基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的過(guò)程監(jiān)控與優(yōu)化方法研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息化水平的不斷提高，工業(yè)企業(yè)可以輕易獲得大量數(shù)據(jù)，從不同數(shù)據(jù)中獲取信息加以利用，成就了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的概念。盡管以多變量統(tǒng)計(jì)技術(shù)為主體的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)通常是建立在一些特定的假設(shè)與條件之上，并且存在很多目前尚難以解決的算法與理論上的問(wèn)題，但多變量統(tǒng)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用仍然是工廠應(yīng)用中一個(gè)很重要的部分，尤其在計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的今天，改進(jìn)技術(shù)，運(yùn)用多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)更多的功能，使得基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的監(jiān)測(cè)、控制和優(yōu)化作為工廠應(yīng)用研究的一個(gè)重要方面

2、成為控制學(xué)科廣泛研究的對(duì)象。目前，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法和技術(shù)在工廠過(guò)程各個(gè)主要層面的應(yīng)用都有相關(guān)的研究與討論，如果將各個(gè)層面的應(yīng)用通過(guò)數(shù)據(jù)這個(gè)共同的基礎(chǔ)聯(lián)系起來(lái)，從底層的回路控制與監(jiān)測(cè)到上層的優(yōu)化及工藝過(guò)程的監(jiān)控與診斷，便可以通過(guò)數(shù)據(jù)流的連接，在邏輯上形成一個(gè)統(tǒng)一的體系，完成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在工廠應(yīng)用宏觀上的統(tǒng)一框架。本文在基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的工廠控制系統(tǒng)概念及發(fā)展?fàn)顩r的同時(shí)，對(duì)主要的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)即多變量統(tǒng)計(jì)方法在各個(gè)具體應(yīng)用層面進(jìn)行了一些分析

3、與研究，提出了一些新的思路，進(jìn)行了一些具體的仿真與應(yīng)用。雖然本文無(wú)法巨細(xì)無(wú)遺地對(duì)所有問(wèn)題進(jìn)行研究，但也希望借助對(duì)一些具體層面的探討拋磚引玉，供作研究的引子與補(bǔ)充。 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在工廠過(guò)程的應(yīng)用主要可以分為三大層次：局部回路、局部過(guò)程（或批次）、全局過(guò)程，針對(duì)主要的多變量統(tǒng)計(jì)技術(shù)在各層次的應(yīng)用，論文將就一些具體的問(wèn)題進(jìn)行研究，主要工作和創(chuàng)新性成果如下： 1）介紹基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的工廠過(guò)程控制體系及體系圖，并對(duì)整體及各個(gè)層面

4、進(jìn)行綜述。主要闡述多變量統(tǒng)計(jì)技術(shù)在建模、多變量統(tǒng)計(jì)過(guò)程監(jiān)控與診斷、操作優(yōu)化及質(zhì)量?jī)?yōu)化、控制器設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)運(yùn)行和性能的評(píng)價(jià)、監(jiān)控與診斷中，從算法到實(shí)際應(yīng)用中需要考慮的各個(gè)方面。 2）針對(duì)主元分析（Principal Component Analysis，PCA）監(jiān)控?zé)o法處理非正態(tài)分布采樣數(shù)據(jù)的缺陷，將PCA與核密度估計(jì)（Kernel Density Estimation，KDE）結(jié)合及獨(dú)立元分析（Independent Comp

5、onent Analysis，ICA）與KDE結(jié)合，并在一個(gè)具體的聚丙烯生產(chǎn)過(guò)程應(yīng)用上對(duì)PCA、ICA、KPCA、KICA進(jìn)行了比較研究和分析。 3）針對(duì)傳統(tǒng)PCA模型線性穩(wěn)態(tài)的局限性，提出一種動(dòng)態(tài)遞推PCA（Dynamic Recursive PCA，DRPCA）方法，以便對(duì)具有動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)性的系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)控。結(jié)合不同的多變量統(tǒng)計(jì)控制圖，對(duì)兩個(gè)控制系統(tǒng)（化工蒸餾器、重油分餾塔）及一個(gè)三相繞組異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果證明

6、了方法的有效性。 4）石油化工生產(chǎn)的牌號(hào)切換過(guò)渡過(guò)程是運(yùn)行中最關(guān)鍵、操作難度最大的，具有非常復(fù)雜的化學(xué)、物理特征和非常敏感的狀態(tài)突變性其操作成敗直接影響到運(yùn)行的連續(xù)性甚至人身、設(shè)備的安全。為了提高牌號(hào)切換過(guò)程運(yùn)行的平穩(wěn)性和切換成功率，減少安全隱患，對(duì)多向主元分析（Dynamic Multiway PCA，DMPCA）及多向偏最小二乘（Dynamic Multiway PLS，DMPLS）進(jìn)行動(dòng)態(tài)化并對(duì)牌號(hào)切換過(guò)程運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控與診

7、斷，并利用DMPLS對(duì)目標(biāo)性能的預(yù)測(cè)目標(biāo)性能指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控。將該方法應(yīng)用于某石化公司的聚丙烯裝置，結(jié)果顯示該方法可以有效地監(jiān)控切換狀態(tài)和產(chǎn)品質(zhì)量，并對(duì)較差的切換過(guò)程進(jìn)行診斷。 5）利用PLS隱變量空間主元獨(dú)立、多變量自動(dòng)解耦的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)隱變量自動(dòng)配對(duì)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的方法，但當(dāng)PLS隱變量之間不能完全消除相關(guān)性時(shí)，各個(gè)回路的PID控制器將不能獨(dú)立整定，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，實(shí)行基于動(dòng)態(tài)PLS框架的優(yōu)化控制，該方法在三進(jìn)三出化工蒸餾器

8、和重油分餾塔分別進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果證明了方法的有效性。 6）在牌號(hào)切換的操作軌跡優(yōu)化中引入經(jīng)驗(yàn)摸型，改變以機(jī)理模型為主的情況，用①以PLS模型直接替代機(jī)理模型作為約束及②利用PLS逆模型構(gòu)造優(yōu)化命題這兩種方式將多變量統(tǒng)計(jì)回歸技術(shù)應(yīng)用于操作優(yōu)化，在一定程度上簡(jiǎn)化了建模過(guò)程，PLS逆模型也使得優(yōu)化形式更為簡(jiǎn)潔。 最后，對(duì)全文作出總結(jié)，歸納了研究和分析的內(nèi)容及結(jié)果，并結(jié)合各個(gè)方面存在的問(wèn)題，指出了今后值得關(guān)注和進(jìn)一步深入研究