一种带时延估计的加权高斯模型软测量建模方法技术

本发明专利技术公开了一种带时延估计的加权高斯模型软测量建模方法，属于复杂工业过程建模和软测量领域。所述方法包括采用滑动灰关联度算法估计过程时延参数，提取过程时延信息；当新样本到来时，基于离线阶段估计的时延参数对建模样本进行重构；并通过相对于训练样本的权重，建立加权高斯模型，构建输入和输出变量的联合概率密度函数；最后，通过条件分布函数实时估计输出变量值对关键变量进行精确预测，通过一种直观有效的方式，同时计算复杂低，从过程历史数据库中提取变量的时滞信息用于软测量建模数据重构，校正了输入输出间实际的因果对应关系，有效的解决了过程随机噪声的干扰，得到更加精确的预测结果，从而提高产品质量，降低生产成本。

【技术实现步骤摘要】
一种带时延估计的加权高斯模型软测量建模方法
本专利技术涉及一种带时延估计的加权高斯模型软测量建模方法，属于复杂工业过程建模和软测量领域。
技术介绍
在实际工业过程中，一些关键变量的测量对于生产高质量的产品至关重要，但是在现有技术条件和经济代价等问题的约束下，使得直接获取关键变量变得十分困难；基于这样的背景下，软测量技术应运而生；它通过构建过程易测变量和关键变量的函数关系，来推断和估计难测的关键变量，因此得到了广泛应用。然而实际工业过程数据通常会因为测量变化和传输干扰等因素被随机噪声污染，从而表现出一定的不确定性。传统的建模方法如主成分回归((principlecomponentregression，PCR)、偏最小二乘回归(PartialLeastSquaresRegression，PLSR)、人工神经网络(ArtificialNeuralNetwork，ANN)和支持向量机(SupportVectorMachine，SVM)等都是确定性建模方法，往往会受到数据的随机噪声影响导致模型精度下降。为了更准确地对过程数据进行建模，基于数据密度分布的概率方法，如概率主成分回归(probabilisticprincipalcomponentanalysis，PPCR)和因子分析((Factoranalysis，FA)表现出一定的优势。考虑到大多数过程数据近似服从高斯分布，而简单的高斯模型不足以准确地捕捉数据结构。为了解决这一问题，基于高斯混合模型(GaussianMixedModel，GMM)的非线性建模方法得到应用。然而，在应用中仍然受到局限。比如，高斯成分个数不易确定，计算负荷和模型复杂性会随高斯成分个数成倍增加等。一些实际工业过程中存在着时延特性，如系统储蓄单元引起的容积时延，信号传输途中出现的纯时延，物料运输带来的滞后等。这些情况下，若采用不考虑时延特性的软测量建模方法，可能导致辅助变量与主导变量的因果关系发生改变，从而建立的模型精度较差。因此，为了更好地解释过程的因果性，建立精确的软测量模型，建模过程中考虑时延显得尤为重要。针对时延问题，已有许多学者展开了研究。FortunaL等利用过程装置工艺设计参数估计时延的大概范围，由于只是粗略地估计时延，因此模型预测精度较差；KomulainenT和ZhangJ通过计算输入输出变量间的相关系数来估计时延，只考虑了变量间线性关系，对于非线性过程可能得不到理想的效果；李妍君等采用模糊曲线分析估计时延参数，但是对样本个数却有一定的要求；阮宏镁等运用DE算法优化脱丁烷塔过程变量间的联合互信息来确定过程时延参数，但是智能优化算法容易陷入局部最优，计算复杂度较高。
技术实现思路
为了解决目前存在的问题，本专利技术提供了一种带时延估计的加权高斯模型软测量建模方法。滑动灰关联度分析作为一种异步比较变量间相关程度的方法，对样本的大小没有过高的要求，不需要满足典型的分布规律，而且可以对系统发展态势提供量化的度量，非常适合对工业过程进行时延估计。因此本专利技术采用该方法确定最优时延。通过引入不同的时延信息扩展输入变量，构造输入变量和输出变量之间的模糊逻辑，从而确定对输出变量最重要的输入变量所对应的时滞值，此时的时延参数则为该输入变量的最优时延。一种基于滑动灰关联分析(MGRA)的加权高斯模型回归在线软测量方法能够很好的处理时延和非线性，提高软测量模型的性能。离线阶段采用滑动灰关联度分析方法估计过程时延参数，以提高模型对过程状态的解释和逼近能力；当查询样本到来时，首先对建模样本进行重构；然后，计算历史样本和查询样本之间的距离，基于该距离来设置历史样本的权重，建立加权的高斯模型。最后，通过输入输出的条件密度函数，估计查询样本的预测输出值。针对实际化工过程存在的时延特性，同时考虑到过程数据中随机噪声的干扰，提出了一种基于滑动灰关联度分析的在线加权高斯模型软测量建模方法。首先采用滑动灰关联度算法估计过程时延参数，提取过程时延信息；当新样本到来时，基于离线阶段估计的时延参数对建模样本进行重构；并通过相对于训练样本的权重，建立加权高斯模型，构建输入和输出变量的联合概率密度函数；最后，通过条件分布函数实时估计输出变量值，实现对化工过程产品质量的在线估计，从而提高产量，降低生产成本。其中，基于局部加权学习的高斯模型(WeightedGaussianmodel，WGM)，可以逼近复杂的非线性曲线，能够很好地捕获样本周围的局部数据结构。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：基于滑动灰关联度分析的在线加权高斯模型软测量建模方法，所述方法包括以下过程：针对实际化工过程存在的时延特性，同时考虑到过程数据中随机噪声的干扰，用滑动灰关联度分析算法对过程数据进行分析，确定出各输入变量的最优时延参数，并进行数据的重构。当新样本到来时，基于离线阶段估计的时延参数对建模样本进行重构；并通过相对于训练样本的权重，建立加权高斯模型，构建输入和输出变量的联合概率密度函数；最后，通过条件分布函数即可实现对关键变量的精确预测，从而提高产品质量，降低生产成本。所述一种带时延估计的加权高斯模型软测量建模方法，包括：步骤1：获取历史采样输入和输出数据，组成历史训练样本数据库；根据过程机理和经验确定最大时延参数Tmax；步骤2：将历史训练样本数据库中的训练样本数据进行归一化处理，通过滑动灰关联度分析算法确定各输入变量的最优时延参数，所述最优时延参数定义为λ1,λ2,,,λm；其中m为训练样本的维度；步骤3：对训练样本数据按照滑动灰关联度分析算法确定的最优时延参数进行数据重构；步骤4：当查询样本xq到来时，在线对查询样本xq建立加权高斯模型。可选的，所述通过滑动灰关联度分析确定各输入变量的最优时延参数，包括：通过滑动灰关联度分析算法选择重要的输入变量：构建输入和输出变量之间的函数关系，从而确定对输出变量重要的输入变量；假设有m个输入变量{xi,i＝1,2,...,m}和输出变量y，采集到的样本个数为n，令xi(t)为第t时刻样本的第i个变量，y(t)为对应的输出变量；引入时滞信息，原有的输入变量xi转变为Tmax+1维：{xi(t),xi(t-1),…,xi(t-λ),…,xi(t-Tmax)}，其中，t为输出变量的采样时刻，λ为待确定的时延变量；对于每个输入变量xi(t-λ),i＝1,2,...,m在t时刻与其输出变量y(t)的关联系数定义为：式(1)中，r(xi(t-λ),y(t))表示t时刻第i个变量时延值为λ的滑动灰关联度大小；ρ∈[0,1]，为分辨系数；通过式(1)得到n个样本的关联系数，对于一个整体的待比较数列而言，定义其灰关联度为：对r(xi,λ,y)按大小进行排序，得到各个时延参数下辅助变量对主导变量的重要程度；根据各个时延参数下辅助变量对主导变量的重要程度确定各输入变量的最优时延参数。可选的，所述根据各个时延参数下辅助变量对主导变量的重要程度确定各输入变量的最优时延参数，包括：若式(2)得到的灰关联度r(xi,λ,y)越接近1，相对应的辅助变量xi(t-λ)对主导变量的贡献率越大；由此确定各输入变量的最优的时延参数。可选的，所述当查询样本xq到来时，在线对查询样本xq建立加权高斯模型，包括：历史训练样本数据库中的输入样本x本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带时延估计的加权高斯模型软测量建模方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1：获取历史采样输入和输出数据，组成历史训练样本数据库；根据过程机理和经验确定最大时延参数Tmax；步骤2：将历史训练样本数据库中的训练样本数据进行归一化处理，通过滑动灰关联度分析算法确定各输入变量的最优时延参数，所述最优时延参数定义为λ1,λ2,,,λm；其中m为训练样本的维度；步骤3：对训练样本数据按照滑动灰关联度分析算法确定的最优时延参数进行数据重构；步骤4：当查询样本xq到来时，在线对查询样本xq建立加权高斯模型。

