（化学工程专业论文）基于chemcad用户接口技术的石化过程虚拟检测系统研究.pdf

中文摘要 石化企业的自动化生产程度的高低很大程度上影响着我国国民经济，其中准确、及时的 过程检测是实现自动化的基本保障。目前，如何利用现代计算机信号处理和过程模拟技术提 高过程检测水平，保证生产的安全高效进行，降低成本以获得更高的经济效益，已经成为一 个重要课题。 本文分析了现有的过程检测的执行方式，针对石化过程检测中迫切需要实现的现代滤波 技术保证的数字滤波技术、实时在线检测和对检测难度很大的检测变量的软测量，提出使用 基于c h e m c a d 用户接1 3 技术的过程虚拟检测的方法，利用c h e m c a d 在化工过程模拟计 算上的优势，结合现代滤波技术，建立以c o m 技术为手段、以现代数字滤波为保障。以过 程模拟计算为核心，以石化过程检测为研究对象的虚拟检测模式；通过e x c e l 程序将各个 模块组件有机结合，对过程检测数据进行显示、分析、统计，实现测、图、表、管一体化。 并可与现有石化过程检测系统整合，如；d c s 系统，实现过程的实时检测、预估，并为过 程的在线优化和先进控制提供了技术条件。 为了实现基于c h e m c a d 用户接口技术的过程虚拟检测系统，作者进行了有益的尝试。 在e x c e l 程序中，使用v b a 语言和m i e r o s o i tc o m 组件技术，针对实际丙烯精馏单元完 成了该系统的实例程序，证明了其可行性，并对各种集成手段和程序功能进行了讨论和实现。 关键词：过程虚拟检测数字滤波过程模拟c h e m c a d a b s t r a c t p e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s ei ss oi m p o r t a n tf o rt h ee c o n o m yo f0 1 1 1 - c o u n t r yt h a ti t sd e g r e eo f a u t o m a t i o n , w h i c hd e p e n d so nt h ee x a c ta n do p p o r a m ep r o c e s sd e t e c t i o n , d i r e c t l ya f f e c t st h e n a t i o n a le c o n o m yt o t a lv a l u e c u r r e n t l y , i ti si nal o wl e v e li nt h ew o r l d , s oh o w 幻i m p r o v et h e p r o c e s sd e t e c t i o nb ym o d e mc o m p u t e rs i g n a lp r o c e s s i n ga n dp r o c e s ss i m u l a t i o n , f o rt h ep u r p o s e o fp r o d u c t i o ns a f ea n de f f i c i e n c y , r e d u c i n gt h ec o s t sa n dg e t t i n gb e t t e re c o n o m i c a lb e n e f 砘h a s b d 7 o m eac r i t i c a lt a s kt h a ti 他酣st ob es o l v e di m m e d i a t e l 弘 w i t ht h ea n a l y s i so ft h ec u r r e n tp r o c g 镕sd e t e c t i o n , an e wp a t t e r no fp r o c e 鹞v i r t u a ld e t e c t i o n s y s t e mb a s e do nt h ec h e m c a d u s e fi n t e r f a h a sb e a nd e v e l o p e d g i v e nt h a tt h ed i g i t a lf i l t e r i n g , o n l i n ed e t e c t i o na n ds o t ! t - m e a s u r e m e n ta r ec r i c df o ri np e t r o c h e m i c a lp r o c e s s b yt a k i n gt h e a d v a n t a g eo fc h e m c a di nc h e m i c a lp r o c e s ss i m u i n t i u na n di n t e 舯t i n gw i t ht h em o d e r ns i g n a l f i l t e r i n g , t h ev i r t i l a ld e t e c t i o nm o d e w h i c hd e p e n d so l lt h ec o mi n t e r f a c e , m o d e l l ld i g i t a lf i k e r i n g a n dp r o