（系统分析与集成专业论文）软测量技术在储油罐原油平均温度测量中的应用研究.pdf

南京信息工程大学硕士学位论文 摘要 用储油罐储油是我国目前应用最普遍的一种储油方式。油品温度在原油众多物理参数 中具有十分重要的地位。原油温度对原油的品质、密度、体积都有一定的影响。在油品交 易过程中，原油计量工作要做到精确就必须对油品温度进行准确测量；在储油现场，为 防止凝罐等恶性事故的发生，也需要实时、准确监测油品温度。因而，准确测量原油温度， 是一项具有一定经济价值和社会价值的工作。 本文的主要工作是，寻找简单易行的测量方法，既能够方便测量原油温度，又能满足 测量精度的要求。笔者在学习和研究软测量技术、数值仿真理论和人工神经网络理论的基 础上，针对储油罐内原油温度这一难测变量，提出以罐壁温度和环境温度作为辅助变量， 建立原油平均温度的数值仿真软测量模型和基于人工神经网络的软测量模型，并用m a t l a b 工具箱，用实测数据对模型验证，结果表明两种模型都对原油平均温度这一难测变量的有 较好的测量效果。 本文提出原油平均温度软测量的方法，区别于传统原油平均温度的测量方法。传统测 量方法主要依据g b 8 9 2 7 1 9 8 8 石油和石油产品温度测量法直接测量原油温度，其方法 繁琐，操作步骤严格，容易引起较大的人工操作误差，通过软测量技术可以较好地解决这 一问题。最后，本文研究了图形化编程语言l a bv i e w 和工程计算语言m a t l a b 的混合编程， 设计了原油平均温度测量软仪表，以期将上述研究成果进一步应用到实际储油现场，解决 实际问题。 关键词：软测量平均温度数值仿真人工神经网络 南京信息工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t o i lt a n ki so n eo ft h eb e s tw a yi nc r u d eo i ls t o r a g e o i lt e m p e r a t u r et a k e so nf lq u i t e i m p o r t a n ts t a t u si n a l lo fi t sp h y s i c sp a r a m e t e r s o i lt e m p e r a t u r ee f f e c t so nt h eo i ld e n s i t y , c h a r a c t e r t h en i c e t ym e a s u r i n gf o ro i lt e m p e r a t u r eh a sn o to n l ya r tg r a t ee f f e c to nc r u d eo i l t r a d i n gm e a s u r e m e n t ，b u ta l s oap r e v e n t i o nf r o mt h eo i lc o a g u l a t i o nh a p p e n e d ，s ot h en i c e t y m e a s u r i n gf o ro i lt e m p e r a t u r eh a sg r a t ee c o n o m i c a la n ds o c i a lv a l u e i na d d i t i o n t h ep r e s e n tp a p e rd e s c r i b e st o wm o d e l s ，w i t c hc a ne a s i l ym e a s u r eo i lt e m p e r a t u r ea n d g i v i n gap r e c i s i o nm e a s u r e m e n t t h et w oa r e d e s c r i b e db yt h ea u t h o r , i n - d e p t hs t u d yo n s o r i n s t r u m e n t a t i o nt e c h n i q u e s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h e o r ya n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e la n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km o d e la i m e da tt h eo i lt e m p e r a t u r e m e a s u r i n gd i f f i c u l t l y a r ee x a m i n e dc o m p l e t e l yb yd a t af r o mf i e l dt e s tw i t hm a t l a b t h e c o n c l u s i o ns h o w st h a tb o t hm o d e l sc a l lm e a s u r eo i lt