机电系统集成技术(1)

1、College of Logistics EnginerringWHUT物流系统自动化物流系统自动化机电系统集成技术（机电系统集成技术（1 1）主讲：朱宏辉主讲：朱宏辉 第二章第二章 系统集成的建模与仿真系统集成的建模与仿真第一章第一章 绪论绪论College of Logistics EnginerringWHUT 绪论绪论 系统集成的建模与仿真系统集成的建模与仿真 系统集成的控制技术系统集成的控制技术 系统集成中的接口和总线标准系统集成中的接口和总线标准 仪器仪表系统集成技术仪器仪表系统集成技术 智能仪器软硬件集成技术智能仪器软硬件集成技术 基于虚拟仪器技术的系统集成基于虚拟仪器技术的系统

2、集成 微纳机电系统集成技术微纳机电系统集成技术College of Logistics EnginerringWHUT第一章第一章 绪论绪论 1.1 1.1 系统集成的提出和发展系统集成的提出和发展1.2 1.2 系统集成的基本概念系统集成的基本概念1.3 1.3 网络系统集成网络系统集成College of Logistics EnginerringWHUT 新产品从构思到出现在市场周期越来越短，是新产品从构思到出现在市场周期越来越短，是 俗称俗称“攒攒”出来、雅称出来、雅称“集成集成”出来的。出来的。 原来很多孤立的仪器和机电设备有机地联系起来，原来很多孤立的仪器和机电设备有机地联系起来，

3、产生了产生了1+121+12的效果。的效果。 计算机以及计算机网络使一个个孤立的个体作为计算机以及计算机网络使一个个孤立的个体作为模块连成有机的整体。模块连成有机的整体。 机电系统集成技术正是在这样的一些理念下发展机电系统集成技术正是在这样的一些理念下发展起来的。起来的。 创新和效率形成时代旋律中频频出现的加强音。创新和效率形成时代旋律中频频出现的加强音。1.1 1.1 系统集成的提出和发展系统集成的提出和发展College of Logistics EnginerringWHUT 计算机集成制造计算机集成制造的概念最早是美国人的概念最早是美国人Harrington Harrington J.

4、J.于于19731973年提出来的，强调年提出来的，强调系统集成的观点系统集成的观点，信息的观点信息的观点。大的机电系统集成大的机电系统集成计算机集成制造系统计算机集成制造系统CIMS CIMS (Computer Integrated (Computer Integrated Manufacturing System)Manufacturing System)小的机电系统集成小的机电系统集成一台设备、一台仪器、片上系统一台设备、一台仪器、片上系统SoC (System-on-a-Chip)SoC (System-on-a-Chip)College of Logistics Enginerri

5、ngWHUT 1975 1975年美国年美国HoneywellHoneywell公司首先推出了公司首先推出了以微处理器为基础的以微处理器为基础的TDC-2000TDC-2000型总体分布型总体分布式控制系统（式控制系统（Total Distributed Total Distributed ControlControl，简称为，简称为TDCTDC），实现集中管理、），实现集中管理、分散控制，称之为集散控制系统。分散控制，称之为集散控制系统。College of Logistics EnginerringWHUT DCS DCS的出现使系统的控制方式发生了质的变化，的出现使系统的控制方式发生了质

6、的变化，是控制史上的一个里程碑。吸收了计算机技术是控制史上的一个里程碑。吸收了计算机技术（ComputerComputer）、自动控制技术（）、自动控制技术（ControlControl）、数据通）、数据通信技术（信技术（CommunicationCommunication）、）、CRTCRT（Cathode Ray Cathode Ray TubeTube）显示技术的所谓）显示技术的所谓“4C4C技术技术” 。 以数字控制代替了模拟控制，形成各种以数字控制代替了模拟控制，形成各种分布式控分布式控制系统制系统DCSDCS（Distributed Control SystemDistribute

7、d Control System）。这种）。这种系统精度有所提高，而且具有集中管理、分散控制、系统精度有所提高，而且具有集中管理、分散控制、危险分散、可靠性高、组态容易和扩展性强的优点。危险分散、可靠性高、组态容易和扩展性强的优点。College of Logistics EnginerringWHUT DCS DCS是以微处理器为基础的。进入是以微处理器为基础的。进入8080年代中年代中后期，后期，可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器PLC （Programmable Programmable Logic ControllerLogic Controller）也开始应用微处理器，而）也开始应用微

8、处理器，而且也是分布式的，从这个意义上讲也可将其列且也是分布式的，从这个意义上讲也可将其列入入DCSDCS的范畴。的范畴。College of Logistics EnginerringWHUT从广义上讲从广义上讲DCSDCS可分为可分为 仪表型仪表型 PLC PLC型型 PC PC型型College of Logistics EnginerringWHUT 不同厂家的产品由于协议不同而缺乏互不同厂家的产品由于协议不同而缺乏互操作性。由于协议的不同，造成了现场仪表操作性。由于协议的不同，造成了现场仪表不能与系统集成而进一步发挥仪表的智能。不能与系统集成而进一步发挥仪表的智能。问题：问题： 有些

