基于動(dòng)態(tài)PLS框架的魯棒建模及預(yù)測(cè)控制方法研究.pdf

1、現(xiàn)代工業(yè)向著復(fù)雜化大型化發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)理建模和控制策略提出了重大挑戰(zhàn)。信息技術(shù)的發(fā)展使得過(guò)程變量的自動(dòng)化采集程度越來(lái)越高，而采集到的數(shù)據(jù)包含大量的過(guò)程信息。對(duì)這些信息的有效利用促進(jìn)了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的發(fā)展。偏最小二乘(partial least square，PLS)作為一種多元統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。但在過(guò)程控制中的應(yīng)用還處在起步階段。本文結(jié)合PLS方法的去噪、降維、消除共線性和自解耦等特點(diǎn)，研究了動(dòng)態(tài)PLS的建模方法

2、和模型預(yù)測(cè)控制(model predictive control，MPC)方法。首先提出一種魯棒動(dòng)態(tài)建模方法，以提高在數(shù)據(jù)中存在野點(diǎn)的情況下的建模精度。其次設(shè)計(jì)了一種抗擾動(dòng)MPC方法以及線性和非線性系統(tǒng)的無(wú)靜差控制方法。具體工作內(nèi)容包括:
　　針對(duì)建模數(shù)據(jù)中的野點(diǎn)會(huì)影響動(dòng)態(tài)PLS建模精度的問(wèn)題，提出了一種具有野點(diǎn)檢測(cè)的動(dòng)態(tài)PLS魯棒建模方法。野點(diǎn)檢測(cè)的方法是，首先利用改進(jìn)的徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Radial basis function

3、 network，RBFN)對(duì)系統(tǒng)的輸出進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)RBFN的逼近特性可知，RBFN的預(yù)測(cè)值是逼近系統(tǒng)輸出的真實(shí)值的。因此該預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之差可視為系統(tǒng)的白噪聲，應(yīng)滿足正態(tài)分布。利用隱馬爾可夫模型(Hidden markov model，HMM)對(duì)該差值進(jìn)行檢測(cè)，判斷樣本點(diǎn)是否為野點(diǎn)。對(duì)于檢測(cè)出的野點(diǎn)用RBFN的輸出進(jìn)行代替。對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)PLS建模。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該野點(diǎn)檢測(cè)方法具有較高的野點(diǎn)檢測(cè)能力。經(jīng)該方法處理后，動(dòng)態(tài)PL

4、S的建模結(jié)果具有更高的魯棒性。
　　由于動(dòng)態(tài)PLS對(duì)數(shù)據(jù)的壓縮和迭代建模機(jī)制，其模型會(huì)與實(shí)際過(guò)程存在偏差，這會(huì)導(dǎo)致PLS模型的不完全解耦。為抑制由于這種耦合而造成的回路間的擾動(dòng)，提出一種動(dòng)態(tài)PLS框架下的抗擾動(dòng)廣義預(yù)測(cè)控制(Generalized predictivecontrol，GPC)方法。該方法將潛變量空間中的多個(gè)單輸入單輸出(Single-inputsingle-output，SISO)子系統(tǒng)作為一種特殊結(jié)構(gòu)的多輸入多輸

5、出(Multi-inputmulti-output，MIMO)系統(tǒng)進(jìn)行控制律的求解。將目標(biāo)函數(shù)中輸出跟蹤誤差的權(quán)重重組為根據(jù)模型預(yù)測(cè)值與參考軌跡之間的偏差實(shí)時(shí)調(diào)整的形式，以達(dá)到抑制由耦合而造成回路之間擾動(dòng)的目的。權(quán)重調(diào)整的基本原則是，每個(gè)輸出的預(yù)測(cè)值跟蹤參考軌跡的權(quán)重由其它回路輸出在同時(shí)刻偏離其參考軌跡的誤差平方加權(quán)和構(gòu)成。兩個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，該方法能夠起到抑制由耦合而造成的擾動(dòng)的目的。
　　提出一種將基于狀態(tài)空間模型的預(yù)測(cè)控

6、制引入到動(dòng)態(tài)PLS框架下的控制方法。但動(dòng)態(tài)PLS的自動(dòng)解耦和降維的特點(diǎn)容易導(dǎo)致模型與實(shí)際系統(tǒng)的失配，這種MPC方法在控制中引入的是系統(tǒng)狀態(tài)反饋而不是輸出反饋，故容易造成控制系統(tǒng)的靜差。為解決這一問(wèn)題，提出了兩種將系統(tǒng)的輸出作為反饋納入到控制器的方法。一種是將狀態(tài)空間模型改寫成增量形式，另一種方法是在狀態(tài)空間模型中引入擾動(dòng)模型，并利用觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。這兩種方法的有效性通過(guò)Jerome-Ray的精餾塔模型和聚乙烯反應(yīng)過(guò)程的仿真得