e m p e r a t u r ei nc o n d i t i o n t h ea p p r o a c ha d d u c e db yt h i sp a p e rc a l lb ec o n s i d e r e dt ob ea na d v a n c e da n dac o n v e n i e n t i nm e a s u r i n go i lt e m p e r a t u r ef o ri t sd i f f e r e n c ef r o mt h et r a d i t i o n a tl a s t ，t h i sp a p e rs h o w so n e s o f t - i n s t r u m e n t a t i o nb a s e do ng r a p h i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g el a bv i e wa n de n g i n e e r i n g c o m p u t a t i o nl a n g u a g em a t l a b ，i no r d e rt ou s et h ea b o v er e s e a r c hf m d i n g si nf u l t h e rs t u d y , a n d s o l v i n gp r a c t i c a lp r o b l e m s k e yw o r d s ：s o f i - i n s t r u m e n t a t i o n ，a v e r a g et e m p e r a t u r e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ， 南京信息工程大学硕士学位论文 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真 实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它 机构已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并 表示了谢意。 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 南京信息工程大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 问题的提出及研究意义 油库是国家石油储备和供应的基地，储油罐是油库中的主要设施之一，是目前应用最 普遍的一种储油方式。在储油罐存放的原油的诸多物理参数中，温度是一个重要的参数， 对于这一参数的准确测量具有非常重要的意义。 首先，在油品的计量工作中，如果没有精确的计量，不仅不能准确掌握所储油品的数 量，而且还可能出现收油和发油的混乱。所以在石油运转和贸易中必须准确给出油品数量， 否则将直接影响油库的经济效益和信誉。而这种数量无论以体积或者重量计量都与温度密 切相关口f 。可见，准确测量油温，对油品的精确计量工作具有重要的意义。其次，油品在 油库的存储罐中必然会存放一段时间随着存储时间的增长，原油温度将逐渐下降，但是 原油温度不能低于某个值，否则会造成凝罐的恶性事故发生l jj 。倒罐是解决这类问题的一 个好的办法，然而什么时间倒罐，就需要对管内油品的温度进行准确监测，指导倒罐周期。 避免因倒罐周期太短，造成人力财力的浪费；或者倒罐周期太长，发生凝罐事故。另外， 温度对原油的密度、品质也都有一定的影响，具体见文献”j 。 目前，在实际应用中，我国主要依据g b 8 9 2 7 1 9 8 8 石油和石油产品温度测量法，测 量油品温度口j 。石油和石油产品温度测量法对立式金属油罐的测量部位和所使用的仪器 设备，甚至是温度计在油品中的浸没的时间郡有严格规定。这种方法采用单点测量或者 三点测量( 在距罐壁约1 米的检尺孔测量i 6 h ，3 6 h ，5 6 h 三点油温取算术平均值作为油 区的平均温度1 6 1 ) 。而且，这种定点测量方法，主要采用的是温度计：液体膨胀式温度计、 热电阻温度计、集成电路温度变送器、多阻力温度计等。这些测温设备都会存在着这样或 那样的缺点，容易产生较大的误差。文献【7 1 指出，用人工操作的温度测量极易产生人为误 差，如果油品温度明显不同于环境温度，那么杯套式温度计的读数一般都会错误的接近环 境温度。所以，在实际应用中严格按照石油和石油产品温度测量法直接测量油品温度 显然不够方便。 因此，储油罐中原油的平均温度是一个十分重要，但却难以直接准确测量的物理量。 针对以上情况，寻找一种简单易行的方法，对原油的温度既能进行方便的测量，又能满足 测量精度要求，成为本文的首要任务。 】 南京信息工程大学硕士学位论文 近年来，为解决工业工程中的变量难测量的问题，软测量技术得到了很大的发展。软 测量模型由线性模型、机理模型发展到基于“黑箱”的神经网络模型。现在，最新的研究 进展表明，软测量技术已成为过程控制程检测领域的一大研究热点和主要发展趋势之一。 