制系統(tǒng)
3.1.2.1模糊控制器的組成
3.1.2.2模糊控制算法
3.1.2.3模糊控制器的結(jié)構(gòu)
3.2 PLC模糊控制器設(shè)計
3.2.1 PLC模糊控制器結(jié)構(gòu)
3.2.2模糊控制器離線部分設(shè)計
3.2.2.1模糊控制器離線部分算法設(shè)計內(nèi)容
3.2.2.2基于MATLAB模糊邏輯工具箱的設(shè)計
3.2.3 STEP7實現(xiàn)模糊控制器設(shè)計
3.2.3.1模糊算法流程圖
3.2.3.2模糊算法的功能塊
3.2.4 PLC模糊控制器的仿真驗證
3.2.4.1仿真系統(tǒng)的建立
3.2.4.2仿真結(jié)果驗證
第四章PLC預(yù)測控制器的研究與實現(xiàn)
4.1廣義預(yù)測控制算法
4.1.1單值廣義預(yù)測控制
4.1.2單值廣義預(yù)測控制律計算
4.2 PLC單值廣義預(yù)測控制器的設(shè)計與實現(xiàn)
4.2.1單值廣義預(yù)測算法的實現(xiàn)步驟
4.2.2單值廣義預(yù)測控制器的設(shè)計
4.3單值廣義預(yù)測控制器的仿真驗證
4.3.1仿真模型的建立
4.3.2仿真結(jié)果分析比較
第五章基于PLC的空調(diào)性能檢測實驗室計算機控制系統(tǒng)
5.1工藝流程與控制方案
5.1.1工藝過程簡述
5.1.2控制要求
5.1.3控制方案設(shè)計
5.2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置
5.3監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計
5.4 57-300 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計
5.4.1硬件系統(tǒng)組態(tài)
5.4.2 PLC控制程序設(shè)計
5、論文的理論依據(jù)、研究方法、研究內(nèi)容。
目前，PLC的應(yīng)用十分廣泛，涉及到過程控制的方方面面。但在控制策略上，它依然沿用傳統(tǒng)的PID控制。許多PLC開發(fā)商把PID算法做成模塊，固化在PLC中。
但從長遠角度看，對于一些復(fù)雜的控制系統(tǒng)，PID很難滿足控制要求，這就需要把先進的控制算法嵌入到PLC的設(shè)計中。本課題以此為主要研究內(nèi)容。
工業(yè)過程的復(fù)雜性以及對于控制日益提高的要求，各種先進控制算法越來越多地深入到控制領(lǐng)域，但由于PLC的編程目前還限于低級語言(如梯形圖)，所以，給在PLC上實現(xiàn)先進控制算法帶來了困難。SIEMENS在PLC的編程系統(tǒng)STEP7中提供了比較豐富的功能模塊，因此，本課題首先是通過對控制算法的研究與改進和對STEP?功能的開發(fā)，使先進控制策略在S7-300 PLC上得以較好的實現(xiàn)。本論文重點研究基于PLC的模糊控制器的實現(xiàn)，這一領(lǐng)域目前研究的比較多，因此在總結(jié)前人研究方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一個基于PLC的通用的模糊控制器，并使其固化在STEP7軟件中。此外，對于PLC預(yù)測控制雖已有一些研究，但都僅限于理論方面，尚未給出PLC上實現(xiàn)的實例。本課題也想在此方面有所創(chuàng)新，開發(fā)出基于PLC的預(yù)測控制實現(xiàn)技術(shù)。
本論文第一章簡要介紹了課題的來源背景、主要內(nèi)容、目的意義以及國外相關(guān)工作的研究狀況等。
第二章介紹了SIMATIC S7-300 PLC的主要特點，系統(tǒng)組成及控制系統(tǒng)的配置與實現(xiàn)，同時介紹了STEP?軟件的功能及結(jié)構(gòu)，組態(tài)環(huán)境，以及一些基本算法的實現(xiàn)方法。
第三章重點闡述了模糊控制的基本理論、模糊控制算法、模糊控制器的結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法。提出了基于PLC的模糊控制器的實現(xiàn)方法，即采用MATLAB離線設(shè)計，PLC在線查詢的方式。給出了STEP?實現(xiàn)模糊算法的流程圖及部分程序。
最后建立一個過程仿真系統(tǒng)，對PLC模糊控制器進行仿真驗證。