9、大的产业集团正大力开发出专有有些大的产业集团正大力开发出专有大系统，为了保持系统的集成，用户不得不大系统，为了保持系统的集成，用户不得不从该厂家购买不一定是最好又很昂贵的部件，从该厂家购买不一定是最好又很昂贵的部件，形成垄断。形成垄断。College of Logistics EnginerringWHUT 解决以上矛盾的出路就是制定一种独立解决以上矛盾的出路就是制定一种独立于卖方的系统集成标准，标准化的总线网络于卖方的系统集成标准，标准化的总线网络顺势而生。网络是开放式系统的关键要素，顺势而生。网络是开放式系统的关键要素，因此进一步开发出具有互操作性的现场总线因此进一步开发出具有互操作性的现

10、场总线（FieldbusFieldbus）。）。College of Logistics EnginerringWHUT 现场总线控制系统现场总线控制系统FCSFCS （Fieldbus Fieldbus Control SystemControl System）于）于2020世纪世纪8080年代开始发展，年代开始发展，专家们开发新技术作为标准的国际通行的现场专家们开发新技术作为标准的国际通行的现场总线，以满足总线供电、安全运行、远距离通总线，以满足总线供电、安全运行、远距离通信等方面的要求。标准化打击了垄断，激发了信等方面的要求。标准化打击了垄断，激发了竞争，促进了科学技术的进步。竞争，促进

11、了科学技术的进步。College of Logistics EnginerringWHUT系统集成技术的发展提高了系统测控能力。系统集成技术的发展提高了系统测控能力。测控仪表能力指数图测控仪表能力指数图模拟模拟College of Logistics EnginerringWHUT 20 20世纪世纪7070年代年代，人们开始考虑将微型机嵌入到机电仪器，人们开始考虑将微型机嵌入到机电仪器设备中，实现对象体系的智能化控制。设备中，实现对象体系的智能化控制。嵌入式系统嵌入式系统侧重于侧重于控制控制功能和环境适应性功能和环境适应性等，等，通用计算机系统通用计算机系统侧重于侧重于高速海量的数据高速海量

12、的数据文件处理能力文件处理能力。 嵌入式计算机系统发展的核心是嵌入式计算机系统发展的核心是单芯片化的发展单芯片化的发展。嵌入式系统嵌入式系统专用性专用性嵌入性嵌入性计算机系统计算机系统三个基本三个基本要素要素College of Logistics EnginerringWHUT 嵌入式系统按形态可分为嵌入式系统按形态可分为设备级设备级（工控机工控机）、）、板级板级（单板、单板、模块模块）和）和芯片级芯片级（MCUMCU、SoCSoC）。）。 微型计算机的微型计算机的体积体积、价位价位、可靠性可靠性无法满足嵌入式应用要求，无法满足嵌入式应用要求，嵌入式系统将计算机做在一个芯片上，走上嵌入式系统

13、将计算机做在一个芯片上，走上芯片化芯片化道路，开创了道路，开创了嵌入式系统的嵌入式系统的单片机单片机时代。时代。 直接芯片化直接芯片化的模式，的模式，将通用计算机系统中的基将通用计算机系统中的基本单元进行本单元进行裁剪裁剪后，后，集成集成在一个芯片上，构成单片在一个芯片上，构成单片微型计算机；微型计算机；模式模式创新模式创新模式 完全按嵌入式应用要完全按嵌入式应用要求设计全新的，满足嵌入求设计全新的，满足嵌入式应用要求的式应用要求的体系结构体系结构、微处理器微处理器、指令系统指令系统、总总线方式线方式、管理模式管理模式等。等。College of Logistics EnginerringWH

14、UT 单片机诞生于单片机诞生于2020世纪世纪7070年代末，经历了年代末，经历了 单片机单片机SCMSCM(Single Chip Microcomputer(Single Chip Microcomputer） 微控制器微控制器MCUMCU （Micro Controller UnitMicro Controller Unit） 单芯片系统单芯片系统SoCSoC （System on ChipSystem on Chip） 三大阶段。三大阶段。College of Logistics EnginerringWHUT 嵌入式系统本身就是系统集成的成功实例。嵌入式系统本身就是系统集成的成功实例

15、。嵌入式系统包括了通信（嵌入式系统包括了通信（CommunicationCommunication）、计算）、计算（ComputationComputation）、自动控制技术（）、自动控制技术（ControlControl）等功能；）等功能；嵌入式系统包括数字模拟融合，微机电融合，电路板嵌入式系统包括数字模拟融合，微机电融合，电路板硅片融合，硬软件设计融合，趋向硅片融合，硬软件设计融合，趋向SoCSoC；嵌入式整机；嵌入式整机的开发工作从传统的硬件为主向软件比重越来越大的的开发工作从传统的硬件为主向软件比重越来越大的方向发展。方向发展。1610/J次College of Logistics

16、EnginerringWHUT1.2 1.2 系统集成的基本概念系统集成的基本概念 系统系统 系统集成系统集成 系统集成的特点系统集成的特点 系统集成的原则与方法系统集成的原则与方法 网络要求网络要求 递阶控制递阶控制College of Logistics EnginerringWHUT 中国大百科全书中国大百科全书自动控制与系统工程自动控制与系统工程对系统的定义为：由相互制约、相互作用的对系统的定义为：由相互制约、相互作用的一些部分组成的具有某种功能的有机整体。一些部分组成的具有某种功能的有机整体。 系统从广义上可以定义为两个或两个以系统从广义上可以定义为两个或两个以上事物组成的相互依存，

