基于多变量统计投影方法的控制器设计及过程检测研究

【摘要】：计算机技术的发展，可以得到过程的大量数据，但是对于高维的复杂过程，众多的过程变量之间往往存在严重的多重相关性，为了解决这类病态模型参数估计问题，多元统计投影方法可以通过投影消除过程变量之间的多重相关性并建立起能充分反映关键变量的节俭模型。目前多元统计投影的建模绝大部分应用在过程监测和故障诊断方面，很少涉及到对过程的控制，而大多数的控制系统设计是基于模型的。随着控制策略的不断创新和发展，控制技术的相互融合，如何有效地利用多元统计投影技术来简化系统结构和控制器设计，优化控制性能，如何利用多元统计投影算法本身所有的特质来解决系统，主要是多输入多输出(MIMO)系统的控制问题，将是多元统计投影技术一个新的研究点。 多元统计投影技术中的回归算法将输入输出关联起来，尤其是偏最小二乘(PLS)算法，对输入和输出同时进行主元分析建立回归模型，将输入输出的外部关系投影到模型的隐变量空间，构成一个主元相互正交的低维空间。在隐变量空间基础上的控制结构设计和控制器设计将得到很大程度的简化，同时自动解耦多变量之间的严重相关性。本文针对PLS算法隐变量空间的控制问题进行了研究和探索，在给出理论和算法的基础上，对实际过程进行了实现仿真，仿真的分析结果证明了方法的有效性。主要研究内容和成果如下： 1．阐述了控制理论和设计的现状、发展和存在的问题，综述了多元统计投影技术的发展，尤其在控制方面的应用情况。重点介绍了偏最小二乘法(PLS)的发展和在过程控制上的应用。 2．介绍了多变量统计投影方法的主要理论基础，包括：主元分析(PCA)、主元回归(PCR)、偏最小二乘(PLS)。同时对PID控制器设计和参数整定作了简单概述。 3．研究了基于偏最小二乘(PLS)隐变量空间模型的控制原理和方法，给出了基于偏最小二乘(PLS)隐变量空间模型的控制器结构设计，并与其他控制方法进行了对比。分析了方法的优点和存在的问题。同时给出了该控制方法的仿真应用，仿真结果证明方法是有效的。 4．针对控制过程的动态特性，对适用于稳态分析的偏最小二乘算法进行动 浙江大学硕士学位论文 态拓展，给出了动态偏最小二乘(DPLS)的一种算法和实现。并将相应 的动态算法应用于一类蒸馏器和Shen重油精熠塔的控制，给出了相应的 仿真结果。 5.提出了利用主元模型和多变量统计控制图对控制系统的运行状况进行检 测的方法，判断系统是否在控制范围之内、异常出现情况以及抗扰动的 情况等。将方法应用于两个控制系统，对相应的控制图进行了分析。 最后，对全文作出总结，归纳了研究和分析的内容以及结果。并结合存在的 问题，指出了基于多元统计投影技术，尤其是基于偏最小二乘(PLS)隐变量空 间的控制问题在今后值得关注和进一步深入研究的方向。 关键词多元统计投影偏最小二乘隐变量空间控制结构过程检测仿真