第五章現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)

1、化學(xué)工業(yè)出版社第一節(jié)第一節(jié) 軟測(cè)量技術(shù)軟測(cè)量技術(shù)第二節(jié)第二節(jié) 虛擬儀器技術(shù)虛擬儀器技術(shù)什么是軟測(cè)量？l基于多個(gè)可測(cè)變量的實(shí)時(shí)測(cè)量值基于多個(gè)可測(cè)變量的實(shí)時(shí)測(cè)量值,應(yīng)用數(shù)學(xué)模應(yīng)用數(shù)學(xué)模型去估計(jì)某種沒有直接測(cè)量的變量的值。型去估計(jì)某種沒有直接測(cè)量的變量的值。l又稱多傳感器的信息融合。又稱多傳感器的信息融合。l軟測(cè)量用于解決生產(chǎn)過程無法直接測(cè)量或直軟測(cè)量用于解決生產(chǎn)過程無法直接測(cè)量或直接測(cè)量困難的關(guān)鍵變量的估計(jì)問題。接測(cè)量困難的關(guān)鍵變量的估計(jì)問題。問題的提出l生產(chǎn)過程中許多關(guān)鍵的變量如煉油過程油品的質(zhì)量生產(chǎn)過程中許多關(guān)鍵的變量如煉油過程油品的質(zhì)量、反應(yīng)過程的轉(zhuǎn)化率、聚合過程產(chǎn)品質(zhì)量、分離過、反應(yīng)過程的

2、轉(zhuǎn)化率、聚合過程產(chǎn)品質(zhì)量、分離過程精餾塔產(chǎn)品的組份、裂解過程產(chǎn)物收率和裂解深程精餾塔產(chǎn)品的組份、裂解過程產(chǎn)物收率和裂解深度等，有些是無法直接測(cè)量，有些是在線分析儀表度等，有些是無法直接測(cè)量，有些是在線分析儀表價(jià)格昂貴，不易維護(hù)，而且存在較大滯后。這些變價(jià)格昂貴，不易維護(hù)，而且存在較大滯后。這些變量往往是評(píng)價(jià)生產(chǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)，所以提出實(shí)時(shí)軟測(cè)量往往是評(píng)價(jià)生產(chǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)，所以提出實(shí)時(shí)軟測(cè)量的迫切需求。量的迫切需求。lDCS的廣泛應(yīng)用，每時(shí)每刻都產(chǎn)生大量的生產(chǎn)過程的廣泛應(yīng)用，每時(shí)每刻都產(chǎn)生大量的生產(chǎn)過程狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為軟測(cè)量的實(shí)現(xiàn)提供了可能。狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為軟測(cè)量的實(shí)現(xiàn)提供了可能。 以上就是軟測(cè)量

3、技術(shù)產(chǎn)生的背景。以上就是軟測(cè)量技術(shù)產(chǎn)生的背景。軟測(cè)量技術(shù)軟測(cè)量軟測(cè)量就是依據(jù)可測(cè)、易測(cè)的過程變量就是依據(jù)可測(cè)、易測(cè)的過程變量(稱為輔助變量稱為輔助變量)與難以直接檢測(cè)的待測(cè)變量與難以直接檢測(cè)的待測(cè)變量(稱為主導(dǎo)變量稱為主導(dǎo)變量)的數(shù)學(xué)關(guān)的數(shù)學(xué)關(guān)系，根據(jù)某種最優(yōu)準(zhǔn)則，采用各種計(jì)算方法，用軟件系，根據(jù)某種最優(yōu)準(zhǔn)則，采用各種計(jì)算方法，用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)變量的測(cè)量或估計(jì)。實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)變量的測(cè)量或估計(jì)。軟測(cè)量技術(shù)主要包括四個(gè)方面：軟測(cè)量技術(shù)主要包括四個(gè)方面： (1)輔助變量的選??；輔助變量的選取； (2)數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)處理； (3)軟測(cè)量模型的建立；軟測(cè)量模型的建立； (4)軟測(cè)量模型的在線校正。軟測(cè)量模型

4、的在線校正。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回1. 1. 變量類型的選擇變量類型的選擇2. 2. 變量數(shù)目的選擇變量數(shù)目的選擇3. 3. 測(cè)點(diǎn)位置的選擇測(cè)點(diǎn)位置的選擇上一頁(yè)下一頁(yè)返 回l選擇的方法往往從間接質(zhì)量指標(biāo)出發(fā)。選擇的方法往往從間接質(zhì)量指標(biāo)出發(fā)。l例如：例如： 精餾塔產(chǎn)品的軟測(cè)量一般采用塔板溫度，精餾塔產(chǎn)品的軟測(cè)量一般采用塔板溫度， 化工反應(yīng)器中產(chǎn)品的軟測(cè)量采用反應(yīng)器管壁化工反應(yīng)器中產(chǎn)品的軟測(cè)量采用反應(yīng)器管壁溫度。溫度。 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回l從過程機(jī)理入手分析，從影響被估計(jì)變從過程機(jī)理入手分析，從影響被估計(jì)變量的變量中去挑選主要因素，因?yàn)槿苛康淖兞恐腥ヌ暨x主要因素，因?yàn)槿恳爰炔豢赡芤矝]必要。引入