17、相互作用，共同完上事物组成的相互依存，相互作用，共同完成某种特定功能或形成某种事物现象的一个成某种特定功能或形成某种事物现象的一个统一整体的总称。统一整体的总称。系系 统统1.2 1.2 系统集成的基本概念系统集成的基本概念College of Logistics EnginerringWHUTp 集成能使组成整体的各部分彼此有机集成能使组成整体的各部分彼此有机协调地协调地工作，以发工作，以发挥整体效益，达到挥整体效益，达到整体优化整体优化的目的。的目的。p 集成集成不是不是各个分离部分各个分离部分简单捏合简单捏合在一起组成的在一起组成的“拼盘拼盘”，而应理解为经过了而应理解为经过了充分的相互

18、融合充分的相互融合，形成了优化的统一，形成了优化的统一整体。整体。p 系统集成可以系统集成可以减少数据冗余减少数据冗余、实现、实现资源和信息共享资源和信息共享，便，便于对数据的于对数据的合理规划和分布合理规划和分布，便于组成部件的协调规划，便于组成部件的协调规划，有利于有利于并行工作并行工作、提高工作效率提高工作效率。系统集成系统集成 相互分离、彼此孤立的模块协相互分离、彼此孤立的模块协调组成有机整体。调组成有机整体。1.2 1.2 系统集成的基本概念系统集成的基本概念College of Logistics EnginerringWHUTu 集成的大系统通常包含着许多不同型号的各类集成的大系

19、统通常包含着许多不同型号的各类计算机计算机、控制控制器器、传感器传感器和和执行装置执行装置，它们配置在不同的层次上，需要纵，它们配置在不同的层次上，需要纵向和横向的数据通信。向和横向的数据通信。u 根据根据“集成集成”和和“柔性柔性”的要求，大系统集成网络平台在物的要求，大系统集成网络平台在物理上包含着多个连接多种异构设备的理上包含着多个连接多种异构设备的异构网络异构网络，而在，而在逻辑上逻辑上又是又是统一统一的网络，以包容多样性和各种传输动作。的网络，以包容多样性和各种传输动作。u 状态、系统、控制和终端的连接多样性，以及状态、系统、控制和终端的连接多样性，以及开放开放、集成集成、高速高速和

20、和网络管理智能化网络管理智能化是是系统集成的特征系统集成的特征。 1.2 1.2 系统集成的基本概念系统集成的基本概念College of Logistics EnginerringWHUTp系统集成是根据应用的需求，将机电系统集成是根据应用的需求，将机电硬件平台硬件平台、网络设备网络设备、系统软件系统软件、工具软件工具软件及相应的及相应的应用软件应用软件等集成为具有等集成为具有优良性价比优良性价比的机电系统的全的机电系统的全过程。过程。p系统集成就是按照应用需求，对众多的技术和产品进行系统集成就是按照应用需求，对众多的技术和产品进行合理地选择合理地选择，最佳配置最佳配置各种硬件和软件产品与资

21、源，组合成完整的、能够解决具体各种硬件和软件产品与资源，组合成完整的、能够解决具体应用需求的集成方案，使系统的应用需求的集成方案，使系统的整体性能最优整体性能最优。v技术上技术上具有具有先进性先进性v实现上实现上具有具有可行性可行性v使用上使用上具有具有灵活性灵活性v发展上发展上具有具有可扩性可扩性v投资上投资上具有具有受益性受益性系统集成系统集成硬件集成硬件集成软件集成软件集成工具集成工具集成1.2 1.2 系统集成的基本概念系统集成的基本概念College of Logistics EnginerringWHUT 根据用户的需求，确定硬件平台设备的选型；根据用户的需求，确定硬件平台设备的选

22、型； 对已产品化的部件模块进行产品测试、验收；对已产品化的部件模块进行产品测试、验收； 提供对其他设备、网络结构、数据库之间的连接技术；提供对其他设备、网络结构、数据库之间的连接技术； 要求大量、广泛地掌握和积累各种产品特性，了解国内要求大量、广泛地掌握和积累各种产品特性，了解国内外有关的规范和标准；外有关的规范和标准； 准备各厂商有关的产品的检测验收及工程安装施工标准。准备各厂商有关的产品的检测验收及工程安装施工标准。 以操作系统为核心构建软件平台；以操作系统为核心构建软件平台； 已有应用软件和将要开发的应用软件的集成；已有应用软件和将要开发的应用软件的集成； 对应用软件开发商进行约束，使集

23、成时可取得对应用软对应用软件开发商进行约束，使集成时可取得对应用软件系统的控制权和维护权；件系统的控制权和维护权； 通过预留接口对应用子系统进行适当的调整，以实现各通过预留接口对应用子系统进行适当的调整，以实现各个应用子系统的可互联、可互操作、可运行。个应用子系统的可互联、可互操作、可运行。硬件集成硬件集成软件集成软件集成1.2 1.2 系统集成的基本概念系统集成的基本概念College of Logistics EnginerringWHUT使用开发工具进行系统开发，建立系统原型，使用开发工具进行系统开发，建立系统原型，使系统的可维护性增强，提高系统开发的质量；使系统的可维护性增强，提高系统

