【畢業(yè)學(xué)位論文】氣流干燥過程水份軟測量系統(tǒng)的研究與開發(fā)-控制理論與控制工程

分類號(hào) 密級(jí) U D C 編號(hào) 中南大學(xué) 士學(xué)位論文 論文題目 氣流干燥過程水份軟測量系統(tǒng)的 研究與開發(fā) 學(xué)科、專業(yè) 控制理論與控制工程 研究生姓名 黃 佳 導(dǎo)師姓名及 專業(yè)技術(shù)職稱 桂 衛(wèi) 華 教 授 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 要 氣流干燥是閃速熔煉的關(guān)鍵工序之一，間是穩(wěn)定熔煉生產(chǎn)的重要前提。由于沉塵室干精礦的含水率難以在線檢測， 根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的調(diào)節(jié)導(dǎo)致干精礦含水率的波動(dòng)較大。因此，開發(fā)氣流干燥過程水份軟測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)干精礦含水率的在線預(yù)測，具有十分重要的意義。 本文深入研究了氣流干燥過程的特點(diǎn)， 詳細(xì)分析了影響氣流干燥過程水份的各種因素，包括沉塵室溫度、 煙氣流量、重油流量、稀釋風(fēng)和燃燒風(fēng)流量、精礦量等；在此基 礎(chǔ)上，建立了氣流干燥過程水份軟測量模型， 包括基于機(jī)理分析的熱平衡子模型和基于生產(chǎn)控制專家經(jīng)驗(yàn)和大量的過程采集數(shù)據(jù)的主元回歸子模型； 并結(jié)合各種建模方法的優(yōu)點(diǎn)，利用專家經(jīng)驗(yàn)建立專家規(guī)則 庫，對(duì)軟測量子模型進(jìn)行智能協(xié)調(diào)和有效集成。仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，該協(xié)調(diào)和集成策略切實(shí)可行，能滿足工業(yè)生產(chǎn)工藝要求。此外， 論文還研究了軟測量模型進(jìn)行在線校正的方法，以使模型更好的適應(yīng)工況的變化。 采用 語言進(jìn)行模塊化程序設(shè)計(jì)，開發(fā)氣流干燥過程水份軟測量系統(tǒng)，利用 術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序與組態(tài)軟件的通信，通過在線獲取氣流干燥過程檢測點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)， 實(shí)現(xiàn)了干精礦含水率的軟測量， 能夠?qū)^程狀態(tài)進(jìn)行可視化監(jiān)控， 并具有數(shù)據(jù)管理、 打印等功能，已在某冶煉廠中得到了實(shí)際應(yīng)用。工 業(yè)運(yùn)行結(jié)果表明，軟測量模型對(duì)氣流干燥過程水份的預(yù)測準(zhǔn)確， 為氣流干燥過程優(yōu)化控制的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞： 氣流干燥，軟測量，智能協(xié)調(diào)，在線校正 is of in of of is an of to in of of is to So it is to to in in in of A is of on CA on of on of of is in is It of is to of A of C+ PC By of of is is of so It in a in to of 目錄 第一章 緒論 .題來源和研究意義 . 課題來源 . 研究意義 .測量概述 . 軟測量技術(shù)基本原理 . 軟測量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法 . 軟測量技術(shù)的應(yīng)用 .究內(nèi)容 .文結(jié)構(gòu) .二章 氣流干燥過程特性分析 .流干燥過程特性 . 氣流干燥 . 三段管式氣流干燥工藝流程簡介 .響氣流干燥的因素分析 .結(jié) .三章 數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理 .據(jù)采集 .據(jù)校正 . 隨機(jī)誤差的處理 . 過失誤差的處理 . 異常數(shù)據(jù)的處理 .據(jù)的變換 .流干燥過程的數(shù)據(jù)預(yù)處理 .結(jié) .四章 氣流干燥過程水份軟測量建模 .流干燥過程建模分析與設(shè)計(jì) . 氣流干燥過程建模難點(diǎn)分析 . 軟測量模型總體思路 .平衡模型 . 物料衡算 .南大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 收入項(xiàng)計(jì)算 . 熱支出項(xiàng)計(jì)算 .元回歸模型 . 回歸分析概述 . 主元回歸模型 .測量模型協(xié)調(diào)策略 .