精選第9章 新型檢測技術(shù)與儀表

1、第九章 新型檢測技術(shù)與儀表第一節(jié) 虛擬儀器技術(shù)第二節(jié) 圖像檢測技術(shù) 第三節(jié) 軟測量技術(shù)第一節(jié) 虛擬儀器技術(shù)一、 概述虛擬儀器(Virtual Instrument，簡記為VI)是指在通用計算機(jī)上由用戶設(shè)計定義，利用計算機(jī)顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以完成信號的采集、測量、運算、分析、處理等功能的計算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器特點強調(diào)“軟件即儀器”的新概念。功能由用戶定義，可方便設(shè)計、修改測試方案，構(gòu)成各種專用儀器。可方便地同外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其他設(shè)備連接，可以將信號的分析、實現(xiàn)、存儲、打印和其他管理均由計算機(jī)完成。系統(tǒng)功能、規(guī)模可通過軟件修改、增減，簡單靈活。價格低廉，可重復(fù)使用。技術(shù)更新快

2、，開發(fā)周期短。采用軟件結(jié)構(gòu)、功能化模塊，節(jié)省硬件開發(fā)和維護(hù)費用。面向總線接口控制，用戶通過軟件工具組建各種智能檢測系統(tǒng)。二、虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器通常包括：計算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件三部分，其中計算機(jī)與儀器硬件又稱為虛擬儀器的通用硬件平臺。 虛擬儀器基本框圖(一)虛擬儀器的通用硬件平臺硬件平臺是虛擬儀器工作的基礎(chǔ)，它的主要功能是完成對被測信號的采集、傳輸和測量結(jié)果顯示。虛擬儀器的硬件平臺主要包括計算機(jī)和信號采集調(diào)理。計算機(jī)包括微處理器、存儲器和顯示器等，它主要用來提供實時高效的數(shù)據(jù)處理性能；信號采集調(diào)理部分可以是GPIB儀器模塊、VXI儀器模塊、PXI儀器模塊或數(shù)據(jù)采集卡，主要用來采集、傳輸信

3、號。常用的虛擬儀器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)、通用接口(GPIB)儀器控制系統(tǒng)、VXI儀器系統(tǒng)、PXI儀器系統(tǒng)以及它們之間的任意組合。1、PC-DAQ測量系統(tǒng)PC-DAQ測量系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集板、信號調(diào)理電路及計算機(jī)為硬件平臺配以專用軟件組成的測試系統(tǒng)，是構(gòu)成虛擬儀器的基本構(gòu)成方式。其中插入式數(shù)據(jù)采集板(卡)是虛擬儀器中常用的接口形式之一，其功能是將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集到計算機(jī)，或?qū)⒂嬎銠C(jī)數(shù)據(jù)輸出給被控對象，用數(shù)據(jù)采集板(卡)配以計算機(jī)平臺和虛擬儀器軟件便可構(gòu)成各種數(shù)據(jù)采集控制儀器系統(tǒng)。目前，插入式數(shù)據(jù)采集板(卡)技術(shù)主要應(yīng)用于高采樣速率及直接控制方面。2、通用接口(GPIB)儀器控制系統(tǒng)通用接口GP

4、IB(General purpose Interface Bus )是儀器系統(tǒng)互連總線規(guī)范，通用接口總線能夠把可編程儀器與計算機(jī)緊密的聯(lián)系起來，使電子測量由獨立的手工操作的單臺儀器向組成大規(guī)模智能檢測系統(tǒng)的方向邁進(jìn)。GPIB通用接口儀器系統(tǒng)3、VXI總線儀器系統(tǒng)VXI(VEM Bus Extensions for Instrument)總線儀器系統(tǒng)是基于VXI總線平臺技術(shù)的自動檢測系統(tǒng)，是結(jié)合GPIB儀器和數(shù)據(jù)采集板(DAQ)的最先進(jìn)技術(shù)發(fā)展起來的高速、開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 具有互操作性好、數(shù)據(jù)傳輸速率高、可靠性高、體積小、重量輕、可移動性好等特點。 一個基本的VXI儀器系統(tǒng)可以由三種不同的配置方