c e s ss i m u l a t i o n , i sd e s c r i b e d t h en e wp a t t e r ns h o u l di n t e g r a t ee v e r ym o d u l ea n dr e a l i z e t h ei n t e g r a t i o no fd e t e c t i o n , g 南p h s ，t a b l e sa n do p e r a t i o n , a l s ow i t ht h ep e t r o c h e m i c a lp r o c e s s d e t e c t i o ns y s t e mi n d s i e 哪s u c h t h ed c s b yr e a lt i m ed e t e c t i o na n dp r e d i c t i o n , t h en e w a p p l i c a t i o nm a k e st h eo n l i n eo p t i m i z a t i o na n da d v a n c e dc o n t r o lc o m e t r u e i no r d e rt or e a l i z et h ev i r t u a ld e t e c t i o ns y s t e mi np e t r o c h e m i c a lp r o c e s sb a s e do nc h e m c a du s e r i n t e r f a c e , t h ea u t h o rh a sd e s i g n e dt h ea p p l i c a t i o nw i t hv b al a n g u a g ea n dm i c r o s o f tc o m i n t e r f a c ei ne x c e l ，w h i c hb a s e do nt h ep r o p y l e n ed i s t i l l a t i o nu n i li th a sp r o v e dt h ec o r r e c t n e s s a n dt h ef e a s i b i l i t yo f t h en e wp a t t e r na n di t sp r o g r a mc o d e k e yw o r d s ：p r o c e s sv i r t u a ld e t e c t i o n , d i g i t a lf i l t e r i n g , p r o c e s ss i m u l a t i o n , c h e m c a d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文储躲副的签字吼劬6 年月乒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤生盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 洲罾面 签字日期：辞1 月毕日 导师签名：夕 毒9 签字日期：z ，缉1 月ee l 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 石油化工行业中多专业、多领域相互渗透，技术密集，生产连续性强，自动 化程度要求高。一般说来，大型石化企业厂区内设备装置众多、管线复杂密集， 物料、能耗均需要准确计量，生产操作实时性、安全性要求高。因此，对过程中 工艺条件和物性数据的检测是各企业都非常重视的一个重要环节。 检测的效果取决于检测系统功能和结构设计以及检测方法的精度和先进性。 目前国内大多数石化企业采用的检测系统主要有两类：一类是将采集的信号用硬 件仪器处理、记录，当记录的是模拟量时，通常还需要用数据采样的方法得出离 散的数据后再由人工进行数据处理；另一类是从8 0 年代开始，将计算机设备引 入检测系统，这类系统将采集的信号经变送器后送入计算机的a d 采集电路，计 算机再将数字信号处理、输出，提高了检测的自动化程度和数据处理的精度。但 现有的计算机辅助检测系统尚存以下不足： l 、检测设备由制造厂家定义，硬件依赖性过强，常常由于硬件在检测原理、 精度和检测周期等方面的局限性不能满足现代先进控制和在线优化的要求。 2 、设备的功能和规模固定，当需要根据市场策略和生产状况对过程进行调 整和改造时，不利于修改和扩展。 3 、技术更新慢，开发和维护费用高，价格昂贵。 4 、多为封闭系统，与其他设备和系统的连接能力有限。 以“软件就是仪器”为核心概念的虚拟仪器和虚拟检测技术，使用户突破了 检测系统由厂家制造，而用户无法改变既定功能的约束。用户可以根据自己的需 要来设计、更新检测系统，以达到传统系统无法实现的检测效果。基于此，选用 了先进的流程模拟计算软件c h e m c a d 作为模拟计算平台，在其用户接口技术的基 础上构建面向对象的、开放型的、功能易于扩展的、与外部其他设备连接方便的 石化过程虚拟检测系统，以弥补上述计算机辅助检测系统中的不足之处。 