本文是一篇工程硕士论文，全日制工学硕士是指参加1月份举行的全国硕士统一招考，录取后，经过全日制在校学习，属于工学学科分类的全日制研究生毕业，有硕士学位证书，学位证书上注名“工学硕士”字样。（以上内容来自百度百科）今天为大家推荐一篇工程硕士论文，供大家参考。
2018年最新工程硕士论文范文篇一
第 1 章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
将来发展的方向是移动互联网。随着随着 Internet 的迅猛发展，移动网络设备步入了人们的生活，一方面增加了人们对定位的需求，另一方面使无线网络技术快速发展。当代技术发展比较成熟的 GPS(全球定位系统的简称)应用领域广泛，它应用在军事战争、地理位置等一些国家重要的邻域，为人们的生活提供了极大的方便。但是在某些情况下，如在矿井这样密闭的环境下，或者在大型超市阻挡物体特别的情况下，或者建筑物内结构比较复杂时，这些建筑物就会阻挡 GPS 信号，所以在这些建筑内应用 GPS 定位结果并不理想，此外，GPS 定位技术的发展同时受到移动设备的高功率损耗，和室内定位环境的限制[1]。 目前为止，因为进行室内定位时，我们需要事先对室内环境进行部署，部署的系统有许多的条件限制如设备的精度要求或者定位时环境的要求。因此与先进的室外定位技术相比，室内定位技术要求更高，所以急需室内定位的精度。因为上述的原因，很多人对此领域做了大量的研究，研究出了许多的室内定位技术，我们一些常见的定位技术，如利用红外线、射频识别、超声波等技术，还有一些比较新的定位方法，如利用二维码扫描位置、无线局域网等技术[2,3]。 室内环境中的建筑物比较多，还有一些其它的人为因素的影响如人员的走动、们的开关也能影响信号，所以有时信号不能完全直线传播，甚至遇到物体时信号还会出现反射、衍射、散射等现象。但是基于位置的定位方法如能有效建立指纹数据库也能得到较高的定位效果。 利用 RSSI 进行定位，需要楼内布置多个 AP 点，当采集楼内的 AP 信号源所发出的强度数据时，采样点可以根据我们所进行定位的区域面积大小进行划分，接着将采集到的数据上传到服务端，服务端会通过相关算法生成绘制出位置与指纹相对应的图。当客户端的人走进楼层时，手机自动上传它所采集到的 RSSI 信号数据，并且将这些数据上传到服务器端，在服务器上将来源于客户端的数据与在离线阶段采集到的数据进行对比，通过层次聚类的方法找到客户端所在的类，从而对用户进行定位，并将定位结果返回给客户端，用户就能知道自己所在楼层。
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1.2 国内外在该方向的研究现状及分析
GPS 是利用卫星进行测量距离的一种方法，它的简称就是全球定位系统，可以说 GPS 定位应用是全球最广的技术。这种系统接受天上卫星的无线信号电信号。GPS 应用的邻域可以说主要集中在空旷的地方，如户外等场所，它在空旷的地方运行状态良好。但是在室内卫星信号无法到达的地方，GPS 运行的效果不好。而且 GPS 运行时需要几颗卫星联合工作，如果没有达到这个要求，系统就不会进入运行状态。因为在建筑物内部，复杂的建筑结构会阻挡 GPS 信号，如果在考虑人为的一些因素，那么该方法的定位精度是相当的低，根本不可能如同 GPS 在户外时一样能够很好接受卫星放出的无线电信号。传统的 GPS 系统主要依赖卫星系统，将采集卫星信号、卫星信号的处理、定位全部集中于一端，可能造成终端系统过于消耗影响设备的灵敏度[4,5]。 目前比较完善的 GPS 定位系统也有其优点，它的优点在于卫星能覆盖的地方，GPS 就能定位，如车辆在高速公路上行驶时，能够一路定位车辆所在的位置，而且该系统通常是免费使用。它的缺点就是遇到障碍物穿透能力不强，所以卫星信号到达不了的地方，GPS 定位系统就不能进行定位。 另一种的定位技术是红外线，红外线是由红外线标识发送的，由室内的 安装的光学元器件接受红外线。可以说红外线的定位精度很高。但是红外线 穿通障碍物的能力很低，这就使得红外线只能进行直线传播。还有一个原因红外线的传播距离相对比较短，有时造成红外线的定位效果不好，例如当红外线的标识放在口袋里影响红外线的定位，如果遇到障碍物阻挡时红外线定位结果就会不准。那么遇到障碍物如何改进，最常用的方法就是在有障碍物的地方每个一段距离就安放一个接受天线，但是这种方法的弊端在于接受天线的造价太高。所以应用红外线定位时，最好是在短距离、没有很多障碍物的情况下，定位精度才能有保证。所以红外线定位具有局限性。
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第 2 章 理论基础
首先介绍几种常见的定位技术，如有关传播角度 AOA 的定位，有关时间差 TOA 的方法、以及基于信号强度 RSSI 等一些定位技术，然后介绍空间聚类的如何定义的，从空间聚类分析几种常见的聚类，如基于划分的聚类 聚类方法可以说就是把空间或者平面的点按照某种规则进行归拢，并且对一些聚类方法进行有缺点的分析。再对层次聚类进行分析，凝聚模式是层次聚类的一种方式，首先将每个样本点做为一类，利用相识度不断进行循环计算，直到到达我们所需要的条件就停止，同时求出聚类所需的 k 值，即所需要的聚类数目。
2.1 定位技术
随着科技的发展，定位技术这几年也得到了迅猛的发展，由于信号的采集与处理方法的不同，大致有基于 AOA、TOA、RSSI 等一些定位方法。该定位方法是利用天线组成的阵列测出AP发射信号时的入射角,然后利用三个以上的AP的角度方位线相交叉所形成的交点，该点就是待测点的估计位置，测试点与基站1角度为1? ，与基站2角度为2? ，测试点与基站1和基站2连线之间的交叉点即为待测点位置[21]。但AOA设备复杂度较高。如图2-1所示。 解出上面的非线性方程就可以得出待测点的位置。如果测量出两个角度与相关距离，那么就能估计出二维平面的被测物体的位置，同样的道理，如果测量出三个角度与相关距离。那么就能估计出三维立体空间的被测点的位置。基于AOA测量的定位技术所需的天线带有方向性。
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2.2 空间聚类概述
空间聚类分析，又称为群分析，它是根据”物以类聚”的道理，又被称为群分析。是对样本或者指标进行分类的一种多元统计分析方法。 空间聚类讨论的对象是大量的样品，对这些样品按照它们各自的特性进行合理的类别划分，通常是在没有特殊要求的情况下进行的。该聚类是将数据进行划分，这一过程划分的原则是同一类中数据相似或相近。空间聚类分配数据时是根据它们的相识程度进行聚类的。常用的测量公式有很多，如曼哈顿距，它的公式为 2-8 所示，相似系数、夹角余弦，它的公式(2-9)所式等等。不同的聚类算法选用不同的相识度度量方法，产生的聚类结果也会不同[29]。 聚类方法基于一般分为使用均值或中心星团中心的代表，聚类基于距离。如 k-means 算法，从数据对象作为初始聚类中心选择首先 k 个对象，然后对剩余数据聚类。根据中心簇的大小之间的距离，该数据对象到簇，其中的最小距离，分割完成。然后计算每个群集的平均值的基础上的数据值，更新群集中心，以新的簇的优点中心重绘对象，重复上述步骤，直到群集的中心不改变为止。 在基于划分的聚类方法中，在基于分区聚类方法，噪音和异常数据是很大的。因此，这样的数据对最终聚类结果有很大的影响，同时聚类中心的合理的选择是至关重要的。
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第 3 章 楼层阻隔及数据预处理 ......... 22
3.1wifi 信号楼层间衰减特性 ......... 22
3.2 对指纹数据的预处理 ...... 24
3.3 本章小结 ...... 28
第 4 章 定位研究 ............. 29
4.1 楼层定位流程 ........ 29
4.2 楼层定位系统 ........ 31
4.2.1 服务器系统 ..... 33
4.2.2 终端系统 ......... 34
4.2.3 通信系统 ......... 35
4.2.4 无线局域网系统 ....... 36
4.3 楼层实验环境与实验结果分析 .......... 37
4.3.1 采集数据 ......... 37
4.3.2 层次聚类的应用与定位 ..... 40
4.3.3 与基本楼层定位方法相比较 ....... 41
4.4 本章小结 ...... 43
第 4 章 定位研究
在楼层定位流程中，详细描述数据聚类的流程，从输入 RSSI 数据向量值到逐渐按照距离要求合并成类，循环合并直到聚类达到要求为止。在楼层定位系统中，提出一种楼层定位系统的整体体系结构。服务器系统、无线局域网系统、终端系统以及通信系统(网络系统)这四部分构成了楼层定位系统的整体构架，每一部分分别进行了介绍。并且对基于层次聚类的楼层定位方法进行实验，在定位时间与定位精度上，与基本的楼层定位方法记性比较。
4.1 楼层定位流程
层次聚类能高效率地处理数据集同时对数据集合较好地实现聚类。它能够一次性地获得整个聚类的过程，并生成一颗聚类树。层次聚类首先将每个样本各自成为一类，然后按照所需的距离准则进行合并，循环合并达到结束条件为止。 如图 4-1 所示，RSSI 数据向量值进行聚类，根据类间的平均距离进行循环聚类，类间平均距离作为距离准则能够很好衡量两个类简单距离，循环聚类直到到达聚类要求为止，在把分好的类与实际楼层相结合，制成表格，为楼层进行定位时做准备。楼层定位系统的研究开发首先要考虑整体架构是否完整，设计良好的架构可使系统具有一些良好的性能，如系统的可维护性、可开发性、可扩展性，所以一个完美的楼层系统一方面要求应用时能做到定位精准不要有误差或则误差很小，另一方面要求系统能有一个良好的整体结构，有利于维护和开发系统。 楼层定位系统选择的是基于信号强度位置指纹定位方法，聚类算法选择的是基于层次聚类的算法，下面就对基于层次聚类的楼层定位系统的整体结构展开相关的研究。研究层次聚类的楼层定位系统的整体结构是为了提出一种楼层定位系统的整体体系结构，这种体系结构是基于层次聚类之上的。服务器系统、无线局域网系统、终端系统以及网络系统(通信系统)这四部分构成了楼层定位系统的整体构架的四部分。
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结论
传统的楼层定位方法在楼层定位时间与定位精度方面有待提高，所以本文提出一种基于层次聚类的 WLAN 楼层定位系统。该方法用层次聚类的方法对数据库中的强度数据进行聚类，使测试点的数据直接与已划分的类做比较，不需要与每个指纹数据做对比，大大节省了时间。从测试实验结果也能看出，与基本楼层判别方法相比，层次聚类的分类方法无论在时间方面还是在准确率方面都有所提高。如果楼层定位系统应用在大型建筑物中，需要采集大量数据信息，所以采用众包的方式采集数据，节省人力成本。同时对采集的数据进行预处理工作。 在高度方向上，楼层定位系统只能定位出测试点所在的楼层号，不能知道具体的高度。要想求出楼层的具体高度，与一些能够测出具体高度值的设备相结合，我们可以结合带有气压测量的设备，大气压随着高度的变化，它的值也不同。我们也可以结合带有三维方向传感器的设备，三维传感可以感知人移动时的加速度，有加速度的值进一步求出位移。今后也会多多研究与高度方向上的定位信息。用户知道了自己所处的楼层后，如果想要知道自己所处的具体位置时，可以选择相应的平面位置算法进行进一步确定位置。
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参考文献(略)
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第 1 章 绪论
1.1 课题的来源、研究背景及意义
本课题依托于 2012 年长春第一机床有限公司委托项目：《共轭凸轮共轭度测量方法的研究》；2014 年吉林省科技厅发展计划项目：《高精度数控凸轮磨削过程的速度优化与轮廓误差补偿》。 改革开放以来，我国的经济发展迅速，尤其是制造业有了长足的发展，短短三十年即成为了世界上的制造大国，一个国家的制造业是衡量国家综合国力的重要指标，但我国的制造业毕竟起步晚，在某些关键技术方面仍然和发达国家有很大的差距，比如在某些关键零部件的生产方面，我国一直受制于人[1,2]，例如在发动机方面，无论是战斗机还是民用的轿车等的发动机，我国的制造水平都落后于西方发达国家，而凸轮和凸轮轴就是发动机内的关键部件[3,4]，同样在纺织业和轻工机械领域，凸轮和凸轮轴都起着举足轻重的作用。随着制造加工技术的不断进步和提高，传统的磨削方法在效率和精度上已无法满足要求，这种传统方法的不足之处也明显的显现出来，主要体现在以下四个方面[5,6]： （1）靠模磨削虽然控制简单，但磨削精度就主要取决于靠模，而没有响应的动态补偿，所以万一靠模在加工过程中出现误差，就直接影响到磨削后的凸轮轮廓，精度往往达不到要求。 （2）靠模制造困难，每加工一批相同型号的凸轮都要首先制造出一个相应的靠模，它的精度也直接影响凸轮的精度，如果要保持每个靠模的精度就使得凸轮产品改型周期过长，限制了加工的效率。 （3）刚玉磨料在磨削过程中不可避免的会产生损耗，致使砂轮直径不断的缩小，有很大程度的不稳定性，导致实际磨削点很难与计算的理论点保持一致，很大程度的会对凸轮轮廓型的加工精度造成影响。
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1.2 国内外发展现状及当前存在的问题
