在過程控製中，若要使生產裝置處於最佳運行工況、實現卡邊控製

、多產高價值產品，從而提高裝置的經濟效益，就必須要對產品質量或與產品質量密切相關的重要過程變量進行嚴格控製。在線分析儀表(傳感器)不僅價格昂貴、維(wei)護(hu)保(bao)養(yang)複(fu)雜(za)
，而(er)且(qie)由(you)於(yu)分(fen)析(xi)儀(yi)表(biao)滯(zhi)後(hou)大(da)等(deng)原(yuan)因(yin)，最(zui)終(zhong)將(jiang)導(dao)致(zhi)控(kong)製(zhi)質(zhi)量(liang)的(de)性(xing)能(neng)下(xia)降(jiang)，難(nan)以(yi)滿(man)足(zu)生(sheng)產(chan)要(yao)求(qiu)。還(hai)有(you)部(bu)分(fen)產(chan)品(pin)質(zhi)量(liang)目(mu)前(qian)無(wu)法(fa)測(ce)量(liang)，這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)在(zai)工(gong)業(ye)生(sheng)產(chan)中(zhong)實(shi)例(li)很(hen)多(duo)
，例(li)如(ru)某(mou)些(xie)精(jing)(分)餾塔產品成分，塔板效率
，幹點、閃點，反應器中反應物濃度、轉化率
、cuihuajihuoxing。gaolutieshuizhongdehanguiliang，shengwufajiaoguanzhongdeshengwuliangcanshudeng。weilejiejuezheleibianliangdeceliangwenti
，chuxianlebushaofangfa
，muqianyingyongjiaoguangfandeshiruanceliangfangfa。

軟測量的基本思想是把自動控製理論與生產過程知識有機結合起來，應用計算機技術，針對難於測量或暫時不能測量的重要變量(或稱之為主導變量)
，選擇另外一些容易測量的變量(或稱之為輔助變量)，通過構成某種數學關係來推斷和估計
，以軟件來代替硬件(傳感器)功能。這類方法響應迅速，能夠連續給出主導變量信息
，且具有投資低、維護保養簡單等優點。

近年來，國內外對軟測量技術進行了大量的研究。著名國際過程控製專家MCavoy教授將軟測量技術列為未來控製領域需要研究的幾大方向之一，具有廣闊的應用前景。

一、軟測量技術概論

軟測量技術主要由輔助變量的選擇、數據采集和處理

、軟測量模型及在線校正四個部分組成。

1.1機理分析與輔助變量的選擇

首(shou)先(xian)明(ming)確(que)軟(ruan)測(ce)量(liang)的(de)任(ren)務(wu)
，確(que)定(ding)主(zhu)導(dao)變(bian)量(liang)。在(zai)此(ci)基(ji)礎(chu)上(shang)深(shen)入(ru)了(le)解(jie)和(he)熟(shu)悉(xi)軟(ruan)測(ce)量(liang)對(dui)象(xiang)及(ji)有(you)關(guan)裝(zhuang)置(zhi)的(de)工(gong)藝(yi)流(liu)程(cheng)
，通(tong)過(guo)機(ji)理(li)分(fen)析(xi)可(ke)以(yi)初(chu)步(bu)確(que)定(ding)影(ying)響(xiang)主(zhu)導(dao)變(bian)量(liang)的(de)相(xiang)關(guan)變(bian)量(liang)輔(fu)助(zhu)變(bian)量(liang)。輔(fu)助(zhu)變(bian)量(liang)的(de)選(xuan)擇(ze)包(bao)括(kuo)變(bian)量(liang)類(lei)型(xing)
、變量數目和檢測點位置的選擇。這三個方麵互相關聯
、互相影響
，由過程特性所決定的。在實際應用中，還受經濟條件、維護的難易程度等外部因素製約。