国内外对软测量技术进行了大量的研究8 。“，其研究领域已广泛的涉及到石油、化工和环 保等各个方面。著名国际过程控制专家m c a v o y l 4 1 教授将软测量技术列为未来控制领域需要 研究的几大方向之一。因此，本文提出采用软测量技术建立软测量模型进行原油平均温度 的测量。 1 2 国内外研究现状 国内外的许多学者专家对储油罐原油平均温度测量，从不同的角度进行了研究，取得 了一定的成果。文献f 1 6 】设计了油罐平均温度变送器，测量油罐内液体的温度。文献旧研制 开发了储油罐原油温度实时预报监测系统，通过对大量的实测温度数据的分析，得到有关 储油罐温度分布规律和降温规律的有关结论，指导实践。文献 1 8 1 研制了大型浮顶油罐的测 温系统，采用热敏电阻作为测温元件，制作了特殊的测温装置，实现温度信号数字化传输， 现场应用证明安全、可靠、经济。文献【3 、1 9 、2 0 1 通过在储油罐中选择一系列温度的监测点， 使用油温测量探头，对各监测点的温度进行实时监测、记录，初步得出油罐的温度分布规 律。 综上所述，在原油平均温度测量的研究上虽然有一定的成果，但也存在着不足。因为， 上述对油罐内原油温度分布规律的研究，基本集中在如何使用温度计对原油温度进行多点 测量，进而得出温度分布。然而，在原油中测量点越多，操作起来越不方便，误差的产生 会越大。 因此，本文提出用软测量的思想测量储油罐原油平均温度，借助辅助变量，而不是单 纯的多点测量油温，来解决上述问题。 1 3 研究主要内容及创新 1 3 1 研究主要内容 本文在学习和研究软测量技术、数值仿真理论和人工神经网络理论的基础上，针对储 油罐内原油温度这一难测变量，以罐壁温度和环境温度作为辅助变量，建立原油平均温度 的数值仿真软测量模型和基于人工神经网络的软测量模型，并用实测数据2 1 1 对模型验证。 结果表明，数值仿真软测量方法能够很好地给出原油平均温度分布规律，而神经网络软测 量方法能够对原油平均温度这一难测变量进行较好的测量，测量误差满足实际要求。晟后， 2 南京信息工程大学硕士学位论文 本文设计了原油平均温度测量软仪表，为迸一步到实际储油现场应用研究做准各。 1 3 2 本文创新 本文提出了获得储油罐内原油平均温度的软测量方法。即把用数显温度计测量得到的 储油罐罐壁温度，以及监测到的环境温度，输入到本文建立的储油罐原油平均温度软测量 模型，经模型计算得到储油罐内原油的平均温度。避免了直接测量原油温度的繁琐，同时 减低投资。模型的测量结果也减少了依传统测量方法的繁琐操作步骤测量油温时引起的较 大人工操作误差。 另外，本文设计了基于图形化编程语言l a bv i e w 和工程计算语言m a t l a b 的软仪表， 为进一步到实际储油现场应用研究做准备。 1 4 内容安排 本文内容结构如下： 第一章：前言。主要介绍论文的研究背景、国内外研究现状、研究的主要问题及论文 结构。 第二章：软测量技术。介绍软测量技术的几种常用的模型，以及软测量模型的建立方 法和影响因素。 第三章：数值仿真理论。介绍基本理论、数值仿真方法和典型化工应用。 第四章：人工神经网络理论。详细介绍径向基函数神经网络结构及原理。 第五章：基于数值仿真技术的原油平均温度软测量。首先，详细阐述了依传热学建模 的理论推导，给出数值模型，然后应用m a t l a b 工具箱进行仿真，与实测值比较，说明模型 可行，实现了原油平均温度软测量。另外，测量数值结果的可视化，为研究原油水平面上 的温度分布规律提供了更加形象直观的依据。 第六章：基于径向基函数神经网络的原油平均温度软测量。给出了使用m a t l a b 神经网 络工具箱建立软测量模型的过程，将仿真值和实测值进行比较，说明模型是可行的。 第七章：原油平均温度测量软仪表的设计与实现。研究了图形化编程语言 l a bv i e w 和工程计算语言m a t l a b 的混合编程，设计了原油平均温度测量软仪表，以期将 上述研究成果进一步应用到实际储油现场，解决实际问题。 第八章：结论与展望。 南京信息工程大学硕士学位论文 第三章数值仿真理论 本文需要建立的就是一个化工应用领域的温度场数学模型，需要用到的数值仿真理论 如下，包括数值仿真基本知识，以及温度场的基本数值理论。 3 1 数值仿真概念和意义 数值仿真膜拟是人类认识世界的新手段，是通过数值计算和图像显示的方法研究工程 技术中的各类问题。随着计算机技术和计算方法的发展，复杂的工程问题可以采用离散化 的数值计算方法并借助计算机得到满足工程要求的数值解，数值仿真技术是现代工程学形 成和发展的重要动力之一。 数值仿真技术是上世纪五十年代出现的一个以计算数学为基础，以计算机为工具，来 仿真模拟物理过程的研究方法。随着理论和技术的进步，计算研究方法已经和理论方法、 试验方法并列，成为第三种基本的科学研究方法。近十年来计算机技术飞速发展，数值仿 真技术也逐步开始实用化，在工业和工程设计中起到举足轻重的作用。 数值仿真主要用来解决以下两类问题：不可能进行实验的问题和进行实验代价太大的 问题。同时它又融和了理论分析和科学试验的特点，数值仿真，模拟已经不再局限于科学计 算，正广泛被用在科学研究，工程与生产领域。 