丙烯聚合生产过程模糊最优预报系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种丙烯聚合生产过程模糊最优预报系统，包括丙烯聚合生产过程、现场智能仪表、控制站、存放数据的DCS数据库、模糊最优预报系统以及熔融指数预报值显示仪。现场智能仪表及控制站与丙烯聚合生产过程相连，与DCS数据库相连；最优预报系统与DCS数据库及预报值显示仪相连。所述的模糊最优预报系统包括模型更新模块、数据预处理模块、PCA主成分分析模块、神经网络模型模块以及模糊优化模块。以及提供了一种用预报系统实现的预报方法。本发明实现在线测量、在线参数优化、预报速度快、模型自动更新、抗干扰能力强、精度高。
【专利说明】丙烯聚合生产过程模糊最优预报系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种最优预报系统及方法，具体是一种丙烯聚合生产过程模糊最优预报系统及方法。
【背景技术】
[0002]聚丙烯是由丙烯聚合而制得的一种热塑性树脂，丙烯最重要的下游产品，世界丙烯的50%，我国丙烯的65%都是用来制聚丙烯，是五大通用塑料之一，与我们的日常生活密切相关。聚丙烯是世界上增长最快的通用热塑性树脂，总量仅仅次于聚乙烯和聚氯乙烯。为使我国聚丙烯产品具有市场竞争力，开发刚性、韧性、流动性平衡好的抗冲共聚产品、无规共聚产品、BOPP和CPP薄膜料、纤维、无纺布料，及开发聚丙烯在汽车和家电领域的应用，都是今后重要的研究课题。
[0003]熔融指数是聚丙烯产品确定产品牌号的重要质量指标之一，它决定了产品的不同用途，对熔融指数的测量是聚丙烯生产中产品质量控制的一个重要环节，对生产和科研，都有非常重要的作用和指导意义。
[0004]然而，熔融指数的在线分析测量目前很难做到，一方面是在线熔融指数分析仪的缺乏，另一方面是现有的在线分析仪由于经常会堵塞而测量不准甚至无法正常使用所导致的使用上的困难。因此，目前工业生产中MI的测量，主要是通过人工取样、离线化验分析获得，而且一般每2-4小时只能分析一次，时间滞后大，给丙烯聚合生产的质量控制带来了困难，成为生产中急需解决的一个瓶颈问题。聚丙烯熔融指数的在线预报系统及方法研究，从而成为学术界和工业界的一个前沿和热点。
【发明内容】
[0005]为了克服目前已有的丙烯聚合生产过程的测量精度不高、易受人为因素的影响的不足，本发明的目的在于提供一种在线测量、在线参数优化、预报速度快、模型自动更新、抗干扰能力强、精度高的丙烯聚合生产过程模糊最优预报系统及方法。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007]—种丙烯聚合生产过程模糊最优预报系统，包括丙烯聚合生产过程、用于测量易测变量的现场智能仪表、用于测量操作变量的控制站、存放数据的DCS数据库、模糊最优预报系统以及熔融指数预报显示仪，所述现场智能仪表、控制站与丙烯聚合生产过程连接，所述现场智能仪表、控制站与DCS数据库连接，所述DCS数据库与模糊最优预报系统的输入端连接，所述模糊最优预报系统的输出端与熔融指数预报显示仪连接，其特征在于:所述模糊最优预报系统包括:
[0008](I)、数据预处理模块，用于将从DCS数据库输入的模型输入变量进行预处理，对输入变量中心化，即减去变量的平均值；再进行归一化处理，即除以变量值的变化区间；
[0009](2)、PCA主成分分析模块，用于将输入变量预白化处理及变量去相关，通过对输入变量施加一个线性变换实现，即主成分由C=MU得到，其中M为输入变量，C为主成分得分矩阵，U为载荷矩阵。若对原始数据进行重构，可由M=CUt计算，其中上标T表示矩阵的转置。当选取的主成分数目小于输入变量的变量个数时，M=CUT+E，其中E为残差矩阵；