1.2數據采集和處理

從(cong)理(li)論(lun)上(shang)講(jiang)，過(guo)程(cheng)數(shu)據(ju)包(bao)含(han)了(le)工(gong)業(ye)對(dui)象(xiang)的(de)大(da)量(liang)相(xiang)關(guan)信(xin)息(xi)，因(yin)此(ci)，數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)量(liang)多(duo)多(duo)益(yi)善(shan)，不(bu)僅(jin)可(ke)以(yi)用(yong)來(lai)建(jian)模(mo)，還(hai)可(ke)以(yi)檢(jian)驗(yan)模(mo)型(xing)。實(shi)際(ji)需(xu)要(yao)采(cai)集(ji)的(de)數(shu)據(ju)是(shi)與(yu)軟(ruan)測(ce)另(ling)量(liang)主(zhu)導(dao)變(bian)量(liang)對(dui)應(ying)時(shi)間(jian)的(de)輔(fu)助(zhu)變(bian)量(liang)的(de)過(guo)程(cheng)數(shu)據(ju)。其(qi)次(ci)
，數(shu)據(ju)覆(fu)蓋(gai)麵(mian)在(zai)可(ke)能(neng)條(tiao)件(jian)下(xia)應(ying)寬(kuan)一(yi)些(xie)
，以(yi)便(bian)軟(ruan)測(ce)量(liang)具(ju)有(you)較(jiao)寬(kuan)的(de)適(shi)用(yong)範(fan)圍(wei)。為(wei)了(le)保(bao)證(zheng)軟(ruan)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)
，數(shu)據(ju)的(de)正(zheng)確(que)性(xing)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao)。

采集的數據必須進行處理，數據處理包含兩個方麵，即換算(scaling)利(li)數(shu)據(ju)誤(wu)差(cha)處(chu)理(li)。數(shu)據(ju)誤(wu)差(cha)分(fen)為(wei)隨(sui)機(ji)誤(wu)差(cha)和(he)過(guo)失(shi)誤(wu)差(cha)兩(liang)類(lei)，前(qian)者(zhe)是(shi)隨(sui)機(ji)因(yin)素(su)的(de)影(ying)響(xiang)，如(ru)操(cao)作(zuo)過(guo)程(cheng)微(wei)小(xiao)的(de)波(bo)動(dong)或(huo)測(ce)量(liang)信(xin)號(hao)的(de)噪(zao)聲(sheng)等(deng)，常(chang)用(yong)濾(lv)波(bo)的(de)方(fang)法(fa)來(lai)解(jie)決(jue)；後者包括儀表的係統誤差(如堵塞
、校正不準等)以及不完全或不正確的過程模型(受泄漏、熱損失等不確定因素影響)。過失誤差出現的幾率較小

，但它的存在會嚴重惡化數據的品質
，可能會導致軟測量甚至整個過程優化的失效。因此，及時偵破、剔除和校正這類數據是誤差處理的首要任務。

1.3軟測量模型的建立

軟測量模型是軟測量技術的核心。建立的方法有機理建模、經驗建模以及兩者相結合的建模。

1.3.1機理建模

從cong機ji理li出chu發fa，也ye就jiu是shi從cong過guo程cheng內nei在zai的de物wu理li和he化hua學xue規gui律lv出chu發fa
，通tong過guo物wu料liao平ping衡heng與yu能neng量liang平ping衡heng和he動dong量liang平ping衡heng建jian立li數shu學xue模mo型xing。對dui於yu簡jian單dan過guo程cheng可ke以yi采cai用yong解jie析xi法fa，而er對dui於yu複fu雜za過guo程cheng
，特te別bie是shi需xu要yao考kao慮lv輸shu入ru變bian量liang大da範fan圍wei變bian化hua的de場chang合he，采cai用yong仿fang真zhen方fang法fa。典dian型xing化hua工gong過guo程cheng的de仿fang真zhen程cheng序xu已yi編bian製zhi成cheng各ge種zhong現xian成cheng軟ruan件jian包bao。

