现代检测技术PPT课件.ppt

1,第五章 现代检测技术,2,主要内容,第一节 软测量技术 第二节 虚拟仪器技术,3,什么是软测量？,基于多个可测变量的实时测量值,应用数学模型去估计某种没有直接测量的变量的值。 又称多传感器的信息融合。 软测量用于解决生产过程无法直接测量或直接测量困难的关键变量的估计问题。,第一节 软测量技术,4,问题的提出,生产过程中许多关键的变量如炼油过程油品的质量、反应过程的转化率、聚合过程产品质量、分离过程精馏塔产品的组份、裂解过程产物收率和裂解深度等，有些是无法直接测量，有些是在线分析仪表价格昂贵，不易维护，而且存在较大滞后。这些变量往往是评价生产的关键指标，所以提出实时软测量的迫切需求。 DCS的广泛应用，每时每刻都产生大量的生产过程状态的实时数据，为软测量的实现提供了可能。 以上就是软测量技术产生的背景。,软测量技术,软测量技术,软测量就是依据可测、易测的过程变量(称为辅助变量)与难以直接检测的待测变量(称为主导变量)的数学关系，根据某种最优准则，采用各种计算方法，用软件实现对待测变量的测量或估计。 软测量技术主要包括四个方面： (1)辅助变量的选取； (2)数据处理； (3)软测量模型的建立； (4)软测量模型的在线校正。,上一页,下一页,返 回,6,辅助变量的选取,1. 变量类型的选择 2. 变量数目的选择 3. 测点位置的选择,上一页,下一页,返 回,7,1. 变量类型的选择,选择的方法往往从间接质量指标出发。 例如： 精馏塔产品的软测量一般采用塔板温度， 化工反应器中产品的软测量采用反应器管壁温度。,上一页,下一页,返 回,辅助变量的选取,8,2. 变量数目的选择,从过程机理入手分析，从影响被估计变量的变量中去挑选主要因素，因为全部引入既不可能也没必要。 如果缺乏机理知识，则可用回归分析的方法找出影响被估计变量的主要因素，这需要大量的观测数据。 需要指出，受系统自由度的限制，辅助变量的个数不能小于被估计变量的个数。,上一页,下一页,返 回,辅助变量的选取,9,3. 测点位置的选择,对于许多工业过程，辅助变量的检测点的选择是十分重要的，因为可供选择的检测点很多。 检测点的选择方法： 采用奇异值分解的确定， 采用工业控制仿真软件确定。 确定的检测点往往需要在实际应用中加以调整。,上一页,下一页,返 回,辅助变量的选取,10,一种辅助变量的选择原则如下,灵敏性：能对过程输出(或不可测扰动)作出快速反应。 特异性：能对过程输出(或不可测扰动)之外的干扰不敏感。 工程适应性：工程上易于获得并达到一定的测量精度。 精确性：构成的估计器达到要求的精度。 鲁棒性：构成的估计器对模型误差不敏感。,上一页,下一页,返 回,辅助变量的选取,11,软测量模型建立方法,建模方法主要有两大类： 机理建模方法 非机理建模（即基于过程数据建模）：包括回归分析、状态估计、模式识别、人工神经网络 等等,上一页,下一页,返 回,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。,12,机理建模分析方法,建立在对过程工艺机理的深刻认识的基础上，运用物料平衡、热量平衡和化学反应动力学等原理，找出不可测主导变量与可测辅助变量之间的关系。 对于过程机理较为清楚的工业过程，基于机理模型可以构造良好的软仪表。 对复杂工业过程，其内在机理往往不十分清楚，完全依赖机理分析建模比较困难，通常要选用其它方法，结合机理知识构造软仪表。,上一页,下一页,返 回,软测量模型建立方法,13,系统辨识方法,辨识方法是将辅助变量和主导变量组成的系统看成“黑箱”，以辅助变量为输入，主导变量为输出，通过现场采集、流程模拟或实验测试，获得过程输入、输出数据，以此为依据建立软仪表模型。,上一页,下一页,返 回,软测量模型建立方法,14,软仪表的在线校正,由于装置操作条件及原料性质都会随时间而变化，软测量模型只适用于一定的操作范围，因而需要不定期地对模型进行修正，以适应工况的变化。 通常对软仪表的在线修正仅修正模型的参数 具体方法：自适应法、增量法等。 对模型结构的修正需要大量的样本数据和耗费较长时间，在线进行有困难。这可采用短期学习和长期学习的思路来解决。 短期学习是指以某辅助变量的采样化验分析值与软测量值之差为依据，采用建模方法，修改模型系数。 长期学习是指当软测量模型在线运行一段时间后，逐步积累了足够的新样本时，根据新样本，采用建模方法，重建软测量模型。,上一页,下一页,返 回,15,第二节 虚拟仪器技术,虚拟仪器的概念、产生和现状 虚拟仪器的软硬件体系结构 虚拟仪器的开发系统 虚拟仪器的产品及其应用,16,虚拟仪器是将现有的计算机主流技术与革新的灵活易用的软件以及高性能模块化硬件结合在一起，建立的一种功能强大、灵活易变的基于计算机的测试测量与控制系统。