第四章介紹了預(yù)測控制的基本理論，重點闡述了廣義預(yù)測控制算法，并結(jié)合PLC的特點，提出了基于PLC的單值廣義預(yù)測控制器的設(shè)計方法，給出了STEP7實現(xiàn)單值廣義預(yù)測算法的步驟與流程圖。最后建立一個二階大滯后的對象模型，構(gòu)成仿真控制系統(tǒng)，與PID控制進行比較分析，驗證PLC預(yù)測控制器的有效性。
第五章是作者在研究生期間參加的某空調(diào)性能檢測實驗室基于PLC實現(xiàn)的計算機控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)控制方案的設(shè)計、系統(tǒng)配置和硬件構(gòu)成、監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計等幾個方面分別進行了詳細的論述。
第六章結(jié)論與體會，總結(jié)自己在課題研究和項目研究的過程中的一些體會和心得，分析了工作中的不足，提出了以后工作的注意事項，改進方法。
6、研究條件和可能存在的問題。
I.盡快建立樣板工程，把己經(jīng)取得的研究成果應(yīng)用到工程實際過程中，通過實踐檢驗，發(fā)現(xiàn)問題以便不斷改進和提高。
2. PLC預(yù)測控制器目前只應(yīng)用了簡單的單值廣義預(yù)測算法，有其自身的局限性，如控制精度不高。目前，應(yīng)用較為成熟的是MPC算法，因此可以把PLC-MPC控制器作為今后研究的一個重點。
3.對于PLC模糊控制器的改進，主要是在算法上，為了提高控制效果，單純的模糊算法是不足的，改進型模糊算法如模糊PID可以改善控制器性能，因此可以開發(fā)PLC模糊PID控制器。
4.進一步挖掘STEP?軟件的功能，開發(fā)過程對象仿真模塊，給出基于PLC建立仿真系統(tǒng)的方法和步驟，為工業(yè)實阮應(yīng)用縮短調(diào)試時間，保證系統(tǒng)的可靠性。
7、預(yù)期的結(jié)果。
1.通過對先進控制各種算法的分析比較，對先進控制理論有了進一步認識，從中學(xué)到了不少解決問題的方法，理解了傳統(tǒng)控制方法與先進控制方法的區(qū)別。
2.基于PLC實現(xiàn)先進控制與基于PC實現(xiàn)先進控制相比較，最重要的一個優(yōu)勢在于PLC實現(xiàn)先進控制不需要通訊協(xié)議，而基于PC實現(xiàn)先進控制，在系統(tǒng)設(shè)計和運行之前必須正確的配置PC與PLC之間的通訊協(xié)議，因此可以降低系統(tǒng)得開發(fā)時間。其次，在系統(tǒng)運行時，在下位機上完成先進控制算法比在上位機完成更具有實時性。在可靠性方面，由于基于PC實現(xiàn)先進控制，現(xiàn)場的數(shù)據(jù)和信號要經(jīng)過通訊傳給上位機，這難免會出現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失和信號的誤差，從而使系統(tǒng)的控制精度下降，而基于PLC實現(xiàn)先進控制避免了這類現(xiàn)象的發(fā)生。
3.西門子57-300 PLC功能強、處理速度快、模塊化結(jié)構(gòu)易于擴展，被廣泛的應(yīng)用于自動化控制系統(tǒng)中;其相應(yīng)開發(fā)軟件STEP7采用模塊化編程方法，提供多種編程語言，豐富的功能模塊，能實現(xiàn)較為復(fù)雜的功能和算法。因此二者結(jié)合 起來，為先進控制的設(shè)計與開發(fā)提供了很好的軟硬件平臺。
4. PLC模糊控制器采用MTALAB離線設(shè)計和PLC在線查表的方法，把復(fù)雜的模糊推理過程交給計算機離線完成，得到模糊控制量查詢表供PLC在線調(diào)用。此方法將復(fù)雜瑣碎的模糊控制系統(tǒng)的開發(fā)工作變得簡單明了，大大縮短了開發(fā)周期，同時也提高的PLC控制的實時性，是目前被廣泛采用且效果良好的PLC模糊控制器的設(shè)計方法。
5. PLC單值廣義預(yù)測控制器采用簡單實用的單值廣義預(yù)測控制算法，它需要調(diào)整參數(shù)少、在線計算時間短，可適用于PLC類控制采樣周期較短的快速動態(tài)過程系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明：PLC單值廣義預(yù)測控制器保持了預(yù)測控制的性能，控制效果較PID控制有很大改善，同時具有計算量小，響應(yīng)迅速的優(yōu)點。
8、論文寫作進度安排。
