软测量与虚拟仪器第一篇幻灯片.ppt
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1、软测量与虚拟仪器第一篇第1页,共52页,编辑于2022年,星期三教学目标教学目标2 掌握虚拟仪器理论和设计方法掌握虚拟仪器理论和设计方法3 熟练使用熟练使用LabVIEW软件软件1 掌握软测量理论和方法掌握软测量理论和方法第2页,共52页,编辑于2022年,星期三课程要求课程要求实验一实验一 LabVIEW的基本应用,分值的基本应用,分值20分。分。实验二实验二 虚拟信号发生器的设计,分值虚拟信号发生器的设计,分值30分。分。实验三实验三 虚拟示波器的设计,分值虚拟示波器的设计,分值30分。分。习题二习题二 在在LabVIEW环境下,基于虚拟仪器技术实现生产过环境下,基于虚拟仪器技术实现生产过
2、程中的某一关键变量的软测量,分值程中的某一关键变量的软测量,分值10分。分。习题一习题一 阅读阅读3篇有关软测量技术的论文,并精讲其中篇有关软测量技术的论文,并精讲其中1篇,篇,分值分值10分。分。第3页,共52页,编辑于2022年,星期三第一篇:软测量技术及其应用第一篇:软测量技术及其应用第4页,共52页,编辑于2022年,星期三一、微生物发酵过程一、微生物发酵过程第一章第一章 软测量技术引言软测量技术引言1、微生物发酵过程概述、微生物发酵过程概述在在工工业业生生产产中中,发发酵酵是是利利用用微微生生物物的的机机能能将将物物料料加加工工为为所所需需产产品的过程。品的过程。第5页,共52页,编
3、辑于2022年,星期三第一章第一章 软测量技术引言软测量技术引言青霉素发酵过程(传统发酵)青霉素发酵过程(传统发酵)大肠杆菌发酵过程(基因工程菌发酵)大肠杆菌发酵过程(基因工程菌发酵)第6页,共52页,编辑于2022年,星期三第一章第一章 软测量技术引言软测量技术引言2、菌体浓度、基质浓度、产物浓度的离线测量、菌体浓度、基质浓度、产物浓度的离线测量菌体浓度的测量方法:干重法、光密度法菌体浓度的测量方法:干重法、光密度法葡萄糖浓度的测量方法:酶电极法葡萄糖浓度的测量方法:酶电极法青霉素浓度的测量方法:碘量法、高效液相色谱法青霉素浓度的测量方法:碘量法、高效液相色谱法第7页,共52页,编辑于202
4、2年,星期三第一章第一章 软测量技术引言软测量技术引言3、在线生物传感器、在线生物传感器第8页,共52页,编辑于2022年,星期三二、软测量二、软测量第一章第一章 软测量技术引言软测量技术引言软软测测量量就就是是选选择择与与被被估估计计变变量量相相关关的的一一组组可可测测变变量量,构构造造某某种种以以可可测测变变量量为为输输入入、被被估估计计变变量量为为输输出出的的数数学学模模型型,用计算机软件实现过程变量的估计。用计算机软件实现过程变量的估计。软测量模型软测量模型被估变量被估变量可测变量可测变量第9页,共52页,编辑于2022年,星期三二、软测量二、软测量第一章第一章 软测量技术引言软测量技
5、术引言这这类类数数学学模模型型及及相相应应的的计计算算机机软软件件也也被被称称为为软软测测量量器器或或“软仪表软仪表”。软软测测量量器器估估计计值值可可作作为为控控制制系系统统的的被被控控变变量量或或反反映映过过程程特特征征的的工艺参数工艺参数,为优化控制与决策提供重要信息。,为优化控制与决策提供重要信息。第10页,共52页,编辑于2022年,星期三一、软测量模型的数学描述一、软测量模型的数学描述第二章第二章 软测量建模方法软测量建模方法工工业业对对象象软测量模型软测量模型软测量器的基本结构软测量器的基本结构不可测扰动不可测扰动可测扰动可测扰动被估计量被估计量被估计变量被估计变量 的最优估计:
6、的最优估计:第11页,共52页,编辑于2022年,星期三第二章第二章 软测量技术及其应用软测量技术及其应用 为被估计变量集为被估计变量集 为不可测扰动为不可测扰动 为可测扰动为可测扰动 为对象的控制输入为对象的控制输入 为对象可测输出变量为对象可测输出变量 为可能有的离线分析计算值为可能有的离线分析计算值第12页,共52页,编辑于2022年,星期三例:青霉素效价软测量模型例:青霉素效价软测量模型第二章第二章 软测量建模方法软测量建模方法发发酵酵过过程程软测量模型软测量模型青霉素效价软测量模型青霉素效价软测量模型被估计量被估计量第13页,共52页,编辑于2022年,星期三二、软测量建模的主要方法