5、既不可能也沒必要。l如果缺乏機(jī)理知識(shí)，則可用回歸分析的如果缺乏機(jī)理知識(shí)，則可用回歸分析的方法找出影響被估計(jì)變量的主要因素，方法找出影響被估計(jì)變量的主要因素，這需要大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)。這需要大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)。l需要指出，受系統(tǒng)自由度的限制，輔助需要指出，受系統(tǒng)自由度的限制，輔助變量的個(gè)數(shù)不能小于被估計(jì)變量的個(gè)數(shù)。變量的個(gè)數(shù)不能小于被估計(jì)變量的個(gè)數(shù)。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回l對(duì)于許多工業(yè)過程，輔助變量的檢測(cè)點(diǎn)的選擇對(duì)于許多工業(yè)過程，輔助變量的檢測(cè)點(diǎn)的選擇是十分重要的，因?yàn)榭晒┻x擇的檢測(cè)點(diǎn)很多。是十分重要的，因?yàn)榭晒┻x擇的檢測(cè)點(diǎn)很多。l檢測(cè)點(diǎn)的選擇方法：檢測(cè)點(diǎn)的選擇方法： 采用奇異值分解的確定，采用奇異值分解的

6、確定， 采用工業(yè)控制仿真軟件確定。采用工業(yè)控制仿真軟件確定。l確定的檢測(cè)點(diǎn)往往需要在實(shí)際應(yīng)用中加以調(diào)整。確定的檢測(cè)點(diǎn)往往需要在實(shí)際應(yīng)用中加以調(diào)整。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回 靈敏性：靈敏性：能對(duì)過程輸出能對(duì)過程輸出(或不可測(cè)擾動(dòng)或不可測(cè)擾動(dòng))作出快作出快速反應(yīng)。速反應(yīng)。 特異性：特異性：能對(duì)過程輸出能對(duì)過程輸出(或不可測(cè)擾動(dòng)或不可測(cè)擾動(dòng))之外的之外的干擾不敏感。干擾不敏感。 工程適應(yīng)性：工程適應(yīng)性：工程上易于獲得并達(dá)到一定的測(cè)工程上易于獲得并達(dá)到一定的測(cè)量精度。量精度。 精確性：精確性：構(gòu)成的估計(jì)器達(dá)到要求的精度。構(gòu)成的估計(jì)器達(dá)到要求的精度。 魯棒性：魯棒性：構(gòu)成的估計(jì)器對(duì)模型誤差不敏感。構(gòu)成的估計(jì)器

7、對(duì)模型誤差不敏感。 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回建模方法主要有兩大類：建模方法主要有兩大類：機(jī)理建模方法機(jī)理建模方法 非機(jī)理建模（即基于過程數(shù)據(jù)建模）：包括回非機(jī)理建模（即基于過程數(shù)據(jù)建模）：包括回歸分析、狀態(tài)估計(jì)、模式識(shí)別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)歸分析、狀態(tài)估計(jì)、模式識(shí)別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 等等等等上一頁(yè)下一頁(yè)返 回軟測(cè)量技術(shù)的核心是建立待測(cè)變量和可直接獲取軟測(cè)量技術(shù)的核心是建立待測(cè)變量和可直接獲取變量之間的數(shù)學(xué)模型，這個(gè)模型的好壞直接關(guān)系變量之間的數(shù)學(xué)模型，這個(gè)模型的好壞直接關(guān)系到軟測(cè)量的計(jì)算結(jié)果。到軟測(cè)量的計(jì)算結(jié)果。 建立在對(duì)過程工藝機(jī)理的深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，建立在對(duì)過程工藝機(jī)理的深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用物料平衡、