【技术特征摘要】
1.一种带时延估计的加权高斯模型软测量建模方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1：获取历史采样输入和输出数据，组成历史训练样本数据库；根据过程机理和经验确定最大时延参数Tmax；步骤2：将历史训练样本数据库中的训练样本数据进行归一化处理，通过滑动灰关联度分析算法确定各输入变量的最优时延参数，所述最优时延参数定义为λ1,λ2,,,λm；其中m为训练样本的维度；步骤3：对训练样本数据按照滑动灰关联度分析算法确定的最优时延参数进行数据重构；步骤4：当查询样本xq到来时，在线对查询样本xq建立加权高斯模型。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过滑动灰关联度分析确定各输入变量的最优时延参数，包括：通过滑动灰关联度分析算法选择重要的输入变量：构建输入和输出变量之间的函数关系，从而确定对输出变量重要的输入变量；假设有m个输入变量{xi,i＝1,2,...,m}和输出变量y，采集到的样本个数为n，令xi(t)为第t时刻样本的第i个变量，y(t)为对应的输出变量；引入时滞信息，原有的输入变量xi转变为Tmax+1维：{xi(t),xi(t-1),…,xi(t-λ),…,xi(t-Tmax)}，其中，t为输出变量的采样时刻，λ为待确定的时延变量；对于每个输入变量xi(t-λ),i＝1,2,...,m在t时刻与其输出变量y(t)的关联系数定义为：式(1)中，r(xi(t-λ),y(t))表示t时刻第i个变量时延值为λ的滑动灰关联度大小；ρ∈[0,1]，为分辨系数；通过式(1)得到n个样本的关联系数，对于一个整体的待比较数列而言，定义其灰关联度为：对r(xi,λ,y)按大小进行排序，得到各个时延参数下辅助变量对主导变量的重要程度；根据各个时延参数下辅助变量对主导变量的重要程度确定各输入变量的最优时延参数。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据各个时延参数下辅助变量对主导变量的重要程度确定各输入变量的最优时延参数，包括：若式(2)得到的灰关联度r(xi,λ,y)越接近1，相对应...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊伟丽，车笑卿，马君霞，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32