目前，在化工行业中有许多问题都是采用数值模拟的办法来解决的。例如：在化学工 业设计和评估反应装置时，利用数字仿真技术对物质流动进行仿真和分析，减少设计环节， 极大地节省时间。利用数值仿真技术中的优化方法，对设计上存有缺陷的设备进行改良， 得以提高设各的性能，提高产能。此外，还有对气态分布、分离，气体一一流体流动，气 体一一固体流动，流体一一流体系统，喷射设计，加热成型，危险评估，阀门设计，热传 导，通风设计，废物处理等方面的应用。 3 2 数值仿真方法 有关数值仿真的内容，他们的根本原理都出自于数值计算方法p 。对物理问题进行数 值求解的基本思想可以概括为”：把原来在时间、空间坐标系中连续的物理量的场，例如导 热物体的温度场，用有限个离散点上的值的集合来代替，通过求解按一定方法建立起来的 关于这些值的代数方程，来获得离散点上被求物理量的值。这些离散点上被求物理量的集 2 南京信息工程大学硕士学位论文 合称为该物理量的数值解。这一基本思想可用求解过程的框图来表示，如图3 - l 。 图3 1 物理目曩的教值求解过程 在化工过程设计与分析、过程研究与开发、系统工程、模型预测、优化和控制以及生 产计划和调度中广泛使用化工过程模型。化工过程模拟可用于尚未建立的或己建立的过程， 既可用于过程的研究、开发和设计，也可用于评估其运转情况、控制和改进。随着化学工 程、计算机软硬件及计算技术的发展，通过建立过程机理模型并进行计算机数值模拟，以 便对化工过程进行设计和分析、模型预测、优化和控制等，己成为化学工程的一个重要任 务。 数学模型的建立是化工模型建立的一个关键步骤。化工过程一般包括“三传一反”，即 质量传递、热量传递、动量传递和化学反应，数学模型就是以质量平衡、热量平衡和动量 平衡为基础并结合反应动力学雨建立的模型方程式。 3 3 温度场数值计算基本理论 3 3 1 热量传递的三种基本方式 热量传递有三种基本方式：传导、对流、热辐射。 1 3 南京信息工程大学硕士学位论文 1 、传导指在没有质点相对位移的情况下，当物体内部具有不同温度或不同温度的 物体直接接触时，所发生的热能传递现象。传导传热在固体、液体和气体中都可能发生。 2 、对流对流是由于流体各部分发生相对位移而引起的热量转移。人们所研究的对流 传热现象主要是流体流过另一物体表面时所发生的热交换，称为对流换热。对流换热包含 有表面附近流层内的传导过程和层流层以外的对流过程。 3 、辐射热辐射是一种由电磁波来传播热能的过程。它与传导和对流有着本质的区别， 它不仅有能量的转移，而且伴随着能量形式的转化，即热能转变为辐射能，辐射出去被物 体吸收，又从辐射能转化为热能。辐射能的传播不需要传热物体或物体的直接接触。 实际上在传热过程中，很少有单一的传热方式存在，绝大多数情况下是两种以上方式 同时出现。 3 3 2 温度场和温度梯度 要在物体内部产生热传导过程，必须在物体内部存在温度差。即传热和温度的分布密 切相关。在某一瞬间，物体内部各点温度分布的综合称为温度场。一般来说，温度分布是 坐标和时间的函数，它的数学表达形式为 “= 厂( x , y ，z ，f )( 3 1 ) 式中“是温度， y 为空间坐标，r ：为时间。 物体在某一时刻的温度场内任何点的温度不随时间变化时，这种温度场称为瞬态稳 定温度场，这时温度分布仅是空间坐标的函数，即 “= 厂( x ，y ，z ) f 3 2 1 坐：0f 3 3 1 a f 把物体上具有相同温度的各点连接起来就成为等温面。因为在同一个点上不可能存在 两个不同的温度，所以温度不同的等温面不会相交。只有穿过等温面的方向才能观察到温 度的变化。最显著的温度变化是在沿等温面的法线方向上。温度差( a t = t ，一t ，) 对于沿 法线方向两等温面之间的距离x 的比值的极限，称为温度梯度，故x 方向的温度梯度为： l i m ( 血a u ) = 亲( 3 - 4 ) 温度梯度是一个沿等温面法线方向的矢量，它的正方向朝着温度升高的一面，所以热 量传播的方向和温度梯度的正方向相反。 1 4 南京信息工程大学硕士学位论文 3 3 3 导热基本定律 傅立叶( f o u r i e r ) 研究了固体的导热现象，于1 8 8 2 年提出：在纯导热现象中，单位时 间内通过给定面积的热量，正比于该处的温度梯度及垂直于导热方向的截面面积，其数学 表达式为： g ：一 娑o( )( 3 5 ) 式中五比例系数，称为导热系数。 上式就是导热的基本定律，通称傅立叶定律。式中负号表示热量传递的方向与温度的 梯度的方向相反。单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度，用甜表示，即： ”鲁一喀 ( 3 6 ) 3 3 4 导热系数 导热系数是物质的一种物性参数，它表示物质导热能力的大小，其数值就是单位温度 梯度作用下，物体内所允许的热流密度值，单位为w ( m “c ) 。各种不同的物质导热系数 是不同的，即使对同一种物质，其导热系数也随着物质的结构( 密度、孔隙度) 、温度、压 力和湿度而改变。各种物质的导热系数是用实验的方法测定的。金属的导热系数在各种物 质中最大，纯金属中加入任何杂质，导热系数便迅速降低。高碳钢的导热系数比低碳钢低， 高合金钢的导熟系数则更低。