CN111507003A - 基于质量相关动态特性提取的脱丁烷塔关键变量预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于质量相关动态特性提取的脱丁烷塔关键变量预测方法。本发明建立质量相关动态潜隐结构,通过卡尔曼滤波,卡尔曼平滑和EM算法来求解。模型构造了两种类型的隐变量,一种与X、Y有关,另一种仅与X有关,对于数据与隐变量之间的关系能够更加充分的描述;同时,模型还分别考虑了X和Y各自的动态信息,能够很好的提取数据在时序上的的动态特性,提高了模型预测结果的准确性。
Description
技术领域
本发明属于工业化工过程软测量建模和应用领域,特别涉及一种基于质量相关动态特性提取的脱丁烷塔关键变量预测方法。
背景技术
软测量在现代工业里扮演着重要的角色,通过对易于测量得到的过程变量建立数学模型来预测难以直接测量得到的关键变量值。现有的软测量方法主要分为两大类,一种是基于机理建模,但是这种方法需要大量的经验和知识,由于工业过程十分复杂,往往难以获得从而建立出准确的数学模型;另一种是基于数据驱动建模,这种方法的好处是不需要先验知识,而化工过程的数据又易于测量得到,因此如今数据驱动方法被广泛应用在各个领域。
在工业化工过程中,反应过程一般都存在动态特性,即当前时刻传感器测量得到的数据与之前时刻相关。线性动态系统模型(LDS)考虑了输入变量在时序上的一阶动态特性,但是该模型没有考虑输入与输出之间的关系以及输出变量关于自身的动态特性;偏最小二乘模型(PPLS)考虑了输入与输出之间的关系,但该模型为静态模型,没有考虑数据在时序上的动态关系。针对以上问题,本发明提出了一种基于质量相关动态特性提取的脱丁烷塔关键变量预测方法。该方法通过建立质量相关动态潜隐结构,不仅考虑了输入和输出之间的关系,还考虑了输入和输出各自的动态关系,提高了模型的描述能力,增加了模型的预测准确性。
发明内容
本发明的目的在于针对脱丁烷塔中丁烷含量实时检测的难点,提供一种一种基于质量相关动态特性提取的脱丁烷塔关键变量预测方法。
一种基于质量相关动态特性提取的脱丁烷塔关键变量预测方法,其特征包括以下步骤:
步骤1:采集化工正常运行过程中的过程变量作为输入训练集X∈Rm×T,其中每个输入训练样本包含m个过程变量;通过离线化验分析得到每个输入训练样本的质量变量作为输出训练集Y∈R1×T,每个输出训练样本包含1个质量变量;合并X、Y得到训练样本集每个训练样本包含m个过程变量和1个质量变量。
步骤2:对X和Y做归一化处理,记为X'和Y',具体如下:
质量相关动态潜隐结构如下:
其中,表示中的第i个训练样本;表示的隐变量,a为txy的维数且txy与X和Y有关;表示输入训练集中xi的隐变量,b为tx的维数且tx仅与X有关;P∈Rm ×a、Q∈Rm×b、C∈R1×a为发射矩阵;A∈Ra×a,B∈Rb×b为状态转移矩阵;表示训练样本集的噪声;表示的噪声。
3.1)根据当前参数做卡尔曼滤波:
3.2)根据当前参数和卡尔曼滤波结果,进行卡尔曼平滑处理。
接下来可以得到隐变量一阶矩和二阶矩的期望:
3.3)令似然函数的各个偏导数为0,可得到新的模型参数,各个参数的更新公式如下:
步骤4:实时采集脱丁烷塔在线运行过程中新的过程变量作为查询样本集,并对其做归一化处理,具体如下:
步骤5:根据步骤3训练得到的模型参数,结合卡尔曼滤波算法计算出查询样本的质量变量值。
首先利用卡尔曼滤波算法计算出每个查询样本的隐变量值,具体公式如下:
附图说明
图1为质量相关动态潜隐结构在训练时的似然函数曲线;
图2为本方法的预测结果图;
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明针对脱丁烷塔中的丁烷含量检测问题,通过过程中容易测量的变量,建立质量相关动态潜隐结构,对该过程中丁烷含量进行在线软测量。
本发明实施例及其实施过程如下:
第一步:通过集散控制系统和数据库系统收集脱丁烷塔的过程变量数据组成输入训练集X∈Rm×T,将这些数据存入历史数据库,选取部分数据作为建模用样本。
该步骤是为了获取建模中的质量变量,即脱丁烷塔中的丁烷含量。一般情况下,通过离线实验室分析丁烷含量值需花费数小时,这就会导致脱丁烷塔的控制滞后。