[0010](3)、神经网络模型模块，采用一个四层的模糊神经网络、通过误差函数最小化来完成输入到输出的一种高度非线性映射，映射中保持拓扑不变性；
[0011](4)、模糊优化模块，用于采用模糊优化模块对神经网络进行优化，包括:
[0012](4.1)算法初始化，根据待优化的模糊神经网络结构参数构造出初始的粒子群体X= (x1, X2，…，Xn)，初始移动速度V= (v1, V2,…，Vn),初始的各粒子历代最优值OP= (P1, P2，...，Pn)和全局最优值Ps ;
[0013](4.2)通过下式执行粒子群优化算法，让粒子群收敛:
[0014]xk+l -Xk+ vt+1(I)
[0015]v, ,=WV1k+ c,?i(p[ -Xk) + c2r2(pf -Xtk)(2)
[0016]式中χ为粒子的位置向量，i为粒子的序号，k为算法迭代代数，V为粒子速度，P表示初始的各粒子历代最优值OP= (P1，P2，…，Pn)和全局最优值Pg的最优值集合。Vki为第k次迭代代数中第i个粒子的速度i第k次迭代代数中第i个粒子的位置向量‘为第k次迭代代数中第i个粒子的历代最优位置，Pi为第i个粒子的历代最优解，w为速度权重系数，C1, C2分别为粒子历代最优解和群体最优解的吸引系数， 、r2分别为随机数。
[0017](4.3)为了使粒子群算法能够避免收敛过快导致早熟，同时也为了提高群体的全局寻优能力，^和r2是随机数。
[0018]作为优选的一种方案，所述基于粒子群优化模糊神经网络的最优预报模型还包括:模型更新模块，用于模型的在线更新，将定期将离线化验数据输入到训练集中，更新神经网络模型。
[0019]作为优选的再一种方案:作为建模基础的模糊神经网络输入层到第二层的传递函数使用的是高斯函数:
【权利要求】
1.一种丙烯聚合生产过程模糊最优预报系统，包括丙烯聚合生产过程、用于测量易测变量的现场智能仪表、用于测量操作变量的控制站、存放数据的DCS数据库、模糊最优预报系统以及熔融指数预报显示仪，所述现场智能仪表、控制站与丙烯聚合生产过程连接，所述现场智能仪表、控制站与DCS数据库连接，所述DCS数据库与模糊最优预报系统的输入端连接，所述模糊最优预报系统的输出端与熔融指数预报显示仪连接，其特征在于:所述模糊最优预报系统包括: (1)、数据预处理模块，用于将从DCS数据库输入的模型输入变量进行预处理，对输入变量中心化，即减去变量的平均值；再进行归一化处理，即除以变量值的变化区间； (2)、PCA主成分分析模块，用于将输入变量预白化处理及变量去相关，通过对输入变量施加一个线性变换实现，即主成分由C=MU得到，其中M为输入变量，C为主成分得分矩阵，U为载荷矩阵。若对原始数据进行重构，可由M=CUt计算，其中上标T表示矩阵的转置。当选取的主成分数目小于输入变量的变量个数时，M=CUT+E，其中E为残差矩阵； (3)、神经网络模型模块，采用一个四层的模糊神经网络、通过误差函数最小化来完成输入到输出的一种高度非线性映射，映射中保持拓扑不变性； (4)、模糊优化模块，用于采用模糊优化模块对神经网络进行优化，包括: (4.1)算法初始化，根据待优化的模糊神经网络结构参数构造出初始的粒子群X= (x1, X2，…，Xn)，初始移动速度V= (v1, V2,…，Vn),初始的各粒子历代最优值OP= (P1, P2，...，Pn)和全局最优值Ps ; (4.2)通过下式执行粒子群优化算法，让粒子群收敛: 4+1 = ?+?!