7、二、软测量建模的主要方法第二章第二章 软测量技术及其应用软测量技术及其应用1、机理建模方法、机理建模方法 建立在对建立在对过程工艺机理过程工艺机理的深刻认识的基础上,运用物料平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。与可测辅助变量之间的关系。第14页,共52页,编辑于2022年,星期三第二章第二章 软测量技术及其应用软测量技术及其应用例:基于比速率的发酵过程模型例:基于比速率的发酵过程模型菌体浓度菌体浓度基质浓度基质浓度产物浓度产物浓度菌体比生长速率菌体比生长速率补料液浓
8、度补料液浓度稀释率稀释率第15页,共52页,编辑于2022年,星期三第二章第二章 软测量技术及其应用软测量技术及其应用2、系统辨识方法、系统辨识方法 辨辨识识方方法法是是将将辅辅助助变变量量和和主主导导变变量量组组成成的的系系统统看看成成“黑黑箱箱”,以以辅辅助助变变量量为为输输入入,主主导导变变量量为为输输出出,通通过过现现场场采采集集、流流程程模模拟拟或或实实验验测测试试,获获得得过过程程输输入入、输输出出数数据据,以以此此为为依依据据建立软仪表模型。建立软仪表模型。人工神经网络(人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)支持向量机(支持向量机(Suppor
9、t Vector Machine,SVM)第16页,共52页,编辑于2022年,星期三第二章第二章 软测量技术及其应用软测量技术及其应用人工神经网络模型人工神经网络模型第17页,共52页,编辑于2022年,星期三第二章第二章 软测量技术及其应用软测量技术及其应用以以辅辅助助变变量量为为输输入入,待待测测变变量量为为输输出出,形形成成足足够够多多的的理理想想样样本本,通过学习得到软仪表的神经网络模型。通过学习得到软仪表的神经网络模型。实实际际应应用用中中,样样本本的的数数量量和和质质量量在在一一定定程程度度上上决决定定了了网网络络的的性性能能。另另外外,网网络络类类型型、结结构构和和算算法法的的
10、选选择择对对软软仪仪表表的的性性能能也也有有重重要影响。要影响。理理论论上上,神神经经网网络络不不需需要要有有过过程程的的先先验验知知识识,学学习习非非线线性性特特性性的的能力比较强,是解决软测量问题的较为理想的方法。能力比较强,是解决软测量问题的较为理想的方法。第18页,共52页,编辑于2022年,星期三第二章第二章 软测量技术及其应用软测量技术及其应用3、状态估计方法、状态估计方法 如如果果已已知知系系统统的的状状态态空空间间模模型型,而而主主导导变变量量作作为为系系统统状状态态变变量量时时,辅辅助助变变量量是是可可观观测测的的,那那么么构构造造软软仪仪表表的的问问题题可可以以转转化化为为
11、状态观测或状态估计问题。假设已知对象的状态空间模型为:状态观测或状态估计问题。假设已知对象的状态空间模型为:第19页,共52页,编辑于2022年,星期三第二章第二章 软测量技术及其应用软测量技术及其应用 为为白白噪噪声声,通通过过输输入入输输出出数数据据辨辨识识得得到到A、B、C的的估估计计值值 、。若若系系统统的的状状态态是是完完全全可可观观的的,其其动动态态软软测测量量问问题题转转化化为为状状态态估估计计问问题题,可可用用Kalman滤滤波波器器得到估计值得到估计值 。第20页,共52页,编辑于2022年,星期三第二章第二章 软测量技术及其应用软测量技术及其应用例:发酵过程中关键生物变量的