8、熱量平衡和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等運(yùn)用物料平衡、熱量平衡和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等原理，找出不可測(cè)主導(dǎo)變量與可測(cè)輔助變量之原理，找出不可測(cè)主導(dǎo)變量與可測(cè)輔助變量之間的關(guān)系。間的關(guān)系。 對(duì)于過程機(jī)理較為清楚的工業(yè)過程，基于機(jī)理模型對(duì)于過程機(jī)理較為清楚的工業(yè)過程，基于機(jī)理模型可以構(gòu)造良好的軟儀表。可以構(gòu)造良好的軟儀表。 對(duì)復(fù)雜工業(yè)過程，其內(nèi)在機(jī)理往往不十分清楚，完對(duì)復(fù)雜工業(yè)過程，其內(nèi)在機(jī)理往往不十分清楚，完全依賴機(jī)理分析建模比較困難，通常要選用其它方全依賴機(jī)理分析建模比較困難，通常要選用其它方法，結(jié)合機(jī)理知識(shí)構(gòu)造軟儀表。法，結(jié)合機(jī)理知識(shí)構(gòu)造軟儀表。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回 辨識(shí)方法辨識(shí)方法是將輔助變量和主導(dǎo)變量組成的系

9、統(tǒng)是將輔助變量和主導(dǎo)變量組成的系統(tǒng)看成看成“黑箱黑箱”，以輔助變量為輸入，主導(dǎo)變量，以輔助變量為輸入，主導(dǎo)變量為輸出，通過現(xiàn)場(chǎng)采集、流程模擬或?qū)嶒?yàn)測(cè)試，為輸出，通過現(xiàn)場(chǎng)采集、流程模擬或?qū)嶒?yàn)測(cè)試，獲得過程輸入、輸出數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)建立軟獲得過程輸入、輸出數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)建立軟儀表模型。儀表模型。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回由于裝置操作條件及原料性質(zhì)都會(huì)隨時(shí)間而變化，軟測(cè)量模由于裝置操作條件及原料性質(zhì)都會(huì)隨時(shí)間而變化，軟測(cè)量模型只適用于一定的操作范圍，因而需要不定期地對(duì)模型型只適用于一定的操作范圍，因而需要不定期地對(duì)模型進(jìn)行修正，以適應(yīng)工況的變化。進(jìn)行修正，以適應(yīng)工況的變化。通常對(duì)軟儀表的在線修正僅修正模型

10、的參數(shù)通常對(duì)軟儀表的在線修正僅修正模型的參數(shù) 具體方法具體方法：自適應(yīng)法、增量法等。：自適應(yīng)法、增量法等。 對(duì)模型結(jié)構(gòu)的修正需要大量的樣本數(shù)據(jù)和耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，對(duì)模型結(jié)構(gòu)的修正需要大量的樣本數(shù)據(jù)和耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，在線進(jìn)行有困難。這可采用短期學(xué)習(xí)和長(zhǎng)期學(xué)習(xí)的思路在線進(jìn)行有困難。這可采用短期學(xué)習(xí)和長(zhǎng)期學(xué)習(xí)的思路來解決。來解決。 短期學(xué)習(xí)短期學(xué)習(xí)是指以某輔助變量的采樣化驗(yàn)分析值與軟測(cè)量值之差為是指以某輔助變量的采樣化驗(yàn)分析值與軟測(cè)量值之差為依據(jù)，采用建模方法，修改模型系數(shù)。依據(jù)，采用建模方法，修改模型系數(shù)。 長(zhǎng)期學(xué)習(xí)長(zhǎng)期學(xué)習(xí)是指當(dāng)軟測(cè)量模型在線運(yùn)行一段時(shí)間后，逐步積累了足是指當(dāng)軟測(cè)量模型在線運(yùn)行一段時(shí)間

11、后，逐步積累了足夠的新樣本時(shí)，根據(jù)新樣本，采用建模方法，重建軟測(cè)量模型。夠的新樣本時(shí)，根據(jù)新樣本，采用建模方法，重建軟測(cè)量模型。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回第二節(jié)第二節(jié) 虛擬儀器技術(shù)虛擬儀器技術(shù)l虛擬儀器的概念、產(chǎn)生和現(xiàn)狀 l虛擬儀器的軟硬件體系結(jié)構(gòu)l虛擬儀器的開發(fā)系統(tǒng)l虛擬儀器的產(chǎn)品及其應(yīng)用1.3 1.3 虛擬儀器的現(xiàn)狀虛擬儀器的現(xiàn)狀1.4 1.4 虛擬儀器的特點(diǎn)虛擬儀器的特點(diǎn)傳統(tǒng)儀器虛擬儀器與其他儀器設(shè)備的連結(jié)十分有限可方便地與網(wǎng)絡(luò)外設(shè)等連接功能由儀器廠商定義功能由用戶自己定義圖形界面小，人工讀數(shù)，信息量小圖形界面，計(jì)算機(jī)讀數(shù)，分析處理數(shù)據(jù)無法編輯數(shù)據(jù)可編輯，存儲(chǔ)，打印硬件是關(guān)鍵部分軟件是關(guān)鍵部分價(jià)