⑴ VLl =H1,+ C^ipik -Xik) + C2V2 (pf — Χ[ )(2) 式中χ为粒子的位置向量，i为粒子的序号，k为算法迭代代数，V为粒子速度，P表示初始的各粒子历代最优值OP= (P1, P2，…，pN)和全局最优值Pg的最优值集合。Vk1为第k次迭代代数中第i个粒子的速度第k次迭代代数中第i个粒子的位置向量；pki为第k次迭代代数中第i个粒子的历代最优位置，Pi为第i个粒子的历代最优解，w为速度权重系数，C1, C2分别为粒子历代最优解和群体最优解的吸引系数，分别为随机数。 (4.3)为了使粒子群算法能够避免收敛过快导致早熟，同时也为了提高群体的全局寻优能力，!和r2是随机数。 所述模糊最优预报系统还包括:模型更新模块，用于模型的在线更新，定期将离线化验数据输入到训练集中，更新神经网络模型。 所述的丙烯聚合生产过程模糊最优预报系统，其特征在于:模糊神经网络输入层到第二层的传递函数使用的是高斯函数:
2.一种用如权利要求1所述的丙烯聚合生产过程模糊最优预报系统实现的预报方法，其特征在于:所述预报方法具体实现步骤如下: (5.1)对丙烯聚合生产过程对象，根据工艺分析和操作分析，选择操作变量和易测变量作为模型的输入，一般操作变量和易测变量取温度、压力、液位、氢气气相百分数、3股丙烯进料流速和2股催化剂进料流速这些变量，由DCS数据库获得； (5.2)对样本数据进行预处理，对输入变量中心化，即减去变量的平均值；再进行归一化处理，即除以变量值的变化区间； (5.3)PCA主成分分析模块，用于将输入变量预白化处理及变量去相关，通过对输入变量施加一个线性变换实现，即主成分由C=MU得到，其中M为输入变量，C为主成分得分矩阵，U为载荷矩阵。若对原始数据进行重构，可由M=CUt计算，其中上标T表示矩阵的转置。当选取的主成分数目小于输入变量的变量个数时，M=CUT+E，其中E为残差矩阵； (5.4)基于模型输入、输出数据建立初始神经网络模型，采用一个四层的模糊神经网络，通过误差最小化来完成输入到输出的一种高度非线性映射，映射中保持拓扑不变性； (5.5)采用模糊优化模块对模糊神经网络进行结构优化，包括: (5.5.1)算法初始化，根据待优化的模糊神经网络结构参数构造出初始的粒子群体X= (x1, X2，…，Xn)，初始移动速度V= (v1, V2,…，Vn),初始的各粒子历代最优值OP= (P1, P2，...，Pn)和全局最优值Ps ; (5.5.2)通过下式执行粒子群优化算法，让粒子群收敛: xLi =xI+vIm(1) v'k+i = WVk + CX1\(pk — Xk) + c2r2(pf -xk)(2) 式中χ为粒子的位置向量，i为粒子的序号，k为算法迭代代数，V为粒子速度，p表示初始的各粒子历代最优值OP= (P1, P2，…，pN)和全局最优值Pg的最优值集合。Vk1为第k次迭代代数中第i个粒子的速度第k次迭代代数中第i个粒子的位置向量；pki为第k次迭代代数中第i个粒子的历代最优位置，Pi为第i个粒子的历代最优解，w为速度权重系数，C1, C2分别为粒子历代最优解和群体最优解的吸引系数，分别为随机数。 (5.5.3)为了使粒子群算法能够避免收敛过快导致早熟，同时也为了提高群体的全局寻优能力， 和r2是随机数。 所述预报方法还包括:定期将离线化验数据输入到训练集中，更新神经网络模型。 所述的预报方法，其特征在于:作为建模基础的模糊神经网络输入层到第二层的传递函数使用的是高斯函数:
【文档编号】G06Q50/04GK103824120SQ201310658747
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年12月9日 优先权日:2013年12月9日
【发明者】刘兴高, 李九宝 申请人:浙江大学