第五章现代检测技术

1、化学工业出版社第一节第一节 软测量技术软测量技术第二节第二节 虚拟仪器技术虚拟仪器技术什么是软测量？l基于多个可测变量的实时测量值基于多个可测变量的实时测量值,应用数学模应用数学模型去估计某种没有直接测量的变量的值。型去估计某种没有直接测量的变量的值。l又称多传感器的信息融合。又称多传感器的信息融合。l软测量用于解决生产过程无法直接测量或直软测量用于解决生产过程无法直接测量或直接测量困难的关键变量的估计问题。接测量困难的关键变量的估计问题。问题的提出l生产过程中许多关键的变量如炼油过程油品的质量生产过程中许多关键的变量如炼油过程油品的质量、反应过程的转化率、聚合过程产品质量、分离过、反应过程的

2、转化率、聚合过程产品质量、分离过程精馏塔产品的组份、裂解过程产物收率和裂解深程精馏塔产品的组份、裂解过程产物收率和裂解深度等，有些是无法直接测量，有些是在线分析仪表度等，有些是无法直接测量，有些是在线分析仪表价格昂贵，不易维护，而且存在较大滞后。这些变价格昂贵，不易维护，而且存在较大滞后。这些变量往往是评价生产的关键指标，所以提出实时软测量往往是评价生产的关键指标，所以提出实时软测量的迫切需求。量的迫切需求。lDCS的广泛应用，每时每刻都产生大量的生产过程的广泛应用，每时每刻都产生大量的生产过程状态的实时数据，为软测量的实现提供了可能。状态的实时数据，为软测量的实现提供了可能。 以上就是软测量

3、技术产生的背景。以上就是软测量技术产生的背景。软测量技术软测量软测量就是依据可测、易测的过程变量就是依据可测、易测的过程变量(称为辅助变量称为辅助变量)与难以直接检测的待测变量与难以直接检测的待测变量(称为主导变量称为主导变量)的数学关的数学关系，根据某种最优准则，采用各种计算方法，用软件系，根据某种最优准则，采用各种计算方法，用软件实现对待测变量的测量或估计。实现对待测变量的测量或估计。软测量技术主要包括四个方面：软测量技术主要包括四个方面： (1)辅助变量的选取；辅助变量的选取； (2)数据处理；数据处理； (3)软测量模型的建立；软测量模型的建立； (4)软测量模型的在线校正。软测量模型

4、的在线校正。上一页下一页返 回1. 1. 变量类型的选择变量类型的选择2. 2. 变量数目的选择变量数目的选择3. 3. 测点位置的选择测点位置的选择上一页下一页返 回l选择的方法往往从间接质量指标出发。选择的方法往往从间接质量指标出发。l例如：例如： 精馏塔产品的软测量一般采用塔板温度，精馏塔产品的软测量一般采用塔板温度， 化工反应器中产品的软测量采用反应器管壁化工反应器中产品的软测量采用反应器管壁温度。温度。 上一页下一页返 回l从过程机理入手分析，从影响被估计变从过程机理入手分析，从影响被估计变量的变量中去挑选主要因素，因为全部量的变量中去挑选主要因素，因为全部引入既不可能也没必要。引入

5、既不可能也没必要。l如果缺乏机理知识，则可用回归分析的如果缺乏机理知识，则可用回归分析的方法找出影响被估计变量的主要因素，方法找出影响被估计变量的主要因素，这需要大量的观测数据。这需要大量的观测数据。l需要指出，受系统自由度的限制，辅助需要指出，受系统自由度的限制，辅助变量的个数不能小于被估计变量的个数。变量的个数不能小于被估计变量的个数。上一页下一页返 回l对于许多工业过程，辅助变量的检测点的选择对于许多工业过程，辅助变量的检测点的选择是十分重要的，因为可供选择的检测点很多。是十分重要的，因为可供选择的检测点很多。l检测点的选择方法：检测点的选择方法： 采用奇异值分解的确定，采用奇异值分解的

6、确定， 采用工业控制仿真软件确定。采用工业控制仿真软件确定。l确定的检测点往往需要在实际应用中加以调整。确定的检测点往往需要在实际应用中加以调整。上一页下一页返 回 灵敏性：灵敏性：能对过程输出能对过程输出(或不可测扰动或不可测扰动)作出快作出快速反应。速反应。 特异性：特异性：能对过程输出能对过程输出(或不可测扰动或不可测扰动)之外的之外的干扰不敏感。干扰不敏感。 工程适应性：工程适应性：工程上易于获得并达到一定的测工程上易于获得并达到一定的测量精度。量精度。 精确性：精确性：构成的估计器达到要求的精度。构成的估计器达到要求的精度。 鲁棒性：鲁棒性：构成的估计器对模型误差不敏感。构成的估计器