20XX.05-20XX.06 開論文會議
20XX.06-20XX.07 確定論文題目
20XX.07-20XX.02 提交開題報告初稿
20XX.02-20XX.06 提交論文初稿
關(guān)鍵詞：測控技術(shù)與儀器；畢業(yè)設(shè)計；產(chǎn)學(xué)研結(jié)合；教學(xué)改革
作者簡介：李雅峰（1979-），男，陜西漢中人，天津工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，講師；郗濤（1974-），男，山西陽泉人，天津工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，副教授。（天津 300387）
基金項目：本文系天津工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革立項重點項目（項目編號：06323）的研究成果。
中圖分類號：G642.477 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）22-0181-03
畢業(yè)設(shè)計是本科教學(xué)過程中時間最長的綜合實踐環(huán)節(jié)，是對本科生四年課程學(xué)習(xí)和實踐的總結(jié)，是畢業(yè)生步入實際職業(yè)生涯或者接受研究生教育的教學(xué)準備。同時本科畢業(yè)設(shè)計是對高校教育培養(yǎng)質(zhì)量的重要評價指標，對于提高學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì)和應(yīng)用能力，增強學(xué)生在擇業(yè)競爭力等諸方面具有重要意義。
測控技術(shù)與儀器專業(yè)是儀器科學(xué)與技術(shù)一級學(xué)科的重要分支，主要學(xué)習(xí)光機電一體化的精密儀器理論、控制理論和測控儀器的設(shè)計方法，以及測控系統(tǒng)的設(shè)計、應(yīng)用及開發(fā)能力。天津工業(yè)大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)在國內(nèi)高校中的起步較晚，與同城擁有“精密測試技術(shù)及儀器”國家重點實驗室及“儀器儀表”博士后流動站的天津大學(xué)相比，在軟硬實力方面也有不小的差距。
因此從向國家教委申報測控技術(shù)與儀器專業(yè)之始，為有創(chuàng)新、有特色的辦好測控專業(yè)，對該專業(yè)包括畢業(yè)設(shè)計的各個教學(xué)環(huán)節(jié)進行了探索，其人才培養(yǎng)模式也是目前天津工業(yè)大學(xué)亟需研究的問題。
本文立足天津工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新性應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標，根據(jù)測控技術(shù)與儀器專業(yè)的培養(yǎng)模式與現(xiàn)狀，針對當前畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)存在的問題，探索符合人才培養(yǎng)規(guī)律與學(xué)校現(xiàn)狀的畢業(yè)設(shè)計模式，逐步完善畢業(yè)設(shè)計過程的各項質(zhì)量管理機制，提高畢業(yè)論文質(zhì)量并促進應(yīng)用型人才創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
一、測控專業(yè)畢業(yè)設(shè)計存在的問題
首先是就業(yè)與考研的影響，這也是全國所有高校都存在的問題。天津工業(yè)大學(xué)的畢業(yè)設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)安排在大四第二學(xué)期，而此階段正值本科畢業(yè)生擇業(yè)就業(yè)的關(guān)鍵期。很多用人單位要求已簽約的學(xué)生提前入職或?qū)嵙?xí)；另外沒有簽約的學(xué)生離校奔波趕場求職，把全部精力都投入到找工作之中；通過國家研究生分數(shù)線的學(xué)生，每年的三四月進入復(fù)試環(huán)節(jié)，導(dǎo)致這些學(xué)生在此期間無暇顧及自己的畢業(yè)設(shè)計。
