动力工程测控技术的应用与发展

1、动力工程测控技术的应用与发展,2.3 测控技术与仪器的发展历史,2.3.1 测控技术的早期实践 2.3.2 测控技术的形成和发展 2.3.3 控制理论的发展历程 2.3.4 测控技术的发展思考,2.3.1 测控技术的早期实践 人类在很早期就发明了测量器具。可以考证的最早的计时器具是“水钟”，水钟在中国叫作“刻漏”，也叫“漏壶”。在中国历史博物馆中收藏有一套元代延佑三年（1316年）漏壶，这套铜漏壶由日壶、月壶、星壶和受水壶4部分组成。,在受水壶中央立一铜尺，上刻十二时辰，铜尺前插一木浮箭，下为浮舟，随着受水壶中水位的升高，舟浮箭升，以铜尺刻度测定时间。,公元120年张衡研制出表演天象的漏水转浑

2、天仪 漏水转浑天仪是有明确历史记载的世界上第一架用水力发动的天文仪器。在球的外表面上刻有二十八星宿和其它恒星。在球面上还有地平圈和子午圈另外还有黄道圈和赤道圈，互成24度的交角。在赤道和黄道上，各列有二十四节气成一浑象。,用漏壶滴出来的水的力量带动齿轮，齿轮带动浑象绕轴旋转，一天一周，与天球同步转动。这样，就可以准确地表示天象的变化，人在屋子里观看仪器，就可以知道某星正从东方升起，某星已到中天，某星就要从西方落下。,公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车,公元132年张衡研制出自动测量地震的候风地动仪,2.3.2 测控技术的形成和发展 当人类活动的领域越过感觉器官极限的时候，测量技术就成

3、了一切事业取得成功的前提。科学技术的发展首先取决于测量仪器仪表技术的进展。 1. 第一次科技革命 1718世纪，测控技术初见端倪。欧洲的一些物理学家开始利用电流与磁场作用力的原理制成简单的检流计，利用光学透镜制成望远镜，从而奠定了电学和光学仪器的基础。1609年，著名的意大利科学家伽利略第一次用自制望远镜观测星球，从此人类踏上了探索宇宙的征程。,2.第二次科技革命 19世纪初电磁学领域的一系列发现，引发了第二次科技革命。由于发明了测量电流的仪表，才使电磁学的研究迅速走上正轨，获得了一个又一个重大的发现。电磁学领域的许多发明，如电报、电话、发电机等在实际中得到了广泛的应用，促进了电气时代的来临。

4、同时，其他各种用于测量和观察的仪器也不断涌现。,德国制造的精密一等经纬仪 （使用于1891年以前）,3.第三次科技革命 20世纪20年代，以机电产品为典型代表的机械制造业开始产业化发展。产品大批量生产的特点是循环动作和流水作业，要求在加工生产的每个阶段自动检测工件的位置、尺寸、形状、姿态或性能等，要求对加工过程及零部件装配、运送、包装、储存等作业按程序自动进行操作，同时还要解决不同加工机械间的传动控制问题。 另一方面，以石油为原料的化学工业兴起。以石油化工为典型代表的液态和气态产品的生产过程开始规模化。这类生产过程大都是连续的化学反应过程，工艺条件常常具有高温、高压、腐蚀等特点，要求对工艺参数

5、进行在线测量和自动控制，需要大量的测控仪表。,1913年美国建成最早的汽车装配流水线 1926年美国建成第一条汽车自动生产线,1952年美国研制出第一台数控机床,1954年美国发明家德沃研制成功世界第一台工业机器人样机，并同时申请具有记忆和重复操作功能的机器人专利。 1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。 1970年代，美国研制出具有视觉、触觉和行走能力并具有识别和一定理解能力的智能机器人。,第一台工业机器人样机,现代自动化工厂生产线（国产）,奇瑞、长安汽车冲压生产线,长春汽车焊接生产线,现代高速大型数控中心（沈阳第一机床厂）,2005年我国成功发射载人

6、飞船（神舟6号）,1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功,采松果机器人,挖树根机器人,测控技术的发展面越来越宽阔,嫁接机器人,采摘机器人,壁面清洗机器人,擦玻璃机器人,飞机清洗机器人,汽车加油机器人,家用清洁机器人,高压输电线维修（遥操作）机器人,医用机器人,中国骨科机器人系统,国产反恐机器人,火星探测机器人,微型机器人,（仿生）机器鱼,仿人机器人,足球机器人,拾球机器人,当今世界已进入信息时代。仪器仪表作为信息工业的源头，是信息流中的重要一环。测控技术伴随着信息技术的发展而发展，同时又为信息技术的发展发挥着不可替代的作用。 进入21世纪，一大批当代最新技术成果，如纳米级的精密机械研

