基于ESN的化工过程软测量建模研究
本文选题:软测量 + 动态建模 ; 参考:《兰州交通大学》2015年硕士论文
【摘要】:软测量建模是目前化工过程领域的热点研究方向。软测量建模方法能够有效地解决生产过程中在线分析仪表测量滞后大、价格昂贵、维护保养复杂等问题。对于具有强非线性动态系统的生产过程,动态软测量建模方法能够有效地改善以往静态软测量建模方法建模精度差、难以满足实际生产过程实时性需求的问题。目前,动态软测量建模中,神经网络、SVM等计算智能方法是主要的建模工具。回声状态网络(echo state networks,ESN)作为一种新的动态递归神经网络(RNN)已引起广泛关注。ESN的隐层结构由具有回声状态特性(Echo State Property,ESP)的状态储备池(State Reservoir,SR)构成,在网络学习训练时只需计算网络输出权值,具有很强的动态逼近能力。因此,ESN的学习算法具有计算简单有效、收敛速度快的优点。针对动态软测量建模方法,在ESN的基础上,本文研究了一类泄漏积分型回声状态网络(Leaky integrator Echo State Networks,LiESN)方法,给出了相应的离线、在线学习算法及其改进的学习算法。将本文方法应用到精炼厂化工生产过程实例中,实现了对过程变量的实时监控,实验结果表明所提出的方法具有良好的建模效果和应用潜力。主要研究内容概括如下:(1)研究动态软测量的建模方法,重点分析基于神经网络与时间序列模型相结合的动态软测量方法,运用统计学的四图分析对建模效果进行评价。(2)在ESN网络基本理论基础上,研究一类LiESN方法,包括基于全局参数约束的LiESN方法及其梯度下降学习算法;一种扩展的LiESN方法及其相应的岭回归离线学习算法和递推最小二乘(Recursive Least Squares,RLS)在线学习算法。(3)将所研究的LiESN动态软测量建模方法与非线性滑动平均(Nonlinear Moving Average,NMA)、非线性自回归(Nonlinear Autoregressive,NARX)时间序列动态模型结构相结合,应用于一类强非线性化工过程实例中,以验证所提出方法的有效性。具体包括预测脱丁烷塔底部丁烷组分的含量及计算硫回收装置中尾气的组分含量进行软测量建模。在同等条件下,为进一步衡量本文方法的有效性,通过与基本的ESN动态软测量建模方法及现有的SVM、LS-SVM、前馈神经网络等软测量建模方法进行对比,实验结果证实,所提出方法具有很高的建模精度,网络具有快速、稳定的学习速度。研究成果对有效地提高产品质量,实现对污染物的最小化排放有重要意义。
[Abstract]:Soft sensor modeling is a hot research direction in chemical process field.The soft sensor modeling method can effectively solve the problems of large measurement lag, high price and complex maintenance in the process of production.For the production process with strong nonlinear dynamic system, dynamic soft sensor modeling method can effectively improve the modeling accuracy of the previous static soft sensor modeling method, which is difficult to meet the real time requirement of the actual production process.At present, neural network and SVM are the main modeling tools in dynamic soft sensor modeling.Echo state networks (ESNs), as a new dynamic recurrent neural network (RNNs), have attracted wide attention. The hidden layer structure of Essn is composed of state reserve pool (Echo State property ESPs) with echo state characteristics (Echo State property ESPs).Network learning and training only need to calculate the network output weights, which has a strong dynamic approximation ability.Therefore, the learning algorithm of ESN has the advantages of simple calculation and fast convergence.Based on ESN, a class of leaky integrator Echo State networks based on ESN is studied in this paper. The corresponding off-line and on-line learning algorithms and their improved learning algorithms are given.The method is applied to the example of chemical production process in refineries and the real-time monitoring of process variables is realized. The experimental results show that the proposed method has good modeling effect and application potential.The main research contents are summarized as follows: (1) the modeling method of dynamic soft sensing is studied, and the dynamic soft sensing method based on the combination of neural network and time series model is analyzed.Based on the basic theory of ESN network, this paper studies a class of LiESN methods, including the LiESN method based on global parameter constraints and its gradient descent learning algorithm.An extended LiESN method and its corresponding off-line learning algorithm for ridge regression and Recursive Least Squares (RLS) online learning algorithm.Nonlinear autoregressive (NARX) time series dynamic model structure,The method is applied to a class of strongly nonlinear chemical processes to verify the effectiveness of the proposed method.It includes predicting the content of butane at the bottom of debutane tower and calculating the content of tail gas in sulfur recovery unit.Under the same conditions, in order to further evaluate the effectiveness of this method, compared with the basic ESN dynamic soft-sensor modeling method and the existing soft-sensor modeling methods such as SVML-LS-SVM, feedforward neural network, the experimental results show that,The proposed method has high modeling accuracy and fast and stable learning speed.The research results are of great significance to improve the product quality and minimize the emission of pollutants.