5、案：GPIB控制方案 、嵌入式計算機(jī)控制方案和MXI總線控制方案 (1)GPIB控制方案：包括插于通用計算機(jī)的GPIB接口板、位于VXI零槽的GPIB-VXI/C模塊、連接兩者的GPIB電纜、VXI機(jī)箱以及若干VXI儀器模塊。 傳輸速率約為1Mb/s，如果使用HS488協(xié)議，可使GPIB的數(shù)據(jù)傳輸速率提高到1.6Mb/s(ISA總線)和3.4Mb/s(EISA總線)，最高可達(dá)8Mb/s。其中零槽模塊起GPIB和VIX總線翻譯器作用。 優(yōu)點在于可利用熟悉的GPIB技術(shù)，如同控制一臺儀器一樣來控制VXI儀器系統(tǒng)，且系統(tǒng)造價較低。缺點是由于GPIB總線的數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于VXI總線，形成整個系統(tǒng)的

6、數(shù)據(jù)交互瓶頸。 (2) 嵌入式計算機(jī)控制方案：該控制方案的組件包括一個VXI機(jī)箱、嵌入式計算機(jī)模塊、若干VXI儀器模塊以及VXI軟件開發(fā)平臺。 一個嵌入式計算機(jī)模塊除具有VXI系統(tǒng)控制功能外，還具有一臺通用PC機(jī)的全部功能。 在該方案中，所有的模塊均直接插在VXI機(jī)箱的背板總線上，能實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸(40Mbps左右)，且體積緊湊，是實現(xiàn)VXI自動檢測系統(tǒng)的最佳方案。 但該方案的造價及升級費用較高。(3)MXI總線控制方案：該方案包括VXI接口板、位于VXI零槽的VXI-MXI模塊、連接兩者的電纜、VXI機(jī)箱、插于通用計算機(jī)的MXI接口板、VXI儀器模塊及VXI軟件開發(fā)平臺。 在提高數(shù)據(jù)傳輸

7、速率方面有很大優(yōu)勢。性價比較高，便于系統(tǒng)的擴(kuò)散擴(kuò)展和升級。 典型的VXI總線系統(tǒng)配置。4、PXI儀器總線系統(tǒng)PXI(PCI Extensions for Instrumentation)是一種專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動化應(yīng)用度身定制的模塊化儀器平臺，也是虛擬儀器的理想平臺。 VXI儀器系統(tǒng)和PXI儀器系統(tǒng)之間的主要差別源于它們各自的底層總線結(jié)構(gòu)不同。VXI基于VME總線，而PXI基于PCI總線，PCI在臺式PC中廣泛應(yīng)用。使用PCI總線還能夠降低產(chǎn)品成本。 PXI儀器系統(tǒng)設(shè)備尺寸小，它能夠為便攜式、臺式(bench-top)與固定架式(rack-mount)裝置提供一個通用平臺。 由于基于PCI總

8、線結(jié)構(gòu)，PXI儀器系統(tǒng)在性能和集成化上給使用者帶來更多好處，例如，PXI設(shè)備能被操作系統(tǒng)自動識別。 (二)虛擬儀器的軟件虛擬儀器的軟件可以分為多個層次，其中包括儀器驅(qū)動程序、應(yīng)用程序和軟面板程序。 儀器驅(qū)動程序主要用來初始化虛擬儀器，設(shè)置特定參數(shù)和工作方式，使虛擬儀器保持正常工作狀態(tài)； 應(yīng)用程序用來對輸入計算機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，用戶就是通過編制應(yīng)用程序來定義虛擬儀器的功能；軟面板程序用來提供虛擬儀器與用戶的接口，它可以在計算機(jī)屏幕上生成一個與傳統(tǒng)儀器面板相似的圖形界面，用來顯示測量結(jié)果等。 通常在編制虛擬儀器軟件時可以采用兩種編制方法。 一種是傳統(tǒng)的編程方法，采用高級語言，如C、C+等，另

9、一種是采用可視化編程語言環(huán)境Visual C+、Visual Basic等。在虛擬儀器圖形軟件開發(fā)平臺研究方面，LabVIEW是其中一種典型的圖形化軟件編程平臺。LabVIEW開發(fā)平臺 LabVIEW開發(fā)平臺是一種編譯性圖形化編程語言，它把復(fù)雜、繁瑣、費時的語言編程簡化成菜單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能(圖形)，并用線條把各種功能(圖形)連接起來的簡單的圖形編程方式。LabVIEW為編程、查錯、調(diào)試提供了簡單、方便、完整的環(huán)境和工具。所以，同傳統(tǒng)的編程語言相比，采用LabVIEW圖形編程方式可以節(jié)省大約80%的開發(fā)時間，但其運行速度幾乎不受影響。LabVIEW除了編程方式與常規(guī)語言不同外，它具備常