24、开发的质量；开发工具要尽可能开放，独立于硬件平台、软开发工具要尽可能开放，独立于硬件平台、软件平台甚至数据库的选择，这样才有利于系统件平台甚至数据库的选择，这样才有利于系统的扩充和联网。的扩充和联网。开发工具要有与高级语言的接口，有结构优良开发工具要有与高级语言的接口，有结构优良的数据字典，使各分立产品容易集成；的数据字典，使各分立产品容易集成；要考虑开发工具制造厂商的技术支持、售后服要考虑开发工具制造厂商的技术支持、售后服务和厂商本身的稳定性等因素。务和厂商本身的稳定性等因素。工具集成工具集成1.2 1.2 系统集成的基本概念系统集成的基本概念College of Logistics Eng

25、inerringWHUT（1 1）系统分析和建模）系统分析和建模（2 2）集成和优化）集成和优化（3 3）接口的重要作用）接口的重要作用（4 4）系统协调与优化）系统协调与优化 从系统角度进行分析，包括从系统角度进行分析，包括系统目标、系统约束、系统联系、系统目标、系统约束、系统联系、系统实现等，分析过程中需要通系统实现等，分析过程中需要通过建模仿真分析达到系统优化。过建模仿真分析达到系统优化。 系统强调总体，单元技术强调系统强调总体，单元技术强调局部，单元通过集成形成总体，在局部，单元通过集成形成总体，在系统集成过程中达到总体优化系统集成过程中达到总体优化。 系统集成过程中，注重的往往系统集

26、成过程中，注重的往往是产品、设备、技术、功能的集成是产品、设备、技术、功能的集成或局部的系统调整，而一旦系统规或局部的系统调整，而一旦系统规模较大、结构较复杂时，很难面面模较大、结构较复杂时，很难面面俱到，因此需要从全局着眼，保证俱到，因此需要从全局着眼，保证全局最优。全局最优。 系统集成是让不同的产品、系统集成是让不同的产品、设备、网络、系统互连，不仅要设备、网络、系统互连，不仅要对产品、技术和系统有全面深入对产品、技术和系统有全面深入的了解和分析，还应具备设计开的了解和分析，还应具备设计开发接口的能力。发接口的能力。系统集成的特点系统集成的特点College of Logistics En

27、ginerringWHUT（3 3）先进性）先进性（1 1）开放性）开放性（2 2）模块化）模块化（4 4）主流化）主流化系统集成的原则与方法系统集成的原则与方法College of Logistics EnginerringWHUT网络系统在大系统集成中扮演重要脚色，需要基于网络网络系统在大系统集成中扮演重要脚色，需要基于网络系统来考虑可支持的系统来考虑可支持的计算机系统计算机系统、数据库系统数据库系统、开发工具开发工具等等因素。经过对网络用户需求的分析，在网络方案设计时采用因素。经过对网络用户需求的分析，在网络方案设计时采用如下原则：如下原则：(1)(1)系统成熟可靠系统成熟可靠在保证系统

28、先进性的同时，最重要的设计原则是保证系在保证系统先进性的同时，最重要的设计原则是保证系统的统的可用性可用性和和可靠性可靠性，在方案设计中尽量采用成熟的、经过，在方案设计中尽量采用成熟的、经过用户用户使用使用认可认可和在和在公开评测公开评测中中认可认可的网络产品。的网络产品。网络要求网络要求College of Logistics EnginerringWHUT 所选用设备尽量符合国际和国家标准，保证系统提供一个所选用设备尽量符合国际和国家标准，保证系统提供一个标标准准、开放开放的网络平台，根据整个系统的实际需要，采用的网络平台，根据整个系统的实际需要，采用高可靠性高可靠性设备和设备和容错技术容

29、错技术。在。在网络通信协议网络通信协议、数据格式数据格式等方面遵从国际标等方面遵从国际标准。准。u 网络体系结构应尽量靠拢国际标准化组织制定的网络体系结构应尽量靠拢国际标准化组织制定的OSIOSI开放系统开放系统互连参考模式互连参考模式；u 低层联接通信子网所选的网络产品应符合电气与电子工程师低层联接通信子网所选的网络产品应符合电气与电子工程师学会学会IEEEIEEE的的802802系列标准系列标准和国际电报电话咨询委员会和国际电报电话咨询委员会CCITTCCITT所规所规定的定的X.25X.25公用分组数据网络规程公用分组数据网络规程等国际流行的标准。等国际流行的标准。 网络低层应有网络低层

30、应有支持多种通信体系支持多种通信体系标准的能力，它反应网络低标准的能力，它反应网络低层的层的开放性开放性、互联性互联性，以适应不断发展的各种先进通信技术，联，以适应不断发展的各种先进通信技术，联接各种通信网络以增加网络系统配置的接各种通信网络以增加网络系统配置的灵活性灵活性，便于局域网，便于局域网LANLAN与广域网与广域网WANWAN的互联。的互联。（2 2）标准化）标准化网络要求网络要求College of Logistics EnginerringWHUT（3 3）先进性）先进性 系统方案采用先进的技术，保证系统具有一定的系统方案采用先进的技术，保证系统具有一定的前瞻性前瞻性；采用的产；

31、采用的产品也应该是品也应该是业界一流业界一流的产品，并且是厂家的产品，并且是厂家重点研发重点研发的产品；网络系统能满足的产品；网络系统能满足未来网络应用和扩充的需求。未来网络应用和扩充的需求。（4 4）投资保护）投资保护 所选用的设备所选用的设备易于升级易于升级、便于维护便于维护，符合技术发展方向，保护用户，符合技术发展方向，保护用户投资。投资。（5 5）易于管理）易于管理 网络设备具有网络设备具有全面的网管功能全面的网管功能，便于网管人员对系统的维护与管理。，便于网管人员对系统的维护与管理。（6 6）产品与服务的长期性）产品与服务的长期性 在该网络中，不仅选用在该网络中，不仅选用生命力强生命