結(jié) .五章 軟測量模型的校正 .測量模型的在線校正 .測量模型的更新 .結(jié) .六章 軟測量系統(tǒng)的軟件開發(fā) .統(tǒng)方案設(shè)計(jì) .統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu) .統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn) . 面向?qū)ο蠹夹g(shù) . 術(shù) . 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì) .件界面及功能 .統(tǒng)性能評(píng)價(jià) .結(jié) .論與展望 .考文獻(xiàn) . 謝 .讀碩士學(xué)位期間主要研究成果 .南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 1第一章 緒論 銅是一種重要的有色金屬， 銅的發(fā)現(xiàn)和使用技術(shù)是中國古代文明的重要組成部分。由于銅具有較好的導(dǎo)電性、傳熱性、延展性、抗拉性和耐腐性，因此在國防工業(yè)、電氣工業(yè)、機(jī)械制造工業(yè)以及其他部門的應(yīng)用都很廣。特別是隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展， 銅以其良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力成為電子和電力工業(yè)領(lǐng)域里的首選和主要材料，其消耗量僅次于鋼鐵和鋁1。因此加強(qiáng)銅冶煉的科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新，不斷開發(fā)先進(jìn)技術(shù)，提升傳統(tǒng)工藝，就比以往任何時(shí)候都更具有緊迫性和戰(zhàn)略意義。 題來源和研究意義 題來源 從銅礦中開采出來的銅礦石，經(jīng)過選 礦成為含銅品位較高的銅精礦 (銅礦砂 )，銅精礦需要經(jīng)過冶煉，才能成為精銅及 銅制品。銅冶金技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的過程，目前，世界上銅的冶煉方式主要有兩種：火法冶煉與濕法冶煉，但以火法冶煉為主，大約 90%的銅是采用火法從硫化銅礦冶煉的。 熔煉是火法煉銅的主體部分。傳統(tǒng)的熔煉方法有反射爐法和鼓風(fēng)爐法。后來又出現(xiàn)了電爐熔煉法和閃速爐熔煉法。閃速熔煉具有冰銅品位高，燃料消耗少，煙氣二氧化硫濃度高，有利于制酸等優(yōu)點(diǎn)。到目前為止，已有十多個(gè)國家的幾十個(gè)工廠采用了這一流程，并由銅冶煉發(fā)展到其他金屬的冶煉。 閃速熔煉反應(yīng)的時(shí)間非常短，熔劑需粉碎。由于爐料進(jìn)入反應(yīng)塔到落入沉淀池，停留時(shí)間大約為 1 秒鐘，因此爐料的干燥程度對(duì)閃速熔煉過程影響非常大。如果爐料含水率過高，爐料中的水份從物料顆粒內(nèi)部運(yùn)動(dòng)到顆粒表面，進(jìn)而從表面蒸發(fā)，造成爐料在脫水過程中還沒來得及與富氧空氣反應(yīng)就落入沉淀池內(nèi)，形成生料堆積。所以一般工藝要求精礦含水率在 3以下2。但是，如果精礦過于干燥 (含水率低于 1)，則精礦中的硫會(huì)在干燥過程中與氧反應(yīng)，造成精礦自燃。因此，控制入爐精礦含水率在 13之間是穩(wěn)定閃速熔煉生產(chǎn)的前提，氣流干燥過程水份的控制在整個(gè)閃速熔煉生產(chǎn)過程中就占有重要的地位。 本課題隸屬于國家發(fā)展和改革委員會(huì)資助項(xiàng)目 “江西銅業(yè)集團(tuán)有色金屬閃速冶煉過程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化示范工程”的第二個(gè)專項(xiàng)“氣流干燥過程水份軟測量與智能優(yōu)化控制系統(tǒng)” 。課題研究以江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠生產(chǎn)為依托，目的是要建立氣流干燥過程中水份與各參數(shù)之間關(guān)系的軟測量模型，并開中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 2發(fā)相應(yīng)的氣流干燥過程水份軟測量軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)精礦水份的在線測量和智能控制。 究意義 目前， 冶煉廠是根據(jù)多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出的沉塵室溫度與干精礦水份含量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來估測干精礦的含水率，并以此為依據(jù)來調(diào)節(jié)燃油量和風(fēng)礦比，將窯頭溫度穩(wěn)定在一定值，以保證精礦的含水率滿足連續(xù)生產(chǎn)的要求。