在国外，凸轮磨削领域上主要的发展方向是:高速、超高速的 CBN 砂轮磨削,在机床的生产效率和加工零件的表面质量方面得到了显著的提高[9-12]。 在国内，由于磨削技术起步较晚，很多技术尚未能掌握，在高速性、加工精度等方面都处于落后，在德国、日本等加工业大国都是经过多年的稳步发展，在加工工艺的各个部分都趋于完美，在整体上杜绝加工误差，实现了超高速、高精度磨削，而针对我国的具体情况则主要研究方向集中在这两方面:一方面是致力于传统凸轮磨床的生产效率、系统的自动化程度及加工精度等的提高；另一方面,也开始对数控机床相关技术的研究。虽然也能在一定程度上提高磨削精度，但在加工精度、工艺柔性和本身生产效率等方面，要想赶超德国、日本等制造业发达国家仍有很长的路要走。提高磨削加工精度主要是减小系统的跟踪误差和轮廓误差，而减小误差一般从两个方面着手：第一就是比较大的误差，比如凸轮表面出现明显的烧伤、波纹等，这种较大的误差需要通过速度优化来解决，例如传统的恒角速度磨削就会产生这种大的误差，需要通过设计适当的速度优化方案来消除这种大的误差，将在下一节做集中介绍；第二就是出现比较微小的误差，在本节针对这类较为微小的误差的处理做简要介绍。 对于较小的误差一般也分为两种解决方案：第一就是在根本上杜绝误差或预防误差，这就需要整个数控机床加工工艺的精度不断的提高[13-16]，要求机床的所有部分的工艺都趋近完美，而我国的制造业起步较晚，达到这个目的很困难，成本也太高，不是一朝一夕可以完成，所以一般不被采用。第二种就是建立补偿模型[17-27]，或者利用交叉耦合控制思想建立误差模型[63-66]，这些方法较为灵活也易于实现，被广泛使用。
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第 2 章 凸轮旋转轴与砂轮进退轴的数学模型
2.1 引言
在凸轮磨削过程中，已知的数据通常只是凸轮的升程表数据，而由升程表数据只是提供目标凸轮的形状，即轮廓曲线，而伺服系统的输入数据需要涵盖具体如何加工的细节，例如磨削速度大小等信息，这就需要建立一个 X-C 轴联动数学模型，通过这个模型，由升程表数据既能得到凸轮的理论轮廓，也能求出凸轮轴旋转角度和砂轮中心位置的关系，并进一步得到伺服系统需要的输入序列。针对这个问题一直以来有很多学者做相关的研究。最为普遍的方法有反转法和速度瞬心法两种，这两种方法都可以较为简单、快速的得到需要的理论数据。
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2.2 凸轮、凸轮轴及凸轮机构
凸轮(如图 2.1)是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，凸轮通常绕凸轮轴作连续或不连续等速转动，从动件根据凸轮片形状设计使它获得一定规律的运动。凸轮机构能实现复杂的运动要求，广泛用于各种自动化和半自动化机械装置中。凸轮机构（如图 2.3）是凸轮机构一般是由凸轮、从动件和机架三个构件组成的高副机构。由凸轮带动从动件作回转运动或往复直线运动。凸轮机构的分类有很多种，这里只按照从动件的形状进行分类，将凸轮机构分为尖顶从动件、滚子从动件和平底从动件三种。 一般来说，生产厂家提供的已知信息是升程表数据，而最终输入凸轮磨床三环伺服系统的形式是 C 轴和 X 轴的输入序列（Ci，Xi），即凸轮转角和砂轮中心位置的序列，该序列是以一一对应的形式输入伺服系统的，所以本文通过建立 X-C 联动数学模型来实现由升程表数据推倒出伺服系统的输入序列。目前最常用的建模方法有两种，分别是速度瞬心法和反转法，两种方法都能完成上述要求，下面将逐个进行介绍和对比分析。 在凸轮加工过程中，是凸轮和砂轮联动加工的，凸轮是围绕凸轮轴做旋转运动，而砂轮则是做进退的水平运动，反转法的基本原理就是假设视角和凸轮相对静止的，而此时砂轮则是做方向相反、大小相同的围绕凸轮轮廓运动，就将两个都运动的复杂的磨削系统等效转化为一个静止、一个运动的简化系统，而从动件在围绕凸轮运动的过程中它的运动轨迹或磨削点的轨迹和凸轮轮廓则有着密切的关系，就可以等效的求出凸轮轮廓曲线，以及凸轮转角和砂轮中心位置的相对关系[51-53]。
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第 3 章 磨削速度对磨削精度的影响 ....... 19
3.1 引言 ...... 19
3.2 跟踪误差及轮廓误差的定义 ........ 19
3.3 跟踪误差的建模及凸轮磨削速度对其的影响 .......... 20
3.4 轮廓误差建模方法及其与跟踪误差的关系 .... 24
3.5 磨削速度对加工精度的影响 ........ 28
3.6 本章小结 ......... 34
第 4 章 凸轮磨削的速度优化算法 .......... 35
4.1 引言 ...... 35
4.2 速度优化基本原理 ............. 35
4.3 变步长的曲率分段速度优化算法 .......... 37
4.4 基于轮廓误差的曲率模糊优化算法 ...... 40
4.5 基于曲率分段的模糊优化算法 .... 4
4.6 基于模糊控制的加速度优化算法 .......... 48
4.7 本章小结 ......... 50
第 5 章 凸轮磨削速度优化算法的仿真验证 ..... 51
5.1 引言 ...... 51
5.2 数控凸轮磨床控制系统仿真平台 .......... 51
5.3 变步长的曲率分段速度优化算法仿真分析 .... 54
5.4 基于轮廓误差的曲率模糊优化算法仿真分析 .......... 57
5.5 基于曲率分段的模糊优化算法 .... 59
5.6 三种优化算法的对比分析 ........... 62
5.7 本章总结 ........ 65
第 5 章 凸轮磨削速度优化算法的仿真验证
5.1 引言
上一章根据凸轮不同阶段的结构特点以及速度、加速度和轮廓误差的变化情况提出了三种速度优化算法和一种加速度优化算法，为了验证这四种优化算法的有效性，需要实际的数控凸轮机床仿真平台来进行验证。而在实验过程中，已知的凸轮信息是升程表数据，首先利用第 2 章的两轴联动数学模型将升程表数据转化为经过速度或加速度优化后的伺服系统输入序列，然后利用 MATLAB 中的 Simulink 软件搭建相应的仿真平台，将处理后的伺服系统输入序列输入到搭建好的仿真平台进行相关仿真，通过分析磨削速度、加速度、跟踪误差以及轮廓误差来对四种优化算法的有效性进行验证。为了对第 4 章提出的相关速度优化算法和加速度优化算法进行验证，本文采用具有一定抗干扰能力，同时又能保证系统具有较好动态性能的三闭环控制机制。根据长春第一机床厂中的 MK8312C 凸轮磨床，计算C 轴、X 轴的三环伺服控制环节的部分参数[56]，其他参数的计算过程及详细的参数的确定见参考文献[57]，在这里直接给出各轴伺服系统关键参数。 应用第 2 章给出的反转法建模原理，利用 MATLAB 软件由表 5.1 的升程表数据可以得到该凸轮的理论轮廓曲线。图 5.4 即该凸轮的相关固有属性信息，包括升程曲线、砂轮中心运动轨迹、滚子中心运动轨迹和凸轮实际轮廓曲线（凸轮形状）等信息。
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总结
本课题的研究重点是针对凸轮磨削提出相关速度优化算法，在保证磨削精度的前提下提高凸轮的磨削效率，本文主要工作如下：
1．根据凸轮磨削的基本原理，分别选用速度瞬心法和反转法来建立通用凸轮磨床两轴的运动关系的数学模型，由两轴联动关系的数学模型计算出由升程表数据得到砂轮中心相对于凸轮转角的位移曲线的表达式，然后用 MATLAB 软件编写 M 文件计算得到输入到三闭环仿真平台的序列值，以及画出凸轮的理论轮廓曲线，为下文的速度优化算法仿真奠定了基础。
2．通过对轮廓误差和跟踪误差的建模和计算，综合研究了磨削速度、跟踪误差和轮廓误差三者之间的关系，从而进一步得到磨削速度对磨削精度的影响。通过理论计算和 MATLAB 仿真实验等方法研究发现：磨削速度越大，跟踪误差和轮廓误差都越大，磨削精度越低；磨削速度越小，跟踪误差和轮廓误差都越小，磨削精度越高。
3．提出变步长曲率分段速度优化算法。根据上述磨削速度和磨削精度之间的关系，提出了变步长曲率分段速度优化算法，以升程曲线的曲率为切入点，找到了曲率和加工步长之间的函数关系，间接的完成对凸轮磨削速度的合理分配，在磨削速度大幅提高的同时，很大程度上减小了轮廓误差，通过 MATLAB 仿真验证，证明了该算法的有效性，相比传统的恒角速度磨削，无论在磨削速度和磨削精度上都有大幅改善，为下面的研究打下了基础。
4．提出两种基于模糊控制的速度优化算法和一种加速度优化算法，两种速度优化算法分别以轮廓误差和曲率为切入点，均应用了模糊控制的原理，在上述变步长曲率分段速度优化算法的基础上，进一步提高凸轮磨削精度；而加速度优化算法在这两种速度优化算法的基础上格外对两轴加速度进行约束，通过 MATLAB 仿真验证，证明了各算法的有效性，较之第一种速度优化算法在磨削精度和加速度约束等方面均取得了显著的效果，达到了预期的目标。
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参考文献(略)
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第 1 章 绪论
1.1 问题的提出与研究意义
伴随着能源短缺成为当今人类社会所面临的重要问题，能源的节约使用逐渐为社会所重视。能源节约中的一个重要课题就是电能的合理利用，由于照明用电占全世界电力消耗的比重很大，因而这一部分用电量的节约将带来巨大的收益。众所周知，当今中国早已将节能和环保作为实现社会可持续发展的前提和保障，并且得到了相当的重视。世界范围内，照明用电约占总用电量的 19%，而中国照明用电约占全国总用量 12%，可以看出，使用高效节能的新型照明产品代替传统灯具在节能环保方面的潜力巨大。随着社会的快速发展，照明领域的电力消耗越来越大，寻找新一代节能环保的光源迫在眉睫。 LED 照明产品的潜力早已为人们看重，其高光效、高可靠性和较高的能源利用率是代替传统照明产品的最佳选择。近些年来，LED 产品在灯具方面的应用，增长巨大[1]。相比传统光源，LED 具有可靠性高、体积小、能耗小和无污染等特点，它一经问世就引起了照明产业的革命，很快成为了新一代节能光源。各国政府与照明界更是将其作为了一个全新的经济增长点，因而 LED 产业得到了迅猛的发展。LED 照明产品的出现不但带动了照明产业的升级，为照明产业开拓了新的领域，更实现了节能和环保两大目标。 LED 驱动电路作为 LED 照明产品的重要组成部分，其可靠性并没有得到广泛的重视。市面上各大生产厂家生产的 LED 灯具的使用寿命都是采用发光部分的使用寿命作为整体灯具的使用寿命。而实际上，对 LED 灯具的整体寿命和可靠性的预测与分析要把 LED 灯具各个部分考虑进来，整体系统的短板的使用寿命才能代表整体系统的使用情况。 LED 芯片具有很高的稳定性，理论寿命可以达到 50000 小时，甚至更高。相比较 LED 芯片，LED 驱动电源发展与成熟也十分重要[2]。LED 驱动电源目前面临的最主要问题是寿命短，使得 LED 灯具达不到理论上的 50000 小时。传统的寿命测试方法，是将灯具连续点亮直至光通量不符合标准，以此来监测其寿命。可以看出，如果使用传统的寿命测试方法来对 LED 驱动电源的寿命进行评估的话，既耗时又好力。同时，这种方法远远跟不上 LED 产品更新换代的速度。针对这些问题，LED 驱动电路的加速寿命测试方法应运而生。
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1.2 基于退化的可靠性研究方法国内外研究现状
传统的可靠性研究方法是基于失效的可靠性研究方法，这种方法主要是基于电子产品正常或者失效两种状态，根据当前的环境、应力等条件，查找出适合的基本失效率等参数，利用乘法公式进行计算，最终得出电子元器件的可靠度[4]。这种方法割裂了产品的失效机理与可靠性的联系，同时对于产品的退化信息不加以利用。随着技术的发展，电子产品的可靠性越来越高，基于失效的可靠性研究方法逐渐被基于退化的可靠性研究方法所代替。早在 20 世纪 70 年，国外就开始了关于退化模型的研究工作。Gertsbackh 等人在论文中首次提出了用产品的性能退化数据来对产品的可靠性进行分析的观点[5]，这一观点的提出在可靠性研究领域具有划时代的意义，同时拉开了基于退化的可靠性研究方法的序幕。美国科学家 Nair 在 20 世纪 80 年代就发表论文，说明了退化数据在失效机理和可靠性分析中的重要地位，对基于退化的可靠性分析方法的研究产生了深远的影响[6]。 Michael Pecht 等人于 1986 年成立 CALCE(计算机辅助产品寿命周期工程)研究中心，率先提出了基于失效物理的电子产品可靠性评估方法，将电子元器件、电子产品、航空航天电子等领域存在的问题整理出来，进行了大量研究。同时，对可靠性预计手册 Mil-HDBK-217 存在的问题进行了讨论分析[7]。文献[8]对基于失效物理的可靠性分析方法进行了详细研究，工作者需要获取产品的材料、尺寸大小、使用环境等基本信息，根据这些信息模型，确定系统中的关键元器件。最后，在此基础上，进行加速应力试验、寿命预测、元器件筛选等可靠性评估工作。CALCE 的研究学者应用上述方法对基于发光二极管的模型进行了可靠性研究，预测发光二极管的失效概率并分析其性能退化特性，最后设计对比试验证明了结论的正确性[9]。
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第 2 章 基于退化的可靠性分析方法
2.1 引言
随着技术的发展，产品的寿命越来越长，可靠性也越来越高，传统的基于失效的可靠性分析方法逐渐被基于退化的可靠性分析方法所取代。基于退化的可靠性分析方法具有众多优点，更加适合对驱动电源进行可靠性分析。因此，本章将着重对基于退化的可靠性分析方法进行研究，并将这套分析方法应用于 LED 驱动电源的分析中。本章对两种可靠性分析方法进行对比分析，着重研究基于退化的可靠性分析方法，确定了针对 LED 驱动电源的可靠性分析方法并对常用的退化过程模型进行了研究，最后使用应力分析法对驱动电源失效概率进行了计算。
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2.2 基于失效与基于退化的可靠性建模方法
