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基于统计回归的复杂制造过程健壮参数控制方法研究

叶亮  
【摘要】: 随着制造过程越来越集成化、智能化,在很多大型制造企业都可以找到复杂制造过程。随着市场对产品质量要求的不断提高,企业需要越来越关注其制造过程的控制问题,因为质量是制造出来的。复杂制造过程往往具有过程变量多、变量交互影响复杂、多工序多平台等特点,因此很难或几乎不可能找到一个合适的差分或微分方程来描述过程响应和过程变量之间的关系,从而使得实施过程层面的质量控制变得困难。本文针对复杂制造过程的参数控制问题,在已有的“基于回归模型的健壮参数控制”方法基础上,进一步完善其方法学体系和框架,讨论了过程变量的新分类和实验设计效应排序新原则,提出了谨慎控制律的设计方法,开发了一类自适应可变参数控制图技术,提出了旨在降低在线调节频次的节约型控制律设计方法,解决了非计量型过程响应的在线观测问题。同时也通过介绍所提方法在钢铁行业、半导体制造业、成型过程中的应用分析,证明所提方法是有效且实用的。论文的主要研究工作包括以下五大部分: 一、在现有健壮参数控制方法基础上,总结并完善了该方法学的理论框架,讨论了实验设计建模阶段需要考虑和改进的方面,并提出具有一般性的方法学求解模型。 二、明确考虑模型系数估计误差和噪声观测误差的存在,在分析了两类误差对所提方法控制性能的影响机理之后,设计了相应的谨慎控制策略,该谨慎策略能使原先的基于统计回归的健壮参数控制方法不敏感于这两类误差,提高了该方法在不确定性环境下的控制性能。 三、针对已经应用了健壮参数控制方法的过程,提出一类自适应可变参数控制图技术。通过整合控制律信息,对系统响应进行预测,基于预测进行控制图参数的在线自动调节。新的自适应控制图分为两类:一类主要提高过程变异的跟踪能力,另一类则着重优化控制图的使用成本。新发展的控制图能够有效地配合基于统计回归的健壮参数控制方法,共同改善复杂制造过程的质量。 四、在健壮参数控制方法基础上,考虑尽量减少在线不必要的调节,提出一种节约型控制律的设计方法。首先提出两个新的概念:质量边际和噪声变化的自补偿,并定量分析了两个概念是如何创造了减少调节频次的可能。最后提出全新的控制律设计方法,通过和传统的控制方法进行比较,指出所提方法在保证工程要求的质量标准的前提下,能够用更少的调节频次达到控制目标。 五、明确考虑非计量型过程响应的在线观测问题和在所提方法中的应用问题。非计量型过程响应往往不能在线进行直接测量,但对复杂制造过程进行统计回归建模时,一个必要条件就是过程响应(即过程质量指标)必须是可以定量观测的。针对这一问题,提出了使用机器视觉和图像处理技术,实现非计量型过程响应的在线观测。结合钢铁行业中的连铸过程,开发了高温连铸过程钢坯表面质量的在线检测系统的关键算法,为后续的回归建模提供了必要的过程响应数据。针对非计量型过程响应和计量型过程变量之间的不匹配关系,提出了使用逻辑回归方法对连铸过程进行建模,基于所得逻辑回归模型,应用所提健壮参数控制方法设计出优化控制律,最后得到钢厂现场工程师的支持,建议得到了成功应用。 本文通过整合和应用统计方法、自动控制理论、谨慎控制理论、控制图技术、最优控制理论和图像处理方法,提高了基于统计回归的健壮参数控制方法的鲁棒性、自适应性、经济性和实际应用性。


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