1 1 虚拟检测概述 1 1 1 虚拟检测的概念 在过去的2 0 年中，p c 机应用的迅速普及促进了测试测量和自动化仪器系统 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 的革新，其中最显著的一点就是虚拟仪器概念的出现与发展。虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t ，简称v i ) 是计算机技术、现代测控技术和电子仪器技术相互结合， 渗透的产物。它是全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破。它的出现使 测量仪器与计算机之间的界限消失，开始了测量仪器的新时代。 虚拟仪器就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有 虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统，用来完成传统仪器 的功能“1 。使用者用鼠标点击虚拟面板，就可操作这台计算机系统硬件平台，就 如同使用一台专用的测量仪器。 虚拟检测“i r t u a ld e t e c t i o n ) 是对虚拟仪器概念的进一步深化，既具有虚 拟仪器的测试、测量功能，还能对被测对象进行各种在线智能信息处理及状态检 测”。随着石化过程的结构日趋复杂，为了保证这些大型设备的安全运行，要求 对其进行多点同步测量、数据融合处理、协作状态检测。应用常规的设备和监测 方法实现这一状态检测过程时，常受到测量点信息来源、数据分析处理的实时性、 知识局限性的限制，很难满足工程的实际需要。 1 1 2 虚拟检测的出现 检测系统的发展经历了四个阶段，即模拟检测系统、数字化检测系统、以计 算机为核心的自动检测系统和以软件为核心的虚拟检测系统。1 。 5 0 年代以前，检测系统以模拟检测系统为主，用模拟技术处理检测信号， 其自动化程度低，系统结构复杂。5 0 年代，伴随着数字技术的出现，数字化检 测系统也相应产生，其将模拟信号转化为数字信号，利用数字技术处理检测信号。 7 0 年代，以计算机为核心的自动检测系统，是检测系统在智能化方面迈开的一 大步，也为虚拟检测系统的诞生奠定了基础。之后，微电子技术，特别是微型计 算机技术的迅猛发展，使检测系统在人工智能方面取得了巨大发展。8 0 年代后 期，由于计算机软件技术得到飞速发展，以软件为核心的虚拟检测系统应运而生 啪。虚拟检测系统近十年的发展证明：充分利用计算机强大的软件能力实现虚拟 检测系统的功能，不仅有利于降低系统的成本与功耗，而且便于修改系统的功能 与规模，易于系统升级。 1 1 3 虚拟检测的特点 虚拟检测系统具有传统检测系统不可能具备的特点，可以归纳为： 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统检测设备的硬件来完成设备的功 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 能。 设备的功能是根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家设定的。 设备性能的改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需要购买新 的设备。 研制开发周期较传统检测设备大为缩短。 虚拟检测系统开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互 联。 1 1 4 虚拟检测系统的构成 虚拟检测系统由硬件平台和应用软件两大部分构成。硬件平台包括：计算机， 一般为一台p c 机或者工作站，它是硬件平台的核心；i o 接口设备，主要完成 被测输入信号的采集、放大、模数转换。应用软件包括：应用程序，由实现虚拟 面板功能的用户界面程序和定义检测、处理功能的过程模拟计算程序组成；i o 接口设备驱动程序。 本课题中主要研究软件部分，由数据预处理和在此基础上的过程模拟计算软 测量两个主要部分组成，实现检测变量的数字滤波、预测、软测量以及优化，并 提供相应的图表结果。 1 2 数据预处理 准确的数据将为监控、模拟计算、优化、计划调度及决策分析提供坚实的基 础。然而，在实际生产过程中，从现场采集到的数据由于测量中不可避免地存在 误差，使得测量数据不能精确地符合化工过程的一些内在物理和化学规律，如化 学反应计量关系、物料平衡或热量平衡等，这种现象称为测量数据的不平衡性 ( i n r e c o n c i l i a t i o n ) 。过程测量数据的误差可分为两大类：随机误差( r a n d o me r r o r ) 和 过失误差( g - r o s s e r r o r ) 例。前者主要来源于随机因素的影响，如测量仪器的误差、 操作的随机波动等，一般服从一定的统计规律。后者是指由于测量仪表不准、失 灵或失调、管道和设备的泄漏以及操作不稳定等原因造成的测量数据严重失真。 如果将这些数据直接用于虚拟检测系统中的软测量计算，不但得不到正确的主导 变量估计值，还可能误导操作，引起生产波动，导致系统整体性能下降，甚至整 个生产过程失败。因此输入数据的预处理成为过程虚拟检测技术中必不可少的一 步。输入数据的预处理主要包括过失误差处理和数据校正两方面，在本课题中通 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 过数字滤波实现。 