32、力强的产品，还要求网络集成方有能力的产品，还要求网络集成方有能力提供提供长期的专业化服务长期的专业化服务。网络要求网络要求College of Logistics EnginerringWHUT 递阶控制方法是实现大系统集成控制的一种方法。递阶控递阶控制方法是实现大系统集成控制的一种方法。递阶控制有下列几种不同的形式：制有下列几种不同的形式：（1 1）分层控制）分层控制p 按按控制任务控制任务进行分解的进行分解的结构方案；结构方案；p 把控制任务分成几个不把控制任务分成几个不同的层次，由各层控制同的层次，由各层控制器分别完成；器分别完成；p 下层任务的目标函数受下层任务的目标函数受上层控制器决

33、策的影响。上层控制器决策的影响。（2 2）分级控制）分级控制p 按按对象结构对象结构进行分解的结进行分解的结构方案；构方案；p 将对象划分成若干个系统，将对象划分成若干个系统，由各局部控制器完成现场由各局部控制器完成现场控制任务；控制任务；p 协调控制器通过控制递阶协调控制器通过控制递阶控制器完成局部控制器之控制器完成局部控制器之间的协调。间的协调。（3 3）分段控制）分段控制p 按按控制过程的时序控制过程的时序进行分解的结构方进行分解的结构方案；案；p 把控制过程分成若把控制过程分成若干段，在每段时间干段，在每段时间内由不同的控制器内由不同的控制器完成对现场的控制。完成对现场的控制。递阶控制

34、递阶控制College of Logistics EnginerringWHUT 实际上，实际上，分层控制分层控制、分级控制分级控制、分段控制分段控制三种控制形式三种控制形式并不是绝对的，一种典型的控制结构中并不是绝对的，一种典型的控制结构中同时具有分级和分层同时具有分级和分层两种形式是很常见的。两种形式是很常见的。 这种同时具有这种同时具有多种递阶控制形式多种递阶控制形式的控制结构有时又称作的控制结构有时又称作分级分布式控制分级分布式控制。递阶控制递阶控制College of Logistics EnginerringWHUT传统传统DCSDCS及及PLCPLC体系结构图体系结构图1.3 1

35、.3 网络系统集成网络系统集成集成的基本结构形式集成的基本结构形式College of Logistics EnginerringWHUTFCSFCS体系结构图体系结构图FCSFCS简化成两个网络层，处于现场级网络的仪表通过简化成两个网络层，处于现场级网络的仪表通过链链路设备路设备同位于主站级网络的同位于主站级网络的工作站工作站相连接。链路设备或相连接。链路设备或中央控制器可以完成离散逻辑及顺序控制。中央控制器可以完成离散逻辑及顺序控制。当控制在现场设备中完成时，所需当控制在现场设备中完成时，所需中央控制器的数量中央控制器的数量随之随之减少减少，因而可大大，因而可大大降低降低了系统的了系统的成

36、本成本。集成的基本结构形式集成的基本结构形式College of Logistics EnginerringWHUTFCSFCS体系结构图体系结构图 每台设备只处理一个每台设备只处理一个回路，通过网络将多台设备回路，通过网络将多台设备连接在一起，所集成的众多连接在一起，所集成的众多微处理器的能力微处理器的能力超过了早期超过了早期的大系统。的大系统。 控制的任务被分散到并行工作控制的任务被分散到并行工作的现场设备中，构成工作效率很高的现场设备中，构成工作效率很高的的多任务系统多任务系统，运算能力运算能力也得到也得到提提高高。这种系统。这种系统易于扩展易于扩展，而且加入，而且加入的设备越多，系统的

37、能力越强。的设备越多，系统的能力越强。集成的基本结构形式集成的基本结构形式College of Logistics EnginerringWHUTp物理层处于最低层，主要功能是利用物理传输介质为数据物理层处于最低层，主要功能是利用物理传输介质为数据链路层链路层提供物理连接提供物理连接，以便，以便传送信息流传送信息流。p物理介质物理介质可以是国际电工委员会可以是国际电工委员会IECIEC物理层技术规范中所物理层技术规范中所规定的任何一种传输介质，例如规定的任何一种传输介质，例如双绞线双绞线、光缆光缆或或射频射频。p物理层又可以分成物理层又可以分成物理介质物理介质相关相关子层子层与与物理介质物理介

38、质独立独立子层子层。p现场总线物理层是由物理介质的有关现场总线物理层是由物理介质的有关规定规定和传输数据的信和传输数据的信号号协议协议所构成。所构成。p物理层定义了信号是如何在介质上以何种方式从一个设备物理层定义了信号是如何在介质上以何种方式从一个设备传递到另一个设备。传递到另一个设备。p物理层物理层使数据链路层使数据链路层在发送、接收数据时在发送、接收数据时与物理介质的类与物理介质的类型型无关。无关。物理层配置物理层配置College of Logistics EnginerringWHUT 物理层协议是有关系统安装的一些规定，它规定了物理层协议是有关系统安装的一些规定，它规定了机械恃性机械