很多材料的导热系数是随温度而变化的，变化的规律比较复 杂。工程计算中为了应用方便，近似地认为导热系数与温度成直线关系，即 = 厶+ b t( 3 7 ) 式中： 为f 。c 时材料的导热系数，w ( m ”0 ； 为0 。c 时材料的导热系数； 6 为温度系数，视不同材料由实验确定。 3 3 5 导热微分方程 在化学过程中，化学反应或者无化学反应的静止流体或流体流动的传热和传质方程， 都是用偏微分方程描述的h ”。偏微分方程( p a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n ，简称p d e ) ， 就是涉及两个自变量以上的微分方程。出于p d e 方程能够定量描述多变量的物理现象，因 而它在科学研究与工程技术领域得到广泛应用。尤其在化学工程领域，为了更好地进行过 15 亘室堕：垦王堡查兰堡主堂堡堡苎 程设计、优化和控制，经常需要了解化工设备( 如反应器) 中温度、浓度和速度在不同空间 上的分布以及随时间的动态变化规律，因而涉及到许多偏微分方程的问题。一般来说，偏 微分方程很难得到解析解，通常利用数值方法求出其数值解。 3 3 5 1 偏徽分方程常见类型 4 a 0 ：2 x u + b 骞+ c 雾+ 喀+ e 詈+ 而= ， 肌“，罢，詈，c ，- s ， 式中，a 、曰和f 为常数时，称为拟线性偏微分方程。偏微分方程可分为三种类型： 当b 2 4 a c 0 时，方程为双曲型偏微分方程。 最经典的三种偏微分方程是波动方程、导热方程和拉普拉斯方程， ( 1 ) 导热方程( 抛物型) ：一维动态线性熟传导方程 彻a 2 “ i 列一0 2 x ( 2 ) 拉普拉斯方程( 椭圆型) ：如稳态静电场和稳态温度分布模型 襄+ 雾= 。 ( 3 ) 波动方程( 双曲型) ：一维弦震动模型 a 2 甜a 2 “ 一c q 2 t 钏瓦 下面做简要介绍 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 3 3 5 2 初始条件 初始条件是指初始温度场，是己知的，是计算的出发点。它可以是均匀的，也可以是 不均匀、非线性的，此时 式中u 。为己知温度，是常数。 初始温度场也可以是不均匀的，但工件各点温度值是己知的，此时 南京信息工程大学硕士学位论文 “b = o ( x ，y ，z ) ( 3 1 3 ) 式中，u o ( x , 只功为己知温度函数。 3 3 5 3 边界条件 边界条件是指所研究的物体在边界上的温度状况( 或热交换状况) 。一般边界条件归结 为三类： l 第一类边界条件。是指物体与外界接触的表面温度是已知的，其数学表达形式为， “i n = 妒o ，y ，z ，r ) ( 3 1 4 ) 其中，q 是定义在边界上的曲面，p ( x ，y ，z ，f ) 是定义在曲面上的已知函数。 2 第二类边界条件，是指物体和外界接触的表面个点处的热量的流量是已知的，其 数学形式为 罂i n ：妒( w ，z ，) ( 3 1 5 ) 研”一。 其中，妒 ，y ，z ，f ) 是定义在边界上的已知函数。 3 第三类边界条件，即混合边界条件，是指与物体接触处的介质温度和物体与介质 问的对流换热系数是已知的，其数学形式为 詈卜西，训( 3 - 1 6 ) 西” 、1 其中，乩是和物体表面接触的介质温度，仃是两介质问的换热系数和物体自身的导热系数 的比值。 3 4 偏微分方程数值方法 1 有限差分法 有限差分法在求解域内画了很多横竖交叉的规则网格，交叉点称为网格点，在所有的 网格点上，p o e 方程的导数用有限差分近似代替，最后得到代数方程组( 若是线性p d e 方程， 则得到线性代数方程组) 。有限差分法一般具有较好的数值稳定性，是求解微分方程最基本 的数值方法。该方法的缺点是：不能求出网格点之间的解：很难用于不规则几何形状或者 像导热系数突变的情况。 2 正交配置法 正交配置法是加权余量法的一种形式，它是求解常微分方程边值问题和偏微分方程边 南京信息工程大学硕士学位论文 值问题的一种有效方法，在化学工程计算中己得到广泛应用。 该方法的基本思想是；首先选择一多项式作为试函数，将此试函数代入微分方程，再 求出多项式的根作为配置点，令在各配置点试函数代入微分方程后的残差( “余量”) 为零， 得到关于多项式系数的代数方程组，然后求解此方程组得到多项式中各项的系数，由此得 到的多项式即为微分方程的近似解析解。 3 线上法 线上法：是将一个自变量当成连续变量，而对其余的自变量用有限差分方法或正交配 置法进行离散，从而把偏微分方程转化为常微分方程组，然后用龙格一库塔法积分求解。 该方法可以用一求解一维动态和二维稳态偏微分方程。 4 有限元法 有限元法首先把求解域化分为大量的单元，其中任意大小和方向的三角形网格尤其适 用于二维的情况。三角形定点称为节点，并与相邻单元相连接。最简单的情况，就是在第 个三角形内因变量以公式u 。= 口，+ b + x ，+ c , y ，表示，式中常数d ，6 ，c 。( f - 1 , 2 3 ) 未 知，考虑边界条件，最后也得到n 个代数方程组( 若是线性p d e 方程，也得到线性代数方程 组) 。