其次是部分學(xué)生對畢業(yè)設(shè)計的重視程度不夠，態(tài)度不認真，不少學(xué)生認為畢業(yè)設(shè)計就是走形式，不論論文優(yōu)劣和答辯表現(xiàn)好壞都能最終通過。畢業(yè)設(shè)計進度不能按照計劃進行，各環(huán)節(jié)步驟拖延，以及后期的趕工導(dǎo)致論文粗制濫造、抄襲現(xiàn)象嚴重。
再次是選題帶有盲目性。部分學(xué)生既不了解選題的主要內(nèi)容，又對自己的個人能力估計不足，僅憑畢業(yè)設(shè)計題目名稱和對指導(dǎo)教師的喜好進行選題，結(jié)果在畢業(yè)設(shè)計過程中才發(fā)現(xiàn)選題和自己的專業(yè)特長以及職業(yè)方向相去甚遠，從而產(chǎn)生倦怠和消極情緒；部分學(xué)生選擇畢業(yè)設(shè)計課題時，避難就易只求完成，不向優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計方向努力，從而影響了畢業(yè)設(shè)計的進度和質(zhì)量。
最后還有個別指導(dǎo)教師畢業(yè)設(shè)計選題過于陳舊，實質(zhì)內(nèi)容多年不變，或是題目雖有變化但是內(nèi)容不變。有的教師放松對學(xué)生的要求，沒能達到每周見面輔導(dǎo)兩次的要求，或安排給自己的研究生進行指導(dǎo)，在中期檢查和答辯時給分隨意，造成畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量下降。
二、對天津工業(yè)大學(xué)測控專業(yè)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計的探索與成效
1.以競賽和科研為基礎(chǔ)的畢業(yè)設(shè)計
學(xué)生參加學(xué)科競賽和科研項目可以有效的把畢業(yè)設(shè)計時間前移，并且對畢業(yè)設(shè)計題目有所準備和認識。各種學(xué)科競賽始終貫穿于測控技術(shù)與儀器專業(yè)的綜合性實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，以賽代練的方法能培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技術(shù)和創(chuàng)新能力，把畢業(yè)設(shè)計作為學(xué)科競賽項目的一個拓展和深入，參加過學(xué)科競賽的同學(xué)繼續(xù)在教師指導(dǎo)下深入，使其可以延續(xù)性地完成過去感興趣的方向。
此外畢業(yè)設(shè)計可以結(jié)合在指導(dǎo)教師的科研任務(wù)中。科研項目所能提供的設(shè)備、場地、經(jīng)費可以有效提高他們的動手能力和科研能力，同時有利于提高畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量，另外也能調(diào)動廣大學(xué)生的積極性，使其更加善于觀察和解決現(xiàn)實存在的問題。本科生畢業(yè)設(shè)計作為教師科研項目的子課題，可以加快教師科研項目的研究進度，使教師更有時間和精力在戰(zhàn)略上掌控和把握自己的科研項目。
通過近三年對測控專業(yè)本科畢業(yè)生的統(tǒng)計，省部級以上科技競賽的獲獎比例達到全部學(xué)生人數(shù)的65%以上，參加指導(dǎo)教師科研項目進行助研活動的學(xué)生有23%，最終絕大多數(shù)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計選題與自己的競賽項目和科研任務(wù)有關(guān)。通過近年來獲得的成績表明，以競賽和科研為導(dǎo)向的培養(yǎng)模式，是提高畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量的有效途徑。
2.大力支持校企聯(lián)合指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計期間，許多用人單位希望學(xué)生能到單位去邊做畢業(yè)設(shè)計，邊進行上崗培訓(xùn)，而學(xué)生也愿意到單位進行畢業(yè)設(shè)計，在工作學(xué)習(xí)的同時還可以得到一些薪酬。學(xué)生到就業(yè)單位進行畢業(yè)設(shè)計可以很大程度的保證畢業(yè)生做畢業(yè)設(shè)計的時間，還可以充分利用企業(yè)的經(jīng)費、儀器、場地和技術(shù)力量，完成企業(yè)需要的技術(shù)課題。對于企業(yè)而言，這些已簽約準備進入到企業(yè)的學(xué)生就是未來的員工，這使得企業(yè)有強烈的育人責(zé)任感，因而從人力、物力、財力等方面給予大力支持。