传统的可靠性理论中，失效被认为是抽象的随机事件，产品的状态一般被简化为正常和失效两种离散状态，并以失效时间作为统计分析的对象，即通过大样本寿命试验获得产品失效时间数据，然后使用统计判别准则选择合适的寿命分析模型，如指数分布、正态分布、威布尔分布、对数正态分布等，描述产品的失效规律，并估计模型的参数，最后通过寿命分布模型评价产品寿命和可靠性[36]。因此，基于失效的可靠性建模方法就是如 2.1 所示的，一种基于时间或者失效数的可靠性建模方法。这种基于失效的可靠性建模方法对 LED 驱动电路可靠性分析有着明显的缺陷，总结如下： 1.LED 驱动电路的试验样品数较少，属小子样条件，上述可靠性的近似表达不合适。 2.LED 驱动电路具有高可靠度和较长的寿命(30000 小时左右)， r(t) =0 ，即缺少足够的失效样本，上述的近似表达明显不合适。 3.用此种方法进行加速寿命试验，用加速应力下的数据外推正常应力下的寿命，这需要产品的失效机理简单明确。对失效机理不明确、元器件数量多且结构复杂 LED 驱动电路而言，同样不适用。
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第 3 章 LED 驱动电源加速老化测试系统设计........... 21
3.1 引言 ........ 21
3.2 LED 驱动电源基本原理 .......... 21
3.3 试验系统设计原理 .......... 22
3.4 系统硬件平台搭建 .......... 25
3.5 本章小结 ......... 29
第 4 章 LED 驱动电源加速寿命实验及寿命预测 ...... 31
4.1 引言 ........ 31
4.2 LED 驱动电源加速寿命试验 ........... 31
4.3 LED 驱动电源快速寿命预测方法............ 34
4.4 本章小结 ......... 40
第 5 章 LED 驱动电源动、静态特性分析 .......... 41
5.1 引言 ........ 41
5.2 动、静态特性试验方案 ........... 41
5.3 LED 驱动电源动态特性分析 ........... 42
5.4 LED 驱动电源静态特性及相关分析 ....... 47
5.5 本章小结 ......... 53
第 5 章 LED 驱动电源动、静态特性分析
5.1 引言
从关键元器件的角度对 LED 驱动电源进行可靠性研究具有一定的局限性，这种方法割裂了电参数和光通量之间的联系。另外，在不同试验条件下，LED驱动电源各个参数的退化曲线存在一定的特性，本论文将之称为动、静态特性。本章在 5.2 节中介绍了动、静态特性的试验方法。5.3 节中对 LED 驱动电源进行双应力条件下的动态特性试验，研究驱动电源在此条件下参数特性。在 5.4 节中，研究驱动电源在单一应力条件下的静态特性，分析并给出结论，最后，通过大量的试验，分析了 LED 驱动电源性能退化对光通量的影响。LED 驱动电路的动态特性研究就是在静态特性的基础上，考虑电压偏置带来的影响，并且研究随着驱动电路在高温条件下的老化，分析这种影响可能带来的变化。也就是说，在高温条件下的动态特性试验是一种恒应力条件下的双应力试验。下面对动、静态试验方案进行简要介绍。 下图 5.1 为 LED 驱动电路动、静态特性研究试验框图。如图，静态特性是指 LED 驱动电路在市电 220V 的输入电压下，使用高温老化试验箱对驱动电路进行高温加速老化的同时，对相关电参数进行检测，经过一段时间的老化，给出退化曲线并进行分析。
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结论
本文选取国内某品牌 LED 驱动电源为研究对象，设计了一套 LED 驱动电源加速老化测试系统，并对驱动电源的动、静态特性进行了分析，本文主要研究成果如下： 1.研究基于退化的可靠性分析方法和常用的退化过程及退化模型，并将基于退化的可靠性分析方法应用于 LED 驱动电源的可靠性分析中。以驱动电源中的铝电解电容为例，介绍了关键元器件的失效概率计算方法并以本文的研究对象为例进行计算。 2.设计并开发了一套 LED 驱动电源加速老化测试系统，可以实现对 LED 驱动电源各种退化量的在线监测及数据收集，具有测量参数全面、测量精度高和平台搭建简便等特点，同时避免了 LED 模块的老化对驱动电源参数测量的影响。为后续 LED 驱动电源动、静态特性分析工作打下了基础。 3.讨论了在高温应力条件下，驱动电源的测试方案，并获得在不同应力条件下的退化数据。根据国际通用的 LED 标准，讨论了一种 LED 驱动电源寿命预测方法。基于此方法可以快速对驱动电源寿命进行预测，通过不同应力条件下计算的数据进行对比，验证了方法的有效性。 4.分析驱动电源的动态特性。首先对 LED 驱动电源的输入电压进行不同程度的偏置，获取在不同输入电压下，驱动电源各个参数的特性曲线。将两种不同形式的驱动电路进行了对比，得出了恒流源芯片的驱动电源性能最优的结论。最后对 LED 驱动电源外加电应力和温度应力，获取一段时间的退化数据进行分析。在这种双应力条件下，分析发现可能会出现失效机理改变的情况，并且与单一温度应力条件下驱动电源的性能、寿命进行了对比，在双应力条件下，驱动电源失效更快。 5.分析驱动电源的静态特性。对驱动电源在老化过程中出现的性能参数退化过程进行了详细的分析，并且根据试验前后的数据对比分析了驱动电源的性能退化对光通量的影响。认为对于本文选取的 LED 驱动电源，其输出电流对光通量影响不大，可以忽略。
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参考文献(略)
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第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
在各类气象要素中，风是最活跃的要素之一。风速的测量被广泛应用于军事、气象、科学试验、工业、航海、航空等方面[1~6]。在战争中， 由于风的作用，发射出去的火炮的弹道会发生改变，从而导致射击精度的降低[5]；一些体育运动中也常常需要测量风速、风向，如田径、帆船、划艇和野外射击等比赛[6]；风速和风向还会严重影响海洋航行中船只的安全，因此海洋航行中风速的测量也是至关重要的；飞机在机场起飞或降落时，必须根据近地面的风速和风向来调整起飞或着陆的方式[5]；在飞机或无人机的飞行过程中，风速和风向是关系到飞机驾驶和飞行安全的一个重要参数；在气象部门，地面和空中的风速、风向更是气象分析的一个重要参数；各类风扇制造业、风力发电、风力涡轮机等也离不开风速、风向的测量。因此，快速、可靠、宽范围、高精度的风速、风向测量仪具有极大的市场需求。 目前，常用的风速测量技术有机械式测量、皮托管测量、热线热膜测量、激光多普勒测量、超声波测量等[3~9]。其中热线热膜测量精度较高，但只适合测量比较低的风速段；激光多普勒测风方法具有测量精度高和测量范围广的优点，但仪器结构复杂，不适宜在野外恶劣的环境中工作；机械式的测量方法因为存在转动部件、启动风速高、同时转动产生的惯性还会引起迟滞效应等问题，主要应用于精度要求不高且风速较低、风速变化范围不大的测量环境中；皮托管式测量方法在被测风速小于 10m/s 时精度很低，并且不适合用于含杂质气体的风速测量，因此存在较大的使用局限性。超声波测量方法以其独有的测量范围宽、测量精度高、测量速度快、启动风速低、结构简单、抗振动、适用于野外恶劣环境下工作等其他测量方法无可比拟的优点，而倍受人们青睐，成为目前风速仪的主流发展方向。 目前，国外已生产出多种基于超声波原理的高精度测风仪器仪表，相比之下，我国在超声波风速、风向测量的研究方面，由于起步较晚，还没能研究出稳点可靠的产品，缺少国内产品的竞争使得国外产品往往卖价高昂，不利于超声波测风仪在国内的推广和应用[7]。鉴于此，国内迫切需要加强对拥有自主知识产权的超声波测风仪的研发，提高国内企业的竞争力，同时降低风速的测量成本。 根据长春气象仪器研究所针对超声波风速仪所作的市场研究报告，仅国内对该仪器的年需求量就在 5000 台以上，如果考虑到国际市场，其需求量更大。因此，该仪器的研发具有重大的科研价值和广阔的市场应用前景。
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1.2 超声波测风的国内外发展现状
在国外，超声波测量己经发展了一百多年[10]，随着时代的发展，超声测风技术经历了几代研究人员的改进与创新，逐步达到测量精度高，稳定性好等先进水平，表 1.1概述了国外的研究概况。国外公司以及科研机构对超声波测量的研究工作比较早，现已生产出成熟可靠的产品，并已投入各行各业的应用中。但价格较高，一般性能的产品价格都在万元以上，如英国 GILL 公司的 Wind Master Pro [17]、荷兰 Vaisala 公司的 Vaisala WMT25 [18] 、美国R.M.YOUNG 公司的 Model 85000 [19]、意大利的 Delta OHM 风速风向仪[20]等。这些产品的风速测量范围可以达到 0~60m/s，误差仅为 0.2m/s，角度测量范围为 0~360°，角度误差仅为 3°，在销售市场也占有了大部分的销售份额。相关产品已经应用到气象监测站、浮标、环境监测、航海、机场、钻井平台等领域，其可靠性和精度也得到了广泛的印证，取得了较好的效果。由于研究起步晚、技术不成熟、研发成本高等原因，国内厂家在超声波测风方面多处于仿制研发阶段，与国外还有较大差距。目前国内仅有少数厂商能生产出成型的超声波测风产品，如船舶系统工程部的固态气象仪[21]、成都成电光信科技股份有限公司生产的 CD-UA09G 超声波测风仪[22]、深圳智翔宇仪器设备有限公司的 CFF-2、CFF-3型超声波风速风向仪[23]，上海华岩仪器设备有限公司生产的 2D 超声波测风仪[24]等，虽然标称指标基本达到了国外超声波测风产品的水平，但用户反应普遍存在性能指标不稳定的缺点，与国外同类产品相比，有明显的差距。
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第 2 章 模拟式改进型时差法超声测风系统研究
本章对目前国内外普遍采用的模拟式改进型时差法超声测风系统进行了研究，对其软硬件进行了设计、制作和调试，并且编制了上位机监控软件。分别制作了对射式和反射式超声测风系统的样机，调试通过后在长春气象仪器研究所的国家气象仪器质量监督检验中心用 EDE1-5 型大型低速风洞进行了测试，并对测试结果进行了分析，最后对模拟式改进型时差法超声测风系统失败的原因进行了分析。
2.1 超声测风系统的硬件设计
本章所提模拟式改进型时差法超声波测风系统采用相互正交的两对收发一体式超声传感器结构（其结构如图 1.1 所示）。图 2.1 为改进型时差法超声测风系统的功能框图，系统上电后，由微处理器发出驱动信号，经驱动电路将该信号放大和整形后用于驱动超声波传感器发出超声波，与其相对的超声波传感器在接收到超声波信号后，将声波信号转换为电信号，经接收电路和模拟开关后进入处理电路，处理电路包括放大电路、带通滤波电路、信号截取电路、包络提取电路、低通滤波电路和滞回比较电路。滞回比较电路的输出信号包含了超声波在空气中的延迟时间信息，通过微处理器的时间捕获功能就可以把这个时间测量出来，再用 1.3.1 节的改进型时差法就可以计算出风速和风向角。
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2.2 时差法超声测风系统的软件设计
在嵌入式系统中，软件是与硬件相互依存的，本节对时差法超声测风系统的软件进行了设计，其总体流程图如图 2.2 所示。系统上电后，处理器对各模块进行初始化；然后每 20m S 依次驱动传感器 1、2、3、4 发出超声波，同时依次控制模拟开关选通其正对方向的传感器 3、4、1、2 作为接收探头后，再打开处理器的时钟捕获功能，将超声波的传播时间记录下来，四个方向的传播时间均记录下来后，记数值加 1，重复上述步骤，直到记数值为 10，这样 800m S内每个方向的时间均记录了 10 次；然后分别对 4 组时延数据进行排序，去掉最大值和最小值后求平均值，再带入式（1.5）和式（1.6）中计算两个正交方向的风速，再用式（1.7）和式（1.8）算出合成风速和风向角；最后通过串口输出四个方向的时间、风速、风向角和 CRC 校验值；重复上述步骤，保证每秒输出一组数据。
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第 3 章 基于二阶矩的时延估计算法的退化 ........... 23
3.1 alpha 稳定分布噪声 ..... 23
3.2 超声测风系统对时延估计精度的要求 ......... 25
3.3 超声回波信号的数学模型 ............ 25
3.4 二阶统计量类时延估计算法的退化..... 27
3.5 实测超声回波信号时延估计 ........ 29
3.6 本章小结 .... 32
第 4 章 alpha 噪声下超声回波信号时延估计算法的研究 ...... 33
4.1 基于循环共变的超声回波信号时延估计算法....... 33
4.2 基于归一化循环相关的超声回波信号时延估计算法 ............ 40
4.3 实测超声回波信号时延估计 ........ 45
4.4 归一化循环相关法的快速实现 .... 46
4.5 本章小结 .... 50
第 5 章 数字式超声波测风系统样机测试与分析 ............ 53
5.1 超声波测风系统的搭建 ....... 53
5.2 无风环境时延估计测试 ....... 56
5.3 自制小风洞测试与结果分析 ........ 58
5.4 EDE1-5 型低速风洞测试与结果分析 ......... 59
5.5 本章小结 .... 62
第 5 章 数字式超声波测风系统样机测试与分析
为了进一步印证数字式超声测风系统的优越性，以及归一化循环相关法及其快速实现方法在超声测风系统中的抗干扰、抗噪声性能和实时性的优势，本章设计并搭建了数字式超声测风系统的样机，采用归一化循环相关法对采集到的超声回波信号进行时延估计，采用改进型时差法计算风速和风向角。在样机调试通过后分别在无风环境、自制小风洞和 EDE1-5 型低速风洞中进行了测试并对实验结果进行了分析。
5.1 超声波测风系统的搭建
