软测量技术及其在过程检测中的应用研究

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Study of Soft Sensor Technology and Its Application in Detection of Process DetectionNAN Xiao--ming(Research Institute for Computer Engineering，Qingdao University of Scienceand Technology，Qingdao 266042，China)Abstract：With the development of computer technology ，monitoring and control system becoming moreand more complicated，research and application of soft sensor technique is widely development.Thispaper statements the principle of soft sensor technology and its application status，analyzes the existingproblems.Finally，it expects the research prospects。

Key words：soft sensor；modeling methods；existing problems；research prospects近年来在过程控制和检测领域涌现出的软i贝0量技术，已成为目前过程检测和控制研究发展的重要方向 J。在工业生产过程中，有些影响产品质量的参数测量的成本较高或无法直接测量 ，仅通过采样分析得到的结果存在很大滞后，对产品质量很不利。

1 软测量技术基本原理软测量也称软仪表，它是对于-些不能直接测量或难于测量的主导变量，选择另外-些容易测量的辅助变量，通过建立两者之间的数学关系来推断和估计主导变量 J。该方法能够连续给出主导变量信息，响应迅速，而且投资低、保养维护方便，在多个领域都有应用 J。软测量技术的主要步骤为：通过机理分析选择辅助变量，采集原始数据并对其预处理，建立软测量模型，在线校正模型，实施与评价。

2 建模方法及其应用软测量技术的核心是如何建立软测量模型。目前建模的方法主要有：机理建模、基于统计分析建模、神经网络、混合建模等。不同的建模方法具有不同的优缺点和适用范围，建模方法的选择不是唯-的，可以结合具体的工业流程具体应用。

2.1 机理建模在深入了解了某-过程的反应机理后，可根据相关平衡方程，列写出主导变量和辅助变量之间的数学关系，建立机理模型。这类建模方法在某些工业生产上已取得了成功，如聚酯生产过程中酯化率、酸度、二甘醇含量的在线软测量，就是通过建立酯化反应的机理模型而实现H ；聚酯酸乙烯浓度的在线连续检测通过建立机理建模后检测精度达到0.5%ts]。

但内在机理不是很明确的复杂工业过程建模难度大，通常要结合其他的建模方法构造软测量模型。

2.2 回归分析建模常用的统计分析方法有多元线性回归 MLR、主元分析法 PCA、最小二乘法 PLS等。

回归分析法简单，但需要大量的数据，并且对误差较为敏感。陈渭泉等建立了基于贝叶斯方法预测PTA氧化过程 4-CBA浓度的软测量模型。该模型收稿日期：2013-03-08作者简介：南晓明(1987-)，山东潍坊人，在读研究生，研究方向：化工过程系统工程。

第 4期 南晓明：软测量技术及其在过程检测中的应用研究 ·101·考虑了时间的滞后，对原始数据进行处理后，利用贝叶斯方法进行变量和节点的选择，根据最小二乘法建立模型，验证结果表明该模型精度高，简单实用 引。

2.3 神经网络基于神经网络建模是近年来发展迅速，应用范围很广的-种建模方法。它能适用于高度非线性系统，可以解决-些复杂系统指标参数的软测量问题。

张宇等基于多神经网络模型建立了酯化反应软测量模型，通过对 C-均值聚类算法加以改进，模糊划分系统输人数据为具有几个不同聚类中心的子集，然后引入到多模型建模中，针对每个子集建立对应的径向基函数，全局模型由各子模型的输出加权组合。

通过对所建模型的研究，表明该建模方法有拟合精度高、泛化能力强等优点，从而验证了该建模方法的有效性和快速性 J。此外陆宁，刘成也将该建模方法应用到丙烯精馏塔中 J，靳其兵等将该建模方法应用于具体的工业过程控制中 。

2.4 支持向量机建立在统计学习理论基础上的支持向量机应用也日趋广泛。该建模方法采用结构风险最携准则，在样本数据有限无法求取最优值时，能得到现有信息下的最优解。陈文杰，王晶基于支持向量机建立聚酯粘度在线软测量模型并进行仿真，结果表明该方法能够大大提高模型的精度 。

2.5 混合建模各建模方法相结合，互相取长补短是目前比较热门的建模方法。陈雷，徐文艳，王豪提出基于软测量技术的在线检测方法，采用机理建模与统计分析相建模的混合建模方法建立模型，统计分析部分采用加权最dx-"乘法回归方法，并采用滚动回归的方法对模型参数进行在线校正，从而大幅提高了 C5石油树脂粘度的检测精度，并具有响应速度快，通用性好等优点。

神经网络具有学习能力而模糊系统则具有自学习和自适应功能，二者结合可实现输入输出样本自动设计和模型设计参数的自动调整。对于复杂工艺生产中高度非线性和不确定性的流程，可以选择模糊神经网络建模。王新刚等提出了-种通过改进减法聚类优选模糊规则的模糊神经网络建模方法，该方法仅从已知的输入输出数据中，就能快速确定模糊规则的数目；给出了模糊规则中参数的确定方法，用误差反传法优化参数，最后用该方法对聚酯的酯化率建立软测量模型。仿真结果表明该方法运算速度快，模糊规则少，同时具有 良好的泛化性能，能够满足软测量模型精度的要求 。