有限元法的优点是：容易处理复杂几何区域，容易与各种有用的边界条件结合使用， 容易处理不规则几何形状或者像导熟系数突变的情况：还可提供整个求解域的连续解，而 不仅仅是在节点上的解。 1 8 南京信息工程大学硕士学位论文 第四章人工神经网络理论 4 1 人工神经网络概念 神经网络是人们模仿人的大脑神经系统信息处理功能的一个智能化系统。它的出现为 人们进一步了解人脑思维的奥秘开辟了新的途径。尽管它还不是大脑的完美无缺的模型， 但它可以通过学习来获取外部的知识并存储在网络中，可以解决计算机不易处理的难题， 特别是语音和图像识别、理解、知识的处理、组合优化计算和智能控制等一系列本质上非 计算的问题。8 0 年代后期，特别是在近年来，神经网络的研究取得了很大的进展。大量的 有关神经网络机理、模型、算法特性分析，以及在各方面应用的学术论文发表在报刊杂志 上和许多国际学术会议中，神经网络以及建立在神经网络基础上的神经计算机成为当代高 科技领域中方兴未艾的竞争热点。 神经网络主要通过学习过程来实现有用的计算。为了获得好的结果，神经网络使用一 个很庞大的简单计算单元间的相互连接，这些简单计算单元称为“神经元”或者“处理单 元”。据此我们给出将神经网络看作一种自适应机器的定义m j ：一个神经网络是一个由简单 处理元构成的规模宏大的并行分布式处理器。天然具有存储经验知识和使之可用的特性。 4 2 人工神经网络研究的发展历史 人工神经网络研究的先锋，m c c u l l o c h 和p i t t s 曾于1 9 4 3 年提出一种叫做“似脑机器” ( m i n d l i k em a c h i n e ) 的思想4 ”，这种机器可由基于生物神经元特性的互连模型来制造，这 就是神经元网络的概念。随着对大脑和计算机研究的进展，研究目标已从“似脑机器”变 为“学习机器”，为此一直关心神经系统适应律的h e b b 提出了学习模型【4 “。随后，r o s e n b l a t t 命名感知器，并设计一个引人注目的结构，第一次把神经网络理论付诸于实践【4 ”。到6 0 年代初期，关于学习系统的专用设计指南有w i d r o w 等提出的a d a l i n e ( a d a p t i v el i n e a r e l e m e n t ，即自适应线性元) 以及s t e i n b u c h 等提出的学习矩阵。由于感知器的概念简单，因 而在开始介绍时对它寄托很大希望。然而，不久之后m i n s k y 和p a p e r t 从数学上证明了感知 器不能实现复杂逻辑功能【4 “，阐述当时广泛使用的单层神经网络的局限性，他们的悲观研 究成果使得对神经网络的研究陷入了低潮。 到了7 0 年代，g r o s s b e r g 和k o h o n e n 对神经网络研究作出重要贡献。以生物学和心理 l9 南京信息工程大学硕士学位论文 学证据为基础，g r o s s b e r g 提出几种具有新颖特性的非线性动态系统结构。该系统的网络动 力学由一阶微分方程建模，而网络结构为模式聚集算法的自组织神经实现。8 0 年代以来， 神经网络的研究再次复苏并形成热点。产生这种转变的一个重要原因是美国加州理工学院 生物物理学家h o p f i e l d 采用全互联的神经网络模型h “，利用所定义的计算能量函数，成功 地求解了计算复杂度为n p 完全型的旅行商问题( t r a v e l i n gs a l e s m a np r o b l e m ) ，简称t s p 问题。这一突破性的进展引起了广大学者对神经网络潜在能力的高度重视，从而掀起了研 究神经网络信息处理方法和研究神经计算机的热潮。 4 3r b f 神经网络 p d 3 f ( r e d i a lb a s i sf u n c t i o n ，径向基) 方法是用于严格多变量插值的一种传统方法。 b r o o m h e m 和l o w e 最早将r b f 用于神经网络设计之中。他们在1 9 8 8 年发表的论文 ( m u l t i v a r i a b l ef u n c t i o n a li n t e r p o l a t i o na n da d a p t i v en e t w o r k s 中初步探讨了r b f 用于神经 网络设计与应用于传统插值领域的不同特点，进而提出了一种三层结构的r b f n n ( r a d i a l b a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e t w o r k ) 。 r b f n n 由三层组成，输入层节点的作用是传递信号到隐层；隐层节点由径向基函数 构成；输出层节点通常是简单的线性函数。在r b f n n 中，从输入层到隐层的变换是非线 性的，隐层的作用是对输入向量进行非线性变换，而从隐层到输出层的变换是线性的，也 就是网络的输出是隐节点输出的线性加权和。 4 3 1r b f 神经元模型 图4 - i 显示了一个具有r 个输入的径向基神经元模型，从图4 - 1 中可以看到，径向基 神经元的传递函数是高斯函数( r a d b a s ) 图4 - 2 。