12、格昂貴價(jià)格低廉系統(tǒng)封閉，功能固定，擴(kuò)展性低與計(jì)算機(jī)技術(shù)同步發(fā)展，開放性好開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高基于軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，大大節(jié)省開發(fā)維護(hù)費(fèi)用技術(shù)更新慢技術(shù)更新快多為實(shí)驗(yàn)室所擁有個(gè)人可擁有一個(gè)實(shí)驗(yàn)室GPIBSerialDAQ測(cè)試對(duì)象測(cè)試對(duì)象VXIImage AcquisitionMotionControlPXI虛擬儀器軟件虛擬儀器軟件硬件硬件& 驅(qū)動(dòng)軟件驅(qū)動(dòng)軟件NetworkNetwork加窗濾波加窗濾波插值擬合插值擬合時(shí)域分析時(shí)域分析頻域分析頻域分析時(shí)頻分析時(shí)頻分析圖形顯示圖形顯示報(bào)表報(bào)表網(wǎng)絡(luò)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)發(fā)布數(shù)據(jù)發(fā)布信號(hào)信號(hào)Plug-In DAQ BoardsIEEE 488 (GPIB)RS

13、-232PXIVXI分析分析數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集控制控制呈現(xiàn)呈現(xiàn)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 傳輸位寬 (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 定時(shí)和同步無有定義有有定義可用產(chǎn)品 10,000 1000 10,000 1000 尺寸大 中 小-中小-中標(biāo)準(zhǔn)軟件框架 無 VXI plug&play 有定義無 有定義模塊化 否是否 是 EMI 防護(hù)可選有定義視具體板卡而定 視具體模塊而定 系統(tǒng)成本高 中-高低 低-中DAQ CardIMAQ CardField PointMotion Control CardPXIDaq112Daq112數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集卡aq40Maq40M

15、數(shù)字存儲(chǔ)示波卡數(shù)字存儲(chǔ)示波卡Daq112PCIDaq112PCI數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集卡USB302USB302數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)采集器Daq216PCIDaq216PCI數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集卡QLV-UQLV-U便攜式數(shù)據(jù)采集器便攜式數(shù)據(jù)采集器lVISA (Virtual Instrumentation software Architecture )lIVI (Interchangeable Virtual Instrument )2.4.1 VISA2.4.1 VISA體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用程序自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用程序儀器儀器驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)程序VISA庫(kù)庫(kù)儀器儀器驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)程序VXI儀器儀器G

16、PIB儀器儀器PXI儀器儀器2.4.2 IVI2.4.2 IVI體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu) 3.2 3.2 LabViewLabView開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)l信號(hào)源 QLVG-2虛擬式信號(hào)發(fā)生器 QLVSP-2型虛擬式掃頻儀l記憶示波器 QLVSC-3單通道記憶示波器 QLVSC-4雙通道記憶示波器 QLVC-OSC1型記憶示波器 QLV-V型記憶示波器l顯示與記錄儀 QLV-V型無紙記錄儀 QLVC-SC1型波形顯示數(shù)據(jù)記錄儀l動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀 QLV-V頻譜分析儀 QLVDSA-1動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀 QLVC-SA1型FFT頻譜分析儀 QLVC-2SA1型傳遞相干分析儀l時(shí)頻分析儀 QLVC-WT1型小波變換

17、分析儀 QLVSC小波信號(hào)分析儀 QLVC-TF1型時(shí)頻分析儀l聲學(xué)分析儀 QLVC-NA1型噪聲分析儀 QLVC-SI1型聲強(qiáng)分析儀 QLVC-AF1型音頻分析儀l機(jī)械參數(shù)測(cè)試分析儀 QLVC-MT1型多通道溫度測(cè)試儀 QLVC-NJ1型扭矩轉(zhuǎn)速測(cè)試儀 QLV應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試儀 l監(jiān)測(cè)診斷儀 QLVC-XZ1型旋轉(zhuǎn)機(jī)械階比分析儀 QLVC-A01型軸心軌跡分析儀 QLVPM預(yù)測(cè)維修分析儀 模態(tài)分析儀 l便攜式儀器 手持式小波變換分析儀 手持式數(shù)據(jù)記錄儀 手持式FFT分析儀 手持式實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)儀l虛擬式醫(yī)電儀 QLVECG-1虛擬式心電圖儀 QLVEEG-1腦電圖記錄分析儀 l虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室l網(wǎng)絡(luò)化狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷PC,portablePC,portable computer,Pocketcomputer,Pocket pc, pc,智能設(shè)備智能設(shè)備SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù) 數(shù)據(jù)獲取組件數(shù)據(jù)獲取組件界面組件界面組件遠(yuǎn)程調(diào)用遠(yuǎn)程調(diào)用分析組件分析組件管理組件管理組件Windows Form Web FormWindows ServiceDAQ儀器平臺(tái)