軟測量技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展.doc

軟測量技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展摘要: 采用軟測量技術(shù)，可利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)平臺將不同儀表混合連接，使用集成化、標(biāo)準(zhǔn)化虛擬儀器儀表軟件集成在一個系統(tǒng)中，應(yīng)用系統(tǒng)工程的方法進(jìn)行優(yōu)化，使之以最優(yōu)的性價比滿足應(yīng)用系統(tǒng)的性能要求。軟測量技術(shù)的應(yīng)用將會極大限度地降低工業(yè)過程檢測和控制系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)控制性能指標(biāo)，為工業(yè)過程檢測和控制系統(tǒng)的發(fā)展提供必要的技術(shù)條件。關(guān)鍵詞: 軟測量虛擬儀器數(shù)學(xué)模型檢測與控制系統(tǒng)1、引言 當(dāng)今工業(yè)界對過程控制系統(tǒng)的要求越來越高，不僅希望控制指標(biāo)能保持平穩(wěn)或快速跟蹤，而且常常希望控制指標(biāo)能夠以一定方式顯示出來。然而對許多工業(yè)過程來說，一些重要的輸出變量目前還很難通過傳感器得到，如精餾塔的產(chǎn)品濃度。軟測量技術(shù)的理論根源是基于軟儀表的推斷控制。推斷控制的基本思想是采集過程中比較容易測量的輔助變量，通過構(gòu)造推斷估計器來估計并克服擾動和測量噪聲對主導(dǎo)變量的影響。軟測量技術(shù)體現(xiàn)了估計器的特點。估計器的設(shè)計是根據(jù)某種最優(yōu)準(zhǔn)則，選擇一種即與主導(dǎo)變量有密切聯(lián)系又容易測量的輔助變量，通過構(gòu)造某種數(shù)學(xué)關(guān)系，實現(xiàn)對主導(dǎo)變量的在線估計。軟測量技術(shù)除了能“測量”主導(dǎo)變量，還可以對一些反映過程特性的工藝參數(shù)如精餾塔的塔板效率和反應(yīng)器的催化劑活性等做出估計。所以它已成為自動監(jiān)測和過程優(yōu)化的有力工具。近年來，在軟測量方面國內(nèi)外有大量的研究，ThomasJ.McAvoy更是將SoftSensor列為幾大研究之首，因為軟測量方法涉及到自動控制的許多重要領(lǐng)域,如:過程建模、系統(tǒng)辨識、數(shù)據(jù)處理等等?？偟恼f來，軟測量方法的研究經(jīng)歷了從線性到非線性,從靜態(tài)到動態(tài)，從無校正功能到有校正功能的發(fā)展過程。2、控制方法概述2. 1. 軟測量技術(shù)的應(yīng)用條件軟測量技術(shù)主要由4個相關(guān)要素組成：(1) 中間輔助變量的選擇；(2) 數(shù)據(jù)處理；(3) 軟測量模型的建立；(4) 軟測量模型的在線校正。其中 (3) 是軟測量技術(shù)最重要的組成部分。2.1.1. 中間輔助變量的選擇從間接質(zhì)量指標(biāo)出發(fā)進(jìn)行中間輔助變量類型的選擇，即應(yīng)選擇那些對被估變量的輸出具有較大影響且變化較大的中間輔助變量，從工藝上分析，這些中間輔助變量對估計值的影響不能被忽略；根據(jù)系統(tǒng)的機(jī)理和需要確定中間輔助變量的數(shù)量，應(yīng)該根據(jù)軟測量采用的系統(tǒng)建模方法及其機(jī)理，結(jié)合具體過程進(jìn)行分析；采用奇異值分解或工業(yè)控制仿真軟件等方法進(jìn)行檢測點的選取，在使用軟測量技術(shù)時，檢測位置對模型的動態(tài)特性有一定影響。因此，對輸入中間輔助變量各個檢測點的檢測方法、位置和儀表精確度等需有一定要求。2.1.2. 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)預(yù)處理：由于工業(yè)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)具有一定隨機(jī)性，數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是消除突變噪聲和周期性波動噪聲的污染。