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第五章第五章 现代检测技现代检测技术术本讲稿第一页，共十页主要内容主要内容第一节第一节 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本讲稿第二页，共十页第一节第一节 软测量技术软测量技术一、概述一、概述软测量技术基本思想是以易测的过程变量（辅助变量）为基础，软测量技术基本思想是以易测的过程变量（辅助变量）为基础，利用易测过程变量和待测过程变量（难测的主导变量）之间的某利用易测过程变量和待测过程变量（难测的主导变量）之间的某种关系，通过数学推导（计算和估计），求出它们之间的关系式，种关系，通过数学推导（计算和估计），求出它们之间的关系式，此关系式称为软测量模型，根据此模型编制程序，再由计算机求此关系式称为软测量模型，根据此模型编制程序，再由计算机求出待测过程的主导变量。出待测过程的主导变量。二、软测量技术的要素二、软测量技术的要素1.中间辅助变量的选择中间辅助变量的选择变量类型的选择，可以根据以下原则选择辅助变量。变量类型的选择，可以根据以下原则选择辅助变量。本讲稿第三页，共十页灵敏性：能对过程输出或不可测扰动作出快速反应；灵敏性：能对过程输出或不可测扰动作出快速反应；特异性：对过程输出或不可测扰动之外的干扰不敏感；特异性：对过程输出或不可测扰动之外的干扰不敏感；过程适用性：工程上容易获得并能达到一定的测量精度；过程适用性：工程上容易获得并能达到一定的测量精度；精确性：构成的模型输出满足精度要求；精确性：构成的模型输出满足精度要求；鲁棒性：构成的测量模型对模型误差不敏感。鲁棒性：构成的测量模型对模型误差不敏感。变量数目的选择：然辅助变量可选数目的下限是被估计的变量数。变量数目的选择：然辅助变量可选数目的下限是被估计的变量数。检测点位置的选择检测点位置的选择2.数据数据处处理理量数据处理包括数据预处理和二次处理。量数据处理包括数据预处理和二次处理。本讲稿第四页，共十页3软测量模型的建立软测量模型的建立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到软测量的计算结果。数学模型，这个模型的好坏直接关系到软测量的计算结果。软测量技术按其建模方法可分为机理建模和非机理建模软测量技术按其建模方法可分为机理建模和非机理建模（即基于过程数据建模）。具体来说建模可分为：机理（即基于过程数据建模）。具体来说建模可分为：机理建模、回归分析、状态估计、模式识别、人工神经网络、建模、回归分析、状态估计、模式识别、人工神经网络、模糊数学、相关分析和现代非线性信息处理技术等。模糊数学、相关分析和现代非线性信息处理技术等。4 测量模型修正测量模型修正工业实际装置在运行过程中，由于过程的随机噪声和不确定工业实际装置在运行过程中，由于过程的随机噪声和不确定性，使其对象特性和工作点会不可避免的发生变化和漂移，性，使其对象特性和工作点会不可避免的发生变化和漂移，所建模型和实际对象间存在误差，如果误差大于工艺允许的所建模型和实际对象间存在误差，如果误差大于工艺允许的范围时，应对测量模型进行校正。校正方法可以根据当前数范围时，应对测量模型进行校正。校正方法可以根据当前数据进行重新建模，也可以通过闭环校正进行数学模型的修正。据进行重新建模，也可以通过闭环校正进行数学模型的修正。