1 2 1 过失误差处理 数据校正的前提条件之一是测量数据中仅含有随机误差。如果系统中存在过 失误差，直接校正后过失误差会分摊在原本仅含有随机误差的数据上，使校正值 严重失真，甚至比不校正的数据精度还差。尽管这种过失误差数据在总的测量数 据中所占的比例很小，但它的存在可能会严重影响校正和模拟计算结果的可靠 性。所以在进行测量数据校正和估计时，应当首先侦破、识别和剔除( 补偿) 含过 失误差的测量数据。另外，过失误差的存在也是过程故障的反映。测量数据过失 误差的侦破结果可以指导操作人员有针对性地维修仪表和设备，使过程得以正常 操作。 一般来说，常用的过失误差侦破方法有三种： 1 、对各种可能导致过失误差的因素进行理论分析。 2 、借助于各种具有不同测量精度的手段对同一过程变量进行测量，然后比 较，即硬件冗余法。 3 、利用测量数据的统计特性进行检验。 显然，最后一种以数理统计理论为基础的过失侦破的方法更具实用性。因为 若仅从理论上作出分析，需要较全面的专业知识，不易广泛使用，并且极有可能 遗漏造成过失误差的一些潜在原因；硬件冗余法则会造成大量财力、物力的负担。 相比之下，统计检验法只与过程测量数据有关，便于在线运行，方法具有普遍性， 受到人们的重视。 1 2 2 数据校正 k u e h na n dd a v i d s o n f n 在从事计算机工艺过程控制的研究中，首次提出应对 过程测量数据进行校正。他们建议在假设测量误差服从正态分布的基础上，将测 量数据的校正值与测量值的偏差平方和取最小，并使校正值满足一组约束方程， 作为数据校正的理论依据，从而为数据校正的研究奠定了基础。 线性问题可由l a g r a n g e 乘子法直接求解，相对比较简单。在实际情况中， 数据校正问题多为非线性约束( 例如，在温度和流量已测的情况下，能量平衡方 程即为非线性方程) 。由于非线性问题求解的复杂性，使得这一领域一直是研究 的热点。 对约束条件为非线性的系统，求解方法一是简化为线性约束，二是采用迭代 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 技术予以求解。利用l a g r a n g e 方法，b r i t t 和l e u c k e 6 提出了连续线性化的方法对 非线性约束进行处理，开发了用于非线性估计的法线方程。 v a l a v c k 等r 7 】根据物流的流量和浓度是否己测，将其划分为四种类型，从而为 处理非线性问题提供了理论依据。 i n l e y 和m a h 【8 】针对非线性问题的一组测量和约束，提出了状态变量的整体 和局部可观测性的概念，将图论原理应用到质量能量物流网络中，将未测变 量划分为整体( 局部) 可观测型和不可观测型，利用己测变量被剔除后，对整体( 局 部) 可观测型变量的影响，判断己测变量的整体( 局部) 冗余性。 b e 圯k r a a n0 1 直接采用非线性问题求解程序，用于问歇和稳态过程的测量数据 校正。 c r o w e m 】将投影矩阵法扩展到双线性约束的数据校正问题并给出了相应的 求解方法。然而该方法针对的过程过于特殊，对于一般性的非线性问题并不适用。 d a v i d 等【1 1 1 提出y b r o y d e n 型校正，开发使用了c r o w e 投影矩阵的迭代方法， 第一次将准牛顿法校正和高斯一牛顿法结合，来求解非线性数据校正问题，使收 敛速度加快。 r o m a g n o l i 1 2 1 利用矩阵投影理论将非线性问题分解为三个子问题，顺序求 解。首先利用投影矩阵从方程中消除所有未测组分流率和浓度，然后剔除未测总 流率，最后迭代求解组分流率的估计值。 k i m 等 1 3 】介绍了三种非线性问题误差参数估计方法，并建议使用一种两步 法。 t j o a 等 1 4 】对非线性系统提出了数据校正和误差侦破的同时策略，通过采用极 大似然法的思想来建立目标函数，同时考虑随机误差和过失误差对该目标函数的 作用，将数据校正和过失误差侦破问题统一求解，从而避免了计算过程中的迭代。 j o s n s t o n 1 5 】采用这种思想，更为系统地阐述了极大似然法在稳态系统数据校正中 的应用。 刘传政等【1 6 】提出的线性化方法，用于双线性问题的校正，可充分利用比较成 熟的线性理论，有效地避免了易使校正问题繁解的非线性方程的出现。 李红军等【1 7 惜鉴投影矩阵的思想，通过引入测度因子函数，通过将双线性等 式约束转换为线性等式约束，导出了一种迭代求解方法。 另外，g o r c z y n s k i ! ”1 评价了最小二乘法与线性规划算法，指出- z 次规划法具 有优越性。b o s s 衄等【t 9 1 提出了数据校正与过程模拟、优化相结合的方法。 a 】b e r s 【2 0 】探讨了带有未测参数的换热网络的数据校正方法。 m o oh ol e e 等阱键出了针对降低工厂能耗的在线校正与优化方法。该方法 基于层次分解将系统分为一组子系统，相对于其它的方法，它能够较灵活地选择 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 决定变量、需要较少的计算量以及具有更好的收敛性。 j 踟n y 2 2 l 提出了用于非线性约束问题的规则调整法，通过引入c h o l e s 姆分解 因子而避免了在连续线性化的每步迭代中计算投影矩阵，节省了计算量。 