39、恃性、电气特性电气特性、功能特性功能特性和和过程特性过程特性四类特性。四类特性。n 机械特性：机械特性：连接器的规格、连接器的安装；连接器的规格、连接器的安装；n 电气特性：电气特性：传输线上数字信号的电压高低、传输距离和传输线上数字信号的电压高低、传输距离和传输速率；传输速率；n 功能特性：功能特性：连接器内容、插脚的功能；连接器内容、插脚的功能；n 过程特性：过程特性：信号的时序关系。信号的时序关系。 物理层配置物理层配置College of Logistics EnginerringWHUTp物理介质相关子层负责处理物理介质相关子层负责处理不同传输介质不同传输介质、不同传输不同传输速率速

40、率的信号转换问题，有时称为的信号转换问题，有时称为介质访问单元介质访问单元。p物理介质独立子层物理介质独立子层是介质访问单元与数据链路层的接是介质访问单元与数据链路层的接口，信号的口，信号的编码编码、添加添加或或删除删除前导码前导码和和分界符分界符的工作均的工作均在该层完成。在该层完成。u当传输一个信号时，当传输一个信号时，前导码前导码将通知所有的设备某些信将通知所有的设备某些信息即将到来，前导码由一系列的息即将到来，前导码由一系列的“0 0”和和“1 1”所组成；所组成；u信息的开始是由一个特定的信息的开始是由一个特定的起始分界符起始分界符表示的，而信表示的，而信息的结束由息的结束由结束分界

41、符结束分界符表示；表示；u物理层在要传输的信息中加入物理层在要传输的信息中加入前导码前导码和和分界符分界符，而当，而当收到信息之后再把它们去除。收到信息之后再把它们去除。 物理层配置物理层配置College of Logistics EnginerringWHUTv应用层处于最高层，应用层应用层处于最高层，应用层确定进程之间通信的性质确定进程之间通信的性质，以满足用户的需要；以满足用户的需要；v应用层应用层提供提供应用进程所需要的应用进程所需要的信息交换信息交换和和远程操作远程操作，还作为应用进程的还作为应用进程的用户代理用户代理(User Agent)(User Agent)，来完成一些，来

42、完成一些为进行信息交换所必需的功能。包括：为进行信息交换所必需的功能。包括：l文件传送访问和管理文件传送访问和管理（FTAMFTAM）l虚拟终端虚拟终端（VTVT）l事务处理事务处理（TPTP）l远程数据库访问远程数据库访问l目录服务目录服务（DSDS）应用层应用层College of Logistics EnginerringWHUTu节点上所有应用程序活动需要采用应用层，通过通信节点上所有应用程序活动需要采用应用层，通过通信与网络上其他节点与网络上其他节点交换信息交换信息。u在应用程序和应用层之间的接口称为在应用程序和应用层之间的接口称为应用层接口应用层接口（Application Lay

43、er InterfaceApplication Layer Interface， ALIALI）。u应用层及位于其下的表达层具有应用层及位于其下的表达层具有传送网络变量传送网络变量、通过通过一般报文一般报文、网络管理报文网络管理报文（NMMNMM）、网络诊断报文网络诊断报文、外外来帧发送来帧发送等基本功能。等基本功能。 u程序使用应用层服务和其他节点通信，通信分为程序使用应用层服务和其他节点通信，通信分为用户用户数据交换数据交换、启动网络管理启动网络管理和和网络诊断网络诊断服务。服务。应用层应用层College of Logistics EnginerringWHUT第二章第二章 系统集成的建

44、模与仿真系统集成的建模与仿真2.1 2.1 系统需求分析系统需求分析2.2 2.2 系统建模系统建模2.3 2.3 系统的仿真系统的仿真College of Logistics EnginerringWHUT 设计系统时，必须确定一系列设计指标，对所设计的系统提出必须满设计系统时，必须确定一系列设计指标，对所设计的系统提出必须满足的技术要求，然后才能着手具体系统的设计仿真。足的技术要求，然后才能着手具体系统的设计仿真。一般性的技术要求一般性的技术要求包包括以下几个方面：括以下几个方面：p系统用途是系统用途是首先关心的问题首先关心的问题，也是系统生产者预测市，也是系统生产者预测市场需求场需求首要

45、的事项首要的事项；p系统的功能要求，要从市场需求出发，尊重最终用户系统的功能要求，要从市场需求出发，尊重最终用户的意见，结合技术上的可行性，再作出抉择。的意见，结合技术上的可行性，再作出抉择。系统功能系统功能p性能指标是系统功能的性能指标是系统功能的定量说明定量说明，每一项功能都应该，每一项功能都应该满足一定的性能指标；满足一定的性能指标；p对于仪器仪表，性能指标一般包括对于仪器仪表，性能指标一般包括分辨率分辨率、灵敏度灵敏度、尺寸精度尺寸精度、线性度线性度、运行速度运行速度和和位移位移范围，以及范围，以及承载能承载能力力、功耗功耗、体积体积、重量重量等。等。p制定性能指标时，必须有制定性能指