這種方法主要存在以下缺點(diǎn)： (1) 沉塵室溫度與水份含量之間的關(guān)系是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的，因此控制精度不高； (2) 溫度測量容易受到測溫點(diǎn)和信號(hào)轉(zhuǎn)變的影響，存在一定誤差； (3) 根據(jù)沉塵室溫度估測到的水份含量進(jìn)行燃油量及風(fēng)礦比的調(diào)節(jié)，存在較大的滯后； (4) 根據(jù)沉塵室溫度調(diào)節(jié)燃油量及風(fēng)礦比只是提供了一個(gè)定性的參考，沒有對(duì)燃料的添加提供輔助決策依據(jù)，容易造成了燃料上的浪費(fèi)。 因此，如何在現(xiàn)有技術(shù)條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)干精礦水份的實(shí)時(shí)檢測和控制，穩(wěn)定干精礦水份含量，有效地進(jìn)行生產(chǎn)操作和控制，實(shí)現(xiàn)低投入、高產(chǎn)出的安全高效生產(chǎn)是目前冶煉廠亟待解決的重要問題。 本課題的主要任務(wù)是采樣和分析過程的實(shí)測數(shù)據(jù)， 通過綜合運(yùn)用現(xiàn)有的多種智能建模算法，對(duì)過程可測參量的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，從中找到一些影響氣流干燥過程水份的物理變量，結(jié)合軟測量技術(shù)，建立合理的氣流干燥過程水份軟測量模型。同時(shí)，為了應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過程，對(duì)閃速熔煉提供指導(dǎo)作用，設(shè)計(jì)以計(jì)算機(jī)為核心的氣流干燥過程水份測量系統(tǒng)， 并在此基礎(chǔ)上開發(fā)監(jiān)視與管理應(yīng)用軟件，為現(xiàn)場工作人員提供科學(xué)的操作指導(dǎo)，為進(jìn)一步優(yōu)化整個(gè)生產(chǎn)過程提供保證。 測量概述 隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)過程的日益復(fù)雜，為確保生產(chǎn)裝置安全、高效地運(yùn)行，僅獲取溫度、液位、壓力和流量等常規(guī)過程參數(shù)的測量信息已不能滿足工藝操作和實(shí)時(shí)控制的要求，還需要獲取諸如成分、物性等與過程操作和控制密切相關(guān)的檢測參數(shù)的測量信息。為了解決這類過程的控制問題，以前一般采用兩種方法：一種方法是采用間接的質(zhì)量指標(biāo)控制，但這種方法難以保證最終質(zhì)量指標(biāo)的控制精度；另一種方法是采用在線分析儀表，以硬件的形式實(shí)現(xiàn)過程參數(shù)的直接在線測量，但設(shè)備投資較大，維護(hù)成本高，并因具有較大的測量滯后使得過程中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 3變量的調(diào)節(jié)品質(zhì)下降。為了解決上述問題，經(jīng)過人們多方面的研究，逐步形成了軟測量技術(shù)， 目前已成為過程控制和過程檢測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和主要發(fā)展趨勢之一36。 軟測量技術(shù)作為一個(gè)概括性的科學(xué)術(shù)語被提出是始于 80 年代后期， 從此它迎來了一個(gè)發(fā)展的黃金時(shí)期， 并且在世界范圍內(nèi)掀起了一股軟測量技術(shù)研究的熱潮。 1992 年，國際過程控制專家 著名學(xué)術(shù)刊物 發(fā)表了一篇名為“ 告，明確指出了軟測量技術(shù)將是今后過程控制的主要發(fā)展方向之一， 對(duì)軟測量技術(shù)研究起到重要的促進(jìn)作用7。近年來軟測量技術(shù)獲得了很大的發(fā)展，其應(yīng)用涉及到石油、化工和環(huán)保等領(lǐng)域。 測量技術(shù)基本原理 軟測量技術(shù)就是根據(jù)某些最優(yōu)準(zhǔn)則， 選擇一組在工業(yè)上容易檢測而且與待測過程變量 (主導(dǎo)變量 )有密切關(guān)系的輔助變量，通過構(gòu)造主導(dǎo)變量與輔助變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，利用各種數(shù)學(xué)計(jì)算和估計(jì)方法，用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)主導(dǎo)變量的在線估計(jì)。