機理模型優點是可以充分利用已知的過程知識，從事物的本質上認識外部特征；有較大的適用範圍
，操作條件變化可以類推。但它亦有弱點，對於某些複雜的過程難於建模

，必須通過輸入/輸出數據驗證。

1.3.2經驗建模

通過實測或依據積累操作數據，用數學回歸方法、神shen經jing網wang絡luo方fang法fa等deng得de到dao經jing驗yan模mo型xing來lai進jin行xing測ce試shi，理li論lun上shang有you很hen多duo實shi驗yan設she計ji方fang法fa
，如ru常chang用yong的de正zheng交jiao設she計ji等deng。有you一yi種zhong辦ban法fa是shi吸xi取qu調tiao優you操cao作zuo經jing驗yan，即ji逐zhu步bu向xiang更geng好hao的de操cao作zuo點dian移yi動dong，這zhe樣yang可ke一yi舉ju兩liang得de，既ji擴kuo大da了le測ce試shi範fan圍wei，又you改gai進jin了le工gong藝yi操cao作zuo。測ce試shi中zhong另ling一yi個ge問wen題ti是shi穩wen態tai是shi否fou真zhen正zheng建jian立li，否fou則ze會hui帶dai來lai較jiao大da誤wu差cha。還hai有you數shu據ju采cai樣yang與yu產chan品pin質zhi量liang分fen析xi必bi須xu同tong步bu進jin行xing。最zui後hou是shi模mo型xing檢jian驗yan，檢jian驗yan分fen為wei自zi身shen檢jian驗yan與yu交jiao叉cha檢jian驗yan。我wo們men建jian議yi和he提ti倡chang交jiao叉cha檢jian驗yan。經jing驗yan建jian模mo的de優you點dian與yu弱ruo點dian與yu機ji理li建jian模mo正zheng好hao相xiang反fan，特te別bie是shi現xian場chang測ce試shi，實shi施shi中zhong有you一yi定ding難nan處chu。

1.3.3機理建模與經驗建模相結合

把機理建模與經驗建模結合起來，可兼容兩者之長
，補各自之短。機理與經驗相結合建模是一個較實用的方法，目前被廣泛采用。

1.4軟測量模型的在線校正

由於軟測量對象的時變性、非(fei)線(xian)性(xing)以(yi)及(ji)模(mo)型(xing)的(de)不(bu)完(wan)整(zheng)性(xing)等(deng)因(yin)素(su)，必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)模(mo)型(xing)的(de)在(zai)線(xian)校(xiao)正(zheng)

，才(cai)能(neng)適(shi)應(ying)新(xin)工(gong)況(kuang)。軟(ruan)測(ce)量(liang)模(mo)型(xing)的(de)在(zai)線(xian)校(xiao)正(zheng)可(ke)表(biao)示(shi)為(wei)模(mo)型(xing)結(jie)構(gou)和(he)模(mo)型(xing)參(can)數(shu)的(de)優(you)化(hua)過(guo)程(cheng)，具(ju)體(ti)方(fang)法(fa)有(you)自(zi)適(shi)應(ying)法(fa)、增量法和多時標法。

duimoxingjiegoudexiuzhengwangwangxuyaodaliangdeyangbenshujuhejiaochangdejisuanshijian，nanyizaixianjinxing。weijiejuemoxingjiegouxiuzhenghaoshichanghezaixianxiaozhengdemaodun，tichuleduanqixuexihechangqixuexidexiaozhengfangfa。duanqixuexiyouyusuanfajiandan

、學習速度快而便於實時應用。長期學習是當軟測量儀表在線運行一段時間積累了足夠的新樣本模式後
，重新建立軟測量模型。

二

、軟測量建模的方法

ruanceliangdehexinwentishiqimoxingdejianli，yejijianlidaigujibianliangyuqitazhijieceliangbianliangjiandeguanlianmoxing。ruanceliangjianmodefangfaduozhongduoyang