前面介绍的数据校正方法大都是以空间冗余为基础的。对实现了d c s 自动控 制的化工装置来说，计算机数据库管理系统收集保存了大量的实时数据信息。显 然应充分将这些时间冗余数据结合起来用于数据校正，否则是信息资源的极大浪 费。同时，基于时问冗余的数据校正具有自身的优势：检测系统结构常使得某些 变量无法由其他变量计算获得，即不具有空间冗余，仅能由时间冗余进行数据校 正；时间冗余基础上的数据校正计算过程中不用进行复杂的热量、能量平衡微分 方程的计算求解；充分利用历史数据，并保证了计算的速度和精度，适于在线应 用。周传光 2 3 1 从时间冗余数据的时序特性着手，提出了把时间序列分析法用于过 程数据校正的新策略，该方法可充分利用大量历史数据，显著的增加测量数据的 冗余度，有效地消除过程测量数据的随机误差，提高过失误差的侦破能力和选择 性、数据校正的速度和校正值的精度，克服了空间统计检验法的不足。 前面介绍的方法都假定过程处于稳态，然而实际操作中稳定状态很难达到， 在任何时刻都存在波动，因而体现过程动态的数据校正技术将更好地改善数据质 量。和基于稳态的方法相比，动态数据校正还远为得到充分的发展，这将是今后 工作的重点之一。 与稳态是不同，物料平衡、能量平衡等守恒方程在过程操作处于动态的情况 下不能提供任何冗余，任何对该守恒定律的违反都可以归咎于过程单元在动态中 的积累，因此必须引入过程的动态模型作为约束条件的补充，使得数据校正及参 数估计能够产生更为准确的结果。 在动态数据校正的研究中，目前主要采用的方法有数字滤波算法和非线性规 划的方法，工程上多采用k a l m a n 滤波方法。 k a l m a n 及扩展的k a l m a a 滤波方法要求线性或线性化的模型，模型中的误差 将造成明显的估计偏差。此外，k a l m a n 滤波器需要进行参数调整( t u n i n g ) 及要求 掌握有关测量值的协方差阵及过程噪声等先验知识。尽管如此，该方法运算速度 快，适于在线运行。d a r o u a c h 和z a 黝i 2 i 璐l 【i 聊】提出t 后向差分近似和递推技术以 解决带约束最小二乘优化问题，对线性动态系统校正问题给出了分析解，并证明 了解的收敛性，该方法是一种k a l m a n 滤波方法的变形。 非线性规划方法( n l p ) 基本上是稳态过程校正方法的扩展。模型约束方程一 般用动态微分方程表示，l i e b m a n 等 2 5 1 提出了有限元正交配置求解方法， a l b u q u e r q u e 矛i b i e g l e r t 2 6 j 用r u n g e - k u 渤方法离散化代数微分方程a e ) 系统，开 发了有效的序列二次规划( s q p ) 方法。m c b m y e r 等膨7 】提出了一种综合的数据校正 6 一 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 方法，它拓展了l i c b m m 提出的非线性动态数据校i e ( n d d r ) 方法。n d d r 运用了 加权最小二乘目标函数，并且把移动窗口技术用于数据校正。这种方法除了可以 估计参数和未测变量外，还能够校正动态和稳态过程的数据，并增加了侦破测量 偏差的功能。他们将n 】) d r 成功地应用于e x x o n 化工过程中校正实际工厂数据。 非线性规划方法在参数变化时的响应、模型存在误差时的鲁棒性及系统存在严重 的非线性相对于前者具有明显的优越性。然而，非线性规划问题的求解运算所需 时阿很长，不适用于时间要求苛刻的场合。 1 2 3 自适应滤波相关基本概念 自适应滤波 传统滤波器的设计要求所要处理的数据统计方面的先验知识。只有当输入数 据的统计特性与滤波器设计所依赖的某一先验知识匹配时，该滤波器才是最优 的。当这个信息完全未知时。就不可能设计滤波器，或者该设计不再是最优的。 在这种情况下，可采用“估计和插入”过程。该过程包含两个步骤，首先是“估 计”有关信号的统计参数，然后将所得到的结果“插入( p l u gi n t o ) ”非递归公式 以计算滤波器参数。对于实时运算，该过程的缺点是要求计算精度高，而且要求 价格昂贵的硬件支持。为了消除这个限制，可采用自适应滤波器( a d a p t i v ef i l t e r ) ， 该系统中的滤波器是自设计的。因为白适应滤波器依靠递归算法进行其运算，这 样使得它有可能在有关信号特征的完整知识不能得到的环境下，完满地完成滤波 运算【2 引。 随机过程 设( 谚砰d 是概率空间，t 是给定的参数集，如果对于任意t e t , 都有一定义 在( 口，匹d 上的随机变量编叫与之对应，则称随机变量族 张矗谚t e t 为随机 过程，简记为 田巩f 毋或蜀，t d 或晒。从数学的观点来说，随机过程 稚 叫，f 乍n 是定义在r 口上的二元函数【2 吼 时间序列分析 时间序列分析是概率统计学的一个重要分支，它是用随机过程的理论和数理 统计的方法研究随机数据序列统计规律性的- - 1 7 数学学科，主要包括时域分析和 频域分析两部分1 3 0 】。近二十年来，时间序列分析在理论和应用方面都得到了蓬勃 发展，在经济、金融、天文、气象、水文、生物、医学、工程技术等诸多领域都 得到了广泛应用。