46、标时，必须有科学的依据科学的依据。性能指标性能指标第二章第二章 系统集成的建模与仿真系统集成的建模与仿真2.1 2.1 系统需求分析系统需求分析College of Logistics EnginerringWHUTp客观环境条件有客观环境条件有温度温度、湿度湿度、振动振动、冲击冲击、噪声噪声、电磁干扰电磁干扰；p主观因素应考虑使用人员的素质水平；主观因素应考虑使用人员的素质水平；p必须满足可必须满足可操作性操作性、可维修性可维修性、安全性安全性及及可靠性可靠性等等要求，系统还应具有足够的要求，系统还应具有足够的使用寿命使用寿命。使用条件使用条件p投资方投资方考虑投入的经费、人力及时间，产品在

47、市场考虑投入的经费、人力及时间，产品在市场上将占有的份额及预计收益；上将占有的份额及预计收益；p用户方用户方要分析他们的费效比和经济承受能力；要分析他们的费效比和经济承受能力；p只有这两方面都考虑到，才能制定出好的只有这两方面都考虑到，才能制定出好的新产品开新产品开发策略发策略。 经济效益经济效益 2.1 2.1 系统需求分析系统需求分析College of Logistics EnginerringWHUTu 为提高系统的性能和柔性，要求广泛的为提高系统的性能和柔性，要求广泛的物质物质和和信息信息的的集成集成；u 无论在概念设计阶段还是详细设计阶段，都要无论在概念设计阶段还是详细设计阶段，都

48、要着眼系着眼系统统，着眼总体着眼总体，必须始终贯彻，必须始终贯彻系统总体优化系统总体优化的原则；的原则；u 在整个系统的设计过程中，需要考虑在整个系统的设计过程中，需要考虑机械技术机械技术与与电子电子控制技术控制技术的集成，创造出机械、电子以及软件等有机的集成，创造出机械、电子以及软件等有机结合的新产品。结合的新产品。2.1 2.1 系统需求分析系统需求分析College of Logistics EnginerringWHUT 模型是对事物、现象、过程或系统的简化描述或模仿，是人们对客观实模型是对事物、现象、过程或系统的简化描述或模仿，是人们对客观实体运动规律的主观认识，有体运动规律的主观认

49、识，有物理模型物理模型、数学模型数学模型、仿真模型仿真模型等。等。 定量描述系统或过程的定量描述系统或过程的输入输出关系输入输出关系、因果关系因果关系、动态动态和和静态特性静态特性的模的模型称为数学模型。型称为数学模型。 描述过程将涉及对实际系统描述过程将涉及对实际系统特征信息的抽取特征信息的抽取（如（如采集采集、选择选择、传输传输、转转换换等）、等）、映射表示映射表示、融合融合等信息处理活动。等信息处理活动。 建立一个数学模型通常包括两方面工作：建立一个数学模型通常包括两方面工作：u 模型结构的确定模型结构的确定u 模型的参数估计模型的参数估计2.2 2.2 系统建模系统建模College

50、of Logistics EnginerringWHUT 建立模型的过程叫建立模型的过程叫“建模建模”，通过观测或实验数据建模称，通过观测或实验数据建模称为为“辨识辨识”。利用模型完成试验研究，即。利用模型完成试验研究，即“仿真仿真”，或称，或称“模拟模拟”。实现对时间序列的预测和实现对时间序列的预测和控制；控制；实现对随机信号的估计；实现对随机信号的估计；实现系统的状态估计；实现系统的状态估计；实现过程控制。实现过程控制。 建模是对系建模是对系统或过程进统或过程进行分析的最行分析的最重要的、最重要的、最基本的过程。基本的过程。2.2 2.2 系统建模系统建模College of Logist

51、ics EnginerringWHUT 具有具有学科面广学科面广、综合性强综合性强、应用领域宽应用领域宽、无破坏性无破坏性、可可多次重复多次重复、安全安全、经济经济、可控可控、不受气候条件不受气候条件和和场地空间限场地空间限制制等独特优点。等独特优点。 也是一门不断发展的高新技术，已成为现代实验工程和也是一门不断发展的高新技术，已成为现代实验工程和科学研究的科学研究的主要技术手段主要技术手段，被广泛应用于国防和国民经济的，被广泛应用于国防和国民经济的各个领域。各个领域。 系统建模与仿真是通用的支撑性技术。系统建模与仿真是通用的支撑性技术。2.2 2.2 系统建模系统建模College of L

52、ogistics EnginerringWHUT等效替代等效替代模型的主要性质模型的主要性质被研究的实际系统被研究的实际系统原型原型模型模型1 1）普遍性普遍性：亦称：亦称等效性等效性，即一种模型与多个系统具有相似性。，即一种模型与多个系统具有相似性。2 2）适当精确性适当精确性：过于粗略过于粗略，失去过多系统特性而变得无用；，失去过多系统特性而变得无用； 过于精确，过于精确，计算量大、运算周期长、分析困难。计算量大、运算周期长、分析困难。 应该具有应该具有多种因素折衷下多种因素折衷下的适当精确性。的适当精确性。3 3）可信性可信性：模型必须经过检验和确认，成为代表实际系统的有效模型，具：模型

53、必须经过检验和确认，成为代表实际系统的有效模型，具有有良好的置信度良好的置信度。4 4）异构性异构性：同一个系统的模型可以具有：同一个系统的模型可以具有不同的形式和结构不同的形式和结构，模型研究中将，模型研究中将选择选择最方便、最合理最方便、最合理的模型形式和结构。的模型形式和结构。5 5）通过性通过性：输入信息可获取输出信息，从而产生了实验辨识建模的依据。：输入信息可获取输出信息，从而产生了实验辨识建模的依据。定义定义数学模型定义和一般描述数学模型定义和一般描述College of Logistics EnginerringWHUT 数学模型是描述实际系统各变量间相互关系的数学表达式，合理的