10、規(guī)語言的所有特性。由于LabVIEW采用的是圖形化編程方式，所以又稱為G語言。G語言G語言是一種適合應(yīng)用于任何編程任務(wù)和具有豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫的圖形化編程語言，是LabVIEW的核心 。 定義了數(shù)據(jù)模型、結(jié)構(gòu)類型和模塊調(diào)用語法規(guī)則等編程語言的基本要素，在功能完整性和應(yīng)用靈活性上不遜于任何高級語言。豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫為用戶編程提供了極大的方便。 包括常用的程序調(diào)試工具，比如允許設(shè)置斷點、單步調(diào)試、數(shù)據(jù)探針和動態(tài)顯示執(zhí)行程序流程等功能。 它與傳統(tǒng)高級編程語言最大的區(qū)別在于編程方式：一般高級語言采用文本編程，而G語言采用圖形化編程方式。 LabVIEW可以完成的主要功能 數(shù)據(jù)采集。 數(shù)據(jù)分析。 數(shù)據(jù)顯示

11、。 在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布信息。使用Microsoft Office工具生成報告。 交互式數(shù)據(jù)管理。第二節(jié) 圖像檢測技術(shù)一、 圖像檢測系統(tǒng)的構(gòu)成圖像檢測系統(tǒng)可以分為圖像獲取和圖像處理兩大部分。 為了采集數(shù)字圖像，需要兩種設(shè)備：一是對某個電磁能量頻譜段(如可見光、X射線、紫外線、紅外線等)敏感的物理器件，二是數(shù)字化設(shè)備。此外，還要有計算機(jī) 、圖像顯示和輸出設(shè)備。 數(shù)字圖像檢測系統(tǒng)框圖(一)光學(xué)成像設(shè)備將某個電磁能量頻譜段的信號轉(zhuǎn)化為與接收電磁能量成正比的電信號的硬件設(shè)備主要有：(1)電子管攝像機(jī)；(2)CCD攝像機(jī)；(3)CMOS攝像機(jī)。在遙感中常用的圖像獲取設(shè)備：(1)光學(xué)攝影：攝像機(jī)、多光譜像機(jī)等；(

12、2)紅外攝影：紅外輻射計、紅外攝像儀、多通道紅外掃描儀等；(3)MSS：多光譜掃描儀；(4)微波：微波輻射計、側(cè)視雷達(dá)、真實空孔徑雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)(SAR)。(二) 數(shù)字化設(shè)備數(shù)字化設(shè)備是完成將光學(xué)成像設(shè)備得到的模擬電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的電路元器件。它可以集成在成像設(shè)備中，也可以獨立在成像設(shè)備之外。前者就是目前流行的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，后者即是各類圖像采集卡(Frame Grabber 或 Image Card)。1、圖像采集卡分標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)視頻圖像采集卡兩類: (1)標(biāo)準(zhǔn)視頻圖像采集卡可采集的標(biāo)準(zhǔn)視頻信號有：黑白視頻、復(fù)合視頻(Composite Video)、分量模擬視頻(Component A

13、nalog Video，CAV)和S-Video(Y/C Video)等。(2)非標(biāo)準(zhǔn)視頻圖像采集卡可采集的非標(biāo)準(zhǔn)視頻信號有：非標(biāo)準(zhǔn)RGB信號、線掃描信號和逐行掃描信號。 2、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和數(shù)字圖像信號采集卡數(shù)字式攝像機(jī)是將數(shù)字化轉(zhuǎn)換功能集成在攝像機(jī)內(nèi)，直接輸出數(shù)字圖像信號。數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的輸出規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)一般有：RS-422、RS-644和IEEE1394等數(shù)字輸出接口標(biāo)準(zhǔn)，可以輸出816位灰度或24位RGB數(shù)據(jù)。計算機(jī)為了接收數(shù)字圖像信號，需要根據(jù)不同的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的輸出接口規(guī)格來選用不同的數(shù)字圖像信號采集卡，有些采集卡采用DMA、多通道、多路信號同時傳輸?shù)燃夹g(shù)，可以達(dá)到100M/s的數(shù)據(jù)傳輸率，可以