,1.1 虚拟仪器的概念,17,1.2 虚拟仪器的产生历史,18,通讯 AT&T, Alcatel, Ericsson 计算机 IBM, Apple, Dell 半导体 Motorola, TI, Thomson-CSF 汽车 Ford, Chrysler, Nissan, Toyota 电子 Sony, Siemens,石油化工 Shell, Mobil Research 纺织 Instron, Dupont, Eli Lilly, Albany International 制造 Ericcson, Duracell 食品加工 Sara Lee, Ben & Jerry, Shiner 医药 Johnson & Johnson, Proctor & Gamble,测试和测量,工业自动化,1.3 虚拟仪器的现状,19,1.4 虚拟仪器的特点,20,GPIB,Serial,DAQ,测试对象,VXI,Image Acquisition,Motion Control,PXI,虚拟仪器软件,硬件& 驱动软件,Network,Network,2.1 体系结构概述,21,2.2 虚拟仪器的组成,加窗滤波 插值拟合 时域分析 频域分析 时频分析 ,图形显示 报表 网络传输 数据发布 ,信号,Plug-In DAQ Boards IEEE 488 (GPIB) RS-232 PXI VXI,分析,数据采集 控制,呈现,22,2.3 虚拟仪器的总线体系,GPIB（IEEE488，General Purpose Interface Bus）,PXI (PCI eXtension for Instrumentation ),VXI (VMEbus eXtension for Instrumentation ),PC-DAQ ISA PCI USB IEEE-1394 RS系列(RS232、RS485),LXI,23,几种仪器总线的比较,24,常用虚拟仪器板卡,25,Daq112数据采集卡,aq40M数字存储示波卡,Daq112PCI数据采集卡,USB302数据采集器,Daq216PCI数据采集卡,QLV-U便携式数据采集器,26,2.4 虚拟仪器的软件标准,VISA (Virtual Instrumentation software Architecture ),IVI (Interchangeable Virtual Instrument ),27,2.4.1 VISA体系结构,自动测试系统应用程序,仪器 驱动程序,VISA库,仪器 驱动程序,VXI 仪器,GPIB 仪器,PXI 仪器,28,IVI 结构：,IVI驱动程序,IVI 特定驱动,测试程序,VISA,2.4.2 IVI体系结构,IVI 配置,IVI 配置文件,IVI 引擎,HP 34401DMM,Fluke DMM45,29,LabView,Agilent VEE,DASYLab,DirectView,3.1 开发系统概述,VMIDS,30,3.2 LabView开发系统,31,3.3 AgilentVee开发系统,32,3.4 VMIDS自主开发系统,33,信号源 QLVG-2虚拟式信号发生器 QLVSP-2型虚拟式扫频仪 记忆示波器 QLVSC-3单通道记忆示波器 QLVSC-4双通道记忆示波器 QLVC-OSC1型记忆示波器 QLV-V型记忆示波器 显示与记录仪 QLV-V型无纸记录仪 QLVC-SC1型波形显示数据记录仪 动态信号分析仪 QLV-V频谱分析仪 QLVDSA-1动态信号分析仪 QLVC-SA1型FFT频谱分析仪 QLVC-2SA1型传递相干分析仪 时频分析仪 QLVC-WT1型小波变换分析仪 QLVSC小波信号分析仪 QLVC-TF1型时频分析仪 声学分析仪,QLVC-NA1型噪声分析仪 QLVC-SI1型声强分析仪 QLVC-AF1型音频分析仪 机械参数测试分析仪 QLVC-MT1型多通道温度测试仪 QLVC-NJ1型扭矩转速测试仪 QLV应力应变测试仪 监测诊断仪 QLVC-XZ1型旋转机械阶比分析仪 QLVC-A01型轴心轨迹分析仪 QLVPM预测维修分析仪 模态分析仪 便携式仪器 手持式小波变换分析仪 手持式数据记录仪 手持式FFT分析仪 手持式实时温度监测仪 虚拟式医电仪 QLVECG-1虚拟式心电图仪 QLVEEG-1脑电图记录分析仪,4.1 虚拟仪器产品,34,35,36,37,4.2 虚拟仪器应用案例,虚拟仪器实验室,网络化状态监测与故障诊断,38,4.2.1 虚拟仪器实验室-体系结构,PC,portable computer,Pocket pc,智能设备,SQL Server数据库,数据获取组件,界面组件,远程调用,分析组件,管理组件,Windows Form,Web Form,Windows Service,DAQ,仪器平台,辅助设备,传感器,虚拟仪器库,Client,Server,DAQ,39,多通道波形,赖奎斯特图,衰减振动信号