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 平稳过程 当随机过程 x ( t ) ，t t ) 满足：均值不随时间的推移而改变；过程前后两个任 意时刻的线性相关程度只依赖于这两个时刻之间的间隔，而与它们所在位置无 关。则称之为宽平稳过程，简称平稳过程。其反映了系统处于稳态工作条件下的 统计性质，但稳态并非固定不变，系统的工作状态仍具有随机性。在更严格意义 上，当随机过程对时间推移的不变性表现在概率分布相同上，则称严平稳过程。 稳态条件下，工程中采集信号的时间序列由于通常为正态过程，在数学上已经证 明，此时宽平稳与严平稳等价，可在随机过程中作为平稳过程处理【3 l 】。 自回归模型 用模型数据表示随机过程f 1 y u l e ( 1 9 2 7 ) 提出：由高度相关的观测值组成的时 间序列u ( n ) ，可通过一系列统计独立的脉冲激励一个线性滤波器来产生，该激励 是从某一固定分布( 通常假设具有零均值和常数方差的高斯分布) 中获取的随机 变量。这样的一系列随机变量就组成了一个纯随机过程，通常称为高斯白噪声。 若时间序列u ( n ) ，u ( n - o ，u ( n - m ) 满足下列差分方程： u ( n ) + a lu ( n 一砂+ “+ 知u ( n - m ) = p 例( 1 - 1 ) 则称u ( n ) ，u ( n - 1 ) ，u ( n m ) 实现了m 阶自回归( a r ，a u t o r e g r e s s i v e ) 过程， 其中常数a j ，a 2 ，a m 称为a r 参数，v ( n ) 为白噪声。 反映了相关变量y 与一组独立变量x l ，x 2 ，x n ：0 l l 上误差项v ( n ) 之间关系 的线性模型 旦 y = ( 1 ) i x k + v ( 1 - 2 ) k - i 称为自回归模型( r e g r e s s i o n m o d e l ) 。即变量u ( n ) 在其自身的过去值上回归， 故称自回归【3 2 1 。 由数学证明可知口2 】：可以用白噪声输入到一个a r 模型来产生有理谱密度的 零均值平稳序列；也可以把某个具有有理谱密度的零均值平稳序列用单位白噪声 输入到a r 模型的输出来表示。如果序列不是零均值的，则要预先减去其期望值 而成为零均值序列，且实际的平稳序列通常都可以认为是这一类序列。 1 2 4 伪点剔除技术 进行信号处理的一个重要前提条件是信号的真实性，而实际通过传感器采样 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 的信号由于采样过程中量化误差、信号丢失、传感器失灵等因素，在记录的信息 中会混有过高或过低的虚假信号，这些虚假的偏心信号会对以后的频谱分析造成 很大的误差，伪点剔除也可以看成信号的一次预处理【3 1 1 。 目前常用的方法是探测插值法，其基本原理为：先根据一定的剔除条件对采 集数据进行判断，由于数据由动态采集获得，故剔除条件通常由采集数据的统计 特性决定，而不是固定的门限值；当数据不满足合理条件时即为“伪点”并被剔 除，同时利用插值公式对其进行代替。代替公式为忍f = + 触z ) ，同时对插 值生成的新的值进行判断，防止产生新的“伪点”，若插值计算值不满足判断条 件，则以均值代替。 1 3c h e m c a d 模拟计算平台 c h e m c a d 是f h c h e m s t a t i o n si n c 开发、用于连续、半连续或间歇化工操作单 元物料平衡和能量平衡核算的有力工具，可以在计算机上建立与现场装置吻合的 工艺过程模型，为工艺技术开发、基础设计、工程设计以及优化操作提供基本依 据和理论指导，广泛应用于石化和普通化学工业。目前，已被北美、欧洲、亚洲 等区域的1 2 0 0 多家公司、大学、研究和设计单位采用，近年来开始用于在线实 时过程模拟监测和优化m 。 c h e m c a d 软件包含下列模块：c h e m c a d ，稳态模块；c c b a t c h ，间歇精馏模 块；c c r e a c s ，间歇反应器模块；c c - d c o l u m ，动态蒸馏模块；c c - t h e r m ，换热 器模块；c c - p o l y m i j r ，聚合反应器模块；c c - p r o p s ，物性模块；c a l a n p s ，局域 网应用管理模块。各个模块集成于一个软件包中，使用同一个用户乔面，物性数 据库和热力学方法库，彼此直接可以在进程中进行数据交换。 c h e m c a d 中可模拟5 0 多个化工单元操作，并提供了标准、共享，用户三种组 分数据库和多种热力学计算功能。其中，标准数据库以a i c h e 的d i p p r 数据库为基 础，加上电解质共约2 0 0 0 多种纯物质。允许用户添加多达2 0 0 0 个组分到数据库 中。c h e m c a d 可以定义烃类虚拟组分，并包含2 6 0 个原油的评价数据，可以通过 中立文件嵌入物性数据库，还包含8 0 0 0 多个二元交互作用参数m 1 。 丰富的物性数据库和热力学计算方法、单元模型以及可通过c o m 接口后台调 用这些特点使得c h e m c a d 可以作为过程虚拟检测的模拟计算平台，通过实时模拟 计算从而获取过程中的工艺参数，尤其是实际过程中难于测量甚至不可测得的工 艺条件，并获得实时条件下的物性估计更新。