軟測(cè)量技術(shù)的發(fā)展背景

隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)過(guò)程的日益復(fù)雜，為確保生產(chǎn)裝置安全、地運(yùn)行，需對(duì)與 系統(tǒng)的穩(wěn)定及產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)的重要過(guò)程變量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和在線控制。然而，在實(shí)際中存 在著無(wú)法用傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x表直接檢測(cè)的重要參數(shù)，如煤礦井下瓦斯災(zāi)害相關(guān)參數(shù)的檢測(cè)、精餾 塔的產(chǎn)品組分濃度、生物發(fā)酵罐的菌體濃度和化學(xué)反應(yīng)器的反應(yīng)物濃度及產(chǎn)品分布等。造成這 一問(wèn)題的主要原因是：由于工藝條件限制，無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)；目前所掌握的檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)手段 不完善，尚不能完成要求的檢測(cè)任務(wù)；在經(jīng)濟(jì)上，*檢測(cè)工具成本過(guò)于昂貴；檢測(cè)儀表造 成的測(cè)量滯后使測(cè)量結(jié)果無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性的要求；傳統(tǒng)的傳感器只能感知某一個(gè)狀態(tài)變量，有 些情況下需要對(duì)多個(gè)傳感器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合才能得到比較理想的結(jié)果。

為了解決此類參數(shù)的測(cè)量問(wèn)題，以前往往采用兩種方法。一種方法是采用間接測(cè)量方法， 利用可測(cè)輔助變量去估計(jì)推測(cè)難以測(cè)量的變量，但此法難以保證zui終的測(cè)量精度；另一•種方法 是采用離線分析儀表，但具有較大的測(cè)量滯后，在控制性能要求較高時(shí)不能滿足要求。

近年來(lái)，為解決這類重要但難于直接檢測(cè)參數(shù)的測(cè)量問(wèn)題，人們做了大量的研究工作，形 成了一個(gè)具有深刻理論背景又非常實(shí)用的研究方向：軟測(cè)量技術(shù)的理論與應(yīng)用研究。

軟測(cè)量技術(shù)zui早來(lái)源于Brosilow等人提出的推斷控制思想，推斷控制包括推斷估計(jì)器的 構(gòu)造和控制器的設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容，推斷估計(jì)器的構(gòu)造指的是采集某些容易測(cè)量的變量（也稱二 次變量或輔助變量)，并構(gòu)造一個(gè)以這些易測(cè)變量為輸入的數(shù)學(xué)模型來(lái)估計(jì)難測(cè)的主要變量(也 稱主導(dǎo)變量)。然后將主要變量的估計(jì)值作為反饋量，設(shè)計(jì)控制器對(duì)主要變量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 推斷控制中的兩部分內(nèi)容可以獨(dú)立進(jìn)行，但是推斷估計(jì)器是推斷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，如果主 導(dǎo)變量的估計(jì)值足夠，那就為控制器的設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。軟測(cè)量技術(shù)正是圍繞如何 構(gòu)造一個(gè)高精度的估計(jì)器這一核心內(nèi)容展開(kāi)的。

近年來(lái)軟測(cè)量技術(shù)獲得了較快發(fā)展，其研究涉及石油、化工和環(huán)保等領(lǐng)域。軟測(cè)量模型也 由線性模型、機(jī)理模型發(fā)展到基于“黑箱”的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。與軟測(cè)量有關(guān)的技術(shù)，如數(shù)據(jù)誤 差檢測(cè)、輔助變量選擇，以及模型校正等問(wèn)題也正在引起人們的關(guān)注。然而從總體上看，軟測(cè) 量技術(shù)的研究成果仍然是理論多于應(yīng)用，還有很多實(shí)際問(wèn)題有待解決。

軟測(cè)量技術(shù)zui基本的理論基礎(chǔ)是系統(tǒng)辨識(shí)和系統(tǒng)建模，研究的目標(biāo)是解決在實(shí)際生產(chǎn)中不 能直接檢測(cè)但又非常重要的變量和參數(shù)的估計(jì)問(wèn)題。因而，軟測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用研究有很好的理 論價(jià)值和巨大的應(yīng)用價(jià)值。軟測(cè)量技術(shù)是測(cè)量工具的延伸，是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量手段的一個(gè)有力補(bǔ)充， 是人們依靠間接知識(shí)對(duì)硬件儀表不可測(cè)量參數(shù)的估計(jì)。在硬件無(wú)法完成測(cè)量任務(wù)的情況下，軟 測(cè)量技術(shù)可以在一定程度上起到替代的作用。軟測(cè)量技術(shù)除了能“測(cè)量”主導(dǎo)變量外，還可估 計(jì)一些反映過(guò)程特性的工藝參數(shù)，如精餾塔的塔板效率、反應(yīng)速度和催化劑的活性等。軟測(cè)量 的使用可以為提高生產(chǎn)效益，保證產(chǎn)品質(zhì)量提供有力的手段。

軟測(cè)量技術(shù)是一門(mén)有著廣闊發(fā)展前景的新興工業(yè)技術(shù)，對(duì)其研究己經(jīng)歷了從線性到非線 性、靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、無(wú)校正功能到有校正功能的過(guò)程，隨著軟測(cè)量技術(shù)在理論研究和工程實(shí)踐中 的不斷完善和發(fā)展，正逐步取得令人滿意的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

軟測(cè)量技術(shù)的基本原理

軟測(cè)量技術(shù)的基本思想就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，把測(cè)控技術(shù)與生產(chǎn)工藝過(guò)程的知識(shí)有機(jī)地結(jié) 合起來(lái)，對(duì)于一些難以測(cè)量或者暫時(shí)不能測(cè)量而對(duì)于控制卻很重要的變量（主導(dǎo)變量）根據(jù)某 些*準(zhǔn)則，選擇另外一些在工業(yè)上容易檢測(cè)且與主導(dǎo)變量有密切關(guān)系的輔助變量，如溫度、 壓力、流量等，通過(guò)建立過(guò)程數(shù)學(xué)模型，利用軟件算法實(shí)現(xiàn)對(duì)主導(dǎo)變量的*估計(jì)，以軟件來(lái) 代替硬件（傳感器）功能。軟測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題是建立軟測(cè)量模型以實(shí)現(xiàn)輔助變量對(duì)主導(dǎo)變 量的*估計(jì)，這類數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件也被稱為“軟測(cè)量器”或“軟儀表”。

軟測(cè)量技術(shù)主要包括4個(gè)方面：輔助變量的選擇、數(shù)據(jù)處理、軟測(cè)量模型的建立和軟測(cè)量 模型的在線校正。這4個(gè)功能模塊的核心是軟測(cè)量模型，如圖2-50所示。

圖2-51所示為軟測(cè)量技術(shù)的原理框架，其核心內(nèi)容是通過(guò)構(gòu)造軟測(cè)量模型，設(shè)法由可測(cè) 變量得到不可在線測(cè)量的主導(dǎo)變量的估計(jì)值，即

此式反映了主導(dǎo)變量f與輔助變量為、u、0的關(guān)系。軟測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)決定了它不是一 項(xiàng)*的理論工作，其成效*取決于實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果，它的發(fā)展是由理論到實(shí)踐的往返摸索 前進(jìn)的過(guò)程。顯然，實(shí)現(xiàn)軟測(cè)量的基本途徑就是構(gòu)造一個(gè)數(shù)學(xué)模型。