软测量技术及其应用解读

软测量技术及发展

刘江宽

(桂林电子科技大学电子工程与自动化学院, 广西桂林 541004)

摘要:软测量技术(Soft-sensing Technique)是二十世纪六、七十年代涌现的一种为控制过程建立模型的新技术，被列为未来控制领域需要研究的几大方向之一。在工业过程中，一些关键变量很难通过常规的测量方法检测出来，而软测量技术在这一方面却起着很大的作用。软测量技术在工业过程的控制、分析、优化的理论研究和实践应用中都取得了较好的成果。本文在介绍软测量技术基础上，对目前各类软测量建模的方法进行综述，列举了工业应用实例，最后对软测量技术研究的方向进行了展望。

关键词: 软测量技术;软测量思想;建模方法;工业应用实例

Soft-Sensing Technique and Its Development

Liu Jiangkuan

(School of Electronic Engineering and Automation, Guilin University of Electronic Technology, Guilin Guangxi , 541004 China)

Abstract: Born in the 1960s and 1970s,soft-sensing technique is a new technique to build model of the controlling process and deemed to one of the main research of controlling.In industrial processes, some of the key variables are difficult to detected by routine measurement method, but soft-sensing Technique plays a important role in this respect.Soft-sensing Technique in industrial process control, analysis, optimization of theoretical research and practical applications have achieved good results. In this paper,some kinds of soft-sensing modeling methods were summarized, and then some industrial application examples are listed. The deeply thinking about soft-sensing is also given.

Key words: Soft-sensing Technique; Soft-sensing Idea; Method of modeling; Practical example of industrial application

1 引言

在工业过程控制中，经常会遇到这样的情况，关键的被控变量无法进行在线测量，或者是能够在线测量，但是由于工艺原因或者硬件原因，数据反馈有很大的滞后性，导致反馈回来的数据不精确，难以控制。针对类似问题，传统的解决方法是对能够较好反映和影响被控变量的因子加以控制，以达到控制被控变量的目的。但是随着现代科技的发展，工业过程控制系统日益复杂，所需要的输出变量很难通过常规的检测技术检测得到，为此提出了软测量的思想[1]。

软测量（Soft-sensing）的思想以及由此形成的软测量技术是过程控制和检测领域涌现出的一种新思路与新技术，其理论体系正在逐渐形成，是目前检测和过程控制研究发展的重要方向。在实践中，该技术的应用与研究业已有了很大的超越与扩展，出现了许多基于软测量思想的技术，形成了传统意义软测量与扩展软测量，正确认识与分清这两种技术及其应用，对于正确认识软测量技术与促进软测量理论体系的形成、发展均具有重要意义。

2 软测量的基本思想

软测量的基本思想是把自动控制理论与生产过程知识有机结合起来，应用计算机技术，对于难于测量或暂时不能测量的重要变量，选择另外一些容易测量的变量，通过构成某种数学关系来推断和估计，以软件来代替硬件功能。软测量技术主要由辅助变量的选择、数据采集和处理、软测量模型及在线校正等部分组成。软测量的数学分析参见下图2-1。

图2-1 对象的输入、输出

图2-1中y 代表主导变量，θ代表可测的辅助变量，d 和u 分别表示可测的干扰和控制变量。软测量的目的就是利用所有可获得的信息求取主

导变量的“最优”估计值ˆy

，即构造从可测信息集θ到ˆy

的映射：ˆ()()()y s K s s θ=。 通常，可测信息集θ包括所有的可测主导变量y （或主导变量y 中部分可测的量）、辅助变量θ、

控制变量u 和可测干扰d 。在这样的框架结构下，ˆy

的性能将依赖于过程的描述、噪声和扰动的特性、辅助变量的选取以及“最佳”的含义，即给定的某

种准则。

图2-2 过程控制中软测量模型的输入、输出

图2-2表示在过程控制系统中所采用的软测量模型输入、输出与对象的输入、输出之间的关系，带下标r 的变量r y 代表被控变量（即主导变量）的设定值，开关K 代表输出y 的采样，用于

在线校正，ˆy

代表由软测量模型获得的主导变量y 的估计值。可见，软测量模型与一般意义下的

数学模型有所不同，通常我们所指的数学模型主要是反映对象输出y 与对象输入u 或d 之间的动态（或稳态）关系，而软测量则包含了通过对象输出θ求得对象输出y 的估计值。

可见，软测量的思想就是以易测的过程变量为基础，利用易测过程变量和待测过程变量之间的数学关系（软测量模型），通过各种数学计算和估计，采用软件的形式实现对待测过程变量的测量。显然，软测量思想的核心就是构造一个以易测变量为自变量、主导变量为因变量的软测量模型，并通过各种复杂的数学计算和估计，用计算机软件获得主导变量的值[2]。

3 软测量设计的基本步骤

软测量技术主要由辅助变量的选择、数据采集和处理、软测量模型及在线校正等部分组成。下面图3-1给出了软测量辨识的流程图，它说明了软测量设计中的一些步骤，体现了软测量设计思想[3]。

图3-1 软测量辨识流程图

3.1机理分析与辅助变量的选择

首先要确软测量的任务，确定主导变量。在此基础上深入了解和熟悉软测量对象及有关装置的工艺流程，通过机理分析可以初步确定影响主导变量的相关变量——辅助变量。辅助变量的选择包括变量类型、变量数目和检测点位置的选择。这三个方面是互相关联、互相影响，由过程特性所决定的。在实际应用中，还受经济条件、维护的难易程度等外部因素制约[4]。 3.2数据采集和处理

从理论上讲，过程数据包含了工业对象的大量相关信息。因此数据采集量多多益善，不仅可以用来建模，还可以检验模型。

实际需要采集的数据是与软测量主导变量对