本章搭建的超声测风系统的外壳、机械结构和超声波传感器均与第二章中的反射式超声测风系统相同，只是对局部电路进行了改进或重新设计。如图 5.1 所示为数字式超声测风系统的硬件总体功能框图。四个相互正交的超声波传感器分别连接一个收发模块（其电路由驱动电路和接收电路组成，与第 2 章中的驱动电路和接收电路相同），收发模块的控制信号由微处理器给出；收发模块的输出信号进入模拟开关模块（其电路与第 2 章中的模拟开关相同），模拟开关的选通信号也由微处理器控制；模拟开关模块的输出信号进入滤波放大模块（其电路由第 2 章中的一级放大电路、带通滤波电路和二级放大电路组成）；微处理器驱动 AD 采样模块对滤波放大模块的输出信号进行采集，并将结果读回用于计算延迟时间，进而再用 1.3.1 节的改进型时差法计算出实时风速和风向角。本系统与第 2 章的改进型时差法超声波测风系统相比省去了信号截取电路、信号截取放大滤波电路、低通滤波电路和滞回比较电路，增加了 AD 采样电路，增强了微处理器性能，总体电路更加简洁。本章仅对微处理器模块和 AD 采样模块的电路进行介绍，其它电路与第 2 章相同或过于简单，将不再赘述。
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总结
众所周知，在各类气象要素中,风是最活跃的要素之一。风速的测量在军事、气象、科学试验、工业、航海、航空等方面具有重要的用途，而目前常用的风速仪已不能满足日益增长的测量要求。风速计的主流发展方向已经转向了具有结构简单、抗振动、测量速度快、精度高、测量范围宽、适用于野外恶劣环境下工作等其他测量方法无可比拟的优点的超声波测风仪。国外对超声波测量的研究与应用己经发展了一百多年，很快就研制出了测量精度高、稳定性好的超声波测风仪器，而国内由于研究较晚，加上国外的技术封锁，仅有个别厂商生产出成型产品，但与国外同类产品相比还存在较大差距，因此国外普通产品卖到国内的价格都在万元以上。鉴于此，国内迫切需要加强对拥有自主知识产权的同类产品的研发，提高竞争力，降低本国企事业单位的测量成本。基于以上原因，同时受长春气象仪器研究所委托，本文针对超声波测风的关键技术展开研究，并将相关技术应用到实际的超声波测风系统中。总之，本论文的主要研究内容和结论有：针对目前国内广泛应用的模拟式改进型时差法超声测风系统，研究了它的结构，设计并制作了具体实施电路，调试通过后，针对现在流行的两种超声波测风仪结构：对射式和反射式，分别搭建了样机，并进行了风洞测试，分析了这种类型测风仪测量范围有限、精度不高的原因；结果表明模拟式改进型时差法超声测风系统由于硬件电路的限制，不能有效的抑制噪声和干扰，因此造成在高风速时不能准确测量出时延，从而严重影响测量结果，优化模拟电路的设计和制作可在一定程度上提高测量效果，但以目前长春气象仪器研究所（或者说国内气象仪器生产单位）的技术水平，很难在模拟电路的设计和制作上有所突破以提高超声测风仪的量程和精度，这也为后续章节转向数字式超声测风仪的研究提供依据。
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参考文献(略)
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第一章 绪论
1.1 水泥熟料烧成控制系统优化研究的意义
水泥作为我国经济发展和基础建设的重要材料，对我国经济建设的腾飞有着十分重要的意义，对实现“十三五规划”有着重要的战略意义。经过建国后尤其是改革开放后我国水泥生产装备、技术、工艺、规模有了巨大的发展[1]，目前全国水泥年产能、产量已经世界第一。但是整个熟料水泥行业及整个建材行业的整体发展水平和欧美发达国家相比还有较大差距。尤其是精细化控制、资源综合利用、环保投入等，还有许多方面需要我们加紧步伐去提升。经过几十年的发展，我国的水泥产业仍存在很多问题，生产管理粗放，资源、能源消耗高，污染严重，生态和环境压力越来越大，生产企业数量多，产业集中度低等。 水泥是我国基础建设的重要产品，在我国“十三五”经济建设过程中有着重要的意义，是保证我国规划的各项基础设施建设顺利实施和经济发展有十分重要的意义。同时，水泥能源消耗大户，其能源消耗大约占到我国所有能源消耗 4.9%，水泥单位能耗高，其他资源消耗量巨大，据资料统计，我国水泥单位消耗资源要比欧美国家高出约一倍。根据国家相关规划要求，到 2020 年，新型干法水泥生产线比重将达到 70%以上。日产 4000t 以上规模生产线，综合电耗标准为小于 90k Wh，热耗小于 640kcal/kg。到 2020 年，数量由目前 4000 家企业减少到 1500 家，要实现这一目标就需要对水泥生产的全过程进行优化，实现精细化控制管理，才能逐步减少能源资源消耗，实现绿色、环保、可持续发展。因此，生产线规模的大型化、集中化，装备控制的精细化是国家水泥工业发展的必然需要；以先进控制技术改进传统的水泥工艺降低消耗是实现水泥产业的绿色、环保、可持续发展的重要研究课题[2]。
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1.2 水泥熟料烧成控制系统发展状况
随着我国水泥产业的不断发展，产能规模的不断扩大，生产工艺的不断进步，市场的激烈竞争，成本压力的不断增加，水泥对自动化控制系统的需有也逐步加大。同时，在整个水泥产业发展的过程中熟料水泥生产线设备水泥的不断提升和发展也为熟料水泥生产线的先进自控技术的实现提供了良好的条件[5]。 经过技术的革新和进步，中控系统在水泥生产中发挥着举足轻重的作用。在整个行业，早期控制系统仅用于控制熟料线生产过程的主要过程，但是经过不断的发展，DCS 系统在整个熟料水泥的全过程生产已经覆盖到各方面，为熟料水泥台时产量提高、质量稳定、设备运转率提高做出巨大贡献，同时也降低了一线工人的劳动强度，还使水泥生产企业定编的人员数量大量减少，降低了企业的上产成本。正是由于这些因素，DCS 系统在熟料水泥生产线中的工艺控制和生产管理中得到了广泛的推广。在上个世纪，早期的熟料水泥生产的自动化,只是在各个工艺环节独立运行，且只进行简单的过程控制，整个生产线的环节基本是相对独立的，仅仅是一次仪表，二次仪表以及配套的各种机械、电气装置组成，各车间设立自己独立中控及配电室，对所辖范围内的生产设备进行控制和联锁保护。各生产环节设立独立的操作程序。 20 世纪 80 年代初，我国分别从欧洲、日本等工业化国家引进了水泥生产线，设立具备全过程管控功能的中央控制室，能够操作和监督所有的工艺、仪表、设备。随后，由我国自主开发的水泥生产线也采用了这种方式，从而促进了自动化水平的提升。 随后由于生产工艺的成熟，单独控制、集中监控、统一管理的控制思路在水泥生产企业中逐渐达了共识。集散型控制系统由于熟料水泥生产过程较长，各个控制设备分散，需要将它们通过数据传输与工业计算机操作站相连接，统一控制与监视。 90 年代中后期，随着市场的激烈竞争，成本压力和质量要求对水泥生产企业自动化控制、管理提出了新的要求，与此同时 DCS 控制系统的价格在下降，各种小型 PLC控制装置的实践应用成功和工业 PC 价格大幅度降低，及处理能力成倍地提高，都对生产自动化提出了新的要求和发展机遇。
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第二章 水泥熟料烧成系统工艺简介
水泥是社会发展和经济建设的必备原材料之一,也是国家能源消耗和控制产能的重点产品，自诞生以来，水泥生产的工艺、设备技术随着科学技术的发展和装备水平的革新已经取得了长足的进步和发展，机械化、自动化程度有了很大的提升。 我国是目前水泥产能最大的国家，产能 53 亿吨，产能占全球的百分之三十五以上。经过几十年的发展和进步,目前最先进和成熟的新型干法水泥生产工艺已经渐渐成熟，但是由于各地方政府的环保政策落实不到位、同时水泥淘汰落后产能力度也不够，新时期也存在较大的竞争和生产压力。
2.1 水泥生产线工艺简介
总的概括来说，新型干法水泥生产就是通过悬浮预热、煅烧技术和窑外分解为主要核心思路组织进行生产，并且不断的把科技进步、工业生产的新装备、自动化先进技术应用干法水泥生产的全过程中。对比原有生产工艺具有优质、高效、环保、低耗等优点，能够满足自动化、大型化的现代企业管理和功能需求。生产工艺可以概括成“一窑三磨”,具体可以分成生料粉磨，熟料煅烧和水泥制备[10]，工艺流程图如图 2.1。控制系统采用 DCS，不断利用新型原料、粉磨节能技术、均化技术等，提升产品质量，降低能耗和成本。水泥生产主要原材料有粘土质原料、石灰质原料和一些其他的含铁、镁等元素的校正原料，首先对以上原材料进行大致地粉碎、烘干并输送到原料库。并进行预均化处理，混合后的由生料系统进行粉磨，就能够得到细度均匀、成分合理的生料粉末[11]。通过皮带输送到均化库进行进一步均化、储存。
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2.2 熟料水泥烧成工艺简介
整个水泥工艺控制过程中，熟料烧成是最为复杂和重要的一个环节涉及预热器、分解炉、回转窑三部分组成。预热器主要指旋风预热器是生料烧成熟料过程中的的热交换装置,作用主要为烘干和预热。旋风预热器一般从上到下一般设置为四到五级。物料自上而下，热空气则由底部向上喷发。生料在自身重力和热空气冲力的过程中，悬浮并逐步下降在热空气中，实现热交换。生料粉末首先被提升斗提输送到一级旋风筒入口处的在上升管道过程中并完成热交换，同时实现了生料粉末和热气体的分离。收集的粉末通过卸料通道进入二级旋风筒的上升管道中进行第二次热交换,依次类推，重复上述过程直到最终进入回转窑和分解炉中。 从窑尾出来的 1100℃炽热空气经过上述的一系列热交换后降到 330℃左右，生料则从 50℃左右加热到 750℃到 820℃。旋风预热器增加了空气与熟料的接触时间和接触面积[13]，实现了快速热交换和快速热传导的特点。
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第三章 自适应控制系统设计及仿真研究 ........ 17
3.1 自适应控制概况 ..... 17
3.1.1 自适应控制的基本特点 ............ 18
3.1.2 自适应控制策略的主要特点及优势 ........... 18
3.1.3 自适应控制策略的关键 ............ 18
3.1.4 自适应控制解决复杂控制问题的思路 ......... 18
3.2 自适应控制方案设计及研究 .... 19
3.3 自适应控制改进研究 .......... 28
3.3.1 广义泛模型 .... 29
3.3.2 导出特征参量的估计与控制率 ...... 29
3.4 基于熟料烧成控制系统自适应控制方案改进及仿真研究 ....... 30
3.5 本章小结 .......... 38
第四章 水泥熟料烧成系统控制优化的实现 ...... 39
4.1 熟料线 DCS 系统情况 ......... 39
4.2 OPC 技术简介 ...... 39
4.3 控制算法实现 ...... 40
4.4 本章小结 .......... 48
第五章 结论与展望 ........ 49
5.1 全文总结 .......... 49
5.2 研究展望 .......... 49
第四章 水泥熟料烧成系统控制优化的实现
4.1 熟料线 DCS 系统情况
DCS 是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在自动控制业内又称之为集散控制系统。它由控制和监控两层级组成的以数据网络通信为传输工具的控制系统，综合了计算机，通信、显示和控制等多种技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。DCS 的含义被误叫做数字化控制系统（Digital control system），其实质仍为分布式操作系统[34-35]。 DCS 自 1975 年研发投入成功，经过三十多年的发展历程，DCS 虽然在总体结构和控制思路没有改变，但是随着技术水平和装备水平的不断提升，其控制能力和水平已经有了质的飞跃。 目前具有高可靠性、开放性的特点：DCS 系统仅仅实现了过程实时信息的采集和集中显示，操作人员可以坐在中控室观察到生产装置各关键参数的状态，但所有操作仍需要输入人工指令，如喂料量、头煤和尾煤的喂煤量、高温风机和窑头风机的转速、篦冷机篦速等等，因此生产运行仍然处于手动操作状态，生产运行品质依赖操作人员的操作经验和技术水平，更重要的是许多生产运行工况是人工难以及时响应或平衡兼顾的，由此造成操作动作不规范、各班次运行品质不均衡、装置整体运行波动大、熟料质量不稳定、难以达成最大产能等诸多问题。 水泥熟料自动控制需要靠计算机软件实现，本质上是解决生产运行中各种问题的控制算法。通过对 DCS 系统加强控制计算能力，尤其是在系统中增添先进控制技术，才能够充分发挥 DCS 系统的潜力，改善生产运行的品质[36]。
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总结
本文首先对水泥行业及熟料烧成控制系统的发展情况进行介绍，通过目前水泥生产工艺的实际情况和装备水平，确定重点控制优化参数参数，希望通过先进的控制技术实现窑头负压和分解炉温度的优化稳定控制，保证熟料质量的稳定，降低能耗。 通过对自适应控制技术的介绍和分析，结合自适应控制的特点和优势能够较好实现熟料烧成系统的优化控制，通过对泛模型的优化和分析得出了广义泛模型，并且通过与预测控制技术的融合，形成自适应预测控制策略，即通过自适应控制策略对熟料生产的一阶加纯滞后模型进行提前和实时校正，从而达到控制效果。通过仿真结果能够显示实施自适应预测控制对比原有 DCS 控制的偏差较小，与实际控制结果更贴近；发生波动和突发情况下能够更快的反应和提前完成控制目标，并保证稳定运行。 在仿真验证后，结合亚泰阿城现场熟料烧成控制系统实际情况，利用 OPC 技术，实现控制信号通信；利用先进软件技术平台，通过现有 DCS 控制系统实现操作，实验自适应控制系统在熟料烧成控制系统操作的可行性，通过自适应控制投用前和投用后的对比分析，能够实现稳定控制参数，减小波动的目标。