7、究成果、分子层次的现代化学研究成果、基因层次的生物学研究成果，以及高精密超性能特种功能材料研究成果和全球网络技术推广应用成果等竞相问世，使得仪器仪表领域发生了根本性的变革，促进了高科技化、智能化的新型仪器仪表时代的来临。,除了卫星测控等非常专业的领域外，日常生活中较少听到“测控”这个名词。更多听到的是这个设备(工艺)是“自动化的”或“自动控制的”。上述功能的本质都是测控技术。 测控技术不仅应用于现代生产、科学研究、航空航天，也越来越多地应用于现代生活中。,*家庭： 全自动照相机、洗衣机、电饭煲,*建筑： 自动门禁、自动监控系统,*交通： 自动控制红绿灯,*银行： 自动取款机ATM,炼铁高炉,冶

8、金生产工艺从采矿、选矿开始，然后把选得的精矿烧结或制成球团，经高炉练成生铁，再由转炉、平炉或电炉炼成钢、铸成钢锭后，经各式轧机轧成板材、管材、型材和线材等。冶金生产过程工序复杂，设备多种多样，环境条件恶劣，工艺要求特别。如冶炼温度超过1600，线材轧机出口速度达50m/s。没有先进的测控技术，则不能保证质量、保证安全、节约能源、降低成本。,2.2.1测控技术在冶金工业中的应用,发电厂电力控制室,2.2.2测控技术在电力工业中的应用,电力工业是转化能源的工业，它把一次能源转化成通用性强、效率高的二次能源。无论是火力发电、水力发电、原子能发电、地热发电、风力发电或者太阳能发电，其发电过程都离不开测

9、控技术。例如火力发电就利用煤炭、石油、天然气或沼气等燃料燃烧时产生的热能来加热水，使水变成高温、高压水蒸气，来推动发电机转换成电能。,煤炭是地下资源，也是人类生活的重要能源。现代化的采煤作业不论是煤层勘探、露天开采、还是井工开采，都离不开测控技术的支持。煤矿安全生产一直是我国煤炭业的突出问题，矿井通风与安全检测仪器仪表尤为重要。 此外，煤炭的转化加工业如煤气厂、煤化工厂更是离不开自动控制系统。,2.2.3 测控技术在煤炭工业中的应用,焦化加工过程及产品,石油工业包括油田气田开发、采油采气、油气集输、炼油等工艺。无论是采油采气还是油气集输和炼油都需要测控技术的支持。从原油生产出各种石油产品一般须

10、经过多个物理及化学的炼油过程。 炼油生产是连续过程，多为高温、高压、易燃、易爆的操作环境，对工艺参数要求严格，必须由自动控制系统完成。测控的大量参数是温度、压力、流量、液位、成分等参数。,2.2.4 测控技术在石油工业中的应用,炼油厂生产装置,化学工业是将各种原料经过化学过程和物理过程而生成各种化工产品的产业，它包括了合成氨及化肥、酸碱及无机盐、基本有机原料、合成纤维，合成橡胶及橡胶制品、合成树脂及塑料、油漆及颜料、染料及中间体、溶剂及助剂、化学农药、化学试剂、感光材料及各种新型材料等，有一定批量生产的化工产品超过一万种以上。因此，化工行业工艺设备复杂多样，多为高温、高压、易燃、易爆的操作环境

11、，对工艺参数要求严格，必须由自动控制系统完成。,2.2.5 测控技术在化学工业中的应用,化工控制使用的仪表种类繁多，温度测量使用的仪表有热电偶、热电阻等；流量测量使用的仪表有差压式流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计和质量流量计等；液位测量使用的仪表有差压液位计、浮筒液位计、雷达液位计和超声波液位计等；还有许多与产品质量相关的物性如浓度、酸度、湿度、密度、浊度、热值以及各种混合气体组分等测量仪表。,化工厂的控制室,汽车自动 焊接生产线,机械工业是制造机械设备和工具的行业，生产的特点是产品批量大，自动化程度高，主要生产过程包括热加工（如铸造、锻造、焊接、热处理等）冷加工（如车、铣、刨、磨