，qiegezhongfangfahuyoujiaocha，qieyouxianghuronghedequshi，yincihennanyoutuodangerquanmiandefenleifangfa。muqian，ruanceliangjianmofangfayibankefenwei:機理建模
、回歸分析、狀態估計
、模式識別
、人工神經網絡
、模糊數學、基於支持向量機(SVM)和核函數的方法、過程層析成像
、xiangguanfenxihexiandaifeixianxingxitongxinxichulijishudeng。zhexiefangfadoubutongchengdudiyingyongyuruanceliangshijianzhong，junjuyougezideyouquedianjishiyongfanwei，youxiefangfazairuanceliangshijianzhongjiyouxuduochenggongdeyingyong，houmianjizhongjianmofangfaxianyujishufazhanshuiping，muqianzaiguochengkongzhizhonghaiyingyongjiaoshao。

2.1基於工藝機理分析的軟測量建模

基於工藝機理分析的軟測量建模主要是運用化學反應動力學、物料平衡、能量平衡等原埋，通過對過程對象的機理分析，找出不可測主導變量與可測輔助變量之間的關係(建立機理模型)
，從而實現對某一參數的軟測量。對於工藝機理較為清楚的工藝過程
，該方法能構造出性能良好的軟儀表。但是對於機理研究不充分、尚shang不bu完wan全quan清qing楚chu的de複fu雜za工gong業ye過guo程cheng，難nan以yi建jian立li合he適shi帆fan機ji理li模mo型xing。此ci時shi該gai方fang法fa就jiu需xu要yao與yu其qi它ta參can數shu估gu計ji方fang法fa相xiang結jie合he才cai能neng構gou造zao軟ruan儀yi表biao。這zhe種zhong軟ruan測ce量liang建jian模mo方fang法fa是shi工gong程cheng中zhong常chang用yong的de方fang法fa，其qi特te點dian是shi簡jian單dan、工程背景清晰
，便於實際\"應用，但應用效果依賴於對工藝機理的了解程度
，因為這種軟測量方法是建立在對工藝過程機理深刻認識的基礎上，建模的難度較大。

2.2基於回歸分析的軟測量建模

經jing典dian的de回hui歸gui分fen析xi是shi一yi種zhong建jian模mo的de基ji本ben方fang法fa


，應ying用yong範fan圍wei相xiang當dang廣guang泛fan。以yi最zui小xiao二er乘cheng法fa原yuan理li為wei基ji礎chu的de一yi元yuan和he多duo元yuan線xian性xing回hui歸gui技ji術shu目mu前qian已yi相xiang當dang成cheng熟shu，常chang用yong於yu線xian性xing模mo型xing的de擬ni合he。對dui於yu輔fu助zhu變bian量liang較jiao少shao的de情qing況kuang
，一yi般ban采cai用yong多duo元yuan線xian性xing回hui歸gui中zhong的de逐zhu步bu回hui歸gui技ji術shu以yi獲huo得de較jiao好hao的de軟ruan測ce量liang模mo型xing。對dui於yu輔fu助zhu變bian量liang較jiao多duo的de情qing況kuang
，通tong常chang要yao借jie助zhu機ji理li分fen析xi
，首shou先xian獲huo得de模mo型xing各ge變bian量liang組zu合he的de大da致zhi框kuang架jia，然ran後hou再zai采cai用yong逐zhu步bu回hui歸gui方fang法fa獲huo得de軟ruan測ce量liang模mo型xing。為wei簡jian化hua模mo型xing，也ye可ke采cai用yong主zhu元yuan回hui歸gui分fen析xi法faPCR(Principalcomponentregression)和部分最小二乘回歸法PLSR(principalcomponentregression)等方法。基於回歸分析的軟測量建模方法簡單實用，但需要足夠有效的樣本數據
，對測量誤差較為敏感且模型物理量概念不明了。