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第 1 章 绪论
1.1 研究背景
随着科学技术的迅猛发展，精密驱动技术在航空航天、生物工程和先进制造业等领域变得越来越重要。微纳驱动器是精密驱动技术的关键设备，其作为执行器直接决定驱动定位系统的控制精度。由于传统的执行器多采用机械传动机构，存在间隙和形变等问题，在实际的应用中存在控制精度不高和控制过程复杂等缺点，所以利用传统方法设计的执行器难以满足微/纳米级的高精度控制要求。智能材料的出现为解决这一个问题提供了良好的契机，自 1988 年 Virginia University of Technology 的 C. Rogers 教授创办第一份智能材料的杂志以来，智能材料的研究得到了迅猛的发展，在随后的几十年间，各国科研人员对智能材料的形变机理和制备方法做了大量研究工作，这为智能材料在精密驱动领域中的应用奠定了坚实的基础[1-3]。智能材料具备响应速度快、转换效率高和能量密度大等特点，能够满足高精度定位系统对于执行器的要求。因此以智能材料为基础的智能执行器的研究成为了近些年来研究热点。目前，已经用于制造执行器的智能材料主要有压电陶瓷、超磁致伸缩材料、温控形状记忆合金和磁控形状记忆合金等[4, 5]。压电陶瓷材料(Piezoelectric Ceramics，PZT)中存在逆压电效应，即材料能够在与极化方向相反的电场作用下产生输出应变。利用 PZT 的这一特点，人们制作出了具有高频响应速度的压电陶瓷执行器(Piezoelectric Actuator，PZA)。PZA 的最高响应速度可以小于 10μs[6]，但是 PZA 输出应变较小，最大形变率不超过 0.2%，这个问题严重限制了PZA 的使用范围[7]。目前，可以利用叠堆的办法解决这一问题，通过积累微小应变实现大行程[8]。但是，叠堆的办法势必会降低 PZA 的控制精度，而且该执行器依然难以满足实际控制对行程的需求。
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1.2 MSMA 执行器介绍
本节首先简要介绍 MSMA 材料和形变机理，然后对近几年 MSMA 执行器的发展和研究现状进行总结。目前，MSMA 根据制作主体材料的不同可以分为 Ni 基、Fe 基和 Co 基合金，主要包括 Ni-Mn-Ga、Ni-Fe-Ga、Fe-Pb、Co-Ni 和 Co-Ni-Al 等二十余种合金材料。其中Ni-Mn-Ga 合金因具备与 GMM 相近的高频特性和 SMA 相媲美的输出应变，所以被认为是最具实用化价值的 MSMA 材料[18]。对 Ni-Mn-Ga 的研究工作最早可以追溯到上个世纪 80 年代初期，最初人们将该材料视作 Heusler 合金进行研究。1984 年，Webster[19]首先在实验室条件下获得了 Ga-Mn-Ni合金的 Heusler 型晶体结构，并围绕马氏体相变和磁有序等问题进行了详细研究。在接下来的几年里，Kanomata[20-23]等人对 Ni-Mn-Ga 晶体结构的应力应变以及温度变化对材料形变量的影响等问题进行了深入的研究，但并未发现磁控形状记忆效应。直到 1996年，K. Ulakko 博士[24]通过实验验证了 Ni-Mn-Ga 合金材料在磁场的作用下可以产生0.2%的输出应变，由此 MSMA 的磁控形状记忆效应为人们所熟知，在其后的几年间，MSMA材料的制备及应用成为各国学者争相研究的热点。当 MSMA 受到外加磁场作用时，由于该材料存在马氏体磁晶各向异性，会产生相应的移动趋势。随着外加磁场强度逐渐增大，马氏体磁晶各向异性能随之增大，当获得的能量超过孪晶界面移动所需能量时，与外加磁场具有相同易磁化方向的马氏体晶体会旋转变长，从而表现出较大的宏观应变[25, 26]，其原理图如图 1.1 所示。在无磁场情况下(图中 H0)，MSMA 材料的晶体易磁化方向与 y 轴方向平行，即晶体 c 轴方向，此时 MSMA 材料的晶体结构并不发生变化。当对 MSMA 材料施加一个沿 x 轴方向的外加磁场(图中 H1)时，MSMA 材料的晶体易磁化方向发生偏转，随着磁场强度的逐步增大，晶体的各向异能会随之增大。当各向异能增长到大于孪晶界面移动所需要能量时，晶体结构便发生改变，向易磁化方向偏转，同时晶轴长度和孪晶界面都会相应地改变，从而产生宏观应变。
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第 2 章 基于 NARMAX 模型的 MSMA 执行器建模
通过上一章的介绍可以看出，迟滞非线性问题是MSMA执行器进一步发展的主要障碍。要想解决这一问题，首先需要建立MSMA执行器迟滞非线性模型。为了描述MSMA执行器的复杂迟滞非线性特性，本文采用了具备复杂非线性描述能力的NARMAX模型。为了得到NARMAX模型的未知参数，采用具有较高辨识精度的DRNN和RBFNN辨识NARMAX模型，从而建立精确的MSMA执行器迟滞非线性模型。
2.1 基于 NARMAX 模型的迟滞非线性建模
NARMAX 模型发展至今已经发展出多种形式，例如多项式 NARMAX 模型、拓展NARMAX 模型和有理分式 NARMAX 模型等[75]。Billings[56]最早提出的 NARMAX 模型是多项式 NARMAX 模型，因为多项式类模型具备结构清晰和便于辨识的特点，所以成为应用最为广泛的模型。由 Ston-Weierstrass 定理可知，任何非线性函数都可以通过有限个多项式函数来进行描述，因此本文采用多项式 NARMAX 模型来描述 MSMA 执行器复杂迟滞非线性。确定 NARMAX 模型的待辨识参数，实质上就是确定模型是由哪些非线性项组合而成，而模型的准确性在一定程度上是由模型的精度和泛化能力所决定的。由公式(2.3)可以看出，即便对于阶次不高的系统来说，NARMAX 模型参数的数量也是极其巨大的，例如对于系统阶次为 q?4 ，最大延迟拍数为5yfvnnn 的系统来说，NARMAX 模型的项数多达 4648 项。而且在实际应用中，最大延迟和多项式阶次在一个较大范围内变化，才能保证取得满意的结果，但这样容易造成严重病态。因此，确定最终模型结构和辨识参数是一件非常困难的工作，选择合适的辨识方法极其重要。
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2.2 NARMAX 模型的辨识
由于 NARMAX 模型的待辨识参数往往较多，因此需要寻找既能够准确辨识参数，又具有较高可靠性的辨识方法。神经网络辨识能够很好的解决这一问题，其不仅具备处理大数据量的能力，而且拥有较高的辨识精度。本文选取了辨识精度较高的 DRNN和 RBFNN 来辨识 NARMAX 模型的未知参数。1995 年，Ku Chao-chee 等人[76]首次提出一种具有自反馈功能的动态神经网络，即对角递归神经网络(Diagonal Recurrent Neural Network，DRNN)。因为 DRNN 具备映射系统动态特性的能力，所以该神经网络拥有适应时变的特性。DRNN 可以视作一种回归神经网络，其是在全连接递归神经网络基础上简化得到的三层神经网络，网络结构如图 2.2 所示。与其他的递归神经网络相比，DRNN 的隐含节点不需要互相交换信息，所以很大程度上简化了网络结构，使得该神经网络具备了更快的网络学习速度，这在一定程度上提高了网络的实时性。
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第 3 章 MSMA 执行器前馈控制和复合控制方案设计..... 33
3.1 MSMA 执行器前馈控制设计....33
3.2 MSMA 执行器复合控制设计....38
3.2.1 MSMA 执行器复合控制原理.......39
3.2.2 MSMA 执行器复合控制仿真结果及分析..... 40
3.3 本章小结......46
第 4 章 MSMA 执行器滑模控制方案设计.......47
4.1 滑模控制概述.... 47
4.1.1 滑模控制的基本原理........47
4.1.2 滑模控制存在的问题及解决方法...... 48
4.2 MSMA 执行器自适应滑模控制设计....49
4.2.1 被控对象描述....... 49
4.2.2 自适应滑模控制器设计....50
4.2.3 自适应滑模控制仿真结果及分析...... 54
4.3 MSMA 执行器自适应反演滑模控制设计........ 57
4.4 本章小结......68
第 5 章 全文总结与展望..... 69
5.1 全文总结......69
5.2 未来工作方向.... 70
第 4 章 MSMA 执行器滑模控制方案设计
为了进一步提高 MSMA 执行器的控制精度，同时减小系统不确定性和外部扰动带来的不利影响，本文提出两种具有强鲁棒性和自适应性的滑模控制方法。
4.1 滑模控制概述
滑模变结构控制简称滑模控制(Sliding Mode Control，SMC)，是上个世纪 60 年代由 Emelynaov 等人[80]提出的一种对系统不确定性具有强鲁棒性的非线性控制方法，经由Utkind 等人[81-83]的发展，进一步完善了 SMC 的理论体系。从 SMC 诞生开始，就得到了人们的极大关注，其作为一种特殊的鲁棒控制，能根据自身的滑动模态调整切换状态，最大程度上减小偏差和消除外部干扰，从而提升整个系统的控制性能和鲁棒性。除此之外，SMC 具有调节速度快，对未知干扰和系统参数变化具有强鲁棒性，而且能够有效消除系统未建模动态的影响，因此本文考虑利用 SMC 进一步提升 MSMA 执行器的控制精度和系统的鲁棒性。SMC 的原理是根据系统的控制要求设计一个系统状态的切换面，在滑模控制器的控制作用下，能够保证系统状态向切换面进行收敛，并沿着切换面到达系统原点。理想状态下，当系统状态到达切换面后会沿着切换面向系统原点收敛。而实际上，系统状态会穿越切换面，为了保证系统状态继续向切换面收敛，所施加的控制律也要相应地发生改变。
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总结
本文研究内容来源于国家自然科学基金资助项目“磁控形状记忆合金执行器位移高精度控制方法研究”。MSMA 材料具有比其他智能材料更为出色的性能，因此被认为是制造微定位执行器的理想材料之一。基于 MSMA 材料制作出来的执行器具备响应速度快、输出应力大和能量密度高的特点，其在微纳驱动、精密定位和航空航天等领域拥有非常大的发展潜力，所以开展对 MSMA 执行器的研究具有非常重要的意义。目前阻碍 MSMA 执行器应用的主要问题是其自身存在的迟滞非线性，因此本文围绕如何消除 MSMA 执行器迟滞非线性，提升 MSMA 执行器的控制精度和鲁棒性进行研究。本文围绕以下几个内容进行研究：
1. 本文首先介绍了 MSMA 执行器的研究背景，就 MSMA 材料的性能优缺点做出了简单介绍。简单说明了 MSMA 材料的形变机理，并介绍了近几年来 MSMA 执行器的发展情况。随后，介绍了几种常用的迟滞非线性模型，并对各种模型做出了简要分析，就目前国内外针对 MSMA 执行器迟滞非线性的控制方法进行了总结，在此基础上提出了本文的研究意义与目的。
2. 利用 NARMXA 模型描述 MSMA 执行器迟滞非线性，针对 NARMAX 模型存在待辨识参数较多的问题，本文采用了具有较强数据处理能力和较高辨识精度的DRNN 和 RBFNN 来完成 NARMAX 模型的辨识，建立的 NARMAX 模型具有较小的建模误差，能够满足 MSMA 执行器建模精度的要求。
3. 提出能够描述逆迟滞非线性特性的 NARMAX 逆模型，并利用具有较高辨识精度的 RBFNN 辨识 NARMAX 逆模型的未知参数。在此基础上，利用 NARMAX 逆模型设计具有预补偿功能的前馈控制器，实现对 MSMA 执行器的前馈控制。在前馈控制的作用下，MSMA 执行器的输入输出关系接近线性化，极大地提高了 MSMA 执行器的控制精度。为了克服前馈控制抗扰能力较差的缺点，同时进一步提升对 MSMA 执行器的控制精度，本文在前馈控制的基础上加入了自适应 PID 反馈控制，形成了前馈控制加反馈控制的复合控制方法。
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参考文献(略)
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第一章 绪论
1.1 课题研究背景
随着时代的前进和工业水平的逐步提升，现代科技有了飞速的发展，工业产品逐渐实现智能化与自动化。进入二十一世纪以来，电力电子、计算机网络等高科技飞速发展，为石油化工、机械制造等传统行业的革新增添活力。随着工业产品的多样化，工业生产过程也日趋复杂化，对控制过程中控制精度、控制速度等的要求也逐渐提升。在由单输入、单输出简单被控对象构成的控制系统已无法满足时代要求的背景下，出现了大量被控对象为多输入、多输出的高维复杂系统，且大多数均有着时变、非线性和大纯滞后的特点。工业生产所处环境还存在有很大的偶然性、不确定性和诸多干扰因素，系统结构复杂，被控参数繁多，在理想条件下建立的控制模型无法保持其最优控制效果，且经济效益不佳。 以状态空间法为基础的现代控制理论和传统 PID 控制作为两种经典控制理论已被广泛的应用于工业生产之中，但在日益复杂的工业过程控制环境下经典控制理论已渐成行将就木之势，无法满足科技进步对更高效、更经济的控制方法的迫切要求。在这样的工业环境之下，不仅对控制效果、计算可行性、减少计算量提出了更高的要求，也更注重模型的可塑性，因此研究学者提出了预测控制[1]。 预测控制，又称为模型预测控制（Model Predictive Control，MPC），经历了过去几十年生产实践的检验，已成为当前控制领域内先进控制方法的代表，并逐渐显现出其在工业领域中的重要性。Richalet、Mehra 等人最早于 1976 年提出并于 1978 年发表了建立在对象脉冲响应基础上的模型算法控制（Model Algorithmic Control，MAC）。1980 年和1982 年，Culter 和 Ramaker 建立在对象阶跃响应基础上提出的动态矩阵控制（Dynamic Matrix Control，DMC）[2-3]。由于脉冲响应和阶跃响应均为非参数模型且可从工业现场直接获取，这使得以此为模型的预测控制算法得以快速发展并很快推广于各个行业，经济效益得到了显著的提升，并进一步扩大了其在工业控制领域的影响力。