為提高數(shù)據(jù)處理的精確度，除去隨機(jī)噪聲，可采用數(shù)據(jù)平滑化方法如時域平滑濾波和頻域濾波法等; 數(shù)據(jù)二次處理：根據(jù)軟測量采用的系統(tǒng)建模方法及其機(jī)理不同，須對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，如采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行系統(tǒng)建模需要對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，采用模糊邏輯方法需對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理。2.1.3. 數(shù)學(xué)模型的建立在軟測量技術(shù)發(fā)展過程中，推理控制模型經(jīng)歷了從線性到非線性過程。線性軟測量模型的建立一般在Kalman濾波理論基礎(chǔ)上，這類方法對模型誤差和測量誤差很敏感，很難處理具有嚴(yán)重非線性過程。而非線性軟測量采用許多當(dāng)前前沿技術(shù)，可采用機(jī)理建模、統(tǒng)計回歸建模、模糊建模及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模等人工智能方法。人工智能技術(shù)因無需對象精確的數(shù)學(xué)模型成為軟測量技術(shù)中建模的有效方法。機(jī)理建模：根據(jù)生產(chǎn)過程中各物料、熱量間平衡關(guān)系和有關(guān)物理、化學(xué)等基本規(guī)則及定理等，在較為合理的假設(shè)條件下得到的數(shù)學(xué)模型。由于過程機(jī)理推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型比較符合生產(chǎn)過程特性，具有較高模型精確度，在多數(shù)應(yīng)用場合不必再進(jìn)行在線或離線校正。在實際應(yīng)用時，由于對工業(yè)生產(chǎn)過程機(jī)理的認(rèn)識不夠，建立機(jī)理模型估計一些過程變量具有一定困難；統(tǒng)計回歸建模：根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理，通過大量在線實時檢測的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，由統(tǒng)計回歸方法建立難以檢測的過程變量與可檢測的過程變量間的數(shù)學(xué)模型；模糊建模：根據(jù)過程檢測變量的實時數(shù)據(jù)及領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗，通過劃分輸入輸出模糊空間及建立模糊規(guī)則進(jìn)行系統(tǒng)模型辨識。這種建模方法能有效辨識復(fù)雜和病態(tài)結(jié)構(gòu)及具有時延、時變、多輸入單輸出的非線性系統(tǒng)；能辨識性能優(yōu)越的人類控制器；可得到實控對象的定性與定量相結(jié)合的模型；但需要定期校正規(guī)則庫及輸入輸出模糊空間的劃分；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模：根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能對大量過程檢測變量的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，并根據(jù)學(xué)習(xí)結(jié)果建立數(shù)學(xué)模型。這種建模方法具有較強(qiáng)魯棒性，且不需先驗知識，對于非線性和較大滯后的系統(tǒng)有較好應(yīng)用效果；需對模型輸入變量中超出正常操作條件的數(shù)據(jù)組進(jìn)行手工剔除。 在實際應(yīng)用中，可具體分析工業(yè)過程系統(tǒng)的特點，綜合上述兩種或多種方法進(jìn)行系統(tǒng)建模。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，也為建模提供了新的手段和方法，如將小波變換與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合進(jìn)行系統(tǒng)建模。上圖：數(shù)學(xué)描述2.1.4. 數(shù)學(xué)模型的修正由于過程的隨機(jī)噪聲和不確定性，所建數(shù)學(xué)模型與實際對象間有誤差，如果誤差大于工藝允許的范圍時，應(yīng)對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行校正。校正方法可以是自學(xué)習(xí)方法，也可根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行重新建模。