這類數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件即被稱為軟測量器或“軟儀表” ，其估計(jì)值可作為控制系統(tǒng)的被控變量或反映過程特征的工藝參數(shù)， 為優(yōu)化控制和決策提供重要信息。軟測量技術(shù)原理框架如圖 1示。 圖1測量原理圖 其中 Y 為主導(dǎo)變量； Y為軟測量輸出； Y*為離線分析值； u 為可測的控制輸入； 為輔助變量。軟測量建模就是根據(jù)可測變量得到不可在線測量的主導(dǎo)變量的最優(yōu)估計(jì)值，即： *2(, ,)= (1式 (1映了主導(dǎo)變量 Y 與一般意義的輸入 u 的關(guān)系以及 Y 與輔助變量 的關(guān)系，離線采樣值 Y*常被用于軟測量模型的校正。 軟測量技術(shù)以目前可以獲取的測量信息為基礎(chǔ)，通過建立相應(yīng)的模型，利用計(jì)算機(jī)語言編制各種軟件來實(shí)現(xiàn)，具有智能性，可方便地根據(jù)被測對(duì)象特性的變化進(jìn)行修正和改進(jìn)。因此軟儀表在可實(shí)現(xiàn)性、通用性、靈活性和成本等方面均具 型YY* 第一章 緒論 4有無可比擬的優(yōu)勢，其突出的優(yōu)點(diǎn)和巨大的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值是不言而喻的。 測量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法 軟測量技術(shù)是實(shí)用性很強(qiáng)的應(yīng)用技術(shù)， 它以軟測量模型在線運(yùn)算并給出準(zhǔn)確的估計(jì)值為目標(biāo)。因此，軟測量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)必須滿足工程應(yīng)用的簡易性、有效性和可靠性要求。軟測量技術(shù)主要包括四個(gè)方面8：輔助變量的選擇、數(shù)據(jù)處理、軟測量模型的建立、軟測量模型的校正。 (1) 輔助變量的選擇 輔助變量的選擇包括變量類型、變量數(shù)量和檢測點(diǎn)的選擇。這三個(gè)方面是互相關(guān)聯(lián)、互相影響的，由過程特性決定。此外還受設(shè)備價(jià)格和可靠性、安裝和維護(hù)的難易程度等外部因素制約。 輔助變量類型的選擇主要取決于研究者對(duì)過程機(jī)理的了解， 并應(yīng)結(jié)合以下原則9：靈敏性、特異性、精確性、魯棒性 和工程適用性。對(duì)于一個(gè)具體的過程 ,其選擇范圍就是可測變量集合，可供選擇的變量類型是十分有限的。 輔助變量數(shù)目的選擇，輔助變量可選數(shù)目的下限是被估計(jì)的變量數(shù)。而最佳數(shù)目則與過程的自由度、測量噪聲以及模型的不確定性有關(guān)?？梢栽趯?duì)工藝機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，從對(duì)主導(dǎo)變量影響因子的大小逐步選入輔助變量。為避免因遺漏輔助變量而影響模型精度， 在對(duì)這類變量的影響因子不太清楚的情況下應(yīng)將其選入，然后對(duì)其進(jìn)行相關(guān)分析來對(duì)輔助變量進(jìn)行降維處理。 檢測點(diǎn)位置的選擇也非常重要，應(yīng)從易測性、抗干擾性、檢測點(diǎn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性等方面進(jìn)行考慮。 (2) 數(shù)據(jù)處理 要建立軟測量模型，需要采集被估計(jì)變量和原始輔助變量的歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的數(shù)量越多越好。這些數(shù)據(jù)的可靠性對(duì)于軟測量的成功與否至關(guān)重要。然而，測量數(shù)據(jù)一般都不可避免地帶有誤差，有時(shí)甚至帶有嚴(yán)重的過失誤差。因此，輸入數(shù)據(jù)的處理在軟測量技術(shù)中占有十分重要的地位。 輸入數(shù)據(jù)的處理包括兩個(gè)方面，即換算和數(shù)據(jù)誤差處理。換算不僅直接影響過程模型的精度和非線性映射能力，而且影響數(shù)值優(yōu)化算法的運(yùn)行效果。數(shù)據(jù)誤差分為隨機(jī)誤差和過失誤差兩類。對(duì)于隨機(jī)誤差，工程上除了剔除跳變信號(hào)外，一般都采用遞推數(shù)字濾波的方法，如高通濾波、低通濾波、滑動(dòng)平均濾波等。對(duì)于過失誤差，常用的方法有基于統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)的過失誤差處理方法，如殘差分析法、校正量分析法等。最近人們又提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的過失誤差檢測方法。 (3) 軟測量模型的建立 軟測量模型是軟測量技術(shù)的核心。