12、估计例:发酵过程中关键生物变量的估计论文:氨基酸发酵过程优化控制论文:氨基酸发酵过程优化控制作者:盛炳乾作者:盛炳乾第21页,共52页,编辑于2022年,星期三第二章第二章 软测量技术及其应用软测量技术及其应用4、回归方法、回归方法基基于于最最小小二二乘乘原原理理的的一一元元、多多元元线线性性回回归归技技术术已已经经非非常常成成熟。熟。回回归归分分析析的的目目的的:设设法法找找出出变变量量间间的的依依存存(数数量量)关关系系,用用函数关系式表达出来。函数关系式表达出来。第22页,共52页,编辑于2022年,星期三第二章第二章 软测量技术及其应用软测量技术及其应用一元线性回归:一元线性回归:其中
13、其中 是应变量是应变量 的预测值或估计值。的预测值或估计值。第23页,共52页,编辑于2022年,星期三第二章第二章 软测量技术及其应用软测量技术及其应用多元线性回归:多元线性回归:其中其中 是应变量是应变量 的预测值或估计值。的预测值或估计值。第24页,共52页,编辑于2022年,星期三第二章第二章 软测量技术及其应用软测量技术及其应用回归方法的应用回归方法的应用辅辅助助变变量量较较少少的的情情况况:利利用用多多元元线线性性回回归归中中的的逐逐步步回回归归技技术可以得到较理想的软仪表模型。术可以得到较理想的软仪表模型。辅辅助助变变量量较较多多的的情情况况:通通常常要要借借助助机机理理方方法法
14、,得得到到变变量量组组合合的的基基本本假假定定,然然后后再再采采用用逐逐步步回回归归的的方方法法排排除除不不重重要要的的变变量量组组合合,得得到到软软仪仪表表模模型型。也也可可以以采采用用主主元元分分析析等等数数学学方法,对原问题进行降维处理,然后进行回归。方法,对原问题进行降维处理,然后进行回归。第25页,共52页,编辑于2022年,星期三第二章第二章 软测量技术及其应用软测量技术及其应用回归方法的应用实例回归方法的应用实例论文:发酵过程控制的回归模型和过程预测论文:发酵过程控制的回归模型和过程预测作者:张凤珊作者:张凤珊第26页,共52页,编辑于2022年,星期三第三章第三章 软测量器的工
15、程化设计与实施软测量器的工程化设计与实施辅助变量的选取辅助变量的选取测量数据的处理测量数据的处理软测量模型的结构选择和建立软测量模型的结构选择和建立软测量器的设计步骤软测量器的设计步骤第27页,共52页,编辑于2022年,星期三一、辅助变量的选取一、辅助变量的选取第三章第三章 软测量器的工程化设计与实施软测量器的工程化设计与实施根根据据工工艺艺机机理理分分析析(如如物物料料、能能量量平平衡衡关关系系),在在可可测测变变量量集集中中,初初步步选选择择所所有有与与被被估估计计变变量量有有关关的的原原始始辅辅助助变变量量,这这些变量中部分可能是相关变量。些变量中部分可能是相关变量。此阶段辅助变量的选
16、择可遵循此阶段辅助变量的选择可遵循“宁滥勿缺宁滥勿缺”的原则。的原则。第28页,共52页,编辑于2022年,星期三第三章第三章 软测量器的工程化设计与实施软测量器的工程化设计与实施例:青霉素效价的软测量例:青霉素效价的软测量弗莱明弗莱明亚历山大爵士亚历山大爵士第29页,共52页,编辑于2022年,星期三二、测量数据的处理二、测量数据的处理第三章第三章 软测量器的工程化设计与实施软测量器的工程化设计与实施1、误差处理误差处理随机误差、系统误差、过失误差随机误差、系统误差、过失误差出现误差的原因出现误差的原因第30页,共52页,编辑于2022年,星期三第三章第三章 软测量器的工程化设计与实施软测量
17、器的工程化设计与实施随机误差也称随机误差也称“偶然误差偶然误差”,服从概率规律的误差。,服从概率规律的误差。随机误差的处理随机误差的处理在在实实际际相相同同的的条条件件下下测测量量同同一一量量时时,每每次次所所测测误误差差的的数数值值时时大大时时小小,符符号号时时正正时时负负,无无规规律律性性。但但多多次次测测量量后后,正正负负误误差差相相抵抵销销的的概概率率增增大大,随随着着测测量量次次数数的的增增加加,单单次次测测量量误误差差的总和趋近于零。的总和趋近于零。随随机机误误差差是是不不可可消消除除的的,只只能能尽尽量量设设法法使使它它减减小小。随随机机误误差愈小,说明测量的精密度愈高。差愈小,
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