12、等）、装配、调校等。生产中的许多参数信息需要通过检测来提供，生产中出现的各种故障要通过检测去发现和防止，没有可靠的检测手段就没有高效率和高质量。,2.2.6 测控技术在机械工业中的应用,在自动机械加工过程中，要求随时将位移、位置、速度、加速度、力、温度、湿度等各种参数检测出来，以辅助机械实现精确的操作加工。现代机械加工中对检测有很高的要求，检测仪表能自动检测产品质量，检测过程无需人工参与，对检测的质量数据能够自动进行评价、分析，并将结果反馈到加工控制系统。,质量检测的主要对象是机械零件，主要检测内容：零件表面的尺寸、形状和位置误差、零件表面的粗糙度、零件材质（如表面硬度、夹砂缺陷）等。,数控机

13、床,2.2.7 测控技术在航空航天业中的应用,航空指的是在地球周围稠密大气层内的航行活动；航空飞行器有气球、飞艇、飞机等。航空仪表相当于飞机的耳目、大脑和神经系统，用来测量、计算飞机的飞行参数、调整飞机的运动状态，对保障飞机飞行安全、改善飞行性能起着重要作用。,飞机驾驶舱内的仪表盘是显示和控制飞行状态的核心，航空仪表测量的数据主要有： （1）飞行高度和飞行速度的测量 （2）飞机状态和方向测量 （3）过载测量： （4）发动机状态参数测量： （5）加速度测量：,空中客车A380飞机驾驶舱,航天指的是超出大气层的近地空间、行星际空间、行星附近以及恒星际空间的航行活动。航天测控技术是对飞行中的运载火箭

14、及航天器进行跟踪测量、监视和控制的技术。为了保证火箭正常飞行和航天器在轨道上正常工作，除了火箭和航天器上载有测控设备外，还必须在地面建立测控(包括通信)系统，地面测控系统由分布全球各地的测控站及测量船组成。,西安卫星 测控中心,军事装备是运用军事技术研制的作战武器系统，是军事技术的具体成果。随着科学技术的迅猛发展，世界军事装备正经历从工业化战争军事装备向信息化战争军事装备的更新换代。 霹雳12空空导弹是中国研制的第四代先进中距拦射空空导弹，采用主动雷达制导，主动式雷达导引头发射照射目标的电磁波并接收从目标反射的回波。导引头内的跟踪装置根据回波信号使导引头跟踪目标，同时这个回波信号还形成控制导弹

15、的信号，通过自动驾驶仪控制导弹飞向目标。,2.2.8 测控技术在军事装备中的应用,中国霹雳12中距空空导弹,中国于2000年10月开始发射“北斗”定位卫星，如今中国人民解放军已经拥有一整套独立、先进的定位和制导工具来引导其导弹，如“北斗”导航系统和“望远”号导弹卫星跟踪测量船。中国北斗卫星导航系统是重要的空间基础设施，可提供高精度的定位、测速和授时服务，中国计划在2015年形成覆盖全球的卫星导航定位系统。,目前，外层空间军事装备的主体是军用卫星，总量已达2000多颗。其种类有侦察、通信、导航、预警、测地、气象卫星等等。,在医药医疗业中，测控技术主要应用在药品的生产过程控制和医学仪器的研制生产，

16、为诊病、治病提供物理手段。随着基础医学研究的深入和高新技术及电子计算机在实验方法学的应用，使药品生产工艺越来越先进、医学仪器不断出新。,2.2.9 测控技术在医药医疗业中的应用,药片压片机,药片生产过程自动化监控和检验系统对药片压制时的压力大小、药片重量、硬度、直径和密度等参数进行检测控制，并对药片的有效药物成分进行分析。,农业自动化意味着农业生产的电子化、仪表化和计算机控制化，而不仅仅是机械化（如拖拉机、收割机、插秧机等）和电气化（小水电站、电力灌溉等）。农业自动化主要包括耕耘、栽培、收割、运输、排灌、作物环境的自动控制和最优管理。,2.2.10 测控技术在农业中的应用,植物自动嫁接机,智能

17、温室控制系统,随着科学技术的发展、生活水平的提高，大众生活用品越来越自动化、智能化，这都测控技术的功劳。最常见的家用电器如音响、电视机、热水器、空调机、微波炉、电饭煲、洗衣机、冰箱、照相机等都含有测控技术的应用。另外，大众的居住房屋、生活环境、交通工具等更是需要测控技术的支持。,2.2.11 测控技术在大众生活中的应用,智能家居系统,汽车传感器,环境监测,智能测控技术与应用,重点开展先进材料加工装备的实时控制与自动化技术、触力觉感知技术以及测控基础平台等方向的研发。智能检测与控制技术以计算机为核心部件，通过信号的智能感知、可靠传输、智能处理，实现信息获取的实时化和自动化、生产过程的低能耗与绿色化、产品的高精度化,主要研发方向 智能制造装备技术- 先进材料加工过程的智能化与数字化技术- 先进材料加工用高压微小流量注气系统的研