采用卡爾曼布西觀測器進(jìn)行狀態(tài)估計時，可通過閉環(huán)校正進(jìn)行數(shù)學(xué)模型修正。軟測量技術(shù)與其他技術(shù)互相推進(jìn)，也不斷提出新的問題，如最優(yōu)過程變量數(shù)目的選擇，推理估計器(軟傳感器)的優(yōu)化設(shè)計等問題。2.2軟測量技術(shù)的實現(xiàn)隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PC與臺式工作站已成為測量應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)控制平臺。帶有用戶接口程序庫、儀器儀表驅(qū)動程序庫、測試執(zhí)行程序及分析庫的虛擬儀器儀表應(yīng)用軟件包極大提高了儀器儀表系統(tǒng)的開發(fā)效率。這些儀器儀表系統(tǒng)包括GPIB(IEEE 488.2)、VXIbus、插入式數(shù)據(jù)/圖像采集板、串行與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等4類I/O接口。對用戶來說，建立軟測量技術(shù)控制方案的關(guān)鍵還是軟件。軟測量系統(tǒng)軟件主要分為4層結(jié)構(gòu)：測試管理層、測試程序?qū)印x器驅(qū)動層和I/O接口層。目前，PC軟硬件資源不斷豐富與發(fā)展，已出現(xiàn)了虛擬儀器軟件標(biāo)準(zhǔn)，使這些軟件層的設(shè)計均以“與設(shè)備無關(guān)”為特征，大大改善了開發(fā)環(huán)境。由于虛擬儀器的本質(zhì)是面向?qū)ο蟮?，不同開發(fā)人員采用不同工具開發(fā)的測試程序很方便地集成在一個系統(tǒng)中。同時，提供通信功能的圖形化虛擬儀器測試測量系統(tǒng)的工具化軟件在逐步完善，解決了對開發(fā)人員編程能力和硬件掌握要求高、開發(fā)周期長、軟件移植與維護(hù)難的問題。目前HP公司的HP VEE及NI公司的LabVIEW是兩種非常適用的圖形化虛擬儀器編程工具。上圖：軟測量技術(shù)的結(jié)構(gòu)圖3、應(yīng)用實例分析3.1軟測量技術(shù)的應(yīng)用及其意義3.1.1. 軟測量技術(shù)的應(yīng)用條件軟測量技術(shù)作為一種新的檢測與控制技術(shù)，與其他技術(shù)相似，只有在其適用范圍內(nèi)才能充分發(fā)揮自身優(yōu)勢。因此，必須對其適用條件進(jìn)行分析：通過軟測量技術(shù)所得到的過程變量估計值必須在工藝過程所允許的精確度范圍內(nèi)；能通過其他檢測手段根據(jù)過程變量估計值對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行校驗，并根據(jù)兩者偏差確定數(shù)學(xué)模型校正與否；直接檢測被估過程變量的自動化儀器儀表較貴或維護(hù)困難；被估過程變量應(yīng)具有靈敏性、精確性、魯棒性、合理性及特異性。3.1.2. 軟測量技術(shù)的應(yīng)用在不增加或少增加投資的條件下，軟測量技術(shù)將會得到廣泛應(yīng)用，從而對過程檢測和控制系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響。打破傳統(tǒng)單輸入單輸出儀表格局：軟測量儀表是多輸入多輸出智能型儀表，它可以是專用儀表，也可以是由用戶進(jìn)行編程的通用儀表，一些價格較貴難維護(hù)的儀表將為軟測量儀表所代替；實現(xiàn)在同一儀表中結(jié)合軟測量技術(shù)與控制技術(shù)：采用智能總線化儀表后，在一臺儀表中實現(xiàn)多個回路的控制將成為可能；修改方便：軟測量的本質(zhì)是面向?qū)ο蟮?，通過編程或組態(tài)來實現(xiàn)軟測量數(shù)學(xué)模型，可以通過編程器或組態(tài)操作方便地對模型參數(shù)進(jìn)行修改，甚至可以對推理控制模型進(jìn)行修正；在分散控制系統(tǒng)中實現(xiàn)方便：一些較簡單的數(shù)學(xué)模型還可在單回路控制器中實現(xiàn)。對過程控制系統(tǒng)來說，原來因缺少檢測手段而采用的一些間接控制方案將被采用軟測量技術(shù)的以直接控制目標(biāo)為目的的控制方案所代替，以提高控制性能指標(biāo)。同時，軟測量技術(shù)的應(yīng)用對原有一些經(jīng)典控制方案也提出了挑戰(zhàn)。