14、進(jìn)行高分辨率圖像的實時采集。(三)圖像存儲設(shè)備圖像存儲設(shè)備用于暫時或永久存儲攝像系統(tǒng)獲取的數(shù)字圖像?？蛇M(jìn)行數(shù)字圖像存儲的硬件有： (1) 圖像采集卡幀緩存。 (2) 計算機(jī)內(nèi)存。 (3) 硬盤、光盤、磁帶存儲器。 (4) 閃存。(四)計算機(jī)主機(jī)計算機(jī)用于對數(shù)字圖像進(jìn)行管理、分析和處理。這是圖像系統(tǒng)應(yīng)用的主要工作和核心。計算機(jī)可以是PC機(jī)、微處理器，也可以是工作站。在一些需要高速實時處理的圖像板上可裝有圖像處理器、圖像加速器、DSP等微處理器，另外還有一些專供圖像處理的計算機(jī)。(五)圖像顯示和輸出設(shè)備將數(shù)字圖像及其處理的中間過程和結(jié)果進(jìn)行顯示和輸出的設(shè)備主要有： (1)電視圖像監(jiān)視器。 (2)計

15、算機(jī)顯示器。 (3)打印機(jī)和數(shù)碼沖印設(shè)備。 (4)膠片照相機(jī)。二、圖像的描述(一)連續(xù)圖像 設(shè)C(x,y,t, )代表像源的空間輻射能量分布，也稱圖像的光函數(shù)，其中(x,y)為空間坐標(biāo)，t為時間，為波長。圖像的光函數(shù)是實數(shù)并且非負(fù)。實際成像系統(tǒng)中，圖像的亮度有最大值，因此設(shè)0C(x,y,t, )A式中A是圖像的最大亮度。另一方面，實際圖像對x,y和t都有限制:-Lxx Lx， -Lyy Ly， -Tt T 標(biāo)準(zhǔn)觀測者對圖像光函數(shù)的亮度響應(yīng)，通常用光場的瞬時光亮度計量，由下式定義：式中Vs ()代表相對光效函數(shù)，是人視覺的光譜響應(yīng)。對于紅、綠和藍(lán)光，瞬時光亮度可分別定義為式中Rs () 、Gs

16、()和Bs ()所謂光譜三刺激值是匹配單位譜色光(波長為)時所要求的三刺激值。 在多光譜成像系統(tǒng)中，常將所觀測到的像場模擬為圖像光函數(shù)在光譜上的加權(quán)積分，因此第i個光譜像場可以表示為:式中Si()是第i個傳感器的光譜響應(yīng)。為了簡單起見，選擇單一的圖像函數(shù)F(x,y,t)代表實際成像系統(tǒng)中的像場。另外，在許多成像系統(tǒng)中，圖像是不隨時間改變的，因而時變量可以從圖像函數(shù)中略去。那么圖像函數(shù)可以表示為F(x,y) ，本節(jié)也以這樣的函數(shù)作為主要研究對象。 (二)數(shù)字圖像 數(shù)字圖像處理以連續(xù)圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像陣列為基礎(chǔ)的。通過圖像的抽樣和量化，可以完成模擬圖像到數(shù)字圖像的轉(zhuǎn)換。 在設(shè)計和分析圖像抽樣系統(tǒng)和

17、重建系統(tǒng)時，一般認(rèn)為圖像是確定的，然而在某些情況下，將圖像處理系統(tǒng)的輸入，特別是噪聲的輸入，看成是二維隨機(jī)過程的樣本更有益。 1、確定性情況下的圖像抽樣 令 F I (x, y)代表一理想的無限大連續(xù)像場，在理想的抽樣系統(tǒng)中，理想圖像的空間樣本實際上是用空間抽樣函數(shù)S(x, y)與理想圖像相乘的結(jié)果。其中是由脈沖函數(shù)的無限陣列組成的。因而抽樣后的圖像可以表示為 在實際系統(tǒng)中為了避免頻譜混疊現(xiàn)象，所作的圖像抽樣必須滿足采樣定理。就是抽樣周期必須等于或小于圖像中最小細(xì)節(jié)周期的一半，用公式表示為或等效于式中 xc和 yc是圖像的截止頻率；xs和 ys為抽樣頻率。 如果上式中等號成立，則稱圖像是以奈奎