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1.2 研究现状
不像其他的非线性控制技术设计，非线性系统的预测控制几乎没有什么现成的理论分析，大多数研究均集中于对其计算方法的优化方面。控制的关键在于可以利用模型动态预测未来输出值，尤其适用于存在时滞和非最小相位的系统，在每个控制周期都可对系统模型进行在线优化。作为一种数值优化算法，该方法能够在约束条件下动态计算当前的最优值并实时更新预测模型，使得因直接寻优导致的弊病和误差得以解决，由非线性模型线性化带来的缺陷也得以克服。由于可对输入变量进行在线计算，预测控制算法能在不对变量进行粗略近似或简化的情况下进行系统建模并计算。该算法在当前时刻所确定的预测模型与前一时刻的预测模型既彼此独立又相互联系。根据定义，可将非线性系统的预测模型理解为一个非线性自适应控制器，能够计算最优控制律的最优值，并根据给定值在时变或时不变的约束条件和限定条件下对每个时刻内的预测模型进行实时更新，以达到最佳控制效果。 对于任何控制系统，其状态的改变量和变化率均应在有界范围之内。由于环境等因素的影响，非线性系统的非线性化程度越高，其稳定性也会越差。在设计系统时增加约束条件可有效的解决该问题，但同时会提升系统的复杂程度并改变系统的调整策略。因此，设计系统时要先对系统特性进行分析并以此为依据选择合适的控制器，其次要考虑所选系统的可操作性、经济成本和操作过程的操作复杂程度。在实际设计控制器的过程中，除了要满足输出需求，还要满足其他的限定条件，也可通过增加输入输出的约束条件来解决该问题。
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第二章 基础理论
2.1 引言
由于大多数实际工业过程都是强非线性的，采用线性预测控制已无法满足当前的控制要求，可能会导致系统的不稳定及控制效果差等缺陷，而针对非线性系统的预测控制则可以很好的解决这一难题。因此，利用针对非线性系统的预测控制来提高生产的经济性、安全性和生产效率显得十分重要。
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2.2 预测控制基本原理
各种预测控制方法虽基于不同的模型形式，但总体求解思想是一致的：建立一个动态可在线测量与更新的模型，在某一控制作用下依照当前输入信息对系统未来的输出结果做出预测，即确立预测模型；在系统输出预测的基础上，以满足所给约束条件和指定性能为前提，优化求解目标性能函数并使其达到最小值，即滚动优化；计算被控对象的实际输出值与期望输出值之间的误差，将其反馈给预测模型，并对预测模型进行修改调整，即反馈校正。因其求解的动态特性、求解出的最优值均为当下时刻最优值而非全局最优值，如此反复在线优化修正，可实现对系统的动态跟踪并提高系统的实时性和有效性。因此，预测控制可概括为预测模型、滚动优化和反馈校正三部分[4].作为预测控制中的首要组成部分，预测模型主要完成预测功能。在进行控制时，将系统当前时刻和未来时刻的输入值与当前时刻的输出值相结合，以此预测出未来时刻的系统输出值。预测模型只注重模型预测功能的实现，对其具体形式不做固定要求，因而预测模型的形式可根据被控对象的不同而有针对性的选择。 传递函数和状态方程等此类传统模型可以直接基于被控对象，尤其适用于数学模型已知的系统；阶跃响应和脉冲响应等模型则主要适用于对象线性稳定的系统，可忽略对模型的参数和结构的辨识过程而直接使用。面对具有强非线性的被控对象时，仍使用线性模型对其进行预测则很难将其优势发挥出来，且模型输出结果与理论值之间会存在较大误差。
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第三章 LM 算法及其改进算法 ..... 17
3.1 引言 ........... 17
3.2 Levenberg-Marquardt 算法 ........ 17
3.2.1 LM 算法基本原理 .......... 18
3.2.2 LM 算法步骤 .......... 20
3.2.3 LM 算法收敛性判定 ...... 20
3.3 LM-MEA 优化算法 ........... 21
3.4 LM-PSO 优化算法 ..... 25
3.5 仿真研究 .... 29
3.6 小结 .... 34
第四章 基于改进 BP 神经网络的模型辨识 ......... 35
4.1 引言 .... 35
4.2 BP 神经网络 ....... 35
4.3 LM-MEA 算法优化 BP 神经网络 ..... 39
4.4 仿真研究 .... 40
4.5 本章小结 .... 44
第五章 LM-PSO 算法和神经网络模型的非线性系统预测控制......... 47
5.1 引言 .... 47
5.2 基于 LM-PSO 算法和 BP 神经网络的预测控制 ..... 47
5.3 仿真研究 .... 48
5.4 应用于 CSTR ..... 54
5.5 本章小结 .... 62
第五章 LM-PSO 算法和神经网络模型的非线性系统预测控制
5.1 引言
当被控对象为非线性系统时，预测控制存在建模困难和滚动优化求解效率低的困难。针对该问题，本章将 LM-PSO 算法引入到求解方法中。首先利用 LM-MEA-BP 神经网络对非线性系统进行模型辨识，在滚动优化环节选用 LM-PSO 算法对目标性能函数进行求解，再将计算出的预测误差反馈给预测模型并完成对预测模型的修改与调整，实现预测控制的动态循环修正。本章选取一个非线性数学模型作为被控对象来进行仿真实验，同时将本章所提方法应用于 CSTR 预测控制中，通过对仿真结果的分析表明本章所提预测控制方法具有良好的抗干扰特性和跟踪性能，适用于非线性系统的控制中。图 5-1 为预测模型的预测控制结构图。预测控制过程描述如下：针对非线性系统，采用经过 LM-MEA 算法优化的 BP 神经网络进行模型辨识，对被控对象进行预测后输出系统预测值my ；计算被控对象的实际输出值与预测输出值之间的误差 e ，通过反馈校正使得误差减小。以本文提出的 LM-PSO 混合优化算法作为滚动优化策略来求解目标性能函数 J 的最优控制量ku ，并作用于预测模型并对预测模型进行调整。其中，my 为预测模型输出值；ry 为参考轨迹的输入信号；py 为经误差校正后预测模型的输出值； y 为系统实际输出。
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结论
本文主要以非线性系统为研究对象，对神经网络预测控制进行分析和研究。以LM-MEA 算法优化后的 BP 神经网络来建立预测模型，利用 LM-PSO 算法作为滚动优化策略求取目标函数最优值。具体内容如下： 通过分析 LM 算法的原理发现其在求解过程中对初值过于依赖。针对该缺点，分别将思维进化算法和粒子群算法与其组合，并提出两种改进方法：LM-MEA算法和LM-PSO算法。LM-MEA 算法是首先由思维进化算法对目标函数进行初步求解得出粗略优胜子群体，令其作为 LM 算法的初值，再将思维进化算法中的趋同、异化操作方法融入 LM 算法的求解过程中，既保证了思维进化算法的全局收敛能力又发挥了 LM 算法搜索的快速性。LM-PSO 算法是首先利用 PSO 算法对目标函数进行初次求解并得出全局最优解，即目标函数最优值，以此作为 LM 算法的初值对目标函数再次进行求解，提高了对目标函数的求解速度与精度。 将 LM-MEA 算法引入 BP 神经网络，为 BP 神经网络提供优质权值和阈值，改善 BP神经网络易于陷入局部极值等缺点，增强了模型辨识精度，提高了求解速度。通过对非线性对象的仿真实验表明，改进后的 LM-MEA-BP 神经网络可建立有效的模型，与LM-BP 建模方法、未经优化的 BP 神经网络和 RBF 神经网络建模方法相比较，建模精度和辨识精度都有所提高。 针对非线性系统，提出一种 LM-PSO-BP 预测控制方法。利用 LM-MEA-BP 神经网络方法建立预测模型，LM-PSO 算法作为滚动优化策略求解目标函数，通过对非线性模型在理想状态下、加入干扰信号情况下、模型失配时三种情况进行仿真分析，并与 LM-BP控制方法和 PSO-BP 控制方法进行对比，证明 LM-PSO-BP 控制方法具有更好的控制精度，抗干扰性和适应性都相对较高，总体上表现出较好的控制效果。
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参考文献(略)
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第1章 绪 论
1.1 课题背景
随着数据采集、存储技术和互联网技术的高速发展，高维数据大量涌现，如遥感图像、高清视频。如何充分利用这些数据，以促进社会进步，成为了一个重点问题和研究热点。因此人们采用各种方法来构建智能系统，其中人工智能技术因其具有坚实的理论基础，而作为一项重要支撑技术。回归学习作为人工智能领域最有效的基础工具之一，在预测模型得到了广泛应用。 一般的回归预测模型主要包括：数据采集与处理，数据降维和预测模型构建。数据采集与处理是利用传感器将物理信号转变为数字信号，并进行时频转换、降噪、归一化等预处理。数据降维主要包括特征选择和特征提取，其中特征选择通过一定规则，在原始特征空间中，来选择有效特征，特征提取通过某一映射，来提高特征的辨别能力和降低噪声。预测模型构建则是利用降维所得特征输入和样本标签建立预测模型。 数据降维，作为预测模型的关键技术，可以提高预测模型的性能。随着数据维数的增多，许多预测模型的性能会显著下降，主要表现为过度拟合，即产生所谓的“维数灾难”。同时高维数据也存在着数据冗余和噪声，若将高维数据直接输入预测模型，难以获得良好的预测精度。而数据降维可以减少冗余和噪声，增加类间间的区分度，从而得到较好的特征，有利于构建后续的预测模型。其中深度信念网络(Deep Belief Network, DBN)可以提取非线性特征，在特征表示方面得到了广泛应用。预测模型通过建立提取特征和标签之间的关系，得到相应的模型。其中模糊逻辑系统(Fuzzy Logic System, FLS)是一种常用的预测模型，它能够处理数据中存在的随机性和不确定性。然而，目前通常是分别构建降维模型和回归模型。因此，需要考虑一个问题——降维所得特征是否适合于回归模型。于是，本文提出了一个计算框架，首先对预处理特征进行降维，然后输入到预测模型，最后通过反向传播算法对降维模型和预测模型的参数进行调整。
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1.2 深度神经网络概述
深度神经网络是一种多层的神经网络，在语音识别[1][2]、目标识别[3]、物体检测[4]等领域得到了广泛应用，并得到了优异的结果，其中在这些智能系统中，深度神经网络作为分类器或者特征表达器。深度学习是一种表示学习方法，可以进行不同层次的表示，通过若干层简单的非线性模块就可以学习复杂的函数关系，具有优于浅层模型的表达能力，并且可以通过标签，增强区分度和抑制无关变化。而在传统的建模方法中，往往需要进行复杂的预处理来构建人工特征[5]，这对于具有大量样本的数据集来说，成本往往十分巨大，因此限制了此类算法的应用。目前研究者为了扩大机器学习算法的应用范围，采用深度学习理论来自主地进行特征表示，然后再利用相应的机器学习模型进行处理。 DBN 的训练主要过程为：首先基于无标签的训练集中蕴含的信息采用对比散度(contrastive divergence, CD)算法逐层地训练每个 RBM，为网络确定较好的权值，再基于标签信息利用有监督的反向传播算法微调构建好的 DBN，从而增强了其提取有效特征的能力，提高了不同类别特征之间的辨别力。在传统的人工神经网络(Artificial neural networks, ANN)中，由于隐含层的增多，易于产生梯度弥散问题，限制了 ANN 理论的发展与应用。而 DBN 首先利用 CD 算法对网络进行无监督的预训练，获得较优权值，大大减弱了梯度弥散问题的影响。
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第2章 深度神经网络
2.1 引言
随着时代的发展，计算能力的大大提高，深度神经网络在模式识别的各个领域均得到了广泛应用。深度神经网络由多个隐含层组成，是一类优异的特征表示方法，能通过若干个简单的非线性变换逼近复杂的函数关系，并从原始数据中抽取出有效特征。若在有监督的训练过程中，可以增强特征的辨别能力，并且抑制无关变化，进而避免了人工设计特征的复杂性。 深度信念网络是一种主要的深度学习方法，由若干个受限玻尔兹曼机和一个有监督的输出层组成，在机器学习的各个领域得到了广泛应用，如分类和特征提取。它采用无监督的预训练，获取了较好的初始权值，解决了传统的多层感知机的梯度弥散问题。在实际应用场景中，获得样本的全部标签往往是难度较大且代价昂贵，而可以进行半监督的学习，因此得到了广泛的应用。在本章，首先将简要介绍自编码器、卷积神经网络、递归神经网络等内容，然后全面地介绍深度信念网络的基本概念、训练算法等内容。
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2.2 常见的深度学习结构
除了深度信念网络之外，常见的深度神经网络的结构还包括自编码器、卷积神经网络、递归神经网络等。自编码器的训练思想是把输入复制到输出，在这个过程中，去除一些噪声信息，达到对输入进行有效编码的目的，它主要用于特征学习、分类和信息检索。卷积神经网络，利用局部感受野、权值共享和子采样，在图像处理、语音识别等领域得到了广泛应用。递归神经网络将之前的隐含层输出作为当前单元的输入，在序列型数据的建模表现优异。
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第 3 章 区间二型模糊逻辑系统 ..... 17