例如，在經(jīng)典優(yōu)化控制系統(tǒng)中，由于優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)難于直接估計，使優(yōu)化控制級分列在過程控制級上，采用軟測量技術(shù)可直接對多優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行估計，使優(yōu)化控制直接在過程控制級實現(xiàn)，減少控制回路間的協(xié)調(diào)。3.2應(yīng)用實例軟測量技術(shù)工業(yè)應(yīng)用成功實例不少。國外有Inferential Control公司、Setpoint公司、DMC公司、Profimatics公司、Simeon公司、Applied Automation公司等以商品化軟件形式推出各自的軟測量儀表，這些已廣泛應(yīng)用于常減壓塔、FCCU主分餾塔、焦化主分餾塔、加氫裂化分餾塔、汽油穩(wěn)定塔、脫乙烷塔等先進(jìn)控制和優(yōu)化控制。它增加了輕質(zhì)油收率，降低了能耗并減少了原油切換時間，取得了明顯經(jīng)濟(jì)效益。國內(nèi) 引 進(jìn) 和自行開發(fā)軟測量技術(shù)在石油化工、煉油工業(yè)過程應(yīng)用比較多，例如催化裂化裝置分餾塔輕柴油凝固點軟測量，基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析并結(jié)合工藝機(jī)理分析，建立了多層前向網(wǎng)絡(luò)柴油凝固點的軟測量模型設(shè)計簡單在線校正。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型估計值與分析值最大誤差為1.65 cC ，并用了閉環(huán)控制，平穩(wěn)了生產(chǎn)，減少凝固點波動，合格品由94%提高到100%;常減壓裝置常壓塔柴油凝固點軟測量。通過現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，建立了非線性回歸模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，為提高模型精度和魯棒性，組成非線性回歸模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合的混合模型，并設(shè)計了一個串級控制系統(tǒng)。投人運(yùn)行后獲得較好控制效果，可以滿足生產(chǎn)要求;氣分裝置丙烯丙烷塔塔頂丙烯成分軟測量。通過嚴(yán)格的汽液平衡模型簡化和現(xiàn)場測試，得到非線性回歸模型，并設(shè)計在線校正。該軟測量估計器投人在線運(yùn)行，精度能滿足要求，并成功應(yīng)用于丙烯成分閉環(huán)控制，取得了明顯經(jīng)濟(jì)效益;延遲焦化裝置分餾塔粗汽油干點軟測量。經(jīng)對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)及工藝機(jī)理分析，確定了影響粗汽油干點的最主要因素，分別建立了PLS和RBFN模型，為提高模型精度和泛化能力、將PLS模型和RBFN模型并聯(lián)建立了粗汽油干點混合模型，交叉驗證表明這一方法是有效的，所建模型精度較高和良好的泛化能力;連續(xù)重整裝置中重整產(chǎn)品辛烷值、待生催化劑結(jié)焦含量、重整產(chǎn)品C5+液收率的軟測量，實現(xiàn)在保證質(zhì)量合格前提下提高產(chǎn)品收率的優(yōu)化操作指導(dǎo);完成對重整再生器氧含量的軟測量。兩個系統(tǒng)先后投運(yùn)后運(yùn)行正常，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益;4、總結(jié)軟測量技術(shù)是工業(yè)計算機(jī)優(yōu)化控制的有利工具，在理論研究和實際應(yīng)用中已經(jīng)取得了不少成果，其理論體系亦正在逐步形成。不論 過 于 夸大軟測量的作用或忽視軟測量的重要性均是不正確的。軟測量僅靠實驗室分析儀表分析值進(jìn)行校正要獲得很高精度是很困難的，是一種粗放型測量技術(shù)，特別適合于煉油，石油化工中測量10%,50%,90%和最終的ASTM沸點、閃點、傾點、粘點和雷得蒸汽壓等，因為這些測量精度一般要求不高，所以成功應(yīng)用實例不少。軟測量要想獲得高精度，必須要用在線分析儀表進(jìn)行實時校正，這時軟測量主要是克服在線分線儀表純滯后給控制帶來的困難。經(jīng)過在線分析儀表進(jìn)行實時校正后軟測量可應(yīng)用于石油化工中成品精餾塔例乙烯塔、丙烯塔等裝置。參考文獻(xiàn)【1】LOUX S ,LOPAROK A.Bearing fault diagnosis based onwavelettran