本讲稿第五页，共十页三、软测量技术的应用三、软测量技术的应用1 软测量技术的应用条件软测量技术的应用条件通过软测量技术所得到的过程变量估计值必须在工艺过程所允许通过软测量技术所得到的过程变量估计值必须在工艺过程所允许的精确度范围内；的精确度范围内；能通过其他检测手段得到过程变量估计值以对软测量模型进行校能通过其他检测手段得到过程变量估计值以对软测量模型进行校验，并根据两者偏差确定数学模型校正与否；验，并根据两者偏差确定数学模型校正与否；直接检测被估过程变量的检测仪表较贵或维护困难；直接检测被估过程变量的检测仪表较贵或维护困难；被估过程变量应具有灵敏性、精确性、合理性等被估过程变量应具有灵敏性、精确性、合理性等2.尚存在的问题尚存在的问题软测软测量技量技术术的的发发展依展依赖赖于两个基本于两个基本问题问题的解决：的解决：可可计计算性与算性与实时实时性性问题问题。还还需要解决好以下需要解决好以下问题问题：（1）确定既）确定既简单简单、便于、便于实时计实时计算又算又保持一定的精度的保持一定的精度的软测软测量模型的量模型的问题还问题还没有理想的解决方案。没有理想的解决方案。（2）软测软测量技量技术术的通用性的通用性 本讲稿第六页，共十页四、四、软测量技术应用举例软测量技术应用举例汽驱热采工艺汽驱热采工艺流程中，流程中，锅锅炉出口湿蒸汽干度的炉出口湿蒸汽干度的检测检测是其中的一个关是其中的一个关键问题键问题干度过低，无法满足注井热量要求；干度过高会导致蒸汽过热干度过低，无法满足注井热量要求；干度过高会导致蒸汽过热而使锅炉结垢。目前对干度的测量主要有两种方法，一种是依靠人工而使锅炉结垢。目前对干度的测量主要有两种方法，一种是依靠人工分析化验，但这种方法时间滞后性大，锅炉的优化操作得不到保证，分析化验，但这种方法时间滞后性大，锅炉的优化操作得不到保证，这里采用机理分析建立湿蒸汽的软测量模型。这里采用机理分析建立湿蒸汽的软测量模型。解：解：经过分析可知湿蒸汽干度的在线自动测量主要依赖于给水经过分析可知湿蒸汽干度的在线自动测量主要依赖于给水流量、蒸汽差压以及锅炉出口压力这三个参数。流量、蒸汽差压以及锅炉出口压力这三个参数。根据这三个参数利用机理法，便可实现湿蒸汽干度的在线自动测量。根据这三个参数利用机理法，便可实现湿蒸汽干度的在线自动测量。：锅锅炉出口蒸汽炉出口蒸汽标标准准节节流装置的流装置的综综合合计计算系数。算系数。：给水质量流量；：给水质量流量；kg/h：给水密度；：给水密度；kg/m3：蒸汽密度；：蒸汽密度；kg/m3本讲稿第七页，共十页第二节第二节 虚拟仪器技术虚拟仪器技术一、虚拟仪器的简介一、虚拟仪器的简介所谓虚拟开发环境是指以虚拟仪器为基础的产品开发技术，所谓虚拟开发环境是指以虚拟仪器为基础的产品开发技术，而虚拟仪器就是指的基于计算机的仪器仪表技术、基于计而虚拟仪器就是指的基于计算机的仪器仪表技术、基于计算机的检测与自动化技术、其核心是图形化编程开发环境算机的检测与自动化技术、其核心是图形化编程开发环境（LabVIEW）、）、Labwindows/CVI、标准、标准ANSCI语言、语言、PCI时钟时钟和触发控制、数据采集（和触发控制、数据采集（PXI、PCI）、数据采集卡等。）、数据采集卡等。也可将虚拟仪器概括为：由计算机、应用软件和仪器硬件三大也可将虚拟仪器概括为：由计算机、应用软件和仪器硬件三大部分组成，且在仪器仪表中最大限度地用软件代替硬件部分组成，且在仪器仪表中最大限度地用软件代替硬件。本讲稿第八页，共十页二、虚拟仪器的构成二、虚拟仪器的构成图图5-1 虚拟仪器的基本组成虚拟仪器的基本组成本讲稿第九页，共十页1.虚拟仪器的硬件平台虚拟仪器的硬件平台基于数据采集的虚拟仪器系统基于数据采集的虚拟仪器系统以通用接口（以通用接口（GPIB接口）总线构成的虚拟仪器系统接口）总线构成的虚拟仪器系统由由VXI总线构成的虚拟仪器系统总线构成的虚拟仪器系统PXI仪器系统构成方法仪器系统构成方法2.虚拟仪器的虚拟仪器的软软件平台件平台软件的接口功能软件的接口功能仪器的驱动程序仪器的驱动程序应用软件的开发环境应用软件的开发环境本讲稿第十页，共十页