18、斯特(Nyquist)速率抽樣的。如果x，y小于奈奎斯特準(zhǔn)則的要求，則稱圖像是過抽樣的；反之，稱圖像是欠抽樣的。 如果對原圖像抽樣的空間速率足以避免抽樣圖像的頻譜交疊，那么采用適當(dāng)?shù)臑V波器對樣本進(jìn)行空間濾波，便可以精確地重建原圖像。2、隨機(jī)性情況下的圖像抽樣 與確定性情況類似，在確定性圖像下對圖像直接采用二維傅立葉變換來進(jìn)行分析，而在隨機(jī)性情況下，不能對圖像直接采用傅立葉分析，必須對其相關(guān)函數(shù)進(jìn)行分析。令F I(x,y)表示一種連續(xù)的二維平穩(wěn)隨機(jī)過程，并且已知平均值 FI和自相關(guān)函數(shù) 式中 用脈沖函數(shù)陣列對這一圖像進(jìn)行抽樣，得： 其自相關(guān)函數(shù)為式中 所以抽樣圖像的自相關(guān)函數(shù)為對上式采用二維傅立

19、葉變換可以得到抽樣隨機(jī)圖像的功率譜，并且設(shè)定理想像場的功率譜是帶寬限定的，即(xc,yc )是圖像的截止頻率；并且選擇空間抽樣周期:那么頻譜就不會交疊。采用合適的內(nèi)插函數(shù)就可以使重建像場和理想像場在均方意義上等效。三、圖像處理技術(shù)圖像處理主要指數(shù)字圖像處理，又稱為計算機(jī)圖像處理，它是指將圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并利用計算機(jī)技術(shù)對其進(jìn)行處理的過程。 數(shù)字圖像處理主要研究的內(nèi)容有以下幾個方面：圖像變換、圖像編碼壓縮、圖像增強和復(fù)原、圖像分割、圖像描述和圖像識別等。 圖像變換就是將信號變換到其它域(多為頻率域)進(jìn)行分析。這種變換一般是線性變換，其基本線性運算式嚴(yán)格可逆，并且滿足一定的正交條件。圖像編碼

20、壓縮 圖像數(shù)字化的關(guān)鍵就是編碼。圖像壓縮的目的可以節(jié)省圖像存儲空間，也可以減少傳輸信道容量，還可以縮短圖像處理時間，它與圖像編碼密切相關(guān)。圖像編碼主要是研究壓縮數(shù)碼率，即高效編碼問題。 圖像增強是指按特定的需要突出一幅圖像中的某些信息，同時，消弱或去除某些不需要的信息處理方法。其主要目的是使處理后的圖像對某種特定的應(yīng)用來說，比原始圖像更適用。 圖像復(fù)原的主要目的是改善給定的圖像質(zhì)量，對給定的一幅退化了的或者受到噪聲污染了的圖像，利用退化現(xiàn)象的某種先驗知識來重建或恢復(fù)原有圖像。 圖像分割是按照一定的規(guī)則將一幅圖像或景物分成若干部分或子集的過程。目的是將一幅圖像中的各成分分離成若干與景物中的實際物

21、體相對應(yīng)的子集。基本概念是將圖像中有意義的特征或者需要應(yīng)用的特征提取出來。從分割依據(jù)的角度出發(fā)，圖像分割大致可分為相似性分割和非連續(xù)性分割。從圖像分割算法來分，可分為閾值法、界線探測法、匹配法等。 圖像描述 就是用一組數(shù)量或符號來表征圖像中被描述物體的某些特征，可以是對圖像中各組成部分的性質(zhì)的描述，也可以是各部分彼此間的關(guān)系的描述。圖像識別 圖像經(jīng)過增強、復(fù)原等預(yù)處理后，再經(jīng)過分割和描述提取圖像特征，加以判決分類，這種分類可以認(rèn)為是圖像的識別，它屬于模式識別的范疇。一個圖像識別系統(tǒng)一般包括圖像信息獲取、圖像加工處理和提取特征、圖像分類和識別三個主要部分。第三節(jié) 軟測量技術(shù)一、 軟測量技術(shù)概述軟