建立軟測量模型屬于建模的范疇，有機(jī)理中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 5建模、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模以及混合建模三類方法。 1機(jī)理建模方法 這種方法是建立在對(duì)過程的物理、化學(xué)機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，通過推導(dǎo)得出描述操作變量與狀態(tài)變量及輸出變量之間的函數(shù)關(guān)系。 建立數(shù)學(xué)模型的方法是根據(jù)一些已知的定律、 定理和原理， 列寫一系列機(jī)理方程， 包括質(zhì)量平衡方程和物理、化學(xué)方程 (如傳熱方程、傳質(zhì)方程、化學(xué)反應(yīng) 動(dòng)力學(xué)方程、熱力學(xué)方程和流體力學(xué)方程等 )。在上述基本方程的基礎(chǔ)上，建立 起來的過程數(shù)學(xué)模型，通常稱為機(jī)理模型。與其他方法建立的模型相比，機(jī)理模型的可解釋性強(qiáng)、外推性能最好，是最理想的軟測量模型。對(duì)于工藝機(jī)理較為清楚的生產(chǎn)過程，該方法能構(gòu)造出性能較好的儀表。但對(duì)于機(jī)理研究不充分、尚未清楚的復(fù)雜工業(yè)過程，難以建立合適的機(jī)理模型。此時(shí)該方法就需要與其他參數(shù)估計(jì)方法相結(jié)合才能構(gòu)造軟儀表。 2數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模方法 所謂數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模就是從歷史輸入 /輸出數(shù)據(jù)中提取有用的信息，構(gòu)建主導(dǎo)變量與輔助變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。此類模型類似于一個(gè)“黑箱”處理，適用于對(duì)生產(chǎn)過程機(jī)理尚不清楚的對(duì)象10。根據(jù)處理對(duì)象是否存在非線性，該建模方法又可分為線性回歸方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、模糊建模方法等。 由于軟測量一般建立的是穩(wěn)態(tài)模型，因此常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是正交設(shè)計(jì)。但其在工程實(shí)施上可能會(huì)遇到困難， 因?yàn)楣に嚿峡赡懿辉试S操作條件作大幅度變化。如果選擇變化的區(qū)域過窄，則所得模型的適用范圍窄。解決辦法是吸取最優(yōu)操作經(jīng)驗(yàn)，即逐步向更好的操作點(diǎn)移動(dòng)，這樣既擴(kuò)大了測試范圍，又改進(jìn)了工藝操作。測試中存在的另一個(gè)問題是穩(wěn)態(tài)是否能真正建立，如果不能，將會(huì)帶來較大誤差，而且數(shù)據(jù)采樣與產(chǎn)品質(zhì)量分析必須同步進(jìn)行。最后進(jìn)行模型檢驗(yàn)，檢驗(yàn)分為自身檢驗(yàn)與交叉檢驗(yàn)。 3混合建模方法 最早的軟測量建模都是停留在某種方法的研究上， 現(xiàn)在越來越多的文獻(xiàn)已經(jīng)熱衷于多種方法的混合建模，多模型建模等?；旌鲜褂枚喾N建模方法建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，可以達(dá)到各種方法取長補(bǔ)短的效果。 若系統(tǒng)有先驗(yàn)的物理知識(shí)可以利用，則盡量利用，以把黑箱模型轉(zhuǎn)化成灰箱模型，從而把機(jī)理方法和統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合。統(tǒng)計(jì)方法可提取機(jī)理方法所無法解釋的對(duì)象內(nèi)部的復(fù)雜信息，而機(jī)理模型又可提高統(tǒng)計(jì)模型的推廣能力。結(jié)合方式一般分為串行和并行兩種。串行結(jié)合方式如圖 1示，首先用機(jī)理方法得到一個(gè)帶參數(shù)的模型結(jié)構(gòu)，然后用統(tǒng)計(jì)方 法來確定那些參數(shù)。例如 11就是采用該方式對(duì)發(fā)酵反應(yīng)過程建模，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)出生產(chǎn)速率常數(shù)，然后送到由質(zhì)量平衡方程表示的機(jī)理模型。并行結(jié)合方式如圖 1示，中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 6采用統(tǒng)計(jì)方法確定一個(gè)補(bǔ)償器， 對(duì)機(jī)理模型得到的結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。 