同时，在对检测数据的处理和预估 的基础上，以模拟计算的结果对过程状态进行预判和报警，以及工艺条件寻优。 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 4c o m 组件接口技术和v b a 语言 1 4 1m i e r o s o rc o m 组件接口技术 组件是独立于特定的程序设计语言和应用系统、可重用和自包含的软件成 分，是基于面向对象的，支持拖放( d r a ga n dd r o p ) 和即插即用( p l u ga n dp l a y ) 的软件开发概念。基于组件技术的开发方法，具有开放性、易升级、易维护等优 点嘲。 组件对象模型c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ( c o m ) 是个开放的组件标准， 有很强的扩充和扩展能力。c o m 规定了对象模型和编程要求，使c o m 对象可以与其 他对象相互操作。基于c o m 的系统调用原理如图卜i 所示。c o m 应用有如下特 点：丰富的综合服务，包括事务、安全性、消息队列和数据存取，以支持最广泛 的应用；组件间通过基于指针的a p i 调用实现互操作，调用透明性好；对w i n d o w s 依赖性强，其他操作系统的支持相对不足；可使用多种开发语言开发，如v c 、v b 、 c + + b u i l d e r 等；定制应用软件和可重用组件的广泛用户基础；可靠的重用性， 充分利用用户和开发人员的现有投资硼。 i u ，p r 0 i j 一曲一 c o m + j 圳卿c c t i ， 1 ”3 5 ”。 i n t c t f a l o e a ls e r v e r 附匕叫蛳蜊 r p c c o m r 吼n o 忙。吻e c t 4 州“卜 r p c i n t e r f 辨 p n m o t cs e f q 州衄哪l7 l 图1 - 1 基于c o m 的系统调用原理 f i g u r e1 一lp r i n c i p l eo fs y s t e mc a l l i n gb a s e do nc o m 1 4 2 v b a 技术 v b a ，r f l v i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n ，是m i c r o s o f t 公司开发的一种通用 的计算机语言，是v a s u a lb a s i c 的子集，许多应用程序均支持v b a ，如e x c e l 、 w o r d 等。利用v b a ，用户可以在支持v b a 的应用程序中嵌入自己的程序模块，实现 不同的功能嘲。本课题利用e x c e l 中的v b a 实现如下功能：( i ) 向c h e m c a d 和m a t l a b 传送数据；( 2 ) 实现数据采集和处理，驱动c h e m c a d 模拟计算及m a t l a b 计算；( 3 ) 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 从c h e m c a d 和m a t l a b 中取出计算结果，在e x c e l 中显示。 1 4 3c 脏m c a d 用户接口技术 c h e m c a d 提供了三种方式与v b 应用程序或其它r m d o w s 应用程序连接， 由一系列的c o m 用户接口实现。第一种是作为v b 应用程序的进程外服务器， 为v b a 程序( 如e x c e l ) 提供后台的计算服务( s e r v e r ) ；第二种通过在 c h e m c a d 种添加的“e x c e lu n i t ”单元实现，用户可以在e x c e l 工作簿种 编写特定单元的v b a 宏程序，而c h e m c a d 将在模拟运行时在单元中执行这些 宏；第三种使得用户可以在v b a 宏中自定义动力学反应器和间歇反应器的反应 速率表达式。 v bs e r v e r 与e x c e lu n i t 的联系 二者都是c h e m c a d 提供的c o m 用户接口，通过这些接口，其他的 w i n d o w s 程序( 如v b a 编程) 可以通过在用户开发的程序中调用这些内建的 方法来使用c 耻m c a d 程序并实现数据交换，包括流股数据、单元参数、流股 闪蒸、模拟运行等。赋予了c h e m c a d 极大的扩展能力，同时有助于保护用户 已有的开发成果。 但二者的系统结构存在区别： v bs e r v e r ；以用户应用程序( 如e x c e l 工作簿) 为主体，按用户需求提供 用户界面，通过c o m 接口调用c h e m c a d 模块作为后台模拟计算引擎，由数 据通信获取的数据与自定义的模块在e x c e l 中按用户需求共同计算。程序通过 e x c e l 工作簿中的自定义宏按钮运行。运行结果由v b a 编程计算决定。同时， 用户可以通过该c o m 接口对包含e x c e l u n i t 的模拟流程进行调用并进行数据 交换。