基于神经网络的软测量技术研究与软件开发

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 3.54MB 71 页 15积分

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摘要

随着世界科技水平的飞速发展，各个行业的生产水平也在突飞猛进。人们对

生产的控制也越来越苛刻，密切关注、控制生产中的各个相关变量，尽力通过卡

边控制来获取最大化的效益。而现今在化工、炼油、造纸等很多行业存在着这样

一些问题，一些生产变量与生产密切相关，但是却又不能或是难以直接测量，从

而直接影响了生产质量。软测量技术正是针对此类问题，它通过选择容易测量又

与主导变量密切相关的二次变量，通过构造某种数学模型进而推到出主导变量。

而虚拟仪器是伴随着计算机技术、电子技术在电子测量技术和仪器领域的广泛应

用，出现的一种新的测试概念、测试理论、测试方法。它是一种专业型的测试软

件，近年来，神经网络技术、模糊技术等新技术在仪器研究领域取得的丰硕成果，

也展现了虚拟仪器在测量领域中的巨大应用潜力。

本文针对一些与生产密切相关而又难以直接测量的过程变量，采用数据库、

动态链接库、多线程、回调函数技术结合虚拟仪器 LabWindows/CVI 作为人机交互

平台，运用 RBF 神经网络算法建立软测量模型。结果表明，该系统具有很好的精

确度和鲁棒性,在工况或是组态平台发生变化的情况下，能够实现快速移植，是自

动监测和过程优化的有利工具。

论文的主要研究内容和工作分为以下几个方面：

(1) 研究软测量技术的发展及国内外现有的相关技术和模型，比较各种技术

的优缺点。提出本系统所采用的算法及模型。

(2) 研究学习虚拟仪器技术，软件开发技术，将虚拟仪器与同传统的仪器进行

比较。设计虚拟仪器 LabWindows/CVI 与VC++联合开发的方法。

(3) 设计在工业现场或者人机交互平台发生改变的情况下，如何通过最小的代

码开发量，实现快速高效的系统移植，使该系统达到一种通用性。

(4) 设计系统各个模块的具体功能和各个模块之间的关联和调用关系。利用

动态链接库，多线程等技术，实现数据的传输和函数的调用。

关键词：虚拟仪器软测量 RBF 神经网络动态链接库多线程

ABSTRACT

With the rapid development of science and technology, all walks of life production

level also advanced by leaps and bounds. Technicians have been making steadily stricter

demands on the control of production. Closely concerned about all relevant variables in

the production control process, try to get the maximization economic benefits through

card edge control become a hot research area. Today, some industries exist the problem

some production variables have deep relation to production, but cannot or difficult to be

measured directly, which will affect the production quality, such as in chemical industry,

oil refining, paper making, etc. Selecting the second variables that not only easily to be

measured but also closed related to the dominant variables, by constructing

mathematical models to derive the leading variables, soft sensor technology can

effectively solve this problem. With the widely use of computer technology, electronics

in the field of electronic measuring technology and instruments, a new kind of test

concept, test theory and test method came out--Virtual Instrument Which is a

professional test software. These recent years, in instrument research area, neural

network control, fuzzy control and other new technology have made great achievements,

which show the huge potential of virtual instrument in the measurement area.

This paper specified on some process variables which are closely related with

production but difficult to be measured directly, we adopt database, dynamic link library,

multithreading, COM technology and so on, combined with the virtual instrument

LabWindows/CVI as Human-Machine interactive interface, using RBF neural network

build soft-sensor model. The results show that this system has a good accuracy and

robustness, at the same time its strong portability can avoid secondary development.

This system is helpful to automatic monitoring and process optimization.

This thesis’s prime work as the following aspects:

(1) Research the latest measurement models and algorithms both at home and

abroad, determine my system’s algorithm and model.

(2) Research virtual instrument and software development technology, compare

virtual instrument with the traditional ones, design the development method

combine virtual instrument LabWindows/CVI with VC++.