例如 12就是采取并行結(jié)合方式，對(duì)連續(xù)聚合反應(yīng)建模，過程數(shù)據(jù)同時(shí)送到機(jī)理模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型里，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出加到機(jī)理模型的輸出上，對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。 圖1行結(jié)合方式 圖1行結(jié)合方式 以上軟測量建模方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此，如何根據(jù)實(shí)際情況，采用不同的建模方法，將它們有機(jī)的結(jié)合 (智能集成 )，取長補(bǔ)短，克服單一建模方法本身存在的問題，是軟測量建模技術(shù)發(fā)展的必然趨勢1327。如果有可能，在離線建模階段，最好采用多種方法來建立軟測量模型，然后從模型的精度、復(fù)雜程度、建模所用時(shí)間和可靠性等因素進(jìn)行綜合考慮，最終得到一個(gè)有效的軟測量模型。 (4) 軟測量模型的校正 軟測量模型建立后， 模型的適應(yīng)能力都是有限的， 它不可能適應(yīng)所有的工況。由于測量對(duì)象的特性和工作點(diǎn)都可能隨時(shí)間發(fā)生變化， 因此必須考慮模型的在線校正，才能適應(yīng)新的工況。軟測量模型的在線校正可表示為模型結(jié)構(gòu)和模型參數(shù)的優(yōu)化過程，具體方法有 波技術(shù)在線修正模型參數(shù)；更多的是利用分析儀表的離線測量值進(jìn)行在線校正。 為解決模型結(jié)構(gòu)修正耗時(shí)長和在線校正的矛盾，有人提出了短期學(xué)習(xí)和長期學(xué)習(xí)的校正方法。短期學(xué)習(xí)是在不改變模型結(jié)構(gòu)的情況下，根據(jù)新采集的數(shù)據(jù)對(duì)模型中的有關(guān)系數(shù)進(jìn)行更新；而長期學(xué)習(xí)則是在原料、工況等發(fā)生較大變化時(shí)，利用新采集的較多數(shù)據(jù)重新建立模型。在線校正輸入輸出數(shù)據(jù)帶參數(shù)的機(jī)理模型軟測量模 型機(jī)理方法進(jìn)行機(jī)理分析統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)輸入輸出數(shù)據(jù)機(jī)理模型軟測量模 型機(jī)理方法進(jìn)行機(jī)理分析補(bǔ)償器統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行補(bǔ)償+中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 7有自適應(yīng)法、增量法和多時(shí)標(biāo)法。根據(jù)實(shí)際過程的要求，多采用模型參數(shù)自校正方法。但是，盡管在線校正非常重要，目前在軟測量技術(shù)中，有效的在線校正方法仍不夠多，今后必須加強(qiáng)這方面的研究以適應(yīng)實(shí)際的需要。 常見的軟測量技術(shù)實(shí)施平臺(tái)和工具主要有 制系統(tǒng)。考慮到模型的維護(hù)和在線修正， 目前在先進(jìn)控制系統(tǒng)中實(shí)施的軟測量模型一般采用雙層結(jié)構(gòu)，底層用 算模塊或可編程語言實(shí)現(xiàn)軟測量在線數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)濾波和顯著誤差檢驗(yàn)等，以及數(shù)據(jù)預(yù)處理和軟測量計(jì)算，上層工業(yè) 位機(jī)或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)軟測量模型的組態(tài)、自校正和離線維護(hù)。 測量技術(shù)的應(yīng)用 由于軟儀表可以像常規(guī)過程儀表一樣為控制系統(tǒng)提供過程信息， 軟測量技術(shù)已經(jīng)在很多工業(yè)過程中取得了成功的應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域包括煉油、石化、造紙、食品、醫(yī)藥、冶金等行業(yè)。 國外很多公司開發(fā)了軟測量成品軟件包， 如 司、 司、 司、 司、 司等以商品化軟件形式推出各自的軟測量儀表，已廣泛應(yīng)用于常減壓塔、 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(shí)間，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益28。 