3 软测量技术存在的问题软测量技术发展中遇到的两个基本问题是可计算性与实时性问题 引。首先，可计算性就是用哪些辅助变量和哪些数学关系式能够准确和唯-确定主导变量，可计算性问题解决不了，软测量技术就无从实施。其次，只有对主导变量实时性的预测才能发挥软测量技术的优势。

1)可计算性分析：可计算性包括软测量结果的存在性和惟-性两个问题，影响这两个问题的主要因素包括：辅助变量的选择、原始数据的预处理、计算方法的选择。软测量技术的理论基础是可计算性分析，而建立基于过程对象的机理模型则是可计算性分析的基矗为确保软测量实施的可行性，就必须优先进行可计算性分析。

2)软测量模型的确定 ：模型的选取是软测量技术的关键。目前要方便的得到复杂工业生产过程对象的软测量模型，同时又要保持软测量模型简单、便于实时计算、精度高的问题还没有妥善的解决。

3)软测量技术的通用性：生产过程 Ft趋柔性化，传统的针对某-过程对象开发特定的软测量模型优势越来越微弱。为拓展软测量技术的应用范围，就要考虑该技术的通用性。

4 研究展望软测量技术综合数学建模、信息处理理论、先进控制理论、人工智能等技术可以建立准确的复杂工业生产过程测量模型，同时可以将小波分析、控制推断等许多先进算法应用到这项技术中，从而得到化工过程中的主导变量值。软测量技术可以为先进控制提供精确的指导数据，两者结合将推动工业的更快发展。为拓展软测量技术的应用领域，可以将其与计算机技术结合实现该技术的软件化，通用化。

软测量技术作为工业过程控制与监测领域的有利工具，无论是在理论研究还是在实际应用中都取得了不少成果，其发展也日趋完善。但科学技术是-把双刃剑，过于夸大或贬低其功能都是不恰当的↑年来，国内外专家对该技术进行了大量的研究，随着工业水平的提高，软测量技术的应用范围也将变的更加广阔。

(下转第105页)第 4期 迟德志：实用新型煤气过滤器在锅炉系统中的应用 ·105·的二次过滤，分别将煤气中的焦油和不溶性杂质过滤掉，相对于现有技术中的过滤器而言，实现了对煤气的充分过滤，并提高了过滤效果，为后续的燃烧提供良好的条件。在根据本实用新型的实施例的煤气过滤器中，为了方便地实现对煤气过滤器的清洗维护，在主体5的顶部进-步开设蒸汽吹扫口 1O，吸附剂组件6和过滤网组件 16均位于蒸汽吹扫口l0的吹扫区域内，例如，可以将蒸汽吹扫 口lO设置在主体 5的顶部中间位置；此外，还可以在蒸汽吹扫口l0端部进-步连接吹扫口法兰 11，以方便连接蒸汽管路。

相应地，在主体 5的底部至少开设有两个排污口2，保证排污口2至少位于第-缓冲区和第二缓冲区的下方，也就是至少分别位于吸附剂组件 6和过滤网组件 16的下方；同样，在排污 口2上进-步连接排污口法兰 1，以便与排污管连接。

当然，在煤气过滤器进行过滤作业时，蒸汽吹扫口l0以及排污口2是处于密封状态的，以保证煤气不会发生泄漏。

在本实用新型所提供的煤气过滤器使用-段时间后，需要对其进行适当的清洗维护，以保证良好的过滤效果。在对其进行清洗时，无需将煤气过滤器从作业设备(如蒸汽锅炉)的煤气管道上拆卸下来，而只要将煤气进口4和煤气出口l7封住，避免清洗蒸汽泄露即可；将煤气过滤器的蒸汽吹扫口连接到清洗设备，具体的说是将煤气过滤器的蒸汽吹扫口10连接到为其提供蒸汽的蒸汽管路上；从蒸汽吹扫口1O吹进带有-定速度和压力的蒸汽，在其吹扫作用下，附着在吸附组件 6和过滤网组件 l6上的焦油、不溶性杂质被吹扫掉，同时在吹扫过程中蒸汽的温度会有所降低而凝结为水滴，这样，混杂着焦油和不溶性杂质的水蒸汽混合物经由排污口2排出，到此完成对煤气过滤器的在线清洗。

在上述清洗过程中，不需要将煤气过滤器拆卸下来单独进行清洗，实现了煤气过滤器的在线清洗，从而显著简化了清洗维护流程，降低了维护人员的劳动量；此外，在清洗结束后，吸附剂组件6和过滤网组件 16可以循环使用，有助于降低生产作业成本。

在吸附剂组件 6性能下降或过滤网组件 16损坏的情况下，可直接打开煤气过滤器的法兰端盖 9或底板 2O以更换新的部件，维修方便快捷。

虽然在上面的描述中描述了煤气过滤器中含有三个煤气缓冲区，但是本实用新型不限于此，可省略这些区域中的-个或全部，而在有必要的情况下可以在煤气管道上另外设置-个或多个煤气气压缓冲装置等。

(本文文献格式：迟德志.实用新型煤气过滤器在锅炉系统中的应用[J].山东化工，2013。42(4)：102-105.)(上接第 101页)