3.1 引言 ......... 17
3.2 二型模糊集合 ......... 17
3.2.1 基本概念 ...... 17
3.2.2 二型模糊集合的运算 ....... 20
3.3 二型模糊逻辑系统 ......... 20
3.4 区间二型模糊逻辑系统 ....... 22
3.5 区间模糊逻辑系统的设计 ........ 27
3.6 本章小结 .......... 30
第 4 章 二型模糊深度信念网络 .... 31
4.1 引言 .... 31
4.2 二型模糊深度信念网络的结构 ......... 31
4.3 二型模糊深度信念网络的训练 ......... 32
4.4 本章小结 .......... 35
第 5 章 基于二型模糊深度信念网络的软测量模型 ....... 37
5.1 引言 .... 37
5.2 实验结果及讨论 ..... 38
5.3 本章小结 .......... 52
第5章 基于二型模糊深度信念网络的软测量模型
5.1 引言
滚筒式球磨机是一种用于磨矿及制粉工业过程中的主要设备。由于其封闭旋转运行的工作特性，球磨机料位难以直接有效测量，导致经常发生空磨、饱磨、堵磨等现象，造成生产效率和安全性的降低。因此准确可靠检测料位，使球磨机运行在最佳状态，对提高系统的稳定性和经济性具有重要意义。 近年来，科研人员针对球磨机料位的测量提出了许多软测量模型，以解决这一问题。软测量模型是利用易被测量的辅助变量来估计难以直接检测的主导变量的推理模型[53]。在球磨机料位软测量中，难以检测的变量是球磨机料位，而易被检测的变量是振动信号、振声信号等。这些模型构建的基本思路为先采用降维等方法对频谱特征进行处理，然后建立所得特征与料位之间的模型。降维能起到去除冗余信息，消除部分噪声和提取本质特征等作用，主要方法包括特征提取和特征选择两类。文献[54]利用希尔伯特变换(Hilbert Transformation, HT)从振声信号中分解出低频料位信息，并进行料位特征的提取，最后利用反向传播(Backpropagation, BP)神经网络建立料位与振声信号的关系模型。文献[55]采用主元分析方法(Principal Component Analysis, PCA)提取振动功率谱特征，再采用支持向量回归(Support Vector Regression, SVR)建立料位和频谱特征的模型，但是 PCA 是一种线性降维方法，只能提取线性特征。文献[56]采用核主元分析(Kernel Principle Component Analysis, KPCA)提取非线性振动频谱特征，然后选用极限学习机(Extreme Learning Machine, ELM)构建选择性集成模型。但是，PCA、KPCA 采用非监督的方式进行降维，提取的特征不一定与输出数据最相关，而偏最小二乘法(Partial Least Squares, PLS)、核偏最小二乘法(Kernel Partial Least Squares, KPLS)能同时提取输入输出数据变化的潜变量用于建模[57]。文献[58]采用 PLS 进行振动信号频谱特征提取，然后通过 ELM进行信息融合和数据回归。文献[59]首先对本征模态函数(Intrinsic Mode Function, IMF)频谱进行特征选择，然后基于 KPLS 建模方法、分支定界优化算法建立磨机负荷软测量模型。可见，在目前的软测量模型中，降维起到去除冗余和非线性等作用，然后将提取特征输入到预测模型中进行预测。但是一般的方法均未考虑降维模型和预测模型之间的匹配性。
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结论
在现实世界中，数据中经常存在高维、非线性、噪声等特性。这些性质对预测模型的精度产生较大影响。因此，需要首先对数据进行降维，然后建立预测模型。然而在大多数混合模型中，由于降维模型和预测模型是独立建立的，两者之间可能存在着一定的不匹配性，这影响了决策的进行和精度的提高。并且在实际生活中获取样本的全部标签代价往往十分巨大，需要考虑一种半监督的建模方法，从而能够充分利用无标签样本中包含的信息，降低建模成本，保证模型精度。 为了降低数据中存在的影响建模的因素和降维模型与预测模型之间存在的不匹配性，并且使模型能够适应于难以获得样本的全部标签的应用场景，提出了一种新的计算框架——二型模糊深度信念网络。首先利用深度信念网络建立降维模型，然后将降维特征输入到预测模型中，最后通过反向传播算法调整整个网络的参数。所提出的计算框架在实验室球磨机料位数据上进行了测试和验证。本文进行的研究工作主要包括以下几个方面：
1. 利用深度信念网络建立了降维模型。首先利用对比散度算法对网络进行初始化，获得较好的权值，以减弱梯度弥散的影响，然后基于样本标签利用反向传播算法对网络进行微调，最后将样本输入到深度信念网络中，经过逐层的特征抽取，得到提取有效的特征，经过降维，降低存在的非线性、冗余性，同时提高类别间的辨别性。因对比散度算法是一种无监督的学习算法，能充分利用无标签样本中的信息，可以基于全部无标签样本进行预训练，部分有标签样本进行微调，因此深度信念网络可以作为一种半监督的特征学习方法。
2. 采用二型模糊逻辑系统建立了预测模型。降维后的特征仍然存在着随机性、不确定性和非线性，因此考虑采用在处理不确定性数据上存在较大优势的二型模糊逻辑系统来建立预测模型。同时，二型模糊逻辑系统在预测时，可以给出预测值的上下界，为决策提供更多依据。此外，模糊逻辑系统是基于规则而构成的模型，可以通过规则的激活强度对模糊逻辑系统进行一定的解释性，方便在未来的调试中，为系统添加专家知识。
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参考文献(略)
2018年最新工程硕士论文范文篇九
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
交通运输是经济快速发展和社会高速发展的基础，对于改善人民生活，促进社会文明有着举足轻重的作用，因此国家大力发展交通运输业。我国公路网已覆盖全国 90%的地区[1]，而且全国 97%的乡镇村修通了公路。在国民经济企业稳健带领下，公路运输形势十分可观，累计全国旅客运输量约为 328 亿人次，累计实现乘客周转量约为 27778 亿人公里[2]，公路累计实现货物周转量 61139 亿吨公里。因此，公路运输在全国客运与货运的运输方式中占据了很大的比例。但是，伴随着交通量和重型车辆的急剧增加，产生了严重的问题，一是超载，二是超速。这不仅严重影响了公路运输事业的快速发展，而且给人民生命财产带来了巨大损失。近年来，各级相关部门扎实开展治理超载超限工作，虽取得了一定的成效，但超限的行为仍屡禁不止，已成为制约交通运输业发展的“顽疾”[4]。据调查统计，“十二五”期间，山西省每年 70%的交通事故由超限超载的现象引发[5]，50%的死伤事故与超限超载有密切关系。据报道，由超限超载问题导致的交通事故，不胜枚举，让人触目惊心。超限超载的车辆剧烈冲击桥梁，极易造成桥梁坍塌。发生过坍塌的桥梁有哈尔滨阳明滩大桥、北京怀柔白河大桥、吉林省道 302 锦江大桥、广东阳山县青莲公路桥、杭州余杭伍杭镇运河桥等。在最近五年的时间内，由于超限超载问题导致的交通事故[6]，场面十分悲惨。不仅有人员的伤亡，造成了生命财产的损失，而且货物的洒落严重影响了周围交通的正常运行。桥体的坍塌，加大了维修的成本，延长了工程周期。如果车辆装载的是石灰沙子之类的建筑用材，会堵塞水流的流通，对灌溉农田的人们造成了困扰。
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1.2 研究现状与发展历程
针对如何治理车辆超载超限问题，国外在上世纪 50 年代已经开始进行了大量的探讨与研究。超限超载是许多国家存在的问题，根据交通运输情况和治超技术发展，许多国家的政府均拟定了有本国特色的治超方案。有关交通运输方面的专家曾形象的描述超限超载这一状况为“掠夺性命的武器，道路设施的天敌[14]”。美国强化行政措施，颁布多部治超法律，推广先进技术，如固定超限检测站、流动超限检测站、动态称重检测站等[15]，综合行政、司法、经济等手段，全方位加大治超管理力度[16]。德国具有极其严格的处罚制度，但凡一年内有三次超限超载的记录，吊销驾驶证，列入黑名单[17]。德国西门子公司将通讯技术与电子控制技术两者结合，在车辆上安装追踪装置，达到实时监测的目的，在车辆运输管理中取得了良好的成效[18]。日本体制方面，实施“一超三罚”的惩罚手段，即惩罚货主、惩罚运输公司、惩罚司机[19]，在技术方面，采用动静态称重互补的方式进行检测，并硬性规定，大型货车必须安装“货物自动测重仪”[20]。南非是首个把电子秤应用在超限治超管理中的国家，非常看重自动称重系统的研发。尤其是在低速称重领域，其成果显著，治超管理部门依据车辆信息系统，对于过往的车辆进行执法处理，这方面的技术对南非的治超管理产生了良好的影响，超载率一直低于 10%[21]。综上所述，超限超载的现象渗透在南美洲、欧洲、亚洲、非洲等各个地方，其治超技术也随之得到发展与提高。虽然有些国家提出了无人值守动态预检系统的构思，但是，在国外完整又系统的动态预检方案技术还未成熟。
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第二章 动态预检系统介绍
2.1 系统概述
结合国内外预检系统的发展情况，本文提出了一套基于多个站点，一个中心监控平台的石英晶体式动态预检系统方案。该方案实现智能化的管理，不仅把治超数据在站点实现可视化，而且在中心监控平台也可以查询与治理，这使得想逃离治超办制裁的不法分子的伎俩无效。该系统具有完备的功能，实行半自动化治超模式，实现数字化监控管理，使得经过的车辆不用停车或减速就可以进行预检分流。对于经过站点的车辆实行 24小时监控，将车牌抓拍的图片与视频监控录像存储在站点录像机里，把称重数据、车辆信息通过 VPN 专网上传至终端，并对称重数据和车流量进行统计与分析。对于超载的车辆，中心监控平台给指定的执法人员发送邮件和彩信，执法人员根据发送的信息追踪车辆。未超限的车辆避开了传统检测环节，提高了治超办管理效率。通过 EEMD 算法在上位机上处理数据，使得动态称重误差缩减到 2%以内，避免了司机与超限站执法人员的冲突，为治超站提供了可信的执法依据。
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2.2 系统方案设计
本系统设计思想是“一个中心平台监控，多个站点检测”，在某一区域设置一个超限检测站，监控多条道路和多座桥梁的车辆运输情况。该系统只需在道路上进行较小的施工，不必占用较多公路旁的用地来建设超限站。从生态环保角度，节约了大量的土地资源。对于正常车辆让其继续行驶，超载车辆交由治超办执法人员进行跟踪与处理。本系统设计思路为：正常行驶的车辆，经过石英晶体式称重系统，线圈感应触发车牌器进行抓拍，在补光灯和闪光灯的配合下，记录车辆车牌信息。石英晶体称重信号与车牌信息（车牌号与抓拍图片）上传至控制系统。通过控制系统的上位机得到车辆重量、轴数、轴型、速度等物理量，其中在 AD 转换之后的数字量通过 EEMD 算法进行数据处理。数字量的信息通过专网传送至中心监控平台，把超限的车辆交由执法人员去处理。对于预检站点实行全程监控，把监控的录像存储在控制系统的硬盘录像机，以备随时调用查看。
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第三章 系统硬件设计.... 15
3.1 石英晶体式称重系统....15
3.1.1 工作原理.......16
3.1.2 系统构成.......17
3.1.3 系统优势.......26
3.2 车牌识别系统.......27
3.3 控制系统.....29
3.4 本章小结.....30
第四章 EEMD 算法分析与研究.......31
4.1 几种典型滤波算法分析..........31
4.2 EEMD 算法........... 34
4.3 EEMD 算法仿真与验证.......... 38
4.3.1 MATLAB 平台简介.........38
4.3.2 MATLAB 仿真....... 38
4.4 本章小结.....42
第五章 基于 C#的预检上位机软件设计.............43
5.1 C#语言简介...........43
5.2 软件总体设计.......44
5.3 车辆信息获取.......46
第五章 基于 C#的预检上位机软件设计
5.1 C#语言简介
随着科技的进步，计算机技术和网络技术快速发展，上位机软件得到广泛应用，上位机编程语言逐渐被广大科技工作者学习和使用。目前，上位机软件编程语言包括：VB语言、Pascal 语言、VC 语言、C++语言和 C#语言等，其中，C#语言语法简单、运用灵活、兼容性好，可缩短上位机软件的开发时间。如今，C#语言已被广大程序员运用，迅速成为上位机软件编程的主流语言之一。C#语言的编程工具为 Microsoft Visual Studio，并需要安装.net framework 作为运行环境。本动态预检系统上位机软件编写工具为 Microsoft Visual Studio 2010，环境为.netframework 3.5。建立好编程环境后进行模块化编程，实现对动态预检系统中所有功能模块采集的数据进行整合和处理。为有效解决我国普通二级公路上车辆的超载问题，实现对车辆的无人值守检测，将动态预检系统中各功能模块采集到的数据进行完美的融合，需要设计一套完善的预检系统上位机解决方案。
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总结
石英晶体式称重系统作为超限超载治理的称重模块，改善了传统超限检测的一些缺点：检测效率低，易有漏检的车辆；对过往的车辆有速度限制；对路面破坏性大、施工周期长，环境适应性差；稳定性与可靠性差；动态响应慢；动态称重精度低等等。结合当前我国超限超载的状况，本文从系统布局、硬件设计、算法研究、上位机软件设计等几个方面进行设计与研究。本文的主要工作有：