國內(nèi)也已引進(jìn)包括軟測量技術(shù)在內(nèi)的先進(jìn)控制軟件用于催化裂化、 常減壓塔等裝置， 但許多引進(jìn)的先進(jìn)控制軟件包都是非常昂貴的。 為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)化，國內(nèi)一些生產(chǎn)企業(yè)常常要花數(shù)十萬美金引進(jìn)國外優(yōu)化設(shè)定技術(shù)及相應(yīng)的軟件。 為了改變這種現(xiàn)狀，國內(nèi)有關(guān)高等院校、科研院所和企業(yè)等自行開發(fā)了不少軟測量技術(shù)并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，例如：選礦廠磨礦分級(jí)作業(yè)中磨礦粒度的軟測量29；火電廠煙氣含氧量的軟測量30；造紙制漿蒸煮過程中 及生物發(fā)酵罐中生物量參數(shù)等的軟測量31；鋅精餾塔中粗鋅液流量的軟測量32；甲醇生產(chǎn)過程中烴類轉(zhuǎn)化反應(yīng)器出口氣中 3；氣分裝置丙烯丙烷塔塔頂丙烯成分軟測量34等，取得了很好的效果，降低了軟件成本，為企業(yè)創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 除了這些專用軟件包以外， 集散控制系統(tǒng)生產(chǎn)商在其生產(chǎn)的控制系統(tǒng)軟件中，也都嵌入了具有同等功能的軟件模塊。這些模塊能夠更好的與控制系統(tǒng)相結(jié)合，充分發(fā)揮 潛能，提高過程控制水平。 此外，軟測量技術(shù)作為過程檢測領(lǐng)域一種新型的參數(shù)測量技術(shù)，不僅用于實(shí)現(xiàn)眾多目前難以用常規(guī)檢測儀表直接測量的難測參數(shù)， 還被廣泛地應(yīng)用于常規(guī)儀中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 8表精度、可靠性、實(shí)時(shí)性的提高和儀表檢測系統(tǒng)的誤差處理、動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)和故障診斷等。目前軟測量技術(shù)的思想已滲透到過程檢測領(lǐng)域的各個(gè)方面，對(duì)整體參數(shù)測量水平的提高和過程檢測的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。 究內(nèi)容 隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展， 先進(jìn)控制算法的不斷出現(xiàn)為軟測量理論提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本論文基于復(fù)雜工業(yè)過程軟測量技術(shù)的研究現(xiàn)狀，針對(duì)氣流干燥過程水份難以在線檢測的問題， 研究了基于多模型集成的氣流干燥過程水份軟測量技術(shù)。論文以工程實(shí)際應(yīng)用為背景，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，靈活運(yùn)用多種先進(jìn)的建模算法。課題研究內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面： (1) 智能集成技術(shù)是解決復(fù)雜工業(yè)過程建模問題的最有效方法之一，已經(jīng)取得了豐碩的成果，但還有很多問題有待進(jìn)一步解決，如智能模型的集成形式等。本文結(jié)合氣流干燥過程的實(shí)際， 對(duì)氣流干燥過程水份軟測量模型智能集成技術(shù)的進(jìn)行研究； (2) 數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理關(guān)系到建模的成敗和模型的精度，因此本文研究了數(shù)據(jù)樣本的選擇方法、對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行降維和誤差處理的方法； (3) 在對(duì)氣流干燥過程進(jìn)行機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，研究基于熱平衡原理的氣流干燥過程機(jī)理模型及模型的修正方法； (4) 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的氣流干燥過程回歸建模方法研究，主要是基于主元分析的回歸模型研究； (5) 對(duì)軟測量模型工程應(yīng)用問題進(jìn)行研究，包括在線校正理論及方法、模型的更新； (6) 研究氣流干燥過程水份軟測量系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)，開發(fā)氣流干燥過程水份在線預(yù)測計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。 