22、測量(Soft Sensing)技術(shù)的基本原理為：利用較易測量的輔助變量(或稱為二次變量，Secondary Variable)，依據(jù)這些輔助變量與難以直接測量的待測變量(稱為主導(dǎo)變量，Primary Variable)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系(稱為軟測量模型)，通過各種數(shù)學(xué)計算和估計方法以實現(xiàn)對主導(dǎo)變量的測量。軟測量通常是在成熟的硬件傳感器基礎(chǔ)上，以計算機(jī)技術(shù)為核心，通過軟測量模型運算處理而完成的。 以軟測量技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)軟測量功能的實體稱為軟儀表(Soft Sensor)。 軟儀表以目前可有效獲取的測量信息為基礎(chǔ)，其核心是以實現(xiàn)參數(shù)測量為目的的各種計算機(jī)軟件，可方便地根據(jù)被測對象特性的變化進(jìn)行修正

23、和改進(jìn)，因此軟儀表易于實現(xiàn)，且在通用性、靈活性和成本等方面具有優(yōu)勢。軟測量技術(shù)發(fā)展的重要意義(1)能測量目前無法或難以檢測而又十分重要的過程參數(shù)；(2)能綜合運用多個可測信息對被測對象做出狀態(tài)估計、診斷和趨勢分析，以適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對被測對象特性日益提高的測量要求；(3)能在線獲得被測對象微觀的二維/三維時空分布信息，以滿足復(fù)雜工業(yè)過程中場參數(shù)測量的需要；(4)能對測量系統(tǒng)進(jìn)行誤差補償處理和故障診斷，從而提高測量精度和可靠性；(5)能為測量系統(tǒng)動態(tài)校準(zhǔn)和動態(tài)性能改善提供有效手段；(6)能為一些由于測量障礙，目前停留在理論探討而不能工業(yè)實用化的控制策略和方法，提供有效的解決途徑。 二、軟儀表的設(shè)

24、計方法設(shè)計軟儀表一般主要包括4個方面：(1)輔助變量的選擇；(2)測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理；(3)軟測量模型的建立；(4)軟儀表的自校正。 其中軟測量模型的建立是核心步驟。 (一)輔助變量的選擇輔助變量的選擇由被測對象特性和待測變量特點決定，同時還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可行性以及維護(hù)性等因素，通常包括變量的類型、數(shù)目和測點位置等三個相互關(guān)聯(lián)的方面：1、變量類型的選擇 輔助變量類型的選擇范圍是對象的可測變量集，軟測量實現(xiàn)過程中應(yīng)選用與主導(dǎo)變量靜態(tài)/動態(tài)特性相近且有密切關(guān)聯(lián)的可測參數(shù)。 2、變量數(shù)目的選擇 輔助變量數(shù)目的下限值為被估計主導(dǎo)變量的個數(shù)，上限為系統(tǒng)所能可靠在線獲取的變量總數(shù),但直接使用過多輔助

25、變量會出現(xiàn)過參數(shù)化問題，其最佳數(shù)目的選擇與過程的自由度、測量噪聲以及模型的不確定性等有關(guān)。一般建議從系統(tǒng)的自由度出發(fā)，先確定輔助變量的最小個數(shù)，再結(jié)合實際對象的特點適當(dāng)增加，以便更好處理動態(tài)特性等問題。至于輔助變量的最優(yōu)數(shù)量問題，目前尚無統(tǒng)一結(jié)論。 3、測點位置的選擇 檢測點的選擇可以采用奇異值分解的方法確定，也可以采用工業(yè)控制仿真軟件確定，這些確定的檢測點還需要在實際應(yīng)用中加以調(diào)整。一般情況下，輔助變量的數(shù)目和位置常常是同時確定的，變量數(shù)目的選擇準(zhǔn)則也往往應(yīng)用于檢測點位置的選擇。輔助變量的選擇原則(1)適用性，工程上易于在線獲取并有一定的測量精度；(2)靈敏性，對對象輸出或不可測擾動能做出快

26、速反應(yīng)；(3)特異性，對對象輸出或不可測擾動之外的干擾不敏感；(4)準(zhǔn)確性，構(gòu)成的軟儀表應(yīng)能夠滿足準(zhǔn)確度要求；(5)魯棒性，對模型誤差不敏感。(二) 測量數(shù)據(jù)的處理對測量數(shù)據(jù)的處理是軟測量實現(xiàn)的一個重要方面，因為軟儀表的性能在很大程度上依賴于所獲測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。測量數(shù)據(jù)的處理一般包括誤差處理和數(shù)據(jù)變換兩部分。 (1) 誤差處理：測量數(shù)據(jù)的誤差按照出現(xiàn)規(guī)律分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差三大類，可采用相應(yīng)方法處理； (2) 數(shù)據(jù)變換：測量數(shù)據(jù)的變換包括標(biāo)度變換、轉(zhuǎn)換和權(quán)函數(shù)三個方面。(三) 軟測量模型的分類軟測量模型是表征輔助變量和主導(dǎo)變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，它是軟儀表的核心。構(gòu)造軟儀表的