校企聯(lián)合畢業(yè)設(shè)計采用共同指導(dǎo)的方式，以企業(yè)為主、學(xué)校為輔。畢業(yè)設(shè)計題目經(jīng)校企共同協(xié)商確定，校內(nèi)指導(dǎo)教師負責(zé)過程管理，制定進度計劃，監(jiān)督設(shè)計過程，并負責(zé)審核畢業(yè)設(shè)計的進度狀況和完成情況；企業(yè)工程技術(shù)人員則負責(zé)對學(xué)生具體設(shè)計內(nèi)容進行指導(dǎo)，提供相關(guān)技術(shù)資料，以及學(xué)生與工作現(xiàn)場、設(shè)計企業(yè)單位關(guān)系的協(xié)調(diào)。
學(xué)校和企業(yè)共同指導(dǎo)學(xué)生完成科研與工程課題，可以增加學(xué)校教師了解企業(yè)技術(shù)發(fā)展和技術(shù)應(yīng)用的機會，有利于提高教師的實際工程能力，為教師科研工作提供了許多便利。近三年來測控專業(yè)校企聯(lián)合指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計的畢業(yè)生人數(shù)有逐漸增加的趨勢，校內(nèi)教師聯(lián)系和管理在崗學(xué)生，使企業(yè)不把學(xué)生當成一個廉價勞動力來使用，控制好畢業(yè)設(shè)計的進度狀況和保證質(zhì)量，也是今后畢業(yè)設(shè)計管理體系中的重要課題。
3.選題突出天津工業(yè)大學(xué)紡織特色和地方產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢
天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)科是國家重點學(xué)科，有百年辦學(xué)的歷史和經(jīng)驗，并擁有以“先進紡織復(fù)合材料”國家重點實驗室為代表的一批高水平研究基地，依托紡織學(xué)科優(yōu)勢天津工業(yè)大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)設(shè)計選題中也要突出紡織特色，使用新的技術(shù)手段和技術(shù)路線對紡織工藝、紡織材料的檢測以及紡織設(shè)備和紡織過程進行控制。不但可以利用學(xué)校重點學(xué)科的先進設(shè)備進行實驗，而且將紡織專業(yè)與測控專業(yè)結(jié)合起來，盡可能滿足學(xué)生的興趣和愛好以及就業(yè)的需要，使得學(xué)生成為具有紡織和紡機知識的復(fù)合型人才。測控專業(yè)的畢業(yè)生每年在擇業(yè)期也能搭上校內(nèi)大批紡織類企事業(yè)單位招聘的順風(fēng)車，每年有30%以上的本專業(yè)畢業(yè)生進入紡織類企事業(yè)單位，從事測量與控制、儀器與系統(tǒng)設(shè)計制造、開發(fā)研究以及生產(chǎn)運行管理等工作。
此外，在本專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)過程中主動與地方優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)對接，注重服務(wù)于地方特色產(chǎn)業(yè)，對擴大就業(yè)范圍、提高就業(yè)率以及實現(xiàn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標具有重要意義。天津工業(yè)大學(xué)所在的天津市具有風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)集成優(yōu)勢，在各產(chǎn)業(yè)園區(qū)共有近百家風(fēng)電設(shè)備整機和風(fēng)電產(chǎn)業(yè)配件的制造廠商，在風(fēng)電制造領(lǐng)域如葉片材料、增速齒輪箱、發(fā)電機以及風(fēng)電控制設(shè)備等方面都具有較強實力。以風(fēng)電為載體的測量與控制畢業(yè)設(shè)計選題，可以讓本專業(yè)的畢業(yè)生在天津地區(qū)的就業(yè)市場上具有特色優(yōu)勢，特別是進入歌美颯、維斯塔斯、蘇司蘭等大型國際名牌風(fēng)電企業(yè)的畢業(yè)生也增加了很多。