54、数数学模型是描述实际系统各变量间相互关系的数学表达式，合理的数学模型应是能够正确反映系统表征和特性的学模型应是能够正确反映系统表征和特性的最简数学表达式最简数学表达式。 另外，近年来人工智能研究中出现了一类描述模型，用另外，近年来人工智能研究中出现了一类描述模型，用自然语言自然语言或或程序语言程序语言来来描述，其模型解也是描述，其模型解也是“探索探索”得到的，更接近人类思维过程，同时也尚待数学化。得到的，更接近人类思维过程，同时也尚待数学化。线性定常连续系统线性定常连续系统线性常微分方程、传递函数、状态空间方程线性常微分方程、传递函数、状态空间方程分布参数系统分布参数系统偏微分方程偏微分方程非

55、线性连续系统非线性连续系统非线性偏微分方程非线性偏微分方程离散系统离散系统差分方程、时间序列、脉冲传递函数、逻差分方程、时间序列、脉冲传递函数、逻辑式、概率分布函数、网络图辑式、概率分布函数、网络图系统类型系统类型数学模型数学模型数学模型定义和一般描述数学模型定义和一般描述College of Logistics EnginerringWHUT模型研究概念模型研究概念实际系统实际系统模模 型型实际结论实际结论模型结论模型结论实物实物试验试验模型模型试验试验建模建模多次修改模型多次修改模型模型分类模型分类College of Logistics EnginerringWHUT常见模型分类常见模型

56、分类系统模型系统模型数学模型数学模型动态动态数值法数值法物理模型物理模型半物理模型半物理模型静态静态分析法分析法分析法分析法离散离散连续连续模型分类模型分类College of Logistics EnginerringWHUT基于具体分析方法的模型分类基于具体分析方法的模型分类 黑盒模型黑盒模型灰盒模型灰盒模型白盒模型白盒模型非自治模型非自治模型自治模型自治模型启发式模型启发式模型抽象模型抽象模型形象模型形象模型数学模型数学模型文字模型文字模型物理模型物理模型异构模型异构模型同构模型同构模型概念模型概念模型数学模型数学模型仿真模型仿真模型蒙特卡洛模型蒙特卡洛模型博弈模型博弈模型维修更新模型维

57、修更新模型可靠性模型可靠性模型预测模型预测模型决策模型决策模型排序模型排序模型投入投入产出模型产出模型网络模型网络模型非线性规划模型非线性规划模型线性规划模型线性规划模型确定性模型确定性模型随机性模型随机性模型模型模型模型分类模型分类College of Logistics EnginerringWHUT 数学建模就是确定系统的模型数学建模就是确定系统的模型形式形式、结构结构和和参数参数，以得到正确描述系，以得到正确描述系统表征和性状的统表征和性状的最简数学表达式最简数学表达式。 数学建模型的几条基本原则：数学建模型的几条基本原则：对数学模型的要求：对数学模型的要求：u 模型模型功能功能是否满

58、足所研究问题是否满足所研究问题的需要？的需要？u 模型模型形式形式是否合理、经济？是否合理、经济？u 模型是否容易模型是否容易实现实现？u 模型运转是否模型运转是否稳定稳定？u 是否可以达到顸期的是否可以达到顸期的精度精度要求？要求？ 建模时须考虑：建模时须考虑：n精确性精确性n简明性简明性n层次性层次性n多用性多用性n可靠性可靠性n标准化标准化数学建模及其过程数学建模及其过程College of Logistics EnginerringWHUT 实际工程中的具体实际工程中的具体数学建模方法多达数十数学建模方法多达数十种。其中种。其中计算机辅助建计算机辅助建模模愈来愈多地被采用。愈来愈多地被

59、采用。 选择合理建模方法选择合理建模方法 机理分析法机理分析法 实验辨识法实验辨识法 定性推理法定性推理法计算机辅助建模流程图计算机辅助建模流程图 数学建模及其过程数学建模及其过程College of Logistics EnginerringWHUT 数学建模的一般过程数学建模的一般过程 通过以上过程，保证所得到的模型是通过以上过程，保证所得到的模型是有用的有用的、可靠的可靠的，其模型结论，其模型结论能反映实验系统结论。能反映实验系统结论。观察和分析系统观察和分析系统提出问题提出问题作出假设作出假设系统描述系统描述构筑形式化模型构筑形式化模型模型求解模型求解模型有效性分析模型有效性分析修改模

60、型修改模型最终确认最终确认多次反复多次反复模型校核，验证确认模型校核，验证确认有效后验模型有效后验模型模型使用模型使用数学建模及其过程数学建模及其过程College of Logistics EnginerringWHUT 数学模型是从系统概念出发的关于现实世界部分的数学模型是从系统概念出发的关于现实世界部分的“映象映象”。真实系统。真实系统建模的抽象过程，包括建模的抽象过程，包括输入输入、输出输出、状态变量状态变量及其及其函数关系函数关系。系统建模的抽象过程系统建模的抽象过程数学建模及其过程数学建模及其过程College of Logistics EnginerringWHUT 传统的数学建