(3) Design when changes happened to industrial field or Human-Machine

interactive interface, how to use the smallest code development, realizing fast

and efficient system transplantation so that the system can be universal.

(4) Design the specific functions, the association and call relationship of each

module. Using dynamic link library, multi-threading technology, etc, realize

the call relation between different functions and data transmission.

Key Words: Virtual instrument, Soft sensor, RBF neural network,

Dynamic link library, Multi-threading

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 课题研究的背景和意义 ......................................... 1

§1.2 国内外研究现状 ............................................... 2

§1.3 论文的主要工作 ............................................... 3

§1.4 论文的组织结构 ............................................... 4

第二章工业过程控制软测量技术 ........................................ 5

§2.1 过程控制软测量技术的用途 ..................................... 5

§2.2 过程控制软测量技术的工作原理 ................................. 7

§2.3 软测量技术的构成 ............................................. 8

§2.3.1 辅助变量的选择 ........................................... 8

§2.3.2 数据的采集与处理 ........................................ 10

§2.3.3 软测量模型的建立 ........................................ 11

§2.3.4 基于 RBF 神经网络的软测量模型的建立 ...................... 14

§2.3.5 软测量模型的在线校正 .................................... 23

第三章虚拟仪器技术 ................................................. 26

§3.1 虚拟仪器概述 ................................................ 26

§3.1.1 虚拟仪器的基本概念 ...................................... 26

§3.1.2 虚拟仪器的发展与现状 .................................... 27

§3.1.3 虚拟仪器与传统仪器的比较 ................................ 28

§3.2 虚拟仪器系统 ................................................ 29

§3.2.1 虚拟仪器的组成部分 ...................................... 29

§3.2.2 虚拟仪器的开发平台 ...................................... 30

§3.3 LabWindows/CVI 的简介 ....................................... 31

第四章系统功能的设计与实现 ......................................... 34

§4.1 系统的功能介绍 .............................................. 34

§4.1.1 系统的主要功能及特点 .................................... 34

§4.2 系统的组成部分 .............................................. 35

§4.2.1 系统功能模块的设计 ...................................... 35

§4.2.2 系统功能实现 ............................................ 36

