[發(fā)明專利]一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的稀土萃取過程動態(tài)操作控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410029776.6
• 申請日: 2014-01-22
• 公開（公告）號: CN103744292A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 唐立新;王顯鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;C22B59/00
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

1.一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的稀土萃取過程動態(tài)操作控制方法，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行：

步驟1：采集稀土原料歷史樣本數(shù)據(jù)，改進(jìn)樣本數(shù)據(jù)，并基于改進(jìn)的樣本數(shù)據(jù)，建立稀土元素組分含量的LSSVM離線軟測量模型，以LSSVM離線軟測量模型得到的稀土元素組分含量預(yù)測估計(jì)值與稀土元素組分含量的實(shí)際樣本值之間的均方根誤差最小化為優(yōu)化目標(biāo)，建立優(yōu)化模型，采用改進(jìn)的差分進(jìn)化算法求解優(yōu)化模型，得到基于改進(jìn)的樣本數(shù)據(jù)的稀土元素組分含量預(yù)測估計(jì)值，并將其儲存在稀土元素組分含量LSSVM離線軟測量模型庫中；

具體步驟是：

（1）針對每一種稀土原料，采集其近3個(gè)月的萃取過程樣本數(shù)據(jù)，設(shè)樣本總數(shù)為B,所述的每一個(gè)樣本數(shù)據(jù)用向量???????????????????????????????????????????????表示，包括稀土元素的組分含量及其對應(yīng)的料液流量、料液組分濃度、萃取劑流量和洗滌酸液流量；

（2）對采集到的樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，然后使用基于聚類的異常點(diǎn)檢測方法，剔除含有顯著誤差的樣本數(shù)據(jù)；

（3）針對去除顯著誤差后的樣本數(shù)據(jù)集合進(jìn)行稀疏化改進(jìn)，基于步驟（2）中的分類結(jié)果，依據(jù)分類包含的樣本數(shù)量的多少劃分其擁擠程度，刪除擁擠程度較大的分類中的一定數(shù)量的樣本，得到稀疏化改進(jìn)后的樣本數(shù)據(jù)集合，其中包含n個(gè)樣本數(shù)據(jù)；

（4）基于步驟（3）中得到的改進(jìn)的n個(gè)樣本數(shù)據(jù)，建立稀土元素組分含量的LSSVM離線軟測量模型，在LSSVM離線軟測量模型中使用RBF核函數(shù)，LSSVM的模型參數(shù)為γ和σ²，其中γ是LSSVM離線軟測量模型的正規(guī)化參數(shù)，σ²是RBF核函數(shù)參數(shù)；

針對n個(gè)樣本數(shù)據(jù)中的第i個(gè)樣本中稀土元素組分含量的LSSVM離線軟測量模型是：=；

其中，是第i個(gè)樣本的稀土元素組分含量的預(yù)測估計(jì)值，分別代表第i個(gè)樣本數(shù)據(jù)中萃取劑的流量、料液的流量、洗滌酸液的流量以及料液的組分濃度；

（5）將LSSVM離線軟測量模型的參數(shù)γ和σ²的確定作為一個(gè)優(yōu)化問題進(jìn)行求解，將由LSSVM軟測量模型得到的所有樣本中稀土元素組分含量預(yù)測值與稀土元素組分含量的實(shí)際樣本值之間的均方根誤差最小作為優(yōu)化目標(biāo)，即：

Minimize????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????(1)

其中，?y_i為第i個(gè)樣本數(shù)據(jù)中的稀土元素實(shí)際組分含量；

將LSSVM模型的正規(guī)化參數(shù)γ與RBF核函數(shù)參數(shù)σ²的取值范圍作為約束條件，即

???????????????????????????????????????????????????(2)

????????????????????????????????????????????????(3)

其中γ_min和γ_max分別是γ的最小和最大值，σ²_min和σ²_max分別是γ的最小和最大值；

（6）采用改進(jìn)的差分進(jìn)化算法求解步驟（5）中所建立的優(yōu)化模型(1)-(3)，得到的解是由LSSVM模型的兩個(gè)參數(shù)構(gòu)成的向量X=(γ,?σ²)；

（7）LSSVM模型的正規(guī)化參數(shù)γ與RBF核函數(shù)參數(shù)σ²的取值確定后，則第i個(gè)樣本的稀土元素組分含量預(yù)測估計(jì)值也隨之確定，將由參數(shù)γ,?σ²、樣本的料液流量、萃取劑流量、洗滌酸液流量、料液組分濃度和稀土元素組分含量預(yù)測估計(jì)值構(gòu)成的LSSVM離線軟測量模型存儲到稀土元素組分含量離線軟測量模型庫中，重復(fù)執(zhí)行步驟1-（4）~1-（6），直到所有種類的稀土原料的LSSVM模型建立完成；

步驟2：采集當(dāng)前實(shí)際工況稀土原料的數(shù)據(jù)，從步驟1-（7）中所建立的稀土元素組分含量LSSVM離線軟測量模型庫中，選擇與當(dāng)前稀土原料成分最相近的稀土原料的LSSVM離線軟測量模型作為當(dāng)前稀土原料的組分含量軟測量模型，并將LSSVM離線軟測量模型計(jì)算出的組分含量的預(yù)測估計(jì)值，與工藝目標(biāo)設(shè)定值之間偏差的平方最小化作為優(yōu)化目標(biāo)，建立稀土元素組分含量靜態(tài)操作優(yōu)化模型，采用改進(jìn)差分進(jìn)化算法求解靜態(tài)操作優(yōu)化模型，得到V_O，V_F，V_W三個(gè)控制變量的優(yōu)化設(shè)定值，下發(fā)到稀土料液流量控制器、萃取劑流量控制器、洗滌酸液流量控制器執(zhí)行；