27、本質(zhì)就是如何建立軟測量模型，即一個數(shù)學(xué)建模問題。軟測量模型的分類一般都是依據(jù)軟測量的建模方法進(jìn)行的。軟測量的建模方法多種多樣，且各種方法互有交叉和融合。 在檢測和控制中常用的建模方法有：工藝機(jī)理分析、回歸分析、狀態(tài)估計、系統(tǒng)識別、模式識別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)、過程層析成像、相關(guān)分析和現(xiàn)代非線性信息處理技術(shù)等。 (四) 軟測量模型的校正與維護(hù)為實現(xiàn)軟測量模型在長時間運行過程中的自動更新和校正，大多數(shù)軟測量系統(tǒng)均設(shè)置有軟測量模型評價軟件模塊。該模塊先根據(jù)實際情況做出是否需要模型校正和進(jìn)行何種校正的判斷，然后再自動調(diào)用模型校正軟件對軟測量模型進(jìn)行校正。軟測量模型的校正主要包括軟測量模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化和

28、模型參數(shù)修正兩方面。大多數(shù)情況下，一般僅修正軟測量模型的參數(shù)。若系統(tǒng)特性變化較大，則需對軟測量模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正優(yōu)化，較為復(fù)雜，需要大量的樣本數(shù)據(jù)和較長的時間。三、軟測量的建模方法軟測量模型是通過輔助變量來獲得對主導(dǎo)變量的最佳估計的數(shù)學(xué)模型。軟測量建模本質(zhì)上是要完成由輔助變量構(gòu)成的可測信息集(各輔助變量)到主導(dǎo)變量估計 的映射，即用數(shù)學(xué)公式表示為：在檢測和控制中常用的建模方法有：工藝機(jī)理分析方法、回歸分析方法、狀態(tài)估計方法、系統(tǒng)辨識方法、模式識別方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、模糊數(shù)學(xué)方法、過程層析成像方法、相關(guān)分析方法和現(xiàn)代非線性信息處理方法。 (一) 工藝機(jī)理分析方法 該方法是建立在對過程工藝機(jī)理

29、的深刻認(rèn)識的基礎(chǔ)上，運用化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、物料平衡、能量平衡等原理通過對過程對象的機(jī)理分析，找出不可測主導(dǎo)變量與可測輔助變量之間的關(guān)系建立模型。 該方法具有簡單可靠、工程背景清晰和便于實際應(yīng)用的特點，在工程中常被使用；但是，由于它建立在對工藝過程機(jī)理深刻認(rèn)識的基礎(chǔ)上，應(yīng)用效果依賴于對工藝機(jī)理的了解程度，建模的難度較大。(二) 回歸分析方法回歸分析分為線性回歸分析和非線性回歸分析兩大類。其中基于最小二乘原理的一元和多元線性回歸技術(shù)簡單實用，發(fā)展成熟，是工程中最常用的方法之一。 對于輔助變量較少的情況，利用多元線性回歸中的逐步回歸技術(shù)可以得到較理想的軟測量模型；對于輔助變量較多的情況，通常要借助機(jī)理

30、方法得到變量組合的基本假定，然后再采用逐步回歸的方法排除不重要的變量組合，得到軟測量模型參數(shù)。 該方法的缺點是需要大量的樣本，對測量誤差較為敏感。(三) 狀態(tài)估計方法 對于已知系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，且主導(dǎo)變量作為系統(tǒng)狀態(tài)變量時輔助變量是可觀測的情況，軟儀表的構(gòu)造問題可以轉(zhuǎn)化為狀態(tài)觀測或狀態(tài)估計問題。 該方法現(xiàn)在已從線性系統(tǒng)推廣到了非線性系統(tǒng)，但是對于復(fù)雜的工業(yè)過程，常常難以建立有效的狀態(tài)空間模型，這在一定程度上限制了該方法的應(yīng)用。 (四) 系統(tǒng)辨識方法該方法是將輔助變量和主導(dǎo)變量組成的系統(tǒng)看成“黑箱”，以輔助變量為輸入，主導(dǎo)變量為輸出，通過現(xiàn)場采集、流程模擬或?qū)嶒灉y試，獲得過程輸入、輸出數(shù)據(jù)，以