第四步:建立质量相关动态潜隐结构,结合卡尔曼滤波,卡尔曼平滑和EM算法得到最优参数集具体计算过程如下:
4.2)根据当前参数做卡尔曼滤波:
4.3)根据当前参数和卡尔曼滤波结果,进行卡尔曼平滑处理。
接下来可以得到隐变量一阶矩和二阶矩的期望:
4.4)令似然函数的各个偏导数为0,可得到新的模型参数,各个参数的更新公式如下:
第五步:实时采集脱丁烷塔在线运行过程中新的过程变量作为查询样本集,并对其做归一化处理,具体如下:
第六步:根据第四步训练得到的模型参数,结合卡尔曼滤波算法计算出查询样本的质量变量值。
首先利用卡尔曼滤波算法计算出每个查询样本的隐变量值,具体公式如下:
接着直接计算出每个查询样本的质量变量值,:
下面通过一个具体的脱丁烷塔例子来进一步说明。对该过程一共采集了2394个数据,其中1000个样本用来建模,并对其丁烷含量值进行离线分析和标记。另外采集的1000个数据样本用来验证软测量模型的有效性。在建模过程中,一共选取了7个过程变量和1个质量变量,这7个过程变量分别为塔顶压力、塔顶温度、回流流量、灵敏板温度、下一级流量、塔底温度和塔底压力;1个质量变量为丁烷含量值。
接下来结合该具体过程对本发明的实施步骤进行详细地阐述:
1.质量相关动态潜隐结构将选取的7个过程变量组成的数据矩阵作为软测量模型的输入,丁烷含量数据矩阵作为软测量模型的输出,按照实施步骤中给出的详细方法,建立质量相关动态潜隐结构。图1为模型训练时的似然函数曲线,可以看出在30次迭代后,似然函数收敛。
2.对1000个查询样本进行在线软测量建模,获得相应的在线估计值。图2给出了本发明方法针对1000个查询样本的在线软测量结果。图中实线为预测结果,虚线为离线实验室分析得到的丁烷含量值。
如图2所示,采用本发明的方法使得在线估计值与离线分析值之间的RMSE为0.9142,相比于传统离线测量丁烷含量的方法,本发明的通过该过程中容易测量的变量对难以测量的丁烷含量值进行在线软测量建模,而且测量结果的拟合程度高,结果准确,实现了脱丁烷塔中丁烷含量的在线估计。
上述实施例用来解释说明本发明,而不是对本发明进行限制,在本发明的精神和权利要求的保护范围内,对本发明作出的任何修改和改变,都落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.基于质量相关动态特性提取的脱丁烷塔关键变量预测方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:采集化工正常运行过程中的过程变量作为输入训练集X,并通过离线化验分析得到每个时刻下输入训练样本的质量变量作为输出训练集Y,合并X、Y得到训练样本集;
步骤2:对X和Y做归一化处理,记为X'和Y';
步骤3:根据训练样本集建立质量相关动态潜隐结构,并利用卡尔曼滤波,卡尔曼平滑和EM算法训练得到最优参数集;
步骤4:实时采集脱丁烷塔在线运行过程中新的过程变量作为查询样本集,并对其进行归一化处理;
步骤5:将归一化的查询样本集输入到步骤3训练得到的质量相关动态潜隐结构中,并结合卡尔曼滤波算法计算得到查询样本集的质量变量值。
3.根据权利要求1所述的基于质量相关动态特性提取的脱丁烷塔关键变量预测方法,其特征在于:所述步骤3具体处理方法如下:
质量相关动态潜隐结构如下:
其中,表示中的第i个训练样本;表示的隐变量,a为txy的维数且txy与X和Y有关;表示输入训练集中xi的隐变量,b为tx的维数且tx仅与X有关;P∈Rm×a、Q∈Rm×b、C∈R1×a为发射矩阵;A∈Ra×a、B∈Rb×b为状态转移矩阵;表示训练样本集的噪声;表示的噪声。
在训练过程中,将训练样本集作为模型的输入,并通过EM算法反复迭代直到似然函数收敛来得到模型的参数。在E步中,通过卡尔曼滤波,卡尔曼平滑算法并结合当前的模型参数来计算隐变量一阶矩和二阶矩的期望;在M步中,通过令似然函数中各个参数的偏导数为0来更新每个参数。通过E步和M步反复迭代直到似然函数收敛时记录下模型参数。
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