一、简要概述了动态超限预检系统，分别在总体设计思路、工作原理以及工作流程等方面进行阐述，重点讲述了超限预检系统的基本布局与工作流程。
二、从石英晶体式称重系统、车牌识别系统和控制系统三个方面对动态预检系统进行了硬件设计。
三、选取了 EEMD 算法进行滤波，介绍了该算法的去噪原理与流程，最后通过MALABLE 仿真来验证本算法的有效性。
四、提出了基于 C#的动态超限预检上位机总体软件的设计方案，根据方案设计了软件总体的结构和工作流程。设计了站点软件和中心监控平台软件，并分别介绍了两软件的功能和主要界面显示区域。
五、先分析了传统秤台式称重信号与石英晶体式称重信号特点，然后进行了系统测试，分别从称量测试、车牌识别测试和功能测试三个方面进行了描述。经过现场测试，称量测试系统的整体误差控制在 2%以内，与未使用滤波算法的误差相比减少了 4%，车牌识别率达 98%，识别超载车辆的检测率达 97%，超限提示正确率达 99.1%。
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参考文献(略)
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第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
随着计算机科学技术、光学成像技术和光电子信息技术不断取得高速发展，光学三维传感测量技术也取得了快速的发展[1,2]。基于光学成像、光电子信息、光信息图像处理等的光学三维测量技术具有快速测量、大量数据采集、非接触性测量、高精度恢复等优点，使得其在逆向工程、产品检验、文物遗产保护、影视特技、生物医学、地质勘测等领域显露出了其潜在的应用价值。 目前，已经被应用于生产过程的实时检测等方面。比如，飞机外壳检测、汽车车体检测、机械零器件面型检测、轮机叶片检测等的检测。此外，该测量技术具有非接触测量的优点，能够避免对被测物体表面造成损伤，因此这种方法还对文物的复原和保护等具有重要意义。但要绝大多数文物具有丰富的彩色信息，要想实现文物数字化保护，需要结合光学三维测量技术和纹理映射技术。本文正是基于此提出了一种新的算法，利用结构光学三维测量技术实现对物体的三维重构，并利用纹理映射技术实现物体表面纹理信息恢复。 若只是简单获取物体的三维轮廓信息，它还不具备人们对物体真实感的要求，不能令人满意。实际上，真实的物体表面具有非常复杂的纹理信息，而正是因为有了这些纹理信息人们才能够轻易的区分出不同的物体。比如，我们在试验过程中所用到的彩蛋，若不考虑彩蛋表面纹理信息差别，那么大小相同的彩蛋所恢复出的三维形貌是完全一样的。但问题是，我们能确定我们所恢复的彩蛋是哪一个彩蛋吗？结果显然是不能的。对于文物复原和其他物体恢复亦是如此，因此，对物体表面纹理信息恢复的研究具有很重要的现实意义。
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1.2 国内外研究现状
目前，国内外已经有许多相关的高校和企业对结构光三维测量技术进行了广泛而深入的研究，并取得了可观的理论和应用成果。国内，首先是以四川大学苏显渝教授为代表的团队，他们提出了许多新技术，如离焦结构光三维测量、调制度三维测量、π相移结构光三维测量和动态场景结构光三维测量等等[3]，发表了许多关于此方面研究的学术论文。这些新的研究成果对国内外三维测量技术的研究都具有很重要而深远的意义。此外，以天津大学、东南大学、以及华中科技大学等为代表的科研机构和团队为光学三维测量的研究做出了重要贡献。在产品的应用上，国内的许多企业也大都拥有结构光三维测量仪器，其中，影响力较大的公司有深圳市精易迅科技有限公司、上海数造三维科技有限公司、深圳华朗科技有限公司等。国外，自 20 世纪 80 年代 Mitsuo Takeda 及其团队提出傅里叶变换轮廓术以来，结构光三维测量技术取得了快速发展。University of Kentucky 团队在数字投影结构光非线性分析校正与高速结构光三维测量方面的研究也取得了明显成果，由该团队提出的高速结构光三维测量技术，通过利用绝对相位编码技术实现了对三维物体的快速测量[4]。此外，许多国外的知名企业还生产出了众多高质量的三维测量产品，比如由 GOM 公司的生产的ATOS，由于使用了投影矩形条纹的技术，不但能够满足多尺度测量而且设备操作相对简单，更重要的是其具有很高的测量精度。与其水平相近的产品还有英国雷尼公司的CYCLON 和德国的 Steinbichler 公司的 COMET T-Scan 等。 进入新世纪以来，伴随着科技水平的不断提高，人们对三维测量的相关研究也取得了较大的突破。这方面主要有傅里叶变换轮廓术（Fourier Transform Profilometry，FTP） [5-10]、相位测量轮廓术（Phase Measuring Profilometry，PMP）和莫尔轮廓术(Moiré Profilometry)等。
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第二章 基本原理及算法改进
2.1 相位测量轮廓术原理
相位测量轮廓术是一种采用结构光照明的非接触三维面形测量方法，是目前被广泛使用的主动三维测量技术之一[31]。这种方法需要利用正弦光栅投影和数字相移技术，以光学、数字电子等硬件设备为基础，能够处理大量的数据信息，具有测量速度快和恢复精度高等特点[32,33]。相位测量轮廓术作为一种重要的三维光学传感方法，目前该方法已经被广泛应用到工业检测、文物复原、3D 仿真、医学诊断、地质灾害监测等诸多领域。 相位测量轮廓术是通过将 N 帧具有一定相移量的条纹图投影到被测三维物体的表面，条纹图因受到物体高度的调制影响使得投影条纹发生形变，其对应的振幅和相位都发生了变化，形成了 N 幅包含物体高度信息的变形条纹图。标准的 N 帧相移算法由于能够对系统的随机噪声起到很好的抑制作用，而且对 N-1 次以下的谐波误差敏感度非常低 [34,35]。物体的三维形貌重构过程通常需要经过相位计算、相位展开、误差分析补偿、参数标定与三维重建等一系列复杂运算来实现。 目前，相位展开的算法有许多种，但总体上可以将这些算法归为两大类即空间相位展开法(Spatial phase unwrapping) [36]和时间相位展开法(Temporal phase unwrapping)。时间相位展开方法是由 Huntley 与 Saldner 在 1993 年提出的，其本质思想是使光栅条纹的频率随着时间的变化而变化，该方法最大的优点就是能够准确的对表面不连续的物体轮廓进行测量[37,38]。该方法与传统的空间相位展开方法不同之处是使用时间相位展开需要更多的投影条纹图像，由于我们知道投影的条纹图像越多则其所包含的物体信息就越丰富，因此该算法的恢复精度要比空间相位展开法的恢复精度高很多。本文在通过对相位测量轮廓术进行深入研究后，给出了三维测量系统结构框图，如图 2-1。
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2.2 纹理映射技术
近年来随着计算机图形学的快速发展，人们越来越关注对图像真实感的追求，真实感图像不仅要求图像具有复杂的外观，一般还要求有更加复杂的形态。基于此纹理映射技术得到了迅速的发展，目前已经成为了一种获取复杂场景图像的重要技术手段。随着该技术被成功应用到计算机模拟仿真、影视动画特效、虚拟场景实现等诸多领域中，人们的生活环境也变得更加丰富多彩。纹理客观反应了物体表面某种属性，它通常包含了所要表达物体的大部分信息，例如物体表面呈现出的彩色信息及凹凸不平的沟纹信息等等。纹理函数通常的定义方式有两种即连续法和离散法，而目前较为常用的定义方式是离散法，该方法是把纹理定义到一个二维数组里面，数组在纹理空间中表示为一组固定在网格交叉点上的纹理数值[48]。网格交叉点之间其他交叉点的纹理值的获得则是通过对相邻网格交叉点上的纹理数值进行插值计算得到的[49,50]。最后通过建立二维纹理空间和三维景物空间之间的一一对应关系，将二维纹理信息映射到三维物体的表面，进而使得物体表面具有丰富的二维纹理信息。连续法则是把纹理定义为一个二元函数，且函数的定义域就可以表示为纹理空间[51]。目前，纹理的分类方式有许多种分法。根据纹理定义域的不同，可以将纹理分为二维纹理和三维纹理，根据其表现形式的不同又可以分为颜色纹理、几何纹理及过程纹理三类[52]。
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第三章 测量处理系统 ......... 21
3.1 硬件采集系统 ..... 21
3.1.1 采集系统结构 ....... 21
3.1.2 采集系统实物图 ............ 24
3.2 软件控制与处理系统开发 ............ 25
3.3 本章小结 .... 29
第四章 计算机仿真与误差分析 ........... 31
4.1 计算机仿真 ......... 31
4.1.1 2+1 相移算法仿真 ......... 31
4.1.2 改进 2+1 相移算法仿真 ......... 33
4.2 仿真误差分析 .... 34
4.2.1 2+1 相移算法误差分析 .......... 34
4.2.2 改进 2+1 相移算法误差分析 .......... 35
4.3 本章小结 .... 35
第五章 改进 2+1 相移算法实验结果与误差分析 .......... 37
5.1 实验结果 .... 37
5.1.1 三维重构实验 ....... 37
5.2 物体纹理信息恢复实验 ....... 39
5.3 实验误差分析 ..... 40
5.4 本章小结 .... 43
第三章 测量处理系统
本章旨在介绍基于相位测量轮廓术的快速获取物体三维形貌的非接触式测量处理系统，从测量系统的硬件和软件两个方面分别作了详细介绍。基于相位测量轮廓术的快速获取物体三维形貌的非接触式测量处理系统能够实现快速获得物体的三维形貌信息及纹理信息，并且处理分析软件能够很好的处理捕捉画面信息，具有处理速度快、恢复误差小的优点，能够很好的获得物体三维形貌和恢复纹理信息。为了能够满足实验的需要，课题组还开发了能够与硬件采集系统结合使用的综合控制软件和编写了一整套实验数据采集、处理、分析程序。
3.1 硬件采集系统
硬件采集系统是采集系统的硬件组成部分，主要用于条纹图的投影、变形条纹图的捕捉及被测物体位置固定等。本课题在实验过程中所用到的硬件系统主要有：计算机、数字投影仪、工业 CCD 相机、移动位移台（含控制箱等）及实验模具等部分。基于本课题实验而设计的硬件系统结构图如图 3-1 所示： 由硬件系统结构图即图 3-1 可知，移动位移台和工业数字相机都要通过计算机来控制，为了便于本系统的实验我们使用的移动位移台和工业数字相机的接口都是 USB 接口，因为目前大部分的计算机都有不少于两个的 USB 接口，所以这两种设备可以很方便的与计算机上的 USB 接口进行通讯。数字投影仪上的接口端连接到计算机上的 VGA视频接口端来实现通讯。一般情况下一台计算机就能够完成移动位移台的控制、数字投影仪投影条纹图、数字相机的拍摄图片及对采集得到的各种图像信息进行分析处理等一系列工作。 实验中移动位移台一方面能够起到支撑和固定测量物体的作用，另一方面还可以起到控制测量物体移动的距离和扭转的角度的作用。使被测量物体与数字相机及数字投影仪之间满足三维测量的实验要求。移动位移台主要由底座板、移动平板、控制箱和连接线等硬件部分组成。控制箱是移动位移台的控制系统，本实验中使用到的控制箱是与移动位移台相匹配的 SC300 系列位移台控制箱，SC300 系列移动位移台控制箱是新一代 3轴点对点位置定位控制系统[67]。SC300 系列移动位移台控制箱还具有很多的其他优点，比如性价比非常高、控制行程大、绝对位置与参考位置显示模式、具有很强的抗干扰能力而且使用操作非常便捷等。
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总结
基于条纹投影的主动光学三维测量技术，以其测量的非接触、恢复精度高、测量速度快等优点，一直是研究人员研究的热点。而传统的三维形貌技术一般只注重实现物体三维信息的获取，往往忽略了对物体表面纹理信息的恢复。基于此，本文提出了基于相位测量轮廓术的快速获取物体三维形貌和纹理信息的算法，以求实现物体三维形貌获取和纹理信息恢复。首先，将编码得到的两幅复合彩色正弦相移光栅图投影到被测三维物体表面，并利用彩色 CCD 相机拍摄因受到物体高度调制而发生变形的条纹图；其次，对彩色变形条纹图进行解码，将解码得到的六幅图进行重新组合，每三幅图分成一组分别用于实现三维物体重构和纹理信息恢复；最后，使用文中提出的改进 2+1 相移算法重构物体三维形貌和恢复物体纹理信息。计算机模拟仿真与实验验证结果均表明该方法能够快速、高精度的实现三维重建和物体纹理信息恢复。论文主要完成工作及成果简要概述如下：
1. 阐述了本论文研究的背景及实际意义，详细介绍了当前结构光三维测量技术和 纹理映射技术的国内外最新研究状况及论文研究的主要内容。
2. 介绍了相位测量轮廓术和纹理映射技术的基本原理，着重讲述了“N 步相移算 法”、“2+1 相移算法”和 “改进 2+1 相移算法”。还对彩色模型和颜色编码与解编码的一般方法作了详述。
3. 论文对实验过程需要的硬件采集系统、软件采集系统及数据处理分析软件作了 明确的介绍，在 VB 的开发环境下，对软件采集控制系统进行了基本功能模块软件开发，实验结果表明使用该系统能够满足实验的要求。因为该测量系统软件平台实现了对移动位移台和 CCD 相机的同步控制，因此大大节约了实验时间，提高了采集的实时性。同时，在 MATLAB 开发环境下编写出一整套数据处理分析程序，能够完成从实验条纹码的生成到三维物体复原的全部数据处理分析工作，达到了实验的基本要求。
4. 在 MATLAB 开发环境下编写出一套计算机模拟仿真程序，实现了改进 2+1 相移 算法中三维重建的仿真及仿真误差分析的目的。
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参考文献(略)