神经元r a d b a s 的输入为输入矢量p 和权值 矢量w 之间的距离与闽值b 的乘积。径向基函数的传递函数可表示为如下形式： r a d b a s ( n ) = e ” ( 4 1 ) 南京信息工程大学硕士学位论文 1 0 0 5 o 0 1 口= ，a a b o s ( rp w p l l b ) 图4 1 径向基神经元 ji - 厂、 。卜 0 8 3 3+ o 8 3 3 图4 2 径向基传递函数 径向基传递函数的最大输出值为1 ，而且输入与权值的向量距离越近，径向基传递函 数的输出值越大。 4 3 2r b f 神经网络结构 径向基神经网络由两层神经元组成【4 8 1 ，一个隐含层，由径向基神经元组成，一个输出 层，由线性神经元组成，其结构如图4 - 3 所示。 2 l 南京信息工程大学硕上学位论文 d = m 自日0 巩1 一硎酊)矿= p u r e l i n ( l w 2 _ t d + b 2 ) 圈4 - 3 径向基神经丹络 图4 - 3 中，r 表示网络输入的维数，s 1 表示第一层的神经元个数，s 2 表示第二层的神 经元个数，a 。1 表示第一层输出a 1 的第i 个元素，嘿，1 表示第一层权位矩阵嵋1 的第i 行 元素。图4 - 3 中的0 如f | | 接收输入p 和权值矩阵r w , ，1 的欧几里德距离，因此，输出是s l 1 的向量，符号“”表示l l d i s t l l 的输出与闽值b 1 的元素与元素之间的乘积关系。 4 3 3r b f 神经网络工作原理 r b f 网络输出与输入的函数关系通常采用以下形式： 萝( 七) ：n h 岛弓( 后) 弓( 七) ：坠 弓( 七) 驰一坤卜等 = 1 二砌 ( 4 2 ) ( 4 3 ) ( 4 4 ) 式中，吩( ) 是第，个隐单元的输出，x ( 七) 为输入模式，c j 为第，个隐单元高斯函数的中心， 乃2 为新个隐节点的归一化参数，n h 为隐节点的数目。 当输入向量加到网络输入端时，径向基层的某个每个神经元都会输出一个值代表输 2 2 南京信息工程大学硕士学位论文 入向量与神经元权值向量之间的接近程度。 如果输入向量与权值向量相差很多，则径向基层的输出接近于0 ，经过第二层的线性 神经元，输出也接近于0 。如果输入向量与权值向量很接近，则径向基层的输出接近于1 ， 经过第二层的线性神经元，输出值就更靠近第二层权值。 在这个过程中，如果只有一个径向基神经元的输出为1 ，而其他的神经元输出均为o 或者接近于0 ，那么线性神经元层的输出就相当于输出为1 的神经元相对应的第二层的权 值的值。一般情况下，不止一个径向基神经元的输出为1 ，所以输出值会有所不同。 4 4 人工神经网络在软测量中的应用 目前，人工神经网络软测量技术己在石油化工产品成分、生物反应参数、铁水硅含量 等过程输出参数的在线估计得到了广泛的应用h 9 。5 “。文献利用人工神经网络专家系统预 测石油的可采储量，预测结果与实际吻合较好。文献9 4 1 使用动态b p 网络建立钢坯表面温 度的自适应预报模型，然后根据表面温度利用有限差分法计算钢坯内部的温度场。文献口q 基于智能技术和软测量技术，开发了钢水温度的软测量方法。应用人工神经元网络进行初 步预报，再根据专家工艺知识对一些特殊情况进行补正，获得了良好的效果。与机理法和 统计法相比，钢水温度预报的适应性和准确性都得到了显著提高。文献口“针对立式储油罐 由于设备本身限制，罐壁温度很难直接测得，提出了基于人工神经网络的软测量方法，构 造了立式罐壁温软测量的神经网络结构，运用实际测得数据对r b f 网络进行训练和仿真， 仿真结果证明了该方法的有效性。此外，c h o p o 提出了一种将多个基于神经网络的模型通 过模糊结合的方式结合起来用于鲁棒分类的方法；s i r d h a r $ 8 1 提出一种用于过程建模的 s t a c k e dn e u r a ln e t w o r k 方法。这些方法的基本思想就是分别建立几个独立的网络模型，将 各模型的结果通过一定的方法加权使用，以得到更好的效果。文献 5 9 - 6 6 1 也在多神经网络模 型软测量这一方面做了大量研究。 综上，人工神经网络能任意逼近非线性对象，具有分布特征，有较强的适应性、鲁棒 性。近几年神经元网络软测量技术有了一定的发展，在训练算法和建立模型方面取得了可 喜的进展。在开发具有特性的先进控制和优化控制算法，提高控制系统的性能方而取得了 一定成果，并在一定范围实现了与控制技术、计算机通信、虚拟仪器及w w w 技术的结合， 为软测量技术走向规模化、系统化、实用化提供了条件。 南京信息工程大学硕士学位论文 第五章基于数值仿真技术的原油平均温度软测量 本章提出了获得储油罐内原油平均温度的软测量方法。即把用数显温度计测量得到的 储油罐罐壁温度，以及监测到的环境温度，输入到本文建立的储油罐原油平均温度软测量 模型，经模型计算得到储油罐内原油的平均温度。 5 1 原油储罐传热分析 实现原油平均温度的软测量，即达到在已知原油种类，储油罐罐壁材料的条件下，测 得当时储油罐罐壁温度和环境温度，经过模型计算可以得出罐内原油平均温度。 