【学位授予单位】:兰州交通大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TQ018;TP274
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 吕业;杨慧中;雷瑜;陶洪峰;;基于环路能量聚类的多模型软测量建模[J];化工自动化及仪表;2012年11期
2 张文清;杨慧中;;一种基于带监督局部保持投影的多模型软测量建模方法[J];华东理工大学学报(自然科学版);2012年06期
3 王卓;苑明哲;王宏;王天然;;水泥熟料质量指标的软测量建模研究[J];化工自动化及仪表;2006年06期
4 杨妍;陈如清;俞金寿;;基于混沌最小二乘支持向量机的软测量建模[J];华东理工大学学报(自然科学版);2009年06期
5 杜文莉;官振强;钱锋;;一种基于时序误差补偿的动态软测量建模方法[J];化工学报;2010年02期
6 陈定三;杨慧中;;粗糙分类器的多模型软测量建模方法[J];计算机与应用化学;2010年04期
7 李雅芹;周开武;杨慧中;;基于贝叶斯网络的软测量建模方法[J];计算机与应用化学;2010年10期
8 陈定三;杨慧中;;基于局部重构融合流形聚类的多模型软测量建模[J];化工学报;2011年08期
9 吕鸣;;基于神经网络的软测量建模[J];陕西煤炭;2012年06期
10 李修亮;苏宏业;褚健;;基于在线聚类的多模型软测量建模方法[J];化工学报;2007年11期
相关会议论文 前10条
1 吕哲;常玉清;王福利;;生化过程软测量建模方法的研究[A];2006中国控制与决策学术年会论文集[C];2006年
2 薄翠梅;张n\;李俊;;基于滚动时间窗的软测量建模方法的研究与应用[A];第16届中国过程控制学术年会暨第4届全国故障诊断与安全性学术会议论文集[C];2005年
3 杜文莉;官振强;钱锋;;一种基于时序误差补偿的动态软测量建模方法[A];2009中国过程系统工程年会暨中国mes年会论文集[C];2009年
4 马铭;孟庆锴;张利彪;;基于模糊系统优化的软测量建模[A];中国运筹学会模糊信息与模糊工程分会第五届学术年会论文集[C];2010年
5 王恩博;彭亦功;;软测量建模若干方法研究[A];中国仪器仪表学会2007学术年会智能检测控制技术及仪表装置发展研讨会论文集[C];2007年
6 张勇;王介生;王伟;姚伟南;;浮选生产过程经济技术指标的软测量建模[A];第16届中国过程控制学术年会暨第4届全国故障诊断与安全性学术会议论文集[C];2005年
7 陈定三;杨慧中;;基于SVC-KNN的多模型软测量建模[A];PCC2009—第20届中国过程控制会议论文集[C];2009年
8 周旦丽;蒋爱平;;WD-LSSVM在软测量建模中的应用[A];第十九届测控、计量、仪器仪表学术年会(MCMI'2009)论文集[C];2009年
9 刘欣;蒋爱平;;微粒群神经网络在软测量建模中的应用[A];上海市化学化工学会2006年度学术年会论文摘要集[C];2006年
10 凌玉华;杨欣荣;李海娜;廖力清;王颂;;铝电磁铸轧带坯晶粒度软测量建模及优化[A];2009年中国智能自动化会议论文集(第二分册)[C];2009年
相关博士学位论文 前4条
1 李春富;基于数据的软测量建模方法及其应用的研究[D];清华大学;2005年
2 安莉;发酵过程生物量软测量建模专家系统研究[D];北京化工大学;2010年
3 傅永峰;软测量建模方法研究及其工业应用[D];浙江大学;2007年
4 杨建文;金霉素发酵过程软测量建模及优化控制策略研究[D];北京理工大学;2015年
相关硕士学位论文 前10条
1 曹涛;基于相关向量机的污水软测量建模研究[D];华南理工大学;2015年
2 岳文琦;基于ESN的化工过程软测量建模研究[D];兰州交通大学;2015年
3 王赛;青霉素发酵过程软测量建模方法的研究[D];东北大学;2010年
4 郭景华;基于数据驱动的软测量建模技术应用研究[D];江南大学;2009年
5 周开武;贝叶斯方法在化工软测量建模中的应用研究[D];江南大学;2009年
6 李雅芹;机器学习在软测量建模方面的若干应用[D];江南大学;2011年
7 骆中华;基于数据驱动的软测量建模技术及其工业应用[D];浙江大学;2006年
8 陈贵华;基于自适应模糊核聚类的多模型软测量建模研究[D];华东理工大学;2012年
9 王金荣;明胶浓度软测量建模研究[D];兰州理工大学;2012年
10 唐苦;基于聚类的多模型动态软测量建模方法[D];华东理工大学;2014年
,本文编号:1751778
本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/1751778.html