§4.3 系统的工作流程 .............................................. 38

§4.4 系统的关键技术实现 .......................................... 39

§4.4.1 动态链接库技术 .......................................... 40

§4.4.2 多线程技术 .............................................. 43

§4.4.3 回调函数技术 ............................................ 45

§4.5 系统界面的设计与实现 ........................................ 48

第五章系统软件的安装与功能测试 ..................................... 55

§5.1 系统软件的安装 .............................................. 55

§5.2 系统软件的功能测试 .......................................... 55

第六章总结与展望 ................................................... 62

§6.1 本文工作总结 ................................................ 62

§6.2 后期工作展望 ................................................ 63

参考文献 ............................................................ 64

攻读硕士学位期间科研及论文完成情况 .................................. 67

致谢 ............................................................... 68

第一章绪论

随着世界科技水平的飞速发展，各个行业的生产水平也在突飞猛进。人们对

生产的控制也越来越苛刻流程工业更是如此，流程工业包括了化工、石化、炼油、

制药、造纸、冶金、采矿、电力、食品加工等是在知识经济时代的 21 世纪的国民

经济中占主导地位的行业，全球 500 强行业中，流程工业企业有 70 余家，占 15%，

其营业收入占总收入的 16.5%，我国流程企业年产值占全国企业年总产值的 66%，

流程工业的发展状况直接影响国家的经济基础，因此，流程工业是国家的重要基

础支柱产业，而软测量技术又是流程工业中最重要的技术之一。在化工，炼油，

冶金等行业，往往存在着一些与生产密切相关，但是现今又难以直接测量或是不

能测量的重要过程变量，这直接影响了生产的质量。软测量技术就应运而生。虚

拟仪器由计算机、仪器硬件和应用软件构成，它以计算机为核心硬件平台，配上

相应测试功能的硬件作为 I/O 接口，利用仪器软件开发平台在计算机的屏幕上虚拟

出仪器的面板和相应的功能，通过鼠标或键盘操作的仪器。具有强大的人机交互

界面设计能力，易于实现各种复杂的仪器面板，数据可视化分析能力强，应用它

可以完成数据采集、处理、存储和显示功能，它还具有丰富的仪器和总线接口驱

动程序。

§1.1 课题研究的背景和意义

作为一门有着广阔发展前景的新型工业技术和综合自动化关键技术之一，软

测量技术近年来取的了较大的发展，已经成为过程控制行业令人瞩目的研究领域。

目前已建立多种测量模型，但基本还都是缺乏通用性，通常一种方法难以适应不

同的工业过程；而且数据校正目前都是局限在过程稳定的状态下。实际情况是，

稳态过程通常都是很难达到的，随时都存在波动[1]。为此体现过程动态的数据校正

能更好地改善数据质量，动态数据校正还需要充分地研究。神经网络能够较为有

效地处理过程的非线性和滞后，同时不需要很多工业过程的先验知识，而是根据

输入输出数据直接建模，RBF 神经网络不但具有良好的逼近性能，而且可以在网

络训练过程中由算法确定隐含层神经元的个数，因此 RBF 神经网络不仅能够很好

地建立软测量模型，而且保证了软测量方法的通用性。通用软测量技术响应迅速，

能够连续给出主导变量信息，具有投资低、维护保养简单等优点，且具有较高的

自适应性和鲁棒性，能够适合生产过程的高柔性，根据生产条件对自身进行调节。

本文所选择的基于 RBF 神经网络的方法不需要加入人为干预，软件使用者只

基于神经网络的软测量技术研究与软件开发

需要根据工业过程的背景选择好辅助变量和主导变量、收集过程的数据即可。因

此这种软测量方法可以作为一个工具放在控制软件平台上，不需要在如何建立软

测量模型上花时间，它还可以与挂连在平台上的其它控制软件互通信息。

LabWindows/CVI 具有专业的测试功能，具有虚拟面板，由用户设计定义，可以根

据自身需要扩展测量功能，使用者用鼠标或键盘操作，就如同使用一台专用的测

量仪器，它在经济性、灵活性、扩展性和可维护性方面具有独特的优势。本课题

设计的软测量包数据采集方便简单，不仅可以使生产者掌握各个生产环节的动态

特性，了解各项指标的实际情况，实时观测各个点的状态，明确生产流程是否在