成品油出厂时温度约为5 0 0 c 左右。油品入罐后，最初由于温度较高，其温度单调下降， 下降速度与当时温度、天气情况有关，一般在每天0 5 0 c 一1 5 0 c 左右。当油温与环境比较 接近以后( a t 3 。c ) ，平均温度会随着环境条件的变化而作小幅度变化。油温受环境条件 变化是由于油温随着环境条件的变化与环境之间的热交换引起的，由四周向中心逐渐发 展温度。 据以上对原油储罐的传热分析，本文确定了研究对象的主体是罐体中的原油，研究的 范围是储油罐罐体及包括自然空气在内的外环境。储油罐中的原油、储油罐罐体及其周围 大气环境组成热力学系统。油罐体及其外围系统是一个简单热力系一一它们之间只有能量 交换，没有物质交换。 5 2 温度场计算方案 油罐温度场分布的计算采用以下方案： 1 根据一系列假设，设置p d e ( 偏微分方程) 定解问题，即设置二维定解区域、边界 条件以及方程的形式和系数： 2 编制g a t l a b 程序，通过计算机用有限元法( f e m ) 求解p d e 数值解； 3 解的可视化：把计算中的数值信息转变成直观的、以图像信息形式表示的数值解， 即得出温度分布。 5 3 温度场模型的建立 所研究的油罐系统的温度场可认为是瞬态稳定传热系统。本文为研究的方便，将重点 南京信息工程大学硕士学位论文 放在柱形油罐体的横截面上原油温度分布规律的研究。 5 3 1 建立模型的几点说明 1 为使建模成为可能，根据其实际形状，将油罐体作如下简化：不考虑下底、拱形上 盖部分，仅考虑壁面，将壁面看作无接缝的整体，并且使用统一的均匀材料制成；各部分 材料的热物理性质在其各级范围内作常数处理；气候、地理条件随时间作缓慢变化；气象 条件无突变。 2 当热力系与外界之间温度不等时，彼此将产生能量的交换，热力系与外界之间依 靠温差传递能量。根据热力学第一定律，参与热过程的某部分物体，得到的能量q 1 应等于 另一部分物体失去的能量q ：，即9 1 = g ：。然而单纯依靠热力学第一定律来分析油罐体系 统的传热过程是不够的，还必须利用相关的传热学理论来补充。 根据3 4 节介绍的传热学理论，导热现象不仅在流动的流体中存在，在固体和静止的 流体中也同样存在。导热系数是衡量物质导热能力的重要参数，是物质的固有属性之一， 其值与材料的几何形状无关，主要取决于材料的成分、内部结构、密度、温度、压力和含 湿量等，就一般情况而言，在物质的三态中，固体的导热系数较大、液体次之、气体最小。 当物质的种类一定时，影响导热系数的因素主要是温度和压力，在一般工程应用范围内， 可以认为导热系数仅与温度有关，将导热系数的值取为定值常会导致不能允许的误差。因 此，本文中所选试验介质的导热系数均建立了其与温度的关系式。 3 按有限元方法要求划分三角形网格。在网格微团分得足够小，可将此微团视为一 个平衡力系，这样的微团可以用状态参数来描述。在热力系中，我们把介质视为连续体， 网格化的微团使此连续体离散化了。在此连续体内中的所谓一点处的热力学量，实际上是 指围绕此点的某微团所具有的热力学量。当空间体可简化为平面问题时，微团厚度相对于 其四周边较小，可忽略不计。 4 由于油罐体原油的温度与外界环境温度不同，受气象条件变化的影响，该热力系 呈现出各种不同的状态。其中具有特别意义的是平衡状态，当油罐系统内介质之间有温差 存在而发生热传递时，则必然有热自发地从高温物体传向低温物体，这时系统状态不断产 生变化，直至温差的消失。可见，温差是驱动热流的某种不平衡势，而温差的消失则是系 统建立起平衡的必要条件。 5 3 2 基本方程的导出 对于研究储油罐原油、罐体和周围环境组成的热力系统( 内外无热源) ，以函数 2 5 南京信息工程大学硕士学位论文 “- - - f ( x ，y ，z ，f ) 表示原油在位置( x , y ，z ) 处及f 时刻的温度。 依据传熟学的富立埃实验定律：物体在无穷小时段d t 内流过一个无男小回积d s 时热 f d o 与物体温度沿曲面出法线方向导数兰成正比，即 d q m 詈砌( 5 - 1 ) 其中k ( x ，y ，z ) 称为物体在点( x , y ，z ) 出的传热系数，取正值。式中的负号是由于热量的流 向和温度梯度的正向，即g r a d “的方向相反。 在原油罐体两米高的横截面上取一封闭曲面，它所包围的区域记为q ，则从f l 到f 2 流 进此封闭曲面的全部热量为 9 = f 驴c 棚丝o n 出卜 c s 一：， 这里! ! 表示“对曲面的外法向导数。 流入的热量使物体内部温度发生变化，在时间间隔( r 1 ，2 ) 中物体温度从u ( x ，y ，z ，t 1 ) 变化到u ( x ，y ，z ，r ，) ，它所应该吸收的热量是 9 2 = 肚( x ，y ，z ) p ，y ，z ) k ，y ，z ，f ：) 一“( 训，z ，f 1 ) k 西沈( 5 - 3 ) n 其中c 。y j ( k g 。c ) ，p 为原油密度七g 埘3 ，根据经验公式”1 c 。= 1 9 9 5 + 3 9 2 t 由热力学第一定律可知 所以 f 2f 阮廊： 掣砌 p = 8 5 8 6 一o 6 8 2 ( t 一2 0 ) o 。= q 2 胁阻( w ，