軟傳感器技術(shù)是什么？
更新時間：2024-09-03 點擊次數(shù)：736次
傳感器是將觀察到的物理量的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為可用量的裝置。例如，傳感器將汽車的速度測量值轉(zhuǎn)換為儀表盤上的顯示值，供駕駛員使用。一般而言，傳感器可分為兩種：物理現(xiàn)實中的傳感器與軟傳感器。物理傳感器是測量物理量的設(shè)備，例如：壓力傳感器（氣壓計）、 速度傳感器（轉(zhuǎn)速表）和溫度傳感器（溫度計），等等。而軟傳感器，也稱為虛擬傳感器，是軟件的通用名稱，其可以同時處理多個測量。通常，軟傳感器基于控制理論，有時也被稱為 “觀察者"，它是通過間接使用的，可能有數(shù)十個甚至數(shù)百個測量值。軟傳感器在數(shù)據(jù)融合中特別有用，它將不同特性和動態(tài)的測量結(jié)合在一起。因此，軟傳感器可以用于故障診斷以及控制應(yīng)用。典型的軟傳感器包括卡爾曼濾波器，而的軟傳感器會使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或模糊計算。使用自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算過程數(shù)據(jù)綜上所述，軟傳感器是一種利用其他傳感器的信息來估計物理量的軟件程序，而不是直接測量。軟傳感器經(jīng)常被用于在線估計，基于對硬件傳感器的測量信號的分析，用軟件實現(xiàn)數(shù)學(xué)模型。通常情況下，建模采用原理模型、回歸模型或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。軟傳感器已經(jīng)成功地應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)過程的監(jiān)測和控制。由于軟傳感器技術(shù)的無限可能實現(xiàn)，對所需硬件的確切需求是逐一研究的。利用系統(tǒng)知識的優(yōu)勢，可以使用更經(jīng)濟的儀器來獲得所需精度的測量。軟傳感器可以共享一些現(xiàn)有的硬件能力。軟傳感器中使用的模型代表了系統(tǒng)的知識，這些知識被用來提高測量的質(zhì)量。所需模型的復(fù)雜度取決于軟傳感器開發(fā)的目標(biāo)和系統(tǒng)的復(fù)雜度，范圍從無到數(shù)千個動態(tài)變量。簡單的模型只需要很少的計算能力來執(zhí)行估計算法。如果是更復(fù)雜的模型，可能需要安裝額外的計算能力。許多模型允許作為嵌入系統(tǒng)來實現(xiàn)。這些模型可能是基于 1)有關(guān)過程變量的物理過程知識——即所謂的原理模型或白箱模型；2)從系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)中確定，但對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)幾乎沒有洞察力——即所謂的黑箱模型；3)混合灰箱模型，合并前兩種方法。同樣，在模型的情況下，可以應(yīng)用廣泛的估計算法來計算感興趣的變量。從Lueneberger Observer或Kalman Filter等簡單的線性濾波技術(shù)開始，到Extended Kalman Filter或Moving Horizon State Estimation等的非線性估計算法，將軟傳感器的適用范圍擴大到在頻繁變化的工作點上運行的具有挑戰(zhàn)性的高度非線性系統(tǒng)。軟傳感器為工業(yè)中遇到的許多問題提供解決方案，這些問題涉及可用性，成本，質(zhì)量和測量的實用性。通過改進(jìn)的過程控制，操作和故障檢測，改進(jìn)的措施可以提高產(chǎn)品或系統(tǒng)性能的質(zhì)量。在由于經(jīng)濟或技術(shù)限制（例如，空間不足，惡劣的環(huán)境條件，的操作條件）而無法使用經(jīng)典儀器或頻繁地測量這些變量的情況下，軟傳感器可提供所需的過程變量的估計值。這些估計值可以解決以下問題。問題1：測量非常昂貴，因此只能定期執(zhí)行。問題2：儀器過于昂貴且尚未安裝，因此該過程更加難以控制。解決方案：軟傳感器提供廉價的變量近似值估計值，從而改善了操作。問題3：沒有儀器可以直接測量感興趣的過程變量，例如系統(tǒng)的熱負(fù)荷。解決方案：軟傳感器使用可用的測量值來提供變量的估計值，例如，結(jié)合系統(tǒng)動力學(xué)的知識以及冷卻劑質(zhì)量流量和系統(tǒng)溫度的測量值來計算熱負(fù)荷。問題4：由于惡劣的條件或僅缺少空間，無法在目標(biāo)位置安裝任何儀器，例如，在目標(biāo)位置沒有放置溫度計的地方。解決方案：軟傳感器提供了變量的估計，使用在不同地點進(jìn)行的測量，與感興趣的地點相關(guān)聯(lián)，例如，使用感興趣點周圍的溫度知識和系統(tǒng)模型允許估計該地點的溫度。在某些應(yīng)用場景下，軟傳感器相比物理傳感器有一定的優(yōu)勢。物理傳感器：存在，但價格昂貴（一個測功輪的價格超過10萬歐元）。軟傳感器：使用其他更容易訪問的測量方法（輪胎變形、速度、振動……）。物理傳感器：經(jīng)典壓力傳感器（每個輪胎上一個）軟傳感器：使用輪胎變形測量（充氣）或車輪之間的速度差。目前，軟傳感器技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動力主要是經(jīng)濟。事實上，軟傳感器是一個計算機程序，因此，無需復(fù)制或制造它。它的成本源于IT開發(fā)，是一個一次性的過程。因此，這是一種非常有趣的方式，可以部分取代物理傳感器的利用。如今，越來越多的開啟裝置成為汽車上的機動裝置：車窗、車頂、滑動側(cè)門、后備箱……為了保證使用者的安全，防夾標(biāo)準(zhǔn)被制定出來，并成為強制性標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)家開發(fā)了兩種方法。一是直接檢測，該方法非?？煽浚珒r格昂貴；二是通過速度測量進(jìn)行間接檢測，目前非常流行，但校準(zhǔn)復(fù)雜，有時反應(yīng) “太遲"。防夾系統(tǒng)越來越多地被規(guī)范在門窗的電子機械關(guān)閉系統(tǒng)上。例如，歐洲電動窗的標(biāo)準(zhǔn)要求防夾系統(tǒng)在100到125N之間，即10到12公斤之間。這也是工業(yè)家和汽車制造商不得不應(yīng)對的問題之一。為了達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)，汽車制造商有時會使用帶有物理傳感器的復(fù)雜系統(tǒng)。在更大的范圍內(nèi)，成本是不可忽視的。目前，現(xiàn)有的系統(tǒng)是由橡膠制成的側(cè)面，帶有電容或電阻傳感器（地鐵列車的車門），或者帶有障礙物探測儀。軟傳感器是作為物理傳感器的替代解決方案出現(xiàn)的。其目的是獲得與物理傳感器相同（或更高）的精度，以便迅速確定障礙物的存在，并做出相應(yīng)的反應(yīng)。一個電動系統(tǒng)（如門）的解決方案可能包括測量關(guān)閉時的速度，并將結(jié)果與 “常規(guī) "速度（預(yù)期）進(jìn)行比較。如果觀察到實質(zhì)性的差異，我們可以歸結(jié)為結(jié)論，即在關(guān)閉路徑上有障礙物。然后，系統(tǒng)就會停止并返回。這個速度差與障礙物對門施加的力有關(guān)。返回之前的力是由測量的差值決定。
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