预期之内，使生产装置处于最佳运行工况，实现卡边控制。而且还可以通过与人

工分析值的对比进行实时模型校正，保证软件的有效性[2]。

§1.2 国内外研究现状

软测量技术思想从很早的时候开始就在潜移默化地应用着。70 年代 Brosillow

由其推断控制的思想进而给出软测量思想的雏形；到了 80 年代中后期软测量被作

为一个概括性的术语提出；国际过程控制专家 T.J.Macvoy 1992 年在著名刊物

Automatia 上发表了名为“Contemp Lative Stance for Chemical Process Control”的

IFAC 报告，他明确指出软测量将会成为日后工业过程控制的主要发展方向之一。

也有效的促进了软测量技术更深一步的发展。经过多年的发展，目前已提出了不

少构造软仪表的方法，并对影响软仪表性能的因素以及软仪表的在线校正方面进

行了深入的研究。现阶段软测量实现流程主要包括：辅助变量的选择、过程数据

的预处理、软测量的建模和软仪表的校正。其中最关键的就是模型的建立，目前

用的较多的有 BP 神经网络模型、

RBF 神经网络模型、支持向量机模型、基于过程

对象动态数学模型等。软仪表的在线校正可表示为模型结构和模型参数的优化过

程，有离线测量值进行在线校正，短期学习和长期学习的校正方法。目前还正在

研究与发展将微粒群优化算法、遗传算法等新兴技术用于软测量建模。将不同的

方法相互融合建立混合模型或多模型[3]。

虚拟仪器 LabWindows/CVI 是美国 National Instruments 公司开发的，虚拟仪器

的实质是软硬件结合、虚实结合的产物，是充分利用最新的计算机技术来实现和

扩展传统仪器的功能，是继模拟仪器、智能仪器之后的第三代仪器技术，它是计

算机辅助测试领域的一项关键技术。随着计算机的普及，虚拟仪器将会逐步取代

传统的测试仪器。虚拟仪器的发展经历了利用计算机增强传统仪器的功能、开放

式的仪器构成、虚拟仪器框架得到广泛的认同与采用、网络化虚拟仪器的迅速发

第一章绪论

展这四个阶段。1987 年来自 HP、Colorado Data system、Racal Dana 等五家公司的

技术代表成立了 VXI 总线联盟，VXI 总线技术自从推出后，已经在航天、航空、

通信等工业过程检测领域得到了广泛的应用，显示出了巨大的优势。

1993 年，

NI、

Tektroni 等五家公司成立了 VPP（VXI plug & play）系统联盟，提出了系统框架、

软面板、VISA（虚拟仪器软件结构）等一系列 VPP 软件标准，极大的推动了软件

标准化进程。随着测试系统开发工具和技术的进步，测试程序开发变得比较容易，

而且测试代码更容易维护。1998 年NI 成立了 IVI （Interchangeable Virtual

Instruments）基金会，该基金会致力于 VPP 兼容框架的基础之上，定义了一系列

的标准仪器编程模型。可交换的仪器驱动器编程模型，使得测试代码可以很好的

移植到不同的仪器上，而基本无需更改[4,5]。

计算机网络技术的发展一日千里，利用计算机网络技术，进行网络化测控将

会成为虚拟仪器的发展方向。快速可靠的计算机通信网络的发展，已经允许连接

到局域网或是广域网中的各个计算机之间进行信息和命令的交换，这样的网络极

大的拓展了虚拟仪器的使用范围，进一步的增强了数字化仪器的优势从而使得远

程虚拟仪器能够顺利的发展。现今软件标准化和硬件标准化规范的大力发展，也

使虚拟仪器能够真正实现“即插即用”，以软件代替硬件。从而避免了繁重的人力

物力投入。

§1.3 论文的主要工作

本文设计以某炼油厂的历史数据为研究开发背景，比较分析相关的模型与算

法，基于 LabWindows/CVI 6.0 平台的数据采集和处理显示的软件系统。本论文的

研究内容大致可分为以下几点：

(1) 介绍软测量技术的发展及国内外现有的相关技术和模型，比较各种技术

的优缺点。提出了本系统所采用的算法及模型。

(2) 介绍虚拟仪器的发展历程，虚拟仪器的体系结构，同传统的仪器进行比较

分析。

(3) 研究虚拟仪器与 VC++联合开发的方法，及要实现互相调用所采用的方法

和关键技术，比如：动态链接库技术、多线程技术、通信技术、回调函

数技术等。

(4) 研究系统的数据传输技术，设计系统的通讯方法。设计数据传输接口模块

与模型的关联。

(5) 设计虚拟仪器的人机交互界面，及其所采用的控件。

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摘要：

摘要随着世界科技水平的飞速发展，各个行业的生产水平也在突飞猛进。人们对生产的控制也越来越苛刻，密切关注、控制生产中的各个相关变量，尽力通过卡边控制来获取最大化的效益。而现今在化工、炼油、造纸等很多行业存在着这样一些问题，一些生产变量与生产密切相关，但是却又不能或是难以直接测量，从而直接影响了生产质量。软测量技术正是针对此类问题，它通过选择容易测量又与主导变量密切相关的二次变量，通过构造某种数学模型进而推到出主导变量。而虚拟仪器是伴随着计算机技术、电子技术在电子测量技术和仪器领域的广泛应用，出现的一种新的测试概念、测试理论、测试方法。它是一种专业型的测试软件，近年来，神经网络技术、模糊技术等新技...

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