具體步驟是：

（1）采集當(dāng)前實(shí)際工況稀土原料的數(shù)據(jù)信息，從步驟1-（7）中所建立的稀土元素組分含量LSSVM離線軟測量模型庫中，選擇與當(dāng)前稀土原料成分最相近的稀土原料的LSSVM離線軟測量模型作為當(dāng)前稀土原料的組分含量軟測量模型；

（2）以LSSVM離線軟測量模型計(jì)算出的組分含量的預(yù)測估計(jì)值與工藝設(shè)定的稀土元素目標(biāo)組分含量值之間偏差的平方最小化作為優(yōu)化目標(biāo)，建立稀土元素組分含量靜態(tài)操作優(yōu)化模型，即：

Minimize???????????????????????????????????????????????(4)

其中，為由LSSVM軟測量模型計(jì)算出的組分含量的估計(jì)值，γ和σ²是步驟1-（6）中所求得的針對當(dāng)前稀土原料的LSSVM模型的兩個(gè)參數(shù)；y_o為工藝設(shè)定的稀土元素目標(biāo)組分含量值；V_O，V_F，V_W分別是萃取劑、料液和洗滌酸液的流量，為控制變量；X_F表示料液的組分濃度，為已知量；

以各控制變量的上下限作為約束條件，即：

????????????????????????????????????????????????(5)

????????????????????????????????????????????????(6)

????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????(7)

其中V_O,min，V_O,max，V_F,min，V_F,max，V_W,min，V_Wmax分別為V_O，V_F，V_W的最小和最大值；

（3）采用如1-（6）所示的改進(jìn)的差分進(jìn)化算法求解模型(4)-(7)，在該算法中解向量由V_O，V_F，V_W三個(gè)控制變量組成，經(jīng)算法求解后得到V_O，V_F，V_W三個(gè)控制變量的優(yōu)化設(shè)定值，下發(fā)到稀土料液流量控制器、萃取劑流量控制器和洗滌酸液流量控制器執(zhí)行；

（4）使用滑動時(shí)間窗方法更新軟測量模型，即每當(dāng)實(shí)驗(yàn)室完成稀土元素的離線檢測之后，將該檢測結(jié)果及其對應(yīng)的V_O，V_F，V_W三個(gè)控制變量值和料液組分濃度作為一個(gè)新樣本加入到步驟1-（3）的n個(gè)樣本數(shù)據(jù)中，同時(shí)將樣本數(shù)據(jù)集合中的第一個(gè)樣本數(shù)據(jù)刪除，再調(diào)用步驟1-（4）~1-（6）中的方法重新訓(xùn)練LSSVM模型，實(shí)現(xiàn)LSSVM模型的動態(tài)更新，保證LSSVM模型總是根據(jù)最近3個(gè)月的數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到的；

步驟3：檢測生產(chǎn)擾動，實(shí)時(shí)檢測由LSSVM離線軟測量模型計(jì)算出的組分含量的預(yù)測估計(jì)值與工藝設(shè)定的稀土元素目標(biāo)組分含量值之間的偏差，當(dāng)該偏差未超過預(yù)先設(shè)定的閥值q時(shí)，仍保持當(dāng)前的控制變量值V_O，V_F，V_W不變，繼續(xù)進(jìn)行稀土萃取；否則，認(rèn)為出現(xiàn)較大擾動，進(jìn)行動態(tài)操作優(yōu)化，確定三個(gè)控制變量的最優(yōu)調(diào)整量，以保證稀土元素組分含量值達(dá)到其目標(biāo)設(shè)定值；

所述的進(jìn)行動態(tài)操作優(yōu)化的具體步驟是：

（1）以調(diào)整時(shí)間T_f內(nèi)稀土元素組分含量預(yù)測估計(jì)值與稀土元素目標(biāo)組分含量值之間的累計(jì)偏差最小化為目標(biāo)，建立稀土元素組分含量的動態(tài)操作優(yōu)化模型：

Minimize???????????????????????????????????????????????????????????????????????????(8)

其中，表示t時(shí)刻(0tT_f)稀土元素組分含量的預(yù)測值，分別表示t時(shí)刻(0tT_f)的萃取劑、料液和洗滌酸液流量值，并且，，，其中分別表示調(diào)整前的萃取劑、料液和洗滌酸液流量值；

采用各控制變量調(diào)整量的上下限作為模型的約束條件，具體包括：

萃取劑流量調(diào)整量?V_O上下限約束：???????????????????????????????????????(9)

料液流量調(diào)整量?V_F上下限約束：????????????????????????????????????(10)

洗滌酸液流量調(diào)整量?V_W上下限約束：??????????????????????????????????(11)

其中，?V_O,min，?V_O,max，?V_F,min，?V_F,max，?V_W,min，?V_Wmax分別為?V_O，?V_F，?V_W的最小和最大值；

（2）采用如1-（6）所述的改進(jìn)的差分進(jìn)化算法求解模型?(8)-(11)，求得的解向量由?V_O，?V_F，?V_W三個(gè)控制變量組成；

（3）將控制變量的最優(yōu)調(diào)整量下發(fā)到流量回路控制器，即稀土料液流量控制器、萃取劑流量控制器、洗滌酸液流量控制器，通過對各控制變量的流量進(jìn)行M次連續(xù)并且均勻地調(diào)整，使得產(chǎn)品的組分含量盡快達(dá)到目標(biāo)設(shè)定值；

（4）重復(fù)執(zhí)行步驟2-（4）~3-（3），實(shí)現(xiàn)稀土串級萃取生產(chǎn)過程的動態(tài)操作優(yōu)化，直至稀土原料萃取生產(chǎn)過程結(jié)束。