如图1 2 所示： 图1 - 2 v bs e r v e r 系统结构 f i g u r e1 - 2v bs e r v e rs y s t e ms t r u c t u r e e x c e lu n i t ：以c h e m c a d 为主体，通过c o m 接口调用e x c e l 工作簿 中的宏程序，e x c e lu n i t 单元在流程中与其他单元通过流股连接。程序通过 c h e m c a d 模拟运行。e x c e lu n i t 仅为流程中的一个单元，运行结果由整个 流程在c h e m c a d 中计算决定。如图1 - 3 所示： 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 图1 - 3e x c e lu n i t 系统结构 f i g u r e1 - 3e x c e l u n i ts y s t e ms t r u c t u r e 1 4 4m a t l a b 应用程序接口技术 m a t l a b 是一个科学计算与可视化的环境，将其计算功能与其它w i n d o w s 应用程序( 如、e x c e l ) 在图形用户界面开发方面的优势结合起来，实现应 用系统的无缝集成，对于有效缩短开发周期、优化系统性能是十分有意义的。有 以下几种集成方式【3 9 】： d d e 技术 m a ! na b 提供了一些函数，允许m a ：na b 和其他w i n d o w s 应用程序进 行广泛的通信。这些函数应用了d d e ( 动态数据交换) ，d d e 是一种m i c r o s o f t w i n d o w s 应用程序相互之间通过交换数据进行通信的机制。d d e 技术主要是通 过剪贴板在两个应用程序之间传递数据，它在两个应用程序之间提供了通信协 议，应用d d e 不能进行直接面对面的通信。应用d d e 通信必须事先运行 m a t l a b ，退出时，还需关闭m a t l a b 应用程序，d d e 的语句结构相对来讲比 较长。 a e t i v e x 技术 m i c r o s o f t 把所有以c o m 为基础的技术统称为a c t i v e x 技术。m a t l a b 实 现了a e t i v e x 自动化服务支持，在v b 下通过a c t i v e x 自动化接口可将m a t l a b 作为v i s u a lb a s i c 语言的一个a e t i v e x 部件调用。m a t l a ba e f i v e x 自动化服务 的功能主要包括在m a t l a b 工作空间执行m a t l a b 命令，而无需要求该部件 对应的程序正在运行。 a e t i v e x 技术是在d d e 的基础上发展起来的，但它们之间还是有区别的。 a e t i v e x 在调用时不需要服务者事先已经运行，它实际上是在调用一种部件，而 无须要求该部件对应的程序正在运行，这会使得其功能更好，语句结构更简单。 它的唯一要求就是m 棚，a b 在程序运行的机器上已经安装并可以成功运行。 m a t l a b 自动化服务支持的几个主要方法，其参数和返回值的类型采用 a c t i v e x 自动化协议所定义的与语言无关的类型描述： b s t re x e e u = t e ( i n b s t rc o m m a n d ) ： b s t r 表示宽字符串类型，它与v b 存储字符串所采用的数据格式相同。该 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 方法接收字符串命令并在m a n ，a b 中执行，将结果以字符串形式返回。 v o i dg c f f 蝴( i n b s t rn a m e ， i n b s t rw o r k s p a c e ， i n ，o u t ， s a f e a r r a y ( d o u b l e ) + p r ， i n ，o u t s a f e a r r a y ( d o u b l e ) + p i ) ； 该方法从m a t l a b 的工作空间中获取数据。用户可以从指定的m a t l a b 的工作空间中获取一个完整的一维或二维的实型或虚结构体m x a r r a y 的数据，其 实部和虚部被分别存放到两个单独的d o u b l e 型数组中。 v o i d p l i t f u i l m a u - i x ( m b s t r n a m e ， m b s t r w o r k s p a c e ， i n s a f e a r r a y ( d o u b l e ) p r ， i n s a f e a r r a y ( d o u b l e ) p i ) , 该方法用于向m a t l a b 的工空间中输出一个指定名为m x a r r a y 结构体。各 参数的含义及调用方法与g e t f u l l m a t r i x 方法类似。 在m i c r o s o f t v i s u a l b a s i c ( 或v b a 中) ，通过a c t i v e x 自动化接口将m a t l a b 作为一个a e t i v e x 部件调用的方法如下： s e tm a t l a b = c r e a