31、此為依據(jù)建立軟測量模型。(五) 模式識別方法該方法采用模式識別的方法對工業(yè)過程的操作數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從中提取系統(tǒng)的特征，建立以模式描述分類為基礎(chǔ)的模式識別式軟測量模型。它適用于缺乏系統(tǒng)先驗知識的場合，可利用日常操作數(shù)據(jù)來實現(xiàn)軟測量建模。在應(yīng)用中，該方法常常和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊技術(shù)結(jié)合在一起。 (六) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法 利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有的自學(xué)習(xí)、聯(lián)想記憶、自適應(yīng)和非線性逼近等功能，將輔助變量作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，而主導(dǎo)變量則作為網(wǎng)絡(luò)的輸出，通過網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)來解決不可測變量的軟測量問題。(七) 模糊數(shù)學(xué)方法模糊數(shù)學(xué)模仿人腦邏輯思維特點，是處理復(fù)雜信息的有效手段。特別適合應(yīng)用于復(fù)雜工業(yè)過程中被測

32、對象呈現(xiàn)亦此亦彼的不確定性難以用常規(guī)數(shù)學(xué)定量描述的場合，在實際應(yīng)用中常和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模式識別技術(shù)等相結(jié)合以提高軟儀表的效能。(八) 過程層析成像方法該方法以醫(yī)學(xué)層析成像技術(shù)為基礎(chǔ)，采用基于電容、電導(dǎo)、電磁、光學(xué)和核輻射等傳感機(jī)理的傳感器獲取所需的投影數(shù)據(jù)信息來建立軟測量模型。目前主要應(yīng)用于難測流體的參數(shù)測量(例如兩相流/多相流分相流量和含率)以及裝置的狀態(tài)監(jiān)控等。(九) 相關(guān)分析方法以隨機(jī)過程中的相關(guān)分析理論為基礎(chǔ)，利用各輔助變量(隨機(jī)信號)間的互相關(guān)函數(shù)特性來進(jìn)行軟測量。該方法主要應(yīng)用于難測流體流速或流量的在線測量和故障診斷(例如流體輸送管道泄漏的檢測和定位)等。 (十) 現(xiàn)代非線性信息處

33、理方法 該方法的基本思想與相關(guān)分析一致，利用易測對象信息的隨機(jī)信號，采用先進(jìn)的信息處理技術(shù)，通過對所獲信息的分析處理提取信號特征量，從而實現(xiàn)某一參數(shù)的在線檢測或過程的狀態(tài)識別。 所不同的是具體信息處理方法不同，大多采用各種先進(jìn)的非線性信息處理技術(shù)(例如小波分析，混沌和分形等)，能適用于常規(guī)的信號處理手段難以適應(yīng)的復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)。 該方法近年來發(fā)展很快，應(yīng)用范圍較廣，目前一般主要應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)的故障診斷、狀態(tài)檢測和粗大誤差偵破等，并常常和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或模糊數(shù)學(xué)等人工智能技術(shù)相結(jié)合。本章結(jié)束謝 謝!9、靜夜四無鄰，荒居舊業(yè)貧。8月-228月-22Tuesday, August 23, 202210、

34、雨中黃葉樹，燈下白頭人。19:48:0219:48:0219:488/23/2022 7:48:02 PM11、以我獨沈久，愧君相見頻。8月-2219:48:0219:48Aug-2223-Aug-2212、故人江海別，幾度隔山川。19:48:0219:48:0219:48Tuesday, August 23, 202213、乍見翻疑夢，相悲各問年。8月-228月-2219:48:0219:48:02August 23, 202214、他鄉(xiāng)生白發(fā)，舊國見青山。23 八月 20227:48:02 下午19:48:028月-2215、比不了得就不比，得不到的就不要。八月 227:48 下午8月-2219:48August 23, 202216、行動出成果，工作出財富。2022/8/23 19:48:0219:48:0223 August 202217、做前，能夠環(huán)視四周；做時，你只能或者最好沿著以腳為起點的射線向前。7:48:02 下午7:48 下午19:48:028月-229、沒有失敗，只有暫時停止成功！。8月-228月-22Tuesday, August 23, 202210、很多事情努力了未必有結(jié)果，但是