2.3基於狀態估計的軟測量建模

如ru果guo係xi統tong主zhu導dao變bian量liang作zuo為wei係xi統tong的de狀zhuang態tai變bian量liang是shi完wan全quan可ke觀guan的de，那na麼me軟ruan測ce量liang建jian模mo問wen題ti就jiu轉zhuan化hua為wei典dian型xing的de狀zhuang態tai觀guan測ce和he狀zhuang態tai估gu計ji問wen題ti。基ji於yu狀zhuang態tai估gu計ji的de軟ruan儀yi表biao由you於yu可ke以yi反fan映ying主zhu導dao變bian量liang和he輔fu助zhu變bian量liang之zhi間jian的de動dong態tai關guan係xi，因yin此ci，有you利li於yu處chu理li各ge變bian量liang間jian動dong態tai特te性xing的de差cha異yi和he係xi統tong滯zhi後hou等deng情qing況kuang。這zhe種zhong軟ruan測ce量liang建jian模mo方fang法fa的de缺que點dian在zai於yu對dui複fu雜za的de工gong業ye過guo程cheng，常chang常chang難nan以yi建jian立li係xi統tong的de狀zhuang態tai空kong間jian模mo型xing
，這zhe在zai一yi定ding程cheng度du上shang限xian製zhi了le該gai方fang法fa的de應ying用yong。同tong時shi在zai許xu多duo工gong業ye生sheng產chan過guo程cheng中zhong
，常chang常chang會hui出chu現xian持chi續xu緩huan慢man變bian化hua的de不bu可ke測ce的de擾rao動dong，在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia采cai用yong這zhe種zhong建jian模mo方fang法fa可ke能neng會hui帶dai來lai顯xian著zhu的de誤wu差cha。

2.4基於模式識別的軟測量建模

這(zhe)種(zhong)軟(ruan)測(ce)量(liang)建(jian)模(mo)方(fang)法(fa)是(shi)采(cai)用(yong)模(mo)式(shi)識(shi)別(bie)的(de)方(fang)法(fa)對(dui)工(gong)業(ye)過(guo)程(cheng)的(de)操(cao)作(zuo)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)處(chu)理(li)，從(cong)中(zhong)提(ti)取(qu)係(xi)統(tong)的(de)特(te)征(zheng)

，構(gou)成(cheng)以(yi)模(mo)式(shi)描(miao)述(shu)分(fen)類(lei)為(wei)基(ji)礎(chu)的(de)模(mo)式(shi)識(shi)別(bie)模(mo)型(xing)
，如(ru)空(kong)間(jian)超(chao)盒(he)等(deng)。基(ji)於(yu)模(mo)式(shi)識(shi)別(bie)方(fang)法(fa)建(jian)立(li)的(de)軟(ruan)測(ce)量(liang)模(mo)型(xing)與(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)數(shu)學(xue)模(mo)型(xing)不(bu)同(tong)
，它(ta)是(shi)一(yi)種(zhong)以(yi)係(xi)統(tong)的(de)輸(shu)入(ru)/輸(shu)出(chu)數(shu)據(ju)為(wei)基(ji)礎(chu)
，通(tong)過(guo)對(dui)係(xi)統(tong)特(te)征(zheng)提(ti)取(qu)而(er)構(gou)成(cheng)的(de)模(mo)式(shi)描(miao)述(shu)模(mo)型(xing)。該(gai)方(fang)法(fa)的(de)優(you)勢(shi)在(zai)於(yu)它(ta)適(shi)用(yong)於(yu)缺(que)乏(fa)係(xi)統(tong)先(xian)驗(yan)知(zhi)識(shi)的(de)場(chang)合(he)，可(ke)利(li)用(yong)日(ri)常(chang)操(cao)作(zuo)數(shu)據(ju)來(lai)實(shi)現(xian)軟(ruan)測(ce)量(liang)建(jian)模(mo)。在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)，這(zhe)種(zhong)軟(ruan)測(ce)量(liang)建(jian)模(mo)方(fang)法(fa)常(chang)常(chang)和(he)人(ren)工(gong)神(shen)經(jing)網(wang)絡(luo)以(yi)及(ji)模(mo)糊(hu)技(ji)術(shu)等(deng)技(ji)術(shu)結(jie)合(he)在(zai)一(yi)起(qi)使(shi)用(yong)。中國糧油儀器網 http://98fo.cn/