測控技術(shù)與儀器專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計選題突出了與地方優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的特點，積極聯(lián)系相關(guān)企業(yè)的技術(shù)研究中心，有針對性地解決實際問題，提高了就業(yè)競爭力。通過對近3年測控專業(yè)畢業(yè)生進行分析，發(fā)現(xiàn)有73.3%的畢業(yè)生選擇留津就業(yè)，其中有48.6%的畢業(yè)生進入紡織、風(fēng)電等地方優(yōu)勢特色行業(yè)中進行就業(yè)。
4.完善畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量監(jiān)控與保障體系
首先，在畢業(yè)設(shè)計選題階段要堅持模式創(chuàng)新，畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容要有一定的深度和廣度，要注意與專業(yè)知識結(jié)構(gòu)的聯(lián)系；要體現(xiàn)本專業(yè)新工藝、新技術(shù)的研究方向，體現(xiàn)專業(yè)特點和學(xué)校地區(qū)優(yōu)勢特色，體現(xiàn)實際意義與經(jīng)濟效益。首先系主任先對畢業(yè)設(shè)計題目進行考察把關(guān)，然后測控系的指導(dǎo)教師開教研會討論各個題目的工作量、層次和深度等，集思廣益保證每個設(shè)計選題的內(nèi)容和方向，最后在畢業(yè)設(shè)計選題階段，指導(dǎo)教師需要向?qū)W生公開設(shè)計任務(wù)書，并且實行指導(dǎo)教師和學(xué)生雙向選擇，這樣既避免了學(xué)生選題過于集中，又能防止學(xué)生盲目選題。
其次，天津工業(yè)大學(xué)制定了完整的畢業(yè)設(shè)計工作管理規(guī)范，對畢業(yè)設(shè)計的選題、開題、中期檢查、評閱、答辯等一系列環(huán)節(jié)進行審核。在2013年的畢業(yè)設(shè)計中，天津工業(yè)大學(xué)教務(wù)處首次啟用了網(wǎng)上畢業(yè)設(shè)計信息管理系統(tǒng)，能行之有效地提高畢業(yè)設(shè)計效率，并成為監(jiān)控畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量的良好平臺。該系統(tǒng)使學(xué)生和教師都能在程序框架中明確自己的職責(zé)，能夠使師生之間互相評價與互相監(jiān)督，同時教務(wù)管理人員也可以隨時登陸信息系統(tǒng)檢查畢業(yè)設(shè)計進度，并對完成情況進行考核。
最后，畢業(yè)設(shè)計答辯是檢驗畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量的重要階段。畢業(yè)設(shè)計答辯以畢業(yè)設(shè)計過程中的工作態(tài)度、畢業(yè)設(shè)計方案設(shè)計、結(jié)論與論據(jù)、外文翻譯質(zhì)量以及答辯思路條理和問題回答等六大項作為答辯成績依據(jù)。近三年來測控專業(yè)畢業(yè)答辯如果有校企聯(lián)合畢業(yè)設(shè)計的畢業(yè)生，則必須邀請企業(yè)技術(shù)人員作為答辯小組的成員，以保證答辯中技術(shù)性問題環(huán)節(jié)。答辯采用末尾淘汰制，每個答辯小組排名最后的兩位學(xué)生需要進行集中式二次答辯，二次答辯小組成員均由各組組長再要求一位督導(dǎo)組成，以嚴格把握畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量。同時，為給低年級學(xué)生提前進行畢業(yè)設(shè)計的啟蒙，答辯環(huán)節(jié)提倡并組織測控專業(yè)低年級學(xué)生進行觀摩，以提前培養(yǎng)學(xué)生認真對待畢業(yè)設(shè)計的態(tài)度。
5.加大教師交流、學(xué)生獎勵和抽查評優(yōu)