7、对模型误差不敏感。 上一页下一页返 回建模方法主要有两大类：建模方法主要有两大类：机理建模方法机理建模方法 非机理建模（即基于过程数据建模）：包括回非机理建模（即基于过程数据建模）：包括回归分析、状态估计、模式识别、人工神经网络归分析、状态估计、模式识别、人工神经网络 等等等等上一页下一页返 回软测量技术的核心是建立待测变量和可直接获取软测量技术的核心是建立待测变量和可直接获取变量之间的数学模型，这个模型的好坏直接关系变量之间的数学模型，这个模型的好坏直接关系到软测量的计算结果。到软测量的计算结果。 建立在对过程工艺机理的深刻认识的基础上，建立在对过程工艺机理的深刻认识的基础上，运用物料平衡、

8、热量平衡和化学反应动力学等运用物料平衡、热量平衡和化学反应动力学等原理，找出不可测主导变量与可测辅助变量之原理，找出不可测主导变量与可测辅助变量之间的关系。间的关系。 对于过程机理较为清楚的工业过程，基于机理模型对于过程机理较为清楚的工业过程，基于机理模型可以构造良好的软仪表。可以构造良好的软仪表。 对复杂工业过程，其内在机理往往不十分清楚，完对复杂工业过程，其内在机理往往不十分清楚，完全依赖机理分析建模比较困难，通常要选用其它方全依赖机理分析建模比较困难，通常要选用其它方法，结合机理知识构造软仪表。法，结合机理知识构造软仪表。上一页下一页返 回 辨识方法辨识方法是将辅助变量和主导变量组成的系

9、统是将辅助变量和主导变量组成的系统看成看成“黑箱黑箱”，以辅助变量为输入，主导变量，以辅助变量为输入，主导变量为输出，通过现场采集、流程模拟或实验测试，为输出，通过现场采集、流程模拟或实验测试，获得过程输入、输出数据，以此为依据建立软获得过程输入、输出数据，以此为依据建立软仪表模型。仪表模型。上一页下一页返 回由于装置操作条件及原料性质都会随时间而变化，软测量模由于装置操作条件及原料性质都会随时间而变化，软测量模型只适用于一定的操作范围，因而需要不定期地对模型型只适用于一定的操作范围，因而需要不定期地对模型进行修正，以适应工况的变化。进行修正，以适应工况的变化。通常对软仪表的在线修正仅修正模型

10、的参数通常对软仪表的在线修正仅修正模型的参数 具体方法具体方法：自适应法、增量法等。：自适应法、增量法等。 对模型结构的修正需要大量的样本数据和耗费较长时间，对模型结构的修正需要大量的样本数据和耗费较长时间，在线进行有困难。这可采用短期学习和长期学习的思路在线进行有困难。这可采用短期学习和长期学习的思路来解决。来解决。 短期学习短期学习是指以某辅助变量的采样化验分析值与软测量值之差为是指以某辅助变量的采样化验分析值与软测量值之差为依据，采用建模方法，修改模型系数。依据，采用建模方法，修改模型系数。 长期学习长期学习是指当软测量模型在线运行一段时间后，逐步积累了足是指当软测量模型在线运行一段时间

11、后，逐步积累了足够的新样本时，根据新样本，采用建模方法，重建软测量模型。够的新样本时，根据新样本，采用建模方法，重建软测量模型。上一页下一页返 回第二节第二节 虚拟仪器技术虚拟仪器技术l虚拟仪器的概念、产生和现状 l虚拟仪器的软硬件体系结构l虚拟仪器的开发系统l虚拟仪器的产品及其应用1.3 1.3 虚拟仪器的现状虚拟仪器的现状1.4 1.4 虚拟仪器的特点虚拟仪器的特点传统仪器虚拟仪器与其他仪器设备的连结十分有限可方便地与网络外设等连接功能由仪器厂商定义功能由用户自己定义图形界面小，人工读数，信息量小图形界面，计算机读数，分析处理数据无法编辑数据可编辑，存储，打印硬件是关键部分软件是关键部分价

