軟測量技術的發展背景和軟測量技術的基本原理

軟測量技術的發展背景

隨著生產技術的發展和生產過程的日益復雜，為確保生產裝置安全、地運行，需對與 系統的穩定及產品質量密切相關的重要過程變量進行實時檢測和在線控制。然而，在實際中存 在著無法用傳統的測量儀表直接檢測的重要參數，如煤礦井下瓦斯災害相關參數的檢測、精餾 塔的產品組分濃度、生物發酵罐的菌體濃度和化學反應器的反應物濃度及產品分布等。造成這 一問題的主要原因是：由于工藝條件限制，無法進行檢測；目前所掌握的檢測技術和檢測手段 不*，尚不能完成要求的檢測任務；在經濟上，*檢測工具成本過于昂貴；檢測儀表造 成的測量滯后使測量結果無法滿足實時性的要求；傳統的傳感器只能感知某一個狀態變量，有 些情況下需要對多個傳感器的測量結果進行數據融合才能得到比較理想的結果。

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

近年來，為解決這類重要但難于直接檢測參數的測量問題，人們做了大量的研究工作，形 成了一個具有深刻理論背景又非常實用的研究方向：軟測量技術的理論與應用研究。

軟測量技術zui早來源于Brosilow等人提出的推斷控制思想，推斷控制包括推斷估計器的 構造和控制器的設計兩部分內容，推斷估計器的構造指的是采集某些容易測量的變量（也稱二 次變量或輔助變量)，并構造一個以這些易測變量為輸入的數學模型來估計難測的主要變量(也 稱主導變量)。然后將主要變量的估計值作為反饋量，設計控制器對主要變量進行實時控制。 推斷控制中的兩部分內容可以獨立進行，但是推斷估計器是推斷控制系統設計的關鍵，如果主 導變量的估計值足夠，那就為控制器的設計打下了良好的基礎。軟測量技術正是圍繞如何 構造一個高精度的估計器這一核心內容展開的。

近年來軟測量技術獲得了較快發展，其研究涉及石油、化工和環保等領域。軟測量模型也 由線性模型、機理模型發展到基于“黑箱”的神經網絡模型。與軟測量有關的技術，如數據誤 差檢測、輔助變量選擇，以及模型校正等問題也正在引起人們的關注。然而從總體上看，軟測 量技術的研究成果仍然是理論多于應用，還有很多實際問題有待解決。

軟測量技術zui基本的理論基礎是系統辨識和系統建模，研究的目標是解決在實際生產中不 能直接檢測但又非常重要的變量和參數的估計問題。因而，軟測量技術的應用研究有很好的理 論價值和巨大的應用價值。軟測量技術是測量工具的延伸，是對傳統測量手段的一個有力補充， 是人們依靠間接知識對硬件儀表不可測量參數的估計。在硬件無法完成測量任務的情況下，軟 測量技術可以在一定程度上起到替代的作用。軟測量技術除了能“測量”主導變量外，還可估 計一些反映過程特性的工藝參數，如精餾塔的塔板效率、反應速度和催化劑的活性等。軟測量 的使用可以為提高生產效益，保證產品質量提供有力的手段。

軟測量技術是一門有著廣闊發展前景的新興工業技術，對其研究己經歷了從線性到非線 性、靜態到動態、無校正功能到有校正功能的過程，隨著軟測量技術在理論研究和工程實踐中 的不斷*和發展，正逐步取得令人滿意的經濟效益和社會效益。

軟測量技術的基本原理

軟測量技術的基本思想就是應用計算機技術，把測控技術與生產工藝過程的知識有機地結 合起來，對于一些難以測量或者暫時不能測量而對于控制卻很重要的變量（主導變量）根據某 些*準則，選擇另外一些在工業上容易檢測且與主導變量有密切關系的輔助變量，如溫度、 壓力、流量等，通過建立過程數學模型，利用軟件算法實現對主導變量的*估計，以軟件來 代替硬件（傳感器）功能。軟測量技術的關鍵問題是建立軟測量模型以實現輔助變量對主導變 量的*估計，這類數學模型及相應的計算機軟件也被稱為“軟測量器”或“軟儀表”。

軟測量技術主要包括4個方面：輔助變量的選擇、數據處理、軟測量模型的建立和軟測量 模型的在線校正。這4個功能模塊的核心是軟測量模型，如圖2-50所示。

圖2-51所示為軟測量技術的原理框架，其核心內容是通過構造軟測量模型，設法由可測 變量得到不可在線測量的主導變量的估計值，即

此式反映了主導變量f與輔助變量為、u、0的關系。軟測量技術的特點決定了它不是一 項*的理論工作，其成效*取決于實際應用的結果，它的發展是由理論到實踐的往返摸索 前進的過程。顯然，實現軟測量的基本途徑就是構造一個數學模型。