文結(jié)構(gòu) 全文共分為六章，其主要內(nèi)容和章節(jié)安排如下： 第一章，緒論。介紹了課題的來源及研究意義，對(duì)軟測量的基本理論及新興的建模算法做了簡要的概述，最后就本文的研究內(nèi)容作了介紹。 第二章，氣流干燥過程特性分析。從氣流干燥過程特性出發(fā)，分析影響氣流干燥的因素，為后續(xù)建模研究的展開奠定基礎(chǔ)。 第三章，數(shù)據(jù)預(yù)處理。介紹了軟測量系統(tǒng)中對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的一些方法。 使選擇的輔助變量和學(xué)習(xí)樣本數(shù)目既能保證軟測量模型精度和適應(yīng)范圍中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 9要求，又不會(huì)導(dǎo)致模型極其復(fù)雜。對(duì)測量數(shù)據(jù)中存在的隨機(jī)誤差以及顯著誤差進(jìn)行處理， 以保證模型的精度。 根據(jù)后續(xù)建模算法的要求， 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)度變換。 第四章，氣流干燥過程水份軟測量模型。分析氣流干燥過程建模需解決的難點(diǎn)及重點(diǎn)問題，提出智能協(xié)調(diào)和集成建模的思想。應(yīng)用軟測量技術(shù)和設(shè)計(jì)思想，充分考慮機(jī)理模型和回歸分析的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合人工智能技術(shù)，構(gòu)建氣流干燥過程水份與工況之間的軟測量模型。 第五章，軟測量模型的校正。介紹了軟測量模型的校正機(jī)制，提出了適合軟測量模型的在線校正方法，分析了模型的更新機(jī)制。 第六章，軟測量系統(tǒng)的軟件開發(fā)。針對(duì)氣流干燥過程水份軟測量模型，開發(fā)了軟測量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件。 介紹了各個(gè)模塊的功能， 包括數(shù)據(jù)通信等功能的實(shí)現(xiàn)，最終能對(duì)氣流干燥過程水份進(jìn)行在線預(yù)測和控制。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 氣流干燥過程特性分析 10第二章 氣流干燥過程特性分析 氣流干燥35是一種連續(xù)式高效固體流態(tài)化的 干燥方法，在煙草、化工、醫(yī)藥、糧食加工、有色冶煉等行業(yè)應(yīng)用普遍。 流干燥過程特性 流干燥 氣流干燥也稱“瞬間干燥” ，是固體流態(tài)化中稀相輸送在干燥方面的應(yīng)用。該方法使加熱介質(zhì) (既是載熱體也是載濕體，如空氣 )和待干燥固體顆粒直接接觸，物料懸浮于氣流中，加熱介質(zhì)以對(duì)流傳熱方式將熱量傳給物料，使物料中的部分水份汽化，從而獲得一定濕含量的固體產(chǎn)品。 在氣流干燥物料的過程中， 物料顆粒在氣流中的運(yùn)動(dòng)分為加速運(yùn)動(dòng)階段和等速運(yùn)動(dòng)階段。在加速運(yùn)動(dòng)階段，顆粒受到的曳力與浮力之和大于重力，具有向上的加速度， 因此顆粒與氣流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度是一個(gè)變量； 隨著顆粒運(yùn)動(dòng)速度增大，曳力逐漸減小，直至三個(gè)力的矢量和為零，顆粒進(jìn)入等速運(yùn)動(dòng)階段，此時(shí)氣流與顆粒間的相對(duì)速度為一常數(shù)。 顆粒與氣流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況對(duì)顆粒與氣流之間的傳熱速率影響較大。在初始干燥階段，顆粒剛進(jìn)入干燥管時(shí)上升速度為零，與具有較高速度的熱氣流相遇，獲得向上的速度，此時(shí)兩相間的對(duì)流傳熱系數(shù)很大，物料顆粒不斷加速上升，進(jìn)入加速運(yùn)動(dòng)干燥階段，固體顆粒在加速階段所獲得的熱量占整個(gè)干燥階段獲得熱量的一半以上。在干燥后期，當(dāng)固體物料的上升速度接近乃至達(dá)到氣流速度時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)大大減小，干燥效率降低。在干燥流程中不斷改變氣固兩相的相對(duì)速度，增加粒子周圍邊界層處的湍流強(qiáng)度，盡可能擴(kuò)大氣固兩相的接觸面積，增加兩相的接觸時(shí)間，是提高干燥效率的有效措施。 氣流干燥具有以下特點(diǎn)： (1) 干燥強(qiáng)度大。氣流干燥由于氣流速度快，粒子在氣相中分散良好，可以把粒子全部表面積作為干燥的有效面積，因此，干燥有效面積大大增加。同時(shí)，由于干燥時(shí)的分散和攪動(dòng)作用，使汽化表面不斷更新，因此，干燥的傳熱、