12、格昂贵价格低廉系统封闭，功能固定，扩展性低与计算机技术同步发展，开放性好开发和维护费用高基于软件系统的结构，大大节省开发维护费用技术更新慢技术更新快多为实验室所拥有个人可拥有一个实验室GPIBSerialDAQ测试对象测试对象VXIImage AcquisitionMotionControlPXI虚拟仪器软件虚拟仪器软件硬件硬件& 驱动软件驱动软件NetworkNetwork加窗滤波加窗滤波插值拟合插值拟合时域分析时域分析频域分析频域分析时频分析时频分析图形显示图形显示报表报表网络传输网络传输数据发布数据发布信号信号Plug-In DAQ BoardsIEEE 488 (GPIB)RS

13、-232PXIVXI分析分析数据采集数据采集控制控制呈现呈现lGPIB（IEEE488，General Purpose Interface Bus） lPXI (PCI eXtension for Instrumentation )lVXI (VMEbus eXtension for Instrumentation )lPC-DAQ ISA PCI USB IEEE-1394RS系列(RS232、RS485)lLXI GPIBVXI PCDAQPXI/CompactPCI 传输位宽 (位) 8 8, 16, 32 8, 16 (ISA) ；8, 16, 32, 64 (PCI) 8, 16,

14、32, 64 吞吐率 (Mb/s) 1 or 8 (HS488) 40 80 (VME64) 1-2 (ISA) 132-264 (PCI)132-264 定时和同步无有定义有有定义可用产品 10,000 1000 10,000 1000 尺寸大 中 小-中小-中标准软件框架 无 VXI plug&play 有定义无 有定义模块化 否是否 是 EMI 防护可选有定义视具体板卡而定 视具体模块而定 系统成本高 中-高低 低-中DAQ CardIMAQ CardField PointMotion Control CardPXIDaq112Daq112数据采集卡数据采集卡aq40Maq40M

15、数字存储示波卡数字存储示波卡Daq112PCIDaq112PCI数据采集卡数据采集卡USB302USB302数据采集器数据采集器Daq216PCIDaq216PCI数据采集卡数据采集卡QLV-UQLV-U便携式数据采集器便携式数据采集器lVISA (Virtual Instrumentation software Architecture )lIVI (Interchangeable Virtual Instrument )2.4.1 VISA2.4.1 VISA体系结构体系结构自动测试系统应用程序自动测试系统应用程序仪器仪器驱动程序驱动程序VISA库库仪器仪器驱动程序驱动程序VXI仪器仪器G

16、PIB仪器仪器PXI仪器仪器2.4.2 IVI2.4.2 IVI体系结构体系结构 3.2 3.2 LabViewLabView开发系统开发系统l信号源 QLVG-2虚拟式信号发生器 QLVSP-2型虚拟式扫频仪l记忆示波器 QLVSC-3单通道记忆示波器 QLVSC-4双通道记忆示波器 QLVC-OSC1型记忆示波器 QLV-V型记忆示波器l显示与记录仪 QLV-V型无纸记录仪 QLVC-SC1型波形显示数据记录仪l动态信号分析仪 QLV-V频谱分析仪 QLVDSA-1动态信号分析仪 QLVC-SA1型FFT频谱分析仪 QLVC-2SA1型传递相干分析仪l时频分析仪 QLVC-WT1型小波变换

17、分析仪 QLVSC小波信号分析仪 QLVC-TF1型时频分析仪l声学分析仪 QLVC-NA1型噪声分析仪 QLVC-SI1型声强分析仪 QLVC-AF1型音频分析仪l机械参数测试分析仪 QLVC-MT1型多通道温度测试仪 QLVC-NJ1型扭矩转速测试仪 QLV应力应变测试仪 l监测诊断仪 QLVC-XZ1型旋转机械阶比分析仪 QLVC-A01型轴心轨迹分析仪 QLVPM预测维修分析仪 模态分析仪 l便携式仪器 手持式小波变换分析仪 手持式数据记录仪 手持式FFT分析仪 手持式实时温度监测仪l虚拟式医电仪 QLVECG-1虚拟式心电图仪 QLVEEG-1脑电图记录分析仪 l虚拟仪器实验室l网络化状态监测与故障诊断PC,portablePC,portable computer,Pocketcomputer,Pocket pc, pc,智能设备智能设备SQL Server数据库数据库 数据获取组件数据获取组件界面组件界面组件远程调用远程调用分析组件分析组件管理组件管理组件Windows Form Web FormWindows ServiceDAQ仪器平台