首先，畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)教師互相交流和學(xué)習(xí)可以增加畢業(yè)設(shè)計工作經(jīng)驗，調(diào)整思路和工作方法，提高工作質(zhì)量和效率。比如測控專業(yè)的教師和信息學(xué)院、自動化學(xué)院相近專業(yè)的教師進行交流，與其共享技術(shù)資料和開放實驗室等。對于紡織、紡機等的測試與控制畢業(yè)設(shè)計選題，可以邀請紡織工程學(xué)科的教師進行團隊式畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)，這樣更利于指導(dǎo)教師和畢業(yè)生成長，保證畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量。
其次，天津工業(yè)大學(xué)加大了對獲得優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計學(xué)生的獎勵，提供科研基金鼓勵學(xué)生投稿、申請專利、軟件著作權(quán)等。天津工業(yè)大學(xué)將學(xué)生畢業(yè)設(shè)計與畢業(yè)評優(yōu)和就業(yè)掛鉤，作為綜合素質(zhì)考核的條件之一，對測評結(jié)果優(yōu)良的學(xué)生優(yōu)先向用人單位推薦。近幾年來測控系每年都安排優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計的學(xué)生作講座，和低年級的學(xué)生交流，使低年級學(xué)生對畢業(yè)設(shè)計有初步的認識。從而促使學(xué)生平時就注重綜合素質(zhì)的提高，激發(fā)其個人潛能，有利于提高專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。
此外天津工業(yè)大學(xué)也輔助以抽樣評估工作對本科生畢業(yè)設(shè)計進行質(zhì)量監(jiān)控，特別是對抽查的本科生畢業(yè)論文進行，以減少和杜絕論文的抄襲。由于校級教務(wù)部門質(zhì)量監(jiān)控的范圍有限，只能抽查全體畢業(yè)生中的很小的一部分，因此畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量保證體系要從根本上依托二級學(xué)院和教研室，特別是指導(dǎo)教師的力量。另外，鼓勵指導(dǎo)教師和學(xué)生參加各級畢業(yè)設(shè)計評優(yōu)比賽，在各級評比中找出差距和不足，進一步提高畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量。從2012年開始測控專業(yè)所有畢業(yè)生的論文都要經(jīng)過論文抄襲自查環(huán)節(jié)，此舉也使整個畢業(yè)設(shè)計管理工作更加嚴格，畢業(yè)生撰寫畢業(yè)設(shè)計時更加認真和具有創(chuàng)新性。
三、總結(jié)
高等院校的職能經(jīng)歷了由培養(yǎng)技術(shù)人才兼顧科學(xué)研究，再擴展到對接產(chǎn)業(yè)服務(wù)社會的過程。而畢業(yè)設(shè)計是高等教育中的一項理論密切聯(lián)系實踐的綜合環(huán)節(jié)，是畢業(yè)生理論水平、創(chuàng)新思維、自學(xué)能力等素質(zhì)的全面展示。經(jīng)過近八年的教學(xué)探索和實踐，天津工業(yè)大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)已經(jīng)形成了以紡織設(shè)備與產(chǎn)品信號檢測、光學(xué)測量以及機電控制特色，側(cè)重于測量與控制、儀器與系統(tǒng)設(shè)計制造等專業(yè)能力的培養(yǎng)。作為高等學(xué)校教學(xué)計劃中最后的綜合性教學(xué)環(huán)節(jié)的畢業(yè)設(shè)計，初步取得了一定的成效和經(jīng)驗，并且得到了較好的社會評價和用人單位的認可，但隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展、科技水平的提高以及教學(xué)改革的深化，測控技術(shù)與儀器專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計模式仍需不斷改進。
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