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

1、隨著計算機技術(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)動的概念。盡管以多變量統(tǒng)計技術(shù)為主體的數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(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題，但多變量統(tǒng)計技術(shù)的應(yīng)用仍然是工廠應(yīng)用中一個很重要的部分，尤其在計算機技術(shù)快速發(fā)展的今天，改進技術(shù)，運用多種技術(shù)實現(xiàn)更多的功能，使得基于數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)的監(jiān)測、控制和優(yōu)化作為工廠應(yīng)用研究的一個重要方面

2、成為控制學(xué)科廣泛研究的對象。目前，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法和技術(shù)在工廠過程各個主要層面的應(yīng)用都有相關(guān)的研究與討論，如果將各個層面的應(yīng)用通過數(shù)據(jù)這個共同的基礎(chǔ)聯(lián)系起來，從底層的回路控制與監(jiān)測到上層的優(yōu)化及工藝過程的監(jiān)控與診斷，便可以通過數(shù)據(jù)流的連接，在邏輯上形成一個統(tǒng)一的體系，完成數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(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)動技術(shù)的工廠控制系統(tǒng)概念及發(fā)展?fàn)顩r的同時，對主要的數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)即多變量統(tǒng)計方法在各個具體應(yīng)用層面進行了一些分析

3、與研究，提出了一些新的思路，進行了一些具體的仿真與應(yīng)用。雖然本文無法巨細(xì)無遺地對所有問題進行研究，但也希望借助對一些具體層面的探討拋磚引玉，供作研究的引子與補充。 數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)在工廠過程的應(yīng)用主要可以分為三大層次：局部回路、局部過程（或批次）、全局過程，針對主要的多變量統(tǒng)計技術(shù)在各層次的應(yīng)用，論文將就一些具體的問題進行研究，主要工作和創(chuàng)新性成果如下： 1）介紹基于數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)的工廠過程控制體系及體系圖，并對整體及各個層面

4、進行綜述。主要闡述多變量統(tǒng)計技術(shù)在建模、多變量統(tǒng)計過程監(jiān)控與診斷、操作優(yōu)化及質(zhì)量優(yōu)化、控制器設(shè)計及控制系統(tǒng)運行和性能的評價、監(jiān)控與診斷中，從算法到實際應(yīng)用中需要考慮的各個方面。 2）針對主元分析（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（Kernel Density Estimation，KDE）結(jié)合及獨立元分析（Independent Comp

5、onent Analysis，ICA）與KDE結(jié)合，并在一個具體的聚丙烯生產(chǎn)過程應(yīng)用上對PCA、ICA、KPCA、KICA進行了比較研究和分析。 3）針對傳統(tǒng)PCA模型線性穩(wěn)態(tài)的局限性，提出一種動態(tài)遞推PCA（Dynamic Recursive PCA，DRPCA）方法，以便對具有動態(tài)實時性的系統(tǒng)進行在線監(jiān)控。結(jié)合不同的多變量統(tǒng)計控制圖，對兩個控制系統(tǒng)（化工蒸餾器、重油分餾塔）及一個三相繞組異步電動機進行了仿真研究，仿真結(jié)果證明

6、了方法的有效性。 4）石油化工生產(chǎn)的牌號切換過渡過程是運行中最關(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行的連續(xù)性甚至人身、設(shè)備的安全。為了提高牌號切換過程運行的平穩(wěn)性和切換成功率，減少安全隱患，對多向主元分析（Dynamic Multiway PCA，DMPCA）及多向偏最小二乘（Dynamic Multiway PLS，DMPLS）進行動態(tài)化并對牌號切換過程運行進行監(jiān)控與診

7、斷，并利用DMPLS對目標(biāo)性能的預(yù)測目標(biāo)性能指標(biāo)進行監(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，并對較差的切換過程進行診斷。 5）利用PLS隱變量空間主元獨立、多變量自動解耦的特點，可以實現(xiàn)通過隱變量自動配對進行控制器設(shè)計的方法，但當(dāng)PLS隱變量之間不能完全消除相關(guān)性時，各個回路的PID控制器將不能獨立整定，針對這個問題，實行基于動態(tài)PLS框架的優(yōu)化控制，該方法在三進三出化工蒸餾器

8、和重油分餾塔分別進行了仿真研究，結(jié)果證明了方法的有效性。 6）在牌號切換的操作軌跡優(yōu)化中引入經(jīng)驗摸型，改變以機理模型為主的情況，用①以PLS模型直接替代機理模型作為約束及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)計回歸技術(shù)應(yīng)用于操作優(yōu)化，在一定程度上簡化了建模過程，PLS逆模型也使得優(yōu)化形式更為簡潔。 最后，對全文作出總結(jié)，歸納了研究和分析的內(nèi)容及結(jié)果，并結(jié)合各個方面存在的問題，指出了今后值得關(guān)注和進一步深入研究